杜学斌，陆扬博，贾冀新，陆永潮，赵柯
火山作用是连接地球深部与地表系统的重要桥梁，也是探索地史重大转折期古气候、古环境变化和生命演化的关键抓手（Bond and Wignall, 2014）。自寒武纪以来，业已证实的海相重要有机碳埋藏层位，其与富有机质页岩的发育及重大页岩油气的形成息息相关（Trabucho-Alexandre et al., 2011），并常与全球性或区域性的高频火山活动相伴（e.g., Abrajevitch et al., 2014; Lee et al., 2018; Lu et al., 2020）。奥陶纪-志留纪之交，扬子地区的上奥陶统五峰组-兰多维列统龙马溪组一段（以下简称五峰组-龙一段）中，发育了一套富含有机质（TOC%>4）和生物硅，最具规模的清洁页岩气商业性开发的富有机质页岩（马永生等，2018；邹才能等，2020）。该页岩层段中存在大量的深时火山灰层，具有数量多、分布范围广等特点（邱振和邹才能，2020），指示奥陶纪-志留纪之交扬子地区曾发生过连续的大规模火山喷发事件。近几年来，中国地质大学（武汉）的细粒沉积研究团队对奥陶纪-志留纪之交深时火山灰层的发育特征、时空分布规律、来源、对有机质富集的影响等方面进行了系统的研究，取得了一系列的成果，为扬子地区的富有机质页岩成因解释提供一些借鉴。
1. 研究背景
奥陶纪-志留纪过渡期是地质历史过程中一个至关重要的变革期，经历了显生宙期间第一次生物大灭绝、赫南特冰期、全球海平面短暂且剧烈的波动、密集的构造运动等重大地质事件（Jablonski, 1991; Rasmusssen and Harper, 2011; Lenton et al., 2018; Tao et al., 2020）。在该时期，扬子地块与冈瓦纳地块相连（Huff and Dronov, 2014）（图1 a, b）。受早期构造活动的影响，整个扬子地块的构造性质从早、中奥陶世的开放盆地转变为晚奥陶世受古陆和隆升控制的有限盆地（Chen et al., 2016）（图1c），沉积环境也向低能、欠补偿和缺氧条件变化（Wu et al., 2018）。跨越该过渡段的代表性沉积地层为上奥陶统的五峰组（凯迪阶）、观音桥组（赫南特阶），以及下志留统的龙一段（鲁丹阶）。五峰组厚度通常小于10 m，主要由灰黑色层状炭质页岩和硅质页岩组成。龙一段黑色富有机质页岩厚度为10~20 m，是页岩气主产层。观音桥层介于五峰组和龙马溪组之间，由薄层生物碎屑灰岩构成，是全球重要地层对比标志。
图1 a-b.晚奥陶世全球古地理位置图（修改自Huff and Dronov, 2014）和华南块体位置图（修改自Ling et al., 2019 ）；c.晚奥陶世扬子地块岩相古地理图（修改自Gong et al., 2017）
2. 深时火山灰记录
2.1 深时火山灰的识别特征
深时火山灰是指第四纪以前的火山喷发产生的粒度小于2mm的火山碎屑沉积集合体，包括凝灰岩（粒度0.0625~2mm）和火山成因黏土岩（粒度＜0.0625mm）（孙善平，2001）。火山灰通常在沉积后会发生蚀变，该过程包括脱玻璃化、黏土矿物生长和钾元素的富集（Hong et al.，2018）。蚀变作用极大的增加了火山灰识别难度。在野外，由于不同的矿物含量和蚀变程度，火山灰层在潮湿时可以是不同的颜色（蓝色，绿色，红色，黄色、灰色），但在风化时多呈不同程度的黄色（图2a）；岩芯上一般是黄绿色，很薄，易碎，要注意和黄铁矿区别（图2b）；镜下可观察到硅化。晶屑成分为石英、长石、黑云母，呈棱角状和椭圆状，黑云母发生暗化。玻屑呈鸡骨状，多已脱玻化（图2c）。需要指出的是，肉眼可识别的属于显性火山灰层，隐性火山灰（火山灰分解或蚀变在页岩中）往往容易被忽略，进而低估了深时火山活动的持续时间和强度，但可以借助沉积物中的汞元素（Hg）浓度等地球化学指标对含有隐性火山灰的受火山活动影响层进行判识（Selin, 2009; Grasby et al., 2019）。
