遼東灣古近紀(jì)東營(yíng)期古氣候演化及其對(duì)湖平面變化的影響

吳 偉，林暢松，周心懷，李 全，邢作昌，言 語(yǔ)

(1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南焦作 454003;2.河南省生物遺跡與成礦過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南焦作 454003; 3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)海洋學(xué)院，北京 100083;4.中國(guó)海洋石油總公司天津分公司，天津 300452)

遼東灣古近紀(jì)東營(yíng)期古氣候演化及其對(duì)湖平面變化的影響

吳 偉1，2，林暢松3，周心懷4，李 全3，邢作昌1，言 語(yǔ)1

(1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南焦作 454003;2.河南省生物遺跡與成礦過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南焦作 454003; 3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)海洋學(xué)院，北京 100083;4.中國(guó)海洋石油總公司天津分公司，天津 300452)

依據(jù)植被對(duì)氣候的適應(yīng)性原理，通過(guò)對(duì)遼東灣地區(qū)古近系東營(yíng)組中孢粉進(jìn)行氣候類型劃分、不同氣候類型孢粉含量和相對(duì)比值綜合分析，對(duì)古氣候演化及其對(duì)湖平面變化的影響進(jìn)行研究。結(jié)果表明:遼東灣漸新世東營(yíng)期氣候總體上表現(xiàn)為從相對(duì)干熱向相對(duì)冷濕轉(zhuǎn)變;氣候演變存在明顯的旋回特征，大致可以劃分為5個(gè)氣候旋回，與前人研究劃分的四級(jí)層序界面吻合;氣候和構(gòu)造沉降控制了不同層次的湖平面變化，氣候?yàn)闃?gòu)造沉降穩(wěn)定階段控制湖平面高頻升降的主控因素，并間接控制四級(jí)層序界面的形成，同時(shí)干熱氣候是形成盆底扇的有利條件。

古氣候;湖平面變化;漸新世;東營(yíng)期;遼東灣

古氣候是陸相湖盆層序地層形成的主要沉積動(dòng)力學(xué)因素之一，從來(lái)水量-蒸發(fā)量平衡角度控制了高頻湖平面變化［1-4］，并影響剝蝕區(qū)巖石風(fēng)化程度和湖盆沉積區(qū)的物源供給量，進(jìn)而在一定程度上控制了湖盆充填樣式和沉積類型。因此，古氣候是古湖泊學(xué)及陸相層序地層學(xué)共同關(guān)注的焦點(diǎn)內(nèi)容，諸多巖石學(xué)、地球化學(xué)、微體古生物方法被陸續(xù)應(yīng)用于古氣候研究中［5-9］。然而，各種方法均存在局限性:穩(wěn)定同位素分析能夠定量重建古溫度演化，但不能反映氣候的濕度變化特征，同時(shí)δ18O、δ13C同位素還受藻類光合作用、吸附作用等非氣候因素影響，造成理論模型存在一定誤差，另外穩(wěn)定同位素分析應(yīng)以原生碳酸鹽巖(以生物殼體最好)為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)難度比較高;地球化學(xué)元素方法易于反演濕度變化，但難于推測(cè)溫度特征，同時(shí)化學(xué)元素的富集程度在某種程度上受到沉積時(shí)期湖盆的開(kāi)放-封閉程度、物源條件、搬運(yùn)距離以及后期成巖過(guò)程中地層流體交代作用等影響，造成元素分析結(jié)果誤差更高;孢粉是可以同時(shí)推測(cè)溫度和濕度變化的良好指標(biāo)，然而孢粉氣候分析過(guò)程中常常遇到很多困難，單一孢粉所反映的氣候頻帶比較寬，而且各套地層孢粉類型變化很大，無(wú)法選擇反映氣候變化的標(biāo)準(zhǔn)孢粉組合，造成孢粉氣候分析法一般情況下僅在局部地層分析中有效。因此，筆者擬在識(shí)別孢粉化石并對(duì)其進(jìn)行氣候類別劃分的基礎(chǔ)上，改善孢粉評(píng)價(jià)模型，對(duì)遼東灣坳陷漸新統(tǒng)東營(yíng)組中溫度、濕度敏感性孢粉進(jìn)行綜合分析，反推漸新世溫度、濕度演化歷史，并分析氣候?qū)矫孀兓挠绊懗潭燃捌鋵?duì)盆底扇形成的作用。

