高遠(yuǎn)，Alan R.Carroll，王成善

1.生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083

2.威斯康星大學(xué)麥迪遜分校地球科學(xué)系，麥迪遜，威斯康星州 53706，美國(guó)

0 引言

沉積學(xué)與地層學(xué)的經(jīng)典理論往往要求古環(huán)境保持穩(wěn)定或者緩慢而連續(xù)的變化。百年前提出的“瓦爾特相律”為分析沉積相和沉積環(huán)境、探討地層時(shí)空關(guān)系奠定了理論基礎(chǔ)[1-4]。瓦爾特相律的涵義是“只有橫向上相互毗鄰的相和相區(qū)，才能在縱向上原生疊覆在一起”，“相”具有沉積環(huán)境和沉積物雙重意義，相律應(yīng)用的前提是沉積環(huán)境緩慢連續(xù)變化。瓦爾特相律的拓展和延伸構(gòu)成了層序地層學(xué)的理論基礎(chǔ)，并在油氣地質(zhì)學(xué)和諸多沉積巖相關(guān)研究領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用[5-6]。

然而在沉積學(xué)和地層學(xué)研究中，越來(lái)越多的發(fā)現(xiàn)一些不遵循瓦爾特相律的地質(zhì)現(xiàn)象，例如在整合的地層中出現(xiàn)突然的、不連續(xù)的相變，導(dǎo)致這些“非瓦爾特相律”相變的重要原因是古環(huán)境快速的、顯著的變化。這些相變界面往往也是巖石地層學(xué)、年代地層學(xué)、層序地層學(xué)、地震地層學(xué)中明顯的地質(zhì)界面，代表了古環(huán)境劇變事件，但是在經(jīng)典的沉積學(xué)和地層學(xué)理論中缺少一個(gè)合適的術(shù)語(yǔ)描述此類(lèi)界面。為此，美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校沉積學(xué)家Alan R.Carroll 教授于2017 年提出了“異整合面（xenoconformity）”的概念，來(lái)描述古環(huán)境劇變事件導(dǎo)致沉積體系發(fā)生根本性變化而產(chǎn)生的相變界面[7]。值得關(guān)注的是，近兩年來(lái)我國(guó)學(xué)者提出全球非常規(guī)油氣資源沉積富集與重大地質(zhì)環(huán)境突變密切相關(guān)[8-9]，與異整合面相關(guān)的古環(huán)境劇變事件往往直接影響有機(jī)質(zhì)的埋藏和富集，是非常規(guī)油氣沉積學(xué)研究的重要內(nèi)容之一，對(duì)尋找非常規(guī)油氣資源具有重要指導(dǎo)意義。因此，在之前研究的基礎(chǔ)上，本文對(duì)異整合面的定義和基本原理做進(jìn)一步討論，舉例說(shuō)明不同沉積環(huán)境下典型的異整合面，尤其重點(diǎn)闡述異整合面在含油氣盆地中的特征和意義，希望能為解決沉積學(xué)、地層學(xué)和油氣地質(zhì)學(xué)研究中的某些問(wèn)題有所幫助。因筆者學(xué)識(shí)所限，文章疏漏之處尚望同行專(zhuān)家斧正。

圖1 異整合面的概念模型及與其他地質(zhì)界面的關(guān)系圖中橫軸X-Y代表空間距離，縱軸數(shù)字1-7代表時(shí)代由老到新，灰度變化代表沉積相遷移。對(duì)瓦爾特相律、層序界面、整合面、不整合面、異整合面的討論參見(jiàn)正文。修改自文獻(xiàn)[7]Fig.1 Schematic models for xenoconformity and other related stratigraphic surfaces

1 異整合面的涵義

異整合面是盆地尺度到全球尺度根本性的、突然的、持續(xù)性的沉積相變產(chǎn)生的地層界面[7]（圖1c）?！案拘裕╢undamental）”指異整合面上下沉積體系發(fā)生徹底改變；“突然（abrupt）”指相變發(fā)生迅速，表現(xiàn)在地層記錄上是一個(gè)界面或者很薄的一層；“持續(xù)性（persistent）”指相變突然發(fā)生后在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)環(huán)境保持穩(wěn)定，而不是沉積相周期性變化。在地層記錄中，異整合面具有巖性突變、沉積相或相組合突變、生物滅絕、地球物理界面（如地震反射界面）、地球化學(xué)信號(hào)突變（如穩(wěn)定同位素偏移）等不同特征[7]。快速的、顯著的、不可逆的古環(huán)境劇變事件是導(dǎo)致異整合面發(fā)育的根本原因，這決定了此類(lèi)界面的發(fā)育不遵循瓦爾特相律，而是記錄了沉積體系的突然轉(zhuǎn)變[7]。

