江凱禧, 李曉光, 李鐵軍, 黃舒雅, 張妮, 趙雪培, 夏長發(fā), 張新培, 樊佐春, 林春明

1) 南京大學地球科學與工程學院，南京，210023;2) 中石油遼河油田分公司勘探開發(fā)研究院，遼寧盤錦，124010;3) 金陵科技學院材料工程學院，南京，211169

內(nèi)容提要: 為探究陸相扇三角洲前緣沉積生物擾動特征，以遼河拗陷大民屯凹陷沈檢5井古近系沙河街組三段扇三角洲前緣沉積巖芯為研究對象，對生物遺跡化石進行了鑒定，統(tǒng)計了垂向剖面上生物擾動層厚度和擾動指數(shù)的分布特征。依據(jù)主微量元素參數(shù)反映的沉積條件，探討了生物擾動層厚度和擾動指數(shù)與沉積環(huán)境的響應關(guān)系。研究結(jié)果表明，沈檢5井S34Ⅱ和S34Ⅰ油層組發(fā)育生物擾動構(gòu)造，生物遺跡化石以古藻跡(Palaeophycus)和漫游跡(Planolites)占優(yōu)勢為特征。生物擾動構(gòu)造主要發(fā)育于水下分流間灣微相沉積物中，擾動層厚度在5～51 cm，擾動指數(shù)以3～5級為主。主微量元素參數(shù)分析表明S34Ⅱ和S34Ⅰ油層組沉積期的古氣候、古生產(chǎn)力、古鹽度和古水深條件相近，即為相對溫濕的古氣候、低古生產(chǎn)力、淡水—微咸水鹽度條件和淺水沉積環(huán)境。沉積環(huán)境變化幅度小是造成S34Ⅱ油層組與S34Ⅰ油層組發(fā)育的生物擾動層厚度和擾動指數(shù)差異不明顯的主要原因。但當前研究還難以明確單個油層組內(nèi)生物擾動層厚度和擾動指數(shù)變化的主控因素。該項研究加深了對陸相淺水扇三角洲前緣沉積環(huán)境遺跡化石組成和生物擾動指數(shù)變化特征的認識。

遺跡化石是指地質(zhì)歷史時期的生物遺留在沉積物表面或沉積物內(nèi)部的各種生命活動的形跡構(gòu)造所形成的化石，也稱痕跡化石，是各種生物成因的沉積構(gòu)造，如各種生物擾動、足跡、移跡、潛穴、糞化石等。沉積地層中的遺跡化石屬種、組構(gòu)類型及生物擾動強度能為古環(huán)境重建提供關(guān)鍵信息，如沉積速率、古水深、古鹽度、沉積能量、底水和孔隙水的氧化還原條件等(李應暹等, 1997; 楊式溥等, 2004; Seilacher, 2007; 龔一鳴等, 2009; 林春明, 2019)，是沉積環(huán)境分析的重要相標志。全球性生物大滅絕和復蘇也會在遺跡化石上留下關(guān)鍵信息(趙小明和童金南, 2010; 周志澄等, 2014; 張立軍等, 2015)。遺跡化石有別于實體化石，是一定沉積環(huán)境背景下的古代生物行為和習性的巖石記錄(龔一鳴等, 2009)。生物擾動是生物對沉積物的改造，其強度的變化與沉積條件密切關(guān)聯(lián)。

圖1 遼河拗陷大民屯凹陷地質(zhì)背景及沈檢5井位置圖Fig. 1 Geologic settings of the Damintun Sag, Liaohe Depression, and the location of the Well Shenjian-5(a)大民屯凹陷地理位置圖(據(jù)孟衛(wèi)工, 2006, 略修改)；(b)大民屯凹陷構(gòu)造簡圖(據(jù)孟衛(wèi)工, 2006, 略修改)；(c)研究區(qū)地層柱狀圖(據(jù)孟衛(wèi)工, 2006, 略修改)；(d)研究區(qū)S34Ⅱ油層組沉積相平面圖及研究井位圖(a)Location of the Damintun Sag(modified from Meng Weigong, 2006&);(b)simplified tectonic map of the Damintun Sag(modified from Meng Weigong, 2006&);(c)general columnar section of the study area in the Damintun Sag(modified from Meng Weigong, 2006&); (d)a depositional facies map of the S34II oil layer group in the study area, and the location of the Well Shenjian-5

