抚顺盆地古近纪古环境演化与有机质富集机制研究

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抚顺盆地古近系始新统古城子组、计军屯组和西露天组分别发育炭质泥岩和厚层煤、巨厚层油页岩和薄层油页岩等富有机质沉积物,为一套连续稳定的陆相细粒沉积,是刻画天文年代标尺和重建古环境演化的重要载体。通过对抚顺盆地辽扶地-1井(LFD-1)始新统开展年代学、层序地层学、旋回地层学、有机岩石学、同位素地球化学、元素地球化学及有机地球化学等研究,搭建高精度天文年代标尺,并对层序地层特征及沉积相、古气候及极端气候特征、古湖泊水体条件及生物生产力等环境因子进行分析,进而开展有机质富集机制研究,最终建立有机质富集模式。对LFD-1井各类型富有机质细粒沉积岩的岩石学、矿物学及地球化学分析可知,研究区煤的总有机碳(TOC)最高(66.2 wt.%),其次为炭质泥岩、油页岩和泥岩。煤和炭质泥岩中镜质组含量最多,高达78%,油页岩和泥岩中壳质组含量最高,可达72%。Tmax值在406-442℃之间,平均427℃,表明不同岩性的样品均处于未成熟阶段。研究区煤、炭质泥岩和泥岩的姥鲛烷碳同位素(δ13CPr)和植烷碳同位素(δ13CPh)差异较小,而油页岩的δ13CPr和δ13CPh差异较大(分别为-27.41~-28.19‰和-26.60~-28.23‰)。以上参数均表明从古城子组到西露天组古气候及古环境研究均存在差异。通过LFD-1井栗子沟组上部凝灰岩锆石U-Pb同位素定年,结果显示栗子沟组上部的年龄为54.72±0.20 Ma。进一步结合前人对抚顺盆地古近系孢粉和古地磁年龄的研究结果,建立了抚顺盆地地层年代格架,其中栗子沟组上部-古城子组、计军屯组和西露天组的沉积时限分别为54.72-47.8Ma、47.8-41.2Ma和41.2-37.8Ma。在确定地层年代格架的基础上,对LFD-1井的GR数据序列(取样间距0.07m)开展了旋回地层学分析。通过旋回分析,在栗子沟组上部-古城子组、计军屯组和西露天组分别识别出17、16和9个长偏心率周期(405 kyr)及67、64和35个短偏心周期(100 kyr)。并选用La2010a方案所提供的50°N夏季日照量的偏心率理论变化曲线为目标,进行天文调谐,得到研究区始新统高精度天文年代标尺。在LFD-1井详细的岩心观察描述、测井曲线和岩石薄片鉴定分析的基础上,并结合抚顺盆地西露天矿区的人工剖面,进行抚顺盆地沉积相研究,认为抚顺盆地始新统整体为湖泊相沉积。湖泊相可进一步划分为湖沼、浅湖和半深湖-深湖亚相。依据层序地层学原理,在沉积相识别的基础上,搭建了抚顺盆地始新统的层序地层格架,共识别出3个三级层序,其中厚层煤主要在层序I时期的湖沼环境中发育,巨厚油页岩形成于层序Ⅱ时期的半深湖-深湖环境中,薄层油页岩形成于层序Ⅲ时期浅湖与半深湖-深湖高频变化的环境。基于抚顺盆地的天文年代标尺和精细的有机碳同位素(δ13CTOC)数据,搭建了古近纪海相地层与陆相地层的同位素对比格架,抚顺盆地古近纪极端气候主要发育ETM2(Eocene Thermal Maximum 2,古城子组)、ETM3(古城子组)、EECO(Early Eocene Climatic Optimum,古城子组和计军屯组)、MECO(Middle Eocene Climatic Optimum,西露天组)和“Doubthouse”气候(计军屯组)事件。并对EECO事件内部发育的短周期极热事件进行精细识别,识别出22个短周期极热气候。并对研究区δ13CTOC负偏量与相对应的海相有孔虫碳同位素δ13Cbulk负偏量进行拟合,结果表明,δ13CTOC(抚顺盆地)与δ13Cbulk(大洋科学钻探)的碳同位素负偏量显著相关(R~2=0.68)。