碳酸盐沉积环境及相模式.pdf

1 第十二章碳酸盐沉积环境及相模式第一节海洋碳酸盐沉积环境特点一、温暖、清洁、透光的浅水海洋环境现代海洋碳酸盐沉积，主要分布于30°纬度的赤道南北温暖浅海地带，如加勒比海大巴哈马滩、波斯湾、孟加拉湾、我国南海诸岛及印度尼西亚巽他陆棚等地上述地带钙藻大量繁殖，珊瑚礁发育，局部有贝壳砂、鲕粒砂、葡萄状团块、球粒灰泥及造礁生物粘结岩正在堆积而在南北纬度40° 之间的深海盆地底部，有大量浮游生物碳酸盐沉积这些现代海相碳酸盐产出环境，不仅是温暖、浅水，而且是清水环境，如加勒比海的三大碳酸盐滩，远离密西西比河口自西来的沿岸流，这就避开了大量细碎屑沉积物的注入；我国广西北海水域的涠洲岛和海南岛南端的三亚市的滨浅海域，同样远离粘土及粉砂的供给区而以沉积碳酸盐为主除造钙生物提供的骨骼，现代热带浅海碳酸钙沉积与藻类活动有关据金斯伯格 （R. N. Cinsburg ，1975）的资料，现代热带浅海小于10－ 15m 水深的海域，所产生的CaCO3比深陆缘海每单位面积的CaCO3多几倍， 主要与这一水域的绿藻海松科及蓝绿藻特别丰富有关，由于藻类的光合作用，需要从海水中吸收大量CO2，从而促使海水中的CaCO3过饱和，沉淀出文石质灰泥来，而且钙藻的外壳也是文石质灰泥及颗粒的主要提供者，因此藻类繁生可以提供大量碳酸盐沉积物，而它的生活需要一个温暖浅水清洁透光的环境。

如果海水浑浊，不仅妨碍光合作用，阻止钙藻的生长，另外悬浮的粘土可以堵塞许多底栖无脊椎动物的摄食器官，使这些动物不能繁衍，也妨碍了大量碳酸盐颗粒的产生，故浑水对碳酸盐的生成起着抵制作用海水太深，阳光不足，氧气不够，对藻类和底栖无脊椎动物生长不利；位于CCD 面之下的深海水域，水压大，溶解CO2多， CaCO3不饱和，因此深水不仅不会有大量原地碳酸盐沉积物的直接产生，而且对已堆积的碳酸盐沉积物有强烈溶解作用，部分深水碳酸盐沉积物主要靠海水表层具几丁质表面保护层的浮游生物（如颗石藻、抱球有孔虫、翼足类等）和浅水陆棚区以浊流方式搬运来的灰泥或粉屑供给二、碳酸盐沉积的水文控制条件这里的水文条件主要指海水的能量，也考虑到海水的盐度等在开阔海陆棚浅水地带，由于海底坡度不同，在缓斜海底上，波浪及潮汐在滨岸带产生碎浪，出现高能带随着碳酸盐沉积物的不断产生，自身加积作用使海底坡度逐渐变平，此时波浪及潮汐作2 用与浅水海底发生摩擦，在远岸地带产生碎浪带，出现滨外高能带在滨岸高能带或滨外高能带，由于波浪（包括潮汐）及其伴生的沿岸流、底流作用，使碳酸盐沉积物发生簸选，将其中的细屑碳酸盐物质带走，而留下各种砂砾级碳酸盐颗粒，形成各种砂砾屑滩、介壳滩、沿岸砂坝及砂咀，或滨外砂堤及砂洲、潮汐三角洲及潮汐砂坝等，常见如现代波斯湾潮坪的鲕粒滩及砂滩、鲕粒三角洲沉积，大巴哈马滩西缘鲕粒砂堤，三亚小东海生物碎屑组成的海滩及三崖湾珊瑚砂坪等，均属于以机械沉积作用为主的碳酸盐沉积体。

从浅水陆棚高能带被簸选出来的细屑碳酸盐物质（即灰泥、粉屑）主要被搬运到陆棚边缘或障壁沙坝前缘的较深水地区沉积，部分堆积在障壁后受保护的泻湖主潮坪区，形成所谓的两个低能带沉积区碳酸盐沉积物主要是生物成因的，其中有些生物能适应较高水能环境，甚至具有抗浪的生态本能，它们能在高能环境下就地快速生长聚集成为抗浪的礁体，形成高出于周围同期沉积之上的建隆在高能带，由于向岸风及潮汐作用，使波浪搅动及海水压力变化，沿着斜坡上升来的深部海水，温度骤然升高，水压降低，CO2释放，促进了CaCO3大量沉淀，同时从深水还带来大量其它养料，有利于造礁生物的发育生长故在沿岸高能带常形成岸礁，如海南岛南端三崖湾的现代珊瑚岸礁；在滨外或陆棚边缘高能带常出现堤礁或堡礁，如澳大利亚东部沿海现代堡礁等在出现岸礁或堡礁时，礁体首当其冲遭受波浪冲击，从这些礁体中带出大量生物碎屑及礁屑岩块，在礁前斜坡产生礁角砾堆积（塌积岩） ，在礁后形成生物砂滩如果在这些地带，持续地保持强到中等的水运动，而又有较碱的为碳酸钙经常过饱和的海水不断产生，这就使得正常盐度的造礁生物不能繁衍， 由海底碳酸钙的加积作用及胶结作用、水体中的颗粒包壳作用等，可以产生鲕粒、砂屑、球粒、团块、核形石及生物砂等沉积物并被亮晶胶结。

