综述：三叠纪麦西亚泥岩群：为英国净零未来提供封盖

《Earth-Science Reviews》：The Triassic Mercia Mudstone Group: Sealing the UK's net zero future

　　

## 摘要

三叠纪中统至上统麦西亚泥岩群（Mercia Mudstone Group, MMG）是由细粒硅质碎屑岩和蒸发岩组成的非均质岩序，广泛分布于英国和西北欧洲。MMG在许多三叠纪烃类系统中作为盖层的有效性已得到充分证实，因此被评估用于多种地下储存和处置应用，包括：1）作为放射性废物地质处置设施（GDF）的围岩；2）作为碳捕集与封存（CCS）的盖层；3）同时作为地质氢能储存的围岩和封盖层。本文利用已发表的岩心和露头数据，对MMG的岩性地层学、岩相变异性、沉积环境、矿物学和埋藏成岩演化进行了详细的综述与综合。我们证明，尽管MMG通常具有密封性能，如低整体渗透率，但其表现出显著的非均质性，源于粒度、矿物组合、蒸发岩含量、沉积相和埋藏史的差异。富含黏土和蒸发岩的层段有利于密封、韧性变形和裂缝自封闭，而局部富粉砂和砂的层位、先存裂缝网络和脆性胶结层段则可能成为流体通道。在矿物学、岩石物理和地质力学数据方面仍存在关键知识空白，特别是在对未来储存和处置项目最为相关的近海环境中。我们得出结论，MMG在支持多种能源转型技术方面具有巨大潜力，但强调安全、长期的封存需要针对特定场地的表征、对多尺度非均质性的改进理解，以及地质学、地球化学和地质力学数据的整合，以稳健地预测在耦合热-水力-力学-化学扰动下的封盖层性能。

## 1. 引言

英国的三叠纪中统至上统麦西亚泥岩群（MMG）是英国南北海盆地（SNSB）中海思伯勒组（Haisborough Group）的层序对应层（图1），也是覆盖西北欧洲大部分地区的 Kepler 组（Keuper Formation）。MMG及其层序对应层已被证实具有在地地质时间尺度上保留烃类的能力（Ritchie and Pratsides, 1993; Yaliz and Taylor, 2003; Bunce, 2020a, Bunce, 2020b; Hook, 2020）。因此，MMG正被评估作为英国中-高放射性废物地质处置设施（GDF）的潜在围岩（Turner et al., 2023）。它还构成下三叠统砂岩储层顶部的封盖层，特别是舍伍德砂岩群（Sherwood Sandstone Group, SSG）和北海的班特砂岩组（Bunter Sandstone Formation），两者都是碳捕集与封存（CCS）的目标（Kirk, 2005; Gluyas and Bagudu, 2020; Rushton et al., 2025）。此外，MMG有潜力作为这些下三叠统砂岩中地质氢能储存的盖层，而在MMG岩盐层中开发的盐穴也在被评估作为潜在的氢能储存方案（Evans et al., 2021; Williams et al., 2022; Harati et al., 2023）。MMG还是SSG地热储层和含水层的重要隔热盖层（Gluyas et al., 2018; Brown, 2023）。

 **(a)** 英国MMG露头分布图。**(b和c)** 南北海盆地（SNSB）和东爱尔兰海盆地（EISB）的详细视图，分别展示了MMG海底露头、断层、三叠纪烃类油田位置、CCS许可证和包含MMG或海思伯勒组盖层的先进CCS项目。面板c还显示了GDF感兴趣区域（来源：Nuclear Waste Services, 2026a）和弗利特伍德岩脉复合体。MMG露头的界线来源于Johnson et al. (1994)和Jackson et al. (1995)。包含英国地质调查局材料 ? UKRI [2026]以及北海转型管理局和/或其他第三方提供的信息 [2026]。

英国三叠纪烃类油田之所以存在，完全依赖于数百米厚的低渗透率MMG盖层，证明了其阻止流体迁移达数百万年的潜力（Ritchie and Pratsides, 1993; Yaliz and Taylor, 2003; Bunce, 2020a; Hook, 2020）。尽管存在这种局部烃类封存，但细粒砂岩夹层（所谓" thief"或"废弃"层）已导致东爱尔兰海盆地（EISB）的烃类泄漏，MMG砂岩中的烃类显示证据表明这一点（Seedhouse and Racey, 1997; Duncan et al., 1998; Yaliz and Taylor, 2003; Head et al., 2026）。这些高渗透率泄漏通道在不同尺度上存在，且可能太小而无法在地震剖面和测井曲线上识别。重要的是，MMG在厚层状岩盐出现时具有最有效的密封性能，表明MMG硅质碎屑部分的密封性能不太可靠（Head et al., 2026）。

尽管长期以来存在争议，细粒硅质碎屑岩的术语仍然模棱两可（Fisher et al., 2023），且没有标准化的术语（例如，参见Milliken, 2014; Lazar et al., 2015; Camp et al., 2016中的提议）。令人困惑的是，泥岩（mudrock）、泥质岩（mudstone）、粘土岩（claystone）和页岩（shale）等术语经常被互换使用来描述粒径<62 μm的细粒沉积岩（Tucker, 2001）。此外，核工业部门多年来一直使用"低强度沉积岩"（Lower Strength Sedimentary Rock, LSSR）这一术语来描述这一类别的岩石类型，以适用于潜在的地质处置环境。为避免任何歧义，本文对MMG等LSSR的术语定义如下。泥岩（mudstone）是一个质地（而非成分）术语，指由黏土颗粒（碎屑颗粒<4 μm）组成、含有多达三分之一的粉砂级物质（4至62 μm）的沉积岩。粉砂岩（siltstone）是一个质地术语，指含有至少2:1比例的粉砂（4至62 μm）与更细粒物质（<4 μm）的细粒沉积岩。砂岩（sandstone）是以砂（即>62 μm）为主的沉积岩。为避免混淆，我们不使用mudrock、claystone或shale等术语。

MMG盖层的烃类泄漏在很大程度上可归因于纵向上和侧向上的岩相非均质性，这在MMG的钻孔岩心（以及有限的）露头中已被观测到（本文各处详细讨论）。MMG中的岩性包括泥岩、粉砂岩、砂岩和结晶蒸发岩（在4.1节中详细讨论），岩性随层序位置和地理位置而变化。

对舍伍德砂岩群储层的岩心研究得到了露头研究的补充（如Burley, 1984; Mountney and Thompson, 2002; Medici et al., 2015; Griffiths et al., 2018; Medici et al., 2018; Burgess et al., 2025）。相比之下，很少有商业动力去钻探和表征MMG盖层，其低强度导致露头风化严重。因此，与SSG的工作量相比，MMG专门研究相对较少，实验室分析也仅有有限数量（如Armitage et al., 2016; Harrington et al., 2018; Jones et al., 2026）。请注意，虽然GDF、CCS和氢能储存的主要目标地点位于SNSB和EISB的近岸和近海区域（图1b和c），但MMG的大部分知识库来自陆上研究，其中大部分集中在英格兰中部（如Taylor, 1983; Bloodworth and Prior, 1993; Armitage et al., 2013; Armitage et al., 2016; Jones et al., 2025）和英格兰西南部（如Leslie et al., 1993; Milroy, 1998; Porter and Gallois, 2008; Meng et al., 2017; Milroy et al., 2019）。对于这种材料与所提议的近海场地的类似性了解有限（图1b和c）。

鉴于MMG对英国能源转型的潜在重要性，关键知识空白包括：(a) 层序和侧向非均质性的程度；(b) 岩相非均质性的成因及其与沉积环境和埋藏成岩作用的关系；(c) 潜在流体通道的类型、位置和几何形态；(d) 与岩相非均质性相关的岩石物理和力学性质；(e) 控制MMG密封性能的基本因素。这些信息对于评估MMG中非预期流体迁移的潜力至关重要，因此对于确保有效长期储存和/或封存至关重要。因此，本文旨在回答以下问题：

1. 沉积非均质性的主要类型和尺度是什么，它们如何与三叠纪中统至上统的主要沉积环境相关联？
2. 主要的早期、中期和晚期成岩过程是什么？
3. 埋藏、加热和抬升在英国各地如何变化，由此对成岩作用和物理性质产生了什么影响？
4. 沉积和成岩非均质性如何共同控制密封性能，目前哪些关键知识空白限制了密封性能的可靠预测？

### 1.1 地质储存和处置应用

持续的CO?排放和由此引起的全球温度升高使可再生能源和可持续能源生产日益成为优先事项（Department for Energy Security and Net Zero, 2023）。英国政府已承诺到2050年实现净零排放，通过减少发电对天然气的依赖，并以风能、太阳能和核能等碳中和来源替代（Department for Energy Security and Net Zero, 2023）。MMG广阔的地理分布和垂向厚度、其作为成功盖层的历史，以及广泛可接受的物理性质（如低整体渗透率），使其成为多种净零技术的地质单元（图2）。本文旨在提高对MMG的区域性理解及其在放射性废物处置、CCS和地下氢能储存中作为封盖层的有效性。

 显示MMG在能源转型中潜在应用的示意图横截面。**(a)** 作为放射性废物处置的潜在围岩，GDF将位于构造简单的区域，深度在200米至1000米之间（Nuclear Waste Services, 2018）。**(b)** SNSB中CO?储存的咸水含水层示例，基于耐力构造（Gluyas and Bagudu, 2020），由班特砂岩组储层和海思伯勒组盖层组成，后者大致相当于MMG。注意类似的圈闭可用于氢能储存。**(c)** 东爱尔兰海盆地（EISB）中枯竭气田中的断层圈闭，如Hamilton和Lennox气田，由SSG储层和MMG盖层组成，修改自Yaliz and Taylor (2003)和Chedburn et al. (2022)。**(d)** 英国的氢能储存方案，包括在MMG岩盐层中设计的盐穴，以及由MMG盖层覆盖的咸水含水层和枯竭气田（深度来源：Evans et al., 2021; Jahanbakhsh et al., 2024）。

#### 1.1.1 烃类封存

放射性废物处置、CO?和地下氢能储存的许多关键科学概念源自烃类勘探和开采。此外，由于英国尚未开展CO?注入项目作为碳捕集与封存的一部分，烃类油田为理解MMG顶盖层的局部有效性提供了有用背景。历史上，SSG和班特砂岩组储层（如例如图2c）之所以有产能，是因为河流-风成砂岩具有非常好到极佳的储层质量（English et al., 2024）。这些储层上方覆盖有MMG（或等效层）顶盖层。近海（EISB）的三叠纪烃类油田（图1c）由大量MMG盖层覆盖，主要存在于断层边界的构造圈闭中（图2c），如Formby、Lennox、Hamilton、Douglas和South Morecambe气田（图1b）（Stuart and Cowan, 1991; Yaliz and Taylor, 2003; Bunce, 2020a, Bunce, 2020b; Scorgie et al., 2021）。英国SNSB中班特砂岩组的三叠纪烃类聚集（图1b）由海思伯勒组（大致相当于MMG）圈闭，例如Caister气田（Ritchie and Pratsides, 1993）（图1b）。Wessex盆地Wytch Farm油田的烃类也由MMG圈闭（Underhill and Stoneley, 1998）。

#### 1.1.2 放射性废物处置

英国已生产放射性废物超过70年，来源包括发电、工业、医学和国防（The Geological Society, 2025）。需要一种永久解决方案来安全处置这些废物，并促进可持续核能的持续使用。因此，英国目前针对高放和部分中放废物的政策是将中期表面储存与以地质处置设施（GDF）为中心的长期战略相结合；GDF是一个高度工程化的地质处置库，旨在将有害放射性核素与人类和环境隔离长达一百万年（Turner et al., 2023）。

地质处置库（GDF）概念认为，放射性废物通过一系列互补的天然屏障和工程屏障进行隔离，其中最后一道屏障是GDF所挖掘入的主岩，其深度介于200米至1000米之间（Nuclear Waste Services, 2018）（图2a）。核废料服务局（NWS）是英国政府核退役管理局（NDA）的下属机构，也是英国GDF项目的负责机构，目前正在评估位于坎布里亚（Cumbria）（英格兰西北部）近岸东爱尔兰海盆地（EISB）内（即距海岸线22公里以内）的默西亚泥岩群（MMG）中一处潜在GDF场址（Nuclear Waste Nuclear Waste Services, 2026a, Nuclear Waste Services, 2026b）（图1c）。

**1.1.3 碳捕集与封存（CCS）**

英国拥有多个处于高级开发阶段的CCS项目，其中北方耐力项目（Northern Endurance Project）和西北HyNET项目（HyNET North West）处于前沿地位（Department for Energy Security and Net Zero, 2024）（图1b和1c），两者均计划开采下三叠统砂岩（Gluyas and Bagudu, 2020; Chedburn et al., 2022）。位于南北海盆地（SNSB）的北方耐力项目（图1b和2b）计划利用班特砂岩组（Bunter Sandstone Formation）中的咸水含水层，其盖层为海兹伯勒群（Haisborough Group）（Gluyas and Bagudu, 2020; Gibson-Poole et al., 2024）。相比之下，位于东爱尔兰海盆地（EISB）南部的西北HyNET项目（图1c和2c）计划利用舍伍德砂岩群（SSG）中具有默西亚泥岩群盖层的枯竭及低压废弃气田（汉密尔顿、北汉密尔顿和伦诺克斯气田）（图1c）（Becker et al., 2021; Chedburn et al., 2022）。此外，舍伍德砂岩群也是东爱尔兰海盆地中莫克姆贝净零CCS项目（Morecambe Net Zero CCS project）的目标储层（Inglis et al., 2023）（图1c），而班特砂岩组被认为是南北海盆地中维京CCS项目（Viking CCS project）的次要储层（Underhill et al., 2026）（图1b）。三叠系也是近期颁发的若干碳封存许可证的关键目标，包括南北海盆地中枯竭的赫威特气田（Hewett field）和东爱尔兰海盆地中的贝恩斯气田（Bains Field）（English et al., 2024）（图1b和1c）。这些项目中默西亚泥岩群的顶部密封层必须能够容纳注入的高压CO?。在注入之前，必须理解和预测默西亚泥岩群顶部密封层对注入CO?的内部（流体运移）结构、地球化学反应性、矿物学变化和岩石力学响应，以确保安全、永久地封存（Worden, 2023）。

**1.1.4 地下储氢**

从化石燃料向可持续能源（如风能和太阳能）的转型造成了持续能源供应的问题，尤其是在天气平静和日照有限期间。随着英国逐步减少天然气发电的使用，能源储存成为确保能源安全的关键因素（Department for Energy Security and Net Zero, 2025）。通过绿色和蓝色路径生产的低碳氢可能对未来的能源体系作出贡献。由于氢气的挥发性和爆炸性，人们考虑了各种形式的地下储氢（UHS），包括工程盐洞、咸水含水层和枯竭气田（Scafidi et al., 2021; Jahanbakhsh et al., 2024）（图2d）。三叠纪岩石为英国的地下储氢提供了有益的选择，因为可以在默西亚泥岩群较厚的部分（例如柴郡盆地，其中石盐层厚度可达数百米）中构建盐洞（Williams et al., 2022）。具有默西亚泥岩群盖层的东爱尔兰海盆地和南北海盆地中的枯竭气田和咸水含水层（图2d）也可用于地下储氢。

