碳酸盐岩沉积相的论文.doc

碳酸盐岩沉积相的认识与总结摘要：本文介绍了碳酸盐岩沉积相的基本概念，并结合国内外对碳酸盐沉积相的认识，对其进行分类。进而探讨了碳酸盐岩沉积相的各种沉积条件和不同的沉积特征的特点。文章最后详细划分了碳酸盐岩沉积相的三种模式和相态特征。关键词：碳酸盐岩 沉积相 一、沉积相概念相这一概念最早由丹麦地质学家斯丹诺（Steno，1669）引人地质文献，并认为相是在一定地质时期内地表某一部分的全貌，但是，真正在沉积学领域赋予沉积相概念的还是瑞士地质学家格列斯利（Gress1y，1838）。他认为：“相是沉积物变化的总和、它表现为这种或那种岩性的、地质的或古生物的差异”。自此以后，相的概念逐渐为地质界所接受和引用，同时，也成为重要的争论议题。二十世纪初至近几十年来，相的概念随着沉积岩石学、古地理学的发展而广为流行，对相的概念的理解也随之形成了不同的观点和学派。一派认为相是地层的概念，把相简单地看作“地层的横向变化”；另一派把相理解为环境的同义语，认为相即环境；还有一派认为相是岩石特征和古生物特征的总和。塞利（Selly，1970）提出，应该从沉积岩体几何形态、岩石学特征、古生物特征、沉积物构造特征和古流向特征来限定相或沉积相。鲁欣（1953）将相定义为“相就是能表明沉积条件的岩性特征和古生物特征的有规律综合。因此，相是沉积物形成条件的物质表现。”油气田勘探及其他沉积矿产勘探事业的飞速发展。促进了相的研究，使人们对相这一概念的认识更加深入。目前较为普遍的看法是，相的概念中应包含沉积环境和沉积特征这两个方面的内容，而不应当把相简单地理解为环境，更不应当把它与地层概念相混淆。鉴于上述，把相定义为沉积环境及在该环境中形成的沉积岩（物）特征的综合。这里所指的沉积环境系由下述一系列环境条件（要素）所组成：自然地理条件，包括海、陆、河、湖、沼泽、冰川、沙漠等的分布及地势的高低；气候条件，包括气候的冷、热、干旱、潮湿；构造条件，包括大地构造背景及沉积盆地的隆起与坳陷；沉积介质的物理条件，包括介质的性质（如水、风、冰川、清水、浑水、浊流）、运动方式和能量大小以及水介质的温度和深度；介质的地球化学条件，包括介质的氧化还原电位（Eh）、酸碱度（pH）以及介质的含盐度。上述条件的综合即为沉积环境。我们所指的沉积岩特征包括岩性特征（如岩石的颜色、物质成分、结构、构造、岩石类型及其组合）、古生物特征（如生物的种属和生态）以及地球化学特征。沉积岩特征的这些要素是相应各种环境条件的物质记录，通常也称相标志。综上所述，沉积环境是形成沉积岩特征的决定因素，沉积岩特征则是沉积环境的物质表现。换句话说，前者是形成后者的基本原因，后者乃是前者发展变化的必然结果，这就是相的概念中沉积环境和沉积岩特征的辩证关系。与相的概念同时存在的还有沉积相、岩相等这些流行的术语。我们认为，在沉积学中，相就是沉积相，二者是同义语。岩相是一定沉积环境中形成的岩石或岩石组合，它是沉积相的主要组成部分。岩相和沉积相是从属关系而不是同义关系，为了突出沉积环境中的古地理条件和沉积物特征中的岩性特征，通常把“岩相”和“古地理”这两个术语联系在一起，“古地理”和“岩相”，以表示沉积相中最重要和最本质的内容。二、沉积相综合分类1、分类现状和原则1950年以后沉积学和岩相古地理学研究进入了现代研究阶段，大量的高水平的沉积岩石学专著陆续问世。