综述：含烃渗漏碳酸盐岩的成岩作用：常见模式、不同演化路径及概念上的误区

《Earth-Science Reviews》：Diagenesis of hydrocarbon-seep carbonates: Common patterns, divergent pathways and conceptual pitfalls

古代海floor烃渗漏碳酸盐的同位素与微量元素特征分析及地质意义

　　古代海底油气渗漏形成的自生碳酸盐是大陆边缘碳循环的重要组成部分。这些沉积物不仅记录了化学合成生态系统的发展，还反映了沉积盆地内的古水化学条件以及地质演化过程。尽管现代和古代渗漏沉积物在许多方面具有相似性，但在岩石学和地球化学特征上也存在显著差异。对这些差异成因的理解不足，限制了我们对渗漏特化生物群落的古生态学研究、渗漏宿主板块边缘的地质演化，以及渗漏流体和/或海水组成随时间变化的探讨。本文旨在系统评估古代渗漏碳酸盐中的碳、氧和锶同位素特征，以及某些微量元素的地球化学系统。我们识别出一些重复出现的特征模式，并将其置于当前对碳酸盐自生作用和沉积物孔隙水变化控制机制的理解框架中。渗漏碳酸盐主要由沉积物孔隙水在硫酸盐还原与甲烷生成区之间的过渡带沉淀形成，这有利于保留其原始的结构和地球化学特征。然而，在这种缺氧且在空间和时间上高度复杂的环境中，许多微量元素，包括难熔的亲石元素，其浓度会因流体与岩石的相互作用、矿物转化和有机质分解而增加迁移性。这种迁移性使得传统上将这些元素用作后沉积作用指示器的做法变得复杂。高浓度的锶元素，特别是具有非海洋87Sr/86Sr比值的成分，可能来源于渗漏流体，为流体来源和基底岩性提供了重要线索，但同时也限制了锶同位素地层学在渗漏沉积物年代测定中的应用。碳同位素（δ13C）和氧同位素（δ1?O）值之间的负相关关系，通常在微晶相中观察到，很可能反映了渗漏碳酸盐在埋藏过程中在甲烷生成区的连续胶结作用。这一过程由与甲烷生成相关的铝硅酸盐风化所驱动，释放出富含13C且贫1?O的流体。另一个常见的模式是强烈负的δ1?O信号的狭窄聚集，似乎记录了在流体主导的后沉积作用过程中选择性的δ1?O重置。在古生代和中生代的某些时期，渗漏碳酸盐中观察到的δ13C值增加，可能与海水溶解无机碳浓度的长期变化有关，而其他控制因素的作用尚不清楚。我们的研究提供了对识别古代渗漏沉积物原始和后沉积特征的约束，为理解其地球化学系统提供了特定的成岩过程框架。

在地球化学研究中，碳酸盐的形成和演化是理解碳循环和古环境的重要手段。钙碳酸盐矿物的形成是全球碳汇的重要组成部分，因此在地球的碳循环中占据关键位置（Schrag等，2013；Bradbury和Turchyn，2019）。传统的碳酸盐沉积学主要关注浅海环境中的碳酸盐沉积，这些沉积物通常由大型底栖碳酸盐工厂形成，具有明显的生物成因特征。相比之下，自生碳酸盐通常形成于深海沉积环境，其体积贡献相对较小，因此在历史上受到了较少关注，多作为特定沉积序列成岩过程的研究案例。然而，近年来越来越多的研究表明，这类自生碳酸盐在地球碳预算中具有重要贡献（Torres等，2020；Loyd和Smirnoff，2022；Akam等，2023）。在海洋沉积物中，碳酸盐的自生作用主要由孔隙水中碱度的增加所驱动，这种碱度变化主要来源于有机物的微生物分解以及反应性铝硅酸盐矿物的成岩作用（Wallmann等，2008；Sample等，2017）。多种微生物过程被认为有利于局部碳酸盐的沉淀，其中仅硫酸盐驱动的厌氧甲烷氧化（AOM）被认为能够显著改变孔隙水化学条件，从而形成大面积、厚层的碳酸盐沉积，甚至在某些情况下形成具有显著地形起伏的海底结构（Suess，2014；Bradbury和Turchyn，2019）。这些沉积物由深海渗漏的孔隙水形成，渗漏的流体通常温度较低（通常低于10°C），以甲烷为主，被称为油气渗漏。

