東營(yíng)凹陷中晚始新世古氣候演化特征及其意義
——以Hk1 井為例

王健，彭捷，操應(yīng)長(zhǎng)，劉可禹，3，宋明水，劉惠民

1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）深層油氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266580

2.海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)國(guó)家功能實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266071

3.CSIRO Energy，26 Dick Perry Drive，Kensington，WA 6151，Australia

4.中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，山東東營(yíng) 257015

0 引言

古新世—早始新世氣候是新生代以來(lái)最溫暖的時(shí)期[1-2]，始新世中晚期是全球氣候條件從溫室向初始冰室過(guò)渡的重要時(shí)期（約49～33 Ma）。在此期間古氣候長(zhǎng)期呈降溫趨勢(shì)，最終導(dǎo)致在漸新世轉(zhuǎn)變?yōu)楸覛夂驐l件[3]，伴隨著這種長(zhǎng)期降溫趨勢(shì)的是一系列突然而短暫的降溫和變暖事件，這使得全球始新世氣候變化復(fù)雜，被稱為“Doubthouse”[4-6]。在亞洲地區(qū)，由于全球氣候變冷、青藏高原的隆升和塔里木盆地海退等原因，始新世的氣候變化更為復(fù)雜，中國(guó)新生代地層中含有大量的孢粉化石和地層學(xué)資料，是了解新生代東亞地區(qū)古氣候格局和演化趨勢(shì)的重要區(qū)域[2,5,7-11]。

受行星風(fēng)系控制，始新世早期中國(guó)被分為三個(gè)氣候帶（圖1a）[10]，即中部以廣泛發(fā)育的蒸發(fā)巖和紅層沉積為標(biāo)志的（半）干旱帶和南北兩側(cè)以煤、油頁(yè)巖和森林花粉組合為標(biāo)志的濕潤(rùn)氣候帶[10,12-13]。中部干旱帶的鹽湖和紅層沉積不僅記錄著沉積環(huán)境變化的信息，更是古氣候演化的重要載體[14-17]。研究表明，晚漸新世（24 Ma）時(shí)，行星風(fēng)系控制的緯度分帶古氣候格局已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榕c現(xiàn)今極為相似的季風(fēng)氣候格局[10,18]。越來(lái)越多的證據(jù)顯示，在始新世時(shí)期古氣候格局已發(fā)生明顯改變[1,12,19-20]，以往針對(duì)中部干旱帶始新世古氣候演化的研究主要集中在中國(guó)西部的西寧盆地、柴達(dá)木盆地等[3,21-22]，缺少中國(guó)東部廣泛分布的沉積地層的證據(jù)，使得行星風(fēng)系控制的氣候分帶格局被打破的時(shí)間，以及其后的氣候演化特征仍存在非常大的爭(zhēng)議[1,9-10,12-13,20,23]。中國(guó)東部的東營(yíng)凹陷位于中部干旱帶的東部邊緣（圖1a），中晚始新世時(shí)期發(fā)育有一套連續(xù)的紅層—膏鹽層—湖相泥巖沉積序列（圖1c）[11]，對(duì)古氣候變化非常敏感，既受盛行西風(fēng)的影響，又能及時(shí)記錄季風(fēng)氣候格局的出現(xiàn)，是研究該時(shí)期古氣候演化的重點(diǎn)區(qū)域。

文章通過(guò)對(duì)東營(yíng)凹陷Hk1井沙三下亞段（Es3x）—孔一上亞段（Ek1s）進(jìn)行天文旋回分析建立了東營(yíng)凹陷Es3x-Ek1s的天文地層格架，對(duì)東營(yíng)凹陷沙四段沉積時(shí)期進(jìn)行了限定；同時(shí)分析了東營(yíng)凹陷沙四段沉積學(xué)、地球化學(xué)[如：Na/Al 比值、化學(xué)變化指數(shù)（CIW’）]特征，并與中國(guó)西部同時(shí)期古氣候演化特征進(jìn)行對(duì)比，探討中晚始新世中國(guó)古氣候演化特征及其意義。

圖1 東營(yíng)凹陷構(gòu)造位置及沙四下亞段膏鹽巖平面分布圖（a）始新世中國(guó)干旱帶分布[10]；（b）渤海灣盆地構(gòu)造背景；（c）東營(yíng)凹陷沙四下亞段膏鹽巖厚度分布圖[11]Fig.1 Tectonic setting and distribution of gypsum-salt rocks of the Es4x in the Dongying Depression(a) distribution of arid zones of Middle Eocene in China[10]; (b) tectonic setting of the Bohai Bay Basin; (c) distribution of gypsum-salt rocks of the Es4x in the Dongying Depression[11]