在障壁礁或砂堤之后，水的循环受到限制，出现安静泻湖及潮坪环境，如果气候炎热干燥， 由蒸发作用使泻湖水体的盐度不断升高，最初产生CaCO3（文石） 的化学沉淀水体中微细的文石针发生絮凝作用，经常出现球粒灰泥沉积，进一步碱化就会出现白云岩及膏盐沉积，生物种类很贫乏，仅有某些适应盐度变动的广盐度生物如介形虫、某些有孔虫 （粟粒虫），软体动物及蓝绿藻类等如果气候比较潮湿炎热，泻湖水体的盐度变化不大，除了上述生物，还可有大量绿藻、钙质海绵、苔藓虫及腕足类等窄盐度生物，为碳酸盐沉积提供大量颗粒在潮坪地带由于间歇性的涨潮淹没及退潮期暴露干燥，出现具有特色的沉积物，如层纹石灰岩（白云岩）、叠层石灰岩（白云岩）、纹层状球粒石灰岩（白云岩） ，以及鸟眼、干裂、纹层、膏盐晶体假象等沉积构造在热带多雨地区，潮间坪沉积带出现淡水透镜体，提供泉水并造成富含半碱水植物的沼泽，或出现微卡斯特地貌（溶洞、溶缝、岩溶漏斗等），于沉积物表面沉淀出结壳状淡水方解石等3 第二节海洋碳酸盐沉积相模式在 20 世纪 50 年代以前，人们对碳酸盐岩沉积环境的认识还是相当肤浅的，几乎全是笼统的 “浅海相” 化学沉积概念从60 年代开始， 随着对现代碳酸盐沉积作用研究的深入和对碳酸盐沉积原理的逐渐认识和深化，特别是石油工业的推动，对古代海相碳酸盐岩沉积环境的解释才取得突飞猛进发展，并建立了一系列相应的沉积相模式。

形成碳酸盐沉积物的浅海一般分为两种类型，即陆表海与陆缘海（Shaw，1964） ，这是两种性质截然不同的海洋陆表海以分布面积十分广阔、海水极浅、海底十分平缓为其特征我国西南地区古生代及早中生代的海洋，华北早古生代的浅海都可能属于陆表海北美奥陶纪的陆表海，东西延展达3200km ，而宾夕法尼亚纪的陆表海也延伸1600km 陆表海的深度很少超过200m，一般只有30m，其海底平均坡度约0.03－0.15m/kg，可见其坡度是十分平缓的现代陆表海很少见到，但古代海洋出现大面积分布的陆表海陆缘海分布于大陆边缘，占据陆架位置 其宽度达160－480km， 深度达 200－350m，海底平均坡度为0.6－3m/kg如我国东部沿海的黄海、东海及南海均属于陆缘海从目前看来，形成古代碳酸盐沉积物的海洋并不象现代的许多陆缘海性质，而是属于陆表海由于陆表海内波浪、海流以及潮汐作用对于碳酸盐沉积物的分异，形成了三个明显的沉积相带，即一个高能带、两个低能带这一特征首先由肖（Shaw，1964）提出，奠定了碳酸盐相模式的基础，其后欧文（Irwin ，1965）正式命名为X、Y、Z 三个带，之后拉波特 （ Laport ，1967，1969）提出四个带， 一直发展到威尔逊（Wilson ，1969，1975）的九个相带和塔克（Tucker，1981）七个相带，碳酸盐沉积相模式才逐渐趋于完善和适用。

在此期间，我国沉积地学者在引进上述模式的同时，结合中国古生代碳酸盐沉积特点进行了卓有成效的研究（曾允孚等，1983，1989；刘宝珺等， 1993） ，提出众多结合中国古海域发育特点的碳酸盐沉积模式这一发展过程清楚地表明，人们对碳酸盐沉积相的研究逐渐深入和不断提高的认识过程但是，随着人们对碳酸盐沉积相模式研究的不断深化，发现碳酸盐沉积受生物、气候、水文和自然地理等多种条件影响，沉积作用十分复杂，不可能用一种模式概括所有的特征，具有随着大地构造背景不同和时间上的推移，碳酸盐沉积模式也出现相对应的演化过程 因此， 进入 80 年代后， 人们摆脱了60－70 年代静态碳酸盐沉积模式的束缚，开始了一种动态碳酸盐沉积模式的研究和建立，强调碳酸盐缓坡（ramp）沉积相模式的重要性（ Read，1982， 1985；Tucker，1985；Whitaker ，1988；Carozzi，1989） ，并力图4 把碳酸盐相模式直接与成岩环境、矿产和油气资源勘探联系起来以下简要介绍历年来最常用的几个碳酸盐沉积相模式一、欧文的模式欧文依据肖对陆表海水动力能量及沉积物分布特征研究建立的理想模式，以不含陆源碎屑物的浅海碳酸盐沉积物为条件。

