劉 萍，譚先鋒，陳 青，王 佳，梁 邁，王 萍，王偉慶

(1.成都理工大學(xué) 沉積地質(zhì)研究院，四川 成都 610059； 2.復(fù)雜油氣田勘探開發(fā)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401331；3.重慶科技學(xué)院 石油與天然氣工程學(xué)院，重慶 401331 4.中國石化 勝利油田分公司 地質(zhì)科學(xué)研究院，山東 東營 257015)

早始新世極熱氣候時(shí)期湖盆水體性質(zhì)及生烴環(huán)境
——以東營凹陷古近系孔店組為例

劉 萍1，譚先鋒2,3，陳 青2,3，王 佳2,3，梁 邁3，王 萍3，王偉慶4

(1.成都理工大學(xué) 沉積地質(zhì)研究院，四川 成都 610059； 2.復(fù)雜油氣田勘探開發(fā)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401331；3.重慶科技學(xué)院 石油與天然氣工程學(xué)院，重慶 401331 4.中國石化 勝利油田分公司 地質(zhì)科學(xué)研究院，山東 東營 257015)

早始新世極熱氣候(IETM)事件嚴(yán)重影響了海洋和湖泊的水體性質(zhì)和生物活動(dòng)。依據(jù)鉆井巖心、元素分析、有機(jī)碳同位素與有機(jī)碳含量等實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究了東營斷陷湖盆早始新世時(shí)期的湖泊水體氧化還原變化和古生產(chǎn)力條件，發(fā)現(xiàn)湖盆早期出現(xiàn)了較強(qiáng)的還原性，之后逐步恢復(fù)其氧化性。極熱氣候事件引起的湖水氧化還原界面的波動(dòng)變化改變了其氧化還原格局，造成氧化還原環(huán)境與湖水深度變化的“不協(xié)調(diào)性”。湖盆早期具有較高的生產(chǎn)力，隨后迅速降低之后逐漸增高，生產(chǎn)力的最低時(shí)期與極熱氣候(IETM)事件發(fā)生時(shí)期比較一致。由此證實(shí)了湖泊的時(shí)空波動(dòng)演化經(jīng)歷了古新世—始新世時(shí)期的極熱氣候(IETM)事件，該事件具有明顯的沉積記錄和生物地球化學(xué)響應(yīng)，決定了原始湖盆的水體氧化還原性質(zhì)和生命活動(dòng)過程，改變了整個(gè)湖盆的氧化還原結(jié)構(gòu)。極熱氣候引起的湖水缺氧咸化造成了湖泊生產(chǎn)力的短暫降低，而隨著恢復(fù)期的增氧作用的加強(qiáng)，生產(chǎn)力得到了極大的恢復(fù)，尤其是沙河街組四段有機(jī)碳含量較高，具有較高的生產(chǎn)力，成為主要的生油層和致密油氣產(chǎn)層。

氧化還原；古生產(chǎn)力；極熱氣候；早始新世；孔店組；東營凹陷

早始新世時(shí)期，全球范圍內(nèi)發(fā)生了極熱氣候(IETM)事件，也可以稱為古新世—始新世極熱氣候事件(PETM)或晚古新世極熱氣候事件(LPTM)[1-3]，嚴(yán)重影響了全球碳循環(huán)過程和程度，深刻改變著全球生態(tài)系統(tǒng)和沉積記錄[4-5]，自從ODP Site 690鉆孔中識(shí)別以來，一直是國內(nèi)外古環(huán)境與古氣候研究的熱點(diǎn)[6-7]。全球范圍內(nèi)，該事件的典型特征是造成了古新世—始新世之交(～56 Ma)的碳同位素負(fù)漂現(xiàn)象(carbon isotope excursion，簡(jiǎn)稱CIE)[7]，漂移幅度(-2‰～-6‰)，全球地表溫度平均增加5～6 ℃[8]，該負(fù)漂移現(xiàn)象在海相地層和陸相地層中均有很好的記錄[9-11]。這種全球性的負(fù)漂移事件是由于該時(shí)期大氣中存在有過量的12CO2[12]，導(dǎo)致了氣候的持續(xù)增溫。全球性的極熱事件深刻改變著該時(shí)期的氣候環(huán)境變化、沉積格局和沉積記錄[13]，如全球海洋酸化導(dǎo)致了碳酸鈣補(bǔ)償深度(CCD)變淺，碳酸鈣補(bǔ)償深度普遍升高[14]，全球海洋和湖泊水體整體缺氧，部分喜氧生物的滅絕[15]，高緯度地區(qū)的氣候變得潮濕多降雨，低緯度地區(qū)變得干旱少雨[16]，極熱干旱氣候?qū)е玛懙仫L(fēng)化作用增強(qiáng)，河流攜帶這些營養(yǎng)元素到海洋或者湖泊中，導(dǎo)致了初級(jí)生產(chǎn)力的短暫增強(qiáng)[17-19]。

