姬国锋, 范　鸿, 时志强, 杜怡星

(油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059)



川西北汉旺地区卡尼期鲕粒灰岩特征及地质意义

姬国锋, 范鸿, 时志强, 杜怡星

(油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059)

[摘要]探讨川西北地区晚三叠世卡尼期马鞍塘组下部的鲕粒灰岩的沉积相及沉积时的古气候、古盐度。在前人研究成果基础上，对绵竹县汉旺观音崖剖面开展野外调查和室内薄片鉴定及碳氧同位素测试，结果表明共发育3套鲕粒灰岩，主要沉积于碳酸盐缓坡，由下到上鲕粒以复鲕、同心鲕、放射同心鲕、脑状鲕呈现，展示鲕粒沉积时海水能量降低、水体逐渐加深的趋势；上部灰岩中脑状鲕与同心鲕共存且同心鲕具双峰态粒度分布，显示鲕粒沉积时受到风暴作用影响。碳、氧同位素测试显示，鲕粒灰岩沉积时的古温度大体在24～35℃，Z值在127～131，表明在卡尼期早期，川西北地区以蒸发量较高的低纬度地区干热气候为主。

[关键词]川西北；卡尼期；鲕粒灰岩；碳酸盐岩缓坡；古气候

Characteristics and geological significance of

四川盆地西北部边缘地区上三叠统发育，有从海相碳酸盐岩到过渡相以至陆相碎屑岩较齐全的层位，但晚三叠世卡尼期沉积地层分布局限[1]。在龙门山前缘，马鞍塘组局限分布于从什邡金河到江油马鞍塘一带的古特提斯海东部边缘地区，岩性为从下部的灰岩到上部泥页岩、粉砂岩，时代为卡尼阶—下诺利阶。新的牙形石证据显示，马鞍塘组下部以鲕粒灰岩、海绵灰岩为代表的碳酸盐岩属早卡尼期沉积，其分布较为局限，而且在空间上厚度不同。这套碳酸盐岩沉积从下部的鲕粒灰岩转变为上部的六射海绵骨针团块灰岩，展示出海水能量降低、水深逐渐增加的趋势[2]。在过去的几十年里，许多学者对该套沉积进行过考察研究，逐步建立起了该地区的地层系统，并对鲕粒灰岩上部的海绵生物礁的结构、岩石学特征、生物化石组合和成礁机制、分布和控制因素及其油气地质条件进行了研究[3-11]，而对下部的鲕粒灰岩关注较少。

一般认为，鲕粒是碳酸盐岩的一种包覆颗粒类型[12]，鲕粒作为碳酸盐岩有特点的结构组分，在古气候研究、古环境分析方面起着重要作用。在鲕粒形成的地质历史中，鲕粒经历了不同的地质成岩作用，拥有不同粒径、不同内部结构的鲕粒有着不同的地质历史意义[13,14]。在油气地质研究中，鲕粒灰岩常作为一种较好的储集层[15]。

1地层学背景

川西北地区卡尼期鲕粒灰岩属于马鞍塘组下部，与下伏的天井山组层纹石灰岩或层纹石白云岩整合接触，鲕粒灰岩之上沉积有厚度不等的海绵(骨针)灰岩、凝块石灰岩。在龙门山前缘地区出露的鲕粒灰岩大致呈现出由南西向北东方向延展的趋势，在什邡金河剖面，其累计厚度<3.5 m，在汉旺观音崖剖面厚度约为30 m，在安县雎水罐子滩厚度为64 m左右；但在江油马鞍塘剖面，鲕粒灰岩呈夹层产出，累计厚度<10 m[16]。本文研究以绵竹汉旺观音崖剖面(图1)为主，该剖面无土壤、植被覆盖，界面清晰，便于观察。

值得注意的是，在川西北地区，鲕粒灰岩常见于马鞍塘组顶部，如在汉旺观音崖剖面，其以残积层的形式存在于马鞍塘组与小塘子组不整合面之下[17]；在江油马鞍塘剖面，其出现于马鞍塘组与小塘子组不整合面之下约10 m处，呈薄夹层产出。在前人研究中，该鲕粒灰岩层一般归为诺利阶[18]，不在本文的研究范畴。

图1　绵竹汉旺观音崖剖面地理位置图Fig.1　Location of the Guanyinya cross section in the Hanwang of Mianzhu County

