德國北部盆地晚侏羅世沉積環(huán)境及古氣候分析*

白華青 曠紅偉 柳永清 吳 峰

1 中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，北京 100037 2 河海大學(xué)海洋學(xué)院，江蘇南京 210098

1 概述

長期以來，由于缺乏足夠的年代指示化石(如菊石等)，德國北部盆地的地層對比工作一直進(jìn)展緩慢(Gramannetal.， 1997)。雖然部分地區(qū)應(yīng)用介形蟲、輪藻等化石建立了部分時(shí)期的生物地層分帶(Schudack，1994;Weiss，1995)，但仍存在生物地層標(biāo)志化石不統(tǒng)一、部分層段化石缺失的問題，導(dǎo)致該區(qū)上侏羅統(tǒng)完整的地層格架難以建立，更給分析該區(qū)的沉積演化過程及其控制因素帶來了困難。

層序地層學(xué)作為地層對比手段在瑞士、西班牙、蘇格蘭、法國和德國南部等不同地區(qū)牛津階和啟莫里階地層對比方面的成功應(yīng)用(Gygietal.， 1998；Pittet and Strasser，1998;Strasseretal.， 1999，2000;Gygi，2000;Samankassouetal.， 2003;Janketal.， 2006)，給德國北部盆地的地層對比指出了新方向。利用不同的野外露頭剖面、鉆井巖心資料、自然伽馬測井曲線和碳氧同位素等地化資料，Betzler等(2007)、K?stner等(2010)、C?sar(2012)和Bai等(2017，2020)建立了德國北部盆地晚侏羅世三級層序格架，并將其與其他歐洲盆地層序地層格架進(jìn)行了對比，為后續(xù)整合利用不同井和剖面數(shù)據(jù)分析該區(qū)沉積演化的控制因素和該區(qū)晚侏羅世古氣候變化規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。

前人研究已證明古氣候和海平面升降對瑞士侏羅山、西班牙、法國北部和德國西南部等地區(qū)的沉積演化有控制作用，但多是通過層序地層學(xué)和旋回地層學(xué)分析等間接手段得出的(Pittet and Strasser，1998；Strasseretal.， 2000;Rufetal.， 2005)。而在德國北部，層序地層學(xué)對比和碳同位素跨區(qū)域?qū)Ρ韧瑯幼C明海平面升降和古氣候共同控制了該區(qū)的沉積演化(Betzleretal.， 2007;Baietal.， 2017)。但是，受生物種類、數(shù)量和保存情況的限制，迄今為止德國北部盆地并沒有能直接反映古氣候變化的數(shù)據(jù)來研究晚侏羅世該區(qū)的古氣候變化情況。以往，直接分析古氣候的常用手段包括利用有孔蟲、箭石等生物殼體的δ18O 計(jì)算古溫度，利用孢粉組合模型反映古氣候的溫濕程度等，如利用箭石δ18O 反映俄羅斯臺地和蘇格蘭地區(qū)晚侏羅世古溫度變化趨勢，尤其是論證啟莫里期溫室環(huán)境的存在(Priceetal.， 2009;Price and Rogov，2009;Nunn and Price.，2010)；利用反映不同生態(tài)環(huán)境的孢粉組合模型(Sporomorph EcoGroup)重建荷蘭地塹和東英格蘭古氣候曲線，闡明晚侏羅世牛津期至啟莫里期古氣候逐漸變暖變干的趨勢(Abbinketal.， 2001)等。但是，研究表明應(yīng)用δ18O 計(jì)算古溫度需要精確估算古海水的平均氧同位素值(δ18Oseawater)，而該值受古鹽度影響較大，尤其是淺海地區(qū)含輕氧同位素較高的淡水的注入會(huì)嚴(yán)重影響δ18Oseawater的值，進(jìn)而影響對古溫度的計(jì)算準(zhǔn)確度(Rocheetal.， 2006;Zhouetal.， 2008)；利用孢粉組合模型則對孢粉數(shù)量和類型豐度要求較高。在這種情況下，利用生物殼原位Mg/Ca值還原古溫度變化的研究應(yīng)運(yùn)而生。Yasamanov(1981)、Klein等(1996，1997)、Rosales等(2004)和Mouchi等(2013)通過實(shí)時(shí)監(jiān)控養(yǎng)殖雙殼類生物的水體的溫度、鹽度和生成殼體的Mg和Ca含量，證明生物殼Mg/Ca值可以反映其形成時(shí)的水體溫度，誤差不超過1.5i℃，且基本不受鹽度影響。Katz等(1973)和Oomori等(1987)的實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)水體溫度每升高1℃，碳酸鈣殼體的Mg/Ca值增加3%。這些都為應(yīng)用Mg/Ca值計(jì)算古溫度奠定了理論基礎(chǔ)。目前應(yīng)用Mg/Ca值計(jì)算古溫度主要應(yīng)用了箭石、有孔蟲殼體。應(yīng)用箭石殼體的Mg/Ca值與δ18O 相互矯正與驗(yàn)證，已經(jīng)在計(jì)算英國早侏羅世托爾期(Toarcian)和晚侏羅世啟莫里期(Kimmeridgian)與提塘期(Tithonian)古水體溫度中得到了成功的應(yīng)用(Baileyetal.， 2003;Nunn and Price，2010)。Lear 等(2002)利用底棲有孔蟲Mg/Ca值計(jì)算了夏威夷、加利福尼亞灣、東北大西洋等地的海底溫度。而牡蠣殼作為以穩(wěn)定低鎂方解石為主要成分的殼體，在古溫度計(jì)算中應(yīng)用尚少，但已有成功應(yīng)用實(shí)例，如在塔里木盆地西南部始新世地層中應(yīng)用牡蠣殼分析季風(fēng)對該區(qū)季節(jié)性溫度變化的影響(Bougeoisetal.， 2016)。這為應(yīng)用牡蠣殼的Mg/Ca值研究德國北部盆地晚侏羅世的古氣候變化提供了新的思路和手段，也為今后利用牡蠣殼的Mg/Ca值研究其他地區(qū)的古氣候提供了新方法。

