天文周期与异重流沉积前沿科学问题探讨

杨仁超，田 源

(山东科技大学地球科学与工程学院，山东青岛 266510)

近年来，天文周期、异重流沉积成为国际地质学研究的前沿领域和热点话题；而我国，以鄂尔多斯盆地延长组为代表的湖相异重流沉积研究取得了重要进展。但有两个关键科学问题尚不明确：天文周期驱动的高频气候旋回如何控制异重流沉积？高频气候旋回和异重流沉积如何影响有机质富集？在天文地质年代研究向“深时”(Deep Time)和高精度方向发展、非常规油气开发研究趋向精细化的当下，以浅钻取芯、数据采集、样品分析和测井资料为基础，应用天文周期和气候旋回识别、异重流沉积细粒岩识别和有机质富集效应分析等关键技术，研究天文周期驱动的气候旋回对异重流沉积的控制作用，以及后者对前者的响应，明确高频气候旋回、异重流沉积对有机质富集的影响及其作用机理，不仅可为天文年代标尺这一国际前沿领域提供参照，而且可为烃源岩成因机理研究奠定地质学基础，还可为页岩油气开发提供高分辨率地层划分对比依据。

1 天文年代学及高分辨率沉积旋回研究成为地学前沿领域

1.1 天文年代学研究向高精度、“深时”方向发展

近年来，天文周期驱动的气候旋回及其对沉积作用的控制成为地学研究的热点[1-6]。太阳系各星体对地球的引力造成地球公转和自转轨道的偏心率、斜率和岁差参数的周期性变化，引起地球表面接受日照量的周期性变化，从而驱动地球表层气候系统的周期性波动[7-8]，形成旋回地层。通过收集反映古气候变化的替代指标参数，应用天文旋回理论来研究旋回地层记录的分支学科——天文旋回地层学由此诞生[9]，成为地学研究的前沿领域[3,5-6,10]。

应用天文旋回理论，通过对高分辨率的旋回地层记录进行天文调谐，建立天文年代标尺以提高地质年代精度，已成为地质学研究的发展方向[11-13]。其高达千年尺度的精度已超越其他定年方法，成为地质计时的天文“摆钟”[14]。如北大西洋深水细粒沉积中，千年尺度的气候旋回清晰可辨[15]。经过天文校准的地质年代已100%覆盖新生代，中生代已覆盖75%；而三叠纪年代标尺尚未完全建立[8,16-17]。天文年代标尺正朝“深时”方向发展，成为多项国际重大地质研究计划和科学钻探的重点领域之一。

1.2 天文周期及气候对沉积旋回的控制作用研究向高分辨率方向发展

天文周期与气候变化不仅控制了沉积物供给[4]、海(湖)平面升降[18]、河流决口的频率[19]，而且控制了生物的发育程度[18]、烃源岩的富集[12-13]、主煤层的形成[4]以及有机质碳同位素(δ13Corg)的漂移[20]。而在过去约1 400年，受周期性季风活动影响，尼罗河洪水泛滥历史与东地中海生产力水平具有显著的一致性[21]；洪水引起地中海浮游生物的勃发，形成富含有机质的海底“腐泥层”，成为岁差的标记[14]。可见，气候对沉积作用的控制比此前的理解更为重要[18]。

随着非常规油气勘探开发的深入，对细粒沉积地层的年代地层划分、地质分层精度要求越来越高，对天文旋回的研究将向亚米兰科维奇旋回的高分辨率方向发展[22-23]。由于深水细粒沉积[24-29]的环境相对稳定、沉积连续，因此是天文周期信号的理想载体。

2 异重流沉积研究海陆并举，其气候影响因素备受关注

2.1 异重流沉积研究由海相向陆相拓展，我国湖泊异重流沉积研究取得进展

异重流是洪水期河流注入、沿盆地底部流动的浊流，其沉积产物的主要特征是逆粒序段—正粒序段成对出现，逆—正粒序的转换处可见微侵蚀面，其顶、底接触关系以突变为主[30]。Zavala等[31]将浊流分为盆内浊积岩(滑塌型)和盆外浊积岩(异重岩)，二者在三角洲地带可共生共存[32]。因无须大量沉积物的积累和滑坡触发机制，异重流比滑塌型浊流更易于发生[26,33-35]。巨大的悬浮载荷及其下潜过程中的侵蚀作用，使得异重流可做长距离流动[36]；河流输入的异重流可向含盐的浊流转化，从而产生更远的运输距离[37]。作为一种将大量沉积物搬运至深水盆地的重要作用机制，异重流引起了地质学界的广泛关注[38-44]。

但是，国外有关异重流的研究多以海相环境为主，陆相环境研究极少。近年来，国内学者先后在鄂尔多斯盆地、松辽盆地、渤海湾盆地[45-48]等陆相地层中发现了异重流沉积。

