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(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 科學(xué)研究院，北京 100083；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083)

當(dāng)前人類活動(dòng)產(chǎn)生的溫室氣體排放增加，造成了顯著的溫室效應(yīng)，全球氣候變化成為國(guó)際社會(huì)共同關(guān)注的重大緊迫的科學(xué)問題。陸相氣候系統(tǒng)相比于海相系統(tǒng)對(duì)全球氣候變化更加敏感[1]，陸地又是人類生存繁衍的基礎(chǔ)，因此，人類文明的發(fā)展亟待我們對(duì)陸地系統(tǒng)在全球變暖條件下的氣候和環(huán)境變化進(jìn)行更深入的了解。白堊紀(jì)(～145.0～66.0 Ma)是地質(zhì)記錄中溫室氣候條件的典型范例之一[2]，具有高溫度、高海平面和高大氣二氧化碳濃度等特征，白堊紀(jì)的陸相記錄很豐富，提供了研究陸地系統(tǒng)應(yīng)對(duì)溫室氣候變化的絕佳機(jī)會(huì)。我國(guó)松遼盆地為白堊紀(jì)大型陸相湖盆，保存了一套近乎完整的白堊紀(jì)陸相沉積地層[1]，同時(shí)，松遼盆地大陸科學(xué)鉆探——“松科1井”、“松科2井”和“松科3井”獲取了幾乎連續(xù)的白堊紀(jì)沉積記錄，為研究溫室氣候下陸地系統(tǒng)的氣候環(huán)境變化提供了理想的素材。

晚白堊世嫩江組二段(K2n2)沉積時(shí)期(Santonian-Campanian期)[3-5]是松遼盆地的最大湖泛期，湖區(qū)面積超過現(xiàn)今盆地范圍[6]，并且嫩江組二段記錄了湖泊缺氧事件、(可能的)海侵事件、白堊紀(jì)超靜磁期的結(jié)束等重大地質(zhì)事件[3-5,7-9]。同時(shí)，松遼盆地也是大型陸相含油氣盆地，嫩江組二段的黑色頁巖是主要的烴源巖之一。因此，對(duì)嫩江組二段沉積期間古湖泊水體的氧化還原環(huán)境和古環(huán)境重建的研究，一直以來都是松遼盆地的研究熱點(diǎn)。

黃鐵礦(FeS2)是地殼中最常見的一種硫化物，在低溫成巖環(huán)境中生成和沉淀的黃鐵礦是富有機(jī)質(zhì)沉積地層中的特征性礦物，也是重建沉積環(huán)境的重要指標(biāo)之一[10]。草莓狀黃鐵礦是沉積地層中最常見的黃鐵礦形態(tài)之一，是由等粒狀亞微米級(jí)黃鐵礦晶體聚集而成的球形集合體[11]，直徑通常為幾微米至幾十微米[12]。Rust[13]在1935年引用法語“framboid”一詞首次描述這種集合體形態(tài)，之后沉積地層中的草莓狀黃鐵礦一直吸引許多地質(zhì)科學(xué)家的關(guān)注。草莓狀黃鐵礦在現(xiàn)代海洋和淡水沉積物以及各地質(zhì)歷史時(shí)期的沉積地層中普遍存在[12,14-20]。通過對(duì)草莓狀黃鐵礦的人工合成實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)代黑海中草莓狀黃鐵礦的形成機(jī)制和粒徑分布的研究，發(fā)現(xiàn)草莓狀黃鐵礦形成于沉積過程中的準(zhǔn)同生期或成巖作用早期，在氧化還原界面附近形成，其形態(tài)和粒徑分布特征可以對(duì)沉積時(shí)的古海洋、古湖泊的氧化還原環(huán)境進(jìn)行恢復(fù)[12,15-18]?；诖?，本研究以松遼盆地“松科1井”北孔晚白堊世嫩江組二段為研究對(duì)象，通過對(duì)泥巖中草莓狀黃鐵礦的粒徑大小及分布規(guī)律的研究，探討沉積期湖泊水體環(huán)境的變化。