**2 默西亚泥岩群（MMG）**

**2.1 地质背景**

三叠纪时期，英国由一系列炎热、干旱的半相连、断层限制的陆地盆地组成。如今，这些盆地以河流、风成、湖泊和蒸发岩为代表，形成了一种跨越英国的Y字形出露模式，被康沃尔、威尔士、伦敦-布拉班特和奔宁地块的古老基底岩石所分隔（Newell, 2018, Newell, 2024）（图3）。英国位于泛大陆东部，古纬度约为北纬20°（Newell, 2018）（图4a），主要被阿摩里卡、波西米亚和温德利西亚地块的高地隔绝于新特提斯和古特提斯洋的海洋影响之外（McKie and Williams, 2009）（图4b）。据推测，间歇性的海侵（详见第4.3节讨论），与晚阿尼期和卡尼期的岩盐沉积相伴随，是通过狭窄的海湾（如阿摩里卡和伊比利亚地块之间的比斯开湾裂谷）（Ziegler, 1982; McKie and Williams, 2009; McKie, 2017）以及中欧盆地的穆谢尔卡尔克海（Ziegler, 1982; Franz et al., 2015）进入的（图4b）。尽管如此，舍伍德砂岩群和默西亚泥岩群中海相指标稀少，表明在整个三叠纪的大部分时间中，不列颠位于泛大陆的陆内部，距最近海域超过1000公里（McKie and Williams, 2009）（图4a和b）。长期海平面上升（Hesselbo et al., 2004; Newell, 2018）始于晚三叠世（瑞替期）的海侵，以蓝锚组（Blue Anchor Formation）中滨海萨巴哈环境的出现为标志，最终被海洋条件和佩纳思群（Penarth Group）及下侏罗统利亚斯群（Lias Group）的沉积所取代（Holloway, 1985）。

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**图3.** （插图）北欧中至晚三叠世（默西亚泥岩群、海兹伯勒群和开珀）原始（侵蚀前）沉积，修改自McKie and Williams (2009)。（主图）英国现今默西亚泥岩群出露和埋藏分布图，标注了盆地、隆起和构造单元。英国底图来自GeoMapApp（https://www.geomapapp.org）。默西亚泥岩群埋藏边界（粉色线条）来自Hamblin et al. (1992), Johnson et al. (1994), Tappin et al. (1994), Jackson et al. (1995)和Merlin Energy Resources Consortium (2020)。断层来自PESGB (2017)。隆起来自Hounslow and Ruffell (2006)和Howard et al. (2008)。缩写：WB，威塞克斯盆地；BCB，布里斯托尔海峡盆地；SB，塞文盆地；WG，沃里克地堑；KB，诺尔盆地；EMS (S)，东米德兰兹陆架（南）；EMS (N)，东米德兰兹陆架（北）；SNSB，南北海盆地；NB，尼德伍德盆地；STB，斯塔福德盆地；CB，柴郡盆地；EISB，东爱尔兰海盆地；SFB，索尔威湾盆地；LB，拉恩盆地；CISB，中爱尔兰海盆地；LDH，湖区隆起。（关于图中颜色标注的解释，请参见文章的网络版本。）

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**图4.** （a）中三叠世（阿尼期，245 Ma）全球古地理，改编自Scotese et al. (2025)，依据Creative Commons Attribution 4.0 International许可 https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/。英国位于泛大陆东部，古纬度约为北纬20°，在整个三叠纪的大部分时间中，距最近的海相影响超过1000公里。（b）北欧早阿尼期古地理重建，位于默西亚泥岩群下部（泰斯菲尔德层）沉积之前，修改自Newell (2018)，展示了干旱环境的分布、可能的海侵通道以及舍伍德砂岩群（默西亚泥岩群的下伏层）的主要向西流动的河流运移轴。河流运移在卡尼期中期被切断，导致默西亚泥岩群下部的泥质湖沼环境沉积。

英国三叠纪大陆裂谷盆地的发展和几何形态是复杂拉张应力和应变场的结果（Chadwick et al., 1994; Chadwick and Evans, 1995; Coward, 1995; Chadwick, 1997; Ruffell and Shelton, 1999; Peacock, 2004），导致英国岛群基底上纵横交错的太古代、加里东期和瓦尔斯期先存断层发生构造拉张复活（Newell, 2018）（图3）。先存断层走向并不反映区域三叠纪应力场的真实方向；Chadwick et al. (1989)推断存在东西向拉张，这一解释得到了英格兰西南部拉丁期至卡尼期南北向矿化断层系统的支持（Scrivener et al., 1994）。东西向应力场与下部各向异性基底的相互作用，导致了一系列走向各异的盆地遍布英国（Ruffell and Shelton, 1999）（图3）。

在地震反射剖面上，默西亚泥岩群的硅质碎屑岩层显示平行层界和标志层位，表现出顶超现象，在默西亚泥岩群的大部分层序中几乎没有断层控制的同裂沉积迹象（如Evans et al., 1993; Jackson and Mulholland, 1993; Head et al., 2026）。这表明，从构造角度看，英国中至晚三叠世的大部分特征为裂后热沉降。相比之下，阿尼期和卡尼期的岩盐层向主要盆地边界断层增厚，表明间歇性裂谷活动确实发生过，在这些活动中，岩盐层在快速沉降的断层控制沉积中心发育（Evans et al., 2011; Newell, 2018）。

**2.2 英国三叠纪岩性地层**

"Trias"（三叠纪）一词由Alberti (1834)首次引入，用于描述在德国已有一定程度了解的岩层序列（Warrington et al., 1980）。这一分类的核心部分是对"穆谢尔卡尔克"（Muschelkalk，图5）的认识，即该序列的中部，由含化石的石灰岩和白云岩代表（Warrington et al., 1980）。穆谢尔卡尔克以下的地层被命名为"布恩特"（Bunter），以上被命名为"开珀"（Keuper）（图5），从而形成了三分层体系，至今仍在沿用（Warrington et al., 1980）。1815年，William Smith在其英格兰地质图中标识了一组红色地层，后被称为"新红砂岩"。不久之后，Sedgwick (1829)将英格兰米德兰兹的新红砂岩划分为七个单元，其中最上两个分别命名为"上红砂岩"和"上红泥灰岩与石膏"（Warrington et al., 1980）。这些单元分别对应德意志地区的布恩特砂岩（Buntsandstein）和开珀（Keuper），但当时穆谢尔卡尔克尚未在英国被确认。Sedgwick (1829)提出的方案基本保持不变，直到英国地质调查局对英格兰米德兰兹的测绘成果（Hull, 1869）带来了一套新的岩性地层方案，该方案主导了英国三叠纪岩性地层学近一个世纪。Hull (1869)声称穆谢尔卡尔克在英国以区域不整合面为代表，其上伏岩层为开珀系，下伏岩层为布恩特系。然而，正如Warrington et al. (1980)所指出的，德意志三叠纪岩性地层不能简单地套用于英国。随着新的花粉岩心数据的出现，发现了一些基本的地层问题：

1. 虽然英国没有穆谢尔卡尔克，但存在相同中三叠世年龄的沉积序列。Hull (1869)提出的"下开珀砂岩"包含了一组与德意志上布恩特和穆谢尔卡尔克相当的岩层，使得时代地层对比不可能实现。
2. 英国某些三叠纪地层是异时的，例如"开珀泥岩"（现为默西亚泥岩群）的底部署层在西兰卡夏比在米德兰兹更老。
3. Hull (1869)在米德兰兹观察到的序列及其提出的地层方案不一定适用于其他地区，然而米德兰兹的命名却被应用于整个英格兰，岩性地层划分被拓宽以涵盖横向非均质性程度（Warrington et al., 1980; Benton et al., 2002）。

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**图5.** 英国和西欧上二叠统至下侏罗统岩性地层对比图。注意，岩性地层界线为近似值，旨在进行一般性比较而非精确对比。修改自Johnson et al. (1994), Jackson et al. (1997), Howard et al. (2008)和Jakobsen et al. (2020)。

此外，在德意志地层序列中，岩性地层界线往往对应于时代地层划分，但同样命名的英国单元中这一关系并不成立（Warrington, 1970; Warrington et al., 1980）。20世纪的一系列论文将岩性地层命名与时代地层划分混淆，凸显了德意志命名体系在英国不适用，因为"开珀"这个名字带有无意的时间含义（Audley-Charles, 1970a）。因此，最终决定在英国弃用布恩特、开珀和瑞替的名称（Poole and Whiteman, 1966; Warrington et al., 1980）。由此，Warrington et al. (1980)将英国三叠系重新分类为舍伍德砂岩群（Sherwood Sandstone Group）、默西亚泥岩群（Mercia Mudstone Group）和佩纳思群（Penarth Group）（图5、图6）。

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**图6.**

英格兰和威尔士 MMG（中 Muschelkalk 群）的标准岩性地层命名（左图），包含更新的离岸 SNSB（南海盆地，Johnson et al., 1994）和 EISB（东爱尔兰海盆地，Jackson et al., 1997）岩性地层。修改并更新自 Howard et al. (2008)。面板之间的间隙表示盆地的地理隔离。虚线表示仅在钻孔中证实的边界。问号表示岩性地层边界的不确定性。代码：NCSM，北库里砂岩段；WMSM，韦斯顿茅斯砂岩段；DMF，敦斯科姆泥岩组；DH，多塞特岩盐；SHF，索默塞特岩盐组；CSM，科特格雷夫砂岩段；SCF，锡顿凯尔组；EEF，埃斯克蒸发岩组；CF，克拉尔伯勒组；KAM，基布尔无水石膏段；PHF，普里斯尔岩盐组。

**2.3. 标准化的 MMG 命名法**

英国 MMG 地本地组名称众多（图 6）与地层对比困难有关，原因是：(1) 沉积局限于具有独特地层学的个别盆地；(2) 缺乏生物地层学信息；(3) 三叠纪后的侵蚀切入 MMG，模糊了原始地层关系。直到 2000 年代初，英国地质调查局（BGS）(Hobbs et al., 2002) 才首次提出 MMG 可分为五个区域可对比的岩性地层单位，尽管当时没有提出正式命名。在 BGS 关于 MMG 的里程碑式报告中 (Howard et al., 2008)，最终创建了 MMG 的标准岩性地层命名（图 6）。按向上序列修订的岩性地层单位 (Howard et al., 2008) 为：塔尔波利泥岩组（在本文中称为 TSF）、锡德茅斯泥岩组（SMF）、阿登砂岩组（ASF）、布兰斯科姆泥岩组（BMF）和蓝锚组（BAF）（图 5，图 6；表 1）。注意，阿登砂岩组的名字目前正在审查中 (Newell, 2024)，最终可能会被敦斯科姆泥岩组的名称取代，然而，该名称尚未正式化。

**表 1. MMG 五个组的特征（定义同 Howard et al., 2008）及参考文献**

**1. 塔尔波利泥岩组 (TSF)**
* **时代**：中三叠世（安尼期）。
* **下界和/或上界**：下界是不同时的（向南变新）。通常，边界是从砂岩（SSG）到更细粒泥岩、粉砂岩和砂岩的过渡性或互层性变化。
* **厚度**：在东米德兰兹变化为 20 至 60 米，在斯塔福德郡为 50 至 75 米，在柴郡盆地最大可达 220 米。
* **横向连续性**：从伍斯特盆地到东米德兰兹台地（北部）存在横向连续性。在柴郡和斯塔福德盆地，该地层因断层而地理隔离。在南部，它通过互层逐渐过渡到上部 SSG。在 SNSB 和 EISB，它逐渐过渡到下伏的锡德茅斯泥岩组。
* **岩性**：高度异质，由红色至灰绿色的云母质互层或互纹泥岩、粉砂岩和细砂岩的周期性交替组成，比例可变但大致相等。整个剖面中出现硫酸钙结核。
* **化石**：中型孢子、无脊椎动物遗迹化石、爬行动物足迹（例如 *Chirotherium* 和 *Rynchosaurus Articeps*）、腕足动物（*Lingula Tenuissima*）、硬骨鱼、有机壁微体浮游生物（包括 acritarchs）。
* **沉积环境**：淡水至半咸水湖泊或潮汐河口。
* **参考文献**：Elliott (1961); Warrington (1970); Ireland et al. (1978), Warrington et al. (1980); Charsley et al. (1990); Warrington and Ivimey-Cook (1992); Wilson (1993); Barclay et al. (1997); Plant et al. (1999); Hounslow and Ruffell (2006); Howard et al., 2008, Howard et al., 2009; Warrington and Pollard (2021)

**2. 锡德茅斯泥岩组 (SMF)**
* **时代**：中三叠世（安尼期）至上三叠世（卡尼期）。
* **下界和/或上界**：下界是不同时的（向南变新）。典型的是从下伏更粗粒的 TSF 岩性到以泥岩为主的岩性的渐变相容过渡。在 TSF 不存在的地方，边界是从下伏 SSG 砂岩到泥岩的渐变过渡。在布里斯托尔海峡/塞文盆地，SMF 超覆于石炭纪基底之上。
* **厚度**：高度可变：在东米德兰兹台地通常为 120 至 130 米，在德文郡为 200 米，在威塞克斯盆地中心（Winterbourne Kingstone 钻孔）超过 700 米。在伍斯特盆地为 370 米。在柴郡盆地达到最大 1600 米。SMF 构成了 EISB 中 MMG 层序的大部分，局部厚度超过 3000 米。
* **横向连续性**：从威塞克斯盆地到东米德兰兹台地（北部）可能横向连续，并过渡到 SNSB 中大致等效的 Dungeon 和 Dowsing 组。在英格兰北部大部分地区，该地层隔离在断层限定的盆地中。
* **岩性**：局部极端异质，但主要由红色（较少见的是灰绿色）层状或结构缺失泥岩和粉砂岩的交替组成，常含有硫酸钙结核、间歇性砂岩，以及局部厚大且横向广泛的岩盐沉积，特别是在最深的盆地中。
* **化石**：中型孢子、花粉、acritarchs。
* **沉积环境**：干盐湖和干泥滩，可能伴有间歇性海洋影响。
* **参考文献**：Elliott (1961); Charsley et al. (1990); Wilson and Evans (1990); Wilson, 1990, Wilson, 1993; Warrington and Ivimey-Cook (1992); Jackson et al. (1995); Johnson et al. (1994); Barclay et al. (1997); Plant et al. (1999); Gallois (2001); Howard et al., 2008, Howard et al., 2009; Milroy et al. (2019)

**3. 阿登砂岩组 (ASF)**
* **时代**：上三叠世（卡尼期）。
* **下界和/或上界**：下界是从 SMF 的红色泥岩和粉砂岩到 ASF 的灰绿色砂岩的突然、相容性变化。
* **厚度**：可变：通常 7 至 8 米，但在德文郡南部达到 24 米。在伍斯特盆地南部为 20 米，但在伍斯特盆地的其他部分变薄至 2 至 3 米。
* **横向连续性**：威塞克斯盆地与布里斯托尔海峡/塞文盆地之间存在可能的横向连续性。似乎从布里斯托尔海峡/塞文盆地，穿过伍斯特盆地，可能延伸到东米德兰兹台地。在较深的盆地中，该地层过渡到上卡尼期以岩盐为主的单元，这些单元通常被归入 SMF。
* **岩性**：灰色和绿色泥岩与较浅的灰绿色和浅黄褐色粉砂岩及细至中粒砂岩互层。在沉积中心过渡到横向等效的岩盐组。
* **化石**：中型孢子、花粉、acritarchs、无脊椎动物遗迹化石、脊椎动物实体化石：鲨鱼牙齿和棘刺、鱼类和爬行动物骨骼和牙齿、两栖动物和爬行动物痕迹、植物、藻类、甲壳类（例如 *Euestheria*）、双壳类。
* **沉积环境**：淡水至半咸水常年湖泊，伴有河流河道穿过。
* **参考文献**：Elliott (1961); Warrington and Williams (1984); Charsley et al. (1990); Ruffell (1991); Warrington and Ivimey-Cook (1992); Gallois (2001); Howard et al., 2008, Howard et al., 2009; Porter and Gallois (2008); Milroy et al. (2019); Baranyi et al. (2019); Dawson et al. (2022); Burley et al. (2023).

