松嫩平原現(xiàn)代淺水湖泊藻類組合與水體、底泥的耦合關(guān)系

王 雪，張新榮，劉嘉康，付秀麗，蘇楊鑫

1.大慶油田有限責(zé)任公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712；2.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春 130026；3.自然資源部東北亞礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130026；4.吉林省油頁(yè)巖與共生能源礦產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130026

中國(guó)頁(yè)巖油主要分布在二疊系至古近系的多套富有機(jī)質(zhì)陸相湖盆頁(yè)巖層系中[1-2]，其有機(jī)質(zhì)富集機(jī)理研究是油氣勘探領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題[3-5]。研究顯示，我國(guó)湖相富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的成烴生物以藻類為主，不同鹽度的湖泊水體均可形成富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，但湖盆水體的規(guī)模、鹽度、深度、生產(chǎn)力、構(gòu)造、氣候背景等差異顯著，導(dǎo)致不同頁(yè)巖油氣藏或同一頁(yè)巖油氣藏的不同地方產(chǎn)量不同[6-7]，嚴(yán)重制約了頁(yè)巖油優(yōu)選甜點(diǎn)的識(shí)別、評(píng)價(jià)和有效勘探開(kāi)發(fā)[8]。湖盆有機(jī)質(zhì)富集規(guī)律、特征及影響因素研究亟待深入開(kāi)展。

前人從不同角度分析了頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)富集影響因素。BACHU[9]認(rèn)為水化學(xué)性質(zhì)制約沉積有機(jī)質(zhì)的富集。付秀麗等[10]認(rèn)為湖泊水體對(duì)松遼盆地青一段頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)富集有重要影響。部分學(xué)者認(rèn)為高礦化度(大于100 g/L)油氣藏與CaCl2水型有關(guān)，高礦化度(30～100 g/L)的NaHCO3水型與原生油氣藏有關(guān)，低礦化度(小于10 g/L)NaHCO3水型往往與次生油氣藏有關(guān)[11-12]。蔣恕等[7]發(fā)現(xiàn)大部分頁(yè)巖油氣主要富集和產(chǎn)于細(xì)粒沉積，且優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖油氣富集部位常位于遠(yuǎn)離物源區(qū)的淺水區(qū)。劉惠民等[13]則認(rèn)為陸源輸入與水介質(zhì)環(huán)境共同控制了湖盆有機(jī)質(zhì)的富集。所以，深入探討湖盆中的生物群落—水體性質(zhì)—沉積物的相互關(guān)系，對(duì)厘清不同湖泊沉積有機(jī)質(zhì)類型—湖泊水體—沉積物的關(guān)系，推動(dòng)頁(yè)巖油氣富集機(jī)理和影響因素研究有重要的理論價(jià)值。

我國(guó)白堊系陸相湖盆富有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖發(fā)育在松遼盆地青山口組一段、嫩江組一、二段[1]。青一段有機(jī)質(zhì)具有水生藻類和陸源高等植物雙重來(lái)源特征，為微咸水—咸水湖盆，巖性以灰黑色泥頁(yè)巖為主[14]，但不同湖泊亞相有機(jī)質(zhì)含量差異很大。嫩一、二段有機(jī)質(zhì)來(lái)源于水生藻菌和介形蟲(chóng)，水體鹽度波動(dòng)較大，巖性為深灰、灰綠色泥頁(yè)巖、粉砂巖[15]，但不同有機(jī)母質(zhì)生源對(duì)沉積環(huán)境的依賴程度不同。搞清這些有機(jī)質(zhì)差異原因的一個(gè)重要前提是分析湖泊環(huán)境演化過(guò)程中，藻類群落和水體、沉積物之間的關(guān)系。

白堊紀(jì)以來(lái)，松遼盆地一直處于沉降狀態(tài)[16]，其上廣闊的松嫩湖泊群的物源與白堊紀(jì)沉積基本一致，湖底發(fā)育一套暗色泥質(zhì)沉積，水體中發(fā)育硅藻、綠藻、藍(lán)藻、裸藻、甲藻等多種水生生物[17]，為研究現(xiàn)代湖泊藻類群落—水體—底泥沉積物之間的耦合關(guān)系提供了理想素材和背景。中內(nèi)泡是松遼盆地內(nèi)部一個(gè)長(zhǎng)期沉積的半封閉淺水湖，湖內(nèi)水生生物繁盛，底淤泥呈灰、深灰、灰黑色，是本區(qū)湖泊的典型代表。以中內(nèi)泡為研究對(duì)象，通過(guò)湖中藻類產(chǎn)量和豐度、水體礦化度、酸堿度、離子含量以及底泥的粒度、磁化率和色度等的分析，探討各要素之間的耦合關(guān)系，可為該區(qū)小規(guī)模半封閉淺水湖泊沉積有機(jī)質(zhì)富集影響因素研究提供基礎(chǔ)資料，推動(dòng)陸相湖盆有機(jī)質(zhì)富集機(jī)理研究，為松遼盆地白堊紀(jì)—新近紀(jì)湖泊沉積物中藻類組合對(duì)油氣的貢獻(xiàn)研究提供將今論古的科學(xué)依據(jù)，指導(dǎo)非常規(guī)油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)。