在前人層序地層學(xué)研究和區(qū)域?qū)Ρ鹊幕A(chǔ)上，整合已有的德國北部盆地內(nèi)完整鉆遇牛津階和啟莫里階沉積的Wendhuasen 6井和Eulenflucht 1井的巖心資料，旨在建立完整的牛津階和啟莫里階沉積演化序列，并通過分析能反映古氣候條件的沉積相垂向變化和牡蠣殼Mg/Ca值垂向變化，解析德國北部盆地晚侏羅世古氣候演化過程及其對沉積演化的控制作用。

2 區(qū)域地質(zhì)背景

德國北部盆地北以Ringkobing Fyn高地為界，南以London-Brabant、Rhenish和Bohemian高地為界(圖 1)。

LBM: London-Brabant高地;RM: Rhenish 高地; BM: Bohemian 高地;RFH: Ringkobing Fyn高地圖 1 德國北部盆地位置(紅色方框)及中歐地區(qū)晚侏羅世巖相古地理圖(據(jù)Ziegler， 1990; Kockel等， 1996; Pieńkowski等，2008;Brandes，2013)Fig.1 Location of North German Basin(marked by red rectangle)and the late Jurassic palaeogeography and main sedimentary associations in Central Europe(modified from Ziegler，1990;Kockel et al.， 1996;Pieńkowski et al.， 2008;Brandes，2013)

德國北部盆地主要經(jīng)歷了5個(gè)構(gòu)造演化階段。(1)裂陷初始階段： 早二疊世，伴隨著大范圍的火山活動(dòng)，盆地裂陷開始；(2)強(qiáng)烈沉降階段： 二疊紀(jì)盆地經(jīng)歷了強(qiáng)烈的沉降作用，導(dǎo)致盆地中心沉積了3000多米厚的下二疊統(tǒng)碎屑巖和上二疊統(tǒng)鹽巖(Scheck and Bayer，1999;Kockel，2002;Kossow and Krawczyk，2002;Scheck-Wenderothetal.， 2008)；(3)差異沉降階段： 受三疊紀(jì)鹽巖活動(dòng)、中侏羅世北冰洋—北大西洋裂谷體系地殼強(qiáng)烈伸展和北海地區(qū)大尺度的熱隆升事件影響，晚侏羅世開始的同沉積斷裂活動(dòng)將德國北部盆地分割成多個(gè)沉降幅度不同的斷陷盆地，形成地塹—地壘構(gòu)造(Betzetal.， 1986;Gramannetal.， 1997)；(4)沉降減緩階段： 晚侏羅世至中白堊世阿爾必期，全盆地范圍內(nèi)基底沉降速度減慢(Kossow and Krawczyk，2002)，淺水碳酸鹽巖緩坡沉積開始，但沉積厚度變化較快，相近斷陷沉積厚度變化可達(dá)數(shù)十米(Hoyer，1965)；(5)構(gòu)造反轉(zhuǎn)階段： 晚白堊世至早新生代，盆地發(fā)育反轉(zhuǎn)構(gòu)造(Ziegler，1990;Mazur and Scheck-Wenderoth，2005)。

Eulenflucht 1井和Wendhausen 6井井位置以及前人研究成果中上侏羅統(tǒng)露頭剖面位置(Helm，2005；Betzler等，2007；K?stner等，2008)圖 2 德國北部盆地地質(zhì)圖(據(jù)Kockel等，1996；有修改)Fig.2 Geological map of the North German Basin(modified from Kockel et al.， 1996)

德國北部盆地上侏羅統(tǒng)牛津階和啟莫里階地層主要在Süntel，Wesergebirge和Ith山地區(qū)出露(圖 2)，包含Süntel、Korallenoolith和Heersumer組以及Ornatenton組上部(圖 3)。Süntel組為含海綠石泥灰?guī)r與灰?guī)r和砂巖互層沉積(Klassen，2003;M?nnig，2005)。Korallenoolith組是穿時(shí)的，巖性以灰?guī)r為主，包括鮞?；?guī)r和珊瑚礁(Gramannetal.， 1997;K?stneretal.， 2008;Betzleretal.， 2007;C?sar，2012;Baietal.， 2017)。珊瑚礁主要分布在Florigemma-Bank層段(Helmetal.， 2003a;Helm，2005)。盆地西北部發(fā)育以石英為主的碎屑巖(K?stneretal.， 2008;Willetal.， 2016)，該碎屑巖與Florigemma-Bank層段之間為一區(qū)域不整合界面，此界面同時(shí)也是Korallenoolith組上段和下段的界面。Heersumer 組巖性以含海綿骨針的泥灰?guī)r為主，兼有鮞粒灰?guī)r，發(fā)育生物擾動(dòng)構(gòu)造(Siegfried，1953;Vinken，1974;K?stneretal.， 2008;Heunisch and Luppold，2015;Baietal.， 2017)。Ornatenton組為含海綠石的泥灰?guī)r沉積，其泥灰?guī)r中碳酸鹽巖含量低于Heersum組泥灰?guī)r中碳酸鹽巖含量(M?nnig，2006，2012)(圖 3)。Eulenflucht 1井巖心包含Süntel組和Korallenoolith組沉積，Wendhausen 6井巖心涉及Korallenoolith組和Heersumer組以及Ornatenton組沉積。