**4. 布兰斯科姆泥岩组 (BMF)**
* **时代**：上三叠世（诺利期至最下部瑞替期）。
* **下界和/或上界**：在 ASF 存在的地方，下界是从 ASF 的互层砂岩和泥岩到更细粒泥岩和粉砂岩岩性的突然或快速变化。
* **厚度**：可变：在东米德兰兹台地为 25 米至 60 米，在伍斯特地堑为 170 米至 190 米，在柴郡盆地为 160 米，在威塞克斯盆地高达 240 米。根据地球物理数据，EISB 北部可能存在高达 800 米的厚度。
* **横向连续性**：从威塞克斯盆地到伍斯特地堑连续。在东米德兰兹台地，它过渡到 SNSB 中大致等效的 Triton 组的下部至中部。在英格兰北部大部分地区，该地层隔离在断层限定的盆地中。
* **岩性**：MMG 中最均质的，以结构缺失、块状、红褐色泥岩为主，富含硫酸钙床、结核和脉。局部存在薄层砂岩。
* **化石**：植物孢子和花粉。
* **沉积环境**：大陆内部干盐湖和泥滩。
* **参考文献**：Charsley et al. (1990); Wilson (1993); Barclay et al. (1997); Jackson et al. (1997); Rees and Wilson (1998); Gallois (2001); Howard et al., 2008, Howard et al., 2009; Milroy et al. (2019)

**5. 蓝锚组 (BAF)**
* **时代**：上三叠世（晚诺利期至早瑞替期）。
* **下界和/或上界**：下界通常是从 BMF 的巨厚红色泥岩到 BAF 的变色、含白云石的泥质粉砂岩的突然或快速渐变相上过渡。上界可能略不整合或不整合，并标记着从 BAF 岩性到彭纳斯组黑色、富含化石页岩的突然过渡。
* **厚度**：通常为 5 米至 20 米。在柴郡盆地为 17 米。在德文郡南部（威塞克斯盆地）为 29 米，在索默塞特北部典型剖面上（布里斯托尔海峡盆地）为 36 米。在威塞克斯盆地中心（Winterbourne Kingston 钻孔）记录到的最大厚度为 67 米。
* **横向连续性**：从威塞克斯盆地到东米德兰兹台地（北部）横向连续。过渡到 SNSB 中 Triton 组的最上部。在英格兰北部大部分地区，该地层隔离在断层限定的盆地中。
* **岩性**：层理差的灰色、绿色、蓝色和黑色含白云石泥质粉砂岩以及硬质的含白云石泥岩、粉砂岩和石灰岩层。在英格兰西南部出现红色泥岩中间层。硫酸钙结核很常见。
* **化石**：中型孢子、acritarchs、有孔虫、 dinoflagellate cysts（甲藻囊肿）、双壳类、脊椎动物痕迹、无脊椎动物遗迹化石、藻类、鱼鳞。
* **沉积环境**：海岸 sabkhas（潮间带泥滩）。
* **参考文献**：Raymond (1955); Elliott (1961); Mayall (1981); Whittaker and Green (1983); Warrington and Whittaker (1984); Holloway (1985); Warrington and Ivimey-Cook (1992); Wilson (1993); Gallois (2001); Benton et al. (2002); Howard et al., 2008, Howard et al., 2009.

**3. MMG 矿物学与岩石学**

**3.1. 非粘土质组分**

MMG 的非粘土质（即不包括粘土矿物）组分已得到较合理的记录。图 7 展示了汇编的已发表和未发表的全岩 XRD 数据，并可在补充材料中获得。XRD 数据显示，石英是主要的碎屑矿物，通常伴有可变量的高岭长石和斜长石。XRD 报告赤铁矿含量较低。

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**图 7.** 显示 MMG 样品汇编成分数据的三元图（样本信息见补充材料）。坐标轴表示石英 + 长石、粘土矿物和碳酸盐 + 蒸发岩矿物（硫酸钙 + 岩盐）的比例。矿物比例归一化为 100%。(a) 所有汇编矿物学数据的概率密度函数（参见 Fisher et al., 2023 中的示例）。(b) 形状/颜色与图 6 中所示岩性地层组相关的三元图。

在洁净的、富含粉砂的岩性中，碎屑颗粒被成岩孔隙填充方解石、白云石或硫酸钙（石膏或无水石膏，见第 5.4 节讨论）胶结 (Armitage et al., 2013; Jones et al., 2025)。硫酸钙在整个 MMG 中普遍存在，作为孔隙填充胶结物和方解石质结核。MMG 中的早成岩碳酸盐似乎采取孔隙填充微晶方解石胶结物的形式 (Plant et al., 1999)，这是一种具有特征性的形态，通常见于在横向迁移地下水的毛管过渡带中沉淀的早成岩地下水碳酸盐 (Wright and Tucker, 1991)。在许多样品中，白云石是主要的碳酸盐矿物。白云石可能作为干盐湖环境中的直接沉淀物形成，也可能在成岩过程中通过方解石的白云岩化形成 (Arakel and McConchie, 1982; Warren, 2000)。

**3.2. 粘土质组分**

使用半定量全岩 XRD 分析估算的粘土矿物比例，不如使用分选粘土样品所能达到的准确。使用粉末 XRD 样品的粘土组分（< 2 μm）可以增加定向粘土矿物的浓度，从而为区分粘土矿物的 2θ 峰产生更强、更干净的信号。据我们所知，只有两项研究 (Kemp and Hards, 1999; Jones et al., 2025) 发表了 MMG 的半定量 XRD 粘土矿物组分数据（见补充材料）。其他几项研究（例如 Jeans, 1978; Mayall, 1981; Bloodworth and Prior, 1993; Leslie et al., 1993; Jeans, 2006; Milroy et al., 2019）报告的是描述性 XRD 数据或未发表原始数据。

大多数 MMG 样品包含以伊利石为主的粘土矿物组合，伴有较少的绿泥石（粘土组分中通常为 5 至 20% 的绿泥石）；大多数作者将此组合解释为碎屑成因 (Jeans, 1978; Taylor, 1983; Bloodworth and Prior, 1993; Leslie et al., 1993; Milroy et al., 2019)。我们普遍同意这种解释，尽管伊利石也可能由埋藏温度约 70 至 90°C 时蒙脱石（最初形成伊利石 - 蒙脱石混层）的渐进替换形成 (Worden and Burley, 2003)。对于大多数 MMG 盆地，这种温度是可能的（本文稍后讨论）。此外，自生（即原位形成）伊利石可能在埋藏过程中产生（见下文讨论），自生绿泥石可能由溶解的赤铁矿形成 (Worden and Morad, 2003)。

MMG 中的其他粘土矿物（蒙脱石、混层和富含镁的粘土，见补充材料）曾被 Jeans (1978)、Taylor (1983) 和 Leslie et al. (1993) 视为自生或成因转化的。虽然我们普遍同意这种解释，但值得注意的是，二八面体蒙脱石也可能具有碎屑来源 (McKinley et al., 2003; Warren, 2006)。

高岭石在中美层组（MMG）中似乎较为罕见，这可能有多方面的解释：（1）早成岩期的高岭石生长通常受湿润气候条件的青睐；（2）当埋藏温度超过约70°C，且在钾长石存在的情况下，高岭石会逐渐转变为伊利石；（3）中美层组的低基质渗透率可能在晚成岩期阻止了大气水的淋滤，而在砂岩中，这种淋滤通常会导致长石的黏土化（Worden和Morad，2003）。

中美层组中蒙脱石的含量变化很大；虽然通常缺失，但在局部地区蒙脱石主导了黏土矿物组合，在部分样本中可占黏土组分的70%（Kemp和Hards，1999；Jones等，2025）（见补充材料）。伊利石-蒙脱石混层矿物、绿泥石-蒙脱石混层矿物和绿泥石-蒙脱石规则互层矿物（即1:1规则互层绿泥石-蒙脱石）已在局部地区被报道，例如在韦塞克斯盆地和布里斯托尔海峡盆地（Jeans，1978；Leslie等，1993；Jeans，2006；Milroy等，2019）。中美层组中的绿泥石-蒙脱石混层矿物属于中成岩期产物；蒙脱石的绿泥石化是一个溶解-再沉淀过程，该过程在埋藏过程中逐步发生，并涉及一个中间阶段的绿泥石-蒙脱石混层相，初始阶段排列随机，但在更深处则以规则的绿泥石-蒙脱石堆叠方式出现（即绿泥石-蒙脱石规则互层矿物）（Worden和Morad，2003）。

英国各地的多项研究报告了中美层组中富镁黏土矿物（镁绿泥石、海泡石和凹凸棒石）的存在（Davis，1967；Dumbleton，1967；Jeans，1978；Bloodworth和Prior，1993；Leslie等，1993；Jeans，2006；Milroy等，2019）。此类黏土矿物在蒸发岩环境中很常见，其中高盐度孔隙水可富集Mg2?（Worden和Morad，2003）。中美层组中的富镁黏土矿物通常以微量或痕量比例出现，在局部地区与蒙脱石或绿泥石-蒙脱石混层矿物共生（例如，Bloodworth和Prior，1993；Milroy等，2019）。Davis（1967）和Dumbleton（1967）报道了异常高比例的富镁黏土矿物（见补充材料），然而，我们将其视为一种高估，这可能是由于早期XRD定量方法潜在的不准确性所导致（Hobbs等，2002）。因此，这些数据未纳入图7。一些研究已注意到中美层组中自生黏土矿物与蒸发岩之间的关联（Jeans，1978；Bloodworth和Prior，1993）。这种关系在干旱环境中是众所周知的；例如，钙质结壳和白云质结壳已知与干旱冲积盆地湖岸边的海泡石和凹凸棒石相关（Wright和Tucker，1991；Warren，2006）。然而，在中美层组中尚未确定蒸发岩与黏土矿物之间存在一致的规律。

由于缺乏定量矿物学数据，目前尚无法对中美层组在英国各地的矿物学进行对比。虽然已在韦塞克斯盆地（Jeans，1978）、布里斯托尔海峡盆地（Milroy等，2019）和东米德兰兹陆架（Bloodworth和Prior，1993；Jones等，2025）尝试过黏土矿物地层学划分，但在这些地区之间并未发现一致的黏土矿物地层学规律，这可能是由于沉积学/地球化学原因，也可能是由于XRD定量和解释方法中的不准确性或差异所致。现有数据尚不允许对中美层组在英国各地的矿物学进行可靠对比。尽管在多个陆上盆地已尝试进行黏土矿物地层学划分，但尚未确立一致的全国性规律。对比工作因定性数据集、XRD方法和解释的差异性以及海上数据的稀缺而受到阻碍。

总之，尽管已有几项关于中美层组矿物学的研究，但不同类型和比例的矿物——尤其是黏土矿物——在地理和地层上的变化表明，各盆地之间并不存在一致的规律。XRD分析和定量方面的差异进一步加剧了这一问题。

4. 中美层组的沉积学

4.1. 岩相变化

人们已使用多种特征来描述中美层组；例如，岩性（包括颜色、颗粒大小、结构和构造），沉积构造如层理、纹层化和交错层理，沉积期特征包括软沉积变形，以及成岩特征如瘤状蒸发岩和与蒸发岩溶解相关的晚期角砾化（4.1.5节）（例如，Gallois，2001；Andeskie等，2018；Milroy等，2019；Jones等，2025）。

4.1.1. 块状泥岩和粉砂岩

在中美层组中，"块状"、"均质"、"均一"或"无结构"泥岩这些术语被交替使用（Talbot等，1994；Barclay等，1997；Rees和Wilson，1998；Plant等，1999；McC Bridge和Hough，2002；Hounslow和Ruffell，2006；Howard等，2009；Andeskie等，2018；Milroy等，2019）。这些术语大多指的是一组岩相，由红褐色及较少见的灰绿色泥岩或粉砂岩组成，缺乏沉积构造。它们通常由石英、长石和黏土矿物的混合物组成（Plant等，1999）。在地表和岩心中，不规则的贝壳状破裂面通常导致块状外观（Milroy等，2019）（图8）。在布里斯托尔海峡和塞文盆地（图3），Milroy等（2019）将该单元划分为两个岩相关联，分别称为块状泥岩岩相关联和含泥粉砂岩岩相关联。虽然这一岩相方案在那些地区效果良好，但尚未应用于英国其他地区（Heath和Unwin，2026）。块状泥岩和粉砂岩与古土壤特征相关，如润滑面、假背斜和根结构造（Wright等，1988；Talbot等，1994；Milroy和Wright，2000；Andeskie等，2018；Milroy等，2019）。

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图8. 萨默塞特郡沃切特沃伦湾的块状泥岩和粉砂岩露头，显示了还原斑点和由不规则贝壳状破裂面定义的特征性块状外观。

块状泥岩和粉砂岩是BMF（块状泥岩岩相关联）中的主要岩性。正如Arthurton（1980）在SMF（含泥粉砂岩岩相关联）中所指出的，块状泥岩和粉砂岩很常见，通常与层状杂砂泥岩相交替（图9a和b）（4.1.2节）。沉积构造很少见，且大多局限于模糊且变形的层理和纹层（图9a和b）。分级序列局部出现（Barclay等，1997），同时伴有分散的、圆润的石英颗粒，这些颗粒形成与灰绿色还原晕相关的砂"薄片"（图9b）（Elliott，1961；Barclay等，1997；Howard等，2009）。灰绿色还原斑点普遍存在（图8，图9b）（Howard等，2009）。块状泥岩和粉砂岩岩相通常与交代性石膏、硬石膏或岩盐相关，并常覆盖在层状杂砂泥岩顶部发现的干缩特征之上（4.1.2节）。

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图9. 块状岩性与层状杂砂泥岩之间的交替，解释为反映相对干旱程度的变化。（a）图形沉积记录图，显示了柴郡盆地Sidmouth泥岩岩组中的关键沉积构造、早成岩特征以及块状与层状杂砂泥岩岩性之间的循环关系（改编自Arthurton，1980）。（b）相似的4米岩芯剖面，显示了Arthurton（1980）在Sidmouth泥岩岩组中报道的相同循环关系，但采自东米德兰兹陆架（南部）诺丁汉郡的Cropwell Bishop钻孔（SK63NE/28）。包含来自英国地质调查局国家地质存储库（NGR）的信息。参考文献ID A306890。

4.1.1.1. 解释

共识是块状泥岩和粉砂岩岩相沉积于露头的、陆地环境条件下（例如，干泥滩；4.2.3节），土壤润滑面等古土壤构造的存在支持了这一观点，这些构造指示古土壤的形成（Wright等，1988；Talbot等，1994；Andeskie等，2018；Milroy等，2019）。干缩特征的存在也指示了陆上暴露（4.1.2节）。

