专业解读：

科学问题与解决方法：

晚二叠纪大灭绝（LPME）消灭了约90%的海洋物种、70%的陆地脊椎动物物种、30%的昆虫目，是地球历史上最具毁灭性的自然灾难。LPME在时间上与大火成岩省（LIP）的火山活动相吻合，后者被广泛认为是其最终原因。在LIP喷发期间，大量的火山气体被排放到大气中，导致海洋和陆地生态系统的恶化。LPME期间公认的两次灭绝事件，即瓜德鲁普末期灭绝（约2.595亿年前）和二叠纪-三叠纪灭绝（约2.514亿年前），分别被认为与中国的峨眉山大火成岩省（ELIP；约2.6亿年前）和俄罗斯的西伯利亚大火成岩省（STLIP；约2.52亿年前）密切相关。然而，这一假设的一个矛盾之处在于，单独的火山成因CO₂无法解释气候变暖和负碳同位素偏移的协调变化，包括LPME期间的6‰–8‰ δ¹³C偏移。

与侵入富含有机质沉积物的岩浆有关的热成温室气体，包括CO₂和CH₄，已被确定为在LIP喷发期间引起主要负碳同位素偏移的重要碳质气体来源之一。这一点得到了加拿大高北极地区二叠纪岩石中木炭沉积物的发现和西伯利亚通古斯卡盆地大量气体排放管道的支持。

在中国四川盆地，包括沥青质形态、地震数据和CH₄及稀有气体同位素组成在内的多条证据表明，埃迪卡拉系碳酸盐岩储层中的古油藏被与ELIP火山活动相关的热液流体侵入热解，大量的碳质气体通过断层和热液管道排放到大气中。然而，迄今为止报道的大多数研究主要基于间接证据或仅从油热解产物（包括沥青质和天然气组成）中获得的证据。关于古油藏中油热解事件的时间缺乏有力的证据，也没有尝试记录与ELIP相关的热液流体侵入相关的热解过程。

我们直接测定了一个埃迪卡拉系碳酸盐岩储层中的油热解事件，并通过详细的岩石学和地球化学分析记录了与ELIP火山活动相关的烃类流体和热液流体相互作用的热液矿物和流体包裹体，记录了热解过程。我们的研究调查了LPME事件期间由LIPs引起的大规模热成CH₄排放的深远影响。

图 1. (A) 中国南部峨眉山大火成岩省（ELIP）和四川盆地的地理分布，修改自Shellnutt (2014)。橙色虚线代表ELIP区域。(B) ELIP同心区域的区域分布（虚线黑线），修改自Xu等人（2004），以及研究区域在蓬莱气田的位置，包括井位。(C) 四川盆地的概括性地层柱状图。O—奥陶纪；S—志留纪。

地质背景

峨眉山大火成岩省（ELIP）的火山活动发生在扬子地块的西部边缘（图1A），主要由镁铁质和超镁铁质火山岩、相关的长英质岩体和层状镁铁质-超镁铁质侵入体组成。我们的研究区域是蓬莱气田，处于ELIP的外带（图1B）。下寒武统瓮安组（Є1q）黑色页岩被认为是主要的油源岩和盖层（图1C）。埃迪卡拉系灯影组（Z₂dn）碳酸盐岩是主要的储层。在奥陶纪-泥盆纪期间，Є1q源岩开始生油，沿断层迁移至Z₂dn中形成大规模油田。目前的气藏源自古油的原位热解，广泛分布沥青质。

图 2. 来自中国南部蓬莱气田埃迪卡拉系碳酸盐岩储层（在风险勘探井彭滩101 [PT101] 中的 5748.25-5778.50 米深度）的碳酸盐岩岩心样本。(A) 显示热液矿物出现的样本照片，包括鞍状白云石（SD）、石英（Q）、纤维状白云石（FD）和宿主岩石（HR）；5762.30 米。(B) 样本的显微照片，显示SD、沥青质（pyrobitumen）和Q在FD基底上的共存；5762.30 米。(C, D) 透射光（C）和阴极发光（CL）(D)下的显微照片拼贴图，显示SD的均匀亮红色CL；5748.25 米。(E) 在反射光下沥青质的纤维状和细-中等镶嵌纹理；插图显示同一视场在平面偏振光下的图像；5752.30 米。(F, G) 扫描电子显微镜-CL图像显示三代石英胶结物（Q1、Q2和Q3）；5778.50 米。(H) 沥青质包裹体的典型重平衡纹理，包括针状结构、颈缩和脱气晕（DH），包含在Q1中；5762.30 米。(I) 包含针状结构的沥青质包裹体包含在SD中；5748.25 米。(J) 气体包裹体、三相流体包裹体和两相水包裹体共存，包含在Q2中；5756.50 米。(K) 原生气体包裹体和同时代的水包裹体包含在Q3中；5762.30 米。