異整合面與整合面（conformity）、不整合面（unconformity）涵義不同卻有關(guān)聯(lián)。整合面是連續(xù)沉積、沒(méi)有明顯沉積間斷的地層界面，通常是在穩(wěn)定的或者緩慢連續(xù)變化的沉積環(huán)境下形成的[10]（圖1a）。然而，快速的、顯著的沉積環(huán)境變化可能導(dǎo)致連續(xù)沉積的地層中出現(xiàn)明顯相變，這一類(lèi)具記錄明顯相變的整合面即是異整合面（圖1c）。不整合面是具有顯著沉積間斷的地層界面，常被認(rèn)為不遵循瓦爾特相律[10]（圖1b，c）。但是，導(dǎo)致不整合面發(fā)育的因素包括構(gòu)造運(yùn)動(dòng)（如地殼抬升和地表風(fēng)化剝蝕）、氣候環(huán)境變化（如冰川作用導(dǎo)致海平面下降、干旱氣候?qū)е潞矫嫦陆担┑榷喾N。如果沉積間斷僅僅由構(gòu)造剝蝕導(dǎo)致、間斷期間環(huán)境緩慢變化，理論上并不違背瓦爾特相律，就連瓦爾特本人也認(rèn)為地層剝蝕（erosion）僅僅是另一種表現(xiàn)形式的相[2,11]（圖1b）。本文認(rèn)為，由于地質(zhì)學(xué)家往往對(duì)沉積盆地中不整合面的特征和成因有較好的認(rèn)識(shí)，識(shí)別和研究整合地層中的異整合面、分析其形成的古環(huán)境背景在未來(lái)沉積學(xué)和地層學(xué)研究中可能具有更重要的意義。

層序地層學(xué)中的“層序界面”是與異整合面涵義較接近的地層學(xué)術(shù)語(yǔ)。層序地層學(xué)的理論基礎(chǔ)是地層層序疊加樣式受控于沉積物供給和可容納空間變化，本質(zhì)上依附于瓦爾特相律[5-6]。層序界面是劃分層序的不整合面及其相關(guān)的整合面，通常是一些海（湖）泛面或者暴露侵蝕面[5-6]（圖1b）。異整合面與層序界面的概念相對(duì)比，一方面兩者有不同之處，前者可以完全是一個(gè)整合面，只要沉積相突變是由快速的、顯著的古環(huán)境劇變所導(dǎo)致，后者通常至少含有部分不整合面，而且可以由緩慢的沉積相變所形成的；另一方面，由古環(huán)境劇變導(dǎo)致的、不遵循瓦爾特相律的層序界面即是異整合面，這時(shí)兩個(gè)概念的涵義又是一致的[7]（圖1c）。

另一個(gè)與異整合面涵義相關(guān)的概念是“事件沉積”或“事件地層”。事件沉積是罕見(jiàn)的地質(zhì)事件保留下來(lái)的沉積記錄[12]。事件地層是利用等時(shí)的、空間分布廣的、可在地層中留下記錄的地質(zhì)事件來(lái)劃分對(duì)比地層的方法[13]。事件沉積、事件地層和異整合面的相似之處是它們都關(guān)注古環(huán)境劇變這類(lèi)地質(zhì)事件的沉積記錄，但是前兩者還關(guān)注火山爆發(fā)、地震等地質(zhì)事件的直接記錄（如火山灰），即使事件沒(méi)有產(chǎn)生明顯的環(huán)境效應(yīng)。此外，有些地質(zhì)事件可以造成古環(huán)境短暫變化，但是不會(huì)根本性改變沉積體系，例如濁流事件、風(fēng)暴事件等，由此而產(chǎn)生的地層界面也不屬于異整合面。

2 陸相地層中的異整合面

陸地環(huán)境具有類(lèi)型多樣、變化頻繁、波動(dòng)顯著等特點(diǎn)，因此理論上陸相地層中容易發(fā)育異整合面。湖泊沉積對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)非常敏感，而且時(shí)間上相對(duì)連續(xù)、空間分布較為局限，因此異整合面更可能在湖泊盆地中保存下來(lái)[7]。本節(jié)以北美古近系綠河組、松遼盆地白堊系和準(zhǔn)噶爾盆地二疊系中的異整合面為例，探討古環(huán)境劇變?cè)陉懴嗪磁璧刂械挠涗浖捌渑c油氣資源分布的潛在聯(lián)系。

