中始新世气候演化与页岩有机质富集: 以东营凹陷为例^*

Climate evolution and shale organic matter enrichment during the Middle Eocene: a case study of Dongying sag

摘要

渤海湾盆地东营凹陷牛庄洼陷沙河街组四段上亚段(沙四上亚段)发育数百米厚富有机质页岩,该页岩发育时期正处于东亚地区中始新世气候波动的关键阶段,但页岩沉积演化及其有机质富集对气候演化的响应尚有待研究。通过岩心和薄片观察、有机和元素地球化学分析,探讨在气候演化约束下有机质富集机制。根据岩相组合和地化参数,将沙四上亚段分为3个阶段: 第1阶段气候相对干冷,TOC均值为2.52%,发育中有机质韵律型纹层状云质细粒沉积岩和高有机质韵律型纹层状混合细粒沉积岩; 第2阶段气候相对暖湿,TOC均值为3.29%,发育高有机质韵律型纹层状含石英灰质细粒沉积岩和高有机质韵律型纹层状混合细粒沉积岩; 第3阶段气候暖湿,TOC均值为2.78%,发育高有机质非韵律型纹层状混合细粒沉积岩和中高有机质韵律型纹层状含石英灰质细粒沉积岩。根据岩相组合和沉积环境变化趋势,建立牛庄洼陷沙四上亚段纯上段沉积模式。在相对暖湿气候下,适量的陆源输入会给湖盆带来陆源碎屑有机质和营养物质,利于有机质富集; 在相对干冷气候下浅水高盐的环境会抑制水生生物的生长和繁殖,在暖湿气候下过强的陆源输入稀释水体有机质含量并带来的大量氧气,均不利于有机质富集。本次研究可为中国东部陆相断陷湖盆富有机制页岩地质甜点分析提供借鉴意义。

Abstract

Several hundred meters of organic-rich shale are developed in the upper 4th Member of the Shahejie Formation in the Niuzhuang sub-sag of the Dongying sag,Bohai Bay Basin. This shale formation occurred during a critical period of climate fluctuations in the Middle Eocene in East Asia. However,the sedimentary evolution of this shale and its organic matter enrichment mechanisms in response to climate changes remain insufficiently studied. Through core and thin section observations,as well as organic and elemental geochemical analyses,we explore the mechanisms of organic matter enrichment under climatic constraints. Based on lithofacies assemblages and geochemical parameters,the study interval is divided into three stages: The first stage was characterized by a relatively dry and cold climate,with an average Total Organic Carbon(TOC)content of 2.52%. This stage featured rhythmically layered,dolomitic,fine-grained sedimentary rocks with moderate organic matter content and high-organic-matter rhythmic layered mixed fine-grained sedimentary rocks. The second stage experienced a relatively warm and humid climate,with an average TOC of 3.29%. It was marked by the development of high-organic-matter rhythmically layered quartz-containing calcareous fine-grained sedimentary rocks and high-organic-matter rhythmically layered mixed fine-grained sedimentary rocks. The third stage was a warm and humid period,with an average TOC of 2.78%. This stage was characterized by the development of high-organic-matter non-rhythmically layered mixed fine-grained sedimentary rocks and medium-to high-organic-matter rhythmically layered quartz-containing fine-grained calcareous sedimentary rocks. A sedimentary model for the Upper Fourth Member of the Shahejie Formation in the Niuzhuang sub-sag has been established based on lithofacies assemblages and trends in sedimentary environment changes. Under relatively warm and humid climates,moderate terrestrial input can bring terrestrial detrital organic matter and nutrients to the lake basin,which is beneficial for organic matter enrichment. Conversely,under relatively dry and cold climates,shallow water with high salinity can inhibit the growth and reproduction of aquatic organisms. Under warm and humid climates,excessive terrestrial input can dilute the organic matter concentration in water and introduce large amounts of oxygen,both of which are unfavorable for organic matter enrichment. This study provides valuable insights into the analysis of geological sweet spot analysis of organic-rich shale in continental faulted lake basins in eastern China.

