柴北缘大煤沟侏罗系泥质岩有机元素及碳同位素特征与古气候环境分析

李温帅，张小莉，冯 乔*，焦 科，陈 琰，邹开真，崔 涵

1.山东科技大学 地球科学与工程学院，青岛 266590；2.西北大学 地质学系/大陆动力学国家重点实验室，西安 710069；3.中国石油 青海油田分公司勘探开发研究院，敦煌 736202

1 前言

近年来，有机碳同位素δ13C等作为重要的环境指标被众多学者所应用和重视（沈吉等，1996；罗超等，2008；祖辅平等，2011；王毛兰等，2014）。20世纪60年代初，已有学者应用沉积物有机质δ13C解释古气候环境（余俊清等，2011）。Stuiver（1975）通过比对12个湖泊沉积剖面中的δ13C值，探讨了影响δ13C值变化的一些因素及其与末次冰期以来气候变化的关联。吴敬禄等（1996）认为有机质δ13C低值段对应暖期，δ13C值高对应于冷期。但Degens等（1969）在总结海洋沉积物中有机质δ13C时指出，高纬寒冷地区有机质的δ13C值较低，低纬温暖地区沉积物有机质具有较高的δ13C值。鲁静等（2014）通过对柴北缘大煤沟地区频谱研究与有机碳同位素组成分析认为，δ13C主要反映聚煤期湿暖和干热两种古气候特征。关于碳同位素存在的多解性及其组成影响因素众多，多数学者通过与有机元素等指标结合使用，共同指示δ13C记录的环境意义，这对于利用有机碳同位素恢复环境演化有积极意义。

柴北缘侏罗系的研究到现在已经有60多年的时间，对柴北缘侏罗系的认识不断丰富，多集中在对柴北缘侏罗系的层序分布、构造演化、盆地恢复、油气成藏等方面。随着对柴北缘侏罗系探勘工作的不断深入，发现煤和油气等资源的产出与古气候环境有着密切联系。而碳同位素δ13C作为古气候环境研究中的一项重要指标，可用来指示环境变迁。目前，国内外关于有机碳同位素研究多集中于现代不同类型植物碳同位素组成特征及其与温度、水分、降雨量等因素的关系，而利用元素含量的变化、同位素分馏、聚集与分布规律来判定古气候环境的研究较少。本文以柴北缘大煤沟地区为例，通过实地观察地质露头、资料整理、采集样品分析化验等，利用C/N、H/C以及δ13C在不同气候环境下的含量变化作为指标，详细分析了柴北缘大煤沟地区侏罗系的环境演化。

2 区域地质概况

大煤沟地区位于柴达木盆地北缘东部鱼卡—红山断陷的南翼，呈一短轴向斜盆地构造，侏罗系地层沉积序列连续，出露完整（图1）。柴达木盆地在中侏罗世时期为坳陷沉积期，在柴北缘形成以大煤沟为沉积中心，向达肯大坂山、绿梁山等四周超覆的沉积特征（鲁静等，2014；冯乔等，2019），主要发育一套河流—三角洲—湖泊沉积体系。

大煤沟地区地层按岩性组合自下而上分为下侏罗统小煤沟组，中侏罗统大煤沟组、采石岭组，上侏罗统红水沟组。下侏罗统小煤沟组主要发育深灰色砂岩、暗色泥页岩、灰红色泥岩，砂岩中发育交错层。中部灰黑色薄层状碳质页岩与泥岩互层，含有菱铁矿团块及小扁豆体。中侏罗统大煤沟组底部为一层灰色砾岩，发育黄绿色厚—巨厚层泥质粉砂岩夹砾岩，含砾粗砂岩、浅灰色细砂岩、深灰色页岩，中部为煤层。中侏罗统采石岭组主要为灰白色砂岩与黄红色泥质粉砂岩互层，局部夹含砾粗砂岩，与下伏中侏罗统为连续沉积。上侏罗统红水沟组主要发育浅黄绿色中砂岩、含砾粗砂岩，灰红色泥岩、浅灰红色粉砂质泥岩，其上与古近系渐新统—新近系中新统呈不整合接触关系。

3 剖面特征

大煤沟剖面出露于柴北缘东部大煤沟矿区（图2），侏罗系呈南东—北西向中等程度的单斜构造展布。沉积序列完整，沉积环境和地球化学研究程度低。根据沉积旋回，把中下侏罗统小煤沟组-大煤沟组自下而上划分为八个岩性段，其中小煤沟组包括1～4岩性段。特征如下：

