松辽盆地白垩纪综合年代地层格架

Integrated chronostratigraphic framework for Cretaceous strata in the Songliao Basin

摘要

白垩纪是典型的温室气候时期,也是全球大规模烃源岩形成时期,但对于温室气候背景下陆地的环境状态、气候变化、生命响应及其演化规律尚不清楚;陆相有机质及大规模烃源岩堆积与气候环境变化之间的关系还不明确。中国东北的松辽盆地发育了世界上最完整的白垩纪陆相沉积记录,烃源岩在盆地内广泛分布,是研究白垩纪陆地气候-环境变化和烃源岩形成机制的绝佳地点。但由于露头剖面沉积记录“连续性”和“完整性”较差,缺乏高精度的综合年代地层格架约束,导致松辽盆地的地层划分与对比存在较多争议,一定程度上阻碍了白垩纪陆地古气候、古环境演化的研究进程。松辽盆地国际大陆科学钻探计划实施的松科1井、松科2井和松科3井共钻取了8 197 m完整且连续的白垩纪陆相地层岩心记录。本文通过综合科探井岩石地层学、生物地层学、磁性地层学、同位素年代学和旋回地层学的研究成果,建立了松辽盆地白垩纪高分辨率综合年代地层格架,为探索白垩纪陆地深时气候-环境演化及服务松辽盆地油气勘探可持续发展提供了精细的年代学证据。

关键词

白垩纪 / 国际大陆科学钻探项目(ICDP) / 松辽盆地 / 地质年代学 / 旋回地层学

Key words

Cretaceous / International Continental Scientific Drilling Program (ICDP) / Songliao Basin / geochronology / cyclostratigraphy

0 引言

白垩纪是地质历史上重要的温室气候时期^[1],发生了大洋缺氧事件(oceanic anoxic events,OAEs)^[2⇓-4]、大洋红层和黑色页岩的沉积^[5-6]、大火成岩省(如Ontong Java,Deccan Trap和Rajmahal)^[7-8]、白垩纪正极性超时(Cretaceous Normal Superchron,CNS)^[9⇓-11]、小行星撞击事件^[12-13]和生物灭绝^{[14⇓⇓-17]}等一系列重大地质事件。松辽盆地的陆相地层记录了白垩纪生态环境、气候变化、生物演化和地质事件等信息^[3,18⇓-20],是研究白垩纪重大地质事件和全球气候变化响应的关键地区。前人在松辽盆地的构造演化、地壳结构、盆地充填序列、不整合面和热历史等方面做了大量的研究工作,将松辽盆地构造演化划分为前裂谷期、同裂谷期、后裂谷期和构造反转期四个阶段^{[21⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-30]},并在岩石地层学、生物地层学、同位素年代学和磁性地层学方面开展了部分工作,然而受到定年技术等因素的限制,并且缺乏完整的地层记录,导致松辽盆地的地层单元和年代地层框架仍存在较多争议^[19,31]。

大陆科学钻探工程作为人类入地计划的“望远镜”,是当代地球科学领域内具有划时代意义、带动地球科学和相关学科发展的大科学工程^[32]。由中国、美国和德国牵头的国际大陆科学钻探计划(International Continental Scientific Drilling Program, ICDP)成立于1996年,通过大陆科学钻探对岩石圈进行直接取样与观测,可以了解大洋及大陆的板块运动,地壳应力与地震活动、火山作用、深部资源、生命起源以及全球环境与气候变化,解决一系列重大基础科学问题^[32-33]。松辽盆地大陆科学钻探是我国获得ICDP资助的第3个项目,已钻取了全球最完整且连续的白垩系陆相沉积记录,为深入开展松辽盆地的地球科学综合研究提供了绝佳资料。对松辽盆地大陆科学钻探计划所获取连续岩心建立高精度绝对年代地层格架,是深刻理解白垩纪陆地古环境、古气候变化、生命演化和重大地质事件前提^{[34⇓⇓⇓-38]}。经过十余年的持续研究,松辽盆地大陆科学钻探研究团队已建立起新的综合年代地层格架并得到了广泛应用。本文全面、系统地总结了松辽盆地白垩纪大陆科学钻探高精度地质年代学的最新研究成果,为理解白垩纪陆地生命-环境演变及其对重大地质事件的响应提供了高精度地质年代约束。

