峨眉山地幔柱鉴定及其对四川盆地储层的影响

秦雪露 赵婷玉 陈思源

摘 要：【目的】峨眉山大火成岩省（ELIP）是我国最早被国际地学界承认的大火成岩省。本研究旨在分析峨眉山地幔柱的鉴定方法及其影响，为更多学者研究地幔柱提供参考。【方法】对峨眉山地幔柱喷发的原因、过程及其影响进行分析和探讨，分析并总结了前人的研究成果。【结果】ELIP地区存在大规模火山作用前的地壳抬升、放射状岩墙群、显著的火山作用以及典型的地幔柱产出岩浆的化学组成，为峨眉山地幔柱的鉴定提供了依据。峨眉山地幔柱的喷发对四川盆地油气储层形成和生物大灭绝具有显著影响。【结论】峨眉山地幔柱已有四种鉴定方法，不同的鉴定方法仍需更多的证据支撑。峨眉山地幔柱上涌、多旋回喷发以及地幔柱活动对四川盆地油气储层空间发育具有一定控制作用。

关键词：峨眉山大火成岩省；地幔柱鉴定；油气储层；成矿作用

中图分类号：P542；P588.145      文献标志码：A        文章编号：1003-5168（2023）10-0118-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.010.025

Abstract： [Purposes] The Emei Mountain Great Igneous Province （ELIP） is the earliest large igneous province in China recognized by international geologists. The purpose of this paper is to analyze the identification method of Emei Mountain mantle plume and its influence to provide reference suggestions for more scholars to study mantle plume. [Methods] The cause， process and influence of Emei Mountain mantle plume eruption were studied and explored. And the previous research results were summarized and analyzed. [Findings] There were crustal uplift before large-scale volcanism， radial dike swarms， remarkable volcanism and typical chemical composition of magma produced by mantle plume in ELIP area， which provided a basis for the identification of Emei Mountain mantle plume. The eruption of Emei Mountain mantle plume had a significant impact on the formation of oil and gas reservoirs and biological extinction in Sichuan Basin. [Conclusions] Four identification methods have been found in Emei Mountain mantle plume， but different identification methods still need more evidence. The upwelling of Emei Mountain mantle plume， multi-cycle eruption and mantle plume activity have played a certain role in controlling the spatial development of oil and gas reservoirs in Sichuan Basin.

Keywords： emei mountain igneous province; mantle plume identification; oil and gas reservoir; metallogenesis

0 引言

中晚二疊世期间，位于上扬子地区的峨眉山地幔柱上涌，在强烈的冲击力作用下该地区地壳快速差异抬升，喷发出的岩浆迅速冷凝形成巨大的、范围广的玄武岩。峨眉山玄武岩似菱状分布于扬子地台中，因地幔柱喷发面积巨大而被称为峨眉山大火成岩省（Emeishan large igneous province，ELIP）。峨眉山地幔柱喷发被认为是我国非常重要的地质热事件［1-2］。目前对于ELIP的形成机制不同学者持有不同观点，其中峨眉山地幔柱理论受到广大学者的认可［3］。随着对ELIP火山岩关注的提高，越来越多学者将其作为研究对象进行深入探查分析。本研究通过分析总结前人的文献与研究成果，总结峨眉山地幔柱的鉴定方式、对油气储层的影响、成矿作用以及与生物大灭绝关系等相关内容。

1 地幔柱的概念

地幔柱在国际上还未有明确的定义。普遍认为其是产生、发育于核幔边界的物质在经过深部地幔对流后演化成为形似柱状，缓慢上升的细长状热物质流［4］。随着地幔柱的持续性运动，岩浆从岩浆房中不断上涌，在呈细柱状上升的同时不断变形演化，最终在顶部形成巨大柱头，其温度呈衰减态势分布。在核幔物质汇聚、演化过程中，只有极少核幔物质流到达地表。地壳与上升的地幔发生相互作用，在地表出露为温泉类的热点或者喷发出来的大火成岩省。若产出环境不同，则会形成产生于大陆的热点或产生于洋壳的热点；若地幔柱大规模喷发，则会在地表附近形成大火成岩省（large igneous province，LIP）［5］，面积较小且在海洋中喷发则形成洋岛玄武岩（ocean island basalts，OIB）。