进一步证明陆相和海相系统极端气候事件来自于相同的碳源,并与大气系统中的碳量增加密切相关。依据孢粉化石和元素地球化学的定性和定量分析,恢复了始新统古气候的演化过程。研究区古城子组(气候分带I)、计军屯组(气候分带Ⅱ)和西露天组(气候分带Ⅲ-Ⅳ)古气候经历了亚热带温热湿润、暖温带温暖湿润、暖温带温暖半干旱和暖温带温暖半湿润-半干旱的气候演化过程。进一步对抚顺盆地极端气候事件时期古气候进行定量分析,研究认为极热事件时期古气候具有风化强度增加、古气温升高和古降水量增大的特征,在ETM2事件影响下古气温和古降水量升高最大,其中古气温上升3-5℃,古降水量增加600mm左右,其次为EECO和ETM3。而MECO事件影响下古气温和古降水量升高最小,分别为2-3℃和200mm左右。“Doubthouse”气候相对极热事件时期,古气温和古降水量均降低,分别降低2-3℃和200mm左右。并利用有机碳同位素和单体碳同位素重建了始新统古大气CO2浓度(p CO2),始新统p CO2在258~2475ppmv之间,背景p CO2值为557+94/-82ppmv。并且研究区ETM2的p CO2最大(2475+1705/-917ppmv和2277+1456/-764ppmv),其次为ETM3、MECO和EECO。并对极热事件时期的p CO2来源进行分析,认为碳源主体可能来自陆地有机质的氧化,并存在部分火山来源的供给。系统开展了抚顺盆地始新统进行岩石学、沉积学、古生物学及地球化学等分析,揭示了抚顺盆地古气候演化特征,并结合古构造、古沉积环境等重建了抚顺盆地始新统不同气候分带内的有机质富集条件及模式。气候分带I时期(古城子组)整体为温热湿润气候,盆地为稳定的裂陷阶段,研究区主要为浅湖和沼泽的淡水氧化环境;其中浅湖环境,碳埋藏速率(C埋藏,62.97 g/(m~2·a))植物净初级生产力(NPP,314.87 g/(m~2·a))较高,但陆源碎屑输入量高,沉积炭质泥岩;而沼泽环境,C埋藏和NPP极高,均值为116.94 g/(m~2·a)和584.68 g/(m~2·a),陆源碎屑输入量低,沉积厚层煤。并且在该气候阶段发生多期极热事件(ETM2、ETM3和EECO),促进生物生产力提升,使有机质丰度的进一步升高。气候分带Ⅱ时期(计军屯组)整体为温暖湿润气候,盆地裂陷达到顶峰,形成了浅湖贫氧环境和半深湖-深湖缺氧环境;浅湖环境,古湖泊生物生产力中等(981.67 g/(m~2·a)),存在一定的陆源有机质供给,水底贫氧状态导致部分有机质被氧化分解,形成劣质油页岩;而半深湖-深湖缺氧环境,有机质保存条件良好,且古湖泊生物生产力极高(2344.88 g/(m~2·a)),沉积有优质油页岩。气候分带Ⅲ时期(西露天组)整体为温暖半干旱气候,盆地构造基本停止。该时期主要为浅湖淡水过渡为半咸水的贫氧环境,古湖泊生物生产力低(311.91 g/(m~2·a)),有机质保存条件差,沉积低有机质丰度的泥岩。同样在该时期也发生了极热事件(MECO),导致湖泊生产力增加,泥岩中有机质丰度升高。气候分带Ⅳ时期(西露天组)整体为温暖半湿润-半干旱气候。受古气候控制该时期主要为浅湖半咸水贫氧和半深湖-深湖半咸水缺氧环境高频交替;半深湖-深湖半咸水缺氧环境,古湖泊生物生产力高(1441.53 g/(m~2·a)),较高的沉积速率,导致少量有机质被稀释,而形成的缺氧环境,使得湖泊保存条件良好,沉积中等有机质丰度的油页岩;浅湖半咸水贫氧环境,古湖泊生物生产力低(417.93 g/(m~2·a)),较高的沉积速率,使的有机质被稀释和氧化分解,沉积低有机质丰度泥岩。该系列模式揭示了抚顺盆地始新统有机质富集机制,丰富了煤和油页岩的成矿理论并为油气资源的勘探开发起到指导意义。
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