油气渗漏碳酸盐显示出独特的地球化学系统和生物群落特征，这些特征反映了其形成过程中地质和生物因素的特殊组合（Campbell，2006；Joye，2020；图1）。这些特征已被识别出在多个古代沉积物中，最早的沉积物可追溯至志留纪（Jakubowicz等，2017）。目前，油气渗漏的化石记录包括超过200个地点（Hryniewicz，2022a）。大多数这些沉积物属于新生代，但过去十年中，我们对古生代和中生代渗漏的理解取得了显著进展。最早的具有渗漏依赖大型无脊椎动物的渗漏生态系统可追溯至上志留纪和中泥盆纪（Jakubowicz等，2022a）。这些沉积物表现出与现代渗漏碳酸盐相似的结构和地球化学特征，并且含有以大型、可能具有化能共生关系的双壳类为主的“现代型”生物群。这种相似性表明，在显生宙的大部分时间里，生物和非生物因素的相互作用塑造了渗漏相关的环境（Jakubowicz等，2022a）。与此同时，许多古代渗漏系统中存在大量生物群，这些生物群在现存的渗漏环境中没有对应的生物，如志留纪的 atrypide 腹足类和泥盆纪至白垩纪的 dimerelloidean 腹足类（Baliński等，2022），泥盆纪的六射珊瑚（Jakubowicz等，2013），以及侏罗纪至白垩纪的菊石（Landman等，2012）。这些沉积物还表现出与现代渗漏碳酸盐不同的地球化学或岩石学系统。这些差异已经被各种解释所探讨，引发了关于不同渗漏生物群生存和消亡的环境控制因素，以及渗漏流体和/或海水组成随时间变化的争论（Kiel，2009；Bristow和Grotzinger，2013；Kiel，2015；Kiel和Peckmann，2019；Baliński等，2022；Akam等，2023）。然而，对后沉积作用对古代渗漏沉积物特征影响的不完全理解，阻碍了我们对其沉积环境的重建，甚至在某些情况下影响了其明确识别（Hryniewicz，2022b）。

在本综述中，我们识别出古代渗漏碳酸盐地球化学特征中的一些重复模式，并将其置于当前对碳酸盐自生作用和沉积物孔隙水变化控制机制的理解框架中。我们的目标是为古代渗漏的解释提供约束，特别强调将它们的地球化学系统与特定的成岩过程联系起来，而不是将现代渗漏特征之外的偏差归因于一般的后沉积作用（“成岩”）变化。油气渗漏碳酸盐曾被多个综述所探讨（Campbell，2006；Suess，2014；Joye，2020；Cochran等，2022）。然而，这些综述主要关注总结渗漏沉积物的一般特征，而不是深入探讨其后沉积历史以及现代与古代渗漏沉积物之间的差异。本文重点探讨了在古代渗漏研究中常用地球化学系统所面临的争议问题，包括碳、氧和锶同位素，以及某些微量元素的浓度。本文的一个重要部分还专门探讨了油气渗漏和正常海洋碳酸盐沉积环境之间的差异，突出了传统地球化学代理在指示后沉积作用方面的局限性。因此，准确识别渗漏碳酸盐的原始特征是研究化石油气渗漏的基础。这些研究问题包括渗漏碳酸盐δ13C值的明显时间趋势的意义（Bristow和Grotzinger，2013），海水化学对渗漏沉积物特征和频率的影响（Wortmann和Paytan，2012；Feng等，2014；Kiel，2015；Oppo等，2020），各种渗漏相关生物群的栖息偏好（Kiel和Peckmann，2019；Baliński等，2022），以及栖息地工程师的演化在渗漏碳酸盐形成过程中的作用（Jakubowicz等，2022a；Hryniewicz，2022b）。对渗漏碳酸盐成岩过程的深入理解，也将有助于更可靠地利用它们作为沉积盆地构造、地质历史和流体输运系统的档案（例如，Campbell等，2008；Jakubowicz等，2020；Conti等，2021）。鉴于油气渗漏沉积物在大陆边缘演化历史中的普遍形成，这些应用仍有待进一步探索。

