色度學(xué)指標(biāo)反映古氣候的探索研究——以松遼盆地晚白堊世土倫階（Turonian）為例

趙 斌, 王亞芳 , 吳德新,3, 黃永建

1.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510760；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）數(shù)理學(xué)院，北京100083；3.江西有色地質(zhì)勘查局，江西 南昌 330025；4.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

色度學(xué)方法在研究固結(jié)/半固結(jié)沉積物反映古氣候時(shí)被普遍應(yīng)用，但在已成巖巖石中的應(yīng)用還不夠成熟。應(yīng)用色度學(xué)方法可以對(duì)沉積物的顏色進(jìn)行定量分析，從而揭示沉積物形成時(shí)的古環(huán)境變化，并以其用量少、靈敏度高、方法簡(jiǎn)單快速和費(fèi)用低的優(yōu)勢(shì)，在提高古氣候研究的分辨率方面發(fā)揮了重要作用（Porter, 2000； Helmkeet al., 2002）。目前用色度學(xué)研究古氣候主要是利用CIE1976 L* a*b*色度空間的L*、a*、b*參數(shù)同巖石的礦物成分或化學(xué)成分的變化聯(lián)系起來(lái)。以前的研究成果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)研究對(duì)象或研究地區(qū)不同時(shí)，L*、a*、b*的適用情況也不一致。當(dāng)研究對(duì)象為海洋沉積物時(shí)，L*與碳酸鹽含量成正相關(guān)，a*與含鐵碎屑物相關(guān)（Helmkeet al., 2002； Deaton & Balsam, 1991；Balsam et al., 1999）；當(dāng)研究對(duì)象為湖泊相沉積物時(shí)，L*值與沉積物碳酸鹽含量相關(guān)，與常量元素Ca 具有較好的正相關(guān)性，a*值與沉積物中的Mg（或MgO）相關(guān)，b*值與Fe3+（或者鐵氧化物）相關(guān)（吳艷宏&李世杰， 2004；宋春暉等，2005；羅超等，2007）；當(dāng)研究對(duì)象為黃土?xí)r，L*則與有機(jī)碳的含量線性相關(guān)，a*與年平均溫度和年平均降水量呈指數(shù)關(guān)系， b*與年平均溫度和年平均降水量呈線性相關(guān)（楊勝利等，2001）?？傮w來(lái)說(shuō)，L*受控于碳酸鹽和有機(jī)碳含量的變化，而a*和b*所代表的礦物學(xué)及化學(xué)特征則會(huì)因?yàn)槌练e相的不同而有所差別。

但是，上述研究一般都是以第四紀(jì)以來(lái)未固結(jié)地層或黃土為研究對(duì)象，（李林等2008）研究發(fā)現(xiàn)用色度學(xué)研究已固結(jié)古老巖石的礦物學(xué)特征和地球化學(xué)特征也是可行的。只是用色度學(xué)指標(biāo)研究已固結(jié)古老巖石形成時(shí)的古氣候時(shí)，由于古老巖石的顏色易受后期影響，因此在解釋古氣候變化時(shí)要扣除相應(yīng)的影響。

1 研究區(qū)背景

1.1 研究區(qū)概況

松遼盆地位于中國(guó)東北部，現(xiàn)今盆地范圍包括黑龍江省西南部、吉林省西部、遼寧省西北部及內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部分（圖1）。松遼盆地是我國(guó)大型白堊紀(jì)沉積盆地，是亞洲古陸 上最大的白堊紀(jì)湖盆之一，是我國(guó)陸相白堊系發(fā)育最完整的地區(qū)。盆地基底主要由古生界變質(zhì)砂巖、大理巖、板巖和千枚巖等組成，并有大面積印支—早燕山期、海西期和加里東期花崗巖侵入，沉積蓋層累計(jì)厚度達(dá)萬(wàn)米。作為世界上最大的陸相含油氣白堊紀(jì)湖盆之一，松遼盆較完整地保存了白堊紀(jì)地層，在這些地層中記錄著松遼盆地白堊紀(jì)古環(huán)境、古氣候演化及白堊紀(jì)重大地質(zhì)事件，是理想的陸相白堊系研究區(qū)域（王成善等，2008；高有峰等，2008）。

圖1 松遼盆地地理位置及盆地構(gòu)造圖Fig.1 Geographical position and structure sketch map of the Songliao Basin.

