陸相沉積古氣候恢復研究進展

龐軍剛 （西安石油大學地球科學與工程學院，陜西 西安710065）

云正文 （中石油長慶油田分公司油藏評價處，陜西 西安710021）

古地理分析中，古氣候分析也是很重要的方面，因為氣候條件影響到各種地質作用、沉積物和沉積礦產的形成。發現及評價鐵、錳、鋁土礦、煤、油氣等均和古氣候關系密切。古氣候研究主要包括古溫度、濕度、古風力及古風向。古水體溫度影響水體中古生物種類及沉積介質特征。古風力及古風向影響沉積水動力條件。目前，判斷古氣候主要根據礦物巖石學、古生物、地球化學、古地磁、地球物理等方法。

1 研究方法

1）礦物巖石學方法 特殊巖石類型，如冰磧巖是寒冷氣候的標志，蒸發巖是干旱氣候的標志，煤系層是溫暖潮濕氣候的標志，海相的碳酸鹽巖是溫暖炎熱氣候的標志。風化作用的產物是古氣候的指示物之一。潮濕炎熱的氣候條件形成紅土堆積、鋁土礦，潮濕氣候條件下往往沉淀鐵和錳。在古氣候分析中，常采用綜合的巖性標志劃分氣候類型 （見表1）。

沉積構造也可指示古氣候。如氣候的變化可形成韻律的水平層理。季節紋層可作為周期性氣候變化的良好標志，冬季表現為灰色，夏季表現為褐色或紅色。石鹽假晶、干裂等構造指示干燥氣候；風棱石、沙漠漆、霜面等是沙漠干燥氣候的標志。

表1 巖性標志與古氣候類型

2）古生物方法 古生物對氣候的反映表現在生物的分帶性、群種的多樣性、生物個體的大小、殼的厚薄及外部形態，可以根據硅化木、樹木年輪判斷古氣候。

植物受氣候的影響顯著，陽光、熱量和水對植物的生存有著重要的生態意義。植物對氣候的依賴關系在古氣候中也顯示出來了，所以利用古植物群的類型及植物的生態特征，可作為古氣候的極好標志。

目前，利用孢粉百分含量可定量恢復古氣候。剖面中旱生植物和喜濕植物各類孢粉百分含量的變化，可較好的反映古氣候演化的規律。平面上由盆地邊緣至內部，喜干植物的孢粉減少，水生喜濕的孢粉增加，圍繞盆地呈環狀分布。如在蒙、甘、青地區侏羅紀孢粉組合序列及古氣候研究中，綜合利用孢粉植物群、孢粉親緣植物古生態、沉積組合特征等，建立了該區侏羅紀7個孢粉組合，探討了侏羅紀古氣候格局及演化規律，指出早中侏羅世古氣候總體溫暖濕潤，晚期發生一次干熱化事件，中侏羅世晚期氣候較炎熱干旱，到晚侏羅世干熱化程度進一步加劇，全區處于炎熱干旱氣候環境［1］。孢粉組合分析鄂爾多斯盆地長7沉積期古氣候屬較溫暖潮濕氣候［2］。

第四紀氣候變化常采用“草原指數”（SI）這一概念：

草本主要是寒帶草原植物，冰期沉積時含量可達90%～100%，間冰期則含量很少，以溫帶木本植物孢粉為主。并根據SI曲線恢復出了第四紀的氣候變化、冰期和間冰期的次數。

孢粉分析是迄今較為有效的古氣候與古環境恢復方法之一。據吉利明等［3］對隴東地區長7段－長8段植物群特征與孢粉化石研究認為，盆地長7段－長8段沉積期為持續溫暖潮濕的適宜期，與湖泊發展的長7期最大湖泛和長8期大規模湖進相一致。

3）同位素地球化學方法 主要利用C、O、H同位素含量變化判斷古溫度。其中，利用碳酸鹽中O同位素測定絕對古溫度應用比較廣泛。此外，還可根據氨基酸外消旋法、惰性氣體溶解度法來判斷古溫度。淡水中δ18O／δ16O值低于海水，而且氣溫越低該比值越低。溫帶地區淡水中δ18O／δ16O值較海水平均值的低7%，高緯度區或高海拔區淡水中比值低30%，多用有孔蟲的氧同位素組成研究受冰川控制的海水同位素成分變化和海水溫度的變化。如可利用湖相疊層石紋層的碳氧同位素特征及其生長節律推斷古氣候、古環境的特征及變化［4］。

4）古地磁方法 古地磁方法適合大尺度的氣候研究，原理是通過古地磁確定古緯度，根據古緯度查明古氣候。根據古地磁計算出的古緯度對于解決古氣候分帶具有重要的意義。古地磁方法是根據某些含磁性礦物，如磁鐵礦、赤鐵礦、鈦鐵礦等火山巖及沉積巖的剩余磁化強度計算古緯度位置的方法。假定地球的磁場既是偶極的，又是軸向的，那么某個時期的古地磁極也就是該時期的平均古地理極。因為地球接受的幾乎全部能量是來自太陽，所以確定古氣候的因素最重要的因素就是古緯度了。但也應注意地史時期中板塊運動及磁極本身的遷移導致的頻繁反磁現象。吳漢寧等［5］的古地磁分析數據表明，晚三疊世時，鄂爾多斯古湖盆古緯度為北緯31.03°，比現在所處的緯度35.10°偏南4°多，相當于現在的長江沿線一帶的位置，溫度與濕度相對較高，推測晚三疊世時鄂爾多斯湖盆氣候溫暖潮濕，生物繁盛，能夠形成有機質豐富的烴源巖。

