色度學指標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.廣州海洋地質調查局，廣東 廣州 510760；2.中國地質大學（北京）數理學院，北京100083；3.江西有色地質勘查局，江西 南昌 330025；4.中國地質大學（北京）生物地質與環境地質國家重點實驗室，北京 100083

色度學方法在研究固結/半固結沉積物反映古氣候時被普遍應用，但在已成巖巖石中的應用還不夠成熟。應用色度學方法可以對沉積物的顏色進行定量分析，從而揭示沉積物形成時的古環境變化，并以其用量少、靈敏度高、方法簡單快速和費用低的優勢，在提高古氣候研究的分辨率方面發揮了重要作用（Porter, 2000； Helmkeet al., 2002）。目前用色度學研究古氣候主要是利用CIE1976 L* a*b*色度空間的L*、a*、b*參數同巖石的礦物成分或化學成分的變化聯系起來。以前的研究成果發現：當研究對象或研究地區不同時，L*、a*、b*的適用情況也不一致。當研究對象為海洋沉積物時，L*與碳酸鹽含量成正相關，a*與含鐵碎屑物相關（Helmkeet al., 2002； Deaton & Balsam, 1991；Balsam et al., 1999）；當研究對象為湖泊相沉積物時，L*值與沉積物碳酸鹽含量相關，與常量元素Ca 具有較好的正相關性，a*值與沉積物中的Mg（或MgO）相關，b*值與Fe3+（或者鐵氧化物）相關（吳艷宏&李世杰， 2004；宋春暉等，2005；羅超等，2007）；當研究對象為黃土時，L*則與有機碳的含量線性相關，a*與年平均溫度和年平均降水量呈指數關系， b*與年平均溫度和年平均降水量呈線性相關（楊勝利等，2001）。總體來說，L*受控于碳酸鹽和有機碳含量的變化，而a*和b*所代表的礦物學及化學特征則會因為沉積相的不同而有所差別。

但是，上述研究一般都是以第四紀以來未固結地層或黃土為研究對象，（李林等2008）研究發現用色度學研究已固結古老巖石的礦物學特征和地球化學特征也是可行的。只是用色度學指標研究已固結古老巖石形成時的古氣候時，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要扣除相應的影響。

1 研究區背景

1.1 研究區概況

松遼盆地位于中國東北部，現今盆地范圍包括黑龍江省西南部、吉林省西部、遼寧省西北部及內蒙古自治區東北部分（圖1）。松遼盆地是我國大型白堊紀沉積盆地，是亞洲古陸 上最大的白堊紀湖盆之一，是我國陸相白堊系發育最完整的地區。盆地基底主要由古生界變質砂巖、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，沉積蓋層累計厚度達萬米。作為世界上最大的陸相含油氣白堊紀湖盆之一，松遼盆較完整地保存了白堊紀地層，在這些地層中記錄著松遼盆地白堊紀古環境、古氣候演化及白堊紀重大地質事件，是理想的陸相白堊系研究區域（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、泥質粉砂巖不等厚互層，少量含油的微帶棕灰色粉砂巖、細砂巖。泥巖巖心幾乎全部碎成塊狀和蒜瓣狀，構造特征不明顯，黃鐵礦和鈣質團塊含量較多；粉砂質泥巖巖心較碎，局部見鈣質團塊和黃鐵礦顆粒（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，下部可見一層厚37 cm 的淺橄欖灰色泥灰巖，滴酸起泡強烈，見油浸現象，有濃重的油味。泥巖發育不連續的水平層理，常見有介形蟲碎屑巖條帶，顯微鏡下可見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物質組成，含少量粉砂級碎屑。此外在青山口組一段巖心中還見有幾層灰白色火山灰和一層深灰色介形蟲灰巖（高有峰等，2008）。

2 實驗方法

2.1 L* 、a*、b*的獲得

本文采用CIE1976 L* a* b*色度空間對巖石樣品進行色度方面的研究，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*代表黃藍色度，變化于黃和藍之間（+ b*描述黃色的飽和度，- b*描述藍色的飽和度）（Chen et al., 2002）。本實驗使用國產WSD-1A 型色度測量裝置（天津市拓普儀器有限公司生產）來間接測樣品的L*、a*、b*。

對沉積物（巖石）樣品進行色度測量，有兩個注意事項：首先要保證樣品是干燥的，實驗樣品含水越多，測量結果越不準確，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，樣品粒度越大測量越不準確（楊勝利等，2001）。首先將巖石樣品進行了粉碎研磨，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，覆蓋層厚度不易過大，以將載玻片覆蓋即可，在攤平粉末的過程中應盡量保持覆蓋層的平整。將制好的薄片放在室內常溫下涼置，以將其風干為止（Deaton & Balsam, 1991）。

由WSD-1A 型色度測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*之間的關系如下式（湯順青，1990）：

X0，Y0，Z0為CIE 標準A 光源的三刺激值∶X0=109.87，Y0=100，Z0=35.59。

2.2 總有機碳（TOC）的測定

TOC 質量分數分析是在中國科學院廣州地球化學研究所完成的，測試儀器為CS-400 碳硫分析儀。樣品處理過程如下：取少量樣品，研磨至80目過篩，以1：7 配制稀鹽酸浸泡，以除去碳酸鹽成分（無機碳），在常溫下浸泡直至反應完全。處理好的樣品，在溫度20 ℃，相對濕度為50 環境下，以CS-400 碳硫分析儀檢測，檢測依據為GB/T 19145-2003，實驗主要通過測定燃燒生成CO2的數量，求得TOC 數量。在實驗之前應先測標樣作為標準，標樣的有機碳含量有低、中、高之分，對于TOC 質量分數不同的樣品，所采取的標樣也需要相應地改變，以減小實驗誤差。通過以上兩步實驗可以測得51 個樣品相對應的L*、a*、b*值和TOC 的質量分數（見附表）。

3 結果與分析

3.1 L*、a*、b*與巖性的相關性

通過對51 樣品的色度測量，獲得巖石色度指標的變化趨勢（圖2），以看出L*與a*的變化趨勢呈鏡像對稱，而L*/a*與b*的變化趨勢則大致相同。

圖2 L*、a*、b*及總有機碳質量分數（TOC%）的變化趨勢圖。Fig.2 Tendency chart of the L*、a*、b* and TOC%.