2.1 北美古近系綠河組異整合面

北美科迪勒拉造山帶東側(cè)的褶皺逆沖帶中分布著一系列小型陸相湖泊盆地，這些盆地在白堊紀(jì)晚期到古近紀(jì)早期接受沉積[14-15]。其中綠河組（Green River Formation）是一套始新世早中期的湖泊沉積，主要分布在美國(guó)懷俄明州、科羅拉多州、猶他州等地，沉積厚度可達(dá)兩千米[15-16]。綠河組保存了完整的地質(zhì)歷史時(shí)期湖泊體系演化信息，記錄了古近紀(jì)早期陸地極熱氣候，同時(shí)蘊(yùn)藏了豐富的油頁(yè)巖、煤、鹽類(lèi)沉積等資源和礦產(chǎn)，因此長(zhǎng)期以來(lái)是陸相沉積學(xué)和地層學(xué)研究的熱點(diǎn)[7,15-17]。

根據(jù)巖性、地層疊加樣式、沉積構(gòu)造、古生物類(lèi)群和有機(jī)質(zhì)含量等資料，綠河組的沉積特征可以歸納為三種沉積相組合（facies associations）：河流湖泊相組合（fluvial-lacustrine）主要特征是含有淡水生物化石和煤層的進(jìn)積層序，波動(dòng)深湖相組合（fluctuating-profundal）主要特征是進(jìn)積和加積層序、耐高鹽度的生物化石和富含I型有機(jī)質(zhì)的暗色泥巖，蒸發(fā)相組合（evaporative）主要特征是加積層序、含有蒸發(fā)鹽礦物、泥巖有機(jī)質(zhì)類(lèi)型多樣[16-18]。不同沉積相組合之間通常以明顯的層面或者幾厘米到幾十厘米的過(guò)渡層相分隔，并且這些層面或薄過(guò)渡層在盆地內(nèi)是穩(wěn)定連續(xù)的[19-21]。綠河組Wilkins Peak段（WPM）和上覆Laney 段LaClede 層（LLB）之間的界面就是一個(gè)典型代表（圖2）。WPM沉積特征為蒸發(fā)相的富鈉碳酸鹽層，缺少湖相生物化石，有機(jī)質(zhì)富集程度低，基于費(fèi)舍爾含油率分析（Fischer assay）每噸巖石產(chǎn)油率峰值在1～2 加侖[21-22]（圖2）。反之，上覆LLB 不含蒸發(fā)鹽礦物，卻含有大量的魚(yú)和水生節(jié)肢動(dòng)物化石，其空間分布范圍比WPM 更廣，有機(jī)質(zhì)富集程度高，費(fèi)舍爾分析顯示每噸巖石產(chǎn)油率峰值達(dá)到8～9 加侖[21-22]（圖2）。

圖2 北美古近紀(jì)綠河組WPM-LLB 異整合面圖中巖性地層據(jù)綠河組WM-1巖芯；鍶同位素?cái)?shù)據(jù)中，豎虛線代表WPM頂部10米和LLB底部10 m的平均值，灰色框代表±1標(biāo)準(zhǔn)偏差；費(fèi)舍爾含油率分析柱狀圖不包括小于0.5加侖/噸的數(shù)據(jù)；粒度代號(hào)c-黏土，s-粉砂，vf-極細(xì)砂，f-細(xì)砂，m-中砂，c-粗砂。修改自文獻(xiàn)[7]。Fig.2 Xenoconformity at WPM-LLB boundary in the Paleogene Greenriver Formation

綠河組WPM-LLB界面是一個(gè)沉積相突變面，也是一個(gè)整合面，年代學(xué)證據(jù)支持界面上下沒(méi)有顯著的沉積間斷[15,23]。這個(gè)界面在多個(gè)鉆井和露頭剖面均可追索，與幾層火山灰大致平行，顯示其在盆地范圍內(nèi)連續(xù)穩(wěn)定分布[23]。同時(shí)，跨過(guò)界面發(fā)生了顯著的鍶同位素偏移，87Sr/86Sr 平均值從WPM 頂部的0.712 48變?yōu)長(zhǎng)LB底部的0.713 93，如此大的變化幾乎等于整個(gè)顯生宙海水鍶同位素的變化量，但是在綠河組卻出現(xiàn)在小于50 cm的薄層中（圖2）。

綠河組WPM-LLB界面是一個(gè)典型的異整合面。異整合面上下地層連續(xù)發(fā)育卻指示了截然不同的沉積環(huán)境，這無(wú)法用瓦爾特相律解釋。異整合面之下WPM 富含蒸發(fā)巖、不含魚(yú)化石說(shuō)明湖泊處于超咸化環(huán)境，有機(jī)質(zhì)含量低是因?yàn)楹矫娴颓也▌?dòng)頻繁導(dǎo)致生產(chǎn)力和保存條件較差。相反，異整合面之上LLB突然出現(xiàn)湖相生物化石、湖泊面積突然增大表明湖平面升高、湖水鹽度降低[21]。綠河組WPM-LLB 異整合面產(chǎn)生的原因是盆地東部的一條河流改道并注入湖泊帶來(lái)大量淡水，同時(shí)氣候變濕潤(rùn)降雨量增加，從而改變了湖盆流域的水文平衡，最終導(dǎo)致沉積環(huán)境劇變[7,20]。盆地東部前寒武紀(jì)巖石的風(fēng)化帶來(lái)大量高放射性鍶的沉積物引起鍶同位素快速升高，而湖泊沉積環(huán)境劇變決定了有機(jī)質(zhì)富集程度由低變高[20-21]。

