白悅悅, 王 灼 , 孫平昌 , 李元吉

1)中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球深部探測(cè)中心, 北京 100037;2)吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院, 吉林 長(zhǎng)春 130061; 3)吉林省油頁(yè)巖與共生能源礦產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 吉林 長(zhǎng)春 130061

古近紀(jì)全球古氣候變化及期間發(fā)生的極熱事件是地質(zhì)學(xué)界一直關(guān)注的熱點(diǎn)。古新世晚期到始新世早期, 在地球表面變暖的背景下, 發(fā)生了一系列短暫的全球變暖事件(Zachos et al., 2005; Littler et al., 2014; Turner et al., 2014; Westerhold et al., 2018),這些全球變暖事件被稱為極熱事件。目前針對(duì)海相地層古近紀(jì)極熱事件的研究程度較高, 而且海洋沉積物中碳氧穩(wěn)定同位素記錄的負(fù)漂移可以很好地指示極熱事件(Lourens et al., 2005; Nicolo et al., 2007;Zachos et al., 2010), 而針對(duì)陸相沉積地層中古近紀(jì)極熱事件的研究較少。中國(guó)東北撫順盆地中保留有完整的陸相始新世沉積記錄, 而且這套地層整體以富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積巖為主, 是建立陸地古氣候演化檔案的最佳載體。前人基于對(duì)磁性地層學(xué)、生物地層學(xué)以及同位素地層學(xué)的研究, 初步約束了撫順盆地始新世年代地層格架(洪友崇等, 1980; Chen et al.,2014)。Li et al.(2022)在 U-Pb 同位素測(cè)年((54.72±0.20) Ma)和天文年代分析的基礎(chǔ)上, 依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)地層時(shí)間(GTS2012)(Ogg, 2012), 認(rèn)為撫順盆地西露天組沉積時(shí)間為41.2～37.8 Ma。

始新世時(shí)期, 全球范圍內(nèi)發(fā)生了多期極端氣候事件, 依次為EECO(Early Eocene Climatic Optimum,53～46.5 Ma)氣候事件、“Doubthouse”氣候事件(46.5～40.7 Ma)和 MECO(Middle Eocene Climatic Optimum, 40.7～40.0 Ma)氣候事件, 之后一直到始新世晚期(40～30 Ma), 氣候呈現(xiàn)出一個(gè)長(zhǎng)期趨于寒冷的過(guò)程。其中“Doubthouse”氣候是介于 EECO氣候和 MECO氣候之間的溫室氣候(Kennett and Shackleton, 1976; Zachos et al., 2001, 2008; Katz et al., 2008), 從撫順盆地西露天組沉積時(shí)間(41.2～37.8 Ma)來(lái)看, 西露天組整體形成于溫室氣候背景中, 且在經(jīng)歷了 MECO 極熱事件后(41.2～40 Ma), 氣候開(kāi)始趨于寒冷(40～37.8 Ma), 但是目前針對(duì)西露天組整體氣候的精細(xì)波動(dòng)和演化規(guī)律尚未進(jìn)行研究。運(yùn)用同位素參數(shù)進(jìn)行高精度氣候演化分析價(jià)格較為昂貴, 而且 Wang et al.(2022)也曾運(yùn)用磁化率和色度數(shù)據(jù)較為精準(zhǔn)地識(shí)別出了早始新世一系列的極熱事件。鑒于此, 本次計(jì)劃以系統(tǒng)的磁化率和色度數(shù)據(jù)為研究依據(jù), 以西露天組的泥巖和油頁(yè)巖為研究對(duì)象, 進(jìn)行撫順盆地始新世西露天組古氣候演化特征研究。研究結(jié)果有助于完善東北亞古近紀(jì)古氣候檔案, 也可以為極熱事件影響下的古氣候演化研究提供參考指標(biāo)。

1 地質(zhì)背景

撫順盆地位于中國(guó)遼寧省撫順市南部, 是我國(guó)著名的含煤和油頁(yè)巖盆地。撫順盆地地理坐標(biāo)范圍為東經(jīng) 124°03′30″—124°16′28″, 北緯 41°57′15″—41°59′37″。盆地西起古城子河, 東臨東洲河, 長(zhǎng)約19 km, 寬約4 km, 總面積約為76 km2(如圖1)。