图2　绵竹汉旺观音崖剖面下卡尼阶灰岩地层柱状图及样品层位Fig.2　Stratigraphic column and sampling horizon of Lower Carnian limestone section at Guanyinya

汉旺观音崖剖面下卡尼阶鲕粒灰岩主要可见3套：下部鲕粒灰岩，厚约4.7 m，中厚层状，分布于第2—第3层；中部鲕粒灰岩厚约11.2 m，分布于第5—第6层，见丰富的苔藓虫、腕足、海绵、双壳、海百合等生物化石；上部鲕粒灰岩厚约14.2 m，以中层状为主，分布于第8—第12层(图2)。从汉旺观音崖剖面下卡尼阶3套鲕粒灰岩的观察表明，滩相鲕粒灰岩沉积于海水能量降低、水深逐渐增加的环境，在这种背景下滩相鲕粒灰岩在川西北分布广泛，且厚度迥异。

图3　汉旺观音崖剖面微观照片及野外照片Fig.3　Microphotographs of samples and field photographs from the Guanyinya cross section(A)复鲕及小型放射鲕，单偏光,样品号H2a-b2; (B)同心鲕，单偏光,样品号H5b-b8; (C)放射同心鲕，单偏光,样品号H5c-b9; (D)脑状鲕，单偏光,样品号H9a-b15; (E)粪球粒，单偏光,样品号H3a-b4; (F)具有双峰态粒径分布的同心鲕粒，单偏光,样品号H10b-b18; (G)破碎的生屑，单偏光,样品号H11b-b20; (H)薄-中层深灰色鲕粒灰岩,第6层野外照片; (I)灰色中层状鲕粒灰岩,第9-第10层野外照

2观察及测试结果

2.1样品采集及研究方法

在野外实测剖面时，在汉旺观音崖剖面采集新鲜样品47个，并磨制成薄片，每个层位均有薄片。在野外剖面观察以及沉积相剖析的基础上，笔者用显微镜观察了鲕粒的类型，探讨鲕粒灰岩特点，剖析内部纹层及胶结物等鲕粒构成特征及成岩过程。以显微镜下观察的岩石学特征为基础选择未风化的新鲜岩石样品，尤其是无裂缝、无后生方解石脉、没有强烈重结晶作用、白云化作用弱的亮晶鲕粒结构的鲕粒灰岩，用分析纯乙醇清洗样品表面，然后在玛瑙钵里碾磨到200目。在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室用MAT-253仪器磷酸法测试碳酸盐岩碳、氧同位素，探究该地区卡尼期的古盐度和古温度特点。具体做法是在实验室采用磷酸法制备样品的CO2，将所获的CO2气体在MAT-253质谱仪上进行测试并得到δ18O和δ13C的数值，测试结果以PDB标准输出，质谱仪测试精度优于2‰。

2.2汉旺观音崖剖面鲕粒微观特征

鲕粒由核心开始生长，具有光滑的圈层而成熟，经过后期不同的成岩作用形成不同类型的鲕粒，鲕粒的类型能够反映它在生长阶段所经历的成岩作用的变化。通过显微镜下观察发现，汉旺观音崖剖面下卡尼阶鲕粒灰岩由下到上鲕粒出现4种类型。

复鲕(图3-A)：在第2层的底部出现，粒径在1～2 mm，一个较大的复鲕内包括2～3个小的鲕粒，单个鲕粒的核心以生屑为主，在海水高能区域复鲕才能形成，应处于潮缘带的紊流环境中形成。

同心鲕(图3-B)：在第5层中部出现0.2～0.8 mm的同心鲕，圆度较好，文石长轴沿着纹层的切向排列形成了同心纹层。同心鲕粒的核心多生屑为主，且生屑大多发生了重结晶。同心鲕粒形成于比较高能的内缓坡鲕滩。

放射同心鲕(图3-C)：在第5层顶部出现0.5～1.5 mm的放射鲕，高美方解石或文石由鲕粒核心垂直于同心纹层向鲕粒边缘辐射形成，放射纹清晰，且具有明显的同心纹层。具同心纹层的放射鲕形成时的海水能量跟同心鲕接近，放射同心鲕形成于相对高能的内缓坡鲕滩环境。

脑状鲕(图3-D)：在第9层底部出现0.8～2 mm的脑状鲕，粒径较大，鲕粒边缘具有褶皱，瘤状突起在鲕粒边缘局部出现。脑状鲕粒形成时可能受到细菌或藻类作用，此时的海水能量比较低，形成于中缓坡鲕粒滩。

