湖泊页岩沉积与有机质富集的轨道强迫作用：来自中国渤海湾盆地东营凹陷始新世沙河街组的启示

《Journal of Asian Earth Sciences》：Orbital forcing of lacustrine shale deposition and organic matter enrichment: Insights from the Eocene Shahejie Formation in the Dongying Sag, Bohai Bay Basin, China

　　

Zhenhe Wang|Juye Shi|Quanyou Liu|Tailiang Fan|Zhiqian Gao|Gongda Li|Xinyue Lin|Zhenqian Yang|Zhijun Jin

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  Es4u湖相地层中的页岩岩相及其规律性叠置反映了受轨道周期控制的古气候变化。
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  一种基于天文时间的尺度将东营洼陷内的高频率地层分段与高分辨率的等时对比联系起来。
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  长半轴和倾角的最大值导致了温暖潮湿的气候条件，进而促进了富含有机物的页岩形成。

引言

近年来，基于米兰科维奇理论的旋回地层学在地球科学和行星科学领域得到了广泛应用（Hinnov和Hilgen，2012；Hinnov，2013；Huang，2014），其应用范围包括高频率地层分段、重大地质事件的定年、海平面重建以及古气候演化研究（Strasser等人，2007；Zhu等人，2022；Nian等人，2022；Li等人，2016a；Yang等人，2021；Wu等人，2009；Yang等人，2020）。米兰科维奇理论认为，地球轨道参数（半轴长度、倾角和岁差）的周期性变化会影响太阳辐射和气候，进而调控风化作用、沉积物输送、沉积过程及其地层记录（Strasser等人，2007）。

由于细粒湖泊和海洋沉积岩具有相对连续且稳定的沉积环境，因此被视为研究受轨道周期驱动的气候与环境演变的理想载体（Wu等人，2011；Boulila等人，2014；Shi等人，2019a）。众多研究在海洋和湖泊地层中发现了明显的天文周期性特征（Machlus等人，2008；Barnet等人，2019；Valero等人，2014），这表明天文因素在沉积系统中起着重要作用。东亚地区保存有对水文气候变化极为敏感的连续湖泊记录，因此该地区开展了大量旋回地层学研究（Wu等人，2009；Huang等人，2022；Liu等人，2024）。Wu等人（2007）对松辽盆地白垩纪青山口组和嫩江组的研究显示，沉积过程深受天文周期的控制，这说明米兰科维奇机制可为高分辨率地层分段和对比提供可靠依据。同样，Shi（2018）和Shi等人（2019a）对渤海湾盆地冀阳坳陷沙河街组下部至上部第三段的细粒沉积岩进行了旋回地层学分析，确定了关键地层界线的精确年龄，并阐明了轨道尺度上有机物富集的机制。然而，对于中低纬度大陆湖泊盆地中页岩沉积和有机物富集过程中不同轨道参数的调控机制及其潜在的协同效应，目前仍缺乏足够的研究。例如，中国南部的磁化率记录表明，长半轴和短半轴周期在控制晚始新世干湿气候变化中起主导作用（Li等人，2016b），而中国中部的伽马射线记录则显示，短半轴周期对蒸发岩-页岩的沉积节奏具有决定性影响（Huang和Hinnov，2019）。此外，还有研究表明，倾角和岁差周期也在调节区域气候变化中发挥着重要作用（Zhang等人，2023；Abels等人，2011；Bosmans等人，2015；Xiao等人，2010；Ma等人，2025）。更复杂的是，主导的轨道强迫机制可能随时间发生变化。例如，Han等人（2024）提出，在约4190万年前之前，中国东部的中始新世气候变异主要由倾角驱动，而在该时间点之后则转为以半轴长度变化为主。

