天文周期與異重流沉積前沿科學(xué)問題探討

楊仁超，田 源

(山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266510)

近年來，天文周期、異重流沉積成為國際地質(zhì)學(xué)研究的前沿領(lǐng)域和熱點話題；而我國，以鄂爾多斯盆地延長組為代表的湖相異重流沉積研究取得了重要進展。但有兩個關(guān)鍵科學(xué)問題尚不明確：天文周期驅(qū)動的高頻氣候旋回如何控制異重流沉積？高頻氣候旋回和異重流沉積如何影響有機質(zhì)富集？在天文地質(zhì)年代研究向“深時”(Deep Time)和高精度方向發(fā)展、非常規(guī)油氣開發(fā)研究趨向精細化的當(dāng)下，以淺鉆取芯、數(shù)據(jù)采集、樣品分析和測井資料為基礎(chǔ)，應(yīng)用天文周期和氣候旋回識別、異重流沉積細粒巖識別和有機質(zhì)富集效應(yīng)分析等關(guān)鍵技術(shù)，研究天文周期驅(qū)動的氣候旋回對異重流沉積的控制作用，以及后者對前者的響應(yīng)，明確高頻氣候旋回、異重流沉積對有機質(zhì)富集的影響及其作用機理，不僅可為天文年代標(biāo)尺這一國際前沿領(lǐng)域提供參照，而且可為烴源巖成因機理研究奠定地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)，還可為頁巖油氣開發(fā)提供高分辨率地層劃分對比依據(jù)。

1 天文年代學(xué)及高分辨率沉積旋回研究成為地學(xué)前沿領(lǐng)域

1.1 天文年代學(xué)研究向高精度、“深時”方向發(fā)展

近年來，天文周期驅(qū)動的氣候旋回及其對沉積作用的控制成為地學(xué)研究的熱點[1-6]。太陽系各星體對地球的引力造成地球公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)軌道的偏心率、斜率和歲差參數(shù)的周期性變化，引起地球表面接受日照量的周期性變化，從而驅(qū)動地球表層氣候系統(tǒng)的周期性波動[7-8]，形成旋回地層。通過收集反映古氣候變化的替代指標(biāo)參數(shù)，應(yīng)用天文旋回理論來研究旋回地層記錄的分支學(xué)科——天文旋回地層學(xué)由此誕生[9]，成為地學(xué)研究的前沿領(lǐng)域[3,5-6,10]。

應(yīng)用天文旋回理論，通過對高分辨率的旋回地層記錄進行天文調(diào)諧，建立天文年代標(biāo)尺以提高地質(zhì)年代精度，已成為地質(zhì)學(xué)研究的發(fā)展方向[11-13]。其高達千年尺度的精度已超越其他定年方法，成為地質(zhì)計時的天文“擺鐘”[14]。如北大西洋深水細粒沉積中，千年尺度的氣候旋回清晰可辨[15]。經(jīng)過天文校準(zhǔn)的地質(zhì)年代已100%覆蓋新生代，中生代已覆蓋75%；而三疊紀(jì)年代標(biāo)尺尚未完全建立[8,16-17]。天文年代標(biāo)尺正朝“深時”方向發(fā)展，成為多項國際重大地質(zhì)研究計劃和科學(xué)鉆探的重點領(lǐng)域之一。

1.2 天文周期及氣候?qū)Τ练e旋回的控制作用研究向高分辨率方向發(fā)展

天文周期與氣候變化不僅控制了沉積物供給[4]、海(湖)平面升降[18]、河流決口的頻率[19]，而且控制了生物的發(fā)育程度[18]、烴源巖的富集[12-13]、主煤層的形成[4]以及有機質(zhì)碳同位素(δ13Corg)的漂移[20]。而在過去約1 400年，受周期性季風(fēng)活動影響，尼羅河洪水泛濫歷史與東地中海生產(chǎn)力水平具有顯著的一致性[21]；洪水引起地中海浮游生物的勃發(fā)，形成富含有機質(zhì)的海底“腐泥層”，成為歲差的標(biāo)記[14]?？梢?，氣候?qū)Τ练e作用的控制比此前的理解更為重要[18]。

