辽东湾古近纪东营期古气候演化及其对湖平面变化的影响

吴 伟，林畅松，周心怀，李 全，邢作昌，言 语

(1.河南理工大学资源环境学院，河南焦作 454003;2.河南省生物遗迹与成矿过程重点实验室，河南焦作 454003; 3.中国地质大学海洋学院，北京 100083;4.中国海洋石油总公司天津分公司，天津 300452)

辽东湾古近纪东营期古气候演化及其对湖平面变化的影响

吴 伟1，2，林畅松3，周心怀4，李 全3，邢作昌1，言 语1

(1.河南理工大学资源环境学院，河南焦作 454003;2.河南省生物遗迹与成矿过程重点实验室，河南焦作 454003; 3.中国地质大学海洋学院，北京 100083;4.中国海洋石油总公司天津分公司，天津 300452)

依据植被对气候的适应性原理，通过对辽东湾地区古近系东营组中孢粉进行气候类型划分、不同气候类型孢粉含量和相对比值综合分析，对古气候演化及其对湖平面变化的影响进行研究。结果表明:辽东湾渐新世东营期气候总体上表现为从相对干热向相对冷湿转变;气候演变存在明显的旋回特征，大致可以划分为5个气候旋回，与前人研究划分的四级层序界面吻合;气候和构造沉降控制了不同层次的湖平面变化，气候为构造沉降稳定阶段控制湖平面高频升降的主控因素，并间接控制四级层序界面的形成，同时干热气候是形成盆底扇的有利条件。

古气候;湖平面变化;渐新世;东营期;辽东湾

古气候是陆相湖盆层序地层形成的主要沉积动力学因素之一，从来水量-蒸发量平衡角度控制了高频湖平面变化［1-4］，并影响剥蚀区岩石风化程度和湖盆沉积区的物源供给量，进而在一定程度上控制了湖盆充填样式和沉积类型。因此，古气候是古湖泊学及陆相层序地层学共同关注的焦点内容，诸多岩石学、地球化学、微体古生物方法被陆续应用于古气候研究中［5-9］。然而，各种方法均存在局限性:稳定同位素分析能够定量重建古温度演化，但不能反映气候的湿度变化特征，同时δ18O、δ13C同位素还受藻类光合作用、吸附作用等非气候因素影响，造成理论模型存在一定误差，另外稳定同位素分析应以原生碳酸盐岩(以生物壳体最好)为研究对象，实现难度比较高;地球化学元素方法易于反演湿度变化，但难于推测温度特征，同时化学元素的富集程度在某种程度上受到沉积时期湖盆的开放-封闭程度、物源条件、搬运距离以及后期成岩过程中地层流体交代作用等影响，造成元素分析结果误差更高;孢粉是可以同时推测温度和湿度变化的良好指标，然而孢粉气候分析过程中常常遇到很多困难，单一孢粉所反映的气候频带比较宽，而且各套地层孢粉类型变化很大，无法选择反映气候变化的标准孢粉组合，造成孢粉气候分析法一般情况下仅在局部地层分析中有效。因此，笔者拟在识别孢粉化石并对其进行气候类别划分的基础上，改善孢粉评价模型，对辽东湾坳陷渐新统东营组中温度、湿度敏感性孢粉进行综合分析，反推渐新世温度、湿度演化历史，并分析气候对湖平面变化的影响程度及其对盆底扇形成的作用。

1 盆地背景

渤海海域是中国东部渤海湾盆地的一个重要组成部分，其内部石油与天然气资源十分丰富，已经成为中国原油生产的重要基地。辽东湾坳陷位于渤海海域北部，东西分别为胶辽隆起和燕山隆起，南部与渤中凹陷、渤东凹陷相邻，北部与辽河断陷(包括东部凹陷、西部凹陷和中央凸起)接壤，呈北东向条带状展布［10］。辽东湾坳陷东西向呈三凹夹两凸的构造格局，从东向西构造单元可划分为辽东凹陷、辽东凸起、辽中凹陷、辽西凸起或辽西低凸起、辽西凹陷，总体上辽东湾坳陷是一个具有东断西超、北北东向分布的不对称狭长箕状坳陷。

