第十章 海洋碳酸盐沉积环境及相模式

第十章 海洋碳酸盐沉积环境及相模式

第一节  绪言

第二节  主要碳酸盐沉积模式

一、两种浅海—陆表海及陆缘海（重点）

二、陆表海清水沉积作用及其能量带（重点）

三、潮汐作用相带模式

四、综合模式

五、深水碳酸盐沉积模式

第三节  生物礁与礁相

一、概述

二、礁的分类

三、礁复合体和礁相

四、礁发育的一般规律

五、地质历史中的礁和造礁生物

 

 

第十章 海洋碳酸盐沉积环境及相模式

（Sedimentary facies and facies model of ocean carbonate）

学时：3学时

基本内容：

①基本概念：陆表海、陆缘海、清水沉积作用、生物礁、生态礁、地层礁、丘；

②基本原理：碳酸盐岩沉积环境，Irwin（1965）陆表海清水沉积作用能量带的划分及其特征，Laporte （1967） 和Young等（1972）的潮汐作用模式及其各相带特征，Wilson（1975）的综合模式9个相带名称，湖泊碳酸盐沉积特征，生物礁的一般特征及其分类。

重点：陆表海、陆缘海、生态礁的概念；代表性的碳酸盐沉积模式，如Irwin（1965）陆表海清水沉积作用模式，Laporte （1967） 和Young等（1972）的潮汐作用模式。

教学路思路：通过与碎屑岩沉积环境的对比来介绍碳酸盐岩沉积环境的主要特征，然后介绍国内外一些典型的碳酸盐岩沉积相模式，重点讲解几个代表性的碳酸盐沉积模式，如Irwin（1965）陆表海清水沉积作用模式，Laporte （1967） 和Young等（1972）的潮汐作用模式，同时亦简要介绍一引起其他沉积模式。简要介绍湖泊碳酸盐沉积环境及其特征，生物礁的一般特征及其分类。在各部分中均简要介绍碳酸盐岩沉积相带与油气及其它沉积矿产的关系。

主要参考书:

①冯增昭主编《沉积岩石学》下册第二十三、二十四章，石油工业出版社，1993.

②M.M.阿斯兰尼等著，冯增昭等译，《石油地质学译文集》第四集，碳酸盐岩沉积环境，科学出版社，1980.

③冯增昭编著《碳酸盐岩岩相古地理学》，石油工业出版社，1989.

④贾振远、李之琪编《碳酸盐岩沉积相及沉积环境》，地质大学出版社，1989.

⑤冯增昭主编《中国沉积学》第二十一、二十二章，石油工业出版社，1994.

⑥何幼斌编《Sedimentary Petrology》（英文辅助教材）第十一章，江汉石油学院，2003.

复习思考题：

①大规模海相或陆相湖泊碳酸盐沉积作用要求具备哪些特定条件？

②什么叫陆缘海？什么叫陆表海？如何用海进、海退解释陆表海和陆缘海在地史时期的演化？为什么我们现在见到的主要是陆缘海，而没有陆表海？

③试绘图说明欧文的陆表海清水沉积作用模式及其与生油、储油条件的关系。

④试绘图说明杨的潮汐作用相带模式及其划分标志。

⑤试绘图说明威尔逊的碳酸盐岩相带模式及其划分标志，指明生油和储油有利相带。

⑥试列表和绘图对比欧文、杨的和威尔逊等三种不同划分方法的碳酸盐相带模式，进而以威尔逊的相模式为重点，联系阿姆斯特朗的相模式，指出各相带的主要岩石类型、指相化石、指相自生矿物、沉积构造以及生油储油有利相带；并在此基础上，通过编制岸进和岸退的垂向层序，分析碳酸盐岩的生储盖组合特征。

⑦试说明阿姆斯特朗的相带模式，并以此说明陆源碎屑沉积和碳酸盐沉积的关系。为什

么说陆源碎屑沉积和碳酸盐沉积常常呈消长关系。

⑧什么叫礁？礁相是如何划分的？礁在石油地质上有何意义？

⑨试论述影响生物礁的发生、发展、消亡以及它们的最终形态和内部构造的主要因素。

⑩试归纳礁和造礁生物在地质历史不同时期的特点。

教学内容提要：

第一节  绪言

       现代海洋碳酸盐沉积环境的特点：温暖、清洁、透光的浅水。

第二节  主要碳酸盐沉积模式

一、两种浅海—陆表海及陆缘海（重点）

1．陆表海

亦可称作内陆海、陆内海、大陆海等。

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。

①低坡度：海底坡度小于1ft/mi(0.03～0.15m/km)

