沉积学与层序地层学7章(碳酸盐岩沉积相)

第一节绪论碳酸盐沉积物的形成方式有化学的、生物化学的、生物的和机械的，以生物成因为主。现代碳酸盐沉积物主要发育于海洋环境，少量见于非海洋环境。第九章碳酸盐岩岩相古地理研究（Studyonlithofaciespaleogeographyofcarbonaterocks）一、碳酸盐岩沉积的环境现代海洋碳酸盐主要分布于赤道南北纬30°的温暖浅海带，而且水体清澈，即温暖、清洁、透光的浅水环境有利于碳酸盐的形成。注：碳酸钙沉积作用补偿深度指在此深度界面之上碳酸钙的沉积速率大于溶解速率，在此界面之下则相反。补偿深度取决于CO2的溶解量。滨岸碳酸盐沉积滨岸碳酸盐沉积台地碳酸盐沉积关于温度：近些年来，人们也发现了不少现代和古代的非热带碳酸盐，包括温凉水及冷水碳酸盐岩、温带及寒带碳酸盐岩和有孔虫—软体动物组合碳酸盐岩，它们主要分布在30°以上的中高纬度地区，沉积温度在20~25℃以下，其特征不同于热带浅海碳酸盐岩。这些认识对暖水碳酸盐岩的概念提出质疑。关于清洁度：清澈的海水有利于生物进行光合作用，而陆源碎屑物的注入使水体变浑浊，不利于碳酸盐沉积物的形成。但在现实中确实存在陆源碎屑物与碳酸盐沉积物混和出现的情况，包括结构混合（如互层）和成分混合（如砂质灰岩、灰质泥岩等），有学者将这类沉积岩称为“混积岩”，如何解释是沉积学研究的热点之一。关于深度：海洋浅水（小于30m）环境有利于碳酸盐的沉积是毫无疑问的，但是现代深海海底三分之一以上的地区覆盖有30％以上的钙质软泥。深海碳酸盐沉积物主要来自海水表层浮游生物和浅水区飘运来或由碳酸盐岩重力流搬运而来。非海洋环境碳酸盐沉积物主要有湖泊碳酸盐沉积、土壤中的钙结核、钙质砂丘、钙质泉华、洞穴碳酸钙沉积等形式，其中湖泊碳酸盐沉积具有相当的研究价值。湖泊碳酸盐岩一般规模很小，局部发育，也有呈区域性的较大规模发育。二、现代碳酸盐沉积作用潮坪碳酸盐沉积：缺乏陆源物质输入物、海浪被阻止。这类碳酸盐岩分布最广。海滩碳酸盐沉积：处于开阔浅海，受波浪作用的影响较大。生物礁碳酸盐岩：在特定的条件下形成风暴控制的浅海碳酸盐台地：风暴岩。大陆坡碳酸盐沉积：远洋软泥+浊流沉积深海碳酸盐沉积：远洋软泥为主。第二节碳酸盐岩沉积相模式一、陆表海与陆缘海Shaw（1964）首先把碳酸盐的主要沉积场所—浅海划分为陆表海和陆缘海两种类型。1.陆表海（epeiricsea）陆表海是位于大陆内部和陆棚内部的、低坡度的、范围广阔的、很浅的浅海，又称内陆海（epicontinentalsea）、陆内海（inlandsea）、大陆海（continentalsea）。低坡度：海底坡度1ft/mile（0.03～0.15m/km）范围广阔：延伸可达几百～几千英里。很浅的：水深一般只有几十米，一般不超过200m。注：1ft=0.3048m，1mile=1609.344m2.陆缘海（Pericontinentalsea）陆缘海位于大陆边缘或陆棚边缘的、坡度较大的、范围较小的、深度较大的浅海。坡度较大：海底坡度为2~10ft/mile（0.6~3m/km）。范围较小：宽度一般为100~300mile（160~480km）。深度较大：水深可达200~350m。现在的浅海大多是陆缘海，如黄海、东海、南海，但地质历史中沉积碳酸盐岩的浅海大多是陆表海，缺少现成的陆表海模式。我们正生活在一个海平面很低的地质时代中。肖（Shaw，1964）第一次精辟地论述了陆表海的水体能量特征，并且在能量的基础上，对陆表海沉积物的分布也进行了相应的划分。二、陆表海清水沉积作用及其能量带欧文（Irwin，1965）继承了Shaw的陆表海的水能量及沉积相的观点，提出了陆表海清水沉积作用的概念及相带模式。清水沉积作用是指在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。