辽东湾坳陷古近系大致可以划分为4个二级层序和10个三级层序(图1)，其中东营组可以划分为3个三级层序［10-14］，部分学者［12-13］以盆底扇底及其对应的水退界面为层序界面对东营组进行高精度层序地层划分，将3个三级层序细分为7个四级层序(图1)。

图1 辽东湾层序划分及沉积充填序列Fig.1 Sequence stratigraphy and sedimentary filling sequence of Liaodong Bay

2 资料来源与分析方法

2.1 孢粉化石鉴定

样品主要取自辽东湾坳陷辽中凹陷北部和辽西低凸起东南部的钻孔井壁取心(以泥岩为主)，每块样品质量约为200 g，但是自下而上采样间隔不同:底部沙河街组采样间距小，约为10 m;东营组采样间距较大，为30～50 m。

样品处理及鉴定试验在渤海石油研究院进行。利用粉碎机将样品粉碎至粒径为0.45～0.6 cm，取样30 g;加入氢氟酸充分搅拌，放置14 h后水洗至中性，然后放入离心机中以2000 r/min的速度旋转离心，最后用200 μm规格的不锈钢筛除去大颗粒杂质，并用10 μm规格的尼龙筛留下孢粉。孢粉类型在放大倍数为100～500的生物双目显微镜中识别，以孢粉化石的形状、轮廓及大小、萌发器官的性质及数量、外壁构造及纹饰、周壁、赤道突起等特征识别了50余种不同类型的孢粉化石(图2)。

图2 辽东湾辽中凹陷南部东营组孢粉化石镜下特征Fig.2 Microscopic features of pollen in Dongying formation，south of Liaozhong depression

2.2 孢粉分类

通常不同的气候发育不同的植物群落类型，而保存在地层中的孢粉是对古气候重建的最有利证据。孢粉所对应的植物群从两个方面反映了古气候特征，即湿度和温度。因此，根据孢粉这一属性可以对孢粉进行温度和湿度分类。

植物对于温度的敏感性是其是否能够反推温度变化的关键因素，对温度敏感性好的植物孢粉可以作为良好的地史温度计，敏感性差的植物孢粉对于反推古温度变化没有参考价值。按照对温度的敏感性和适应性［15］，可将孢粉植物分为亚热带、热温过渡带、温带、温寒过渡带、寒带植物等5大类(表1)。本次试验结果表明辽东湾东营期主要孢粉类型介于亚热带和温寒过渡带之间，其中以亚热带植物为主。

表1 反映温度的主要孢粉类型Table 1 Pollen types reflecting temperature

同样，根据植物对湿度的喜好，可将其划分为水生植物、沼生植物、中生植物和旱生植物［3］(表2)。试验结果表明本研究区孢粉类型主要为中生植物，其他3类的植物孢粉类型很少。

表2 反映湿度的主要孢粉类型Table 2 Pollen types reflecting moisture

3 结果讨论

3.1 结 果

目前利用孢粉分析气候的方法分为定性、定量两种方法:定性分析法主要通过分析具体孢粉、孢粉组合所反映的植被气候特征，进而推测古气候的大致变化，这种方法的优点是直观，缺点是不能提供气候变化数值和转变细节;定量分析方法主要包括主成分分析、聚类分析、趋势对应分析、多元回归分析以及转换函数等数学分析方法，这些方法能够提供气候变化的具体数值和细节，但是其精度和可信度都比较低。因此，有些学者提出半定量的分析方法，即不给出气候变化的具体数值，但研究结果尽可能反映气候变化的细节，最常用的半定量参数就是不同类型孢粉的百分含量［16］。本次研究使用两种半定量方法，即百分含量法和相对比值法，以期在保证研究精度和可信度的基础上，尽可能地刻画气候变化细节。本研究基于以下假设:①气候变化是植被变化的主要原因;②孢粉组合是植被的充分体现;③植被类型的化石组合与相应的古气候充分相适应。

3.1.1 百分含量法

利用孢粉的温度分类(表1)、湿度分类(表2)方案，将各种孢粉数量的百分含量进行统计，并将同一类孢粉的百分含量累加得到该类型孢粉的百分含量，具体使用中直接用每盖片不同类型孢粉的粒数占孢粉粒数总和的百分含量。