1 地質(zhì)概況

松遼盆地位于中國(guó)東北部，地跨遼寧、吉林、黑龍江三省及內(nèi)蒙古地區(qū)，面積約260 000 km2。松遼盆地是一個(gè)大型裂谷盆地，經(jīng)歷了熱隆張裂、伸展斷陷、熱沉降坳陷和構(gòu)造反轉(zhuǎn)四個(gè)構(gòu)造演化階段[6]。松遼盆地中生代—新生代陸相地層由火山巖、火山碎屑巖以及沖積扇、河流和湖泊的沉積物組成，盆地最大沉積厚度可達(dá)10 000 m，盆地基底為古生代火成巖、變質(zhì)巖和火山巖[1,6]。

松科1井位于松遼盆地中部中央坳陷區(qū)古龍凹陷，于2007年完成鉆探任務(wù)，恢復(fù)了晚白堊世泉頭組上部至明水組和早古近紀(jì)泰康組下部2 485.89 m長(zhǎng)的巖心。該井由南孔和北孔兩個(gè)鉆孔組成，兩孔井位相距約60 km。松科1井南孔鉆取了泉頭組三段頂部至嫩江組二段底部的地層。松科1井北孔取心長(zhǎng)度1 541.66 m，主要鉆取晚白堊世嫩江組一段頂部至古近紀(jì)泰康組底部地層，與松科1井南孔以嫩江組二段底部油頁巖層作為標(biāo)志層進(jìn)行銜接(圖1)。松科1井北孔的嫩江組二段厚度為199.4 m，底深 1 783.2 m，是主要的生油層，以黑灰色泥巖為主，夾油頁巖、粉砂質(zhì)泥巖和粉砂巖。

(a)構(gòu)造單元?jiǎng)澐郑?b)沿A-A’橫截面的地層框架及鉆孔位置

2 材料與方法

本研究樣品采自松科1井北孔嫩江組一段頂部和嫩江組二段的巖心，共采集樣品98塊，取樣深度范圍為1 579.35～1 785.56 m。樣品巖性以中深灰色、深灰色、灰黑色泥巖為主。

對(duì)采集的塊狀泥巖樣品沿垂直層面方向進(jìn)行拋光處理，將其制成0.5～1 cm厚度的光片。使用反射光顯微鏡(OLYMPUS BX51M)對(duì)98塊光片樣品進(jìn)行觀察。操作時(shí)，首先將顯微鏡視域?qū)?zhǔn)光片一個(gè)角，對(duì)視域中出現(xiàn)的草莓狀黃鐵礦(圖2)的賦存形態(tài)和粒徑大小進(jìn)行記錄和統(tǒng)計(jì)，然后平行移動(dòng)光片，再記錄和統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)在新視域中的草莓狀黃鐵礦，重復(fù)這些操作，直到光片的盡頭。然后垂直移動(dòng)光片，統(tǒng)計(jì)新的一條線上的草莓狀黃鐵礦，直到整個(gè)光片統(tǒng)計(jì)完畢。

統(tǒng)計(jì)后的草莓狀黃鐵礦的粒徑數(shù)據(jù)，利用箱須圖(box-and-whiskerplot)(圖3)、草莓狀黃鐵礦平均粒徑對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差的二元圖解(mean-standard diameter)(圖4(a))和草莓狀黃鐵礦平均粒徑對(duì)偏態(tài)系數(shù)的圖解(mean-skewness)(圖4(b))進(jìn)行分析。

(a) N2-65,1 721.01 m (b) N2-115,1 669.52 m

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在松科1井北孔嫩江組二段的泥巖中存在多種形態(tài)的黃鐵礦，總體上可劃分為黃鐵礦單體和集合體兩大類。單體包括自形晶黃鐵礦、草莓狀黃鐵礦和他形晶(半自形晶)黃鐵礦；集合體包括自形晶集合體和草莓狀黃鐵礦集合體。表1為98個(gè)樣品的草莓狀黃鐵礦粒徑的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。除N2-63、N2-139、N2-185 3個(gè)樣品之外，其他樣品均有草莓狀黃鐵礦存在。草莓狀黃鐵礦粒徑隨深度具有一定的變化特征，平均粒徑為3.3～20.2 μm。