撫順盆地發(fā)育在敦化—密山斷裂帶(敦密斷裂帶)上(圖 1b)。敦密斷裂帶呈NE-SW向, 斷裂帶內(nèi)由西南向東北發(fā)育有撫順盆地、樺甸盆地、敦化盆地、寧安盆地和雞西盆地等多個(gè)斷陷盆地(圖1b)(劉招君等, 2016)。敦密斷裂帶的形成與演化, 主要與歐亞版塊與其相鄰版塊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)。晚白堊世時(shí)期(95～85 Ma), 歐亞大陸西南的岡底地塊和羌塘地塊向北俯沖使我國(guó)東北部產(chǎn)生了右旋張-剪應(yīng)力場(chǎng)(郝建民和徐嘉煒, 1992), 進(jìn)而導(dǎo)致NE-SW方向的敦密斷裂帶發(fā)生了拉張作用, 因此沿?cái)嗔褞纬闪艘幌盗袛嘞菖璧亍５绞夹率劳砥?37 Ma), 受喜山運(yùn)動(dòng)作用影響, 應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生偏轉(zhuǎn), 始新世晚期地層中發(fā)育了大量的逆沖斷層, 使得白堊紀(jì)等老地層逆覆于始新世晚期地層之上(圖 1c)(郝建民和徐嘉煒,1992)。

圖1 撫順盆地區(qū)域地質(zhì)圖(Li et al., 2021)Fig. 1 Regional geological map of Fushun Basin (Li et al., 2021)

撫順盆地新生代地層發(fā)育較全, 其中古近系主要發(fā)育 6個(gè)地層單元, 自下而上分別為老虎臺(tái)組、栗子溝組、古城子組、計(jì)軍屯組、西露天組和耿家街組, 缺失漸新統(tǒng)(洪友崇等, 1980; 吳沖龍, 1994)。細(xì)粒沉積巖主要發(fā)育在栗子溝組、古城子組、計(jì)軍屯組、西露天組和耿家街組中。栗子溝組厚度為6.9～115 m, 巖性主要為凝灰?guī)r和煤層; 古城子組厚度為 0.6～157 m, 沉積物主要為沼澤環(huán)境的煤層和炭質(zhì)泥巖; 計(jì)軍屯組厚度為25～362 m, 沉積環(huán)境以淺湖和深湖為主, 沉積有厚層油頁(yè)巖; 西露天組主要由灰綠色泥巖、褐色泥巖和油頁(yè)巖沉積組成, 厚度為 80～530 m, 形成于淺湖環(huán)境中; 耿家界組主要由棕色泥巖沉積組成, 厚度超過(guò)310 m(洪友崇等, 1980;吳沖龍, 1994; Meng et al., 2012; Liu et al., 2015)。

從古城子組到計(jì)軍屯組(52.2～41.2 Ma), 撫順盆地整體處于溫?zé)釢駶?rùn)-溫暖濕潤(rùn)的古氣候背景中。其中52.2～47.8 Ma時(shí)期, 氣候條件為熱室背景下的溫?zé)釢駶?rùn)氣候, 50.0～48.0 Ma時(shí)期, 古氣溫在熱室背景下依然有小幅度的增溫趨勢(shì), 47.8 Ma之后氣溫下降, 到 41.2 Ma, 氣候整體呈溫暖濕潤(rùn), 在42.0～41.2 Ma時(shí)期氣溫小幅升高(Wang et al., 2022)。西露天組形成于始新世晚期, 此時(shí)期的古氣候波動(dòng)趨勢(shì)研究尚未系統(tǒng)開(kāi)展, 而且西露天組優(yōu)勢(shì)發(fā)育泥巖和油頁(yè)巖, 可作為古氣候演化研究的良好層位。

2 樣品選取與實(shí)驗(yàn)方法

2.1 樣品選取

2019年, 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心在撫順盆地進(jìn)行了油頁(yè)巖原位示范區(qū)優(yōu)選, 并進(jìn)行了遼扶地-1 (LFD-1)全取芯井的鉆探工作。LFD-1井鉆孔共計(jì) 565 m, 取心率 99%以上, 完整地揭示了撫順盆地始新統(tǒng)古城子組、計(jì)軍屯組和西露天組地層。本次研究主要是在遼扶地 1井西露天組的 294.75～401.55 m范圍內(nèi), 針對(duì)灰綠色泥巖、褐色油頁(yè)巖和褐色泥巖進(jìn)行了系統(tǒng)取樣, 共取得72塊樣品, 取樣間隔為0.5 m左右, 對(duì)所有樣品進(jìn)行了色度和磁化率測(cè)試。