陸相湖泊規(guī)模遠(yuǎn)小于海洋，是物質(zhì)來源、氣候條件和地質(zhì)構(gòu)造條件等參數(shù)的綜合響應(yīng)，敏感度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于海洋。因此，陸相湖泊對(duì)極熱氣候事件的響應(yīng)特征與海洋環(huán)境相比較有一定的特殊性[20]，如陸相湖泊沉積記錄中的碳同位素偏移量要大于海洋的偏移量[9]。中國北方古新世—始新世之交發(fā)育一系列的陸相湖泊[21]，湖泊面積相對(duì)較小，物質(zhì)來源和氣候變化對(duì)湖泊的影響較大，在持續(xù)高溫背景下，湖泊的物質(zhì)供給大小和充填方式、礦物組及元素構(gòu)成、同位素分異程度、生命的繁殖和生產(chǎn)力的大小均有一定的響應(yīng)關(guān)系[22]。在巖性疊置上也有一定的旋回關(guān)系和物質(zhì)聚集規(guī)律[23]，這種旋回變化明顯受控于特殊氣候背景下的天文周期變化和水體介質(zhì)變化[24]。這一系列的特殊變化導(dǎo)致了后期的成巖改造也有所差異，進(jìn)而決定了早期的特殊成巖響應(yīng)和晚期的成巖演化系統(tǒng)過程[25-26]。前已述及，極熱氣候的變化導(dǎo)致了地表環(huán)境的變化，該事件(IETM)的發(fā)生必然導(dǎo)致了陸地湖泊中的氧化還原的特殊性，也必然影響著湖泊生產(chǎn)力的變化。因此，為了揭示該時(shí)期陸相湖泊的水體性質(zhì)的氧化還原狀況及生物活動(dòng)過程，本文以東營凹陷早古近紀(jì)孔店組為例，開展該事件(IETM)前后湖盆氧化還原的結(jié)構(gòu)及生物生產(chǎn)力研究。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

東營凹陷位于渤海灣盆地西南部地區(qū)，為濟(jì)陽坳陷的次一級(jí)構(gòu)造單元(圖1a)，北邊為陳家莊凸起，南邊為魯西隆起，西邊為濱縣凸起和青城凸起等陸地環(huán)境(圖1b)。新生代陸相湖盆主要是在中生代地層之上發(fā)育起來的各種斷陷湖盆，古近紀(jì)早期為斷陷的早期，東營凹陷發(fā)育一系列的鹽湖和河流的沉積體系，從下到上主要發(fā)育了孔店組和沙四段，IETM時(shí)期主要發(fā)育孔店組，因此，本次研究的重點(diǎn)對(duì)象為孔店組。孔店組在研究區(qū)可以分為三段，孔一段主要為紅色巖性，孔二段主要為灰色巖性，孔三段主要為紅色巖性，構(gòu)成了紅-灰-紅的地層結(jié)構(gòu)，巖性地層旋回比較發(fā)育普遍(圖1c)。

