松遼盆地嫩江組下部水體分層的有機(jī)地球化學(xué)證據(jù)*

劉美羽，胡建芳，萬曉樵

(1：中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所，廣州 510640)(2：中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083)

松遼盆地嫩江組下部水體分層的有機(jī)地球化學(xué)證據(jù)*

劉美羽1，2，胡建芳1**，萬曉樵2

(1：中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所，廣州 510640)(2：中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083)

通過對松科1井樣品的測試分析，在松遼盆地姚家組二、三段頂部至嫩江組二段底部地層中檢測到了較高含量的伽馬蠟烷，并據(jù)此確認(rèn)了對應(yīng)時期水體分層事件的存在.通過其與總有機(jī)碳(TOC)值和δ13Corg值剖面變化趨勢比對發(fā)現(xiàn)，伽馬蠟烷含量的高值與TOC高值和δ13Corg負(fù)值對應(yīng)良好，表明水體分層在一定程度上促進(jìn)了嫩江組沉積時期缺氧事件的發(fā)生，進(jìn)而對有機(jī)質(zhì)的保存起到了積極的作用.這種水體分層與當(dāng)時的海侵事件密切相關(guān).

松遼盆地；伽馬蠟烷；水體分層；嫩江組；總有機(jī)碳

地質(zhì)歷史時期曾經(jīng)出現(xiàn)過多次全球性的缺氧事件，并且由于有些缺氧事件發(fā)生的區(qū)域較廣，形成了在全球范圍內(nèi)廣泛發(fā)育的黑色頁巖層，使其成為地層對比的重要標(biāo)志之一.由于水體缺氧，有機(jī)質(zhì)的喜氧生物降解驟減，有利于富氫、傾油有機(jī)質(zhì)的保存，為形成大規(guī)模優(yōu)質(zhì)烴源巖提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[1].

大量的研究表明：對于陸相沉積環(huán)境來說，不論是古代還是現(xiàn)代湖泊，其底部水體或沉積物中的缺氧都與水體的垂向分層密切相關(guān)[2-4]，甚至在某些情況下，水體的微弱分層即可導(dǎo)致顯著的水柱化學(xué)性質(zhì)的垂向變化[3].這是由于一般的水體分層界面(化躍面)的存在，會導(dǎo)致界面上下水體的交換受阻，在界面上下形成具有較大性質(zhì)差異的水體環(huán)境[2-3].化躍面上部為混合良好的富氧循環(huán)水體，化躍面下部則為不流通的微氧或缺氧水體，其下覆沉積環(huán)境具有還原特征[5-8]，此種由分層所帶來的水體中氧化/還原條件的變化對沉積有機(jī)質(zhì)的保存具有重要影響[9].水體分層包括溫度分層和鹽度分層，溫度分層多出現(xiàn)在赤道附近的大型湖泊，鹽度分層在海洋和湖泊中都存在[10].

關(guān)于松遼盆地白堊紀(jì)優(yōu)質(zhì)烴源巖形成發(fā)育的沉積環(huán)境的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，研究表明富有機(jī)質(zhì)烴源巖形成于湖泊缺氧時期，且當(dāng)時的水體環(huán)境為淡水至微咸水[11-12]，但關(guān)于松遼盆地白堊紀(jì)水體分層的系統(tǒng)研究還少見報導(dǎo).本文將以有機(jī)地球化學(xué)手段來研究松遼盆地嫩江組的水體分層狀況，為探討其優(yōu)質(zhì)烴源巖的形成機(jī)制提供基礎(chǔ)資料.

1 松遼盆地和松科1井

圖1 松科1井井位圖[30]Fig.1 Sketch map showing the location of the SK-1 Cores

松遼盆地是世界范圍內(nèi)陸相白堊紀(jì)地層和地質(zhì)記錄最完整的地區(qū)之一[13]，位于中國東北部，橫跨黑龍江、吉林、遼寧和內(nèi)蒙古4省區(qū)，長約820km，寬約350km[14]，面積達(dá)260000km2，為中生代形成的伸展斷陷盆地(圖1).盆地內(nèi)地層覆蓋非常嚴(yán)重，僅在局部地區(qū)才有少量白堊系出露，所以盆地地層層序的建立主要依賴于位于盆地內(nèi)的數(shù)萬口鉆井所取得的數(shù)十萬米巖心資料[15].盆地內(nèi)部的白堊系可以分為10個組，自下而上依次為下白堊統(tǒng)的火石嶺組、沙河子組、營城組、登婁庫組、泉頭組和上白堊統(tǒng)的青山口組、姚家組、嫩江組、四方臺組、明水組.

