四川宣汉盘龙洞长兴组生物礁沉积特征及成礁模式

李秋芬，苗顺德，江青春，王铜山，徐安娜，翟秀芬

1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083 2.中国海洋石油总公司研究总院，北京 100027



四川宣汉盘龙洞长兴组生物礁沉积特征及成礁模式

李秋芬1，苗顺德2，江青春1，王铜山1，徐安娜1，翟秀芬1

1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083 2.中国海洋石油总公司研究总院，北京 100027

结合野外露头剖面观察与深入剖析，对宣汉盘龙洞长兴组生物礁沉积特征和成礁模式进行了室内综合分析。该礁位于鄂西--城口海槽西侧台缘带，为相对海平面整体下降背景下形成的一套加积-进积型台地边缘生物礁。该露头出露良好，长兴组以海绵骨架礁灰岩和海绵骨架礁白云岩为主。综合岩性、古生物等沉积相标志，该区长兴组属于碳酸盐岩台地边缘沉积体系，可进一步划分出斜坡相、台地边缘生物礁和台地边缘生屑滩相，其中台地边缘生物礁又可划分为礁基、礁核、礁盖、礁前、礁后等亚相。区域沉积环境、岩性、古生物以及生物礁的内部构成分析认为，盘龙洞生物礁可分为3期成礁旋回：第一旋回礁是低能环境下形成的未经充分生长而被淹死的礁，主要由生屑泥晶灰岩和少量骨架岩组成；第二旋回礁形成于较高能环境下，经历了充分生长后暴露而死亡，暴露时间短，仅顶部发生了较弱的白云岩化；第三旋回礁则形成于高能环境下，经历了充分生长并暴露出海平面后死亡，其死亡后经波浪和水流的改造作用而形成生屑滩，长期暴露发生强烈白云岩化。

长兴组；生物礁；沉积特征；成礁模式

0 前言

国内外研究[1-9]表明，生物礁滩相在碳酸盐岩油气勘探中具有非常重要的地位，在全球已陆续发现各时代储量数亿吨的高产生物礁滩油气圈闭。我国近年来生物礁滩油气藏勘探也获得了重要突破，陆续发现了四川盆地普光生物礁滩气田、渡口河生物礁气田、龙岗生物礁气田、元坝生物礁气田、塔中奥陶系生物礁气田等。四川盆地上二叠统发育三大海槽(开江--梁平海槽、鄂西--城口海槽、盐亭--潼南海槽)[10]，其台地边缘生物礁滩相带是重要的油气勘探领域。近年来随着油气勘探工作的深入，在开江--梁平海槽台缘带相继发现了多个生物礁滩气藏，如龙岗气田、高峰场气田、铁山气田、黄龙场气田等，显示了良好的勘探前景[11-13]。而鄂西--城口海槽、盐亭--潼南海槽台缘带由于钻井非常少，对其生物礁滩的沉积特征、成礁旋回认识不够，因此其礁滩勘探一直未有大的突破。盘龙洞生物礁滩正是发育在鄂西--城口海槽台缘带，且出露良好，前人对该生物礁滩的成岩作用、古油藏剖面序列、油气源等进行了研究[14-17]，但对该生物礁滩的沉积特征及成礁模式研究尚不够深入。笔者对盘龙洞生物礁滩进行了实地测量及采样镜下分析等，深入研究了该生物礁滩体的沉积特征及成礁模式，这对于鄂西--城口海槽台缘带生物礁滩沉积、成礁特征的认识及该台缘带生物礁的勘探都具有重要的意义。

1 地质概况及剖面介绍

盘龙洞生物礁位于四川省宣汉县百里峡盘龙洞景区，沿公路距羊鼓洞隧道约8 km；构造上属于四川盆地东北缘米仓山--大巴山前缘地带。区域沉积相研究及野外实测发现，该区晚二叠世长兴组沉积时期为碳酸盐岩台地相，盘龙洞长兴组生物礁为毗邻鄂西--城口海槽发育的台地边缘礁(图1)。

