石油勘探与开发 >

2025 , Vol. 52 >Issue 5: 1080 - 1091

DOI: https://doi.org/10.11698/PED.20250031

油气勘探

从轨道强迫气候变化到有机质和页岩油富集的传递机制——以松辽盆地白垩系青山口组古龙页岩油为例

  • 王华建 , 1, 2, 3 ,
  • 刘真吾 4 ,
  • 李山 4 ,
  • 柳宇柯 2, 3 ,
  • 高爽 5 ,
  • 吕亦然 1 ,
  • 吴怀春 4 ,
  • 张水昌 , 2, 3
展开
  • 1 中国科学院地质与地球物理研究所深层油气理论与智能勘探开发重点实验室，北京 100029
  • 2 中国石油天然气集团有限公司油气地球化学重点实验室，北京 100083
  • 3 多资源协同陆相页岩油绿色开采全国重点实验室，黑龙江大庆 163712
  • 4 中国地质大学（北京）海洋学院，北京 100083
  • 5 中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京 100083
张水昌（1961-），男，河南禹州人，博士，中国科学院院士，中国石油勘探开发研究院教授级高级工程师，主要从事石油地质与油气地球化学研究。地址：北京市海淀区学院路20号，中国石油勘探开发研究院，邮政编码：100083。E-mail:

王华建（1984-），男，山东嘉祥人，博士，中国科学院地质与地球物理研究所副研究员，主要从事石油地质与油气地球化学研究。地址：北京市朝阳区北土城西路19号，中国科学院地质与地球物理研究所，邮政编码：100029。E-mail:

Copy editor: 黄昌武

收稿日期: 2025-01-21

  修回日期: 2025-08-10

  网络出版日期: 2025-09-19

基金资助

国家自然科学基金(42372162)

国家自然科学基金(4244205C)

黑龙江省揭榜挂帅项目(2022-JS-1740)

黑龙江省揭榜挂帅项目(2022-JS-1853)

中国科学院抢占科技制高点专项项目(THEMSIE04010103)

收起

Transmission mechanism from orbital forced climate change to organic matter and shale oil enrichment: A case study of Gulong shale oil in the Cretaceous Qingshankou Formation, Songliao Basin, NE China

  • WANG Huajian , 1, 2, 3 ,
  • LIU Zhenwu 4 ,
  • LI Shan 4 ,
  • LIU Yuke 2, 3 ,
  • GAO Shuang 5 ,
  • LYU Yiran 1 ,
  • WU Huaichun 4 ,
  • ZHANG Shuichang , 2, 3
Expand
  • 1 Key Laboratory of Deep Petroleum Intelligent Exploration and Development, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
  • 2 Key Laboratory of Petroleum Geochemistry, China National Petroleum Corporation, Beijing 100083, China
  • 3 State Key Laboratory of Continental Shale Oil, Daqing 163712, China
  • 4 School of Ocean Sciences, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China
  • 5 College of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining & Technology (Beijing), Beijing 100083, China

Received date: 2025-01-21

  Revised date: 2025-08-10

  Online published: 2025-09-19

Fold

摘要

以松辽盆地古龙凹陷GY8HC井白垩系青山口组古龙页岩油为例，运用高精度火山灰锆石U-Pb年龄和AstroBayes方法进行沉积速率估算，通过高分辨率的总有机碳含量（TOC）、游离烃含量（S1）、热解烃含量（S2）以及矿物含量的频谱分析，对过成熟区页岩油的富集特征和主控因素进行研究。结果表明：①与页岩油富集相关的TOC、S1、S2都具有显著的斜率振幅调制周期（173×103 a）；②与岩石矿物组成有关的石英和伊蒙混层含量则具有显著的长偏心率周期（405×103 a）；③与高成熟区GY3HC井和中成熟区ZY1井的对比研究表明，过成熟区青山口组页岩油原位富集特征明显，且与TOC具有显著正相关性，说明高TOC是过成熟区页岩油富集的关键要素；④173×103 a周期对应的12~13 m沉积厚度可作为研究区页岩油开发的箱体高度，处于青山口组页岩压裂所生成的最优缝高范围（10~15 m）。轨道强迫的气候变化不仅控制松辽盆地有机碳埋藏和岩性组成的沉积韵律，也影响现今古龙页岩油的富集特征和甜点层系。

