碳酸鹽巖微相識(shí)別標(biāo)志及研究意義

張雨辰

成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院 四川 成都 610059

Brown于1943年首次引入“微相”的概念，而后Flügel對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充，指明微相是在薄片、巖石揭片或拋光片中具有鑒別意義的古生物特征和沉積學(xué)標(biāo)志的綜合。

Wilson根據(jù)現(xiàn)代碳酸鹽巖沉積的資料，于1975年建立了一個(gè)描述熱帶鑲邊碳酸鹽巖臺(tái)地的標(biāo)準(zhǔn)相模式，根據(jù)顯微結(jié)構(gòu)特征將碳酸鹽巖劃分為24個(gè)標(biāo)準(zhǔn)微相類型（SMF），并將其總結(jié)為9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)相帶。Flügel（2010）充分考慮冷水環(huán)境下的碳酸鹽巖臺(tái)地，對(duì)Wilson提出的分類方案進(jìn)行修訂，將標(biāo)準(zhǔn)微相類型（SMF）修訂為26個(gè)，SMF1～SMF26分別對(duì)應(yīng)由盆地至地表暴露區(qū)的順序排列[1]；同時(shí)將緩坡模式的標(biāo)準(zhǔn)微相類型（RMF）歸納為30個(gè)，將相帶更改為10個(gè)，該標(biāo)準(zhǔn)被廣泛應(yīng)用到微相研究工作中。

1 微相研究方法

微相研究主要包括野外工作、樣品采集及實(shí)驗(yàn)研究三個(gè)部分。

（1）野外工作。野外工作是開展地質(zhì)學(xué)研究的工作基礎(chǔ)。在野外觀測(cè)過(guò)程中要注意識(shí)別：巖性、顏色、結(jié)構(gòu)特征、構(gòu)造特征、成巖特征、化石及生物特征等相標(biāo)志[2]。碳酸鹽巖會(huì)因沉積氧化還原條件、成巖作用過(guò)程和風(fēng)化作用影響呈現(xiàn)出不同特征。

（2）實(shí)驗(yàn)研究。早期實(shí)驗(yàn)技術(shù)主要利用偏光顯微鏡對(duì)巖石薄片、揭片或切片進(jìn)行觀察。后期逐步演變?yōu)閷⒊Ｒ?guī)薄片資料與更精密顯微設(shè)備（如掃描電子顯微鏡、陰極發(fā)光顯微鏡、熒光顯微鏡等）相結(jié)合分析觀察，輔之地球化學(xué)分析得出準(zhǔn)確可靠的研究結(jié)果。

偏光顯微鏡是微相研究的基礎(chǔ)工具，可以用來(lái)觀測(cè)樣品薄片的顆粒類型、灰泥/亮晶相對(duì)百分含量、結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征、生物化石組合等內(nèi)容，進(jìn)而推測(cè)其巖石學(xué)特征及巖相類型、沉積相類型及沉積特征垂向演化過(guò)程。

掃描電子顯微鏡（SEM）可以用來(lái)觀察極小表面的三維立體圖形。在碳酸鹽巖研究過(guò)程中，掃描電鏡可以用來(lái)分析微孔隙的分布及幾何形態(tài)、膠結(jié)物的空間分布特征、白云石化程度以及化石和非生物成因碳酸鹽顆粒的成分和超微結(jié)構(gòu)[3]。

陰極發(fā)光顯微鏡（CL）是化石原始或成巖顯微構(gòu)造研究的主要手段。它是利用電子轟擊薄片，在巖石薄片表面激發(fā)發(fā)光，光性的強(qiáng)弱主要取決于被激發(fā)薄片自身特性，如碳酸鹽的主要發(fā)光元素為Mn2+和Pb3+，F(xiàn)e2+則為熒光淬滅劑，巖石薄片所含元素及含量不同會(huì)產(chǎn)生不同的發(fā)光特性。陰極發(fā)光有助于識(shí)別不同膠結(jié)物類型及其所反映的成巖階段、揭示化石原始結(jié)構(gòu)及生長(zhǎng)樣式，更精確的識(shí)別微相標(biāo)志。

熒光顯微鏡是通過(guò)可見光或紫外線照射時(shí)薄片所顯現(xiàn)出的發(fā)光特征，可以鑒別灰?guī)r中是否含有有機(jī)質(zhì)、識(shí)別隱藏的微組構(gòu)及生物礦化作用過(guò)程。

除此之外，還可以結(jié)合礦物學(xué)和地球化學(xué)等研究方法對(duì)碳酸鹽巖微相展開研究。通過(guò)全巖分析和選擇性分析，利用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-AES）和中子活化分析（NAA）可以確定碳酸鹽巖微量元素和稀土元素含量[2]，為古環(huán)境恢復(fù)提供依據(jù)和線索。

