碳酸鹽巖沉積模式(DOC)

1、文獻綜述引言隨著塔里木盆地哈拉哈塘地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖沉積相帶及儲層特征的不斷深入研究，在上奧陶統(tǒng)良里塔格組良一段和良三段見良好的油氣顯示，其沉積相帶（尤其是臺緣灘亞相） 成為了近年來研究的 重點之一。通過對哈拉哈塘地區(qū)大量錄井、測井、巖心、薄片及地震 等資料的分析以及探討了該區(qū)上奧陶統(tǒng)良里塔格組的巖石類型、沉積特征及臺緣灘的展布規(guī)律。臺緣灘是優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育的基礎(chǔ)，對研究區(qū)域良里塔格組潛在油氣儲量層位的確定具有指導(dǎo)意義。1沉積相的概念相這一概念是由丹麥地質(zhì)學(xué)家斯丹諾（Steno，1669）引入地質(zhì)文獻的，并認(rèn)為是在一定地質(zhì)時期內(nèi)地表某一部分的全貌。1838年瑞士地質(zhì)學(xué)家格列斯利（Gressly）開

2、始把相的概念用于沉積巖研究中，他認(rèn)為“相是沉積物變化的總和，它表現(xiàn)為這種或那種巖性的、地 質(zhì)的或古生物的差異”。自此以后，相的概念逐漸為地質(zhì)界所接受和使用。20世紀(jì)以來，相的概念隨著沉積巖石學(xué)和古地理學(xué)的發(fā)展而廣為流行，對相的概念的 理解也隨之形成了不同的觀點。一種觀點認(rèn)為相是地層的概念，把相簡單的看做“地層的橫向變化”；另一種觀點則把相理解為環(huán)境的同義語，認(rèn)為相即為環(huán)境；還有人認(rèn)為相是巖石 特征和古生物的總和。油氣田探勘及其他沉積礦產(chǎn)勘探事業(yè)的飛速發(fā)展促進了對相的研究，使人們對相這一概念的認(rèn)識更加深入。目前較為普遍的看法是， 相的概念中應(yīng)包含沉積環(huán)境和沉積特征這兩個 方面的內(nèi)容，而不應(yīng)當(dāng)把相

3、簡單地理解為環(huán)境，更不應(yīng)當(dāng)把它與地層概念相混淆。沉積學(xué)（姜在興，2003）把相定義為沉積環(huán)境及在該環(huán)境中形成的沉積巖（物）特征的綜合。沉積 環(huán)境是在物理上、化學(xué)上和生物上均有別于相鄰地區(qū)的一塊地表，是發(fā)生沉積作用的場所。 沉積環(huán)境是由下述一系列環(huán)境條件（要素）所組成的：1）自然地理條件，包括海、陸、河、湖、沼澤、冰川、沙漠等的分布及地勢的高低；2）氣候條件，包括氣候的冷、熱、干旱、潮濕；3）構(gòu)造條件，包括大地構(gòu)造背景及沉積盆地的隆起與坳陷；4）沉積介質(zhì)的物理條件，包括介質(zhì)的性質(zhì)（如水、風(fēng)、冰川、清水、渾水、濁流）、運動方式和能量大小以及水介質(zhì)的溫度和深度；5）介質(zhì)的化學(xué)條件，包括介質(zhì)的氧化還原

4、電位（ Eh）、酸堿度（pH）以及介 質(zhì)的含鹽度及化學(xué)組成等。上述條件的綜合即為沉積環(huán)境。沉積特征包括巖性特征（如巖石的顏色、物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、巖石類型及其組合）、古生物特征（如生物的種屬和生態(tài)）以及地球化學(xué)特征等。沉積巖特征的這些要素是相應(yīng)各種環(huán)境條件的物質(zhì)記錄，通常構(gòu)成最主要的相標(biāo)志。綜上所述，沉積環(huán)境是形成沉積巖特征的決定因素，沉積巖特征則是沉積環(huán)境的物質(zhì)表現(xiàn)。換句話說，前者是形成后者的基本原因，后者乃是前者發(fā)展變化的必然結(jié)果。這就是相 的概念中沉積環(huán)境和沉積巖特征的辯證關(guān)系。2沉積相的分類沉積相可根據(jù)沉積巖原始物質(zhì)的不同， 分為碎屑巖沉積相和碳酸鹽巖沉積相。 前者以砂、 粉砂、粘土