上述差异的产生原因可能包括不同古气候代用指标的信噪比差异，以及沉积环境或构造条件对沉积记录连续性的影响（Li等人，2019a）。从高分辨率沉积记录中提取轨道周期信号是理解受轨道周期驱动的气候周期性变化的关键（Lourens等人，2005；Westerhold等人，2018）。此外，页岩岩相的垂直变化受到古构造环境、古气候波动以及古环境变化的共同影响。因此，详细的岩相识别有助于重建古环境和古气候的演化历史（Wu等人，2024；Ma等人，2019；Liao等人，2022；Fan等人，2024）。综上所述，连续稳定的高分辨率沉积记录、可靠的古气候代用指标以及全面的岩相数据，都是研究大陆沉积体系对轨道周期强迫响应的重要基础。

渤海湾盆地东营洼陷的古近纪沙河街组上部第四段（Es4u）由一系列连续完整的细粒湖泊沉积岩构成，这些岩石蕴含了大量关于古气候和古环境演化的信息。本研究利用来自NY1井的连续岩心、岩心观测数据、自然伽马射线测井资料、元素地球化学数据、矿物组成数据以及总有机碳含量数据，对Es4u段深层湖泊页岩进行了旋回地层学分析。研究旨在阐明页岩沉积对不同轨道周期的响应机制，建立基于轨道周期的湖泊页岩沉积与有机物富集模型。研究结果为了解东营洼陷的轨道尺度气候-沉积耦合关系提供了新的见解，同时也为预测有利于页岩油形成的地层段提供了地质依据。

章节摘要

地质背景

东营洼陷是渤海湾盆地冀阳坳陷内最大的次级构造单元，位于坳陷的南部，整体呈东北-西南走向。该洼陷形成于晚白垩世以来与上地幔隆升相关的区域伸展构造环境中。其构造格局表现为典型的不对称半地堑型湖泊盆地，具有“北侧断陷、南侧重叠，西侧断陷”的特征。

岩心与薄片

本研究主要针对东营洼陷沙河街组上部第四段（Es4u）的细粒沉积岩。相关岩心和井测数据来自中石化在东营洼陷钻探的三口连续取心井（FY1、LY1和NY1）。其中NY1井的3295.0米至3490.0米间为连续取心段，总岩心长度约为195.0米。取心过程中采用了密封取心工具，以保留岩心的原始结构。

岩相分类方案

Es4u段页岩的岩相分类综合考虑了三个关键参数：矿物组成、有机物含量以及沉积构造（Dong等人，2015）。从组成角度出发，通过硅质碎屑矿物（石英和长石）、黏土矿物以及碳酸盐矿物的相对比例，将Es4u段页岩划分为四种岩相类型：硅质碎屑页岩、黏土页岩、

结论

• (1)
  通过结合总有机碳含量、沉积构造和矿物组成，构建了一套综合岩相分类方案，共识别出Es4u段九种不同的页岩岩相。不同的岩相组合及垂直分布规律反映了古气候和古环境的变化。
• (2)
  在自然伽马射线测井资料中可以清晰地识别出米兰科维奇周期性的变化，这一特征使得能够对第四至第七阶的地层序列进行高频率分段，并为Es4u段地层的形成提供天文层面的解释。

作者贡献说明

Zhenhe Wang：负责初稿撰写、可视化处理、方法设计、定量分析、数据整理以及概念构思。Juye Shi：负责审稿与编辑、方法设计以及概念构思。Quanyou Liu：负责审稿与编辑、方法设计以及数据整理。Tailiang Fan：负责审稿与编辑、可视化处理以及方法设计。Zhiqian Gao：负责审稿与编辑以及数据整理。Gongda Li：负责审稿与编辑、可视化处理以及软件应用。Xinyue Lin：负责可视化处理、软件应用以及形式化分析。

未引用参考文献

Li等人，2019b；Zhang等人，2016。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者衷心感谢所有参与论文评审的专家，以及编辑们提出的宝贵意见和建议，这些都对提升 manuscript的质量起到了重要作用。同时，我们也要感谢中石化为本研究提供的珍贵数据。此外，还要感谢Ge Zhenwei的建设性建议，以及Zhu Junchang、Bi Weihui和Wei Chenwei在研究过程中给予的帮助与支持。本研究还得到了国家层面的支持。