小煤沟组一段（J1x1）：厚110.1 m。发育深灰色、深灰黑色泥岩、灰色中砂岩、灰色细砂岩、粉砂岩，夹有少量煤层。该时期发育曲流河和三角洲沉积体系。

小煤沟组二段（J1x2）：厚121.45 m。发育灰黑色油页岩、深灰色炭质泥岩、灰色细砂岩、浅灰白色中砂岩、深灰色粉砂岩，以及少部分深灰色页岩。沉积相由半深湖向滨浅湖过渡。

图1 柴北缘大煤沟地区侏罗系地质概况图Fig.1 Geological overview of the Jurassic strata in the Dameigou area of the North Qaidam Basin

小煤沟组三段（J1x3）：厚180.83 m。发育厚层的灰白色含砾粗砂岩、灰白色细砂岩，深灰色泥岩、炭质泥岩，灰色泥质粉砂岩、白色石英砂岩、浅灰色粉砂岩、深灰黑色页岩，夹有少量煤层。该阶段发育三角洲的反旋回沉积。

小煤沟组四段（J1x4）：厚168.52 m。发育灰黄色泥岩、灰红色页岩、灰白色粉砂质泥岩、细砂岩，灰色页岩、灰白色含砾细砂岩，沉积相主要为滨浅湖相。

大煤沟组包括5～8岩性段，其各段特征如下：

大煤沟组一段（J2d1）：厚285.4 m。以黄绿色粉砂岩、浅灰绿色粉砂岩、浅灰色细砂岩和部分含砾砂岩为主。该阶段主要为辫状河的河道、边滩沉积。

大煤沟组二段（J2d2）：厚100.25 m。主要发育较厚的煤层以及少许黑色碳质页岩。沉积相为辫状河沉积，河泛平原发育较广。

大煤沟组三段（J2d3）：厚154.95 m。发育浅灰色细砂岩夹黑色煤层、浅灰色泥岩、深灰色泥页岩、含少量灰白色中—粗砂岩。沉积相表现为滨浅湖与三角洲韵律发育。

大煤沟组四段（J2d4）：厚113.11 m。以深灰色页岩为主，夹粉砂质泥岩、浅灰色粉砂岩。大煤沟组发育的煤层为柴北缘地区重要的烃源岩层段。该段沉积相转为滨浅湖半深湖沉积。

采石岭组（J2c）：厚234.76 m。主要为棕黄色含细砾粗砂岩，浅紫红色粉砂质泥岩为主。与下伏大煤沟组接触关系为整合。沉积相主要表现为曲流河相。

红水沟组（J3h）：厚188.7 m。以紫红色、杂色砂泥岩为主要岩性，具有大套紫红色粉砂质泥岩与灰白色细砂岩互层，与下伏中侏罗统为连续沉积，其上与古近系渐新统—新近系中新统呈不整合接触关系。沉积体系由曲流河沉积转向滨浅湖相。

4 样品的采集与分析

对研究区样品的分析测试在中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室完成。对有机元素和有机碳同位素δ13C的测试，首先对采集的样品进行去无机碳处理，在粉末样品中加入5%的HCl多次搅拌，浸泡过夜除去无机碳酸盐后用中性去离子水清洗至中性(pH=7)，烘干得到干净样品。称取一定量的干净样品，分别用CE440型元素分析仪和稳定同位素PDF分析仪测定C、H、N及δ13C的含量。样品测试结果均相对于807PDB标准，分析误差小于5%。

图2 柴北缘大煤沟地区侏罗系岩性剖面图Fig.2 Cross-sections of the Jurassic strata in the Dameigou area of the North Qaidam Basin

5 结果与讨论

5.1 有机元素

据研究（成海燕等，2007），有机质热演化程度高会影响有机质类型划分的准确性，反之则影响甚微。为确保有效准确的指示古气候环境，在大煤沟剖面各层段均匀挑选14个样品进行岩石热解分析。结果显示，最大热解峰温变化范围在428～440℃之间，平均值为437℃，属于低成熟阶段，对本节讨论影响较小。