关键词： 地球轨道; 气候变化; 有机质富集; 松辽盆地; 白垩系; 青山口组; 古龙页岩油

本文引用格式

王华建 , 刘真吾 , 李山 , 柳宇柯 , 高爽 , 吕亦然 , 吴怀春 , 张水昌 . 从轨道强迫气候变化到有机质和页岩油富集的传递机制——以松辽盆地白垩系青山口组古龙页岩油为例[J]. 石油勘探与开发, 2025 , 52(5) : 1080 -1091 . DOI: 10.11698/PED.20250031

Abstract

Taking the GY8HC well in the Gulong Sag of the Songliao Basin as an example, this study utilized high-precision zircon U-Pb ages from volcanic ashes and AstroBayes method to estimate sedimentation rates. Through spectral analysis of high-resolution total organic carbon content (TOC), laboratory-measured free hydrocarbons (S1), hydrocarbons formed during pyrolysis (S2), and mineral contents, the enrichment characteristics and controlling factors of shale oil in an overmature area were investigated. The results indicate that: (1) TOC, S1, and S2 associated with shale oil enrichment exhibit a significant 173×103 a obliquity amplitude modulation cycle; (2) Quartz and illite/smectite mixed-layer contents related to lithological composition show a significant 405×103 a long eccentricity cycle; (3) Comparative studies with the high-maturity GY3HC well and moderate-maturity ZY1 well reveal distinct in-situ enrichment characteristics of shale oil in the overmature Qingshankou Formation, with a significant positive correlation to TOC, indicating that high TOC is a key factor for shale oil enrichment in overmature areas; (4) The sedimentary thickness of 12-13 m corresponding to the 173×103 a cycle can serve as the sweet spot interval height for shale oil development in the study area, falling within the optimal fracture height range (10-15 m) generated during hydraulic fracturing of the Qingshankou shale. Orbitally forced climate changes not only controlled the sedimentary rhythms of organic carbon burial and lithological composition in the Songliao Basin but also influenced the enrichment characteristics and sweet spot distribution of Gulong shale oil.

Key words： Earth orbits; climate change; organic matter enrichment; Songliao Basin; Creataceous; Qingshankou Formation; Gulong shale oil

0 引言

页岩油是页岩中有机质生成、未经运移或仅经短/微距离运移，依然赋存在页岩或夹层等细粒层系中的石油，可以在沉积单元中连续分布。中国目前已在松辽[1]、鄂尔多斯[2]、渤海湾[3]、准噶尔[4]、柴达木[5]和四川[6]等盆地中相继实现了陆相页岩油的勘探突破。为更好地提高单井产量和生产效益，富含石油的甜点层识别在页岩油勘探开发中备受关注[7]。看似均质的黑色页岩其实也有着不同尺度的韵律，常见的岩相组合和旋回沉积特征被认为与地球轨道强迫的气候变化有关[8]。页岩中的有机质或滞留烃裂解生成的烃类可在有机黏土复合层[9]或碎屑矿物层[10]富集，意味着页岩油富集可能也受页岩沉积时的气候变化影响，具有旋回性特征。前人对松辽盆地科探井SK-1s井的研究发现，白垩系青山口组页岩具有典型的米兰科维奇旋回周期，包括长偏心率（405×103 a）、短偏心率（131×103，124×103，99×103，95×103 a）、斜率（54×103，41×103，39×103，29×103 a）、岁差（24×103，22×103，19×103，17×103 a）、偏心率振幅调制周期（2.4 Ma）和斜率振幅调制周期（1.2 Ma，173×103 a）等[11-13]。其中，青山口组总有机碳含量（TOC）变化具有173×103 a的主控周期[13]，岩相和页岩油储集空间变化也被认为与米兰科维奇旋回周期有关，但并未明确其主控周期[14]。高—过成熟阶段的古龙页岩油含量与TOC呈正相关，地质甜点层主要受TOC和岩相影响[1]，由此推测古龙页岩油含量可能也具有173×103 a或其他尺度的旋回周期。因此，明确古龙页岩油富集特征和主控因素，阐明从气候变化到页岩油富集的轨道周期传递机制，对页岩油甜点层的快速有效判识将具有重要科学意义和实践价值。本文以松辽盆地古龙凹陷过成熟区GY8HC井为例，计算古龙页岩油富集层的平均沉积速率，研究与页岩油富集相关的TOC、游离烃含量（S1）和热解烃含量（S2）、与岩相变化相关的石英和黏土矿物含量等的旋回周期参数及控制因素，讨论天文轨道周期信号从气候变化到页岩油富集的多级传递机制及其意义。