1 盆地背景

渤海海域是中國(guó)東部渤海灣盆地的一個(gè)重要組成部分，其內(nèi)部石油與天然氣資源十分豐富，已經(jīng)成為中國(guó)原油生產(chǎn)的重要基地。遼東灣坳陷位于渤海海域北部，東西分別為膠遼隆起和燕山隆起，南部與渤中凹陷、渤東凹陷相鄰，北部與遼河斷陷(包括東部凹陷、西部凹陷和中央凸起)接壤，呈北東向條帶狀展布［10］。遼東灣坳陷東西向呈三凹夾兩凸的構(gòu)造格局，從東向西構(gòu)造單元可劃分為遼東凹陷、遼東凸起、遼中凹陷、遼西凸起或遼西低凸起、遼西凹陷，總體上遼東灣坳陷是一個(gè)具有東斷西超、北北東向分布的不對(duì)稱狹長(zhǎng)箕狀坳陷。

遼東灣坳陷古近系大致可以劃分為4個(gè)二級(jí)層序和10個(gè)三級(jí)層序(圖1)，其中東營(yíng)組可以劃分為3個(gè)三級(jí)層序［10-14］，部分學(xué)者［12-13］以盆底扇底及其對(duì)應(yīng)的水退界面為層序界面對(duì)東營(yíng)組進(jìn)行高精度層序地層劃分，將3個(gè)三級(jí)層序細(xì)分為7個(gè)四級(jí)層序(圖1)。

圖1 遼東灣層序劃分及沉積充填序列Fig.1 Sequence stratigraphy and sedimentary filling sequence of Liaodong Bay

2 資料來(lái)源與分析方法

2.1 孢粉化石鑒定

樣品主要取自遼東灣坳陷遼中凹陷北部和遼西低凸起東南部的鉆孔井壁取心(以泥巖為主)，每塊樣品質(zhì)量約為200 g，但是自下而上采樣間隔不同:底部沙河街組采樣間距小，約為10 m;東營(yíng)組采樣間距較大，為30～50 m。

樣品處理及鑒定試驗(yàn)在渤海石油研究院進(jìn)行。利用粉碎機(jī)將樣品粉碎至粒徑為0.45～0.6 cm，取樣30 g;加入氫氟酸充分?jǐn)嚢?，放?4 h后水洗至中性，然后放入離心機(jī)中以2000 r/min的速度旋轉(zhuǎn)離心，最后用200 μm規(guī)格的不銹鋼篩除去大顆粒雜質(zhì)，并用10 μm規(guī)格的尼龍篩留下孢粉。孢粉類型在放大倍數(shù)為100～500的生物雙目顯微鏡中識(shí)別，以孢粉化石的形狀、輪廓及大小、萌發(fā)器官的性質(zhì)及數(shù)量、外壁構(gòu)造及紋飾、周壁、赤道突起等特征識(shí)別了50余種不同類型的孢粉化石(圖2)。

圖2 遼東灣遼中凹陷南部東營(yíng)組孢粉化石鏡下特征Fig.2 Microscopic features of pollen in Dongying formation，south of Liaozhong depression

2.2 孢粉分類

通常不同的氣候發(fā)育不同的植物群落類型，而保存在地層中的孢粉是對(duì)古氣候重建的最有利證據(jù)。孢粉所對(duì)應(yīng)的植物群從兩個(gè)方面反映了古氣候特征，即濕度和溫度。因此，根據(jù)孢粉這一屬性可以對(duì)孢粉進(jìn)行溫度和濕度分類。

植物對(duì)于溫度的敏感性是其是否能夠反推溫度變化的關(guān)鍵因素，對(duì)溫度敏感性好的植物孢粉可以作為良好的地史溫度計(jì)，敏感性差的植物孢粉對(duì)于反推古溫度變化沒(méi)有參考價(jià)值。按照對(duì)溫度的敏感性和適應(yīng)性［15］，可將孢粉植物分為亞熱帶、熱溫過(guò)渡帶、溫帶、溫寒過(guò)渡帶、寒帶植物等5大類(表1)。本次試驗(yàn)結(jié)果表明遼東灣東營(yíng)期主要孢粉類型介于亞熱帶和溫寒過(guò)渡帶之間，其中以亞熱帶植物為主。

表1 反映溫度的主要孢粉類型Table 1 Pollen types reflecting temperature

同樣，根據(jù)植物對(duì)濕度的喜好，可將其劃分為水生植物、沼生植物、中生植物和旱生植物［3］(表2)。試驗(yàn)結(jié)果表明本研究區(qū)孢粉類型主要為中生植物，其他3類的植物孢粉類型很少。

