由柱状节理碳酸盐岩源岩中的热变质作用控制的有机质燃烧的地球化学指标

《ACS Omega》：Geochemical Indicators of Organic Matter Combustion Governed by Pyrometamorphism in Columnar-Jointed Carbonate Source Rocks

火山岩中常见的柱状节理在约旦上白垩统碳酸盐泥岩中被首次系统观测，其形成机制与有机质热分解内生燃烧密切相关。研究发现，节理发育受温度梯度控制，形成垂直于层理的规则六边形柱状结构，厚度达2米，伴随有机碳含量锐减至<1 wt%，并出现方解石-石英-磷灰石矿物组合及硫、锌、钒等元素富集。稳定同位素分析显示δ13C和δ18O值显著偏离正常海相碳酸盐特征，证实存在热液改造过程。该成果为沉积岩中柱状节理的形成机制提供了新证据。

　　在地质学领域，柱状节理是一种引人注目的岩石结构，通常与火成岩有关，如玄武岩流或火山岩的冷却过程。然而，近年来在非火成岩环境中发现柱状节理的现象逐渐增多，其中最引人注目的之一是在有机质丰富的碳酸盐源岩中。本研究聚焦于约旦中部的上白垩纪穆瓦克尔白垩泥岩（MCM）地层，首次报道了在该地层中出现的柱状节理，并通过岩石学、矿物学和地球化学的综合分析，揭示了这些节理的形成机制及其对区域地质演化的影响。

### 柱状节理的特征与分布

研究发现，MCM地层中存在高度发育的垂直柱状节理，这些节理呈现出六边形或多边形的横截面，形成类似蜂窝的结构。这些柱状节理主要分布在2米厚的有机质丰富的白垩泥岩层中，被上下未节理的泥岩层所包围。节理的直径从1到3厘米不等，长度可达2米。值得注意的是，这些节理在向下方向上略微变细，但依然保持其多边形模式。这种结构特征与火成岩中的柱状节理有相似之处，但其形成环境截然不同，表明其并非由火山活动引起，而是由其他热力学过程所致。

在研究区域，这些节理被发现于一个东-西向的暴露沟槽中，该沟槽位于约旦中部的Khan Al-Zabib地区，距离阿曼-亚喀巴高速公路约80公里。通过三维视角的沟槽采样，研究人员得以详细描述和分析这些节理的分布和形态。节理的表面通常带有红褐色的铁氧化物痕迹，表明其经历了热液改造过程。这种铁氧化物的形成可能与有机质燃烧产生的高温有关，同时暗示了热液流体在岩石内部的流动路径。

### 地质背景与沉积环境

穆瓦克尔白垩泥岩（MCM）地层广泛分布于约旦高原的东部地区，覆盖了从阿曼-亚喀巴公路以东的广阔区域。该地层由均匀的软白垩-泥岩物质构成，其有机质含量较高，特别是在下部的泥岩层中，总有机碳（TOC）含量可达3至30 wt%。MCM地层的沉积环境被认为是一个开放的海洋环境，属于大陆架的外缘区域。这种环境特征为有机质的富集提供了条件，因为封闭的水体循环和缺氧条件有助于有机质的保存。

在沉积过程中，MCM地层受到物理屏障的影响，如牡蛎生物礁和小型盆地，这些屏障限制了水体的循环，从而形成了缺氧的环境。这种环境有利于II型干酪根的沉积，II型干酪根是一种具有较高氢指数的有机质，通常与油页岩相关。研究认为，MCM地层中的有机质在沉积后与热液流体发生相互作用，可能引发了自燃过程，进而导致了热变质作用和柱状节理的形成。

### 研究方法与技术手段

为了全面了解这些柱状节理的形成机制，研究采用了多种地质分析技术。首先，研究人员在Khan Al-Zabib的沟槽中采集了多个样本，重点分析了节理发育区域及其周围的未节理泥岩层。通过制作薄片（约30微米厚），研究人员利用奥林巴斯BX53 M光学显微镜和奥林巴斯DP75相机，对岩石的微观结构、化石含量和成岩作用进行了详细观察。显微镜下，可以清晰地看到六边形和五边形的节理结构，以及部分被氧化的生物化石。

此外，扫描电子显微镜（SEM）也被用于分析节理内部的微结构特征。研究使用了JEOL JSM-IT500 SEM设备，并结合能量色散X射线光谱（EDS）技术，对样本进行了元素分析。通过SEM图像，研究人员观察到了热变质作用对生物化石结构的影响，包括碎片化和变形，这进一步支持了热液作用和自燃过程的假说。