地層學(xué)上，由于該區(qū)缺少菊石化石，生物地層劃分主要借助該區(qū)介形蟲、輪藻、孢子和花粉等生物地層學(xué)標(biāo)志分別與菊石分帶的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行，其中Heersumer組和Süntel組主要依靠介形蟲和孢粉進(jìn)行地層劃分(Heunisch and Luppold，2015)。各地層與菊石分帶對應(yīng)情況如下(圖 3): Süntel組對應(yīng)Baylei上部，Cymodoce，Mutabilis，Eudoxus和Autissiodorensis菊石帶；Korallenoolith組對應(yīng)Pumilis，Cautisnigrae和Pseudocordata菊石帶；Heersumer組對應(yīng)Cordatum，Plicatilis和Baylei下部菊石帶；Ornatenton組對應(yīng)lamerti和Mariae菊石帶(Schulze，1975;Schudack，1994;Weiss，1995;Gramannetal.， 1997;Hardenboletal.， 1998;Oggetal.， 2012)。

圖 3 德國北部盆地中上侏羅統(tǒng)綜合柱狀圖 (據(jù)Schudack，1994;Weiss，1995;Gramann等，1997; Hardenbol等，1998;Ogg等，2012)Fig.3 Middle and upper Jurassic column of the North German Basin(modified from Schudack，1994;Weiss，1995;Gramann et al.， 1997;Hardenbol et al.， 1998;Ogg et al.， 2012)

3 研究方法

Eulenflucht 1井巖心長327im，取心位置在Süntel山區(qū)，坐標(biāo)52.18227418°N，9.4002145°E(圖 1)。本研究目的層段Korallenoolith組和Süntel組位于該巖心327～209im處。Wendhausen 6井巖心長60im，取心位置位于Hildesheimer Wald 山區(qū)，坐標(biāo)52.122721°N，10.072847°E(圖 1)。該巖心包含Ornatenton組和Heersumer組以及Korallenoolith組下部沉積。目前2組巖心存儲(chǔ)在德國聯(lián)邦地球科學(xué)與自然資源研究所位于Grubenhagen的巖心庫中。

巖心描述和取樣： 分別對2組巖心進(jìn)行詳細(xì)的巖心描述，包括顆粒成分，沉積結(jié)構(gòu)、構(gòu)造，初步判斷巖心所包含的巖石類型，并以1～1.5im的間距連續(xù)取樣，在巖石類型變化較快的部分以0.2～0.5im間距取樣。Eulenflucht 1井取樣80塊，Wendhausen 6井取樣57塊。

薄片制備和鑒定： 將所有樣品磨制巖石薄片，并對薄片進(jìn)行顯微鏡下觀察，鑒定其顯微組分和結(jié)構(gòu)，結(jié)合巖心描述內(nèi)容判定巖石類型。

Mg、Ca原位測試： 測試原理是保存較好的、未受成巖改造的以低鎂方解石為主要成分的生物殼的Mg/Ca值可以反映殼體形成時(shí)的古水體溫度。該種方法已經(jīng)在計(jì)算英國早侏羅世托爾期(Toarcian)和晚侏羅世啟莫里期(Kimmeridgian)與提塘期(Tithonian)古水體溫度中得到了成功的應(yīng)用(Baileyetal.， 2003;Nunn and Price，2010)。同時(shí)，在現(xiàn)代牡蠣養(yǎng)殖過程中，牡蠣殼Mg/Ca值也被證實(shí)能反映其生長環(huán)境的水體溫度(Kleinetal.， 1996)。

對保存完好的牡蠣殼的挑選是在普通巖石薄片鑒定基礎(chǔ)上進(jìn)行的，選取含生物殼較多的灰?guī)r樣品，磨制厚0.05imm的探針片，并做噴碳處理，用于陰極發(fā)光顯微鏡觀察，通過其顯微結(jié)構(gòu)和陰極發(fā)光特征判斷牡蠣殼保存完好程度。未經(jīng)成巖改造的牡蠣殼顯微鏡下殼體內(nèi)部為薄片狀結(jié)構(gòu)，邊部垂直于殼體的棱柱狀結(jié)構(gòu)清晰可見，陰極發(fā)光鏡下不發(fā)光(圖 4)(Boggs and Krinsley，2006;Aguirre-Urretaetal.， 2008;H?nigetal.， 2017)。每個(gè)被選殼體測量2～4個(gè)點(diǎn)位。原位Mg、Ca元素含量測試在中國地質(zhì)大學(xué)(北京)科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)中心LA-ICP-MS實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，使用NewWave公司Up193ss激光器，波長193inm。載氣為氦氣，進(jìn)氣速度0.94 L/min。激光斑束直徑100iμm，頻率10iHz。激光原位剝蝕前時(shí)間為5 s，剝蝕時(shí)間45 s。ICP-MS 系統(tǒng)型號為Agilent Serie 7500a，輔助氣體氬氣進(jìn)氣速度1.13 L/min，射頻功率1350 W。

