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(diǎn)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(jìn)展。但有兩個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題尚不明確：天文周期驅(qū)動(dòng)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(jī)質(zhì)富集？在天文地質(zhì)年代研究向“深時(shí)”(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(xì)化的當(dāng)下，以淺鉆取芯、數(shù)據(jù)采集、樣品分析和測(cè)井資料為基礎(chǔ)，應(yīng)用天文周期和氣候旋回識(shí)別、異重流沉積細(xì)粒巖識(shí)別和有機(jī)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(dòng)的氣候旋回對(duì)異重流沉積的控制作用，以及后者對(duì)前者的響應(yīng)，明確高頻氣候旋回、異重流沉積對(duì)有機(jī)質(zhì)富集的影響及其作用機(jī)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(jī)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(duì)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(shí)”方向發(fā)展

近年來，天文周期驅(qū)動(dòng)的氣候旋回及其對(duì)沉積作用的控制成為地學(xué)研究的熱點(diǎn)[1-6]。太陽系各星體對(duì)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(dòng)地球表層氣候系統(tǒng)的周期性波動(dòng)[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(duì)高分辨率的旋回地層記錄進(jìn)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(dá)千年尺度的精度已超越其他定年方法，成為地質(zhì)計(jì)時(shí)的天文“擺鐘”[14]。如北大西洋深水細(xì)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(shí)”方向發(fā)展，成為多項(xiàng)國際重大地質(zhì)研究計(jì)劃和科學(xué)鉆探的重點(diǎn)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(jī)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(dòng)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(jī)質(zhì)的海底“腐泥層”，成為歲差的標(biāo)記[14]。可見，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(duì)細(xì)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(duì)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(xì)粒沉積[24-29]的環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定、沉積連續(xù)，因此是天文周期信號(hào)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(jìn)展

異重流是洪水期河流注入、沿盆地底部流動(dòng)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(duì)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(jī)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(dòng)[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(yuǎn)的運(yùn)輸距離[37]。作為一種將大量沉積物搬運(yùn)至深水盆地的重要作用機(jī)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(diǎn)，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(shí)間、大規(guī)模注入，其沉積物載荷遠(yuǎn)大于滑塌濁流；異重流可沿盆地底部長距離搬運(yùn)，可達(dá)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(huì)發(fā)現(xiàn)更廣泛的異重流沉積。

2.2 異重流沉積對(duì)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(duì)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(qiáng)是對(duì)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(duì)異重流沉積的控制作用或后者對(duì)前者的沉積響應(yīng)研究鮮有報(bào)道。這些問題對(duì)于從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)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(jī)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(shí)氣候顯著影響有機(jī)質(zhì)富集

大量研究表明，有機(jī)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(dòng)形成的T-R旋回中沉積了富有機(jī)質(zhì)油頁巖[61]。氣候影響流域內(nèi)的侵蝕速率和初級(jí)生產(chǎn)力(藻類繁盛)，從而影響有機(jī)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(jí)生產(chǎn)力和沼澤的發(fā)育，形成陸源和水生有機(jī)質(zhì)的混合，形成了高有機(jī)質(zhì)沉積[62-63]；葡萄牙早侏羅世富含有機(jī)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(dòng)的結(jié)果[64]；撫順盆地始新統(tǒng)油頁巖的有機(jī)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(jī)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(jī)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(shí)例表明異重流可高效富集有機(jī)質(zhì)：其一，異重流可富集有機(jī)質(zhì)。例如：異重流將大量的有機(jī)質(zhì)搬運(yùn)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(jī)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(jī)質(zhì)的規(guī)模大、效率高。受頻繁的臺(tái)風(fēng)影響，臺(tái)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(jī)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(gè)巨大的碳匯，可以高效地將陸源顆粒有機(jī)質(zhì)輸入深海進(jìn)行封存[70]。但是，異重流在輸入有機(jī)質(zhì)的同時(shí)，亦向盆地搬運(yùn)大量碎屑物質(zhì)；異重流輸入的營養(yǎng)元素對(duì)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(duì)有機(jī)質(zhì)富集的影響是否存在滯后效應(yīng)？因此，異重流與有機(jī)質(zhì)富集的具體關(guān)系以及作用機(jī)理將成為未來細(xì)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(cè)量及其與有機(jī)質(zhì)含量的關(guān)系，Gomez等[72]建立了古氣溫與有機(jī)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(shí)別出了斜率和歲差信號(hào)；Shi等[12-13]基于連續(xù)巖心的磁化率測(cè)量，結(jié)合伽馬曲線，利用滑動(dòng)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(dòng)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(shí)”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(duì)異重流沉積的控制作用，探索天文周期、異重流對(duì)有機(jī)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(jī)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(duì)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(jià)值和頁巖油氣開發(fā)現(xiàn)實(shí)意義。