上天、入地、下海是人类探索自然的三大壮举[1],其中科学钻探是入地的重要手段,被称为伸入地球内部的“望远镜”。获取全球环境与气候变化记录是世界科学钻探发展的必然趋势。白垩纪作为地质历史时期“温室气候”的典型范例时期,提供了温室气候条件下地球气候系统运作和变化的良好档案。目前国际上针对白垩纪地层的科学钻探主要限于海相地层,我国在松辽盆地北部完钻的松科1井填补了国际上对陆相白垩系的科学钻探空白,获取岩心长2485.89m,收获率达96.46%,是目前为止所获取的国际上第一条最长而且连续的白垩系陆相沉积记录[2]。本项研究依托于松科1井青山口组相对完整的探井剖面,开展了系统的综合地层学研究,为解决盆地内地层划分及其地质时代归属问题提供了依据。
1 区域地质概况
松辽盆地是白垩纪亚洲古陆上最大的内陆湖盆[3],也是研究陆相地层对白垩纪重大地质事件和全球气候变化响应的关键地区[4]。晚白垩世青山口组是松辽盆地第一次大规模湖侵作用的产物,盆地内广泛分布巨厚层的富含有机碳的黑色泥岩、页岩,构成了这一时期独具特色的沉积建造,是大庆油田最重要的烃源岩。
2006年在松辽盆地北部实施的第一口陆相白垩纪科学钻探全取心工程井——松科1井,是继东海科钻一井、青海湖环境科钻井之后,在我国大陆上实施的第三口重大科学钻探井。其“一井双孔”(由松科1井南孔即茂206井和松科1井北孔构成)的施工方案,以钢铁标志层的嫩二段底部油页岩在全盆地具有可对比性作为两孔衔接的纽带,充分利用了大庆油田近半个世纪油气勘探的基础资料,开展古气候重建、重大地质事件和陆相沉积响应、陆相大规模烃源岩形成、陆地生物群更替、温室气候状态下快速气候变化等五大科学研究问题,为建设百年大庆提供了新的科学支撑。
2 茂206井青山口组地层剖面
茂206井位于松辽盆地中央坳陷区古龙凹陷敖南鼻状构造,地理位置为黑龙江省大庆市肇源县超等乡窝拉泉村西北1.0km (图1)。青山口组全取心井段为1285.91~1782.93m,累计取心长度为497.02m,取心收获率为100%。
图1松辽盆地坳陷期构造地层单元分区及研究井位分布示意图
Fig.1 Tectonic division of the Songliao basin and location of the study wells
茂206井青山口组剖面自上而下分层描述如下:
姚家组:绿灰色泥岩、粉砂质泥岩夹浅灰色粉砂岩。
―――――整合接触―――――
青山口组(1285.91~1782.93m,厚497.02m)
(9)灰绿色、紫红色泥岩、粉砂质泥岩夹浅灰色粉砂岩和少量介形类碎屑岩条带 13.20m
(8)灰色、深灰色泥岩夹大量介形类碎屑岩条带,见丰富的介形类化石和少量叶肢介化石 56.54m
(7)深灰色、绿灰色泥岩夹大量介形类碎屑岩条带,见丰富的介形类化石和少量叶肢介、双壳类化石 127.90m
(6)黑灰、深灰色泥岩夹少量浅灰色钙质粉砂岩和介形类碎屑岩条带,见较丰富的介形类和叶肢介化石 137.92m
(5)深灰色、黑灰色泥岩夹大量极薄层浅灰色白云岩及少量钙质粉砂岩和介形类碎屑岩条带,在距底109.83m处见1层厚约0.5cm的火山灰夹层,见少量介形类化石和叶肢介化石,介形类化石局部富集成层 80.05m
(4)黑灰色、灰黑色泥岩夹少量浅灰色薄层白云岩和钙质粉砂岩条带,在距底77.13m处见1层厚约0.5cm的火山灰夹层,偶见生物化石碎片和遗迹化石 15.75m
(3)黑灰色、灰黑色泥岩夹大量浅灰色薄层白云岩,局部见介形类化石富集 39.23m