隨著非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的深入，對細粒沉積地層的年代地層劃分、地質(zhì)分層精度要求越來越高，對天文旋回的研究將向亞米蘭科維奇旋回的高分辨率方向發(fā)展[22-23]。由于深水細粒沉積[24-29]的環(huán)境相對穩(wěn)定、沉積連續(xù)，因此是天文周期信號的理想載體。

2 異重流沉積研究海陸并舉，其氣候影響因素備受關(guān)注

2.1 異重流沉積研究由海相向陸相拓展，我國湖泊異重流沉積研究取得進展

異重流是洪水期河流注入、沿盆地底部流動的濁流，其沉積產(chǎn)物的主要特征是逆粒序段—正粒序段成對出現(xiàn)，逆—正粒序的轉(zhuǎn)換處可見微侵蝕面，其頂、底接觸關(guān)系以突變?yōu)橹鱗30]。Zavala等[31]將濁流分為盆內(nèi)濁積巖(滑塌型)和盆外濁積巖(異重巖)，二者在三角洲地帶可共生共存[32]。因無須大量沉積物的積累和滑坡觸發(fā)機制，異重流比滑塌型濁流更易于發(fā)生[26,33-35]。巨大的懸浮載荷及其下潛過程中的侵蝕作用，使得異重流可做長距離流動[36]；河流輸入的異重流可向含鹽的濁流轉(zhuǎn)化，從而產(chǎn)生更遠的運輸距離[37]。作為一種將大量沉積物搬運至深水盆地的重要作用機制，異重流引起了地質(zhì)學(xué)界的廣泛關(guān)注[38-44]。

但是，國外有關(guān)異重流的研究多以海相環(huán)境為主，陸相環(huán)境研究極少。近年來，國內(nèi)學(xué)者先后在鄂爾多斯盆地、松遼盆地、渤海灣盆地[45-48]等陸相地層中發(fā)現(xiàn)了異重流沉積。

與海相盆地相比，陸相沉積盆地多具近物源、易受氣候影響的特點，更有利于異重流沉積的發(fā)生。異重流源自洪水河口的長時間、大規(guī)模注入，其沉積物載荷遠大于滑塌濁流；異重流可沿盆地底部長距離搬運，可達盆地中心深水區(qū)，故異重流沉積的分布范圍一般比濁積巖更大。隨著研究的深入，在陸相盆地中將會發(fā)現(xiàn)更廣泛的異重流沉積。

2.2 異重流沉積對天文周期與氣候的響應(yīng)將成為地學(xué)研究的新趨向

氣候?qū)Ξ愔亓鞒练e的影響已備受關(guān)注，但異重流沉積對天文周期的響應(yīng)研究尚未涉及。全球水文循環(huán)的突然加強是對溫室氣體排放、氣候變暖的快速直接反應(yīng)[49]；高頻海平面旋回中，由于極端降水事件而產(chǎn)生的異重流使陸架的泥沙通量大增[50]。洪水異重流的發(fā)生明顯受氣候的控制[41,51-52]，而氣候變化與天文周期密切相關(guān)[2-6]；但是，天文周期對異重流沉積的控制作用或后者對前者的沉積響應(yīng)研究鮮有報道。這些問題對于從本質(zhì)上認識異重流沉積的發(fā)生頻率、控制因素與分布規(guī)律均是很大的障礙，必將成為未來地學(xué)研究的新趨向。

3 氣候與有機質(zhì)富集關(guān)系的研究趨向多學(xué)科交叉

3.1 大量研究證實氣候顯著影響有機質(zhì)富集

大量研究表明，有機質(zhì)的富集與氣候密切相關(guān)[53-59]，特別是氣溫的影響最為顯著[60]。氣候波動形成的T-R旋回中沉積了富有機質(zhì)油頁巖[61]。氣候影響流域內(nèi)的侵蝕速率和初級生產(chǎn)力(藻類繁盛)，從而影響有機質(zhì)的來源和地球化學(xué)組成[60]，溫濕氣候有利于湖泊的初級生產(chǎn)力和沼澤的發(fā)育，形成陸源和水生有機質(zhì)的混合，形成了高有機質(zhì)沉積[62-63]；葡萄牙早侏羅世富含有機質(zhì)的黑色頁巖，是極端氣候變暖、高海洋生產(chǎn)力和間歇性分層陸表海驅(qū)動的結(jié)果[64]；撫順盆地始新統(tǒng)油頁巖的有機質(zhì)變化受氣候控制下的周緣高等植物輸入和水生生物的顯著影響[65]。延長組長7 油層組沉積期為古氣溫大于15 ℃的溫暖潮濕的溫帶—亞熱帶氣候[66]，溫暖濕潤的氣候條件、還原性底部水體有利于油頁巖的形成和保存[53]，為烴源巖的沉積和頁巖油的富集奠定了基礎(chǔ)。但高頻氣候旋回與有機質(zhì)富集的關(guān)系研究仍處于起步階段。