2.2 磁化率原理及測(cè)試方法

磁化率測(cè)試是在英國(guó) Bartington公司生產(chǎn)的MS2B型磁化率儀中開(kāi)展的。測(cè)量時(shí)首先取 5～6 g樣品放入無(wú)磁性的2 cm×2 cm×2 cm的立方體聚苯乙烯盒中, 然后磁化率儀低頻頻率選擇 0.47 kHz,高頻頻率選擇4.7 kHz。每個(gè)樣品采用0.1量程測(cè)試10次取平均值, 最后通過(guò)Multisus軟件得出低頻磁化率(χlf)、高頻磁化率(χhf)、頻率磁化率(χfd%), 其中 χfd%=(χlf-χhf)/χlf×100%。

2.3 色度原理及測(cè)試方法

本次引用 1976年國(guó)際照明委員會(huì)規(guī)定的CIELAB顏色表達(dá)和測(cè)量系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行色度分析, 采用L*值(代表亮度, 其中L*=0%表示黑色, L*=100%表示白色)、a*值(代表紅度, 其中正值偏向紅色, 負(fù)值偏向綠色)和b*值(代表黃度, 其中正值偏向黃色,負(fù)值偏向藍(lán)色)三個(gè)值來(lái)共同反映色度特征。

優(yōu)選樣品中心部分進(jìn)行粉樣處理, 處理后馬上將樣品放在自封袋里密封保存, 防止其氧化。測(cè)試時(shí)將所有樣品逐個(gè)放在白底參照色板上, 壓實(shí)壓平以保證樣品表面均勻光滑平整, 然后運(yùn)用WR-18色差儀(測(cè)試參數(shù): 光源為 CIED65標(biāo)準(zhǔn)光源, 孔徑為4 mm)進(jìn)行色度測(cè)量。每個(gè)樣品隨機(jī)挑選三個(gè)位置進(jìn)行測(cè)試, 之后求取平均值作為樣品的色度數(shù)值。

2.4 聚類分析

由于本次分析數(shù)據(jù)量大、組分種類較多, 數(shù)值高頻波動(dòng), 古氣候解釋難度大。為了更直觀的反映古氣候變化, 而且便于與已識(shí)別出的極熱事件進(jìn)行對(duì)比, 本次研究通過(guò)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)軟件 SPSS24對(duì)低頻磁化率、高頻磁化率、頻率磁化率、亮度、紅度和黃度指標(biāo)分別進(jìn)行了聚類分析。采用系統(tǒng)聚類中組間連接的方法, 之后統(tǒng)計(jì)聚類結(jié)果, 將聚類分析后歸為一類的數(shù)據(jù)求平均值, 并用平均值代替這一類的所有數(shù)據(jù), 所得結(jié)果圖變化趨勢(shì)較之未處理的結(jié)果圖變化趨勢(shì)更為明顯, 有利于分析討論(圖2)。

圖2 聚類過(guò)程圖Fig. 2 Cluster analysis process

3 結(jié)果

3.1 巖石垂向組成

西露天組沉積物以灰綠色泥巖為主, 局部夾褐色泥巖和褐色油頁(yè)巖等。沉積物整體呈塊狀, 局部可見(jiàn)水平層理及波紋層理(圖3)。400～365 m范圍主要發(fā)育灰綠色泥巖, 局部夾褐色泥巖, 370 m附近沉積有薄層的粉砂質(zhì)泥巖; 365 m以淺沉積物主要為褐色油頁(yè)巖和灰綠色泥巖, 夾薄層綠色泥質(zhì)粉砂巖、灰色泥巖和灰色油頁(yè)巖。

圖3 西露天組巖心照片及鉆孔巖性柱狀信息圖Fig. 3 Core photos and drilling lithologic column information map of Xiloutian Formation

3.2 色度

色度 L*值在一定范圍內(nèi)波動(dòng), 西露天組自底部到頂部, a*值和b*值總體呈下降趨勢(shì)(圖4)。其中,41.2～37.8 Ma, L*值呈現(xiàn)出四次先增高后降低的波動(dòng)趨勢(shì), 四次高值分別為 82.86%, 83.65%, 83.21%和81.76%; a*值和b*值整體呈下降趨勢(shì)但b*值波動(dòng)更加劇烈。a*值自下部的5.6%左右在40.3 Ma處快速下降到4.5%左右, b*值初始在9.1%左右波動(dòng), 最高值達(dá)12.89%, 之后同樣地, 在40.3 Ma時(shí)快速降低到6.2%左右波動(dòng), 并在38.8 Ma和38.2 Ma處出現(xiàn)了兩處高值, 分別為9.94%和9.31%(圖4)。