1 地质概况

松辽盆地位于中国东北地区,长约500 km,宽约330~370 km,面积约26×10⁴ km²,呈北东南西向展布,在白垩纪时期位于北半球中高纬度地区(图1a)^[39-40]。

根据地层发育特征,可将盆地划分为北部倾没区、中央凹陷区、东北隆起区、东南隆起区、西南隆起区和西部斜坡区6个一级构造单元(图1b),盆地中心地层最大厚度约10 km,向盆地边缘逐渐变薄(图1c)。盆地内沉积了侏罗系、白垩系、古近系和新近系,其中白垩系是松辽盆地主体沉积地层。松辽盆地基底为古生界的变质岩和岩浆岩,主体沉积盆地可分为同裂谷期、后裂谷期和构造反转期。同裂谷期发育了下白垩统火石岭组(K₁h)、沙河子组(K₁sh)和营城组(K₁yc);后裂谷期是松辽盆地最重要的构造演化阶段,发育了下白垩统登娄库组(K₁d)和上白垩统泉头组(K₂q)、青山口组(K₂qn)、姚家组(K₂y)、嫩江组(K₂n)、四方台组(K₂s)、明水组(K₂m)^[21,23]。

松科1井是松辽盆地国际大陆科学钻探计划的第一阶段,共计获取了从晚白垩世泉头组上部至古近纪泰康组下部2 485.89 m岩心,取心率96.46%^[40]。松科1井实施的是两井取心方案(即北井和南井),两井井位相距约60 km,以嫩二段底部油页岩为标志层对松科1井北井和南井进行地层对比。松科1井北井设计的取心层段为嫩一段—泰康组底部,取心长度1 541.66 m,取心率为94.56%;松科1井南井钻取了泉三段—嫩二段底部,累计取心长度为944.23 m,取心率高达99.73%。松科2井位于松辽盆地徐家围子断陷宋站鼻状构造中^{[39⇓⇓-42]},完钻深度7 018 m,钻井取心进尺4 279.73 m,岩心总长4 134.81 m,取心率达到了96.61%。该井设计取心层位为下白垩统沙河子组—登娄库组底部并对嫩江组地层进行了补充取心,是目前为止在亚洲组织实施的最深科学钻井,也是国际大陆科学钻探计划成立以来实施的最深钻井^[41]。松科2井钻穿了松辽盆地白垩系,为白垩纪气候变化及松辽盆地深部能源勘探与开发的研究打开了“窗口”,提供了珍贵的地质资料。松科3井补全了松辽盆地白垩系全井段取心的最后一块拼图,钻探的地层属于地球历史最热的白垩纪中期。该井位于松辽盆地东南隆起区德惠断陷的鲍家洼陷内,针对下白垩统登娄库组登二段—上白垩统泉头组进行取心工作,实际取心长度1 566 m,取心率99.1%^[43](图 2^{[11,39-40,44⇓⇓⇓⇓⇓-50]} )。松科3井与松科1井(北井、南井)、松科2井连续取心资料共同组成松辽盆地白垩系完整陆相地层序列,对全面认识白垩纪古环境、古气候和科学评估油气资源具有关键作用。