2.3碳氧同位素测试结果及分析

根据前人对古老地层碳酸盐岩碳氧稳定同位素研究表明，碳氧稳定同位素组成可以揭示成因信息和地层信息，指示古环境的演变[20]。本次研究共测试了8个鲕粒灰岩碳氧同位素，测试分析结果如表1、图4。

2.4C、O同位素“年代效应”

表1　研究地鲕粒灰岩C、O同位素值及Z值和古温度

图4　碳、氧同位素值分区特征Fig.4　Partition characteristics of carbon andoxygen isotopes

在利用碳氧稳定同位素对沉积物当时所处环境的古温度和古盐度研究时，由于岩石受到不同成岩作用、沉积物中有机物受到微生物氧化产生的CO2污染，或者不同地质年代发生地质作用不同[21]，导致原始沉积物中的δ18O和δ13C值因同位素的交换而发生变化，从而降低了利用δ18O和δ13C值定量计算古温度和古盐度的可靠性。所谓的同位素“年代效应”是指年代越老的地层受到越强烈的成岩改造作用，使得δ18O和δ13C值有越大偏离的效应[22]。根据研究，一般情况下碳酸盐岩δ18O值<-5‰时，需要对测试数据进行年代效应校正；但是此次笔者所测的δ18O值均>-5‰，所以不需要对δ18O值进行校正。对于δ13C值是否存在“年代效应”的影响，目前还存在不同的看法。有学者在对寒武纪以来的成岩作用研究时，发现δ18O和δ16O之间的交换比δ13C和δ12C之间的交换强很多[23]；以Veizer为代表的学者，在研究时发现早古生代δ13C值比晚古生代升高2‰，二叠纪的δ13C值增加了2.6‰，新生代δ13C值降低了1.5‰[24]。尽管在地质历史时期中海相碳酸盐岩的δ13C值不断波动变化，跟地质年代变化没有明显的线性关系，δ13C值分布在(0±3)×10-3～5×10-3范围内[24,25]。研究表明碳酸盐岩在沉积之后所经历的成岩作用没有对原始的碳同位素造成影响[26]；因此碳酸盐沉积时的环境因素是主要因素，可用来剖析沉积时的古环境。

3古环境分析

在古环境和古气候的研究分析时，碳氧同位素的数据会给分析带来重要的信息。认同并应用δ18O和δ13C值来确定古盐度和古温度的学者越来越多[23,27]。在不同环境形成的各种海相碳酸盐岩的δ13C、δ18O值是不相同的，鲕粒灰岩中亮晶胶结物是沉积期后作用的产物，亮晶胶结物干净、透明，不含原岩残余物。鲕粒沉积后沉积物中的孔隙水通过海水的补给，不断形成CaCO3的沉积物，这是胶结物的主要来源。亮晶胶结物反映沉积物在沉积作用以后的变化和特征[28]。

碳酸盐矿物中的氧同位素组成在决定碳酸盐成岩过程中流体性质和成岩温度方面具有不可替代的作用，因此碳酸盐的氧同位素组成也是碳酸盐成岩作用研究的重要手段之一[29]。氧同位素同时受到温度和盐度的控制，既是温度的函数，也是盐度的函数，因此有学者建立起了碳氧同位素反映古盐度、古温度的关系方程式，通过用测试出来的碳氧同位素值计算古盐度及古温度。采用的样品保存完好，基本没有受到成岩蚀变，大气水影响比较弱，测出的数据能反映古盐度和古温度特征。

3.1古盐度特征

在不断研究的基础上，Epstein等建立了用Z值计算古盐度的基本理论[30]。他们假设一个地区温度不变，那么盐度的变化就是由于δ18O值的变化而引起的；Clayton和Degens研究表明，碳酸盐岩中盐度变化时，碳同位素也发生变化[31]。研究人员判定碳氧同位素的数值变化与盐度的高低存在着联系，盐度越低，碳氧同位素数值越小；Keith等将碳氧同位素结合起来计算古盐度[32]，得出了下列方程式

Z=2.048(δ13C+50)+0.498(δ18O+50)

(1)

方程式(1)中：δ13C、δ18O值都是用PDB标准。当Z>120时，为海相石灰岩；Z<120时，为淡水石灰岩。笔者用各鲕粒灰岩样品的δ13C、δ18O值计算出Z值，获得Z值为127～131，平均值为130.66，Z值>120，说明属于海相沉积；且Z>122，δ13C>0，表明鲕粒滩成岩环境是一种盐度较大的海水或咸化海水环境，这更能印证该时期的滩相鲕粒灰岩是在缓坡环境中发育的[11]，并且是在蒸发量大于降雨量的干热气候为主的环境下发育的。

