川東北龍會5井下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組鮞粒特征及成因

石桂鵬 張云峰 徐 亮 徐婉月 曹俊峰 張 奇 趙子瑄

(1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 成都 610500；2.中國石油西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院， 成都 610051；3.中國石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院， 北京 102249；4.中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司第四鉆井工程分公司， 河北 任丘 062550)

鮞粒是指形似魚卵的沉積顆粒，由核心和圍繞核心的包殼組成，粒徑通常小于2 mm。在海相地層中，有一些粒徑大于2 mm而形態(tài)結(jié)構(gòu)和礦物組分沒有發(fā)生改變的鮞粒，被稱之為巨鮞。關(guān)于鮞粒的成因，有微生物作用假說和化學(xué)作用假說。鮞粒的形態(tài)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且存在于各種不同的沉積環(huán)境，因此其成因是沉積學(xué)研究中的一個難點問題。

二疊紀(jì)末期發(fā)生的海平面下降和大陸漂移，使海洋生態(tài)環(huán)境完全崩潰，各種生物組合幾近滅絕，直到中三疊世才逐漸恢復(fù)正常。早三疊世初期，四川盆地東北部由深水槽沉積環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)檎\水環(huán)境。在此過程中，伴隨劇烈的風(fēng)暴浪沉積作用，下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組發(fā)育了一套礫屑灰?guī)r?，F(xiàn)以川東北氣礦龍會5井的下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組為研究對象，借助巖心、薄片資料，利用掃描電鏡、陰極發(fā)光等手段，分析鮞粒的特征及巨鮞的形成條件。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

川東北地區(qū)在早三疊世基本繼承了晚二疊世的沉積格局，為臺地-臺緣-海槽沉積格局，飛仙關(guān)組下部沉積了開闊臺地相的鮞粒云巖、鮞?；?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、泥粉晶灰?guī)r等。早三疊世中期，海平面上升，海槽逐漸關(guān)閉，海水循環(huán)受限，加之華鎣山北麓構(gòu)造抬升，風(fēng)暴浪作用劇烈，水體能量強(qiáng)，飛仙關(guān)組中上部沉積了一套局限-蒸發(fā)臺地相的鮞?；?guī)r、鮞粒云巖、泥晶灰?guī)r、泥晶云巖等[1-3]。

龍會場地區(qū)在川東構(gòu)造帶西邊、華鎣山構(gòu)造帶北端、開江-梁平海槽西側(cè)臺緣帶。龍會5井位于龍會場北部，是一口重要的預(yù)探井。該井下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組地層厚393 m，上與嘉陵江組整合接觸，下與大隆組突變接觸。頂部由一套泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)云巖組成，厚度約70～95 m，與上覆嘉陵江組巖性界限清晰。中部發(fā)育泥晶灰?guī)r、砂屑灰?guī)r，泥質(zhì)含量較重。飛二段主要發(fā)育鮞?；?guī)r、鮞粒云巖、泥晶灰?guī)r，厚53.7 m。下部以泥晶灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主，亦見薄層鮞?；?guī)r。

2 鮞粒特征分析

2.1 鮞粒的宏觀特征

根據(jù)目的層段鮞粒的粒度、含量的旋回特征，將其分為6段(見圖1)。自下而上，鮞粒含量呈先微弱增加而后減少的趨勢。研究段下部，為圓度較好的正常鮞、橢形鮞，粒徑0.5～2 mm。研究段中上部，鮞?；?guī)r層產(chǎn)出巨鮞，多數(shù)形狀不規(guī)則，少數(shù)呈較規(guī)則的同心圓狀、橢圓狀，類型以復(fù)鮞、正常鮞為主，粒徑一般在2～6 mm，最大8 mm，含量約占20%～45%。整體上鮞粒粒度上粗下細(xì)，呈逆粒序，而在各段內(nèi)(除S1段外)則均具正粒序特征。