該時(shí)期，研究區(qū)主要發(fā)育的斷陷型湖盆，且呈現(xiàn)北斷-南超的特征，湖盆中央地區(qū)地層厚度明顯高于湖盆的邊緣，從鉆遇地層來看，中央地區(qū)的井位地層發(fā)育較完整，是研究的理想井位(圖2)。地層對(duì)比表明，北邊的Z19井區(qū)地層堆積薄，主要為粗碎屑的砂礫巖，發(fā)育孔一段上部地層;中央地區(qū)的HK1與SK1井區(qū)，發(fā)育泥巖、膏巖和粉砂巖的薄互層的細(xì)粒沉積物；南邊的W46與W100等井區(qū)發(fā)育粉砂巖、砂巖和泥巖的薄互層的中粒沉積物，膏巖不太發(fā)育。HK1與SK1井區(qū)地層厚度較大，約7 000 m，而湖盆邊緣地區(qū)厚度較小，北部地區(qū)厚度大于北邊，約0～500 m不等，南部地區(qū)地層厚度約為1 000～4 000 m。對(duì)比表明北部陡坡帶主要為粗碎屑沉積區(qū)，中央主要為化學(xué)沉積區(qū)，南部緩坡主要為細(xì)粒碎屑沉積區(qū)。

2 樣品選擇及實(shí)驗(yàn)測(cè)試

本次研究選取東營凹陷古近系孔店組鉆井，按照前人對(duì)該時(shí)期的古地理背景研究，分別選取位于不同湖泊水深的井位進(jìn)行取樣分析，淺湖環(huán)境的W100井，W46井和WG1井；深湖-半深湖環(huán)境的HK1井，SK1井和XDF10井。并收集東營凹陷其他次一級(jí)凹陷的井位測(cè)試資料，如L2井與MS1等井位。樣品盡量選擇保留原始沉積環(huán)境信息較好的粘土巖、鈣質(zhì)粉砂巖，并按照高頻旋回沉積節(jié)律進(jìn)行選擇。所有井位樣品進(jìn)行了薄片磨制和觀察；W100井，W46井，HK1井和SK1井的104件樣品進(jìn)行了微量元素分析和稀土元素分析。根據(jù)研究需要選擇W100井14件樣品進(jìn)行了有機(jī)碳同位素分析，W46井23件樣品進(jìn)行了無機(jī)碳同位素分析，實(shí)驗(yàn)分析在中國地質(zhì)大學(xué)生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，W100井30件樣品在長江大學(xué)油氣地球探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成碳同位素測(cè)試，利用EA+MAT253儀器進(jìn)行分析測(cè)試。另外，收集勝利油田地質(zhì)研究院30余口井薄片鑒定、常量元素、碳氧同位素、孢粉分析、粘土礦物X-衍射、有機(jī)碳含量與生物標(biāo)志化合物等資料。對(duì)所有測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分類整理，很好的滿足研究要求。

圖1 東營凹陷位置及地層結(jié)構(gòu)Fig.1 Location and stratigraphic outcrop map of the Dongying Sag

2 氧化還原條件及湖平面變化

2.1 巖石礦物學(xué)特征對(duì)氧化還原的指示

巖石礦物學(xué)特征可以很好地反應(yīng)湖盆水體和氣候條件變化，如氧化條件下可形成紅色地層，強(qiáng)烈還原條件下可形成深色地層[23]。極熱氣候時(shí)期，地球CO2濃度增高，湖泊水體整體處于缺氧狀態(tài)，巖石學(xué)地層記錄主要表現(xiàn)為深灰色、灰黑色地層，氣候增氧恢復(fù)期，氧化作用增強(qiáng)，巖石主要表現(xiàn)為紅色、淺灰色地層沉積。如圖3所示，W46井極熱氣候前后巖石礦物學(xué)特征主要表現(xiàn)為：①極熱氣候時(shí)期(IETM)地層主要顏色為灰黑色泥巖，含有少量的硬石膏，該時(shí)期鉀長石含量偏低，斜長石含量較高，表明該時(shí)期湖盆水體表現(xiàn)為缺氧環(huán)境(圖3)；②極熱氣候恢復(fù)期，地球整體處于增氧環(huán)境，圖3顯示地層中主要表現(xiàn)為紅色及紫紅色地層，偶爾為灰色地層，該時(shí)期石英含量普遍增高，鉀長石含量增高，斜長石含量降低，總體表現(xiàn)為氧化環(huán)境；③巖性觀察還表明，在增氧期同樣出現(xiàn)了大量的灰色粉砂巖夾層，這種巖性實(shí)際上主要跟物質(zhì)組成有關(guān)，并非與氧化還原有很好對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖3)。