图2 深时火山灰层的野外剖面、岩芯和镜下识别照片,剖面及井位置见图1c(杜学斌等，2022)
2.2 深时火山灰的时空展布
奥陶纪-志留纪之交火山灰最早由傅力浦等（1983）于20世纪80年代在陕西紫阳芭蕉口剖面发现，命名为“层凝灰岩”。此后学者们又陆续在贵州、湖南、重庆、四川、安徽、浙江、江苏等地野外剖面发现了多层火山灰（汪啸风等，1983；黄志诚等，1991；Su et al., 2009；汪隆武等，2015；熊国庆等，2017，2019；Yang et al., 2019；王玉满等，2019，2020；Liu et al., 2020），并在钻孔岩芯中识别出了更为密集的火山灰层（舒逸等，2017；吴蓝宇等，2018）。通过对扬子地区贵州干田嘴剖面、重庆木厂沟剖面、湖北宜昌王家湾剖面、浙江安吉新桥和缫舍等野外剖面以及焦石坝气田焦页JY11-4和JY143-5等钻井岩芯考察，根据火山灰层的发育密度，团队将奥陶纪-志留纪过渡期火山灰层划分为三个段：密集段、稀疏段和零星段。密集段位于奥陶系五峰组下部至中部；稀疏段位于奥陶系五峰组上部至志留系龙一段底部；零星段位于志留系龙一段中部至上部，具体分布特征如图3所示。可以明显看出：火山活动最频繁的时期为五峰组沉积早、中期，随后火山活动的持续时间和强度逐渐降低。
图3 奥陶纪-志留纪过渡期深时火山灰层平均厚度、密度和相邻层之间厚度的垂直变化（杜学斌等，2022）
此外，火山灰层的年龄还可以约束相应构造活动的时间。奥陶纪-志留纪过渡期扬子地区火山灰层的年龄被限制在始于凯迪阶五峰组，并持续到鲁丹阶，跨越了志留系底界。这种年龄限定显然不同于全球其他地区（图4），欧洲著名的Kinnekulle火山灰层和北美的Deicke和Millbrig火山灰层的年龄被限制在晚奥陶统的桑比阶和凯迪阶过渡期（Huff，2008）。因此，团队认为，与全球其他地区相比，扬子地区的持续性火山喷发活动晚了约5.4 Ma。火山灰的年龄预示华南地区的构造运动可能与全球其他地区的并不同步（Du et al., 2020）。
图4 奥陶纪-志留纪过渡时期扬子地区与世界其它地区深时火山灰层的垂直分布比较（杜学斌等，2022）
2.3 深时火山灰的来源分析
火山灰作为一种火山喷发的产物，它继承了母岩浆的特征，因此，火山灰层可以直接指示其来源以及对应火山活动的时间，并提供了局部和全球构造事件的可靠记录（Su et al., 2009; Yang et al., 2019；Liu et al., 2020）。有关深时火山灰来源研究常用的手段有全岩地化分析和锆石微区地化分析等。团队分别对湖北、贵州、重庆的野外火山灰层的锆石开展了系统的原位地化分析，发现锆石结晶的母岩浆均为具有高演化程度的陆壳组分，构造背景可分为两类：弧相关和板内背景（图5）。结合先前研究成果，认为深时火山灰具有双向构造来源：华南地块北缘的板内伸展活动和南缘的冈瓦纳大陆碎片的俯冲-碰撞，此认识为晚奥陶世期间这两种构造运动的存在提供了证据(Jia et al., 2022)。除此之外，熊国庆等（2017, 2019）对大巴山剖面的研究认为，研究层段的深时火山灰还可能来自于北侧秦岭古洋壳向华北地块的俯冲而引发的火山活动。总的来说，奥陶纪-志留纪之交扬子地区的深时火山灰存在三种不同的潜在来源：（1）北侧的秦岭古洋壳在华北地块之下向北俯；（2）北侧的扬子地块南缘板块内的伸展和拆离；（3）南侧的冈瓦纳大陆碎片向华南地块的西北向俯冲碰撞（图6）。
图5 锆石源岩浆地壳组分（a-b）和构造背景（c-d）的地球化学图解（贾冀新等，2022）