多位作者将这一岩相与黄土（风成粉尘）进行比较（Taylor等，1963；Willis，1970；Arthurton，1980；Jefferson等，2002；Howard等，2009；Mao等，2021），暗示了风成过程。圆润的石英砂薄片的出现（见上文）以及微弱的分级序列支持了这一解释，后者指示风力或风向的变化（Elliott，1961；Barclay等，1997）。Jefferson等（2002）提出块状泥岩类似于"Parna"，一种在澳大利亚第四纪发现的黄土状黏土，由黏土聚集体或颗粒状物组成。来自布里斯托尔海峡盆地的有限记录（Talbot等，1994）在一定程度上支持了Parna类比沉积的可靠性，但记录非常稀少。我们将这些岩性中沉积构造的缺乏解释为黄土类沉积物的证据，这些沉积物由风力吹扬的粉尘在干泥滩或盐碱泥滩上积累而成（分别见4.2.3干泥滩和4.2.4盐碱泥滩）。沉积稳定期使得这些区域有时发展为沙漠土壤。模糊且变形的层理和纹层表明沉积构造已被蒸发岩生长和溶解（盐扰动）、古土壤作用、干缩和风成再改造所变形和破坏，从而形成了无结构的构造。

4.1.2. 层状杂砂泥岩岩相

这些高度杂砂泥岩单元由尖锐纹层化或薄层状（0.5毫米至5毫米厚）的泥岩、粉砂岩和极细至细粒砂岩组成（图10a-h）（Arthurton，1980；Wilson，1990；Plant等，1999；Howard等，2009）。颜色纹层通常沿原始纹层分布，形成细条纹外观（图9，图10a）（Arthurton，1980；Rees和Wilson，1998；McC Bridge和Hough，2002；Howard等，2009）。这些单元在中美层组中广泛出现，通常与块状泥岩和粉砂岩交替（图9a和b）（见4.1.1节），这是SMF的特征性构造（Arthurton，1980；Wilson和Evans，1990；Rees和Wilson，1998；Howard等，2009）。层状杂砂泥岩序列通常厚度为数十厘米至数米（图9），但据报道可厚达15米（Arthurton，1980；Howard等，2009）。此类序列的顶部通常因干缩特征而变形，并被风成块状泥岩和粉砂岩岩性覆盖（图9）。

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图10. 岩芯照片，展示了在层状杂砂泥岩岩相中观察到的各种沉积和沉积期特征。（a）、(e)、(g)和(h)采自东米德兰兹陆架（南部）诺丁汉郡的Cropwell Bishop钻孔（SK63NE/28）。（b）、(c)、(d)和(f)采自东爱尔兰海盆地东南边缘的Saughall Massie OBH钻孔（SJ28NW/22），位于威勒尔。

许多砂岩纹层和薄层具有波痕或涟漪交错纹层（图9a，图10b和c），局部含有泥岩破碎块（图10d），其底部侵蚀了上覆的泥岩和粉砂岩纹层，形成切割-充填构造（Arthurton，1980）（图9a）。此类特征在TSF中尤为常见，该层组在局部还经历了强烈的生物扰动（图10c）。较粗粒的纹层通常为白云质（Arthurton，1980；Wilson，1993；Barclay等，1997）。层状杂砂泥岩岩相通常与具有肠状和鸡网状纹理的交代性石膏相关（图10e）。泥质充填的多边形干缩裂缝（图10f）和流体逸出构造（图10g和h）广泛分布。

4.1.2.1. 解释

如前所述（4.1.1节），块状泥岩和粉砂岩岩性被解释为代表陆上暴露条件。相比之下，受到干缩并被块状泥岩岩性覆盖的层状杂砂泥岩岩性被解释为代表水下条件，但间歇性地受到陆上暴露的干扰，可能是在干旱时期干谷湖水位较低的时候（Arthurton，1980；Howard等，2008）。因此，块状岩性与层状杂砂泥岩之间的关系是判断气候条件的有用指标。较粗纹层中大量沉积构造如水流波痕的存在暗示了单向水流，例如进入干谷湖的暂时性溪流。当存在侵蚀性底部和泥岩破碎块时，则暗示高速水流，表明发生了洪水或受限河道。相反，细粒、富含泥质的纹层指示低流速或无流速，例如洪水后的悬浮沉降或风成粉尘积累。

4.1.3. 层状砂岩

这包括厚度大于5毫米的极细至中粒砂岩层。厚度小于5毫米的砂岩层归入4.1.2节。层状砂岩在TSF和ASF中丰富，并在SMF和BAF中间歇出现。

TSF中的砂岩层与泥岩和粉砂岩互层。其厚度从约5毫米到400毫米不等，其中10毫米到40毫米厚的砂岩层最为典型。较薄的砂岩层具有纹层化和波痕构造，并与泥岩和粉砂岩互层（Howard等，2009；Scorgie等，2021）。

较厚的岩层合并为厚度达5米的地层单元，在露头处占据侵蚀向下可切入下部泥岩多达1米的河道，其底部含有大量泥质岩屑（Ireland等，1978；Howard等，2009）。这些透镜状河道砂岩向上变细，其大型板状或槽状交错层理过渡为平行层理和波纹层理（Ireland等，1978）。岩相学上，这些砂岩大多为极细到细粒，富含云母，由铁质方解石或白云石胶结（Howard等，2008；Howard等，2009）。

ASF中的砂岩层通常厚<1米，与红色或绿色泥岩互层（Warrington和Williams，1984；Dawson等，2022；Burley等，2023）（图11）。岩性上，砂岩层呈灰绿色至浅黄褐色，细至中粒（Barclay等，1997；Howard等，2009；Burley等，2023）。砂岩以两种主要形式出现：薄层、底界面 sharp、细粒、对称波纹砂岩层通常被复合单元（厚达0.7米）的厚层且高度侵蚀性的板状和槽状交错层理砂岩层覆盖（Burley等，2023）。厚砂岩层向上变细，通常对下部泥岩具有侵蚀性，其底部含有撕裂状泥质岩屑。岩相学上，ASF中的砂岩胶结良好（通常为15至30%），由石膏或白云石胶结（Howard等，2009；Parkes等，2021；Burley等，2023；Jones等，2025）（图7）。虽然ASF中单个砂岩层通常呈透镜状几何形态，但交错层理河道砂岩的复合单元在横向上可延伸数公里（Warrington和Williams，1984；Porter和Gallois，2008；Milroy等，2019；Burley等，2023）。

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图11. 典型的Arden Sandstone Formation地层序列，由细至中粒砂岩与红棕色泥岩和粉砂岩互层组成，位于Cropwell Bishop钻孔（SK63NE/28），东米德兰兹架（南部），诺丁汉郡。包含来自英国地质调查局国家地质库（NGR）的信息。参考编号DA306890。（关于图注中颜色的解释，请参阅本文的网页版本。）

砂岩层在SMF中呈间歇性分布（Wilson，1993；Gallois，2001；Howard等，2009；Milroy等，2019）。岩性上，这些砂岩层类似于ASF中的砂岩。在东米德兰兹架，这些岩层形成了可识别的、抗风化的地貌特征，当地称为"skerries"（如Cotgrave Sandstone Member，图6）（Charsley等，1990；Howard等，2009）。砂岩层也在东米德兰兹架、Cheshire盆地和Wessex盆地中的BMF中零星出现（Charsley等，1990；Wilson，1993；Gallois，2001；Howard等，2009）。

4.1.3.1. 解释

TSF砂岩层中丰富的沉积结构指示了河流沉积。较薄的波纹砂岩层可能代表河流漫滩洪水或末端扇（Plant等，1999；Scorgie等，2021），而较厚的复合砂岩单元的侵蚀性底部和透镜状几何形态则指示了河流河道（Howard等，2009）。有研究表明，砂质物质可能由弱辫状、低曲度河流河道系统引入，砂岩层则由周期性的河道涌浪、河道决口或漫滩洪水沉积而成（Howard等，2009）。

ASF中的砂岩沉积于湖泊河流-三角洲环境，由湖岸砂和泛滥泥滩组成，其间分布着短暂的暴洪河道（Ruffell和Shelton，1999；Gallois和Porter，2006；Howard等，2008；Porter和Gallois，2008；Howard等，2009；Dawson等，2022；Burley等，2023）。因此，较厚的、侵蚀性的、交错层理的砂岩层通常被解释为河流河道或小型湖泊三角洲（Dawson等，2022；Burley等，2023）。某些砂岩层中向上变细的序列指示了与暴洪相关的流速减弱（Dawson等，2022）。较薄的、对称波纹的砂岩与互层的层状泥岩相关，代表被温和波浪作用改造的湖岸线（Burley等，2023）。

4.1.4. 蒸发岩

MMG中的蒸发岩以石盐（NaCl）和Ca-硫酸盐形式出现；后者以石膏（CaSO?·2H?O）形式存在，或在更深的钻孔中以其脱水形式无水石膏（CaSO?）出现。石膏向无水石膏的转化，以及其逆过程，将在第5.4节中详细讨论。石膏和无水石膏主要以粒间胶结物和天青石状结核形式出现（Talbot等，1994；Andeskie等，2018；Jones等，2025）（图12a和b），与早期成岩石膏生长竞争有关（Schreiber和Tabakh，2000）。层状石膏局部出现，如在东米德兰兹架（Charsley等，1990；Howard等，2009）（图12c）。后成岩纤维状石膏脉也存在（图12d；第5.4.2节）。

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图12. MMG中的石膏形态。（a）Warren Bay，Watchet，Somerset，天青石状石膏互锁结核，中间夹有薄层泥岩，形成"鸡丝网"纹理。（b）典型鸡丝网石膏，Red Rock Gypsum Member（Branscombe Mudstone Formation），Branscombe，Devon。（c）Newark Gypsum（Branscombe Mudstone Formation），Cropwell Bishop钻孔（SK63NE/28），东米德兰兹架（南部），诺丁汉郡。（d）Warren Bay，Watchet，Somerset，UK，暴露的石膏脉，显示优先水平取向以及两组倾向南北的额外脉系。包含来自英国地质调查局国家地质库（NGR）的信息。参考编号DA306890。（关于图注中颜色的解释，请参阅本文的网页版本。）

层状石盐出现在两个主要地层层面，一个是上Anisian期，位于SMF的下部；另一个是上Carnian期，大约与ASF同期（Gallois，2004；Howard等，2008）（图5）。上Anisian期石盐仅出现在英格兰北部和东部，而Carnian期石盐在MMG中分布范围更广（图6）。MMG中的石盐主要有两种形式：1）在沉积中心出现高纯度层状石盐，向侧方过渡为2）交代型石盐（Jackson等，1997）。两种形态的实例可见于Evans等（2011）、Hough等（2011）和Andeskie等（2018）。层状石盐层厚度从几厘米到数十米不等，由高纯度层状石盐与主要为无结构的红棕色泥岩互层组成（Jackson等，1997；Evans和Holloway，2009；Andeskie等，2018）。Cheshire盆地中的Northwich（上Anisian期）和Wilkesley（Carnian期）石盐层组中的石盐层（图6）可追踪超过30公里的距离（Wilson，1993），暗示这些层组沉积于广阔的常年卤水池中。蒸发岩的形成过程在第4.2节中详细讨论。

4.1.5. 蒸发岩溶解角砾岩

Wilson（1990）报道，MMG中与蒸发岩溶解相关的角砾岩具有多种形态和特征，包括破裂纹理（即所谓的"龟裂铺路"）、褶皱、流动变形、棱角状岩屑和角砾状石膏脉（图13a和b）。如Wilson（1990）和Evans（1970）所述，沉积后的溶解角砾岩是由于大气水溶解石盐所致，可能与冰期冰川活动有关。被溶解石盐留下的空隙被上覆泥岩填充，泥岩逐渐向下沉降，不同程度的角砾化随之产生（Evans，1970）。据报道，用于卤水提取的注水会形成人工角砾岩（Evans，1970）。自然角砾化通常发生在被称为"湿润岩头顶"的带域之上，即近饱和卤水直接位于石盐之上的区域，据报道在Cheshire盆地的平均深度为70米（Evans，1970）。虽然大多数溶解角砾岩出现在<200米的深度，但在Cheshire盆地的钻井中已在近300米的深度记录了自然角砾岩。

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图13. 岩芯照片展示了溶解角砾化的两个阶段。（a）早期至中期角砾岩，层理已变形但仍可见，Kirkham钻孔深度288米处。（b）完全角砾化，显示棱角状岩屑悬浮于较细粒基质中，Churchtown钻孔深度55.7米处。包含来自英国地质调查局国家地质库（NGR）的信息。参考编号DA306890。

4.2. 沉积类似物

在此，我们研究MMG的现代和古代沉积类似物，以协助从沉积环境角度解释沉积相。在第4.3节中，我们解释MMG主要是一个内陆盐沼湖泊沉积，仅具有间歇性和空间受限的海洋影响。因此，我们将现代和古代内陆盐沼湖泊盆地作为MMG的类似物。

盐沼湖是内流区（水文封闭的）内陆盆地，其湖泊水平衡（所有降水来源、地表水流和地下水流入减去蒸发量）在一年中超过一半的时间为负值，年水平衡也为负值（Rosen，1994）。现代盐沼湖环境展示了理解局部条件的重要性，因为尽管盐湖周围被一套一致的沉积环境所包围（Hardie等，1978），但它们在盆地间的时空分布是变化的。例如，盐湖可能全年保持常水面体（即常年的），如Utah的大盐湖，也可能在一年中周期性干涸（暂时性的），如南部非洲的Etosha Pan（Hardie等，1978；Lowenstein和Hardie，1985）。Smoot和Lowenstein（1991）提供了现代和第四纪盐沼湖环境的综合列表。

4.2.1. 亚环境

没有任何两个现代盐湖盆地是完全相同的（Hardie等，1978）。因此，为了构建适用于MMG及全球盆地的通用沉积学模型，首先需要剔除所有局部变异性（Griffiths等，2019）。因此，作者通常构建故意简化的概念模型，以捕捉主要的早期沉积和早期成岩趋势。图14提供了与盐沼湖沉积（如英国MMG）相关的关键概念模型的综合（基于Eugster和Hardie，1978；Lowenstein和Hardie，1985；Schreiber和Tabakh，2000；Worden和Burley，2003；Warren，2006；Andeskie等，2018）。根据Hardie等（1978）的研究，我们在此考虑常见的亚环境（即所谓的"构建模块"，图14a），这些亚环境可以根据对特定盆地局部条件或解释的了解进行重组。所描述的亚环境具有诊断性沉积学特征（见图14及后续文字），因此可以为古环境解释提供有价值的工具。

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图14.（a）示意性总结了内陆盐沼湖盆地典型亚环境的空间分布和诊断特征（Eugster和Hardie，1978；Hardie等，1978），适用于英国和西北欧的中-晚三叠世盆地。（b）以石盐为主的暂时性盐湖的阶段和诊断特征。该过程始于暴洪，期间已有的盐壳被溶解，形成溶解特征和一层泥质。其次，蒸发浓缩导致层状石盐在湖底通过表面成核、沉降和等向生长而积累。最后，随着湖泊干涸，浓密、过饱和的卤水向下渗透进入沉积物，沉淀出粒间交代型蒸发岩。持续的粒间生长导致沉积物体积膨胀，使得盐滩发生褶皱并形成米级多边形网络，边缘由压力脊围绕。改编自Eugster和Hardie（1978）、Lowenstein和Hardie（1985）、Schreiber和Tabakh（2000）、Worden和Burley（2003）、Warren（2006）以及Andeskie等（2018）。

4.2.2. 冲积扇和砂质平原

许多盐沼湖盆地是由于长期持续的断块断裂而形成的。由此产生的高地形导致了合并的冲积扇的发展：锥形的砾岩楔体，从盆地周围高地的河流点源径向向外建（Hardie等，1978）（图14a）。冲积扇沉积的粒度向下游减小，最终过渡为砂质平原，在扇缘处河道演变为无约束的漫滩洪水（或泥石流）。扇缘（坡度<<1°）和砂质平原沉积通常表现为板状水平层理构造、波状层理和低角度交错层理（Smoot和Lowenstein，1991）（图14a）。砂质平原沉积在地表出露时被风改造，被洪水改造，以及在湖泊扩张发生洪水期时被风浪改造。单次洪水事件沉积的砂质呈薄层状，厚度从仅一两厘米到数十厘米不等（Hardie等，1978；Smoot和Lowenstein，1991）。

