古亚洲洋关闭的圈层相互作用与陆相油气富集

Multi-sphere interactions during Paleo-Asian Ocean closure and continental hydrocarbon enrichment

摘要

“多圈层驱动的油气形成与富集”是石油地质学理论前沿,大洋演化体现了这一学术思想,但扩张阶段研究较多,闭合时期研究相对薄弱。以古亚洲洋为例,石炭-二叠纪的关闭不仅重塑了中亚构造格局,也深刻影响了地球多圈层的耦合与油气等多类型能源资源系统的形成与分布。中国北疆地区是典型实例,发育了以准噶尔盆地风城组与芦草沟组为代表的陆相碱性咸化湖泊体系古北疆湖。其形成体现了显著的多圈层耦合特征:构造运动塑造封闭湖盆格局,干旱-半干旱气候强化蒸发与浓缩,蛇纹石化与热液流体提供富${\mathrm{HCO}}_{3}^{-}$/${\mathrm{CO}}_{3}^{2-}$碱性物质,残留海离子输入维持湖水高盐度平衡。火山-热液活动与微生物甲烷循环在湖泊演化中协同作用,不仅控制了水体化学环境和有机质保存条件,也通过甲烷释放对气候产生反馈,联合风城组与芦草沟组的火山事件分别对应晚古生代大冰期KGB与Artinskian变暖,共同反映构造-气候的直接耦合效应。碱湖中发育类杜氏藻、蓝细菌、红藻、塔斯马尼亚藻、多细胞藻席等成烃生物群落,形成了高有机质丰度、高生烃潜力的优质烃源岩及北疆超级盆地全油气系统。蛇纹石化过程可能生成地质氢气,并与常规油气同生共聚,形成“油-气-氢”多能源协同富集体系。古亚洲洋西段关闭过程中的岩石圈构造-水圈化学-生物圈成烃耦合作用,是控制碱湖演化与多能源富集的核心机制。该“构造-气候-环境-资源”耦合模式不仅揭示了陆相碱湖系统形成的多圈层协同机制,也为全球超级盆地能源资源综合勘探提供了重要科学依据与理论框架,具有显著的地球系统科学意义与战略资源价值。

Abstract

The concept of “multisphere-driven hydrocarbon generation and accumulation” represents a frontier topic in petroleum geology theory. The evolution of paleo-oceans typically exemplifies this framework. However, prior research has predominantly focused on ocean expansion stages, while their closure phases remain underexplored. To address this gap, this study examines the Carboniferous-Permian closure of the Paleo-Asian Ocean as a representative case. This closure not only reshaped the tectonic framework of Central Asia but also profoundly influenced the coupling among Earth’s spheres and the formation of diverse energy resource systems, including hydrocarbons and hydrogen. A representative case is found in Northern Xinjiang, China, where an alkaline and saline lacustrine system (the north Xinjiang paleo-lake) developed. This system is represented by the Fengcheng and Lucaogou formations in the Junggar Basin. The evolution of this lake exhibits distinct multisphere coupling features: tectonic movements governed the formation of enclosed lacustrine basins; arid to semi-arid climates intensified evaporation and solute concentration; serpentinization and hydrothermal fluids supplied $\mathrm{HCO}_{3}^{-}$/$\mathrm{CO}_{3}^{2-}$-rich alkaline materials; and residual marine ions maintained high salinity. Volcanic-hydrothermal activities and microbial methane cycling jointly regulated the lake’s chemical environment as well as organic matter preservation, with methane release subsequently providing climatic feedback. The volcanic episodes of the Fengcheng and Lucaogou formations correspond to the Late Paleozoic climatic transitions across the Kasimovian-Gzhelian Boundary (KGB) and the Artinskian warming, respectively, illustrating direct tectonic-climatic coupling. Algal assemblages, including Dunaliella-like algae, cyanobacteria, red algae, Tasmanites, and multicellular algal mats, indicate high primary productivity and adaptability to alkaline conditions. This led to the deposition of high-quality, organic-rich source rocks and the development of comprehensive petroleum systems in the Northern Xinjiang superbasin. In addition, hydrogen was likely generated through serpentinization, coexisting and co-accumulating with conventional hydrocarbons to form an integrated “oil-gas-hydrogen” multi-energy system. The lithospheric-hydrospheric-biospheric coupling during the closure of the western Paleo-Asian Ocean constitutes the core mechanism controlling alkaline lake evolution and multi-energy accumulation. Collectively, this “tectonic-climate-environment-resource” coupling model elucidates the multisphere interactions underlying lacustrine system development. It provides critical scientific insights for integrated energy exploration in global superbasins, with significant implications for Earth system science and strategic resource development.

Graphical abstract

关键词

古亚洲洋构造域 / 多圈层耦合 / 碱湖 / 全油气系统 / 石炭系—二叠系烃源岩 / 晚古生代大冰期 / 准噶尔盆地

Key words

Paleo-Asian Ocean tectonic domain / multispheric coupling / alkaline lake / whole petroleum systems / Carboniferous-Permian source rocks / Late Paleozoic Ice Age / Junggar Basin

0 引言

46亿年来地球宜居性的演化是多圈层相互作用下物质和能量循环的结果,深刻反映了地球系统内外联动与深浅耦合,多圈层相互作用为地球科学研究提供了理论框架^[1-4]。朱日祥等^[4]从地球系统科学多圈层相互作用视角思索审视了油气形成与富集机制,认为油气系统是岩石圈、大气圈、水圈、生物圈等多圈层协同作用的产物,并提出了“多圈层驱动的油气形成与富集”理论思想,为理解优质烃源岩发育和油气富集提供了新的指导。

在全球油气地质体系中,大洋演化与油气的形成与富集密切相关,是“多圈层驱动油气形成与富集”的体现,典型如特提斯构造域^[5],主要发育于浅海沉积体系:在大洋开启与扩张阶段,广阔浅海台地与稳定热带气候的共同作用驱动富有机质碳酸盐岩和黑色页岩烃源岩的广泛发育;在后期构造相对稳定阶段,灰岩、白云岩及蒸发岩组合进一步形成优质的生-储-盖体系,孕育了波斯湾、南里海、卡拉库姆等世界级油气盆地^[6]。这一油气富集过程显著受控于大洋开启与浅海沉积环境,属于典型的大洋扩张阶段油气生成模式^[7]。

相比而言,在大洋关闭期,碰撞造山等活动通常会形成前陆盆地、弧后盆地或断陷盆地,因此烃源岩理论上不乏发育,具有油气资源潜力,但因整体属于陆相或海陆过渡相沉积,往往规模相对较小,故油气的富集程度和规模与海相含油气系统不可比拟,导致相关研究在石油地质学理论研究和实际勘探中是薄弱环节,长期以来未形成体系性认识。古亚洲洋构造域的油气勘探提供了突破机遇,在其石炭-二叠纪自西向东“剪刀式”闭合过程中形成了图尔盖、楚-萨雷苏、斋桑、准噶尔、三塘湖等中亚盆地群,均是全球著名的含油气盆地,具有相当可观的油气资源^[8-9]。

相关研究也深刻体现了“多圈层驱动油气形成与富集”的理论思想,因为古亚洲洋与特提斯洋相比,是晚古生代至早中生代的另一大洋,横亘于北半球中亚-西伯利亚地区,其石炭-二叠纪的闭合演化不仅重塑了中亚造山带(Central Asian Orogenic Belt, CAOB)的构造格局,也深刻影响了相关沉积盆地与资源分布^[10]。特别是在中国境内,其闭合过程与北疆地区大油气田的形成密切相关^[11]。同期全球气候经历了晚古生代大冰期(Late Paleozoic Ice Age, LPIA)的多旋回冰期-间冰期及多次次级温室变暖事件^[12-14],伴随石炭-二叠纪生物大辐射和陆生植物扩张等重大生物事件^[15-16]。这些气候-生物事件与构造、岩石圈及水圈过程发生协同作用,形成典型的多圈层耦合效应,并直接驱动石炭-二叠纪古北疆湖的形成及优质陆相烃源岩的发育^[17-20]。因此,古亚洲洋闭合为研究多圈层相互作用及其资源环境效应提供了典型范例。

本文以中国北疆地区为例,综合地质学、地球化学等多学科资料,深入探讨多圈层相互作用背景下古北疆湖(碱性咸化湖泊)的形成机制、气候环境效应及油气等资源意义,力图构建以古亚洲洋,特别是西段关闭为地球系统演化背景的“构造-气候-生命-环境-资源”多圈层协同演化模式,丰富发展“多圈层驱动油气形成与富集”石油地质学理论,指导发现油气新疆域。

1 大洋演化与油气富集

地球大洋演化深刻影响了油气资源的形成与分布。深时大洋在其开启、扩张与闭合的不同时期,控制了沉积环境、有机质富集及生储盖组合的时空格局,进而决定了油气系统的形成与演化特征。以特提斯洋与古亚洲洋两大典型深时大洋为例,从其构造演化历史出发,可清晰揭示大洋演化与油气富集之间的耦合关系(图1A)^[5,21-26]。

1.1 特提斯洋的多期演化与油气富集

特提斯洋是地球演化历史中最典型的深时大洋之一,其演化经历了原特提斯、古特提斯和新特提斯三个阶段^[5]。原特提斯洋形成于新元古代罗迪尼亚超大陆裂解时期,至晚奥陶世基本闭合;古特提斯洋形成于晚志留世至早泥盆世,最终在晚三叠世完全消失;新特提斯洋则开启于三叠纪末,至今地中海仍为其残余^[27]。

在特提斯洋的开启与扩张阶段,广泛发育优质烃源岩,如原特提斯洋扩张期,阿曼盆地发育了新元古代—早寒武世Huqf超群烃源岩;北非-阿拉伯地区广泛分布早志留世富有机质热页岩(Hot Shale);我国塔里木盆地和四川盆地分别发育下寒武统玉尔吐斯组黑色岩系,以及震旦系陡山沱组与下寒武统筇竹寺组黑色页岩^[28-29]。古特提斯洋扩张期,滨里海盆地发育中泥盆统—中石炭统薄层富有机质灰岩、硅质岩和泥岩;四川盆地则发育二叠系梁山组、栖霞组与三叠系须家河组等黑色碳质泥岩和灰黑色泥灰岩。新特提斯洋扩张期,波斯湾盆地则形成了上侏罗统、下白垩统及始新统多套优质烃源岩。

在此基础上,后期构造稳定阶段发育的灰岩、白云岩与蒸发岩共同形成了优质的生-储-盖组合,孕育了波斯湾、南里海、卡拉库姆等世界级含油气盆地^[6]。因此,特提斯构造域的油气富集总体受控于大洋开启与扩张阶段的热带浅海沉积体系,体现了典型的“扩张-富烃”型油气地质模式。