2 碳酸鹽巖微相識(shí)別標(biāo)志

碳酸鹽巖顆?？梢灾甘咎妓猁}巖形成的古環(huán)境，區(qū)分特定沉積環(huán)境及海平面變化。顆粒類型的變化可以反映沉積旋回，有助于建立相應(yīng)的層序地層模式。碳酸鹽巖顆?？梢苑譃閮?nèi)顆粒和外顆粒兩類，外顆粒主要是指沉積區(qū)外較老的陸源碎屑顆粒，內(nèi)顆粒種類繁多，包括生物碎屑、似球粒、集合體顆粒、包殼顆粒、內(nèi)碎屑[2，4]。其中似球粒和包殼顆粒（包括皮粒、鮞粒、豆粒、核形石）可以作為可靠的亞相指示物，似球?？梢愿鶕?jù)形態(tài)及大小對(duì)亞相進(jìn)行區(qū)分，鮞?？梢愿鶕?jù)大小、圈層數(shù)量及形態(tài)進(jìn)行區(qū)分，集合粒（包括葡萄石）可以根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和大小進(jìn)行區(qū)分，具體顆粒類型與沉積亞相、孔隙度的分布關(guān)系如圖1所示[2]。

圖1 碳酸鹽巖顆粒類型及指示意義

2.1 生物碎屑

生物碎屑對(duì)沉積環(huán)境的表征十分敏感，不同沉積環(huán)境適宜生存的生物各不相同，因此不同種屬生物碎屑的出現(xiàn)對(duì)碳酸鹽巖沉積作用及古氣候條件控制具有指示意義。生物碎屑類型主要包括：有孔蟲、介形蟲、雙殼類、棘皮動(dòng)物、大量藻類及少量腹足類[5]。

有孔蟲與海水含氧量有較高相關(guān)性，當(dāng)含氧量充足時(shí)，有孔蟲發(fā)育繁盛，反之，則縮減。絕大多數(shù)有孔蟲生活在正常鹽度海水中。包旋蟲類有孔蟲和粗枝藻的組合通常指示臺(tái)內(nèi)開闊海環(huán)境[6]。

介形蟲由外形基本一致的兩個(gè)殼體組成，殼體表面光滑，頭部通常有齒狀內(nèi)部凸起，個(gè)體較小，常小于1mm。在海水、半咸水及淡水中均可以生存，多與有孔蟲、藻類共生。

棘皮動(dòng)物主要包括海百合莖和海膽刺。海百合莖部橫切面為中央圓孔，發(fā)育網(wǎng)狀構(gòu)造，具有同心圓及放射狀紋理，主要生活在水體較清澈、氣溫較溫暖環(huán)境中，浮游海百合的骨骼碎片是中生代開闊海相碳酸鹽巖的重要組成部分。海膽常常發(fā)育棘刺[7]，生活在淺海中的海膽通常膽殼較厚，棘刺呈短粗狀。

腹足類常呈卷曲狀或螺旋狀緊密包圍形成一個(gè)中央空腔。腹足動(dòng)物的鈣質(zhì)殼體通常被有機(jī)質(zhì)層包裹，個(gè)體通常較大，粒徑毫米至厘米不等。部分小型腹足動(dòng)物與有孔蟲難區(qū)分，可以通過(guò)其殼體彎曲程度高、厚度變化大，體腔孔常充填泥晶等特征與瓣鰓類和有孔蟲區(qū)分。腹足類多適應(yīng)于正常鹽度的淺海環(huán)境。

2.2 似球粒

似球粒為泥晶化程度較高的泥質(zhì)碎屑，一般缺乏內(nèi)部結(jié)構(gòu)，多呈次圓狀或圓狀，部分可呈橢圓狀或桿狀。似球粒中常見類型有糞球粒、藻似球粒、巴哈馬似球粒和灰泥似球粒。糞球粒通常呈橢圓狀或桿狀，常形成于水動(dòng)力條件較弱且沉積速率較低的臺(tái)內(nèi)或緩坡的潮間帶中下部及潮下帶，非海洋糞球粒也可以發(fā)育于咸水湖、淡水湖中[6]。藻似球粒是一種具不規(guī)則外形單繼承藻結(jié)構(gòu)的泥晶顆粒，普遍存在于早古生代陸棚碳酸鹽巖中[8]。巴哈馬似球粒通常是生屑或者鮞粒經(jīng)過(guò)強(qiáng)烈泥晶化作用后，內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)特征消失，形成的泥晶顆粒，通常比藻似球粒個(gè)體大。灰泥似球粒通常分選性差、顆粒外形和大小差異大，在地層剖面中總是重復(fù)出現(xiàn)，經(jīng)過(guò)改造再沉積下來(lái)的灰泥似球粒常沉積于局限淺海環(huán)境。

