高级搜索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

科研快讯 鄂尔多斯盆地岩心中的晚三叠世天文旋回记录

发布日期: 2023-05-11 阅读次数:
  • 分享到:

用微信扫码二维码

分享至好友和朋友圈


李 阳 杨仁超

1  引言

三叠纪是鄂尔多斯盆地陆相湖泊形成与演化的关键时期,对盆地三叠纪地质年代的精准标定,有助于认识其区域构造演化、古气候背景以及地球动力学机制等重大问题。近年来天文年代学的发展为地质定年提供了一种新的方法,基于米兰科维奇旋回理论,通过对旋回地层进行时间序列分析和天文调谐,可建立高分辨率天文年代标尺,其高达千年尺度的精度远超其他传统的地质定年方法,突破了传统的地质定年方法的瓶颈,被称为“地层学解读时间的第三里程碑”(汪品先,2006;龚一鸣等,2008)。经过天文校准的地质年代几乎覆盖了全部新生代及75%的中生代,然而三叠纪的天文年代标尺尚未完全建立(黄春菊,2004)。目前,天文年代标尺正在朝着“深时”方向发展,而三叠纪是首先需要突破的关键节点之一,已成为多项国际重大地质研究计划和科学钻探的研究重点。

图1 鄂尔多斯盆地及延长组地层特征 (图源:Li and Yang, 2023)

(A) 鄂尔多斯盆地位置及构造单元;(B) 延长组地层特征


图2 N36井长7油层组岩性特征及采集的GR、Fe及Al数据特征 (图源:Li and Yang, 2023)

 

鄂尔多斯盆地是位于中国中部的大型克拉通盆地(图1A),其总面积约25×104 km2,地层岩性具有多旋回的特征。根据现今的盆地构造,可划分为北部的伊盟隆起、南部的渭北隆起、东部的晋西挠褶带、西部的西缘冲断带和天环坳陷以及中部的伊陕斜坡(Li et al., 2021)。三叠系延长组是盆地内主要的含油气层之一,其厚度约为1000 m,在其沉积时期湖平面经历了多个升降旋回,形成了湖泊相、三角洲相及河流相(Zhang et al., 2021)。延长组可划分为10个油层组,从上至下依次为长1至长10油层组(图1B)。其中,在长7油层组沉积时期的稳定深水环境下,形成了泥岩、页岩、砂岩和少量凝灰岩等交替的岩性旋回,且该时期的地层并未出现明显的沉积间断,可作为米兰科维奇旋回分析的理想素材。为建立长7油层组的天文年代标尺,本研究采集了盆地南部N36井长7油层组底部分界的凝灰岩、中部的砂岩和顶部分界的砂岩样品,进行锆石U-Pb同位素测年分析,并使用自然伽马分析仪及手持式XRF分析仪,以5 cm等间距对自然伽马(GR)、铁(Fe)含量及铝(Al)含量数据进行采集,用以后续的时间序列分析。 

2  N36井岩心特征

N36井位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡南部(图1A),其长7油层组的取心率为100 %,长度为103.85 m(1592.38-1696.22 m),从下至上分为长73、长72和长71等3个亚油层组(图2)。长73亚油层组(1656.95-1696.22 m)以发育黑色页岩、黑色泥岩及灰黑色泥质粉砂岩为主,其下部的富有机质页岩以高GR值为特征,被命名为“张家滩页岩”(Zhang et al., 2019),底部发育的薄层凝灰岩层可作为其与长8油层组的分界。长72亚油层组(1618.11-1656.95 m)的砂质含量明显增多,主要由灰色及深灰色泥质粉砂岩及粉砂岩组成,夹少量黑色页岩。长71亚油层组(1592.38-1618.11 m)主要由灰色泥质粉砂岩及深灰色泥岩组成,含少量灰色粉砂岩及灰黑色粉砂质泥岩。

长7油层组的Fe含量在0.1至7.0 wt %之间(图2),其中位于长73亚油层组底部的“张家滩页岩”铁含量最高,并向上逐渐降低,长72亚油层组的Fe含量相对较低且稳定,长71亚油层组的铁含量呈逐渐增加的趋势。长7油层组的Al含量在0%到6 wt %之间剧烈波动,其中“张家滩页岩”的Al平均含量相对较低(图2)。 

3  样品锆石同位素分析

针对N36井长7油层组钻井岩心,本研究采集了三件样品(N-1至N-3)并使用LA-ICP-MS法进行锆石U-Pb同位素定年分析。

样品N-1为长7油层组底部分界的凝灰岩,样品的锆石阴极发光照片显示(图3A),其锆石具有岩浆生长振荡环带和韵律结构,粒径在50-200 μm左右,且磨圆度很差,棱角分明,说明未经长距离搬运。30颗锆石年龄分析的调谐度都在90%以上,206Pb/238U年龄范围在226-258 Ma左右,加权平均值为239.1±1.4 Ma (MSWD=1.3),说明长7油层组的底界年龄在239 Ma左右。