自Seilacher(1967)建立起遺跡相與水體深度的關(guān)聯(lián)性以來，遺跡化石在沉積環(huán)境解釋上的價值逐漸受到重視。相較于海相盆地，陸相盆地遺跡化石的研究程度相對較低(Seilacher, 2007)。Frey和Pemberton (1987)明確了Scoyenia遺跡相代表陸相低能淺水或潮濕底質(zhì)的河湖過渡環(huán)境；Smith 等(1993)建立了代表陸上古土壤環(huán)境的Termitichnus遺跡相；Buatois 和Mangao(1995)提出了代表湖泊水下沉積環(huán)境的Mermia遺跡相。我國學者在陸相遺跡化石研究上也取得了重要成果，特別是對濱淺湖和半深湖—深湖相的遺跡化石組構(gòu)特征及古環(huán)境意義方面開展了詳細研究(李應暹等, 1997; 盧宗盛等, 2003; 劉彥博等, 2009; 林春明, 2019)。在遺跡化石研究方法上，以野外露頭和巖芯樣品的觀察描述為基礎(楊式溥等, 2004; 王約等, 2004)，并越來越多地應用了碳氧同位素、微量元素、CT掃描、掃描電子顯微鏡和三維重建等方法和技術(shù)(牛永斌等, 2008; 丁奕等, 2016; 陳浩等, 2018; 陳翔等, 2018; 宋慧波等, 2019)。

以往研究注重對我國陸相沉積盆地遺跡化石屬種、組構(gòu)類型及其沉積環(huán)境指示意義的分析(李應暹等, 1997; 盧宗盛等, 2003; 楊式溥等, 2004; 龔一鳴等, 2009)，但較少聚焦于巖芯生物擾動層厚度和擾動指數(shù)與沉積條件變化的協(xié)同響應關(guān)系研究。前人在本研究區(qū)遼河拗陷巖芯遺跡化石鑒定、遺跡組構(gòu)劃分與命名及其沉積環(huán)境解釋上開展了細致的研究(李應暹等, 1997; 盧宗盛等, 2003)，為本研究工作中的遺跡化石識別和組構(gòu)劃分提供了重要指導。本次研究聚焦于沈檢5井，該井位于遼河拗陷大民屯凹陷，對古近系沙河街組湖相淺水扇三角洲前緣沉積地層沙三四亞段第二和第一油層組(S34Ⅱ和S34Ⅰ)進行了連續(xù)取芯，獲取巖芯長近132 m，巖芯中遺跡化石和生物擾動構(gòu)造發(fā)育。淺水三角洲沉積在我國陸相含油氣盆地廣泛發(fā)育，其中淺水三角洲前緣砂體是重要的油氣儲集層(徐振華等, 2019)，也是大民屯凹陷重要的勘探和開發(fā)目標(李曉光等, 2017)，因此取芯層段較連續(xù)，為本研究提供了基本素材。巖芯遺跡化石和生物擾動的研究能為淺水三角洲前緣沉積的判識和演化分析提供關(guān)鍵證據(jù)，有利于大民屯凹陷的油氣勘探與開發(fā)。

本文側(cè)重于生物擾動層厚度和擾動指數(shù)的垂向剖面分布特征及其與沉積條件變化響應關(guān)系的探討。研究成果能為研究區(qū)和類似沉積盆地的淺水扇三角洲前緣沉積環(huán)境判識提供生物遺跡化石的證據(jù)，加深對生物擾動強度與沉積條件協(xié)同響應關(guān)系的認識，具有一定理論和實際應用價值。

1 地質(zhì)背景

遼河拗陷位于渤海灣盆地東北部，被劃分為6個主要次級構(gòu)造單元，分別是大民屯凹陷、西部凸起、西部凹陷、中央凸起、東部凹陷和東部凸起(圖1a)，總體上呈北東向展布(李曉光等, 2017, 2019)。大民屯凹陷位于遼河拗陷東北部，面積約800 km2，平面上似橢圓形，是中、新生代小型陸相凹陷(武毅等, 2017)。研究區(qū)位于大民屯凹陷靜安堡—東勝堡構(gòu)造帶的中部(圖1b)。大民屯凹陷主要發(fā)育太古宇、元古宇、中生界及新生界的古近系、新近系和第四系地層。其中古近系地層主要發(fā)育陸相湖泊—扇三角洲沉積體系。

大民屯凹陷古近系地層自下而上劃分為房身泡組、沙河街組及東營組(圖1c)，其中沙河街組由下至上分別發(fā)育沙四段、沙三段和沙一段，缺少沙二段；新近系自下而上發(fā)育館陶組和明化鎮(zhèn)組(孟衛(wèi)工, 2006； 趙明等, 2011; 武毅等, 2017)。沙河街組沙三段為穩(wěn)定沉陷構(gòu)造背景下沉積的一套地層，為大民屯凹陷主要含油氣層系之一。沙三段由下至上又劃分為沙三四(S34)、沙三三(S33)、沙三二(S32)及沙三一(S31)四個沉積旋回亞段(張妮等, 2020)。其中S34段自下而上又被分為S34Ⅳ、S34Ⅲ、S34Ⅱ和S34Ⅰ四個次一級沉積旋回的油層組。本文目的層為S34Ⅱ和S34Ⅰ油層組，為淺水扇三角洲前緣亞相沉積(圖1d; 李曉光等, 2017)。