2 松辽盆地地质年代学研究进展

2.1 岩石地层学

研究人员基于大陆科学钻探获取的岩心记录,建立了松辽盆地的岩石地层格架^{[39,43,51⇓⇓⇓-55]}。火石岭组—营城组形成于松辽盆地的同裂谷期,其中下白垩统火石岭组是松辽盆地白垩系最深的地质单元。通过对松科2井的岩心观察发现,火石岭组主要发育火成岩并含少量的沉积岩与浅变质沉积岩。在沉积岩层段发现了较多的砂砾岩、砂岩及火成岩等储层,主要表现为冲积扇亚相沉积(图3a),形成于断陷盆地形成初期,湖盆水体较浅^[56-57]。上覆沙河子组是松科2井主要的取心层段,主要为三角洲和浅湖相沉积(图3b)^[23,58-59]。李宏浩等^[58]和符伟等^[59]根据松科2井沙河子组的岩性变化,划分为上下两段:下段主要为粗粒沉积岩,由下到上为砾岩、粗砂岩过渡为细砂岩、粉砂岩;上段以细粒沉积为主,泥质含量较高,由下到上为砂砾岩、中-细砂岩过渡至粉砂岩、泥岩,顶部为一套深灰色粉砂质泥岩夹粗砂岩。高翔等^[55]精细地描述了松科2井营城组岩心,认为营城沉积时期火山活动频繁,地层厚度一般为500~1 000 m。在徐家围子断块内,最大厚度约2 900 m,确定出营城组以长英质火山岩为主要岩性,出现沉积碎屑岩和若干不连续煤层互层,顶部沉积了砾岩、火山岩、变质岩和花岗质碎屑岩。盆地边缘断裂带附近发育冲积扇、扇三角洲相,远离断裂的地方沉积有浅湖相泥岩和砂岩(图3c)^[23]。

松辽盆地自登娄库组沉积期开始进入后裂谷期,在松科3井中对登娄库组和泉头组进行了全井段取心,Li等^[23]和Feng等^[21]认为登娄库组主体为辫状河相沉积(图3d)。高航等^[43]对松科3井岩心进行了厘米级精细描述,自下而上岩性由含砾粗砂岩逐渐过渡到细砾岩和粉砂岩;登二段至登四段,粗砂岩和砾岩含量逐渐减少,粉砂岩和细砂岩逐渐增多;登四段上部至泉一段主要发育曲流河相、河漫滩微相的棕灰色泥岩,在泥岩中发育钙质结核,指示干旱、强蒸发的沉积环境^[43]。在泉头组中以细砂岩、粉砂岩和泥质粉砂岩为主,粗碎屑岩占比较少;由泉一段至泉三段,呈现砂岩含量逐渐减少,粉砂岩及更细粒级岩性逐渐增多的趋势^[43]。泉一段上部至泉三段下部三角洲相和湖泊相交替发育(图3e),反映湖进、湖退的交替过程,并发育棕灰色的泥岩、粉砂岩和砂岩;泉三段、泉四段沉积相以三角洲相和曲流河相为主逐渐过渡到浅湖相沉积,岩性为灰色、灰黑色的粉砂岩、泥岩(图3e)^[21]。

上覆青山口组、姚家组和嫩江组是松辽盆地地层学研究程度最高的层段,也是油气资源最富集的层段,沉积于盆地后裂谷期^[60]。松科1井获取了近完整的青山口组—嫩江组岩心记录。Gao等^[61]和王璞珺等^[62]对松科1井南井岩心进行了厘米级岩石地层学研究。青山口组由灰色、深灰色和黑色泥岩组成,下部夹泥灰岩和油页岩,沉积环境从深湖沉积—中、深湖—浅湖沉积,总体呈现湖水变浅趋势,沉积环境变化与Feng等^[21]结论一致(图3f,g)。姚家组形成于三角洲和浅湖环境,岩性为褐色、绿色和灰色泥岩和绿色泥质粉砂岩(图3h,i)^[21,63]。嫩江组一段和二段由深湖环境中形成的暗色泥岩与薄碳酸盐层、黑色页岩和油页岩夹层组成(图3j,k);嫩三、四段的浅湖—三角洲相过渡至嫩五段的曲流河相沉积(图3l-n),沉积环境由深水—浅水—水上,呈现出一个完整的盆地充填演化过程^[51-52]。嫩三段与嫩四段的沉积环境相近,嫩三段为一套灰黑色粉砂质泥岩、泥岩与灰白色泥质粉砂岩、砂岩互层;嫩四段为灰绿、灰白色砂岩、粉砂岩与灰绿色泥岩互层,上部见紫红、棕红色泥岩,下部夹灰黑、灰色泥岩;嫩五段岩性主要为灰绿、棕红色泥岩夹灰绿、灰白色砂岩、粉砂岩^[51,64]。此间,在青一段和嫩二段发生了大规模的海侵事件并导致大规模的湖泊缺氧事件(lake anoxic event, LAE(LAE1和LAE2))(图2)^{[40,64⇓-66]},有利于有机质的富集,是松辽盆地最重要的烃源岩层段。青一段油页岩在古龙凹陷内形成了页岩油藏,是古龙页岩油勘探开发的核心层段^[67-68]。