图6 扬子地区奥陶纪-志留纪之交火山灰来源模式（杜学斌等，2022）
3. 火山灰对有机质富集的影响
3.1 对古生产力的影响
尽管诸多研究表明，现代火山喷发产生的火山灰在大气中滞留的时间可达到1~3年（Hu et al., 2000），当火山灰沉降到海水中，可以显著的促进海洋初级生产者（自养和异养微生物）的爆发和初级生产力的增长，有利于有机质形成与富集沉积（e.g., Frogner et al., 2001; Duggen et al., 2007; Langmann et al., 2010; Olgun et al., 2011）。受季节、纬度、表层水化学条件等差异的影响，火山灰的“施肥效应”可以维持数月至数年不等（Olgun et al., 2011；Rogan et a., 2016）。然而，相较于百万年尺度的地质过程，现代研究观测到的这种维持数月至数年“施肥效应”几乎是瞬时、甚至可以是忽略不计的。那么，深时火山灰沉积对有机质富集是否有影响、究竟有多大影响呢？
针对这一科学问题，团队选取焦石坝气田焦页11-4井五峰组中长约25cm的连续岩芯样品（包含三层火山灰，V7-V9），开展了以“火山灰层（斑脱岩层）-页岩层组合单元”（代表单次火山活动开始到下一次火山喷发前的沉积记录）为对象的高分辨率研究（Lu et al., 2022）。研究表明，三个“火山灰层-页岩层组合单元”展现出了相似的微观岩相转变，代表了三个沉积旋回（图7）。每个沉积旋回自下而上，都由火山灰层、黄铁矿层、硅质富黏土泥岩相、放射虫层、硅质泥岩相组成（图7）。Hg含量与Hg/TOC的比值表明，火山灰层、黄铁矿层、硅质富黏土泥岩相为受火山活动影响层（图7），对应了极快的沉积速率、高的初级生产力、固氮微生物功能群（蓝藻）的爆发以及缺氧、硫化的沉积环境（图8，9）。放射虫的爆发并成层沉积指示极快的沉积与埋藏速率，并与以下五个因素有关: 1）水体中抑制放射虫生长的重金属（如Hg）含量降低，进入沉积物中；2）蓝藻的大规模爆发及其光合作用缓解了表层水体的缺氧状态；3）固氮生物功能群为水体中补充了供生物生长利用的生物氮；4）微生物的大量繁殖为放射虫提供了充足的食物来源：5）火山灰中的中酸性矿物提高了水体中的溶解硅含量，促进了放射虫的生长。最后，每个沉积旋回顶部的硅质泥岩相，其沉积不受火山活动影响，对应了极低的沉积速率、封闭、低能和缺氧的沉积环境、稳定的水体化学条件以及平衡的自养和异养微生物种群（图9）。每一个沉积旋回对应的微观岩相转变，不仅体现了火山喷发后古海洋环境的自我修复过程，更体现了火山作用引起的微生物群落由原核生物（蓝藻）向真核生物（放射虫爆发）繁殖的转变能够提高生物泵效应（图9），进而增加碳埋藏效率和提高沉积有机质的丰度(Shen et al., 2018; Lu et al., 2022)。
图7 微观岩相分类及其非均质性(Lu et al., 2022)
图8 元素丰度及不同微观岩相沉积速率 (Lu et al., 2022)
图9 古生产力、氧化还原指标及微生物群落转变
3.2 对保存环境的影响
另一方面，火山喷发活动通过大量温室气体排放导致全球变暖，导致全球海洋分层和环流停滞，最终导致海洋缺氧加剧（Kuypers et al.，2001；Meyer et al.，2008）。火山灰的溶解可以提高初级生产力，而有机物的产生和分解消耗海水中的氧气（Kuypers et al., 2001; Meyer et al., 2008），这一过程中，又叠加了氧溶解度-海温关系导致的向深海输送氧气的减少，加剧了海洋缺氧。当氧气耗尽时，硫化氢通过硫酸盐还原反应形成。H2S与水中活性铁反应形成黄铁矿，剩余的H2S引起楔形的缺氧硫化带，扬子地区火山灰层中普遍存在的黄铁矿证明了这一点，因此，火山喷发活动形成的局部缺氧环境促进了沉积过程中有机质的保存（图10）。