2 樣品與實驗分析

沈檢5井為2015年完鉆的取芯井，S34Ⅱ和S34Ⅰ油層組為連續(xù)取芯，樣品保存好，有利于遺跡化石和生物擾動構(gòu)造的觀察描述和樣品采集。

S34Ⅱ和S34Ⅰ油層組的53個巖芯樣品開展了主微量元素含量分析，均在南京大學內(nèi)生金屬礦床成礦機制研究國家重點實驗室完成。用于測定全巖主量和微量元素的樣品均通過清洗，去除表面灰塵，通過無污染研磨獲得200目的粉末樣品。主量元素測試前需將粉末樣品放置在型號為BPG-9040A的恒溫干燥箱中以105℃烘干約4 h，之后稱取1 g烘干的粉末樣品和11 g助熔劑(四硼酸鋰)，混合搖勻后倒入鉑金坩堝，放入THEOXD型全自動電熔爐中，在一般氧化物程序下高溫加熱熔融制備成堿熔玻璃片，Thermo ARL 9900型X射線熒光光譜儀測試所用電流和電壓分別為50 mA和50 kV。此外，還需稱取0.5 g粉末樣品在105 ℃下高溫加熱1 h獲得燒失量(LOI)。根據(jù)國際巖石標準參考物質(zhì)(BHVO-2、BCR-2和RGM-2)的測定值，所有元素的相對誤差均小于3%。

全巖微量元素分析主要流程為：稱取大約50 mg烘干的粉末樣品于干凈的Teflon溶樣罐中，加入1.0 mL HF溶解后放置于130℃的電熱板上；待樣品蒸至濕鹽狀后再次加入1.5 mL HF和1.0 mL HNO3，并將溶樣罐置于密封高壓釜中在190℃烘箱中加熱72 h以上使樣品進一步溶解，后將樣品從高壓釜中取出并蒸至濕鹽狀，再重復兩次加1 mL HNO3蒸至濕鹽狀；下一步，加入1.5 mL HNO3和2 mL H2O后再次將溶樣罐置于密閉高壓釜中在120℃烘箱中加熱12 h；最后將溶樣罐中的溶液轉(zhuǎn)移至容量瓶中，加入1 mL 500 μg/L Rh內(nèi)標溶液并稀釋到50 mL用于測試，測試儀器為Finnigan Element Ⅱ HR-ICP-MS。樣品測定值的相對誤差小于10%，且大多數(shù)在5%以內(nèi)。

3 結(jié)果與討論

3.1 淺水扇三角洲前緣沉積特征

三角洲既可以發(fā)育于陸相湖泊環(huán)境，也可以在海洋環(huán)境，其本質(zhì)是來自物源區(qū)的風化物質(zhì)被河流搬運到水體能量相對穩(wěn)定的可容空間所形成的似三角形沉積體。由于造成三角洲差異化的地質(zhì)因素眾多，從而出現(xiàn)各種分類方案。扇三角洲主要依據(jù)供源體性質(zhì)劃分而來，即以沖積扇為供源，以底負載搬運方式為主所形成的三角洲(林春明, 2019)。湖相淺水扇三角洲形成的必要條件是湖泊水體淺且湖盆邊緣地形坡度小。由于大民屯凹陷為小型斷陷湖盆，發(fā)育的淺水扇三角洲具有物源供給充足，搬運距離短、水下分流河道砂巖粒度粗的特點。其中發(fā)育的古生物化石多為生活于淺水和低鹽度環(huán)境的生物，如沼澤擬星介、盤星藻屬和階狀似瘤田螺等(孟衛(wèi)工, 2006)。