2.3 集合體顆粒

集合粒主要由鮞粒、生物碎屑和似球粒構(gòu)成，并被文石或方解石膠結(jié)物黏結(jié)而成。集合粒最早出現(xiàn)于巴哈馬灘，水體能量為中-低等，常形成于水體不斷變化的潮間帶和潮下帶淺海環(huán)境中。

2.4 包殼顆粒

包殼顆粒包括皮粒、鮞粒、豆粒、核形石，其中鮞粒和核形石可以為古環(huán)境恢復(fù)提供重要參考。

鮞粒是球形或橢圓形具有同心圈層結(jié)構(gòu)的包殼顆粒，粒徑通常小于2mm，其形態(tài)受鮞核形態(tài)控制，粒度及分選性受水動(dòng)力條件影響。鮞粒是古環(huán)境水體能量、水體深度、水體鹽度指示物，原地沉積的鮞粒一般不存在磨蝕痕跡，而經(jīng)過(guò)搬運(yùn)、沉積后的鮞粒通常粒徑差異較大，同心圈層磨蝕現(xiàn)象嚴(yán)重。

核形石是藍(lán)綠藻黏液包裹碳酸鹽巖沉積物而形成的同心層泥晶顆粒。核形石的形態(tài)可以作為判斷形成環(huán)境的重要指標(biāo)，常被當(dāng)做是高能、深潮間帶至淺潮下帶環(huán)境的標(biāo)志[2]，早期紋層受到核心形態(tài)影響，形成具有核心形態(tài)的同心圈層，后受水動(dòng)力條件影響呈現(xiàn)不同形態(tài)，水體不斷攪動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)厚薄不均、紋層中斷等現(xiàn)象，水體處于靜止或弱攪動(dòng)時(shí)，紋層會(huì)向光垂向生長(zhǎng)。

2.5 內(nèi)碎屑

內(nèi)碎屑常見于淺海環(huán)境中，常被認(rèn)為是淺海沉積物在經(jīng)過(guò)風(fēng)暴作用后再沉積的產(chǎn)物。內(nèi)碎屑的定向排列可以作為評(píng)價(jià)波浪作用及古水流方向的重要參考，其長(zhǎng)軸方向與流向一般呈垂直關(guān)系。碳酸鹽巖中發(fā)育的“黑色礫石”可能指示其經(jīng)歷了地表暴露并伴有植被覆蓋。

3 碳酸鹽巖微相研究意義

對(duì)微相特征展開研究可以有效反應(yīng)巖石樣品沉積學(xué)和古生態(tài)特征，解釋碳酸鹽巖沉積環(huán)境和成巖作用過(guò)程，更好地把握不同時(shí)期巖相古地理演化。不同沉積環(huán)境具有不同的沉積特征，通過(guò)生物群種類及豐度可以得到水體深淺、鹽度、清濁度等信息，進(jìn)而可以精準(zhǔn)識(shí)別古環(huán)境特征，

碳酸鹽巖微相分析的快速發(fā)展與油氣資源勘探息息相關(guān)。不同沉積環(huán)境形成的儲(chǔ)層沉積特征各不相同，如潮坪環(huán)境中儲(chǔ)層形態(tài)多呈條帶狀，粒度細(xì)到中粒，晶間和粒間孔隙發(fā)育；局限潟湖環(huán)境儲(chǔ)層不連續(xù)，常呈疊置透鏡體，孔隙??；開闊臺(tái)地中儲(chǔ)層形態(tài)多呈條帶狀，儲(chǔ)層成層性好。通過(guò)對(duì)不同時(shí)期碳酸鹽巖微相進(jìn)行分析，有助于理解碳酸鹽巖儲(chǔ)層發(fā)育過(guò)程，建立相應(yīng)的沉積模式。

微相研究不僅可以應(yīng)用在古環(huán)境特征演化及油氣資源勘探方面，還在考古學(xué)、工業(yè)生產(chǎn)等方面得到廣泛應(yīng)用?；?guī)r和白云巖從古至今都是重要的建筑材料，微相分析可以區(qū)分古建筑石材、鑲嵌工藝材料來(lái)源，鑒定陶瓷生產(chǎn)所用材料產(chǎn)地及生產(chǎn)時(shí)期。

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，碳酸鹽巖微相發(fā)展迅速，研究重點(diǎn)從過(guò)去的推測(cè)沉積環(huán)境演化轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)成巖作用過(guò)程、巖石孔隙演化，研究方法也從顯微薄片觀察的定性分析轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄬W(xué)科交互式定量分析，測(cè)試結(jié)果日益精準(zhǔn)化，對(duì)沉積環(huán)境解釋、油氣成藏及儲(chǔ)層評(píng)價(jià)具有重要參考意義。