油气渗漏的沉积环境通常位于大陆边缘，特别是在有机质积累较多的区域，该区域位于好氧呼吸作用的下方（Campbell，2006；Phrampus等，2020）。进一步有利于渗漏形成的因素包括增加的热流，这促进了有机质的热成熟化，以及构造活动，这提供了有机质积累的陷阱以及油气迁移的通道（Suess，2014；Joye，2020）。在油气渗漏碳酸盐的矿物学中，微生物参与和缺氧、以海底为主的沉积环境决定了它们的矿物学和结构特征。在油气渗漏中常见的两种碳酸盐矿物是霰石和高镁方解石（HMC，即含有超过10 mol% MgCO?的方解石）。此外，菱镁矿的存在也经常被报告。低镁方解石（LMC）和更罕见的菱铁矿或冰长石可能存在于其中，但通常作为次要成分。总体而言，这些矿物的组合反映了特定的成岩和生物条件，对理解沉积环境的演化具有重要意义。

从经典的碳酸盐沉积学角度来看，油气渗漏碳酸盐属于成岩产物。因此，要解释古代渗漏沉积物的岩石学和地球化学系统，关键在于区分哪些是原始沉积过程，哪些是后沉积作用（“成岩”）区域。在许多渗漏研究中，原始沉淀环境与早期和晚期成岩作用的区分往往较为模糊，这导致了对沉积物地球化学特征的误解。因此，明确区分这些过程对于正确解释渗漏碳酸盐的特征至关重要。例如，在某些情况下，碳酸盐的δ13C和δ1?O值的变化可能被误认为是成岩作用的产物，而实际上可能与原始沉积条件密切相关。此外，某些微量元素的浓度变化可能受到多种成岩作用的影响，使得它们的解释变得复杂。因此，我们需要更系统地分析这些元素的地球化学行为，以确定它们的来源和演化路径。

通过分析这些模式，我们可以更好地理解油气渗漏碳酸盐的形成机制及其在沉积环境中的作用。例如，某些微量元素的浓度变化可能与特定的成岩过程有关，如流体与岩石的相互作用、矿物转化和有机质分解。这些过程可能在不同的地质时期表现出不同的特征，因此需要结合沉积环境的演化来解释。此外，这些微量元素的浓度变化也可能受到海水化学条件的影响，如溶解无机碳浓度、海水温度和盐度等。因此，理解这些元素的地球化学行为不仅有助于解释油气渗漏碳酸盐的特征，还能为研究古代海洋环境提供重要线索。

本文综述的重点在于揭示油气渗漏碳酸盐在成岩过程中的特征模式，并探讨这些模式如何与当前对碳酸盐自生作用和沉积物孔隙水变化的控制机制相联系。我们特别关注了这些模式在解释古代渗漏沉积物地球化学系统时的重要性，而不是简单地将它们与现代渗漏的特征进行对比。通过系统分析这些模式，我们可以更准确地识别油气渗漏的原始特征，并为理解其成岩过程提供更清晰的框架。这不仅有助于解决关于渗漏生态系统演化和生物群分布的长期问题，还能为研究沉积盆地的构造演化和流体输运系统提供新的视角。

此外，本文还强调了某些微量元素在解释油气渗漏碳酸盐成岩过程中的作用。例如，锶同位素比值的变化可能反映了流体来源和基底岩性的变化，而某些其他元素的浓度变化可能受到成岩作用的强烈影响。因此，我们需要更加谨慎地使用这些元素作为指示器，以避免误判沉积环境的演化。通过系统分析这些元素的地球化学行为，我们可以更准确地识别它们的来源，并为研究古代渗漏沉积物提供更可靠的解释。这不仅有助于理解沉积盆地的构造演化，还能为研究地球碳循环提供新的数据支持。

综上所述，古代油气渗漏碳酸盐的地球化学特征和成岩过程为我们提供了研究古代海洋环境和地质演化的重要线索。通过系统分析这些特征，我们可以更准确地识别油气渗漏的原始特征，并为理解其成岩过程提供更清晰的框架。这不仅有助于解决关于渗漏生态系统演化和生物群分布的长期问题，还能为研究沉积盆地的构造演化和流体输运系统提供新的视角。此外，通过深入理解这些特征，我们还可以为研究地球碳循环和海水化学条件的变化提供新的数据支持。这些研究不仅对地质学和地球化学具有重要意义，还能为理解生命演化和环境变化之间的相互作用提供新的思路。