5）地球物理方法 應用自然伽馬（GR）測井曲線反演古氣候和古環境的方法在國際上逐漸得到重視并取得了進展，柴達木盆地第四紀應用其反演2.85Ma BP（Before Present）來的古氣候變化也取得了成功。DSDP（深海鉆探）、ODP（大洋鉆探）對測井地質有了極大的推動，尤其是根據測井曲線研究古環境、古氣候方面取得了進展。國外一些學者在不同剖面的GR曲線相同時段特征的可比性研究［6］和GR曲線在5.4Ma以來與δ18O和CaCO3的古氣候波動變化一致性方面［7］已取得了可喜成果。但這些研究均出自上新世以來的海相地層，在中生界陸相地層中應用GR曲線反演古氣候至今仍是一嶄新的課題。柴達木盆地中新生界陸相沉積發育，對第四系GR曲線反演古氣候變化取得的成功［8－9］說明GR曲線是較好的古氣候研究代用指標。

楊平等［10］利用GR曲線，以柴達木盆地侏羅系冷科1井和魚33井自然伽馬曲線并結合孢粉等地質資料進行了古氣候與沉積環境分析，證明GR曲線是有價值的古氣候研究參數。GR值的大小及古氣候的干濕變化和沉積水體的深淺變化均有內在聯系，GR曲線振幅與頻率的變化快慢反映出沉積環境動蕩與穩定的相對特征，據此對2口井的沉積環境演變作了具體分析。結合古氣候與沉積環境綜合分析，GR曲線的異常波動還具有特殊的指相意義。GR值增大－古氣候加濕－沉積水體加深的同步表現特征是一般性規律，構造－古地理背景的變動可改變這一對應關系，因而提供了研究古地理演變的信息，進一步豐富了GR曲線研究的地質涵義。

2 存在問題及發展趨勢

（1）定性研究較多，定量研究較少。定量研究方法單一，缺少多種方法研究相互印證。現有古生物孢粉含量法多用于第四紀氣候研究，而氧同位素法也多用于恢復150Ma以來的古氣候。

（2）古氣候影響湖相泥頁巖紋層的形成，對于高級次沉積旋回具有指示意義。未來要完善古氣候與米蘭科維奇旋回關系的研究。

（3）認識生物地球化學過程，加強碳循環研究，將不同緯度對地球軌道驅動全球氣候的影響區分開來，才可能更準確預測未來氣候演變方向。

（4）完善全球古氣候模擬，加強氣候演化驅動力研究，認識和評價CO2等大氣成分對氣候變化的影響，為全球氣候變化研究提供科學依據。

［1］閻存鳳，袁劍英，趙應成，等 .蒙、甘、青地區侏羅紀孢粉組合序列及古氣候 ［J］.天然氣地球科學，2006，17（5）：634－639.

［2］張才利，高阿龍，劉哲，等 .鄂爾多斯盆地長7油層組沉積水體及古氣候特征研究 ［J］.天然氣地球科學，2011，22（4）：582－587.

［3］吉利明，吳濤，李林濤 .隴東三疊系延長組主要油源巖發育時期的古氣候特征 ［J］.沉積學報，2006，24（3）：723－734.

［4］伊海生，時志強，惠博，等 .湖相疊層石紋層的碳氧同位素特征及其生長節律的古環境意義 ［J］.地學前緣 （中國地質大學 （北京）；北京大學），2009，16（6）：168－176.

［5］吳漢寧，常承法，劉椿，等 .華北和華南塊體古生代至中生代古地磁極移曲線與古緯度的分布變化 ［J］.西北大學學報，1991，21 （3）：99.

［6］Johan H V，Postma G.Astronomically forced variations in gamma－ray intensity：Late Miocene hemipelagic successions in the eastern Mediterranean basin as a test case ［J］ .Geology，1996，24 （1）：15－18.

［7］Herbert T D.Long climatic time series from sediment physical property measurements ［J］.Journal of Sedimentary Petrology，1991，61（7）：1089－1108.

［8］劉澤純，陳曄，袁林旺，等 .應用自然伽馬測井反演2.85Ma B.P.來古氣候變化 ［J］.中國科學：D輯，2000，30（6）：609－618.

［9］陳曄，袁林旺，周春林，等 .柴達木盆地第四紀古氣候變化在物理測井自然伽馬曲線上的記錄 ［J］.古地理學報，2001，3（2）：29－37.

［10］楊平，陳曄，劉澤純 .柴達木盆地自然伽馬曲線在古氣候及沉積環境研究中的應用 ［J］.古地理學報，2003，5（1）：13－17.