白华青, 旷红伟, 柳永清, 吴峰. (2021). 德国北部盆地晚侏罗世沉积环境及古气候分析* [J]. 古地理学报, 23(2): 405-420.
Bai Hua-Qing, Kuang Hong-Wei, Liu Yong-Qing, Wu Feng. (2021). Sedimentary environments and palaeoclimate of the upper Jurassic deposits in the North German Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 23(2): 405-420.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2021.02.017
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德国北部盆地晚侏罗世沉积环境及古气候分析*
白华青1, 旷红伟1, 柳永清1, 吴峰2
1中国地质科学院地质研究所,北京 100037
2河海大学海洋学院,江苏南京 210098

第一作者简介 白华青,女,1985年生,博士后,主要从事沉积学研究。E-mail: huaqing.bai@outlook.com。

收稿日期:2020-05-03
基金资助:*国家重点研发计划专项(编号: 2016YFC0601001,2018YFC0604201)、国家自然科学基金项目(编号: 41472082)、中国地质调查局项目(编号: DD20190002,DD20190005)共同资助
摘要

德国北部盆地上侏罗统广泛发育,但野外露头地层普遍出露不全。Hildesheimer Wald地区Wendhausen 6井和Süntel山地区Eulenflucht 1井完整钻遇了上侏罗统牛津阶和启莫里阶地层,为分析该区晚侏罗世沉积演化过程及其所反映的古环境变化规律提供了丰富的资料。通过岩心描述和岩石薄片镜下观察,根据不同层段的颗粒成分、生物组合特征、沉积结构和构造等特征,在2口井的岩心中共划分出14个岩石类型,分别形成于碳酸盐岩斜坡和三角洲环境。建立了该区牛津阶和启莫里阶垂向沉积演化序列,垂向上由Heersum组到Süntel组,沉积环境逐步由外陆棚、内陆棚、临滨过渡到了开阔台地、潮坪环境,表现出了相对海平面降低的进积过程。同时对不同沉积相中保存较好的以低镁方解石为主要成分的牡蛎壳进行原位Mg/Ca值(古温度指标)测试,得出该区牛津期至启莫里期总体表现出了古气候变暖的趋势,且共有3次气候变暖过程。这一古气候变化与由沉积相分析得出的古气候变化一致,且同苏格兰、俄罗斯台地古温度变化趋势有很好的对应关系,表明古气候是控制该区沉积演化的一个重要因素,且牡蛎壳Mg/Ca值可以做为一个古气候指示指标应用于其他地区的古气候分析中。

关键词: 岩石类型; 沉积环境; 古气候; 晚侏罗世; 德国北部盆地
中图分类号:P532 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2021)02-0405-16
Sedimentary environments and palaeoclimate of the upper Jurassic deposits in the North German Basin
Bai Hua-Qing1, Kuang Hong-Wei1, Liu Yong-Qing1, Wu Feng2
1 Institute of Geology,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100037,China
2 College of Oceanography,Hohai University,Nanjing 210098,China

About the first author Bai Hua-Qing,born in 1985,is a postdoctor in the Institue of Geology,CAGS. She is mainly engaged in sedimentology. E-mail: huaqing.bai@outlook.com.

Fund:Co-funded by the National Key Research and Development Program of China(Nos.2016YFC0601001,2018YFC0604201),the National Natural Science Foundation of China(No.41472082),China Geological Survey Projects(Nos.DD20190002,DD20190005)
Abstract

In the North German Basin,outcrops consisting of the upper Jurassic deposits are widely spread throughout the basin. However,most of them only cover part of the upper Jurassic succession. The drilled Eulenflucht 1 and Wendhausen 6 cores,located in the Süntel and Hildesheimer Wald,respectively,consisting of the Oxfordian and Kimmeridgian deposits,provide valuable data for analyzing the upper Jurassic depositional history and the palaeoclimate variations in North German Basin. Via core description and microscopic observation,14 rock types are identified based on their distinctive grain compositions,fossil associations,and sedimentary texture and structures. They are interpreted to be formed either in carbonate ramp or deltaic environment. A sedimentary succession of the Oxfordian and Kimmeridgian deposits is established showing facies variations. From the Heersum to Süntel Formation,the sedimentary environment changes from outer shelf,inner shelf,and shoreface to open platform restricted lagoon,and tide flat,showing a trend of relative sea-level fall. Mg/Ca values of the well-preserved oyster shells composed of low-magnesium calcite are measured to reflect the palaeoclimate changes. Generally,it shows a warming trend from the Oxfordian to Kimmeridgian,among which three warm intervals are distinguished. These signals of palaeoclimate variations are not only consistent with the palaeoclimate changes obtained from facies analysis,but also comparable with the palaeotemperature fluctuations in Scotland and Russian Platform,suggesting that(1)palaeoclimate change played a controlling role during the upper Jurassic sedimentary evolution in the North German Basin,and(2)the Mg/Ca values of oyster shells can be used as a valid palaeoclimate proxy for analyzing palaeoclimate in other areas.