2.2 松遼盆地白堊系異整合面

松遼盆地是位于我國(guó)東北地區(qū)的大型陸相含油氣盆地，其主要沉積時(shí)期是白堊紀(jì)，保存了厚度可達(dá)萬(wàn)米的陸相地層[24-25]。近年來(lái)開(kāi)展的“松遼盆地國(guó)際大陸科學(xué)鉆探工程”將在全球首次獲取整個(gè)白堊系連續(xù)完整的巖芯記錄[24-27]。開(kāi)展松遼盆地白堊系的沉積學(xué)、地層學(xué)和古環(huán)境研究具有重要意義，一是探索白堊紀(jì)溫室氣候時(shí)期陸地氣候環(huán)境變化的規(guī)律及其對(duì)生物演化的影響，為人類(lèi)社會(huì)應(yīng)對(duì)全球變暖提供科學(xué)借鑒；二是探討陸相盆地大規(guī)模有機(jī)碳埋藏的過(guò)程和規(guī)律，為支撐大慶油田未來(lái)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)[26]。

松遼盆地上白堊統(tǒng)發(fā)育兩套湖相暗色泥巖——青山口組和嫩江組一二段，也是盆地最重要的兩套烴源巖[24]。這兩套暗色泥巖上下是河流相或三角洲相沉積，可見(jiàn)截然的相變界面。以松科1井南孔巖芯為例，姚家組主要發(fā)育灰棕色、灰綠色粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和泥巖，為濱淺湖和三角洲相沉積，典型的古土壤結(jié)構(gòu)構(gòu)造表明沉積物常處于暴露環(huán)境[28]（圖3）。姚家組頂部巖性快速過(guò)渡到嫩江組一段底部的深灰色、灰黑色泥巖和油頁(yè)巖，后者指示半深湖—深湖的沉積環(huán)境[29]。伴隨著沉積相變，古生物和地球化學(xué)記錄還捕捉到介形類(lèi)豐度的增加、TOC增加、碳同位素負(fù)偏和鍶同位素正偏等信號(hào)[30-32]（圖3）。

姚家組和嫩江組一段的界面是一個(gè)異整合面。基于全盆地的沉積相研究表明，嫩江組一段開(kāi)始湖泊面積快速擴(kuò)張至20×104km2，湖水幾乎覆蓋了整個(gè)盆地，這與姚家組大型三角洲發(fā)育的環(huán)境截然不同[24-25]。快速湖侵可能是氣候環(huán)境事件與構(gòu)造沉降共同作用的結(jié)果，松科1井的孢粉指標(biāo)證明跨過(guò)姚家組—嫩江組一段異整合面氣候快速變濕變冷[33]。鍶同位素的正偏指示了物源自西向東的轉(zhuǎn)變，有孔蟲(chóng)化石和海相生物標(biāo)志物指示了嫩江組一段的快速海水入侵事件，河流注入和海水入侵可能進(jìn)一步加劇了湖泊擴(kuò)張[30-31,34]（圖3）。沉積體系的突然轉(zhuǎn)變促進(jìn)了生物群的繁盛和生產(chǎn)力的提高，湖泊分層導(dǎo)致了湖底高鹽度缺氧環(huán)境，最終導(dǎo)致大量有機(jī)質(zhì)的保存[32]。

圖3 松遼盆地上白堊統(tǒng)姚家組—嫩江組界面異整合面（據(jù)文獻(xiàn)[31-34]修改）Fig.3 Xenoconformity at the boundary of Yaojia Formation and Nenjiang Formation in the Cretaceous Songliao Basin(modified from references [31-34])

2.3 準(zhǔn)噶爾盆地二疊系異整合面

準(zhǔn)噶爾盆地是位于我國(guó)西北地區(qū)的大型多期含油氣疊合盆地，沉積了自古生代至新生代的地層[35-36]。二疊紀(jì)是盆地演化的一個(gè)重要階段，期間盆地經(jīng)歷了構(gòu)造體系轉(zhuǎn)變、沉積環(huán)境由海向陸轉(zhuǎn)變、古氣候顯著波動(dòng)和大規(guī)模有機(jī)碳埋藏等一系列地質(zhì)過(guò)程[37-38]。同時(shí)，二疊系也發(fā)育了準(zhǔn)噶爾盆地最重要的烴源巖，有代表性的烴源巖層位包括下二疊統(tǒng)風(fēng)城組和中二疊統(tǒng)蘆草溝組等[38-39]。