在此模式中，他将自滨岸到广海方向划分为三个带，并分别命X、Y、Z 带（图 12－1） X 带（低能带）指位于广海浪基面以下地带，宽约数百公里一般来说，海底很少受到扰动，只有海流能作用于海底，其沉积物主要来自高能带（Y）的细粒碎屑，形成粉屑灰泥沉积物此带的大部分海底都接近于或低于光合作用的下限，因而大大地限制了生物及藻类的生长发育如果海流不断供给充足的氧气，那么底栖生物就会繁殖起来，并能形成粗粒介壳碎屑，形成介屑泥晶灰岩由于灰泥沉积物主要来自邻近浅水地区，其沉积速度一般较慢，而且海水温度又较低，因而不利于化学成因的灰泥发生沉淀所以这一带沉积物的厚度不大向远海方向海水逐渐变深，温度也相应降低，同时海底又表现出十分宁静，这就限制了氧气的供给，因此底栖生物不能大量发育来自高能带的大量有机质都堆积在此带，同时许多浮游和自游生物也堆积在这里，加上沉积物在沉积以后又很少受到扰动，因而所形成的沉积物一般呈暗色，水平层理发育图 12－1 欧文沉积模式图Y 带（高能带）指从波浪开始冲击海底的地点开始，也即代表波浪的动能开始消耗处起，由此向滨岸方向延伸，直到浪能完全耗尽为止此带宽约数十公里由于这一带波浪及潮汐十分活跃，水浅，阳光充足、氧气充分，底栖生物及藻类大量繁殖，所形成的沉积物基本上都是生物成因的。

在此带向海一侧，从深水上升带来的养料尤其丰富，因而各种生物包括造礁生物大量发育，往往形成生物礁而向滨岸一侧，则可见鲕粒砂，所见粒屑主要由砂砾级碎屑组成，灰泥很少，因此所形成的岩石主要为生物屑灰岩或鲕粒灰岩、内碎屑灰岩其所含的生物碎屑大多已被磨蚀，但不一定经过长距离的搬运同时由于生物碎屑或鲕粒受到波浪及流水的牵引、簸选、往往形成具有交错层的、分选良好的颗粒灰岩5 Z 带（低能带）指位于高能带向滨岸方向直至潮坪为止该带海水较浅，其深度不过数米乃至零米，宽度可达数百公里此处海水循环不畅，主要受潮汐作用影响，波浪作用影响较小，所以属于低能环境，只有暴风才可引起局部的波浪作用此带海底坡度很小在靠近滨岸的地带，如因气候炎热干燥，水流停滞，可使海水蒸发，含盐度不断提高，因而主要沉淀白云岩、硬石膏或石膏以及各种盐类沉积物海水淹没区的灰泥一部分是从高能带被簸选、搬运到此处的， 部分以物理化学方式直接从海水中沉淀下来的所形成的岩石主要为泥晶灰岩或层纹状灰岩、白云岩，普遍富含球粒并常见干裂、冲沟、鸟眼、扁平砾石、蠕虫掘穴及生物钻孔由于该带水浅、循环局限、盐度及温度变化较大，因此生物群极不发育，数量也较少，仅有蓝绿藻、介形虫、腹足类等少量生物化石。

二、拉波特（1967，1969）的模式拉波特对美国纽约州早泥盆世海德堡群进行沉积相分析时所建立的模式（图12－2） ，基本上承袭了肖及欧文的概念，所不同的是他在研究该区沉积环境时指出，由于潮汐面频繁变动， 引起潮上－潮间－潮下环境的复杂变换，因而形成各种相的交替和穿插他指出潮汐作用的重要性和潮下存在碳酸盐和陆源碎屑的沉积分带性，较前人进了一步拉波特的模式划分了四个相带，即潮上和潮间带，相当于欧文的Z 带；位于波基面之上浅的潮下带，相当于欧文的Y 带；波基面之下无陆源碎屑物的潮下带，波基面之下有陆源碎屑物（粘土）的潮下带，后二带相当于欧文的X 带图 12－2 拉波特（ 1967，1969）的沉积模式三、威尔逊的碳酸盐沉积模式威尔逊（ 1969，1975）综合了古代及现代碳酸盐岩的大量沉积模式，按照沉积环境6 的潮汐、波浪、氧化界面、盐度、水深及水循环等因素的控制，建立了综合的碳酸盐沉积模式，划分出九个标准相带（图12－3，表 12－1） ：1A －。