1 區(qū)域地質(zhì)概況

渤海灣盆地是我國(guó)東部重要的陸相含油氣盆地，位于中部干旱帶和北部濕潤(rùn)帶交界處，面積約2×105km2（圖1a）[10]，其在中生代發(fā)育為弧后盆地，新生代轉(zhuǎn)變?yōu)榭死▋?nèi)裂陷盆地。渤海灣盆地的構(gòu)造演化主要可分為裂陷期（65.0～24.6 Ma）和坳陷期（24.6 Ma 至今）兩個(gè)階段[24-26]。東營(yíng)凹陷位于渤海灣盆地東南部（圖1b），是濟(jì)陽(yáng)坳陷的一個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元。

東營(yíng)凹陷新生代沉積厚度可超過(guò)5 000 m，由古近系孔店組（Ek）、沙河街組（Es）、東營(yíng)組（Ed）、新近系館陶組（Ng）、明化鎮(zhèn)組（Nm）和第四紀(jì)平原組（Qp）組成，沙河街組自下而上又可分為沙四段（Es4），沙三段（Es3），沙二段（Es2）和沙一段（Es1）（圖2）。

圖2 東營(yíng)凹陷Hk1 井沙三下亞段—沙四段沉積相及地層柱狀圖Fig.2 Sedimentary facies and stratigraphic column of well Hk1 of the Es3x-Es4, Dongying Depression

東營(yíng)凹陷沙四段沉積時(shí)期內(nèi)研究區(qū)氣候整體干旱炎熱[11,17,27-28]，是鹽湖主要發(fā)育時(shí)期，各巖層單層厚度較小，主要為高鹽度水體干旱條件下形成的蒸發(fā)巖、碳酸鹽巖以及由季節(jié)性洪水帶來(lái)的陸源碎屑沉積物互層[11,28]。Hk1井位于膏鹽沉積中心，沉積有巨厚的紅層碎屑沉積和膏鹽巖（圖1c）[11]。沙四下亞段（Es4x）沉積物顏色以紫色、紫紅色等氧化色為主，巖性主要為泥巖、粉砂巖以及含膏泥巖，上部膏巖和鹽巖含量增加，開(kāi)始出現(xiàn)厚層蒸發(fā)巖。沙四上亞段（Es4s）以灰色，深灰色等還原色為主，沙四上亞段下部以膏鹽巖為主，上部膏巖消失，以（半）深湖相泥質(zhì)為主（圖2）。

2 數(shù)據(jù)與方法

本次研究選取了Hk1井沙四段96個(gè)非等間隔砂泥巖樣品，在實(shí)驗(yàn)室去除風(fēng)化表面后將新鮮樣品切下密封保存，并在中石化勝利油田地質(zhì)科學(xué)研究院采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-AES）對(duì)這些砂泥巖樣品進(jìn)行無(wú)機(jī)地球化學(xué)元素測(cè)定。在進(jìn)行測(cè)定之前先將保存好的樣品冷凍干燥，并用研缽進(jìn)行研磨，研磨后在90 ℃溫度下在鐵氟龍容器中利用10 mL HClO4（60%）、HNO3（65%）、H2O的6.5∶2.5∶1混合物和10 mL HF（40%）對(duì)得到的粉末狀樣品進(jìn)行溶解，隨后將所得溶液通過(guò)190 ℃沙浴蒸發(fā)至干燥后將殘留物溶解在50 mL 1-M HCl 中進(jìn)行分析測(cè)試[29]。樣品測(cè)試溫度為22 ℃，濕度為60%，測(cè)試誤差小于5%。

3 東營(yíng)凹陷中晚始新世天文地層年齡

3.1 米氏旋回古氣候替代指標(biāo)

自然伽馬測(cè)井（GR）能夠反映細(xì)粒沉積物中的物質(zhì)組成含量變化，且垂向連續(xù)性好，因此常選用自然伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)作為古氣候替代性指標(biāo)來(lái)反映古環(huán)境和古氣候的變化[30-33]。Hk1井鉆深超過(guò)5 000余米，自然伽馬測(cè)井連續(xù)性好，研究選取了HK1 井沙三下亞段—孔一上亞段（2 929～5 140 m）共計(jì)8 845 個(gè)自然伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算。GR 曲線作為古氣候替代性指標(biāo)常包含有各種因素所引起的環(huán)境噪音，為了得到更好的分析結(jié)果，本次研究主要對(duì)所選取的自然伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了去均值化和去趨勢(shì)化預(yù)處理[34-36]。

