松辽盆地中部青山口组沉积时期有机碳稳定同位素研究.docx
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松辽盆地中部青山口组沉积时期有机碳稳定同位素研究
松辽盆地中部青山口组沉积时期有机碳稳定同位素研究
摘要：
本次研究是以松辽盆地中部青山口组古12井的86件泥岩岩心样品为对象，对它们进行有机碳稳定同位素测定。
测定结果为：
青二～三段上部，δ13C值在-25.3~-29.77‰之间，平均值为-27.7‰，青二～三段下部，δ13C值在-26.2~-30.8‰之间，平均值为-28.9‰；青一段δ13C值在-27.8~-32.25‰之间，平均值为-29.5‰。
通过这些测定的数据，进行了青山口组顶底界线的确定、有机质来源分析、以及古气候研究。
得出以下结论：
（1）青山口组的底界以δ13C=-32.2‰的负异常为标志；顶界以δ13C=-23.1‰的明显正向偏移为标志；
（2）青二～三段上部泥岩中有机质类型主要为Ⅱ1型，泥岩有机质来源为混合源，以湖相浮游藻类为主；青二三段下部至青一段泥岩中有机质类型主要为Ⅰ型，该有机质来源于湖相浮游藻类。
关键词：
松辽盆地；古龙凹陷；青山口组；有机碳稳定同位素
ResearchofstableorganiccarbonisotopesduringthedepositionofcentralQingshankougroupinSongliaoBasin
Abstractthesamplesofthissurveyarebasedon82mudstonescollectedfromWell12ofQinshankouFormationintheSongliaoBasin,forwhichstableorganiccarbonisotopesarecarriedon.theresultofresearchisgiven,Thevalueofδ13CoftheunderQs2+3is-25.3~-29.77‰,andtheaverageoftheunderQs2+3is-27.7‰;ThevalueoftheupperQs2+3is-26.2~-30.8‰,andtheaverageoftheupperQs2+3is-28.9‰;ThevalueoftheQs1is-27.8~-32.25‰,andtheaverageoftheQs1is-29.5‰.Basedonthesedata,IstudythetopandbottomboundaryofQingshankouFormation,organicmatteroriginates,andpalaeoproductivityandpaleoclimateofQinshankouFormation.PreliminaryanalysisshowsthatThelowestvalueappearsatthebaseofQingshankouFormation,andThemostimportantistheuppermostpeakthatisthemaximumoftheprofileandoccursattheboundaryofQingshankou/YaojiaFormations.ThetypeoforganicmatterofthemudstonescollectedfromtheunderQs2+3mainlyisⅡ1,andtheorganicmatteroriginatesisfromcombinedsources,mainlyfromplanktonicalgaeoflacustrinefacies.ThetypeoforganicmatterofthemudstonescollectedfromupperQs2+3toQs1mainlyisⅠ,andtheorganicmatteroriginatesisfromplanktonicalgaeoflacustrinefacies.