1.2 巖性特征

泉頭組四段（K2q4）巖性為微帶綠灰色、深綠灰色、微帶棕灰色、微帶灰棕色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖不等厚互層，少量含油的微帶棕灰色粉砂巖、細(xì)砂巖。泥巖巖心幾乎全部碎成塊狀和蒜瓣?duì)睿瑯?gòu)造特征不明顯，黃鐵礦和鈣質(zhì)團(tuán)塊含量較多；粉砂質(zhì)泥巖巖心較碎，局部見(jiàn)鈣質(zhì)團(tuán)塊和黃鐵礦顆粒（高有峰等，2008）。

青山口組一段（K2qn1）巖性以深灰色、橄欖灰色、橄欖黑色泥巖為主,其中夾較多淺橄欖灰色白云巖，下部可見(jiàn)一層厚37 cm 的淺橄欖灰色泥灰?guī)r，滴酸起泡強(qiáng)烈，見(jiàn)油浸現(xiàn)象，有濃重的油味。泥巖發(fā)育不連續(xù)的水平層理，常見(jiàn)有介形蟲(chóng)碎屑巖條帶，顯微鏡下可見(jiàn)青山口組一段泥巖粘土礦化作用較弱,基本都由未變化的泥質(zhì)物質(zhì)組成，含少量粉砂級(jí)碎屑。此外在青山口組一段巖心中還見(jiàn)有幾層灰白色火山灰和一層深灰色介形蟲(chóng)灰?guī)r（高有峰等，2008）。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 L* 、a*、b*的獲得

本文采用CIE1976 L* a* b*色度空間對(duì)巖石樣品進(jìn)行色度方面的研究，在該色度空間中：L*代表明度，變化于黑（0）和白（100）之間；a*代表紅綠色度，變化于紅和綠之間（+a*描述紅色的飽和程度，- a*描述綠色的飽和程度）；b*代表黃藍(lán)色度，變化于黃和藍(lán)之間（+ b*描述黃色的飽和度，- b*描述藍(lán)色的飽和度）（Chen et al., 2002）。本實(shí)驗(yàn)使用國(guó)產(chǎn)WSD-1A 型色度測(cè)量裝置（天津市拓普儀器有限公司生產(chǎn)）來(lái)間接測(cè)樣品的L*、a*、b*。

對(duì)沉積物（巖石）樣品進(jìn)行色度測(cè)量，有兩個(gè)注意事項(xiàng)：首先要保證樣品是干燥的，實(shí)驗(yàn)樣品含水越多，測(cè)量結(jié)果越不準(zhǔn)確，干燥樣品的色度值可高于含水樣品色度值30%之多（Balsam et al.,1998）；其次要保證樣品的粒度足夠小，樣品粒度越大測(cè)量越不準(zhǔn)確（楊勝利等，2001）。首先將巖石樣品進(jìn)行了粉碎研磨，并且為了避免污染，使用的粉碎器械為瑪瑙研缽，研磨后的樣品粉末粒徑約為200 目（0.75 μm）。樣品研磨足夠細(xì)后，取少量粉末放置在在5 cm×1.5 cm 載玻片的中央，然后用蒸餾水少許將粉末潤(rùn)濕呈稀泥狀，然后將稀泥狀的粉末均勻的涂抹在載玻片中間部位，覆蓋面積2.5 cm×1 cm 即可，覆蓋層厚度不易過(guò)大，以將載玻片覆蓋即可，在攤平粉末的過(guò)程中應(yīng)盡量保持覆蓋層的平整。將制好的薄片放在室內(nèi)常溫下涼置，以將其風(fēng)干為止（Deaton & Balsam, 1991）。

