研究内容
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发布时间：2022-04-22 05:10
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时间：2022-06-28 23:33
由于古湖泊学是研究湖泊系统演变的科学，所以它研究的内容范围很广。对于古湖泊学来说，不仅要知道沉积物是形成于深湖，还是浅湖，氧化环境，还是还原环境，还要研究古湖泊的水体结构：湖水上下是否分层?是热分层（温度分层）还是化学分层（盐度分层）?是稳定的分层还是有季节性的回水?不仅要知道水动力强弱和沉积物粗细，还要探索湖水环流的格局如何?重力流的途径如何?有无沿岸流及等深流对沉积物的改造?不仅要知道沉积物中有机质的丰富程度，而且要追究湖泊的营养类型怎样?有没有藻类勃发?不仅要区别淡水湖相与咸水相的沉积，还要阐明湖水属哪一种矿化类型?古湖水的碱度和pH值如何?但归纳起来，不外乎集水盆地古地形与源区地质、古湖盆形态、物理古湖泊学、化学古湖泊学与生物古湖泊学五个方面的内容（表2-1）。
（一）集水盆地古地形与源区地质
集水盆地的地质、地貌、土壤、植被与气候，对湖泊沉积、湖水成分以及生物都有决定性的意义。所以，含油气盆地古湖泊学研究的第一步，是开展集水盆地古地形与源区地质的研究。
集水盆地的剥蚀作用是湖泊沉积的源泉，而剥蚀速率又取决于地形和集水盆地的岩性。如我国的黄土高原剥蚀速率极高，由于黄土易于剥蚀，黄河在甘肃的支流祖厉河流域水蚀模数高达6900 t/km2（中国科学院“中国自然地理”编辑委员会，1981），按黄土平均密度1.7 g/cm3计，平均剥蚀速率可高达4059 mm/ka。集水盆地的地质条件不仅影响沉积速率，而且和气候条件一起控制着湖水的性质。我国云贵高原石灰岩丰富而使湖水矿化度和Ca离子含量高，东非裂谷因玄武岩发育而使许多湖泊具高碱度。这些化学与沉积条件又进而影响湖水中的生物群，可见集水盆地对湖泊系统的重要性。
表2-1 古湖泊学的研究内容与信息来源
现代湖泊集水盆地的范围和地形可以进行测量，但对于含油盆地井下的古湖泊沉积，要精确再造其集水盆地的古地形已无可能，但作概略的推算是可能的，而且是有益的。美国Hay等（19）提出了“利用物质平衡再造古高度的方法”，其原理是将各地质时期里堆积在盆地内的沉积物，按照可辨认的特征“返回”到物源区，即集水盆地去，再经过一系列的校正处理，便可求出各时期集水区的“古高度”和概略的古地形图（Hay等，19）。这种“古高度再造”法要求有各时期的沉积厚度分布图和古地质图，一旦得出“古高度”和“古地形图”后，便可以为古湖泊盆地的再造提供极为重要的依据，实际上是盆地分析中沉积充填过程模拟的一种反演。在后面的章节中，对此方法作了详细的介绍。
古湖泊集水盆地地质的研究，也是近年来石油与沉积地质学界发展新的方向。19年6月英国地质学会的沉积组与石油组联合举办的“沉积源区研究进展”讨论会指出，源区地质的研究不仅对于构造地质学，而且对于沉积学、古气候学都有重要意义，北海等油田的实践已经证明其应用价值（Haughton等，1991）。前面说过，集水盆地的古地质条件对于当时湖水的成分、沉积以及生物群都有重大影响，是古湖泊学再造中不可缺少的内容；而且只有了解集水区的地质岩性分布，才能实现将湖盆中沉积物“归回”源区的“古高度分析”。
通过源区地质和古高度分析取得的集水盆地信息和湖泊内部的信息相结合，便构成古湖泊系统再造的依据。
（二）湖盆的形态
湖盆是湖水的载体，湖盆的形态决定着湖流的格局，也控制着湖泊的沉积作用。因此，研究湖盆形态，不但有利于理解古湖泊的规模大小，也有利于判断湖相沉积体系的展布，这一点，对于油气勘探尤为重要。