在松科1井北井中钻取了四方台组—明水组岩心^[37,53]。四方台组不整合覆盖于嫩江组之上,岩性由紫红色、灰绿色、灰色泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和砂岩组成,沉积于曲流河和浅湖环境(图3o)^{[23,37,53,64]}。明水组与上覆新近系泰康组呈不整合接触,其沉积环境为曲流河和浅湖(图3p)^[23],根据明水组岩性特征可分为两段:明一段为紫红色夹灰绿色、灰色泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩互层;明二段主要为青灰色-紫红色-灰黑色泥岩、灰绿色含砾泥岩、灰绿色泥质粉砂岩以及灰绿色砂岩和砾岩互层^[37,54,64]。

2.2 生物地层学

松辽盆地白垩系含有丰富的化石,为建立全球陆相白垩纪生物地层框架提供了绝佳的材料。自大庆油田发现以来,学者们对松辽盆地白垩系开展了大量的古生物学研究,但以单一门类的古生物研究为主,并且尚未建立起区域或全球可对比的生物地层格架^[19]。松辽盆地的古生物研究集中于早白垩世晚期—晚白垩世,早白垩世早中期地层由于化石较少,生物地层的研究程度较低,地层时代争议较大^[20],火石岭组、沙河子组和营城组主要对应于松科2井的取心层段,地层时代归属自确立以来一直存在争议^[69]。高瑞祺等^[70]在火石岭组、沙河子组和营城组发现了Cicatricosisporites、Klukisporites、Densoisporites和Aequitriradites等早白垩世代表分子,并将火石岭组、沙河子组和营城组地层年龄定为早白垩世,然而部分学者认为火石岭组中发现的特征大孢子分子Minerisporites sp.是侏罗纪典型代表分子^[69-70]。沙河子组和营城组主要产有Ruffordia goeppertii、Acanthopteris gothanii、Coniopteris burejensis和Arctopteris rarinervis等植物化石,这些化石广泛分布在中国东北地区、俄罗斯西伯利亚勒拿盆地、布列亚盆地和日本石彻白亚群等早白垩世地层中,表明沙河子组和营城组属于早白垩世,但具体时代有待进一步明确^[68⇓-70]。登娄库组和泉头组主要对应于松科3井的取心层段,前人的生物地层工作将其时代置于早白垩世晚期—晚白垩世早期^[71-72]。黎文本和李建国^[73]在登娄库组中确定了Cicatricosisporites exilis-Hymenozonotriletes mesozoicus的孢粉组合,属于中国北方阿尔布期典型的孢粉植物群。黎文本^[74]在泉头组中发现了较为丰富的被子植物花粉化石,如Cranwellia striatella、Xinjiangpollis minutus、Lythraidites debilis、Quantonenpollenites crassatus、Q. tarimensis、Scollardia trapaformis,认为泉头组的时代不会早于塞诺曼期。李星学等^[72]曾提出泉头组发现的Trapa angulata等被子植物化石在美国、加拿大西部以及亚洲东北部晚白垩世地层中广泛分布,是晚白垩世的典型分子。青山口组、姚家组、四方台组和明水组主要对应于松科1井, 前人对其中的孢粉、介形虫、沟鞭藻和轮藻等化石开展了详细的生物地层工作^[69-70,74],特别是根据其中的孢粉化石的生物地层对比,将青山口组—明水组的时代确定为土伦期—马斯特里赫特期^[69-70]。