1 地质背景

松辽盆地是全球超级盆地之一（见图1a），常规石油探明储量超过124×108 t，其中盆地北部探明储量超过98×108 t[15]，盆地南部探明储量超过26×108 t[16]。近年来，盆地内实现了页岩油的勘探开发突破，预测资源量超过172×108 t，其中盆地北部155.6×108 t[15]，盆地南部16.8×108 t[16]。
图1 研究区构造位置、地质剖面和研究层段柱状图

（a）松辽盆地及研究区构造位置图；（b）松辽盆地地质剖面图；（c）已生成油气的TOC分布图，据文献[20]修改；（d）GY8HC井研究层段柱状图，3层火山灰（井段深度分别为2 526.0，2 452.5，2 420.0 m），年龄来自SK-1s井对应层位的锆石U-Pb年龄（（91.886±0.12），（90.974±0.11），（90.536±0.11）Ma），引自文献[19]

松辽盆地的白垩系—第四系以陆相沉积为主，其中白垩系自下而上可分为火石岭组、沙河子组、营城组、登娄库组、泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组和明水组（见图1b）。青山口组是松辽盆地晚白垩世第1次大范围湖侵的产物，以富有机质黑色页岩为主，夹少量粉砂岩、介形虫灰岩和白云岩。受埋深影响，青山口组有机质的热演化程度差异较大。盆地西部古龙凹陷的青山口组埋深普遍超过2 000 m，有机质成熟度已进入或者超过生油窗范围（镜质体反射率（Ro）值为0.7%~1.3%），东部三肇凹陷和南部长岭凹陷的有机质成熟度仍处于生油窗范围[17]。虽然上部的嫩江组页岩同样富含有机质，但其埋深和有机质成熟度均低于青山口组，仅古龙凹陷内部分页岩进入生油窗范围[18]。因此，松辽盆地内的石油主要来自于古龙、三肇、长岭凹陷内的青山口组页岩（见图1c）和古龙凹陷内的部分嫩江组页岩。上述页岩生成的石油通过垂向运移，在泉头组上部、青山口组上部、姚家组和嫩江组底部成藏，形成常规油藏[17]，但仍有大量石油保留在青山口组和嫩江组页岩中，形成页岩油（见图1b）。
松辽盆地科探井SK-1s井在1 780，1 705，1 673 m 等3个深度处发现火山灰，并分别获得了（91.886± 0.12），（90.974±0.11），（90.536±0.11）Ma的高精度锆石U-Pb年龄[19]，是盆地内青山口组年代地层对比的最佳地质锚点。

2 样品与研究方法

2.1 样品选取与采集

选择古龙凹陷GY8HC井密闭取心段（2 395.6~2 533.3 m）青山口组页岩进行分析。研究层段为青山口组一段（青一段）和二段（青二段）下部，分为Q1—Q9共9个油层（见图1d）。以20~30 cm的取样间距，采集岩心样品372块。研究层段发现的3层火山灰深度分别为2 526.0，2 452.5，2 420.0 m，上部2层火山灰距离最下层火山灰的深度分别为73.5，106.0 m（见图1d），与SK-1s井上部2层火山灰距离最下层火山灰的深度（75，107 m）完全可对比[20]。由于火山喷发和火山灰沉积的等时性，SK-1s井的火山灰锆石U-Pb年龄可以为本研究提供绝对年龄约束。

2.2 研究方法

2.2.1 地球化学分析

以10~20 cm的间距，选用手持式X荧光光谱仪对研究层段的岩心剖面进行原位元素含量测定，获得Zr、Al等元素含量。将采集的372块岩心样品粉碎至粒径200目（0.074 mm）以下，选用有机碳硫分析仪、岩石热解仪和X射线衍射仪在实验室进行有机碳、岩石热解、全岩矿物和黏土矿物组成分析。

2.2.2 天文周期质量评估

运用AstroBayes方法对Zr/Al数据进行放射性同位素定年数据与天文年代标尺误差的质量评估与沉积速率估算。AstroBayes法是基于放射性同位素定年数据，对天文年代学记录进行联合贝叶斯反演，对比验证定年结果估算的时间序列和天文年代标尺间的拟合程度，验证天文周期准确度，并估计在定年结果约束下的平均沉积速率[21]。

2.2.3 数据频谱分析

将TOC、S1、S2、石英含量、伊蒙混层含量和绿泥石含量在Acycle v2.4.1软件中依次进行线性插值、局部加权回归去30%趋势后，进行深度域频谱分析[22-23]。采用稳健的自回归噪声模型来评估频谱的显著峰值和置信水平[24]，利用带有滑动窗口的快速傅里叶变换来检查变量周期，应用高斯带通滤波器在深度域中隔离已识别的天文周期[25]。