沈檢5井S34Ⅱ和S34Ⅰ油層組發(fā)育水下分流河道微相、水下分流間灣微相(富砂)和水下分流間灣微相(富泥)沉積(圖1d)，未見河口壩發(fā)育，符合常見淺水扇三角洲前緣沉積特點(王立武, 2012; 朱筱敏等, 2013)。S34Ⅱ和S34Ⅰ油層組的巖性和沉積構(gòu)造組成特征非常相似。在此以S34Ⅰ油層組為例，該油層組未見暴露標志的氧化色泥巖；巖性上砂巖發(fā)育，泥巖少，主要為淺灰色和灰色，少見深灰色(圖2)。水下分流河道沉積主要發(fā)育砂礫巖、含礫砂巖、粗砂巖和細砂巖，礫石主要以細礫為主，少見中礫，棱角—次圓狀為主。水下分流河道砂體底部發(fā)育沖刷面，常見泥礫(圖2)。水下分流間灣(富砂)沉積以粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖為主，水下分流間灣(富泥)沉積以泥巖和粉砂質(zhì)泥巖為主。在沉積構(gòu)造上，水下分流河道砂巖以塊狀層理和遞變層理為主。未發(fā)現(xiàn)辮狀河三角洲前緣沉積常見的側(cè)積交錯層理、板狀和槽狀交錯層理，特別是厚0.5 m以上的交錯層(李維鋒等, 2000)。水下分流間灣沉積以發(fā)育小型波狀層理、透鏡狀層理和水平層理為主，生物擾動構(gòu)造發(fā)育且擾動強度較高，反映水體較淺和溶解氧含量較高的特征。

湖相淺水扇三角洲前緣水下分流河道微相測井曲線常以中幅箱形—鐘形為主，反映重力流與牽引流雙重搬運的特點(朱筱敏等, 2013)。S34Ⅰ油層組水下分流河道微相測井曲線特征為中至高幅微齒或齒化箱形；水下分流間灣(富砂)微相以中等齒化形態(tài)為主，偶夾指狀形態(tài)；水下分流間灣(富泥)以低幅平直形或微齒化形態(tài)為主(圖2)。以上S34Ⅰ油層組巖性、沉積構(gòu)造和測井曲線等各項特征均反映其為淺水扇三角洲前緣沉積。

圖2 遼河拗陷大民屯凹陷沈檢5井S34Ⅰ油層組巖性和沉積構(gòu)造特征Fig. 2 The lithology and sedimentary structure characteristics of the S34Ⅰoil layer group from the Well Shenjian-5 in the Damintun Sag, Liaohe Depression(a)小型波狀層理及透鏡狀層理；(b)沖刷面，撕裂狀泥礫；(c)沖刷面，見泥礫；(d)塊狀層理；(e)沖刷面，泥礫發(fā)育；(f)小型水流波紋層理；(g)滑塌構(gòu)造；(h)液化脈狀砂；(i)變形構(gòu)造(a)Small-scale ripple and lenticular beddings；(b)scour surface，lacerate muddy gravels；(c)scour surface，muddy gravels；(d)massive bedding；(e)scour surface，muddy gravels；(f)small-scale current ripple lamination；(g)slump structure；(h)liquefied-sand veins；(i)deformation structure

3.2 生物遺跡組構(gòu)類型

根據(jù)生物遺跡化石特征可判識造跡生物類型。生物的活動和生活習性必然要適應環(huán)境，即“適者生存”，故特定的生物活動和生活習性亦反映其所處環(huán)境的特點，因此遺跡化石及其組構(gòu)類型能為沉積環(huán)境解釋提供重要信息。

參考李應暹等(1997)和盧宗盛等(2003)對遼河拗陷陸相遺跡化石與沉積環(huán)境關(guān)系的研究成果。根據(jù)沈檢5井S34Ⅱ和S34Ⅰ油層組的生物遺跡化石特征(圖3)，發(fā)現(xiàn)主要以古藻跡(Palaeophycus)和漫游跡(Planolites)遺跡化石為主，也見墻形跡(Teichichnus)遺跡化石，為Palaeophycus—Planolites遺跡組構(gòu)(盧宗盛等, 2003; 胡斌等, 2017)。

Palaeophycus遺跡具有生物在沉積層內(nèi)快速進食的特點(Ayranci et al., 2014; Paz et al., 2020)，常被認為是由食沉積物生物形成的潛穴(楊式溥等, 2004)， 其圍巖常為雜基含量較高的細粒砂巖(圖3 a、b、c)。Palaeophycus的潛穴較小，通常指示水體較淺和沉積速率較快的環(huán)境(胡斌等, 2017)。

Planolites遺跡化石為小個體類型的漫游跡，喜泥質(zhì)基底(McIlroy, 2004; Ayranci et al., 2014)，常被認為是食沉積物生物所形成的覓食構(gòu)造(李應暹等, 1997; 楊式溥等, 2004)。Planolites的潛穴延伸長度較短，一般介于0.8～1.5 cm，常呈微彎曲狀，不分枝，與層面平行或斜交(圖3 d、e)。Planolites的潛穴充填物無結(jié)構(gòu)，其顏色和圍巖不同，為淺灰色泥質(zhì)粉砂巖，而圍巖主要為水下分流間灣微相的灰色泥質(zhì)粉砂巖或粉砂質(zhì)泥巖(圖3 d、e)。

