渤海湾盆地中始新世发育多套湖相烃源岩层系

千年至年际尺度的事件对于地球气候系统变化具有重要的驱动作用，但受到保存条件及地层分辨率的限制，多数研究集中在第四纪，前第四纪研究较少。渤海湾盆地中始新世发育多套湖相烃源岩层系，具有保存年纹层记录的基本条件，同时湖相沉积具有高的连续性和分辨率，使其成为探讨千年至年际尺度气候波动的理想场所。

针对以上问题，中国地质大学（北京）青年教师石巨业、北京大学地空学院金之钧院士和中国石化石油勘探开发研究院刘全有教授等对渤海湾盆地中始新世沙河街组烃源岩开展纹层级别旋回地层学研究，在渤海湾盆地济阳坳陷牛页1井发现典型的太阳活动周期及年际纹层沉积记录。

在渤海湾盆地中始新世页岩纹层实例中，从米级元素含量尺度、厘米-毫米级岩心扫描尺度和毫米-微米级薄片扫描三个尺度上，验证了明暗相间的纹层一直呈现较为稳定的韵律性交替，推测其形成不太可能是环境中随机因素作用的结果，更可能受到了较稳定的周期性因素影响。研究区为深湖相沉积记录，可以排除潮汐作用及日纹层记录。此外，其他时间尺度（如季度、月级、天级）的解释与沙河街组平均沉积速率存在数量级上的差异太阳活动周期，从目前研究结果来看，每一个纹层对更像是一种年际记录形成的季节性纹层。通过纹层级别旋回地层学研究，把沙河街组黑色页岩中11.7-19.6 mm、3.7-4.95 mm和1.69-2.21 mm厚度旋回分别解释成80-90年太阳黑子世纪周期（Gleissberg cycles），22年太阳黑子磁周期（Hale cycles）和11年太阳黑子活动周期（Schwabe sunspot cycles）（图1）。

图1 渤海湾盆地牛页1井3464.83-3465.23 m灰度序列纹层级旋回地层学分析。(A)牛页1井3464.83-3465.23 m岩心的灰度值；(B)岩心薄片扫描照片太阳活动周期，根据纹层特征划分LC1-LC8八个纹层组；(C) 60 mm滑动窗口灰度曲线频谱分析和演化谐波分析图，G、H和S分别代表Gleissberg、Hale和Schwabe太阳周期

研究发现渤海湾盆地中始新世年际纹层是由平均厚度189µm的亮色和暗色纹层组成，亮色纹层元素组成以Ca为主（图2），为纯净的方解石，表面较为干净，仅在方解石边缘见少量粘土矿物及细小石英碎屑颗粒。亮色纹层主要是在夏季形成，夏季水温较高，日照与光合作用增强，钙藻勃发（如颗石藻）诱导碳酸盐沉淀，形成了细粒泥晶方解石为主的亮色纹层。暗色纹层元素组成以Si、Al、Fe、K等为主，是粘土矿物、石英碎屑和有机质的混合（图2）。暗色纹层主要是在冬季形成，冬季水温下降，钙藻的缺乏为陆源碎屑沉积留下了空间，浮游藻类死亡后的生物碎片向湖底缓慢沉积，与湖底的粘土共同沉积成为暗色纹层。

图2牛页1井岩心薄片扫描电镜和线扫描结果。(A)薄片扫描照片；(B)第4和第5片纹层对的扫描电镜和线扫描结果，左边的黑色条纹是暗纹数，右边的蓝色条纹是亮纹编号。

太阳周期性活动引起辐射量的变化经过某种放大机制导致地球气候的改变，从而影响了湖相纹层的沉积过程。纹层对厚度变化的周期性可能是由太阳活动引起的，纹层对中亮色纹层主导了年纹层的厚度，但是在11年响应周期上是暗色纹层的突然加厚导致岩心尺度上约2.15 mm的韵律（图3）。最终本文尝试探讨太阳黑子周期的沉积响应机制，在太阳活动极小期（即低太阳黑子数），太阳磁场降低，更多的星系宇宙射线（GCRs）进入地球大气层，使得低空云量增加而最终导致一年内更多的大气降水和更低的温度，由此产生突然变厚的暗色纹层。暗色纹层厚度的急剧增加使得该组纹层对厚度增加，形成每11年纹层对厚度“厚-薄-厚”变化的韵律，与11年太阳黑子周期的观测规律相一致。

图3 牛页1井11年太阳黑子周期的扫描电镜与µ-XRF分析结果图

结论：（1）通过多尺度旋回相互验证，证实中国渤海湾盆地中始新世黑色页岩存在年际纹层，平均厚度为189µm，同时发现了80-90年，22年，11年太阳活动周期。（2）亮色纹层以Ca元素为主，为纯净的方解石，是夏季形成。暗色纹层以Si、Al、Fe、K等元素为主，是粘土矿物、石英碎屑和有机质的混合，为冬季形成。（3）沙河街组黑色页岩中2.15mm韵律为11年太阳黑子周期，每11年发育一层较厚的暗色纹层是由于太阳活动和地球气候的耦合作用在十年尺度上影响了气温和降水的结果。

相关研究成果发表于国际权威学术期刊Global and Planetary Change上，该研究得到了国家自然科学基金、中科院先导项目的资助。详情请参考：Shi J., Jin Z., Liu Q., Fan T., Gao Z., Sunspot cycles recorded in Eocene lacustrine fine-grained sedimentary rocks in the Bohai Bay Basin, eastern China, Global and Planetary Change,103614.

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