3 分析结果与讨论

3.1 平均沉积速率估算

Zr/Al值数据经AstroBayes方法计算的研究层段最优沉积速率为9.1×10-3 cm/a（见图2a），由此生成的天文年代标尺与GY8HC井3层火山灰（2 526.0，2 452.5，2 420.0 m）在SK-1s井中对应层位的锆石U-Pb年龄一致性较好（见图2b），证明沉积序列中存在可靠的天文周期信号。根据火山灰锆石U-Pb年龄计算研究层段的平均沉积速率为（7.9±0.9）×10-3 cm/a。2种方法得到的研究层段平均沉积速率与SK-1s井青山口组平均沉积速率（8.5×10-3 cm/a）[12]的相对偏差均不超过10%。由于研究层段未包括粉砂质含量更高、沉积速率更大的青二段上部和青山口组三段[26]，火山灰层约束的等时沉积厚度也小于SK-1s井，稍低的平均沉积速率更为可信。AstroBayes计算的最优沉积速率稍高可能与沉积物非均质性强、数据时间分辨率较低、数据噪声信号较强等因素有关，这会导致算法倾向于高沉积速率以匹配合适的天文周期。
图2 研究层段Zr/Al深度域数据经AstroBayes方法处理后的结果图

3.2 页岩TOC、矿物含量与页岩油富集特征

3.2.1 TOC、热解参数和矿物含量

研究层段样品的TOC值为0.02%~6.53%，平均值为2.19%；S1值为0.02~7.26 mg/g，平均值为2.63 mg/g；S2值为0.05~10.54 mg/g，平均值为4.15 mg/g；S1/TOC（烃指数）值为10~324 mg/g，平均值为119 mg/g；黏土矿物含量为4.0%~63.3%，平均值为44.1%；石英含量为0.7%~48.9%，平均值为29.1%；黏土矿物中伊蒙混层含量为0~25.1%，平均值为12.4%；绿泥石含量为0~20.2%，平均值为4.2%（见图3）。
图3 研究层段高精度地球化学参数和滤波曲线图

3层火山灰（2 526.0，2 452.5，2 420.0 m）在SK-1s井对应层位的锆石U-Pb年龄分别为（91.886±0.12），（90.974±0.11），（90.536±0.11）Ma，TOC、S1、S2中红色曲线为13 m（对应于173 ×103 a周期）滤波曲线（中心频率±带宽），石英、伊蒙混层中红色曲线为32 m（对应于405×103 a周期）滤波曲线（中心频率±带宽）

研究层段的S1值低于该井同一深度范围内早期测定的S1值（0.31~12.18 mg/g，平均值为4.37 mg/g）[27]，一方面是由于本次研究采集了较多S1值较低的白云岩、介形虫灰岩和粉砂质泥岩样品，另一方面是由于样品中的大量气态烃和轻烃出现丢失。前期研究也表明，青山口组页岩油中的轻烃含量高，小块和粉末样品放置1 d后的S1损失量可能就超过50%[28]。