松辽科探井岩心为建立松辽盆地多门类化石的生物地层工作提供了独一无二的材料,其中松科1井的化石最为丰富,已有大量成果发表,松科2井化石较为稀少,仅有少量孢粉化石的成果发表^[75],而松科3井生物地层的工作正在开展中。Wan等^[37]和Xi等^[76-77]对松科1井的介形类、孢粉、沟鞭藻和轮藻等化石开展了系统的生物地层研究(表1),并在嫩江组下部发现了有孔虫等化石,根据化石带组合确定泉头组顶部为土伦阶下部,青山口组为土伦阶上部—康尼亚克阶中部,姚家组为康尼亚克阶上部—圣通阶中部,嫩江组为圣通阶上部—坎潘阶中部,四方台组仅限于坎潘阶上部,明水组为坎潘阶最上部—丹麦阶下部,白垩纪/古近纪界线可能位于明水组上部^{[37,76⇓⇓-79]}。松科2井沙河子组上部产有少量孢粉化石^[75],时代为早白垩世早中期。松科3井登娄库组—泉头组产有较为丰富的孢粉化石和少量介形虫、轮藻等化石,时代为白垩纪中期,进一步的研究正在开展中。

2.3 同位素地质年代学

松辽盆地白垩纪地层同位素年代学研究主要集中在对火石岭组、营城组火山岩层位,以及泉头组、青山口组和嫩江组的少量火山灰层。火石岭组的时代归属与生物地层学研究结果还存在较大争议,裴福萍等^[80]、黄清华等^[31]、袁伟等^[81] 获得的火石岭组的同位素年龄为早白垩世(125~133 Ma)。瞿雪姣等^[69]经过对比前人的测年结果以及综合地质资料分析,认为火石岭组主体年龄在140~150 Ma,对应于提塘期—贝里阿斯期,可能上延至瓦兰今期。高瑞祺等^[71]曾报道了松辽盆地营城组和沙河子组火山岩、火山碎屑岩的全岩K-Ar法和Rb-Sr法同位素年龄,认为沙河子组属于早白垩世瓦兰今期—贝里阿斯期,营城组属巴雷姆期—欧特里夫期。前人对来自钻井岩心和野外剖面的营城组火山岩样品采用K-Ar法、Ar-Ar法、Rb-Sr法、裂变径迹法和锆石U-Pb法进行定年,认为营城组年龄分布区间为78~145 Ma^{[31,80,82⇓⇓⇓⇓-87]}。在登娄库组及以上地层较少发现可用于定年的火山岩或火山灰,同位素年代学研究相对匮乏。王璞珺等^[88]利用K-Ar法直接测定了嫩江组上部、青山口组和泉头组的泥岩的泥质组分同位素年龄,得到视沉积年龄分别为77.6~76.8 Ma、89.0~119.9 Ma和约123 Ma。用Rb-Sr等时线法测得嫩江组下部泥质灰岩和泥岩层系的视沉积年龄为81 Ma;泉头组中部泥质蒸发盐岩的视沉积年龄为122.2 Ma。王璞珺等^[62]对金6井青二段下部的橄榄粗安岩样品进行Ar-Ar法定年,得到年龄为(88±0.3) Ma,因此将青二段划分至晚白垩世康尼亚克期。Xi等^[89]在杏1-4井嫩江组底界附近发现膨润土层并用U-Pb二次离子质谱法(secondary ion mass spectrometry,SIMS)定年技术得到了一个加权平均年龄(85.5±0.6) Ma,将嫩江组沉积时代限制在了圣通期中期。