Key words: rock types; sedimentary environment; palaeoclimate; upper Jurassic; North German Basin
1 概述

长期以来, 由于缺乏足够的年代指示化石(如菊石等), 德国北部盆地的地层对比工作一直进展缓慢(Gramann et al., 1997)。虽然部分地区应用介形虫、轮藻等化石建立了部分时期的生物地层分带(Schudack, 1994; Weiss, 1995), 但仍存在生物地层标志化石不统一、部分层段化石缺失的问题, 导致该区上侏罗统完整的地层格架难以建立, 更给分析该区的沉积演化过程及其控制因素带来了困难。

层序地层学作为地层对比手段在瑞士、西班牙、苏格兰、法国和德国南部等不同地区牛津阶和启莫里阶地层对比方面的成功应用(Gygi et al., 1998; Pittet and Strasser, 1998; Strasser et al., 1999, 2000; Gygi, 2000; Samankassou et al., 2003; Jank et al., 2006), 给德国北部盆地的地层对比指出了新方向。利用不同的野外露头剖面、钻井岩心资料、自然伽马测井曲线和碳氧同位素等地化资料, Betzler等(2007)、Kä stner等(2010)、Cä sar(2012)和Bai等(2017, 2020)建立了德国北部盆地晚侏罗世三级层序格架, 并将其与其他欧洲盆地层序地层格架进行了对比, 为后续整合利用不同井和剖面数据分析该区沉积演化的控制因素和该区晚侏罗世古气候变化规律奠定了基础。

前人研究已证明古气候和海平面升降对瑞士侏罗山、西班牙、法国北部和德国西南部等地区的沉积演化有控制作用, 但多是通过层序地层学和旋回地层学分析等间接手段得出的(Pittet and Strasser, 1998; Strasser et al., 2000; Ruf et al., 2005)。而在德国北部, 层序地层学对比和碳同位素跨区域对比同样证明海平面升降和古气候共同控制了该区的沉积演化(Betzler et al., 2007; Bai et al., 2017)。但是, 受生物种类、数量和保存情况的限制, 迄今为止德国北部盆地并没有能直接反映古气候变化的数据来研究晚侏罗世该区的古气候变化情况。以往, 直接分析古气候的常用手段包括利用有孔虫、箭石等生物壳体的 δ 18O 计算古温度, 利用孢粉组合模型反映古气候的温湿程度等, 如利用箭石 δ 18O 反映俄罗斯台地和苏格兰地区晚侏罗世古温度变化趋势, 尤其是论证启莫里期温室环境的存在(Price et al., 2009; Price and Rogov, 2009; Nunn and Price., 2010); 利用反映不同生态环境的孢粉组合模型(Sporomorph EcoGroup)重建荷兰地堑和东英格兰古气候曲线, 阐明晚侏罗世牛津期至启莫里期古气候逐渐变暖变干的趋势(Abbink et al., 2001)等。但是, 研究表明应用 δ 18O 计算古温度需要精确估算古海水的平均氧同位素值(δ18Oseawater), 而该值受古盐度影响较大, 尤其是浅海地区含轻氧同位素较高的淡水的注入会严重影响δ18Oseawater的值, 进而影响对古温度的计算准确度(Roche et al., 2006; Zhou et al., 2008); 利用孢粉组合模型则对孢粉数量和类型丰度要求较高。在这种情况下, 利用生物壳原位Mg/Ca值还原古温度变化的研究应运而生。Yasamanov(1981)、Klein等(1996, 1997)、Rosales等(2004)和Mouchi等(2013)通过实时监控养殖双壳类生物的水体的温度、盐度和生成壳体的Mg和Ca含量, 证明生物壳Mg/Ca值可以反映其形成时的水体温度, 误差不超过1.5 ℃, 且基本不受盐度影响。Katz等(1973)和Oomori等(1987)的实验研究证实水体温度每升高1 ℃, 碳酸钙壳体的Mg/Ca值增加3%。这些都为应用Mg/Ca值计算古温度奠定了理论基础。目前应用Mg/Ca值计算古温度主要应用了箭石、有孔虫壳体。应用箭石壳体的Mg/Ca值与 δ 18O 相互矫正与验证, 已经在计算英国早侏罗世托尔期(Toarcian)和晚侏罗世启莫里期(Kimmeridgian)与提塘期(Tithonian)古水体温度中得到了成功的应用(Bailey et al., 2003; Nunn and Price, 2010)。Lear 等(2002)利用底栖有孔虫Mg/Ca值计算了夏威夷、加利福尼亚湾、东北大西洋等地的海底温度。而牡蛎壳作为以稳定低镁方解石为主要成分的壳体, 在古温度计算中应用尚少, 但已有成功应用实例, 如在塔里木盆地西南部始新世地层中应用牡蛎壳分析季风对该区季节性温度变化的影响(Bougeois et al., 2016)。这为应用牡蛎壳的Mg/Ca值研究德国北部盆地晚侏罗世的古气候变化提供了新的思路和手段, 也为今后利用牡蛎壳的Mg/Ca值研究其他地区的古气候提供了新方法。

在前人层序地层学研究和区域对比的基础上, 整合已有的德国北部盆地内完整钻遇牛津阶和启莫里阶沉积的Wendhuasen 6井和Eulenflucht 1井的岩心资料, 旨在建立完整的牛津阶和启莫里阶沉积演化序列, 并通过分析能反映古气候条件的沉积相垂向变化和牡蛎壳Mg/Ca值垂向变化, 解析德国北部盆地晚侏罗世古气候演化过程及其对沉积演化的控制作用。