圖1 龍會5井下三疊統(tǒng)鮞粒垂向分布特征

S1段：發(fā)育大量正常鮞、橢形鮞，可見表皮鮞，幾乎不含巨鮞。鮞粒含量在75%～80%。核心相比圈層，顏色較暗。圈層單層特征不明顯。自下而上，含量略有增加，呈逆粒序，粒度在0.5～1.5 mm。

S2段：以正常鮞、橢形鮞為主，偶見巨鮞。鮞粒含量約80%。核心顏色較紋層亮，二者界限不清晰。圈層無單層特征。自下而上含量幾乎不變，呈正粒序，粒徑0.8～2.5 mm。

S3段：以復(fù)鮞、正常鮞為主。鮞粒含量約80%。下部發(fā)育的礫屑段巨鮞，粒徑4～6 mm，類型多為復(fù)鮞。中部含有巨鮞，粒徑2～4 mm，類型以正常鮞為主，可見核紋組構(gòu)。上部多為正常鮞，呈正粒序，粒徑1～3 mm。

S4段：發(fā)育巨鮞，類型多為復(fù)鮞和正常鮞。鮞粒含量在80%～85%。鮞粒核紋界線不清晰，外層瀝青充填。自下而上，含量略有增加，粒徑減小。中間夾有兩個小旋回，鮞粒粒徑由小變大。旋回下部鮞粒分布具有定向性，但整體呈正粒序，粒徑1～6 mm。

S5段：發(fā)育正常鮞、巨鮞，巨鮞類型以復(fù)鮞為主。鮞粒含量在85%左右。核紋結(jié)構(gòu)特征不明顯，邊緣瀝青充填。自下而上，粒度有變小的趨勢，多數(shù)粒徑在1.5～3.5 mm。下部與普通鮞粒混積的巨鮞，粒徑可達(dá)8 mm。

S6段：發(fā)育巨鮞，類型多為復(fù)鮞。鮞粒含量在70%左右，比S5段少，圈層特征明顯，可見顆粒形狀扭曲。自下而上，粒度減小，呈正粒序。中間夾有厚度約1 m的云化鮞?；?guī)r，多數(shù)粒徑為4～6 mm。

2.2 鮞粒的微觀特征

核心是鮞粒成長的基礎(chǔ)，圈層是鮞粒發(fā)育過程中水流震動的標(biāo)志。鮞核及鮞粒的大小反映了成鮞區(qū)搬運(yùn)水流的大小[4]。偏光顯微鏡下，巨鮞核心的礦物組分主要為泥晶方解石、細(xì)晶方解石和粉-細(xì)晶白云石，以半自形為主。超粒溶蝕孔及多晶鮞的存在，表明有明顯的白云石化現(xiàn)象。核心白云石顆粒的晶形、自形程度的差異，反映了成巖過程中的重結(jié)晶作用。巨鮞核心結(jié)構(gòu)不甚清晰，與圈層的界線多清晰可見。巨鮞的同心圈層厚度較小，厚度大多在0.3～0.8 mm，圈層大多為2～5個。部分顆?？梢娒?、暗層交互的現(xiàn)象，明亮層厚度150～400 μm，以細(xì)晶方解石、粉-細(xì)晶白云石為主；暗層厚度50～100 μm，以泥晶方解石為主。亮層厚度大于暗層厚度，說明水體能量高的環(huán)境久于能量低的環(huán)境(見圖2)。

與巨鮞伴生的普通鮞粒，粒徑一般在0.8～1.5 mm，以正常鮞、表皮鮞為主；其核心多見亮晶方解石充填；同心圈層整體顏色較暗，明、暗層交互特征不明顯；鮞粒不接觸或是點接觸，顆粒支撐。

陰極發(fā)光顯微鏡下，鮞粒、灰泥、亮晶方解石膠結(jié)物以及粒內(nèi)溶蝕充填的方解石均不發(fā)光，粒間白云石晶體呈半自形-自形。半自形晶多不發(fā)光，自形晶具有昏暗光-暗紅色光的發(fā)光環(huán)帶，部分粒間孔可見藍(lán)綠色斑點，這可能為瀝青殘余(見圖3)。