为了评估矿物组成，研究还采用了X射线衍射（XRD）技术，分析了样本中的矿物相。结果显示，MCM地层中的主要矿物成分是方解石（平均含量83.25%），其次是石英（约11%）、磷灰石（约3.95%）、云母（约1.6%）和黄铁矿（约0.25%）。这些矿物成分的分布为热液作用提供了重要线索，尤其是在方解石和石英的高含量下，表明热液流体可能促进了碳酸盐的重结晶过程。

元素分析方面，研究使用了X射线荧光光谱（XRF）技术，对样本中的主要和微量元素进行了测定。结果表明，样本中钙（Ca）的平均含量为65.5%，硅（Si）为17.13%，铁（Fe）为6.9%，铝（Al）为4.6%，磷（P）为1.33%，氯（Cl）为1.14%。此外，样本中还检测到了较高浓度的硫（S）、锌（Zn）、钒（V）和镍（Ni），这些元素的富集可能与热液流体中的金属硫化物沉淀有关。

为了进一步了解有机质的成熟度和热变质程度，研究还采用了Rock-Eval热解分析技术。分析结果显示，样本的总有机碳（TOC）含量低于1 wt%，远低于周围未受热变质的样本（平均TOC为15 wt%）。氢指数（HI）和氧指数（OI）的值也表明，有机质经历了显著的热降解，从未成熟状态转变为惰性干酪根（类型IV），这与热变质作用密切相关。

稳定同位素分析（δ13C和δ1?O）则提供了关于沉积环境和成岩作用的额外信息。样本的δ13C值在-3.56至-2.74‰之间，δ1?O值在-3.85至-3.49‰之间，均低于典型的海洋碳酸盐的同位素值（通常为+1‰至+3‰）。这种同位素的负偏移可能与热液作用和有机质降解有关，表明这些节理形成过程中发生了显著的同位素交换和矿物成分的改变。

### 结果与讨论

研究发现，MCM地层中的柱状节理与火成岩中的柱状节理在几何特征和内部结构上有相似之处，但其形成机制完全不同。火成岩中的柱状节理通常由火山岩的冷却和收缩引起，而MCM地层中的柱状节理则源于有机质的自燃过程。这种自燃过程导致了碳酸盐岩的体积收缩，以及随后的重结晶和矿物成分的变化。

在沉积学方面，MCM地层中的柱状节理形成于一个开放的海洋环境，这与常见的表面脱水裂隙（如泥裂）有所不同。泥裂通常出现在浅水环境，其裂隙形态不规则，而MCM地层中的裂隙则呈现出规则的六边形和五边形结构，表明其形成过程受到更均匀的热力学条件的影响。此外，裂隙的垂直方向和与沉积层理垂直的取向也表明其受到热液流体作用的影响。

矿物学和元素分析进一步支持了热液作用和自燃过程的假说。例如，XRF分析显示，样本中金属硫化物的富集（如锌、钒和镍）可能与热液流体中硫化物矿物的分解有关。这种分解过程可能释放了金属元素，并促使其在岩石中重新沉淀，形成金属硫化物。此外，铁氧化物的富集表明，热液流体可能在裂隙中发生了氧化反应，从而形成了红褐色的染色。

在岩石力学方面，研究认为裂隙的形成是由于体积收缩和随后的应力释放。在燃烧过程中，有机质的消耗导致了碳酸盐岩的体积减少，而这种减少可能在岩石冷却过程中产生张力，最终导致裂隙的形成。这些裂隙在传播过程中可能受到微结构缺陷的影响，特别是在未填充的孔隙处，应力更容易集中，从而形成裂隙。

### 结论

综上所述，本研究首次报道了在约旦中部上白垩纪穆瓦克尔白垩泥岩（MCM）地层中发现的柱状节理。这些节理的形成与自燃过程密切相关，表明在沉积后，有机质丰富的碳酸盐岩可能经历了热液作用和自燃，导致了体积收缩和裂隙的形成。这种现象不仅丰富了我们对碳酸盐岩热变质作用的理解，还揭示了有机质在沉积环境中的重要作用。

研究结果表明，柱状节理的形成过程涉及复杂的热力学和地质条件，包括有机质的燃烧、热液流体的渗透以及碳酸盐岩的重结晶。这些过程可能对碳酸盐岩的地球化学特征和矿物组成产生深远影响。此外，这些节理还为理解热液作用和有机质降解提供了新的视角，表明在某些情况下，非火成岩环境也可能形成类似的柱状节理结构。

本研究的发现具有重要的地质意义，尤其是在碳酸盐岩的热变质作用方面。通过结合岩石学、矿物学和地球化学分析，研究人员不仅揭示了这些柱状节理的形成机制，还为未来的地质研究提供了新的方向。进一步的研究可以探索这些节理在其他有机质丰富的碳酸盐岩中的分布，以及它们对区域地质演化的影响。这些研究将有助于更全面地理解碳酸盐岩在不同热力学条件下的行为，以及有机质在沉积和成岩过程中的作用。