地下水位通常远低于地表，因此沉积物通常不会保留更多可溶性盐类，而是通常以钙华（calcrete）为特征（Hardie等，1978；Worden和Burley，2003）（图14a）。钙硫酸盐可能在扇前端的远端和非饱和带中砂平面上方析出（Hardie等，1978）。石灰华和钙华（碳酸钙）可能局部从沿扇前缘涌出的泉水中形成。尽管其规模较小，但泉水是重要的常年性水源，可补给湖泊，包括重要的溶解溶质（Ford和Pedley，1996）。MMG中冲积扇和砂平原沉积的实例包括布里斯托尔海峡盆地的白云质砾岩（Tucker，1977）和柴郡盆地TSF中的Malpas砂岩段（Wilson，1993）。

**4.2.3. 干泥滩**

干泥滩与咸泥滩接壤（图14a），因此形成于地下水位较低之处，使得孔隙间蒸发盐类不形成。干泥滩沉积物以细粒沉积物和间歇性砂层为特征，原初结构由山洪条件下上部和下部流态形成（Warren，2006）。通常，细粒沉积物为块状（见第4.1.1节）或高度扰动（见第4.1.2节），这是由于水位相对较高的时期干泥滩过渡为咸泥滩时（见下文）（Warren，2006）由干缩和盐扰动（蒸发盐生长与溶解）所致。古土壤（见第4.1.1节）在相对稳定的时期发育，其间被洪水面流所打断，后者沉积砂层（见第4.1.3节）（Warren，2006）。

多边形泥裂（见第4.1.2节）可延伸数毫米至数十厘米深，多边形直径范围从数厘米到数十米（Warren，2006）。泥裂通常被粉砂、砂或石膏（见第4.1.2节）完全或部分充填。风成再作用可侵蚀泥裂形成尘云，沉积相对块状的泥岩（即黄土沉积，见第4.1.1节）（Andeskie等，2018）和/或再动员邻近砂平原和冲积扇中的砂，形成沙丘场、风蚀平台和低洼地（Hardie等，1978）。由于地下水位过低而无法析出孔隙间蒸发盐，盐类局限于盐霜状盐壳中，后者是通过非饱和带中从下向上抽取的地下卤水化学沉淀形成的（Hardie等，1978；Andeskie等，2018）。盐壳通常被风再作用形成内碎屑，或被随后的洪水事件溶解，因此盐壳本身通常未被保存（Hardie等，1978；Smoot和Lowenstein，1991）。沉积记录中盐壳的证据包括层理的变形以及不规则盐壳表面与上覆风成、河流和湖泊沉积物的相互叠覆关系（Smoot和Lowenstein，1991；Warren，2006）。

**4.2.4. 咸泥滩**

随着咸水湖收缩，石盐的位移或全粒间晶体或球状石膏晶体（见第4.1.4节；图12）从过饱和孔隙水中在围绕盐盘的柔软、卤水浸泡的泥滩沉积物中生长，从而破坏原初沉积构造（例如，图10e）（Warren，2006）。该区域被称为咸泥滩（Hardie等，1978）（图14a）。咸泥滩中的卤水浓度由强烈的毛细蒸发驱动（Warren，2006）。位移石盐晶体可在湖泊变淡期间（通常由于洪水面流后地下渗透至水位）被稀释地下水溶解，导致坍塌（盐扰动）。该区域的石膏结核生长和合并，通常形成肠状、扭曲褶皱和鸡丝网状构造（Warren，2006）（图12a和b）。蒸发泵吸作用（图14a和b）导致咸泥滩表面形成坚硬的盐霜状盐壳（Chivas，2007；Attia和Hussien，2015）。随着湖泊缩小，饱和的泥质沉积物暴露在外，最终过渡为干泥滩环境，导致广泛的干缩。

**4.2.5. 间歇性咸水湖**

间歇性咸水湖（图14b）由风暴事件和泉水补给，至少每几年干涸一次（Lowenstein和Hardie，1985）。间歇性咸水湖由中央盐盘组成，盐盘由薄层状结晶盐与泥质夹层构成（图14b）；每一韵律层代表一次风暴事件（Lowenstein和Hardie，1985）。

现代间歇性咸水湖覆盖面积可大至8000 km2（澳大利亚中部艾尔湖）或小至0.008 km2（加拿大不列颠哥伦比亚省巴斯克湖）（Hardie等，1978）。水深通常较浅（至多几米）；在艾尔湖最大陆域扩展面积8000 km2时，其最大深度仅为4 m（Hardie等，1978；Lowenstein和Hardie，1985）。

在浅水中，石盐通常以底生核盐漏斗和雪佛龙形态析出（Arthurton，1973；Schreiber和Tabakh，2000；Warren，2006）（图14b）。垂直取向的石膏晶体形成壳状和簇状，具有底生长形态如燕尾形（Schreiber和Tabakh，2000）。MMG中底生石盐和石膏形态的实例已由Evans等（2011）和Andeskie等（2018）描述。洪水后的悬浮沉积在湖底沉积粉砂和黏土为薄层或薄层（通常至多数十毫米，见第4.1.2节）；这些可被风浪再作用形成波痕或透镜状纹层。石盐层因蒸发而形成，通常厚至数厘米；1 m的石盐饱和卤水可产出15 cm至20 cm厚的石盐层（Hardie等，1978）。随着时间的推移，随着湖泊干涸，盐壳通常被后续洪水重新溶解，形成溶缝、凹坑和洞穴，进而被后续石盐或沉积物充填（Lowenstein和Hardie，1985；Warren，2006）（图14b）；此类溶解特征是间歇性干盐湖的诊断标志（Warren，2006），已由Arthurton（1973）、Evans等（2011）和Andeskie等（2018）在MMG中描述。

**4.2.6. 常年性咸水湖**

常年性咸水湖包含持续数万年的卤水体，通常由大量常年性流入补给，携带溶解溶质和碎屑沉积物；例如流入死海的约旦河（Hardie等，1978；Smoot和Lowenstein，1991）。常年性咸水湖通常比间歇性咸水湖更深，量级为米级（例如犹他州大盐湖）至数百米（例如中东的死海）。湖泊表面的蒸发导致分层卤水，底部为密度较高的相对稀释卤水，表面为密度较低、过饱和的卤水。表面卤水析出石盐筏和漏斗，下沉至湖底形成层状石盐筏堆积（Lowenstein和Hardie，1985；Warren，2006）（图14b）。在较浅的常年性湖泊中，或较深常年性湖泊的浅水边缘，沉降在湖底的石盐筏为底生石盐晶体提供成核位点，以合成式生长为特征（Warren，2006）（图14b）。石盐层保存为纵向延伸的晶体，可能显示放射状构造或竞争生长边界（Smoot和Lowenstein，1991）。与间歇性湖泊不同，常年性湖泊中受深层分层卤水保护的石盐层通常缺乏溶解构造（边缘除外），且常被细层状沉积物覆盖（Smoot和Lowenstein，1991）。石膏、石盐或其他蒸发盐矿物的生长取决于蒸发程度与流入量之比、流入水的化学成分、湖泊演化阶段及其他因素（Hardie等，1978；Smoot和Lowenstein，1991）。常年性湖泊沉积的诊断特征是横向连续的咸水矿物薄层和薄层，夹有碎屑沉积物（泥质）夹层，由风暴事件驱动（图14b）。如果水源被切断（例如通过构造演化改道主要河流），常年性湖泊可能最终变为间歇性湖泊。

**4.2.7. 早期成岩矿物趋势**

干旱干盐湖盆地通常具有低有机质含量、低地下水位和完全氧化的沉积物，导致红层形成（Worden和Burley，2003）。孔隙水在强烈的蒸发条件下演化，导致溶质浓缩，以Na?、Ca2?、Mg2?和HCO??为主，SO?2?含量较少（Worden和Morad，2003；Chivas，2007）。在陆相蒸发序列中，矿物化的顺序在很大程度上由地表和地下水补给区岩石类型的化学组成控制（Chivas，2007）。例如，随着海水蒸发，矿物析出的顺序由溶解度驱动；溶解度最低的矿物最先析出，通常是方解石和白云石，随后向盆地中心依次为石膏、石盐、然后为Mg和K硫酸盐、氯化物和最终的硼酸盐（Chivas，2007）。向上迁移的地下水促进各类蒙脱石类黏土矿物（例如蒙脱石和高岭土）的沉淀，这由水文盆地中上段的土壤发生作用驱动，该处沉积速率低且以暴露于大气为主导（Worden和Morad，2003；Warren，2006）。蒸发盐析出序列导致向水文盆地中心Mg/Ca比增加的地球化学梯度，导致富镁黏土矿物生长（例如海泡石和坡缕石）。重要的是，一旦形成，自生黏土矿物可被进一步运移至盆地外围，在更湿润的阶段可能最终落在湖底，从而复杂化环境解释。

**4.3. 海洋还是非海洋？**

MMG某些盆地（图6）和地层位的大量石盐使早期研究者提出海洋成因，将其解释为MMG形成于高盐度陆表海（Sherlock，1928；Evans等，1968；Warrington，1970；Jeans，1978）。相反，Audley-Charles（1970b）、Tucker（1978）、Talbot等（1994）和Wright和Sandler（1994）倾向于在内陆内流干盐湖系统中沉积。其他作者，包括Arthurton（1980）、Taylor（1983）、Ruffell（1991）和Leslie等（1993）提出了海洋-大陆混合解释。近年来不同盆地的沉积学和岩相研究未发现MMG沉积有海洋影响的证据（Milroy和Wright，2000；Andeskie等，2018；Milroy等，2019；Jones等，2025）。因此，海洋条件在多大程度上影响了MMG沉积仍是长期争论的话题。

根据Hardie（1984），评估海洋与非海洋蒸发盐的标准包括：(1) 化石类型；(2) 相关非蒸发盐相的沉积学；(3) 蒸发盐矿物类型及其关联和垂向层序；以及(4) 微量元素、同位素（例如δ3?S、δ11B和??Sr/??Sr比值）和流体包裹体地球化学。此外，古地理重建为解释MMG等蒸发盐序列的海洋或非海洋成因提供了区域背景。然而，古地理重建本身具有解释性，因此应谨慎对待。

**4.3.1. 古生物学**

SMF和BMF中的化石（构成MMG厚度的大部分）稀少且主要限于微体化石（Warrington和Ivimey-Cook，1992）。这些地层中大型化石明显缺乏（Warrington和Ivimey-Cook，1992），表明MMG大部分时期以干旱大陆条件为主，对生命不利。海洋微体化石，如有机壁微浮游生物，包括囊胞藻和绿藻，已在MMG中广泛记录（表1）。然而，正如Hounslow和Ruffell（2006）以及Baranyi等（2019）所建议的，MMG中的海洋微体化石可能从更老的古生代地层中再运移而来，或从遥远海洋环境中被风携带进入MMG盆地，因此无法帮助确定MMG的海洋或非海洋成因。

相比之下，在TSF、ASF和BAF中记录了多样化的大型化石组合。纯海洋性的腕足动物大型化石Lingula（Warrington，1970；Warrington和Pollard，2021）为MMG底部TSF中的海洋影响提供了证据。然而，尽管混合鲨和虾齿鱼类软骨鲨遗骸（牙齿和棘刺）的出现曾被认为指示ASF中的海洋至半咸水条件（Warrington和Williams，1984；Warrington和Ivimey-Cook，1992；Barclay等，1997），但虾齿鱼类软骨鲨现在被认为代表严格的淡水环境（Porter和Gallois，2008；Dawson等，2022）。此外，淡水藻类（Baranyi等，2019）和介形虫类甲壳动物如Euestheria的出现（Warrington，1970；Porter和Gallois，2008；Dawson等，2022；Burley等，2023）表明ASF中没有海洋影响。

萨默塞特BAF上部的海洋遗迹化石和双壳类（Mayall, 1981）记录了MMG顶部的海相至滨海相条件，标志着瑞替阶海侵的开始。总结古生物学证据：除了MMG底部和顶部（分别为TSF和BAF）的海洋化石外，MMG大部分区域缺乏化石（无论是海相还是陆相），表明干旱大陆条件占主导地位。

4.3.2 相关非蒸发岩相的沉积学

MMG大部分（由SMF和BMF代表）的沉积学以块状和杂色泥岩、粉砂岩和砂岩为主（第4.1节），指示干旱的陆内环境。SMF和BAF缺乏任何海相影响的沉积学证据，例如复杂的复模态交错层理和指示潮汐逆转特性的潮层序列（Smoot and Lowenstein, 1991）。相比之下，这些特征已在TSF（Ireland et al., 1978）和BAF（Mayall, 1981）中被记录，指示潮汐影响。SMF和BMF中的细至中粒砂岩层代表片状洪流和河道化河流（第4.1.3节），与海相条件不符。SMF中块状和层状岩性的循环关系（Arthurton, 1980）（第4.1.2节）指示大陆盐湖-潟湖环境中水位的波动。

4.3.3 蒸发岩矿物学

早期研究通常将MMG中巨厚的岩盐储层归因于海相水源，但岩盐的存在本身并非海相环境的决定性指标；全球现代和古陆内盆地均存在纵横向巨厚的岩盐储层，如美国加利福尼亚州的布里斯托干湖和突尼斯南部杰里德盐碱干湖（Bryant et al., 1994）。海相和陆相蒸发岩通常具有特征性的矿物组合。例如，陆相岩盐通常含有碳酸钠、硅酸盐和硼酸盐，而海相蒸发岩则形成特征性的晚期氯化物矿物（如盐亭石、光卤石和钾盐）（Hardie, 1984; Smoot and Lowenstein, 1991）。MMG中的蒸发岩和早期成岩矿物（岩盐、硫酸钙、方解石和白云石）在海相和非海相蒸发岩环境中均常见，因此不能诊断任何一种环境。然而，富镁粘土（木贼矿和高岭土）在MMG中间歇性出现（第3.2节），它们与大陆永久性盐湖强相关（Hardie et al., 1978; Smoot and Lowenstein, 1991）。总之，所报道的蒸发岩矿物学不能诊断海相影响。

4.3.4 地球化学

海相来源蒸发岩的全球地球化学指标包括稳定同位素、溴浓度以及母液卤水在岩盐中的流体包裹体（Hardie, 1984; Warren, 2006）。MMG尚未进行溴或流体包裹体分析。MMG中的氧和硫同位素（Taylor, 1983; Leslie et al., 1993; Salisbury et al., 2025）显示混合的海相-陆相信号，且在横向和地层学上有所变化。例如，来自SNSB、克利夫兰盆地（东米德兰兹架北）以及部分EISB的δ34S曲线似乎与已建立的古特提斯三叠世海洋δ34S同位素曲线相关联，暗示海洋联系（Salisbury et al., 2025）。相反，Larne和布里斯托尔海峡盆地的δ34S曲线偏离全球三叠世δ34S曲线，暗示与水体的水文断联（Salisbury et al., 2025）。需要注意的是，大陆沉积物可显示出与海相信号相似的同位素信号；蒸发岩抽水可导致地下水位降低，海相地下水侵入陆相含水层（Hussain et al., 2019）。此外，海相盐分也可能作为气溶胶被携带至与海岸相距数百公里的封闭陆内盆地中（Hounslow and Ruffell, 2006; Warren, 2006）。总之，MMG的稳定同位素似乎表明，海洋与非海洋影响程度在不同英国盆地在空间和时间上有所变化，但缺乏空间分辨的稳定同位素数据来将这一结论发展为全英国范围的解释。

