松辽盆地国际大陆科学钻探:白垩纪恐龙时代陆相地质记录

International Continental Scientific Drilling Project of the Songliao Basin: Terrestrial Geological Records of the Cretaceous Dinosaur Age

摘要

过去一百年地球的气候持续变暖,未来地球可能进入两极无冰的温室气候状态。白垩纪是深时典型的温室气候时期,认识白垩纪气候对于理解过去和预测未来气候变化均有重要意义。松辽盆地国际大陆科学钻探以研究白垩纪陆地气候与环境演变、探索大规模陆相有机质富集机理为科学目标,在国际大陆科学钻探计划ICDP框架下,成为全球第一口钻穿白垩纪陆相地层的大陆科学钻探井。项目历时16年,以超97%的取心率获得连续完整的8 187 m岩心,建立了松辽盆地陆相白垩系高精度年代地层框架,重建了松辽盆地白垩纪多时间尺度陆地气候旋回与气候事件,揭示了白垩纪湖-海平面波动机理,确认了松辽盆地发生过海侵事件。松辽盆地国际大陆科学钻探推动了全球地质学家合作研究白垩纪温室气候,带动了一系列高水平学术成果的产出,为松辽盆地油气勘探可持续发展提供了重要科学支撑,产生了显著的社会效益和重大的国际与国内影响。松辽盆地国际大陆科学钻探代表了探索深时的一个具有里程碑意义的阶段。可以预见,未来借助科学钻探,人类会不断增强对深时气候环境演化等方面的认识。

关键词

国际大陆科学钻探计划 / 松辽盆地 / 白垩纪 / 古气候 / 年代地层格架 / 海侵事件

Key words

International Continental Scientific Drilling Program (ICDP) / Songliao Basin / Cretaceous / paleoclimate / chronostratigraphic framework / marine incursion events

1 实施背景

1.1 国际大陆科学钻探

上天、入地、下海是人类探索自然的壮举。科学钻探是当代地球科学研究中具有划时代意义的入地工程,可对人类知之甚少的岩石圈进行直接观测并获得岩石记录。自1968年开始实施的“深海钻探计划”(DSDP)及随后的大洋钻探计划(ODP)、综合大洋钻探计划(IODP)引发了20世纪的地学革命,改变了整个地球科学发展的轨迹^[1]。与大洋科学钻探相对应,1996年德国、美国和中国共同发起成立了“国际大陆科学钻探计划”(International Continental Scientific Drilling Program, ICDP)^[2]。截至2023年,ICDP拥有23个成员,其中22个为国家成员,另一个为联合国教科文组织(UNESCO),已经在全球各个大洲实施了近百个大陆科学钻探项目(图1),在地球气候与环境演变的规律及机理、地质资源的形成与勘探、地震和火山喷发等地质灾害的物理化学过程、地球演化的动力学过程等研究领域取得若干重大发现,在促进全球地球科学理论的发展和地球探测技术水平的提高等方面发挥了重要作用^[3]。

在ICDP各个研究领域中,地球气候与环境演变领域是申报和批准科研项目最多的一个^[2]。此外,美国科学基金会(National Science Foundation, NSF),地球大陆地壳钻孔、观察和取样组织(Drilling, Observation and Sampling of the Earth's Continental Crust, DOSECC),过去全球变化组织(Past Global Changes, PAGES)和中国地质调查局等机构或科学计划也支持了一批研究气候与环境变化的大陆科学钻探项目^[4⇓-6]。国际上通过大陆科学钻探获取的连续沉积记录已经跨越了从第四纪到古太古代,超过30亿年的地质历史时期^[5](图2),基于岩心开展不同时间和空间尺度下的古气候研究不断取得重要成果。