依據(jù)草莓狀黃鐵礦的粒徑分布，可劃分兩個(gè)深度區(qū)間，即1 780.03～1 785.56 m和1 580.27～1 778.03 m。嫩江組一段頂部1 785.56 m深度的樣品中草莓狀黃鐵礦平均粒徑較小，為5.1 μm，中間粒徑為4 μm；而1 784.06 m處的樣品中草莓狀黃鐵礦平均粒徑為9.1 μm，中間粒徑為8 μm。嫩江組二段底部的兩個(gè)樣品(深度區(qū)間為1 780.03～1 782.06 m)平均粒徑較小，為3.3～5.4 μm，變化范圍很窄，而上部的樣品中草莓狀黃鐵礦粒徑較大，且變化范圍較寬，平均粒徑為7.0～20.2 μm。

4 討論和結(jié)論

低溫環(huán)境中的黃鐵礦一般形成于缺氧條件下，硫酸鹽還原菌以有機(jī)質(zhì)作為還原劑和能量來源，將水體中的硫酸鹽還原成H2S，在水體中活性鐵的存在下，H2S與活性鐵進(jìn)一步反應(yīng)結(jié)合，形成一系列鐵的硫化物，最終形成黃鐵礦并保存在沉積物中[18]。在黃鐵礦的形成過程中，以下幾個(gè)因素可能會(huì)限制黃鐵礦的生成：①有機(jī)質(zhì)含量和活性，②硫酸鹽濃度，③活性鐵含量，以及④發(fā)生這些反應(yīng)的時(shí)間[19-20]。沉積環(huán)境的變化會(huì)改變環(huán)境中上述因素及其對(duì)黃鐵礦形成的相對(duì)重要性，而黃鐵礦會(huì)在形態(tài)學(xué)上對(duì)沉積環(huán)境的不同階段的變化做出響應(yīng)。在硫化環(huán)境中，水體的氧化還原界面位于沉積物-水界面之上，草莓狀黃鐵礦形成于氧化-還原界面之下的水柱中，具有很快的生長(zhǎng)速率，形成后很快沉積到沉積物中隨后發(fā)生埋藏，造成草莓狀黃鐵礦形成的時(shí)間嚴(yán)重受限，這種環(huán)境下形成的草莓狀黃鐵礦粒徑較小，且粒徑變化范圍較窄，平均粒徑為(5.0±1.7) μm，最大粒徑一般小于20 μm[12,15-16,20]。在含氧-貧氧的水體環(huán)境中，氧化還原界面位于沉積物-水界面之下，草莓狀黃鐵礦原位形成于缺氧至硫化的沉積物孔隙水中，具有較長(zhǎng)的生長(zhǎng)時(shí)間，這種草莓狀黃鐵礦粒徑較大，其粒徑普遍介于4～50 μm，且粒徑均一性較差，最大粒徑大于20 μm[12,15-16,20]。沉積地層中的草莓狀黃鐵礦在形成后二次生長(zhǎng)是受限的[12]，其粒徑大小和形態(tài)很難受到后期改造作用的影響，因此，草莓狀黃鐵礦能夠保留最初的結(jié)構(gòu)，其粒徑大小和粒徑的分布規(guī)律可有效地指示其沉積時(shí)底層水體的氧化還原條件[12,20]。

表1 嫩江組二段草莓狀黃鐵礦粒徑分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果

續(xù)表1

圖3 嫩江組二段草莓狀黃鐵礦直徑分布箱須圖

箱須圖可以有效地顯示沉積序列中草莓狀黃鐵礦粒徑的分布變化[20]，從箱須圖(圖3)可以看出在松遼盆地松科1井北孔嫩江組一段頂部和嫩江組二段底部，有3個(gè)樣品的草莓狀黃鐵礦單體平均粒徑較小(3.3～5.4 μm)，且每個(gè)樣品統(tǒng)計(jì)的粒徑變化范圍較窄，但嫩江組一段頂部的一個(gè)樣品(深度為1 784.06 m)的草莓狀黃鐵礦平均粒徑較大，為9.1 μm(圖3)。統(tǒng)計(jì)說明在嫩江組一段頂部和嫩江組二段開始的時(shí)候，底層水體曾經(jīng)經(jīng)歷過一段硫化-缺氧的時(shí)期，且沉積環(huán)境存在過硫化和貧氧-氧化條件的波動(dòng)。在深度區(qū)間為1 580.27～1 778.03 m時(shí)，草莓狀黃鐵礦的粒徑范圍較寬，為4～44 μm，平均粒徑7.0～20.2 μm(圖3)，此時(shí)底層水體總體為貧氧-氧化的環(huán)境。圖4顯示了嫩江組一段頂部和嫩江組二段中草莓狀黃鐵礦的平均粒徑對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差的二元圖解和平均粒徑對(duì)偏態(tài)系數(shù)的二元圖解。根據(jù)前人的資料劃分的硫化和缺氧環(huán)境界線[12]以及缺氧和貧氧-氧化環(huán)境的界線[17]，進(jìn)一步將松科1井北孔嫩江組的草莓狀黃鐵礦粒徑大小的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)投在圖中，結(jié)果指示嫩江組一段頂部和嫩江組二段底部的3個(gè)樣品的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布在硫化環(huán)境區(qū)域。另外，深度為1 586.27 m的樣品點(diǎn)也落入了硫化環(huán)境的區(qū)域。其余樣品的草莓狀黃鐵礦的粒徑統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)均落入貧氧-氧化環(huán)境。