图1 四川盆地长兴组沉积时期岩相古地理图Fig.1 Lithofacies palaeogeographic framework of Changxing age in Sichuan basin

通过野外实地测量及室内研究，重新对盘龙洞剖面进行了精细刻画和描述。该剖面出露吴家坪组、长兴组和飞仙关组，其中长兴组出露完整。该剖面长兴组底部以深灰色薄层--中层状泥质灰岩与下伏吴家坪组深灰色薄层-块状泥晶-微晶燧石条带灰岩为界；顶部以棕黄色古土壤层与上覆飞仙关组浅灰色砂屑云岩为界。依据岩性和生物特征分析，长兴组生物礁主体发育多个礁旋回，厚度约为175 m。长兴组底部由斜坡相沉积的深灰--灰色薄层--中层泥晶灰岩、泥质灰岩、粉屑灰岩组成，厚约25 m。斜坡相之上为台地边缘礁主体，主要由海绵障积岩和海绵骨架岩组成，整体强烈白云岩化，厚约129 m；其造礁生物主要为海绵类、水螅和苔藓虫等，生物体积分数为30%～50%。海绵类中常见柱状海绵、串珠状海绵、囊状海绵等；水螅较少，有板状水螅和团块水螅。附礁生物主要有棘皮类、腕足类、双壳类、腹足类和有孔虫等，常分布于海绵、水螅及苔藓虫等造礁生物周围，包绕造礁生物生长，对造礁生物起重要的黏结和固定作用。礁主体之上为白云岩化的台地边缘生屑滩沉积，岩石类型主要为浅灰色中层块状生屑云岩，厚约20 m(图2)。

本次研究对该剖面的划分与牟传龙等[14]、邱小松等[17]的划分方案有较大差异，主要的区别在于长兴组顶部的确定及鲕粒滩的归属层位方面。本次研究对长兴组顶部的确定主要有两个方面的依据：首先通过野外观察，长兴组顶部台缘生屑滩的顶部发育10 cm左右的古土壤层，为暴露相标志；而这一现象在城口庙坝剖面、华蓥山陈二湾剖面、高二矿等剖面均有见到。其次古生物研究认为Hindeodusparvus和Isarcicellaicarcica为早三叠世的典型牙形石[18]，该生物的出现标志着地层进入早三叠世；研究中在该剖面的第20小层发现Hindeodusparvus和Isarcicellaicarcica化石，为三叠纪典型化石，因此第20小层应归属于飞仙关组，其上鲕粒滩也为飞仙关组沉积。因此笔者将牟传龙、邱小松等[17]的划分方案中的长兴组与飞仙关组界线下调了约60 m，并将鲕粒滩归为飞仙关组；该划分方法与川东北地区二、三叠系探井更为符合。

图2 宣汉盘龙洞长兴组生物礁剖面柱状图Fig.2 Sedimentary features of Changxing Formation reef in Panlongdong section, Xuanhan

2 生物礁沉积特征

根据岩性、古生物等沉积相标志，结合前人对该区的认识，认为盘龙洞长兴组剖面属于碳酸盐岩镶边台地沉积体系[19-22]，进一步划分出斜坡相、台地边缘生物礁相和台地边缘生屑滩相及礁基、礁核、礁盖、礁前、礁后、生屑滩等亚相(图2)。

2.1 斜坡相

斜坡相是台地边缘与深水盆地(海槽)之间的过渡带，海水深度一般小于100 m[23-24]。该相带主要发育斜中--薄层灰黑色泥晶灰岩、深灰色泥晶灰岩夹燧石结核、硅质泥晶灰岩、含泥硅质灰岩及浊流沉积的屑灰岩。剖面第2--4层为斜坡相沉积，岩性主要为深灰色薄层--中层泥晶灰岩、粉屑灰岩，棘皮类、有孔虫等生屑发育。该剖面斜坡相主要发育在长兴组的底部，成礁旋回之下，平面上位于靠近鄂西--城口海槽一侧，位于台地边缘与海槽之间的过渡带。

