湖北興山峽口中二疊統(tǒng)眼球狀石灰?guī)r特征及成因

何明薇

(中國石油大學(北京)地球科學學院，北京 102249)

羅進雄

(長江大學地球科學學院，湖北 武漢 430100)

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湖北興山峽口中二疊統(tǒng)眼球狀石灰?guī)r特征及成因

何明薇

(中國石油大學(北京)地球科學學院，北京 102249)

羅進雄

(長江大學地球科學學院，湖北 武漢 430100)

眼球狀石灰?guī)r是一種特殊類型的石灰?guī)r，由“眼球”和“眼皮”兩部分組成，廣泛分布于中上揚子地區(qū)中二疊統(tǒng)棲霞組下部和茅口組中-下部。以湖北興山峽口地區(qū)中二疊統(tǒng)眼球狀石灰?guī)r為例，通過野外系統(tǒng)觀察和詳細描述，結(jié)合鏡下巖石薄片鑒定、穩(wěn)定碳氧同位素及微量元素等資料分析，對眼球狀石灰?guī)r的特征進行了系統(tǒng)描述，對其形成機理進行了探討。綜合分析表明，眼球狀石灰?guī)r中的“眼球”為富氧沉積，“眼皮”為缺氧沉積，“眼皮”可能為上升流作用的產(chǎn)物；眼球狀石灰?guī)r可能是受上升流作用的影響，在沉積和差異壓實共同作用下形成的。此外，眼球狀石灰?guī)r中“眼皮”部分的有機碳含量較高，且分布廣，應(yīng)為良好的烴源巖。

興山峽口；中二疊統(tǒng)；眼球狀石灰?guī)r；缺氧環(huán)境；上升流

圖1　湖北興山峽口剖面位置

眼球狀石灰?guī)r是一種由顏色較淺的“眼球”和顏色較深的“眼皮”兩部分組成的特殊碳酸鹽巖，廣泛發(fā)育于揚子地區(qū)中二疊統(tǒng)棲霞組下部和茅口組中-下部，在野外容易識別。也有人稱之瘤狀石灰?guī)r。由于該石灰?guī)r橫向分布較廣、縱向分布較有規(guī)律，因此有時也可以將其作為地層對比的良好標志。因眼球狀石灰?guī)r的廣泛發(fā)育及特殊性，其成因引起了地質(zhì)學工作者的興趣和關(guān)注。近30年來，地質(zhì)學工作者提出了多種眼球狀石灰?guī)r的成因解釋，如成巖成因[1]、沉積成因[2]、沉積作用和成巖作用綜合成因[3～5]等。筆者在研究湖北興山峽口剖面時，發(fā)現(xiàn)中二疊統(tǒng)的眼球狀石灰?guī)r十分發(fā)育，并對其進行了詳細觀察和描述。以興山峽口剖面的野外觀察和描述為基礎(chǔ)，結(jié)合鏡下巖石薄片鑒定以及碳氧同位素和微量元素分析資料，總結(jié)了眼球狀石灰?guī)r的巖石特征和地球化學特征，分析了眼球狀石灰?guī)r成因，為研究區(qū)中二疊統(tǒng)沉積環(huán)境提供巖石學方面的證據(jù)。

1　區(qū)域地質(zhì)背景

研究剖面位于黃陵背斜西翼(圖1)，即興山縣峽口鎮(zhèn)建陽坪村至峽口鎮(zhèn)之間的公路邊，地理位置為北緯31°07.362′，東經(jīng)110°48.745′。該剖面為一個單斜構(gòu)造，地層走向為南北向，產(chǎn)狀向西陡傾，傾角一般為30～50°，香溪河的支流高嵐河以及沿河公路大致沿傾向切過地層，形成了地層連續(xù)出露較理想的露頭。該剖面地層特征明顯，二疊系的地層界線清楚，除缺失底部的馬鞍段外，其余層段均發(fā)育齊全。

峽口剖面二疊系厚433.72m(圖2)。按照二疊系“三分”[6～8]的劃分方案，該剖面缺失下二疊統(tǒng)，發(fā)育中二疊統(tǒng)棲霞組、茅口組及上二疊統(tǒng)吳家坪組和長興組，其中棲霞組和茅口組的厚度分別為111.88m和189.26m，各組之間的界線比較清楚。

