松辽盆地J79钻孔上白垩统嫩江组下段介形类生物地层学、古生态学及其对湖平面变化的响应

《Diversity》：Ostracod Biostratigraphy, Paleoecology, and Their Response to Lake-Level Changes in the Lower Nenjiang Formation (Upper Cretaceous) from Borehole J79, Songliao Basin, NE China

　　

白垩纪古环境重建长期以来主要依赖海相记录，而湖相沉积虽然为陆相环境变化提供了宝贵的高分辨率档案，却仍未得到充分研究。松辽盆地是东亚最大的中生代陆相盆地，其嫩江组下段保存了连续且富含介形类的沉积序列，该段沉积于晚白垩世最大湖侵期（桑顿期—早坎潘期，Santonian–early Campanian），然而该段介形类动物群及其对湖平面波动的生态响应仍缺乏约束。位于盆地西斜坡的J79钻孔在嫩江组下段（K2n1和K2n2下段）产出丰富且高度多样的介形类化石，为研究介形类对湖平面波动的演化响应提供了理想材料。研究人员通过壳体纹饰和壳体形态的分类学、生物地层学及形态功能学分析，识别出7属21种，并建立了3个生物带：Cypridea anonyma–C. squalida带、C. gunsulinensis–C. ardua带和C. stellata–C. liaukhenensis带（自下而上）。该动物群以Cypridea属占绝对优势。研究识别出三种纹饰类型（深坑状、浅坑状和瘤状）及四种壳体形态类型（卵形、肾形、三角形和梯形），揭示了从深水适应型向浅水适应型的规律性演变。所观察到的介形类组合划分出三个古环境阶段：快速海侵加深期（K2n1下段）、湖平面波动期（K2n1中—上段）和另一次大规模湖侵期（K2n2下段）。总体而言，松辽盆地介形类的演化与湖平面动态紧密耦合，记录了加深—变浅—加深—变浅的旋回，反映了盆地的水进—水退历史。

论文解读：松辽盆地嫩江组下段介形类生物地层学、古生态学及其对湖平面变化的响应

一、研究背景与科学问题

白垩纪是典型的温室气候期，以全球海平面高位和一系列重大地质与生物事件为标志，如大火成岩省侵位、白垩纪正常极性超时、大洋缺氧事件和生物灭绝事件等。尽管近年来陆相剖面研究取得了重要进展，尤其是松辽盆地国际大陆科学钻探计划（SK）岩心的系统研究，但当前白垩纪气候及其相关事件的重建仍主要依赖海相档案。整合良好的陆相数据相对匮乏，制约了对全球古环境动态和生物演化的全面认识。

湖相沉积对环境波动高度敏感，是研究古环境动态和生态响应的关键档案。湖平面波动是影响湖相沉积体系演化及相关环境变化的首要因素，因此从沉积记录中重建湖平面变化并评估其生物响应是陆相古环境研究的核心目标。介形类（ostracods）是小型（0.5–2 mm）水生甲壳动物，广泛分布于湖相环境，对盐度、水深和氧化还原条件的变化高度敏感，是湖相生态系统和水文环境的可靠指示生物。

松辽盆地是东亚最大的中生代陆相沉积盆地，保存了厚而连续的白垩纪湖相地层。其中桑顿期—坎潘期嫩江组记录了盆地演化晚期的关键环境转折，为高分辨率古环境演化和湖平面波动研究提供了宝贵的地质档案。介形类在松辽盆地尤为丰富，尤其青山口组至嫩江组，对古环境变化特别是湖平面波动高度敏感。

然而，以往研究主要集中在SK岩心和中央坳陷带、东南隆起带的代表性露头剖面，西斜坡带受到的关注远为不足。西斜坡对湖平面波动高度敏感，沉积环境频繁变迁，特别适合记录水进—水退旋回及其环境响应。因此，本研究聚焦西斜坡J79钻孔嫩江组第一段至第二段最下部的岩心样品，通过介形类组合、沉积学和地球物理测井数据的综合分析，旨在建立高分辨率介形类生物地层框架，阐明生物演化与湖平面动态之间的耦合关系，为陆相盆地高分辨率古环境重建提供可靠的生物学约束。