反映温度变化的公式为

根据以上公式，对研究区的孢粉进行归类统计，统计结果(图3、4)表明温度和湿度变化均具有一定的规律。温度主要表现(图3)为:沙河街早期以亚热带植被、热温过渡带植被为主，其中亚热带植被含量具有明显优势，表明沙河街组沉积后期总体气候比较热;到东营早中期，温带植被明显增加，而亚热带植被和热温过渡带植被含量明显降低，表明该沉积时期温度整体降低;东营晚期温带植被明显降低，而温寒过渡带植被含量明显增加，代表该沉积时期温度进一步降低。湿度上主要表现(图4)为:总体上整个东营期中生带植被占据优势，而沙河街早期旱生带植被稳定存在，东营晚期湿生带植被含量逐渐增加，表明渐新世湿度总体向湿润变化，但是变化过程属于波折前进。综上所述，辽东湾地区渐新世东营期气候总体上表现为从相对干热向相对冷湿转变。

图3 辽中凹陷北部锦州21-A井温度敏感孢粉类型垂向分布特征Fig.3 Vertical distribution of temperature-sensitive pollen types of JZ21A，north of Liaozhong depression

图4 辽中凹陷北部锦州21-A井湿度敏感孢粉类型垂向分布特征Fig.4 Vertical distribution of moisture-sensitive pollen types of JZ21A，north of Liaozhong depression

3.1.2 相对比值综合评价法

由于整个渐新世东营期大规模的气候逆转不可能存在，在研究区内识别的主要气候类型并没有发生大的变化，但小规模气候变化不断进行，百分含量方法对于细微气候变化表征困难，如何刻画这些小规模的变化，将气候变化的旋回性特征表现出来是沉积层序和古湖泊研究亟待解决的问题。在考虑某时期主要孢粉类型的影响之外也应当考虑到特殊微量孢粉出现代表古环境变化，比如Ephedripites代表干旱气候，而Abiespollenites则是寒带特有植物，虽然这些孢粉在地层中含量很低，但的确反映了气候的变化趋势。因此，在研究中引入相对比值(R)的概念，在研究层段中，以某种孢粉单位盖片的最大孢粉粒数为基数，不同盖片中该类孢粉粒数与此基数的比值，并且首次以不同气候类型孢粉相对比值的加权和作为综合评价气候变化的函数，公式如下:

通过对不同温度和湿度分类的孢粉数据进行相对比值统计，得出关于温度、湿度变化的两条曲线(图5、6)，曲线的波折变化反映了古气候的旋回演变，与沉积层序的划分具有一定的关系。从沙河街期向东营期转变，气候发生突变，温度急剧降低、湿度快速增加，这个气候突变引发东营早期气候快速反弹。整个东营期主要存在5个规模较大的气候旋回，从老到新分别命名为d3-3旋回、d3-2旋回、d3-1—d2x2旋回、d2x1—d2s旋回、d1旋回，尽管三级层序界面与这几个气候旋回关系不大，但其内部细分的四级层序界面与5大气候旋回对应非常好，层序界面对应了气候相对干-热时期，证明四级层序的形成受气候变化控制。

图5 辽中凹陷北部锦州21-A井湿度敏感类型孢粉相对比值及综合曲线Fig.5 Relative ration and composite curve of moisture－sensitive pollen types of JZ21A，north of Liaozhong depression

图6 辽中凹陷北部锦州21-A井温度敏感类型孢粉相对比值及综合曲线Fig.6 Relative ration and composite curve of temperature-sensitive pollen types of JZ21A north of Liaozhong depression

3.2 讨 论

3.2.1 气候与湖平面变化

利用滨岸上超点方法和沉降分析法获得辽东湾的相对湖平面变化曲线和构造沉降速率(图7)，将它们与气候曲线进行对比可以发现最低湖平面往往对应沉降速率突变期或者气候干燥期，说明湖平面变化与盆地构造沉降、气候变化关系紧密。图7中可以看出辽东湾渐新世东营期较大规模的湖平面升降有3个，并可以细分为7个高频湖平面旋回。