3.3 磁化率

低頻磁化率 χlf和高頻磁化率 χhf變化趨勢(shì)基本一致, 41.2～38.3 Ma時(shí)期, 由下及上, χlf和 χhf整體呈上升趨勢(shì), 波動(dòng)幅度較大并均在38.3 Ma處達(dá)到最高值, 分別為 24.6×10-8m3/kg和 23.5×10-8m3/kg;之后快速下降到 7.8×10-8m3/kg和 7.6×10-8m3/kg,在末期呈現(xiàn)升高趨勢(shì)(圖 4)。χfd整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì),并在41.1 Ma時(shí)值最高為42.5%, 在39.9 Ma時(shí)值最低為 5.2%左右, 在上部 38.3 Ma時(shí)值突然增大為25.8%(圖 4)。

圖4 撫順盆地始新世地層的磁化率及色度測(cè)試結(jié)果垂向分布圖(年代尺度據(jù)Li et al., 2022)Fig. 4 Vertical distribution of magnetic susceptibility and color reflectance experimental results of the Eocene strata in the Fushun Basin (dating scale according to Li et al., 2022)

4 討論

4.1 古氣候替代指標(biāo)的可靠性

磁化率被用來(lái)衡量物質(zhì)被磁化的難易程度, 主要由磁性礦物成分、含量以及粒徑大小決定(Thompson et al., 1980; Maher, 1986; Liu et al., 2012),主要與沉積環(huán)境(Da Silva et al., 2009)和沉積物的物源有關(guān)(Liu et al., 2010)。撫順盆地始新統(tǒng)物源主要來(lái)自于長(zhǎng)英質(zhì)和鎂鐵質(zhì)混合巖(Liu et al., 2015), 且沉積物主要沉積于湖泊-沼澤和半深湖-深湖沉積環(huán)境中(Li et al., 2022), 在此構(gòu)造-沉積背景下磁化率主要受降水量影響, 故磁化率可以在較穩(wěn)定的沉積環(huán)境與物源供給下被用于指示古氣候變化。鐵磁性礦物主要來(lái)源于風(fēng)化過(guò)程, 溫暖濕潤(rùn)的氣候條件有利于風(fēng)化作用, 源區(qū)會(huì)產(chǎn)生較多的超細(xì)磁性顆粒,進(jìn)而增加頻率磁化率值。因此, 溫暖濕潤(rùn)氣候背景下, 低頻磁化率值較低, 頻率磁化率值較高, 而干旱寒冷的氣候條件下, 低頻磁化率值較高, 頻率磁化率數(shù)值較低(Larrasoa?a et al., 2008; Jiang et al.,2008; 平帥飛, 2020)。

色度是沉積物顏色的量化指標(biāo)之一, 可以反映古氣候的變化引起的水體的氧化還原程度的演變,進(jìn)而用來(lái)理解氣候變化(Yang et al., 2001; Ji et al.,2005)。此外, 細(xì)粒沉積物的紅度(a*)值與影響風(fēng)化過(guò)程中沉積物氧化的溫度和降水條件密切相關(guān), 對(duì)溫暖和濕潤(rùn)的氣候非常敏感(Wang et al., 2016)。L*值可以反映干旱至半干旱地區(qū)沉積物中碳酸鹽含量的變化(Chen et al., 2002), 干旱寒冷的氣候條件下,碳酸鹽含量高, 沉積物 L*值偏高, a*值偏低; 反之,潮濕炎熱的氣候條件下, 碳酸鹽含量低且溫度和降水量均較高, 沉積物 L*值偏低, a*值偏高。b*值和a*值二者具有較好的相關(guān)性, 較高的b*值指示濕熱的氣候條件, 低值指示相對(duì)干涼的氣候條件(張新榮等, 2020; 平帥飛, 2020)。較之其他手段, 色度更為方便快捷, 在氣候變化研究中也具有廣泛的應(yīng)用前景(Yang and Ding, 2003)。

4.2 始新世陸地古氣候演變規(guī)律

聚類分析后的磁化率和色度數(shù)據(jù)與全球平均溫度(Westerhold et al., 2020)有著較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖 5)。

圖5 聚類處理后的磁化率及色度隨古氣溫變化圖(古溫度數(shù)據(jù)引自Westerhold et al., 2020)Fig. 5 Variation chart of magnetic susceptibility and color reflectance with ancient temperature after cluster processing(paleotemperature data are according to Westerhold et al., 2020)

41.2 ～40.3 Ma時(shí)期, a*值初始在5.68%左右微幅波動(dòng), 繼而下降, 而b*值變化趨勢(shì)與a*值基本相同,總體呈先增后減的趨勢(shì), 表明氣溫先升后降的趨勢(shì)過(guò)程。頻率磁化率處于較高值, 整體在12.58%～39.63%之間波動(dòng), 表明氣候整體呈溫?zé)釢駶?rùn)的特征, 最后轉(zhuǎn)為溫暖濕潤(rùn), 與此對(duì)應(yīng), 古溫度也呈現(xiàn)了一個(gè)先升高后降低的過(guò)程。