1.2 温室气候与白垩纪

气候通常指气象要素如温度、降水等在某一长时期内的平均值。现代气候研究关注气候的形成过程、全球气候特征以及气候差异的成因分析等。古气候指过去的气候历史,按照研究的时间尺度可分为有人类测量记录以来的气候历史、第四纪至今的古气候和第四纪之前(即“深时,deep time”)的古气候^[7]。自工业革命以来,化石燃料燃烧产生的温室气体CO₂排放量以惊人的速度增加,大气中CO₂的浓度也逐年升高,由此导致的全球气候变暖问题已经成为世界各国关注的焦点。地球升温的上限、气候模拟的敏感性及是否能找到深时时期的自然证据等问题也引起了科学界的广泛关注。2005年,Science杂志发布了125个重要科学问题,温室气候问题排在前25名,明确指出未来温室气候有多热是亟待解决的关键科学问题^[7]。2020年,美国亚利桑那大学Jessica Tierney及其合作者在Science杂志发表了一篇综述性论文,系统总结和评估了古气候研究在科学应对未来气候变化中的重要作用,强调了它对现代气候模拟研究和未来气候变化预测的重要性^[8]。通过研究过去的气候变化,也就是深时古气候,我们可以获得重要的科学依据,以更好地理解全球变暖的趋势^[9-10]。“研究过去是为了预测将来”^[8],越来越多的科学家试图从深时古气候变化的规律中寻找有关未来全球气候变化的线索^[8,11-12]。

地球在40亿年的演化历史中存在两种气候状态,即冰室气候(icehouse)和温室气候(greenhouse)^[9,13]。第四纪以来地球处于冰室气候状态,以高纬度地区覆盖冰盖为典型特征,经历了冰期与间冰期的旋回,人类正是在这样的冰室气候状态下演化发展,人类文明则是在最近一次间冰期开始出现(图3)。然而,冰室气候并不是地球气候演化的常态。在第四纪之前深时的大部分时间,地球处于温室气候状态,地表平均温度更高,高纬度地区不存在冰盖或仅有小规模的、季节性的冰川(图3)^[8-9,13-14]。随着人类不断向大气排放温室气体 {{\mathrm{CO}}_2}^{\mathrm{}}^[10],未来地球气候将超越第四纪气候变化的限度,进入深时曾出现的温室气候时期(图3)。白垩纪是深时典型的温室气候时期,可以为研究深时温室气候变化及预测未来气候变化提供重要地质证据^[10]。

白垩纪地球气候具有高二氧化碳浓度、高温度、高海平面的“三高”特征(图3)^[15]。多种海相指标(如浮游有孔虫氧同位素、TEX₈₆指标)显示白垩纪温度比现今高约10 ℃,赤道地区海水表面温度可高达36~40 ℃,低纬度与高纬度海水表面温度的差异——纬度温度梯度在白垩纪中期也达到最低(不到15 ℃),低于现今的25 ℃^[16-17];基于叶片化石气孔指标和古土壤碳酸盐碳同位素的重建结果,白垩纪大气CO₂浓度是现今的4~10倍,为未来CO₂排放极端情景下的气候变暖提供了可能的类比^[18-19];此外,由于白垩纪时期南北两极可能不存在永久性冰盖,导致海平面比现今高100~200 m,这意味着在白垩纪时期现代地球的1/3陆地被海洋所覆盖(图4)^{[10,20⇓-22]}。此前白垩纪温室地球气候变化的研究大多集中在海洋环境,陆地环境下气候变化及其与重大地质事件的联系仍然认识不清,其中最主要的原因是缺少连续的陆相地质记录。

1.3 白垩纪陆相沉积记录与松辽盆地国际大陆科学钻探

松辽盆地在白垩纪时期位于最大的陆地——欧亚大陆东缘(图4a),是当时全球最大的近海陆相湖泊盆地之一,形成了一套巨厚的白垩纪陆相地层^[23-24]。同时,松辽盆地位于北半球中纬度陆地气候带,是目前全球人口最密集的地区之一,因此也是研究与人类生存发展息息相关的陆地系统的宝地。

松辽盆地长轴呈北东向展布,面积约26× {10}^4 \mathrm{k} {\mathrm{m}}^2,沉积地层厚度最深可达10 km^[23-24]。盆地自下而上发育古生代变质岩和火山岩基底,侏罗系及白垩系中生代地层和上覆新生代地层^[25]。其中的白垩纪地层厚度数 km,包括同裂谷阶段(150~105 Ma)的火石岭组、沙河子组、营城组,后裂谷阶段(105~79.1 Ma)的登娄库组、泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组以及构造反转阶段(79.1~64 Ma)的四方台组、明水组^[23,25-26]。松辽盆地是世界上存活时间最长的超大型湖泊盆地(图5)^{[23,25⇓-27]},白垩纪陆相沉积记录连续完整,使这里成为研究白垩纪陆地气候环境的理想地区。