2.2 元素地球化學(xué)特征對(duì)氧化還原的指示

某些特定的常量及微量元素可以作為很好的氧化還原和水體深度判別指標(biāo)。As,Cr,Mo,U,V等元素含量與沉積環(huán)境的氧化還原條件有關(guān),硫化氫的出現(xiàn)極其敏感[27]。某些特殊的微量元素比值對(duì)氧化還原條件具有很好的指示作用，如V/Cr,Ni/Co和Th/U對(duì)沉積環(huán)境的判別效果較好。Th 和U在還原狀態(tài)下地球化學(xué)性質(zhì)相似,在氧化狀態(tài)下差別很大[28]。在表生環(huán)境下,Th只有+ 4價(jià)一種價(jià)態(tài)且不易溶解,而 U 則不一樣。U在強(qiáng)還原狀態(tài)下為+ 4價(jià),不溶解于水,導(dǎo)致它在沉積物中富集；而在氧化狀態(tài)下,U 以易溶的+ 6價(jià)存在,造成沉積物中 U的丟失。基于這兩種元素的地球化學(xué)性質(zhì)差異,沉積物或沉積巖中，Th/U 比值可以作為環(huán)境的氧化還原狀態(tài)指示[15]。Th/U值在0～2指示缺氧環(huán)境,在強(qiáng)氧化環(huán)境下這個(gè)比值可達(dá)8[28]。V/Cr在還原環(huán)境下，數(shù)值較大；氧化環(huán)境下，數(shù)值較??；Ni/Co值越大，代表的還原作用越強(qiáng)；值越小，代表的氧化作用越強(qiáng)。沉積巖中普遍高的 V/(V+ Ni)比值(均值>0.7)也指示缺氧的沉積環(huán)境[29]。在氧化條件下，Ce3+易氧化成Ce4+被Fe和Mn氧化物膠體吸附而發(fā)生沉淀，湖水中Ce強(qiáng)烈負(fù)虧損；還原環(huán)境中,由于鐵、錳氧化物溶解，Ce4+還原為Ce3+而被釋放出來，湖水中Ce相對(duì)富集。因此，也可以利用Ce含量的變化來判別環(huán)境中的氧化還原條件[28]。利用地球化學(xué)手段可以對(duì)湖平面進(jìn)行研究，如利用微量元素特征，可以判別水體的深度[29]，Ni/Ti,Mn/Ti,Co/Ti和Sr/Ba等值，可以較好的判別水體的深度，Mn,Co和Ni等元素主要代表深水環(huán)境，而Ti元素通常出現(xiàn)在淺水環(huán)境，比值越大，說明水體深度越大;Sr/Ba比值越大，同樣代表深度越深。

圖2 東營凹陷重點(diǎn)井位沉積剖面Fig.2 Sedimentary section of key wells in the Dongying Sag

圖3 東營凹陷極熱氣候前后巖石礦物學(xué)響應(yīng)特征(W46井)Fig.3 Lithological and mineralogical response to the IETM in the Dongying Sag(Well W46)a.顏色；b.石英含量；c.鉀長石含量；d.斜長石含量；e.泥質(zhì)雜基含量①極熱氣候時(shí)期強(qiáng)烈還原環(huán)境下形成的灰黑色泥巖，埋深4 205.3m;②極熱氣候時(shí)期恢復(fù)期沉積的灰色泥巖和粉砂巖，埋深4 112.6 m;③極熱氣候時(shí)期恢復(fù)期增氧作用形成的紫紅色泥巖，埋深3 395.8 m；④極熱氣候時(shí)期恢復(fù)期增氧作用形成的紫紅色泥巖，埋深2 955.3 m

根據(jù)鉆孔樣品的采樣情況，選取采樣比較密集的W100井和W46井樣品進(jìn)行氧化還原條件和湖平面波動(dòng)變化分析，建立了氧化還原條件和湖平面波動(dòng)變化綜合圖(圖4)。通過對(duì)比分析，主要具有以下特征。

1) 深水緩坡區(qū)還原指標(biāo)高于淺水緩坡區(qū)，湖泊水體深度指數(shù)高于淺水緩坡區(qū)。地球化學(xué)指標(biāo)顯示深水區(qū)(W46井)Th/U，V/Cr和V/(V+Ni)高于淺水區(qū)(W100井)，說明了深水區(qū)還原性高于淺水區(qū)；深水區(qū)(W46)Ni/Ti，Co/Ti和Sr/Ba比值均高于淺水區(qū)(W100)，證實(shí)了深水區(qū)還原指標(biāo)整體高于淺水區(qū)(圖4)。