表2 反映濕度的主要孢粉類型Table 2 Pollen types reflecting moisture

3 結(jié)果討論

3.1 結(jié) 果

目前利用孢粉分析氣候的方法分為定性、定量?jī)煞N方法:定性分析法主要通過(guò)分析具體孢粉、孢粉組合所反映的植被氣候特征，進(jìn)而推測(cè)古氣候的大致變化，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是直觀，缺點(diǎn)是不能提供氣候變化數(shù)值和轉(zhuǎn)變細(xì)節(jié);定量分析方法主要包括主成分分析、聚類分析、趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析、多元回歸分析以及轉(zhuǎn)換函數(shù)等數(shù)學(xué)分析方法，這些方法能夠提供氣候變化的具體數(shù)值和細(xì)節(jié)，但是其精度和可信度都比較低。因此，有些學(xué)者提出半定量的分析方法，即不給出氣候變化的具體數(shù)值，但研究結(jié)果盡可能反映氣候變化的細(xì)節(jié)，最常用的半定量參數(shù)就是不同類型孢粉的百分含量［16］。本次研究使用兩種半定量方法，即百分含量法和相對(duì)比值法，以期在保證研究精度和可信度的基礎(chǔ)上，盡可能地刻畫氣候變化細(xì)節(jié)。本研究基于以下假設(shè):①氣候變化是植被變化的主要原因;②孢粉組合是植被的充分體現(xiàn);③植被類型的化石組合與相應(yīng)的古氣候充分相適應(yīng)。

3.1.1 百分含量法

利用孢粉的溫度分類(表1)、濕度分類(表2)方案，將各種孢粉數(shù)量的百分含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將同一類孢粉的百分含量累加得到該類型孢粉的百分含量，具體使用中直接用每蓋片不同類型孢粉的粒數(shù)占孢粉粒數(shù)總和的百分含量。

反映溫度變化的公式為

根據(jù)以上公式，對(duì)研究區(qū)的孢粉進(jìn)行歸類統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果(圖3、4)表明溫度和濕度變化均具有一定的規(guī)律。溫度主要表現(xiàn)(圖3)為:沙河街早期以亞熱帶植被、熱溫過(guò)渡帶植被為主，其中亞熱帶植被含量具有明顯優(yōu)勢(shì)，表明沙河街組沉積后期總體氣候比較熱;到東營(yíng)早中期，溫帶植被明顯增加，而亞熱帶植被和熱溫過(guò)渡帶植被含量明顯降低，表明該沉積時(shí)期溫度整體降低;東營(yíng)晚期溫帶植被明顯降低，而溫寒過(guò)渡帶植被含量明顯增加，代表該沉積時(shí)期溫度進(jìn)一步降低。濕度上主要表現(xiàn)(圖4)為:總體上整個(gè)東營(yíng)期中生帶植被占據(jù)優(yōu)勢(shì)，而沙河街早期旱生帶植被穩(wěn)定存在，東營(yíng)晚期濕生帶植被含量逐漸增加，表明漸新世濕度總體向濕潤(rùn)變化，但是變化過(guò)程屬于波折前進(jìn)。綜上所述，遼東灣地區(qū)漸新世東營(yíng)期氣候總體上表現(xiàn)為從相對(duì)干熱向相對(duì)冷濕轉(zhuǎn)變。

圖3 遼中凹陷北部錦州21-A井溫度敏感孢粉類型垂向分布特征Fig.3 Vertical distribution of temperature-sensitive pollen types of JZ21A，north of Liaozhong depression

圖4 遼中凹陷北部錦州21-A井濕度敏感孢粉類型垂向分布特征Fig.4 Vertical distribution of moisture-sensitive pollen types of JZ21A，north of Liaozhong depression