3.2 理論軌道周期

根據(jù)現(xiàn)有研究，主要的天文軌道周期有（長(zhǎng)、短）偏心率、斜率以及歲差三種，比率大致為20∶5∶2∶1[37-38]。但是由于地球與其他星球的相互作用以及地球自轉(zhuǎn)等因素的影響，各天文軌道周期都處在一個(gè)動(dòng)態(tài)變化中[39-40]，為了得到更準(zhǔn)確的天文軌道周期，需要計(jì)算各地質(zhì)歷史時(shí)期內(nèi)的天文軌道周期。

東營(yíng)凹陷沙三中亞段和沙三下亞段界線的古地磁年齡為38.975 Ma[41]，因此通過(guò)La2004 計(jì)算方案計(jì)算了-50～30 Ma間的偏心率、斜率及歲差軌道參數(shù)[39]（圖3c，數(shù)據(jù)來(lái)源http://vo.imcce.fr/insola/earth/online/earth/earth.html），并通過(guò)Redfit 軟件對(duì)所獲得軌道參數(shù)進(jìn)行頻譜分析，提取置信度超過(guò)95%的頻率，共得到了7 個(gè)相應(yīng)的理論周期（圖3a），同時(shí)使用Past 軟件進(jìn)行連續(xù)小波變換（圖3b），得出的小波波譜圖中的平行帶所對(duì)應(yīng)的軌道周期與進(jìn)行譜分析得到的周期有著很好的對(duì)應(yīng)[35,39,42]。由此表明在-50～30 Ma 間的主要軌道周期有：405 ka（E3），125 ka（E2），95.2 ka（E1），39.5 ka（O1），23.2 ka（P3），21.9 ka（P2）和18.6 ka（P1），其比值關(guān)系為21.774∶6.720∶5.118∶2.124∶1.247∶1.177∶1。

3.3 Hk1井天文旋回分析

Hk1 井沙三下亞段—孔一上亞段自然測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)頻譜分析結(jié)果顯示研究區(qū)置信度超過(guò)95%的厚度周期主要有21.540 m，6.401 m，5.858 m，5.410 m（圖4a）。此外，分析發(fā)現(xiàn)結(jié)果中超過(guò)80%置信度區(qū)間的峰值還存在110.56 m 的厚度周期（圖4a），且在連續(xù)小波變換圖譜中也有明顯反映（圖4b），由此判定東營(yíng)凹陷Es3x－Ek1s地層主要厚度周期有110.56 m，21.540 m，6.401 m，5.858 m，5.410 m。為確定地層中所觀察到的旋回是否受天文軌道周期影響，最常用的方法就是比對(duì)觀察到的旋回與該時(shí)期理論軌道旋回的相對(duì)比率[37]。研究區(qū)地層的主要周期比值為20.436∶3.982∶1.627∶1.083∶1，與該時(shí)期的米蘭科維奇理論軌道周期405 ka∶95.2 ka∶39.5 ka∶23.2 ka∶21.9 ka（E3∶E1∶O1∶P3∶P2）吻合較好，可知東營(yíng)凹陷沙三下亞段—孔一上亞段沉積受米蘭科維奇旋回的控制[37]。長(zhǎng)偏心率、短偏心率、斜率和歲差分別控制了110.560 m，21.540 m，6.401 m 和5.858 m（5.410 m）厚度周期的旋回。

隨后采用高斯帶通濾波器在GR 曲線上分別對(duì)長(zhǎng)偏心率（110.560 m），短偏心率（21.540 m），斜率（8.801 m）和歲差（5.858 m）進(jìn)行濾波，構(gòu)建沙三下亞段—孔一上亞段米氏旋回地層格架，并以沙三下亞段頂?shù)墓诺卮拍挲g（38.975 Ma）為時(shí)間邊界建立具有相對(duì)時(shí)間概念的浮動(dòng)天文年代標(biāo)尺（圖5）[41]。由此知東營(yíng)凹陷沙三下亞段—孔一上亞段記錄有21 個(gè)E3長(zhǎng)偏心率旋回（圖5），持續(xù)時(shí)間約為8.505 Ma。