1.2 古亚洲洋的闭合演化与油气富集

古亚洲洋的概念最早由李春煜等^[30]在编制亚洲古板块构造地质图时提出,通常指在新元古代南华纪罗迪尼亚超大陆裂解过程中形成,位于塔里木、华北、柴达木、蒙古等陆块群与西伯利亚和东欧陆块之间的海域^[31-32]。与原特提斯洋相似,古亚洲洋的开启同样源于罗迪尼亚超大陆的裂解事件^[27],两者的形成时代大致相近,并在早寒武世进入扩张漂移阶段。自中奥陶世起,古亚洲洋洋盆开始俯冲消减,晚石炭世至早二叠世期间逐渐闭合,最终形成显生宙以来全球面积最大的增生型造山带—中亚造山带^[33]。尽管关于其闭合时限及并入Pangea超大陆的确切时间仍存在争议^[34-37],但普遍认为在晚古生代晚期至早二叠世,中亚地区已进入板内构造演化阶段。

与特提斯构造域油气资源主要形成于大洋开启和扩张阶段的“扩张-富烃”模式不同,古亚洲洋构造域的油气富集主要发生在其自西向东的“剪刀式”闭合过程。这一闭合演化导致了中亚盆地群沉积环境的显著转变,岩相古地理格局大体经历了三个阶段:(1)早石炭世深海-半深海相沉积阶段;(2)晚石炭世浅海-海陆过渡相阶段;(3)早二叠世湖相沉积阶段^[29]。这一由深海向浅海、再向陆相咸化湖泊的转变过程,为油气系统的形成提供了持续的沉积环境与地球化学条件。

古北疆湖是古亚洲洋闭合演化作用最典型的产物(图1B, 1C)^[38]。晚石炭世—早二叠世受古亚洲洋“剪刀式”闭合的强烈影响,准噶尔盆地内先后发育了西部风城组和东部芦草沟组两套典型咸化湖相烃源岩。上石炭—下二叠统风城组沉积于准噶尔盆地西部玛湖凹陷,以泥岩、白云质泥岩和蒸发岩为主,记录了从成碱预备、成碱高峰到成碱结束的旋回演化过程,形成了全球迄今最古老的碱湖型优质烃源岩^[39-40]。下二叠统芦草沟组形成于古亚洲洋进一步闭合、完全退出准噶尔盆地之后,其半咸水-咸水还原环境有利于藻类与无定形体有机质的富集,发育混积型页岩油体系^[41]。因此,古亚洲洋的闭合不仅促进了前陆盆地与咸化湖盆的形成,也驱动了湖相烃源岩的大规模发育与油气聚集,代表了典型的“闭合-富烃”型油气系统。

总体而言,特提斯洋的油气富集与其大洋扩张期的海相沉积体系密切相关,而古亚洲洋的油气富集则主要受控于闭合期的陆相湖盆体系。两者共同表明,大洋演化过程决定了油气系统的类型与分布:大洋扩张期有利于海相烃源岩形成与生储盖组合叠置;大洋闭合期有利于陆相咸化湖盆发育与湖相烃源岩形成。这一规律揭示,大洋的开启、演化与消亡不仅塑造了地球构造格局,也主导了深时油气资源的时空分布特征,为认识深时大洋的资源效应和构建多圈层驱动的油气成藏模式提供了重要启示。

2 古亚洲洋关闭的圈层相互作用与古北疆湖形成

2.1 圈层相互作用背景下古北疆湖的形成机制

古亚洲洋的闭合不仅重塑了北疆地区的构造格局,也直接驱动了石炭-二叠纪古北疆湖的形成,并促成了优质陆相烃源岩的发育,以准噶尔盆地风城组和芦草沟组为代表^[17]。其中,风城组沉积于典型碱湖环境,证据充分^[39]。沉积学上,风城组保留了完整的成碱预备、初成碱、强成碱、弱成碱和终止阶段的演化序列;矿物学上,发育碳氢钠石、天然碱、苏打石、硅硼钠石等典型碱湖矿物;地球化学上,生物标志化合物显示有机质形成于强还原、高盐度、具水体分层特征的碱湖环境。同时,其氮同位素值极重(16‰~24‰),表明沉积水体pH高于约9.25,并伴随强烈氨挥发作用,导致δ¹⁵N显著正偏^[42]。相比而言,芦草沟组烃源岩仅含少量硅硼钠石等碱性矿物,δ¹⁵N分布范围为7‰~16‰,反映初期碱湖沉积特征^[39]。

现代碱湖的形成机制受地理-气候环境和强碱性流体来源的双重控制。首先,碱湖多发育于干旱-半干旱气候下的封闭或半封闭盆地中,湖水以蒸发为主要水分输出,从而促使溶质富集与矿物沉淀^[43]。蒸发过程中,湖水离子类型由Na⁺/Ca²⁺/Mg²⁺-${\mathrm{HCO}}_{3}^{-}$-${\mathrm{SO}}_{4}^{2-}$-Cl^-型逐渐演化为Na⁺-${\mathrm{HCO}}_{3}^{-}$/${\mathrm{CO}}_{3}^{2-}$-${\mathrm{SO}}_{4}^{2-}$-Cl^-或Na⁺-${\mathrm{HCO}}_{3}^{-}$/${\mathrm{CO}}_{3}^{2-}$-Cl^-型高碱性水体,最终因Na碳酸盐饱和而沉淀出天然碱、苏打石等^[44-46](图2A)^[44,46-49]。其次,形成碱湖所需的富${\mathrm{HCO}}_{3}^{-}$/${\mathrm{CO}}_{3}^{2-}$流体主要来源于三类过程:(1)硅酸盐矿物风化或水解反应,通过消耗H⁺提高流体碱度^[46];(2)火山热液活动或盆地卤水环流,岩浆来源CO₂与火成岩反应生成${\mathrm{HCO}}_{3}^{-}$并释放Na⁺,形成碳酸盐型强碱性热液,为湖盆补给碱性流体^[50-51];(3)微生物代谢过程(光合作用、硫酸盐还原、产甲烷作用等),通过消耗H⁺进一步提升湖水碱度并促进碳酸盐沉淀^[52-53]。地理-气候条件与地球化学-生物过程的耦合共同塑造了碱湖形成。现代碱湖的成因机制为分析古北疆碱湖的形成提供了关键参照。以下将基于“以今论古”的思路,结合古地理格局、古气候背景及盆地演化特征,探讨准噶尔盆地晚古生代碱湖的形成机制。

2.1.1 封闭的古地理条件和干旱的古气候环境

湖泊沉积物中原生碳酸盐岩的δ¹³C_carb和δ¹⁸O_carb可以用于指示湖盆的封闭性^[54-55]。如图2B^[54,56],与现代碱湖一致,准噶尔盆地风城组和芦草沟组的δ¹³C_carb和δ¹⁸O_carb总体偏重,绝大部分样品的δ¹³C_carb为正值,反映其主体沉积于封闭或半封闭的湖盆中,满足高蒸发的古地理条件。古亚洲洋闭合导致区域坳陷和局部构造隆起,使湖盆与外界水体交换受限,形成相对封闭的水体环境。这种构造背景不仅促进了古碱湖的形成,也保障了其长期稳定演化,为沉积物中高丰度有机质的保存提供了有利条件。

孢粉学和矿物学资料进一步表明:准噶尔盆地晚古生代沉积时期的气候环境可能为热带-亚热带半干旱气候,并可能存在旱-湿交替特征,为碱湖发育提供了有利的气候条件^[51,57]。准噶尔盆地早二叠世孢粉组合以 Striatoabieites striatus 和 Hamiapollenites multistriatus 等具肋双气囊花粉繁盛为特征,其母体植物多为适应干旱炎热环境的种子蕨类盾籽目植物^[58]。在风城组沉积期间,发现大量与上述两属相似的肋纹花粉(图3A,3C),表明古气候总体为温暖-半干旱,并可能存在周期性干湿旋回和季节变化。干旱气候为碱湖发育提供基础条件。古亚洲洋闭合引发区域构造抬升及大气环流模式变化^[13],使北疆地区逐渐形成半干旱-干旱气候带。这种干旱环境增强了湖水蒸发,使水体离子逐渐浓缩,呈现高盐度、高碱度特征,为碱湖沉积的发育提供了气候前提。

2.1.2 火山-热液活动

如上所述,现代碱湖多发育于板块活动带上,具有火山-热液活跃的构造背景。与此类似,准噶尔盆地风城组和芦草沟组的火山活动也与晚古生代全球气候事件相关,分别对应大冰期 KGB快速变暖事件(约304 Ma)和Artinskian冰消事件(约290 Ma)^[13-14,59],与塔里木大火成岩省(LIP)Ⅰ期、Skagerrak-centered LIP、塔里木LIP Ⅱ期及Panjal Traps相对应,这些时期是全球火山活动普遍活跃的阶段(图4A)^[12-14,60]。

准噶尔盆地风城组发育于玛湖凹陷,位于哈萨克斯坦板块北缘^[61],晚石炭世至早二叠世期间,古亚洲洋闭合引发板块俯冲、拼贴与碰撞造山,使玛湖凹陷及周缘火山活动频繁^[38]。风城组地层中广泛发育玄武岩、熔结凝灰岩、流纹岩、碱玄质响岩和粗安岩等火成岩(图4B)^[62-63],其分布显示:在湖盆北部主要出现在风城组下段和三段中上部,平面上集中于湖盆边缘凝灰岩-泥岩区,而中心盐岩区火山物质相对稀少,过渡云质岩区居中^[62,64-65]。芦草沟组凝灰岩主要分布于博格达山前和吉木萨尔凹陷(图4C)^[66],前人通过露头剖面和显微镜下观察发现多层富凝灰岩、沉凝灰岩及凝灰质岩^[66-68],并利用Hg 含量及Hg/TOC 异常识别了风城组和芦草沟组火山活动层段^[68-69]。

富${\mathrm{HCO}}_{3}^{-}$/${\mathrm{CO}}_{3}^{2-}$的强碱性流体是古碱湖水化学环境形成的核心,其供给与古亚洲洋闭合密切相关。俯冲-碰撞造山过程中产生的火山-热液活动为古碱湖提供大量富含${\mathrm{HCO}}_{3}^{-}$、${\mathrm{CO}}_{3}^{2-}$和Na⁺的热液流体。以风城组为例,热液活动的矿物学与地球化学证据(如硅硼钠石及Eu正异常)与湖水pH呈正相关^[48,70],显示热液输入在碱湖形成中发挥了关键作用。这些热液流体来源于古亚洲洋闭合引发的深部岩浆活动,并与碱性玄武岩基底反应生成,通过盆地卤水环流输送至湖泊,显著提高湖水碱度^[46]。