KeywordsSongliaobasinQingshankouFormationOrganiccarbonisotopes
目录
1前言1
1.1选题背景1
1.1.1选题依据1
1.1.2研究意义2
1.2研究现状2
1.2.1国内外有机碳稳定同位素研究现状2
1.2.2青山口组研究现状4
1.3研究内容与技术路线5
1.3.1研究内容5
1.3.2技术路线与方法5
1.4实际工作量5
2区域地质概况7
2.1地理地质背景7
2.2区域构造特征8
2.2.1盆地的基底构造特征8
2.2.2盆地构造演化史12
2.2.3坳陷层构造特征13
2.3古龙凹陷地质概况15
2.3.1古龙凹陷的地质特征15
2.3.2青山口组沉积环境特征16
2.4青山口组沉积地层特征18
3样品与实验19
3.1样品信息19
3.2有机碳稳定同位素实验原理与方法20
4松辽盆地中部青山口沉积时期有机碳稳定同位素研究21
4.1青山口组顶底界限确定21
4.1.1有机碳稳定同位素确定青山口组顶底界线21
4.1.2白垩纪Cenomanian-Turonian界线时期全球碳稳定同位素的地层表现23
4.1.3青山口组与海相地层的对比25
4.2有机质来源分析25
4.3古气候分析27
4.3.1有机碳稳定同位素与古气候之间的关系27
5结论30
致谢31
参考文献32
1前言
1.1选题背景
1.1.1选题依据
松辽盆地位于中国东北部,是我国中、新生代大型内陆湖盆之一，地跨黑龙江省、吉林省、辽宁省和内蒙古自治区，呈北北东向展布,长轴约750km,短轴330～370km,总面积超过287000
（图1-1）。
盆地北部主要充填中、新生代碎屑岩，其中白垩纪地层为主要的沉积岩系，也是松辽盆地的主要产油层[1]。
松辽盆地北部晚白垩世底部地层为青山口组（K2qn）和姚家组（K2y），它们形成于松辽盆地演化的坳陷期,此时是盆地发育的全盛时期[1]。
青一段（K2
）经历了一次大的湖侵[2],该时期湖盆面积较大，沉积了一套富有机质的半深湖—深湖亚相黑色泥岩。
青二、三段（K2qn2+3）到姚二、三段（K2y2+3）沉积时期,总体上为水退，湖盆收缩，沉积物富砂。
图1-1松辽盆地地理位置及构造分区
对于松辽盆地北部青山口组和姚家组，前人在生物地层、地质年龄划分、构造演化、层序地层等研究方面取得了有意义的成果[3-5]。
松辽盆地作为我国最大的陆相含油气盆地，保存着一套完整的白垩纪湖泊沉积地层[6]，并且于晚白垩世的青山口组一段和嫩江组一、二段沉积时期，发生了盆地演化史上三次最大规模的湖侵和缺氧事件[7]，并在全盆地广布着三套暗色沉积产物，这些暗色沉积产物为黑色泥岩、页岩和棕褐色油页岩。
青山口组一段时期湖侵达到高峰期，湖泊面积为160000km2；嫩江组第一、二段时期，发生了特大湖侵，湖泊沉积物远远超出现有盆地边界，深湖面积达96000km2，浅湖面积为84000km2[8]。
本次主要依据松辽盆地中部青山口组对地层沉积时期的有机碳稳定同位素展开研究。
1.1.2研究意义
有机碳是沉积物（岩）中总有机质（TOC）中的碳。
对有机碳稳定同位素的研究已在全球碳循环、古气候变化、生物演化、地层对比研究等领域得到了应用。
从最古老的地层（38亿年）到近代沉积物,其有机碳碳同位素的分布特征已为地球早期生命演化、地质历史时期突变事件的发生、近百万年来全球及局部地区古气候变化及沉积物中有机质的生物先质来源提供了良好依据。
本研究利用大庆油田在松辽盆地中部的岩心样品进行了青山口组有机碳稳定同位素的测试,通过化学地层和生物地层研究提出了青山口阶的顶底标志。
青山口阶的有机碳稳定同位素值具有全球一致的意义,与我国西藏南部海相地层,乃至全球重要地区Cenomanian-Turonian阶稳定同位素界线均具有可比性。