圖2　湖北興山峽口中二疊統(tǒng)巖石特征及沉積環(huán)境分析柱狀圖

二疊紀初期揚子地塊乃至整個華南陸塊均遭受了大規(guī)模的海侵?？赡芘c黃陵古隆起的影響有關(guān)，研究區(qū)未能接受早二疊世沉積，也未能接受棲霞早期馬鞍段的沉積；隨后(即棲霞灰?guī)r段開始沉積時)，海水迅速而廣泛地入侵，沉積了大面積分布的棲霞組和茅口組石灰?guī)r，超覆于泥盆系黃家磴組之上。

棲霞組主要為灰色至深灰色中至厚層的泥(粉)晶生屑石灰?guī)r、生屑質(zhì)泥(粉)晶石灰?guī)r、含生屑泥(粉)晶石灰?guī)r、眼球狀石灰?guī)r等，含硅質(zhì)團塊與條帶，與下伏泥盆系黃家磴組呈平行不整合接觸(圖2)。該組石灰?guī)r中的顆粒主要為生屑，體積分數(shù)一般介于19%～57%(平均36.44%)，主要為紅藻、綠藻、有孔蟲、介形蟲、海百合、腕足類等生物碎屑，還可見蜓類、三葉蟲、苔蘚蟲、珊瑚等生物碎屑，生屑多為原地堆積的生物；粒間主要為泥晶方解石充填，未見亮晶方解石膠結(jié)物。綜合分析其沉積環(huán)境應(yīng)為水動力條件不強的淺水陸棚或開闊臺地環(huán)境。其中，第1～3層、12層主要為眼球狀石灰?guī)r(圖3(a))，“眼球”和“眼皮”中生屑較破碎，大多應(yīng)為原地破碎后堆積的，但是藻類和有孔蟲保存相對較完整，說明其沉積環(huán)境可能為較安靜較深水的陸棚環(huán)境。

圖3　湖北興山峽口中二疊統(tǒng)巖石照片

茅口組與棲霞組呈整合接觸，與上覆吳家坪組呈平行不整合接觸。根據(jù)巖性特征，茅口組自下而上可以分為5個巖性段。第一段為深灰色厚層眼球狀石灰?guī)r(圖3(b)、(c))夾深灰色厚層-塊狀生屑質(zhì)泥晶石灰?guī)r(圖3(d))、泥晶生屑石灰?guī)r。該段下部泥質(zhì)含量相對較多，呈條帶狀，有的成層出現(xiàn)；上部泥質(zhì)含量相對較少，石灰?guī)r呈似角礫狀。該段石灰?guī)r中生屑體積分數(shù)變化較大，介于10%～60%(平均為28.56%)，主要有紅藻、綠藻、有孔蟲、腕足類、海百合、苔蘚蟲、介形蟲等生物碎屑，其中藻類和有孔蟲較完整，“眼球”和“眼皮”中生屑種類相似，有腕足類、有孔蟲、苔蘚蟲等，但是“眼球”中還含有藻類，“眼皮”中有Zoophycos，反映了該段水體形成于較安靜的深水陸棚環(huán)境[9]。第二段為灰至深灰色厚層生屑質(zhì)粉晶石灰?guī)r與硅質(zhì)條帶粉晶石灰?guī)r，向上硅質(zhì)含量增加，局部過渡為硅巖(圖3(e))，生屑含量較低，藻類含量低，反映以安靜的陸棚環(huán)境為主，水體逐漸變深。第三段為淺灰、灰至深灰色中-厚層生屑質(zhì)泥晶石灰?guī)r，局部可見亮晶生屑石灰?guī)r(第16層)和白云石化現(xiàn)象，石灰?guī)r中生屑較豐富，但體積分數(shù)變化較大，局部高達85%左右，少的不到10%，平均37.78%，主要為紅藻、綠藻、有孔蟲、海百合等生物碎屑，還可見腕足類、雙殼類、腹足類、苔蘚蟲、蜓類、珊瑚、介形蟲等生物碎屑，說明沉積時的水體較為清澈，循環(huán)良好，具有一定的水動力條件，屬于淺水陸棚或開闊臺地環(huán)境，局部為能量較高的淺灘環(huán)境。第四段為深灰色-灰黑色薄-中層含生屑泥晶石灰?guī)r(圖3(f))，生屑體積分數(shù)低，一般為10%～13%，生物門類單調(diào)，主要為鈣質(zhì)海綿骨針，可見少量有孔蟲和介形蟲，未見藻類、腕足類等淺水生物，表明其沉積水體具有一定深度，可能為深水陸棚至盆地邊緣沉積環(huán)境。第五段為淺灰色-灰色厚層-塊狀生屑質(zhì)泥(粉)晶石灰?guī)r，生屑體積分數(shù)較高，平均41.52%，生屑主要為紅藻、綠藻、有孔蟲、海百合等，還可見腕足類、介形蟲、雙殼類、腹足類、苔蘚蟲等，反映沉積時的水體較淺，循環(huán)良好，具有一定的水動力條件，可能為淺水陸棚或開闊臺地沉積環(huán)境(圖2)。