2 区域地质背景

德国北部盆地北以Ringkobing Fyn高地为界, 南以London-Brabant、Rhenish和Bohemian高地为界(图 1)。

图 1 德国北部盆地位置(红色方框)及中欧地区晚侏罗世岩相古地理图(据Ziegler, 1990; Kockel等, 1996; Pień kowski等, 2008; Brandes, 2013)
LBM: London-Brabant高地; RM: Rhenish 高地; BM: Bohemian 高地; RFH: Ringkobing Fyn高地Fig.1 Location of North German Basin(marked by red rectangle)and the late Jurassic palaeogeography and main sedimentary associations in Central Europe(modified from Ziegler, 1990; Kockel et al., 1996; Pień kowski et al., 2008; Brandes, 2013)

德国北部盆地主要经历了5个构造演化阶段。(1)裂陷初始阶段: 早二叠世, 伴随着大范围的火山活动, 盆地裂陷开始; (2)强烈沉降阶段: 二叠纪盆地经历了强烈的沉降作用, 导致盆地中心沉积了3000多米厚的下二叠统碎屑岩和上二叠统盐岩(Scheck and Bayer, 1999; Kockel, 2002; Kossow and Krawczyk, 2002; Scheck-Wenderoth et al., 2008); (3)差异沉降阶段: 受三叠纪盐岩活动、中侏罗世北冰洋— 北大西洋裂谷体系地壳强烈伸展和北海地区大尺度的热隆升事件影响, 晚侏罗世开始的同沉积断裂活动将德国北部盆地分割成多个沉降幅度不同的断陷盆地, 形成地堑— 地垒构造(Betz et al., 1986; Gramann et al., 1997); (4)沉降减缓阶段: 晚侏罗世至中白垩世阿尔必期, 全盆地范围内基底沉降速度减慢(Kossow and Krawczyk, 2002), 浅水碳酸盐岩缓坡沉积开始, 但沉积厚度变化较快, 相近断陷沉积厚度变化可达数十米(Hoyer, 1965); (5)构造反转阶段: 晚白垩世至早新生代, 盆地发育反转构造(Ziegler, 1990; Mazur and Scheck-Wenderoth, 2005)。

德国北部盆地上侏罗统牛津阶和启莫里阶地层主要在Süntel, Wesergebirge和Ith山地区出露(图 2), 包含Süntel、Korallenoolith和Heersumer组以及Ornatenton组上部(图 3)。

图 2 德国北部盆地地质图(据Kockel等, 1996; 有修改)
Eulenflucht 1井和Wendhausen 6井井位置以及前人研究成果中上侏罗统露头剖面位置(Helm, 2005; Betzler等, 2007; Kä stner等, 2008)Fig.2 Geological map of the North German Basin(modified from Kockel et al., 1996)

图 3 德国北部盆地中上侏罗统综合柱状图(据Schudack, 1994; Weiss, 1995; Gramann等, 1997; Hardenbol等, 1998; Ogg等, 2012)Fig.3 Middle and upper Jurassic column of the North German Basin(modified from Schudack, 1994; Weiss, 1995; Gramann et al., 1997; Hardenbol et al., 1998; Ogg et al., 2012)

Süntel组为含海绿石泥灰岩与灰岩和砂岩互层沉积(Klassen, 2003; Mö nnig, 2005)。Korallenoolith组是穿时的, 岩性以灰岩为主, 包括鲕粒灰岩和珊瑚礁(Gramann et al., 1997; Kä stner et al., 2008; Betzler et al., 2007; Cä sar, 2012; Bai et al., 2017)。珊瑚礁主要分布在Florigemma-Bank层段(Helm et al., 2003a; Helm, 2005)。盆地西北部发育以石英为主的碎屑岩(Kä stner et al., 2008; Will et al., 2016), 该碎屑岩与Florigemma-Bank层段之间为一区域不整合界面, 此界面同时也是Korallenoolith组上段和下段的界面。Heersumer 组岩性以含海绵骨针的泥灰岩为主, 兼有鲕粒灰岩, 发育生物扰动构造(Siegfried, 1953; Vinken, 1974; Kä stner et al., 2008; Heunisch and Luppold, 2015; Bai et al., 2017)。Ornatenton组为含海绿石的泥灰岩沉积, 其泥灰岩中碳酸盐岩含量低于Heersum组泥灰岩中碳酸盐岩含量(Mö nnig, 2006, 2012)(图 3)。Eulenflucht 1井岩心包含Süntel组和Korallenoolith组沉积, Wendhausen 6井岩心涉及Korallenoolith组和Heersumer组以及Ornatenton组沉积。

地层学上, 由于该区缺少菊石化石, 生物地层划分主要借助该区介形虫、轮藻、孢子和花粉等生物地层学标志分别与菊石分带的对应关系进行, 其中Heersumer组和Süntel组主要依靠介形虫和孢粉进行地层划分(Heunisch and Luppold, 2015)。各地层与菊石分带对应情况如下(图 3): Süntel组对应Baylei上部, Cymodoce, Mutabilis, Eudoxus和Autissiodorensis菊石带; Korallenoolith组对应Pumilis, Cautisnigrae和Pseudocordata菊石带; Heersumer组对应Cordatum, Plicatilis和Baylei下部菊石带; Ornatenton组对应lamerti和Mariae菊石带(Schulze, 1975; Schudack, 1994; Weiss, 1995; Gramann et al., 1997; Hardenbol et al., 1998; Ogg et al., 2012)。