通过对松辽盆地中部青山口组的沉积有机质进行有机碳稳定同位素研究从而对有机质来源进行分析。
本次研究的意义也在于通过松辽盆地中部青山口组沉积时期有机碳稳定同位素研究来确定有机质的来源和分布规律及探讨古气候变化的特征。
1.2研究现状
松辽盆地作为我国最大的陆相含油气盆地，保存着一套完整的沉积地层，研究程度较高。
前人对松辽盆地的研究着重于地球动力学、构造学、地层学、沉积学、古生物学、古气候学以及石油地质学等方面[2][4][9]，而利用有机碳稳定同位素等多个有机地球化学指标来研究松辽盆地青山口组地层的划分、古湖泊的生产力演化特征，进而探讨古湖盆的气候响应，还少见报道。
1.2.1国内外有机碳稳定同位素研究现状
自20世纪40年代Nier（1947）发明Nier型质谱[10]和Urey（1947）提出“同位素物质的热力学性质”的经典论文以来，稳定同位素地球化学已经历了半个世纪的发展历程。
50余年来，稳定同位素地球化学逐步发展和壮大，已经成为一门成熟的学科。
它不但成了研究各种基础地球科学问题的重要手段，而且在解决人类社会面临的重大资源、环境、生态问题方面开始发挥关键作用。
当前，人类社会正在发生急剧的变化，科学技术的突飞猛进带动着经济的迅速发展。
在这种背景下，进入壮年的稳定同位素地球化学也迎来了发展的大好时机。
我国的稳定同位素地球化学研究已开展了40年。
在此期间，特别是近20多年来，经过学习、引进、改进到开拓创新，我国已建立起自己的研究体系，开始了全方位的研究和探索。
研究的成果为解决国内重大地质问题和资源、环境问题提供了关键性依据。
有些成果还达到了国际先进、乃至国际领先水平，为科学发展做出了贡献。
在新世纪之初，面对国际上稳定同位素地球化学急速发展的局面，我们需认清形势、明确方向。
要在竞争中争取主动，走到稳定同位素地球化学研究的前列，并为我国社会和经济的健康发展继续做出贡献。
同位素测试技术是同位素研究的基础。
新的测试技术的创立，新的测试仪器的研制，原有仪器设备和测试方法的改进是稳定同位素地球化学研究发展的依托。
因此发展同位素测试技术始终是同位素地球化学研究的一个主要方面，技术上的每一项突破往往会为同位素地球化学研究开辟新的领域。
过去的20年同位素地球化学发展的重要阶段。
为满足研究工作日益增涨的需要，新技术和新方法不断涌现，成为研究工作不断发展的推动力。
同位素测试技术的进步涉及到很多方面，但概括起来，总的趋势不外是：
快速化、精确化、微量化、微区化、多样化和标准化。
不同大陆间沉积物碳稳定同位素明显的正向或负向的偏移具有内在关联。
因此，同位素测试曲线的明显峰值对高精度的地层对比具有潜在的作用。
生物壳体是稳定同位素测试的良好材料，但是，不同的生命效应有可能造成测试的结果相对混乱。
目前，国际上常用全岩样品来进行白垩纪的稳定同位素测试，并对海相环境取得了大量成果。
1.2.1.1地层划分与对比
研究表明，在许多大的地层界面上，如前寒武系/寒武系、二叠系/三叠系、白垩系/第三系，不仅生物化石在类群上有大的改观，而且沉积有机碳和无机碳（碳酸盐岩）的碳同位素组成也发生了明显波动。
这可能是由于:
①全球气候变化;②外来体对地球的撞击或③大量的火山活动，使生物出现空前繁盛（前寒武纪-寒武纪）或极度繁盛后突然大量绝灭（二叠纪-三叠纪，白垩纪-第三纪），造成大气CO2浓度及碳同位素组成、海水中溶解重碳酸根离子的碳同位素组成的改变，从而使沉积有机质和沉积碳酸盐岩的碳同位素组成发生变化，这些变化就记录在当时的沉积地层中。
因此，沉积有机碳和无机碳的碳同位素层序演化特征，是进行地层划分和对比的有效地球化学手段[17]。
1.2.1.2有机质来源追索