样品和结果 

我们从埃迪卡拉系碳酸盐岩储层中收集的碳酸盐岩岩心样本，来自风险勘探井彭滩101（PT101；图1B）。 碳酸盐岩储层中的热液矿物主要由鞍状白云石（SD）和石英组成，共同出现在多个等厚纤维状白云石（FD）的基底上（图2A和2B）。SD由粗到极粗的白云石晶体组成，晶体边界呈弯曲或叶状（图2C和2D）。沥青质呈现出不规则的几何形状，直径从几十微米到几毫米不等，特征为纤维状纹理和细到中等镶嵌纹理（图2E）。石英胶结物在扫描电子图像中进一步细分为三代（图2F和2G）。第一代石英（Q1）具有暗淡的发光，最初沿纤维状白云石以立方体晶体的形式生长，并部分溶解。第二代石英（Q2）以亮发光和模糊的振荡带为特征，生长在Q1上。Q1和Q2都由第三代石英（Q3）镶边，Q3具有亮发光和明显的振荡带。包含在Q1中的含烃流体包裹体（HCBFIs）主要由沥青质包裹体组成，显示出流体包裹体重新平衡的证据，包括针状纹理、颈缩和脱气晕（图2H）。

同时代的水包裹体均质化（液+气 → 液）温度为145.2-163.2°C（图3A），计算出的盐度为19.4-20.3质量% NaCl当量。包含在SD中的HCBFIs也主要由沥青质包裹体组成（图2I），显示出典型的重新平衡纹理。同时代的水包裹体均质化温度（Th）范围为180.5-207.5°C（图3A），盐度范围为17.2-18.3质量% NaCl当量。包含在Q2中的HCBFIs由气体包裹体和少量沥青质以及存在沥青质、气气泡和水相的三相流体包裹体组成（图2J）。水包裹体的Th值从202.6°C变化到221.4°C，盐度范围为12.6-13.5质量% NaCl当量（表S1；图3A）。包含在Q3中的原始两相水包裹体和气体包裹体共存为团簇（图2K）。水包裹体的Th值范围为220.5-235.0°C（表S1；图3A），盐度为10.1-11.2质量% NaCl当量。这些热液矿物中包含的水包裹体和气体包裹体的气相主要由CH4组成，次要为CO2（图S1）。包含在Q1、SD、Q2和Q3中的原始水包裹体的计算捕获压力分别为29.8-35.7 MPa、85.3-97.7 MPa、107.8-111.9 MPa和66.9-91.3 MPa（表S2；图3B）。来自HCBFIs和溶解孔的沥青质在拉曼光谱上显示出典型的无序（D）和石墨（G）峰（图S1）。基于拉曼的等效镜质体反射率（EqVRo）值从3.92%变化到4.08%（表S3）。SD的原位U-Pb定年指示了258.4 ± 7.3百万年的下截年龄（2σ；表S4；图4A）。SD的稀土元素加钇（REE + Y）模式特征为一致的正Eu和Y异常以及轻微的负Ce异常（表S5；图S2）。SD的δ13C和δ18O比值分别变化从–0.61‰到–0.07‰，和–9.71‰到–8.70‰（表S6）。计算出的SD母水（δ18Ow）的δ18O值为9.93‰（表S6；图3C）。Q1-Q3的氧同位素比值介于19.03‰和24.49‰之间（表S7），Q1的平均值为21.44‰，Q2为21.22‰，Q3为21.31‰（表S8）。Q1、Q2和Q3的δ18Ow值分别为5.98‰、10.31‰和11.16‰（表S8；图3C）。

图 3. 埃迪卡拉系碳酸盐岩储层孔隙流体演化趋势图（在中国南部蓬莱气田）：(A) 盐度，(B) 压力，以及 (C) 母体水的氧同位素比值（δ¹⁸O_w）。δ¹⁸O_D 和 δ¹⁸O_Q 分别是鞍状白云石（SD）和石英（Q）胶结物的氧同位素比值。SMOW—标准平均海洋水；Q1、Q2 和 Q3 是三代石英胶结物。

讨论与结论

原位U-Pb定年表明，鞍状白云石（SD）大约在258.4 ± 7.3Ma前沉积，与峨眉山大火成岩省（ELIP）的主要喷发事件（259.1 ± 5.0Ma）相吻合。SD的稀土元素加钇（REE + Y）模式中的正铕异常表明，在SD沉积过程中涉及热液流体。微观热力学数据显示，随着均质化温度（Th）值的逐渐增加，NaCl等效盐度依次降低（图3A）。母水的δ¹⁸O值在成岩矿物中总体上呈现出依次增加的趋势（图3C）。考虑到Th值、原始水包裹体的NaCl等效盐度和δ¹⁸O值之间的协方差，我们可以得出结论，储层经历了相对高温和低盐热液流体的侵入，这被热液矿物的成岩序列所记录：最初沉积Q1，随后是SD，Q2和Q3。考虑到由LIPs触发的热液系统的短寿命时间尺度（<10^5年），以及基于原位U-Pb定年和一维盆地建模，我们估计对应于我们岩心样本的热液矿物的沉积发生在大约2.5公里的深度（图4B）。