3 研究方法

Eulenflucht 1井岩心长327 m, 取心位置在Süntel山区, 坐标52.18227418° N, 9.4002145° E(图 1)。本研究目的层段Korallenoolith组和Süntel组位于该岩心327~209 m处。Wendhausen 6井岩心长60 m, 取心位置位于Hildesheimer Wald 山区, 坐标52.122721° N, 10.072847° E(图 1)。该岩心包含Ornatenton组和Heersumer组以及Korallenoolith组下部沉积。目前2组岩心存储在德国联邦地球科学与自然资源研究所位于Grubenhagen的岩心库中。

岩心描述和取样: 分别对2组岩心进行详细的岩心描述, 包括颗粒成分, 沉积结构、构造, 初步判断岩心所包含的岩石类型, 并以1~1.5 m的间距连续取样, 在岩石类型变化较快的部分以0.2~0.5 m间距取样。Eulenflucht 1井取样80块, Wendhausen 6井取样57块。

薄片制备和鉴定: 将所有样品磨制岩石薄片, 并对薄片进行显微镜下观察, 鉴定其显微组分和结构, 结合岩心描述内容判定岩石类型。

Mg、Ca原位测试: 测试原理是保存较好的、未受成岩改造的以低镁方解石为主要成分的生物壳的Mg/Ca值可以反映壳体形成时的古水体温度。该种方法已经在计算英国早侏罗世托尔期(Toarcian)和晚侏罗世启莫里期(Kimmeridgian)与提塘期(Tithonian)古水体温度中得到了成功的应用(Bailey et al., 2003; Nunn and Price, 2010)。同时, 在现代牡蛎养殖过程中, 牡蛎壳Mg/Ca值也被证实能反映其生长环境的水体温度(Klein et al., 1996)。

对保存完好的牡蛎壳的挑选是在普通岩石薄片鉴定基础上进行的, 选取含生物壳较多的灰岩样品, 磨制厚0.05 mm的探针片, 并做喷碳处理, 用于阴极发光显微镜观察, 通过其显微结构和阴极发光特征判断牡蛎壳保存完好程度。未经成岩改造的牡蛎壳显微镜下壳体内部为薄片状结构, 边部垂直于壳体的棱柱状结构清晰可见, 阴极发光镜下不发光(图 4)(Boggs and Krinsley, 2006; Aguirre-Urreta et al., 2008; Hö nig et al., 2017)。每个被选壳体测量2~4个点位。原位Mg、Ca元素含量测试在中国地质大学(北京)科学研究院实验中心LA-ICP-MS实验室进行, 使用NewWave公司Up193ss激光器, 波长193 nm。载气为氦气, 进气速度0.94 L/min。激光斑束直径100 μ m, 频率10 Hz。激光原位剥蚀前时间为5 s, 剥蚀时间45 s。ICP-MS 系统型号为Agilent Serie 7500a, 辅助气体氩气进气速度1.13 L/min, 射频功率1350 W。

图 4 德国北部盆地保存完好的牡蛎壳在偏光显微镜(a)和阴极发光显微镜下的特征(b)Fig.4 Features of the well preserved oyster shell fragments under cross-polarized microscope(a)and cathodoluminescence microscope(b)of the North German Basin

4 结果和讨论
4.1 岩石类型与沉积环境

根据岩心所反映的宏观沉积构造和岩石薄片镜下鉴定所得的岩石成分、结构、生物颗粒含量、组合特征, 应用邓哈姆(Dunham)(1962)的碳酸盐岩分类体系, 在Eulenflucht 1井岩心和Wendhausen 6井岩心共识别出14种岩石类型(图 5)。依据各岩石类型所反映的沉积环境水动力条件强弱、盐度高低等特征, 判断它们分别属于碳酸盐岩斜坡体系中的潮坪、开阔台地、临滨、内陆棚、外陆棚沉积环境和三角洲体系的三角洲前缘沉积环境。因部分层段岩石类型和沉积环境变化频繁, 故在图 5中部分层段将部分沉积环境合并展示。此外, 砂岩与下伏地层呈突变接触, 且接触面为不规则侵蚀面, 内部含交错层理且海相生物化石缺失(图 6-a; 图7-a)等特征均指示了其为非海相环境下低位域河道砂沉积。每种沉积环境所包含的岩石类型组合和特征分述如下:

图 5 Eulenflucht 1井(左)和Wendhausen 6井(右)综合柱状图Fig.5 Comprehensive lithostratigraphic columns of the Well Eulenflucht 1(left)and Well Wendhausen 6(right)

图 6 德国北部盆地潮坪和开阔台地环境不同岩石类型的显微特征
a— 砂岩, 取自Wendhausen 6井岩心7.70 m; b— 生屑球粒漂浮岩, 含窗棂构造, 取自Eulenflucht 1井岩心203.34 m; c— 放射鲕, 取自Eulenflucht 1井岩心245.15 m; d— 生屑砾屑灰岩, 含长达1 cm的牡蛎壳和海绿石, 取自Eulenflucht 1井岩心261.69 m; e— 生屑粒泥灰岩中的微喀斯特构造, 取自Eulenflucht 1井岩心240.59 m; f— 生屑砾屑灰岩中凹面向上的双壳类(红色箭头)和泥砾(黄色箭头), 取自Eulenflucht 1井岩心272.80 m。均为单偏光Fig.6 Microscopic features of different rocks in tidal and open platform of the North German Basin