下二疊統(tǒng)風(fēng)城組主要發(fā)育在準(zhǔn)噶爾盆地西北緣瑪湖凹陷等地，厚度達(dá)到800～1 800 m，是一套細(xì)粒泥頁(yè)巖、碳酸鹽巖和堿性蒸發(fā)巖主的沉積[36,40]。天然堿、蘇打石等堿性礦物的大量出現(xiàn)證明堿湖的沉積環(huán)境，富含藻類(lèi)的紋層發(fā)育支持古氣候具有顯著的季節(jié)節(jié)律[36,40]。根據(jù)巖性特征風(fēng)城組可以分為三段，以風(fēng)南7 井為例，風(fēng)城組一段主要發(fā)育泥頁(yè)巖、粉砂巖、白云質(zhì)泥頁(yè)巖或粉砂巖，少量堿性蒸發(fā)巖以?shī)A層出現(xiàn)；二段主要發(fā)育白云質(zhì)泥頁(yè)巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)白云巖，含大量的堿性蒸發(fā)巖薄層；三段主要發(fā)育泥質(zhì)白云巖、白云質(zhì)泥頁(yè)巖、泥質(zhì)粉砂巖[36,41]（圖4）。其中風(fēng)城組二段和三段界線處發(fā)生了沉積相突變，最重要的巖性標(biāo)志是堿性蒸發(fā)巖含量顯著降低，表現(xiàn)在測(cè)井曲線上是井徑測(cè)井值突然降低和電阻率測(cè)井、密度測(cè)井、補(bǔ)償中子測(cè)井值突然升高（圖4）。

圖4 準(zhǔn)噶爾盆地二疊系風(fēng)城組二段—三段界面異整合面（以風(fēng)南7 井為例，據(jù)文獻(xiàn)[40-41]修改）Fig.4 Xenoconformity at boundary of Unit 2 and Unit 3 of Fengcheng Formation in the Permian Junggar Basin(FN7 core as an example, modified from references [40-41])

本文認(rèn)為風(fēng)城組二段和三段界面很可能是一個(gè)異整合面，代表了沉積環(huán)境的突然變化。對(duì)于風(fēng)城組堿性蒸發(fā)巖的形成環(huán)境和機(jī)制仍有爭(zhēng)議，有代表性的觀點(diǎn)包括火山作用或干旱氣候?qū)е碌暮凑舭l(fā)濃縮、火山作用導(dǎo)致的湖底熱液環(huán)境以及富含硫酸鹽還原菌的湖泊環(huán)境等[40,42-43]?？邕^(guò)風(fēng)城組二段、三段界面的異整合面蒸發(fā)鹽礦物的顯著降低，指示了湖泊水體鹽度的快速下降，潛在的環(huán)境因素包括氣候顯著變濕潤(rùn)、河流淡水注入等，但是需要今后更多的沉積學(xué)和古氣候?qū)W研究加以證實(shí)。

3 海相地層中的異整合面

全球尺度的氣候環(huán)境劇變才能導(dǎo)致海相異整合面的發(fā)育，其特征包括全球主要洋盆沉積環(huán)境的等時(shí)變化、海相碳同位素偏移、生物滅絕等[7]。本節(jié)以古近紀(jì)古新世—始新世界線異整合面、白堊紀(jì)—古近紀(jì)界線異整合面、奧陶紀(jì)—志留紀(jì)界線異整合面、成冰紀(jì)—埃迪卡拉紀(jì)界線異整合面為例，探討全球尺度古環(huán)境劇變?cè)诤Ｏ嗟貙又械挠涗洝?/p>

3.1 古近紀(jì)古新世—始新世界線異整合面

古近紀(jì)古新世—始新世之交發(fā)生了一次全球性的氣候突然變暖事件，地質(zhì)學(xué)家稱(chēng)之為“古新世—始新世極熱事件”（PETM，Paleocene-Eocene Thermal Maximum）[44-45]。這次事件導(dǎo)致全球碳循環(huán)的重大擾動(dòng)，海洋和陸地溫度在2 萬(wàn)年內(nèi)快速升高了5 ℃～8 ℃，大洋環(huán)流模式、陸地降水和風(fēng)化作用改變，以及海洋與陸地生物群生活范圍和演化進(jìn)程的重大改變[44-46]。在海相地層中，PETM 事件的地層標(biāo)志包括碳酸鹽含量的突然降低和黏土含量的突然升高、碳同位素的顯著負(fù)偏、底棲有孔蟲(chóng)的滅絕等[45-46]。