图10 火山灰对富有机质页岩沉积的控制模式（杜学斌等，2022）
4. 结论与展望
扬子地区上奥陶统五峰组与兰多维列统龙一段中的深时火山灰层具有平面上分布范围广、垂向上分布不均一的特征，垂向划分出密集段、稀疏段和零星段。该深时火山灰层可能来自扬子地块的南北两侧，共有三个可靠的来源：北侧的秦岭古洋壳在华北地块之下向北俯冲和扬子地块南缘地块内的伸展和拆离以及南侧的冈瓦纳大陆碎片向华南地块的西北向俯冲碰撞。这是华南地块复杂的构造活动响应证据之一。以“火山灰层（斑脱岩层）-页岩层组合单元”为对象的高分辨率研究结果表明，火山作用引起的微生物群落由原核生物（蓝藻）向真核生物（放射虫爆发）繁殖的转变能够提高生物泵效应，进而增加碳埋藏效率和提高沉积有机质的丰度。
作为非常规油气沉积学重要研究内容之一，厘定火山活动影响与页岩有机质的富集关系，对我国页岩油气等非常规油气勘探与开发具有重要的指导意义。在目前高分辨率研究的基础上，未来研究的方向应从定性转向定量。通过数值模拟等手段来定量恢复火山灰的喷发和沉积过程，估算火山喷发烈度和规模，从正演的角度突破现有研究中的定性分析多于定量判断的束缚。
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主要参考文献
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[2] Jia, J.X., Du, X.B., Zhao, K., Lu, Y.C., Tan, C., 2022. Sources of K-bentonites across the Ordovician-Silurian transition in South China: Implications for tectonic activities on the northern and southern margins of the South China Block. Marine and Petroleum Geology 139, 105599.
[3] Du, X.B., Jia, J.X., Zhao, K., Shi, J.C., Shu, Y., Liu, Z.H., Duan D., 2021. Was the volcanism during the Ordovician-Silurian transition in South China actually global in extent? Evidence from the distribution of volcanic ash beds in black shales. Marine and Petroleum Geology 123, 104721.
[4] Zhao, K., Du, X.B., Lu, Y.C., Hao, F., Liu, Z.H., Jia, J.X., 2021. Is volcanic ash responsible for the enrichment of organic carbon in shales? Quantitative characterization of organic-rich shale at the Ordovician-Silurian transition. GSA Bulletin 133 (3-4), 837-848.
[5] 杜学斌, 贾冀新, 赵珂, 等. 扬子地区奥陶纪—志留纪过渡期深时火山灰层发育特征及其对富有机质页岩沉积的影响[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2022, 53(09):3509-3521.