5、等碎屑物質(zhì)為主，沉積介質(zhì)以渾水為特征，巖性以碎屑巖為主；后者以化學(xué)溶解物質(zhì)（尤以碳酸鹽巖物質(zhì)）為主，介質(zhì)以清水為特征，巖性以碳酸鹽巖為主。目前沉積相的分類通常以沉積環(huán)境中占主導(dǎo)地位的自然地理條件為主要依據(jù)，并結(jié)合沉積動力、沉積特征和其他沉積條件進行劃分。對陸源碎屑沉積相的劃分如表2-1所示。分類表中的“相組”和“相”分別為一級相和二級相。在此基礎(chǔ)上可進一步劃分出 “亞相”和“微 相”。相組1陸相組II.海相組III.過渡相組相1殘積相2坡積一墜積相3沙漠（風(fēng)成）相4冰川5沖積扇相6河流相7湖泊相8沼澤相1濱岸相2淺海陸棚相3半深海相及深海相1三角洲相2扇三角洲相3辮狀三角洲相4河口灣表2-1沉

6、積相的分類3碳酸鹽沉積環(huán)境及沉積相模式哈拉哈塘地區(qū)上奧陶統(tǒng)良里塔格組的巖性主要是古代海洋碳酸鹽巖中的灰?guī)r類，類型主要以亮晶顆?；?guī)r類、泥晶顆?；?guī)r類、顆粒泥晶灰?guī)r類、泥晶灰?guī)r類、生物灰?guī)r類以及特殊巖類（瘤狀灰?guī)r和沉凝灰?guī)r） 為主。因此對于海洋碳酸鹽沉積環(huán)境和沉積相模式的研究尤 為重要。3.1海洋碳酸鹽沉積環(huán)境特點現(xiàn)代海洋碳酸鹽沉積， 主要分布于南北緯度 30。的赤道溫暖的淺海地帶，如加勒比海大巴哈馬灘、波斯灣、孟加拉灣、我國的南海諸島及印度尼西亞其他陸棚等地。上述地帶鈣藻 大量繁殖，珊瑚礁發(fā)育，局部有貝殼砂、鮞粒砂、葡萄狀團塊、球粒、灰泥及造礁生物粘結(jié) 巖正在堆積。而在南北緯度40。之間的的深

7、海盆地底部，有大量的浮游生物碳酸鹽沉積。這些現(xiàn)代海相碳酸鹽產(chǎn)出環(huán)境，不僅是溫暖、淺水，而且是清水環(huán)境，這樣就會避開了大量細(xì)碎屑沉積物的注入；我國的廣西北海水域的潿洲島和海南島南端的三亞市的濱淺海域，同樣袁力粘土及粉砂的供給區(qū)而沉積碳酸鹽為主。除造鈣生物提供的骨骼，現(xiàn)代熱帶淺海碳酸鈣沉積與藻類活動有關(guān)。據(jù)金斯伯格（R.N.Ginsburg , 1975）的資料，現(xiàn)代熱帶淺海小于1015m水深的海域，所產(chǎn)生的 CaCOs比深陸源海每單位面積的 CaCOs多幾倍，主要與這一水域的綠藻海松科及藍藻特別豐富有 關(guān)。由于藻類的光合作用，需要從海水中吸收大量的CO2，從而促使海水中的 CaCOs過飽和，沉淀

8、出文石質(zhì)灰泥來，而且鈣藻的外殼也是文石質(zhì)灰泥及顆粒的主要提供者，因此藻類繁生可以提供大量碳酸鹽沉積物，而它的生活需要一個溫暖淺水清潔透光的環(huán)境。如果海水渾濁，不僅妨礙光合作用，阻止藻類的生長，而且懸浮的粘土可以堵塞許多底棲無脊椎動物 的攝食器官，使這些動物不能繁衍， 也也妨礙了大量碳酸鹽巖顆粒的產(chǎn)生，故渾水對碳酸鹽的生成起著抵制作用。 海水太深，陽光不足，氧氣不夠，對藻類和底棲無脊椎動物生長不利； 位于CCD面之下的深海水域，水壓大，溶解CO2多，CaCOs不飽和，因此深水不僅不會有大量原地碳酸鹽沉積物的直接產(chǎn)生，而且對已堆積的碳酸鹽沉積物有強烈溶解作用。部分深水碳酸鹽沉積物主要靠海水表層具幾