圖3 遼河拗陷大民屯凹陷沈檢5井S34Ⅱ和S34Ⅰ油層組的生物遺跡化石特征Fig. 3 Trace fossils in the S34Ⅱ and S34Ⅰ oil layer groups in the Well Shenjian-5 in the Damintun Sag, Liaohe Depression(a)—(c)Palaeophycus遺跡；(d)、(e)Planolites遺跡；(f)Teichichnus遺跡。 Pa：Palaeophycus；Pl：Planolites；Te：Teichichnus(a)—(c)Palaeophycus；(d),(e)Planolites；(f)Teichichnus. Pa：Palaeophycus；Pl：Planolites； Te：Teichichnus

Teichichnus遺跡化石指示淺水沉積環(huán)境(Corner and Fjalstad, 1993; Buatois and Mángano, 2011)，主要發(fā)育于水下分流間灣微相粉砂巖中(圖3f)。在縱斷面上，Teichichnus潛穴呈水平或斜交于層面，潛穴不分枝，呈孤立狀分布，潛穴長1.0～1.5 cm(圖3f)。

Palaeophycus—Planolites遺跡組構(gòu)通常指示淺水沉積環(huán)境特征(Olariu et al., 2010; 胡斌等, 2017)，與S34Ⅱ和S34Ⅰ油層組為淺水扇三角洲前緣沉積的地質(zhì)背景相一致。因此，S34Ⅱ和S34Ⅰ油層組的生物遺跡化石組成可以作為判識大民屯凹陷古近系沙河街組沙三段為淺水扇三角洲前緣沉積的一項重要輔助證據(jù)。

3.3 生物擾動強度判識和垂向分布特征3.3.1 生物擾動強度判識

生物擾動是指生物對沉積物的改造，其強度與生物改造程度和次數(shù)密切相關(guān)，并影響沉積物的顆?；旌蠣顩r和沉積結(jié)構(gòu)(Baniak et al., 2014)。

通常用擾動指數(shù)來評價生物擾動強度。不同擾動指數(shù)代表單位面積內(nèi)生物擾動百分數(shù)，即擾動量的不同。本文根據(jù)Taylor 和Goldring(1993)和Baniak等(2014)對生物擾動強度的劃分方案，并結(jié)合沈檢5井巖芯生物擾動實際特征，建立了本研究區(qū)的巖芯生物擾動強度判識圖版(圖4)。當擾動指數(shù)為1時，沉積層理清晰，遺跡化石較少，單位面積內(nèi)擾動部分占1%～5%；當擾動指數(shù)為2時，沉積層理較清晰，遺跡化石增多，但密度還較低，單位面積內(nèi)擾動部分占6%～30%；當擾動指數(shù)為3時，沉積層理連續(xù)性變差，部分層理的連續(xù)性被擾動破壞，但總體還可分辨，單位面積內(nèi)擾動部分占31%～60%；當擾動指數(shù)為4時，沉積層理邊界模糊，遺跡化石密度高，單位面積內(nèi)擾動部分占61%～90%；當擾動指數(shù)為5時，沉積層理邊界難以識別，遺跡化石密度很高，單位面積內(nèi)擾動部分占91%～99%。通過詳細觀察，發(fā)現(xiàn)S34Ⅱ和S34Ⅰ油層組132 m巖芯的生物擾動指數(shù)以3～5級為主(圖5)，也存在1和2級。

圖4 遼河拗陷大民屯凹陷沈檢5井生物擾動指數(shù)判識圖(據(jù) Taylor and Goldring, 1993; Baniak et al., 2014，略修改)Fig. 4 Bioturbation index is described based on the study of the Well Shenjian-5 in the Damintun Sag, Liaohe Depression(modified after Taylor and Goldring, 1993; Baniak et al., 2014)

3.3.2生物擾動強度垂向分布特征

垂向上，生物擾動構(gòu)造主要發(fā)育于水下分流間灣微相的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和粉砂巖中，以Palaeophycus和Planolites遺跡化石占優(yōu)勢為特征(圖5)。這是因為水下分流間灣沉積物的粒度較細，泥質(zhì)含量相對高并有相對豐富的食物，利于喜泥質(zhì)沉積物并以此為食的軟體或蠕蟲動物的生存，從而利于產(chǎn)生和保存食沉積物生物形成的潛穴和覓食構(gòu)造，即利于發(fā)育Palaeophycus和Planolites遺跡化石(李應暹等, 1997; 楊式溥等, 2004)。