松辽盆地国际大陆科学钻探是全球第一口钻穿白垩纪陆相地层的大陆科学钻探井,也是ICDP框架下唯一以整个陆相白垩系为钻探取心目的层的大陆科学钻探项目^[28]。自2006年起,松辽盆地国际大陆科学钻探从选址设计、钻探取心到科学研究,经过三轮申请、三轮审核,最终获得ICDP批准立项。截至2021年,松辽盆地国际大陆科学钻探完成了松科一井、松科二井、松科三井钻探取心工程,累计获取岩心8 186.85 m,累计取心收获率97.03%,实现“三井四孔、八千米连续取心”,完成了“钻穿松辽盆地、获取连续陆相白垩系”的目标,在陆相白垩纪研究和陆相生油理论深化等方面具有重要的科研价值^[23,28-29]。围绕岩心资料开展的科学研究为白垩纪陆地古气候和古环境重建、重大地质事件的陆相沉积响应、陆相大规模烃源岩形成、陆地生物群更替、温室气候状态下快速气候变化等科学问题提供了科学证据,也为建设百年大庆油田提供新的科学支撑^[24,29]。

项目自启动至结束的16年间,ICDP始终对松辽盆地国际大陆科学钻探给予高度重视和支持,并于2018年松科二井完钻和2021年松科三井开钻时致贺信或视频,称赞松辽盆地实施的科学钻探对全球相关科学研究的重要意义。

2 松辽盆地国际大陆科学钻探重要科学发现

松辽盆地国际大陆科学钻探实施的16年间取得了一系列重要的科学成就。开展深时古气候研究的基础是获得连续的沉积记录,松辽盆地科学钻探钻穿白垩纪陆相地层,以高达97%的取心率获得了世界上最连续的陆相白垩系地质记录。高分辨率、高精度地质年代框架是深时古气候对比的前提,松辽盆地科学钻探推动了地质年代学的发展,建立了陆相白垩系高精度年代地层学框架,达到了十万年级别的时间分辨率。深时古气候呈现不同时间尺度的波动,松辽盆地科学钻探重建了多个时间尺度的陆地气候旋回,揭示了重大地质事件在陆地的响应,提出了地下水储层驱动白垩纪海平面变化的理论。海侵事件与有机质富集的联系以往存在争议,松辽盆地科学钻探确认了松辽盆地发生过海侵事件,揭示了海侵事件促进水体分层和有机碳富集的机制。

2.1 获取连续的白垩纪陆相地质记录

为了获取整个松辽盆地连续的陆相白垩系地质记录,松辽盆地国际大陆科学钻探分为“松科一井”、“松科二井”和“松科三井”三个阶段实施钻探取心工程(图6)。

其中,松科一井于2006年在黑龙江省大庆市开钻,2007年完钻。松科一井分为南、北两个钻孔,松科一井北孔钻探深度1 811.18 m,取心进尺1 630.14 m,岩心长度1 541.55 m,取心收获率94.5%;松科一井南孔钻探深度1 915.00 m,取心进尺946.83 m,岩心长度944.23 m,取心收获率99.73%。松科一井南北两孔共获取2 485.78 m的上白垩统青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组、明水组连续岩心,取心收获率96.46%^[15,30-31]。松科二井于2014年在黑龙江省安达市开钻,2018年完钻,井深7 108 m,获取4 134.81 m盆地基底至下白垩统沙河子组、营城组岩心,取心收获率96.61%^[32]。松科二井是亚洲国家组织实施的最深大陆科学钻井,也是ICDP成立27年来实施的最深钻井^[32-33],工程实施过程中创造了311 mm大口径连续取心最长(1 650 m)、三种不同口径(311,216,152 mm)单回次取心最长(30,41,33 m)的世界纪录,大幅提高了施工效率和岩心采取率,成为Scientific Drilling杂志第23期的封面照片(图7)^[34]。松科三井于2020年在吉林省长春市农安县开钻,2021年完钻,井深3 600 m,获取1 566.26 m白垩纪中期登娄库组、泉头组岩心,取心收获率99.1%^[35]。松辽盆地国际大陆科学钻探累计获取岩心8 186.85 m,累计取心收获率97.03%,与全球其他国际大陆科学钻探项目相比,松辽盆地国际大陆科学钻探在取心率和取心长度方面均位居第一(图8),表明我国在大陆科学钻探工程技术和白垩纪陆相地质记录研究领域均处于国际优势地位。