3.2古温度特征

在对古温度的剖析研究中，发现δ18O与古海水温度有着紧密的关系。在盐度一定的假设条件下，δ18O值随古海水温度的降低而升高。在本文古温度计算时应用的是Kennett和Shsckleton(1974)在前人的基础上提出的古温度计算公式

t=16.9-4.38(δC-δW)+0.1(δC-δW)2

(2)

式中：t为海相碳酸盐岩沉积时的古海水温度；δC指25℃时化学式3CaCO3+2H3PO4(100%)=Ca(PO4)2+3CO2+3H2O中的CO2的δ18O值；δW指25℃测试碳酸盐岩沉积时与海水平衡的CO2的δ18O值；所以δC-δW指的是在25℃时，CaCO3和H3PO4作用生成CO2及与H2O平衡的CO2之间的氧同位素值的千分偏差。

根据学者Craig(1961)的实验结果，在25℃时CaCO3和H3PO4作用生成CO2和与H2O(SMOW)平衡得到的CO2之间的氧同位素值的差值为+0.22[33]。因此，为了得到更为准确的古温度数值，在实验室中采用PDB标准的CaCO3的δ18O(δ18OCaCO3)和SMOW标准的H2O的δ18O值(δ18OH2O)计算古温度时，需要应用公式(3)进行校正δC-δW=(δ18OCaCO3-δ18OH2O)+0.22

(3)

公式中：δ18OCaCO3是实验所测得鲕粒灰岩的PDB标准的δ18O值；δ18OH2O是以SMOW为标准H2O的δ18O值。但是目前三叠纪古海洋水的δ18O仍未知，所以本文只能假设与现代大洋水的δ18O相同，那么δ18OH2O(SMOW标准)为0[34,35]，所以公式(3)转变为

δC-δW=δ18OCaCO3+0.22

(4)

根据上述公式(4)，笔者计算出川西北汉旺观音崖剖面晚三叠世卡尼期鲕粒灰岩形成时的古海洋温度，其结果汇总于表1。从表1可以看出，晚三叠世卡尼期海水温度大约在24～35℃范围内，平均温度为30.4℃，说明当时该地区为以干热气候为主。前人研究显示四川盆地在中三叠世雷口坡组的古纬度是23.3°左右，在晚三叠世须家河组古纬度是28.9°左右[36]，所以四川盆地在晚三叠世卡尼期时古纬度处于中低纬度，这一结论与孢粉植物群和古生物信息所反映的四川盆地卡尼期早期为亚热带-热带相一致[37]，说明晚三叠世卡尼期早期川西北地区为亚热带-热带干热气候。

3.3沉积环境解释

3.3.1下部鲕粒灰岩

为灰—深灰色中厚层状含生物碎屑鲕粒灰岩，在第2层底部出现1~2 mm大小的复鲕，同一层位还伴生有椭圆形的小型放射鲕(图3-A)，粒径在0.18~0.6 mm；下部鲕粒灰岩的中上部发育有小型粪球粒(图3-E)，有机质含量较高，鲕粒的核心主要为生屑，主要有海胆、骨针、有孔虫、海百合、双壳及腕足的碎片等。在该套鲕粒灰岩中，复鲕跟小型放射鲕共同存在，说明此时海水正处于高能与低能并存的环境，即下部鲕粒灰岩沉积时正处于海侵前的低水位潮缘低紊流环境[11](图2)。

3.3.2中部鲕粒灰岩

以薄-中层间有厚层深灰色的亮晶鲕粒灰岩为主(图3-H)，在第5层中部出现直径为0.2~0.8 mm的同心鲕，在第5层顶部以及第6层的底部出现具有同心纹层的放射鲕。放射鲕粒直径在0.5~1.5 mm，同心纹层清晰，在其之上生屑含量增加，可见腕足、腹足、苔藓虫、海绵骨针等生物碎屑。同心鲕与放射同心鲕形成时水体能量相对较高，此时中部鲕粒灰岩的沉积环境为内缓坡鲕滩(图2)，局部可见少量复鲕及比较细碎的生物碎屑，在鲕粒沉积时受到了风暴或波浪作用的显著影响。