4 結(jié)果和討論

4.1 巖石類型與沉積環(huán)境

根據(jù)巖心所反映的宏觀沉積構(gòu)造和巖石薄片鏡下鑒定所得的巖石成分、結(jié)構(gòu)、生物顆粒含量、組合特征，應(yīng)用鄧哈姆(Dunham)(1962)的碳酸鹽巖分類體系，在Eulenflucht 1井巖心和Wendhausen 6井巖心共識別出14種巖石類型(圖 5)。依據(jù)各巖石類型所反映的沉積環(huán)境水動(dòng)力條件強(qiáng)弱、鹽度高低等特征，判斷它們分別屬于碳酸鹽巖斜坡體系中的潮坪、開闊臺地、臨濱、內(nèi)陸棚、外陸棚沉積環(huán)境和三角洲體系的三角洲前緣沉積環(huán)境。因部分層段巖石類型和沉積環(huán)境變化頻繁，故在圖 5 中部分層段將部分沉積環(huán)境合并展示。此外，砂巖與下伏地層呈突變接觸，且接觸面為不規(guī)則侵蝕面，內(nèi)部含交錯(cuò)層理且海相生物化石缺失(圖 6-a；圖7-a)等特征均指示了其為非海相環(huán)境下低位域河道砂沉積。每種沉積環(huán)境所包含的巖石類型組合和特征分述如下：

圖 4 德國北部盆地保存完好的牡蠣殼在偏光顯微鏡(a)和陰極發(fā)光顯微鏡下的特征(b)Fig.4 Features of the well preserved oyster shell fragments under cross-polarized microscope(a)and cathodoluminescence microscope(b)of the North German Basin

圖 5 Eulenflucht 1井(左)和Wendhausen 6井(右)綜合柱狀圖Fig.5 Comprehensive lithostratigraphic columns of the Well Eulenflucht 1(left)and Well Wendhausen 6(right)

4.1.1 潮坪環(huán)境

該沉積環(huán)境包含平均低潮線之內(nèi)的潮下帶，平均高潮線之外的潮上帶及二者之間的潮間帶。自潮下帶至潮上帶水體能量依次減弱，沉積物粒度逐漸減小，主要包含生屑球粒漂浮巖和生屑粒泥灰?guī)r。

二者的共同特征是生物顆粒含量較少，含黃鐵礦且為基質(zhì)支撐結(jié)構(gòu)，代表了低能閉塞的還原沉積環(huán)境。生屑球粒漂浮巖中所含的窗欞構(gòu)造(圖 6-b)是潮間帶沉積的產(chǎn)物，而生屑粒泥灰?guī)r中部分層段可見小型喀斯特溶蝕構(gòu)造(圖 6-e)是潮上帶泥坪間歇暴露的產(chǎn)物。棘皮等窄鹽性生物消失，雙殼類殼體變薄，球粒等適應(yīng)高鹽度環(huán)境的顆粒的沉積(Roller and Stickle，1985;Scholle and Ulmer-Scholle，2003)，這些特征都指示了高鹽度的潟湖環(huán)境(Pomoni-Papaioannou，2008)。因此，該2種巖石類型沉積于局限潟湖靠近潮坪部位。

4.1.2 開闊臺地環(huán)境

該沉積環(huán)境位于臺地邊緣高能灘壩沉積和局限臺地之間，水域廣闊，海水循環(huán)良好，水體能量較高，主要包含了生屑礫屑灰?guī)r和放射鮞顆?；?guī)r。

二者的共同特征是顆粒支撐為主，基質(zhì)含量較少，為較高能量下的沉積產(chǎn)物。放射鮞顆粒灰?guī)r富含直徑不大于0.5imm的放射鮞和少量同心鮞(圖 6-c)，通常形成于水動(dòng)力條件高到中等的半咸水局限水體中(Suesse and Fütterer，1972;Davies and Bubelab，1978)。因此該巖石類型生成于開闊臺地高能環(huán)境中，緊鄰生屑鮞粒顆?；?guī)r形成的高能鮞粒灘沉積。生屑礫屑灰?guī)r中含長達(dá)2imm的牡蠣殼和腹足類碎屑，富含腕足類、雙殼類、棘皮類等海相化石(圖 6-d)和以正粒序?qū)永頌闃?biāo)志的風(fēng)暴沉積序列(圖 6-f)，與放射鮞顆粒灰?guī)r對比，生屑礫屑灰?guī)r基質(zhì)含量明顯升高，反映了水動(dòng)力條件的降低。因此生屑礫屑灰?guī)r形成于含正常海水循環(huán)的開闊臺地地區(qū)，沉積位置與放射鮞顆粒灰?guī)r相鄰且更靠近潟湖沉積中心。偶發(fā)的風(fēng)暴潮導(dǎo)致了風(fēng)暴沉積序列的沉積。