样品N-2为长73与长72分界处的砂岩,在样品中挑选了100颗锆石进行分析。锆石阴极发光照片显示(图3B),其粒径在30-200 μm左右且磨圆度较好。其中有14颗锆石的年龄调谐度低于90%,因此只选择调谐度大于90%的86颗锆石进行分析,并通过Isoplot 4.15软件(Darby and Gehrels, 2006)计算出N-2样品的最年轻碎屑锆石年龄为233.67+7.2-5.6 Ma(置信度为95%)。

样品N-3为长7油层组与长6油层组分界处砂岩,从样品中挑选了100颗锆石进行分析,其锆石粒径在20-200 μm左右(图3C),磨圆度较好。其中有12颗锆石年龄的调谐度低于90%,只选择调谐度大于90%的88颗锆石进行分析,通过 Isoplot 4.15软件计算出N-3样品的最年轻碎屑锆石年龄为228.33+5.0-7.2 Ma(置信度为95%)。

图3 三件样品的锆石阴极发光照片及测点位置和年龄 (Ma) (图源:Li and Yang, 2023)

(A) 凝灰岩样品N-1; (B)砂岩样品N-2; (C)砂岩样品N-3 

4  时间序列分析

依据上述对长7油层组的样品锆石U-Pb同位素测年分析结果,其沉积年龄约在228-239 Ma之间,据此可根据La2004地球轨道理论公式(Laskar et al., 2004),计算出该地质时期的理论长偏心率(E)为405 kyr,短偏心(e)率为124 kyr和95 kyr,斜率(O)为33 kyr,岁差(P)为21 kyr和17 kyr,各天文周期间的比例约为20:5:2:1。在对采集的GR、Fe及Al含量数据进行去除异常值、插值、去趋势化及预白化处理后,进行多窗频谱分析(MTM频谱分析)及动态频谱分析(EHA频谱分析)(图4)。

图4 对不同数据进行的MTM分析和EHA分析 (图源:Li and Yang, 2023)

(A) GR数据的MTM分析和EHA分析;(B) Fe含量数据的MTM分析和EHA分析;(C) Al含量数据的MTM分析和EHA分析


GR数据的MTM频谱分析显示有波长(横坐标的倒数)为4.78 m,1.62 m,1.22 m,0.47 m,0.26 m及0.22 m的波峰,并且这些波峰的置信度都在90%以上(图4A),它们的比值大约为20:5:2:1,符合上述计算得出的理论天文周期的比例,即4.78 m波长对应于长偏心率(E),1.62 m和1.22 m波长对应于短偏心率(e),0.47 m波长对应于斜率(O),0.26 m和0.22 m波长对应于岁差(P)。同样,在Fe及Al含量数据的频谱图中,也可识别出符合晚三叠世米兰科维奇旋回比例的波峰,且置信度都在90%以上(图4 B, C)。通过MTM频谱分析结果可知,在GR、Fe及Al含量数据中识别的米兰科维奇旋回周期虽没有完全一致,但具有较高的相似性,这些差异是由于不同类型的数据对气候变化具有不同的敏感度导致的。

通过对各数据的EHA分析发现,405 kyr长偏心率(E)周期的连续性在所有图谱上都最好,而斜率(O)和岁差(P)信号的连续性则相对较差(图4),说明405 kyr长偏心率在这一沉积时期中占主导作用。长偏心率是由于木星与地球的引力作用导致,由于木星巨大的质量,其强大的引力使得长偏心率周期在过去的250 Ma中变化很小(Lantink et al., 2009)。因此,可通过将各数据中滤波提取的长偏心率周期曲线调谐到理论长偏心率曲线,将原来深度域数据转换到时间域。对时间域的数据再次进行MTM频谱分析,仍可识别出理论天文周期,说明上述解释的天文周期信号是准确的。 

5  建立天文年代标尺

以长7油层组三件样品的锆石年龄分析结果为基础,结合GR、Fe及Al含量数据调谐为时间域的分析结果,即可建立三个长7油层组的绝对天文标尺(图5),并且三者相互印证,确保结果的可靠性。

图5 依据不同数据建立的天文年代标尺 (图中黑色字体显示的年龄是通过时间域数据计算的结果, 红色颜字体显示的年龄是通过锆石U-Pb测年确定的结果) (图源:Li and Yang, 2023)

(A) 依据自然伽马数据; (B) 依据Fe含量数据; (C) 依据Al含量数据

 

在GR数据中,可提取出约23个长偏心率周期旋回(图5A),调谐为时间域的数据中可计算出长7油层组的持续时间约为9 Ma。以底部N-1凝灰岩样品的锆石年龄分析结果为锚点(239 Ma),计算出长73/长72、长72/长71和长7油层组与长6油层组的分界处年龄分别为235.5 Ma、231.7 Ma以及229.4 Ma。其中长73/长72和长7油层组与长6油层组的分界年龄分别与N-2样品和N-3样品计算的最年轻锆石年龄相近,结果都在误差范围内。即通过GR数据建立的天文年代标尺显示,长7油层组的沉积年龄约为239-229.4 Ma。同理依据Fe含量数据及Al含量数据建立了天文年代标尺,分别显示沉积年龄为239-229.6 Ma及239-229.5 Ma(图5B, C)。通过三种数据建立的高分辨率天文年代格架与锆石同位素年代分析的结果具有高度一致性,且三个天文年代标尺结果高度一致,因此长7油层组的沉积时间可以限定在229-239 Ma左右,属晚三叠世拉丁阶和卡尼阶。 