松科1井是全球在陸地上實施的第一口陸相白堊紀(jì)科學(xué)鉆井，采用了“一井雙孔”的施工方案，由南孔和北孔組成(圖1).其中取心層位為南孔嫩江組二段底部到泉頭組三段頂部，北孔泰康組到嫩江組一段頂部，并利用在全盆地可對比的嫩江組底部的油頁巖層將兩孔銜接起來[13].松科1井的實施，使中國東北地區(qū)的晚白堊世陸相地層得以連貫起來，為地層劃分、對比及格架的建立提供了豐富可靠的資料.

前人的研究已經(jīng)證明在嫩江組一、二段沉積時期，松遼盆地發(fā)生了盆地演化史上規(guī)模最大的海侵事件，并引發(fā)了全盆地缺氧事件[16]，沉積了一套可以作為優(yōu)質(zhì)烴原巖的含多層油頁巖的黑色頁巖層[17].此次缺氧事件的發(fā)生是否是由于水體的分層而導(dǎo)致的，目前還沒有進(jìn)行系統(tǒng)的研究；此外，如果水體存在分層，其分層程度如何，本文通過對特定生物標(biāo)志化合物的定量計算將有助于回答此問題.

2 樣品采集及分析

為了探究松遼盆地嫩江組一、二段沉積時期的水體分層事件存在性及其與當(dāng)時的缺氧事件之間的聯(lián)系，本研究選取了松科1井兩孔的巖心樣品中姚家組二、三段上部至嫩江組三段底部的共計61個樣品．具體包括姚家組二、三段6個，取樣間隔4～17m不等，下疏上密；嫩江組一段26個，取樣間隔大多為3m左右，個別較密的部分為1～2m，較為稀疏的部分為6～7m；嫩江組二段27個，取樣間隔4～12m，下部較上部稍密；嫩江組三段2個，取樣間隔為20m左右.

巖心樣品均粉碎至100目后分成兩部分進(jìn)行前處理.

元素分析和δ13Corg值分析：稱取100mg左右樣品加入過量稀鹽酸靜置過夜，反應(yīng)完全后用去離子水清洗多次至中性，后在60℃烘干至恒重．分別稱取適量樣品于Vario EL CUBE元素分析儀和DELTAplusXL同位素質(zhì)譜儀進(jìn)行C元素分析和δ13Corg分析元素分析，數(shù)據(jù)結(jié)果表達(dá)為TOC(wt%)．每個樣品均測定平行雙樣.最終結(jié)果為其平均值．對某一樣品重復(fù)測試(5次)，其標(biāo)準(zhǔn)偏差σ為：±0.02wt%C，δ13Corg分析誤差<±0.5‰．

生物標(biāo)志化合物分析：稱取20～30g粉碎均勻的樣品，加入適量nC24D50標(biāo)準(zhǔn)化合物為內(nèi)標(biāo)，用二氯甲烷索氏抽提48h，經(jīng)氧化鋁-硅膠色譜柱進(jìn)行逐組分分離，由正己烷淋洗得到烷烴組分，于Thermo TRACE GC ULTRA/DSQII氣相色譜-質(zhì)譜儀進(jìn)行伽馬蠟烷的檢測分析，儀器條件如下：使用全掃描(Full Scan)和選擇離子掃描(SIM)模式，SIM模式選擇接收m/z=191的離子；離子源溫度230℃，進(jìn)樣口300℃，無分流；色譜條件為80℃保持2min，15℃/min的升溫速率升至120℃，再以3℃/min升至300℃保持30min.