a—砂巖，取自Wendhausen 6井巖心7.70im；b—生屑球粒漂浮巖，含窗欞構(gòu)造，取自Eulenflucht 1井巖心203.34im；c—放射鮞，取自Eulenflucht 1井巖心245.15im；d—生屑礫屑灰?guī)r，含長達(dá)1icm的牡蠣殼和海綠石，取自Eulenflucht 1井巖心261.69im；e—生屑粒泥灰?guī)r中的微喀斯特構(gòu)造，取自Eulenflucht 1井巖心240.59im;f—生屑礫屑灰?guī)r中凹面向上的雙殼類(紅色箭頭)和泥礫(黃色箭頭)，取自 Eulenflucht 1井巖心272.80im。均為單偏光圖 6 德國北部盆地潮坪和開闊臺地環(huán)境不同巖石類型的顯微特征Fig.6 Microscopic features of different rocks in tidal and open platform of the North German Basin

a—砂巖交錯(cuò)層理，樣品采自Wendhasuen 6井12.10～12.27im;b—珊瑚粘結(jié)灰?guī)r，樣品采自Eulenflucht 1井297.68～297.80im；c—含生物擾動(dòng)構(gòu)造泥灰?guī)r，樣品采自Wendhausen 6井54.40～54.70im； d—Chondrites 遺跡相，樣品采自Wendhasuen 6井33.50～33.68im圖 7 德國北部盆地內(nèi)、外陸棚環(huán)境巖石沉積特征Fig.7 Sedimentary features of differen rocks in outer shelf and inner shelf of the North German Basin

4.1.3 臨濱

該沉積環(huán)境位于晴天浪基面和平均低潮面之間，水體能量高，廣泛發(fā)育灘壩沉積，包含生屑鮞粒顆?；?guī)r和牡蠣殼礫屑灰?guī)r。

生屑鮞粒顆?；?guī)r所含顆粒以同心鮞沉積為主，也含有雙殼類、棘皮類、腹足類等生物碎屑，部分雙殼類碎片長達(dá)2imm(圖 8-a)。極低的基質(zhì)含量和鮞粒的同心結(jié)構(gòu)表明水體有足夠的能量長期使顆粒處于懸浮攪動(dòng)狀態(tài)。交錯(cuò)層理的發(fā)育說明有較強(qiáng)的水流作用(Betzleretal.， 2007)，為晴天浪基面之上的鮞粒灘沉積。牡蠣殼礫屑灰?guī)r以富含大于2imm長的牡蠣殼為特征，同時(shí)包含其他棘皮類、雙殼類、腹足類和珊瑚碎屑(圖 8-b)。較高的大顆粒含量，顆粒支撐的結(jié)構(gòu)均代表了較高的水動(dòng)力條件，也為晴天浪基面附近高水動(dòng)力條件下的沉積。

4.1.4 內(nèi)陸棚

該沉積環(huán)境位于晴天浪基面和風(fēng)暴浪基面之間，向海方向水體能量逐漸減弱，包含珊瑚粘結(jié)灰?guī)r、生屑鮞粒泥粒灰?guī)r和生屑漂浮巖3種巖石類型。

珊瑚粘結(jié)灰?guī)r主要成分為珊瑚骨架，約占50%，枝狀珊瑚外側(cè)有有孔蟲包殼，內(nèi)壁有黃鐵礦沉積，珊瑚骨架被溶蝕并被方解石充填(圖 7-b；圖8-c)。牛津階珊瑚礁在法國東北部和南部侏羅山地區(qū)以及北德地區(qū)都有發(fā)育，并被認(rèn)為是晴天浪基面以下較低水動(dòng)力條件下的沉積產(chǎn)物(Schmid，1996;Helmetal.， 2003b;Helm，2005;Lathuiliereetal.， 2005;Betzleretal.， 2007;Carpentieretal.， 2007)。生物包殼代表了低水動(dòng)力條件和缺氧還原環(huán)境(Leinfelderetal.， 1993)，這和黃鐵礦形成的環(huán)境一致。生屑鮞粒泥?；?guī)r中常見生物擾動(dòng)構(gòu)造，主要顆粒成分包括石英、黃鐵礦、鮞粒、球粒以及少量雙殼類、腹足類、棘皮類動(dòng)物碎屑和有孔蟲(圖 8-d)。同心鮞的形成需要持續(xù)不斷的水體攪動(dòng)，它的大量出現(xiàn)代表了中等到強(qiáng)的水動(dòng)力條件(Medwedeff and Wilkinson，1983；Strasser，1986)。但是基質(zhì)支撐的結(jié)構(gòu)表明水體能量不足以淘洗掉所有的細(xì)粒沉積，因此該生屑鮞粒泥?；?guī)r形成于晴天浪基面附近水動(dòng)力條件中等的廣海。生屑漂浮巖顆粒成分以雙殼類、棘皮類和腹足類生物碎屑為主，碎屑長度可達(dá)2～4imm(圖 8-e)。生物擾動(dòng)構(gòu)造發(fā)育，與牡蠣殼礫屑灰?guī)r和泥灰?guī)r呈互層沉積。較高的基質(zhì)含量代表了中等到弱的水動(dòng)力條件，間歇性的風(fēng)暴帶來的強(qiáng)水動(dòng)力條件又導(dǎo)致了大顆粒的沉積，為風(fēng)暴浪基面之上的廣海沉積。