松辽科探井在沙河子组、营城组、青山口组和嫩江组中均发现了可用于校准地层年龄的火山灰层。Yu等^[49]利用松科2井沙河子组中上部火山灰锆石U-Pb SIMS定年结果将该层位沉积年龄约束在(113.9±0.9) Ma(图2);Liu等^[90]在松科2井的沙河子组底部发现两层火山灰,通过锆石激光剥蚀等离子质谱法(laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry,LA-ICP-MS)定年方式,确定出结果分别为(117.9±1.6) Ma和(118.2±1.5) Ma。定年结果证明沙河子组时代应为早白垩世阿普特期。最近Wang等^[46]报道了松科2井中营城组底部、上部和顶部(营城组/登娄库组界线附近)的三层火山灰高精度锆石U-Pb化学磨蚀同位素稀释热电离质谱法定年结果(chemical abrasion-isotope dilution-thermal ionization mass spectrometry, CA-ID-TIMS),年龄分别为(112.078±0.067/0.090/0.15) Ma、(104.509±0.073/0.090/0.14) Ma和(102.74±0.11/0.14/0.17) Ma。据此可以确定营城组应属早白垩世阿尔布期早期,登娄库组沉积应晚于102.74 Ma。

泉头组和登娄库组以砾岩、砂岩和砂质泥岩为主,但未发现可定年的火山灰层。松科3井泉二段上部灰色细砂岩与绿灰色泥岩互层序列底部,发现一层流纹质岩屑晶屑沉凝灰岩。通过对该同沉积期岩浆锆石U-Pb测年获得年龄(96.8±2.9) Ma,时代属于塞诺曼期中期^[43]。由于早、晚白垩世界线可能在泉头组或登娄库组内,该结果虽然误差较大,但对精确约束界线层位有重大参考价值。

松科1井的青山口组和嫩江组均发现了可用于定年的火山灰层。He等^[11]对松科1井南井中的四个火山灰样品开展锆石U-Pb SIMS定年,得到青山口组一段3层火山灰年龄分别为(91.4±0.5) Ma、(90.1±0.6) Ma和(90.4±0.5) Ma,嫩江组二段底部的年龄为(83.7±0.5) Ma(图2)。Wang等^[45]对上述四层火山灰利用高精度锆石U-Pb CA-ID-TIMS技术重新定年,获得的结果分别为:(91.886±0.033) Ma,(90.974±0.042) Ma、(90.536±0.039) Ma和(83.269±0.044) Ma(图2),定年精度和准确度均得到极大优化。由于青山口组最下部的火山灰层靠近泉头组/青山口组界线,因此青山口组沉积始于晚白垩世土伦期早期,泉头组沉积应早于(91.886±0.033) Ma。Yu等^[50]获得的松科2井嫩一段下部和嫩二段底界附近两层火山灰的U-Pb SIMS定年结果分别为(85.2±0.5) Ma和(83.3±0.6) Ma。

2.4 磁性地层学

松辽盆地的磁性地层学研究始于20世纪80年代末,方大钧等^[91]曾对盆地内24口钻井和1个野外剖面进行“拼接”,采集并测试了2 000余块定向样品,初步获得了松辽盆地白垩系磁性地层序列,在营城组、登娄库组、姚家组和嫩江组均发现了反极性带,并提出了松辽盆地白垩系的划分和对比方案。但受限于当时的古地磁研究技术条件且获得的记录连续性较差,磁性地层学结果的可靠性有待检验。此后数十年内未曾有过磁性地层学研究的相关报道,直到松科1井成功获取了白垩系泉头组—明水组连续的沉积记录。He等^[11]和Deng等^[48]采集并测试了松科1井南、北两井近4 500块定向样品,在南井记录了2个磁极性带;北井记录了11个磁极性带。结合松科1井的定年结果将获得的地磁场特征与地磁极性年表CK95^[92]进行对比,确定出松科1井磁极性序列对应于国际地磁极性年表中C34n上部至C29r内,因此将泉头组上部—明水组年龄约束在土伦期—马斯特里赫特期。由于在83~118 Ma存在白垩纪正极性超时(CNS)^[92],使得在这段时间内仅通过磁性地层学无法建立高精度年代地层格架。最近,Shen等^[93]在松科2井岩心中采集了100余块定向样品开展了磁性地层学研究,确定出CNS结束于(82.7±0.6) Ma,深度上对应嫩江组下部^[50]。