2.2 建立松辽盆地白垩纪高精度年代地层框架

时间是解读地质历史最基本的概念。解读深时常用的时间尺度为百万年,解决深时时间尺度与精度的至关重要,它使我们能够将松辽盆地的研究成果与全球地质事件进行对比。为解决白垩纪陆相地层的年代与对比问题,全球范围内几代科学家们持续付出努力,从郝诒纯先生实施的国际地质对比计划IGCP 58到近十年的IGCP 609。但因为白垩纪陆相地层普遍不连续且缺乏化石记录,对比工作始终得不到有效突破。随着地质年代学技术的发展,美国科学家在2003年发起“地时”(Earthtime)计划,随后2007年欧洲科学家发起“地时-欧洲”(Earthtime-EU)计划,而在松辽盆地国际大陆科学钻探的推动下,中国科学家在2013年发起了 “地时-中国”(Earthtime-CN)计划^[36]。地时计划的推动标志着全球地质年代学家们开始协同合作以建立统一的地质时间表,共同努力将深时地质年代精度逐渐提高到百万年、十万年和万年的水平,这被称为地质年代学的一场革命^[36]。

地时计划的关键技术包括锆石U-Pb CA-ID-TIMS定年、含钾矿物Ar-Ar定年、旋回地层学和磁性地层学。U-Pb定年有两种分析方法:一种是微区分析,具有高空间分辨率,如SIMS和LA-ICP-MS;另一种是高精度的CA-ID-TIMS,具有高时间分辨率,精度优于0.1%,准确度比SIMS高一个数量级,且无需标样校正^[36]。Ar-Ar定年材料更加广泛,误差已从2.5%降至0.5%^[36]。综合这些突破性的技术方法,地质学家已有能力实现高精度海-陆相地层对比^[37]。

通过厘米级岩心描述和采样,在松科一井和松科二井中成功发现总计多于30层可供定年的火山灰和火山岩层,主要集中在松辽盆地基底、早白垩世沙河子组与营城组及晚白垩世青山口组与嫩江组地层中。通过CA-ID-TIMS方法对松科一井南孔青山口组的4个样品S1780、S1705、S1673和S1029进行高精度U-Pb锆石地质年代测定,得到了高精度绝对年龄(91.886±0.033/0.058/0.11) Ma,(90.974±0.042/0.062/0.12) Ma,(90.536±0.039/0.062/0.12) Ma和(83.269±0.044/0.063/0.11) Ma^[38]。对松科二井嫩江组的岩石样品进行高精度锆石U-Pb年龄分析,获得了嫩江组1 139 m和1 142 m的两个年龄值为(83.35±0.11) Ma和(83.498±0.052) Ma。对营城组的S2972、S3044和S3266这3个凝灰岩样品进行CA-ID-TIMS研究,得到三个高精度U-Pb年龄值分别是(102.74±0.11) Ma、(104.509±0.073) Ma和(112.078±0.067) Ma^[39]。松科二井沙河子组上部一个凝灰岩夹层获得年龄(113.9±0.9) Ma^[40],沙河子组底部两个凝灰岩夹层年龄分别为(117.9±1.6) Ma和(118.2±1.5) Ma^[40],准确约束了沙河子组的沉积时限,极大改进了前人认识。此外,基底6 371.2 m和6 373.9 m分别测得浅变质砂岩碎屑锆石U-Pb年龄(248.9±0.62) Ma和安山岩锆石U-Pb年龄(242.6±0.77) Ma,说明松科二井已钻穿白垩纪地层^[33]。

除了高精度的放射性同位素年龄,高分辨率旋回地层学和天文年代学识别出时间周期稳定的米兰科维奇旋回,可为完整的沉积序列提供高分辨率的年代学约束^[41]。目前,已通过对松科一井北孔使用钍(Th)测井数据,南孔使用自然伽马(GR)测井、钍(Th)测井和磁化率(MS)数据进行详细的旋回地层学研究,建立了精确的天文年代标尺^[41-42];松科二井沙河子组下段利用磁化率数据(MS)进行旋回地层学分析,将推断出的长偏心率周期和短偏心率周期分别调谐到405 kyr和105 kyr轨道偏心率曲线,建立了时间长度达4 090 kyr和4 148 kyr的浮动天文年代时标^[43]。通过这些精确的年代学工作,成功将近4 000 m的岩心分辨率提高至十万年尺度,另有3 500 m岩心已经达到百万年的时间分辨率,正在努力提升至十万年尺度。