3.2.2 页岩油含量与TOC的正相关性

由图4的相关性分析可以看出，S1值与TOC具有显著的正相关性（R2=0.70），与石英和黏土矿物含量的相关性不明显（R2值分别为0.16和0.09）；S2值与TOC也具有显著的正相关性（R2=0.77），与黏土矿物和石英含量的相关性不明显（R2值分别为0.25和0.10），这表明TOC比岩相对页岩油含量和富集的影响更大。
图4 松辽盆地古龙凹陷GY8HC井青山口组页岩地球化学参数的相关关系图
需要指出的是，为准确测定古龙页岩油的含量，三肇凹陷ZY1井采用保压密闭冷冻取心，并进行了井场密闭热释与实验室岩石热解的对比试验[29]。结果显示，大量气态烃和轻烃丢失会导致实验室S1值显著低于井场密闭热释S1值，但气态烃（包括C1—C5气态烃Sg和C6—C10轻烃S0*）、热释烃（气态烃+井场热释S1）和页岩油总量均与TOC呈正相关性（R2分别为0.41，0.33，0.37）（见图5）。实验室S1值与TOC的正相关性特征同样存在于具有更高S1值的青山口组黑色页岩数据中[30]。因此，游离烃丢失这一客观过程似乎并未影响页岩油含量和实验室S1值与TOC的正相关性。
图5 松辽盆地三肇凹陷ZY1井青山口组页岩油含量参数与TOC的相关关系（部分数据引自文献[28]）
另外，岩石抽提前后实验室S2值的对比结果也显示，S2中含有一部分石油[31]，主要为高碳数的重烃和吸附烃类。高碳数的重烃沸点较高，吸附烃与有机质或矿物具有强作用力，两者均未能在300 ℃气化挥发出来成为S1，而是残留在S2中[29]。这部分石油被称之为残留油或束缚油，是页岩油的组成部分，但在地质条件下的可动性较差[29]。随着青山口组的有机质成熟度从0.5%增加到1.5%，S2值降低，S1/TOC值从小于50 mg/g增加到超过400 mg/g，页岩油含量与TOC和S1值都具有显著正相关性[30]。最新研究发现，青山口组页岩的纳米有机黏土复合孔（直径一般小于200 nm）是高—过成熟阶段页岩油的主要储集空间[9]。这些复合孔是有机质热演化过程中，因有机质生排烃作用导致体积减小而产生。当Ro>0.9%时，纳米有机黏土复合孔占比与页岩TOC呈正相关，对高TOC页岩的孔隙贡献占比接近80%[9]。由此表明，TOC是青山口组页岩中页岩油含量的关键影响因素，与页岩油含量呈正相关性。

3.2.3 不同成熟区的页岩油原位富集特征

研究层段的有机质等效镜质体反射率为1.4%~1.7%[20]，处于过成熟阶段。下部Q1-Q4油层的S1值略高于上部Q5—Q9油层，且有明显的旋回和振荡特征，不同于GY3HC井和ZY1井（见图6）。GY3HC井青二段下部粉砂质页岩较少，但S1值高于青一段页岩；ZY1井青一段上部和青二段的粉砂质页岩较多，S1值却远低于青一段下部页岩。这可能是由于GY3HC井的青山口组有机质成熟度（1.2%~1.5%）处于生油窗末期和生湿气阶段[31]，地层的早期封闭程度可能稍差，还存在油层间的油气由下向上的垂向运移成藏[31-32]，导致上部油层具有更高的页岩油含量。ZY1井的青山口组有机质成熟度尚处于生油窗内（0.8%~1.1%）[27]，生成的石油还未发生长距离垂向运移，依然主要赋存在青一段下部的高TOC页岩中。
图6 不同成熟区典型井的S1垂向分布特征
由此分析，古龙页岩油垂向分布特征还受成熟度影响。中—低成熟（Ro<1.1%，如ZY1井）区页岩中的石油尚未开始长距离垂向运移，原位富集特征明显，但油质相对较重（页岩油密度为0.84~0.88 g/cm3）[33]。三肇凹陷青山口组页岩孔隙度为3%~11%，低于古龙凹陷内青山口组页岩孔隙度（5.0%~12.5%）[27]，可能也与其有机质成熟度较低，有机黏土复合孔缝还没有完全打开有关。高成熟区（Ro值为1.2%~1.5%，如GY3HC井）页岩中的石油发生了垂向运移，虽然仍在黑色页岩层段富集，但上部含量更高。过成熟区（Ro>1.4%，如GY8HC井）页岩中的石油垂向运移可能受层内次生方解石胶结影响，垂向断层封闭，大量残留油发生裂解，形成原位富集的轻质油（页岩油密度为0.78~0.84 g/cm3）。相比于上部的砂泥岩互层段，古龙地区青一段和青二段下部纯页岩段的超压（压力系数为1.3~1.6）、高气油比（最高800 m3/m3）、高孔隙度（平均有效孔隙度为6.2%）、高可动油指数（100~400 mg/g）、高含油饱和度（26.1%~73.2%，平均值为44.8%）等[1]，均支持垂向断层封闭和页岩油原位富集。
松辽盆地古龙页岩油预测地质储量为12.68×108 t，勘探开发核心区位于热演化程度最高的古龙凹陷北部[28]，页岩油的原位滞留富集特征更值得关注。对古龙凹陷南部的高成熟区而言，可以重点关注青二段下部的Q7—Q9油层，这部分油层有着更高含量的长石/石英等脆性矿物，更适宜进行压裂改造[32]。