2　眼球狀石灰?guī)r的特征

2.1巖石學特征

眼球狀石灰?guī)r由“眼球”和“眼皮”兩部分組成，在野外觀察和鏡下觀察時，發(fā)現(xiàn)下兩者的特征存在著明顯差異。

野外觀察發(fā)現(xiàn)，“眼球”部分為成分較純的石灰?guī)r，顏色較淺，多為灰色至深灰色，形狀似枕狀(圖3(a))、透鏡狀或瘤狀(圖3(b))，順層分布(圖3(c))，長度一般為10～30cm，厚度一般為20～30cm，薄者5 ～10cm，有的呈層狀，不顯層理，含泥較少，體積分數(shù)一般小于5%；生屑含量較高，主要為苔蘚蟲、二疊鈣藻等(圖3(h))；“眼球”被“眼皮”包裹，“眼球”中可見荷葉藻(圖3(d))，荷葉藻保存完整但有彎曲褶皺現(xiàn)象，反映水動力較弱的陸棚環(huán)境?！把燮ぁ睘槟噘|(zhì)含量較高的石灰?guī)r，以含泥石灰?guī)r為主；顏色較“眼球”部分深，多為深灰色至灰黑色，生屑含量較低，主要見腕足類和介形蟲，生物介殼壓扁、破碎，定向排列(圖3(i))；泥質(zhì)含量比“眼球”高，5個樣品的黏土礦物體積分數(shù)為14.08%～23.18%(平均為19.12%)；其厚度不均，一般5～10cm，厚者可達10～15cm，局部達20～30cm，薄者2～5cm，甚至小于1cm，呈波狀起伏的紋層狀；偶爾可見體形較小的、具有連續(xù)蹼狀構(gòu)造的Zoophycos，指示了水動力較弱、滯留貧氧的環(huán)境[9]。

眼球狀石灰?guī)r樣品的X衍射分析結(jié)果表明，棲霞組樣品黏土礦物主要為伊-蒙間層、伊利石；而茅口組樣品黏土礦物主要為滑石-皂石間層、滑石。

2.2碳、氧同位素特征

該次研究分別對3個眼球狀石灰?guī)r中的“眼球”和“眼皮”部分、2個非眼球狀石灰?guī)r和1個黑色硅巖樣品進行了碳、氧同位素分析，結(jié)果見表1。

表1　湖北興山峽口中二疊統(tǒng)巖石樣品碳、氧同位素分析結(jié)果

注: 樣品由中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化國家重點實驗室分析測試，為相對國際標準PDB之值；

Z=2.048(1000δ13C+50)+0.498(1000δ18O+50)[10];P2q、P2m分別指中二疊統(tǒng)棲霞組、茅口組。

從表1可以看出，眼球狀石灰?guī)r中“眼球”部分的δ13C為2.383‰～4.352‰(平均3.322‰)；δ18O為-7.085‰～-5.079‰(平均-6.134‰)?！把燮ぁ辈糠值摩?3C為2.199‰～4.218‰(平均3.069‰)；δ18O為-6.437‰～-5.531‰(平均-6.070‰)。其他非眼球狀石灰?guī)r3個樣品的δ13C為2.829‰～4.550‰(平均3.912‰)；δ18O為-6.313‰～-5.080‰(平均-5.713‰)?！把矍颉焙汀把燮ぁ钡摩?3C均較富集，δ18O明顯偏負，“眼皮”和“眼球”的δ18O差別在0.2‰～0.7‰之間；其中棲霞組“眼球”的δ13C比“眼皮”高，“眼皮”的δ18O比“眼球”高，茅口組則相反。根據(jù)經(jīng)驗公式計算出Z值均大于120(表1)，反映二者皆為海相沉積，受淡水影響小，可能為深埋藏成因環(huán)境的產(chǎn)物[11]，說明兩者成巖環(huán)境相似。此外，非眼球狀石灰?guī)r的Z值與眼球狀石灰?guī)r也相似，說明這兩者的成巖環(huán)境也類似。