圖2 龍會5井飛仙關(guān)組鮞粒微觀特征

圖3 龍會5井飛仙關(guān)組鮞粒陰極發(fā)光特征

(1) 復(fù)鮞。粒徑多在4～6 mm，少數(shù)可達(dá)10 mm。形狀不規(guī)則。部分復(fù)鮞的外部圈層中發(fā)現(xiàn)有微生物存在，后期對顆粒形態(tài)特征有改造作用。多個普通鮞粒聚集在一起，構(gòu)成巨鮞的核心。普通鮞粒的核心及同心圈層，發(fā)育程度不盡相同。復(fù)鮞圈層較薄，與核心界線清晰，明、暗交互特征不明顯。

(2) 正常鮞。粒徑2～4 mm。巨鮞呈同心圓狀或近圓狀，成分多為泥晶方解石。同心圈層明、暗交替，可見鮞粒核心遭受溶蝕后為亮晶方解石充填。伴生的普通正常鮞粒，粒徑0.6～1.5 mm。核心方解石、白云石結(jié)晶程度高。圈層多為灰泥形成，壓實作用明顯，形狀多近似橢圓。

(3) 表皮鮞。粒徑多在1～2 mm，成分以泥晶方解石為主。鮞粒內(nèi)部多發(fā)生白云石化作用，反映核心形成時間久于圈層。圈層多由單層形成，礦物組分以粉-細(xì)晶白云石為主，說明當(dāng)時水體環(huán)境能量較高。

(4) 變形鮞。粒徑多在0.5～4 mm。起初的球形鮞粒被拉長，變平和伸展，其微組構(gòu)只有可認(rèn)知的軌跡或完全被破壞。成分以泥晶方解石為主。部分鮞粒內(nèi)部曾發(fā)生白云石化作用，形成少量細(xì)晶白云石。

(5) 偏心鮞。粒徑多在1～4 mm。成分以泥晶方解石為主，可見部分膠結(jié)物發(fā)生白云石化作用，形成細(xì)晶白云石。偏心鮞的成因多與顆粒的不均勻滾動或核心的不規(guī)則形態(tài)相關(guān)。

(6) 多晶鮞。粒徑多在0.5～2.5 mm。由一個球形外殼和多個方解石晶體構(gòu)成，同心層消失，為剛形成的鮞粒在成巖作用早期由于遭受淡水淋濾作用，核心及同心層邊溶解邊沉淀而形成的。

2.4 與新元古代巨鮞的異同

2.4.1 與新元古代巨鮞的相似性

新元古代巨鮞的粒徑普遍較大，最大可達(dá)14 mm[5-6]，略大于研究區(qū)鮞粒；多見次圓狀和圓狀同心鮞粒、橢形鮞和復(fù)鮞，其多樣的形態(tài)特征與研究區(qū)巨鮞具有較高的相似性。Groztinger等人認(rèn)為，新元古代巨大的鮞粒應(yīng)形成于極為動蕩的高飽和碳酸鈣海水環(huán)境，其沉積場所可能為緩坡[6]。早三疊世生物剛開始復(fù)蘇，沉積供應(yīng)中生物碎屑較少[7]；同時受海退的影響，龍會地區(qū)風(fēng)暴頻繁，水體環(huán)境動蕩，鮞粒發(fā)育于淺水開闊臺地，這些特征均與新元古代巨鮞淺水沉積環(huán)境相似。

2.4.2 與新元古代巨鮞的差異性

三疊系巨鮞與新元古代巨鮞在形態(tài)、粒徑和形成環(huán)境方面有一些相似性，但在形成條件方面存在差異。首先，三疊紀(jì)開始，海洋生物復(fù)蘇，微生物碳酸鹽巖及其相關(guān)沉積開始廣泛發(fā)育，這是三疊系與新元古代沉積最主要的區(qū)別，也是顯生宙與新元古代沉積最主要的區(qū)別。其次，三疊紀(jì)浮生植物及光合自養(yǎng)細(xì)菌的光合作用強(qiáng)度的增加，造成了海水堿度增強(qiáng)。