3 結(jié)果

嫩江組一、二段TOC為0.3%～4.7%．嫩江組一段TOC呈現(xiàn)出波動式增高．TOC高值主要集中在嫩江組一段的1038～1045、1050～1065、1068～1072、1075～1100、1118～1130和1150～1170m深度處，其下覆地層姚家組TOC普遍低于0.3%．剖面δ13Corg值變化范圍為：-24.2‰～-30.4‰，δ13Corg值在嫩江組一段發(fā)生明顯偏負(fù)，最負(fù)為-30.4‰，嫩江組二段開始逐漸偏正，到嫩江組三段已達(dá)-24.2‰；在嫩江組一段，與TOC高值對應(yīng)，具體表現(xiàn)在1038～1045、1050～1065、1068～1072、1075～1100和1118～1130m深度處δ13Corg值都顯著偏負(fù)．在姚家組二三段中部、嫩江組二段中上部、嫩江組三段底部區(qū)間內(nèi)，δ13Corg值在較為偏正的-27‰～-24‰之間緩慢地變動.

伽馬蠟烷主要于嫩江組一、二段被檢測出來，其含量范圍為0.24～581.83ng/g，最高值出現(xiàn)在嫩一段中部．在嫩江組一段、二段底部，伽馬蠟烷表現(xiàn)出同TOC一致的變化趨勢，其高值也主要出現(xiàn)在1030～1040、1038～1045、1050～1065、1068～1072、1075～1100和1118～1130m深度處．在姚家組二三段中部、嫩江組二段中上部、嫩江組三段底部區(qū)間內(nèi)，伽馬蠟烷幾乎檢測不出.

4 討論

伽馬蠟烷是一種來源于四膜蟲醇的C30帶環(huán)烷烴，最初的研究認(rèn)為伽馬蠟烷是高鹽環(huán)境的生物標(biāo)志化合物[18-23]，但隨后伽馬蠟烷的重碳同位素及微生物學(xué)均表明生活于化躍面、循環(huán)水體與非循環(huán)水體的界面及其底部厭氧環(huán)境中的纖毛蟲是伽馬蠟烷的重要來源，由于纖毛蟲生活于分層的水體中，故伽馬蠟的存在和較高豐度還可以作為水體分層的標(biāo)志[24-25]．本研究中，嫩江組一段、二段底部伽馬蠟烷的檢出表明松遼古湖泊在這一時段存在水體分層現(xiàn)象.

前人對于松遼盆地?zé)N源巖形成發(fā)育時期的沉積環(huán)境特征的研究表明其富有機(jī)質(zhì)烴源巖形成時期松遼古湖泊為淡水至微咸水沉積環(huán)境[11].嫩江組古鹽度定量重建也表明當(dāng)時湖泊下部的水體鹽度為30‰～40‰，上部為1‰～30‰，即此時湖泊水柱鹽度不均一，存在鹽度分層[26]．伽馬蠟烷的檢出再次證明了此時水體分層現(xiàn)象．由于松遼古湖泊在其歷史演化過程中一直是大型淡水湖泊，越來越多的研究表明，松遼盆地在嫩江組一、二段沉積時期發(fā)生了大規(guī)模的海侵事件，相關(guān)證據(jù)(咸水-半咸水動物群[14]、鈣質(zhì)超微化石[27]、C31甾烷[28]、有孔蟲[29-30]等)也不斷提出，但海侵發(fā)生的模式以及相對規(guī)模目前還沒有進(jìn)行系統(tǒng)研究.本研究通過對水體分層標(biāo)志物——伽馬蠟烷的定量研究，能夠指示水體分層的相對規(guī)模(程度)，也間接指示了海侵的規(guī)模.從圖2看出，嫩江組一段、二段底部伽馬蠟烷的相對峰值是波動式的，反映出湖泊水體分層是波動/間歇式的，規(guī)模也有大有小，推測此時海侵的發(fā)生是由于海、湖平面都較高[31]，海平面的微小升高，海水就能以片泛的形式進(jìn)入.松遼古湖泊海水的進(jìn)入，一方面給湖泊帶來了大量的海洋初級生產(chǎn)力，另一方面給湖泊帶來了豐富的營養(yǎng)鹽，促進(jìn)了湖泊自身初級生產(chǎn)力的大幅增加.上部低鹽度水體中大量菌藻類的暴發(fā)產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)殘屑沉降至下部高鹽度水體中，分層水體使得水體缺氧，形成還原環(huán)境，有利于大量有機(jī)質(zhì)的保存埋藏[1]，最終形成富有機(jī)質(zhì)烴源巖.因此，此時地層中對應(yīng)TOC的含量增高.δ13Corg值顯示在水體分層時，其值整體偏負(fù)(可達(dá)-30.4‰)，反映出湖泊沉積有機(jī)質(zhì)中有海洋有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)，這是因為研究表明，白堊紀(jì)或更老沉積物中海洋來源有機(jī)質(zhì)的δ13Corg值比湖泊來源有機(jī)質(zhì)偏輕，一般可以將δ13Corg值為-29‰～-27‰的有機(jī)質(zhì)劃分為海洋來源，而將δ13Corg值為-25‰～-24‰的有機(jī)質(zhì)劃分為陸相湖泊來源[32].嫩二段開始，δ13Corg值緩慢偏正，表明海洋有機(jī)質(zhì)的輸入消失，海侵結(jié)束，松遼古湖泊水體分層現(xiàn)象也基本消失.

