干酪根的δ¹³C值的影響因素及意義
提要
干酪根是指保存在沉積巖中無(wú)固定結(jié)構(gòu)和組成的難溶于一般有機(jī)溶劑的有機(jī)質(zhì)。干酪根的δ13C值的影響因素是多方面，主要有沉積巖的變質(zhì)的作用，以及：①生物的演變；②氣候的變化；③原始沉積及保存環(huán)境；④地質(zhì)歷史上的地質(zhì)旋回和海平的升降。研究干酪根的δ¹³C值可以提供一些有用的信息：①生物的演變；②氣候的變化；③原始沉積及保存環(huán)境；④地質(zhì)歷史上的地質(zhì)旋回和海平的升降。
干酪根是指保存在沉積巖中無(wú)固定結(jié)構(gòu)和組成的難溶于一般有機(jī)溶劑的有機(jī)質(zhì)。干酪根是地球上有機(jī)碳的重要存在形式，分布廣泛，是石油的重要母質(zhì)來(lái)源。由于干酪根是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無(wú)固定組成，加上熱演化和生物、物理化學(xué)的氧化作用，對(duì)干酪根的母質(zhì)來(lái)源的認(rèn)識(shí)一直發(fā)展比較緩慢。通常認(rèn)為干酪根的母質(zhì)來(lái)源是水生浮游植物，其次是浮游動(dòng)物，然后才是細(xì)菌。浮游動(dòng)物是以浮游植物為營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，因此它們之間的δ13C很接近。整體上浮游動(dòng)物相對(duì)浮游植物最多富集1‰δ¹³C，個(gè)體組織最多富集2‰δ¹³C，而極個(gè)別的情況不會(huì)超過(guò)3‰δ¹³C[1]。根據(jù)不同的干酪根中所含的δ¹³C值的差別，通常把干酪根分成三種類型，即Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型。對(duì)石油有重要意義的是Ⅰ型、Ⅱ型干酪根。Ⅰ型干酪根δ13C的變化區(qū)間是：-28.1—-31.9‰；Ⅱ型干酪根：-27.9—-31.2‰[2]。一般認(rèn)為陸相干酪根δ13C的變化區(qū)間是：-25—-35‰，而海相干酪根δ13C的變化區(qū)間則是：-19—-25‰。穩(wěn)定碳同位素是解釋干酪根母質(zhì)來(lái)源的重要途徑。這主要是由于在原始母質(zhì)進(jìn)入沉積環(huán)境中后，在沉積巖發(fā)生變質(zhì)前，不論是早期的成巖作用還是之后的熱成熟演化，其δ13C值都能很好的繼承母質(zhì)的δ13 C值并保持穩(wěn)定。但如果沉積巖發(fā)生變質(zhì)作用，那么海相沉積形成的干酪根的δ13C可能會(huì)接近陸相沉積形成的干酪根典型的δ¹³C值。因此單靠δ¹³C值來(lái)確定干酪根是海相的還是陸相的是不穩(wěn)定的。應(yīng)結(jié)合其它諸如地質(zhì)條件、古生物學(xué)等手段來(lái)進(jìn)一步加以確認(rèn)。假如后期的變質(zhì)作用對(duì)所有成因的δ¹³C值都產(chǎn)生了相同的作用，那么我們就可以根據(jù)干酪根的δ¹³C值對(duì)原始母質(zhì)的一些參數(shù)作一些大致的推測(cè)。而在這之前，我們必須先了解是什么因素影響了干酪根的δ¹³C值的分布。①原始母質(zhì)；②大氣中的二氧化碳；③選擇性保存；④二氧化碳的來(lái)源[3]。
1．原始母質(zhì)的影響
既然干酪根具有繼承其先質(zhì)碳同位素組成的能力，那么我們當(dāng)然認(rèn)為生物可能是影響干酪根的δ13C的重要因素。我們很容易想到海相成因的干酪根和其陸相成因的干酪根的δ13 C值區(qū)間與其相對(duì)應(yīng)的原始母質(zhì)的δ13C值區(qū)間具有驚人的相近性。如海相干酪根的δ13 C值區(qū)間是：-19—-25‰，而海水中的浮游植物δ13C值區(qū)間是：-18—-24‰。這似乎使我們更加信心百倍。然而在對(duì)引起這種δ13C值變動(dòng)（如海水中的浮游植物δ13C：-18—-24‰）的因素有足夠的了解之前，我們?nèi)孕柚?jǐn)慎從事。單靠溫度的作用顯然是不足以引起如此廣泛的同位素分餾。盡管有研究認(rèn)為在15℃以下，某些特殊的物種會(huì)富集12C。如一些硅藻特別是名為SkeletonemaCostatum，在冷水中能明顯富集12C[4]。但其它的研究并未找到溫度直接對(duì)同位素分餾產(chǎn)生影響的證據(jù)[5]。如果溫度對(duì)同位素分餾有影響的話，那么很可能是通過(guò)物種的改變間接作用的。Gearing的研究表明溫度對(duì)水生浮游植物的影響幾乎沒(méi)有或者不超過(guò)1‰（δ13C）[6]。既然溫度不是引起水生浮游植物同位素分餾的主要影響因素，那么另一種考慮可能是生物物種的差別的影響。Wong和Sackett（1978）對(duì)海相的17種浮游植物進(jìn)行研究后，發(fā)現(xiàn)17種浮游植物中δ13C值最低可至-35.5‰，表現(xiàn)出對(duì)12C明顯的富集；而最高的可至22.1‰，對(duì)二氧化碳的分餾極小[4]。并得出發(fā)生這種對(duì)二氧化碳不同的分餾水平是由于不同的浮游植物物種不同的生長(zhǎng)速度，認(rèn)為在生物固碳機(jī)理相同的情況下，快度生長(zhǎng)的物種比生長(zhǎng)緩慢的物種富集12C能力更弱一點(diǎn)。物種又可能因環(huán)境的變化而發(fā)生變異、進(jìn)化，或者物種組成發(fā)生變化，因此可以推測(cè)同一地區(qū)的干酪根可能會(huì)有幾套不同的δ13C值區(qū)間。