在风城组玛湖凹陷湖盆中心,深部热液活动的指征性矿物硅硼钠石大量发现(>60%样品含有,图5A,5B),多数样品Eu/Eu^*>1.05,表明是较高温热液流体(>200 ℃)促进Eu³⁺被还原为Eu²⁺的结果^[71]。δ¹⁵N与Eu/Eu^*强烈正相关(r=+0.74,p<0.01),并在垂向上协同演化:下部风城组热液活动强、pH高,上部逐渐减弱(图5C,5D)^[48]。Xia等^[48]将此解释为岩浆来源深部CO₂上升遇到玛湖凹陷碱性玄武岩时,CO₂与玄武岩反应生成富${\mathrm{HCO}}_{3}^{-}$/${\mathrm{CO}}_{3}^{2-}$流体,进一步水解提升pH,并通过盆地卤水环流输送至湖盆中,增强湖水碱度。芦草沟组亦存在类似热液输入。吉木萨尔凹陷芦草沟组二段下部与一段中部的热液活动强烈^[68],结合方沸石、水铵长石等热液矿物,推测芦草沟组白云岩可能为深源热液沉积白云岩^[72]。由此可见,古碱湖热液输入对湖水化学环境及碱湖型烃源岩的形成具有关键控制作用,而由于沉积记录缺失或成岩改造,许多古碱湖的热液作用可能被低估^[73]。

2.1.3 古亚洲洋关闭的残留海背景

古亚洲洋闭合导致海域逐渐退缩,在中亚地区形成了残留海或半封闭海体,为随后发育的陆相湖泊系统提供了高盐度水源与化学背景。在准噶尔盆地古准噶尔湖风城组中,张瑞杰等^[11]报道了“海退遗种”红藻化石的发现,为湖泊演化继承古亚洲洋海水特征提供了关键证据。这种残留海性质的湖泊体系为古碱湖的发育提供了稳定的盐度与离子基础。残留海水不仅供给了丰富的Ca²⁺、Mg²⁺等离子,还维持了类海的化学背景,有助于稳定碱湖沉积体系,并在一定程度上缓解强蒸发条件下的离子过度富集,从而保持湖水化学环境的平衡。由此可见,古准噶尔湖作为古亚洲洋西段关闭后的“残留海型碱湖”,在沉积演化上兼具陆相与海相特征,为后续碱湖沉积、热液作用及有机质富集机制提供了重要的物理-化学基础。

进一步结合现代和古代典型碱湖的特征(表1)^{[39-40,45,51,57,66,73-81]},可见满足蒸发浓缩条件的地理与气候环境(即封闭或半封闭湖盆以及干旱-半干旱气候)是现代和古代碱湖形成的基础^[43]。Grant^[52]的研究表明,全球超过80%的内陆水体在[Alk] > 2[Ca+Mg]条件下,经蒸发浓缩即可形成强碱性卤水湖,而非富Ca或富${\mathrm{SO}}_{4}^{2-}$的卤水湖。例如,内蒙古高原的现代碱湖可直接由内陆水体蒸发咸化而成^[82-83]。也就是说,蒸发浓缩作用在碱湖形成中发挥了基础性作用。然而,碱湖的形成仍需大量碱类物质输入来提供富含 ${\mathrm{HCO}}_{3}^{-}$/${\mathrm{CO}}_{3}^{2-}$的强碱性流体,其中火山-热液活动是关键驱动因素。绝大多数现代和古代碱湖均与火山热液活动或远源火山灰输入密切相关^[46]。此外,海水的残留或海退(海侵)可为碱湖发育提供辅助物质来源。例如,古亚洲洋闭合形成的残留海为准噶尔盆地晚古生代碱湖的形成提供了必要的物质基础^[11]。

2.2 圈层相互作用背景下古北疆湖形成的气候效应

2.2.1 火山-热液活动的气候效应

准噶尔盆地风城组和芦草沟组的火山活动分别对应晚古生代大冰期KGB快速变暖事件(约304 Ma)和Artinskian冰消事件(约290 Ma)^[13-14,59],这些时期也是全球范围内火山活动普遍增强的阶段(图4A)^[12-14,60]。火山活动被普遍认为与晚古生代冰期-间冰期气候旋回密切相关,如Soreghan等^[60]研究指出,大规模火山喷发向平流层注入具有负辐射强迫效应的硫酸盐气溶胶,可显著减少地表接收的太阳辐射,从而触发并维持近1亿年的晚古生代大冰期。而塔里木LIP、Skagerrak-centered LIP、Panjal Traps及Zaduo LIP等火山活动大量释放CO₂等温室气体,则被认为促进了大冰期中期的变暖事件及冰期的最终结束^[59]。

然而,古亚洲洋闭合背景下古北疆湖附近火山-热液活动对气候的具体影响仍缺乏系统研究。特别是风城组火山-热液活动与KGB快速变暖事件的联系尚处于研究空白,相比而言,芦草沟组火山-热液活动与Artinskian冰消事件的关系已有初步探索。Sun等^[66]在博格达山前井井子沟剖面发现芦草沟组底部和上部两层同期火山灰,并确定沉积时间为约294~286 Ma,对应Artinskian冰消事件期间的温度逐渐升高,但尚未建立火山-热液活动与气候变化的直接联系。Wu等^[84]基于博格达山前西大龙口剖面芦草沟组中Hg元素异常富集层段的有机及无机碳同位素负漂移和高化学蚀变指数(CIA),推测芦草沟组火山-热液活动在一定程度上促进了Artinskian冰消事件。

2.2.2 微生物活动的气候效应

微生物的广泛发育是碱湖的重要特征^[52]。准噶尔盆地晚古生代碱湖中也显示出活跃的微生物活动。例如,在玛湖凹陷风城组中发现了大量球状(图3D)和丝状细菌化石(图3E)^[39]。微生物活动可将藻类有机质降解为无定形体^[85],风城组有机质显示出沉积环境碱性越强,结构藻类体含量越低、无定形体含量越高的特征(图3F)^[39],表明碱性越强时,微生物相对真核藻类的活跃程度越高,这是碱湖沉积环境中的典型现象。准噶尔盆地晚古生代碱湖中最典型的两类微生物群体为蓝细菌和甲烷微生物。前者的典型证据包括蓝细菌化石和中链单甲基烷烃^[86];后者的典型证据包括疑似产甲烷古生菌化石、偏重的碳酸盐碳同位素(δ¹³C_carb>+5‰)、姥鲛烷与植烷δ¹³C差值约为+0.6‰、极高的C₃₁3β-甲基藿烷指数(3β-MeHI高达9.5±3.0%),以及极负的规则藿烷δ¹³C值(-44‰至-61‰)^[66,87-88]。其中,微生物甲烷活动可能向大气释放温室甲烷,对气候具有潜在影响^[89]。

Xia等^[88]研究表明,碱湖中较低的硫酸盐浓度是微生物甲烷循环活跃的关键机制。这种低硫酸盐环境使产甲烷古生菌在竞争中优于硫酸盐还原细菌;同时,增高的溶解无机碳(DIC)通过直接促进CO₂产甲烷途径,加强下层的产甲烷过程,并进一步驱动上层微生物的嗜甲烷活动^{[66,88,90-91]}。具体而言,Xia等^[88]利用总硫/总有机碳比(TS/TOC)、硫同位素(δ³⁴S)及碳酸盐与异戊二烯烃类碳同位素差值(Δδ¹³C=δ¹³C_carb-δ¹³C_Pr-Ph)限定了风城组碱湖中硫酸盐浓度[${\mathrm{SO}}_{4}^{2-}$]和溶解无机碳[DIC]浓度。结果显示,指示微生物甲烷循环强度的3β-MeHI与TS/TOC呈负相关、与Δδ¹³C呈正相关(图6A,6B)^[88];垂向上,从风一段到风三段,3β-MeHI、δ³⁴S_total和Δδ¹³C逐渐升高,而TS/TOC逐渐降低(图6C)^[88],表明随硫酸盐浓度下降、DIC浓度升高,微生物甲烷循环逐渐增强。风城组碱湖沉积期正值KGB快速变暖事件,同时对应显生宙晚古生代最高的大气甲烷浓度(pCH₄,高达10 ppmv^[92]),暗示古碱湖释放的大量微生物甲烷可能是当时显生宙最高pCH₄的重要来源之一,并可能推动LPIA中温室阶段的形成。

相比而言,准噶尔盆地东南缘芦草沟组碳酸盐碳同位素更重(δ¹³C_carb=6.8‰~19.8‰),表明厌氧产甲烷古生菌群体可能比风城组更为活跃^[93]。芦草沟组TS/TOC仅为0.005~0.05(平均0.02±0.02)^[94],远低于玛湖凹陷风城组(TS/TOC=0.05~5.9,平均1.1±1.2),表明芦草沟组碱湖沉积期湖水硫酸盐浓度可能更低^[95-96]。因此,芦草沟组低硫酸盐环境使产甲烷古生菌相对硫酸盐还原细菌更具竞争力,对应更强烈的甲烷循环^[66,87]。进一步,Sun等^[66]指出,芦草沟组甲烷微生物活性与化学风化强度呈一致的垂向变化趋势:芦一段相对稳定,芦二段上部δ¹³C_carb和CIA值升高,而δ¹³C规则藿烷值偏负(图6D)^[66],表明芦二段上部微生物甲烷循环增强及化学风化加剧。由此推测,芦草沟组初期碱湖的强烈微生物甲烷释放可能向大气输送大量甲烷,并进一步促进Artinskian冰消事件及晚古生代大冰期的结束。

3 古北疆湖陆相油气形成与富集

3.1 古北疆湖生物-环境协同演化

古亚洲洋西段关闭塑造的干旱-封闭、碱性-咸化湖泊环境,不仅改变了水体理化性质,也深刻影响了湖泊生物群落的组成与演化,为优质烃源岩的形成奠定了成烃生物基础。盐湖烃源岩是全球,尤其是中国最重要的油源岩类型之一^[97]。传统观点认为,碱湖(碱性盐湖,pH>9)环境极端,生物生存受限^[98],因此难以形成优质烃源岩。然而,现代研究表明,尽管碱湖生物群落结构相对单调,但其初级生产力并不低,甚至高于全球平均水平约16倍^[50],暗示碱湖依然具有显著的有机碳积累潜力。因此,揭示古北疆湖碱湖环境下的成烃生物群落特征,对理解优质烃源岩的形成机制至关重要。成烃生物鉴定表明,古北疆湖石炭-二叠系烃源岩系统的有机质主要来源于七类成烃生物:类杜氏藻(Dunaliella-like)、蓝细菌(Cyanobacteria)、红藻果孢子(red algal carpospores)、塔斯马尼亚藻(Tasmanites)、多细胞藻席(Algal mat)、葡萄球藻(Botryococcus)及陆生高等植物(图7)。

(1)类杜氏藻:绿藻门,适应高盐度、高pH碱湖环境。化石呈球形或椭球形(图7A),直径约5 μm,与现代杜氏藻高度相似,常保存在天然碱矿物中^[99],垂直层理切片中表现为层状微微藻特征(图7B)。这类烃源岩主要分布于风城组中心盐岩沉积区。生物标志物表现为高C₂₈/C₂₉甾烷比值(0.78~1.29)、高β-胡萝卜烷丰度和高甾烷/藿烷比值^[100],反映其合成甾醇以调节细胞膜渗透性,以及类胡萝卜素以抑制光损伤的光保护作用^[101]。