Graphical abstract

关键词

沉积环境 / 细粒沉积 / 有机质富集 / 中始新世 / 东营凹陷

Key words

depositional environment / fine-grained sedimentary rocks / organic matter enrichment / Middle Eocene / Dongying sag

0 引言

页岩有机质的富集程度是表征页岩油气勘探潜力的重要指标之一(姜在兴等,2013;郭旭升等,2023;孙龙德等,2023)。页岩有机质富集受控于原始生产力、保存条件和无机物质的稀释等条件,这些因素又进一步受沉积环境和气候变化的约束,特别是地质时期发生的关键气候转变与地质环境突变等事件(王成善和胡修棉,2005;Katz and Lin,2014;黎茂稳等,2020;邱振和邹才能,2020)。因此,厘清页岩有机质富集时期的气候及环境条件的演化特征是理解有机质富集机制的重要前提。

中始新世是新生代全球和东亚地区气候转变的关键阶段,其结束了早始新世的全球极端高温并开启了漫长的全球变冷过程(Zachos et al., 2001;Westerhold et al., 2020),该时期东亚地区的干湿气候分带发生了意义深远的变化,东部中、低纬度地区的气候出现了由干旱向湿润的转变,似季风气候可能在中始新世东亚地区初步发育(Licht et al., 2014;Wu et al., 2022;Kong et al., 2024)。这一时期在中国中东部地区的湖相沉积地层中广泛发育了具有页岩油气勘探开发价值的富含有机质的碳酸盐质细粒沉积岩(姜在兴等,2021;Kong et al., 2022)。

东营凹陷中始新统沙四上亚段纯上段—沙三下亚段富有机质页岩蕴含丰富的页岩油气资源(刘惠民,2022),其有机质富集变化与富集机制长期以来一直是关注的焦点。前期研究揭示了东营凹陷页岩有机质富集变化与页岩岩相类型及其组合变化的潜在关联(Liang et al., 2017;马义权等,2017),提出氧化还原条件、湖水深度、盐度、古生产力、物质来源和古地貌等条件的波动控制了有机质的富集程度(朱光有等,2005;杜学斌等,2018;王勇等,2019),并进一步探究了海侵和火山、热液活动等可能的地质事件对页岩沉积环境和页岩物质形成的影响(万从礼等,2003;Bai et al., 2018)。近年来,米兰科维奇旋回分析开始被应用于页岩沉积研究,并提出地球轨道周期要素可能是页岩有机质富集条件变化的重要驱动力(彭军等,2022;栾旭伟等,2024)。但是,页岩的有机质含量波动并不是简单地遵循天文轨道参数的变化,而是会呈现出更为复杂的变化趋势,需要探究有机质富集时期的地质事件作用以理解在不同时期中不同尺度下影响有机质非均质富集的条件发生的原因。东营凹陷中始新统富有机质页岩大致形成于43.55—38.97 Ma,这一时期被认为经历了始新世似季风气候的发展,使得东营凹陷页岩沉积环境发生了明显的变化(Kong et al., 2023)。因此,需要从深时季风气候演变的角度出发,探究东营凹陷中始新统页岩有机质差异富集的机制。

本研究以东营凹陷牛庄洼陷NY1井沙四上亚段纯上段为研究对象,基于沉积特征表征、总有机碳含量(TOC)以及元素地球化学分析,系统评价烃源岩的富集程度和母质来源,探讨季风气候演化对有机质富集控制因素如水体盐度、水深、氧化还原条件、陆源输入及生产力的影响,从气候演化的角度分析陆相湖盆沉积有机质的富集机制,为中国东部陆相断陷湖盆富有机制页岩地质甜点分析提供借鉴意义。

1 区域地质背景

济阳坳陷位于渤海湾盆地东南部,包含东营、沾化、车镇和惠民4个凹陷。东营凹陷为济阳坳陷南部的一个典型的次级断陷,北临滨县凸起、陈家庄凸起,东接青坨子凸起,南部地层超覆于鲁西南隆起之上,受盆地断裂活动和中央隆起带抬升的影响,东营凹陷被分割成牛庄、博兴、利津和民丰4个洼陷(图 1-a)。研究区牛庄洼陷位于东营凹陷中央背斜带和王家岗—陈官庄断层之间,继承东营凹陷箕状断陷盆地“北断南超、北深南浅”的构造沉积特点(王冠民等,2024)。