②范围广阔：延伸可达几百～几千英里

③很浅的：水深一般只有几十米，一般不超过200m。

 

 

 

 

 

 

 

 

2．陆缘海

也可称作大陆边缘海

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。

①坡度较大：海底坡度约2～10ft/mi（0.6～3m/km）

②范围较小：宽度一般100～300mi（160～480km）

③深度较大：水深可达200～350m（最深）

一般认为，陆棚的边缘在200m等深线附近，具体位置由陆棚和陆坡的坡折决定，即这个坡折把陆棚和陆坡分开了。在此坡折以下为陆坡，以上为陆棚。陆棚边缘或大陆边缘的浅海为陆缘海，陆棚内部的浅海为陆表海。

在地质历史中，沉积碳酸盐岩的浅海大多是陆表海。但是，现在我们看到的浅海却大都不是陆表海，而是陆缘海。

Shaw第一次精辟地论述了陆表海的水能量特征，并且还在能量的基础上，对陆表海沉积物的分布也进行了相应的划分。

Shaw的陆表海和沉积物分布的观点，奠定了陆表海碳酸盐岩沉积环境分析的理论基础。以后的许多观点、学说和模式，都是在这个理论基础上发展起来的。

二、陆表海清水沉积作用及其能量带（重点）

欧文（Irwin,1965）继承了Shaw的陆表海的水能量及沉积相的观点，并进一步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。

清水是碳酸盐沉积作用必不可少的环境因素之一。

Irwin根据陆表海的水动力条件，主要是潮汐和波浪作用的能量，划分出也三具能量带，即远离海岸的X带（低能带）、稍近海岸的Y带（高能带）和靠近海洋的Z带（低能带）。

这三个带由于水能量条件不同，所以其沉积物的特征也各不相同。因此这三个能量带实际上就是三个不同的沉积作用带或沉积相带。这三个相带的能量及沉积特征如下。

            1. X带（低能带）

①位于浪底浪基面之下，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。所以是一个低能带。

②此带宽约几百英里。

③沉积物主要是来自Y带（高能带）的细粒物质，主要为灰泥。

④生物：此带海底大都接近于或低于光合作用的下限，氧的供应也受到限制，因此，各种底栖生物和藻类都不发育；假如有海流的干扰，这里也可以有

生物群繁殖，也可有较粗的生物碎屑堆积；来自高能带的大量有机物质和浮游生物、自游生物、都可以在这里堆积下来。

⑤沉积构造：水平层理发育

⑥颜色：由于这一环境安静缺氧，所以多呈暗色。

⑦沉积厚度：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，所以这一带沉积物厚度不大。

⑧该带岩石是有利的生油岩。

           2. Y带（高能带）

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。因此这一带为一高能带。

②此带宽约几十英里。

③沉积特征：这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，所形成的沉积物基本上都是生物成因的。

在此带向海一侧，从深水上升带来的氧料尤其丰富，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，则可见各种较粗的颗粒（如鲕粒、生物碎屑、内碎屑等）堆积，所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。

沉积构造：具交错层理。

④此带形成的碳酸盐岩是良好的油气储集岩。

           3. Z带（低能带）

 ①位于Y带的向岸方向，直到滨岸为止

②此带水很浅，波浪和潮汐作用都很弱，其能量大多被海底磨擦消耗掉，水循环也很弱。只有局部的风暴才能引起一定的波浪能。因此是一个低能带。

③此带宽度较大，可达几百英里宽。

④此带海底坡度很小，或近于平坦，因而海水广泛漫布。

⑤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，从而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，但叠层藻度相当发育。

⑧沉积构造：干裂、冲沟、鸟眼、生物钻孔等。

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。这与陆缘海是大不相同的。

陆表海碳酸盐沉积还有一个特征，就是旋回性发育，这也是由陆表海性质所决定的。

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，因此，欧文的以水动力能量为依据而划分的三个能量带就具有普遍的意义。