2) 湖水深度和氧化條件有逐漸增加的趨勢(shì)，但期間出現(xiàn)多次波動(dòng)變化。①孔二段沉積時(shí)期V/Cr和V/(V+Ni)較高，指示了該時(shí)期湖泊具有較強(qiáng)的還原條件，總體處于缺氧狀態(tài)。而Ni/Ti，Co/Ti和Sr/Ba總體具有較低的數(shù)值，表明該時(shí)期湖水深度較低，這與斷陷湖盆的演化過程具有較好的耦合性，W46井P/E界限附近表現(xiàn)出了較強(qiáng)的還原性，說明了極熱氣候事件對(duì)湖盆水體的氧化還原界面造成了影響。②孔一段沉積期，Th/U值總體增高，V/Cr，V/(V+Ni)和Ni/Co值降低，說明該時(shí)期氧化性總體增強(qiáng)；W100井地球化學(xué)數(shù)據(jù)表明，盡管該井區(qū)只沉積孔一段，缺失IETM事件地層沉積，但熱氣候的周期性回返導(dǎo)致了該井區(qū)經(jīng)歷了3次氧化作用恢復(fù)期和2次還原期。而湖水深度指標(biāo)顯示，該時(shí)期Ni/Ti，Co/Ti和Sr/Ba總體表現(xiàn)持續(xù)增高的趨勢(shì)，表明湖水深度較高，期間經(jīng)歷了多次湖水的波動(dòng)變淺，W100井地球化學(xué)指標(biāo)顯示，Ni/Ti，Co/Ti和Sr/Ba值在該時(shí)期較低，表明了該時(shí)期古水深總體較低。主要原因可能是在經(jīng)歷了全球IETM事件之后，始新世早期(孔一段)進(jìn)入的全球氣候適宜期[2]，空氣中含氧量增加，全球氧化作用增強(qiáng)，局部降水導(dǎo)致湖水持續(xù)上漲，加之熱氣候的間歇回返，引起了缺氧與還原環(huán)境的周期出現(xiàn)，孔一段宏觀紅色地層和灰色地層的韻律出現(xiàn)也證實(shí)了該時(shí)期氧化還原的動(dòng)蕩出現(xiàn)。

圖4 東營凹陷早始新世氧化還原條件與湖平面波動(dòng)變化Fig.4 Redox conditions and lake level fluctuation during the Early Eocene in the Dongying Sag

3) 水體深度不是制約氧化還原條件的唯一因素，可能跟氣候環(huán)境有關(guān)。W46井地球化學(xué)指標(biāo)表明，古近紀(jì)早期(孔二段)為強(qiáng)烈還原期，而該時(shí)期古水深指標(biāo)指示了該時(shí)期具有較淺的湖泊水體，氧化還原與水深并非具有很好的耦合性。原因可能跟P/E(古新統(tǒng)/始新統(tǒng))界線附近發(fā)生了全球極熱事件(IETM)，導(dǎo)致大氣中CO2濃度增加，氣候干旱，湖盆水體的氧化還原界面較低，總體為缺氧環(huán)境。隨著IETM事件的結(jié)束，大氣中含氧量增加，湖盆水體的氧化還原界面上升，湖盆水體總體表現(xiàn)為氧化環(huán)境。晚期的間歇性熱氣候的回返，氧化還原界面的波動(dòng)變化引起湖盆水體的氧化還原性的波動(dòng)變化，導(dǎo)致了氧化還原性與水體深度的不耦合。

3 古生產(chǎn)力與生烴環(huán)境

湖泊內(nèi)植物進(jìn)行光合作用時(shí)優(yōu)先吸收12CO2，因此形成的有機(jī)質(zhì)含有較多的12C，導(dǎo)致巖石中有機(jī)碳穩(wěn)定同位素δ13C 值偏輕，也就是說生產(chǎn)力越高，生成的有機(jī)質(zhì)越多，δ13C值就越低；Mo和U兩種元素含量與湖泊生產(chǎn)力具有很好的耦合關(guān)系，含量越高，生產(chǎn)力越強(qiáng)[30-31]；有機(jī)碳含量也可以作為判斷古生產(chǎn)力的重要手段，其含量越高，古生產(chǎn)力高[30]。