牛庄洼陷古近系沉积地层厚度最大可达7000 m(吴靖等,2018),由下至上依次发育孔店组(Ek)、沙河街组(Es)和东营组(Ed)。沙河街组分为四段,由下至上分别为沙四段、沙三段、沙二段和沙一段(图 1-b),沙四段(Es4)分为上、下2个亚段,沙四上亚段又分为纯上和纯下2段。沙四段沉积晚期至沙三段沉积早期,洼陷为半深水—深水环境,沉积了一套厚层暗色页岩沉积。其中沙四上亚段纯上段暗色页岩沉积充填了整个洼陷,呈现东厚西薄的趋势(姜福杰等,2013),是本次研究的对象。

本研究以牛庄洼陷NY1井沙四上亚段纯上段(深度3315.08~3475.23 m)为研究层段。基于胜利油田采集的自然伽马(GR)测井数据(采样间隔0.125 m),结合多项测试分析化验,其中岩石薄片(130张)由北京日月石矿业技术开发有限公司制作,常量元素、微量元素和矿物含量(共计616块)、总有机碳和热解(共计154个)测试均由北京克拉通岩创科技有限公司完成。利用测井资料、岩石薄片和矿物含量数据,对研究层段烃源岩的岩相特征进行识别与划分。通过总有机碳和热解数据,分析有机质的富集特征和母质来源。基于常量元素、微量元素和黄铁矿等数据定量恢复了古气候、古盐度、古水深、陆源输入与古生产力,并与TOC数据进行对比,探讨气候演化约束下的有机质富集机制。

2 矿物组成和岩相特征

2.1 矿物组成特征

通过对130个样品的薄片观察和616个样品的X衍射(XRD)分析,识别出研究区主要细粒物质类型包括碳酸盐矿物、石英、长石和黏土矿物。

方解石主要赋存于纹层中,或在块状泥岩中分散分布。研究区以泥晶方解石和微亮晶方解石最为常见,其多与富含黏土矿物的碎屑纹层以及有机质纹层形成有规律的韵律型纹层组合(图 2-a)。垂向上方解石含量在沙四上亚段纯上段中、下部呈波动变化,至上部富集程度增加(图 3)。

研究区白云石类型包括泥晶白云石和微晶白云石。泥晶白云石多形成较为均质的纹层,与富有机质纹层互层(图 2-b)。微晶白云石发育在富黏土纹层中,与泥晶方解石纹层互层(图 2-c)。垂向上白云石主要富集在沙四上亚段纯上段下部(图 3)。

石英和长石颗粒主要分布在富含黏土矿物的碎屑纹层中,或分散分布在块状泥岩内。通过镜下观察,石英颗粒和长石物质多为棱角—次棱角状(图 2-d,2-e),为陆源碎屑物质输入。

黏土矿物主要分布在碎屑纹层中,这些黏土矿物多呈片状,顺层分布,为悬浮沉积产物。在透镜状泥晶发育的纹层内,黏土矿物以基质形式包裹泥晶透镜体,黏土富集体内部仍夹有部分陆源碎屑颗粒(图 2-f)。垂向上黏土矿物含量在沙四上亚段纯上段下部上升,在中部呈波动富集,在上部先降低后增高(图 3)。

根据矿物组成的富集变化,将牛庄洼陷沙四上亚段纯上段页岩分为3个演化阶段(图 3)。其中第1阶段富集白云石,总有机碳(TOC)含量介于0.58%~6.51%之间,均值2.52%;第2阶段矿物含量整体呈波动富集,相对上一阶段白云石含量减少,方解石含量增加,长英质矿物和黏土矿物含量增加,TOC含量较高,其值介于1.35%~7.25%之间,均值3.29%;第3阶段富集方解石,长英质矿物含量相对上一阶段有所增加,白云石含量较低,TOC含量相对较高,其值介于1.23%~6.53%之间,均值2.78%。

