时志强, 彭深远, 赵子腾. (2024). 上奥陶统五峰组海底麻坑沉积的首次识别及其地质意义* [J]. 古地理学报, 26(2): 255-268.
SHI Zhiqiang, PENG Shenyuan, ZHAO Ziteng. (2024). First identification and its geological significance of seafloor pockmarks sediments in the Upper Ordovician Wufeng Formation in China[J]. Journal Of Palaeogeography, 26(2): 255-268.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2024.02.019
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上奥陶统五峰组海底麻坑沉积的首次识别及其地质意义*
时志强1,2, 彭深远1, 赵子腾1
1 成都理工大学沉积地质研究院,四川成都 610059
2 成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都 610059

第一作者简介 时志强,男,1972年生,教授,主要从事沉积学研究。E-mail: szqcdut@163.com。

收稿日期:2023-10-13 修回日期:2023-12-02
基金资助:*四川省科技计划项目(编号: 2021YJ0353)和国家自然科学基金(编号: 41272131)联合资助
摘要

尽管海底麻坑普遍发育在现代海洋的多种环境,但关于深时、特别是古生代麻坑沉积的研究却极为罕见,研究者对其特征、成因、鉴别标志所知甚少。本次研究在重庆石柱地区柑子坪及歇步头剖面识别了发育在上奥陶统五峰组暗色细粒岩中的海底麻坑沉积,在野外观察、采样的基础上,利用显微薄片及扫描电镜观察了其微观特征,并测试了麻坑与围岩的主量元素和微量元素。研究显示麻坑沉积总体呈楔状或顶平底凹的透镜状,麻坑内岩层紊乱并发育上拱的岩层,被硅质脉分割的角砾普遍发育,麻坑沉积中常见重晶石、沥青及赤铁矿,主量及稀土元素测试结果显示麻坑的形成可能与热液及冷泉无关,推测五峰组自生的低熟油气是麻坑形成的基础。总结认为深时麻坑的识别标志有: 地震剖面的负地形形态、碳同位素负偏明显的不规则形态的碳酸盐岩岩体、楔状或透镜状宏观形态、麻坑内杂乱的沉积填充、局部地层的上拱形态及古生物化石显示的沉积间断或时序混乱等。五峰组海底麻坑沉积具岩石学、地层学、古环境及油气地质学意义。

关键词: 海底麻坑; 细粒岩; 五峰组; 奥陶系; 四川盆地
中图分类号:P512.2 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2024)02-0255-14
First identification and its geological significance of seafloor pockmarks sediments in the Upper Ordovician Wufeng Formation in China
SHI Zhiqiang1,2, PENG Shenyuan1, ZHAO Ziteng1
1 Institute of Sedimentary Geology,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China
2 State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China

About the first author SHI Zhiqiang,born in 1972,professor,is mainly engaged in research on sedimentology. E-mail: szqcdut@163.com.

Fund:Co-funded by Science and Tectnology Planning Project,Sichuan Province(No.2021YJ0353)and National Natural Science Foundation of China(No.41272131)
Abstract

Seafloor pockmarks are commonly seen in various marine environments. The study on the pockmark sediments,however,have been hardly involved in the literature,causing few knowledges of their characteristics,origin and identification. In this study,we recognized the pockmark sediments from the Paleozoic fine-grained rocks for the first time in China. Based on the field observations and sampling of Upper Ordovician Wufeng Formation at Ganziping and Xiebutou in Shizhu,Chongqing,we tested pockmark rocks with microscope,scanning electron microscope(SEM),and major and trace element analyses. We found the bed chaos and arched beds in the lentoid or cuneal pockmark sediment body. Breccia carved by siliceous veins,are commonly seen,together with asphalt and barite,hematite minerals in the pockmark sediments. Observations and results of major element and REE suggest that the formation of pockmarks were unrelated with hydrothermal liquid and cold seeps. All the geological facts indicate the low-matured oil and gas generated from the Wufeng Formation as the first essential for the formation of pockmarks. The identification marks of deep-time pockmarks are thought as: (i)negative relief in seismic sections,(ii)lentoid or cuneal sediment body,(iii)chaos beds,(iv)arched beds,and(v)hiatus and temporal chaos of sediments. Meanwhile,petrological,stratigraphical,paleoenvironmental and petrogeological significances of the pockmarks in the Wufeng Formation are discussed in this study.