与此同时，开展了大规模的现代沉积研究，这为人们采用比较沉积学方法、“将今论古、古今对比”的现实主义原则去研究古代沉积相类型以及进行沉积相划分提供了良好基础。关于沉积相分类，人们主要依据对现代沉积环境的划分和理解。根据沉积岩原始物质的不同，分为碎屑岩沉积相和碳酸盐岩沉积相。前者以砂、粉砂、粘土等碎屑物质为主，沉积介质以浑水为特征，岩性以碎屑岩为主；后者以化学溶解物质（尤以碳酸盐物质）为主，介质以清水为特征，岩性以碳酸盐岩为主。近年来，随着碳酸盐岩油气田的不断发现，碳酸盐岩沉积相的研究也日趋重要，研究成果和资料也日趋丰富。沉积相的划分应该依据自然地理条件或地貌特征及沉积物综合特征，并且要遵循简单易行、便于记忆和理解的原则，对沉积相进行划分。目前，尽管不同学者对沉积相划分还存在着分歧意见，但人们总是先将沉积相划分成三个组，即陆相组、海相组和海陆过渡相组。然后依据陆相、海相和海陆交互相中的次级环境及沉积物特征，确定相类型，如河流相、三角洲相、滨海相。进而，还可根据各相类型中亚环境、微环境及沉积物特征确定出相应的沉积亚相和微相，如三角洲前缘亚相、三角洲前缘河口砂坝微相等。2、分类方案依据前述沉积相划分原则，首先将沉积相划分成陆相组、海相组和海陆过渡相组（表1）。然后再作相关沉积相的划分。表1 沉积相的分类相组陆相组海相组海陆过渡相组相1.残积相2.坡积-坠积相3.山麓-洪积相4.河流相5.湖泊相6.沼泽相7.沙漠相8.冰川相1.滨岸相2.浅海陆棚相3.半深海相4.深海相1.三角洲相2.泻湖相3.障壁岛相4.潮坪相5.河口湾相对沉积相的划分，目前各家尚无统一的意见。有人将泻湖、障壁岛、潮坪相作为有障壁的海岸相归于海相组，也有人将滨岸相和泻湖、障壁岛、潮坪相一起归于海陆过渡相组。沉积相研究的直接目的是恢复古地理。欲达此目的，就需用“将今论古”的现实主义原则和比较岩石学方法，即以现代自然地理面貌等环境条件和沉积特征作借鉴，进行比较和推断。诚然，古今自然地理及其它环境条件可能不尽相同，“将今论古”不能生搬硬套，但其沉积环境的总轮廓和总特征毕竟有许多共同之处，故现实主义原则和比较岩石学方法在一定条件下仍不失为一较有效的方法。三、碳酸盐岩沉积环境和沉积特征以化学、生物化学、生物、机械多种机制综合形成的一类化学岩及生物化学岩。颗粒和灰泥（相当于杂基）的比例及其组合而成的多种岩石类型，是浅海相碳酸盐岩沉积环境的重要标志。深水碳酸盐岩多起因于风暴条件，形成于大陆坡及深水盆地中。具有叠覆递变的角砾化碳酸盐岩、具有鲍玛层序的典型浊积岩和深水超微化石及遗迹化石的组合层序是鉴别深水碳酸盐岩的重要相标志。碳酸盐岩的形成和分布不仅受制于沉积环境，也与成岩环境和成岩作用密切相关。碳酸盐岩具有易溶性和易变性。四、碳酸盐岩沉积过程和沉积作用潮坪碳酸盐岩缺乏陆源输入物、海浪被阻止、潮汐为主的碳酸盐岩盆地环境，古今分布最广的一类碳酸盐岩沉积。潮汐沉积作用带主要发生在：1）潮下带环境高能、低能沉积带。2）潮间沉积带具间歇能所形成的岩石类型和相标志。3）潮上沉积带具暴露蒸发和交代作用标志。潮坪环境中以物理生物作用为特征所形成的藻叠层及其形态分带是划分潮坪环境（相）的主要相标志。海滩碳酸盐岩主要处于缺乏障璧的开阔浅海（无广阔藻席）；其次主要受制于波浪能量大小，在不同古地形和水动力条件作用下，形成鲕粒滩（岩）、内碎屑滩（岩）和生屑滩（岩）等，其中有发育的冲洗层理和交错层理，以及生物扰动构造。视岩性、结构和构造特征的变化，它们可分别组合成不同类型的相层序。