圖3 東營(yíng)凹陷古近紀(jì)理論軌道周期（a）頻譜分析；（b）連續(xù)小波變換色譜圖；（c）地球軌道參數(shù)曲線，EOP為該時(shí)期偏心率、斜率和歲差軌道參數(shù)之和Fig.3 Theoretical orbital cycle of the Paleogene in the Dongying Depression(a)spectrum analysis;(b)continuous wavelet transform chromatogram;(c)curve of earth orbit parameter(EOP=sum of eccentricity,obliquity and precession orbit parameters)

圖4 東營(yíng)凹陷Hk1 井沙三下亞段—孔一上亞段GR 信號(hào)頻譜分析和小波變換分析（a）頻譜分析；（b）連續(xù)小波變換色譜圖Fig.4 Spectrum analysis and wavelet transform diagram of GR of well Hk1, Es3x-Ek1s, Dongying Depression:(a)spectrum analysis of GR;(b)continuous wavelet transform chromatogram of GR

4 中晚始新世古氣候演化特征

4.1 東營(yíng)凹陷沙四段沉積序列及水文氣候特征

在沉積學(xué)上，陸相湖盆沉積是古氣候演化的良好載體，其中最常用的指標(biāo)有泥巖顏色和巖性[2,11]。本文根據(jù)Hk1井的巖性和泥巖顏色使用Wanget al.[2]的方法劃分了研究區(qū)的沉積相，并以此為基礎(chǔ)分析了研究區(qū)水文旋回和古氣候特征（圖2）。

Hk1井沙四下亞段下部巖性以紅色、紫紅色泥巖和砂巖互層為主，表明此時(shí)沉積環(huán)境為干旱條件下的濱湖沉積，至沙四下亞段上部開(kāi)始出現(xiàn)以厚層膏鹽巖為代表的鹽湖相沉積。沙四上亞段下部，研究區(qū)地層表現(xiàn)為厚層膏鹽巖和灰色泥巖互層，反映該段沉積環(huán)境在（半）深湖和鹽湖之間迅速變化，整體以鹽湖沉積為主，氣候干濕變化頻繁且劇烈；沙四上亞段上部，湖盆水體進(jìn)一步加深，沉積相轉(zhuǎn)為（半）深湖相，氣候濕潤(rùn)（圖2）。

圖5 東營(yíng)凹陷Hk1 井沙三下亞段—孔一上亞段米氏旋回識(shí)別與劃分38.975*為東營(yíng)凹陷沙三下亞段和沙三中亞段的古地磁界線[41]Fig.5 Identification and division of Milankovitch cycles, well Hk1, Es3x-Ek1s, Dongying Depression38.975*is the paleomagnetic boundary between Es3z and Es3x in the Dongying Depression[41]

4.2 中晚始新世地球化學(xué)及古氣候演化特征

除沉積學(xué)特征外，地球化學(xué)指標(biāo)也常用于古氣候研究。氣候溫暖潮濕時(shí)，化學(xué)風(fēng)化作用加強(qiáng)，Sr含量和Na/Al 比值低，Ca/Mg 比值高[3,27,43-44]，但在氣候非常炎熱的條件下，Ca/Mg比值的高值反而指示干旱氣候[45]。因此，將Na/Al，Ca/Mg 比值、Sr 含量和化學(xué)變化指數(shù)（CIW’）（研究區(qū)樣品鈣質(zhì)含量相對(duì)較高，本研究使用改良過(guò)的化學(xué)變化指數(shù){CIW’=[Al2O3/（Al2O3+Na2O）]×100}來(lái)替代化學(xué)蝕變指數(shù)（CIA）和化學(xué)風(fēng)化指數(shù)（CIW）[3]）作為古氣候指標(biāo)。Na 元素含量和Sr/Ba比值可以用以分析水體古鹽度，較高的Na含量和Sr/Ba 值指示較高的古鹽度[46-47]。Al 和K 含量則可用于陸源供應(yīng)分析，較高的Al，K含量表示較多的陸源輸入[11,47]。

研究表明，古湖盆鹽度、陸源輸入等受古氣候的控制。研究區(qū)內(nèi)Ca/Mg 比值與Al 含量負(fù)相關(guān)（圖6a），CIW’與Sr/Ba比值成負(fù)相關(guān)（圖6c），表明氣候?qū)桕懺摧斎牒凸披}度有較顯著的影響，隨著氣候變暖變濕，陸源輸入增加，古鹽度降低。湖泊古鹽度和陸源輸入進(jìn)一步控制湖盆沉積，Ca元素和Al元素含量的負(fù)相關(guān)關(guān)系表明陸源輸入高時(shí)湖盆鈣質(zhì)含量低，主要沉積陸源碎屑（圖6b），Ca 元素含量和Sr/Ba比值則說(shuō)明湖泊古鹽度高時(shí)湖盆主要發(fā)育膏鹽巖和碳酸鹽沉積（圖6d）。