由于不同的生物体具有不同的碳同位素组成特征，如C3植物的δ13C值在-22‰~-31‰之间，C4植物的δ13C值在-10‰~-16‰之间;温暖海水中浮游植物的碳同位素组成接近-20‰，而寒冷海水中浮游植物的碳同位素组成则在-30‰左右，海草的δ13C值在-10‰～-16‰，海相藻类的δ13C值在-18‰左右;非海相水生植物和藻类的碳同位素组成一般在-12‰～-26‰[18]。
因此，沉积有机质的碳同位素组成可以提供沉积物（岩）中有机质来源的信息。
1.2.1.3古气候指示
由于全球或局部地区气候变化周期中，温暖潮湿与寒冷干燥交替出现,沉积水体分布范围相应扩张与缩小,沉积物中有机质的来源也随之发生变化。
如以陆生植物为主要有机质输入源的湖相沉积,在温暖潮湿期,碳同位素组成较轻的C3植物发育，因此沉积物中有机质的碳同位素组成就相对偏轻;在寒冷干燥期，碳同位素组成较重的C4植物输入相对较多,使沉积物中有机质的碳同位素组成相对偏重。
以水生植物和藻类为主要有机质输入的湖相沉积,在温暖潮湿期,水体扩大，沉积物中的有机质以水生植物和藻类为主,碳同位素组成相对较重。
在寒冷干燥期,水体缩小，沉积物中的有机质有部分C3植物输入，使沉积有机质碳同位素组成相对变轻。
由此可见，沉积物中有机质碳同位素组成的变化,在不同的沉积环境中反映了不同的古气候信息。
1.2.2青山口组研究现状
中国拥有众多白垩纪陆相沉积湖盆,尤其是东北地区发育了以松辽盆地为主的大型白垩纪沉积盆地。
该盆地是亚洲古陆上最大的白垩纪湖盆之一,是我国陆相白垩系发育最完整的地区。
连续沉积的以富有机碳黑色页岩为主的砂泥碎屑岩建造[19],不仅使该区成为重要的含油气盆地,而且成为建立我国陆相地层阶的理想地区。
全国地层委员会[20]依据松辽盆地白垩系中—上部地层的发育情况,提出了建阶方案,自下而上为:
泉头阶、青山口阶、姚家阶、嫩江阶、四方台阶、明水阶和富饶阶。
然而,要完善这一方案,明确各阶的地层标记是建阶的进一步工作。
单一依靠陆相生物地层的研究方法来建阶,并使其能达到与海相阶对比的要求,是相当困难的。
应当从不同的角度来确定阶的年代意义,包括同位素年代测定[9]。
地层中的特殊化学记录不仅是古环境变化的重要显示,而且作为地层学研究的替代指标已应用较广。
这些替代指标主要是粘土沉积物中碳酸钙和有机碳的碳稳定同位素比率,生物壳体的氧同位素比率,有机碳的氮同位素比率,碳酸盐相的硫同位素比率,化石骨架的锶同位素比率,富有机质沉积物的锇同位素比率,以及总有机碳（TOC）、碳酸盐相中镁、锰和锶的含量。
根据松辽盆地白垩系的发育特征,本次工作选择对有机碳的碳稳定同位素进行初步研究。
1.3研究内容与技术路线
1.3.1研究内容
在充分了解了有机碳稳定同位素研究的基本原理、适用范围、使用方法的基础上，根据松辽盆地属于断陷湖盆、青山口组沉积时期湖底为弱氧化－缺氧环境、岩性主要为暗色泥岩等特征，选择位于盆地中央凹陷区的古龙凹陷的古12钻孔中的青山口组岩芯样品为研究对象，进行有机碳稳定同位素的定量分析，总结有机碳稳定同位素的分布特征，进而探讨青山口顶底界划分、有机质来源及古气候特征。
具体研究内容如下：
1．松辽盆地中部及古龙凹陷区域地质概况：
了解盆地的古地理位置、基底性质、区域构造运动、盆地演化史；熟悉古龙凹陷的地质概况、盆地内青山口组沉积地层特征及古湖泊发育特征；
2.利用有机碳稳定同位素在青山口组顶底的特征来确定青山口组顶底界线；
3.根据青山口组一段有机碳稳定同位素特征来分析有机质类型，进而推断有机质来源；
4.利用有机碳稳定同位素特征来分析青山口组古气候特征。
1.3.2技术路线与方法
在查阅、收集、整理前人有关研究有机碳稳定同位素资料及松辽盆地实际资料的基础上，针对本文研究计划，采用宏观与微观相结合、多种测试手段相结合，理论与实验相结合的方法，以古12钻孔中青山口组沉积时期的暗色泥岩为切入点，围绕主要研究内容，设计如下技术路线（图1-2）。