Key words: seafloor pockmarks; fine-grained rocks; Wufeng Formation; Ordovician; Sichuan Basin

海底麻坑是由超压流体溢出海底时侵蚀海底沉积物所形成的一种负地貌(沈奥等, 2023), 显示为发育在海底的大小不一的凹坑地貌。海底麻坑最早被发现并命名于加拿大斯科舍陆架(King and Maclean, 1970), 之后Hovland等(1987)证实北海海底麻坑的形成与流体逸出之间存在密切关系。目前在世界各海域均相继发现了麻坑的存在, 其广泛分布于海湾、陆架、陆坡等主动和被动大陆边缘(Leó n et al., 2010; Sun et al., 2011; Szpak et al., 2012; 沈奥等, 2023), 水深从10 m到5000 m均可发育, 即麻坑产出于从浅海到深海的各种环境(Gay et al., 2006; 沈奥等, 2023)。麻坑形成往往伴随着活跃的超压流体逸散活动, 在天然气水合物富集的陆坡环境尤为发育(Gay et al., 2006; 李磊等, 2013; 沈奥等, 2023)。当海底流体(包括烃类气体、孔隙流体、地下水等)通过运移通道(如断层、不整合面或薄弱带等)向海底强烈快速喷逸或缓慢渗漏, 将剥蚀海底松散沉积物而形成大小不等的凹坑(Hovland et al., 1987; Ondré as et al., 2005; 罗敏等, 2012)。麻坑的直径多处于10~250 m之间, 最小麻坑直径不足5 m, 而最大麻坑直径可达数千米(Pilcher and Argent, 2007; 沈奥等, 2023), 其平面形状多为圆形或椭圆形, 也可见新月形、拉长形等(罗敏等, 2012; 沈奥等, 2023)。

麻坑形成的主要条件及影响因素有底辟、断层、洋流等, 常由冷泉流体喷射而产生, 即形成麻坑的流体常来源于海底油气藏渗漏或天然气水合物分解(罗敏等, 2012; 沈奥等, 2023), 在由烃类上涌逸出而形成的现代海底麻坑中, 局部海底生物多样性将受到影响(Taviani et al., 2013), 同时造成麻坑冷泉碳酸盐岩自生矿物碳同位素显著负偏(Taviani et al., 2013; 刘兴健等, 2017), 这一特征被保存在西班牙北部Basque-Cantabrian盆地下白垩统中(Agirrezabala et al., 2013)。除此之外, 目前有少量研究关注了深时麻坑在地震剖面上的形态特征(Strozyk et al., 2018; Velayatham et al., 2018), 但对深时(特别是古生代)麻坑沉积的研究涉及较少。鉴于现代海洋环境海底麻坑的普遍性, 推测其在古代沉积物中也应广泛存在, 但目前关于深时麻坑形态、沉积物、成因及鉴别标志的研究极为匮乏。在四川盆地东缘地区, 五峰组以暗色细粒岩为主的沉积广泛出露, 为海底麻坑研究提供了良好素材。本次研究在这一领域进行了探索, 首次报道了中国古生代麻坑沉积, 为相关沉积学研究提供了新的地质依据。

1 地质背景

四川盆地位于扬子地台西北部, 可细分为6个三级构造单元(罗志立, 1998; 赵友年和陈斌, 2009), 研究区(渝东石柱地区)位于盆地东部构造单元(川东高陡褶皱带)与盆地东缘的过渡地带(图 1)。在晚奥陶世早期, 上扬子地区主要沉积了宝塔组台地相龟裂纹灰岩及临湘组瘤状灰岩(方少仙等, 1994; 冯增昭等, 2001)。在晚奥陶世晚期, 上扬子海从广域海变成低能、欠补偿、缺氧的海洋环境, 沉积了五峰期黑色页岩或硅质页岩(Chen, 1984; 牟传龙等, 2011)。在奥陶纪末期, 上扬子地区普遍发育着在赫南特冰期沉积的观音桥层碳酸盐岩(五峰组顶部)(Chen et al., 2004)。在早志留世早期, 受赫南特期冰川消融作用的影响, 全球海平面快速上升, 现四川盆地大部分地区当时处于贫氧陆棚环境, 在此背景下沉积了龙马溪组黑色页岩或硅质页岩(牟传龙等, 2011; 聂海宽等, 2017)。

图 1 重庆石柱地区位置(A, 底图据赵友年和陈斌, 2009)及地质简图(B, 据四川省地质局, 1975①(① 四川省地质局. 1975.1︰20万黔江幅区域地质调查报告.))Fig.1 Tectonic location(A, modified from Zhao and Chen, 2009)and geological map(B, modified from Sichuan Bureau of Geology, 1975)of Shizhu area in Chongqing

本次研究涉及的石柱柑子坪及石柱歇步头剖面位于四川盆地东缘(图 1-A), 老厂坪背斜北西翼(图 1-B), 五峰组及龙马溪组在剖面中出露完好, 地层连续, 其中五峰组暗色细粒岩厚度变化较大, 以硅质页岩为主(四川省地质局, 1975), 区内的石柱漆辽剖面被多个单位深入研究, 本次研究涉及的石柱柑子坪剖面距石柱漆辽约2.3 km, 二者五峰组岩性相似, 但观音桥层生屑及白云石含量变化较大。