泥质岩中干酪根的C/N比和H/C比对古气候环境和干湿变迁具有特征性的指示意义（Philip，1994；吴敬禄等，1996；张成君等，2002；罗超等，2008）。其中C/N比小和H/C比高对应干旱气候期，相反则为湿润古气候环境。同时，C/N比也是蛋白质含量的指示剂，由于有机氮优先出现在植物的原蛋白和核酸中，低等植物如藻类的原蛋白含量在24%左右，远高于陆生高等植物的原蛋白含量为6%左右。因此，前者C/N比值较低，仅为5～12左右，而后者则恰恰相反，C/N比值一般大于15，发育繁盛时期可高达45以上。综上，利用C/N比值可以区分不同类型有机质，判断有机质来源（Redfield et al.，1963 ；La Zerte et al.，1983 ；Tiessen et al.，1984；葛晨东等，2007）。

在早侏罗世，小煤沟组前三段的C/N比均值在30以上，表明小煤沟组前中期有机质主要来源为陆生高等植物，并且发育繁盛。部分样品的C/N比在5～12之间，说明该时期还发育少量的低等植物。与C/N比均值正相反，H/C比值较低。虽有个别值偏高，但均值在2～5之间。气候表现为温湿特征。与前三段相比，小煤沟组四段有机元素截然不同，C/N比偏低，而H/C比趋高。推断该时期陆生高等植物发育稀少，有机质来源主要为低等植物，处于干热气候时期。到中侏罗大煤沟组C/N比整体偏高。在大煤沟组二段C/N比平均值接近于70，达到全剖面最高水平，说明此时陆生高等植物发育到鼎盛时期，有机质含量丰富。由表1可以看出，大煤沟组三段相较于前两段C/N比出现明显的降低，H/C比则反之，表明陆生高等植物发育逐渐趋向减少。大煤沟组四段C/N比趋高，平均值在30以上。此段出现的低值主要在沉积后期，推测陆生高等植物的发育受到限制，H/C比有个别值可达到50，总体偏小。表明该时期低等植物部分发育，有机质贡献较弱。采石岭组J2c和红水沟组J3h有机元素变化相似。C/N比在经历了大煤沟组四段的高值后发生了显著的降低，H/C比则是急剧上升，达到了整个剖面的最高值。可以推测在这段时期气候环境发生了剧烈变化。

通过对大煤沟剖面所采集样品的有机元素分析了解到，在小煤沟组一段、二段、三段和大煤沟组时期，C/N比一直处于高值，表明陆生高等植物占据绝对优势。H/C比在小煤沟组四段、采石岭组和红水沟组表现出极高值，说明低等菌藻类植物的发育繁盛，气候变得炎热干燥。H/C比在大煤沟组一段有个别值极高，可能由于采样过程或分析测试过程出现差异，所在分析过程中为避免异常，可忽略其影响。大煤沟组三段H/C比有明显的一小段高峰值，表明低等植物不断增多，气候稍干。

5.2 有机碳同位素

有机碳同位素δ13C主要取决于有机质来源，受热演化作用的影响较小（曾艳涛等，2006）。因此，本文关于有机碳同位素的讨论可忽略此影响。在早期研究中（Weeks，1948；张恩楼等，2000；张成君等，2000；张慧娟等，2017），有机碳同位素δ13C是研究古气候环境变化的重要指标。根据沉积物有机质来源以及所处地域的不同，有机碳同位素δ13C的古气候指示意义也不尽相同。

多数学者利用δ13C对平原地区研究较多（沈吉等，1996；余俊清等，2011；祖辅平等，2011；王毛兰等，2014），得出结论：当有机质来源以外源陆生高等植物输入为主，δ13C在暖期偏轻，有机质来源以内源低等菌藻类植物输入为主，δ13C在冷期偏轻。然而吴敬禄等（1996）通过对青藏高原地区若尔盖盆地钻孔进行有机碳同位素分析，认为δ13C值低对应气候暖期，反之则冷。这与国外学者Lerman的结论相近，故此认为高原地区解释机制与平原不同。研究区地理位置处于高原地带，可以沿用高原地区的解释机制。

表1 大煤沟侏罗系泥质岩有机元素比值及碳同位素分析表Table 1 Organic element ratios and carbon isotopic compositions of the Jurassic argillaceous rocks in the Dameigou