由WSD-1A 型色度測(cè)量裝置可以獲得樣品的三刺激值X、Y、Z。X、Y、Z 與L* 、a*和b*之間的關(guān)系如下式（湯順青，1990）：

X0，Y0，Z0為CIE 標(biāo)準(zhǔn)A 光源的三刺激值∶X0=109.87，Y0=100，Z0=35.59。

2.2 總有機(jī)碳（TOC）的測(cè)定

TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析是在中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所完成的，測(cè)試儀器為CS-400 碳硫分析儀。樣品處理過(guò)程如下：取少量樣品，研磨至80目過(guò)篩，以1：7 配制稀鹽酸浸泡，以除去碳酸鹽成分（無(wú)機(jī)碳），在常溫下浸泡直至反應(yīng)完全。處理好的樣品，在溫度20 ℃，相對(duì)濕度為50 環(huán)境下，以CS-400 碳硫分析儀檢測(cè)，檢測(cè)依據(jù)為GB/T 19145-2003，實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)測(cè)定燃燒生成CO2的數(shù)量，求得TOC 數(shù)量。在實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)先測(cè)標(biāo)樣作為標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)樣的有機(jī)碳含量有低、中、高之分，對(duì)于TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的樣品，所采取的標(biāo)樣也需要相應(yīng)地改變，以減小實(shí)驗(yàn)誤差。通過(guò)以上兩步實(shí)驗(yàn)可以測(cè)得51 個(gè)樣品相對(duì)應(yīng)的L*、a*、b*值和TOC 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（見(jiàn)附表）。

3 結(jié)果與分析

3.1 L*、a*、b*與巖性的相關(guān)性

通過(guò)對(duì)51 樣品的色度測(cè)量，獲得巖石色度指標(biāo)的變化趨勢(shì)（圖2），以看出L*與a*的變化趨勢(shì)呈鏡像對(duì)稱(chēng)，而L*/a*與b*的變化趨勢(shì)則大致相同。

圖2 L*、a*、b*及總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（TOC%）的變化趨勢(shì)圖。Fig.2 Tendency chart of the L*、a*、b* and TOC%.

L*和a*呈現(xiàn)出一定的周期性變化規(guī)律，具體數(shù)值上（附表）L*值處于20～31 之間，即為較暗的色調(diào)，具體表現(xiàn)為巖石顏色在灰黑—深灰—淺灰之間變化，并跟相應(yīng)的L*值對(duì)應(yīng)，但是在泥巖中L*表現(xiàn)為波動(dòng)強(qiáng)烈，很不穩(wěn)定，而在砂巖中 L*比較穩(wěn)定。a*值變化于2 到15 之間（很淡的紅色調(diào)），由于受L*控制的明度的影響，這種淡紅色調(diào)基本被掩蓋，但當(dāng)a*值接近15 時(shí)依然會(huì)有所表現(xiàn)，使巖石呈灰棕色，泥巖及砂巖中a*呈正偏趨勢(shì)，即處于紅色調(diào)。b*值變化于-42（淡藍(lán)）和-72（藍(lán)）之間，這可以用來(lái)解釋一些巖石呈現(xiàn)出的綠色調(diào)（L*a*b*效果相互疊加），b*的變化趨勢(shì)與L*相近，二者巖性對(duì)應(yīng)關(guān)系相一致，從L*a*b*的變化曲線可以看出它們的變化具有周期性。

3.2 L*、a*、b*與TOC的相關(guān)性

對(duì)L*、a*、b*與TOC 分別進(jìn)行相關(guān)性分析可知，L*與TOC 呈較顯著的正相關(guān)，b*與TOC呈較顯著負(fù)相關(guān)，而TOC 的變化幾乎不受a*的影響，兩者沒(méi)有相關(guān)性（表1）。分析巖石中總有機(jī)碳（TOC）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以發(fā)現(xiàn)，巖石中TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要在0～5%之間呈現(xiàn)出波動(dòng)性變化，青一段（K2qn1）深灰、灰黑色泥巖中TOC 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯比泉四段（K2q4）灰綠色泥、砂巖中的高，這也表現(xiàn)在巖石的顏色上。而在青一段中出現(xiàn)了TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)17.59%的異常值（K2qn1-18），其原因還需進(jìn)一步探討。在去除這異常值后再次對(duì)L*、a*、b*與TOC′的相關(guān)性分析時(shí)發(fā)現(xiàn)：L*與TOC′、b*與TOC′都呈現(xiàn)出較顯著相關(guān)性。

表1 L*、a*、b*與TOC%、TOC′%的相關(guān)系數(shù)Table1 Correlation coefficient between L*, a*, b* and TOC%, TOC′%