2.2 岩相特征

以碳酸盐、黏土及长英质矿物含量50%为界限的划分方案,将细粒沉积岩分为碳酸盐细粒沉积岩、黏土细粒沉积岩、长英细粒沉积岩和混合细粒沉积岩(图 4)(姜在兴等,2013);以有机质的含量1.0%、2.0%为界划分出低、中和高有机质细粒沉积岩(孔祥鑫,2020);进一步将细粒沉积岩的层组合类型分为韵律型和非韵律型,受水文和气候条件控制的纹层组合具有韵律性(指较长周期内的重复叠加),而受事件过程影响较深的纹层组合不具有韵律性(指叠加规律不明确或仅是短期内具有一定的规律),前者以有机—无机关联反应作为物质形成的重要机制,后者以物理搬运和沉积为主(孔祥鑫等,2016)。基于矿物组成、有机质含量和沉积构造特征,将牛庄洼陷沙四上亚段纯上段划分出5种岩相类型(表 1): 中高有机质韵律型纹层状含石英灰质细粒沉积岩(L1)、高有机质非韵律型纹层状混合细粒沉积岩(L2)、高有机质韵律型纹层状含石英灰质细粒沉积岩(L3)、高有机质韵律型纹层状混合细粒沉积岩(L4)和中有机质韵律型纹层状云质细粒沉积岩(L5)。

中高有机质韵律型纹层状含石英灰质细粒沉积岩(L1)主要发育在牛庄洼陷沙四上亚段纯上段的细粒沉积岩层段上段。该岩相在岩心上呈深灰色,页理发育且不见其他明显构造特征(图 5-a),薄片观察可见明暗相间纹层,为方解石纹层与黏土纹层互层,方解石纹层具有泥晶和微亮晶的变化(图 5-b)。

高有机质非韵律型纹层状混合细粒沉积岩(L2)主要发育在牛庄洼陷沙四上亚段纯上段的细粒沉积岩层段上段。该岩相在岩心上呈灰褐色,具有纹层特征但较L1不明显(图 5-c),薄片观察其纹层特征较弱,岩心上的明暗差异推测与纹层组合中有机质含量变化有关,可见部分灰泥透镜体(图 5-d)。

高有机质韵律型纹层状含石英灰质细粒沉积岩(L3)主要发育在牛庄洼陷沙四上亚段纯上段的细粒沉积岩层段中段。该岩相在岩心上纹层特征明显,发育明暗相间纹层(图 5-e),薄片观察可见页理发育,由较厚的有机质层、碳酸盐层和黏土层组成(图 5-f)。

高有机质韵律型纹层状混合细粒沉积岩(L4)主要发育在牛庄洼陷沙四上亚段纯上段的细粒沉积岩层段中、下段。该岩相在岩心上页理发育,整体颜色较深,暗色纹层相对较厚,部分呈现破碎(图 6-a),薄片观察可见浅色纹层为黏土矿物与隐晶状方解石的混合层,暗色层为富含有机质的黏土矿物层(图 6-b)。

中有机质韵律型纹层状云质细粒沉积岩(L5)主要发育在牛庄洼陷沙四上亚段纯上段的细粒沉积岩层段下段。该岩相在岩心上呈灰黑色,页理发育明显,可见明暗相间纹层(图 6-c),薄片观察可见微亮晶白云石纹层、富含黏土矿物的碎屑纹层及有机质纹层形成韵律型纹层组合(图 6-d)。

3 有机质富集特征

牛庄洼陷沙四上亚段纯上段有机质含量分布具有显著的阶段差异,自下而上分为3个阶段,TOC均值整体表现为自下而上先增加后略微减少的分布特征,第2阶段最高,均值为3.29%;第3阶段次之,均值为2.78%;第1阶段最低,均值为2.52%(图 7-a)。研究区烃源岩整体TOC值变化范围较大,介于0.58%~11.4%之间,平均值为2.89%;以有机质含量1.0%、2.0%为界划分为低、中和高有机质烃源岩;其中2.03%的样品为低有机质烃源岩,20.95%的样品为中有机质烃源岩,77.02%的样品为高有机质烃源岩(图 7-b)。

从Tmax-HI关系图(图8)中可以看出,牛庄洼陷沙四上亚段纯上段的干酪根类型整体以 Ⅰ、Ⅱ₁型为主,其中第1阶段以 Ⅰ、Ⅱ₁型为主,第2阶段以 Ⅰ 型为主,第3阶段以 Ⅰ 型为主,含有少量 Ⅱ₁型。