二、主要技术方法

研究人员从J79钻孔614.25 m至537.67 m深度范围内以约1 m间距系统采集了38个样品，样品来源为松辽盆地西斜坡J79钻孔岩心。样品处理遵循标准微体古生物学流程：约50 g样品清水浸泡约72小时，致密岩性加入少量过氧化氢辅助解离，随后经1 mm、150 μm和300 μm筛网湿筛。介形类化石在OLYMPUS SZ61体视显微镜下观察挑拣，基于壳体形态特征进行分类鉴定，完好标本采用扫描电子显微镜（SEM）成像。

三、研究结果

3.1 介形类生物地层学

通过对J79钻孔嫩江组下段介形类化石的系统分类学分析，共识别出7属21种。K₂n¹产出7属19种，包括Cypridea squalida、C. gunsulinensis、C. acclinia、C. anonyma、C. gracila、C. ardua、C. oblonga、C. maculata、C. turita、Lycopterocypris mediocris、L. triangularis、L. valida、Mongolocypris infidelis、M. porrecta、Candona taikangensis、Advenocypris mundulaformis、A. definita、Kaitunia implata和Triangulicypris torsuosus。K₂n²最下部新增Cypridea属两个种：C. stellata和C. liaukhenensis。基于分类组成和地层分布，建立了三个介形类生物带：Cypridea anonyma–C. squalida带、C. gunsulinensis–C. ardua带和C. stellata–C. liaukhenensis带。

Cypridea anonyma–C. squalida带以C. anonyma首现面（FAD）613 m为底界，以其末现面（LAD）585 m为顶界，对应K₂n¹下部，含5属9种，Cypridea为优势属。多数分类单元在该带下部首现并快速丰度增长，C. turita和Advenocypris definita延续至带中上部。

Cypridea gunsulinensis–C. ardua带以Lycopterocypris mediocris首现面585 m为底界，以C. acclinia末现面547 m为顶界，对应K₂n¹上部，含2属6种。L. mediocris在带下部出现、中部消失，其余分类单元主要出现在中上部并延续至带顶。

Cypridea stellata–C. liaukhenensis带以C. stellata首现面545.5 m为底界，以C. liaukhenensis末现面540 m为顶界，对应K₂n²下部，仅含C. stellata和C. liaukhenensis两种，分类多样性低。

3.2 壳体结构特征及其生态意义

研究人员识别出三种纹饰类型（深坑状、浅坑状和瘤状）和四种壳体形态类型（卵形、肾形、三角形和梯形）。深坑状纹饰以Cypridea turita为代表，主要发育于K₂n¹下部的暗色泥岩中；浅坑状纹饰主要见于C. anonyma、C. gunsulinensis、C. acclinia和C. gracilis，分布于K₂n¹中上部的泥岩和粉砂岩中；瘤状纹饰以C. ardua为代表，集中于K₂n¹中上部。地层上呈现从下部深坑状纹饰占优势向上部浅坑状和瘤状纹饰逐渐发育的演替趋势。已有研究表明，深坑状纹饰增强壳体结构完整性同时减轻重量，常见于半深湖—深湖环境；浅坑状纹饰可能减少浅水条件下的磨蚀；瘤状或刺状纹饰增加表面积和稳定性，适应浅湖—半深湖环境。

壳体形态方面，梯形Cypridea turita壳体较大而厚，主要见于K₂n¹下部泥岩；三角形壳体（Advenocypris definita、A. mundulaformis、Candona trigona、Lycopterocypris triangularis）主要分布于下部暗色细粒沉积物；肾形壳体（L. mediocris、L. valida）主要出现在中部粉砂质泥岩；卵形壳体以Mongolocypris和Cypridea为代表，在整个研究层段普遍存在但更常见于中上部。梯形和三角形壳体一般与较深水环境相关，卵形和肾形壳体更典型于浅湖—半深湖环境。综合纹饰和形态的纵向变化，K₂n¹下部以深水指示形态为主，向上逐渐过渡为浅水指示形态，反映湖盆逐渐变浅的趋势。

3.3 介形类古生态及其对湖平面变化的响应

基于J79钻孔岩性和沉积学数据，研究层段的古环境演化可划分为三个阶段。K₂n¹下部以暗色泥岩为主，反映快速湖侵加深和低能环境，指示还原性底水条件。K₂n¹中上部岩性变为泥岩、粉砂质泥岩和粉砂岩互层，指示变浅和水动力增强，频繁交替反映多次湖平面振荡。K₂n²下部恢复暗色泥岩沉积，指示第二次快速湖侵加深和深水环境重建。