三、潮汐作用相带模式

           1.拉波特的模式

拉波特（Laporate,1967）曾对美国纽约州下泥盆统曼留斯组的碳酸盐岩进行研究，认为该组是在一个非常接近海平面的环境中形成的。他根据该组岩性

及古生物特征，以潮汐作用带为主要标志，划分出了三个相带，即潮上带、潮间带和潮下带。

（1）潮上带

位于平均高潮面以上几英寸到几英尺的地带。

此带平时都在水面以上，只有在特大潮水或特大风暴时才被海水淹没。

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。

化石少见

（2）潮间带

位于平均高潮面与平均低潮面之间的地带。

岩石类型：主要为薄层的不含化石的球粒泥晶石灰岩；砾石级的内碎屑及扁平状的竹叶状砾屑常见，也有鲕粒及砂级内碎屑，叠层石及藻灰结核也常见。

沉积构造：冲刷、干裂

化石种类较单调，但数量却相当丰富，多呈杂乱堆积。

（3）潮下带

在平均低潮面以下。

岩石类型：主要是厚层至块状球粒泥晶石灰岩、含各种生物碎屑的石灰岩以及富含层孔虫格架的礁石灰岩。

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。

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的模式是在继承了Shaw和Irwin所建立的概念和模式的基础上，开创了以潮汐作用带为主要标志或形式的划分碳酸盐岩沉积相的先例。直到现在，这种划分碳酸盐岩沉积相带的方法和原则还在被继续采用。

所以Irwin的模式和Laporate的模式，只是划分相带的侧重点和形式有所不同，实质上是一致的。

 

2. 杨等的模式（Young et al., 1972）

Youngetal.曾对于美国阿肯色的奥陶系碳酸盐岩进行了研究，他们根据该系的岩性及古生物特征，也拟定了一个以潮汐作用带为形式的相带模式，划分出了四个相带，即潮上带、潮间带、局限潮下带和开阔潮下带。

（1）潮上带：平均高潮面以上的向岸延伸的广阔平原

岩性：白云岩、白云质泥晶石灰岩、球粒泥晶石灰岩

构造：干裂、鸟眼

生物化石少，有藻席

（2）潮间带：平均高潮面和平均低潮面之间

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，柱状叠层石

化石较多，虫孔也较常见潮间带上部多为垂直虫孔，

潮间带下部多为水平虫孔

（3）开阔潮下带：平均低潮面以下，波浪、潮汐作用较强，高能环境。

岩性：内碎屑石灰岩或生物屑石灰岩，亮晶胶结

构造：可出现低角度斜层理

生物化石丰富

（4）局限潮下带：水体能量受到限制，为较低能环境

岩性：内碎屑生物屑灰岩，灰泥充填，亮晶少

生物化石多见，在较浅部位可形成生物丘

Youngetal.的（1）、（2）、（4）相当于Irwin的Z带，（3）相当于Irwin的Y带，youngetal.的模式中没有与Irwin的X带相当的带，但单独地划分出了较低能的（4）带。

四、综合模式

1. 阿姆斯特朗（Armstrong, 1974）的模式

Armstrong曾长期对北美阿拉斯加北极地区的石炭系进行研究，他根据该地区石炭系两种不同的沉积组合，拟定了两个沉积模式。

（1）碎屑岩——碳酸盐岩沉积模式

代表一个海进组合，其底部为滨海碎屑岩，再向上为粉砂岩及页岩，最后为海洋碳酸盐岩。

（2）碳酸盐岩沉积模式

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～Irwin的Y带

开阔台地、局限台地、潮间～潮上带～Irwin的Z带

这是一个综合性的碳酸盐台地的沉积模式。

           2. 威尔逊（Wilson,1975）的模式

Wilson的模式与Armstrong的模式十分相似，也分9个相带。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。

Wilson的模式是个综合性的模式，他是根据海底地形、海水能量、海水充氧情况、气候条件以及其他因素，高度综合而成的。他继承了前人模式的优点，并且所创造，使碳酸盐岩沉积环境分析的基本原理、方法和形式，都发展到了一个新的水平。但基本格局仍然是低能-高能-低能这三个大的相带。