40.3 ～37.8 Ma時(shí)期, a*值和b*值整體呈降低趨勢(shì), 且b*值較a*值波動(dòng)幅度更大; 40.3～38.3 Ma時(shí)期, 低頻磁化率和高頻磁化率整體升高并在38.3 Ma時(shí)值達(dá)到最大分別為 33.6×10-8m3/kg和33×10-8m3/kg, 38.3 Ma之后值開(kāi)始降低; 40.3 Ma開(kāi)始, 頻率磁化率先緩慢下降到低值 5.19%并基本保持不變, 之后到38.3 Ma處值升高到25.82%, 說(shuō)明此階段氣候總體較為溫暖濕潤(rùn)。與此對(duì)應(yīng), 古溫度在 40.3～37.8 Ma時(shí)整體也呈現(xiàn)了一個(gè)下降的過(guò)程,并在38.3 Ma處有一高值波動(dòng), 與古氣溫也能良好對(duì)應(yīng)。綜合來(lái)看, 磁化率曲線和色度曲線的峰谷值均與氣溫曲線中的峰谷值有著很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 因此可以運(yùn)用磁化率和色度參數(shù)來(lái)進(jìn)行古氣溫變化趨勢(shì)分析。

此外, Li et al.(2021)也通過(guò)元素地球化學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)本區(qū)的古氣候進(jìn)行了研究, 發(fā)現(xiàn)撫順盆地在41.2～37.8 Ma時(shí)期古氣候總體呈現(xiàn)降溫趨勢(shì), 且整體由溫暖-半干旱向溫暖半濕潤(rùn)-半干旱轉(zhuǎn)變。此外,41.2～40.3 Ma時(shí)期, 化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)值(Nesbitt and Young, 1984)綜合表明了中等-強(qiáng)風(fēng)化的變化特征, 說(shuō)明該時(shí)期氣候波動(dòng)較為強(qiáng)烈; 在 40.3～37.8 Ma時(shí)期, CIA值進(jìn)一步降低, 此時(shí)期經(jīng)歷了中等風(fēng)化過(guò)程, 揭示了相對(duì)降低的古氣溫特征(李元吉, 2022)。

總體來(lái)看, 撫順盆地始新世西露天組經(jīng)歷了中等-強(qiáng)風(fēng)化向中等風(fēng)化的轉(zhuǎn)變過(guò)程, 整體風(fēng)化程度降低的過(guò)程不利于超細(xì)磁性顆粒的產(chǎn)生, 進(jìn)而導(dǎo)致頻率磁化率值的降低。因此可以反推出撫順盆地始新世西露天組總體經(jīng)歷了由溫?zé)釢駶?rùn)向溫暖濕潤(rùn)轉(zhuǎn)變的降溫過(guò)程, 而且 40.3 Ma時(shí)頻率磁化率、a*值和 b*值開(kāi)始降低也恰好可以作為這一降溫過(guò)程的記錄。這種降溫的過(guò)程與前人的研究較為吻合, 進(jìn)一步說(shuō)明了磁化率和色度作為古氣候研究參數(shù)的可靠性。

5 結(jié)論

(1)撫順盆地始新世西露天組(41.2～37.8 Ma)沉積記錄具有高的頻率磁化率(12.58%～39.63%)、中高色度 a*值(5.6%左右)和中高色度 b*值(9.1%左右),而且自底部到頂部, 頻率磁化率呈由高值到低值緩慢下降的趨勢(shì), 色度a*值和b*值總體呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì), 這種變化趨勢(shì)整體指示了一個(gè)降溫過(guò)程。

(2)磁化率、色度結(jié)合古氣溫參數(shù)綜合表明, 撫順盆地始新世西露天組自下而上氣溫先升高后持續(xù)降低, 到末期又有一小幅度的先升后降的波動(dòng)趨勢(shì),古氣候總體呈由溫?zé)釢駶?rùn)到溫暖濕潤(rùn)轉(zhuǎn)變的降溫過(guò)程。此研究結(jié)果與前人的研究結(jié)果吻合良好, 鑒于此, 磁化率和色度可以作為古氣候研究的有效參數(shù)。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (No. DD20221643), Central Public-interest Scientific Institution Basal Research Fund (Nos.JKY202012 and YWFBC201801).