2 地幔柱的分类

目前已知的地幔柱分类方式有两种，分别由Wilson（1973）和王登红（1998）提出。Wilson主要概括了产于大陆和大洋两个不同地壳环境中的热点，但对地幔柱产生的源区特点和演化过程并未做介绍。王登红［6］则在Wilson的基礎上进行了完善，分类标准见表1。

3 地幔柱的鉴定

火山链、高原是现代地幔柱活动产物的两种存在形式。根据资料显示，只有少量关于200 Ma之前的洋壳记录了此种地质现象，大陆环境仍然是玄武岩出现的主要场所。对于现地幔柱，通常使用地球物理勘探方法进行鉴定，但对于古地幔柱，仅能通过残存的部分地质现象证据来判断其是否存在。现今有五种古地幔柱鉴定方法，通过学者们的大量研究，峨眉山地幔柱的鉴定方法包含其中四种（除火山链年代学连续变化特征外），其中部分方法仍存在争议。

3.1 大规模火山作用前的地壳抬升

徐义刚等［7］在研究峨眉山大火成岩省下伏茅口灰岩时，对其周围地层所包含的生物遗迹进行了对比分析，发现茅口灰岩存在差异剥蚀且玄武岩与茅口灰岩存在平行不整合接触关系。由此推测出在地幔柱喷发前，该地区发生了地壳抬升，使地层暴露在地表，出露地层受到了风化雨淋剥蚀作用。学者们通过对峨眉山玄武岩、茅口灰岩分布、岩层厚度等的研究，绘制出其分布简图，如图1所示。茅口灰岩等厚线呈放射状分布、即似圆状分布，厚度由里向外逐渐增厚，而且其分布特征与玄武岩分布特征几乎一致。由此也可推测在玄武岩喷发前，该地区经历了地壳抬升。尤其在地幔柱中心区域，地层抬升更高，经历的风化剥蚀作用更显著，与现今发现的靠近中心区域的茅口灰岩地层厚度比周缘地区薄相对应。根据峨眉山玄武岩与茅口灰岩的分布规律，学者们将该地区划分为深度剥蚀带（内带）、部分剥蚀带（中带）、古风化壳或短暂沉积间断带（外带）和连续沉积带以方便研究［4］。

但也有学者对此持不同观点。他们认为在大规模火山作用前，茅口灰岩不是抬升而是连续沉积的。有研究表明峨眉山地幔柱早期火山作用的发生与茅口灰岩存在的喀斯特地貌形成近乎同期，因此有学者认为峨眉山玄武岩与茅口组灰岩之间存在连续沉积或者具有断层接触关系［8］。峨眉山地幔柱喷发之前是否存在地壳抬升，仍有待进一步研究。

3.2 放射状岩墙群

大多数学者研究认为，峨眉山地区不存在或未发现岩墙群分布。因为在古生代之前，岩墙群会遭受剧烈的风化剥蚀，难以保存，现今几乎不存在年代久远的岩墙群。李宏博等［9］在只研究晚古生代地层岩墙的情况下，绘制出辉绿岩岩墙图。一般而言，深源玄武质岩浆从地壳深部向浅部侵入过程中会形成辉绿岩，随后辉绿岩以不同形态产出，通常可见岩脉、岩墙、岩床，还可充填于火山口呈现岩株状。辉绿岩墙群区位于断裂带周围，由此可推测在峨眉山地幔柱上涌的情况下，该地区受到的强烈冲击力使其周围发育有地层断裂带。因为地幔柱作用力中心点位于破裂区域近中心位置，造成周围岩石呈放射状破碎，从而形成呈放射状分布的岩墙群，所以可以通过观察放射状岩墙群的分布推测是否存在地幔柱的喷发。但大量研究发现，峨眉山地幔柱喷发的放射状岩墙群证据几乎不存在，而李宏博等发现的辉绿岩岩墙群呈放射状分布的证据仍需更多事实依据的支持。