J79钻孔记录了完整的演化轨迹：K₂n¹下部快速湖侵加深→K₂n¹中上部高频湖平面波动和相对变浅→K₂n²下部再次湖侵加深→随后变浅，记录了两次大规模湖侵事件，与SK1钻孔和代表性露头剖面的沉积趋势基本一致。由于位于西斜坡，J79钻孔表现出更频繁的岩性交替，对湖平面波动具有更敏感的沉积响应。

K₂n¹下部和K₂n²最下部快速湖侵加深期间，尽管介形类总体丰度较高，但局部丰度和多样性下降。壳体以灰色至灰白色为主，部分层段出现溶蚀印痕，指示缺氧底水条件（溶解氧浓度<2.0 mg/L）和弱酸性条件（pH≤7），仅耐低氧、适应深水且具抗溶蚀壳体的分类单元得以存活。壳体形态以深坑状和瘤状纹饰发育、梯形和三角形比例增加为特征。

K₂n¹中部湖平面频繁波动期间，岩性交替和粉砂含量增加指示从深水向浅水过渡，环境扰动加剧。介形类丰度与湖平面变化呈显著负相关，组合以深湖—半深湖适应型（如Advenocypris definita和Lycopterocypris mediocris）为主，壳体形态趋向浅坑状纹饰和更规则的壳体轮廓。

K₂n¹中上部岩性更加不均一，粉砂岩夹层增多，指示相对浅水、中等能量但总体稳定的环境。介形类丰度和多样性均达峰值，Cypridea占绝对优势，壳体以浅坑状纹饰和卵形、肾形为主，指示半深湖—浅湖环境适应。

研究层段还产出丰富的叶肢介（conchostracans）和少量鱼类化石，主要分布于K₂n¹下部和K₂n²下部，指示深湖环境。软体动物极为稀少，轮藻类未发现，而这两类在K₂n³–K₂n⁵广泛发育，进一步支持K₂n¹—K₂n²下部总体为相对深水沉积。介形类组合整体以半深湖—浅湖类型为主，即使在相对较浅阶段水深仍可能大于10 m，不利于轮藻等浅水光合自养生物的大量发育。

四、讨论与结论

综合研究表明，J79钻孔介形类演化显著受湖平面波动控制，而湖平面波动本身受斜率驱动的含水层海平面变化（obliquity-forced aquifer-eustasy）控制，并受局部构造和地貌条件调节。在湖侵框架下，介形类经历了生态收缩、恢复和辐射的演替过程。这一演化轨迹不仅与沉积相推断的加深—变浅—加深旋回一致，也记录在壳体结构从复杂（深水适应型）到相对简单（浅水适应型）再回到复杂（深水适应型）的形态转变中，与斜率调制的干湿旋回相吻合。

研究结论如下：（1）识别出7属21种介形类化石，建立三个生物带：Cypridea anonyma–C. squalida带、C. gunsulinensis–C. ardua带和C. stellata–C. liaukhenensis带，动物群以Cypridea占绝对优势。（2）识别出三种纹饰类型和四种壳体形态类型，其纵向变化揭示从深坑状纹饰和厚大壳体向浅坑状纹饰和规则壳形的转变，指示湖盆逐渐变浅和水动力增强，反映介形类对环境变化的分阶段生态适应。（3）研究区嫩江组下段古环境演化可划分为三个阶段：K₂n¹下部快速湖侵加深、K₂n¹中上部湖平面波动、K₂n²下部再次大规模湖侵，与SK岩心和代表性露头剖面记录一致。（4）介形类组合对湖平面波动表现出显著的生态响应：湖侵加深期间分类多样性降低，仅耐低氧深水类型存活；湖平面波动期间介形类对水深变化快速响应；相对稳定的浅水条件下丰度和多样性均高。总体而言，介形类演化强烈受湖平面波动控制，呈现加深—变浅—加深的湖侵旋回，证明介形类组合及其壳体形态特征是重建陆相湖盆古环境变化的有效指标。