2.5 旋回地层学

就白垩纪旋回地层学研究来说,早白垩世的研究多集中在意大利的Umbria-Marche盆地和法国Vocontian盆地^{[94⇓⇓⇓⇓-99]}的深海沉积序列中,晚白垩世相关研究则多来自大洋科学钻探岩心和美国西部海道沉积记录^{[100⇓⇓⇓-104]},但陆相白垩系的旋回地层学研究仍有待加强。随着松科1井北井、南井、松科2井和松科3井的完钻,结合岩石地层学、生物地层学、磁性地层学和同位素年代学研究成果,旋回地层学和天文年代学研究取得了重要进展,并建立了松辽盆地陆相白垩纪高精度年代地层格架(表2^{[40,44,46,57,64,105⇓-107]})。

火石岭组—营城组地层是松科2井主要研究层段,由于火石岭组和营城组为大面积的火山岩且具有不连续、厚度大的特征,无法开展旋回地层学研究。最近,麻晓娟等^[105]选取沙河子组自然伽马(GR)测井曲线作为古气候替代指标,识别出约14.5个长偏心率旋回并建立起持续时间约为(5.92±0.4) Ma的“浮动”天文年代标尺(图4f,f1),以沙河子组中部凝灰岩的U-Pb SIMS定年结果(113.9±0.9) Ma作为锚点年龄^[49],计算出松科2井沙河子组的沉积时间为112.3~118.2(±0.4)Ma。

该结果与Liu等^[108]对邻井宋深4井建立的沙河子组(11.14±0.4) Ma的“浮动”天文年代标尺有所不同。该差异可能是由于沙河子组地层在松辽盆地不同构造位置的沉积穿时性造成。Li等^[44]通过松科3井登二段—青一段GR测井数据序列开展旋回分析,建立起持续时间为(10.152±0.2) Ma的“浮动”天文年代标尺。以泉头组/青山口组界线年龄(91.82±0.22) Ma^[40]作为“等时点”,确定出泉头组—登二段沉积时期约为91.82~101.88(±0.4)Ma(图4e,e1),早、晚白垩世界线位于登四段底部。基于海相地层中大洋缺氧事件OAE1d和OAE2的发生时间,约束出OAE1d和OAE2事件发生时在松辽盆地内响应层段分别对应登娄库组登四段和泉三段。

在高分辨率岩石地层学、生物地层学、同位素年代学和磁性地层学的约束下^[11,37,45],Wu等^[40,64,107]利用自然伽马能谱数据序列中钍(Th)元素含量变化序列对松科1井北井、南井分别开展了旋回地层学研究。在松科1井南井中建立了嫩江组—泉头组82.358~92.531 Ma的天文年代标尺(图4c,c1),并提出在松辽盆地陆相地层记录了约85.2~91.55 Ma期间太阳系混沌行为的证据^[40]。受“海侵”事件影响,青一段底部发生了大范围的湖泊缺氧事件(LAE)^{[64⇓-66,107]};大洋缺氧事件OAE3事件可对比到青山口组二、三段沉积期^[40];根据锆石U-Pb CA-ID-TIMS的年龄结果和旋回地层学研究结果,CNS的结束年龄为(83.07±0.15) Ma^[40]。在松科1井北井中建立了明水组—嫩江组65.07~83.92 Ma的天文年代标尺(图4a,a1),标定出古近纪/白垩纪界线位于明水组上部,在嫩二段底部发生的“海侵”事件导致发生嫩江组发生第二次湖泊缺氧事件(LAE2)^[64,66,107]。基于建立的年代标尺,计算出嫩江组与四方台组之间存在约3.8 Ma的沉积间断(图4b,b1)^[64]。为了对松科1井中嫩江组沉积间断进行补充验证,Ma等^[106]对松科2井泉头组—嫩江组自然伽马能谱测井钍(Th)数据进行旋回分析,建立了约(18.62±0.4) Ma的天文年代标尺并估计出青山口组持续时间为约4.9 Ma、姚家组为约1.8 Ma、嫩江组为约7.5 Ma(图4d,d1)。通过对松辽科探井中经天文检验后的时间域数据序列进行频谱分析,对白垩纪地球轨道周期进行了估计,确定出约405 ka的长偏心率周期、100~133 ka的短偏心率周期、35~41 ka的斜率周期和18~24 ka的岁差周期(图4),与Laskar和Waltham等估计的白垩纪地球轨道参数基本吻合^[109⇓-111]。

