塔里木盆地奥陶系古岩溶充填物的碳氧同位素特征
本研究对伦古地区奥陶系古岩溶缝洞系统的76个充填物(钙质、泥质和方解石)样品进行了分层采集，并进行了碳氧同位素测试分析(表5-3)。分析结果表明，充填矿物的稳定碳氧同位素明显反映了次生矿物的同位素丰度特征。
表5-3伦古地区奥陶系古岩溶缝洞系统充填物同位素特征
1.轮古西地区古岩溶裂隙充填物的碳氧同位素特征。
轮古西地区奥陶系碳酸盐岩缝洞充填物δ13C和δ18O值变化较大，δ13C值在-0.70‰~-6.50‰之间，平均值为-1.76 ‰。δ1O的值为-3.75 ‰ ~-17.10 ‰，平均值为-9.42%。。
基于PDB的测试结果表明，大多数现代海相无机碳酸盐岩的δ133值接近于0，δ 18O值也接近于0。而轮古西地区碳酸盐岩的δ13C和δ18O值与该值明显不同，也与泥盆系至寒武系海相碳酸盐岩原始氧同位素平均值(-4 ‰ ~-5 ‰)明显不同，特别是δ18O值明显为负值。
2.BG 17井东部古岩溶缝洞充填物的碳氧同位素特征。
从测试结果(表5-3)可以看出，BG17井东部奥陶系碳酸盐岩古岩溶缝洞系统充填物的δ13C和δ18O值变化较大，δ13C值在6.03‰~ 8.69‰之间；δ18O的值为-5.78 ‰ ~-17.28 ‰。古岩溶缝洞系统(溶洞、溶蚀缝和构造缝)中的充填物(钙质泥质岩和方解石)的δ13C和δ18O的分布也不同，但δ18O值明显为负值，表明古岩溶缝洞系统中的充填物受到大气淡水的影响，反映了当时风化壳的岩溶沉积环境。而回填物的δ13C值相对为负值，其物源可能来自石炭-二叠系。
从δ 13C-δ 18O图(图5-23A)可以看出，岩溶充填物中碳酸盐矿物的形成至少有四种不同的环境条件:第一种是在岩溶期风化壳的机械充填过程中形成的，充填物为泥质钙质沉积物，是在流水作用下机械充填形成的碳酸盐沉积物，处于相对干热的条件下。δ18O和δ13C较高，δ18O为-9.87 ‰ ~-5.78 ‰，δ13C为-4.01‰~ 2.16‰；第二类为后期形成的化学沉积充填，方解石的δ18O值明显为负值，反映方解石充填的形成与热液作用有明显的关系，而钙质泥质物的δ18O值明显为负值，反映早期充填的泥质物在后期受热液体作用下被钙胶结。δ18O为-17.28‰~-10.16‰，δ13C为-4.78 ‰~-1.20‰，主要充填于溶洞、岩溶裂隙或溶解构造裂隙中，充填过程缓慢。第三类为埋藏期的岩溶改造充填，充填物的δ18O值一般在-5.0 ‰ ~-10.0 ‰范围内，表明古岩溶缝洞系统充填物的形成受到大气淡水的影响，δ13C值相对为负值，反映物质来源可能来自石炭-二叠系，δ65438。第四类为早期充填方解石或钙质，大多无明显重结晶，主要反映早期充填环境的同位素特征。δ18O为-17.74 ‰ ~-12.40 ‰，δ13C为5.82 ‰ ~ 6.03 ‰。
图5-23伦古地区奥陶系岩溶缝洞系统充填物同位素特征。
ⅰ型和ⅱ型岩溶充填物中碳酸盐矿物的形成环境在伦古地区较为普遍，分别属于古岩溶缝洞系统充填和改造的主要时期。第三种主要分布在区域较高的部位，如BN112、BN141、BN14、BN18等。ⅳ类主要分布在埋藏岩溶地区。
溶洞和溶隙充填物形成的环境条件有三种，以ⅰ类和ⅱ类为主(图5-23B，C)。而构造裂缝充填的方解石与热液作用有明显的关系(图5-23D)。
3.伦古地区碳氧同位素指示的环境意义。
(1)氧同位素的环境意义
伦古地区古岩溶缝洞系统中方解石和钙质泥质充填物的δ18O值明显偏向负值，表明碳酸盐岩中的古岩溶缝洞系统充填物明显受大气淡水影响，反映了当时风化壳的岩溶成岩环境。一方面，碳酸盐岩富含18O，而大气水严重贫于18O；另一方面，大气水与碳酸盐岩之间的氧同位素交换明显依赖于温度的变化，即随着温度的升高，交换效果对18O古岩溶缝洞系统的充填较差，而大气水富集到18O，同时后期覆盖层厚度和温度的增加也有利于这种效果。因此，在数亿年的大气水(风化壳岩溶)和深埋热水的转化过程中，δ18O的值有明显的下降，δ18O具有随溶解强度的增加同时向低值和负值迁移的规律，表明溶解过程中存在由弱到强的同位素分馏效应。
(2)碳同位素的环境意义
