Datación ESR de la "capa tonta" y su aplicación

Ye Yuguang, Diao Shaobo, Wu Xianglong

(Laboratorio Abierto de Investigación de Sedimentación Marina, Ministerio de Tierras y Recursos) (Instituto de Geología Marina, Ministerio de Tierras y Recursos)

Palabras clave. "Capa muda", datación ESR, cuarzo, vacantes de oxígeno

La llamada "capa muda" no ha podido determinar su edad geológica debido a la falta de datos sobre la edad de los fósiles e isótopos, lo que ha traído dificultades al estudio en profundidad de la geología del petróleo muchas dificultades.

La llamada "capa muda" en la exploración petrolera carece tanto de fósiles biológicos como de datos sobre la edad de los isótopos. Actualmente es imposible determinar su edad geológica, lo que plantea muchas dificultades para la investigación en profundidad sobre la geología del petróleo. El uso de la tecnología ESR (resonancia de espín electrónico) para probar la concentración relativa de las vacantes de oxígeno en el cuarzo y encontrar su correlación con la dosis total (que puede convertirse en edad de depósito) se ha convertido en un medio importante para determinar la edad geológica de las "capas tontas". . Se ha convertido en una herramienta importante para determinar la edad geológica de las "pseudocapas". El uso de la tecnología ESR puede actualizar más fácilmente unidades estratigráficas a unidades cronoestratigráficas, lo que ayuda a distinguir entre cuencas de petróleo y gas u otras cuencas sedimentarias de diferentes orígenes, entre la periferia de cada cuenca y el interior de la cuenca, e incluso con estándares internacionales. Secciones estratigráficas. Realizar comparaciones estratigráficas. También ayuda a abrir nuevas ideas en lo que a cronología se refiere.

1 Principios y descripción general de la datación ESR por vacantes de oxígeno de cuarzo

La datación ESR es una nueva tecnología de datación que se ha desarrollado rápidamente en los últimos años (W.J. Rink, 1997). Las rocas expuestas a la superficie de la Tierra se descomponen por la erosión, se descomponen y son transportadas y depositadas en la tierra y los océanos por la acción del agua, el viento y otras fuerzas. Cuando estos propios materiales y los materiales ambientales circundantes se exponen a la radiación ionizante causada por sustancias radiactivas como el uranio, el torio y el potasio, se generarán algunos defectos dentro de los materiales y se formarán algunos electrones libres. Cuando estos electrones libres son capturados por otras impurezas o defectos, forman centros de electrones atrapados (como los centros E′, Ge y Ti del cuarzo), o los átomos originales pierden electrones y forman centros huecos (como los OHC y Al). centros de cuarzo). Estos centros de electrones y huecos atrapados son magnéticos porque contienen electrones desacoplados, y la concentración de estos electrones desacoplados en el material aumenta en proporción directa al tiempo de enterramiento. Los espectrómetros ESR son los únicos instrumentos analíticos modernos que detectan electrones desacoplados. La concentración de electrones desacoplados en una sustancia se detecta mediante el efecto de absorción de los electrones desacoplados en las microondas incidentes. La energía de microondas absorbida es proporcional a la cantidad de espín y se puede mostrar en el espectro ESR, logrando así el propósito de datar.

La datación ESR se utiliza principalmente en la geología del Cuaternario. A.L. Odom y W.J. Rink (1988) informaron por primera vez de la relación entre la intensidad de la señal ESR de los centros E′ y los radicales peroxilo en el cuarzo de granito y los isótopos radiactivos de la muestra. .relacionados con la edad y creen que estos centros son causados ​​por un reflejo dentro del cristal de cuarzo, lo que sugiere que los centros E ′ y los radicales peroxilo en el cuarzo son causados ​​por un reflejo. Los centros "E" y los radicales peroxilo del cuarzo se pueden utilizar como instrumentos de datación geológica. También señalaron que las vacantes de oxígeno en el cuarzo se acumulan naturalmente y son relativamente estables a lo largo del tiempo geológico, pero no propusieron un método para probar las vacantes de oxígeno. Este artículo recibió una gran respuesta después de su publicación y fue considerado un gran avance en la datación por ESR con cuarzo. El conocido experto en ESR R. Grun (1989) elogió esto y consideró que la historia de toda la Tierra se puede medir a partir de muestras de cuarzo utilizando la tecnología ESR. (Toyota et al. (1992) informaron una correlación positiva entre la concentración de vacantes de oxígeno del cuarzo en rocas volcánicas y su edad de radioisótopo. Utilizaron tecnología de activación térmica para probar la señal ESR del núcleo E′ en cuarzo para reemplazar la vacancia relativa de oxígeno. concentración, lo que simplificó enormemente el experimento y facilitó las mediciones. Llegaron a la conclusión de que los rayos beta y gamma naturales son la causa principal del aumento de la concentración de vacantes de oxígeno en el cuarzo durante un largo tiempo geológico. Según esta visión, atribuyeron la edad del radioisótopo. En el coeficiente de correlación entre la dosis total recibida por el cuarzo y la concentración de vacantes de oxígeno de cuarzo, el coeficiente de correlación mejoró enormemente, lo que indica que la concentración de vacantes de oxígeno de cuarzo se puede utilizar como calendario geológico en el rango de Ma-Ga. de 12 Ma a 1700 Ma.