根據(jù)本研究反光顯微鏡下觀察的結(jié)果和前人發(fā)表的松科1井南孔的嫩江組一段到嫩江組二段底部的草莓狀黃鐵礦粒徑分布的數(shù)據(jù)[21]，松遼盆地嫩江組一段和二段地層中草莓狀黃鐵礦含量存在顯著變化。在嫩江組一段沉積期間草莓狀黃鐵礦含量很少，單個(gè)樣品中草莓狀黃鐵礦統(tǒng)計(jì)數(shù)量少于10個(gè)，從嫩江組一段頂部開始向上到嫩江組二段，草莓狀黃鐵礦的含量顯著增加。嫩江組二段樣品中草莓狀黃鐵礦含量總體較高，但也存在波動(dòng)，如1 586.27、1 590.25、1 594.25、1 620.91、1 645.14、1 647.14和1 723.01 m深度的樣品中草莓狀黃鐵礦含量極少。草莓狀黃鐵礦的含量變化可能是受有機(jī)質(zhì)含量和活性、活性鐵含量和硫酸鹽濃度的變化造成的。與海洋環(huán)境相比，淡水湖泊環(huán)境中溶解硫酸鹽濃度要低得多，因而在含有大量有機(jī)質(zhì)和碎屑鐵礦物的淡水沉積物中，溶解硫酸鹽通常是湖泊黃鐵礦形成的一種限制因素[19]。浮游有孔蟲、特征生物標(biāo)志化合物等的研究指示了在松遼盆地嫩江組一、二段沉積期間可能發(fā)生過間歇性的海侵事件[8-9]，海水的侵入，為湖泊帶來了大量的溶解硫酸鹽，另外，大量高密度海水的注入容易造成湖泊水體的鹽度分層，富氧的表層水無法到達(dá)底層，造成了底層水缺氧的環(huán)境，有利于草莓狀黃鐵礦的生成。另一方面，嫩江組二段是松遼盆地最大的湖泛期，湖平面迅速升高，湖泊水位上升對(duì)沿岸硫酸鹽巖的侵蝕和溶解也可能增加水體中溶解的硫酸鹽濃度，有利于草莓狀黃鐵礦的生成。

(a)平均粒徑對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差的二元圖解，硫化環(huán)境和缺氧環(huán)境界線虛線據(jù)Wilkin等[12]，缺氧環(huán)境和貧氧-氧化環(huán)境的界線虛線據(jù)Bond and Wignall；(b)平均粒徑對(duì)偏態(tài)系數(shù)的圖解，虛線據(jù)Wilkin等[12]圖4 嫩江組二段草莓狀黃鐵礦平均粒徑對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差和偏態(tài)系數(shù)的圖解

綜上所述，根據(jù)松遼盆地松科1井北孔嫩江組一段頂部到嫩江組二段樣品的草莓狀黃鐵礦粒徑的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在嫩江組二段沉積時(shí)期，水體底層氧化還原環(huán)境曾發(fā)生過變化，經(jīng)歷了由硫化水體環(huán)境到貧氧-含氧水體環(huán)境的變化。嫩江組一段和二段地層中草莓狀黃鐵礦含量的變化，可能與海水間歇性入侵和/或湖泊水位上升對(duì)沿岸硫酸鹽巖的侵蝕和溶解造成的水體溶解硫酸鹽含量的增加相關(guān)。