轨道强迫与海侵对Turonian期湖相有机质富集的协同控制：来自松辽盆地下青山口组的证据

《Frontiers in Earth Science》：Orbital forcing and marine transgression controls on lacustrine organic matter enrichment during the Turonian: evidence from the lower Qingshankou Formation, Songliao Basin

　　

松辽盆地湖相青山口组是页岩油的重要烃源岩。然而，其有机质（organic matter, OM）富集的控制因素，尤其轨道强迫与海侵（marine transgressions）之间的相互作用，仍不清楚。本研究聚焦Turonian期（～91.8–90.9 Ma）沉积的下青山口组一段（K₂qn₁）。通过整合高分辨率测井数据、旋回地层学、地球化学和机器学习（LSTM-SHAP），研究人员建立了K₂qn₁的天文时间尺度（astronomical time scale, ATS），重建了湖平面波动，并量化了OM富集的控制因素。结果表明，米兰科维奇旋回控制沉积作用和湖平面波动，进而驱动了相依赖的OM富集机制。在半深湖相中，OM富集主要受与湖平面波动相关的氧化还原条件控制；而在深湖相中，OM富集主要受古生产力控制。海侵被识别为～91.5 Ma的幕式事件，其增强细菌硫酸盐还原（bacterial sulfate reduction, BSR），通常调节并因此抑制整个系统中的OM富集。研究结果表明，大型湖相系统中的OM富集是轨道驱动气候节律与幕式地质事件复杂相互作用的结果，为识别湖相页岩系统中非均质“甜点”提供了预测模型。

研究背景与问题：松辽盆地湖相青山口组是页岩油的重要烃源岩，其有机质（organic matter, OM）富集控制因素，尤其轨道强迫与海侵（marine transgressions, MTs）的相互作用，尚不清楚。OM富集是页岩储层物质基础和“甜点”识别关键；保存主导与生产力主导模型长期争论。大型古湖泊中水文气候联系驱动的多尺度环境变化通过复杂反馈控制地质事件格局，但周期轨道强迫与幕式事件（MTs、大洋缺氧事件、火山事件）协同控制湖相OM富集的系统认识有限。K₂qn₁沉积于Turonian（～91.8–90.9 Ma），对应全球温室、高海平面和高大气CO₂，影响大陆风化、径流和湖泊生产力；已有研究显示米兰科维奇旋回主导K₂qn OM富集，同时有MTs证据。先前研究推进了单个控制认识，但轨道强迫（长期节律变化）与MTs（突变扰动）在不同湖相（半深湖与深湖）控制OM富集时空异质性的机制联系和相对贡献仍量化不足。该研究旨在建立高分辨率天文年代框架、重建古湖平面、对比半深湖与深湖古环境指标，并用LSTM-SHAP识别量化各相主控，发展大型复杂湖相系统OM积累机制模型。

研究开展与结论意义：研究人员整合高分辨率测井、岩心、旋回地层学、沉积学、地球化学和机器学习，建立K₂qn₁天文时间尺度（ATS），重建湖平面波动并量化OM富集控制。结果表明OM富集机制相依赖并直接受米兰科维奇旋回节拍，405-kyr偏心周期控制湖平面波动，决定不同沉积环境主控；半深湖由氧化还原控制，深湖由古生产力控制；MTs约91.5 Ma幕式引入硫酸盐增强细菌硫酸盐还原（bacterial sulfate reduction, BSR），抑制全系统OM富集。该研究调和保存与生产力争论，提出轨道节律与幕式地质事件动态耦合的统一模型，为湖相页岩非均质“甜点”预测提供依据。