生物礁碳酸盐岩具格架的珊瑚礁碳酸盐岩，特定形成条件：1）造礁生物在迎浪带原地生长营造起来的。2）具水下凸起的地貌，沉积厚度比相邻地区大。3）具生物格架或只有造礁生物原地生长的痕迹。4）于海面水深200m以下，可延伸到400500m，取决于造礁生物所需的温度、阳光而定。正确识别生物礁沉积体不同带的岩石学特征是划分亚相和微相的主要标志。不同相带的礁碳酸盐岩具有不同的生储条件。浅海风暴流在风暴流控制的浅海碳酸盐台地，分为正常天气和风暴天气，从而双向或出现由于风暴波能的巨大的风暴潮，一般风暴潮差在6m以上。风暴潮冲刷岸滩或浅滩产生潮水回流，变化于正常浪底之下，形成风暴沉积物。风暴岩具有类似鲍玛层序的相层序，但底模（钵模）构造、丘状交错层理和生物逃逸是鉴别风暴沉积物（岩）的重要相标志。大陆坡碳酸盐沉积其主要由正常的远洋超微化石（翼足类、海绵骨针、放射虫等）的软泥相组成，间夹有来自大陆架浅水环境的重力流角砾岩和有递变无递变的石灰质浊积岩相组成。根据大陆坡上的相对位置、边缘性质（沉积的还是叠积的）以及它们的构造背景，可划分不同类型的大陆坡碳酸盐岩沉积序列。深海碳酸盐岩盆地沉积指平均海水深度大于200m的碳酸盐沉积环境。包括大陆坡、陆隆、海沟、海底狭谷、海岭、洋中脊和深海平原等水深大于1500m或2000m的静态下深水碳酸盐沉积起决定性控制因素的主要是水体深度。海洋水层深度分层（带）、海水柱的密度分层、滞水无氧深度、碳酸钙沉积补偿深度（CCD）以及硅质沉积物补偿深度（QCD），都是具有广泛而又有普遍控制意义的深水碳酸盐沉积作用的平衡面。现代深海沉积物大约在超过CCD面以下的400m水深中巳不存在碳酸盐软泥，而残留的是100由陆源泥组成的“红粘土相”。在部分现代大洋QCD界面以下的4500m的海底沉积物中，则大量出现由硅质超微化石细成的软泥，这些深水成因的硅泥岩在许多深水碳酸盐岩序列中以形态各异（层状、纹层状、条带状、结核状）的硅质岩与深海泥晶碳酸盐岩共生。最近发现许多深水硅质岩中具有递变纹理。深水蒸发盐沉职作用模式已被不少实例加以证实。巨厚的蒸发盐沉积物内部没有浅水和暴露标志，而有黑色页岩和纹层状碳酸盐岩夹层。深水蒸发盐沉积物（岩）主要由纹层状碳酸盐岩、纹层状石盐组成，除夹黑色页岩和纹层状碳酸盐沉积物（岩）外，有时夹深水重力流泥质沉积物（岩）。五、碳酸盐岩沉积相标志众多类型的碳酸盐岩构造是恢复岩相古地理条件的重要相标志。正确划分层理类型是确定古水流类型、古流向的重要标志。1、浅水环境以牵引流水流机制为特征。依据颗粒床沙形态，形成各种类型的交错层理、波状斜波状层理和平行层理等，以及形成于低能环境的水平层理。特殊的沉积构造特征有助于反映特定的沉积条件，如竹叶状砾屑组构是风暴流沉积的标志，丘状交错层理是风暴沉积的标志，递变和叠覆递变层理是深水重力流沉积的标志，泄水、滑动滑塌层理是液化流、震积作用的主要沉积标志。2、上、下层面的流痕及印模构造，具有良好的指向性。如顶层面的不同形态、大小规模不一的波痕和流痕，是潮汐波浪带浅水沉积作用的重要沉积标志；底面印模构造中的槽模和沟模，可以有效地指示碳酸盐沉积物重力流水流机制；特殊形态的铸模或口袋构造是指示风暴流沉积初期的相标志。3、碳酸盐岩中丰富的生物化石和遗迹化石是碎屑岩所不能比拟的相标志。正确区分底牺、浮游和游泳生物化石及其比例，对恢复古水深、古水动力条件十分重要。根据生态学进一步划分种属组合类型，对划分亚相和微相至关重要。