6  建立天文年代标尺的意义

鄂尔多斯盆地延长组沉积时期受到了印支运动的影响(邓秀芹等,2013)。印支运动可划分为三期,分别为印支Ⅰ期运动(230-238 Ma)、印支Ⅱ期运动(210-224 Ma)及Ⅲ期运动(198-206Ma)。通过本研究建立的天文年代标尺发现,印支运动Ⅰ期的开始及结束时间几乎对应长7油层组的底界年龄及顶界年龄。即印支运动发生在长7油层组最初期,使沉积环境发生了突变,湖盆水体快速变深,沉积了大段泥页岩,并且Ⅰ期印支运动贯穿了约整个长7油层组,这可能是导致凝灰岩及震积岩含量比其他油层组高的原因。

晚三叠世卡尼期全球发生了一次气候突变事件,此时全球降雨量突然增高,地球温度升高,气候变得温热湿润,称之为“卡尼期梅雨事件”(简称CPE事件)(赵向东等,2019)。CPE事件约出现在232.0 Ma 或233.5 Ma左右,持续时间约为1 Ma。其相关的研究逐渐成为地学研究的热点和前沿,但目前有关CPE事件的研究主要集中于海相沉积盆地,陆相盆地的相关研究案例较少。通过本研究建立的鄂尔多斯盆地三叠世天文年代标尺,认为长7油层组属拉丁阶及卡尼阶,可完全覆盖CPE事件,因此长7油层组可以作为研究CPE事件的理想对象。且鄂尔多斯盆地属陆相盆地,这将有助于对比研究陆相与海相盆地在CPE事件中的响应差异,对研究三叠纪气候具有重要意义。

 

本文相关成果已发表在期刊《Sedimentology》,第一作者系山东科技大学李阳博士,第二作者兼通讯作者为杨仁超教授。相关问题交流可通过邮箱yang100808@126.com与本人联系。

 

主要参考文献

[1]  Darby B J, Gehrels G. Detrital zircon reference for the North China block[J]. Journal of Asian Earth Science, 2006, 26: 637-648.

[2]  Lantink M L, Davies J H F L, Mason P R D, et al. Climate control on banded iron formations linked to orbital eccentricity [J]. Climate Control, 2019, 12: 369-374.

[3]  Laskar J, Robutel P, Joutel F, et al. A long-term numerical solution for the insolation quantities of the Earth[J]. Astronomy and Astrophysics, 2004, 428: 261-285.

[4]  Li Y, Fan A P, Yang R C, et al. Sedimentary facies control on sandstone reservoir properties: A case study from the Permian Shanxi Formation in the southern Ordos basin, central China[J]. Marine and Petroleum Geology, 2021, 129: 105083.

[5]  Li Y, Yang R C. Astronomical calibration of a ten-million-year Triassic lacustrine record in the Ordos Basin, North China [J]. Sedimentology, 2023, 70(2): 407-433.

[6]  Zhang K, Liu R, Liu Z J. Sedimentary sequence evolution and organic matter accumulation characteristics of the Chang 8–Chang 7 members in the Upper Triassic Yanchang Formation, southwest Ordos Basin, central China[J]. Journal of Petroleum Science And Engineering, 2021, 196: 107751.

[7]  Zhang R, Jin Z J, Liu Q Y, et al. Astronomical constraints on deposition of the Middle Triassic Chang 7 lacustrine shales in the Ordos Basin, central China[J]. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2019, 528: 87-98.

[8]  邓秀芹, 罗安湘, 张忠义, 等. 秦岭造山带与鄂尔多斯盆地印支期构造事件年代学对比[J]. 沉积学报, 2013, 31(6): 939-953.

[9]  龚一鸣, 杜远生, 童金南, 等. 旋回地层学: 地层学解读时间的第三里程碑[J]. 地球科学(中国地质大学学报), 2008, 33(4): 443-457.

[10] 黄春菊. 旋回地层学和天文年代学及其在中生代的研究现状[J]. 地学前缘, 2014, 21(2): 48-66.

[11] 汪品先. 地质计时的天文“钟摆”[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2006(1): 1-7.

[12] 赵向东, 薛乃华, 王博, 等. 三叠纪卡尼期湿润幕事件研究进展[J]. 地层学杂志, 2019, 43(3):   306-314.

  • 分享到:

用微信扫码二维码

分享至好友和朋友圈

发布日期: 2023-05-11 阅读次数:
x 关闭 永久关闭