Figura 1 Modelo estructural de vacantes de oxígeno y núcleos E′ (adaptado de W.J. Rink, 1991)

Los círculos grandes representan silicio, los círculos pequeños representan oxígeno y las flechas representan electrones.

a-Posición normal de la red; b-Oxígeno reemplazado, formando vacantes de oxígeno; c-Capturando electrones libres, formando centros E′

Las vacantes de oxígeno en el cuarzo natural son difíciles de detectar y calibrar. , y el centro E′ es una señal muy característica del cuarzo. La clave técnica del experimento de Toyota es probar la señal ESR del centro E′ activado térmicamente para reemplazar la concentración relativa de las vacantes de oxígeno. Por lo tanto, es necesario introducir la relación entre los centros E′ y las vacantes de oxígeno. El modelo estructural de vacantes de oxígeno y centros E′ de cuarzo se muestra en la Figura 1.

Como se puede observar en la Figura 1, el centro E′ es un centro paramagnético formado por vacantes de oxígeno que capturan electrones. Sin vacantes de oxígeno, no habría centro E′. En el cristal de cuarzo, no sólo hay electrones defectuosos en niveles profundos como los centros E′, sino también muchos electrones defectuosos en niveles superficiales. Después de calentar a una temperatura determinada, algunos electrones defectuosos de nivel de energía superficial serán excitados y capturados por las vacantes de oxígeno para formar centros E′, hasta que todas las vacantes de oxígeno se llenen con electrones para formar centros E′. Sobre esta base, la concentración relativa de las vacantes de oxígeno se puede reemplazar probando la señal ESR del centro E′.

El informe de académicos estadounidenses y japoneses es de gran importancia académica, ya que revela muchas características nuevas de ESR del cuarzo y sienta una base teórica para la datación ESR del cuarzo antes del Cuaternario. Utilizamos los métodos experimentales de S. Toyoda para realizar estudios de datación ESR en sedimentos precuaternarios en varios campos petroleros en China, tratando de encontrar la relación entre la concentración de oxígeno vacante del cuarzo en los sedimentos y la dosis total (que puede convertirse en edad). ). correlación entre.

2 muestras y experimentos

Se tomaron muestras de los campos petrolíferos de Liaohe, Shengli Oilfield y Bohai Oilfield de los núcleos de perforación, y se tomaron muestras de la cuenca de la desembocadura del río Pearl en el Mar de China Meridional de la perforación. cortes y muestras del río Kuqa en la cuenca del Tarim. Las muestras para el perfil se tomaron de afloramientos de campo y las muestras se tomaron esencialmente de formaciones de arenisca; Las muestras se trituraron usando una trituradora de mandíbulas y una trituradora de discos. Las muestras individuales se trituraron ligeramente a mano y se tamizaron en agua para eliminar la parte con un tamaño de partícula de 0,1-0,25 mm y se enjuagó. y enjuague a 6 mol/L Remoje en solución de HCl durante más de un día y una noche para eliminar el carbonato y enjuague. Luego, las muestras se grabaron con ácido en HF concentrado durante 30 a 60 minutos para eliminar la capa superficial de cuarzo dañada por la radiación, se enjuagaron hasta neutralidad, se secaron a 40 °C y finalmente se usaron un separador magnético para eliminar los minerales magnéticos. La pureza del cuarzo seleccionado se determinó mediante difracción de rayos X para normalizar las señales de ESR medidas. Las muestras tratadas se activaron térmicamente según el método de S. Toyoda. La señal de los centros E′ de cuarzo activados térmicamente, como indicador de la concentración de vacantes de oxígeno, se probó con un espectrómetro ESR Bruker ECS-106 (con cavidad 4103TM de alta sensibilidad). Condiciones de prueba: temperatura ambiente, banda X, rango de escaneo del campo magnético (348 ± 2,5) mT, tiempo de conversión 5,12 ms (1024 puntos), constante de tiempo 40,96 ms, aumento 1×105, potencia de microondas 0,01 mW, tres pruebas consecutivas. Además, se extrajo una porción de la muestra original y se molió a través de una malla 160, y se analizaron los contenidos de uranio, torio y óxido de potasio utilizando un medidor láser de uranio, espectrofotometría colorimétrica y tecnología de absorción atómica, respectivamente, para calcular la contribución de dosis anual de sustancias ambientales. . La Figura 2 muestra un espectro ESR típico de la muestra.