海相地層中古新統(tǒng)—始新統(tǒng)界面是一個(gè)典型的異整合面。沉積環(huán)境變化在兩萬(wàn)年內(nèi)發(fā)生，并在隨后的二十萬(wàn)年中保持穩(wěn)定[45,47]。由于巨量的輕碳在兩萬(wàn)年內(nèi)快速注入地球表層系統(tǒng)，不同介質(zhì)中的碳同位素均發(fā)生顯著負(fù)偏[44-45]。大氣和海水中的二氧化碳濃度快速升高，海洋發(fā)生酸化作用使得碳酸鹽補(bǔ)償面快速上升，因此在地層中出現(xiàn)碳酸鹽含量突然降低和黏土含量突然升高的現(xiàn)象[46]。PETM 事件期間海洋沉積環(huán)境的劇烈變化及其在地層中的記錄是古氣候劇變的結(jié)果，其地層記錄卻無(wú)法用瓦爾特相律來(lái)解釋。

3.2 白堊紀(jì)—古近紀(jì)界線異整合面

圖5 海相地層中白堊紀(jì)—古近紀(jì)界線異整合面（北大西洋ODP207 記錄，據(jù)文獻(xiàn)[49]修改）Fig.5 Xenoconformity at Cretaceous-Paleogene boundary in marine strata (record from ODP 207 in North Atlantic,modified from reference [41])

白堊紀(jì)—古近紀(jì)界線發(fā)生了地質(zhì)歷史上距今最近的一次生物大絕滅事件，這次事件直接導(dǎo)致了包括恐龍?jiān)趦?nèi)的多個(gè)生物門(mén)類(lèi)滅亡、現(xiàn)生生物類(lèi)群的出現(xiàn)以及整個(gè)地球生態(tài)系統(tǒng)的重建（圖5）[48-49]。發(fā)生在距今六千六百萬(wàn)年之前的小行星撞擊被認(rèn)為是導(dǎo)致這次生物大滅絕的重要原因，盡管也有觀點(diǎn)認(rèn)為德干大火成巖省的噴發(fā)對(duì)生物滅絕產(chǎn)生了顯著影響[48-51]。在海相地層中，白堊紀(jì)—古近紀(jì)界線的典型標(biāo)志包括銥元素含量異常升高、碳酸鹽含量突然降低、碳酸鹽碳同位素顯著負(fù)偏以及多門(mén)類(lèi)海洋生物滅絕[48]。

海相地層中白堊系—古近系界面也是一個(gè)異整合面。這個(gè)界面代表的環(huán)境突變發(fā)生在小于一千年的時(shí)間尺度上，并在隨后的幾百萬(wàn)年之內(nèi)變化緩慢[50-51]。銥元素元素含量異常升高普遍被認(rèn)為是小行星撞擊后宇宙塵埃在地層中的記錄，由于撞擊導(dǎo)致巨量的碳排入大氣和海洋，引起海水酸化和酸鹽含量突然降低；撞擊同時(shí)導(dǎo)致多門(mén)類(lèi)海洋生物滅絕和海洋生態(tài)系統(tǒng)劇變，并以碳同位素偏移的形式記錄在海相地層中（圖5）[48]。

3.3 奧陶紀(jì)—志留紀(jì)界線異整合面

奧陶紀(jì)—志留紀(jì)轉(zhuǎn)折期是全球重大地質(zhì)轉(zhuǎn)折期之一，它是羅迪尼亞超大陸裂解晚期與潘基亞超大陸聚合早期的過(guò)渡階段，全球海平面發(fā)生劇烈變化[52-53]（圖6）。晚奧陶世末期，岡瓦納大陸南部發(fā)育一定規(guī)模冰川作用，伴隨著全球溫度的顯著波動(dòng)[54]。冰期消融過(guò)程中全球溫度升高，海洋深部富硫化水體的上涌導(dǎo)致廣泛的硫化缺氧事件，范圍可達(dá)陸棚的相對(duì)淺水地區(qū)[55]。一系列快速氣候環(huán)境變化事件和海洋硫化缺氧事件最終導(dǎo)致了顯生宙第一次生物大滅絕事件——奧陶紀(jì)末生物大滅絕[56]。