(2)蓝细菌:原核生物,广盐适应。主要分布于风城组边缘沉积区凝灰岩-泥岩层中,常形成叠层石构造(图7C),化石形态与现代色球藻目蓝细菌相似(图7D)。生物标志物为高含量的中链单甲基烷烃^[102],可用7-+8-单甲基十七烷/正构烷烃主峰(7-+8-甲基指数)指示蓝细菌的相对丰度^[103],在风城组碱湖边缘区含量最高(0.06%~0.3%,平均0.15%^[86])。

(3)红藻果孢子:主要分布于风城组边缘沉积区和相邻三塘湖盆地芦草沟组,被称为“海退遗种”^[104]。岩石薄片中可见三层结构,即囊果托叶、囊果周壁和孢子群和果孢子(图7E,7F)。生物标志物显示较高C₂₇甾烷(14.3%~21.3%)及24-正丙基胆甾烷(24-npc指数=1.15%~1.85%,C₃₀重排甾烷(βα20S)/C₂₇-C₃₀重排甾烷(βα20S)之和×100%),指示其与残留海水密切相关^[104]。相比于红藻营养结构,红藻囊果和果孢子富含脂质,是优质生油母质,对玛湖凹陷边缘区油气聚集产生贡献^[104]。

(4)塔斯马尼亚藻:绿藻门绿枝藻纲,在准噶尔盆地芦草沟组和平地泉组及相邻其他盆地广泛发育。化石呈圆盘状、厚壁,壁孔明显(图7G、H),生物标志物表现为高C₂₈/C₂₉甾烷比(0.84~1.31)和三环萜烷/藿烷比^[105],与澳大利亚下二叠统举世闻名的塔斯马尼亚藻油页岩特征相似^[106-107]。其超常富集与Artinskian全球变暖和冰川消融后淡水注入有关^[105]。

(5)多细胞藻席:岩石薄片中呈连续层状分布(图7I),有机岩石学归类为层状藻类体(Lamalginite),区别于单细胞的结构藻类体(Telalginite),可能由多细胞绿藻、红藻或丝状蓝细菌等构成,可结合生殖器官、干酪根和生物标志物特征等进一步判断其生物来源。这类烃源岩在北疆地区广泛发育,以准噶尔盆地和三塘湖盆地芦草沟组最为典型。荧光强烈,表明生烃能力显著,藻席在水柱中生长并沉积于湖底,形成有机质富集的沉积层。

此外,葡萄球藻与陆生高等植物也在特定沉积环境中贡献一定的有机质输入(图7J-M),丰富了湖盆有机质来源。其中葡萄球藻主要分布在伊犁盆地群吉萨依剖面塔姆其萨依组和吐哈盆地塔尔朗剖面塔尔朗组,反映淡水湖沉积环境;陆生高等植物主要分布在吐哈盆地桃东沟群,反映近海沼泽环境。

古北疆湖烃源岩成烃生物在时间和空间上呈现明显阶段性演化特征,并受到古亚洲洋闭合及全球重大气候事件的双重控制:(1)约300 Ma:碱湖初步发育。风城组红藻记录显示该时期处于海退背景,湖泊开始向封闭化、咸化演化^[104]。类杜氏藻和蓝细菌成为主要成烃生物组合,标志着早期碱湖生态系统形成(图8A);(2)300~290 Ma:湖泊多元化与藻席繁盛。随古亚洲洋自西向东闭合,吉木萨尔、石树沟、塔尔朗、三塘湖等地区形成多个相对独立的湖泊,这些湖泊继承了残留海水,保持一定盐度,以多细胞藻席广泛发育为特征(图8B)。三塘湖盆地芦草沟组发现海相生物化石和生物标志物,记录间歇性海侵事件,显示大洋处于海退-海侵交替期。伊犁和吐哈盆地则形成淡水湖,葡萄球藻和陆生高等植物贡献主要有机质输入。

相比而言,准噶尔盆地西北缘风城组湖泊封闭程度高、蒸发强烈、盐度和pH持续升高,形成典型碱湖;其他地区因海水退出较晚、盐度相对较低,仅发育初期碱湖^[39];伊犁和吐哈地区湖泊可能因受周源淡水补给盐度较低,碱湖发育受限;(3)290 Ma之后:“盐度危机”与塔斯马尼亚藻富集。伴随古亚洲洋继续向东闭合,受全球Artinskian变暖事件驱动,大规模冰川消融导致淡水注入、湖泊互联,不同凹陷的局限湖盆汇聚,湖水盐度骤降,诱发“盐度逆转危机”,其他生物群难以适应,塔斯马尼亚藻成为优势类群,油页岩沉积显著(图8C)^[105]。

总之,古亚洲洋闭合及相关构造-气候事件,通过调控大气圈气候、水圈湖水盐度与碱度以及水动力条件,塑造了成烃生物群落的时空分布格局。这一多圈层相互作用机制,不仅促成了古北疆湖特有的生物-环境协同演化模式,也奠定了优质湖相烃源岩的形成基础。

3.2 不同类型烃源岩生烃差异

古北疆湖的生物-环境协同演化不仅塑造了湖泊的沉积水化学和有机质类型,也决定了不同烃源岩的组分与丰度,为生烃特征差异奠定基础。对不同类型烃源岩的生烃潜力进行了时空对比。HI-T_max关系显示,古北疆湖烃源岩总体成熟度处于油窗早-中期(R_o约0.6%~1.3%),可直接比较生烃潜力。综合HI和TOC分布,烃源岩生烃潜力整体较高,且呈现明显分级:准噶尔盆地风城组>芦草沟组>平地泉组≈三塘湖盆地芦草沟组≈吐哈盆地塔尔朗组≈伊犁盆地塔姆其萨依组>吐哈盆地桃东沟群(图9A)^{[17,42,105,108]}。TOC-OSI关系表明,风城组和芦草沟组样品显著高于其他地区,大量OSI>100 mg/g TOC,显示出良好的页岩油富集潜力,并呈现两个不同的高峰(图9B)^{[17,42,105,108]}。当TOC>0.5%时,风城组OSI随TOC升高略有降低,与勘探实践相符,即风城组页岩油富集主要分布于TOC相对较低的风二段白云岩,而风三段泥岩OSI较低^[42]。芦草沟组页岩油甜点集中于碳

酸盐和白云质粉砂岩,即上下甜点层段,泥岩OSI偏低^[108]。值得注意的是,风城组OSI高峰对应的TOC(约0.7%)显著低于芦草沟组(约2.5%),可能与风城组特殊的成烃生物和强碱性沉积环境有关。δ¹⁵N分布进一步支持这一认识:高δ¹⁵N值(>10‰)指示强碱性水体,有利于有机质保存和氢指数提高^[109]。研究区δ¹⁵N总体呈风城组>芦草沟组≈平地泉组≈塔尔朗组>塔姆其萨依组>桃东沟群(图9C)^{[17,42,105,108]},与生烃潜力和OSI分布趋势一致(图9A-D)^{[17,42,105,108]},表明碱湖环境是优质烃源岩和页岩油甜点带形成的核心控制因素。

不同地区烃源岩生烃潜力的分级不仅反映了水化学和沉积环境差异,也受到成烃生物组成的显著影响。为此,对古北疆湖不同生物相类型烃源岩的生烃潜量和生烃动力学特征进行了对比分析(图10A)。半封闭体系的生烃热模拟实验显示,不同成烃生物在生烃潜量和演化特征上差异明显(图10B-H)^{[17,102,110-111]}:类杜氏藻、多细胞藻席、塔斯马尼亚藻和葡萄球藻的生油量最高;蓝细菌和红藻果孢子生油量相近;陆生高等植物以生气为主。上述差异反映了成烃生物原始脂质含量及组成对生烃潜力的控制作用。从生烃演化角度看,不同成烃生物表现出不同的生烃动力学特征:类杜氏藻型生油峰最晚(约1.3%R_o),生油窗最长,这主要归因于钠碳酸盐碱类矿物的皂化作用延滞了生烃过程,使生烃活化能升高,反映了碱湖沉积环境下有机-无机相互作用的独特性^[17,99];蓝细菌和红藻果孢子则生烃较早(约0.9%R_o),可能受碱湖边缘区火山矿物的催化作用影响^[17];多细胞藻席、塔斯马尼亚藻和葡萄球藻生油高峰居中(约1.0%~1.1%R_o)。由于碱湖成烃生物类型相对单调(图10A),以中心区类杜氏藻和边缘区蓝细菌为主,叠加后表现为典型的 “双峰”生烃特征^[17];其他生物相因成烃生物较复杂(图10A),叠加后仍然呈“单峰”特征,其生油高峰主要由优势生物类群决定。总体而言,成烃生物决定了生烃的原始潜量,无机矿物调控生烃发生的早晚,有机-无机相互作用共同塑造生烃动力学特征,多圈层耦合最终实现了构造-沉积-水化学-生物-成烃的一体化控制。

3.3 全油气系统形成

古亚洲洋的最终关闭孕育出以准噶尔盆地为代表的特征性碱湖沉积体系。在这一构造-地球化学背景下,碱性湖泊成为陆相油气系统演化的关键场所,并形成了与古亚洲洋西段关闭密切耦合的全油气系统。全油气系统是石油地质理论的重要革新,其核心内涵在于烃源岩中有机质形成的全部油气(包括常规与非常规资源)及其参与形成、演化、分布的地质要素与地质过程共同构成一个连续、动态的自然系统^[112]。古北疆地区全油气系统发育,体现了“全过程生烃-全类型储层-全序列成藏”的一体化演化特征^[113]。

(1)全过程生烃:构造-古地理-生物演化的叠合协同。古亚洲洋关闭导致的构造抬升与残留海隔绝,形成干旱-半干旱气候下的高盐度湖盆。风城组有机质类型在不同水体环境中形成差异显著的母质(图10)^{[17,102,110-111]}:湖盆中心区(如F20井)富含类杜氏藻与嗜盐古菌,属“油峰延后、油多气少”型;过渡区(如FC3井)以浮游藻+底栖藻为主,表现“油多气多”型;边缘区(如X76井)则以红藻果孢子与蓝细菌为主,呈“早期生油、晚期生气”特征。这一格局体现了古亚洲洋关闭后湖盆从残留海→碱湖→蒸发湖的逐级封闭过程下,不同母质类型的时空叠加与分带生烃机制^[17]。

(2)全类型储层:咸化湖盆的三源混积与有序分布。古亚洲洋关闭后,构造抬升与火山-热液活动共同控制了古北疆湖盆中“内源化学沉积物、陆源碎屑物质与火山物质”的“三源混积”沉积格局。湖水盐度的变化主控粒度与岩相序列分布,由粗碎屑砂砾岩向细粒白云质砂岩、白云质泥页岩有序过渡,构成从滨浅湖至深湖的储层分带结构。这种岩相-粒度-孔喉体系的有序性为后续的油气充注与保存提供了物质与空间基础。