4 古气候与沉积环境

4.1 古气候

在上地壳化学风化过程中,Ca、Na和K元素逐渐从长石中析出,导致在风化过程中,氧化铝与碱金属的比值增高。据此,Nesbitt和Young(1982)提出CIA(化学蚀变指数)的概念,并用来判断物源区的风化程度。CIA的计算如下:

(1)CIA=[Al₂O₃ /(Al₂O₃+CaO^*+Na₂O+K₂O)]×100

式中氧化物以摩尔数为单位,CaO^*是指硅酸盐矿物中的CaO,但非硅酸盐(碳酸盐和磷酸盐)矿物中也含有CaO,因此,在计算CIA时需要去掉非硅酸盐矿物中的CaO。Mclennan(1993)提出间接计算CaO^*的方法:

(2)CaO_剩余=CaO-P₂O₅×10/3

若 CaO_剩余<Na₂O,令CaO^*=CaO_剩余;若CaO_剩余>Na₂O,令CaO^*=Na₂O。

高CIA值表明风化过程中Ca、Na、K等元素相对于稳定的Al和Ti元素的大量流失,反映了温暖、潮湿气候下相对较强的风化程度; 反之,低CIA值反映了寒冷、干燥气候下相对较弱的风化程度(Fedo et al., 1995)。

在相对干冷气候的作用下,相较于元素的化学风化,机械风化明显处于主导地位,Na/K值较高; 在暖湿气候的作用下,地表温度会增加,降雨量升高,元素的化学风化起主导作用,Na/K值较低(王鹏万等,2021)。

NY1井3435~3467 m为第1阶段,主要发育中有机质韵律型纹层状云质细粒沉积岩(L5),部分发育高有机质韵律型纹层状混合细粒沉积岩(L4)。CIA值较低,均值为58.68;Na/K值较高,均值为0.8,并在3454.4 m处出现顶值,指示该阶段为相对干冷气候。

3370~3435 m为第2阶段,有机质含量稍有增加,发育高有机质韵律型纹层状含石英灰质细粒沉积岩(L3)与高有机质韵律型纹层状混合细粒沉积岩(L4)互层。CIA值可见大幅度增高,均值增至66.12;Na/K值大幅度降低,均值降至0.5。在该阶段仍出现零星的高值点,如3431.71 m,Na/K值为0.9;3395.8 m,Na/K值为0.67。此变化指示该阶段整体气候不稳定,且逐渐由相对干冷向相对暖湿进行转变。

3315~3370 m为第3阶段,有机质含量保持较高值,底部发育高有机质非韵律型纹层状混合细粒沉积岩(L2),顶部发育中高有机质韵律型纹层状含石英灰质细粒沉积岩(L1)。CIA值持续增高,均值增至70.82;Na/K值持续降低,均值降至0.43。此变化指示该阶段气候由上阶段的相对暖湿转变为暖湿。

牛庄洼陷沙四上亚段纯上段的气候变化具有旋回性与阶段性的特点。垂向上CIA和Na/K值的变化趋势,指示其气候变化呈“相对干冷—相对暖湿—暖湿”的特点(图 9-a)。

4.2 古盐度

Ba对比于Sr迁移能力较弱,在盐度增大的情况下,Ba先沉淀,Sr的含量相对于Ba有所上升,因此细粒沉积岩中Sr/Ba值与古盐度呈正相关(孙中良等,2020)。

NY1井第1阶段Sr/Ba最大值为11.98,均值为5.73,指示该阶段的水体盐度较大; 第2阶段Sr/Ba值的最高值降至4.57,均值降至2.85,指示该阶段的水体盐度相比于第1阶段持续减小; 第3阶段Sr/Ba值依旧在持续降低,最高值降至3.67,均值降至2.14,指示该阶段的水体盐度还在持续减小。

牛庄洼陷沙四上亚段纯上段在垂向上Sr/Ba值呈“高—中—低”的变化趋势,指示其沉积水体盐度逐渐减小,但整体盐度仍处于较大值,为咸水沉积,该水体盐度的变化趋势与古气候一致(图 9-a)。