Figura 2 Espectro ESR típico de la muestra

3 Aplicación geológica

3.1 Depresión de Liaohe

La muestra fue tomada de la arenisca Shamea en la depresión, desde la parte superior de una sección de la Formación Dongying hasta el fondo de la tercera sección de la Formación Shahejie, la edad varía de 24,7 a 42,4 Ma, y la dosis total absorbida correspondiente varía de 95095Gy a 212424Gy. La concentración de vacantes de oxígeno medida se normalizó en la muestra. La concentración de vacantes de oxígeno normalizada medida se relacionó con la dosis absorbida total correspondiente, representada en la Figura 3, con un coeficiente de correlación de 0,94, que es una relación lineal bastante buena (Ye Y.G., 1998). Con base en los resultados anteriores, Ye Y.G. et al. (1996) propusieron un modelo de datación ESR para sedimentos precuaternarios en cuencas petroleras. Un gran número de experimentos han demostrado que en muestras de cuarzo natural que no se han roto ni erosionado, las señales ESR de las vacantes de oxígeno y los núcleos E′ a menudo no se observan. Las señales ahora observadas se forman después de romperse y erosionarse.

Situación general de los sedimentos en la Depresión de Liaohe

Figura 3 Relación entre la concentración de vacantes de oxígeno de cuarzo y la dosis total en los sedimentos de la Cuenca de Liaohe

. Puntos de datos discretos medidos; - Puntos de datos de regresión medidos

Desde la perspectiva de la era Arcaica y Proterozoica alrededor de la depresión, estos antiguos sistemas rocosos fueron transportados y depositados en la depresión después de ser erosionados y rotos, y su erosión. tiempo En comparación con el tiempo de entierro de los sedimentos, que es relativamente corto, la mayoría de las vacantes de oxígeno de cuarzo observadas y las señales de ESR del núcleo E ′ se formaron después del entierro. Por otro lado, estos materiales erosionados sólo existen en la superficie de sistemas rocosos antiguos. Sólo después de su transporte la meteorización puede seguir penetrando profundamente en la roca. Un elemento central de este modelo es la idea de que las vacantes de oxígeno en el cuarzo de los sedimentos existían mucho más tiempo antes de la deposición (durante la erosión y la denudación) que durante el entierro (Paleoproterozoico-Triásico). En otras palabras, la concentración de vacantes de oxígeno del cuarzo en los sedimentos de las depresiones que estamos probando se produce principalmente por la radiación ionizante β y γ de uranio, torio y potasio en materiales ambientales después de la sedimentación y el entierro. Este modelo explica mejor los resultados experimentales de la Depresión de Liaohe.