(3)全序列成藏:源-储-盖-运一体化耦合演化。以准噶尔盆地风城组为例,展示出典型的“三母质、三成岩、三期成藏”耦合演化特征:(1)三母质:红藻果孢子、杜氏藻、蓝细菌分别指示残留海、碱湖与极端盐湖环境;(2)三期成岩:早期白云石胶结(60 ℃~110 ℃)、早中期盐质结晶(90 ℃~110 ℃)、中期长石及碎屑溶蚀(100 ℃~120 ℃);(3)三期成藏:早期重质油(初次排烃阶段)、早中期中质油(常规油藏形成阶段)、中晚期轻质油(致密-页岩油富集阶段)。

时间上,烃源岩连续生烃与成储过程高度耦合,形成从源外-源边-源内的油气有序分布格局:断裂带发育常规油藏、斜坡区发育致密油、湖盆凹陷区发育页岩油。这一格局反映了古亚洲洋关闭后准噶尔盆地构造稳定、沉积持续的特点,使得源储动态耦合与多阶段聚集成为常态,常规与非常规油气共存于一个统一的全油气系统中。

总之,古亚洲洋的关闭通过控制碱湖-残留海的演化节律,深刻影响了有机质类型、矿物成分及油气系统的分布格局。基于新的碱湖沉积环境与双峰多阶生油模式认识,可建立从物源区至湖盆中心的油气有序分布体系:滨浅湖相夹层型页岩油、深湖相纹层型页岩油、扇三角洲前缘致密油,且均已取得勘探重要突破,FY1井发现盐下百米陆相高压页岩气新领域,这些共同标志着古亚洲洋关闭后古北疆湖盆构造沉积-成烃过程的系统耦合关系得到验证,体现了全油气系统的完整演化格局。

古亚洲洋关闭背景下的碱湖环境为优质烃源岩发育提供了独特条件:碱性环境有利于有机质的保存与热转化,而嗜碱生物群落的繁盛则提供了丰富的有机质来源^[114]。与中国典型的早古生代海相油气和中新生代陆相油气不同,古北疆湖的海陆过渡相碱湖沉积代表了一种新的资源端元类型,形成了独特的全油气系统^[17,113]。

4 古亚洲洋关闭驱动构造-气候-环境-资源耦合

4.1 油气资源系统

大洋的开启与关闭是地球动力学演化的基本过程,深刻影响全球构造格局、气候系统和物质循环,对沉积盆地的形成与演化具有决定性意义^[3,26]。晚古生代古亚洲洋的逐步闭合重塑了中亚造山带及北疆-东北地区的构造格局^[10],驱动了盆地-隆坳格局的重新分化,并控制了古北疆湖等海退-封闭型湖盆体系的形成与演化^[39]。同期,全球气候系统经历显著波动与碳循环扰动,表现为大规模冰川-间冰川旋回与多次温室事件^[12-14],显著改变了陆地风化速率、沉积物供给与湖泊水化学条件。

我们认为:古亚洲洋的关闭通过调控大气圈、水圈、生物圈与岩石圈(沉积圈)等多圈层的相互作用,最终控制了优质烃源岩与油气资源的形成(图11)。具体表现为:岩石圈层面:盆地构造重组及火山-热液活动增强,为湖泊提供了富${\mathrm{HCO}}_{3}^{-}$/${\mathrm{CO}}_{3}^{2-}$和Na⁺的强碱性流体来源;大气圈层面:全球气候重组与CO₂、O₂、CH₄含量波动, 驱动干旱-湿润与冷-暖旋回,控制湖泊水量平衡与蒸发强度;水圈层面:洋流路径调整与海陆变迁遗留的咸化水体改变了湖水离子组成,湖水分层强化还原环境;生物圈层面:生态群落随水化学变化而重组,成烃生物类型与丰度显著受控。上述过程明确了古北疆湖形成过程中“构造→水圈→生物圈→沉积圈”的多圈层耦合联动路径(图11)。

这些多圈层过程的协同作用,构成了“构造-沉积-水化学-生物-成烃”的一体化控制模式,促进了北疆地区优质湖相烃源岩的发育。随着古亚洲洋逐步闭合,盆地环境由开阔海洋向封闭-半封闭的陆相湖盆过渡,湖水蒸发作用增强,同时闭合过程引发的碱性流体注入,使湖水碱度升高,形成典型的碱湖环境。该环境不仅利于有机质的保存,还触发了有机-无机相互作用,如钠碳酸盐矿物的皂化作用延滞生烃过程、提高活化能,使油气生成更持久、产率更高^[17,99]。碱湖相烃源岩通常分布于造山带闭合后的走滑-拉分或伸展-坳陷区及湖盆中心,表现出高TOC、高HI、高OSI和“双峰式生油”特征。通过古地理恢复、沉积水化学指标(如δ¹⁵N)与古生态重建,可有效识别古亚洲洋闭合背景下的优质碱湖烃源岩及其页岩油甜点层段,典型层段包括风城组碱湖与芦草沟组初期碱湖等。这一认识不仅拓展了陆相生油机制的认知边界^[115],也为中亚及其他造山带闭合后湖盆体系的非常规油气勘探提供了新思路。

从全球维度看,大洋关闭阶段的洋陆转换过程是构造-气候-环境体系重组的关键时期,常发育广布的碱性湖盆体系,成为油气生成与保存的重要新领域(表2)^{[17,19,39,70,116-119]}。中国及全球多个实例印证了这一规律:古亚洲洋西段在晚石炭世—早二叠世闭合形成准噶尔盆地碱湖^[102];蒙古-鄂霍茨克洋晚侏罗-早白垩世闭合形成巴音戈壁碱湖;晚白垩世古太平洋海侵形成松辽盆地上白垩统初期碱湖;始新世古太平洋海侵形成南襄盆地核桃园组碱湖^[116];现代俯冲带背景下羌塘盆地亦发育碱性湖泊。这些碱性湖盆的烃源岩形成与大洋闭合事件密切对应,分别契合全球三大油气富集期:宾夕法尼亚-早二叠世(Pennsylvanian-Cisuralian)、阿普第-土仑期(Aptian-Turonian)与科尼亚克-始新世(Coniacian-Eocene)。这表明,中国碱性咸化湖盆演化与全球洋陆转换节律具有显著耦合性。

从深时构造演化角度看,自罗迪尼亚超大陆经潘基亚大陆至现代地球系统,大洋的扩张与闭合循环反复,每一阶段均形成重要的油气资源(图12)^[26,120]。大洋闭合期具备完整的油气系统形成条件:(1)源:海水咸化与碱化促使高生物生产力和有机质高效保存;(2)储:被动陆缘及海退-封闭体系形成优质砂岩与碳酸盐岩储层;(3)盖:海退-蒸发作用形成膏盐岩等优质盖层;(4)闭:持续挤压与断裂作用形成多期构造圈闭。

4.2 其他能源资源系统

综合上述,古亚洲洋在晚古生代的关闭是中亚造山带构造域最重要的地质事件之一^[121-122],进一步通过岩石圈、水圈、大气圈与生物圈的多圈层耦合作用,形成了古北疆湖构造-气候-环境-资源的耦合,深刻体现了地球各圈层在特定构造阶段的协同演化机制及其资源效应,除了油气外,还有其他的资源类型,形成综合的能源资源系统。

4.2.1 天然氢气

在石炭纪—二叠纪时期,古亚洲洋的最终关闭导致了广泛的洋-陆碰撞(图13A,13B)^[123],伴随蛇绿岩仰冲就位与强烈构造变形。准噶尔盆地周缘发育的8条新元古代—石炭纪俯冲带上盘型(Supra-Subduction Zone)与洋中脊型(Mid-Ocean-Ridge)蛇绿岩带,为蛇纹石化作用提供了有利的构造与岩石学条件^[124],暗示具有天然氢气潜力^[125]。准噶尔盆地周缘蛇绿岩带主要是在晚石炭世至早二叠世古亚洲洋关闭过程中,通过俯冲大洋岩石圈板片碎片被刮铲混杂到增生杂岩中形成并最终出露地表的^[124],再往后还经过中—新生代以来的持续构造抬升和剥蚀,蛇绿岩最终持续出露^[126]。

蛇纹石化是地球上最重要的水-岩相互作用类型之一,产生了约80%的天然氢气^[125,127],化学反应(3FeMgSiO₄+6H⁺→ Fe₃O₄+3Mg²⁺+3SiO₂+2H₂O+H₂)不仅生成H₂,还消耗H⁺并形成高碱性流体。低温蛇纹岩区(< 400 ℃)常伴生富H₂的强碱性流体,pH值通常大于9,是地质氢气的重要潜在来源^[128]。世界范围内,低温蛇纹石化常发育天然氢气资源,并有差异,包括富H₂型、N₂-H₂-CH₄型、H₂-CH₄型等,同时发育强碱性还原流体,pH主体大于9,其中富H₂型低温蛇纹石化流体的pH最高(图13)^[123],海相典型实例包括大西洋中脊的Lost City,陆相典型实例包括土耳其、菲律宾、阿曼、新喀里多尼亚、意大利北部、葡萄牙、加拿大英属哥伦比亚等地的低温热液^[123,128]。准噶尔盆地周缘广泛的蛇纹石化作用不仅可能生成丰富的地质氢气资源,也为碱湖的形成提供了碱性物质来源,既包括晚古生代已出露于造山带中的蛇绿岩,也包括未出露的深部残留洋壳及蛇绿岩体,体现了深部构造过程与表层环境系统之间的圈层耦合。

值得注意的是,显生宙多次冰期事件与蛇绿岩仰冲风化期具有显著对应关系,包括奥陶纪末、石炭-二叠纪及第四纪冰期等。超基性-基性岩的风化作用可增强全球化学风化、促进有机碳埋藏并降低大气CO₂浓度,从而引发全球降温^[129]。因此,古亚洲洋关闭期间的大规模蛇纹石化作用不仅产生了氢气与碱性流体,还可能通过风化-碳循环反馈机制影响全球气候系统,即出露的蛇绿岩强烈风化作用可能消耗大气CO₂、造成降温,但目前大陆风化作用加强诱发LPIA的模型研究主要基于赤道附近的海西造山作用^[130],古亚洲洋构造域的气候效应还未有系统模型研究,有待进一步工作。这种构造-气候耦合关系在准噶尔盆地晚古生代碱湖形成过程中表现尤为突出:一方面,蛇纹石化释放的碱性流体提高了湖水pH值;另一方面,全球变冷背景下的区域干旱气候促进了湖水蒸发浓缩,形成碱性咸化湖盆^[39,48]。准噶尔盆地二叠系风城组碱湖沉积序列完整记录了这一圈层相互作用过程:自底部碎屑岩-碳酸盐层段,经中部碳酸盐岩层段,再回返至顶部碎屑岩层段,反映了构造、气候与环境的协同演化序列^[39]。