4.3 古水深和氧化还原性

细粒沉积岩中Mn和Al的含量随水深增加而增加,Fe和Mg的含量随水深增加而减少,因此采用(Mn/Fe)×100值表征水体深度变化,其值与水体深度呈正相关(朱世发等,2014);在还原环境下黄铁矿含量较高,可以通过黄铁矿含量变化说明还原性变化,其含量与还原性强弱呈正相关(王鹏万等,2017)。

NY1井第1阶段(Mn/Fe)×100值自下而上有所增高,介于1.38~11.22之间,均值为3.9;黄铁矿由低值逐渐增大,含量介于1%~11%之间,均值2.78%。指示该阶段水体的深度持续增大,且还原性逐渐增强; 第2阶段(Mn/Fe)×100值持续增高,介于0.59~10.19之间,均值为4.24;黄铁矿处于较高值,含量介于1%~12%之间,均值为2.97%。指示该段整体水体较深,为强还原性,且有水体加深、还原性增强的趋势; 第3阶段(Mn/Fe)×100值底部继续增高但在顶部略有降低,介于1.09~7.74之间,均值为4.41;黄铁矿略有降低,含量均值降至2.56%。指示该阶段水体在经过3个阶段持续加深的过程后在顶部略微变浅,还原性略有减弱,为相对弱还原性。

牛庄洼陷沙四上亚段纯上段的水体在第1个阶段较浅且持续加深,第2阶段水体较深并继续加深,第3阶段顶部略微变浅但仍比第1阶段深; 同时,水体还原性出现弱还原—强还原—相对强还原的转变(图 9-a)。

4.4 陆源输入

Ti和Al元素主要来源于陆源,且在搬运和沉积过程中受风化、成岩作用影响较小,可以通过Ti和Al含量指示陆源输入强度,其值均与陆源输入强度呈正相关(何庆等,2021)。

NY1井第1阶段Ti和Al含量变化趋势自下而上有所增加,其中Ti含量均值为0.19%,Al含量均值为4.14%,指示该阶段的陆源输入较弱但在逐渐增强; 第2阶段Ti和Al含量持续增加,Ti含量均值增至0.22%,Al含量均值增至4.5%,指示该阶段的陆源输入相较于上一阶段有所增强; 第3阶段Ti和Al含量持续增加并处于最高值,Ti含量均值增至0.23%,Al含量均值为5.02%,指示该阶段的陆源输入强度较大,且在该阶段的顶部Ti和Al含量突然增加。

牛庄洼陷沙四上亚段纯上段的陆源输入垂向上持续增强,并在顶部指标处于较大值。第1个阶段,陆源输入相对较弱,并在第2、3个阶段持续增强最终指标处于较大值(图 9-a)。

4.5 古生产力

古生产力通常被认为是单位时间在单位面积内所产生的有机质含量,生物成因Ba常被用于判断古生产力水平,Ba/Al值与古生产力呈正相关,因此用来指示古生产力的大小(Pi et al., 2013;Ding et al., 2018)。

NY1井第1阶段Ba/Al值较低并自下而上有所增加,均值为0.0102,相对应的TOC含量均值为2.53,指示该阶段的古生产力中等,并在逐渐增强; 第2阶段Ba/Al值增至0.013,并多处出现较高值,相对应的TOC含量增至3.11,指示该阶段的古生产力较大,TOC含量较高; 第3阶段Ba/Al值自下而上出现降低的趋势,均值降至0.0113,相对应的TOC含量均值降至2.85,指示该阶段的古生产力有所减小,TOC含量略微降低。

牛庄洼陷沙四上亚段纯上段的古生产力垂向上呈“低—高—中”的变化趋势,第1阶段古生产力相对较低并在持续增大,第2阶段指标达到较高值,第3阶段又有所降低,但此阶段的古生产力仍比第1阶段的古生产力要大(图 9-a)。

5 气候演化约束下的有机质富集机制

综合上述分析可知,牛庄洼陷沙四上亚段纯上段页岩沉积环境的演变可分为3个阶段(图 8-a)。第1阶段气候相对干冷,水体盐度较高、呈弱还原性,陆源输入相对较弱,古生产力相对较低; 第2阶段气候相对暖湿,水体环境呈强还原性,陆源输入较强,古生产力处于较高值,第3阶段气候暖湿,水体环境呈相对强还原性,陆源输入极强,古生产力相对第2阶段有所降低。因此,纯上段页岩沉积时期,整体的气候和环境特征是自下而上气候先逐渐湿润后略转干旱,水体盐度持续降低,水体先加深后略微变浅,水体还原性先加强后略微变弱,陆源输入持续增强,并在顶部指标处于较大值,古生产力先增高后略微降低。