1 地理背景

松嫩湖泊群地處溫帶亞濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫3～6 ℃，年均降水量360～480 mm，年均蒸發(fā)量1 600～1 900 mm，海拔200 m以下，沼澤濕地廣布[16]。中內(nèi)泡位于松嫩平原東北部，屬于大慶湖泊群中的一個(gè)，平面上呈葫蘆形(圖1)，湖泊水域面積約13 km2。水源補(bǔ)給以地表徑流和降雨為主，水深平均2.67 m，最深3.2 m，泡內(nèi)藻類植物繁盛，周圍森林覆蓋率較低，屬于草甸草原系列。周邊土壤主要為風(fēng)沙土、黑鈣土和少量草甸土，鹽堿化現(xiàn)象顯著。

2 樣品采集

藻類及水體采樣點(diǎn)位于中內(nèi)泡湖水入水口KKA3、出水口KKA2和湖灣KKA1(圖1)，采集時(shí)間為2020年10月中旬。KKA1點(diǎn)水深約2.8 m；KKA2點(diǎn)水深約2.3 m，KKA3點(diǎn)水深約1.8 m。以采樣點(diǎn)為中心，在10 m2面積范圍內(nèi)用5 L錐形桶相對(duì)均勻地從水底向上按照深度等間隔均勻獲得水體50L，離心濃縮至500mL容量瓶?jī)?nèi)，用標(biāo)準(zhǔn)魯格試液保存。用0.05 mL/滴的滴管制作活動(dòng)片，在400倍顯微鏡下進(jìn)行鑒定統(tǒng)計(jì)[18-19]，每個(gè)樣品統(tǒng)計(jì)350粒以上。在大慶油田勘探開(kāi)發(fā)研究院實(shí)驗(yàn)室對(duì)水樣進(jìn)行離子濃度和水體礦化度測(cè)試。

底泥采樣點(diǎn)08A1、05A1、07A1分別位于上述樣點(diǎn)旁5 m以內(nèi)，采集時(shí)間為2021年3月上旬，用SDI VC-D高頻振動(dòng)鉆機(jī)鉆取24 cm底泥(圖1)。原樣密封帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行1 cm間隔分樣。所有樣品用英國(guó)Bartingon MS2B磁化率儀進(jìn)行低頻(0.47 kHz)、高頻(4.7 kHz)和頻率磁化率測(cè)定，測(cè)量5次取平均值。同時(shí)，采用WR-18型色差儀測(cè)得亮度(L*)、紅度(a*)和黃度(b*)，測(cè)量3次取平均值。鉆孔表層10 cm的樣品進(jìn)行X射線沉降粒度分析(SediGraph Ⅲ 5125)，獲得Stokes沉降原理下0.1～300 μm粒度質(zhì)量百分比。

圖1 松嫩平原中內(nèi)泡地理位置及采樣點(diǎn)分布Fig.1 Geographical location and sampling distribution of Zhongnei Lake, Songnen Plain

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 水體性質(zhì)

表1 松嫩平原中內(nèi)泡湖泊水體主要離子濃度Table 1 Concentration of main ions in water body of Zhongnei Lake, Songnen Plain