Q1和SD中包含的沥青质包裹体（图2H和2I）表明，在矿物沉积期间原本捕获了油包裹体，但随后经历了热解。沥青质包裹体所示的特征流体包裹体重新平衡纹理表明，在油热解过程中包裹体的内部压力急剧增加。Q2中沥青质包裹体的出现（图2J）也表明了前驱油的热解。然而，以CH4为主的气相和少量沥青质的共存表明，前驱油密度相对较低，可能代表轻质油或凝析油在古油藏中的热解。Q3中不含沥青质的纯气包裹体意味着它们最有可能是直接在气藏中捕获的。

图 4. (A) 鞍状白云石（SD）在中国南部蓬莱气田埃迪卡拉系碳酸盐岩储层的U-Pb Tera-Wasserburg谐和图。MSWD—加权偏差的均方值。(B) 根据刘等人（2018）修改的热埋藏史，作为研究区域SD沉积深度的参考。ELIP—峨眉山大火成岩省；Z—埃迪卡拉纪；Є—寒武纪；O—奥陶纪；S—志留纪；D—泥盆纪；C—石炭纪；P—二叠纪；T—三叠纪；J—侏罗纪；K—白垩纪；Pg-Q—新生代-第四纪

此外，来自HCBFIs和溶解孔的沥青质的相似EqVRo值（表S3）表明，所有的沥青质指向相同的前驱油，并经历了类似的热应力。因此，Q1、SD、Q2和Q3中顺序捕获的HCBFIs记录了古油藏的热解过程和事件。

在第一事件中，热液流体进入碳酸盐岩储层，导致Q1沉积和油包裹体捕获。相应的地层温度小于160°C（图3A），在此温度下，油藏在热上是稳定的。在随后的古油藏热解事件中，地层压力急剧增加，超过了相应的静岩压力（图3B）。这种异常高的地层压力无法维持，很容易导致顶部密封或断层密封的破裂，引发压力释放。因此，热液矿物记录的地层压力最有可能是油藏快速热解期间的瞬态地层压力。地层压力从第二（SD）到第三（Q2）事件大幅增加（图3B），表明由ELIP火山活动引起的油藏热解是一个极其快速的过程，产生了大量超压CH₄气体。产生的CH₄气体量远远超过了这一时期排放的量。记录的峰值地层压力为111.9 MPa，相当于Q2沉积期间的1.8倍静岩压力，表明CH4气体的产生和排放达到了动态平衡状态。地层压力在第四事件（Q3）期间下降（图3B），从1.5倍静岩压力变为1.1倍静岩压力，表明古油藏的热解显著放缓。CH₄的产生速率小于其释放速率，储层压力回到了接近静岩压力的状态。考虑到热液系统持续时间相对于LIPs来说相对较短，估计热液矿物的沉积可能发生在数万年间，在这期间，碳酸盐岩储层经历了快速的油热解，大量超压CH₄迅速沿断层或岩浆管道排放到大气中。Chen等人（2022）估计，在ELIP火山活动期间，四川盆地在大规模热解过程中产生的总CH₄气体中超过99%，相当于约1440 Gt，可能已经排放到大气中。然而，值得注意的是，这一估计是基于从原油的无水热解实验中获得的CH₄和沥青质产率之间的相关性，没有考虑水在油裂解中的作用。碳酸盐岩储层中的地层水和热液流体也会为油裂解提供额外的氢气，增强了更多CH₄气体的产生。因此，从古油藏排放的CH₄气体可能远高于Chen等人（2022）估计的量。快速释放的CH₄可能是触发瓜德鲁普末期灭绝的全球变暖的重要贡献者，并可能在LPME期间引起主要的负碳同位素偏移。

文章创新点：

这篇文章的创新点在于它直接测定了一个埃迪卡拉系碳酸盐岩储层中的古油热解事件，并详细记录了其热解过程。研究团队通过对热液矿物和流体包裹体进行详细的岩石学和地球化学分析，记录了与峨眉山大火成岩省（ELIP）火山活动相关的烃类流体和热液流体之间的相互作用。这项研究调查了大火成岩省在晚二叠纪大灭绝（LPME）事件期间引起的大规模热成甲烷排放的深远影响，为理解大火成岩省相关的温室气体排放对地球历史上气候变化、碳循环和生物进化的重要性提供了新的证据和见解。

原文链接 

https://pubs.geoscienceworld.org/gsa/geology/article/doi/10.1130/G52452.1/650447/Rapid-pyrolysis-of-paleo-oil-pools-recorded-by