3 巨鮞的成因分析

3.1 巨鮞形成條件

巨鮞的成因機(jī)理多樣且環(huán)境復(fù)雜。Sumner和Grotzinger研究前寒武紀(jì)巨鮞的形成條件時，認(rèn)為低速率的核心供給、高速率的紋層生長、高強(qiáng)度的水體攪動等是巨鮞形成必不可少的條件[8]。這是把巨鮞的成因機(jī)理看成是一種單純的化學(xué)作用機(jī)理。Woods認(rèn)為，早三疊世巨鮞形成的必備條件是強(qiáng)烈的水體流動和CO2釋放激發(fā)的波浪[9]。這種條件比較特殊，因而類似于錯時相。梅冥相研究湖北利川下三疊統(tǒng)大冶組巨鮞時，發(fā)現(xiàn)巨鮞有類似疊層石的結(jié)構(gòu)[10]，這表示其可能與微生物活動有關(guān)。鮞粒形成的最基本條件是高濃度的碳酸鹽水體環(huán)境和高的CaMg比，有充足的物源供給，才能保證鮞粒的正常生長發(fā)育。川東北地區(qū)在二疊紀(jì)末三疊紀(jì)初到整個飛仙關(guān)時期，都具有較高的CaMg比及鈣鎂化合物的供給[11-12]，滿足鮞粒核心形成所需的物質(zhì)條件。掃描電鏡能譜分析結(jié)果(見圖4)表明，研究區(qū)目的層段的鮞粒中存在Ca元素含量始終居高、Mg元素含量較低的現(xiàn)象。掃描電鏡及EDS分析發(fā)現(xiàn)，龍會地區(qū)鮞粒礦物低鎂現(xiàn)象明顯，粒間填隙物中S、Zn元素含量較高，F(xiàn)e元素含量較低。此外，研究區(qū)的鮞粒核心為泥晶、粉晶和細(xì)晶方解石及少許粉-細(xì)晶白云石組成，部分顆粒中可見石英、長石、黃鐵礦等，從核心中未發(fā)現(xiàn)生物跡象。這說明當(dāng)時生物供應(yīng)量低，原因可能在于二疊紀(jì)末三疊紀(jì)初海水毒化造成了生物大滅絕。

圖4 龍會場地區(qū)鮞粒掃描電鏡下EDS分析

早期在安靜水體環(huán)境下聚集形成的方解石球粒，在海水過飽和后附著球粒形成圈層。低能水體下，礦物結(jié)晶程度低，形成暗層；高能水體環(huán)境下，鮞粒被攪動起來，礦物結(jié)晶程度高，形成亮層。水體環(huán)境的往復(fù)變化，導(dǎo)致圈層不斷沉積、鮞粒持續(xù)生長。鮞粒形成后，受更強(qiáng)大的風(fēng)暴環(huán)境影響，被帶至淺水環(huán)境繼續(xù)接受沉積，形成正常鮞或表皮鮞類型的巨鮞；或受膠結(jié)作用影響，形成復(fù)鮞類型的巨鮞。同時，復(fù)蘇的微生物參與到部分鮞粒的形成過程中(如藍(lán)細(xì)菌分泌EPS吸附、粘結(jié)碳酸鹽沉積物)，改造了鮞粒的形態(tài)(見圖5)。目前，對于巨鮞的形成與海水毒化、全球缺氧或生物大滅絕是否有直接聯(lián)系，還沒有直接的證據(jù)。但是，在中生代沉積體系與生物輻射幾近同步，這說明錯時相、特殊環(huán)境、生態(tài)體系轉(zhuǎn)變之間存在必然聯(lián)系。