4.3.5 古地理解释

McKie（2017）提出，Stafford盆地、Cheshire盆地和EISB中安尼阶岩盐的卤水来源为SNSB的穆尔壳海。McKie（2017）推测，在安尼阶，穆尔壳海通过东米德兰兹架的一条狭窄通道获得进入英格兰西部和西北部的通路。然而，对这些岩盐的海相解释（McKie, 2017）是基于广布时代相当的TSF中的海洋化石（如上所述），如菱柱蛤。虽然TSF中存在海洋化石（前文已述），但SMF中未记录到任何决定性海洋化石，因此与陆相来源一致。

一些古地理解释（Audley-Charles, 1970b; Warrington et al., 1980），以及McKie（2017）和Salisbury et al.（2025）的讨论，暗示MMG中卡尼阶岩盐层（图6）来源于海洋卤水，后者通过从比斯开湾经英国西部近海到达英国盆地西南部的海洋通道进入（图4）。然而，这一解释似乎基于这些地区岩盐的存在，而如前所述，岩盐的存在并不能保证海相来源。解释应避免循环推理，并与独立的沉积学、古生物学和地球化学证据进行检验。在卡尼阶，裂解和下陷的西部近海（McKie, 2017）可能仅被陆相岩盐充填，而非形成海洋通道，因此形成了一系列相连的陆相岩盐盆地，在地图上查看时似乎显示出从西南方向来的海洋联系。总之，虽然古地理模型在MMG主要岩盐层的级别上暗示了与古特提斯洋的海洋联系，但这些模型应谨慎对待，因为岩盐的存在不一定指示海相来源。

4.3.6 海相与非海相总结

MMG大部分缺乏决定性海相指标，表明MMG主要为陆相成因。然而，罕见的海洋遗迹化石和MMG硫同位素值与三叠世海水曲线的间歇性对应表明，MMG盆地与古特提斯洋之间曾建立过临时性连通。虽然同位素地层学表明，海相水源可能在EISB等地区的岩盐积累中有所贡献，但MMG中的巨厚岩盐储层可能接收了相当数量的来自陆地来源的盐分。例如，布里斯托尔海峡盆地Somerset岩盐层的δ34S曲线显示不出与三叠世海水曲线的可比趋势，暗示完全为陆相水源（Salisbury et al., 2025）。

为解决关于MMG海相与非海相成因的长期争论，需要额外的地球化学数据。关键分析应包括岩盐中的溴浓度以及进一步的稳定同位素测量（如δ34S、δ18O和δ11B），以扩充当前数据集并检验Taylor（1983）、Leslie et al.（1993）和Salisbury et al.（2025）所报告结果的可重复性。如前所述，水的晚期蒸发产物可诊断海相与非海相水源。因此，对MMG岩盐中此类矿物（若存在）的表征将有助于进一步限定MMG岩盐的海相与非海相成因。现有证据的综合表明，MMG为一个以陆相为主的地层序列，海相影响在空间和时间上均有限。

4.4 MMG沉积期间的构造-气候变化

4.4.1 MMG之前的条件

MMG之前的英格兰早三叠世盆地的排水系统由主要河流系统组成。这些河流从诺曼底和布列塔尼高地向北流经Wessex盆地、Worcester盆地，经一条西北支流向Stafford和Needwood盆地，最终到达Cheshire盆地和EISB（Willis, 1951; Audley-Charles, 1970b; Cocks, 1993; Medici et al., 2015; Radley and Coram, 2016; Burgess et al., 2025）（图4b）。根据Newell（2018）提出的模型，断层控制的间歇性沉降使得英格兰中部和北部的早三叠世北倾盆地间歇性脱离南向的水和物源，导致SSG中的河流沉积中断，被以风成条件为主导的地层所取代（Newell, 2018）。

4.4.2 Tarporley粉砂岩组（TSF）

根据Newell（2018）提出的模型，在中三叠世，英格兰北部盆地再次被活动断层切断与北向河流的联系，这在EISB和Cheshire盆地中记录为SSG顶部以风成为主导的部分。风成沉积大多在安尼阶中期停止，以 playa 类条件取而代之，记录为侵蚀性不整合面及MMG最底部——即TSF的不整合沉积（Warrington, 1970）。多样的化石组合指示了以水下沉积为主的环境（Warrington, 1970; Ireland et al., 1980; Benton et al., 2002; Warrington and Pollard, 2021）（表1）。这些化石以及TSF中河流砂岩的出现（见第4.1.3节）表明，在SSG最顶部的干旱至超干旱条件与MMG的Sidmouth泥岩组之间，存在一段相对湿润的时期。如第4.3节所述，TSF中存在纯海相腕足动物（Warrington and Pollard, 2021）提供了海相影响的强有力证据。因此，Ireland et al.（1978）提出的潮间带解释是合理的，但应注意，短暂的海相侵扰可将海洋生物带入原本封闭的陆内盆地。河流砂岩的存在（第4.1.3节）和Cheshire盆地中的风成Malpas砂岩段（Mikkelsen and Floodpage, 1997）为陆相条件提供了强有力证据。因此，TSF可能主要为陆相成因，仅有来自古特提斯洋或SNSB的间歇性海相影响，后者在安尼阶早中期正在积累海相R?t岩盐（McKie, 2017）（图6）。岩盐假象化石（Wilson, 1993），即TSF中盐类存在的唯一证据，指示了与陆相水间歇性淡化有关的高盐度和低盐度交替的时期。

4.4.3 Sidmouth泥岩组（SMF）

从TSF中相对粗粒、部分河流沉积向安尼阶晚期SMF中主要为细粒、盐湖-潟湖相沉积的过渡，可能是由于干旱化加剧所致，或许源于区域气候变迁或大型附近水体（如穆尔壳海）的后退。Warrington和Ivimey-Cook（1992）提出，这种向干旱的过渡与非沉积区地貌起伏的减小有关。SMF中存在明显的化石匮乏现象（表1），结合其高蒸发岩含量（表1）以及盐湖层状泥岩与风成块状泥岩的频繁交替，暗示了一个日益干旱、不利于生物生存的气候。SMF中细粒岩性和蒸发岩的主导地位暗示了一个以盐湖和泥滩为特征的炎热干旱环境，局部砂岩层指示了间歇性的相对湿润期。有时，在沉积中心形成了永久性盐湖，这可能是由于快速的断层控制沉降所致，证据为巨厚、横向广延（可达数十公里）的岩盐层，这些岩盐层向主要断层处增厚（Jackson et al., 1997; Brookfield, 2008; Newell, 2018）。SMF中相对快速的沉积速率（Cheshire盆地中约1000米/约1000万年）可能反映了同期伸展构造活动与高蒸发岩沉淀速率的耦合（Warrington and Ivimey-Cook, 1992; Newell, 2024）。SNSB、东米德兰兹架（北）和EISB中的硫同位素地层学指示了岩盐沉积的海相影响（Salisbury et al., 2025）（第4.3节）。然而在其他地区，SMF中海相影响的证据很少（第4.3节）。

4.4.4 Arden砂岩组（ASF）

干旱至超干旱条件在卡尼阶被一段短暂的相对湿润期所中断，这由ASF中的河流砂岩和各种淡水化石为证（Dawson et al., 2022）。这段相对湿润期可能与全球卡尼湿润事件有关（Baranyi et al., 2019）。ASF沉积于大型、横向广延的淡水至半咸水永久性湖泊沿岸（Warrington and Ivimey-Cook, 1992; Burley et al., 2023）。ASF中互层的泥岩和河流砂岩代表了在小起伏度沙漠泥平原上流淌的小河。这些河流向湖中建造三角洲，湖水波浪作用对岸线砂岩进行了再改造（Dawson et al., 2022; Burley et al., 2023）。这些湖泊间歇性干涸，在沉积中心形成巨厚岩盐层，这些岩盐层在横向上与ASF相当（图6）。

Newell (2024) 最近建议，用侧向等值的邓斯康姆泥岩组（韦塞克斯盆地命名）替代 ASF 的名称，以涵盖英格兰其他 ASF 不存在地区的这些侧向等值石盐沉积。邓斯康姆泥岩组这一名称最终可能会取代 ASF，成为这种混合河流 - 蒸发岩序的标准命名。然而，由于该名称尚未正式化，我们继续使用阿登砂岩组（Arden Sandstone Formation）这一名称。阿登砂岩组（ASF）部分区域中纯淡水化石（第 4.3 节）为淡水水源（第 4.3 节）提供了有力证据。

4.4.5. 布兰斯科姆泥岩组 (BMF)
到诺里昂期，盘古大陆的向北漂移使英国远离了赤道主要干旱区（McKie, 2017）。此时，在下 MMG 垂直和横向广泛沉积之后，高地地区已被大部分准平原化（Warrington and Ivimey-Cook, 1992）。BMF 中风成块状无结构泥岩和硫酸钙占主导地位（第 4.1 节）（Milroy et al., 2019），表明极端干旱条件的恢复，其程度可能甚至超过上安尼西斯期，这种模式遍布欧洲的诺里昂期（McKie and Williams, 2009）。英格兰西南部 BMF 中自生粘土矿物含量的减少表明地下水位降低以及碎屑粘土矿物（伊利石和绿泥石）的涌入（Milroy et al., 2019）。与 SMF 中巨厚石盐的发育相比，BMF 中石盐的稀少可能与穆赫尔卡克海（Muschelkalk Sea）的退缩有关，正如先前所述，该海可能为英格兰西北部 SMF 提供了 NaCl 来源（McKie, 2017）。与 SMF 相比，BMF 相对较薄，却代表了异常长的时间段，在柴郡盆地约 2000 万年间积累了不到 200 米。这可能表明诺里昂期裂后热沉降期间的构造沉降速度较慢。

4.4.6. 蓝锚组 (BAF)
BAF 记录了雷蒂期海侵开始时边缘海洋环境的出现（Benton et al., 2002; Renaud et al., 2024）。BAF 通常被认为是边缘海洋沿海萨布哈沉积（Mayall, 1981; Taylor, 1983; Whittaker and Green, 1983; Warrington and Whittaker, 1984; Holloway, 1985; Warrington and Ivimey-Cook, 1992; Benton et al., 2002）。英格兰西南部 BAF 上部的泥纹层和透镜状层理表明存在与受潮汐影响的边缘海洋环境一致的潮汐条件，这一点得到了多样化的海洋遗迹化石以及 BAF 上部蒙皂石粘土比例增加的进一步支持（Mayall, 1981; Warrington and Ivimey-Cook, 1992）。BAF 中灰色至绿色层理中的局部红色层表明咸水湖或萨布哈条件的短暂重现（Raymond, 1955; Whittaker and Green, 1983）。

5. MMG 成岩作用
MMG 的成岩作用未被很好地记录，目前仅有来自英国部分盆地（第 3 节讨论）的有限岩石学和矿物学研究。成岩作用是埋藏和热历史的结果，因为埋藏控制压实，而温度主要控制矿物反应（Worden and Burley, 2003）。因此，对温度 - 深度 - 时间历史的可靠理解对于预测成岩作用如何改变新区域的 MMG 是基础性的。温度 - 时间历史是控制岩石物理性质（如孔隙率和密度）、机械性质（如脆性、弹性模量和声速）的关键因素。因此，了解不同盆地中 MMG 的热历史对于确保陆上类似物（露头和钻孔岩芯）具有代表性至关重要。因此，以下章节比较了英国主要三叠纪盆地的埋藏历史，以更好地理解和预测成岩作用对不同区域 MMG 物理性质的影响。

5.1. 磷灰石裂变径迹分析
本节汇编了磷灰石裂变径迹分析（AFTA）数据，以重建英国三叠纪盆地的温度 - 时间历史。AFTA 利用磷灰石晶体中天然裂变径迹的积累和热退火来估计最大古温度（即岩石经历过的最高温度，例如由于埋藏或岩浆侵入）以及随后的冷却历史。通过结合径迹计数、长度和铀含量，可以确定最大古温度（例如由于埋藏）的时间和幅度，该方法能够分辨出多达三个不同的热事件。Green 和 Duddy (2012) 提供了 AFTA 方法论的详细解释。

将 AFTA 得出的古温度转换为埋藏深度需要假设一个古地温梯度，该梯度可能在空间上可变，且不具代表性，无法反映相关的埋藏历史。例如，Lewis 等人 (1992) 采用与现代相当的约 30 °C/km 的梯度来表示最大古近纪埋藏。这产生了约 3 km 的表观 EISB 剥蚀出露估计值，但未考虑与古近纪火山活动相关的热效应。随后结合额外约束的研究估计剥蚀出露量约为 1.5 至 2 km（Holliday, 1999; Green et al., 2001a; Green, 2002）。因此，我们未将最大古温度转换为最大埋藏深度。此外，为了减少方法之间差异带来的不确定性，图 15 和图 16 仅使用来自 AFTA 的古温度数据制作。以下章节讨论了本文讨论的英国主要三叠纪盆地中 MMG 的全英剥蚀出露和温度 - 时间历史。汇编的 AFTA 数据展示在图 16 中，并可在补充材料中找到。

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图 15. 英国主要三叠纪盆地（见图 3）中 MMG 的简化温度 - 时间曲线（详见正文）。为清晰起见，省略了 MMG 上下方的地层。虚线表示最大古温度估计值的下限和上限。淡灰色垂直线（来自 Holford et al., 2005）表示剥蚀阶段 1、2 和 3 开始时间的可能范围（解释见正文）。（a）EISB，显示下白垩世达到最大埋藏，随后在古新世由于弗利特伍德岩墙群侵入而重新加热（Lewis et al., 1992; Holford et al., 2005）。（b 至 d）柴郡盆地（Lewis et al., 1992）、东米德兰兹陆架（Green, 1989; Green et al., 2018）和 SNSB（Green et al., 2018）的温度 - 时间曲线，它们具有相似的温度 - 时间历史，基本未受早白垩世剥蚀（剥蚀 1）影响。东米德兰兹陆架基本上是 SNSB 的延伸，埋藏较浅，埋藏深度（因此最大古温度）向东增加。（e 和 f）韦塞克斯盆地（Carter et al., 1995; Bray et al., 1998）和布里斯托尔海峡盆地（Carter et al., 1995; Holford et al., 2005）的温度 - 时间曲线，它们具有相似的温度 - 时间历史，在早白垩世达到最大古温度。（对于图例中颜色的解释，请参阅本文的网络版本。）

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图 16. 通过磷灰石裂变径迹分析（AFTA）估计的三叠纪样品（MMG 和 SSG）最大古温度英国地图。古温度估计值对多样品井取平均值；样品信息见补充材料。英格兰米德兰兹盆地的最大古温度最低，这是由于埋藏深度相对较浅。西北部盆地的最大古温度最高，这是由于埋藏更深和火山活动（详见正文）。没有 SNSB 的原始 AFTA 数据，然而最大古温度预计将从东米德兰兹陆架向东增加。底图来自 GeoMapApp (https://www.geomapapp.org)。包括从国家地质库 (NGR)，英国地质调查局获得的信息。参考 IDA306890。

5.2. 全英剥蚀事件
在讨论英国三叠纪盆地的温度 - 时间历史之前，首先了解贯穿下一节（第 5.3 节）提及的三个全英剥蚀相关冷却主要阶段是很有帮助的。这三个事件与 Hillis 等人 (2008) 和 Holford 等人 (2005) 的综合研究一致，并如图 15 中的灰色垂直线所示。