海相地層中奧陶系—志留系界面可以認(rèn)為是一個(gè)異整合面。奧陶紀(jì)末期冰川融化、氣候變暖導(dǎo)致海平面上升和硫化水體上涌，全球性海侵使得硫化缺氧水體廣泛分布于大陸邊緣，從而在全球范圍內(nèi)（北美、歐洲、中國(guó)等）沉積了一套富有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖，是全球古生代最重要的烴源巖層系之一[8,57]。我國(guó)南方五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖層系記錄到了這一異整合面，界面之上的龍馬溪組底部有機(jī)質(zhì)含量陡然升高，成為重要的頁(yè)巖氣甜點(diǎn)段（圖6）[8]。

圖6 海相地層中奧陶紀(jì)—志留紀(jì)界線異整合面及其在華南揚(yáng)子地區(qū)的記錄（據(jù)文獻(xiàn)[8]修改）Fig.6 Xenoconformity at Ordovician-Silurian boundary in marine strata and its record in Yangtze area, South China(modified from reference [8])

3.4 成冰紀(jì)—埃迪卡拉紀(jì)界線異整合面

新元古代時(shí)期地球上發(fā)生了幾次顯著的冰期事件，由于冰川沉積物在熱帶地區(qū)發(fā)育，地質(zhì)學(xué)家提出“雪球地球（Snowball Earth）”假說(shuō)來(lái)形容當(dāng)時(shí)的冰室氣候狀態(tài)[58-60]。成冰紀(jì)晚期的Marinoan 冰期即是這樣的一次“雪球地球”事件，典型的冰川沉積物如無(wú)層理的混雜冰磧巖、冰川墜石沉積等在不同緯度均有發(fā)現(xiàn)[57-59]。覆蓋在冰川沉積物之上的是一套近乎全球分布的、厚度幾十厘米到幾米、側(cè)向連續(xù)的灰?guī)r或白云巖沉積，被稱(chēng)為“蓋帽碳酸鹽巖（cap carbonate）”[60-61]。蓋帽碳酸鹽巖的底界近乎等時(shí)，而且由于其巖性變化太過(guò)明顯，被國(guó)際地層委員會(huì)用來(lái)作為埃迪卡拉紀(jì)的底界[62]。

海相地層中的成冰系—埃迪卡拉系界面是一個(gè)異整合面。異整合面之下的冰磧巖是寒冷氣候下冰川沉積的產(chǎn)物，而覆蓋在其上的蓋帽碳酸鹽巖指示溫暖的淺海環(huán)境，這種突然的相變無(wú)法用瓦爾特相律來(lái)解釋。反之，地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為是一次全球性的快速變暖事件導(dǎo)致了沉積環(huán)境的顯著變化，并在隨后的百萬(wàn)年時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定[60-61]。導(dǎo)致埃迪卡拉紀(jì)初期快速氣候變化的原因仍有爭(zhēng)議，主要的觀點(diǎn)包括海底天然氣水合物的泄露、雪球地球期間風(fēng)化作用停滯引起大氣二氧化碳堆積超過(guò)臨界濃度等，對(duì)這一事件的深入研究為認(rèn)識(shí)地球系統(tǒng)在極端狀態(tài)下的演化規(guī)律提供了一個(gè)不能用現(xiàn)代過(guò)程類(lèi)比的全新視角[60-61,63]。

4 異整合面的研究意義

快速氣候變化是當(dāng)前人類(lèi)面臨的重大科學(xué)和社會(huì)問(wèn)題。過(guò)去百年氣候變化的幅度和速度已經(jīng)超出了第四紀(jì)氣候變化的范圍，而相似的乃至更強(qiáng)烈的氣候變化只有在“深時(shí)”出現(xiàn)過(guò)[64-65]。一方面，這向以現(xiàn)實(shí)主義原理為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)提出了挑戰(zhàn)，如果深時(shí)氣候環(huán)境劇變?cè)谶^(guò)去幾百年從未出現(xiàn)過(guò)，地質(zhì)學(xué)家如何“將今論古”；另一方面，這也為深入理解現(xiàn)代和未來(lái)氣候環(huán)境變化提供了機(jī)遇，即通過(guò)研究深時(shí)氣候環(huán)境劇變“鑒往知來(lái)”，為預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變化提供科學(xué)依據(jù)。異整合面的概念正是在這樣一個(gè)大背景下提出的。傳統(tǒng)的沉積學(xué)和地層學(xué)研究通常立足于沉積環(huán)境穩(wěn)定或漸變，而異整合面強(qiáng)調(diào)古環(huán)境突然的、顯著的變化對(duì)沉積體系和地層記錄的影響，因此這一概念的提出旨在號(hào)召地質(zhì)學(xué)家關(guān)注地質(zhì)歷史時(shí)期的古環(huán)境劇變事件[7]。