图7 辽东湾渐新世古湖泊多因素对比Fig.7 Multi-factor comparison of Oligocene paleolakes of Liaodong Bay

大规模的湖平面变化明显受到构造作用控制，剧烈裂陷-断陷和整体坳陷均导致湖平面降低，说明构造活动、构造沉降是造成高级别湖平面变化的控制因素之一。

大规模湖平面升降并非一蹴而就，而是在波折的湖升湖降中完成，次级的湖平面旋回均可为湖平面波折进行佐证，这些湖平面波动与构造沉降关系不大，相反与气候变化息息相关。由图7可见:次级湖平面低值往往与气候湿度干峰值、温度热峰值对应，说明气候干燥、温度升高是导致湖平面频繁降低的主要因素，而气候转为湿润、温度降低则促使湖平面升高。究其根源，气候从两个方面影响了湖平面的变化:一是干燥气候导致区域降水量减少，进而影响湖泊主要水源，湖泊总体来水量减少;第二是干燥气候容易导致湖盆水体蒸发，蒸发量增加。在这双重作用下，湖盆来水量小于蒸发量，打破水体动态平衡，致使湖水体积变小，在构造活动稳定湖盆蓄水空间变化不大的情况下湖平面降低。

构造沉降和气候变化导致湖平面的周期性升降，气候(尤其是湿度)为构造稳定期控制高频湖平面变化的主要因素。另外，由于湖平面变化是形成地层层序的直接原因，气候通过控制高频湖平面变化间接控制高频层序的发育。

3.2.2 气候变化与盆底扇分布

有关研究证明，辽东湾(尤其是辽中凹陷)东营组盆底扇分布很广泛［17-18］，是研究区寻找岩性圈闭的主要方向之一，并且在勘探实践中发现大量以盆底扇为储层的岩性油气藏。纵向上盆底扇在四级层序底部十分发育［12-13］，主要归功于气候因素，气候主要从两个方面对盆底扇的形成提供有利条件:一是气候干热致使湖平面下降，位于水下的三角洲前缘沉积暴露地表，刚刚形成的陆表河流向下侵蚀先前的河道底部滞留沉积，将粗碎屑等高密度流向前推进，在存在坡折或地貌高差的情况下这些高密度流会在盆地内部沉积下来形成盆底扇;二是干热气候会使剥蚀区物理风化严重，原岩的完整性和强度降低，极易被水流冲蚀，大大增加了物源供给量，在湖平面下降的同时形成大型盆底扇。

4 结论

(1)辽东湾渐新世东营期气候总体存在从相对干热向相对冷湿转变的趋势，演化曲线呈波折状，从早到晚可划分为 d3-3、d3-2、d3-1—d2x2、d2x1—d2s、d1 5个规模较大的气候旋回(干热-冷湿-干热)。

(2)除构造活动、沉降外，气候变化是引发湖平面变化、形成层序边界的主要控制因素。构造沉降稳定期，气候对高频湖平面变化起绝对控制作用，并间接控制四级层序界面的形成，同时干热气候是形成盆底扇的有利条件。

［1］ABBOTT MB，FINNEY B P，EDWARDSME，et al. Lake-level reconstruction and paleohydrology of Birch lake，central Alaska，Based on seismic reflection profiles and core transects［J］.Quaternary Research，2000，53 (2):154-166.

［2］张世奇，孙耀庭，刘金华，等.气候变化对可容空间及层序发育的影响海洋［J］.海洋地质动态，2005，21 (2):12-15.

ZHANG Shi-qi，SUNYao-ting，LIU Jin-hua，et al.The Influence of climate change on accommodation space changes and evolution of sequences［J］.Marine Geology Letters，2005，21(2):12-15.

［3］刘占红，李思田.沉积记录中的古气候周期及其在高频层序形成中的意义［J］.地质科技情报，2007，26 (2):30-34.

LIU Zhan-hong，LI Si-tian.Paleoclimatic cycles of depo-sitional record and their control over the formation of highfrequency sequences［J］.Geological Science and Technology Information，2007，26(2):30-34.