关键技术方法（≤250字）：高分辨率TOC按10–30 cm采样，GR测井垂向分辨率0.125 m，各井分析20个δ¹³C_org样；半深湖数据集来源H2、A、CY1井，深湖数据集来源G、GY1、A1井，H2与G井位于Gulong和Changling凹陷中央，湖平面重建另用SK-1s井已发表数据。对GR与TOC序列采用LOWESS去趋势、COCO/eCOCO、AR1红噪声95%置信、La2010c天文校准及2π多锥度+FFT滤波，Acycle v2.7处理；用DYNOT沉积噪声模型和5000次Monte Carlo重建相对湖平面；以CIA、U_EF、Cu_EF、P_bio等指标重建古环境并恢复TOC_ini；用滑动窗口长短期记忆网络（LSTM）结合SHAP量化控制。

4.1 天文轨道周期与分类：对H2和G井GR序列进行轨道调谐，以K₂qn₁底部岩性突变面为锚点，短偏心（～100 kyr）为目标。H2谱峰对应约41.7、10.5、5.0、4.0、2.6、2.3、1.9 m，比率约20:5:2:1；COCO得到约5.2和9.65 cm/kyr两个显著沉积速率，选9.65 cm/kyr并由eCOCO验证。G井峰对应约35.7、10.0、3.56、2.61、2.10、1.89、1.71 m，SAR约9.31 cm/kyr。H2约2410 m和G约2320 m的SAR突变被原文作为可能反映轨道强迫与海侵联合驱动的沉积重组的工作假说，尚需验证。结论：建立高分辨率天文年代框架，米兰科维奇信号稳定保存。

4.2 基于沉积噪声模型解析古湖平面波动：利用SK-1s、G、H2调谐数据和5000次Monte Carlo，DYNOT重建湖平面；各井波动同步一致；H2中TOC和δ¹³C_org与湖平面同相，G和SK-1s弱或反相；说明不同湖区OM富集机制不同，受水深、氧化还原、沉积供给等局部条件控制。

4.3 半深湖与深湖相OM富集控制：用CaO-Sr/Ba阈值筛选古盐度，半深湖CaO>5.5%时R²=0.96，剔除Sr/Ba>1.1；深湖CaO>8.2%时R²=0.87，剔除Sr/Ba>1.2。LSTM以古气候、古盐度、古氧化还原、陆源输入、古生产力为输入，TOC_ini为目标；SHAP显示半深湖氧化还原（V/Cr、U_EF）主导、Cu_EF次之，呈非线性同相；深湖P_bio主导，CIA和V/Cr次之，呈线性同相；模型预测精度高。结论：半深湖保存控制、深湖生产力控制。