圖5 龍會場地區(qū)飛仙關(guān)組巨鮞成因模式

川北地區(qū)及重慶北碚地區(qū)的P-T界線之上廣泛發(fā)育不同類型的礫屑灰?guī)r，其中發(fā)現(xiàn)了標(biāo)志風(fēng)暴沉積的菊花狀礫石、丘狀交錯層理等，這些都被作為錯時相的標(biāo)志。川東北地區(qū)飛仙關(guān)組中部發(fā)育有同樣代表錯時相的薄層灰?guī)r，華鎣山構(gòu)造北部發(fā)育有風(fēng)暴作用的礫屑灰?guī)r。這些沉積物和沉積構(gòu)造與研究區(qū)巨鮞基本同期形成，沉積區(qū)域相同或相近，屬共生特征。此外，飛仙關(guān)組底部與長興組之間為一局部強(qiáng)烈暴露不整合界面，也可作為風(fēng)暴沉積廣泛發(fā)育的證據(jù)。因此，龍會地區(qū)飛仙關(guān)組發(fā)育的巨鮞是一種錯時相沉積物。當(dāng)時整個沉積區(qū)域風(fēng)暴作用強(qiáng)烈，正常發(fā)育的生物稀少，微生物發(fā)育廣泛并能在巖石成巖過程中起一定的作用。

龍會地區(qū)三疊系飛仙關(guān)組剖面偏光鏡下，可看到藻粘結(jié)現(xiàn)象；掃描電鏡觀察到，部分巨鮞發(fā)育微生物包殼，有微生物后期改造的痕跡，微生物的發(fā)育也符合早三疊世微生物泛濫的大環(huán)境特征。華南很多區(qū)域發(fā)現(xiàn)有微生物巖的沉積，其中的薄層微生物巖更是一種錯時相的標(biāo)志。研究區(qū)發(fā)現(xiàn)了代表風(fēng)暴沉積的礫屑，由鮞粒聚集形成，粒徑可達(dá)10 mm，與同期普通鮞粒共生，在巨鮞出現(xiàn)的整個層段可見。由于水體能量高，顆粒淘洗干凈，顆粒之間以亮晶膠結(jié)物為主，可見膠結(jié)物中存在晶型極好、節(jié)理清晰、粒徑可達(dá)1 mm的方解石。此外，鮞粒薄片中發(fā)現(xiàn)疊層微生物球?；?guī)r被打碎的痕跡，充填作用強(qiáng)烈。在鮞粒的同心圈層也發(fā)現(xiàn)了微生物改造圈層的跡象，但同時也存在未經(jīng)微生物改造的光滑圈層，說明微生物改造是滯后的、是非根本性的影響因素。巨鮞的圈層既有不規(guī)則的，也有較光滑的，且不規(guī)則程度明顯，僅依靠微生物的后期改造作用是很難完成的，還需要借助其他外部力量。

4 結(jié) 論

(1) 川東北龍會場構(gòu)造三疊系飛仙關(guān)組的鮞粒，粒徑分布多在1～6 mm，少數(shù)可達(dá)10 mm。其中，粒徑大于2 mm的巨鮞約占25%，類型包括正常鮞、表皮鮞、變形鮞、偏心鮞、多晶鮞、復(fù)鮞等。

(2) 巨鮞的形成過程受物理和化學(xué)作用主導(dǎo)。巨鮞形成過程中遭遇強(qiáng)烈的搬運(yùn)作用，其形狀多不規(guī)則，伴生的鮞粒明暗層厚度比例存在差異。微生物的參與只是在后期改造鮞粒，而非鮞粒形成的本質(zhì)原因。

(3) 鮞粒沉積于開闊臺地邊緣，搬運(yùn)痕跡明顯。早三疊川東北臺地邊緣面向海槽的低角度臺地斜坡帶，最先遭遇風(fēng)暴作用，而且遭遇的風(fēng)暴作用最強(qiáng)，故鮞粒的最初沉積場所可能為緩斜坡至開闊臺地過渡帶。

(4) 巨鮞具有其特殊的形成環(huán)境條件，是一種錯時相沉積物，可作為早三疊世風(fēng)暴環(huán)境的標(biāo)志物，用來指示該環(huán)境的水體能量、生物組成等因素。