依据技术路线，对青山口组82个、姚家组4个、泉头组4个岩芯样品进行了实验分析，分析测试的项目主要为有机碳稳定同位素测试。
1.4实际工作量
针对研究内容，展开了国内外相关文献的系统查阅、整理；在上述基础上，围绕论文研究内容，设计技术路线、拟定观察内容、搜集相关资料文献，根据实验数据绘制图件，制作表格，最终进行分析对比得出结论。
通过查阅资料，对松辽盆地的义县、北票、朝阳、凌源、承德等地的白垩世的金刚山-白台沟剖面、四合屯-陆家屯、大王杖子剖面进行了详细的认识和观察。
并对钻孔岩芯进行详细观察和描述，采集样品，在室内把采集的样品放入静态氧化实验装置进行实验分析，实验完成后认真记录实验数据，建立表格。
根据各个阶段的工作量及安排时间完成论文（表1-3）。
表1-3实际工作量
时间安排
工作内容
完成数量
工作目的
2011．12-2012.2
查阅资料10篇，进行外文翻译
1
了解国内外研究现状，完成文献综述
2012.2-2012.3
根据任务书，编写开题报告
1
建立完成论文的框架，明确论文目的。
2012.3-2012.4
查阅文献资料，完成论文的区域地质概况
2
了解论文的研究意义，选题背景
2012.4-2012.5
分析数据，绘制图件，建立表格
12
完成论文的核心部分
2012.5-2012.6
递交论文，制作答辩多媒体
3
论文的后期总结性工作
2区域地质概况
2.1地理地质背景
松辽盆地是中国东北部以中生代为主的大型陆相沉积盆地，地跨黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古三省一区，总面积28.7×104km2。
地理位置在北纬42°25′-49°23′，东经119°40′-128°24′之间，长750km，宽330-370km，是一个大型的、呈北北东
向展布的菱形沉积盆地（图2-1）。
盆地周围为山脉和丘陵所环绕，东部为张广才岭，西邻大兴安岭，南接康平－法库丘陵地带，北与小兴安岭为界为界。
盆地内部是嫩江－松花江和辽河两大水系的大片平原和沼泽。
盆地内部几乎全被现
代沉积所覆盖，仅边缘和松花江沿岸见有古生代和前古生代的变质岩和火山岩。
盆地内部的新生代地层下面，广泛分布着白垩纪地层，中新生代沉积岩总厚度超出10000m，其中白垩纪最为发育，总厚度大于7000m。
图2-1松辽盆地区域地理位置及白垩纪地层分布范围图[21]
按照板块构造的特点，中国东北部及其邻区包括四个构造单元（图2-2）：
北部是北亚大陆区，由西西伯利亚地块和中西伯利亚地块组成；南部是中朝大陆区，由塔里木－中朝地块组成；中部是北亚陆间区，东部为环太平洋区。
松辽盆地位于陆间区的东部和环太平洋区北段的内带。
图2-2中国东北部及邻区板块构略图[22]
2.2区域构造特征
松辽盆地具有断、坳双层结构，晚侏罗世到早白垩世早期，在晚古生代基底上形成了克拉通内裂谷盆地，产生了北东向和近南北向展布的断陷盆地群，早白垩世晚期到新生代发育了大型坳陷盆地。
2.2.1盆地的基底构造特征
古生代西伯利亚板块与华北板块之间为宽阔的大洋，洋中散布着一系列孤立地块。
晚古生代陆间洋壳的俯冲消减，陆间块体的拼贴增生和大陆的对接缝合，形成了松辽盆地基底。
基底的演化控制了中、新生代盆地的形成和发展。
2.2.1.1莫霍面性质
根据地震和重力资料综合解释，松辽盆地的地壳厚度很薄：
下地壳厚7km，中地壳10~15km，上地壳10~13km；盆地中部下地壳和上地壳明显薄于盆地两侧，中地壳厚度在全盆地范围内变化不大[23]。
松辽盆地位于亚洲东部巨型上地幔隆起带的中段，盆地基底与莫霍面隆起呈镜像关系，整个盆地为莫霍面33km等深线所圈定，显然属于陆壳结构上的盆地（图2-3）。