图 7 德国北部盆地内、外陆棚环境岩石沉积特征
a— 砂岩交错层理, 样品采自Wendhasuen 6井12.10~12.27 m; b— 珊瑚粘结灰岩, 样品采自Eulenflucht 1井297.68~297.80 m; c— 含生物扰动构造泥灰岩, 样品采自Wendhausen 6井54.40~54.70 m; d— Chondrites 遗迹相, 样品采自Wendhasuen 6井33.50~33.68 mFig.7 Sedimentary features of differen rocks in outer shelf and inner shelf of the North German Basin

4.1.1 潮坪环境

该沉积环境包含平均低潮线之内的潮下带, 平均高潮线之外的潮上带及二者之间的潮间带。自潮下带至潮上带水体能量依次减弱, 沉积物粒度逐渐减小, 主要包含生屑球粒漂浮岩和生屑粒泥灰岩。

二者的共同特征是生物颗粒含量较少, 含黄铁矿且为基质支撑结构, 代表了低能闭塞的还原沉积环境。生屑球粒漂浮岩中所含的窗棂构造(图 6-b)是潮间带沉积的产物, 而生屑粒泥灰岩中部分层段可见小型喀斯特溶蚀构造(图 6-e)是潮上带泥坪间歇暴露的产物。棘皮等窄盐性生物消失, 双壳类壳体变薄, 球粒等适应高盐度环境的颗粒的沉积(Roller and Stickle, 1985; Scholle and Ulmer-Scholle, 2003), 这些特征都指示了高盐度的潟湖环境(Pomoni-Papaioannou, 2008)。因此, 该2种岩石类型沉积于局限潟湖靠近潮坪部位。

4.1.2 开阔台地环境

该沉积环境位于台地边缘高能滩坝沉积和局限台地之间, 水域广阔, 海水循环良好, 水体能量较高, 主要包含了生屑砾屑灰岩和放射鲕颗粒灰岩。

二者的共同特征是颗粒支撑为主, 基质含量较少, 为较高能量下的沉积产物。放射鲕颗粒灰岩富含直径不大于0.5 mm的放射鲕和少量同心鲕(图 6-c), 通常形成于水动力条件高到中等的半咸水局限水体中(Suesse and Fütterer, 1972; Davies and Bubelab, 1978)。因此该岩石类型生成于开阔台地高能环境中, 紧邻生屑鲕粒颗粒灰岩形成的高能鲕粒滩沉积。生屑砾屑灰岩中含长达2 mm的牡蛎壳和腹足类碎屑, 富含腕足类、双壳类、棘皮类等海相化石(图 6-d)和以正粒序层理为标志的风暴沉积序列(图 6-f), 与放射鲕颗粒灰岩对比, 生屑砾屑灰岩基质含量明显升高, 反映了水动力条件的降低。因此生屑砾屑灰岩形成于含正常海水循环的开阔台地地区, 沉积位置与放射鲕颗粒灰岩相邻且更靠近潟湖沉积中心。偶发的风暴潮导致了风暴沉积序列的沉积。

4.1.3 临滨

该沉积环境位于晴天浪基面和平均低潮面之间, 水体能量高, 广泛发育滩坝沉积, 包含生屑鲕粒颗粒灰岩和牡蛎壳砾屑灰岩。

生屑鲕粒颗粒灰岩所含颗粒以同心鲕沉积为主, 也含有双壳类、棘皮类、腹足类等生物碎屑, 部分双壳类碎片长达2 mm(图 8-a)。极低的基质含量和鲕粒的同心结构表明水体有足够的能量长期使颗粒处于悬浮搅动状态。交错层理的发育说明有较强的水流作用(Betzler et al., 2007), 为晴天浪基面之上的鲕粒滩沉积。牡蛎壳砾屑灰岩以富含大于2 mm长的牡蛎壳为特征, 同时包含其他棘皮类、双壳类、腹足类和珊瑚碎屑(图 8-b)。较高的大颗粒含量, 颗粒支撑的结构均代表了较高的水动力条件, 也为晴天浪基面附近高水动力条件下的沉积。

图 8 德国北部盆地临滨至外陆棚环境所含不同岩石类型显微特征
a— 生屑鲕粒颗粒灰岩, 取自Wendhausen 6井岩心3.00 m; b— 牡蛎壳砾屑灰岩, 取自Wendhausen 6井岩心18.79 m; c— 珊瑚的微生物包壳和被黄铁矿与亮晶方解石充填的溶蚀孔洞, 取自Eulenflucht 1井岩心297.79 m; d— 生屑鲕粒粒泥灰岩, 取自Wendhausen 6井岩心30.91 m; e— 较大的双壳类碎屑分散在生屑漂浮岩中, 取自Wendhausen 6井岩心19.98 m; f— 大量有孔虫分散在基质中, 取自Eulenflucht 1井岩心276.76 m; g— 海绵骨针砂岩, 可见海绵骨针横切面和纵切面, 取自Wendhausen 6井岩心37.67 m; h— 生屑砂岩, 取自Wendhausen 6井岩心36.64 m。均为单偏光Fig.8 Microscopic features of different rocks from outer shelf to inner shelf of the North German Basin