9、丁質(zhì)表面保護層的浮游生物（如顆粒藻、抱球有孔蟲、 翼足類等）和淺水陸棚區(qū)以濁流方式搬運來的灰泥或粉屑供給。在開闊海陸棚淺水地帶，由于海底坡度不同， 在緩斜海底上，波浪及潮汐在濱岸帶產(chǎn)生碎浪，出現(xiàn)高能帶。隨著碳酸鹽沉積物的不斷產(chǎn)生，自身加積作用使海底坡度逐漸變平，此 時波浪及潮汐作用與淺水海底發(fā)生摩擦，在遠岸地帶產(chǎn)生碎浪帶，出現(xiàn)濱外高能帶。在濱岸高能帶或濱外高能帶，由于波浪（包括潮汐）及其伴生的沿岸流、底流作用，使碳酸鹽沉積 物發(fā)生篩選，將其中的細(xì)屑碳酸鹽物質(zhì)帶走，而留下各種砂礫級碳酸鹽顆粒，形成各種砂礫屑灘、介殼灘、沿岸砂壩及砂嘴，或濱外砂堤及砂洲、潮汐三角洲及潮汐砂壩等，常見如現(xiàn) 代波斯灣潮

10、坪的鮞粒灘及砂灘、鮞粒三角洲沉積，大巴哈馬灘西緣鮞粒砂堤，三亞小東海生物碎屑組成的海灘及三亞灣珊瑚砂坪等，均屬于以機械沉積作用為主的碳酸鹽沉積體。從淺水陸棚高能帶被篩選出來的細(xì)屑碳酸鹽物質(zhì)（即灰泥、粉屑）主要被搬運到陸棚邊緣或障壁砂壩前緣的較深水地區(qū)沉積，部分堆積在障壁后受保護的瀉湖主潮坪區(qū)，形成所謂的兩個低能帶沉積區(qū)。碳酸鹽沉積物主要是生物成因的，其中有些生物能適應(yīng)較高水能環(huán)境，甚至具有抗浪的生態(tài)本能，它們能在高能環(huán)境下就地快速生長聚集成為抗浪的礁體，形成高出于周圍同期沉積上的建隆。在高能帶， 由于向岸風(fēng)及潮汐作用， 使波浪攪動及海水壓力變化，沿著斜坡上 升來的海水，溫度驟然升高，水壓降低，

11、CO2釋放，促進了 CaCOs大量沉淀；同時從深水還帶來大量其他養(yǎng)料，有利于造礁生物的生長發(fā)育。故在沿岸高能帶常出現(xiàn)岸礁，如海南島 南端三亞灣的現(xiàn)代珊瑚岸礁；在濱外或陸棚邊緣高能帶常出現(xiàn)堤礁或堡礁，如澳大利亞東部沿海現(xiàn)代堡礁等。在出現(xiàn)岸礁或堡礁時，礁體首當(dāng)其沖遭受波浪沖擊，從這些礁體中帶出大 量生物碎屑及礁屑巖塊，在礁前斜坡產(chǎn)生礁角礫堆積（塌積巖），在礁后形成生物砂灘。如果在這些地帶，持續(xù)地保持強到中等的水運動，而又有較咸的碳酸鈣經(jīng)常過飽和的海水不斷產(chǎn)生，這就使得正常鹽度的造礁生物不能繁衍，由海底碳酸鈣的加積作用及膠結(jié)作用、水體中的顆粒包殼作用等，可以產(chǎn)生鮞粒、砂屑、球粒、團塊、核形石及生物砂

12、等沉積物并被亮 晶膠結(jié)。在障壁礁或砂堤之后， 水的循環(huán)受到限制，出現(xiàn)安靜瀉湖及潮坪環(huán)境。如果氣候炎熱干燥，由蒸發(fā)作用使瀉湖水體的鹽度不斷升高，最初產(chǎn)生的碳酸鈣（文石）的化學(xué)沉淀。水體 中微細(xì)的文石針發(fā)生絮凝作用，經(jīng)常出現(xiàn)球?；夷喑练e，進一步咸化就會出現(xiàn)白云巖及膏鹽沉積。如果氣候比較潮濕炎熱，瀉湖水體的鹽度變化不大，除了上述生物，還可有大量綠藻、鈣質(zhì)海綿、苔蘚蟲及腕足類等窄鹽度生物，為碳酸鹽沉積提供大量顆粒。在潮坪地帶由于間歇性的漲潮淹沒及退潮期暴露干燥，出現(xiàn)具有特色的沉積物，如層紋石灰?guī)r（白云巖）、疊層石灰?guī)r（白云巖）、以及鳥眼、干裂、紋層、膏鹽晶體假象等沉積構(gòu)造。在熱帶多雨地區(qū)， 潮間坪沉積