垂向上，生物擾動層厚度在5～51 cm，生物擾動指數(shù)以3～5級為主(圖5)。但生物擾動層厚度和擾動指數(shù)在垂向剖面上無顯著變化規(guī)律(圖5)。雖如此，我們?nèi)栽噲D通過統(tǒng)計兩者在S34Ⅱ和S34Ⅰ油層組上的差異來發(fā)現(xiàn)其變化的控制因素。S34Ⅱ油層組巖芯長近66 m，識別出25個生物擾動層，擾動層厚度主要在5～34 cm，僅一層擾動層厚度為51 cm，累積厚度為5 m。S34Ⅰ油層組巖芯長也近66 m，識別出28個生物擾動層，擾動層厚度在5～38 cm，累積厚度為3.9 m。在擾動層厚度上，S34Ⅰ油層組厚度≤15 cm的擾動層較發(fā)育，而S34Ⅱ油層組厚度>15 cm的擾動層發(fā)育(圖6a)；在擾動強度上，S34Ⅱ油層組擾動指數(shù)為5級的擾動層多于S34Ⅰ油層組，而S34Ⅰ油層組擾動指數(shù)為4級的擾動層多于S34Ⅱ油層組(圖6b)。因此，整體上S34Ⅱ油層組發(fā)育的生物擾動層厚度和強度比S34Ⅰ油層組略大，但并不顯著。為什么兩油層組生物擾動層厚度和擾動指數(shù)總體差異不明顯？我們推測這可能與兩油層組的沉積條件變化密切相關(guān)。

圖5 遼河拗陷大民屯凹陷沈檢5井S34Ⅱ和S34Ⅰ油層組生物擾動層厚度、擾動指數(shù)、元素參數(shù)和沉積微相垂向分布特征Fig. 5 Vertical profiles of bioturbated layer thickness, bioturbation index, elemental parameters and sedimentary microfacies along with the S34Ⅱand S34Ⅰoil layer groups from the Well Shenjian-5 in the Damintun Sag, Liaohe Depression

圖6 遼河拗陷大民屯凹陷沈檢5井S34Ⅱ和S34Ⅰ油層組生物擾動層厚度(a)和擾動指數(shù)(b)對比圖Fig. 6 The comparison charts of bioturbation layers thick(a)and bioturbation index(b)in rock samples obtained from the S34Ⅱand S34Ⅰoil layer groups in the Well Shenjian-5 in the Damintun Sag, Liaohe Depression

3.4 生物擾動強度與沉積環(huán)境的響應

沉積物中生物擾動強度的大小除受底棲生物種類、豐度和生活習性的影響外，還受沉積環(huán)境古生產(chǎn)力、沉積速率、水體深度和沉積物粒度等多種因素的作用(楊群慧等, 2008)。本次研究主要依據(jù)主微量元素相關(guān)參數(shù)(表1)，探討古氣候、古生產(chǎn)力、古鹽度、古水深和沉積物粒度與生物擾動層厚度和擾動強度的響應關(guān)系。

(1)與古氣候關(guān)系。Mg/Ca 值對古氣候變化反映敏感，可用來指示古氣候條件(熊小輝和肖加飛, 2011)。當Mg/Ca<1 時，通常指示較為潮濕的環(huán)境；S34Ⅱ油層組Mg/Ca介于0.04～2.26，均值為1.01；S34Ⅰ油層組Mg/Ca介于0.03～2.36，均值為0.84(表1)。S34Ⅱ油層組的Mg/Ca 均值略高于S34Ⅰ油層組，反映S34Ⅱ沉積期略比S34Ⅰ沉積期干燥，但總體上都處于較為濕潤的環(huán)境。從圖5可以看出，垂向上生物擾動層厚度和強度與Mg/Ca比值曲線沒有明顯的協(xié)同性。這表明小幅度的氣候波動沒有對S34Ⅱ和S34Ⅰ油層組的生物擾動作用造成明顯影響。

(2)與古生產(chǎn)力關(guān)系。相關(guān)研究已經(jīng)證明，沉積有機質(zhì)是大量底棲生物的食物來源，沉積有機質(zhì)含量高低顯著影響底棲動物的大小和生活習性(楊群慧等, 2008)，進而影響生物擾動的深度和強度。

古生產(chǎn)力反映某一時期的生物生產(chǎn)力。通常利用沉積物中有機質(zhì)的含量可以反映古生產(chǎn)力的變化，古生產(chǎn)力越高越有利于沉積有機質(zhì)的富集。元素磷(P)是浮游生物生長所必須的營養(yǎng)元素，P/Ti常被應用于判識古生產(chǎn)力(Latimer and Filippelli, 2001)。當P/Ti大于0.79，指示高生產(chǎn)力，0.34