同时,古地磁年代学研究开展了约20 000件古地磁样品的采集,累计分析7 250件样品,识别出了万年精度的古地磁场信号,建立了松辽盆地高精度磁性地层学年代框架^[38,44-45],约束了白垩纪超静磁期(Cretaceous Normal Superchron,CNS)的结束年龄为(83.07±0.15) Ma,这一年龄也是对全球Santonian-Campanian界限的新标定^[38,44-45]。

综合以上放射性同位素地层学、旋回地层学、磁性地层学等年代地层学方法,建立了松辽盆地白垩纪高精度年代地层框架,与前人的地层划分相比发生了巨大变化(图9)^{[38,40⇓-42,44⇓⇓⇓⇓⇓⇓-51]}。对松科二井6 032~6 374 m安山岩样品的年代学研究推断松辽盆地基底火山-沉积地层形成于三叠纪,揭示了古亚洲洋北向俯冲的盆地地质记录^[51];沙河子组底界年龄约118 Ma,与下伏地层存在显著不整合,可能是太平洋板块俯冲导致地层缺失的结果^[25,52];准确约束了嫩江组顶部与四方台组之间存在持续时间超过3 Myr的不整合,代表了晚白垩世欧亚板块与太平洋板块重组在东亚陆地的响应,标志着松辽盆地前陆盆地演化阶段的重要转折^[53-54];前人研究认为明水组顶部存在白垩纪末期的大型不整合,而松科一井北孔证实了存在白垩纪-古近纪界线的连续沉积记录^[42,55]。

2.3 重建松辽盆地白垩纪多时间尺度气候旋回

地质历史中的气候变化有不同的时间尺度:亿年至百万年的构造尺度上大陆漂移、造山运动、板块运动等地质构造运动驱动的气候变化,几十万年至万年的轨道尺度上太阳系天体轨道参数变化驱动的气候变化,万年至百年的千年尺度及百年至天的人类尺度上的气候变化等(图10)^{[56⇓⇓-59]}。基于松辽盆地国际大陆科学钻探的研究已经识别出白垩纪陆地气候多个时间尺度的旋回与事件。松辽盆地陆地气候环境在百万年时间尺度上响应全球气候变化,存在不同轨道周期的陆相记录^{[56⇓⇓-59]},以及记录了白垩纪鲜有报道的千年尺度气候波动与年纹层。

松辽盆地国际大陆科学钻探揭示了盆地构造沉降与百万年尺度气候波动(图11)^{[23,48,60⇓⇓⇓-64]}。在裂谷期和构造反转期盆地沉降速率较慢,而坳陷期盆地沉降速率较快^[52]。综合前人的孢粉学研究,揭示松辽盆地火石岭组一段与二段和沙河子组、登娄库组四段、嫩江组、明水组二段四次降温事件,登娄库组一段与二段、青山口组和姚家组、四方台组三次升温事件,以及沙河子组三段与四段、登娄库组四段、四方台组三次干旱事件^[23]。古温度指标表明青山口组沉积时期温度较高,四方台组与明水组沉积时期温度降低并存在显著波动^[24]。青山口组至明水组岩心中的介形虫壳体的氧同位素组成(δ¹⁸O)分析表明,青山口组底部氧同位素负偏,δ¹⁸O值从约-10‰降低至-18‰,向上至嫩江组氧同位素逐渐正偏,δ¹⁸O值最高至-5‰。至四方台组沉积时期,氧同位素整体呈现负偏趋势,而明水组氧同位素整体呈现正偏趋势,δ¹⁸O值高于四方台组沉积时期^[60]。松辽盆地记录与白垩纪全球海相氧同位素记录具有一致性,表明温室气候时期陆地对全球气候波动敏感响应^[60]。