4.1.4 内陆棚

该沉积环境位于晴天浪基面和风暴浪基面之间, 向海方向水体能量逐渐减弱, 包含珊瑚粘结灰岩、生屑鲕粒泥粒灰岩和生屑漂浮岩3种岩石类型。

珊瑚粘结灰岩主要成分为珊瑚骨架, 约占50%, 枝状珊瑚外侧有有孔虫包壳, 内壁有黄铁矿沉积, 珊瑚骨架被溶蚀并被方解石充填(图 7-b; 图8-c)。牛津阶珊瑚礁在法国东北部和南部侏罗山地区以及北德地区都有发育, 并被认为是晴天浪基面以下较低水动力条件下的沉积产物(Schmid, 1996; Helm et al., 2003b; Helm, 2005; Lathuiliere et al., 2005; Betzler et al., 2007; Carpentier et al., 2007)。生物包壳代表了低水动力条件和缺氧还原环境(Leinfelder et al., 1993), 这和黄铁矿形成的环境一致。生屑鲕粒泥粒灰岩中常见生物扰动构造, 主要颗粒成分包括石英、黄铁矿、鲕粒、球粒以及少量双壳类、腹足类、棘皮类动物碎屑和有孔虫(图 8-d)。同心鲕的形成需要持续不断的水体搅动, 它的大量出现代表了中等到强的水动力条件(Medwedeff and Wilkinson, 1983; Strasser, 1986)。但是基质支撑的结构表明水体能量不足以淘洗掉所有的细粒沉积, 因此该生屑鲕粒泥粒灰岩形成于晴天浪基面附近水动力条件中等的广海。生屑漂浮岩颗粒成分以双壳类、棘皮类和腹足类生物碎屑为主, 碎屑长度可达2~4 mm(图 8-e)。生物扰动构造发育, 与牡蛎壳砾屑灰岩和泥灰岩呈互层沉积。较高的基质含量代表了中等到弱的水动力条件, 间歇性的风暴带来的强水动力条件又导致了大颗粒的沉积, 为风暴浪基面之上的广海沉积。

4.1.5 外陆棚

该沉积环境位于风暴浪基面之下, 水体能量较弱, 以发育泥灰岩沉积为主, 包含有孔虫粒泥灰岩和泥灰岩2种岩石类型。

有孔虫粒泥灰岩主要成分为有孔虫, 包括底栖有孔虫Lenticulina spp.和粘结有孔虫Alveosepta jaccardi和Textularia(图 8-f), 另外含有一些其他生物碎屑和海绿石, 生物扰动构造发育。粘结有孔虫Alveosepta jaccardi通常生活在晴天浪基面之下的广海(Dupraz and Strasser, 2002; Hughes, 2004), 而广泛发育的海绿石反映了极低的背景沉积速率和水体能量(O’ Brien et al., 2011), 较高的基质含量和水平生物潜穴的发育都代表了安静的水体环境。因此, 有孔虫粒泥灰岩为风暴浪基面之下的沉积。

泥灰岩以灰泥和黏土沉积为主, 非碳酸盐岩颗粒主要有石英和黄铁矿, 碳酸盐岩颗粒主要为一些有孔虫、龙介虫、海绵骨针等且含量较少, 沉积物粘结性较差且生物扰动构造较发育(图 7-c)。黄铁矿的出现代表了缺氧环境, 同时Heersumer组海绵骨针来自牛津阶广泛发育的六放硅质海绵, 该种海绵广泛生长在缺氧的且水动力条件中等至较低的开阔海中(Reid, 1968; Townson, 1975; Haslett, 1992; Pisera, 1997; Carpentier et al., 2007; Kä stner et al., 2008; Bai et al., 2017)。 广泛发育的生物扰动构造, 极细的沉积物粒度、基质支撑的结构都说明该泥灰岩形成于风暴浪基面之下水动力条件较低的开阔水体中。

4.1.6 三角洲前缘

该沉积环境主要包含了水下分流河道沉积的生屑砂岩和位于分流间湾的海绵骨针砂岩。

海绵骨针砂岩中所含硅质海绵骨针(图 8-g)与泥灰岩中的相类似, 均形成于风暴浪基面之下的广海地区。但该岩石中所含大量的石英颗粒代表了陆源物质的输入。由于海绵可以生长在水下分流河道间湾部位(Shen and Kawamura, 2001), 故认为该海绵骨针砂岩是风暴浪基面之下前三角洲水下分流河道间湾沉积。生屑砂岩主要成分为石英(图 8-h), 兼有少量双壳类、棘皮类和龙介虫等生物碎屑颗粒, 底部可观察到不规则侵蚀面。大量的次圆状到次棱角状石英颗粒和底部侵蚀面的出现, 以及少量海相生物碎屑的参与表明该生屑砂岩可能属于水下分流河道沉积。生物遗迹相Chondrites广泛发育(图 7-d), 而Chondrites遗迹相是滨外过渡带远端、风暴浪基面附近沉积的标志(Collin et al., 2005; Kä stner et al., 2008)。其与海绵骨针砂岩互层的垂向叠置关系表明其为风暴浪基面附近水下分流河道沉积。