3.3 火山作用的物理特征

在地幔柱喷发后，岩浆发生溢流，使地幔柱喷发地区分布有喷溢相玄武岩和溢流相玄武岩。而在峨眉山大火成岩省发现的大量溢流相玄武岩，较少喷溢相玄武岩和火山碎屑岩则为峨眉山地幔柱的存在提供了有力证据。

3.4 地幔柱产出岩浆的化学组成

峨眉山玄武岩具有极其复杂的化学组成，赋含的元素与同位素成分各异。推测其原因与地幔柱喷发的过程有关。在地幔柱的喷发过程中，地幔熔融的内部环境条件具有不确定性，地幔源区组成各异，再加上地幔柱上涌后与地壳相互作用程度不一，这一系列原因均影响着玄武岩的化学组成［7］。由于加入了岩石圈组分这一因素，原始岩浆的特点难以明确表现出来，源区的地球化学特性也难以展现，通过玄武岩的化学组成来判断地幔柱是否存在变得更加困难。但仍有部分证据证明玄武岩的地球化学特性，徐义刚等［4］通过研究峨眉山玄武岩的微量元素及同位素的含量与分布，发现高钛玄武岩的微量元素与同位素分布模式均与洋岛玄武岩的分布模式十分相似，表明峨眉山玄武岩与大洋中地幔柱喷发形成的洋岛玄武岩具有相似的形成机制，由此推测峨眉山地幔柱参与了玄武岩形成时的岩浆作用。由于玄武岩的含钛程度不同且分布于不同地区，其形成源区具有差异性。高钛玄武岩主要分布在外带地区，而低钛玄武岩主要分布在内带地区，高钛玄武岩主要来源于地幔柱的顶部，低钛玄武岩主要来源于地幔柱的轴部区域［10］。

4 地幔柱的成因

对于地幔柱的成因，有很多学者提出了自己的见解。J·摩根（Morgan）在1972年提出了地幔柱的概念，认为地幔柱起源于核幔边界，并且以相对缓慢速度从地幔底部向顶部上升。当时还未明确地幔柱这一概念，只是将其称作细长状上升热物质流［11］。地幔柱相对静止，而板块是相对运动的，它以热点形式出露在地表，由此推测该细长状上升热物质流构成了地幔柱。哈夫曼（Hofmann）则认为地幔柱可能起源于核幔边界或者地震低速带的直径数百千米大小的、相对静止的上升低密度热流。

5 峨眉山大火成岩省对四川盆地油气储层影响

5.1 火山岩储层发育特征

在四川盆地，二叠系喷发的火山岩分布于不同地区。在峨眉山地幔柱中心位置及周围拉张作用的影响下，火山岩分布具有明显的规律性。峨眉山附近分布有大量的溢流相火山岩，而在成都地区附近分布着较多的喷发相火山岩。喷发相火山岩主要来自地幔柱柱头区域，呈现为中心式喷发相，多集中分布。在峨眉山附近分布的溢流相火山岩主要发育致密的玄武岩，其储存油气资源的孔隙一般由原生气孔经过裂缝改造或者岩溶作用发育形成。而喷发相火山岩主要以火山碎屑岩为主，其中火山凝灰岩储集性能比火山角砾岩更好，而火山角砾岩的原生孔隙在构造作用与溶蚀作用等的影响下也具有较好的储集性能［12］。