3.1.2 相對(duì)比值綜合評(píng)價(jià)法

由于整個(gè)漸新世東營(yíng)期大規(guī)模的氣候逆轉(zhuǎn)不可能存在，在研究區(qū)內(nèi)識(shí)別的主要?dú)夂蝾愋筒](méi)有發(fā)生大的變化，但小規(guī)模氣候變化不斷進(jìn)行，百分含量方法對(duì)于細(xì)微氣候變化表征困難，如何刻畫這些小規(guī)模的變化，將氣候變化的旋回性特征表現(xiàn)出來(lái)是沉積層序和古湖泊研究亟待解決的問(wèn)題。在考慮某時(shí)期主要孢粉類型的影響之外也應(yīng)當(dāng)考慮到特殊微量孢粉出現(xiàn)代表古環(huán)境變化，比如Ephedripites代表干旱氣候，而Abiespollenites則是寒帶特有植物，雖然這些孢粉在地層中含量很低，但的確反映了氣候的變化趨勢(shì)。因此，在研究中引入相對(duì)比值(R)的概念，在研究層段中，以某種孢粉單位蓋片的最大孢粉粒數(shù)為基數(shù)，不同蓋片中該類孢粉粒數(shù)與此基數(shù)的比值，并且首次以不同氣候類型孢粉相對(duì)比值的加權(quán)和作為綜合評(píng)價(jià)氣候變化的函數(shù)，公式如下:

通過(guò)對(duì)不同溫度和濕度分類的孢粉數(shù)據(jù)進(jìn)行相對(duì)比值統(tǒng)計(jì)，得出關(guān)于溫度、濕度變化的兩條曲線(圖5、6)，曲線的波折變化反映了古氣候的旋回演變，與沉積層序的劃分具有一定的關(guān)系。從沙河街期向東營(yíng)期轉(zhuǎn)變，氣候發(fā)生突變，溫度急劇降低、濕度快速增加，這個(gè)氣候突變引發(fā)東營(yíng)早期氣候快速反彈。整個(gè)東營(yíng)期主要存在5個(gè)規(guī)模較大的氣候旋回，從老到新分別命名為d3-3旋回、d3-2旋回、d3-1—d2x2旋回、d2x1—d2s旋回、d1旋回，盡管三級(jí)層序界面與這幾個(gè)氣候旋回關(guān)系不大，但其內(nèi)部細(xì)分的四級(jí)層序界面與5大氣候旋回對(duì)應(yīng)非常好，層序界面對(duì)應(yīng)了氣候相對(duì)干-熱時(shí)期，證明四級(jí)層序的形成受氣候變化控制。

圖5 遼中凹陷北部錦州21-A井濕度敏感類型孢粉相對(duì)比值及綜合曲線Fig.5 Relative ration and composite curve of moisture－sensitive pollen types of JZ21A，north of Liaozhong depression

圖6 遼中凹陷北部錦州21-A井溫度敏感類型孢粉相對(duì)比值及綜合曲線Fig.6 Relative ration and composite curve of temperature-sensitive pollen types of JZ21A north of Liaozhong depression

3.2 討 論

3.2.1 氣候與湖平面變化

利用濱岸上超點(diǎn)方法和沉降分析法獲得遼東灣的相對(duì)湖平面變化曲線和構(gòu)造沉降速率(圖7)，將它們與氣候曲線進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)最低湖平面往往對(duì)應(yīng)沉降速率突變期或者氣候干燥期，說(shuō)明湖平面變化與盆地構(gòu)造沉降、氣候變化關(guān)系緊密。圖7中可以看出遼東灣漸新世東營(yíng)期較大規(guī)模的湖平面升降有3個(gè)，并可以細(xì)分為7個(gè)高頻湖平面旋回。

圖7 遼東灣漸新世古湖泊多因素對(duì)比Fig.7 Multi-factor comparison of Oligocene paleolakes of Liaodong Bay

大規(guī)模的湖平面變化明顯受到構(gòu)造作用控制，劇烈裂陷-斷陷和整體坳陷均導(dǎo)致湖平面降低，說(shuō)明構(gòu)造活動(dòng)、構(gòu)造沉降是造成高級(jí)別湖平面變化的控制因素之一。

大規(guī)模湖平面升降并非一蹴而就，而是在波折的湖升湖降中完成，次級(jí)的湖平面旋回均可為湖平面波折進(jìn)行佐證，這些湖平面波動(dòng)與構(gòu)造沉降關(guān)系不大，相反與氣候變化息息相關(guān)。由圖7可見(jiàn):次級(jí)湖平面低值往往與氣候濕度干峰值、溫度熱峰值對(duì)應(yīng)，說(shuō)明氣候干燥、溫度升高是導(dǎo)致湖平面頻繁降低的主要因素，而氣候轉(zhuǎn)為濕潤(rùn)、溫度降低則促使湖平面升高。究其根源，氣候從兩個(gè)方面影響了湖平面的變化:一是干燥氣候?qū)е聟^(qū)域降水量減少，進(jìn)而影響湖泊主要水源，湖泊總體來(lái)水量減少;第二是干燥氣候容易導(dǎo)致湖盆水體蒸發(fā)，蒸發(fā)量增加。在這雙重作用下，湖盆來(lái)水量小于蒸發(fā)量，打破水體動(dòng)態(tài)平衡，致使湖水體積變小，在構(gòu)造活動(dòng)穩(wěn)定湖盆蓄水空間變化不大的情況下湖平面降低。