天文周期包括地球自转与公转的常规轨道周期,如米兰科维奇周期(偏心率、斜率和岁差),还包括非常规的轨道周期,如常规周期的振幅调制周期。基于对松科一井、松科二井、松科三井多种古气候指标的旋回分析,发现了偏心率、斜率、岁差等常规天文轨道周期信号^[58]。此外,松科一井南孔青山口组发现了17万年非常规轨道周期,这是首次在陆相地层中报道17万年轨道周期信号^[58]。在英国侏罗纪海相盆地、塔里木盆地和俄罗斯第四纪盆地等记录中发现均存在17万年周期信号,从而系统验证了17万年信号在过去两亿年以来的普遍性与稳定性。将17万年周期产生的最根本原因解释为土星与地球的引力相互作用(即S₃-S₆),提出“沉积阈值响应”模式是沉积系统中17万年信号的放大器,即轨道驱动力的影响超过沉积体系内部自身的物理化学平衡时,信号才会被记录。揭示了17万年非常规天文轨道周期对中高纬度地区有机碳埋藏的调控作用,证实了该信号对全球碳循环的周期性影响,提出17万年周期可以作为过去100 Ma以来天文调谐标准,认为17万年有机碳含量变化周期是油气勘探值得关注的信号(图12)^[58]。

白垩纪-古近纪(K-Pg)界线发生了显生宙第五次生物大灭绝,关于此次灭绝的原因,科学界的争论主要围绕着德干玄武岩喷发和希克苏鲁伯小行星撞击^[65⇓-67]。基于松辽盆地国际大陆科学钻探,得到了K-Pg界线生物绝灭的新认识,提升了中国K-Pg界线研究在国际地学界的地位。

研究重建了晚白垩世-早古新世相对连续的陆地气候记录,指出该时期松辽盆地夏季温度范围为15~42 ℃,平均值为25 ℃,大气二氧化碳浓度范围为(348~2 454)×10^-6,指示了温室气候状态^[62]。Campanian期大气二氧化碳浓度均值为1 575×10^-6,Maastrichtian期大气二氧化碳浓度均值为1 180×10^-6,Danian期大气二氧化碳浓度均值为1 058×10^-6,与其他海/陆相记录一致^[62]。研究发现,界线期间陆地温度、CO₂浓度、风化指标CIA以及碳氧同位素快速波动,表明德干玄武岩的喷发导致了K-Pg界线之前大气中二氧化碳浓度升高了(400~500)×10^-6,全球气温上升达6 ℃,松辽盆地的生物群体灭绝率达到2/3。以上气候、环境及生物变化揭示出火山爆发和陨石撞击双重打击造成了K-Pg界线生物绝灭(图13)^{[62,68⇓-70]}。

汞(Hg)元素和Hg同位素被认为是精确示踪大规模火山喷发以及进行全球对比的有效指标^[71]。通过对松科一井北孔K-Pg界线地层开展高分辨率Hg元素测试,结合Hg同位素变化特征,研究表明松辽盆地湖泊沉积物中的Hg元素来自德干火山喷发,经由大气传输、地表径流、土壤剥蚀等作用最终沉积下来,Hg元素异常峰值期代表了德干火山喷发最剧烈时期,持续时间约为50 kyr^[70]。通过与古气候和古生物数据开展进一步对比,研究指出德干火山喷发初期的快速变暖和持续高温并没有导致生物量的显著降低,Hg元素异常和生物量显著降低之间近乎一致的时间相关性则表明德干火山喷发最剧烈时期是触发白垩纪末期生物大灭绝的主要原因(图13)^[70]。

2.4 揭示地下水储层驱动白垩纪海平面变化

当前气候变暖引起海平面变化是人类社会关注的重要问题。在第四纪以来的冰室气候状态下,短期海平面变化(小于百万年尺度)的原因解释主要是冰川假说(Glacio-eustasy),即两极冰盖的增生和消融引起大洋盆地海水总量变化,从而导致海平面升降^[72]。但是,在白垩纪温室气候状态下,高纬度没有显著的冰盖发育,百万年尺度海平面波动的机制过去并不清楚。