3.3 页岩油的富集特征和工程意义

3.3.1 TOC、S1和S2的旋回周期

根据7.9×10-3 cm/a的平均沉积速率，研究层段TOC、S1和S2的深度域频谱分析结果中11.9~13.1 m沉积旋回（置信度大于99%）对应于（151~166）×103 a周期，与已报道的173×103 a斜率振幅调制周期[13]相近；另一个置信度大于99%的6 m沉积旋回对应于约76×103 a周期，可能是173×103 a的半周期或2倍斜率周期，也属于斜率振幅调制周期；其他置信度大于95%的沉积旋回（2.1，1.8，1.5，1.4 m）分别对应于斜率（29×103 a）和岁差（24×103，22×103，19×103 a）周期；未发现长、短偏心率周期（见图7a—图7c）。需要特别指出的是，虽然本研究的实验室S1值和S2值只是页岩油含量的替代指标，但由于频谱分析更注重数据列的变化规律，对于同样受到游离烃损失的一组样品而言，使用实验室热解数据进行频谱分析依然有效。这也意味着以GY8HC井为代表的过成熟区古龙页岩油富集可能同样有着173×103 a的旋回周期。
图7 研究层段地球化学参数的深度域数据频谱分析结果（E—长偏心率；e—短偏心率；O—斜率；P—岁差）
对TOC、S1、S2数据序列进行13 m（对应于173×103 a周期）的高斯带通滤波，发现上述3个序列中的沉积旋回呈同相位变化，且在青一段具有4个非常显著的12~13 m沉积旋回（见图3）。173×103 a周期对松辽盆地青山口组有机质富集旋回的调控已被报道[13]。由于过成熟区的青山口组页岩油含量主要受控于TOC，且垂向运移通道已封闭，页岩油含量也就继承了控制有机碳埋藏的轨道周期信号，呈现出明显的旋回特征。相比之下，高成熟区的古龙页岩油存在明显的垂向运移，使得页岩油富集主要受岩相控制，这就会弱化甚至是改造、消除轨道周期信号；中—低成熟区的古龙页岩油垂向运移特征若不明显，推测依旧保持了初始沉积的轨道周期信号，但仍需要频谱分析的证实。

3.3.2 古龙页岩矿物组成的旋回周期

同样地，石英和伊蒙混层含量的深度域频谱分析结果显示，26.5~32.3 m的沉积旋回（置信度大于95%）对应于（335~409）×103 a周期，与长偏心率（405×103 a）周期接近（见图7d、图7e）；除此之外，置信度大于95%的3.0，1.3 m沉积旋回，分别对应于斜率（39× 103 a）和岁差周期（17×103 a）（见图7d、图7e）。绿泥石含量深度域频谱分析显示，置信度接近或超过95%的12.5，2.1，1.3 m沉积旋回分别对应173×103 a、斜率（29×103 a）和岁差周期（17×103 a），同时未发现长、短偏心率周期（见图7f）。
对石英和伊蒙混层含量数据序列进行32 m（对应于405×103 a）的高斯带通滤波，可以发现粉砂质泥岩的出现基本对应着石英含量高值区和伊蒙混层含量低值区，石英与伊蒙混层的含量变化呈现反相位关系（见图3），表明石英和伊蒙混层含量可用于指示岩相变化。但在Q5—Q7油层深度范围，石英和伊蒙混层含量表现为同相位变化，粉砂质泥岩出现对应着二者的含量低值区（见图3）。推测这可能与大量湖相自生白云岩的出现并被纳入数据采集行列有关，显著影响了与地表气候变化相关的天文周期（如405×103 a）的沉积响应和计算结果。值得注意的是，Q5—Q7油层的TOC、S1、S2所记录的173×103 a周期能量也出现明显降低（见图3），可能也是受此影响。