3.2 藻類組成

中內(nèi)泡鑒定出硅藻、黃藻、藍(lán)藻、裸藻、綠藻、隱藻共6門35屬54種藻類(表2，圖2)。藍(lán)藻占藻類總產(chǎn)量56.07%，硅藻占22.54%，綠藻占16.62%，且以聚球藻屬、席藻屬、小環(huán)藻屬、纖維藻屬含量居多。松遼盆地白堊系—古近系中的盤(pán)星藻(綠藻)和藍(lán)藻對(duì)油氣資源有一定貢獻(xiàn)[20-21]，中內(nèi)泡綠藻和藍(lán)藻產(chǎn)量占所有藻類的72.69%，高于白堊系的產(chǎn)量，可視為具一定的生油潛能的藻類。但湖內(nèi)各點(diǎn)藻類種類和產(chǎn)量并不相同。湖灣KKA1藻類產(chǎn)量約7.2×104個(gè)/L，以硅藻含量居多，為45%，其次為綠藻33%，藍(lán)藻15%，隱藻、黃藻和其他藻類含量均較低。出水口KKA2藻類產(chǎn)量為5.27×104個(gè)/L，以藍(lán)藻含量最高，為66%，其次為硅藻17%，綠藻13%。入水口KKA3藻類植物總產(chǎn)量為9.7×104個(gè)/L，以綠藻含量最多，為44%，硅藻為39%，藍(lán)藻為12%，裸藻、黃藻和其他藻類較少(圖3a)，可見(jiàn)同一現(xiàn)代湖泊中不同的沉積環(huán)境下藻類組合不同，這可能是藻類油氣貢獻(xiàn)率不同的原因之一。

圖2 松嫩平原中內(nèi)泡主要藻類顯微圖片硅藻：1，2為針桿藻屬；3為直鏈藻屬；4為尖針桿藻；5為橋?yàn)吃鍖伲?為舟形藻屬；7，8，9，10為小環(huán)藻屬；11為小環(huán)藻屬和脆桿藻屬；12，13為針桿藻屬；14為羽紋藻屬；15為二頭脆桿藻；16為針形菱形藻。綠藻：18，19，20，23，24，25為盤(pán)星藻屬；21，22為微茫藻屬；26，27，28，29，30，31，32，33，34，40為柵藻屬；35，36，37，38，39為鐮形纖維藻屬；41為蹄形藻屬；42，43為弓形藻屬；44為集星藻屬。藍(lán)藻：17為席藻屬；45，46為色球藻屬；47為魚(yú)腥藻屬。裸藻：48為扁裸藻屬；49為旋紋裸藻。Fig.2 Micrographs of main algaes in Zhongnei Lake, Songnen Plain

3.3 底泥特征

中內(nèi)泡入水口、湖灣和出水口10～24 cm深的底泥均為深灰色粉砂質(zhì)淤泥，表層10 cm為深灰色淤泥質(zhì)粉砂(圖3b)，巖性一致。但色度和磁化率存在差異，底泥亮度L*只有05A1孔向上明顯降低，均值最大，07A1孔和08A1孔垂向變化不明顯，均值較?。患t度a*垂向變化均不明顯，以07A1孔均值最大，05A1孔最?。稽S度b*均向上降低，以05A1孔均值最大(圖3c，圖4)。低頻和高頻磁化率以出水口處向上減小顯著，其他兩處變化不明顯，頻率磁化率以出水口向上增加顯著，其他相對(duì)穩(wěn)定(圖3d，圖5)。光沉降粒度分析結(jié)果顯示，本湖泊表層底泥均為細(xì)粒沉積，其中入水口處的08A1孔峰值粒徑為35.5 μm，湖灣處和出水口附近峰值粒徑為31.6 μm(圖6)。

圖3 松嫩平原中內(nèi)泡藻類植物組合(a)、底泥泥心(b)及色度均值(c)、磁化率均值(d)特征Fig.3 Characteristics of algal assemblage (a), sediment lithology (b), mean value of chromaticity (c) and mean value of magnetic susceptibility (d) in Zhongnei Lake, Songnen Plain

圖4 松嫩平原中內(nèi)泡泥巖采樣點(diǎn)表層10 cm底泥剖面色度隨深度變化Fig.4 Chromaticity vs. depth of surface sediments (10 cm thick) in sampling locations in Zhongnei Lake, Songnen Plain

圖5 松嫩平原中內(nèi)泡泥巖采樣點(diǎn)表層10 cm底泥剖面磁化率隨深度變化Fig.5 Magnetic susceptibility vs. depth of surface sediments (10 cm thick) in sampling locations in Zhongnei Lake, Songnen Plain

圖6 松嫩平原中內(nèi)泡泥巖采樣點(diǎn)表層10 cm沉積物光沉降粒度—質(zhì)量頻率分布Fig.6 Partical size by photosedimentation vs. mass frequency of surface sediments (10 cm thick) in sampling locations in Zhongnei Lake, Songnen Plain