讨论总结：5.1 半深湖至深湖相沉积环境变化：半深湖Rb/Sr更高、CIA更低，指示更干旱、盐度中度升高，区域气候主控盐度；半深湖U_EF和V/Cr持续高，比深湖更还原，归因于金属层氧最小值（metalimnetic oxygen minimum, MOM），高盐度和较高陆源OM输入促进MOM持续缺氧；半深湖K/Ti低、Ti/Al高，反映近源、较粗硅质碎屑和较弱化学风化，深湖以细粒低能沉积为主；两相生产力趋势相似但机制不同，半深湖受较高陆源营养通量，深湖依赖水体营养循环和浮游植物群落。结论：不同OM富集机制可在盆地不同部位同时活跃。5.2.1 轨道强迫：GR和TOC序列均检出米兰科维奇信号；高偏心增强季节对比，气候更暖、风化径流增强、湖平面上升，低偏心相反；湖平面跟随405-kyr长偏心；海侵峰期405-kyr低值对应高湖平面。轨道强迫通过湖平面重构水体分层并控制指标：半深湖高湖平面侧向扩张下部滞水层（hypolimnion），405-kyr滤波曲线与V/Cr、U_EF正相关；深湖高湖平面下P_bio与405-kyr负相关，暖期CIA低、营养供给和生产力降低；TOC在两相均有405-kyr旋回。结论：轨道强迫作为节拍，经湖平面、氧化还原、生产力和陆源输入决定相依赖富集模式。5.2.2 湖平面波动：湖平面与TOC关系相依赖；水深增加增强下部滞水层稳定并促进耗氧；H2氧化还原与湖平面强正相关，机器学习亦显示半深湖氧化还原主控，湖平面上升使滞水层向盆缘扩张、还原增强，有利保存。H2湖平面与δ¹³C_org同步，SK-1s和G反相；陆生植物δ¹³C_org高于水生，径流增加使半深湖陆源OM增多而正漂，C₂₉/C₂₇规则甾烷比从Well A到Well ZK2快速降低支持；深湖湖平面上升降低光透射、限制光合并放大了水生植物光合¹³C分馏，导致负漂，且与P_bio反相关。结论：湖平面通过氧化还原和OM来源双重控制OM富集时空格局。5.2.3 海侵：K₂qn₁下部MTs证据与24-isopropylcholestane高丰度一致，后者为海洋环境可靠指标；MTs是构造与气候强迫耦合产物，解释异常高湖平面。海水侵入提高古盐度、增强滞水层稳定，通常有利保存；但引入SO₄^2-刺激厌氧BSR，硫酸盐还原菌以SO₄^2-为电子受体氧化OM，按BSR强度降低净埋藏。MTs层段TOC显著亏损，最显著MTs期三口井TOC不同程度亏损；BSR强度空间变化反映海水侵入路径和不同微相淡水输入差异。结论：MTs影响空间异质而非均匀，导致沉积环境重组；生物标志物高值期与氧化还原和生产力改善一致，显示复杂多相响应。5.3 不同OM富集模型：大型白垩纪湖相OM富集非单一控制，而是轨道节拍气候节律、水体分层和幕式地质扰动的层级相依赖耦合；K₂qn₁古湖为“两速系统”，半深湖与深湖轨迹不同但均受405-kyr偏心节拍。低湖平面时半深湖蒸发增强、盐度温度升高、OM矿化增强、粗粒输入稀释；深湖稳定滞水层持续还原，即使沉积速率较低也利于富集。高湖平面时滞水层向半深湖扩张、还原增强并抑制粗粒输入，半深湖TOC快速增加；深湖因光限制和沉积积累速率降低，生产力和埋藏效率受限，富集反而下降，仅高强度碎屑输入期高效富集。轨道时间尺度上半深湖主要受湖平面波动控制，深湖受轨道对生产力和保存更直接控制；MTs硫酸盐刺激BSR消耗OM并抑制净富集，影响取决于海水侵入路径和局地淡水输入。结论：半深湖为湖平面调节的氧化还原控制保存，深湖为轨道强迫下生产力和埋藏效率控制，两者受MTs幕式扰动；该模型调和保存与生产力争论。

研究结论（原文结论翻译）：该研究解析了大型白垩纪古湖中轨道强迫与MTs之间控制OM富集时空异质性的复杂相互作用。利用松辽盆地高分辨率数据，研究人员整合旋回地层学、沉积噪声建模和机器学习（LSTM-SHAP），建立精确天文年代框架。研究表明，OM富集机制相依赖并直接受米兰科维奇旋回节拍，具体而言，405-kyr偏心周期节拍湖平面波动，从而决定不同沉积环境中OM富集的主控因素。在近端半深湖相，OM富集由高位期水体分层和下部滞水层扩张通过古氧化还原条件控制；相反，在稳定深湖相，OM富集由受陆源营养输入和光照可用性限制的古生产力控制。MTs引入硫酸盐，增强BSR，抑制全盆地OM保存，在轨道节拍背景上留下明显叠加。这些发现解决了“保存”与“生产力”控制之间的长期争论，表明主控因素并非普遍适用，而是随沉积环境及其水文气候背景系统变化。研究人员提出统一模型，认为OM富集由持续的轨道节拍气候振荡与突变地质事件的动态相互作用产生。该机制框架推进了对古代湖泊碳循环的理解，并为识别湖相页岩系统中非均质“甜点”提供了预测模型，对全球非常规资源勘探具有重要意义。