東亞凹陷沙四段無(wú)機(jī)地球化學(xué)元素及其比值垂向分布如圖7 所示，Ca、Al 元素含量高，Mg，Sr，Ba和Na 元素含量低。Ca 元素含量變化大，從1.51%～24.51%（平均值6.87%），Al 元素含量在1.19%～10.97% 之間（平 均 值6.59%），F(xiàn)e 元 素 含 量 在1.00%～10.13%之間（平均值3.78%），其它元素含量變化不大。根據(jù)巖性、元素含量及元素比值的垂向變化情況可將沙四段古氣候演化分為五個(gè)階段（圖7）。

圖6 東營(yíng)凹陷Hk1 井沙四段地球化學(xué)元素相關(guān)關(guān)系圖Fig.6 Correlations between different geochemical parameters from well Hk1, Es4, Dongying Depression

第1階段（4 705～4 287 m），Na/Al（平均值為0.28），Ca/Mg（平均值為2.14），Sr（平均值為478.21 μg/g），Sr/Ba（平均值為0.31）值較低，整體呈增加趨勢(shì)；Al（平均值為7.55%），CIW’（平均值為79）值較高，整體呈下降趨勢(shì)，反映在研究區(qū)第一階段化學(xué)風(fēng)化程度較高，但隨著時(shí)間的演化，古氣候整體向著相對(duì)寒冷干旱的方向演化，陸源輸入減少，水體古鹽度逐漸增加。

第2階段（4 287～4 023 m）陸源輸入減少，砂巖和粉砂巖含量減少，以紅色泥巖層和含泥膏鹽為主，上部出現(xiàn)厚層膏鹽巖。Na/Al（平均值為0.45），Ca/Mg（平均值為2.53），Sr（平均值為931.98 μg/g），Al（平均值7.20%），CIW’（平均值為69）值的延續(xù)了第一階段的變化趨勢(shì)，但在第二階段底部Al含量和CIW’值存在短期上升過(guò)程，表明該階段古氣候在初期略有回暖，并在之后繼續(xù)朝著相對(duì)干冷的方向演化。

第3階段（4 023～3 755 m）巖性以紅色泥巖為主，夾薄層砂巖和膏鹽巖。該階段Na/Al（平均值為0.44），Sr/Ba（平均值為2.03），Sr（平均值為953.84 μg/g）值在早期急劇降低，并在后期逐漸回升；Al（平均值7.04%），CIW’（平均值為71）等值早期則迅速增加，出現(xiàn)一段極大值區(qū)域，而后開(kāi)始逐漸降低，指示該階段早期古氣候經(jīng)歷了一個(gè)短暫而劇烈的變暖過(guò)程并在后期持續(xù)降溫。

第4 階段（3 755～3 418 m）底界為Es4x和Es4s的邊界，紅色泥巖層消失，主要沉積厚層膏鹽巖和灰色泥巖互層，沉積環(huán)境由氧化環(huán)境變?yōu)檫€原環(huán)境。Na/Al（平均值為0.72），Sr/Ba（平均值為4.68）雖然較第3階段高，但整體呈減少趨勢(shì)；而Al（平均值3.78%），CIW’（平均值60）值則呈增加趨勢(shì)，指示第4 階段沉積時(shí)期研究區(qū)化學(xué)風(fēng)化作用逐漸增強(qiáng)，古氣候開(kāi)始逐漸向濕潤(rùn)方向演化。

第5 階段（3 418～3 239 m）沉積時(shí)期，膏鹽巖消失，主要發(fā)育灰色泥巖和鈣質(zhì)泥巖互層。Na/Al（平均值為0.19），Sr/Ba（平均值為0.93）等值較上一階段低許多；與Na/Al，Sr等相反，CIW’（平均值為84）值等在這一階段達(dá)到最大，并保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，表明該階段古氣候在經(jīng)歷第4階段的加濕過(guò)程后變得較為濕潤(rùn)。此外，此階段Ca/Mg比值的增大也反映了此時(shí)氣候相對(duì)濕潤(rùn)，鈉鹽、鉀鹽等易溶性鹽類不參與沉淀[46]。

圖7 東營(yíng)凹陷Hk1 井沙四段地球化學(xué)元素含量、比值及化學(xué)風(fēng)化指數(shù)CIW’變化特征Fig.7 Variation characteristics of geochemical elements and their ratios and CIW’of well Hk1 of the Es4 in the Dongying Depression