第一次剥蚀（图 15 中的剥蚀 1）发生在下白垩世，相当于阿普特期 - 阿尔布期不整合面（Smith and Hatton, 1998; Underhill and Stoneley, 1998）。AFTA 数据在韦塞克斯盆地、布里斯托尔海峡盆地、EISB 和 SNSB（仅 Sole Pit）记录了剥蚀 1。不列颠群岛的剥蚀 1 与早期的大西洋裂谷阶段和比斯开湾裂谷有关（Kamerling, 1979; Butler, 1998; Holford et al., 2005）。

第二次主要剥蚀和冷却事件（图 15 中的剥蚀 2）发生在晚白垩世末期到早古近纪（古新世）；这已归因于欧洲造山运动和冰岛地幔柱的火山下插（Jones et al., 2002; Holford et al., 2005; Hillis et al., 2008; Green et al., 2018）。除了剥蚀引起的冷却外，此时期的冷却也被归因于古新世原始大西洋裂谷及相关的火山活动之后古地温梯度降低至正常值（Green, 2002; Holford et al., 2005）。剥蚀 2 似乎集中在英格兰北部，强烈影响了 EISB 和柴郡盆地（Lewis et al., 1992; Green et al., 1997）、英格兰湖区（Green, 2002）、东米德兰兹陆架和 SNSB（Green, 1989; Green et al., 2001b; Green et al., 2018）。在英格兰南部（即韦塞克斯和布里斯托尔海峡盆地），AFTA 数据（Bray et al., 1998）表明此时期的冷却只是轻微的，尽管这些地区在晚白垩世到古近纪受到了强烈的逆冲相关变形（Nem?ok et al., 1995; Smith and Hatton, 1998; Underhill and Stoneley, 1998）。

最后的全英剥蚀阶段发生在新近纪（图 15 中的剥蚀 3），这与晚期阿尔卑斯期挤压和北大西洋张开有关（Bray et al., 1998; Holford et al., 2005; Hillis et al., 2008; Green et al., 2018）。这一剥蚀阶段分布广泛，已在英国每一个主要三叠纪盆地中记录到（下文进一步讨论）。

5.3. 英国三叠纪盆地的最大古温度和温度 - 埋藏 - 时间历史
5.3.1. 东爱尔兰海盆地
Lewis 等人 (1992) 估计 EISB 中三叠纪岩石的最大古温度为 90 至 110 °C。然而，AFTA 只能将古温度约束在约 110 °C 以下，超过此温度裂变径迹会发生完全退火（Green and Duddy, 2012）。因此，Lewis 等人 (1992) 提出的数值应被视为最小估计值，该地区三叠纪岩石经历的最大古温度可能要高得多；EISB 南部 SSG 的流体包裹体分析表明埋藏温度为 100 至 150 °C（Greenwood and Habesch, 1997）。Green (2002) 估计，EISB 已被侵蚀去除 1.5 至 2 km 的三叠纪后沉积物。该盆地受到了第 5.2 节所述的所有三个剥蚀阶段的影响（Lewis et al., 1992; Green et al., 1997; Duncan et al., 1998; Green, 2002; Holford et al., 2005）（图 15）。在西兰开夏（陆上）地区（即 EISB 的陆上延伸），Lodhia 等人 (2024) 的 AFTA 表明最大古温度为 80 至 100 °C。与侵入 EISB 的弗利特伍德岩墙群（图 1c）相关的古近纪火山活动，在北部产生了显著升高的古地温梯度和重新加热（50 至 60 °C/km，相比之下现代约为 30 °C/km）（Holford et al., 2005）。因此，盆地南部的最高温度是由于下白垩世的最大埋藏而达到的，而在北部，由于火山活动，最大古温度是在古近纪达到的（Hillis et al., 2008）。因此，EISB 的子盆地具有显著对比的埋藏 - 温度 - 时间历史。

5.3.2. 柴郡盆地
来自柴郡盆地的有限 AFTA 数据表明，早新生代最大古温度约为 90 至 110 °C（Lewis et al., 1992），随后发生剥蚀相关冷却（剥蚀 2）。然而，如前所述，这些数值应被视为最小估计值。Evans 等人 (1993) 建议柴郡盆地被额外的 2.2 km 下侏罗世后地层埋藏，尽管移除段的量可能在空间上有所不同（例如取决于与主要断层的距离）。

例如，压实研究表明，最大埋藏深度从柴郡盆地边缘的几百米增加到韦姆-布里奇米尔-红岩断层系统附近沉积中心的约3.5公里（Plant等人，1999年）。尽管目前尚未识别出额外的冷却事件，但英国全境范围的新近纪剥蚀（剥蚀3）表明新近纪抬升也可能发生过（图15）。5.3.3. 东米德兰兹架台和南北海盆地东米德兰兹架台三叠纪岩石的最大古温度估计范围从50到100°C（图15，图16）。最大古温度从莱斯特郡的约50到70°C（Green，1989年）向北增加到诺丁汉郡的60到90°C（Green，1989年；Green等人，2001a年）以及东北约克郡的90到100°C（Green，1989年），在邻近的伍斯特/诺尔盆地的报告值为75±5°C（Carter等人，1995年）（图16）。英格兰东海岸附近的钻孔（克利索普斯-1和比斯卡索普-1）表明三叠纪岩石的最大古温度为80到100°C（Green，1989年）（图16）。冷却幅度和剥蚀估计值向西增加，在拉夫福德和格罗夫-3井附近达到约2.2至2.3公里，而克利索普斯-1和比斯卡索普-1井附近分别为1至1.7公里，这归因于向东倾斜的东米德兰兹架台现今深度更深（Green，1989年）。英国南北海盆地也报告了类似的剥蚀值，并得到压实研究的证实（Hillis，1995年；Green等人，2018年）。南北海盆地没有来自AFTA的最大古温度数据，然而Green等人（2018年）显示从东米德兰兹架台到南北海盆地埋藏深度向东增加。因此，英国南北海盆地的最大埋藏温度可能超过100°C，特别是在苏尔皮特盆地附近。AFTA数据表明，东米德兰兹架台和英国南北海盆地的剥蚀发生在早新生代和中新生代（剥蚀2和3），在苏尔皮特盆地倒转轴以外几乎没有下白垩纪剥蚀（剥蚀1）的证据（Green等人，2001b年；Green等人，2018年）。5.3.4. 威塞克斯和布里斯托尔海峡盆地威塞克斯和布里斯托尔海峡盆地的阿普提亚-阿尔布不整合面，由于剥蚀1作用，截断并被侵蚀了二叠纪至下白垩纪地层，位于上白垩纪沉积物之下（Kamerling，1979年；Underhill和Stoneley，1998年）。在威塞克斯盆地中，剥蚀1在波特兰-怀特扰动区以北最为明显（Bray等人，1998年；Worden等人，2016年）。三叠纪地层中下白垩纪AFTA古温度最大值从东南德文郡的65到95°C向东增加到Wytlch农场的95±5°C（Carter等人，1995年；Bray等人，1998年）（图16）。在波特兰-怀特断层以南，最大古温度约在早新生代达到，即剥蚀2和3之前。在布里斯托尔海峡盆地，AFTA数据表明索默塞特郡北部下白垩纪的最大古温度为80±5°C（Carter等人，1995年），与丽阿斯组的煤镜质体反射率温度约80°C一致（Cornford，1986年）。AFTA、地层和构造数据表明，威塞克斯和布里斯托尔海峡盆地的新生代剥蚀可能在古近纪开始并持续到新近纪（剥蚀2和3，图15）（Bray等人，1998年；Holford等人，2005年；Hillis等人，2008年；Worden等人，2016年）。然而，威塞克斯盆地新生代剥蚀的画面有些混乱；在朴茨茅斯岛上，在侵蚀和强烈变形的上白垩纪岩石之上覆盖着始新世沉积物（Plint，1982年），表明在古近纪有一个最后的剥蚀阶段（即剥蚀2），但也有人将威塞克斯盆地最后阶段的剥蚀归因于阿尔卑斯（新近纪）事件（即剥蚀3）（Bray等人，1998年）。5.4. 成岩作用过程成岩作用包括沉积后物理、化学和生物过程的广泛谱系，通过这些过程，原始沉积组合及其孔隙水反应以达到与其环境的纹理和地球化学平衡（Worden和Burley，2003年；Bj?rlykke，2014年）。正如5.2节所述英国范围的剥蚀事件和5.3节所述英国三叠纪盆地最大古温度和温度-埋藏时间历史，英国中生代盆地具有复杂的温度-深度-时间历史，反映了多个阶段的埋藏和随后的抬升。某些盆地中的三叠纪岩石通过各种剥蚀事件被带到地表，而其他盆地经历了较少剥蚀相关的抬升，保持在适合CO?和H?封堵的深度，以及发育GDF（图15）。MMG盆地的最大埋藏温度从<60到>110°C不等（图16）。尽管如此，目前对不同的温度-时间-深度历史如何改变MMG的原始纹理和矿物学知之甚少。以下部分描述了通过MMG的岩心和露头岩石学研究报道的成岩过程范围。这些过程在图17中进行了总结。我们还推测了目前缺乏确凿证据但可能影响MMG的埋藏成岩过程。注意，以下部分不包括早期成岩作用，因为这些过程已在3 MMG矿物学和岩石学以及4 MMG沉积学中涵盖。早期成岩作用包括在沉积物表面或附近发生的所有过程，其中孔隙水的化学性质主要由沉积环境控制（Worden和Burley，2003年）；在MMG中这包括孔隙蒸发岩和黏土矿物生长以及早期碳酸盐胶结等过程（图17）。5.4.1. 埋藏成岩作用（中成岩作用）中成岩作用发生在沉积物从沉积环境影响通过到低级变质作用最早阶段的过程中（Worden和Burley，2003年）。虽然中成岩作用大致等同于埋藏成岩作用，但它可以在最大埋藏之后继续发生，当沉积盆地经历抬升和冷却时（Worden和Burley，2003年）。影响中成岩作用的主要因素包括埋藏和流体压力历史、温度-时间历史、原始矿物学和构造、与相邻岩性的物质损失和获得（所谓的"物质转移"）、孔隙水的地球化学以及石油相关流体的存在（Worden和Burley，2003年）。压实过程中的物理过程在埋藏过程中随着有效应力增加而降低孔隙度，这是温度低于约70°C时的主导过程（Aplin和Macquaker，2011年）。作为对压力、温度和孔隙水组成变化的响应，在早期成岩条件下原本稳定的矿物组合倾向于变得不稳定，从而反应生成新的自生矿物。温度和有效应力的增加促进了一系列脱水反应。首先，石膏脱水为亚稳态硬石膏（图17），伴随着约40%的体积缩减（Jowett等人，1993年），通常在40°C以上（深度在450米到1200米之间），具体取决于盐度、覆压、孔隙压力和地热梯度（Jowett等人，1993年；Worden和Burley，2003年；Llana-Fúnez等人，2012年；Cooper，2020年）。其次，富羟基黏土矿物转化为贫羟基黏土矿物；例如，蒙脱石通过中间混合层伊利石-蒙脱石转化为伊利石（图17），发生在约70到100°C的温度下（Worden和Burley，2003年；Aplin和Macquaker，2011年）。由于反应是动力学控制的，在70°C以上温度时矿物反应成为泥岩物理变化日益重要的驱动力（Aplin和Macquaker，2011年）。由于蒙脱石比伊利石更富硅，伊利石化（约70°C以上）产生多余的二氧化硅，可以在黏土基质中沉淀为微晶石英（Aplin和Macquaker，2011年）（图17）。早期成岩非铁碳酸盐胶结物重结晶为铁方解石在约100°C时开始（Worden和Burley，2003年）（图17）；在MMG中已报道了具有Fe分带的中成岩菱面体方解石（Plant等人，1999年；Armitage等人，2013年）。正如3.2节所述，MMG中高岭石的缺失可能是原始物源、气候控制的结果，也可能是成岩反应的结果，例如与K-长石反应（图17）生成伊利石和石英。大多数MMG样品中存在K-长石和斜长石（见补充材料）。破坏或生成这些矿物的反应尚未从MMG中详细描述，然而富钙斜长石和K-长石的钠长石化是深埋沉积盆地中的常见过程（可能在约100°C以上，尽管钠长石化窗口变化很大）（Milliken，2003年）。5.4.2. 抬升成岩作用（终成岩作用）终成岩作用发生在早期或埋藏成岩作用孔隙水被抬升期间随后的稀释大气降水渗入所替代时（Worden和Burley，2003年）。盆地倒转和构造抬升创造断层系统和裂缝廊道，这些作为大气降水进入压实后低渗透率泥岩的优先通道。大气降水通常非常稀薄、氧化性强，并且相对于CO?呈饱和状态，因此本质上具有潜在的酸性（Worden和Burley，2003年）。因此，大气降水的渗入通常负责长石溶解和还原性含铁矿物（如铁方解石）的氧化（Worden和Burley，2003年）。然而，鉴于MMG的一般低渗透率（Armitage等人，2016年；Harrington等人，2018年），与砂岩不同，我们认为抬升期间的矿物反应不太可能显著贡献于MMG成岩作用。相反，大气降水通过开放断层和裂缝渗入所产生的过程将是MMG在最终抬升阶段（样品距地表仅几十米时）改变的主导贡献者。改变MMG的关键终成岩作用过程总结于下文。如4.1.5节所述，蒸发岩溶解和随后硅质碎屑的角砾化（图13，图17）已被报道为重要的终成岩作用，特别是在含石盐的盆地如柴郡盆地和东英吉利盐盆地中。存在于较浅深度（<200米）的大多数崩塌角砾被认为产生于相对近期，由大气降水（如冰川地下水）渗入和随后石盐溶解所致（Wilson，1990年）。东米德兰兹架台的沉降被归因于BMF中新诺克和图特伯里石膏层的溶解（Cooper，2020年）。抬升期间大气降水渗入（如沿断层和裂缝）导致硬石膏再水合为石膏（图17），伴随着固体体积增加61到63%（Cooper，2020年）。这种增加可产生1 MPa到5 MPa的膨胀压力，足以引起>80米的覆岩隆起（Cooper，2020年）。MMG中的一些石膏脉在相邻石膏结核之间形成连通镶嵌体；这些脉被解释为与硬石膏到石膏转化引起的膨胀有关（Philipp，2008年）。额外的近水平石膏脉，并不总是与结核相关，据推测是通过水力压裂形成的（Cosgrove，2001年；Meng等人，2017年）（图17）。也出现石盐脉，但它们似乎不太常见（Wilson，1993年；Hobbs等人，2002年；Philipp，2008年；Howard等人，2009年）。布里斯托尔海峡盆地出露的石膏脉（图12d）已被详细描述，并倾向于形成倾斜于或平行于层理的组系（Cosgrove，2001年；Philipp，2008年；Meng等人，2017年；Meng等人，2018a年；Meng等人，2018b年；Meng等人，2019年）（图12d）。我们对MMG钻孔岩心中石膏脉的观察表明，大多数呈近水平方向，但值得注意的是，陡倾角脉可能因方向偏差而被低估（Terzaghi，1965年）。正如Warren（2006年）所总结的，石膏脉通过两种主要机制形成，这两种机制也被提议用于解释MMG中此类脉的形成：(1) 主动过程，即由于硬石膏到石膏转化相关的体积增加而迫使裂缝张开（Cosgrove，2001年；Philipp，2008年）；以及(2) 被动过程，即与盆地倒转相关的水力裂缝中石膏的沉淀（Meng等人，2017年）。