13、帶出現(xiàn)淡水透鏡體，提供泉水并造成富含半堿水植物的沼澤，或出現(xiàn)微卡斯特地貌（溶洞、溶縫、巖溶漏斗等），在沉積物表面沉淀出結(jié)殼狀淡水方解石等。3.2海洋碳酸鹽沉積相模式在20世紀(jì)50年代以前，人們對碳酸鹽沉積環(huán)境的認(rèn)識還是相當(dāng)膚淺的，幾乎全是籠統(tǒng)的“淺海相”化學(xué)沉積概念。從 20世紀(jì)60年代開始，隨著對現(xiàn)代碳酸鹽沉積作用研究的深 入和對碳酸鹽沉積原理的逐漸認(rèn)識和深化，特別是石油工業(yè)的推動， 對古代海相碳酸鹽巖沉積環(huán)境的解釋才取得突飛猛進發(fā)展，并建立了一系列響應(yīng)的沉積相模式。形成碳酸鹽沉積物的淺海一般分為兩種類型，即陸表海與陸緣海（Shaw, 1964），這是兩種性質(zhì)截然不同的海洋。陸表海以面積分布

14、面積十分廣闊、海水極淺、海底十分平緩為其特征。我國西南地區(qū)古生代及早中生代的海洋，華北早古生代的淺海都可能屬于陸表海。北美奧陶紀(jì)的陸表海，東西延伸達3200km，而賓夕法尼亞紀(jì)的陸表海也延伸1600km。陸表海的深度很少超過 200m，一般只有30m，其海底平均坡度約 0.030.15m/km，可見其坡度 是十分平緩的?，F(xiàn)代陸表海很少見到，但在古代出現(xiàn)大面積分布的陸表海。陸緣海分布于大陸邊緣，占據(jù)陸架位置。其寬度達160480km，深度達200350m，海底平均坡度為0.63m/km。如我國東部沿海的黃海、東海及南海均屬于陸緣海。從目前來看，形成古代碳酸鹽沉積物的海洋并不像現(xiàn)代的許多陸緣海性質(zhì)

15、，而是屬于陸表海。由于陸表海內(nèi)波浪、 還留以及潮汐作用對于碳酸鹽沉積物的分異，形成了三個明顯的沉積相帶，即一個高能帶、兩個低能帶。這一特征首先由肖（ Shaw， 1964）提出，奠定了碳 酸鹽沉積相模式的基礎(chǔ)，其后歐文（Irwin，1965）正式命名為X，Y，Z三個帶，之后拉波 特（Laport，1967,1969）提出四個帶，一直發(fā)展到威爾遜（ Wilson，1969,1975）的九個相帶 和塔克（Tucker，1981）的七個相帶，碳酸鹽沉積相模式才逐漸趨于完善和適用。在此期間，我國沉積學(xué)工作者在引進上述模式的同時，結(jié)合中國古生代碳酸鹽沉積特點進行了卓有成效的研究（曾允孚等，1983,19

16、89；劉寶珺等，1993），提出眾多結(jié)合中國古海域發(fā)育特點的碳 酸鹽沉積模式。這一發(fā)展過程清楚地表明， 人們對碳酸鹽沉積相的研究逐漸深入和不斷提高。但是，隨著人們對碳酸鹽沉積相模式研究的不斷深化，發(fā)現(xiàn)碳酸鹽沉積受生物、氣候、 水文和自然地理等多種條件影響，沉積作用十分復(fù)雜，不可能用單一模式概括所有的特征， 隨著大地構(gòu)造背景不同和時間上的推移，碳酸鹽沉積模式也出現(xiàn)相對應(yīng)的演化過程。因此，進入20實際80年代后，人們擺脫了 20實際6070年代靜態(tài)碳酸鹽沉積模式的束縛，開始 了一種動態(tài)碳酸鹽沉積模式的研究和建立，強調(diào)碳酸鹽斜坡沉積相模式的重要性（Read,1982,1985; Tucker，198