2 研究方法

本次研究在细致观察并实测石柱柑子坪剖面及石柱歇步头剖面五峰组麻坑沉积的基础上, 采集麻坑沉积及其上覆、下伏岩层岩石样品共20件, 采用宏观观察、微观分析和地化分析相结合的方法进行了细致研究。在研究剖面均对麻坑中心及侧边采样, 每个剖面分2个地点(在麻坑中心及侧边)纵向连续采样, 每个地点采样4~5个(含下伏及上覆岩层), 对特殊样品加密采样。

所做测试分析包括显微薄片观察、扫描电镜、主量— 微量元素分析等。其中薄片显微镜观察和扫描电镜测试在成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室完成。岩石薄片主要在Nikon E600 Pol+偏光显微镜下观察。为掌握岩石宏观特性, 亦用体视显微镜观察了部分薄片, 仪器型号为Leica M165C; 扫描电镜使用美国FEI公司制造的Quanta 250 FEG场发射扫描电镜仪, 对特征矿物进行了能谱标定。主量元素、微量元素(含稀土元素)在澳实(广州)分析检测有限公司进行测试, 先用玛瑙研钵将用去离子水洗净的样品磨制成200目以下的粉末, 微量元素和稀土元素含量采用四酸消解法与熔融法相结合的电感耦合等离子体发射光谱(Agilent 5110)与质谱(Agilent 7900)测定; 主量元素采用X射线荧光光谱仪(PW5400)进行测试分析。

已报道的古生代— 中生代麻坑沉积极为罕见, 其鉴别主要通过地震剖面特征(如Strozyk et al., 2018)或碳同位素负偏的不规则形态碳酸盐岩岩体(如Agirrezabala et al., 2013)。本次研究麻坑的认定主要基于沉积岩层在野外的宏观形态及沉积构造, 如楔状延伸的麻坑沉积岩层、顶平底凹的麻坑形态、麻坑内紊乱的岩石分布及局部上拱的岩层形态等, 这些反映着同生期— 成岩早期的软沉积物变形、流体上涌对沉积物的破坏等, 其很难用断裂作用等解释, 因为上覆、下伏岩层一致的产状并不支持后期断层的存在, 而现代海底广泛发育的麻坑是其最合理的解释。需指出的是, 目前可资借鉴的深时麻坑沉积研究实例极少, 本次研究所涉及麻坑内杂乱沉积主要为硅质/重晶石脉、沥青脉分割的暗色页岩或硅质页岩, 其与前人所述深时麻坑碳酸盐岩(如Agirrezabala et al., 2013)有显著不同。

3 海底麻坑沉积特征
3.1 剖面宏观特征

3.1.1 石柱柑子坪

在五峰组中上部见小型不对称麻坑沉积(图 2), 总体呈楔状(图 3-A), 出露的麻坑沉积长度约为3.5 m, 最厚处为0.5 m。上覆及下伏岩层侧向延展性好, 未见断层发育, 显示麻坑沉积为同生期— 成岩早期变形所致。麻坑内主要充填深灰色(风化后呈绿灰色)角砾状沉积, 实为硅(及钡)质细脉分割原岩所致, “ 角砾” 多呈厘米级大小, 硅(及钡)质细脉网状交织, 沿脉见褐色铁质矿物, 偶见毫米级大小孔隙或溶洞沿硅质脉发育。

图 2 重庆石柱柑子坪及歇步头剖面麻坑沉积柱状图Fig.2 Lithological logs showing vertical location of pockmark sediments in the Ganziping and Xiebutou sections in Shizhu, Chongqing

图 3 重庆石柱柑子坪(A-B)及歇步头(C-G)剖面麻坑沉积野外特征
A— 柑子坪剖面麻坑宏观形态; B— 麻坑沉积顶部的岩层呈现上拱现象(红色箭头所指); C— 麻坑中心位置, A01-A05及B01-B05显示采样位置; D— 歇步头麻坑左侧宏观形态, 镜头朝向约为280° ; E— 为C的局部放大, 红色箭头指示上拱的岩层; F— 麻坑右侧宏观形态, 镜头朝向约为45° ; G— 麻坑中铁质矿物含量较高Fig.3 Outcrops of pockmark sediments at Ganziping(A-B)and Xiebutou(C-G)sections in Shizhu, Chongqing

麻坑内沉积滴稀盐酸无气泡产生, 显示不含方解石成分。麻坑底部局部铁质含量较高, 风化后呈褐黄色。麻坑沉积最厚处“ 角砾” 更为明显, 且在顶部见岩层上拱现象(图 3-A, 3-B), 上拱处硅质页岩薄层局部略有错乱(图 3-B), 推测为流体向上逸出所致。上覆主要为暗色含硅质页岩, 夹2~3 cm厚的褐色斑脱岩。