4.1.5 外陸棚

該沉積環(huán)境位于風(fēng)暴浪基面之下，水體能量較弱，以發(fā)育泥灰?guī)r沉積為主，包含有孔蟲粒泥灰?guī)r和泥灰?guī)r2種巖石類型。

有孔蟲粒泥灰?guī)r主要成分為有孔蟲，包括底棲有孔蟲Lenticulinaspp.和粘結(jié)有孔蟲Alveoseptajaccardi和Textularia(圖 8-f)，另外含有一些其他生物碎屑和海綠石，生物擾動(dòng)構(gòu)造發(fā)育。粘結(jié)有孔蟲Alveoseptajaccardi通常生活在晴天浪基面之下的廣海(Dupraz and Strasser，2002;Hughes，2004)，而廣泛發(fā)育的海綠石反映了極低的背景沉積速率和水體能量(O’Brienetal.， 2011)，較高的基質(zhì)含量和水平生物潛穴的發(fā)育都代表了安靜的水體環(huán)境。因此，有孔蟲粒泥灰?guī)r為風(fēng)暴浪基面之下的沉積。

泥灰?guī)r以灰泥和黏土沉積為主，非碳酸鹽巖顆粒主要有石英和黃鐵礦，碳酸鹽巖顆粒主要為一些有孔蟲、龍介蟲、海綿骨針等且含量較少，沉積物粘結(jié)性較差且生物擾動(dòng)構(gòu)造較發(fā)育(圖 7-c)。黃鐵礦的出現(xiàn)代表了缺氧環(huán)境，同時(shí)Heersumer組海綿骨針來自牛津階廣泛發(fā)育的六放硅質(zhì)海綿，該種海綿廣泛生長在缺氧的且水動(dòng)力條件中等至較低的開闊海中(Reid， 1968； Townson， 1975; Haslett， 1992; Pisera， 1997； Carpentieretal.， 2007; K?stneretal.， 2008; Baietal.， 2017)。 廣泛發(fā)育的生物擾動(dòng)構(gòu)造，極細(xì)的沉積物粒度、基質(zhì)支撐的結(jié)構(gòu)都說明該泥灰?guī)r形成于風(fēng)暴浪基面之下水動(dòng)力條件較低的開闊水體中。

4.1.6 三角洲前緣

該沉積環(huán)境主要包含了水下分流河道沉積的生屑砂巖和位于分流間灣的海綿骨針砂巖。

海綿骨針砂巖中所含硅質(zhì)海綿骨針(圖 8-g)與泥灰?guī)r中的相類似，均形成于風(fēng)暴浪基面之下的廣海地區(qū)。但該巖石中所含大量的石英顆粒代表了陸源物質(zhì)的輸入。由于海綿可以生長在水下分流河道間灣部位(Shen and Kawamura，2001)，故認(rèn)為該海綿骨針砂巖是風(fēng)暴浪基面之下前三角洲水下分流河道間灣沉積。生屑砂巖主要成分為石英(圖 8-h)，兼有少量雙殼類、棘皮類和龍介蟲等生物碎屑顆粒，底部可觀察到不規(guī)則侵蝕面。大量的次圓狀到次棱角狀石英顆粒和底部侵蝕面的出現(xiàn)，以及少量海相生物碎屑的參與表明該生屑砂巖可能屬于水下分流河道沉積。生物遺跡相Chondrites廣泛發(fā)育(圖 7-d)，而Chondrites遺跡相是濱外過渡帶遠(yuǎn)端、風(fēng)暴浪基面附近沉積的標(biāo)志(Collinetal.， 2005；K?stneretal.， 2008)。其與海綿骨針砂巖互層的垂向疊置關(guān)系表明其為風(fēng)暴浪基面附近水下分流河道沉積。

各種巖石類型的垂向分布順序如圖 5 所示，垂向上由Heersumer組到Süntel組，沉積環(huán)境逐步由外陸棚、內(nèi)陸棚、臨濱過渡到了開闊廣海和潟湖、潮坪環(huán)境，表現(xiàn)出了相對海平面降低的進(jìn)積過程。

位于Eulenflucht 1井293.00～294.00im的低位域砂巖底部下伏巖層為珊瑚粘結(jié)巖。該砂巖底面可與Florigemma-Bank頂部不整合面對比，區(qū)域上該不整合上部為低位域砂巖沉積，下部為珊瑚礁沉積(Helm，1998，2005；K?stneretal.， 2008)。而該界面同時(shí)也可與Wendhausen 6井15.1im處的砂巖底面相對比(圖 5)，該界面下部雖不是珊瑚粘結(jié)灰?guī)r，但富含珊瑚碎屑。該處未形成珊瑚粘結(jié)灰?guī)r可能是由于Wendhausen 6井位于三角洲和碳酸鹽巖緩坡過渡地帶，較大的陸源物質(zhì)輸入抑制了珊瑚礁生長的緣故(Baietal.， 2020)。