基于松辽盆地国际大陆科学钻探连续岩心和年代学框架,奥地利维也纳大学Wagreich教授团队通过白垩纪古海平面与松辽盆地古湖平面的对比,率先提出了地下水含水层驱动海平面变化假说(Aquifer-eustasy)^[73],认为可以作为冰川驱动海平面假说的补充。由地下水驱动海平面变化快速成为国际研究热点。湖泊是地下水的露头,湖平面的波动为地下水储量的变化提供了替代指标^[73]。松辽盆地国际大陆科学钻探重建的白垩纪湖平面波动与海平面波动存在镜像(反相关)关系,证明了地下水储量变化驱动了海平面的变化^[73]。在白垩纪气候变暖时期,海水蒸发,更潮湿的条件使湖泊和地下水库的储存量增加,湖泊水位升高,导致海平面降低;反之,在温度降低时期,海水蒸发减少,相对干旱的条件导致湖泊水位降低,地下水库储存量减少,从而使海平面上升^[74]。进一步的工作综合了松科一井、松科二井嫩江组一、二段资料,利用放射性年代学和旋回地层学建立高精度天文年代标尺,基于沉积噪音模型方法,定量重建了松辽盆地晚白垩世湖平面^[57]。所恢复的湖平面变化与海平面变化具有反相位关系,并且主要波动趋势与斜率调制信号正相关,即湖平面高时,斜率调制信号处于高值,证明了斜率驱动了白垩纪温室状态下水循环与湖平面-海平面联动(图14)^[57]。

2.5 确认松辽盆地发生过海侵事件

大庆油田累计产油 25×10⁸ t,为新中国工业建设做出卓越贡献,也是陆相生油理论的重要实践和发源地。松辽盆地在晚白垩世的有机碳埋藏量总量接近7×10¹² t,相当于当前大气中CO₂储存量的9倍,高于海洋沉积中有机碳埋藏速率一到两个数量级^[24]。研究如此大规模陆相有机质的富集机制及其与海水入侵事件的关系具有重要科研价值。

松辽盆地是否发生过海侵事件存在较大争议。早在上个世纪70年代,张弥曼院士就根据对鱼类的研究提出了可能存在海侵的观点^[75],但也有研究者根据介形类等古生物证据、古盐度、古水深等证据反对海侵事件^[76-77]。基于松辽盆地国际大陆科学钻探岩心的系统研究,发现松辽盆地嫩江组和青山口组沉积时期存在海相有孔虫化石,同时其他的多种无机地球化学指标,都证明松辽盆地确实存在海侵事件^{[24,78⇓⇓-81]}。结合精确的地质年代约束,证明了松辽盆地经历了2期、共计10次的海侵事件(图15)^{[24,79⇓-81]},确定了这些海侵事件的绝对年代和持续时间,证明了海侵事件并不是连续发生的,而是具有高频和脉动式的特点^[41,78,80]。对比岩心与露头剖面海侵指标强度,证明晚白垩世海水从东部古太平洋入侵松辽古湖泊^{[24,78⇓⇓-81]}。多硫同位素证据与模型计算表明在海侵事件期间,松辽古湖泊硫酸盐浓度增加12~46倍,80万年内入侵湖盆的海水体积最多可能占原湖水体积的97.8%^[82]。

发现海侵事件的证据和各种指标后,通过对比北美西部海道和松辽盆地水体分层模型讨论其对有机碳富集的影响(图16)。尽管两个盆地存在着陆相海相之分,但周期性加强的淡水或海水输入可能造成了水体的盐度分层,导致盆地底层水缺氧,并促进了有机碳在沉积物中的富集^[24]。

3 松辽盆地国际大陆科学钻探实施效益

3.1 松辽盆地大陆科学钻探国际合作

松辽盆地国际大陆科学钻探是一项备受瞩目的科研工程,其成就展现了多方合作的辉煌成果。作为国际性的科学钻探项目,松辽盆地科学钻探取得的岩心面向全球科学家共享。在过去的十余年中吸引了国内外20多家单位100多位专家积极参与,采集了超过两万件样品。研究队伍也包括来自十多所国外大学的团队,如美国斯坦福大学、奥地利维也纳大学等,有些国际学者甚至依托松辽盆地大陆科学钻探获得了本国的科学研究基金。

正因如此,松辽盆地国际大陆科学钻探获得了国际大陆科学钻探计划的高度认可和赞誉。在2023年ICDP成立25周年大会Bohnhoff主席的大会报告中以及2018年ICDP向松科二井完钻致贺信中,都提到松辽盆地大陆科学钻探“是中国,是ICDP,是全世界的灯塔工程”。