湖盆的形态取决于成因。在现代不同成因的11大类、76种湖泊中（Hutchinson，1957），构造湖与含油气盆地的关系最大。构造湖包括拗陷湖（如东非的维多利亚湖）、山间湖（如美国的大盐湖、我国的青海湖）和裂谷湖（如俄罗斯的贝加尔湖、东非的坦噶尼喀湖、马拉维湖等），各自具有不同的形态特色。东非裂谷近年来的物探工作展示了裂谷湖盆几何形态的规律及其对沉积布局的控制作用。整个东非裂谷系分成东西两个裂谷枝（rift branch），每枝由若干个裂谷带（rift zone）组成，裂谷带内又分为若干个半地堑式的裂谷基本单元（fundamental unit），每个单元包括几个裂谷断块（rift block）。比如坦噶尼喀湖加上相邻的河谷便构成了一个裂谷带，它由一系列方向相反的新月形半地堑相互联结而成，半地堑作为裂谷湖泊的基本单元，不仅决定了湖盆两侧地貌和沉积的不对称性，也决定了入湖三角洲与浊流的空间布局（Rosendal等，1986）。古湖泊学的一项任务，就是结合地震与钻井资料，探讨湖盆形态的构造控制及其对湖泊水文和沉积的影响。
（三）物理古湖泊学
物理古湖泊学根据沉积记录，研究湖水的温度、密度、湖流、湖水循环和分层方面的历史，首先要确定的是湖泊的封闭性和开放性。湖泊有外流型和内陆型之分。由河流、降水和地下水补给的湖水，可以通过河流外溢而为外流湖，也可以封闭不再外溢而为内陆湖。两者的地质记录多有不同：内陆湖的湖面可受气候影响而大起大落，湖水面积与湖岸位置亦随之作大幅度变动；而外流湖的湖面和岸线就比较发达稳定。湖泊的封闭和开放性，控制着沉积物的类型、湖水化学性质和湖泊生物群的演化。如只有内陆湖才形成蒸发盐岩，外流湖的沉积则通常以碎屑物为主，即使有化学沉积也限于湖泊以内，不像内陆湖可以扩展到季节性淹没的湖坪。
物理古湖泊学研究的另一重要方面是湖水的深度。虽然它不易定量测出，但可根据沉积和古生物化石标志进行定性分析。
与水深有关的是湖水的分层。湖泊由于表层受热，可以形成层状结构：表层的湖上层（epilimnion），底部的湖下层（hypolimnion）和两者之间的可能发育的温跃层。热分层现象在水深较大的湖中比较显著，而浅湖中垂直分层不明显。湖水分层对于湖底含氧、底栖生物发育和沉积中有机质的保存等都有直接影响。湖水的分层也有种种变化。夏季表层水水温比底层高，属于正温层分布。冬季表层水温比底层低，属于逆温层分布。两种相反的垂直分层，在春秋两季相互更替时湖水上下交换，便是所谓回水。寒温带的湖泊每年有春秋两次回水，称双循环湖；在高原和寒冷区表层水从不超过4℃，每年只有一次回水，属单循环湖。有些深湖的底部水体稳定，只有上部水层参加上下循环，称局部循环湖，是形成富有机质沉积，发育纹层的良好环境，与全循环湖形成对照。
湖泊中，由于风力、河流等营力造成的湖水运动，湖泊的表层流和底层流，都可能影响湖底的沉积。如由浊流带入湖底的沉积，还可以受湖底等深流的搬运而扩散。上述这些，都是物理古湖泊学研究的内容。
（四）化学古湖泊学
与海水相比，湖水化学形成的变化幅度大得多，因此化学古湖泊学的复杂性和重要性也大得多。如果说古海洋学的关键在于洋流即其物理方面，那么古湖泊学的关键在于湖水化学。化学古湖泊学研究湖水的矿化度、化学成分、碱度、硬度和pH值等特征，对于湖泊沉积、湖泊生物和成油条件，都有十分密切的关系。
湖水中的溶解盐，主要来自集水盆地的岩石和土壤，降水中的含量微乎其微。因此，集水盆地的岩性对湖水矿化度的影响极大。水流在疏松层覆盖区要比在坚硬岩石露头区的淋滤效果大得多，而地下水又比地表河水的溶解效果更强，地下水补给的湖水会得到更多的溶解盐。同时，集水盆地的气候通过对岩石风化速度、植物发育程度的影响，尤其是通过降水与蒸发的比例，对湖水的矿化度起着决定性的作用。湖水的矿化度对于湖泊沉积的类型、湖泊生物群的性质和生产力高低，都有重要的影响，因此是古湖泊学研究的一个重要方面。