由于大气水含碳量低，碳酸盐岩中碳的体积远大于成岩过程中与之发生反应的孔隙水的体积，孔隙水与碳酸盐岩的碳同位素交换不受温度变化的影响，因此碳酸盐岩基质和方解石胶结物中δ13C的组成自形成以来没有明显变化，虽然总体为负值，但仍接近其原始值。而古岩溶缝洞系统中充填物的δ13C值相对为负值，这是由于充填物主要来自风化壳岩溶期(加里东-海西早期和海西晚期)的石炭-二叠纪剥蚀地层。与奥陶系碳酸盐基质形成时的环境相比，两种外来碳储层，即氧化碳储层和还原碳储层之间的相对比例发生了变化。碳氧化物储存主要在碳酸盐沉积物中，以富含13C为特征。还原碳库为有机碳，其特征是富含12C。轮南-东河塘地区石炭系δ13C平均值为-3.17 ‰，与伦古7井区东部奥陶系古岩溶充填物的δ13C值非常接近。因此，伦古7井区东部奥陶系古岩溶充填物来源于石炭-二叠系。显然，石炭-二叠系的有机碳含量高于奥陶系。因此，伦古7井区东部洞穴沉积充填物的δ13C值低于伦古西区碳酸盐基质。另一方面，这也证明了古岩溶期和古岩溶缝洞系统充填物的物质来源。
(2)塔北露头区奥陶系古岩溶充填物的碳氧同位素特征。
塔北露头区奥陶系古岩溶充填矿物的稳定碳氧同位素清楚地反映了次生矿物的同位素丰度特征(表5-4)。与海相碳酸盐岩的同位素丰度[δ13C(PDB)一般为-1 ‰ ~ 2 ‰，变化范围为3 ‰ ~ 5 ‰]相比，塔北露头区奥陶系古岩溶缝洞充填物中的δ13C大部分小于-1.0 ‰，变化范围为7.28‰。
一般海相碳酸盐δ18O值为-1.5 ‰ ~-10 ‰，淡水碳酸盐δ10‰。塔北露头区碳酸盐充填物的δ18O值为-6.46 ‰ ~-14.54 ‰，明显低于基岩，表明岩溶充填物的形成环境更为复杂，18O含量因部分加热流体或同位素交代作用而降低。
根据δ13C-δ18O关系图(图5-24)分析，该区古岩溶充填矿物形成于五种不同的环境条件下:第一类为泥质钙泥沉积充填，是在流水作用下碳酸盐沉积伴随机械充填，形成于相对干热的条件下，δ18O为-8.99 ‰。第二类为早期方解石，野外观察到岩浆脉侵入的烤边，δ18O为-13.32‰~-11.46‰，δ13C为-1.24 ‰ ~-0.44 ‰。第三种是后期形成的化学沉积充填，主要充填在岩溶裂隙或溶解构造裂隙中。填充过程缓慢，持续时间长，呈多层状；第四种也是后期形成的化学沉积充填，主要见于洞壁，与石膏共生；第五类是早期古岩溶充填物，经历了重结晶作用。δ18O为-15.86 ‰ ~-15.05 ‰，δ13C为-4.33 ‰ ~-3.23 ‰，明显低于其他类型。
表5-4塔里木盆地北缘古岩溶充填矿物碳氧稳定同位素测试结果
图5-24塔里木盆地北缘古岩溶充填矿物δ 13C-δ 18O关系图
(3)塔河地区奥陶系古岩溶充填物的碳氧同位素特征。
从测试结果(表5-5)可以看出，塔河地区奥陶系碳酸盐岩古岩溶缝洞系充填物的δ13C和δ18O值变化较大，δ13C值为1.70 ‰ ~-6.67 ‰，δ18O值为-6。古岩溶缝洞系统中充填物的δ18O值明显为负值，表明古岩溶缝洞系统中充填物受到大气淡水的影响，反映了当时风化壳的岩溶沉积环境。
从δ 13C-δ 18O图(图5-25)可以看出，岩溶充填物中碳酸盐矿物的形成有两种不同的环境条件:第一种是在岩溶期风化壳的机械充填过程中形成的，充填物为泥质钙泥质沉积，是在流水作用下机械充填形成的碳酸盐沉积，处于相对干热的条件下。δ18O和δ13C较高，δ18O为-9.88 ‰ ~-6.60 ‰，δ13C为-0.74 ‰ ~-2.05 ‰。第二类为后期形成的化学沉积充填，方解石的δ18O值明显为负值，反映方解石充填的形成与热液作用有明显关系；钙质泥质物δ18O值也为负值，反映早期充填的泥质物在后期受热液体作用下被钙胶结，δ18O为-12.27‰~-10.17‰，主要充填于溶洞、岩溶裂隙或溶蚀构造裂隙中，充填过程缓慢，持续时间长。
塔河地区ⅰ类和ⅱ类岩溶充填物中碳酸盐矿物形成环境普遍，分别属于古岩溶缝洞系统充填和改造的主要时期。
一般来说，淡水淋滤、淋溶和有机酸介入岩溶过程中产生的沉积充填物的碳氧同位素值明显为负值。其中，早期表生和裸露环境下产生的岩溶充填物中氧同位素较丰富，δ18O值明显为负值，δ13C值变化不大；埋藏环境释压水中有机酸产生的沉积物中CO2含量较高，δ13C明显为负值，δ18O值也较低。在热水的作用下，有机质分解、甲烷化，水中的重同位素富集，导致沉积物δ13C较高，部分具有较高的正值。
图5-25塔河地区古岩溶缝洞系统充填物碳氧同位素关系图。
表5-5塔河地区古岩溶缝洞系统充填物的碳氧同位素特征