3.1.2 石柱歇步头

发育在五峰组中部的硅质页岩中(图 2), 为小型对称麻坑沉积, 呈顶平底凹形态(图 3-C, 3-D, 3-F), 麻坑沉积出露较为完整, 宽约18 m, 最大厚度1.25 m。上覆及下伏硅质岩及硅质页岩层侧向平整延伸, 未见断层发育, 显示麻坑内较紊乱的岩层非构造作用所致。与上覆及下伏平坦、连续岩层相比, 麻坑内岩层错断或不连续分布明显(图 3-C)。麻坑内沉积滴稀盐酸亦无气泡产生, 显示不含方解石成分。麻坑内泥质充填物明显较上覆、下伏地层更多, 更多的铁质含量使得岩层呈灰绿或褐色(图 3-E, 3-G)。在麻坑沉积最厚处(坑底)岩层杂乱分布最为明显, 未见完整的连续岩层(图 3-G), 见多处岩层上拱现象(图 3-E), 在远离麻坑中心处亦见岩层上拱, 推测为同生期流体向上逸出使得弱固结沉积物变形所致。

3.2 岩石微观特征

在显微镜下可见石柱歇步头及柑子坪剖面麻坑沉积岩均以密集的硅质及重晶石脉分割原岩为特征, 硅质脉(含重晶石)主要由晶径小于0.1 mm的石英晶体组成, 脉宽0.01~1 mm, 局部大量分布的硅质脉割裂原岩严重, 不同宽窄的细脉与宽脉交织, 使原岩呈角砾状(图 4-A, 4-C, 4-D, 4-G, 4-J, 4-K); 细脉(小于0.05 mm宽)与宽脉交织一般缺乏规律性, 脉的分叉现象频繁(图 4), 偶见阶梯状细脉交织成网状(图 4-J, 4-K); 沿较宽的硅质脉(大于0.5 mm)通常发育孔隙(图 4-B, 4-F)。亦见赤铁矿与硅质脉共生, 或呈铁质脉分布, 亦见赤铁矿发育在生物体腔孔内。麻坑沉积中沥青普遍, 见沥青脉(图 4-B, 4-C, 4-G), 或分布于生物体腔孔(图 4-I, 4-L)及不规则孔隙(图 4-F)中; 沥青可沿硅质脉发育(图 4-G, 4-H), 亦见沥青脉单独发育者(图 4-C)。麻坑沉积的下伏岩层局部硅质脉及沥青亦较为发育(图 4-C), 而上覆岩层仅见少量的硅质细脉(图 4-L), 在生物体腔孔中亦见沥青分布。2个研究剖面的麻坑沉积微观特征类似, 最大的不同在于原岩, 石柱歇步头以含放射虫硅质页岩为主, 局部发育放射虫硅质岩, 而柑子坪剖面硅质页岩中放射虫化石罕见。

图 4 重庆石柱柑子坪及歇步头剖面麻坑沉积微观特征
A— 柑子坪剖面麻坑沉积中硅质脉发育, 正交偏光; B— 柑子坪剖面麻坑沉积中发育孔隙(红色箭头所指)及沥青脉(蓝色箭头所指), 单偏光; C— 歇步头剖面A01样品中沥青脉(箭头所指)切过硅质脉, 局部见孔隙, 单偏光; D— 歇步头剖面A02样品中硅质脉及重晶石发育, 切割原岩呈角砾状, 正交偏光; E— 歇步头剖面A03样品中发育孔隙(箭头所指)及赤铁矿, 单偏光; F— 歇步头剖面B02样品中见沥青(蓝色箭头所指), 见孔隙(红色箭头所指)顺硅、钡质脉发育, 单偏光; G— 歇步头剖面B04样品中沥青脉与硅、钡质脉共生(箭头所指), 单偏光; H— 为G的正交偏光照片, 见网状硅质及重晶石脉发育; I— 歇步头剖面B02样品中放射虫多见, 见硅质细脉平行或切穿岩层, 生物体腔孔中发育沥青(蓝色箭头所指), 单偏光; J— 歇步头剖面A02样品, 硅质脉及重晶石交织成网状, 体视显微镜照片; K— 歇步头剖面B03样品, 见阶梯状硅质(及重晶石)脉交织成网状, 正交偏光; L— 歇步头剖面B05样品, 为麻坑盖层沉积, 见少量硅、钡质细脉, 生物体腔孔中发育沥青(蓝色箭头所指), 单偏光Fig.4 Microscopic characteristics of pockmark sediments at Ganziping and Xiebutou sections in Shizhu, Chongqing