［4］鄢继华，陈世悦，程立华，等.湖平面变化对扇三角洲发育影响的模拟试验［J］.中国石油大学学报:自然科学版，2009，33(6):1-5.

YANJi-hua，CHENShi-yue，CHENG Li-hua，et al. Simul ation experiment for effects of lake level changeon fan delta devel opment［J］.Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science)，2009，33(6):1-5.

［5］齐文，郑绵平.西藏扎布耶湖ZK91-2钻孔沉积特征与气候环境演化［J］.湖泊科学，1995，7(2):133-140.

QI Wen，ZHENG Mian-ping.Sedimentary characteristics of ZK91-2 core and climate-environment evolution of Zabuye lake，Tibet Plateau［J］.Journal of Lake Science，1995，7(2):133-140.

［6］张建新，张兆干，严苏，等.内陆干旱盆地新生代碳酸盐岩氧同位素的古气候意义［J］.中国沙漠，1996，16(4):345-350.

ZHANG Jian-xin，ZHANG Zhao-gan，YANSu，et al. Palaeoclimatic significance of oxygen isotope of carbonate in inland dry basin［J］.Journal of Desert Research，1996，16(4):345-350.

［7］杨惟理，张青松.北极巴罗苔原区湖泊沉积的地球化学特征及其气候意义［J］.极地研究，1998，10(4): 252-261.

YANG Wei-li，ZHANG Qing-song.Geochemical characteristics and its climatic signicance in borecore AB32 from Ikroavik lake in the Tundra Barrow，Arctic Alaska［J］. Chines Journal of Polar Research，1998，10(4):252-261.

［8］贾建业，汤艳杰.环境演变的矿物标识研究新进展［J］.岩石矿物学杂志，2001，20(4):419-427.

JIA Jian-yie，TANG Yan-jie.New progress in the study of mineral indicators for environment evolution［J］.Acta Petrologica Et Mineralogica，2001，20(4):419-427.

［9］何胡军.浅析湖平面变化与地球化学特征的关系:以潜江凹陷为例［J］.新疆石油学院学报，2003，15(4): 15-22.

HE Hu-jun.Study on the character of geochemistry in sequence stratigraphy units of Saline Basin on Qianjiang group in Qianjiang depression［J］.Journal of Xinjiang Petroleum Institute，2003，15(4):15-22.

［10］吴伟，林畅松，刘景彦，等.利用上超点法重建渤海湾盆地辽中凹陷渐新世湖平面变化［J］.沉积学报，2011，29(6):29-35.

WU Wei，LINChang-song，LIU Jing-yan，et al.Reconstruction of Oligocene lake level change in Liaozhong depression，the Bohai Bay Basin by the way of onlap points［J］.Acta sedimentologica sinica，2011，29(6): 29-35.

［11］朱筱敏，董艳蕾，杨俊生，等.辽东湾地区古近系层序地层格架与沉积体系分布［J］.中国科学D辑:地球科学，2008，38(增刊):1-10.

ZHU Xiao-min，DONG Yan-lei，YANG Jun-sheng，et al.Paleogene sequence stratigraphy framework and depositional system distribution of Liao Dong Bay［J］.Science in China(Series D:Earth Sciences)，2008，38 (sup):1-10.

［12］吴伟，林畅松，周心怀，等.辽中凹陷古近系东营组高精度层序地层及沉积体系分析［J］.地质科技情报，2011，30(1):63-70.

WU Wei，LINChang-song，ZHOU Xin-huai，et al. High-resolution sequence stratigraphy and depositional system analysis of Dongying group，Paleogene，in Liaozhong depression［J］.Geological Science and Technology Information，2011，30(1):63-70.

［13］李全，林畅松，吴伟，等.辽中凹陷东营组高精度层序地层及沉积体系［J］.西南石油大学学报:自然科学版，2011，33(2):1-8.

LI Quan，LINChang-song，WU Wei，et al.High-resolution sequence stratigraphy and depositional system analysis of Dongying group in Liao-zhong depression［J］. Journal of Southwest Petroleum University(Science＆Technology Edition)，2011，33(2):1-8.