2.2 台地边缘生物礁相

台地边缘相发育在碳酸盐岩台地边缘，位于台地与斜坡之间的转换带，是浅水沉积和深水沉积之间的变换带，水动力较强，是波浪和潮汐作用改造强烈的高能沉积环境[25-28]，有利于生物礁发育。该剖面台地边缘生物礁相厚达129 m，可划分出礁基、礁核、礁盖、礁前和礁后等亚相；并可以分为3个比较明显的成礁旋回：第一旋回发育在长兴早期，没有形成大的礁核。第二个成礁旋回比第一个成礁旋回规模稍大，顶部生屑滩发生了白云岩化。第三个成礁旋回是盘龙洞生物礁的主体，厚度大，几乎全部强烈白云岩化。盘龙洞剖面台地边缘相主要发育在长兴组中上部的3个成礁旋回，平面上位于台地与斜坡之间的转换带。

2.2.1 礁基亚相

礁基为生物礁的生长基座，主要由生屑滩和粒屑滩构成，岩性以泥-亮晶生屑灰岩、粒屑灰岩为主，棘皮、藻屑、有孔虫等生屑发育。该剖面礁基亚相主要发育在第5层，岩性主要为深灰色薄--中层生屑灰岩，其中可见海百合、棘屑等生物碎片(图3a)。盘龙洞剖面礁基亚相主要发育在长兴组中上部，3个成礁旋回的底部，平面上位于台地与斜坡之间的转换带。

a.灰色生屑灰岩，见棘屑、海百合茎等，野外照片；b.灰白色块状海绵骨架礁灰岩，具有明显的骨架结构，造礁生物主要为串管海绵和纤维海绵，野外照片；c.海绵骨架礁灰岩，海绵结构清晰，体腔内充填方解石，单偏光；d.灰白色块状海绵骨架礁白云岩，白云岩化程度高，见海绵、海百合茎等，野外照片；e.残余生屑细晶白云岩，亮红色为棘屑，阴极发光；f.灰色块状海绵骨架礁灰岩，海绵结构清晰，主要为串管海绵和纤维海绵，见棘屑、海百合茎等，野外照片；g.流体包裹体，白云石充填物中成带分布，呈深褐色的液烃包裹体，单偏光；h.灰色含灰白云质角砾岩, 角砾成分主要为礁白云岩块体、白云岩以及泥晶灰岩等，角砾间多为灰泥充填，野外照片。图3 宣汉盘龙洞长兴组岩性及生物特征Fig.3 Lithology and biology of Changxing Formation reef in Panlongdong section, Xuanhan

2.2.2 礁核亚相

礁核为生物礁抗浪体的主体部分，主要由障积或黏结骨架海绵礁灰(云)岩组成；岩性为浅灰色块状海绵障积岩和海绵骨架岩，造礁生物主要为串管海绵、纤维海绵，见少量硬海绵。造礁生物体积分数占20%～50%，最多达50%～60%。多数海绵垂直地层层面生长，少数斜交层面生长，形成良好的礁骨架，藻围绕海绵生长。附礁生物有腕足、瓣鳃、海百合、竹蜓及有孔虫。填隙物主要为生物碎屑、砂屑，灰泥含量很少。