青山口组为富有机质黑色页岩,是大庆油田古龙页岩油勘探开发的核心层段,建立青山口组等时年代格架与高分辨率年代标尺,探究海侵/湖泛地质事件与有机质富集机制对古龙页岩油的勘探开发起到促进作用^{[66-67,112-113]}。松科1井南井距离勘探区较近且具有高精度年代学约束,与勘探区沉积背景一致。Huang等^[114]在松科1井南井青山口组总有机碳(Total Organic Carbon,TOC)序列中发现了约173 ka的斜率调制周期,认为其影响中高纬度水循环,引起湖泊生产力和湖底氧化还原环境周期性变化,进而导致有机碳埋藏产生周期性变化。

3 结论及研究展望

本文系统总结了松辽盆地白垩纪大陆科学钻探计划松科1井、松科2井和松科3井的岩石地层学、生物地层学、磁性地层学、同位素年代学和旋回地层学等最新研究成果,完成了松辽盆地白垩纪地层沉积单元的时代划分,建立了完整的白垩纪年代地层框架(表2):火石岭组同位素年龄为早白垩世,与生物地层学研究的晚侏罗世不一致;沙河子组对应阿普特期;营城组对应阿尔布期早期;登娄库组(缺失登一段)对应阿尔布期—塞诺曼期早期;泉头组对应塞诺曼期—土伦期早期;青山口组对应土伦期—康尼亚克期晚期;姚家组对应康尼亚克期晚期—圣通期中期;嫩江组对应圣通期—坎潘期中期,其顶部存在约3.8 Ma(76.1~79.9 Ma)的地层缺失;四方台组对应坎潘期晚期;明水组对应坎潘期末期—古近纪丹麦期。早、晚白垩世界线位于登四段底部,古近纪/白垩纪界线位于明水组上部。OAE1d、OAE2和OAE3事件发生时分别对应登娄库组登四段、泉三段和青二、三段中上部。青山口组油页岩层段,有机质的富集规律受到约173 ka 斜率调制周期驱动下的气候旋回约束。松辽盆地白垩纪年代地层格架的建立为探究白垩纪陆地古气候、古环境的演变提供了对比依据,为松辽盆地的油气资源勘探开发提供了科学支撑。

尽管松辽盆地白垩纪年代地层框架已基本建立,但仍有诸多问题有待进一步研究:(1)根据松辽科探井建立的综合年代地层格架,已获取岩心集中发育于白垩纪中期和晚白垩世,缺少早白垩世的连续岩心地质记录,尽管松辽盆地外围存在早白垩世的野外剖面,但由于剖面的连续性和完整性较差,对松辽盆地早白垩世地层格架的相关研究亟待加强;(2)火石岭组的沉积时代需要进一步确定;(3)有关大洋缺氧事件在松辽盆地陆地环境的响应及其对陆地气候变化的影响等重大科学问题仍需深入挖掘。

感谢国际大陆科学钻探计划、中国科学技术部、中国自然资源部中国地质调查局、国家自然科学基金委员会、中国科学院、吉林大学、中国石油大庆油田和吉林油田等部门对松辽盆地国际大陆科学钻探的支持。

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基金资助

国家自然科学基金项目(41925010)

国家自然科学基金项目(41790451)

教育部、科学技术部高等学校学科创新引智计划(“111计划”)项目(B20011)