圖2 松遼盆地白堊紀(jì)中期姚家組頂部-嫩江組下部沉積剖面沉積物總有機(jī)碳及其穩(wěn)定碳同位素、伽馬蠟烷及湖平面變化趨勢(☆代表古地磁年齡，*為實測SIMS鋯石U-Pb年齡；巖性柱條中虛線代表泥巖，點代表砂巖，斜雙線代表油頁巖)Fig.2 TOC，stable carbon isotopic composition of TOC， content of gammacerane and lake level change in mid-Cretaceous Stratigraphic column of Songliao Basin

5 結(jié)論

松科1井嫩江組下部的伽馬蠟烷定量研究表明，松遼古湖泊此時存在水體分層現(xiàn)象，這種分層是由于海侵的發(fā)生使得湖泊水體上、下部存在顯著的鹽度差異．水體的分層有利于形成湖泊水柱下部的還原環(huán)境，有利于有機(jī)質(zhì)的保存埋藏，并最終形成富有機(jī)質(zhì)的烴源巖．伽馬蠟烷的相對峰值表明嫩江組一段、二段底部水體分層是間歇/波動式的，間接反映此時海侵是間歇式發(fā)生的.

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The organic geochemical evidences for the lake water stratification in Lower Nenjiang Formation， Songliao Basin

LIU Meiyu1，2， HU Jianfang1& WAN Xiaoqiao2

(1：GuangzhouInstituteofGeochemistry，ChineseAcademyofSciences，Guangzhou510640，P.R.China) (2：SchoolofEarthSciencesandResources，ChinaUniversityofGeosciences，Beijing100083，P.R.China)

By the analysis of samples from SK-1， high content gammacerane was detected in the strata from the top of the 2ndand 3rdmember of Yaojia formation to the bottom of the 2ndmember of Nenjiang Formation， Songliao Basin， which suggesting that water stratification occurred during this period. Compared with the total organic carbon(TOC) and δ13Corgdata， the high contents of gammacerane correspond well with the high values of TOC and the negative values of δ13Corg. This correspondence suggests that water stratification led to the anoxic environment in the Songliao Paleo-lake， which contributed to the preservation and deposit of organic matter during the sedimentary period of Nenjiang Formation. It is inferred that the water stratification is related to the marine incursion in the Songliao Basin.

Songliao Basin； gammacerane； water stratification； Nenjiang Formation；total organic carbon

*國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃“973”項目(2012CB822002)和國家自然科學(xué)基金項目(41372110)聯(lián)合資助.2013-12-09收稿；2014-05-12收修改稿.劉美羽(1987～)，女，碩士；E-mail：ninina@qq.com.

**通信作者；E-mail：hujf@gig.ac.cn.