2．大氣中CO2的濃度
植物對(duì)穩(wěn)定碳同位素的分餾程度與大氣中的CO2的濃度成正相關(guān)。地質(zhì)歷史上大氣中CO2的濃度曾是現(xiàn)在的10倍左右。Degens(1968)的研究表明當(dāng)時(shí)的水生浮游植物會(huì)比現(xiàn)在的水生浮游植物多富集9‰的12C[7]。Arthur（1985）等在比較了白堊紀(jì)巖石的δ13C值和現(xiàn)代海洋沉積中δ13C值之后，認(rèn)為白堊紀(jì)巖石中的δ13C值低于現(xiàn)代海洋沉積中的值部分是由于當(dāng)時(shí)大氣中的CO2的濃度高于現(xiàn)今大氣中的濃度[8]。腐煤的δ13C值能反映維管植物對(duì)大氣中CO2的濃度的變化做出的反映。Park和Epsten(1960)的實(shí)驗(yàn)證實(shí)在大氣中的CO2的濃度高于現(xiàn)今9倍的情況下，陸生維管植物能富集4‰的12C[9]。但隨后Degens(1968)對(duì)顯生宙沉積巖中的腐煤和植物碎屑的δ13C值測(cè)定結(jié)果表明當(dāng)時(shí)的維管植物并不沒(méi)有像今天的C3維管植物那樣富集δ13C[7]。因此，大氣中的CO2的濃度可能不是影響干酪根δ13C值的主要因素。
3．選擇性保存
一般認(rèn)為浮游植物和動(dòng)物以及細(xì)菌主要由三種物質(zhì)構(gòu)成，即蛋白質(zhì)、碳水化合物、和脂類物質(zhì)。這三類物質(zhì)在氧化環(huán)境中極有可能被細(xì)菌降解。相對(duì)而言，脂類物質(zhì)抵抗降解的能力比較強(qiáng)[2]。因此，認(rèn)為干酪根是脂類物質(zhì)選擇性保存的結(jié)果。Degens(1968)通過(guò)對(duì)海相浮游植物的δ13C值研究，認(rèn)為相比于碳水化合物和蛋白質(zhì)，脂質(zhì)能相對(duì)富集12C達(dá)8‰到10‰[7]。盡管如此，Spiker（1986）證實(shí)即使是在最優(yōu)的厭氧條件下，藻類的殘?bào)w也僅僅能富集4‰12C[10]。還有一點(diǎn)需要考慮的是，碳水化合物和蛋白質(zhì)在沉積環(huán)境中可能因而聚合成復(fù)雜的化合物，從而有利于保存，并隨后和保存下來(lái)的脂質(zhì)形成干酪根。在此種條件下，碳水化合物和蛋白質(zhì)的δ13C值顯然會(huì)影響到隨后生成的干酪根中的δ13C值。
4．二氧化碳的來(lái)源
浮游植物所利用的溶解的CO2的來(lái)源的δ13C值對(duì)其δ13C值具有直接的影響。在現(xiàn)代海洋中，和大氣中的CO2的碳同位素保持平衡的溶解的CO2是浮游植物的主要碳來(lái)源。盡管上述平衡過(guò)程是深海（>500m）中的浮游植物的主要的碳來(lái)源，但是對(duì)地質(zhì)歷史上出現(xiàn)過(guò)的相對(duì)靜止的淺海（<200m）環(huán)境，沉積物中的有機(jī)質(zhì)的厭氧降解產(chǎn)生的CO2可能成為浮游植物的主要碳來(lái)源。這種生物成因的CO2相對(duì)富集12C。Deuser(1970)對(duì)黑海的研究證實(shí)，在海面以下靠近海底的水位上，其中溶解的CO2可相對(duì)富集高達(dá)7‰12C[11]。而且這種富集作用甚至可以向上延伸達(dá)2000多米。Mckenzie(1982)對(duì)成層湖相的研究也表明在光合作用帶的CO2相對(duì)富集7-13‰的12C，而浮游生物體內(nèi)的中δ13C值落至-35.5‰[12]。由于干酪根大都形成于靜水環(huán)境中，所以可推測(cè)的是淺水形成的干酪根的δ13C值要低于深水形成的干酪根的δ13C值。這也可以用來(lái)解釋為什么陸相形成的干酪根的δ13C值會(huì)低于海相形成的干酪根的δ13C值。同樣，由于地質(zhì)歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)構(gòu)造旋回，海平面時(shí)而深時(shí)而淺，因此，海相干酪根的δ13C值也有可能在沒(méi)有發(fā)生變質(zhì)作用的條件下和陸相的干酪根的δ13C值相近。
經(jīng)過(guò)分析，可以得到以下一些推論，即分析干酪根的δ13C值可以考察：①生物的演變；②氣候的變化；③原始沉積及保存環(huán)境；④地質(zhì)歷史上的地質(zhì)旋回和海平的升降。
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