(3)與古鹽度關(guān)系。Sr/Ba值常被用來指示古鹽度變化(Wei wei and Algeo, 2019)。實際運用中，一般將Sr/Ba <0.2指示淡水環(huán)境，0.2～0.5指示半咸水環(huán)境，>0.5指示咸水環(huán)境(Wei wei and Algeo, 2019)。S34Ⅱ油層組Sr/Ba介于0.14～0.65，均值為0.25；S34Ⅰ油層組Sr/Ba 介于0.03～0.73，均值為0.24(表1)，表明S34Ⅱ和S34Ⅰ沉積期的水體鹽度相近且不高，主要為淡水—半咸水環(huán)境。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，由于垂向上沉積水體鹽度整體差異小，生物擾動層厚度和擾動指數(shù)與Sr/Ba比值的演化沒有明顯相關(guān)性。

(4)與古水深關(guān)系。淺水地區(qū)生物擾動的混合速度高于深水地區(qū)(楊群慧等, 2008)。Rb/K值能較好地反映古水深的變化(熊小輝和肖加飛, 2011)。當Rb/K<0.007，指示水體較淺，值越高代表水體深度越大(孫中良等, 2020)。S34Ⅱ油層組Rb/K介于0.001～0.005，均值為0.004；S34Ⅰ油層組Rb/K介于0.001～0.004，均值為0.004(表1)，指示S34Ⅱ和S34Ⅰ沉積期水體深度差異很小，均為淺水環(huán)境。因此，水體深度差異小也是造成S34Ⅱ和S34Ⅰ油層組生物擾動差異不明顯的原因之一。

表1 遼河拗陷大民屯凹陷沈檢5井S34Ⅱ和S34Ⅰ油層組巖芯樣品相關(guān)主微量元素參數(shù)Table 1 The related major and trace element parameters in S34Ⅱand S34Ⅰoil layer groups from the Well Shenjian-5 in the Damintun Sag, Liaohe Depression

(5)與沉積物粒度關(guān)系。沉積巖的Zr/Rb值可以用來反映沉積物顆粒的大小，值越大表示顆粒越粗(蘇建鋒等, 2017)。這是因為元素Zr主要賦存于粗粒沉積物中即本研究中的水下分流河道沉積物中，而元素Rb主要賦存于細粒沉積物中即本研究中的水下分流間灣微相沉積物中(王敏杰等, 2010)，而生物擾動作用主要發(fā)育于細粒沉積物中。S34Ⅱ油層組Zr/Rb介于1.42～16.24，均值為3.70；S34Ⅰ油層組Zr/Rb介于0.48～9.00，均值為2.66(表1)。整體上S34Ⅱ和S34Ⅰ油層組的Zr/Rb值變幅小且?guī)r性組成相似，僅S34Ⅱ油層組上部有5個樣品的比值較高，因此沉積物粒度相似也是造成S34Ⅱ和S34Ⅰ油層組生物擾動差異不明顯的原因之一(圖5)。本研究中沉積物粒度對生物擾動作用的影響主要表現(xiàn)在對生物擾動構(gòu)造發(fā)育空間位置的控制，即生物擾動構(gòu)造主要發(fā)育于水下分流間灣微相細粒沉積物中。

綜上，通過對S34Ⅱ和S34Ⅰ油層組的古氣候、古生產(chǎn)力、古鹽度、古水深和沉積物粒度的分析對比，我們發(fā)現(xiàn)S34Ⅱ和S34Ⅰ油層組的沉積條件很相近。這是導致整體上S34Ⅱ油層組發(fā)育的生物擾動層厚度和強度與S34Ⅰ油層組差異小的重要原因，也就解釋了為什么生物擾動層厚度和擾動強度在垂向剖面上無顯著變化規(guī)律。

(6)主控因素分析。元素地球化學參數(shù)綜合分析表明研究區(qū)S34Ⅱ和S34Ⅰ沉積期古氣候較為濕潤，古生產(chǎn)力較低，水體鹽度為淡水—半咸水，水體深度小為淺水環(huán)境。現(xiàn)僅從古氣候、古生產(chǎn)力、古鹽度和古水深等4個因素出發(fā)，探討生物擾動層厚度和擾動指數(shù)變化的主控因素。古氣候是一個宏觀因素，極端氣候條件不利于底棲造跡生物的生存和繁衍，但S34Ⅱ和S34Ⅰ沉積期氣候條件較濕潤且變化幅度小，并非極端氣候。古氣候的變化對湖泊古生產(chǎn)力有重要影響，并通過降水和蒸發(fā)量的差異調(diào)節(jié)湖泊水體古鹽度和古深度的變化(Warren, 2006)。因此相比于古氣候條件，古生產(chǎn)力、古鹽度和古水深的變化對生物擾動層厚度和擾動指數(shù)的影響更為直接。