為了揭示東營凹陷古近紀(jì)早期斷陷湖泊的古生產(chǎn)力狀況，建立了研究區(qū)古湖泊環(huán)境不同沉積部位鉆孔的有機(jī)碳含量縱向分布(圖5)。①空間分布上，W46井的古生產(chǎn)力總體較高，而HK1井古生產(chǎn)力普遍偏低；SK1井生產(chǎn)力在孔店組出現(xiàn)較大的差異，斷陷湖盆發(fā)育早期古生產(chǎn)力較高，隨后出現(xiàn)一段時(shí)間的低生產(chǎn)力期，晚期出現(xiàn)了生產(chǎn)力的復(fù)蘇，這種生產(chǎn)力的時(shí)空差異可能跟當(dāng)時(shí)的氣候條件和湖泊沉積部位有關(guān)。其原因可能是HK1井主要位于湖盆水體的高鹽度區(qū)，不利于生物的大規(guī)模發(fā)育，只在湖泊表層出現(xiàn)少量的生物群落的繁衍，生產(chǎn)力較低；W46井主要處于湖泊水體的較淺水部位，長期受陸源的影響，水體鹽度總體較低，比較適宜生物的大量繁殖，是生物的理想生存場(chǎng)所。②縱向分布上，SK1井較完整的顯示了從P1k2到E2時(shí)期的古生產(chǎn)力狀況，古生產(chǎn)力經(jīng)歷了古新世早期的高值，到隨后的低值，再到緩慢變高，到了始新世中晚期的沙河街組，古生產(chǎn)力明顯具有較高的含量。W46井盡管樣品點(diǎn)較少，但是出現(xiàn)了類似的變化。③有機(jī)碳含量的極低值分布層段在P/E界線附近，與IETM事件發(fā)生的時(shí)間基本一致，這可能跟P/E時(shí)期的極熱氣候時(shí)事件有關(guān)，全球CO2的增高和溫度的增高，湖水的咸化，導(dǎo)致了大量生物的不適應(yīng)，造成了古生產(chǎn)力出現(xiàn)了短暫的降低。

IETM事件之后的系列熱事件間歇出現(xiàn)引起了湖泊古生產(chǎn)力的波動(dòng)變化，明顯具有多旋回演化特征，W100井孔一段記錄了IETM事件之后的古生產(chǎn)力變化，明顯經(jīng)歷了7個(gè)階段的交替變化(圖6)，δ13C有機(jī)質(zhì)介于-27.9‰～-23.71‰。第一個(gè)階段δ13C有機(jī)質(zhì)值均較大，一般大于-26‰，該階段對(duì)應(yīng)于較小的Mo和U含量，說明該時(shí)期生產(chǎn)力較低，地層巖性記錄上顯示了紅色的氧化沉積物，也證實(shí)了該階段生產(chǎn)力較低。第二階段為δ13C有機(jī)質(zhì)達(dá)到了-28‰，該階段出現(xiàn)了較高的Mo和U元素含量，說明該階段生產(chǎn)力較高，持續(xù)時(shí)間較長，說明生物活動(dòng)繁盛，后期保存較好。第三階段為生產(chǎn)力的再次降低，地層記錄出現(xiàn)紅色泥巖為背景，說明該時(shí)期氣候干旱炎熱，氧化程度高，生物生產(chǎn)力較低。第四個(gè)階段出現(xiàn)了生產(chǎn)力的短暫變高，δ13C有機(jī)質(zhì)值有所降低，Mo和U元素出現(xiàn)短暫升高。第五階段為生產(chǎn)力達(dá)到最低，δ13C有機(jī)質(zhì)值達(dá)到最高，Mo和U元素值出現(xiàn)響應(yīng)的低值。第六階段生產(chǎn)力短暫降低，δ13C有機(jī)質(zhì)值有所降低，Mo和U元素出現(xiàn)短暫升高，沉積記錄顯示主要為灰色的泥巖，說明該時(shí)期的深水環(huán)境有利于保存生物有機(jī)質(zhì)。第七個(gè)階段為生產(chǎn)力最后一次降低期，δ13C有機(jī)質(zhì)含量較高，沉積記錄主要為紅色的泥巖地層，說明生產(chǎn)力較低。據(jù)此說明了IETM事件之后的系列熱氣候時(shí)期的干旱環(huán)境影響了湖盆水體的生物活動(dòng)和生產(chǎn)力的高低。