各种岩石类型的垂向分布顺序如图 5所示, 垂向上由Heersumer组到Süntel组, 沉积环境逐步由外陆棚、内陆棚、临滨过渡到了开阔广海和潟湖、潮坪环境, 表现出了相对海平面降低的进积过程。

位于Eulenflucht 1井293.00~294.00 m的低位域砂岩底部下伏岩层为珊瑚粘结岩。该砂岩底面可与Florigemma-Bank顶部不整合面对比, 区域上该不整合上部为低位域砂岩沉积, 下部为珊瑚礁沉积(Helm, 1998, 2005; Kä stner et al., 2008)。而该界面同时也可与Wendhausen 6井15.1 m处的砂岩底面相对比(图 5), 该界面下部虽不是珊瑚粘结灰岩, 但富含珊瑚碎屑。该处未形成珊瑚粘结灰岩可能是由于Wendhausen 6井位于三角洲和碳酸盐岩缓坡过渡地带, 较大的陆源物质输入抑制了珊瑚礁生长的缘故(Bai et al., 2020)。

4.2 古气候对沉积演化的控制作用

层序地层学分析在Eulenflucht 1井识别出25个短层序和11个中级层序, 在Wendhausen 6井识别出15个短层序和5个中级层序, 并且在中级层序尺度上建立了区域地层对比, 为整合应用盆地内不同钻井取得的数据分析古气候对沉积演化的控制作用奠定了基础(Bai et al., 2017, 2020)。作者对古气候演化的探索主要应用能指示古温度变化的Mg/Ca值和沉积相分析进行(Klein et al., 1996; Bailey et al., 2003; Nunn and Price, 2010)。在已识别出的14种岩石类型中, 为便于样品选择, 保证测试准确度, Mg/Ca值测试主要针对生物碎屑颗粒含量较多的生屑鲕粒颗粒灰岩、牡蛎壳砾屑灰岩、生屑漂浮岩和生屑砾屑灰岩进行。测试对象为以上岩石中保存较好的以低镁方解石为主要成分的牡蛎壳, 共测试样品点35个, 具体数据见表 1。

表 1 德国北部盆地牡蛎壳Mg/Ca值原位测试结果 Table1 Results of in-situ Mg/Ca ratio measurement from oyster shells of the North German Basin

Eulenflucht 1井样品的Mg/Ca值介于1.84~11.27之间, 并且从307.03~240.59 m, Mg/Ca值呈增高趋势。Wendhausen 6井样品的Mg/Ca值介于1.96~10.17之间, 每个深度点所测数据的平均值介于2.25~5.71之间。

Mg/Ca值反映古温度变化的原理如下: 除 δ 18O 外, 生物成因的碳酸盐岩壳体(如有孔虫、箭石、牡蛎等的壳体)的Mg/Ca值也可以反映壳体形成时的古水体温度(Klein et al., 1996; Bailey et al., 2003; Nunn and Price, 2010; Mouchi et al., 2013; Bougeois et al., 2016)。Mg/Ca值与古温度之间呈指数关系, 计算公式为:

(Mg/Ca)calcite=BeAT(1)

其中A 为Mg/Ca值对温度的依赖系数, T代表生物壳形成时的温度, B为和生物种类有关的常数(Lear et al., 2002; Bailey et al., 2003)。保存较好的有孔虫和箭石的Mg/Ca值已作为有效的古温度指标被广泛应用于计算中晚侏罗世的古温度(Nunn and Price, 2010; Wierzbowski et al., 2013)。但是由于公式中参数B是和物种有关的常数, 因此应用该方法计算牡蛎壳形成时的古温度需要对参数B进行校正。然而从公式看无论B取什么值, 古温度和Mg/Ca值的同向变化趋势是不变的, 因此作者没有计算古温度的具体数值, 而是用牡蛎壳的Mg/Ca值反映古温度的变化趋势。Mg/Ca值较高的层段形成于温暖环境, 而Mg/Ca值较低的层段形成于较寒冷环境。

古气候的干湿可以影响母源区的风化作用方式和强度, 进而影响沉积物源的供给情况; 而其冷暖则可影响各类生物的生存状态、碳酸盐的沉淀速率、甚至海平面的升降。这些毋庸置疑都将对沉积产生影响。分析古气候变化规律和沉积相及沉积环境演化过程之间的相关关系, 有利于明确古气候对沉积演化的控制作用。