由表1数据可看出，大煤沟剖面δ13C值的波动变化范围在-29.93‰～ -21.05‰，平均值为-24.43‰，属于有机碳同位素的正常分布范围。其中有机碳同位素δ13C在小煤沟组四段、采石岭组和红水沟组的平均值相近，趋向于负值，在-26‰左右。通过有机元素分析了解，这三段时期有机质来源多为低等菌藻类植物，气候应为干热特征。小煤沟组一段和大煤沟组前三段有机碳同位素δ13C平均值偏高，变化范围在-23.15‰～-22.67‰。该阶段陆生高等植物发育广泛，处于温湿气候时期。通过对小煤沟组二段和大煤沟组四段采集的样品进行分析测验，有机碳同位素δ13C平均值维持在-25‰左右。与小煤沟组一段相比，δ13C平均值相差-2‰，整体偏轻，推测此时由于陆生高等植物发育繁盛，气候变温暖时，生物量的增加导致有机碳含量变大，水体中碳酸氢根离子发生分解减少，进而使有机碳同位素δ13C趋向负值（苗忠英等，2014）。

通过上述讨论，有机碳同位素δ13C的低值出现在小煤沟组四段和采石岭组以及红水沟组，对应气候干旱炎热。大煤沟组四段δ13C偏轻，表明气候特征为温暖偏干旱。其它层段有机碳同位素δ13C整体上保持偏重，气候多为温湿气候。

5.3 古气候环境演化

由表1看出C/N比值差异较大，为了更清晰的展示C/N曲线，方便讨论，对该数据统一取对数，如图3所示。综合柴北缘大煤沟剖面有机元素及有机碳同位素的变化特征和环境指示意义，将研究区侏罗系古气候变迁划分为两个阶段进行探讨。

阶段1为早侏罗统小煤沟组时期（J1x1-J1x4）：整体上，C/N比和δ13C变化曲线呈逐步下降的趋势，上下波动起伏较多。相反，H/C比在小煤沟组四段迅速攀升，与C/N比表现出明显的负相关关系。C/N比平均值变化范围从58.79降到11.17。δ13C基本保持在-25以上。由前面讨论可知，陆生高等植物在小煤沟组沉积前期发育广泛，到沉积后期，低等植物逐渐占据优势。表明小煤沟组时期气温逐渐上升，气候由温湿逐渐转为干热。

阶段2为中—晚侏罗统大煤沟组—红水沟组时期（J2d1- J3h）：图3中，该阶段有机元素C/N比与H/C比负相关性十分清晰，C/N比在经历了一段时间的高值后急剧下降，而H/C比正相反。说明沉积前期气候整体表现为温湿特征，随着气温不断升高，陆生高等植物在经历鼎盛发育之后逐渐衰落，大煤沟组四段开始，气候由温湿向干热转变。有机碳同位素δ13C同C/N比变化趋势相近，波动剧烈时期同样发生在大煤沟组四段沉积后期，指示气候后期偏干。

图3 研究区δ13 C、C/N、H/C分布变化曲线（图例同图2）Fig.3 Diagram showing the variation of δ13C, C/N and H/C values of the Jurassic strata in the study area

综上所述，通过有机元素与有机碳同位素δ13C参数组成的地球化学剖面中，有机元素C/N比与H/C比呈现良好的负相关性，有机碳同位素δ13C与C/N比变化趋势十分相似，所指示的气候环境差异较小。二者共同反映了柴北缘大煤沟地区古气候波动演化特点：在早侏罗统小煤沟组时期古气候特征为温湿—干热，自中侏罗统晚期古气候开始从温湿向干热演化。这与前人研究成果中关于西北地区中—晚侏罗世“干热化事件”相吻合（符俊辉等，1999；胡俊杰等，2017）。

本文运用多种地球化学方法恢复了大煤沟地区侏罗系的古气候特征，并首次系统完整的建立了大煤沟侏罗系的环境演化序列。该序列为柴北缘地区环境演化提供了新的证据，也为其他地区的侏罗系古气候对比研究提供了新的材料。

6 结论

本文通过对柴北缘侏罗系大煤沟剖面泥质岩中干酪根的有机元素和有机碳同位素进行分析，揭示了柴北缘侏罗系大煤沟地区的古气候环境演化变迁特点，并得出以下认识。

（1）大煤沟地区泥质岩中干酪根C/N比和有机碳同位素δ13C变化趋势相近，与H/C比则呈现良好的负相关性。

（2）柴北缘侏罗系时期大煤沟地区泥质岩中干酪根C/N比多大于15。表明有机质来源主要以陆生高等植物为主。自中侏罗统晚期，陆生高等植物开始不断减少。

（3）大煤沟地区古气候表现为两个旋回。在早侏罗统小煤沟组时期古气候特征为温湿—干热，自中侏罗统晚期古气候开始从温湿向干热演化。