3.塔克（Tucker,1981）的模式

塔克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。

塔克又将环境①至⑤归碳酸盐台地—陆表海，将⑥及⑦划归盆地—较深水斜坡区。

在Tucker的模式中将开阔陆棚与台地放在一起，在碳酸盐台地中将泻湖（局限台地）与潮坪分开，开阔台地内又分出浅水碳酸盐砂滩，局部出现斑（点）礁及泥丘。看来该模式比较切合陆表海碳盐的沉积模式。

              4.关士聪等（1983）的模式

五、深水碳酸盐沉积模式

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）。随着人们对深水碳酸盐岩的研究，才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以及麦克尔里斯和詹姆斯（Mcllreath and James,1979）的四种不同的陆棚边缘的深水海洋沉积模式。

第三节  生物礁与礁相

一、概述

           1. 礁的概念（重点）

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。因而要给礁下一个确切的定义是十分困难的。

礁（reef）这一术语来源于一挪威语rif，其含义为脊。

十九世纪中期以后，一些地质学家把它应用到古代岩石中，从此开始古代礁的研究。

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。这样，礁的术语便产生了某些混乱。

鉴于此，卡明斯和施罗克（1928，1932）试图通过新的术语来澄清这种混乱。他们提出了生物丘（bioherm）和生物层（biostram）的概念。

这两个术语出现后，在礁的概念中又引起了新的争议。一些研究者直接引用他们的概念，着重强调地形上的特点，并通过地层的接触关系去论述礁。另一些研究者则强调造礁生物和它们的生态。于是生态礁的概念开始引起人们的注意。许多研究者多从生态礁的观点来讨论礁的定义，但仍有一些研究者继续使用生物丘这一术语，还有一些研究者为了避开这种争议而使用“生物碳酸盐建隆”（organiccarbonatebuildup）这个一般性的术语。

目前，大多数的研究者多采用生态礁的概念。

生态礁—指造礁生物的原状地生长造成的坚固的抗浪骨架，它在地形上具有隆起的正性地貌特征。由于它的存在足以影响四周沉积环境，从而形成前后不同的相带。

这里强调①生物成因；②抗浪骨架；③隆起地貌。

中国对古代礁的研究起步较晚，自1963年何可梗发表第一篇论证贵州二叠纪地层中生物礁的文章之后，直到70年代后期中国古代礁体的研究工作才取得了显著进展。现已查明中国自震旦纪至三叠纪各地质时期以及第三纪均有礁的分布。在礁型油气藏勘探方面也取得了明显的成果。

2.礁的特征

礁主要由礁核和礁翼组成。在一些群礁复合体中，礁间沉积也与礁的发展有密切关系。

（1）礁核

礁核是指礁体中能够抵抗波浪作用的那部分，乃礁的主体。它主要由原地堆积的生物岩或粘结岩组成。其中生物的含量很高，主要是造礁生物，还有一些附礁生物。

原地生长的骨架可分为原生骨架和次生骨架，其中次生骨架是一些具结壳性、包覆性、粘结性的生物，在原生骨架的基础上，甚至在原生骨架被破坏的碎块上结壳、包覆和粘结形成的。

（2）礁翼

礁翼通常是指礁相与非礁相呈指状交错过渡的那部分礁体。

礁体迎风的一侧称礁前，背风的一侧称礁后。

礁前处于迎风一侧，在风浪冲击下，礁碎屑顺着礁前缘的陡坡堆积形成的岩石一般称为礁前塌积岩或礁前角砾岩。

礁后沉积多由分选较好的砂屑石灰岩组成，胶结物多为亮晶方解石，背风的地方含有较多的灰泥基质。碎屑物质主要为来自礁核的生物碎屑。与礁核的差别是动物群富含单体生物，与礁前相比，是其生物门类和种属大为减少。