3.3.3上部鲕粒灰岩

图5　鲕粒灰岩沉积环境示意图Fig.5　Sketch showing sedimentary environment of oolitic limestone

以灰色中层状鲕粒灰岩为主(图3-I)，厚度占整个滩相鲕粒灰岩累计厚度的1/2。在第9层的底部出现直径在0.8~2 mm的脑状鲕粒(图3-D)，有一定数量的脑状鲕以腕足或腹足的碎屑为核心，脑状鲕与粒径不等的同心鲕共存。同心鲕具双峰态粒径分布(图3-F)，0.2~0.5 mm的小型同心鲕粒和0.7~1.5 mm的大型同心鲕。此处同心鲕在沉积时受到风暴作用运移至此与脑状鲕共存(图5)，并能见到一定数量的破碎的鲕粒。此段鲕粒多以基底式胶结为主，并伴生有接触-基底胶结的鲕粒；并且该段沉积生物碎屑含量较少，沉积环境水体能量相对较低。在第11-第12层，生物碎屑含量增加，多以双壳、腕足、腹足、有孔虫、海绵骨针的碎屑为主；受风暴作用影响，生屑较为破碎(图3-G)。总的来讲该鲕粒灰岩中脑状鲕较为发育，推测沉积时处于能量相对较低的中缓坡鲕滩，鲕粒的双峰态分布、破碎鲕粒和生物碎屑表明鲕粒沉积时受到的风暴作用比中部鲕粒灰岩更为强烈。

4结 论

a.汉旺观音崖剖面马鞍塘组下部鲕粒灰岩属早卡尼期沉积，多以深灰色中—厚层状亮晶含生屑鲕粒灰岩为主，共发育3套鲕粒灰岩，累计约30 m厚；通过显微观察鲕粒由下到上表现为：复鲕、同心鲕、放射同心鲕、脑状鲕，鲕粒形成时的能量逐渐降低，水体深度增加，沉积环境由潮缘紊流环境到中缓坡鲕粒滩。

b.通过对古环境古盐度的分析，鲕粒灰岩Z值为127～131，平均值为130.66，反映鲕粒沉积时为海水蒸发量大于降雨量盐度较大的海水-咸化海水环境；根据碳氧同位素测试结果计算的早卡尼期马鞍塘组鲕粒灰岩古温度为24～35℃，反映川西北绵竹汉旺地区在晚三叠世卡尼期早期气候为干热为主，此时川西北地区应属于中低纬度的热带或者亚热带地区。

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the late Triassic Carnian oolitic limestone in Hanwang area,

northwest Sichuan Basin, China

JI Guo-feng, FAN Hong, SHI Zhi-qiang, DU Yi-xing

StateKeyLaboratoryofOil&GasReservoirGeologyandExploitation,

ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China

Abstract:Sedimentary facies, paleoclimate and paleosalinity of late Triassic Carnian oolitic limestone in the lower part of Ma'antang Formation, northwest Sichuan Basin are studied based on former achievements, field investigation and sedimentary facies analysis. The Carnian limestone section is composed of three parts, occurred as composite oolite, concentric oolite, radial-concentric oolite and brain-like oolite from the bottom to top, and they are mainly deposited on carbonate ramps under the condition of decreased seawater energy and deep sea water. However, the coexistence of brain-like oolite and concentric oolite on the top of the limestone and the bimodal size distribution of concentric oolite reveal that the formation of oolites is affected storm during the deposition. According to the analysis ofδ18O andδ13C, the paleotemperature is 24~35℃ and theZvalue is 127~131 during the deposition of oolitic limestone. It implies that the northwest Sichuan Basin was an area with high evaporation and low latitudes and characterized by hot dry climates in early Carnian of the late Triassic. Oolitic limestone in the area is of great importance in the analysis and reconstruction of paleogeography and paleotemperature.

Key words:Sichuan Basin; Carnian; oolitic limestone; carbonate gentle slope; paleoclimate

[文献标志码][分类号] P588.245 A

DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2016.01.07

[文章编号]1671-9727(2016)01-0068-09

[收稿日期]2015-01-30。

[基金项目]国家自然科学基金资助项目(41272131)。

[第一作者] 姬国锋(1988-),男,硕士研究生,研究方向:矿物学、岩石学、矿床学, E-mail：jiguofeng0628@163.com。

[通信作者]时志强(1972-),男,博士,教授,从事沉积学的教学与科研工作, E-mail：szqcdut@163.com。