3.2 松辽盆地大陆科学钻探社会影响

在国内,松辽盆地大陆科学钻探得到党和国家领导人的高度重视,并多次受到中央电视台、人民日报、科技日报、新华网等主流媒体的报道。鉴于该项目在地质研究领域取得的杰出成就,对提升中国的深部能源勘查水平和引领白垩纪古气候研究具有重要意义,松辽盆地大陆科学钻探作为地球深部探测领域的代表性工程,入选2018年11月在国家博物馆举行的“伟大的变革——庆祝改革开放40周年大型展览”,入选2022年10月在北京展览馆举办的“奋进新时代”主题成就展。中国国家博物馆向项目征集“松辽盆地国际大陆科学钻探工程钻井岩心及王成善院士手稿等相关资料”用于永久馆藏。作为科教兴国战略的典型代表,松辽盆地大陆科学钻探钻机模型与岩心实物展出于中国共产党历史展览馆。

3.3 松辽盆地大陆科学钻探推动学科发展

松辽盆地大陆科学钻探是ICDP成立27年来,钻探最深、取心最长、取心率最高的项目,学术成果在所有ICDP项目中位居第二,为中国地学界争得了荣誉。同时,松辽盆地大陆科学钻探带动了相关研究领域发表系列重要学术论著。根据在Web of Science系统中的检索,科学钻探实施中带动了松辽盆地相关国际SCI论文的发表(图17)。截至2023年9月,以“Songliao”为主题文章共4 240篇,自2006年松科1井实施以来发表的论文数为3 859篇,占91.01%。松辽盆地大陆科学钻探也巩固了我国在白垩纪陆相地质记录研究领域的优势地位。2000年以来,以“Cretaceous”为关键词检索,我国科学家贡献23.53%学术论文;以“Cretaceous”和“Continental”为关键词检索,我国科学家贡献25.08%学术论文。

4 总结与展望

松辽盆地国际大陆科学钻探以高于97%的取心率获得了连续完整8 187 m岩心,成为大陆和大洋科学钻探计划最长岩心记录,代表着中国钻探工程的技术;松科二井入地7 018 m,成为国际大陆科学钻探计划实施22年以来深度纪录,代表着中国入地的能力;以厘米级刻画,研究时间跨度超过5 000万年的白垩纪陆地温室气候演化,代表着中国在深时古气候研究的水平。这些成就得到了Science、Nature及美国地球物理学会官方期刊Eos的高度评价和长篇幅正面评述,标志着人类深地研究领域的重要突破:在2010年松科一井完钻时,Nature发表评述文章《恐龙时代的旅行》^[83];在2015年松科二井开钻时,Science发表评述文章《恐龙时代的气候解码》^[84];在2021年松科三井完钻时,美国地球物理联合会官方刊物Eos发表评述文章《恐龙时代完整的气候记录》^[85]。

松辽盆地国际大陆科学钻探科研团队在项目实施16年间致力于科学研究与技术攻关,以厘米级尺度精细刻画了连续完整的陆相白垩纪地层,建立了白垩纪高分辨率、高精度年代地层框架,揭示了白垩纪陆地气候演变规律,构建了松辽盆地演化的新机制,加深了对温室气候的科学认识,为预测未来气候变化趋势提供了科学依据,通过综合指标研究了有机碳富集机制,对松辽盆地油气可持续开发具有重要的科学价值。

从松科一井到松科三井,不仅标志着松辽盆地白垩系的完整连续取心与研究,更表明科学钻探正为陆相古气候、古环境、油气资源等研究提供高分辨率、连续的地质记录,已经成为人类探索深地和深时的重要手段。可以预见,大陆科学钻探将在全球范围内对不同地区、不同时代开展更深入的研究中不断发挥作用,为“将古论今”和“将古论未来”的研究提供更多科学依据。人类对自然的探索永无止境,松辽盆地国际大陆科学钻探只是人类探索自然的一个阶段,代表了这一阶段的重要里程碑,期待未来涌现更多精彩成果。

感谢国际大陆科学钻探计划(ICDP)、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、中国石油大庆油田有限责任公司和吉林油田分公司等组织机构对松辽盆地国际大陆科学钻探的持续支持。

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基金资助

国家自然科学基金委基础科学中心项目(41888101)

科学技术部国家重点研发计划项目(2023YFF0803303)