3.2 Campo petrolífero de Shengli

Las condiciones geológicas del campo petrolífero de Shengli son muy complejas. A pesar de esto, establecimos con éxito una secuencia de datación ESR desde la sección estratigráfica de Dongying hasta la sección estratigráfica de Kongdian en Dongying Sag, proponiendo así por primera vez la secuencia de edad absoluta del Paleógeno del campo petrolífero de Shengli, complementando y mejorando la relación entre los Paleógeno y Edad Media. Se dan las edades absolutas correspondientes para los límites del Plioceno, los límites del Eoceno temprano y tardío, y los límites del Eoceno y el Eoceno. Sobre esta base, también se determinaron los límites entre el Neógeno y el Mioceno, los límites entre el Pleistoceno temprano y el Pleistoceno tardío, y los límites entre el Eoceno y el Eoceno, y se dieron los correspondientes valores de edad absoluta. Estas edades ESR fueron reconocidas por Shengli Oilfield, que compiló una nueva cronología geológica cenozoica de Shengli Oilfield basada en datos anteriores y combinada con edades ESR. La Figura 4 muestra la relación entre la señal ESR del Dongying Sag y la dosis absorbida de vacancia de oxígeno de cuarzo. El coeficiente de correlación es tan alto como 0,98

3,3 Sección geológica del río Kuqa

El Kuqa. La zona es el Mesozoico y Cenozoico de la Cuenca del Tarim. La zona con la exposición estratigráfica más completa, especialmente el tramo del río Kuqa, es la más representativa. En esta sección tomamos muestras sistemáticamente de estratos del Pérmico Superior al Neógeno. Debido a los efectos térmicos de las rocas intrusivas y la combustión espontánea de las vetas de carbón del Triásico Tardío y Jurásico Medio, las vacantes de oxígeno en el cuarzo en las rocas del Pérmico Tardío al Jurásico Medio estaban parcialmente recocidas (Ye Yuguang et al., 1998), por lo que no pueden ser utilizado en este estudio. Por el contrario, la relación entre la señal ESR de las vacantes de oxígeno de cuarzo y la dosis total en muestras de la Formación Qigu del Jurásico Superior a la Formación Neógena Kangcun (todas ubicadas en la orilla occidental del río Kuqa) se muestra en la Figura 5, que también muestra una relación lineal obvia, el coeficiente de correlación es tan alto como 0,97. 4 La relación entre la intensidad de la señal ESR de vacancia de oxígeno de cuarzo y la dosis absorbida en la depresión de Dongying

Figura 5 La relación entre la vacante de oxígeno de cuarzo. Intensidad de la señal ESR y dosis absorbida en el río Kuqa

I es el gráfico de regresión lineal de 9 muestras; II es el gráfico de regresión lineal de 10 muestras

3.4 Yacimiento petrolífero de Bohai

Se tomaron dos muestras del campo petrolífero* **Se tomaron 59 núcleos de arenisca para experimentos de datación ESR El Instituto de Investigación del Petróleo de Bohai elogió nuestros resultados experimentales y consideró que la tasa de éxito de la formación del método ESR. alcanzó el 70%, y la tasa de éxito de formación del método ESR alcanzó el 70% %, que es mucho más alta que la tasa de éxito de formación del 17% del método K-Ar utilizado en esta área, y se recomienda probarlo en el. Zona del mar de Bohai. La Figura 6 es un diagrama de correlación entre la señal ESR de vacancia de oxígeno de cuarzo y la dosis recibida por la muestra. El coeficiente de correlación lineal puede alcanzar 0,94.

Figura 6 Diagrama de correlación lineal del campo petrolífero de Bohai

3.5 Cuenca de la desembocadura del río Perla

Según una gran cantidad de datos paleontológicos, la Formación del Río Perla y superiores en La cuenca de la desembocadura del río Pearl eran todos estratos marinos. La cuenca ha sido sumergida por el agua de mar para formar una cuenca oceánica unificada, y los sedimentos provienen principalmente del continente norte. Los sedimentos proceden principalmente del continente boreal. La Formación Zhuhai y la parte superior de la Formación Enping incluyen estratos tanto continentales como marinos. En ese momento, las inundaciones de agua de mar apenas habían comenzado. Algunas partes de la cuenca estaban sumergidas y otras todavía estaban en tierra. Las condiciones geológicas eran relativamente complejas. A partir de la Formación Zhuhai y delimitados por la Depresión de Huizhou, los estratos debajo de la Formación Zhuhai se dividen aproximadamente en partes este y oeste. El oeste es el antiguo delta del río Perla del período Zhuhai, y el este es el antiguo delta del río Hanjiang del período Zhuhai. Con base en esta situación, hicimos una regresión de tres diagramas de relaciones en la cuenca de la desembocadura del río Pearl.

Debido a que la situación fuente es clara, los coeficientes de correlación lineal de la regresión son muy altos y la precisión de la datación mejora considerablemente.