圖5 東營凹陷早始新世有機(jī)碳含量(TOC)對(duì)比Fig.5 TOC content comparison during the Early Eocene in the Dongying Sag

圖6 東營凹陷早始新世古生產(chǎn)力縱向演化(W100井)Fig.6 Vertical evolution of paleoproductivity during the Early Eocene in the Dongying Sag(W100)

4 討論

東營凹陷古近紀(jì)早期的受到極熱氣候事件的影響非常明顯，該時(shí)期正好處于新生代斷陷盆地的初期，由于湖盆水體較少，廣大地區(qū)主要為河流地質(zhì)作用引起的沖積平原。由于極熱氣候的影響，造成了中低緯度地區(qū)廣泛干旱少雨，風(fēng)化作用比較強(qiáng)烈[17]，從而影響了整個(gè)湖盆的堆積過程和物質(zhì)分異程度[22]。該時(shí)期湖盆水體的性質(zhì)也受到了明顯的制約，水介質(zhì)的氧化還原性和生產(chǎn)力的大小明顯具有典型的特征。

圖7 IETM時(shí)期全球碳循環(huán)簡(jiǎn)化模式(據(jù)文獻(xiàn)[17]，修改)Fig.7 Simplified model of global carbon cycle during the Early Eocene(modified from reference [17])

盡管極熱氣候造成了陸地風(fēng)化作用增強(qiáng)，營養(yǎng)元素增多，為生物生存提供了大量的營養(yǎng)元素(圖7)，但是對(duì)于濟(jì)陽地區(qū)的斷陷湖泊來講，影響因素是非常復(fù)雜的。①斷陷處于初期，湖盆水體較少，從而對(duì)極熱氣候響應(yīng)非常靈敏，甚至是具有直接的關(guān)系；②斷陷初期的斷裂活動(dòng)強(qiáng)烈，存在多個(gè)噴流點(diǎn)[22]，將深部熱液物質(zhì)帶入湖泊，這導(dǎo)致湖泊水體并不是非常適合早期的生物生存；③極熱氣候?qū)е铝薈O2濃度的增加，這實(shí)際上又有利于湖泊微生物的生存；④該時(shí)期的山體隆升高差不大，凸起發(fā)育不廣，盡管北邊有陳家莊凸起、南邊有魯西隆起，但是其規(guī)模和地形高差不大，風(fēng)化作用增強(qiáng)實(shí)際上影響并不太大。因此，這4個(gè)特點(diǎn)導(dǎo)致了濟(jì)陽斷陷型湖泊的生物活動(dòng)具有一定的特殊性。①從SK1井和W46兩口井的有機(jī)質(zhì)含量縱向演化上看，實(shí)際上在斷陷初期，具有較高的生產(chǎn)力，說明在該時(shí)期實(shí)際上具有非常廣泛的生物活動(dòng)；②IETM時(shí)期的有機(jī)質(zhì)含量較低，說明極熱氣候的影響在湖泊中造成了整個(gè)湖水的酸化和咸化，不適宜生物的生長，生產(chǎn)力普遍較低(圖7)，這可能還跟中低緯度地區(qū)的干旱作用有關(guān)；③而進(jìn)入增氧恢復(fù)期之后，整體生產(chǎn)力得到了很大的提升，在經(jīng)歷了湖水咸化和干旱少雨之后，降雨量也有所增加，湖盆水體咸化程度逐漸緩解，生物得到了大量的爆發(fā)，尤其是在沙四段的有機(jī)質(zhì)含量非常高，是研究區(qū)主要的生油層，也是致密油氣的主力產(chǎn)層。

5 結(jié)論

1) 全球極熱氣候(IETM)事件嚴(yán)重影響了東營凹陷早古近紀(jì)時(shí)期的湖泊水體氧化還原結(jié)構(gòu)和生物的活動(dòng)過程。該時(shí)期湖泊水體氧化還原程度雖然與水體的深度有一定聯(lián)系，但是湖泊水體深度明顯不是決定氧化還原程度的唯一原因，經(jīng)歷了多期次的氧化還原變化，導(dǎo)致了湖平面的變化與氧化還原的“不協(xié)調(diào)性”，甚至出現(xiàn)了相反的演化規(guī)律，可能跟IETM事件的CO2的增高而引起的氧化還原界面的波動(dòng)變化有關(guān)。