依据板块构造的理论，陆内地壳减薄，与熔融的地幔物质上涌有关，热构造成穹作用导致盆地在张应力场的背景下，发生早期张烈，盆地开始下沉。
典型的克拉通内部盆地都有这样的特点。
从松辽盆地莫霍面等深图上可以看出：
隆起中心在北安、大庆、长岭一线，被32km等深线圈闭；31km等深线所圈定的范围相当于中央凹陷区，反映了深部构造与盖层构造的一致性和对浅部构造的控制作用；29km的两个隆起，与盆地深部的古龙凹陷和长岭凹陷相当；北北东向构造线最为清晰、完整，北西向和北东向构造线呈现断续的特点，这与盖层构造北北东向构造发育，北东向和北西向居次的特点一致。
松辽盆地中新生代沉积最厚地区在大安、黑帝庙一带，厚度达6000-10000m，沉积盖层与莫霍面隆起区也映。
图2-3松辽盆地莫霍面等值线图[24]
2.2.1.2基底断裂
根据地球物理、地质、卫星图片及钻井资料分析，松辽盆地基底和深层的断裂十分发育，有四组基底断裂系统：
北北东－北东向、北北西－北西向、近东西向和近南北向、，以北北东－北东向和北西向为主（图2-4）。
北北东－北东向断裂一般为高角度正断层。
大兴安岭东缘断裂和依兰－伊通断裂带控制着盆地西、东边界；嫩江断裂带、孙吴－双辽断裂带和哈尔滨－四平断裂带是盆地内三条规模较大的断裂带；每条断裂带又由多条北北东向、北东向次级断裂组成。
其中沿盆地延伸方向的孙吴－双辽断裂带切过盆地中部，延伸达20－40km以上，断距达2000-2900m，活动时间较长，对盆地的发生、发展起着十分重要的作用，使盆地基底形成两堑夹一垒的构造格局，造成盆地内沉积物东西分带的特点。
图2-4松辽盆地基底断裂分布图[24]
—嫩江断裂带；
—孙吴—双辽断裂带；
—哈尔滨—四平断裂带；
—加格达奇—鸡西断裂；
—讷河—绥化断裂；
—滨州断裂；
—扎赉特—吉林断裂；
—科右前旗—伊通断裂；
—突泉—四平断裂；
—扎鲁特—开原断裂；
—讷莫尔河断裂；
—哈拉图断裂；
—西拉木伦断裂；
—康平—通榆断裂
北北西－北西向断裂带从北往南包括加格达奇－鸡西断裂、讷河－绥化断裂、滨州断裂（龙江－哈尔滨断裂）、扎赉特－吉林断裂、科右前旗－伊通断裂等；近东西向的断裂为讷莫尔河断裂、哈拉木图断裂、西拉木伦断裂和赤峰－开源断裂；近南北向断裂有通榆－康平等断裂。
盆地的基底断裂是在古生代板块或地块演化过程中形成的缝合带或逆掩推覆断裂系的基础上，经过多次挤压、走滑、伸展等不同方式的构造活动改造而形成，主要断裂多为长期活动的继承性断陷，构造性质极为复杂。
根据基底断裂的地球物理特征、相互切割关系、形成机制和区域应力场分析，在时间上，近东西向和近南北向断裂形成最早，可能是晚元古代至古生代。
其次是北北东向和北东向断裂，形成于晚古生代至中生代早期，具有双重和多重继承性，与基底早期左行走滑剪切或逆掩推覆、后期伸展拆离作用有关。
北西向断裂略晚于北东向断裂，形成于左行剪切作用和伸展拆离过程中，多为走滑性质。
平面上北北东－北东向断裂常被北西向断裂错开，两者呈“X”形网状相交，切割盆地呈东西分带、南北分块。
2.2.1.3基岩性质和基底形成过程
根据盆地内钻遇基岩的探井和周边露头岩性标定的重磁资料预测的结果，基岩岩性以泥质板岩、千枚岩、结晶灰岩等浅变质岩为主，其次为片岩、片麻岩和中酸性花岗岩、闪长岩等侵入岩。
依据晚古生代的浅变质岩以黑色泥质板岩[25]、碳质板岩、硅质板岩、千枚岩和灰岩为主夹有少量变质火山岩、保6井中石炭－二叠纪蜓科化石、杜101井中腕足类化石，判断原岩沉积属于深海－半深海复理石建造。
说明石炭纪－早二叠纪松辽地区的大洋还没有完全闭合，仍存在残余海槽。
根据侵入岩同位素资料分析，基底侵入岩分为三期：
加里东期、海西期和印支末期－燕山早期，以海西
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