3.3.3 古龙页岩油富集特征的工程意义

页岩油含量决定了地质甜点评价，而脆性矿物（如石英、长石和伊利石）含量则影响了地层压裂的工程甜点评价[1]。从前述结果和讨论可以看出，过成熟区青山口组TOC与S1值和S2值均呈正相关性，且都具有显著性的旋回周期（173×103 a，对应于12~13 m），不同于石英和伊蒙混层等矿物组成的显著性旋回周期（405×103 a，对应于约32 m），表明控制地质甜点和工程甜点评价的有机质、石英、黏土矿物和页岩油含量等参数，虽然都有可能记录初始沉积时的轨道周期，但却存在一定差异。这不仅体现了松辽盆地晚白垩世气候变化的复杂性，更凸显出气候特征和旋回地层研究对古龙页岩油勘探开发的重要性。
目前国内外页岩油勘探开发的典型案例多是在页岩层系中选取致密砂岩或碳酸盐岩夹层作为页岩油甜点，借助长水平井体积压裂模式进行开发[34]。然而，青山口组页岩占比高，致密砂岩或碳酸盐岩夹层厚度薄（单层厚度为5~15 cm）、垂向分布规律还不明显， 岩石性质和页岩油赋存特征既不同于美国典型的海相页岩油层系，也不同于准噶尔、鄂尔多斯和渤海湾盆地的陆相页岩油层系[32]。青山口组页岩较高的黏土矿物含量和密集发育的水平层理对水力压裂效果也具有重要影响[35]。高密度层理被认为是青山口组古龙页岩油增产的“双刃剑”，虽然提高了裂缝复杂性，但抑制了裂缝的垂向扩展[36]。根据实际施工参数开展的模拟计算结果显示，青山口组页岩的人工裂缝缝长可达344 m，但缝高为10~15 m[37]。储层压裂裂缝扩展的数值模拟显示，在最优施工排量17 m3/min时，裂缝高度为12 m；在裂缝间距为15 m时，增产储层容积可达最大，最适合进行页岩油的效益开发[38]。这一高度范围刚好与173×103 a周期控制的页岩油富集旋回厚度（12~13 m）接近。
因此，在岩相较均质层段、压裂相关工程甜点差异不大的情况下，落实古龙页岩油的地质甜点就显得更为重要。尤其是以173×103 a周期控制的沉积厚度作为页岩油开发的箱体高度，以TOC和页岩油含量峰值点作为水平段靶向位置，有望获得单箱体的最高页岩油产量。需要注意的是，古龙页岩油含量受有机质成熟度和垂向断层连通性的影响较大，长距离的垂向运移可能会导致旋回周期的减弱和失真。

4 从气候变化到页岩油富集：轨道周期信号的多级传递

中生代以来的轨道强迫气候变化基本上可以分为两种：①与高纬度日照量相关的、斜率周期主导的冰盖体积和全球西风变化；②低纬度日照量变化引起的、岁差周期主导的全球季风变化[39]。松辽盆地晚白垩世沉积物的多项古气候替代指标显示出多个轨道周期信号，证明了轨道强迫的气候变化通过多种方式控制了陆地风化以及水、碎屑物和营养物的输送[12-13,40-42]，最终形成多尺度沉积旋回并影响了页岩油富集。

4.1 低纬度气候周期向中纬度沉积旋回的传递

现今中国东部气候特征以季风系统为主，低纬度暖池调控的水汽传输可以使得亚洲石笋氧同位素组成和热带太平洋表层海水剩余氧同位素组成在岁差周期上呈反相位变化[43]。太阳辐射通过驱动源自低纬度的季风降水过程带动水循环，又通过风化作用和营养输入导致海洋颗粒有机碳/溶解有机碳沉积的周期性变化，从而驱动大洋碳储库形成405×103 a长偏心率周期[39]。因此，虽然405×103 a周期长期稳定，对太阳辐射影响不大[44]，但可以在季风作用影响下，作为岁差调制周期，放大岁差周期影响，成为低纬度地区季风系统的变化节律[45]。最近的一项气候模拟研究表明，晚白垩世隆起的、海拔超过2 000 m的东亚东部海岸山脉可能放大了低纬度的轨道强迫（尤其是岁差信号）对欧亚大陆东部季风气候的影响[46]。这一海岸山脉的形成可能与鄂霍茨克板块自南向北漂移过程中与欧亚大陆的碰撞有关[47]。青山口组沉积期大兴安岭山脉已经隆升，而且位于来自西太平洋季风的锋区，可以形成地形雨[48]，将来自低纬度的高频岁差信号在松辽盆地记录下来。
青山口组页岩中的石英主要来自于陆地原岩经物理风化后生成的石英碎屑，受气候干湿变化影响较大[49]；伊蒙混层主要来自于陆源输入蒙脱石在热演化过程中的伊利石化[50]，还有一部分可能来自于直接陆源输入的贡献。本研究发现石英和伊蒙混层含量具有405×103 a的主控周期，进一步证明松辽盆地内陆源输入受源自低纬度的季风气候影响，暗示着东亚地区在晚白垩世已经存在低纬驱动的古季风或类季风系统，并成为松辽盆地水气输送的重要驱动力（见图8）。
图8 低纬度季风、中纬度西风和大陆性季风联合影响松辽盆地气候变化（底图引自文献[51]，西风和季风模型引自文献[30,41]）