2.3微量元素特征

該次研究對上述3個眼球狀石灰?guī)r中的“眼球”和“眼皮”部分、2個非眼球狀石灰?guī)r和1個黑色硅巖樣品進行了微量元素分析，結(jié)果見表2，其微量元素也存在著明顯的差異。

表2　湖北興山峽口中二疊統(tǒng)樣品微量元素特征

注: 樣品由國土資源部中南礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心分析測試。w(Sr)為Sr的質(zhì)量分數(shù)；w(Ba)為Ba的質(zhì)量分數(shù)；w(V)為V的質(zhì)量分數(shù)；w(Ni)為Ni的質(zhì)量分數(shù)。

從表2還可以看出，“眼球”和“眼皮”的微量元素V含量差異明顯，“眼球”部分V的含量遠高于“眼皮”部分，“眼球”部分w(V)為3.90～54μg/g，“眼皮”部分w(V)為18.6～168μg/g；而w(Ni)卻相差不大，“眼球”部分為27.8～30.2μg/g，“眼皮”部分為22.6～42.2μg/g?！把矍颉焙头茄矍驙钍?guī)r的Ni含量和V含量均相差不大。

3　成因分析

對于揚子地區(qū)二疊系眼球狀石灰?guī)r的成因解釋，目前有多種不同的觀點，如差異壓實[1]、壓溶成因[15]、等深流和碎屑流共同作用的結(jié)果[2]，沉積和成巖共同作用的結(jié)果[3，5]。綜合研究表明，研究區(qū)中二疊統(tǒng)眼球狀石灰?guī)r應(yīng)是沉積作用和成巖作用共同作用的結(jié)果。首先，這與巖石原始成分(主要是泥質(zhì)含量)的差異密切相關(guān)。當泥質(zhì)含量高的沉積與泥質(zhì)含量低的沉積交替出現(xiàn)時，就會形成兩者間的互層。其次，這兩種泥質(zhì)含量不同的沉積物密度不同，會造成差異壓實甚至壓溶。對于較純的石灰?guī)r和含泥的石灰?guī)r來說，二者具有明顯的不均一性，就會導致較純的石灰?guī)r受到壓剪性應(yīng)力被斷開，呈透鏡狀、似枕狀，而含泥的石灰?guī)r圍繞較純的石灰?guī)r呈波狀、似層狀分布。

眼球狀石灰?guī)r是在沉積環(huán)境間歇性變化過程中形成的，可能與中二疊世中上揚子地區(qū)上升流的作用有關(guān)。主要原因如下：

1)中二疊世是全球上升流發(fā)育高峰期之一，而研究區(qū)眼球狀石灰?guī)r主要發(fā)育在中二疊統(tǒng)棲霞組下部和茅口組中下部，在時間上，眼球狀石灰?guī)r形成時間可能與上升流發(fā)育高峰期相對應(yīng)。

2)地層記錄中上升流沉積的主要證據(jù)之一是發(fā)育高密度的特殊介殼類等[16]，而研究區(qū)中二疊統(tǒng)眼球狀石灰?guī)r的“眼皮”部分生物碎屑以介殼類為主(圖3(h))，說明“眼皮”部分可能是上升流沉積的產(chǎn)物。

3)上升流往往形成缺氧環(huán)境，而上升流因厄爾尼諾事件和大洋暖流等影響也會表現(xiàn)出陣發(fā)性和周期性的特征，可以造成沉積環(huán)境的周期性變化，即缺氧沉積環(huán)境與富氧沉積環(huán)境的交替出現(xiàn)，而研究區(qū)中二疊統(tǒng)眼球狀石灰?guī)r在縱向上表現(xiàn)出“眼球”與“眼皮”交替出現(xiàn)的周期性變化，說明眼球狀石灰?guī)r在形成過程中存在缺氧沉積環(huán)境與富氧沉積環(huán)境的交替周期性變化。