总之,如图14^[9],古亚洲洋关闭背景下,风城组沉积期准噶尔盆地周缘蛇纹石化产生的碱性流体与冷室地球背景下的区域干旱气候协同作用,形成了独特的碱湖生态系统并发育富有机质烃源岩,具有高生烃潜力,是油气资源的物质基础^[20,39]。重要的是,蛇纹石化直接生成的地质氢气作为一种清洁能源,其成因与分布亦受控于构造-气候-环境系统。在准噶尔盆地,氢气生成与碱湖烃源岩发育在时空上可能具有耦合关系,形成油-气-氢共生的超级能源系统,为非常规清洁能源勘探提供潜在靶区。需要说明的是,受限于传统天然气测试方法,目前准噶尔盆地及周缘天然气和岩石包裹体中的氢气含量尚缺乏相关测试数据,限制了蛇纹石化产氢气与碱性流体耦合发育机制研究的开展。地质氢气是否存在需后续钻井取样验证,是下步需要重点开展的工作。

4.2.2 金属等矿产资源

古亚洲洋的闭合不仅控制了油气系统的富集及潜在非常规能源(如氢气)的形成,也深刻影响了金属、煤炭、石墨等资源富集。构造重组与火山-热液活动产生的裂缝与断层为成矿流体运移提供通道,促进铜、锌、铅、镁等金属矿产富集^[131];干旱-半干旱气候与湖边-湿地环境则利于植物残体保存,形成高品质煤层^[132]。从更广义的深时尺度看,大洋的演化过程普遍伴随金属等矿产资源系统的周期性重组:(1)在大洋开启期,岩石圈减薄裂解,幔源镁铁质-超镁铁质岩浆上升至下地壳并发生硫化物-硅酸盐不混溶,形成塞浦路斯型VMS及喷流型多金属矿床^[133]。如原特提斯洋开启形成了西藏罗布莎铬铁矿、甘肃白银厂喷流型铜矿,古特提斯洋开启形成了夏日哈木镍钴硫化物矿床与西成厂坝Sedex型铅锌矿床。(2)在大洋闭合期,洋壳俯冲、洋-陆及陆-陆碰撞导致地壳加厚与部分熔融,形成壳源长英质岩浆及走滑-伸展断裂系统,诱发幔-壳混源岩浆及热液流体活动,进而形成斑岩-矽卡岩型铜(钼-金)矿、浅成热液金-汞-锑矿、造山带型金矿及稀有金属矿床。此阶段固体矿产极为丰富^[134]。

5 结论

古亚洲洋闭合背景下的古北疆碱湖系统实例充分展示了圈层相互作用对能源资源富集的控制,并体现了地球系统科学的研究理念。从深部过程看,古亚洲洋闭合引发的蛇绿岩就位与蛇纹石化作用产生了氢气及碱性流体;从表层系统看,全球变冷背景下的区域干旱气候促进了碱湖的形成与演化;从资源效应看,特殊的古环境条件推动了优质烃源岩的发育及多能源共生富集。基于这种圈层相互作用构建的“构造-气候-生命-环境-资源”耦合模式,不仅揭示了准噶尔盆地的资源形成与富集机理,也为全球类似地质背景下的能源勘探提供了重要参考。未来随清洁能源需求的不断增长,地质氢气成因及分布规律研究具有越来越重要的战略意义。

深时大洋演化控制了油气、金属、煤炭及氢气等多种能源资源的协同富集模式:开启期以油气富集为主,闭合期则以固体矿产及特殊烃源岩共生为特征。古亚洲洋闭合及其圈层耦合效应正是这一全球规律在区域尺度的体现。深入解析大洋闭合背景下湖盆形成的圈层耦合机制,有助于理解地球系统各圈层的协同演化规律,重构深时地质事件下的资源形成模式,并为未来能源资源综合勘探提供新的科学支撑与理论框架。

当前,与大洋演化相关的油气勘探主要集中于大洋扩张及大陆裂解阶段,而闭合期的湖相体系仍属相对未充分探索的“新疆域”。系统研究大洋闭合背景下(碱性)湖盆的成盆、成烃、成藏及保存规律,将为综合能源(油-气-氢)勘探提供新的理论基础与战略方向,有望推动油气资源发现实现“质的飞跃”。未来,这一重大研究方向的突破亟需多学科的综合交叉研究,包括地质学、地球化学、地球物理学和数据科学等,全面实施野外地质调查、实验模拟及数值分析等手段,以深入系统揭示圈层相互作用的动力学过程与资源效应,发现更多的能源资源新疆域。

感谢中国石油新疆油田分公司和吐哈油田分公司多位专家的有益讨论,提供样品和数据支持。感谢中国科学院地质与地球物理研究所“多圈层相互作用的油气富集理论”课题组给予的建设性意见。感谢朱日祥院士等的约稿、鼓励与指导。

参考文献

[1] 汪品先, 田军, 黄恩清, 等. 地球系统与演化[M]. 北京: 科学出版社, 2018.

[2] JIN Z, WANG X, WANG H, et al. Organic carbon cycling and black shale deposition: an Earth System Science perspective[J]. National Science Review, 2023, 10: 209-223.

[3] 郑永飞, 郭正堂, 焦念志, 等. 地球系统科学研究态势[J]. 中国科学: 地球科学, 2024, 54(10): 3065-3090.

[4] 朱日祥, 张水昌, 万博, 等. 新特提斯域演化对波斯湾超级含油气盆地形成的影响[J]. 石油勘探与开发, 2023, 50: 1-11.

[5] 吴福元, 万博, 赵亮, 等. 特提斯地球动力学[J]. 岩石学报, 2020, 36: 1627-1673.

[6] 贾承造, 杨树锋, 陈汉林, 等. 特提斯北缘盆地群构造地质与天然气[M]. 北京: 石油出版社, 2001.

[7] 朱日祥, 赵盼, 赵亮. 新特提斯洋演化与动力过程[J]. 中国科学: 地球科学, 2022, 52: 1-25.

[8] 何登发, 童晓光, 杨福忠, 等. 中亚含油气区构造演化与油气聚集[M]. 北京: 科学出版社, 2016.

[9] 马昌明, 李江海, 曹正林, 等. 中亚盆地群石炭-二叠纪岩相古地理恢复及演化[J]. 岩石学报, 2020, 36: 3510-3522.

[10] 肖文交. 板块离散-汇聚耦合体系及大陆造山带动力机制[J]. 中国科学: 地球科学, 2023, 53(8): 1930-1932.

[11] 张瑞杰, 曹剑, 边立曾, 等. 古亚洲洋关闭期准噶尔湖发现“海退遗种”红藻及其成烃有效性[J]. 中国科学: 地球科学, 2024, 54(9): 2898-2916.

[12] RICHEY J D, MONTAÑEZ I P, GODDÉRIS Y, et al. Influence of temporally varying weatherability on CO₂-climate coupling and ecosystem change in the late Paleozoic[J]. Climate of the Past, 2020, 16(5): 1759-1775.

[13] CHEN J, MONTAÑEZ I P, ZHANG S, et al. Marine anoxia linked to abrupt global warming during Earth’s penultimate icehouse[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2022, 119(19): 1-22.

[14] MONTAÑEZ I P. Current synthesis of the penultimate icehouse and its imprint on the Upper Devonian through Permian stratigraphic record[J]. Geological Society Special Publication, 2022, 512: 213-245.

[15] 潘松圻, 邹才能, 李勇, 等. 重大生物事件与化石能源形成演化: 兼论地球系统框架下能源学发展[J]. 石油勘探与开发, 2021, 48(3): 498-509.

[16] 沈树忠, 张飞飞, 王文倩, 等. 深时重大生物和气候事件与全球变化: 进展与挑战[J]. 科学通报, 2024, 69(2): 268-285.

[17] 曹剑, 张瑞杰, 支东明, 等. 碱湖烃源岩有机-无机相互作用与控烃机理[J]. 中国科学: 地球科学, 2025, 55(5): 1619-1641.

[18] 唐勇, 郭文建, 王霞田, 等. 玛湖凹陷砾岩大油区勘探新突破及启示[J]. 新疆石油地质, 2019, 40(2): 127-137.

[19] 张水昌. 碱湖烃源岩生烃理论的突破与思考[J]. 中国科学: 地球科学, 2025, 55(6): 2098-2100.

[20] 支东明, 唐勇, 何文军, 等. 准噶尔盆地玛湖凹陷风城组常规-非常规油气有序共生与全油气系统成藏模式[J]. 石油勘探与开发, 2021, 48(1): 38-51.

[21] ROYER D L, BERNER R A, MONTAÑEZ I P, et al. CO₂ as a primary driver of Phanerozoic climate[J]. GSA Today, 2004, 14: 3-7.

[22] BERNER R A, CANFIELD D E. A new model for atmospheric oxygen over Phanerozoic time[J]. American Journal of Science, 1989, 289(4): 333-361.

[23] CAME R E, EILER J M, VEIZER J, et al. Coupling of surface temperatures and atmospheric CO₂ concentrations during the Palaeozoic era[J]. Nature, 2007, 449: 198-201.

[24] BERNER R A. The long-term carbon cycle, fossil fuels and atmospheric composition[J]. Nature, 2003, 426: 323-326.

[25] WOOD MACKENZIE. Upstream data tool[DB/OL]. 2024 [2025-08-08]. https://www.woodmac.com/industry/oil-and-gas/upstream/upsteam-data-tool/

[26] 朱日祥, 张旺, 王华建, 等. 多圈层驱动的油气形成与富集理论[J]. 中国科学: 地球科学, 2025, 55(8): 2603-2620.

[27] TORSVIK T H. Earth history: a journey in time and space from base to top[J]. Tectonophysics, 2019, 760: 297-313.

[28] POLLASTRO R M. Ghaba Salt Basin Province and Fahud Salt Basin Province, Oman: geological Overview and Total Petroleum System[R]. Wisconsin: US Department of the Interior, US Geological Survey, 1999.

[29] 马锋, 张光亚, 刘祚冬, 等. 特提斯构造域东段叠合盆地演化和油气成藏规律特征初论[J]. 地质论评, 2021, 67: 1357-1372.

[30] 李春煜, 王荃, 刘雪亚, 等. 亚洲大地构造图(说明书)[M]. 北京: 地质出版社, 1982.

[31] JAHN B M, WINDLEY B, NATAL’IN B, et al. Phanerozoic continental growth in central Asia[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2004, 23: 599-603.

[32] STAMPFLI G M, HOCHARD C, VÉRARD C, et al. The formation of Pangea[J]. Tectonophysics, 2013, 593: 1-19.