17、5; Whitaker, 1988; Carozzi, 1989），并力圖把碳酸鹽沉積相模式 直接與成巖環(huán)境、礦產(chǎn)和油氣資源勘探聯(lián)系起來。以下簡要介紹最常用的幾個碳酸鹽巖沉積相模式。3.2.1威爾遜的模式威爾遜（1969, 1975）綜合了古代及現(xiàn)代碳酸鹽巖的大量沉積模式，按照沉積環(huán)境的潮汐、波浪、氧化界面、鹽度、水深及水循環(huán)等因素的控制，建立了綜合的碳酸鹽沉積模式， 劃分九個標(biāo)準(zhǔn)相帶：盆地、廣海陸棚、盆地邊緣（深陸棚）、臺地前緣斜坡、臺地邊緣生物礁、臺地邊緣淺灘、開闊臺地、局限臺地及臺地蒸發(fā)巖。此外，威爾遜還提出了在九個相帶 中24個微相類型的組合特征，為使用他的模式帶來了很大方便。威爾遜模

18、式在我國已被廣泛采用，對在碳酸鹽巖地區(qū)開展沉積環(huán)境及相分析的研究工作起到了良好的指導(dǎo)作用，但在使用過程中也還存在些問題，比如陸源碎屑巖與碳酸鹽巖同時出現(xiàn)，如何建立模式？我國南方古生代地層經(jīng)常出現(xiàn)碳酸鹽臺地與克拉通內(nèi)部槽盆錯綜復(fù) 雜的交錯格局，碳酸鹽臺地內(nèi)部出現(xiàn)各種微環(huán)境以及臺地邊緣生物礁相和臺地邊緣淺灘相相 帶無前后發(fā)育關(guān)系，更多的出現(xiàn)在平行臺地邊緣交替展布的格局中，盆地、廣海陸棚相盆地邊緣和深陸棚邊緣相相帶的細(xì)分在實際工作中無意義等問題。國內(nèi)外廣大沉積學(xué)工作者在實踐中提出了許多模式，補充和修改了威爾遜模式的不足之處。后面介紹最具代表性的關(guān)士聰?shù)鹊哪Ｊ?，以及塔克（M.E.Tucker，1981

19、）的模式，或許對上述問題的解決有所幫助。3.2.2關(guān)士聰?shù)鹊哪Ｊ疥P(guān)士聰?shù)龋?980）綜合研究了我國近年大量地層研究成果，編制了一套千萬分之一的全國范圍內(nèi)的古海域沉積相圖。在此基礎(chǔ)上，進行分析比較，并吸取了威爾遜及賴內(nèi)克等的沉積模式的優(yōu)點，提出了中國古海域沉積環(huán)境綜合模式圖。這個模式，按海底地形、海水深度、潮汐作用和海水能量、沉積特征及生物組合特征等，分為兩個相組、六個相區(qū)、十五個相帶（或相），如表3-1。關(guān)士聰?shù)冉⒌木C合模式，具有重要的理論和實踐意義，值得推廣。他們所劃的臺棚相組包括了陸表海及邊緣海沉積模式。槽盆相組概括了主動及被動大陸邊緣盆地沉積特征。模式考慮了各種構(gòu)造條件下的沉積盆地類型

20、，同時也將陸源沉積模式與清水碳酸鹽沉積模式統(tǒng)一起來。3.2.3塔克的模式塔克認(rèn)為，一個典型而完整的碳酸鹽沉積相模式應(yīng)具有如下特征：在近岸潮間一潮上區(qū)，以碳酸鹽泥坪為主，如果處在干燥氣候帶，向陸方向過濾為薩布哈及鹽沼的蒸發(fā)沉積；在淺水到深水陸棚區(qū)，為碳酸鹽砂及泥沉積，其中陸棚上或沿陸棚邊緣發(fā)育的高能淺水區(qū)是鮞粒 等顆粒形成的場所，由鮞粒和骨骼砂可以形成砂堤、海灘或淺灘。沿著砂堤岸線，在溝通瀉湖與開闊陸棚的主要潮汐通道口上，可以發(fā)育碳酸鹽潮汐三角洲，也是鮞粒生成場所； 沿著槽盆相組深海槽盆相區(qū)（O-1）次深海槽盆相區(qū)（0-2）臺棚相組淺海陸棚相區(qū)（I）陸棚邊緣盆地相帶（h） 淺海陸棚相帶（|2）陸棚內(nèi)緣斜坡相帶（|3）臺地邊緣