前陆—裂谷转换的构造—气候耦合控制塔里木盆地库车坳陷北部三叠系—侏罗系烃源岩垂向非均质性

《Processes》：Tectono-Climatic Coupling Across the Foreland-to-Rift Transition Controls Vertical Source-Rock Heterogeneity in the Triassic–Jurassic Succession of the Northern Kuqa Depression, Tarim Basin, NW China

　　

垂向非均质性是湖相叠合盆地有效烃源岩预测的主要障碍；然而，其成因仍不明确，因为大多数研究仅关注单一层段或单一控制因素。研究人员因此将库车坳陷北部五个三叠系—侏罗系烃源岩单元（黄山街组、塔里奇克组、阳霞组、克孜勒努尔组和恰克马克组）置于一个有机—无机框架内进行分析，该框架结合了岩石热解（Rock-Eval）、有机岩石学、分子生物标志物以及主量和微量元素地球化学（氧化还原指标、Sr/Ba古盐度和化学蚀变指数（CIA））。研究人员明确筛选了风化、Rock-Eval基质和热成熟度效应，并确认它们不控制层间差异。稳定的Al₂O₃–TiO₂、Ti/Al和SiO₂/Al₂O₃关系表明物源保持恒定，因此层间差异记录了环境变化。横跨以三叠系—侏罗系角度不整合为标志的前陆—裂谷转换期，湖泊水文和水化学从次氧化的半咸水—淡水分层湖泊，经淡水沼泽和氧化三角洲体系，演变为半咸水、贫氧的半深湖；有机质（OM）来源从水生生物，经陆源—水生混合及高等植物加藻类，演变为陆源主导，最终为浮游植物主导。烃源岩质量并非由任何单一因素决定，而是由生产力、保存和碎屑稀释之间的动态平衡所决定；当盆地类型发生改变时，这三者的相对权重被重置：总有机碳（TOC）最大值（29.1 wt %）和氢指数最大值（775 mg HC/g TOC）出现在不同单元，记录了相反的环境配置。由于没有任何单一参数能正确排序各层段，基于单一层段标定的沉积模型无法跨越盆地类型的改变进行外推。由此得到的耦合模型解释了为何化学性质不同的层段在垂向上叠加，并为类似盆地提供了一种可转移的预测工作流程。

湖相叠合盆地中，烃源岩垂向非均质性（即源岩质量在纵向上的差异）是有效烃源岩预测的主要障碍。叠合盆地多期构造叠加使不同阶段源岩在纵向上叠置，成因复杂，但已有研究多聚焦单一层段或单一控制因素，难以揭示整体机制。库车坳陷北部三叠系—侏罗系五个烃源岩单元（黄山街组、塔里奇克组、阳霞组、克孜勒努尔组和恰克马克组）跨越前陆—裂谷转换，为研究构造与气候耦合提供了理想条件。但该区此前研究缺乏定量无机约束，且偏于静态表征。为此，研究人员整合有机与无机地球化学数据，系统分析五个单元，检验三个假设：层间差异是否反映环境变化而非物源变化；盆地类型转换与古气候是否控制湖泊水文和生物群落；源岩质量是否受生产力、保存和稀释共同控制。

研究人员对46个露头样品进行了分析，样品来自Kapushaliang River、Kelasu River、Kuqa River、Kezilenuer Valley和Tugerming五条剖面。方法包括Rock-Eval热解、有机岩石学（显微组分和镜质体反射率（Ro））、主量和微量元素分析（X射线荧光光谱（XRF）、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS））以及气相色谱-质谱（GC-MS）生物标志物分析。无机指标包括化学蚀变指数（CIA）、Sr/Ba古盐度和V/(V+Ni)等氧化还原代理。所有样品均做总有机碳（TOC）、Rock-Eval和有机岩石学分析，32个做元素分析，18个做生物标志物分析。

研究结果如下：

4.1 总有机碳与热解参数：Rock-Eval分析显示TOC为0.79~29.1 wt%，氢指数（HI）为19~775 mg HC/g TOC，两者呈反向关系。

4.2 显微组分与镜质体反射率：有机岩石学表明塔里奇克和克孜勒努尔组以镜质组和惰质组为主，恰克马克组壳质组丰富；Ro为0.56%~1.64%。

4.3 主量与微量元素组成：元素数据证实物源稳定，CIA在塔里奇克组最高，指示晚三叠世温暖湿润气候。

4.4 分子生物标志物特征：姥鲛烷/植烷（Pr/Ph）差异大，C24TeT/C26TT等指示恰克马克组以浮游植物为主，克孜勒努尔组以陆源为主。

4.5 垂向变化总结：所有参数系统性变化但非单调，表明存在耦合驱动机制。

讨论方面，研究证实了三个假设。稳定的Al₂O₃–TiO₂等指标表明物源稳定，层间差异记录环境变化。CIA记录的古气候变化与三叠系—侏罗系角度不整合对应的盆地类型转换共同控制了湖泊水文和水化学，使有机质来源从水生、混合、陆源演变为浮游植物主导。源岩质量取决于生产力、保存和碎屑稀释的平衡，且平衡在盆地类型改变时被重置，因此单一参数无法正确排序各层段，基于单一层段的模型不能跨类型外推。研究人员提出了耦合模型，解释了化学上不同层段垂向叠加的原因，并给出预测流程：确定盆地阶段边界，建立物源稳定性，构建CIA剖面，应用盐度、氧化还原和有机质来源指标，按TOC–HI配对排序。

研究结论翻译如下：(1) 整合的有机—无机数据集揭示了五个烃源岩单元的强烈垂向非均质性：TOC 0.79~29.1 wt%，HI 19~775 mg HC/g TOC，Pr/Ph 0.61~8.8。岩石热成熟，主要为III型和II—III型干酪根，恰克马克组是唯一生油层段。添加微量元素和CIA数据至关重要，风化、Rock-Eval基质效应和热成熟度均不控制层间差异。(2) 稳定的Al₂O₃–TiO₂等关系表明层间差异记录环境变化。在CIA记录的古气候和盆地类型转换共同作用下，湖泊由半咸水—淡水分层水体经淡水沼泽、氧化三角洲演变为贫氧半咸水半深湖；有机质来源由水生、混合、陆源演变为浮游植物。(3) 源岩质量取决于生产力、保存和稀释的平衡，并随层段变化：高生产力和半咸水—亚氧化保存有利于黄山街组和恰克马克组，高陆源通量和快速埋藏维持了塔里奇克组和克孜勒努尔组煤系源岩。无单一参数能正确排序层段，宽TOC范围无法由沉积速率解释。(4) 耦合模型解释了层段垂向叠加，并提供预测流程：确定盆地阶段边界，建立物源稳定性，构建CIA剖面，应用盐度、氧化还原和有机质来源指标，按TOC–HI配对排序。由于权重在阶段边界重置，模型不能跨阶段外推，但可迁移至其他湖相叠合盆地。