5.2 峨眉山大火成岩省对四川盆地油气储层控制作用

峨眉山地幔柱喷发前的地壳抬升，使四川盆地西南地区海拔升高，整体呈现西南高东北低的古地貌形势。峨眉山地幔柱中心地区地层抬升，周围地区呈拉张状态，高强度的拉张作用使局部地区沉降裂陷，为后期的沉积作用提供了地质条件。

在晚二疊世早期，四川盆地处于海相碳酸盐岩—海陆过渡相沉积时期，峨眉山地幔柱上涌产生的冲击力带动地壳抬升，使中二叠世碳酸盐岩出露地表。经过后期风化剥蚀和茅口灰岩岩溶等一系列作用，该地层孔隙度增加，为油气赋存提供了更多的储集空间。周围地区的拉张与伸展作用使得岩层之间以裂缝相联系，海槽与碳酸盐岩台地相间分布形成的沟壑也为储集层的形成提供了基础。

晚二叠世—早三叠世时期，上扬子区域以礁滩相沉积为主，是重要的海相储层［12］。峨眉山地幔柱上涌形成的“隆凹交替”古地理格局成为晚二叠世期间沉积相发育的主要影响因素。鲕粒滩在陆棚两侧台缘滩沉积，而台缘斜坡附近的浅水部位则是生物礁发育的理想场所，为油气聚集提供了有利条件［12］。

ELIP对四川盆地油气储层的影响主要体现在中二叠世末和晚二叠-早三叠世这两个时期。在这两个时期里，ELIP对四川盆地油气储层控制体现为三种作用方式［12］。在中二叠世末，峨眉山地幔柱上涌的冲击力使地壳迅速抬升，二叠系碳酸盐储层出露地表，经过风化剥蚀淋滤作用，形成的岩溶地貌成为油气的有利储集体。在晚二叠世-早三叠世，峨眉山地幔柱多旋回喷发，形成了大量富含气孔和孔隙的玄武岩，对火山岩储层的空间发育起到了一定控制作用。同时峨眉山地幔柱活动造成了许多地层断裂带，特殊的构造格局对晚二叠世海侵形成的沉积储层也有一定影响。

6 峨眉山地幔柱岩浆成矿作用

6.1 成矿作用的主要特征

Ernst和Jowitt将与大火成岩省有关的成矿作用分为三类：物源形成的岩浆矿床、热源与源岩形成的热液矿床和镁铁质岩石风化形成的表生矿床。峨眉山地幔柱岩浆成矿作用的特征主要有两个，表现为小、富、多和不同类型的成矿作用发育在大大小小的多个含矿岩体中［13］。

攀枝花被称为“世界钒钛之都”，储量丰富的钒、钛、铬、钪等使其成为世界最大的钒钛磁铁矿区，具有典型的小岩体成大矿特征。其层状岩体富含丰富的钒和钛，占全国已探明储量钒和钛资源量的87%和94.3%。峨眉山大火成岩省在多个大小不同的含矿岩体中发育着不同类型的成矿作用。峨眉山地幔柱喷发出的岩浆主要与铜镍硫化物、钒钛磁铁矿和铬铁矿等岩浆矿床的发育有关。其中铜镍硫化物矿床包含以镍为主和以铂、钯为主的矿化，钒钛磁铁矿矿床更多的是含有铂族元素富集层，具有典型的小岩体成矿现象。

对于二叠纪的地幔柱，其喷发形成了许多与基性、超基性岩有关的钒钛磁铁矿矿床以及其他类型的矿床。同时地幔柱喷发导致的地壳抬升，地层断裂等对一些先前形成的矿床造成破坏，如果成矿元素沿裂隙迁移，就会形成新的矿床。不同成矿作用与元素的迁移使得峨眉山玄武岩附近的矿床分布具有分带性。此外，峨眉山玄武岩含有大量的铜，在后续热液作用或地下水的淋滤下形成了许多铜矿床［13］。