与海相盆地相比，陆相沉积盆地多具近物源、易受气候影响的特点，更有利于异重流沉积的发生。异重流源自洪水河口的长时间、大规模注入，其沉积物载荷远大于滑塌浊流；异重流可沿盆地底部长距离搬运，可达盆地中心深水区，故异重流沉积的分布范围一般比浊积岩更大。随着研究的深入，在陆相盆地中将会发现更广泛的异重流沉积。

2.2 异重流沉积对天文周期与气候的响应将成为地学研究的新趋向

气候对异重流沉积的影响已备受关注，但异重流沉积对天文周期的响应研究尚未涉及。全球水文循环的突然加强是对温室气体排放、气候变暖的快速直接反应[49]；高频海平面旋回中，由于极端降水事件而产生的异重流使陆架的泥沙通量大增[50]。洪水异重流的发生明显受气候的控制[41,51-52]，而气候变化与天文周期密切相关[2-6]；但是，天文周期对异重流沉积的控制作用或后者对前者的沉积响应研究鲜有报道。这些问题对于从本质上认识异重流沉积的发生频率、控制因素与分布规律均是很大的障碍，必将成为未来地学研究的新趋向。

3 气候与有机质富集关系的研究趋向多学科交叉

3.1 大量研究证实气候显著影响有机质富集

大量研究表明，有机质的富集与气候密切相关[53-59]，特别是气温的影响最为显著[60]。气候波动形成的T-R旋回中沉积了富有机质油页岩[61]。气候影响流域内的侵蚀速率和初级生产力(藻类繁盛)，从而影响有机质的来源和地球化学组成[60]，温湿气候有利于湖泊的初级生产力和沼泽的发育，形成陆源和水生有机质的混合，形成了高有机质沉积[62-63]；葡萄牙早侏罗世富含有机质的黑色页岩，是极端气候变暖、高海洋生产力和间歇性分层陆表海驱动的结果[64]；抚顺盆地始新统油页岩的有机质变化受气候控制下的周缘高等植物输入和水生生物的显著影响[65]。延长组长7 油层组沉积期为古气温大于15 ℃的温暖潮湿的温带—亚热带气候[66]，温暖湿润的气候条件、还原性底部水体有利于油页岩的形成和保存[53]，为烃源岩的沉积和页岩油的富集奠定了基础。但高频气候旋回与有机质富集的关系研究仍处于起步阶段。

3.2 异重流与有机质富集的具体关系尚不明确

现代沉积和白垩纪沉积研究实例表明异重流可高效富集有机质：其一，异重流可富集有机质。例如：异重流将大量的有机质搬运至深海[67]；喜马拉雅南部锋面降雨量大、生产力高、地形起伏大，洪水异重流输入是湖盆有机质的主要来源[68]；巴西Lorena油田的白垩系烃源岩是由异重流沉积而成[69]。其二，异重流富集有机质的规模大、效率高。受频繁的台风影响，台湾岛一条小型河流96 h内的颗粒木质素输入量相当于密西西比河年输入量的20%[70]；异重流极端事件有效地加速了富含有机质的深海沉积物埋藏[71]；海洋与异重流通道相结合，成为一个巨大的碳汇，可以高效地将陆源颗粒有机质输入深海进行封存[70]。但是，异重流在输入有机质的同时，亦向盆地搬运大量碎屑物质；异重流输入的营养元素对于盆地生态环境和生产力均可产生影响，异重流对有机质富集的影响是否存在滞后效应？因此，异重流与有机质富集的具体关系以及作用机理将成为未来细粒沉积学研究的重要方向之一。

3.3 天文周期分析方法及反映气候条件的地球化学指标应用研究趋向成熟

利用露头的伽马射线测量及其与有机质含量的关系，Gomez等[72]建立了古气温与有机质沉积之间的关系；Scotchman等[73]利用伽马射线谱分析、频谱分析等方法识别出了斜率和岁差信号；Shi等[12-13]基于连续岩心的磁化率测量，结合伽马曲线，利用滑动傅立叶变换方法分析了渤海湾湖盆沉积的天文周期。

气候波动形成的T-R旋回中沉积了富Zn、V、Mo、Ni等元素[61]，较高的Al2O3/SiO2比值表明较湿润的古气候[59]，主量、微量元素及其比值、TOC等地化指标被广泛应用于氧逸度、古盐度、古气候、古生产力等古环境分析[57,74-81]。天文学、地质学、地球化学等多学科的交叉，成为研究复杂地质问题的必然；新方法的探索、有效方法的甄选和多种方法的联用，正成为该研究领域的新趋向。

4 结语与展望

当前，天文地质年代研究正向高精度和“深时”方向发展，天文沉积旋回的分辨率不断提高。研究天文周期、气候变化旋回对异重流沉积的控制作用，探索天文周期、异重流对有机质富集的影响，不仅可为天文年代标尺这一国际前沿领域提供参照，而且为烃源岩成因机理研究奠定地质学基础，还可为页岩油气开发提供高分辨率地层划分对比依据。因此，相关研究具有重要的地质科学研究价值和页岩油气开发现实意义。