[33] REN Q, ZHANG S, TURBOLD, et al. Timing the Hegenshan Suture in the Central Asian Orogenic Belt: new paleomagnetic and geochronological constraints from southeastern Mongolia[J]. Geophysical Research Letters, 2023, 50(20): 1-11.

[34] XIA L Q, XU X Y, XIA Z C, et al. Petrogenesis of Carboniferous rift-related volcanic rocks in the Tianshan, northwestern China[J]. Geological Society of America Bulletin, 2004, 116: 419-433.

[35] XIA L Q. The geochemical criteria to distinguish continental basalts from arc related ones[J]. Earth-Science Reviews, 2014, 139: 195-212.

[36] XIAO W J, HUANG B C, HAN C M, et al. A review of the western part of the Altaids: a key to understanding the architecture of accretionary orogens[J]. Gondwana Research, 2010, 18: 253-273.

[37] XIAO W J, WINDLEY B F, BADARCH G, et al. Palaeozoic accretionary and convergent tectonics of the southern Altaids: implications for the growth of Central Asia[J]. Journal of the Geological Society, 2004, 161(3): 339-342.

[38] CARROLL A R, BOHACS K M. Lake-type controls on petroleum source rock potential in nonmarine basins[J]. AAPG Bulletin, 2001, 85(6): 1033-1053.

[39] CAO J, XIA L W, WANG T T, et al. An alkaline lake in the Late Paleozoic Ice Age (LPIA): a review and new insights into paleoenvironment and petroleum geology[J]. Earth-Science Reviews, 2020, 202: 103091.

[40] XIA L W, CAO J, HU W, et al. Coupling of paleoenvironment and biogeochemistry of deep-time alkaline lakes: a lipid biomarker perspective[J]. Earth-Science Reviews, 2021, 213: 103499.

[41] 刘金, 曹剑, 王剑, 等. 陆相页岩油微观赋存特征与自封闭机理: 以准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组为例[J]. 石油学报, 2025, 46: 1355-1368.

[42] XIA L W, CAO J, HU W X, et al. Paleo-environmental conditions and organic carbon accumulation during glacial events: new insights from saline lacustrine basins[J]. Global and Planetary Change, 2023, 227: 104162.

[43] JONES B F, DEOCAMPO D M. Geochemistry of saline lakes[C]// Treatise on Geochemistry. Pergamon, 2003: 393-424.

[44] EUGSTER H P, HARDIE L A. Saline lakes[C]// LERMAN A (ed). Lakes: Chemistry, Geology, Physics. Berlin: Springer-Verlag, 1978: 237-293.

[45] JAGNIECKI E A, LOWENSTEIN T K. Evaporites of the Green River Formation, Bridger and Piceance Creek Basins: deposition, diagenesis, paleobrine chemistry, and Eocene atmospheric CO₂[C]// Stratigraphy and Paleolimnology of the Green River Formation, Western USA. 2015, 1: 277-312.

[46] TOSCA N J, TUTOLO B M. How to make an alkaline lake: fifty years of chemical divides[J]. Elements, 2023, 19(1): 15-21.

[47] CANGEMI M, CENSI P, REIMER A, et al. Carbonate precipitation in the alkaline lake Specchio di Venere (Pantelleria Island, Italy) and the possible role of microbial mats[J]. Applied Geochemistry, 2016, 67: 168-176.

[48] XIA L, CAO J, STÜEKEN E E, et al. Unsynchronized evolution of salinity and pH of a Permian alkaline lake influenced by hydrothermal fluids: a multi-proxy geochemical study[J]. Chemical Geology, 2020, 541: 119581.

[49] WU H, HU W, CAO J, et al. A unique lacustrine mixed dolomitic-clastic sequence for tight oil reservoir within the middle Permian Lucaogou Formation of the Junggar Basin, NW China: reservoir characteristics and origin[J]. Marine and Petroleum Geology, 2016, 76: 115-132.

[50] PECORAINO G, D’ALESSANDRO W, INGUAGGIATO S. The other side of the coin: geochemistry of alkaline lakes in volcanic areas[C]// Volcanic Lakes. 2015: 219-237.

[51] SCHAGERL M, RENAUT R W. Dipping into the soda lakes of East Africa[M]// Soda Lakes of East Africa. 2016: 3-24.

[52] GRANT W D. Alkaline environments and biodiversity[C]// Encyclopedia of Life Support Systems. 2006: 20.

[53] LÓPEZ-ARCHILLA A I, MOREIRA D, LÓPEZ-GARCÍA P, et al. Phytoplankton diversity and cyanobacterial dominance in a hypereutrophic shallow lake with biologically produced alkaline pH[J]. Extremophiles, 2004, 8(2): 109-115.

[54] TALBOT M R, KELTS K. Paleolimnological signatures from carbon and oxygen isotopic ratios in carbonates from organic carbon-rich lacustrine sediments[C]// Lacustrine Basin Exploration: Case Studies and Modern Analogs. 1990: 99-112.

[55] 刘传联, 赵泉鸿, 汪品先. 东营凹陷生油岩中介形虫氧、碳同位素的古湖泊学意义[J]. 地球科学, 2001, 5: 441-445.

[56] TALBOT M R. A review of the palaeohydrological interpretation of carbon and oxygen isotopic ratios in primary lacustrine carbonates[J]. Chemical Geology, 1990, 80(4): 261-279.

[57] ZHENG M, TANG J, LIU J, et al. Chinese saline lakes[J]. Hydrobiologia, 1993, 267: 23-36.

[58] ZHU H C, OUYANG S, ZHAN J Z, et al. Comparison of Permian palynological assemblages from the Junggar and Tarim Basins and their phytoprovincial significance[J]. Review of Palaeobotany and Palynology, 2005, 136(3): 181-207.

[59] JURIKOVA H, GARBELLI C, WHITEFORD R, et al. Rapid rise in atmospheric CO₂ marked the end of the Late Palaeozoic Ice Age[J]. Nature Geoscience, 2025, 18(1): 91-97.

[60] SOREGHAN G S, SOREGHAN M J, HEAVENS N G. Explosive volcanism as a key driver of the late Paleozoic ice age[J]. Geology, 2019, 47(7): 600-604.

[61] RUBAN D A, AL-HUSSEINI M I, IWASAKI Y. Review of Middle East Paleozoic plate tectonics[J]. GeoArabia, 2007, 12(3): 35-55.

[62] WANG T, CAO J, XIA L, et al. Revised age of the Fengcheng Formation, Junggar Basin, China: global implications for the late Paleozoic ice age[J]. Global and Planetary Change, 2022, 208: 103725.

[63] 鲜本忠, 牛花朋, 朱筱敏, 等. 准噶尔盆地西北缘下二叠统火山岩岩性、岩相及其与储层的关系[J]. 高校地质学报, 2013(1): 46-55.

[64] 钱永新, 邹阳, 赵辛楣, 等. 准噶尔盆地玛湖凹陷玛页1井二叠系风城组全井段岩心剖析与油气地质意义[J]. 油气藏评价与开发, 2022, 12: 204-214.

[65] 尤新才, 晏奇, 李梦瑶, 等. 准噶尔盆地玛湖凹陷南部风城组火山岩油藏特征与聚集模式[J]. 地质科技通报, 2024, 43: 131-145.

[66] SUN F, HU W, CAO J, et al. Sustained and intensified lacustrine methane cycling during Early Permian climate warming[J]. Nature Communications, 2022, 13(1): 4856.

[67] 蒋宜勤, 柳益群, 杨召, 等. 准噶尔盆地吉木萨尔凹陷凝灰岩型致密油特征与成因[J]. 石油勘探与开发, 2015, 42: 741-749.

[68] DING X, QIAN L, JIANG W, et al. Volcanic ash content of Permian Lucaogou shale in the Jimsar sag, Junggar Basin: evidence from comprehensive analysis of mercury (Hg), major elements, strontium isotope, and thin section[J]. Marine and Petroleum Geology, 2023, 157: 106501.

[69] 龚德瑜, 刘泽阳, 何文军, 等. 准噶尔盆地玛湖凹陷风城组有机质多元富集机制[J]. 石油勘探与开发, 2024, 51: 260-272.

[70] XIA L, CAO J, WANG T, et al. Deep-time alkaline lake enigma: rare or undiscovered?[J]. Earth-Science Reviews, 2024, 253: 104785.

[71] BAU M, DULSKI P. Distribution of yttrium and rare-earth elements in the Penge and Kuruman iron-formations, Transvaal Supergroup, South Africa[J]. Precambrian Research, 1996, 79: 37-55.

[72] 张帅, 柳益群, 焦鑫, 等. 准噶尔盆地吉木萨尔凹陷中二叠统芦草沟组云质岩沉积环境及白云石成因探讨[J]. 古地理学报, 2018(1): 33-48.

[73] LOWENSTEIN T K, JAGNIECKI E A, CARROLL A R, et al. The Green River salt mystery: what was the source of the hyperalkaline lake waters?[J]. Earth-Science Reviews, 2017, 173(1): 295-306.

[74] SUN D. Soda lakes and origin of their trona deposits on the Nei Mongol Plateau of China[J]. Chinese Journal of Oceanology and Limnology, 1987, 5(4): 351-362.

[75] SMITH G I, STUIVER M. Subsurface stratigraphy and geochemistry of late Quaternary evaporites, Searles Lake, California[M]. Department of the Interior, Geological Survey, 1977.

[76] GARCIA-VEIGAS J, GUNDOGAN I, HELVACI C, et al. A genetic model for Na-carbonate mineral precipitation in the Miocene Beypazari trona deposit, Ankara province, Turkey[J]. Sedimentary Geology, 2013, 294: 315-327.

[77] 杨江海, 易成龙, 杜远生, 等. 泌阳凹陷古近纪含碱岩系地球化学特征对成碱作用的指示意义[J]. 中国科学: 地球科学, 2014, 44(10): 2172-2184.

[78] LOWENSTEIN T K, DEMICCO R V. Elevated Eocene atmospheric CO₂ and its subsequent decline[J]. Science, 2006, 313(5795): 1928.

[79] STÜEKEN E E, MARTINEZ A, LOVE G, et al. Effects of pH on redox proxies in a Jurassic rift lake: implications for interpreting environmental records in deep time[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2019, 252(1): 240-267.

[80] SOUTHGATE P N, LAMBERT I B, DONNELLY T H, et al. Depositional environments and diagenesis in Lake Parakeelya: a Cambrian alkaline playa from the Officer Basin, South Australia[J]. Sedimentology, 1989, 36(6): 1091-1112.

[81] STÜEKEN E E, BUICK R, SCHAUER A J. Nitrogen isotope evidence for alkaline lakes on late Archean continents[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2015, 411(1): 1-10.

[82] 郑绵平, 张永生, 刘喜方, 等. 中国盐湖科学技术研究的若干进展与展望[J]. 地质学报, 2016, 90(9): 2123-2166.

[83] 孙大鹏. 内蒙高原的天然碱湖[J]. 海洋与湖沼, 1990, 21(1): 44-54.