5 古氣候演化差異的指示意義

5.1 古氣候格局的轉(zhuǎn)變

關(guān)于中國(guó)始新世氣候情況，前人研究認(rèn)為，中國(guó)中部存在一個(gè)近東西向分布的廣泛的（半）干旱帶（圖1），以發(fā)育紅層和蒸發(fā)巖為特征[10,12-13,18]。然而，通過(guò)對(duì)東營(yíng)凹陷Hk1井沙四段巖性和地化數(shù)據(jù)的綜合分析發(fā)現(xiàn)東營(yíng)凹陷在沙四上亞段沉積時(shí)期（中晚始新世）紅層和蒸發(fā)巖逐漸消失，古氣候由干旱轉(zhuǎn)變?yōu)闈駶?rùn)，這顯然表明在中晚始新世中國(guó)中部干旱帶已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生變化，這可能指示著行星風(fēng)系控制的緯度分帶古氣候格局開(kāi)始被打破。

為了更加深入的了解始新世東亞地區(qū)古氣候格局的演化，將研究區(qū)沙四段巖性、CIW’指數(shù)和相對(duì)湖平面變化曲線（圖8a～c）與同時(shí)期中國(guó)西部的西寧盆地（圖8d，e）[3]、柴達(dá)木盆地的古氣候演化指標(biāo)（圖8f）[21]以及深海δ18O記錄（圖8g）[48-49]進(jìn)行比較分析。

結(jié)果表明，在第1～3 階段，研究區(qū)古氣候與中國(guó)西部西寧盆地和柴達(dá)木盆地的古氣候整體都較為干旱[3,21]，且演化具有一致性（圖8）。第1～2 階段，古氣候整體干旱炎熱，但隨時(shí)間的推移，古氣候緩慢的向著相對(duì)干旱寒冷的方向演化。第3 階段沉積時(shí)期東營(yíng)凹陷經(jīng)歷了一個(gè)短暫而劇烈的變暖過(guò)程，對(duì)比發(fā)現(xiàn)西寧盆地和柴達(dá)木盆地也存在化學(xué)風(fēng)化作用急劇增強(qiáng)的情況（圖8e，f）[3,21]，深海δ18O 記錄（圖8g）[48-49]出現(xiàn)突變，表明該階段全球古氣候經(jīng)歷了一個(gè)短暫的急劇變暖事件，這一短暫的極熱事件被認(rèn)為是中始新世氣候適宜期（MECO）[3,6,20,48-50]。雖然國(guó)際上常將MECO 出現(xiàn)年限大致定于42 Ma 附近[3,6,20,48-50]，而在研究區(qū)這一短暫而劇烈的變暖事件發(fā)生于43～42 Ma前附近，但由于在之前的研究中進(jìn)行天文旋回分析時(shí)未考慮不同巖性的沉積速率問(wèn)題，沙四下亞段實(shí)際沉積年齡應(yīng)早于經(jīng)過(guò)天文旋回標(biāo)定的年齡，因此研究認(rèn)為東營(yíng)凹陷第三階段沉積時(shí)期對(duì)應(yīng)于MECO 這一全球極熱事件。隨后，古氣候則再度朝著相對(duì)干旱寒冷的方向演化（圖8）。

第4～5 階段研究區(qū)古氣候演化與中國(guó)西部古氣候變化趨勢(shì)出現(xiàn)明顯差異。第4階段沉積時(shí)期，東營(yíng)凹陷紅層消失，沉積環(huán)境由濱湖和鹽湖沉積轉(zhuǎn)為（半）深湖和鹽湖沉積，氣候波動(dòng)性變化劇烈且頻繁，化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度逐漸增大，而化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度的增大往往反映古氣候的升溫和加濕，但在中晚始新世全球古溫度持續(xù)降低[48-49]，這表明該階段東營(yíng)凹陷古氣候逐漸變得濕潤(rùn)（圖8a～c）。第5階段，東營(yíng)凹陷膏鹽巖基本消失，以（半）深湖發(fā)育的灰色泥巖和鈣質(zhì)泥巖沉積為主，CIW’值較大且保持相對(duì)穩(wěn)定（圖8a～c），全球古溫度繼續(xù)下降[48-49]，指示研究區(qū)古氣候已經(jīng)變得比較濕潤(rùn)。而在MECO 之后西寧盆地巖性雖然整體還是以紅色泥巖和膏鹽巖互層為主，但膏鹽巖含量顯著增加，化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度也呈長(zhǎng)期降低趨勢(shì)，反映在西寧盆地古氣候自MECO 后表現(xiàn)為長(zhǎng)期干旱化的趨勢(shì)，并持續(xù)到了34 Ma前（圖8d，e）[3]；柴達(dá)木盆地古氣候演化與西寧盆地具有一致性，在中晚始新世同樣呈現(xiàn)長(zhǎng)期干旱化趨勢(shì)（圖8f）[21]。由此可知在第4階段中國(guó)東西部古氣候演化趨勢(shì)便已經(jīng)出現(xiàn)差異，在此期間中國(guó)東部古氣候不斷加濕，而西部持續(xù)干旱化，中國(guó)東西部氣候差異性進(jìn)一步擴(kuò)大。