研究中Mg/Ca值所反映的古温度变化趋势和前人用氧同位素及孢粉组合所做出的欧洲大陆晚侏罗世气候温度和干湿变化(Abbink et al., 2001; Price and Rogov, 2009; Nunn and Price, 2010), 为分析古气候对沉积的控制作用提供了重要参数。Heersumer组形成于三角洲前缘环境的生屑砂岩和海绵骨针砂岩与形成于碳酸盐岩斜坡体系的生屑鲕粒泥粒灰岩和泥灰岩频繁互层, 表现出混合沉积的特征, 且生屑鲕粒泥粒灰岩和泥灰岩中石英含量也较高, 表现出和伏美燕等(2012)混积岩分类中Ⅳ 型高度混积岩相似的特征, 是海平面下降过程中湿润气候条件下的产物。该段Mg/Ca值较低(图 9), 孢粉组合分析显示指示干旱气候的孢粉数量/指示湿润气候的孢粉数量(D/W)处于低值, 属于寒冷湿润气候, 与Ⅳ 型混积岩形成的古气候一致。从Heersumer组到Korallenoolith组珊瑚礁发育的层段, 在Wendhausen 6井表现为一次从35.00 m到15.00 m的古温度升高过程(图 9)。结合层序地层学对比结果(Bai et al., 2017, 2020), Wendhausen 6井Florigemma-bank附近(16.05 m)Mg/Ca值约为6 mMol/Mol。该次较温暖时期可以与Cautisnigrae时期的变暖过程相对比, 但是由于受采样间隔和样品保存程度的限制, 该次变暖在Eulenflucht 1井未取得Mg/Ca值数据。从岩石类型上看, Wenhausen 6井中自60 m至21 m, 生屑鲕粒粒泥灰岩单层厚度不断增加, 鲕粒含量不断提高, 直至20 m左右牡蛎壳砾屑灰岩中出现珊瑚碎片; 而在Eulenflucht 1井相应层段出现珊瑚礁。鲕粒通常形成于温暖的浅海地区(Opdyke and Wilkinson, 1990; O'Reilly et al., 2017), 珊瑚礁的发育更是温暖水体沉积的产物, 它们都代表了温暖环境的沉积。所以这种岩石类型变化反映了古气候由Mariae到Cautisnigrae逐渐变暖的趋势, 直至Korollenoolith组珊瑚礁沉积时期该次变暖达到顶峰。Florigemma-bank顶部区域不整合面之上再次出现了砂岩沉积, 在Wedhausen 6井表现为Mg/Ca值的低值, 为较冷气候的沉积。Korallenoolith组上段再次出现了温暖气候下的鲕粒滩沉积, 在Wendhausen 6井表现为从10.00 m到5.00 m的又一次古温度升高过程, 在5 m左右的生屑鲕粒颗粒灰岩中取得的另一个Mg/Ca高值5.20 mMol/Mol, 可以和Eulenflucht 1号井293 m附近生屑鲕粒颗粒灰岩中的5.22 mMol/Mol相对比, 二者都位于Florigemma-bank顶部区域不整合面上覆砂岩之上的鲕粒灰岩沉积中, 且可以和苏格兰地区Pseudocordata底部的一次古温度升高相对应(Nunn and Price, 2010)。由Korallenoolith组顶部到Süntel组中部, 在Eulenflucht 1井表现为从290.00 m到240.00 m出现的一次古温度升高过程(图 9)。Mg/Ca值最高的层段即最温暖的时期出现在Eulenflucht 1岩心240 m左右靠近放射鲕颗粒灰岩的部分, 其值可达8 mMol/Mol, 恰好与苏格兰和俄罗斯地区在Eudoxus时期出现晚侏罗世最高的古温度记录相吻合(Price and Rogov, 2009; Nunn and Price, 2010)。这种古气候变化趋势也和利用孢粉分析所得的晚侏罗世古气候变化趋势一致(Abbink et al., 2001)。

图 9 牡蛎壳Mg/Ca值所反映的古温度变化趋势与苏格兰和俄罗斯台地古温度变化对比图Fig.9 Paleotemperature variations reflected by Mg/Ca ratios of oyster shells and their correlation with the palaeotemperature fluctuations of Scotland and Russian Platform

综上所述, 应用牡蛎壳Mg/Ca值变化所得出的古温度变化趋势与应用沉积相分析所得出的古气候变化趋势, 以及与区域上应用氧同位素、孢粉等所得的古气候变化趋势一致, 说明古气候对该区沉积演化起着重要的控制作用, 同时说明保存较好的牡蛎壳Mg/Ca值可以作为推演古气候变化的指标之一, 用其变化趋势反映晚侏罗世古气候变化规律是可靠的。

5 结论

1)通过对Eulenflucht 1井和Wendhausen 6井岩心颗粒成分、生物组合特征、沉积结构和构造等特征分析, 在2口井的岩心中共识别出14种岩石类型, 分属于碳酸盐岩斜坡体系中的潮坪、开阔台地、临滨、内陆棚、外陆棚沉积环境和三角洲体系的三角洲前缘沉积环境。垂向上由Heersumer组到Süntel组, 沉积环境逐步由外陆棚、内陆棚过渡到了开阔台地、潮坪环境, 表现出了相对海平面降低的进积过程, 以此建立了德国北部盆地牛津阶和启莫里阶完整的垂向沉积演化序列。

2)牡蛎壳原位Mg/Ca值(古温度指标)分析显示牛津期至启莫里期总体表现出了古气候变暖的趋势, 且共有3次气候变暖过程, 该变化与由沉积相分析得出的古气候变化规律一致, 证明了古气候是控制该区沉积演化的一个重要因素。

3)由牡蛎壳Mg/Ca值得出的古温度变化趋势与区域上如苏格兰、俄罗斯台地古温度变化趋势有很好的对应关系, 且与由沉积微相分析得出的古气候变化一致, 表明牡蛎壳Mg/Ca值可以作为一个可靠的古气候指标应用于其他地区的古气候分析中。

致谢 感谢审稿专家提出的有益建议和意见。

（责任编辑 郑秀娟; 英文审校 陈吉涛）

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