4 討論

4.1 湖泊水體、藻類與底泥關(guān)系

中內(nèi)泡Margalef多樣性指數(shù)D值平均為6.85，高于標(biāo)準(zhǔn)值(5)[22]，水體清澈，有利于太陽(yáng)輻射的吸收[23-24]。參考HEISKANEN等北溫帶湖泊分層研究[24]，以及北美Wingra湖淺水不分層的特點(diǎn)[25]，同氣候帶的中內(nèi)泡水體不具備分層條件，湖底沉積物與上層水體熱量交換后的全年凈熱量近于零，結(jié)合湖水理化性質(zhì)及水體的半封閉特征，初步判斷該湖為弱酸性半封閉混合型平原微咸水湖。

McNaughton優(yōu)勢(shì)度指數(shù)，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)顯示，中內(nèi)泡藻類以藍(lán)藻—硅藻—綠藻為優(yōu)勢(shì)，其中入水口和湖灣處豐度高，群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，出水口處藻類豐度差，群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較弱。溫帶湖泊冬季浮游植物以硅藻為優(yōu)勢(shì)種群；春季綠藻豐度隨溫度上升而升高，藍(lán)藻則因硅限制而易成為夏秋的主要優(yōu)勢(shì)種群[26-27]。本文采樣時(shí)間為秋季，秋季中內(nèi)泡東南風(fēng)正向西北風(fēng)轉(zhuǎn)變，北側(cè)入水口向陽(yáng)避風(fēng)，水溫較高，使得綠藻含量相對(duì)較高；西南側(cè)湖灣風(fēng)力擾動(dòng)較弱，藻類的相對(duì)聚集使硅藻轉(zhuǎn)而繁盛；東南側(cè)下風(fēng)向的出水口則進(jìn)一步因硅的限制而導(dǎo)致藍(lán)藻相對(duì)富集?？梢?jiàn)，中內(nèi)泡不同位置藍(lán)藻、綠藻、硅藻豐度的不同受水溫影響明顯，而這又顯著受控于當(dāng)?shù)仫L(fēng)場(chǎng)的干擾。

中內(nèi)泡底泥巖性單一，均為深灰色細(xì)粒沉積，但磁化率反映了沉積物超順磁顆粒(SP)的分布特征[28]，入湖沉積物中較高的超順磁SP顆粒含量和出水口附近較低超順磁顆粒含量，與粒度組成負(fù)相關(guān)。色度L*反映了湖灣底泥沉積物中有機(jī)質(zhì)含量高于入水口和出水口，紅度a*和黃度b*反映了中內(nèi)泡底泥中鐵的氫氧化物含量很小，處于弱氧化還原環(huán)境[29]。

將中內(nèi)泡硅藻、綠藻、藍(lán)藻的含量、湖泊底泥色度、磁化率和粒度參數(shù)進(jìn)行皮爾遜相關(guān)分析，可知泡內(nèi)底泥的色度、磁化率以及粒度的均值、峰值與藻類之間有很強(qiáng)的相關(guān)性(表4)。藻類中，硅藻與綠藻呈正相關(guān)，與藍(lán)藻呈負(fù)相關(guān)，反映了硅藻和綠藻伴生共存，與藍(lán)藻的生存環(huán)境相差較大。硅藻、綠藻和底泥的亮度L*顯著負(fù)相關(guān)，與底泥紅度a*顯著正相關(guān)；藍(lán)藻和底泥亮度L*正相關(guān)，與紅度a*負(fù)相關(guān)，可見(jiàn)底泥的顏色越暗，其水體中的硅藻和綠藻的含量越高，藍(lán)藻含量則越少。硅藻、綠藻和底泥磁化率呈顯著正相關(guān)，藍(lán)藻則相反，說(shuō)明中內(nèi)泡內(nèi)磁化率較高的底泥，對(duì)應(yīng)含量較高的硅藻和綠藻，而磁化率相對(duì)低的底泥則對(duì)應(yīng)較高含量的藍(lán)藻。硅藻與沉積物粒度標(biāo)準(zhǔn)偏差負(fù)相關(guān)，綠藻反之，藍(lán)藻則無(wú)關(guān)，說(shuō)明較低的沉積物分選對(duì)應(yīng)較低的硅藻含量，較高的分選程度對(duì)應(yīng)較高的綠藻含量。由此可見(jiàn)，中內(nèi)泡水體中，湖泊底泥沉積物的亮度較小，紅度較大，有機(jī)質(zhì)含量多時(shí)，水體流動(dòng)性相對(duì)強(qiáng)，則綠藻繁盛，反之則硅藻繁盛；當(dāng)?shù)啄嗔炼却?，紅度小，有機(jī)質(zhì)含量少時(shí)，藍(lán)藻則相對(duì)繁盛。這在一定程度上解釋了入水口附近綠藻含量高，湖灣處硅藻含量高，出水口附近藍(lán)藻含量高的現(xiàn)象。