扫描电镜测试显示石柱柑子坪及歇步头剖面麻坑沉积中裂缝及孔隙较为发育(图 5), 孔隙内壁及裂缝中沉淀有石英雏晶, 其晶体直径一般小于25μ m(图 5-A, 5-B, 5-D, 5-E), 偶见双晶(图 5-E)。歇步头剖面麻坑填充物中普遍含重晶石(图 5-C, 5-D, 5-E), 在重晶石晶簇中见石英晶体的印模(图 5-D), 显示重晶石的沉淀晚于石英晶体的形成, 见沥青沿裂缝发育(图 5-F)。

图 5 重庆石柱柑子坪(A)及歇步头(B-F)剖面麻坑沉积扫描电镜特征
A— 孔隙中见石英晶体(红色箭头所指)沉淀于孔隙内壁; B— 石英晶体(红色箭头所指)沿裂缝沉淀; C— 岩石中重晶石(蓝色箭头所指)普遍发育; D— 石英与重晶石普遍发育, 在重晶石晶簇中见石英晶体的印模(蓝色箭头所指); E— 岩石中见重晶石(蓝色箭头所指)及低温α 石英双晶(红色箭头所指); F— 沥青(黄色箭头所指)沿裂缝发育。A-F均为背散射图像, 矿物及沥青经能谱确认Fig.5 SEM pictures of pockmark sediments at Ganziping(A)and Xiebutou(B-F) sections in Shizhu, Chongqing

3.3 地球化学特征

本次研究测试了2个研究剖面11件样品的主量元素、微量元素, 主量测试结果如表 1所示。总体看研究区目的层位Mn含量均较低, 而不同剖面的Fe、P等含量有差异, 歇步头剖面Fe、Ba、P、Na、Ca含量普遍高于柑子坪, 而Al、Mg含量则相反。麻坑内沉积的Fe、S含量普遍高于围岩, 而Si的含量没有显著差别。Boströ m 和Peterson(1969)提出用Al/(Al+Fe+Mn)值来判断热液对海相沉积物的影响, 受热液作用影响的硅质岩中Al/(Al+Fe+Mn)值一般小于0.2(Adachi et al., 1986), 而远洋生物成因的硅质岩或硅质页岩该值一般大于0.6(Turekian and Wedepohl, 1961), 石柱柑子坪剖面样品Al/(Al+Fe+Mn)值在0.69~0.86之间, 平均值为0.80, 歇步头剖面硅质岩Al/(Al+Fe+Mn)值在0.31~0.70之间, 平均值为0.52, 指示研究区硅质成分受热液影响较小。Adachi 等(1986)提出用Al-Fe-Mn三角图解来表征硅质来源(邱振和王清晨, 2011), 研究区石柱柑子坪及歇步头剖面麻坑沉积区Al-Fe-Mn三角图解显示麻坑及围岩的硅质多来源于硅质生物(如放射虫)的沉积(特别是歇步头剖面, 图 6), 而非热液成因。

表 1 重庆石柱柑子坪及歇步头剖面麻坑及围岩主量元素含量(%)一览表 Table1 Major elements contents(%)of pockmarks and surrounding rocks at Ganziping and Xiebutou sections in Shizhu, Chongqing

图 6 重庆石柱柑子坪及歇步头剖面麻坑沉积Al-Fe-Mn三角图解Fig.6 Al-Fe-Mn diagram of pockmark sediments at Ganziping and Xiebutou sections in Shizhu, Chongqing

稀土元素测试结果如表 2所示, 通过对石柱柑子坪及歇步头剖面麻坑内沉积与围岩稀土元素进行澳大利亚后太古宙页岩标准化, 结果显示研究区不同样品的稀土元素配分曲线表现为基本一致的左倾型式(LaN/YbN< 1, 样品GZP-78除外), 轻稀土元素较为亏损, 重稀土元素分布较为平坦(图 7)。此外, 显示热液来源的Eu正异常(Eu/Eu* > 1.2, Kerrich et al., 2013; Deng et al., 2022)在研究区表现并不明显, 除样品XBT-A03外, 其余样品Eu/Eu* 值均低于1.2, 相较于歇步头剖面麻坑沉积样品表现出的轻微的Eu正异常, 柑子坪剖面样品则具有轻度的Eu负异常(图 7), 这指示研究区麻坑沉积与深部热液关系不大。前人研究显示与冷泉有关的麻坑沉积物常表现出明显的负Ce异常(Lemaitre et al., 2014)或显著的正Eu异常(Hu et al., 2014), 由此分析石柱地区五峰期的麻坑可能与冷泉无关。

表 2 重庆石柱柑子坪及歇步头剖面麻坑及围岩稀土元素含量(μ g/g)一览表 Table2 REE concentration(μ g/g)of pockmarks and surrounding rocks at Ganziping and Xiebutou sections in Shizhu, Chongqing

图 7 重庆石柱柑子坪及歇步头剖面麻坑沉积稀土元素澳大利亚页岩标准化曲线Fig.7 Post-Archean Australian shale-normalized REE patterns of pockmark sediments at Ganziping and Xiebutou sections in Shizhu, Chongqing