Irwin根据陆表海水动力条件，主要是潮汐和波浪作用的能量，划分出三个能量带：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）1.X带（低能带）①位于浪基面之下，一般来说海底很少受到扰动，只有在特殊情况下才有海流的干扰。②此带宽约几百英里。④生物：处于光合作用下限，底栖生物和藻类都不发育；浮游生物、自游生物和来自高能带的大量有机物质都可以在这里堆积下来。③沉积物主要是来自Y带（高能带）的细粒物质，主要为灰泥。⑤沉积构造：水平层理发育。⑥颜色：安静缺氧，沉积物多呈暗色。⑦沉积厚度：沉积物厚度一般不大。⑧该带岩石是有利的生油岩。①从波浪开始冲击海底的地点开始，向滨岸方向延伸，直到波浪和潮汐的能量大部分被消耗掉为止。②此带宽约几十英里。2.Y带（高能带）③沉积特征：此带波浪及潮汐十分活跃，水浅、阳光充足、氧气充分，底栖生物和藻类大量繁殖。向海一侧，从深水上升带来的氧料尤其丰富，因而各种生物大量发育，往往形成生物礁。向岸一侧，见各种较粗的颗粒堆积，形成岩石主要为生物屑灰岩、鲕粒灰岩、内碎屑灰岩。分选和磨蚀良好，灰泥含量少，具交错层理。④此带的碳酸盐岩是良好的油气储集岩。①位于Y带的向岸方向，直到滨岸为止。②水很浅，波浪和潮汐作用都很弱，水循环也很弱。③宽度较大，可达几百英里宽。3.Z带（低能带）⑤靠近滨岸的地带，如因气候炎热干燥，水流停滞，可形成白云石以及各类盐类矿物的沉积。⑥此带形成的岩石主要是泥晶石灰岩、泥晶白云岩以及蒸发岩。⑦化石少见，但叠层藻席相当发育。⑧沉积构造：干裂、冲沟、鸟眼、生物钻孔等。④海底坡度很小，或近于平坦。由于陆表海平坦宽阔，水又很浅，因此微弱的地壳升降运动或冰川的消长都会使海平面产生显著变化，这样就产生了大范围的潮坪沉积。陆表海碳酸盐沉积还有一个特征，就是旋回性发育。地质历史中的碳酸盐岩，绝大部分是陆表海清水沉积作用的产物，具有普遍意义。陆表海碳酸盐沉积的其他特征：三、潮汐作用相带模式1.拉波特的模式Laporate（1967）研究纽约州下泥盆统曼留斯组的碳酸盐岩后，认为该组是在一个非常接近海平面的环境中形成的，并根据该组岩性及古生物特征，以潮汐作用带为主要标志，划分出了潮上带、潮间带和潮下带等3个相带。岩石类型：主要是泥—粉晶白云岩、白云质泥质石灰岩、球粒泥晶石灰岩等。沉积构造：纹理、藻纹层、干裂、鸟眼构造（1）潮上带生物化石：少见。沉积构造：冲刷、干裂。生物化石：种类较单调，数量丰富，多杂乱堆积。（2）潮间带岩石类型：主要为薄层不含化石的球粒泥晶灰岩；内碎屑、鲕粒、叠层石及藻灰结核常见。岩石类型：主要是厚层至块状球粒泥晶石灰岩、含各种生物屑的石灰岩及富含层孔虫格架的礁石灰岩。（3）潮下带1969年，Laporate又把他的模式进行了修改，主要把潮下带进一步划分为上下两部分。潮下带上部：位于浪底之上，为高能环境，为礁和滩的发育地带。潮下带下部：位于浪底之下，为低能环境，为泥晶石灰岩生成环境。Laporate模式Irwin模式潮上带、潮间带Z带潮下带上部Y带潮下带下部X带2.杨等的模式杨等（Youngetal.，1972）根据阿肯色州奥陶系碳酸盐岩的岩性及古生物特征，拟定了一个以潮汐作用带为形式的相带模式，划分出潮上带、潮间带、局限潮下带和开阔潮下带。岩石类型：白云岩、白云质泥晶石灰岩、球粒泥晶石灰岩。沉积构造：干裂、鸟眼构造。（1）潮上带生物化石：化石少见，有藻席。（2）潮间带潮间带上部：类似潮上带，藻席发育。潮间带下部：内碎屑灰岩、生物碎屑灰岩，有柱状叠层石。生物化石：化石较多，虫孔也较常见。（3）局限潮下带沉积环境：水体能量受限制，较低能环境。岩石类型：内碎屑生物屑灰岩，灰泥充填，亮晶少。生物化石：多见，较浅处可形成生物丘。岩石类型：内碎屑石灰岩或生物屑石灰岩，亮晶胶结。沉积构造：可出现低角度斜层理。（4）开阔潮下带生物化石：生物化石丰富。沉积环境：波浪潮汐作用较强，高能。Laporate模式Irwin模式Youngetal.