- 里论外几
-
沉积有机质及其衍生物,如煤、油的同位素组成与下列因素有关:①原始沉积有机质的同位素组成;②在成岩阶段和随后的热演化过程中的同位素分馏。沉积物有机质中碳的最终来源是大气CO2或海相
。前者的δ13CPDB约为-7‰,而表层大洋水的δ13CPDB约为+2.2‰。由于在光合作用过程中的同位素分馏作用,无论与大气 CO2 还是水中溶解的CO2 相比,有机碳均具有较轻的碳同位素组成 (较低的δ13 C)。陆相 C3 植物δ13 C 为-25‰~-30‰,C4 植物δ13 C为-10‰~-15‰,而海相植物的碳同位素组成变化范围较大 (-5‰~-30‰),多数为-20‰~-28‰,比陆相 C3 植物碳同位素略重。不同的有机分子间碳同位素略有不同,脂类比糖类和蛋白质的碳同位素轻,但这种差异与光合作用过程的分馏作用相比要小。多数活的有机体δDSMOW为-60‰~-150‰,在此范围内,氢同位素的变化原因是氢循环过程中,氢同位素发生分馏造成的。与海相植物相比,陆相植物趋于贫氘,尤其是寒冷气候下生长的陆相植物明显贫氘。脂类化合物比其他有机质δD低 60‰或更多。多数干酪根、煤和石油具有相同δD含量范围,富含脂类的干酪根和油具有相对较低的δD值。沉积有机质的氮同位素比值一般可以反映源区生物的氮同位素组成,陆相植物比海相浮游生物δ15 NATM平均值略低 (Fogel et al.,1993)。成岩过程中,由于缩氨酸水解作用之后,细菌利用短链缩氨酸,因此δ15 N值多少都会降低 (Macko et al.,1993)。大多数情况下,成岩过程中有机碳的同位素分馏很小。因此,有机质的碳同位素与源区生物体碳同位素相差不大,石油和水中的沉积有机质和腐殖质比源区生物体的13 C 含量略低 (2‰~3‰)。造成上述情况的原因:首先是官能团,如羧基,相对富集13 C,在成岩过程和腐殖质的缩合过程中,羧基损失后,会使剩余的有机质δ13 C 值降低;其次是腐殖质和干酪根分子缩合作用的动力分馏;再者是蛋白质优先矿化和碳水化合物脱离富脂类残余体,这些残余体含较轻的碳同位素。在生油阶段热演化过程中,碳同位素分馏非常小,不成熟干酪根、沥青与干酪根相比,δ13 C值较低,但这种差异随着成熟度增加而减少。Sofer (1984)发现,石油的δ13 C 值与源岩干酪根相比只有 2‰的变化范围。因为石油的同位素组成与干酪根母质接近,同位素可以广泛地应用于石油工业勘探。但是,因为陆相和海相有机质同位素组成差异不很大,且不够系统,因此有机质的同位素比值并不能有效地区别沉积环境。在甲烷的形成过程中,碳和氢同位素存在明显的分馏作用,由图8-25可以看出,在成岩作用过程中,由产甲烷细菌作用生成的甲烷 (称为生物成因甲烷)13 C含量非常低,在深成热解作用过程中产出的甲烷,与共生的石油和干酪根的13 C 和氘含量都较低,这表明12 C-12 C 键的结合力与13 C-12 C键的结合力相比较低,因此前者更容易断裂。当进入变质阶段时,甲烷和剩余干酪根之间的同位素分馏下降,在这个阶段产出的甲烷同位素组成与干酪根同位素组成接近。洋中脊热液喷发口喷出的甲烷,普遍比生物成因甲烷和来源于沉积有机质热演化成因甲烷的δ13 C值偏高 (-15‰~+20‰) (图8-25)。在这些流体中,温度为 600~800℃时,甲烷和 CO2 间的同位素分馏达到了平衡 (Welhan et al.,1983)。
图8-25 不同成因甲烷同位素组成
(据Schoell,1984,有修改)
A表示洋中脊水热系统中无机成因甲烷的同位素组成范围