4.2 古氣候?qū)Τ练e演化的控制作用

層序地層學(xué)分析在Eulenflucht 1井識別出25個(gè)短層序和11個(gè)中級層序，在Wendhausen 6井識別出15個(gè)短層序和5個(gè)中級層序，并且在中級層序尺度上建立了區(qū)域地層對比，為整合應(yīng)用盆地內(nèi)不同鉆井取得的數(shù)據(jù)分析古氣候?qū)Τ练e演化的控制作用奠定了基礎(chǔ)(Baietal.， 2017，2020)。作者對古氣候演化的探索主要應(yīng)用能指示古溫度變化的Mg/Ca值和沉積相分析進(jìn)行(Kleinetal.， 1996;Baileyetal.， 2003;Nunn and Price，2010)。在已識別出的14種巖石類型中，為便于樣品選擇，保證測試準(zhǔn)確度，Mg/Ca值測試主要針對生物碎屑顆粒含量較多的生屑鮞粒顆?；?guī)r、牡蠣殼礫屑灰?guī)r、生屑漂浮巖和生屑礫屑灰?guī)r進(jìn)行。測試對象為以上巖石中保存較好的以低鎂方解石為主要成分的牡蠣殼，共測試樣品點(diǎn)35個(gè)，具體數(shù)據(jù)見表 1。

表 1 德國北部盆地牡蠣殼Mg/Ca值原位測試結(jié)果Table1 Results of in-situ Mg/Ca ratio measurement from oyster shells of the North German Basin

Eulenflucht 1井樣品的Mg/Ca值介于1.84～11.27之間，并且從307.03～240.59im，Mg/Ca值呈增高趨勢。Wendhausen 6井樣品的Mg/Ca值介于1.96～10.17之間，每個(gè)深度點(diǎn)所測數(shù)據(jù)的平均值介于2.25～5.71之間。

Mg/Ca值反映古溫度變化的原理如下： 除δ18O 外，生物成因的碳酸鹽巖殼體(如有孔蟲、箭石、牡蠣等的殼體)的Mg/Ca值也可以反映殼體形成時(shí)的古水體溫度(Kleinetal.， 1996;Baileyetal.， 2003;Nunn and Price，2010;Mouchietal.， 2013;Bougeoisetal.， 2016)。Mg/Ca值與古溫度之間呈指數(shù)關(guān)系，計(jì)算公式為：

(Mg/Ca)calcite=BeAT

(1)

其中A 為Mg/Ca值對溫度的依賴系數(shù)，T代表生物殼形成時(shí)的溫度，B為和生物種類有關(guān)的常數(shù)(Learetal.， 2002;Baileyetal.， 2003)。保存較好的有孔蟲和箭石的Mg/Ca值已作為有效的古溫度指標(biāo)被廣泛應(yīng)用于計(jì)算中晚侏羅世的古溫度(Nunn and Price，2010;Wierzbowskietal.， 2013)。但是由于公式中參數(shù)B是和物種有關(guān)的常數(shù)，因此應(yīng)用該方法計(jì)算牡蠣殼形成時(shí)的古溫度需要對參數(shù)B進(jìn)行校正。然而從公式看無論B取什么值，古溫度和Mg/Ca值的同向變化趨勢是不變的，因此作者沒有計(jì)算古溫度的具體數(shù)值，而是用牡蠣殼的Mg/Ca值反映古溫度的變化趨勢。Mg/Ca值較高的層段形成于溫暖環(huán)境，而Mg/Ca值較低的層段形成于較寒冷環(huán)境。

古氣候的干濕可以影響母源區(qū)的風(fēng)化作用方式和強(qiáng)度，進(jìn)而影響沉積物源的供給情況；而其冷暖則可影響各類生物的生存狀態(tài)、碳酸鹽的沉淀速率、甚至海平面的升降。這些毋庸置疑都將對沉積產(chǎn)生影響。分析古氣候變化規(guī)律和沉積相及沉積環(huán)境演化過程之間的相關(guān)關(guān)系，有利于明確古氣候?qū)Τ练e演化的控制作用。