同时期东营凹陷博兴洼陷FY1井的页岩沉积经历了相似的气候与环境演变阶段,且沉积类型可对比(图 9-b)。整体上气候逐渐湿润,但在第3阶段的干旱程度相对有所增加。第1阶段气候干旱时期,主要发育云质细粒沉积岩,部分发育混合细粒沉积岩; 第2阶段气候湿润时期,发育混合细粒沉积岩与含石英灰质细粒沉积岩互层; 第3阶段气候在湿润背景下出现了相对干旱的反转,对应该阶段下部主要发育混合细粒沉积岩,上部主要发育含石英灰质细粒沉积岩。因此,该研究提出气候约束了东营凹陷沙四上亚段纯上段页岩的沉积。

根据前人的分析结果,东营凹陷沙四上亚段纯上段页岩发育时期大致处于始新世中期(Kong et al., 2023),结合孢粉、同位素和CIA数值等气候指标,反映了该时期整体处于气候由干旱向湿润的过渡变化阶段(雷华蕊等,2018;Wei et al., 2021;王健等,2022)。依据对东亚地区新生代不同陆相沉积的岩石类型和孢粉类型的对比以及气候模拟,揭示出始新世中晚期东亚地区已发育有类似现代的季风气候(Quan et al., 2012;Licht et al., 2014;Kong et al., 2024),因此始新世季风气候的发育可能是东营凹陷气候演变的驱动机制。前人通过对东营凹陷南、北坡滩坝沉积的古风力恢复,提出纯下段发育时期北风体系较为强劲,而纯上段发育时期北风风力开始变弱,南风风力开始不断加强(Jiang et al., 2018;Wang et al., 2018),这与纯上段气候由相对干旱向湿润转变的气候背景相一致,进一步提供了季风活动驱动区域气候变化的证据。综上所述,东营凹陷沙四上亚段纯上段页岩发育是始新世季风气候发育的响应结果。

季风气候的发育影响水体盐度、水体还原性、陆源输入强度及生产力。根据岩相组合和沉积环境变化趋势,建立牛庄洼陷沙四上亚段纯上段沉积模式,并分为3个阶段。第1阶段季风较弱,气候相对干冷,水体深度较小,相对不利于有机质的保存,但受气候逐渐变暖湿的影响水体深度持续加大,水体沉积环境逐渐缺氧,还原性由弱还原逐渐增强。相对干冷的气候导致降雨量较小,使该阶段盐度处于高值,较高的盐度会使水体出现盐度分层(孙中良等,2020),不利于藻类等水生生物的生长繁殖,导致水体生产力较低(Hao et al., 2011),古盐度参数Sr/Ba值与TOC含量呈负相关(图 10-a)。气候的干湿变化会影响陆源风化作用的强度,进而影响陆源输入作用,在相对干冷气候下陆源输入相对较弱,石英、长石和黏土等矿物以及陆源物质输入带来的有机质含量较低。第1阶段岩相组合为中有机质韵律型纹层状云质细粒沉积岩和高有机质韵律型纹层状混合细粒沉积岩互层,在高盐浅水和相对较弱陆源输入的综合作用下,该阶段有机质丰度中等偏低,干酪根类型以Ⅰ-Ⅱ₁型为主,主要发育中有机质韵律型纹层状云质细粒沉积岩,随着水体的不断加深及还原性的增强,灰质含量逐渐增加,部分发育高有机质韵律型纹层状混合细粒沉积岩(图 11-c)。