4.2 對(duì)中新生代陸相湖盆油頁(yè)巖富集因素研究的啟示

泥頁(yè)巖沉積時(shí)期的水生生物是富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖形成的重要前提，其群落結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與沉積環(huán)境和陸源碎屑密切相關(guān)。中內(nèi)泡位于松嫩平原腹地，屬于弱酸性半封閉混合型平原微咸水湖泊，流域物源供給相對(duì)穩(wěn)定。泡內(nèi)藍(lán)藻優(yōu)勢(shì)發(fā)育在出水口附近，群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較弱。硅藻優(yōu)勢(shì)發(fā)育在湖灣，綠藻則發(fā)育在湖水入口附近，二者群落結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。本文分析這種差異可能與當(dāng)?shù)仫L(fēng)場(chǎng)對(duì)湖泊水體的控制作用有關(guān)，即湖灣處或避風(fēng)處有機(jī)質(zhì)豐度最大，風(fēng)場(chǎng)下風(fēng)口方向易于藍(lán)藻富集、避風(fēng)向陽(yáng)處易于綠藻富集，因此古地形和古風(fēng)場(chǎng)對(duì)淺湖相非常規(guī)油頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)富集存在一定影響。

松遼盆地白堊系青山口組一段有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型和Ⅱ1型干酪根為主[14,30]，其中水體相對(duì)較淺的東南隆起區(qū)油頁(yè)巖中的湖生藻類以層狀藻占優(yōu)勢(shì)，豐度比中央凹陷區(qū)高。白堊系嫩江組油頁(yè)巖沉積時(shí)期嫩一段和嫩二段下部有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ型干酪根，綠藻、藍(lán)藻構(gòu)成的層狀藻為主要來(lái)源，嫩二段上部有機(jī)質(zhì)為Ⅲ型干酪根，結(jié)構(gòu)藻占相對(duì)優(yōu)勢(shì)[31]。同種湖相地層，同種水化學(xué)類型，但有機(jī)質(zhì)豐度不同，本文的研究結(jié)果促使人們可以從古地形和風(fēng)場(chǎng)角度分析其影響因素。同樣，銀額盆地下白堊統(tǒng)巴音戈壁組深灰色淺湖—深湖密集段油頁(yè)巖[32]，鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7 段上部局部富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的細(xì)粒砂巖[33]，準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組粉細(xì)砂巖、泥巖和碳酸鹽巖組成的混積巖[34]，渤海灣盆地古近系沙四上亞段咸水湖盆有機(jī)質(zhì)藻類豐富的灰質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)灰?guī)r和混合細(xì)粒巖[35]等，也可以嘗試從古地形和古風(fēng)場(chǎng)的角度分析有機(jī)質(zhì)富集機(jī)制。

5 結(jié)論

(1)中內(nèi)泡是松嫩平原上小型弱酸性半封閉混合型微咸水湖，泡中藻類群落為藍(lán)藻—硅藻—綠藻占優(yōu)的組合類型。湖中入水口、湖灣和出水口處的優(yōu)勢(shì)藻類有顯著不同，硅藻和綠藻優(yōu)勢(shì)發(fā)育區(qū)在水體流動(dòng)性較弱的湖灣和較強(qiáng)的入水口區(qū)域，綠藻喜溫暖水域。藍(lán)藻優(yōu)勢(shì)發(fā)育在下風(fēng)口區(qū)域。

(2)中內(nèi)泡湖泊表層10 cm底泥均為深灰色粉砂質(zhì)泥或泥質(zhì)粉砂，磁化率、色度和光沉降粒度卻存在明顯不同，且上覆水體藻類與底泥有很強(qiáng)的相關(guān)性，差異明顯。這種差異受流域地形影響，與風(fēng)場(chǎng)對(duì)水體的擾動(dòng)有關(guān)。

(3)松遼盆地及其他地區(qū)中新生代同種湖相地層，同種水化學(xué)類型，但有機(jī)質(zhì)豐度不同的一個(gè)原因可能與當(dāng)?shù)毓诺匦魏惋L(fēng)場(chǎng)有關(guān)，這一認(rèn)識(shí)對(duì)淺湖相油頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)富集研究有一定參考價(jià)值。