在礁发展晚期，在礁后相中，有层纹构造、叠层石及鸟眼构造，还有早期白云化的现象。

（3）礁间

在一些群礁复合体中，礁与礁之间的沉积物和生物组成与礁的发展有极其密切的关系。

海侵时，群礁发展，礁间可出现正常海相沉积。

海退时，群礁发展受限制，礁间可出现一些泻湖相的沉积。

二、礁的分类

1.根据礁的形态和礁与海岸的关系

（1）岸礁（裙礁）

从海岸向海方向生长的礁，即和陆地或岛屿相边的礁。这种岸礁有时可以沿陆地或岛屿的边缘分布并延伸很远，就象把陆地或岛屿镶饰上一个裙边，所以也叫裙礁。

（2）堤礁（堡礁）

堤礁离岸有一定距离，常呈带状，其延伸方向多与海岸平行；由于它象带状延伸的堡垒一样护卫着海岸，所以也叫堡礁。

（3）环礁

环礁是远离海岸即位于广海中的呈环形或不规则的断续环形礁，其四周常露出海面呈低矮的环形礁岛，其中间常呈现一个不深的泻湖。

2.根据礁形成的沉积环境分

台地礁、台地边缘礁、盆地礁、泻湖礁、滩礁等

3.根据礁的形态分

线状礁、马蹄礁、点礁、塔礁、桌礁、台礁等

也可把分散在盆地、泻湖、台地或滩中的孤立礁，称作斑礁（或补丁礁）或点礁。

也有把前述的一引起名称复合使用的，如马蹄形环礁、台地（内）点礁、盆地（内）环礁等。

4.曾鼎乾等（1998）的分类

从我国各地质历史时期中的生物礁的实际情况出发，根据礁的古地理位置和几何形态，把礁分为台地边缘礁、堤礁、环礁、塔礁和点礁等。

5.范嘉松的分类

从生态的观点讨论了我国地质时代中生物礁的分类，他把礁划分为生物建隆礁、障积建隆礁以及灰泥建隆礁。

三、礁复合体和礁相

自亨森（Henson,1950）提出礁复合体或礁组合这一概念以来，大多数人都把它看作是生物礁的不同相的总称。凡是与礁发展有关的相都应概括在礁复合体中。

本课把礁复合体看成是由骨架相、礁顶相、礁坪相、礁后砂相、泻湖相、斜坡相以及塌积相的总称。各相带的沉积特征如下。

1. 礁骨架相

位于礁的前缘，是波浪和水流强烈扰动的环境。

2. 礁顶相

是礁复合体中最浅的相带，通常出现在礁的顶部

3. 礁坪相

是礁复合体中最宽的一个相带，地形平坦，特大低潮时，部分可露出水面。

4. 礁后砂相

位于礁坪后侧，二者是逐渐过渡的。

5. 泻湖相

环礁内或礁复合体之后的一个静水环境，其沉积物以灰泥为主。

6. 礁斜坡相

处于成熟或末成熟的礁复合体的礁骨架相的向海一边，其特征是有一个较陡的斜坡。

7. 近侧塌积岩相

礁斜坡之下的那个相带，其特征是含有大量的来自礁复合体的碎屑和少量的活着的钙质生物。

8. 远侧塌积岩相

位于塌积岩相的下斜坡

四、礁发育的一般规律

同自然界的其他事物一样，礁也有它的发生、发展和消亡的过程。海侵过程中的古地貌多常常是礁的发生地；地壳下沉的幅度与造礁生物生长幅度一致是生物礁发育的必要条件。海侵过程中海平面上升幅度太快，海水变深，或海退过程中海平面下降得太快，海水变浅，盐度增加，以及其他因素等，都会中止生物礁的发育。

礁的沉积特特征、礁的微相以及造礁生物群落的演替现象是揭示礁发育过程的重要途径。

在我国西南地区，晚二叠世地层广泛分布，其上部常有礁。根据礁的微相和岩石学特征，可把礁的发展划分四个阶段。

第一、生物碎屑浅滩形成阶段

第二、板状造礁生物发展阶段

第三、块状造礁生物发展阶段

第四、放射状红藻阶段

詹姆斯（James,1979）从造礁生物的生态学出发，将生物礁的发展划分为四个阶段：

第一，定殖阶段（stabilization）

第二，拓殖阶段（colonization）

第三，泛殖阶段（diversification）

第四，统殖阶段（domination）

五、地质历史中的礁和造礁生物

地史上最早的礁出现在晚前寒武纪，它们主要是一些蓝绿藻捕集灰泥而形成的丘状构造。

∈、藻仍然是主要的造礁生物

O、藻类，管状珊瑚

D、极为重要的造礁期，层孔虫、珊瑚、藻

C、珊瑚、苔藓虫、藻

P、海绵、苔藓虫、水螅、一些钙质红藻

T、生物建造的规模较小，分布也不那么广泛

J、珊瑚、海绵

K、生物建造分布于40°N～20°S范围内

R、礁比较发育，规模比较大，珊瑚、藻类