预先存在的石膏脉可因结晶力继续扩展，其所需的硫酸钙（CaSO?）由周围围岩通过扩散过程提供（Meng 等，2017）；扩散是脉体形成的重要过程，可形成厚度达10 cm的脉体（Bons 等，2012）。

## 6. 讨论

### 6.1 多尺度沉积与成岩非均质性对MMG封隔性能的影响

评价封隔层防止储层流体逸散的有效性，通常需通过岩石物理分析（即封隔质量，如孔隙度和渗透率）、毛管入口压力（即封隔能力），以及对盖层岩性、厚度和连续性（即封隔几何学）及地力学性质（即封隔完整性）的理解来评估。这些要素可概括为"封隔潜力"一词（Armitage 等，2010；Kaldi 等，2013）。

目前欧洲考虑的放射性废物处置寄主岩层为相对均质的海相泥岩，如法国的卡洛沃-牛津粘土层（Armand 等，2017）、瑞士的奥帕林乌斯粘土层（Thury，2002）和比利时的布姆粘土层（Delage 等，2012）。MMG中从纳米孔隙到区域尺度的岩性和组成非均质性所带来的挑战，并非这些其他寄主岩层必然面临的问题。

非均质性是封隔性能的基础，因为它控制着流体迁移的速率、方向和路径。矿物组成、孔隙度和微观结构的变化会改变气体突破压力和孔隙连通性，使得平均性质可能无法真实反映非均质地层的封隔能力（Aplin and Macquaker，2011）。岩性和矿物学非均质性可将浮力流体导向高渗透区域，如裂隙和断层。因此，地质储存项目的稳健封隔评估需要进行包含多尺度空间非均质性的表征和建模，而非依赖于均质端元性质（Aplin and Macquaker，2011）。例如，正如Espinoza和Santamarina（2017）所指出的，使用平均孔喉尺寸会导致突破压力被高估，因为气体优先沿由较大连通孔隙构成的渗流路径侵入。

#### 6.1.1 孔隙尺度特征：矿物学与孔隙特性

矿物学是控制封隔性能的根本因素。例如，层状岩盐地层众所周知能形成优良的封隔层，因为其中具有极高的气体入口压力、极低的渗透率和延展性（Urai 等，1986；Holness and Lewis，1997）。此外，岩盐在应力作用下具有流动和再退火的倾向，这意味着其不易破裂（Warren，2006；Morris 等，2026）。值得注意的是，英国大多数三叠纪油气田都具有包含厚层状岩盐的MMG封隔层（Yaliz and Taylor，2003；Chedburn 等，2022），因此硅质碎屑岩MMG段落的封隔性能不如前者可靠（Head 等，2026）。

富含粘土矿物的封隔层通常具有较小的孔喉尺寸，导致较高的毛管入口压力和较低的渗透率（Dewhurst 等，1999a；Espinoza and Santamarina，2017）。因此，在MMG中（不含岩盐），富粘土岩性（图7）相比于以粉砂和砂为主的层位，代表最佳的封隔单元（Armitage 等，2016）。此外，泥质岩通常表现出有利的力学性质，如高延展性、较低的可裂性和自封特征，特别是在存在膨胀性粘土时（Ingram and Urai，1999）。伊利石和蒙脱石等粘土矿物可吸附气体和放射性核素，这是地质处置库中重要的滞留方式（Busch 等，2016；Hoving 等，2019；Norris，2019）。粘土矿物比例是封隔性能的关键驱动因素，但MMG中粘土矿物比例存在很大差异（图7）。

贫粘土、富含石英和长石的岩石（图7）往往含有更大且连通性更好的孔隙，导致较低的毛管入口压力（Jones 等，2025），因此增加了泄漏的可能性。成岩硫酸钙、碳酸盐（方解石和白云石）和石英胶结物可堵塞孔喉，通常能改善封隔质量（即孔隙度和渗透率）（Armitage 等，2016）。然而，此类胶结物（尤其在后两种情况下）会降低机械脆性，从而增加断裂生成风险并降低自封潜力（Jarvie 等，2007；Jin 等，2014；Ba 等，2021）。粒间胶结也是控制岩石力学性质的主要因素，如声波速度、杨氏模量和泊松比（Jarvie 等，2007；Milliken and Olson，2017；Fisher 等，2023）。

在埋藏过程中，沉积岩的矿物学和孔隙特性会因温度和垂直应力增加而发生改变（Bj?rlykke，2014）。例如，蒙脱石向伊利石的转变发生在70至90°C之间（第5.4.1节），该温度范围适用于英国大多数盆地（第5.3节）。因此，埋藏最深（如东爱尔兰海盆地，EISB）的盆地不太可能含有蒙脱石。伊利石化产生的过量硅可沉淀为粒间石英胶结。胶结作用是动力学控制的，因此在经历过高埋藏温度或长期处于高温状态的盆地中，MMG的胶结程度最高。超固结比（OCR），即最大垂直应力（因埋藏）与现今垂直应力之比，被认为是控制盖层性能的关键因素，OCR大于2.5被视为高风险（Fisher 等，2023）。经历埋藏温度最高的地区（图16）将具有最高的OCR。这些区域包括海上东爱尔兰海盆地和苏格兰北海盆地（图15），它们是许多净零项目的主要目标区域（图1）。相比之下，英格兰中部地区的MMG埋藏温度为英国最低（图15，图16）。

#### 6.1.2 岩心尺度特征：裂隙、相和沉积构造

在岩心尺度上，裂隙和沉积岩相控制着MMG封隔层的性能。在CO?注入过程中，如果流体压力与浮力之和超过破裂压力，可能在封隔层中引发水力裂缝（Ingram and Urai，1999；Hawkes 等，2005；Bohloli 等，2017）。在放射性废物处置库中，由于工程屏障腐蚀和有机质降解产生的气体（H?、CH?和CO?），可能发生超压（Hicks 等，2012）。

Dewhurst等（1999b）指出，泥岩中的断层和裂隙既可能增强流体流动，也可能相反地阻碍流体流动。泥岩中的许多裂隙是完全或半封闭的（Gale 等，2014）。因此，MMG中的石膏脉（第5.4.2节）可能因隔室化作用而成为流体流动的屏障，从而改善封隔性能（Kaldi 等，2013）。然而，升高的流体压力（如由CO?注入导致）会减小有效正应力，可能导致脉体重新活动和张开，沿这些先存薄弱面引发水力裂缝的起始和扩展（Kaldi 等，2013）。即使在看似完全矿化的裂隙中，纳米尺度晶界通道也可能导致裂隙渗透率高于周围泥岩基质（Landry 等，2016）。因此，对断层和先存裂隙（如贯穿MMG的石膏脉）的表征，对于评估通过已存在开放和半封闭裂隙或由裂隙重新活化导致的流体逸散风险至关重要。

沉积构造如细条带状层理（第4.1.2节）会产生岩石物理各向异性，可能将流体导向较粗粒、渗透率较高的条带层。这些沉积特征也会导致力学各向异性，使裂隙水平扩展，即使在构造应力场为拉张的盆地中也如此（Peng 等，2018；Zhou 等，2022）。值得注意的是，软沉积变形构造（第4.1.2节），包括早期流体逃逸构造、角砾化以及较少见于MMG的生物扰动，则会降低各向异性（Aplin and Macquaker，2011）。然而，即使在岩心尺度缺乏可观察层理的岩性中（如块状泥岩和粉砂岩，第4.1.1节），由于粘土矿物在沉积和埋藏过程中优先水平排列，渗透率各向异性仍可能发生（Yang and Aplin，2007）。

#### 6.1.3 盖层尺度特征：断层和裂隙网络、净比总比和沉积架构

在细粒、低孔隙度岩石中，任何开放裂隙对岩体渗透率的贡献远大于基质（Amann-Hildenbrand 等，2012；Gale 等，2014）。流体通过连通良好的开放裂隙网络的流动通常比基质大几个数量级，且渗透率对裂隙宽度高度敏感（Philip 等，2005）。即使在未连通的裂隙系统中，裂隙也会导致渗透率显著变化，使其增加至一个数量级，主要受裂隙长度分布和裂隙间基质渗流路径渗透率的影响（Philip 等，2005）。许多过程可导致裂隙封闭，最广泛证实的原因是矿物化，此外还有如高正应力、剪切和粘土矿物膨胀等（Bock 等，2010；Gale 等，2014；Gale 等，2022；Berry 等，2025）。

MMG单个样品中记录的渗透率各向异性kh/kv比值高达1550（有效压力约70 MPa时）（Armitage 等，2016；Jones 等，2026）。Jones等（2026）估算MMG的放大后各向异性比值为5219，表明流体强烈偏好沿渗透率较高的水平路径迁移，例如细至中粒河道和片流砂岩（ASF和TSF中，第4.1节）。尽管这些岩性中含有成岩碳酸盐和硫酸钙胶结物（Jones 等，2025），其渗透率仍显著高于周围更细粒的沉积物。根据Jones等（2026）的测量，MMG中砂岩岩性的垂直渗透率在1.13×10?1?至2.83×10?1? m2之间，水平渗透率在6.92×10?1?至10×10?1? m2之间。更细粒的沉积物（如SMF中）渗透率通常较低，垂直渗透率在1.8×10?21至2.75×10?1? m2之间，水平渗透率在5.29×10?21至2.83×10?1? m2之间。因此，这些砂岩岩性很可能成为流体迁移的主要通道，其逸散风险取决于其几何形态、横向延伸范围以及与其他渗透性单元和潜在的导水性断层或裂隙的交汇情况（如前所述）。

MMG中层状砂岩的几何形态（第4.1.3节）是一个重大知识空白，应加以研究以评估其对封闭性能的影响。从地质细胞建模的角度来看，需要掌握以粉砂和砂为主的层位的宽厚比数据，这些数据可来自MMG或类似地层。例如，正如Fisher等（2008）所描述的，艾耶湖的干盐湖沉积物的沉积架构（与MMG类似，第4.2节）变化极大。分流河道厚度为100至170 cm，宽度小于150 m，而近端和远端侧翼沉积厚度为10 cm至60 cm，宽度范围为1.8 km至3.5 km。因此，结合高分辨率地球物理数据对岩心材料进行沉积学分析，对于约束这些高渗透区域在潜在场址的横向连续性和连通性至关重要。MMG保存完好的露头非常稀少，因此现代类似环境（第4.2节）将为这些高风险区域的沉积架构、几何形态和横向连续性提供有用的约束条件。

## 7. 结论

MMG等细粒大陆沉积物在英国和国际上对地下储存和处置具有重要的战略意义。本文的研究结果强调了多尺度沉积和成岩非均质性对多种能源转型技术的此类地层封隔性能的重要性。

烃类的圈闭作用以及细粒、低孔隙度、低渗透率和延展性泥岩岩性和蒸发岩的存在，证明了MMG具有有效圈闭流体数百万年的强潜力。然而，封隔性能取决于空间相互关联的岩相的厚度和几何形态。为了有效圈闭流体，这些高封隔质量（低孔隙度和低渗透率）的岩相需要是厚的、完整的（即不包含连通的开放裂隙或断层）并且横向连续延伸的。相反，较高渗透率区域（通常为MMG以粉砂岩和砂岩为主的区域）是高风险区域，必须识别并加以规避。因此，我们强调需要进行场址特异性表征。地震成像可能有用，但岩心数据对于识别这些高风险区域是不可或缺的。

现代盐湖和古代盐湖沉积物（第4.2节中提供了若干相关引用）为MMG内部高渗透性层的横向连续性提供了有价值的类比约束。除有助于在地质储存与处置的背景下加深对MMG的理解之外，本次综述还解决了以下几个地质挑战：1. 本研究首次汇总了MMG所有已知的矿物学数据，结果表明由于各种碎屑矿物以及早期成岩和埋藏期成岩矿物的比例差异，MMG的矿物组成存在相当大的变化。我们强调，矿物组成数据总体匮乏。2. MMG在岩相方面的高度非均质性是众所周知的。本文将该变异性归纳为五个主要类别：块状泥岩和粉砂岩、层状岩性、混合沉积岩性、层状砂岩，以及蒸发岩和蒸发岩溶解角砾岩。这一简化分类为制定更精细的岩相方案奠定了基础，并便于在英国范围内对MMG进行比较，例如在英格兰西南部的海岸露头与近海及近岸EISB和SNSB勘探场地的地下岩心之间进行比较。3. 与第2点相关，MMG原始沉积非均质性的成因一直是个谜。本研究汇编了类似现代和古代系统的文献，强调了大陆盐湖在相互关联的沉积环境方面所具有的时空复杂性。由于露头信息有限，这些现代和古代类比系统对于提高MMG岩相在钻孔岩心以外横向变异的预测至关重要，而这一信息对于确保安全的长期地质储存至关重要。4. 在此，我们讨论了关于MMG中海相影响程度的长期争论。公认的判断海相与非海相蒸发岩序列的标准表明，MMG的大部分是在内陆大陆盐湖系统中沉积的，但塔珀利粉砂岩和蓝锚岩层等特定层位包含海相影响的有力证据。MMG中的岩盐似乎主要起源于大陆环境，尽管英格兰北部阿尼色阶岩盐盆地显示出海相影响的迹象。广泛分布的卡尼阶岩盐未记录到海相来源的证据，而卡尼阶阿登砂岩岩组的古生物学数据也排除了海相起源。我们得出结论，MMG中的海相影响在空间和时间上存在变化；MMG既非海相起源也非完全大陆起源。未来研究对于英国中三叠世至晚三叠世海相影响时空范围的探索具有广阔的前景。5. 以往汇编磷灰石裂变径迹分析（AFTA）数据的研究已经探讨了中生代至新生代剥露的幅度和时间（例如，Hillis等，2008；Jess等，2024），而本文首次比较了英国中生代盆地的最大埋藏温度，这些盆地之间表现出显著差异。因此，不存在与近海EISB和SNSB完全类比的内陆盆地；从内陆盆地采集的岩样获得的实验数据必须谨慎对待。本文确定的三个阶段相关剥露（早白垩世、晚白垩世至古近纪以及中新世）与此前提到的研究结果一致。MMG具有成为多种能源转型技术的有效盖层和宿主岩的强有力潜力，包括放射性废物处置、碳捕集与封存（CCS）和地下储氢（UHS）。然而，需要进一步加深对以下方面的理解：(1) MMG中成岩作用的类型和范围及其对关键岩石性质的影响；(2) 岩石物理性质（如孔隙度、渗透率、毛管进汞压力）和力学性质的变化与岩性非均质性及温度-深度-时间历史之间的关系；(3) MMG的盐湖沉积学，特别是沉积岩相的横向变异性；以及(4) 既有裂缝的类型及其再活动和自封闭的潜力。资助信息本研究资金由英国国家核实验室和利物浦大学提供。作者还感谢自然环境研究委员会和核废物服务局提供的支持[资助编号NE/Y002512/1]。文中表达的任何观点、发现、结论或建议均为作者所有，不一定反映GeoDRAW项目资助方、NERC和NWS的观点。稿件准备过程中生成式人工智能和AI辅助技术的声明在准备本工作期间，作者仅使用Perplexity和Claude AI服务进行校对。使用此工具/服务后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对已发表文章的内容承担全部责任。未引用参考文献Wang等，2024Jonathon A. McEvoy | Richard H. Worden | Joshua Griffiths | Nicholas T. Smith | Daniel R. Faulkner | Samuel T.J. Jones | Holly J. Mills | Kevin G. Taylor利物浦大学地球、海洋与生态科学学院，Jane Herdman大楼，Brownlow街4号，利物浦L69 3GP，英国