6.2 成矿作用的控制因素

地幔柱成矿作用是一个特殊的地质过程，可能的控制因素包括地幔柱结构（柱头、边缘）、岩浆源区特征（矿物种类）、结晶分异（演化程度）、硫化物熔离、侵位过程和地壳混染等［14］。峨眉山地幔柱成矿作用过程极其复杂。王焰等众多学者对二叠纪峨眉山地幔柱岩浆成矿作用多样性进行研究，从岩浆矿床形成的岩浆源区特征、岩浆过程、侵位过程和地壳混染四个方面对地幔柱岩浆成矿作用的控制因素进行了分析。

在峨眉山大火成岩省，地幔源区的多样性使岩浆岩的成分特征复杂多变，由此导致地幔柱成矿作用具有不唯一性［15］。大多数学者对于峨眉山高钛、低钛玄武岩的喷发源区有着不同的见解。但一般都更倾向于高钛玄武岩喷发于地幔柱头区域，低钛玄武岩喷发于地幔柱源区域。

岩浆的不同成矿作用使峨眉山附近分布着含铂族元素的矿区。我国是铂族元素稀缺的国家，峨眉山Cu-Ni-PGE等矿床的发现对我国稀缺矿产资源开发作出了重大贡献。硅酸盐、硫化物熔体的质量比影响着矿石中铂族元素含量。岩浆溢流过程的不同会导致矿石中硅酸盐、硫化物熔体含量相异。在岩浆通道中，硅酸盐熔体侵入深部岩浆房的次数会使熔体质量变化。如果挤压环境相同，贫铂族元素的硫化物熔体在残余岩浆的带动下会上涌至浅部岩浆房，而浅部岩浆房附近分布的不同层状岩体，对熔体的流动具有不同的动力作用，使硫化物熔体分布各异。经研究发现，峨眉山地幔柱喷发使附近岩体呈层状分布，在岩浆成矿作用下形成含矿岩体，而层状岩体小而多的特征正是小岩体成大矿现象的原因。

岩浆侵位过程中含矿岩浆房和岩浆通道的形状对地幔柱岩浆成矿有一定控制作用。含矿小岩体大多位于走滑断裂带，其运移产生的许多分支通道，使含矿岩浆沿分支通道侵位，形成最终含矿岩体。ELIP断裂构造发育，大断裂带呈南北向交错或平行切割地壳深部，使大型含矿岩体的形成变得更加困难，因此在ELIP中主要以小岩体成矿为主。

地壳混染过程中，岩浆中的硫含量随着地壳硫的加入而升高，最终达到饱和状态。地壳混染也作为幔源岩浆在地壳浅部达到硫化物饱和最有效的机制［15］，对岩浆成矿作用具有一定控制作用。在母岩浆成分类似的情况下，地壳浅部的岩浆受到不同物质的混染作用，所形成的矿化规模也不同。ELIP含矿岩体矿化程度具有不均一性，一个含矿岩体需要大量的岩浆才能使镍和铂元素富集，因此一个含矿岩体周围会存在低含矿甚至不含矿的岩体。这些低含矿甚至不含矿岩体的形成往往与熔离之后的残余岩浆随机侵入岩体有关，很难形成矿集区。

7 地幔柱与生物灭绝的关系

二叠纪末的生物大灭绝事件一直具有极高的关注度。关于导致大灭绝的原因也有很多说法，大部分学者认为主要与大规模火山活动，二氧化碳、甲烷等有毒气体的大量释放，以及缺氧事件等有关［16］。随着研究的不断深入，生物大灭绝与LIP有密切关系这一说法也越来越被众多学者所接受。通过分析、对比生物大灭绝和大火成岩省喷发时间的差异，可以发现瓜德鲁普世末生物灭绝事件与峨眉山大火成岩省（约260 Ma）喷发、PTB灭绝事件与西伯利亚大火成岩省（约251 Ma）喷发在时间上具有一定程度吻合性［16］。因此认为LIP的火山活动、气候环境变化是生物灭绝的主要诱因。峨眉山地区保存完整的二叠—三叠过渡时期的海相和陆相沉积记录，展现出二叠纪末生物大灭绝的整个过程，其地层也留存了环境变化的证据，在一定程度上反映了此次生物大灭绝与峨眉山地幔柱喷发具有联系。但是导致生物大灭绝的因素还有很多，峨眉山地幔柱喷发致使的气候剧烈变化只是其中一个原因，更多的原因仍待继续研究。