3.2 異重流與有機質(zhì)富集的具體關(guān)系尚不明確

現(xiàn)代沉積和白堊紀(jì)沉積研究實例表明異重流可高效富集有機質(zhì)：其一，異重流可富集有機質(zhì)。例如：異重流將大量的有機質(zhì)搬運至深海[67]；喜馬拉雅南部鋒面降雨量大、生產(chǎn)力高、地形起伏大，洪水異重流輸入是湖盆有機質(zhì)的主要來源[68]；巴西Lorena油田的白堊系烴源巖是由異重流沉積而成[69]。其二，異重流富集有機質(zhì)的規(guī)模大、效率高。受頻繁的臺風(fēng)影響，臺灣島一條小型河流96 h內(nèi)的顆粒木質(zhì)素輸入量相當(dāng)于密西西比河年輸入量的20%[70]；異重流極端事件有效地加速了富含有機質(zhì)的深海沉積物埋藏[71]；海洋與異重流通道相結(jié)合，成為一個巨大的碳匯，可以高效地將陸源顆粒有機質(zhì)輸入深海進行封存[70]。但是，異重流在輸入有機質(zhì)的同時，亦向盆地搬運大量碎屑物質(zhì)；異重流輸入的營養(yǎng)元素對于盆地生態(tài)環(huán)境和生產(chǎn)力均可產(chǎn)生影響，異重流對有機質(zhì)富集的影響是否存在滯后效應(yīng)？因此，異重流與有機質(zhì)富集的具體關(guān)系以及作用機理將成為未來細粒沉積學(xué)研究的重要方向之一。

3.3 天文周期分析方法及反映氣候條件的地球化學(xué)指標(biāo)應(yīng)用研究趨向成熟

利用露頭的伽馬射線測量及其與有機質(zhì)含量的關(guān)系，Gomez等[72]建立了古氣溫與有機質(zhì)沉積之間的關(guān)系；Scotchman等[73]利用伽馬射線譜分析、頻譜分析等方法識別出了斜率和歲差信號；Shi等[12-13]基于連續(xù)巖心的磁化率測量，結(jié)合伽馬曲線，利用滑動傅立葉變換方法分析了渤海灣湖盆沉積的天文周期。

氣候波動形成的T-R旋回中沉積了富Zn、V、Mo、Ni等元素[61]，較高的Al2O3/SiO2比值表明較濕潤的古氣候[59]，主量、微量元素及其比值、TOC等地化指標(biāo)被廣泛應(yīng)用于氧逸度、古鹽度、古氣候、古生產(chǎn)力等古環(huán)境分析[57,74-81]。天文學(xué)、地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)等多學(xué)科的交叉，成為研究復(fù)雜地質(zhì)問題的必然；新方法的探索、有效方法的甄選和多種方法的聯(lián)用，正成為該研究領(lǐng)域的新趨向。

4 結(jié)語與展望

當(dāng)前，天文地質(zhì)年代研究正向高精度和“深時”方向發(fā)展，天文沉積旋回的分辨率不斷提高。研究天文周期、氣候變化旋回對異重流沉積的控制作用，探索天文周期、異重流對有機質(zhì)富集的影響，不僅可為天文年代標(biāo)尺這一國際前沿領(lǐng)域提供參照，而且為烴源巖成因機理研究奠定地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)，還可為頁巖油氣開發(fā)提供高分辨率地層劃分對比依據(jù)。因此，相關(guān)研究具有重要的地質(zhì)科學(xué)研究價值和頁巖油氣開發(fā)現(xiàn)實意義。