綜上，第1～3階段中國(guó)東部和西部古氣候整體處于（半）干旱情況，且隨著時(shí)間的變化古氣候朝著更加干旱的方向發(fā)展，這說(shuō)明此時(shí)中國(guó)古氣候還是呈緯度分帶格局。至第4階段，東部的東營(yíng)凹陷古氣候開(kāi)始朝著濕潤(rùn)的方向演化并在第5 階段變得較為濕潤(rùn)，而西部的西寧盆地和柴達(dá)木盆地則是朝更加干旱的方向變化[3,21]，指示在第4 階段沉積時(shí)期古氣候的緯度分帶格局已經(jīng)開(kāi)始逐漸被打破，直至第5階段時(shí)期整體轉(zhuǎn)變?yōu)椤皷|濕西干”氣候格局。

5.2 對(duì)東亞季風(fēng)作用的指示

目前關(guān)于東亞季風(fēng)的形成時(shí)期還存在著較大爭(zhēng)議[10,12,23,51]。根據(jù)黃土高原風(fēng)塵沉積的發(fā)育年代，部分學(xué)者認(rèn)為東亞季風(fēng)在晚漸新世—早中新世期間開(kāi)始主導(dǎo)東亞氣候[10,18]；但隨著研究的不斷深入，越來(lái)越多的學(xué)者認(rèn)為早在始新世東亞季風(fēng)就已經(jīng)起源[12,22-23,51]，其中代表東亞季風(fēng)出現(xiàn)的一個(gè)重要特征就是中國(guó)古氣候分布格局的重組[10,13]。

研究通過(guò)對(duì)比西寧盆地CIW’和深海δ18O 記錄，認(rèn)為在第4 階段沉積時(shí)期中國(guó)古氣候已經(jīng)不完全表現(xiàn)為“兩濕夾一干”的緯度分帶格局（圖1a），開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)椤皷|濕西干”特征。這種氣候格局的轉(zhuǎn)變主要受到青藏高原隆升和塔里木盆地海退的影響，同時(shí)指示著東亞季風(fēng)的出現(xiàn)[4,7-10,19,52]。

前人研究表明，在印支—亞洲古陸發(fā)生碰撞后，喜馬拉雅西北部存在一個(gè)快速而短暫的初始造山期，導(dǎo)致在55～40 Ma 之前青藏高原就已經(jīng)形成了顯著的高地形[22,53-54]，阻擋了來(lái)自西南側(cè)的濕氣向中國(guó)輸送。自50 Ma前起古氣溫不斷降低[55]，全球海平面呈長(zhǎng)期下降趨勢(shì)[56]，塔里木盆地在41 Ma前附近開(kāi)始也開(kāi)始了第四次大規(guī)模海退[52,57]，導(dǎo)致來(lái)自西部經(jīng)盛行西風(fēng)運(yùn)輸?shù)臐駳夂窟M(jìn)一步減少，使得自中始新世以來(lái)中國(guó)古氣候逐漸變得更為干旱（圖9a）。但伴隨著青藏高原的隆升和塔里木海的海退，亞洲內(nèi)陸和周緣大洋的熱對(duì)比逐漸增大，促進(jìn)了東亞季風(fēng)的盛行[6,8-9]；在夏季時(shí)，攜帶大量濕氣的東亞夏季風(fēng)自東部太平洋輸入，給中國(guó)東部帶來(lái)了大量水汽，使得東部的東營(yíng)凹陷古氣候變得逐漸變得濕潤(rùn)；而來(lái)自南側(cè)印度洋和南太平洋的由南亞季風(fēng)攜帶的濕氣則被已經(jīng)具有相當(dāng)高度的青藏高原所阻擋（圖9b）。同時(shí)，自50 Ma 以來(lái)，太平洋沃克環(huán)流西部強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，將更多的濕氣自太平洋輸送至中國(guó)東部。最終導(dǎo)致了在中晚始新世中國(guó)古氣候從受盛行西風(fēng)控制的緯度分帶格局轉(zhuǎn)變?yōu)榱伺c現(xiàn)代季風(fēng)類似的東部濕潤(rùn)西部干旱的氣候格局。這種古氣候格局的轉(zhuǎn)變往往指示東亞季風(fēng)的出現(xiàn)[10,12-13,23]。因此，研究認(rèn)為在中晚始新世東亞季風(fēng)已經(jīng)開(kāi)始形成，這與前人的模擬結(jié)果一致[19,58]。