8 峨眉山地幔柱研究进展

8.1 峨眉山地幔柱形成新模式

王晓峰等［17］通过对云南省东北部昭通一带的峨眉山玄武岩Nd-Sr-Pb同位素的分析研究，提出了全新的峨眉山地幔柱形成模式。试验结果显示，该区的玄武岩源区可能是由位于下地幔的地幔橄榄岩和古深海地壳玄武岩夹杂而成，其差异表明峨眉山玄武岩岩浆侵入位置与现今所处地点有很大不同。在1 000～900百万年，Rodinia超大陆事件中衍生的海洋地壳发生俯冲作用，部分熔融后的固态残留物积聚在地幔过渡带。在晚二叠世，这些固态积聚物进一步下沉到核幔边界层，发生了钙钛矿→后钙钛矿的剧烈放热反应，使其继续熔融，并引起深部高温熔融体上涌进入地幔，形成了地幔柱。峨眉山玄武岩喷发时还处于南半球某位置，后随着古特提斯大洋关闭，与扬子板块一路向北移动，形成了今天的ELIP。

8.2 ELIP与地幔柱活动关系

在探讨地幔柱形成及演化机制时，ELIP的指示作用是非常重要的。在云南，宾江、丽江等地发现了受地壳混染影响较小的苦橄岩，它能较好反映原始岩浆状况，对研究ELIP和地幔源区有重要意义。根据苦橄岩的岩相学及地球化学特征，发现最早结晶的橄榄石保留了更多的原始岩浆特征，这一结果有利于更好地探究EILP与地幔柱的关系。

蔡文昌等［18］通过研究ELIP中大理、丽江地区苦橄岩的岩相学、矿物学、地球化学特征，探究了地幔柱与苦橄岩的相互关系。ELIP地区的苦橄岩由于地幔柱上涌而产生。在地幔深部形成的地幔柱由于温度较高，在较深处（石榴石稳定区）便会达到固相线，此时熔体含钛较高，丽江等地区高钛苦橄岩便形成于此。反之，若地幔柱持续升高，由于部分熔融程度增大便形成了含钛较低的熔体。此外，ELIP的地幔源区可能存在辉石岩，地幔柱的上升会使受到再循环洋壳物质交代而产生的辉石岩发生熔融，熔融的辉石岩会产生富铁熔体，从而形成木里苦橄岩。它的存在也为攀西地区钒钛磁铁矿的形成提供了丰富的物质基础。

9 结论

①大规模火山作用前的地壳抬升为峨眉山地幔柱喷发提供了依据。

②在古生代之前的岩墙群遭受的风化剥蚀大，现存的几乎极难找到。峨眉山地区发现的辉绿岩墙群呈放射状分布，在一定程度上证明了峨眉山地幔柱的存在。

③ELIP中陆相溢流玄武岩分布占据主要地位。

④峨眉山玄武岩地球化学组成极其复杂，与地幔柱喷发过程中的岩浆作用有关。

⑤ELIP对四川盆地油气储层的影响主要体现为中二叠世末和晚二叠-早三叠世时期的三种作用方式。

⑥峨眉山地幔柱岩浆成矿作用的特征主要有两个，表现为小、富、多和不同类型的成矿作用发育在大小不同的多个含矿岩体中。

⑦二叠纪的生物大灭绝事件与ELIP有密切联系。

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收稿日期：2022-06-12

作者简介：秦雪露（2001—），女，本科生，研究方向：地质学基础。