利用Re―Os同位素体系对沥青直接定年方法进展

[摘 要]由于本身浓度级别低的限制，使Re-Os同位素体系研究从开创以来发展缓慢，离子探针技术的发展和高精度分析仪器的出现使Re-Os研究得到了蓬勃的发展，目前已经作为地质学上的一种有效的定年和示踪方法。本文对Re-Os同位素定年的基本原理、在烃源岩和烃类运移研究中的运用进行了论述。

[关键词]Re-Os同位素；沥青；定年方法

中图分类号：P597.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）05-0050-01

1.Re-Os同位素定年的基本原理

Re-Os同位素定年法是基于放射性的187Re通过β衰变产生187Os，从而引起Os同位素异常来计算地质年龄。其一般的衰变方程为：

其中，（1）式中的187Re和187Os分别代表矿物或者岩石样品中现在的含量；187Osi代表矿物或者岩石形成时最初具有的187Os的含量；λ为187Re的衰变常数，取1.666e-11yr-1（Smoliar MI等，1996）；t是矿物或岩石形成后的年龄。由于188Os不是放射成因的，样品中188Os的含量与初始值一致，因此可以将（1）式改写为：

从（2）式中可以看出，当（187Os/188Os）i和t是常数时，（187Os/188Os）与（187Re/188Os）成线性关系，对于一个岩体，如果在不同地点采集不同的样品，只要它们具有相同的成岩年龄和共同的初始值（187Os/188Os）i，那么样品分析所得到的分析结果应该落在以（187Os/188Os）为纵坐标、以（187Re/188Os）为横坐标的一条直线上（即等时线），该直线在纵坐标上的截距等于初始值（187Os/188Os）i，斜率为（eλt-1），由此可以得到岩石或矿物的形成年龄t。

另外，由于硅酸盐地壳与球粒陨石具有相似的187Os/188Os比率，因此有必要一个类似测量与球粒陨石偏差的参数，Walker等（1989）定义为γOs：

目前球粒陨石的187Os/188Os为0.12753。因此，从球粒陨石值计算出的γOs是百分比的偏差。

2.烃源岩中的Re-Os同位素体系

烃源岩中的Re、Os主要来源于当时的海水，其海水的氧化还原环境决定了Re、Os的含量，且具有不同的187Os/188Os初始值（Hannah.，et al.2006），同时也影响着烃源岩中的Re-Os地质时钟，因而有必要研究烃源岩中的Re-Os体系。

在氧化条件下，Re在海水中是以ReO4-的形式存在（Bruland，1983），且在海水中ReO4-具有高溶解度、十分容易迁移的特点。由于富有机质的沉积岩系形成于还原环境中，在还原条件下，海水中的ReO4-会被还原成溶解度较低的组分而被有机物吸附下来。在氧化条件下，海水中的Os是以HOsO5-形式存在，这种状态下的Os十分易于迁移，而在还原条件下，Os元素则是以低价形式存在且活动性很弱，因此在富有机质的、还原条件下的沉积环境中，高价态的Os被还原为低价态并被吸附下来（Peucker-Ehrenbrink，2000；Yoshiro et al，2007）。海水中Os元素80%来源于大陆，其余20%来自地外以及海底热液（Sharma M， 1997）。

在沉积环境中，有机物主要发育在沉积物与水交界面上或以下的位置，故Re、Os富集过程与沉积岩的接受沉积过程应该是一致的。因此，只要能确保沉积岩中的有机质中Re-Os同位素体系保持封闭，那么其构成的Re-Os同位素等时线能够厘定沉积的形成年代，通过计算所获得的Os同位素初始值能够反映出当时海水中的Os同位素比值。但是对于一些黑色岩系矿床来讲，由于富集金属元素，其形成机理有可能是有机质还原并富集了含有成矿元素的海底热液或深部流体。这时获得的Re-Os等时线初始Os同位素比值反映的不再是当时海水中的Os同位素的比值，而是海水与成矿流体中Os同位素混合的结果（Jiang et al， 2003）。

黑色页岩作为烃类（如石油和沥青）的潜在源岩，且黑色页岩中烃类的成熟过程并没有严重干扰页岩源岩的Re-Os体系。一些研究已经显示黑色页岩源岩可以高度富集Re和Os，其含量是地球地壳的10～30倍。黑色页岩中Re和Os可以以一种与有机质相关的有机络合物的形式存在。

3.运移烃类中的Re-Os同位素体系

如果Re和Os都存在于烃类和（或）沥青中，然后沥青中的Re-Os同位素体系可能产生出与沥青形成期有关的年代学信息。这反过来可能使油气运移的时间被约束，从而能更好地理解盆地史和油气系统中储层的油气充注。

根据富有机质地质样品不同的形成机理可以将其主要分为两大类。一类包括黑色页岩、油页岩、含有机质灰岩等黑色岩系，因为有机质中Re-Os同位素体系封闭计时的过程与黑色岩系的沉积过程是一致的，所以所获得的黑色岩系Re-Os同位素年龄反映的是黑色岩系形成的年龄。另一类富有机质地质样品为黑色岩系的衍生物如原油、沥青、油砂等，这类富有机质样品在形成的过程中会发生有机质的运移和富集，而在有机质的运移过程中，会因为Os同位素重新混合发生均一化而达到新的平衡，因此Re-Os同位素体系会重新计时。因此这类有机质样品Re-Os同位素年龄反映的是以黑色岩系为烃源岩发生熟化作用后有机流体运移的时代或油气藏发生破坏的年代。

沥青的广泛分布一般说明发生过大规模的油气运移或油气藏破坏的过程。有机流体形成沥青的过程中会丢失易挥发的组分，但Re、Os 元素并不会随之流失，反而会因为体积的减小形成富集，这样就提高了Os元素在有机质中含量。相对于前两种有机质样品而言，沥青具有易收集、纯度高、样品处理周期短的特点，此外，分布在孔洞中的沥青，相对能够保持较好的封闭性。

在油气的形成与运移的过程中，Re-Os同位素计时会因为Os同位素的均一化而重置，因此沥青的Re-Os同位素年龄能够反映出烃源岩发生熟化后油气发生运移以及油气藏破坏后的年龄。在一定范围内，不同位置的有机流体生成和运移的过程，同样也是使Re-Os同位素体系发生交换并重新达到平衡的过程，会使Re-Os同位素体系进行重新计时。那么由于油气因挥发降解后生成的沥青Re-Os同位素等时线年龄应该代表的是油气藏发生破坏的时间。而当有机流体发生了大规模、长距离运移，形成的沥青所代表的Re-Os同位素年龄才是油气运移的年龄。

沥青远高于地球地壳的Re和Os含量（Re=1-2ppb，Os=50ppt），这意味着沥青中的Re和Os在烃类成熟过程中主要继承于它的源（富含有机质的沉积岩），且烃类在运移过程中不从地壳单元中获取。此外，这些元素也以有机络合物的形式存在于富含有机质的沉积岩中，Re和Os存在于沥青和有机基质中也支持了这一看法。研究表明烃类成熟大体上不能扰动烃类成熟源岩单元的Re-Os体系，这意味着在生成的烃类与成熟源岩的这个过程中，Re/Os可能不存在较大的分馏。另外，Polaris地区的MVT矿床中的沥青，发现由运移烃类衍生出来的沥青具有不同的187Os/188Os初始值，这可能是由一系列过程造成的，那么这就可以对沥青潜在的源岩进行指示。