研究中Mg/Ca值所反映的古溫度變化趨勢和前人用氧同位素及孢粉組合所做出的歐洲大陸晚侏羅世氣候溫度和干濕變化(Abbinketal.， 2001;Price and Rogov，2009;Nunn and Price，2010)，為分析古氣候?qū)Τ练e的控制作用提供了重要參數(shù)。Heersumer組形成于三角洲前緣環(huán)境的生屑砂巖和海綿骨針砂巖與形成于碳酸鹽巖斜坡體系的生屑鮞粒泥?；?guī)r和泥灰?guī)r頻繁互層，表現(xiàn)出混合沉積的特征，且生屑鮞粒泥?；?guī)r和泥灰?guī)r中石英含量也較高，表現(xiàn)出和伏美燕等(2012)混積巖分類中Ⅳ型高度混積巖相似的特征，是海平面下降過程中濕潤氣候條件下的產(chǎn)物。該段Mg/Ca值較低(圖 9)，孢粉組合分析顯示指示干旱氣候的孢粉數(shù)量/指示濕潤氣候的孢粉數(shù)量(D/W)處于低值，屬于寒冷濕潤氣候，與Ⅳ型混積巖形成的古氣候一致。從Heersumer組到Korallenoolith組珊瑚礁發(fā)育的層段，在Wendhausen 6井表現(xiàn)為一次從35.00im到15.00im的古溫度升高過程(圖 9)。結(jié)合層序地層學(xué)對比結(jié)果(Baietal.， 2017，2020)，Wendhausen 6井Florigemma-bank附近(16.05im)Mg/Ca值約為6imMol/Mol。該次較溫暖時(shí)期可以與Cautisnigrae時(shí)期的變暖過程相對比，但是由于受采樣間隔和樣品保存程度的限制，該次變暖在Eulenflucht 1井未取得Mg/Ca值數(shù)據(jù)。從巖石類型上看，Wenhausen 6井中自60im至21im，生屑鮞粒粒泥灰?guī)r單層厚度不斷增加，鮞粒含量不斷提高，直至20im左右牡蠣殼礫屑灰?guī)r中出現(xiàn)珊瑚碎片；而在Eulenflucht 1井相應(yīng)層段出現(xiàn)珊瑚礁。鮞粒通常形成于溫暖的淺海地區(qū)(Opdyke and Wilkinson，1990;O′Reillyetal.， 2017)，珊瑚礁的發(fā)育更是溫暖水體沉積的產(chǎn)物，它們都代表了溫暖環(huán)境的沉積。所以這種巖石類型變化反映了古氣候由Mariae到Cautisnigrae逐漸變暖的趨勢，直至Korollenoolith組珊瑚礁沉積時(shí)期該次變暖達(dá)到頂峰。Florigemma-bank頂部區(qū)域不整合面之上再次出現(xiàn)了砂巖沉積，在Wedhausen 6井表現(xiàn)為Mg/Ca值的低值，為較冷氣候的沉積。Korallenoolith組上段再次出現(xiàn)了溫暖氣候下的鮞粒灘沉積，在Wendhausen 6井表現(xiàn)為從10.00im到5.00im的又一次古溫度升高過程，在5im左右的生屑鮞粒顆?；?guī)r中取得的另一個(gè)Mg/Ca高值5.20imMol/Mol，可以和Eulenflucht 1號井293im附近生屑鮞粒顆?；?guī)r中的5.22imMol/Mol相對比，二者都位于Florigemma-bank頂部區(qū)域不整合面上覆砂巖之上的鮞?；?guī)r沉積中，且可以和蘇格蘭地區(qū)Pseudocordata底部的一次古溫度升高相對應(yīng)(Nunn and Price，2010)。由Korallenoolith組頂部到Süntel組中部，在Eulenflucht 1井表現(xiàn)為從290.00im到240.00im出現(xiàn)的一次古溫度升高過程(圖 9)。Mg/Ca值最高的層段即最溫暖的時(shí)期出現(xiàn)在Eulenflucht 1巖心240im左右靠近放射鮞顆?；?guī)r的部分，其值可達(dá)8imMol/Mol，恰好與蘇格蘭和俄羅斯地區(qū)在Eudoxus時(shí)期出現(xiàn)晚侏羅世最高的古溫度記錄相吻合(Price and Rogov，2009;Nunn and Price，2010)。這種古氣候變化趨勢也和利用孢粉分析所得的晚侏羅世古氣候變化趨勢一致(Abbinketal.， 2001)。

綜上所述，應(yīng)用牡蠣殼Mg/Ca值變化所得出的古溫度變化趨勢與應(yīng)用沉積相分析所得出的古氣候變化趨勢，以及與區(qū)域上應(yīng)用氧同位素、孢粉等所得的古氣候變化趨勢一致，說明古氣候?qū)υ搮^(qū)沉積演化起著重要的控制作用，同時(shí)說明保存較好的牡蠣殼Mg/Ca值可以作為推演古氣候變化的指標(biāo)之一，用其變化趨勢反映晚侏羅世古氣候變化規(guī)律是可靠的。

5 結(jié)論

1)通過對Eulenflucht 1井和Wendhausen 6井巖心顆粒成分、生物組合特征、沉積結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等特征分析，在2口井的巖心中共識別出14種巖石類型，分屬于碳酸鹽巖斜坡體系中的潮坪、開闊臺地、臨濱、內(nèi)陸棚、外陸棚沉積環(huán)境和三角洲體系的三角洲前緣沉積環(huán)境。垂向上由Heersumer組到Süntel組，沉積環(huán)境逐步由外陸棚、內(nèi)陸棚過渡到了開闊臺地、潮坪環(huán)境，表現(xiàn)出了相對海平面降低的進(jìn)積過程，以此建立了德國北部盆地牛津階和啟莫里階完整的垂向沉積演化序列。

2)牡蠣殼原位Mg/Ca值(古溫度指標(biāo))分析顯示牛津期至啟莫里期總體表現(xiàn)出了古氣候變暖的趨勢，且共有3次氣候變暖過程，該變化與由沉積相分析得出的古氣候變化規(guī)律一致，證明了古氣候是控制該區(qū)沉積演化的一個(gè)重要因素。

3)由牡蠣殼Mg/Ca值得出的古溫度變化趨勢與區(qū)域上如蘇格蘭、俄羅斯臺地古溫度變化趨勢有很好的對應(yīng)關(guān)系，且與由沉積微相分析得出的古氣候變化一致，表明牡蠣殼Mg/Ca值可以作為一個(gè)可靠的古氣候指標(biāo)應(yīng)用于其他地區(qū)的古氣候分析中。

致謝感謝審稿專家提出的有益建議和意見。