綜上所述，研究認(rèn)為在第4階段沉積時(shí)期東亞夏季風(fēng)已經(jīng)開(kāi)始影響中國(guó)東部地區(qū)，并在第5階段成為東亞地區(qū)古氣候的主導(dǎo)因素。

圖8 東營(yíng)凹陷中晚始新世氣候演化綜合分析圖（a）Hk1 井巖性；（b）東營(yíng)凹陷沙四段化學(xué)風(fēng)化指數(shù)；（c）東營(yíng)凹陷相對(duì)湖平面變化；（d）西寧盆地西吉溝剖面和塔山剖面巖性[3]；（e）西寧盆地化學(xué)風(fēng)化指數(shù)[3]；（f）柴達(dá)木盆地化學(xué)風(fēng)化指數(shù)[20]；（g）中晚始新世深海δ18O記錄[48-49]；黃色區(qū)域?yàn)橹惺夹率罋夂蜃顑?yōu)期Fig.8 Comprehensive analysis of mid-late Eocene paleoclimate evolution in the Dongying Depression.(a)Lithology of well Hk1;(b)Chemical Index of Weathering of the Es4 in the Dongying Depression;(c)Relative lake levels in the Dongying Depression;(d)Lithology of Eocene sediments from the Xijigou section and Tashan section,Xining Basin [3];(e)Chemical Index of Weathering of the Xining Basin [3];(f)Chemical Index of Weathering of the Qaidam Basin [20];(g)Variation of marine δ18O records of the Mid-late Eocene [48-49].(Yellow area indicates MECO)

6 結(jié)論

（1）根據(jù)巖性、Na/Al 比值和CIW’等古氣候指標(biāo)，系統(tǒng)分析了東營(yíng)凹陷沙四段的氣候演化特征，并將其劃分為五個(gè)階段。

（2）使用天文旋回對(duì)東營(yíng)凹陷沙四段沉積時(shí)期做出限定后，在東營(yíng)凹陷氣候演化的基礎(chǔ)上對(duì)比分析了同時(shí)期中國(guó)西部西寧盆地和柴達(dá)木盆地以及全球中晚始新世氣候演化特征。在第1～3階段，東營(yíng)凹陷古氣候變化與中國(guó)西部西寧盆地和柴達(dá)木盆地的古氣候變化基本一致，經(jīng)歷了一個(gè)長(zhǎng)期的干冷化過(guò)程并伴隨著一次短暫而急劇的變暖事件（MECO）；第4～5 階段，與中國(guó)西部古氣候的持續(xù)干冷化不同，中國(guó)東部東營(yíng)凹陷逐漸變得相對(duì)濕潤(rùn)。

（3）受青藏高原隆升和塔里木海退等因素的控制，第4 階段沉積時(shí)期，中國(guó)緯向分帶古氣候格局開(kāi)始被打破，至第5 階段時(shí)期，古氣候整體轉(zhuǎn)變?yōu)闁|濕西干的氣候格局，東亞季風(fēng)開(kāi)始盛行并成為中國(guó)東部地區(qū)氣候的主導(dǎo)因素。

圖9 中晚始新世中國(guó)東西部水汽主要來(lái)源示意圖（始新世古地理?yè)?jù)文獻(xiàn)[21]）(a)中始新世中國(guó)東西部水汽主要來(lái)源示意圖；（b）晚始新世中國(guó)東西部水汽主要來(lái)源示意圖Fig.9 Main sources of water vapor, mid-late Eocene in China (Eocene paleogeography after reference [21])(a)Main sources of water vapor,middle Eocene in China；(b)Main sources of water vapor,Late Eocene in China

致謝 衷心感謝在論文評(píng)審和修改過(guò)程中編委及審稿專家提出的寶貴意見(jiàn)和建議。