4 Discusión

A partir de los resultados de casi 300 núcleos de arenisca o muestras de recortes que recolectamos y probamos, la señal ESR de vacancia de oxígeno del cuarzo en el sedimento es consistente con el total recibido. de hecho, existe una fuerte relación lineal entre dosis, con coeficientes de correlación superiores a 0,8. Es muy probable que la concentración de vacantes de oxígeno del cuarzo se convierta en un nuevo cronómetro geológico para determinar la edad de la deposición de sedimentos.

Durante nuestro trabajo, también descubrimos que el modelo de datación ESR de sedimentos precuaternarios que propusimos inicialmente era demasiado idealista, y este modelo puede ser adecuado para la depresión de Liaohe, larga y estrecha, específica, pero para algunos. En otras cuencas es mucho más complejo, por lo que hay algunas cuestiones que es necesario considerar.

(1) Problema de fuente material Descubrimos que el coeficiente de correlación de las muestras de Jiyang Sag y Changwei Sag es menor que el de las muestras individuales de Jiyang Dongying Sag y Zhanjiang Sag, que pertenecen a la misma depresión; como Jiyang Sag El coeficiente de correlación de la depresión es mayor que el coeficiente de correlación de las dos muestras de depresión sumadas. Existe una situación similar en la cuenca de Bohai. Las señales ESR de las muestras de la Formación Dongying y la Formación Shahejie son en realidad mayores que las señales ESR de las muestras desde la Formación Kongdian hasta el Mesozoico. Esto muestra que diferentes fuentes de material afectan directamente el tamaño de la señal ESR de vacancia de oxígeno de cuarzo, afectando así el establecimiento de la curva de relación. En la cuenca de la desembocadura del río Perla, establecimos curvas de correlación correspondientes basadas en las condiciones geológicas reales, y el coeficiente de correlación ha mejorado considerablemente.

(2) Post-metamorfismo El post-metamorfismo de los sedimentos también tiene un gran impacto en la señal ESR del cuarzo. No es difícil encontrar este problema a partir de U, Th, K y otros indicadores geoquímicos de las muestras medidas. Algunas muestras con capas estratigráficas superiores e inferiores normales y señales ESR normales tienen repentinamente indicadores geoquímicos anormales. Dichas muestras afectarán en gran medida el ajuste de las curvas relevantes.

(3) Efecto térmico Según una investigación realizada por académicos japoneses, la señal ESR de las vacantes de oxígeno del cuarzo comienza a disminuir después de 300°C y desaparece completamente a 600°C. Hay muchos factores que hacen que el cuarzo se caliente en la formación, como el calentamiento de rocas intrusivas, el recubrimiento de rocas eruptivas y las cenizas volcánicas, que pueden calentar los sedimentos. Otro factor importante es la fractura, la fricción mecánica genera grandes cantidades de calor y puede recocer el cuarzo si se toman muestras en dicho lugar. El mejor ejemplo es la combustión espontánea de la veta de carbón del río Cooch, que recoce el cuarzo en la roca.

Los problemas anteriores afectarán el establecimiento de la curva de correlación y el cálculo de la edad de la ESR. Por lo tanto, estos problemas deben tenerse en cuenta al realizar el muestreo o la regresión de datos, y el éxito será mayor. Otros métodos de citas sufren el mismo problema.

A través de este estudio, se pueden extraer las siguientes conclusiones: De hecho, existe una fuerte relación lineal entre la concentración de vacantes de oxígeno del cuarzo en los sedimentos y la dosis recibida. Es posible que la concentración de vacantes de oxígeno del cuarzo sedimentario. Se puede utilizar una nueva cronología geológica en la gama Ma-Ga. Este método aún se encuentra en la etapa de exploración y todavía existen algunos problemas hasta que se desarrolle un método mejor, todavía tiene una gran vitalidad, especialmente para resolver el problema de la edad de la "capa tonta". Además de su importancia cronológica, las vacantes de oxígeno en el cuarzo también nos proporcionan mucha información útil sobre el origen, la redeposición y la historia térmica de los sedimentos, que sigue siendo útil para la división estratigráfica.

Referencias (omitidas)

(Actas de la Tercera Conferencia Académica Nacional sobre Estratigrafía, Geological Press, 2000, págs. 370-375)