4 讨论
4.1 五峰组沉积时期海底麻坑成因分析

对现代海底麻坑的研究认为, 地层中欠压实沉积物、良好的沉积盖层、超压体系、充分的流体运移过程是麻坑形成的重要条件(Hovland et al., 1987; Sultan et al., 2010; 刘睿等, 2015; 沈奥等, 2023), 地层中局部异常流体压力是麻坑形成过程中的关键条件和驱动因素(沈奥等, 2023)。其流体类型常为烃类气体(多为冷泉甲烷)(Hovland et al., 1987; Prior et al., 1989; Paull et al., 1995; Roy et al., 2007), 此外, 地下渗漏的淡水(King and Maclean, 1970)、渗漏孔隙水(Harrington, 1985)和二氧化碳气体(Bonini et al., 2023)等也被报道。底辟、断层、剥蚀作用常通过促进形成地层中的超压体系而有利于麻坑的形成(罗敏等, 2012; 沈奥等, 2023), 石柱地区下志留统及下伏奥陶系层序较为连续, 缺乏剥蚀作用发生的条件; 但五峰组下伏地层中下寒武统清虚洞组发育岩盐及膏盐, 下奥陶统湄潭组发育较厚的泥岩, 使得下伏地层可能在五峰期具备底辟作用的发育条件。五峰组内钾质斑脱岩及黑色页岩的形成与板块边缘的俯冲碰撞等构造运动密切相关(苏文博等, 2006), 该时期构造运动可能在扬子克拉通内部(如石柱地区)造成同沉积小型断层, 而小型断层及小量级的地震足以诱导海底麻坑的形成(Bonini et al., 2023)。

石柱歇步头及柑子坪剖面的深时麻坑沉积中沥青脉发育(图 4-B, 4-C), 生物体腔孔常充填沥青(图 4-I, 4-L), 指示着麻坑形成过程中石油的形成与运移。五峰组沉积时期的海底逸出石油可能来源于: (1)五峰组烃源岩生成的低熟油, (2)下伏烃源岩生成的石油沿断层等向上运移。低熟油为烃源岩在未— 低成熟阶段经不同生烃机制的化学反应而生成的低温早熟的石油(Bazhenova and Arefiev, 1990; 王铁冠等, 1995), 鉴于五峰组沉积时期下伏岩层(如宝塔组)受断层影响及五峰期石油向上运移的报道鲜有论著提及, 野外也未见到宝塔组受断层作用的现象, 本次研究倾向于五峰组自生的低熟油是形成麻坑中沥青的主导因素, 因为低熟油本身以高分子链烃类为主要组分, 易形成沥青(王铁冠等, 1995)。此外, 在麻坑形成过程中, 由毛细管封闭的细粒沉积物之下聚集的游离气体常被提及(Cathles et al., 2010; 罗敏等, 2012), 其向上运移, 使海底表层沉积物发生变形, 从而形成麻坑(Cathles et al., 2010; 罗敏等, 2012)。在五峰组麻坑形成过程中, 这些游离气更有可能来源于五峰组本身, 即五峰组烃源岩在成岩早期生成的低成熟度游离天然气。相似的实例在黄海及东海亦有报道, 其形成现代麻坑的流体为浅层气(焦鹏飞, 2018)或生物成因甲烷气(杨婧荷等, 2021)。

推测五峰期麻坑的形成过程如图 8所示, 在麻坑形成之前, 低熟游离气生成逐渐加强(图 8-A), 当气体浮力超过毛细管压力后, 游离气刺穿上覆毛细管封闭层, 挤入上覆沉积层内, 形成向上运移的气流, 迫使孔隙水从沉积物中排出, 从而促使海底表层弱固结沉积物发生变形, 形成微裂缝(图 8-B)。之后, 随着下伏层中低熟气聚集, 表层弱固结沉积物承压加剧, 地层破裂并局部上拱, 角砾原地堆积(图 8-C), 这一过程中可能有黏土矿物在海水中的扩散以及低熟油的逸出(图 8-C)。在麻坑盖层沉积时(图 8-D), 低熟油气可能依旧有所影响, 其使得在盖层中形成微裂缝, 并在生物体腔孔中充填沥青(图 4-I, 4-L)。

图 8 重庆石柱地区五峰期麻坑形成模式图
A— 浅层低熟油气聚集; B— 同生期— 成岩早期软沉积物变形; C— 岩层破坏并原地堆积, 麻坑形成; D— 上覆沉积层, 麻坑被沉积保存Fig.8 Formation model of pockmark during the deposition of Wufeng Formation in Shizhu area, Chongqing