[84] WU A, CAO J, ZHANG J, et al. Linkage of paleolake to climate change during the Early Permian Artinskian warming[J]. Gondwana Research, 2025, 148: 125-138.

[85] JONES B E, GRANT W D, DUCKWORTH A W, et al. Microbial diversity of soda lakes[J]. Extremophiles, 1998, 2(3): 191-200.

[86] 夏刘文, 曹剑, 边立曾, 等. 准噶尔盆地玛湖大油区二叠纪碱湖生物-环境协同演化及油源差异性[J]. 中国科学: 地球科学, 2022, 52(4): 732-746.

[87] SUN F, HU W, WANG X, et al. Methanogen microfossils and methanogenesis in Permian lake deposits[J]. Geology, 2021, 49: 13-18.

[88] XIA L W, CAO J, HU W X, et al. Effects on global warming by microbial methanogenesis in alkaline lakes during the Late Paleozoic Ice Age (LPIA)[J]. Geology, 2023, 51: 935-940.

[89] VANWONTERGHEM I, EVANS P N, PARKS D H, et al. Methylotrophic methanogenesis discovered in the archaeal phylum Verstraetearchaeota[J]. Nature Microbiology, 2016, 1(12): 16170.

[90] LIU Y, WHITMAN W B. Metabolic, phylogenetic, and ecological diversity of the methanogenic archaea[J]. Annals of the New York Academy of Sciences, 2008, 1125(3): 171-189.

[91] ORPHAN V J, HOUSE C H, HINRICHS K U, et al. Methane-consuming archaea revealed by directly coupled isotopic and phylogenetic analysis[J]. Science, 2001, 293(5529): 484-487.

[92] BARTDORFF O, WALLMANN K, LATIF M, et al. Phanerozoic evolution of atmospheric methane[J]. Global Biogeochemical Cycles, 2008, 22(1): 79-88.

[93] CURTIS C D, COLEMAN M L, LOVE L G. Pore water evolution during sediment burial from isotopic and mineral chemistry of calcite, dolomite and siderite concretions[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1986, 50(10): 2321-2334.

[94] XIA L, CAO J, STÜEKEN E E, et al. Linkages between nitrogen cycling, nitrogen isotopes, and environmental properties in paleo-lake basins[J]. Bulletin of the Geological Society of America, 2022, 134: 2359-2372.

[95] BERNER R A, RAISWELL R. Geology C/S method for distinguishing freshwater from marine sedimentary rocks[J]. Geology, 1984, 12: 365-368.

[96] WEI W, ALGEO T J. Elemental proxies for paleosalinity analysis of ancient shales and mudrocks[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2020, 287: 341-366.

[97] 黄第藩, 李晋超. 中国陆相油气生成[M]. 北京: 石油工业出版社, 1982.

[98] KEMPE S, KAZMIERCZAK J, LANDMANN G, et al. Largest known microbialites discovered in Lake Van, Turkey[J]. Nature, 1991, 349(6310): 605-608.

[99] ZHANG R J, CAO J, HU W X, et al. Resolving oil generation conundrum at anomalously high thermal maturity by chemical saponification[J]. Science Bulletin, 2026, 71: 1014-1018.

[100] XIA L W, CAO J, LEE C, et al. A new constraint on the antiquity of ancient haloalkaliphilic green algae that flourished in a ca. 300 Ma Paleozoic lake[J]. Geobiology, 2021, 19(2): 147-161.

[101] ELLEUCH F, HLIMA H B, BARKALLAH M, et al. Carotenoids overproduction in Dunaliella sp.: transcriptional changes and new insights through lycopene β cyclase regulation[J]. Applied Sciences, 2019, 9(24): 5389.

[102] SHIEA J, BRASSELL S C, WARD D M. Mid-chain mono- and dimethyl alkanes in hot spring cyanobacterial mats: a direct biogenic source for branched alkanes in ancient sediments?[J]. Organic Geochemistry, 1990, 15(3): 223-231.

[103] DING W, HOU D, JIANG L, et al. High abundance of carotanes in the brackish-saline lacustrine sediments: a possible cyanobacteria source?[J]. International Journal of Coal Geology, 2020, 219: 103373.

[104] ZHANG R J, CAO J, BIAN L Z, et al. Red algal evidence for a marine regression linked to hydrocarbon generation in the Junggar Basin during closure of the Paleo-Asian Ocean[J]. Science China Earth Sciences, 2024, 67(9): 2845-2863.

[105] ZHANG R J, CAO J, HU W X, et al. First report of Early Permian Tasmanite oil shales in northern Pangea with global implications[J]. Organic Geochemistry, 2024, 188: 104736.

[106] REVILL A T, VOLKMAN J K, OLEARY T, et al. Hydrocarbon biomarkers, thermal maturity, and depositional setting of tasmanite oil shales from Tasmania, Australia[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1994, 58(18): 3803-3822.

[107] VOLKMAN J K, BARRETT S M, DUNSTAN G A, et al. Sterol biomarkers for microalgae from the green algal class Prasinophyceae[J]. Organic Geochemistry, 1994, 21(12): 1211-1218.

[108] ZHANG C J, CAO J, LI E T, et al. Revisiting controls on shale oil accumulation in saline lacustrine basins: the Permian Lucaogou Formation mixed rocks, Junggar Basin[J]. Geofluids, 2021, 2021: 1-25.

[109] 曹剑, 夏刘文, 胡文瑄, 等. 中国陆相烃源岩氮同位素组成与有机质聚集[J]. 石油实验地质, 2023, 45(5): 912-925.

[110] XIE X M, VOLKMAN J K, QIN J Z, et al. Petrology and hydrocarbon potential of microalgal and macroalgal dominated oil shales from the Eocene Huadian Formation, NE China[J]. International Journal of Coal Geology, 2014, 124: 36-47.

[111] SONG H X, BAO J P, WEN Z G, et al. Comparative study of aromatic hydrocarbons in bitumens and expelled oils generated by hydrous pyrolysis of coal[J]. International Journal of Coal Geology, 2019, 215: 103303.

[112] JIA C Z, PANG X Q, SONG Y. Whole petroleum system and ordered distribution pattern of conventional and unconventional oil and gas reservoirs[J]. Petroleum Science, 2023(1): 1-19.

[113] TANG Y, CAO J, HE W, et al. The whole petroleum system with ordered coexistence of conventional and unconventional hydrocarbons: case from the Junggar Basin, China[J]. AAPG Bulletin, 2024, 108(7): 1261-1290.

[114] TISSOT B P, WELTE D H. Petroleum Formation and Occurrence[M]. Berlin: Springer-Verlag, 1984.

[115] 贾承造, 邹才能, 杨智, 等. 陆相油气地质理论在中国中西部盆地的重大进展[J]. 石油勘探与开发, 2018, 45(4): 546-560.

[116] XIA L W, CAO J, HU S Z. How marine incursion influences the quality of lacustrine source rocks: the Paleogene Nanxiang Basin, eastern China[J]. AAPG Bulletin, 2019, 103(5): 1071-1096.

[117] 丁林, 熊中玉, 田小龙, 等. 从造山带到青藏高原的隆升: 地质演化与气候变化的机理连通性[J/OL]. 科学通报, 2025. doi: 10.1360/CSB-2025-0639.

[118] 戴朝成, 钟炽涛, 刘晓东, 等. 内蒙古巴音戈壁盆地塔木素碱矿Na-碳酸盐成因模式[J]. 地球科学, 2024, 49(4): 1207-1223.

[119] WU M, WANG X M, HE K, et al. Biomarker proxies for redox-controlled biodegradation: deciphering organic matter preservation and carbon cycling[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2025, 405: 148-161.

[120] FRISCH W, MESCHEDE M, BLAKEY R. Plate tectonics: continental drift and mountain building[M]. Heidelberg: Springer, 2011: 1-212.

[121] WILHEM C, WINDLEY B F, STAMPFLI G M. The Altaids of Central Asia: a tectonic and evolutionary innovative review[J]. Earth-Science Reviews, 2012, 113(3): 303-341.

[122] XIAO W J, SANTOSH M. The western Central Asian Orogenic Belt: a window to accretionary orogenesis and continental growth[J]. Gondwana Research, 2014, 25(4): 1429-1444.

[123] VACQUAND C, DEVILLE E, BEAUMONT V, et al. Reduced gas seepages in ophiolitic complexes: evidences for multiple origins of the H₂-CH₄-N₂ gas mixtures[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2018, 223(4): 437-461.

[124] 高俊, 江拓, 王信水, 等. 准噶尔-天山-北山蛇绿岩: 对中亚造山带西南缘洋陆格局演化的制约[J]. 地质科学, 2022, 57(1): 1-42.

[125] HAND E. Hidden hydrogen: does Earth hold vast stores of a renewable, carbon-free fuel?[J]. Science, 2023, 379(6633): 630-636.

[126] 邹国庆, 潘飞, 余牛奔, 等. 准噶尔盆地西北缘布尔克斯台蛇绿岩特征及地质意义[J]. 东华理工大学学报(自然科学版), 2021, 44(5): 412-422.

[127] ZGONNIK V. The occurrence and geoscience of natural hydrogen: a comprehensive review[J]. Earth-Science Reviews, 2020, 203: 103140.

[128] KELLEY D S, KARSON J A, FRÜH-GREEN G L, et al. A serpentinite-hosted ecosystem: the Lost City hydrothermal field[J]. Science, 2005, 307(5714): 1428-1434.

[129] MURRAY J, JAGOUTZ O. Palaeozoic cooling modulated by ophiolite weathering through organic carbon preservation[J]. Nature Geoscience, 2024, 17(1): 88-93.

[130] GODDÉRIS Y, DONNADIEU Y, CARRETIER S, et al. Onset and ending of the late Palaeozoic ice age triggered by tectonically paced rock weathering[J]. Nature Geoscience, 2017, 10: 382-386.

[131] 张照伟, 钱兵, 王亚磊. 东昆仑夏日哈木铜镍矿床Re-Os同位素和PGE地球化学特征及对成矿作用的指示[J]. 矿床地质, 2014, 33(S1): 651-652.

[132] 陈文敏, 傅丛, 丁华. 我国典型矿区石炭-二叠纪煤炭资源分布与煤质特征[J]. 煤质技术, 2022, 37(1): 14-24.

[133] 王旭辉, 郎兴海, 叶紫枫, 等. 青海北祁连成矿带原特提斯洋俯冲期斑岩-浅成低温热液成矿系统的发现及其找矿意义[J]. 岩石学报, 2025, 41(5): 1584-1605.

[134] 李文渊. 古特提斯构造演化及其成矿作用[J]. 地质学报, 2024, 98(11): 3255-3273.

基金资助

国家重点研发计划项目(2024YFF0808100)

国家自然科学基金项目(42230808)

国家自然科学基金项目(424B2018)

国家科技重大专项(THEMSIE04010101)

国家科技重大专项(2025ZD1400301)