Yang Qunhui 和Zhou Huaiyang(2004)發(fā)現(xiàn)即使在低古生產(chǎn)力的貧營養(yǎng)深海環(huán)境中，也發(fā)育明顯的生物擾動作用。本研究也表明在低古生產(chǎn)力條件下，湖相三角洲前緣環(huán)境中也能發(fā)育明顯的生物擾動作用且擾動指數(shù)較高。但這并不是指低古生產(chǎn)力有利于生物擾動發(fā)育，相反生產(chǎn)力的提高利于底棲生物的繁衍和生物擾動發(fā)育(楊群慧等, 2008)。圖5可以看出，在低古生產(chǎn)力背景下，古生產(chǎn)力與生物擾動厚度和擾動指數(shù)的關(guān)系較為復雜，沒有明顯相關(guān)性。在部分相對高生產(chǎn)力的沉積層內(nèi)，生物擾動構(gòu)造并未發(fā)育(圖5)。古鹽度的變化會改變水體物理化學條件，并直接影響底棲生物的種屬和數(shù)量(Warren, 2006; 夏劉文等, 2017; 宮紅波等2019)。S34Ⅱ和S34Ⅰ沉積期的水體鹽度為淡水—半咸水，但其與古生產(chǎn)力變化相似，與生物擾動層厚度和擾動指數(shù)的變化未有明顯相關(guān)性(圖5)。當前難以明確古生產(chǎn)力和古鹽度的低幅變化對底棲生物種群和豐度的影響。

底棲生物種群和豐度與水體深度有密切關(guān)聯(lián)，故巖芯遺跡化石和組構(gòu)類型常被用于判識古水深(李應暹等, 1997; 盧宗盛等, 2003)。然而關(guān)于古水深與沉積物生物層擾動厚度和擾動指數(shù)的關(guān)系尚未有明確認識。但S34Ⅱ和S34Ⅰ沉積期水體淺且變化幅度極小，古水深難以成為剖面上生物擾動層厚度和擾動指數(shù)變化的主控因素。最后，需要注意到S34Ⅱ和S34Ⅰ沉積期相對連續(xù)穩(wěn)定的沉積環(huán)境對生物擾動的發(fā)育起積極作用。相反劇烈的環(huán)境變化會對造跡生物類型、生物擾動層厚度和擾動指數(shù)帶來幕式變化(趙小明和童金南, 2010)。

簡言之，針對陸相湖泊淺水扇三角洲前緣沉積環(huán)境，當前還難以明確生物擾動層厚度和擾動指數(shù)變化的主控因素。我們推測古生產(chǎn)力和古鹽度的變化可能會起更為關(guān)鍵的作用，但目前證據(jù)不足，還需后續(xù)更多相關(guān)研究的支持。

4 結(jié)論

通過對遼河拗陷大民屯凹陷沈檢5井生物遺跡化石和生物擾動作用的研究，得到以下認識：

(1)沈檢5井S34Ⅱ和S34Ⅰ油層組淺水扇三角洲前緣沉積主要發(fā)育古藻跡(Palaeophycus)和漫游跡(Planolites)遺跡化石，墻形跡(Teichichnus)遺跡化石僅少量發(fā)育。垂向上，生物擾動構(gòu)造主要發(fā)育于水下分流間灣微相的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和粉砂巖中，擾動層厚度在5～51 cm之間，擾動指數(shù)以3～5級為主。生物擾動層厚度和擾動指數(shù)在S34Ⅱ和S34Ⅰ油層組的垂向剖面上無明顯變化規(guī)律。

(2)主微量元素參數(shù)分析表明S34Ⅱ和S34Ⅰ油層組沉積期的古氣候、古生產(chǎn)力、古鹽度和古水深條件相近，即為相對溫濕的古氣候、低古生產(chǎn)力、淡水—微咸水鹽度條件和淺水沉積環(huán)境。這是導致整體上S34Ⅱ油層組發(fā)育的生物擾動層厚度和擾動指數(shù)與S34Ⅰ油層組差異小的重要原因。從而也解釋了為什么生物擾動層厚度和擾動指數(shù)在S34Ⅱ和S34Ⅰ油層組的垂向剖面上無顯著變化趨勢。然而目前還難以明確剖面上生物擾動層厚度和擾動指數(shù)變化的主控因素，未來還需更多相關(guān)研究的探索。

致謝：張霞、陶欣參加了本文研究工作，河南理工大學資源環(huán)境學院胡斌教授給予有益指導，巖芯觀察和研究過程中得到了蔡超、鄭陽等協(xié)助和支持，編輯部和審稿專家給予有益修改意見。在此，對上述人員表示衷心地感謝！