前人研究显示海底麻坑中碳酸盐岩(或矿物)的含量多高于麻坑外沉积物(如Agirrezabala et al., 2013; 刘兴建等, 2017), 麻坑内多发育自生碳酸盐矿物。本次研究在五峰期麻坑中未发现碳酸盐矿物沉淀, 但在麻坑中发育大量硅质脉, 推测其可能和同生期— 成岩早期富硅质的孔隙水有关。之后, 在成岩期沉淀的重晶石发育在麻坑沉积孔隙内(图 5-C, 5-D, 5-E), 但未完全填充孔隙。在几内亚湾和冷泉有关的麻坑中, 溶解铁含量显著升高(Lemaitre et al., 2014), 这和研究区麻坑沉积情况类似, 麻坑中较高的铁质含量可能来源于麻坑中溶解铁的沉淀。考虑到五峰组沉积时期四川盆地处于强滞留海盆的贫氧— 厌氧环境(王跃等, 2022), 推测麻坑沉积中广布的赤铁矿可能来源于二价铁矿物在新生代(五峰组暴露于地表时)发生的氧化。

4.2 深时海底麻坑沉积识别标志

现代麻坑可通过海底地貌形态直接分辨, 但深时麻坑的鉴别较为困难。目前已识别的深时麻坑主要通过地震剖面的负地形形态特征(Strozyk et al., 2018; Velayatham et al., 2018)和碳同位素负偏明显的不规则形态的碳酸盐岩岩体(Agirrezabala et al., 2013)进行认定。本次研究显示, 对海底麻坑沉积的识别还有以下标志可资借鉴:

4.2.1 楔状或顶平底凹的透镜状宏观形态

即相对沉积期平坦地层而显现的负地形形态, 在歇步头剖面的对称麻坑显示为顶平底凹的透镜状(图 3-D, 3-F), 在柑子坪剖面则显现不对称麻坑的楔状形态(图 3-A)。其在出露完整的地质剖面中较易识别, 但在岩心中不易识别宏观形态。在地震剖面中, 中— 大型麻坑应能够识别, 这在三叠— 侏罗系(Velayatham et al., 2018)、白垩系(Strozyk et al., 2018)、古近系(Cole et al., 2000)及众多的新生代海底麻坑沉积中多有报道。

4.2.2 麻坑内杂乱的沉积填充

上涌逸出的流体对海底软沉积物的破坏是麻坑形成的基础, 这种破坏的结果是在麻坑内形成杂乱的沉积物, 这在现代海底麻坑中多有报道, 在深时麻坑沉积中仅有白垩系碳酸盐岩(Agirrezabala et al., 2013)等少数实例。本次研究显示古生代麻坑内的紊乱地层, 其可以是大小不一的角砾(图 3-E), 也可能是被硅质脉分割的不连续地层(图 3-G)。

4.2.3 麻坑内局部地层的上拱形态

本次研究首次报道了麻坑沉积的这一特殊识别标志, 其在2个研究剖面均有发育(图 3-B, 3-E), 推测是由流体上涌引发软(或弱固结)沉积物变形所致。其可能广泛存在于泥质等细粒海底介质麻坑中, 在今后的研究中应引起重视。

4.2.4 麻坑沉积中普遍的铁、硅、钡质矿物充填

前人研究关注了现代及白垩纪麻坑中自生碳酸盐矿物的沉淀, 极少有研究提及硅质自生矿物。本次研究显示麻坑中亦可能发育大量硅质脉, 推测其可能和同生期— 成岩早期富硅质的孔隙水有关。此外常量元素测试(表 1)及野外(图 3-G)、镜下(图 4-D, 4-E, 4-H, 4-J, 4-K; 图 5-C, 5-D, 5-E)观察显示麻坑沉积中铁质矿物及重晶石充填普遍。

4.2.5 古生物化石显示的沉积间断或时序混乱

前人研究显示五峰— 龙马溪组在某些地区某些层位(如某一个或几个笔石带)存在缺失, 但一般被认为和古隆起等海底正地形有关, 本次研究提示着海底负地形(如中— 大型麻坑)可能是其另外的形成原因, 这将造成笔石带缺失(显示为沉积间断)或时序混乱。

4.3 五峰组海底麻坑沉积的地质意义

4.3.1 古环境意义

受下伏油气藏、洋流、断裂带、古河道沉积等因素的影响, 现代海底存在的麻坑通常连片或呈带状分布(Prior et al., 1989; Leó n et al., 2010; 罗敏等, 2012; 李磊等, 2013), 本次研究显示五峰组中发育特征相似的麻坑沉积, 这指示着上扬子地区古生代可能发育着更多的未被识别的麻坑。此外, 石柱漆辽与柑子坪剖面距离仅2.3 km, 其观音桥层岩性差异大(主要表现为生屑含量), 且漆辽剖面观音桥层之上发育铁质渣状层(Hu et al., 2022), 附近采石场五峰组同沉积滑塌现象显著, 其是否受古麻坑的影响值得深入研究, 中型、大型麻坑的存在可能是陡坡上塑性黏土质物质发生滑动(赵明胜等, 2014)之外的另一合理解释。