然而，对于湖泊沉积和湖泊生物来说，湖水溶解盐的成分比矿化度又更为重要。化学成分与矿化度有关，但又有十分不同的类型。淡水湖的阴离子以HCO3-为主，属重碳酸水；当矿化度增大时，水化学组分向两个不同的方向变化：中性盐湖，湖水按沉淀碳酸盐→硫酸盐→氯化物的系列演变；碱性盐湖，湖水向沉淀碳酸盐→重碳酸盐→苏打的方向演变，形成天然碱、食盐一类的蒸发盐。这两类咸水湖或盐湖在矿化度相同的条件下离子成分十分不同，相应地也有不同的化石群和成矿作用。就现代介形虫而论，淡水条件下产有玻璃介（Candona）的种、金星介（Cypris）和河星介（Potamocypris）等，向中性盐湖方向演化时，一开始分异度还比较高，随后由正星介（Cyprideis）占优势，最后只剩下美星介（Cyprinotus）的一个种，到硫酸盐沉淀时还可有个别介形虫，而盐度超过80%后便全部消失；向碱性盐湖演化时，介形虫群以湖花介（limnocythere）占优势，到碳酸盐沉淀时，也就全部消失（Carbonel等，1988）。研究表明，碱性湖对于油气的生成最为有利，绿河和东非裂谷的一些湖泊均是实例。
严重影响湖泊沉积与生物的另一项化学参数是湖水的pH值，可以从日本酸性火山口湖的小于1到东非某些裂谷湖的大于11，相差悬殊。湖水pH值对于营养元素和碳酸盐等的溶解度/饱和度十分重要，pH值低的湖水中，碳酸盐溶解度大，生物壳不易形成，即使形成后也不易保存。
（五）生物古湖泊学
生物古湖泊学重点研究湖泊的生产力。对于生油岩的形成来说，表层水的高生产力，可能比底层水的缺氧环境更为重要。只要生产力高，在含氧的水底也能形成生油岩。这是伦敦地质学会组织的“海相油源岩”（1983年）和“湖相油源岩”（1985年）两次国际讨论会上取得的新认识。
湖泊的初级生产力主要取决于光照率和营养元素的供应。光照率首先取决于纬度，因为高纬度区每天日照时间短、日光入射角小、生长季节短，加上冬季冰雪覆盖，不利于高生产力的形成。与极地相比，热带湖泊的初级生产力可以高出两个数量级（表2-2）。同一个纬度带的湖泊除了湖水浊度和
表2-2 不同类型湖泊的年平均生产力
云量等影响外，生产力不同的主要关键在于营养物的输入。营养元素的输入取决于集水盆地的范围大小、地质条件和风化类型。集水面积大的湖泊一般海拔较低，如果气候暖湿，化学风化作用强烈，而且岩石多为富含营养元素的磷灰石、碳酸盐岩、玄武岩或流纹岩之类，就会向湖泊提供更多的营养物质，湖泊生产力可能升高。此外，营养元素的再循环至关重要，浮游生物死亡后从有光带下沉，重新分解后产生的营养元素有待水体混合，重返有光带进行新的光合作用。因此，季节性回水有利于发生藻类勃发，在分层深水湖泊中即使顶层的回水和混合，也会提高生产力。例如坦噶尼喀湖湖水分层，湖下层只有10%的水有季节性回水现象，因此每年10月到次年5月湖水贫养，而6月到9月有季节性上升流发生，湖水变为富养（60～200 gC/（m2·a））到超富养（＞200 gC/（m2·a））性（Katz，1995）。但是，深水湖的营养元素再循环也不如较浅水湖的湖泊，同是东非裂谷两支的裂谷湖，Albert湖（水深25 m）和Edward湖（水深117 m）的年生产力比坦噶尼喀湖湖（1470 m）和Kivu湖（4 m）高三倍，原因就在此（Katz，1990）。
其实，一些高生产力的古湖泊群也确实分布在当时的低纬度地区。今天的东非裂谷跨越赤道两侧，巴西晚中生代的富烃湖泊群也是在赤道到南回归线之间（Mello等，1990），而北美东部早中生代的Newark古湖群现在45°N附近，而当时也处在热带地区（Olson，1990）。
除研究生产力的高低外，古湖泊中生物生产、沉积作用、保存作用的方式和过程，也是含油气盆地古湖泊学古湖泊学研究极为重要的方面。因为，这有助于理解有机质的堆积和保存，有助于理解油源岩形成的沉积学机制。当然，这种研究还要与沉积学结合起来。