(2)黑灰色、灰黑色泥岩夹浅灰色薄层白云岩及褐黑色油页岩,偶见介形类化石 14.0m
(1)黑灰色、灰黑色泥岩夹浅灰色薄层白云岩及少量浅灰色钙质粉砂岩,在距底2.83m处见1层厚约1.5cm的火山灰夹层,偶见介形类化石 12.43m
―――――整合接触―――――
泉头组:浅灰色钙质粉砂岩夹灰色泥岩
3岩石地层学特征
茂206井青山口组下部为深灰色、黑灰色泥岩夹褐黑色油页岩及浅灰色白云岩,中部为深灰色、灰色泥岩夹浅灰色白云岩及介形类碎屑岩条带,上部为深灰色、浅灰色、绿灰色泥岩夹介形类碎屑岩条带,顶部为紫红色、绿灰色泥岩夹浅灰色粉砂岩。青山口组中、下部发育的巨厚层深灰色、黑灰色泥岩,尤其是其底部10~30m区域的黑色泥岩夹三组黑褐色油页岩,在盆地中央坳陷区分布非常稳定,是盆地内地层划分对比的一级标志层。
茂206井青山口组与下伏泉头组以及上覆姚家组岩石地层界线清晰。泉头组顶部为浅灰色薄层钙质粉砂岩夹灰色泥岩,泥岩多不纯,含砂,易碎;至青山口组底部,泥岩相变为黑灰色、灰黑色,泥岩质地较纯,且多为水平层理。茂206井青山口组顶部为灰绿色、紫红色泥岩及粉砂质泥岩夹浅灰色粉砂岩,块状构造;其上姚家组底部的岩性为绿灰色泥岩、粉砂质泥岩夹浅灰色粉砂岩薄层,发育滑塌变形构造、包卷层理等。
尤其值得一提的是,本次研究在茂206井青山口组湖相暗色泥岩中发现3层灰白色斑脱岩(火山灰)薄夹层,分别出现于青一段的1780.1m、1705.8m和青二、三段的1673.1m处。经过中科院地质与地球物理研究所离子探针实验室测试,获得3层火山灰锆石U-Pb同位素谐和年龄值,分别为91.35±0.48Ma、90.05±0.56Ma和90.4±0.44Ma。火山灰锆石U-Pb同位素定年结果表明,青山口组底界对应于海相Turonian期。
4生物地层学特征
茂206井青山口组发育丰富的介形类、叶肢介、沟鞭藻和孢粉等化石。青山口组底部以Triangulicypris torsuosus初始出现并迅速大量繁盛为显著特征,其后出现Cypridea dekhoinensis, C. adumbrate, C. vicina, C. panda, Limnocypridea copiosa, L. bucerusa, L. inflata等重要介形类带化石[5]。叶肢介化石主要出现于青山口组中、上部,主要分子有Nemestheria lineata, N. qingshankouensis, N. robusta, N. jiutaiensis, N. furcata, Jilinestheria nonganensis, J. qianguoqiensis, J. insculpta, Orthestheria bayanensis, Cratostracus merus等[6]。值得一提的是,茂206井青二、三段发现以丰富的收缩式囊孢口堪斯藻和丰富的贴近式囊孢拟裸藻为主的沟鞭藻化石,并发现一新种窝头拟沟鞭藻。介形类、藻类等湖生微体生物的极度繁盛,成为松辽盆地主力烃源岩层有机质的主要贡献者。此外,青山口组出现如Borealipollis,Plicapollis,Complexiopollis等具有重要地质时代意义的正型类被子植物花粉化石。一般认为,正型粉类被子植物花粉出现于晚白垩世Cenomanian晚期[7]。Complexiopollis是一种口器和壁层都较复杂的正型粉类,它的出现代表了晚白垩世 Turonian期以后的被子植物花粉色彩,这从另一方面暗示了青山口组底界已经进入晚白垩世Turonian期。