L*和a*呈現出一定的周期性變化規律，具體數值上（附表）L*值處于20～31 之間，即為較暗的色調，具體表現為巖石顏色在灰黑—深灰—淺灰之間變化，并跟相應的L*值對應，但是在泥巖中L*表現為波動強烈，很不穩定，而在砂巖中 L*比較穩定。a*值變化于2 到15 之間（很淡的紅色調），由于受L*控制的明度的影響，這種淡紅色調基本被掩蓋，但當a*值接近15 時依然會有所表現，使巖石呈灰棕色，泥巖及砂巖中a*呈正偏趨勢，即處于紅色調。b*值變化于-42（淡藍）和-72（藍）之間，這可以用來解釋一些巖石呈現出的綠色調（L*a*b*效果相互疊加），b*的變化趨勢與L*相近，二者巖性對應關系相一致，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的相關性

對L*、a*、b*與TOC 分別進行相關性分析可知，L*與TOC 呈較顯著的正相關，b*與TOC呈較顯著負相關，而TOC 的變化幾乎不受a*的影響，兩者沒有相關性（表1）。分析巖石中總有機碳（TOC）的質量分數可以發現，巖石中TOC 質量分數主要在0～5%之間呈現出波動性變化，青一段（K2qn1）深灰、灰黑色泥巖中TOC 的質量分數明顯比泉四段（K2q4）灰綠色泥、砂巖中的高，這也表現在巖石的顏色上。而在青一段中出現了TOC 質量分數高達17.59%的異常值（K2qn1-18），其原因還需進一步探討。在去除這異常值后再次對L*、a*、b*與TOC′的相關性分析時發現：L*與TOC′、b*與TOC′都呈現出較顯著相關性。

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

5 結論與討論

通過以上探索研究，可以得出相應的結論：L*和a*、b*和a*呈顯著的負相關性，即變化趨勢呈鏡像對稱關系，而對應的L*和b*則呈較顯著的正相關性，即變化趨勢相一致；色度學指標在已固結的地層研究中仍然有其適用性，b*與TOC呈較顯著的負相關性，b*可以作為該地區總有機碳（TOC）的限制指標，可以用b*來反映研究區白堊紀地層中TOC 質量分數的變化趨勢。但是必須強調的是，色度學指標在已固結成巖的地層中的適用性已經大大減弱，遠遠不如在未固結成巖沉積物中明顯，原因主要有兩個方面：一是已固結成巖的沉積物可能經受了各種后期構造運動的改造；二是在一定環境條件下沉積巖發生了變質作用，所以運用色度學指標來判斷已固結成巖的沉積物各指標需謹慎。

白堊紀是地質歷史上相對溫暖的時期, 其年平均溫度比現在高10～15 ℃（Frakes，1979）。有孔蟲氧同位素數據也表明，全球氣溫在土倫階（Turonian）時期處于極端溫室狀態，當時地球平均表面溫度比現今高10℃（Huberet al.,1995；Clarkeet al., 1999； Huberet al., 2002；Wilsonet al.,2002），白堊紀CO2含量是現今含量的4～10 倍（Berner, 1994； Biceet al., 2003）。在全球范圍內,白堊紀古氣候旋回性主要是由構造運動、火山活動和碳旋回所控制的（張立平等，1994）。有機碳作為碳旋回中的一部分，與碳酸鹽一起，對松遼盆地古氣候的研究具有舉足輕重的意義。白堊紀時期發生的著名的“大洋缺氧事件”（Schlanger &Jenkyns, 1976； Jenkyns, 1980； Braloweret al., 1994）與碳旋回密切相關。

松遼盆地的沉積記錄、孢粉古植物群記錄及碳、氧同位素地球化學特征等顯示，松遼盆地泉頭組時期表現為氣候炎熱干旱，之后濕度有所增加，到青山口組一段呈現出逐漸降溫的趨勢，在青二、三段沉積時期，發生了古氣溫的突變事件（升溫事件） , 此時的氣候已演變為熱帶氣候（張立平等，1994；黃清華等，1999）。張立平等（1994）認為碳旋回控制了松遼盆地白堊紀古氣候的演化，每一溫暖時期的開始都與強烈的火山噴發作用有關：成油期、成煤期時大量有機碳被埋藏，則溫度相對降低。白堊紀的每一次冷暖交替變化都與溫室效應的強度有關。松遼盆地白堊紀在泉頭組時期溫度最高，此后呈持續下降趨勢，其中小的溫度波動，是由于強烈的固碳作用和相對減弱的火山作用引起的。有機碳質量分數（TOC%）作為碳旋回中的重要部分，對松遼盆地古氣候的研究具有舉足輕重的意義，b*受到有機碳質量分數（TOC%）的制約，可以反映了古氣候的變化。青一段中的有機碳異常現象有待進一步研究，色度學指標在古氣候研究中的應用無疑給這些究提供了一個快速、便捷的通道。致謝：

本文感謝中央高校基本業務經費（No.2652012058） 國家自然科學基金（No.11205134）的資助。

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