4.2 中纬度气候周期向有机质和页岩油富集旋回的传递

西风和大陆性季风是中纬度地区最重要的气候特征。松辽盆地在青山口组沉积时位于中纬度区（见图8），有机碳富集具有173×103 a的主控周期。173 ×103 a周期最早发现于天文理论计算的斜率振幅曲线频谱分析中，被认为与地球和土星轨道倾角进动频率的差频（s3−s6）有关[52]。之后的研究提出173×103 a周期是s3−s6倾角节拍器，类似于405×103 a的金星和木星近日点进动频率的差频（g2−g5），即偏心率节拍器[8,44]。但与g2−g5偏心率节拍器不同的是，s3−s6倾角节拍器既不是倾角的最大项，也不是倾角调制的最大项，而且由于土星质量较大，使得173×103 a比较孤立且比较稳定[8,44]，已多次被证实可用于天文年代调谐[13,53 -54]。近年来，173×103 a在晚奥陶世以来的冰期和无冰期地质记录中都已被发现，虽集中在中高纬度地区[13,53-57]，也可能会出现在低纬度地区[58]。记录173×103 a周期的古气候参数多与地表化学风化强度和干旱—潮湿环境变化有关，且多出现在斜率振幅调制序列中。Huang等[13]研究发现，173×103 a周期不仅存在于青山口组TOC的斜率振幅调制序列中，也存在于TOC的原始数据序列中，由此提出“沉积阈值响应”模式，认为173×103 a周期通过非线性沉积过程得到了显著增强，成为控制松辽盆地青山口组沉积期有机碳埋藏的主控周期。类似的是，Liu[59]等研究发现，1.2 Ma的斜率调制周期驱动了苏北、南襄以及渤海湾盆地的有机碳埋藏，并认为当轨道强迫超过某种阈值时，地球化学循环就会响应轨道驱动，从而捕捉到轨道信号。
另外，青山口组页岩黏土矿物中的绿泥石占比有限，但与有机质共存频率很高[60]，被认为是古湖泊中埋藏成岩作用的产物，而非陆源风化输入[50]。绿泥石含量的轨道周期与TOC类似，也具有173×103 a周期，进一步表明有机质富集与绿泥石形成之间存在明显的相关性。173×103 a以及更长的1.2 Ma斜率振幅调制周期与青山口组、嫩江组以及始新世东亚陆相盆地沉积期的湿润—干旱环境变化一致[12,41,61]，也表明斜率周期对松辽盆地内的有机碳埋藏可能更为重要[13]。即在斜率高值时期，更多的热量和水分向中纬度输送，使得中纬度地区风化作用增强，陆源碎屑输入增多，初级生产力增高，从而导致了较高的TOC，反之亦然。
本研究进一步表明，古龙凹陷过成熟区青山口组的页岩油替代指标（S1和S2）的旋回周期与有机碳埋藏周期一致，以173×103 a周期能量最强，与页岩油在过成熟区富有机质层段内的原位富集特征密切相关。由此来看，173 ×103 a周期可能通过非线性气候效应诱发碳循环扰动，驱动了松辽盆地的有机质富集过程，也潜在地影响了页岩油的富集特征和甜点层系。

5 结论

通过对松辽盆地古龙凹陷过成熟区GY8HC井青山口组页岩多地球化学参数的相关性和频谱分析发现，页岩油含量及其替代指标（S1和S2值）与TOC具有显著正相关性，与石英和黏土矿物含量不具有相关性。这是由于过成熟阶段的页岩油富集可能主要来自于富有机质层系中的滞留烃裂解，主要受控于湖泊初始生物地球化学过程影响的沉积TOC，而非陆源输入的碎屑矿物和黏土矿物含量影响的储层类型差异。
青山口组TOC、矿物组成，甚至过成熟区页岩油含量都记录了初始沉积时的轨道周期信号。页岩油替代指标（S1和S2值）与TOC都具有显著的173×103 a、斜率和岁差周期，未发现偏心率周期；石英和伊蒙混层含量都具有偏心率、斜率和岁差周期，未发现173× 103 a周期，提示源自低纬度的季风与中纬度西风和大陆性季风共同调节了松辽盆地气候变化，并实现了轨道周期信号的多级传递。
173×103 a周期控制的12~13 m沉积厚度处于青山口组页岩压裂生成的最优缝高范围（12~15 m）内，可考虑作为过成熟区青山口组页岩油开发的箱体高度和压裂峰高，斜率最大值时形成的TOC和页岩油含量的高值点作为水平井钻进的靶层，有望助力于古龙页岩油的效益开发。

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