2) 該時(shí)期生物活動(dòng)并不活躍，生產(chǎn)力普遍較低，早期生產(chǎn)力較高，隨后迅速降到最低，在逐漸增高，該時(shí)期古湖泊生產(chǎn)力的演變具有多旋回變化的特點(diǎn)。極熱的氣候環(huán)境導(dǎo)致了湖盆水體的濃縮蒸發(fā)，形成了鹽度較高的鹽湖，CO2的過量溶解，導(dǎo)致了湖盆水體的碳酸鹽含量增加，從而在碎屑物質(zhì)沉積過程中形成了碳酸鈣沉積和硬石膏的化學(xué)沉積。由于早期浮游植物對(duì)12CO2的吸收，會(huì)導(dǎo)致短暫的湖泊古生產(chǎn)力較高，但是隨著湖盆的咸化，生物的活動(dòng)存活較難，主要以旱生植物為主，古生產(chǎn)力降到最低，但是隨著湖盆水體含氧量的增加，生物的活動(dòng)得到極大的提高，生產(chǎn)力總體普遍增高，也導(dǎo)致了沙四段成為主要的生油層和致密油氣的主力產(chǎn)層。

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(編輯 董 立)

Water redox conditions and environment for source rock deposition in lacustrine during the Initial Eocene Thermal Maximum(IETM):A case study on the Paleogene Kongdian Formation in the Dongying Sag

Liu Ping1,Tan Xianfeng2,3,Chen Qing2,3,Wang Jia2,3,Liang Mai3,Wang Ping3,Wang Weiqing4

(1.InstituteofSedimentaryGeology,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu,Sichuan610059,China;2.ChongqingKeyLaboratoryofComplexOilandGasExplorationandDevelopment,Chongqing401331,China;3.ChongqingUniversityofScienceandTechnology,Chongqing401331,China;4.GeologicalScientificResearchInstituteofShengliOilfieldCompany,SINOPEC,Dongying,Shandong257015,China)

The Initial Eocene Thermal Maximum(IETM)has seriously affected the water quality and biological activities of sea and lake.Based on the experimental results of drilling cores,elemental analysis,organic carbon isotope andTOC,the lakewater oxidation-reduction conditions and paleoproductivity of Dongying terrestrial fault basin during early Eocene has been studied in this paper.It turned out that the lacustrine was strongly reductive but resumed oxidation environment afterward.The fluctuations of redox interface caused by the extreme climate events changed the lacustrine redox pattern,which resulted in the “disharmony” of the oxidation-reduction variation along the water depth.The productivity of the lacustrine was high in the early time,followed by a rapid decrease but increased progressively again.The lowest productivity period is basically consistent with the IETM.It has confirmed that the Initial Eocene Thermal Maximum (IETM)has affected the spatial and temporal fluctuation of the lacustrine.This event has obvious sedimentary record and biogeochemical response,which determines water oxidation-reduction and the bio-mass activities of the original basin.The hypoxia of lacustrine caused by thermal maximum resulted in the temporary decrease in productivity.However,productivity has been greatly restored with the sufficient oxygen supply after the event.This is especially demonstrated in the No.four section of Shahejie Formation with the higherTOCcontent and the productivity,and thus becomes the main reservoir of tight oil and gas production.

redox,paleoproductivity,IETM,Early Eocene,Kongdian Formation,Dongying Sag

2016-11-27;

2016-12-20。

劉萍(1978—)，男，博士研究生，沉積地質(zhì)與古環(huán)境。E-mail:liuping@cdut.edu.cn。

譚先鋒(1982—)，男，博士、副教授，沉積地質(zhì)與古環(huán)境。E-mail:xianfengtan8299@163.com。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41202043)；中國石油科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2014D-5006-0108)；重慶市基礎(chǔ)科學(xué)與前沿技術(shù)研究項(xiàng)目(cstc2016jcyjA0606)。

0253-9985(2017)01-0039-10

10.11743/ogg20170105

TE121.3

A