氧碳同位素在湖相自生碳酸盐研究中的应用

王 迪，李 洁

（1.西北大学地质学系，陕西 西安 710069；2.中国石油长庆油田分公司第一采油厂，陕西 延安 716000）

氧碳同位素分析，很早以前，就被成功应用于重建地质历史时期中，海洋环境的循环和演化中。经过多年不懈的努力，湖相自生碳酸盐的氧碳同位素也已成为研究古沉积环境变化的重要指标，被广泛应用于古湖泊的温度、盐度和气候的恢复[2]。大部分观点已得到了很多学者的认同，例如开放性和封闭性湖泊氧碳同位素之间相关性的差异。

1 实验方法

测定碳酸盐的氧碳同位素必须选择湖积物中的次生碳酸盐进行分析测试，由于物源区的母岩中也存在碳酸盐，因此自生碳酸盐的氧碳同位素才能真实的反映当时湖水的状态。根据Fontes等的分析结论，原生碳酸盐一般小于40μm[3]。所以在实验开始前我们需要对样品进行预处理。用蒸馏水浸泡样品，随后在烧杯中放置一夜，之后倒入300目的筛子，过滤掉上面的杂质，将滤液倒入离心管中，离心180s，将上方混浊的液体全部倒掉，将剩余样品晾干放入试管，接下来就可以对氧碳同位素进行测定。首先将自生碳酸盐转化为纯正的二氧化碳气体，其次用MT250进行分析，最终数据就是样品原生碳酸盐的氧碳同位素组成。大多数研究都是采用McCrea法来制取二氧化碳气体，因为H3PO4蒸汽压较低，有利于将试管抽真空；并且中的O与生成的二氧化碳气体的反应中氧同位素的交换不是特别明显；由H3PO4反应生成的二氧化碳气体没有杂质气体存在。将H3PO4在80℃的温度下和自生碳酸盐反应从而得到较纯的二氧化碳气体[4]。H3PO4法反应公式如下：

3CaCO3+2H3PO4＝Ca3(PO4)2+3H2O+3CO2↑

2 氧碳同位素在古环境分析中的应用

2.1 古气候指示意义

气候较为干旱的封闭型湖泊中，原生碳酸盐的δ18O值主要由淡水注入与蒸发量的比值控制，反映了整个流域有效湿度。氧碳同位素的同步变化表明湖水滞留时间较长，同步增大表明蒸发作用越来越强，同步变小表明淡水的注入量占主导，气候较为湿润[5]。湖泊原生碳酸盐氧碳同位素的变化不同步解释起来比较困难。Fontes等认为，大气温度的变化可能是导致氧碳同位素的变化不同步的原因[3]。可能性有三：首先是水体温度升高导致自生碳酸盐δ18O值增大，但由于生物因素δ13C负漂移；其次是原生碳酸盐δ18O值因蒸发作用变强而增大，生物活动减少导致13C无法排除；最后是容易被分解的有机质在富氧环境下排除大量偏负13C的二氧化碳气体，导致自生碳酸盐13C值发生负漂移，使得负相关性较强，由于还原到氧化条件的变化导致原生碳酸盐δ18O值也因蒸发作用变强而增大。

2.2 δ13C和δ18O的古盐度意义

通常情况下，δ13C和δ18O随流体盐度增大而增大，与古盐度关系比较密切的是δ13C，而温度对其影响较小。Kelth和Weber提出利用碳酸盐岩的δ18O和δ13C区分侏罗世及时代更新的咸水碳酸盐岩和淡水碳酸盐岩的公式[6]：

Z=2.048× （δ13C+50）+0.498× （δ18O+50）

式中：δ13C和δ18O均以PDB为标准。Z值大于120时，为咸水碳酸盐岩，Z值小于120时，为淡水碳酸盐岩。

2.3 δ18O的古温度意义

δ18O与水体温度关系最为密切，在盐度较为稳定的条件下，δ18O随温度升高而降低[7]。根据不同温度下生成的海洋软体动物骨骼中碳酸钙的氧同位素分析，总结出利用δ18O计算古水体温度的公式。下面是Craig经修改过的古水体温度计算公式[8]:

t=16.9-4.2 （δc-δw）+0.13 （δc-δw)2

式中：t为自生碳酸盐形成的古水体温度，δcδw代表碳酸钙与磷酸作用（25℃）生成的二氧化碳及与水平衡的二氧化碳之间的δ18O的千分偏差。

Craig的分析测试表明，碳酸钙（PDB）与磷酸作用 （25℃）生成的二氧化碳和与水（SMOW），平衡得到的二氧化碳之间的δ18O的差别为+0.22[9]。因此，之后在实验中采取以PDB为标准的碳酸钙的δ18O值 [δ18O（碳酸钙）]和以SMOW为标准的水的δ18O值 [δ18O（水）]在用上式计算古温度时，需要添加校正值，公式为:

δc-δw=δ18OCaCO3+0.22

式中：的δ18O（CaCO3）是实测的以PDB为标准的碳酸盐岩样品的δ18O值，δ18O（H2O）是以SMOW为标准的H2O的δ18O值。

3 应注意的问题

湖泊沉积物中碳酸盐有混源的特点，既有来自陆源碎屑的碳酸盐，也有湖泊自生的碳酸盐。陆源碎屑的碳酸盐代表物源区，湖泊自生的碳酸盐主要受沉积环境影响，所以怎样区分二者尤为关键。第一种方法是对附近河流相的碳酸盐含量进行测定，若含量偏高说明物源区的原生碳酸盐含量较高；第二种方法是在显微镜下观察碳酸盐矿物的晶体形态，原生碳酸盐矿物搬运距离较远，磨圆度较好，而自生碳酸盐主要以他形为主，形状不规则；三是碳酸盐粒径大小，原生碳酸盐颗粒比湖泊次生碳酸盐较粗，而湖泊自生碳酸盐可能较细。

4 结论

氧碳同位素分析，经过60多年不断进步，已经成为恢复古沉积环境的重要方法，其作用甚至比一些传统方法更加有效和实用。但是，由于沉积岩的成岩和后期改造作用的复杂性，使得解释结论具有多解性。因此，要充分利用氧碳同位素与沉积学相结合的方法，在一定的地质背景的基础上才能更好的发挥作用。