識(shí)別和研究異整合面既有理論研究意義又有生產(chǎn)實(shí)踐意義。在沉積學(xué)和地層學(xué)的基礎(chǔ)研究中，異整合面的概念有望與整合面、不整合面的概念一樣在不同的時(shí)空尺度、不同的環(huán)境類(lèi)型中得到應(yīng)用[7]。尤其是在陸相沉積盆地中，沉積體系演化的空間局限性使其更容易響應(yīng)頻繁而劇烈的陸地環(huán)境變化，從而發(fā)育異整合面。海相不整合面則需要更多的從全球尺度來(lái)識(shí)別，識(shí)別特征包括全球等時(shí)的沉積相變化、地球化學(xué)指標(biāo)變化和生物滅絕等。在古環(huán)境研究中，異整合面的出現(xiàn)指示了復(fù)雜地球系統(tǒng)演化過(guò)程中的“臨界點(diǎn)（tipping point）”，其本身就是跨越臨界點(diǎn)沉積體系對(duì)環(huán)境劇變的響應(yīng)，因此準(zhǔn)確識(shí)別異整合面是認(rèn)識(shí)古環(huán)境劇變的重要前提[7]。

識(shí)別和研究異整合面對(duì)于油氣資源勘探也具有重要指導(dǎo)意義。油氣資源保存的前提是有機(jī)質(zhì)的埋藏和富集，后者又受到古環(huán)境劇變事件的直接影響[16,18]。特別是全球非常規(guī)油氣資源沉積富集，與重大地質(zhì)環(huán)境突變密切相關(guān)，是全球性或區(qū)域性多種地質(zhì)事件沉積耦合的結(jié)果[8-9,66]。以古環(huán)境劇變事件為標(biāo)志的異整合面是具有“根本性的、突然的、持續(xù)性的”沉積相變，可在盆地至全球尺度上發(fā)育連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)分布的非常規(guī)油氣甜點(diǎn)區(qū)（段），即油氣富集區(qū)（段）[8]。本文列舉的海相盆地中，奧陶紀(jì)—志留紀(jì)之交的異整合面對(duì)頁(yè)巖氣甜點(diǎn)區(qū)（段）具有重要控制作用；而在陸相盆地研究實(shí)例中，跨過(guò)異整合面有機(jī)質(zhì)的豐度均產(chǎn)生明顯變化，正是由于古環(huán)境劇變事件引起的生產(chǎn)力和保存條件變化所致。我國(guó)廣泛發(fā)育陸相含油氣盆地，進(jìn)一步識(shí)別和研究這些陸相盆地中的異整合面有助于深化前期的勘探認(rèn)識(shí)[66]。

異整合面作為一個(gè)新生的概念，其涵義仍在發(fā)展演化中，其中有些內(nèi)容也還值得進(jìn)一步討論[7]。例如，異整合面強(qiáng)調(diào)突然的、持續(xù)性的沉積相變，那么多快可稱(chēng)之為“突然”？而相變之后保持穩(wěn)定多久可稱(chēng)為“持續(xù)性”？即便如此，異整合面的提出為研究古環(huán)境劇變及其地層記錄提供了一個(gè)新思路，最終時(shí)間將會(huì)檢驗(yàn)它能否融入沉積學(xué)和地層學(xué)的大家庭。

5 結(jié)論

本文系統(tǒng)介紹了異整合面的概念和原理，并舉例說(shuō)明陸相和海相地層中的典型異整合面。根本性的、突然的、持續(xù)性的沉積相變是異整合面的特征，而快速的、顯著的、不可逆的古環(huán)境劇變事件是導(dǎo)致異整合面發(fā)育的原因，這決定了此類(lèi)界面的發(fā)育不遵循瓦爾特相律。在陸相沉積盆地中，北美古近系綠河組、松遼盆地白堊系、準(zhǔn)噶爾盆地二疊系中代表性的異整合面指示了盆地尺度的古環(huán)境劇變。在海相地層中，古近紀(jì)古新世—始新世界線、白堊紀(jì)—古近紀(jì)界線、奧陶紀(jì)—志留紀(jì)界線、成冰紀(jì)—埃迪卡拉紀(jì)界線發(fā)育的異整合面標(biāo)志著全球尺度的氣候環(huán)境劇變。此外，與異整合面相關(guān)的古環(huán)境劇變事件能夠在盆地至全球尺度上影響著有機(jī)質(zhì)沉積富集，是非常規(guī)油氣沉積學(xué)研究的重要內(nèi)容之一，對(duì)尋找非常規(guī)油氣資源具有重要指導(dǎo)意義。因此，在未來(lái)的沉積學(xué)、地層學(xué)、古環(huán)境分析和油氣資源勘探實(shí)踐中，識(shí)別和研究異整合面有望兼具理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

致謝 感謝中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院邱振和兩位審稿人對(duì)論文提出的寶貴意見(jiàn)。