4)從缺氧相來看，研究區(qū)非眼球狀石灰?guī)r與眼球狀石灰?guī)r中“眼球”部分的特征類似。由此可見，“眼球”部分與非眼球狀石灰?guī)r成巖環(huán)境類似。

5)古地磁研究表明，研究區(qū)屬中上揚子地區(qū)，中二疊世位于赤道附近[17]，是位于上升流發(fā)育的有利地區(qū)。

6)硅巖的大量富集也可以作為上升流的證據(jù)之一[18]，研究剖面中二疊統(tǒng)茅口組第11～13層(圖2)發(fā)育硅質(zhì)條帶石灰?guī)r(圖3(e))，甚至薄層硅巖。因此，茅口組硅巖的大量富集為研究區(qū)存在上升流提供了證據(jù)。

7)研究區(qū)中二疊統(tǒng)3個“眼皮”樣品的有機碳分析結(jié)果表明總有機碳質(zhì)量分數(shù)為0.24%～1.94%(平均為0.86%)，有機碳含量較高。而有機碳含量與上升流的強度呈正相關(guān)關(guān)系[16]，因為上升流區(qū)富氮、富磷、富硅、富鐵族元素等的營養(yǎng)鹽，大大促進了有機質(zhì)生產(chǎn)力，因此較高的有機碳含量也是上升流沉積的特征之一。

綜上所述，研究區(qū)中二疊世具有發(fā)育上升流的良好條件。上升流發(fā)育時，形成的沉積物泥質(zhì)含量較高；上升流受到抑制時，形成的沉積物中的泥質(zhì)含量較低；當上升流發(fā)育時期和抑制時期不斷地交替出現(xiàn)，就會造成泥質(zhì)含量較高的沉積物與含泥較少的沉積物(或較純的碳酸鹽沉積物)交互成層，從而形成了沉積物的原始組分差異。由于后期的差異壓實、壓溶和剪應(yīng)力的作用，形成了現(xiàn)在所看到的形似眼球狀、似枕狀、橢球狀、透鏡狀的石灰?guī)r(圖4)。

圖4　湖北興山峽口中二疊統(tǒng)眼球狀石灰?guī)r形成過程示意圖(據(jù)文獻[19])

4　結(jié)論

1)在興山峽口剖面上，眼球狀石灰?guī)r分布于中二疊統(tǒng)棲霞組下部、茅口組的中下部，由“眼球”和“眼皮”部分構(gòu)成，兩者之間在顏色、巖性、生物化石、微量元素、碳氧同位素等方面具有較明顯的差異。

2)巖石特征、生物特征和地球化學特征綜合分析表明，中二疊統(tǒng)眼球狀石灰?guī)r的“眼球”部分主要為富氧沉積，“眼皮”部分主要為缺氧沉積。非眼球石灰?guī)r的成巖環(huán)境與“眼球”部分相似。

3)研究區(qū)中二疊統(tǒng)眼球狀石灰?guī)r是由沉積和差異壓實、壓溶等作用共同作用形成的，沉積過程與上升流之間關(guān)系密切，“眼皮”部分為上升流沉積的產(chǎn)物，眼球狀石灰?guī)r初始物質(zhì)組分的形成與上升流的陣發(fā)性與周期性密切相關(guān)。

4)研究區(qū)棲霞組和茅口組眼球狀石灰?guī)r的“眼皮”部分是缺氧環(huán)境下的產(chǎn)物，同時也是良好的烴源巖，所以加強眼球狀石灰?guī)r不僅具有沉積學理論意義，同時在油氣勘探中也具有現(xiàn)實意義。

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[編輯]鄧磊

2015-10-07

國家自然科學基金項目(41402089)。

何明薇(1992-)，女，碩士生，現(xiàn)從事沉積學方面的學習與研究，936278902@qq.com。

P588.245

A

1673-1409(2016)14-0001-08

[引著格式]何明薇，羅進雄.湖北興山峽口中二疊統(tǒng)眼球狀石灰?guī)r特征及成因[J].長江大學學報(自科版),2016,13(14):1～8.