構(gòu)造沉降和氣候變化導(dǎo)致湖平面的周期性升降，氣候(尤其是濕度)為構(gòu)造穩(wěn)定期控制高頻湖平面變化的主要因素。另外，由于湖平面變化是形成地層層序的直接原因，氣候通過(guò)控制高頻湖平面變化間接控制高頻層序的發(fā)育。

3.2.2 氣候變化與盆底扇分布

有關(guān)研究證明，遼東灣(尤其是遼中凹陷)東營(yíng)組盆底扇分布很廣泛［17-18］，是研究區(qū)尋找?guī)r性圈閉的主要方向之一，并且在勘探實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)大量以盆底扇為儲(chǔ)層的巖性油氣藏。縱向上盆底扇在四級(jí)層序底部十分發(fā)育［12-13］，主要?dú)w功于氣候因素，氣候主要從兩個(gè)方面對(duì)盆底扇的形成提供有利條件:一是氣候干熱致使湖平面下降，位于水下的三角洲前緣沉積暴露地表，剛剛形成的陸表河流向下侵蝕先前的河道底部滯留沉積，將粗碎屑等高密度流向前推進(jìn)，在存在坡折或地貌高差的情況下這些高密度流會(huì)在盆地內(nèi)部沉積下來(lái)形成盆底扇;二是干熱氣候會(huì)使剝蝕區(qū)物理風(fēng)化嚴(yán)重，原巖的完整性和強(qiáng)度降低，極易被水流沖蝕，大大增加了物源供給量，在湖平面下降的同時(shí)形成大型盆底扇。

4 結(jié)論

(1)遼東灣漸新世東營(yíng)期氣候總體存在從相對(duì)干熱向相對(duì)冷濕轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，演化曲線呈波折狀，從早到晚可劃分為 d3-3、d3-2、d3-1—d2x2、d2x1—d2s、d1 5個(gè)規(guī)模較大的氣候旋回(干熱-冷濕-干熱)。

(2)除構(gòu)造活動(dòng)、沉降外，氣候變化是引發(fā)湖平面變化、形成層序邊界的主要控制因素。構(gòu)造沉降穩(wěn)定期，氣候?qū)Ω哳l湖平面變化起絕對(duì)控制作用，并間接控制四級(jí)層序界面的形成，同時(shí)干熱氣候是形成盆底扇的有利條件。

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Paleoclimate evolution and its influence on lake level changes of Paleogene Dongying epoch in Liaodong Bay，East China

WU Wei1，2，LINChang-song3，ZHOU Xin-huai4，LI Quan3，XING Zuo-chang1，YANYu1

(1.Institute of Resources＆Environment，Henan Polytechnic University，Jiaozuo454003，China; 2.Key Laboratory of Biology Trace and Mining Process of Henan Province，Jiaozuo454003，China; 3.School of Ocean Sciences，China University of Geosciences，Beijing100083，China; 4.Tianjin Branch Company of China National Offshore Petroleum Corporation，Tianjin300452，China)

According to the adaptability of vegetation to climate including temperature and humidity，the paleoclimate evolution and its influence on lake level changes of Paleogene Dongying epoch in Liaodong Bay were researched based on the division of the pollen climate types and the comprehensive analysis of the level of pollen，and the relative ratio of different climate type pollen in study areas.The results show that the whole climate in Dongying epoch transforms from relative dry-warm to relative wet-cold gradually.Climate change is characterized by significant cycle and can be divided into five cycles，which agrees well with the four-order sequence boundary of previous studies.With the tectonic subsidence and lake level change history，it is found that the climate controls the high-frequency lake level fluctuations when tectonic subsidence is stable.At the same time，the climate also indirectly controls the four-order sequence boundary，and the dry-warm climate is favorable for the formation of basin floor fan.

paleoclimate;lake level change;Oligocene;Dongying epoch;Liaodong Bay

P 532

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2012.01.006

1673-5005(2012)01-0033-07

2011-07-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41102059);油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(prp/open 1109)

吳偉(1979-)，男(漢族)，河南溫縣人，講師，博士，研究方向?yàn)楹蜌馀璧胤治觥?/p>

(編輯 徐會(huì)永)