此外, 本次研究显示麻坑内沉积具丰富的硅质及重晶石脉, 其硅质矿物主要为微晶石英, 显示正常海水沉积成因, 未受到热液的影响, 这与五峰— 龙马溪组硅质岩成因(邱振等, 2018; 王登等, 2022)基本一致, 考虑到麻坑形成时期为同生期— 成岩早期, 该时期麻坑中硅质脉分割的角砾发育可能显示着五峰组在成岩演化的早期孔隙水是富硅质的, 易于形成硅质胶结物及硅质脉, 这也合理解释了麻坑中缺乏碳酸盐岩沉积的现象。

4.3.2 地层学意义

本次研究所涉及五峰组沉积时期的海底麻坑直径小于20 m, 深度小于2 m, 为小型麻坑, 其对原始暗色细粒岩沉积的改造较弱。但现代海底超大型麻坑的直径可达数千米, 深度数十米甚至可达200 m(如Cole et al., 2000; Pilcher and Argent, 2007; Sun et al., 2011; Geng et al., 2017)。目前的研究显示五峰组存在麻坑形成的基础条件, 如若发育大型麻坑, 向上逸出的流体对原始沉积的破坏及改造程度将比本次研究对象强烈得多, 极有可能造成细粒岩更严重的同生期— 成岩早期变形、甚至缺失, 从而造就笔石带的缺失(即地层缺失)或混乱分布, 这在今后的研究中应引起足够重视。

4.3.3 岩石学意义

在对现代及白垩纪麻坑沉积的研究中, 碳酸盐岩(特别是碳酸盐自生矿物)被广泛关注, 通常受甲烷释放的影响, 其碳同位素负偏严重。本次研究显示深时麻坑沉积中可以不存在碳酸盐岩, 硅质脉、铁质矿物及沥青强烈影响着麻坑沉积。鉴于目前关于深时麻坑沉积的报道极少, 对现代及古代麻坑沉积岩的识别亟待加强, 对硅质、碳酸盐质等麻坑自生矿物的深入研究很有必要。

4.3.4 海相、湖相麻坑的页岩油气意义

目前发现的海底麻坑多与海底烃类物质释放相关, 在北海、哈德逊湾等地的海底麻坑下方存在油气田(Lavoie et al., 2015), 可造就规模可观的羽流及冷泉沉积(Paull et al., 1995; Roya et al., 2019)。近年来的研究表明, 与烃类物质有关的麻坑不仅存在于海底, 在湖泊环境也有发现(Bussmann et al., 2011; Loher et al., 2016), 显示麻坑本身具有显著的油气地质意义。本次研究在深时暗色细粒岩中识别的海底麻坑也可能是和烃类物质早期大量形成有关的, 因此在海相及陆相富有机质页岩研究中应关注麻坑的存在。此外, 麻坑沉积中裂缝常被硅质充填未满, 尚存孔隙, 可能预示着麻坑沉积有一定烃类储集意义, 这在今后的研究中应引起重视。

5 结论

1)在重庆石柱柑子坪剖面及石柱歇步头剖面五峰组中分别识别出麻坑沉积, 其总体呈楔状或顶平底凹的透镜状, 麻坑内岩层紊乱并发育上拱的岩层, 微观观察显示麻坑沉积中硅质脉发育, 由其分割的原岩呈角砾状, 麻坑沉积中常见沥青及赤铁矿。

2)主量元素及稀土元素测试结果显示麻坑的形成可能与热液及冷泉无关, 推测五峰组自生的低熟油气是麻坑形成的基础。低熟游离气挤入上覆沉积层形成向上运移的气流, 促使海底表层弱固结沉积物发生变形, 形成的微裂缝使得地层破裂, 角砾原地堆积, 从而造成麻坑沉积。

3)深时麻坑的识别标志有:①地震剖面的负地形形态, ②碳同位素负偏明显的不规则形态的碳酸盐岩岩体, ③楔状或顶平底凹的透镜状宏观形态, ④麻坑内杂乱的沉积填充, ⑤局部地层的上拱形态, ⑥古生物化石显示的沉积间断或时序混乱等。

4)识别五峰组海底麻坑沉积具岩石学、地层学、古环境及油气地质意义, 并对理解现代麻坑的成因有启示意义。

致谢 参加野外工作的还有张翔、李昌昊、乔丹等, 感谢成都理工大学油气藏地质及开发工程全国重点实验室冯明石在扫描电镜测试时的帮助。感谢评审专家及编辑同志的意见和建议。

(责任编辑 郑秀娟; 英文审校 龚承林)

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