5 結(jié)論與討論

通過(guò)以上探索研究，可以得出相應(yīng)的結(jié)論：L*和a*、b*和a*呈顯著的負(fù)相關(guān)性，即變化趨勢(shì)呈鏡像對(duì)稱(chēng)關(guān)系，而對(duì)應(yīng)的L*和b*則呈較顯著的正相關(guān)性，即變化趨勢(shì)相一致；色度學(xué)指標(biāo)在已固結(jié)的地層研究中仍然有其適用性，b*與TOC呈較顯著的負(fù)相關(guān)性，b*可以作為該地區(qū)總有機(jī)碳（TOC）的限制指標(biāo)，可以用b*來(lái)反映研究區(qū)白堊紀(jì)地層中TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)。但是必須強(qiáng)調(diào)的是，色度學(xué)指標(biāo)在已固結(jié)成巖的地層中的適用性已經(jīng)大大減弱，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如在未固結(jié)成巖沉積物中明顯，原因主要有兩個(gè)方面：一是已固結(jié)成巖的沉積物可能經(jīng)受了各種后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的改造；二是在一定環(huán)境條件下沉積巖發(fā)生了變質(zhì)作用，所以運(yùn)用色度學(xué)指標(biāo)來(lái)判斷已固結(jié)成巖的沉積物各指標(biāo)需謹(jǐn)慎。

白堊紀(jì)是地質(zhì)歷史上相對(duì)溫暖的時(shí)期, 其年平均溫度比現(xiàn)在高10～15 ℃（Frakes，1979）。有孔蟲(chóng)氧同位素?cái)?shù)據(jù)也表明，全球氣溫在土倫階（Turonian）時(shí)期處于極端溫室狀態(tài)，當(dāng)時(shí)地球平均表面溫度比現(xiàn)今高10℃（Huberet al.,1995；Clarkeet al., 1999； Huberet al., 2002；Wilsonet al.,2002），白堊紀(jì)CO2含量是現(xiàn)今含量的4～10 倍（Berner, 1994； Biceet al., 2003）。在全球范圍內(nèi),白堊紀(jì)古氣候旋回性主要是由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、火山活動(dòng)和碳旋回所控制的（張立平等，1994）。有機(jī)碳作為碳旋回中的一部分，與碳酸鹽一起，對(duì)松遼盆地古氣候的研究具有舉足輕重的意義。白堊紀(jì)時(shí)期發(fā)生的著名的“大洋缺氧事件”（Schlanger &Jenkyns, 1976； Jenkyns, 1980； Braloweret al., 1994）與碳旋回密切相關(guān)。

松遼盆地的沉積記錄、孢粉古植物群記錄及碳、氧同位素地球化學(xué)特征等顯示，松遼盆地泉頭組時(shí)期表現(xiàn)為氣候炎熱干旱，之后濕度有所增加，到青山口組一段呈現(xiàn)出逐漸降溫的趨勢(shì)，在青二、三段沉積時(shí)期，發(fā)生了古氣溫的突變事件（升溫事件） , 此時(shí)的氣候已演變?yōu)闊釒夂颍◤埩⑵降龋?994；黃清華等，1999）。張立平等（1994）認(rèn)為碳旋回控制了松遼盆地白堊紀(jì)古氣候的演化，每一溫暖時(shí)期的開(kāi)始都與強(qiáng)烈的火山噴發(fā)作用有關(guān)：成油期、成煤期時(shí)大量有機(jī)碳被埋藏，則溫度相對(duì)降低。白堊紀(jì)的每一次冷暖交替變化都與溫室效應(yīng)的強(qiáng)度有關(guān)。松遼盆地白堊紀(jì)在泉頭組時(shí)期溫度最高，此后呈持續(xù)下降趨勢(shì)，其中小的溫度波動(dòng)，是由于強(qiáng)烈的固碳作用和相對(duì)減弱的火山作用引起的。有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（TOC%）作為碳旋回中的重要部分，對(duì)松遼盆地古氣候的研究具有舉足輕重的意義，b*受到有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（TOC%）的制約，可以反映了古氣候的變化。青一段中的有機(jī)碳異常現(xiàn)象有待進(jìn)一步研究，色度學(xué)指標(biāo)在古氣候研究中的應(yīng)用無(wú)疑給這些究提供了一個(gè)快速、便捷的通道。致謝：

本文感謝中央高?；緲I(yè)務(wù)經(jīng)費(fèi)（No.2652012058） 國(guó)家自然科學(xué)基金（No.11205134）的資助。

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