模式潮上带、潮间带Z带潮上带、潮间带、局限潮下带潮下带上部Y带开阔潮下带潮下带下部X带三种模式的对比四、混积型沉积相模式阿姆斯特朗（Armstrong，1974）对北美阿拉斯加北极地区的石炭系两种不同的沉积组合进行系统研究后，拟定了两个沉积模式，其中之一就是碎屑岩—碳酸盐岩沉积模式，该模式代表一个海进组合。陆相滨海的咸水～淡水沼泽沉积局限台地相近岸相带陆源碎屑沉积为主远岸相带以含海绵骨针的泥岩为主开阔台地相向岸相带含粪球粒颗粒灰泥岩及泥质颗粒岩向海相带含棘皮类及苔藓类的泥质颗粒岩及颗粒质泥岩浅滩相主要为鲕粒及生物碎屑的颗粒岩，具交错层理Armstrong的碎屑岩—碳酸盐岩沉积模式相带五、综合相模式1.Armstrong的碳酸盐岩沉积模式碳酸盐岩沉积模式（Armstrong拟定的第二个沉积模式）停滞缺氧盆地潮汐陆棚斜坡脚Irwin的X带前斜坡开阔海陆棚浅滩水开阔台地局限台地潮间～潮上带Irwin的Y带Irwin的Z带2.威尔逊（Wilson,1975）的模式Wilson模式与Armstrong的相似，划分9个相带。①盆地深水盆地远海低能带相当IrwinX带暗色泥晶灰岩和页岩为主②开阔陆棚较深水的碳酸盐陆棚③碳酸盐斜坡脚④前斜坡⑤生物(生态)礁高能环境相当IrwinY带礁灰岩、生屑灰岩、鲕粒灰岩、内碎屑灰岩⑥台地边缘砂⑦开阔台地⑧局限台地近岸低能带或潮坪地带相当IrwinZ带泥晶石灰岩、白云质灰岩、白云岩、蒸发岩等⑨台地蒸发岩Wilson模式与Irwin模式比较Wilson的九个相带中还提出了24个微相，从而使应用这一模式提供了方便。3.塔克（Tucker，1981）的模式Tucker将主要碳酸盐相与七种主要环境联系起来：①潮上—潮间坪；②泻湖及局限海湾；③潮间—潮下浅滩；④开阔陆棚及台地；⑤礁及碳酸盐岩隆；⑥礁前塌砾及泥丘；⑦远洋碳酸盐泥及浊积盆地。潮上—潮间坪泻湖及局限海湾潮间—潮下浅滩碳酸盐台地—陆表海开阔陆棚及台地礁及碳酸盐岩隆礁前塌砾及泥丘远洋碳酸盐泥及浊积盆地盆地—较深水斜坡区Tucker模式将开阔陆棚与台地放在一起，碳酸盐台地中将泻湖（局限台地）与潮坪分开，开阔台地内分出浅水碳酸盐砂滩，局部出现斑（点）礁及泥丘。比较切合陆表海碳盐沉积模式六、深水碳酸盐沉积相模式前述诸模式基本上都是浅水海洋的甚至滨海的碳酸盐相的模式，只有少数模式涉及到了深水相，但较笼统。随着深水碳酸盐岩研究不断深入，逐渐总结出一些深水碳酸盐相的模式，如多特（Dott，1963）的海下重力流沉积类型、麦克尔里斯和詹姆斯（McllreathandJames，1979）的四种不同的陆棚边缘的深水海洋沉积模式。七、我国的碳酸盐岩沉积相模式我国对碳酸盐沉积相研究主要是20世纪70年代末和80年代初大量借鉴国外沉积模式来进行研究的。国外的碳酸盐沉积模式在我国已被广泛采用，尤其是Wilson的模式，但在使用过程中也还存在一些问题。我国广大沉积学工作者在实践中提出了许多模式，补充和修改了威尔逊模式不足之处，最具代表性的是关士聪等提出的模式。广西泥盆纪主要沉积相模式示意图第三节礁与礁相Reefsandreeffacies一、概述生物礁是碳酸盐沉积中的一种重要类型，它是由大量的各种各样的生物堆积而成，或是由生物作用的产物。生物礁又是碳酸盐沉积中一种含油气的沉积类型，在国外已发现了许多生物礁油气田。近年来，在渝东—鄂西二叠系生物礁、山东、珠江口盆地第三纪生物礁发现了生物礁油气藏，最近又在北部湾石炭纪生物礁内发现高产油气藏，预示着我国生物礁具有广阔的油气潜力。1.礁的概念有关礁的概念已有一百多年的历史，但直到现在还存在着认识上的争议。在研究古代礁时，由于只能根据地质时代中保存下来的有限的资料来认识它，并且差不多都是从生物造成的海底地形上的特点来讨论礁的存在与否。这样，除了一引起真正的礁外，常常把一引起因海流作用造成的异地介壳堆积、鲕粒丘、石灰岩的残山、甚至一些砂页岩与石灰岩的相变也看成是礁。为了澄清这种混乱，卡明斯和施罗克（1928，1932）提出了生物丘（bioherm）和生物层（biostram）的概念。一些研究者直接引用他们的概念，强调地形上的特点，并通过地层的接触