4、遗迹化石或生物扰动构造的正确划分和识别，对碳酸盐沉积环境和地质历史事件的恢复具有良好效果。5、碳酸盐岩中的溶解、渗滤和暴露标志以及其他化学成因的构造，也是碳酸盐岩所特有的，它们可以有效地指示沉积一同生期所发生的各种变化，指示特定的沉积环境。六、三种国外常用的浅水碳酸盐岩沉积相模式划分方案1、陆表海沉积相模式肖（Shaw，1964）首先把碳酸盐的主要沉积场所浅海划为陆表海和陆缘海两个类型 。陆表海(epeiric sea，或内陆海、陆内海、大陆海):是位于大陆内部或陆棚内部的、低海底坡度(1ftmile，0.3048m/1609.344m、范围广阔(宽00000mile)、很浅(仅0m)浅海。陆缘海(pericontinental ，或大陆边缘海):是位于大陆边缘或陆棚边缘或大洋边缘、坡度较大（约210ftmile）、范围较小（宽100300mile）、深度较大（200350m）的浅海。地质历史中大都是陆表海。但现代浅海都是陆缘海。肖第一次论述了陆表海的水体能量特征，奠定了陆表海碳酸盐岩沉积环境分析的理论基础。欧文（Irwin，1965）在肖的陆表海能量分布模式的基础上，提出了陆表海清水沉积作用的一般原理：指没有或很少有陆源物质流入的陆表海环境中的碳酸盐沉积作用。即缺少砂泥陆源物质、水体清澈是陆表海碳酸盐沉积作用的必不可少的环境因素之一。并潮汐、波浪能量划出三个能量带：远离海岸的X带（低能带）稍近海岸的Y带（高能带）靠近海岸的Z带（低能带）2、混积型沉积相模式阿姆斯特朗（Armstrong，1974）据北美阿拉斯加北极地区石炭系两种不同的沉积组合，拟定了两个沉积模式：即碎屑岩碳酸盐岩沉积模式, 碳酸盐岩沉积模式1）、碎屑岩碳酸盐岩沉积模式代表一个海进组合。陆相主要为滨海的咸水至淡水沼泽沉积。黑色碳质页岩、粉砂岩及砂岩，夹薄煤层，含大量植物化石，具冲刷充填构造。局限台地相又分近岸和远岸亚相带。近岸带：以陆源碎屑为主，为暗灰色页岩、粉砂岩、细砂岩和泥岩，化石少。远岸带：以含海绵骨针的泥岩为主，含粘土质，常含棘皮类、苔藓类碎屑。开阔台地相分为向岸和向海亚相带。向陆带：主要为含粪粒、球粒的颗粒质泥岩及泥质颗粒岩，含一些粘土及粉砂，苔藓类、腕足类、有孔虫类以及丛状珊瑚发育。向海带：主要为棘皮类及苔藓类碎屑的泥质颗粒岩和颗粒质泥岩，含粘土很少，近岸浅滩处有大量多角状珊瑚，但丛状珊瑚较少。另外，浅滩相主要为鲕粒及生物碎屑的颗粒岩，具有交错层理。这一模式对陆源碎屑岩与碳酸盐岩组成韵律地层进行相分析时颇有参考价值。2）、碳酸盐岩沉积模式代表一个碳酸盐岩台地的沉积，陆源碎屑含量极少。此模式的九个相带是：停滞缺氧盆地；潮汐陆棚；斜坡脚；前斜坡；开阔海陆棚；浅滩水；开阔台地（或陆棚澙湖）相；局限台地相；潮间潮上带。这是一个综合性的碳酸盐岩台地模式。3、碳酸盐岩综合相模式威尔逊（Wilson，1975）模式目前国内外流传也比较广，这是一个理想化的碳酸盐岩综合模式。他归纳了陆棚上碳酸盐岩台地和边缘温暖浅水环境中碳酸盐岩沉积类型的地理分布规律，把碳酸盐岩划分为：三个大沉积区、九个相带、24个标准微相。以横切陆棚边缘的剖面，从海至陆九个相带依次是：盆地相；开阔陆棚（广海陆棚）相；碳酸盐岩台地的斜坡脚（或盆地边缘）相；碳酸盐岩台地的前斜坡（或台地前缘斜坡）相；台地边缘的生物礁相；簸选的台地边缘砂（或台地边缘浅滩）相；开阔台地（或陆棚澙湖）相；局限台地相；台地蒸发岩（或蒸发岩台地）相。