第2阶段季风较强,气候相对暖湿,陆源风化作用变强,陆源输入增强,石英、长石和黏土等矿物含量增大,陆源物质输入带来的有机质含量增高。同时该阶段较强的季风带来大量降水,水体深度持续加大,还原性持续增强至最强,缺氧环境非常有利于有机质保存(吴靖等,2017)。该阶段较深的水体稀释了盐度,使水体盐度分层减弱,有利于藻类等水生生物大量生存繁殖(孟庆涛等,2012;周立宏等,2021),使水体生产力得以提高,古生产力参数Ba/Al值与TOC含量呈正相关(图 9-b),说明有机质的富集需要较高的生产力。第2阶段岩相组合为高有机质韵律型纹层状含石英灰质细粒沉积岩和高有机质韵律型纹层状混合细粒沉积岩互层(图 10-b),在陆源输入虽强但不稳定、低盐深水环境下,该阶段有机质丰度较高,干酪根类型以Ⅰ型为主。

第3阶段整体季风极强,气候暖湿,陆源风化作用持续增强导致陆源输入变强,石英、长石和黏土等矿物含量增大,较多的陆源物质输入不仅稀释了有机质含量(张玉玺等,2020),而且带来了氧气使水体还原性减弱,破坏了有机质的保存环境(图 10-c)。湖盆盐度经3个阶段噬盐微生物的持续分解消耗而持续降低。该阶段顶部季风强度减弱,气候逐渐转变为相对暖湿,使该阶段顶部水体深度略微变浅(图 11-a),还原性在过强的陆源输入和水深的影响下有所降低(胡涛等,2021),不利于有机质的保存,导致该阶段TOC含量略微降低但仍比第1阶段高,还原性指标黄铁矿含量与TOC含量呈正相关(图 10-d)。第3阶段岩相组合为高有机质非韵律型纹层状混合细粒沉积岩和中高有机质韵律型纹层状含石英灰质细粒沉积岩互层,在陆源输入极强的作用下,该阶段有机质丰度中等偏高,干酪根类型整体以Ⅰ型为主,含有少量Ⅱ₁型,底部发育高有机质非韵律型纹层状混合细粒沉积岩,顶部因为陆源输入的持续增强且整体环境相对底部不利于有机质富集而发育中高有机质韵律型纹层状含石英灰质细粒沉积岩。

气候对陆相页岩的有机质富集有明显的控制作用(张美洲等,2023),在第2阶段气候相对暖湿、水体深度最大、水体盐度较低、陆源输入较强的情况下,有机质富集程度最好; 第3阶段气候暖湿且水深较大,但被过强的陆源输入破坏了有机质保存环境致使该阶段有机质富集程度次之; 而第1阶段气候相对干冷、水体深度较小且水体盐度过高、陆源输入较弱,使得该阶段成为有机质富集程度最差的阶段。

6 结论

1)渤海湾盆地东营凹陷牛庄洼陷沙四上亚段纯上段分为3个演化阶段。第1阶段总有机碳(TOC)含量均值2.52%,主要发育中有机质韵律型纹层状云质细粒沉积岩; 第2阶段TOC含量较高,均值3.29%,主要发育高有机质韵律型纹层状含石英灰质细粒沉积岩与混合细粒沉积岩互层; 第3阶段TOC含量相对较高,均值2.78%,底部发育高有机质非韵律型纹层状混合细粒沉积岩,顶部发育中高有机质韵律型纹层状含石英灰质细粒沉积岩。

2)牛庄洼陷沙四上亚段纯上段的气候变化具有旋回性与阶段性2个特点。垂向上气候变化呈“相对干冷—相对暖湿—暖湿”的特点; 古盐度呈“高—中—低”的变化趋势,但整体盐度仍处于较大值,为咸水沉积; 水体深度经历了“较浅—深—相对深”的过程,同时水体还原性出现“弱还原—强还原—相对强还原”的转变; 陆源输入持续增强,并在顶部处于极强值; 古生产力呈“低—高—中”的变化趋势。

3)中始新世东亚地区季风开始盛行,气候由干旱转向湿润。气候对陆相页岩的有机质富集有明显的控制作用: 相对暖湿的气候、适量的陆源营养物质输入使得藻类等水生生物勃发,利于有机质的富集; 相对干冷的气候、浅水高盐环境抑制藻类等水生生物的生长,使生产力降低; 过于暖湿的气候、强陆源物质输入稀释水体有机质含量并导致有机质被氧化,不利于有机质富集。

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基金资助

*国家自然科学基金(42402114)

中央高校基本科研业务费专项基金(2652022035)