［14］李德江，朱筱敏，董艳蕾，等.辽东湾坳陷古近系沙河街组层序地层分析［J］.石油勘探与开发，2007，34 (6):669-676.

LI De-jiang，ZHU Xiao-min，DONG Yan-lei，et al.Sequence stratigraphy and depositional system of Paleogene Shahejie formation in Liaodong Bay depression［J］.Petroleum Exploration and Development，2007，34(6): 669-676.

［15］刘占红，李思田，辛仁臣，等.地层记录中的古气候信息及其与烃源岩发育的相关性:以渤海黄河口凹陷古近系为例［J］.地质通报，2007，26(7):830-840.

LIU Zhan-hong，LI Si-tian，XINRen-chen，et al.Paleoclimatic information in stratigraphic records and its relation to the formation of hydrocarbon source rocks:a case study of the Paleogene strata in the Huanghekou subbasin of the Bohai Bay Basin，China［J］.Geological Bulletin of China，2007，26(7):830-840.

［16］李守军，王明镇，郑德顺，等.山东济阳坳陷古近纪的气候恢复［J］.山东科技大学学报，2003，22(3):6-9.

LI Shou-jun，WANG Ming-zhen，ZHENG De-shun，et al.Recovery of climate of Palaeogene in Jiyang depression of Shandong［J］.Journal of Shandong Inst of Min＆Tech，2003，22(3):6-9.

［17］吴小红，吕修祥，加东辉，等.辽中凹陷东营组重力流发育机制及沉积构成［J］.西南石油大学学报:自然科学版，2009，31(4):18-35.

WU Xiao-hong，LÜ Xiu-xiang，JIA Dong-hui，et al. Formation mechanism and facies architecture of gravity current of Dongying formation in Liaozhong sag［J］. Journal of Southwest Petroleum University(Science＆Technology Edition)，2009，31(4):18-35.

［18］加东辉，周心怀，李建平，等.辽中凹陷中北段重力流发育模式与控制因素［J］.成都理工大学学报:自然科学版，2010，37(1):69-74.

JIA Dong-hui，ZHOU Xin-huai，LI Jian-ping，et al. Depositional model and controlling factors of sedimentary gravity flows in the central-northern Liaozhong sag，China［J］.Journal of Chengdu University of Technology (Science＆Technology Edition)，2010，37(1):69-74.

Paleoclimate evolution and its influence on lake level changes of Paleogene Dongying epoch in Liaodong Bay，East China

WU Wei1，2，LINChang-song3，ZHOU Xin-huai4，LI Quan3，XING Zuo-chang1，YANYu1

(1.Institute of Resources＆Environment，Henan Polytechnic University，Jiaozuo454003，China; 2.Key Laboratory of Biology Trace and Mining Process of Henan Province，Jiaozuo454003，China; 3.School of Ocean Sciences，China University of Geosciences，Beijing100083，China; 4.Tianjin Branch Company of China National Offshore Petroleum Corporation，Tianjin300452，China)

According to the adaptability of vegetation to climate including temperature and humidity，the paleoclimate evolution and its influence on lake level changes of Paleogene Dongying epoch in Liaodong Bay were researched based on the division of the pollen climate types and the comprehensive analysis of the level of pollen，and the relative ratio of different climate type pollen in study areas.The results show that the whole climate in Dongying epoch transforms from relative dry-warm to relative wet-cold gradually.Climate change is characterized by significant cycle and can be divided into five cycles，which agrees well with the four-order sequence boundary of previous studies.With the tectonic subsidence and lake level change history，it is found that the climate controls the high-frequency lake level fluctuations when tectonic subsidence is stable.At the same time，the climate also indirectly controls the four-order sequence boundary，and the dry-warm climate is favorable for the formation of basin floor fan.

paleoclimate;lake level change;Oligocene;Dongying epoch;Liaodong Bay

P 532

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2012.01.006

1673-5005(2012)01-0033-07

2011-07-08

国家自然科学基金项目(41102059);油气资源与探测国家重点实验室开放基金项目(prp/open 1109)

吴伟(1979-)，男(汉族)，河南温县人，讲师，博士，研究方向为含油气盆地分析。

(编辑 徐会永)