（1）盆地相静水还原环境：位于波基面和氧化界面以下,不适于底栖生物生长：因水深光暗。沉积物：从外带入的细粒泥质和硅质，及浮游生物。停滞缺氧的和过咸化条件均可出现。按沉积特征盆地相可分为：1） 石灰岩浊积岩相：来自陆棚或陆棚斜坡带的碳酸盐角砾、微角砾及砂屑等内碎屑(异化颗粒)，也常含外来岩块或漂砾，夹有深海结核和泥质岩层，厚度较大，但常有变化。因强烈拗陷及沉积物不稳定性具复理石结构和构造的巨厚深海沉积。2） 深海瘦地槽相：深海沉积物为主，无大量异地石灰岩堆积。当粘土注入量很少且水深超过碳酸盐补偿深度时，常聚集硅质沉积。常见放射虫岩、红色泥晶石灰岩及红色结核石灰岩、浅色远洋泥晶石灰岩、暗色盆地泥晶石灰岩、骨针石灰岩，以及含有菊石、放射虫、管状有孔虫、远洋瓣鳃类和棘皮类的微球粒泥晶石灰岩等。红色是因细粒物质缓慢沉积，且缺乏有机物质，高价铁未能还原所致。3） 克拉通盆地（欠补偿和停滞缺氧的）碳酸盐岩相：位于氧化界面以下的静水沉积环境。缺少底栖生物生长：水太深(水深30m，多为几百米)、太暗。底部水体停滞缺氧:来自周围陆棚的底流可为超盐度、较大密度，不易上流所致。主要岩石类型：薄层暗色石灰岩、暗色页岩或粉砂岩，及一些薄层石膏，色多样，纹层发育，也有波状交错层理。陆源碎屑呈薄层，石英粉砂岩、页岩与石灰岩互层出现。燧石也较常见。生物群：主要为自游及浮游生物；大型生物化石有笔石、浮游瓣鳃类、菊石、海绵骨针等；微体化石有钟纤虫、钙球、硅质放射虫、硅藻等。（2）开阔陆棚相（或广海陆棚相）典型的较深的浅海沉积环境：水深0l00m，一般为氧化环境。盐度正常，水体循环良好。海底一般在波基面以下，但大风暴可影响底部沉积物。 陆棚较宽阔，沉积作用相当均匀。主要岩石类型富含化石的石灰岩与泥灰岩，呈灰、绿、红及棕等色，视氧化和还原条件而异；普遍见生物扰动构造。层理薄中，或呈波状结核状。泥灰岩见球状或流动状构造，还可见泥丘和尖塔礁。陆源物质有石英粉砂岩、页岩等，与石灰岩互层，成层性好。生物群：代表正常盐度的介壳化石，狭盐性动物群的腕足类、珊瑚、头足类及棘皮类等很发育。与开阔台地相很相似，常难加以区别。（3）碳酸盐岩台地的斜坡脚相（或盆地斜坡相或盆地边缘相）位于碳酸盐岩台地的斜坡末端；水体深度：与开阔陆棚相相似，一般位于波基面以下，但高于氧化界面。沉积物：由远洋浮游生物及来自相邻的碳酸盐岩台地的细碎屑组成；为薄层、层理完好的碳酸盐岩，夹少量粘土质及硅质夹层。此岩石类似盆地相沉积物，但含泥质较少，厚度较大。某些韵律性或类似复理石层理的薄层石灰岩可达数百米，有滑塌现象。（4）碳酸盐岩台地的前斜坡相（或台地前缘斜坡相）为深水陆棚和浅水碳酸盐岩台地的过渡沉积。波基面之上波基面以下，但一般位于含氧海水下限之上；此斜坡的角度可达30；主要由各种碎屑（灰砂，或细粒碳酸盐岩）组成，堆积在向海的斜坡上。沉积物不稳定，其大小和形状变化极大可呈层状，有细粒层，也有巨大的滑塌构造，或为前积层及楔形体岩层。广海生物十分丰富。（5）台地，边缘的生物礁相生态特征：取决于水体的能量、斜坡陡峻程度、生物繁殖能力、造架生物的数量、粘结作用、捕集作用、出露水面的频率以及后来的胶结作用。生物建造可分为三种类型： 灰泥丘或生物碎屑丘： 圆丘礁台或斜坡； 格架建筑的环礁。主要由块状石灰岩和白云岩组成，几乎全由生物组成，也有许多生物碎屑。（6）簸选的台地边缘砂相（或碳酸盐岩台地边