该剖面礁核亚相主要发育在第8--9层和第13--16层。其中第8--9层为第二旋回生物礁礁核，岩性为灰白色块状礁灰岩(图3b)，溶孔、裂缝比较发育，沥青、方解石充填，为一较小型海绵骨架礁礁核。镜下可见清晰海绵骨架，海绵体腔内充填方解石(图3c)。第13--16层为第三旋回生物礁礁核，生物礁普遍发生了白云岩化，多数已演变为礁白云岩。主要由灰白色块状礁白云岩组成，可见海绵骨架礁白云岩(图3d)、珊瑚骨架礁白云岩等；在阴极发光显微镜下，白云石发暗红色光，残余生物碎屑发亮红色光(图3e)。礁核中部发育一套浅灰色礁灰岩(图3f)，造礁生物有串管海绵、脑纹海绵水螅等，附礁生物有棘皮类、腕足类、腹足类和有孔虫，可见双壳类、棘皮类等生屑，基质中夹大量骨针、藻类，具黏结作用。礁核中发育大量孔洞，部分被方解石晶体充填，部分被沥青充填，部分未被充填，孔隙性较好。礁核中发育大量沥青，主要充填于岩石孔洞、晶洞、生物体腔及裂隙中。该旋回礁流体包裹体主要为液烃包裹体和含烃盐水包裹体(图3g)，液烃包裹体以烃类为主，次为CO2，烃类以CH4为主；含烃盐水包裹体以炭质沥青为主，次为水。这也表明该成礁旋回曾有原油充填，后裂解为天然气充填在其中，暴露地表后形成现在的沥青。

盘龙洞剖面礁核亚相发育优质白云岩储层，经地化综合分析认为该段白云岩为埋藏白云石化。主要证据有：1)白云石阴极发光呈亮红色(图3e)；2)δ13C限于1.1‰～2.4‰，位于埋藏白云石范围内，δ18O限于-5.9～-3.0，氧同位素偏负；3)锶同位素87Sr/86Sr 限于0.707 615～0.707 796，高于同期海水；4)微量元素Fe2+限于(343～8 820)×10-6，Mn2+限于(30～527)×10-6，Sr限于(111～1 625)×10-6，总体表现为白云石具有较高的Fe、Sr含量和较低的Mn含量，说明产生于封闭埋藏环境中；5)流体包裹体温度在120～180 ℃，说明白云岩形成于温度较高的环境中，支持埋藏白云石成因。

2.2.3 礁盖亚相

礁盖亚相发育在礁核上部，岩性多为白云岩夹灰岩，包括泥晶白云岩、黏结白云岩等，常见后生溶蚀作用，溶蚀孔隙非常发育，多被方解石、沥青充填。该剖面礁盖亚相主要发育在第17层中，岩性为灰色生屑云岩，白云岩化作用强烈，连续性差，为礁盖沉积。该剖面礁盖亚相发育于长兴组上部、第三成礁旋回礁核亚相上部，平面上位于台地与斜坡之间的转换带。

2.2.4 礁后亚相

礁后亚相发育在靠近台地内部一侧的低能环境，泥质含量高，岩性主要为浅灰色薄层-块状砂屑灰岩，向上孔隙变好，粒度变粗，含少量生屑，泥晶含量高。该剖面第10层为礁后亚相，厚约2.4 m，岩性为深灰色薄--中层砂屑灰岩，生屑较多，可见有孔虫、棘皮类等生物碎片。该剖面礁后亚相发育在长兴组中部、第三成礁旋回底部，平面上位于礁主体之后，靠近台地一侧，规模较小。

2.2.5 礁前亚相

礁前亚相位于前缘斜坡位置，由生物礁破碎形成的各种角砾堆积而成，大小不等，分选差，角砾间主要充填灰泥。该剖面礁前亚相发育于第18层，厚度小，约为3.1 m，以灰色角砾岩为主(图3h)，角砾成分主要为礁白云岩块体、白云岩以及泥晶灰岩等，角砾间多为灰泥充填。该剖面礁前亚相发育在长兴组上部、第三成礁旋回顶部，平面上位于礁主体前靠近海槽一侧，规模较小。

2.3 台地边缘生屑滩相

台地边缘生屑滩相一般与生物礁相伴生，亦需要较强的水动力条件，其主要组分为生物碎屑，其生物碎屑多来自生物礁。该剖面第19层为台地边缘生屑滩相沉积，厚约20 m，岩性以浅灰色中层块状生屑云岩夹炭质页岩薄层，夹层厚度约10～35 cm，为台地边缘生屑滩沉积。该剖面台地边缘浅滩相发育在长兴组顶部、第三成礁旋回之上，平面上位于台地与斜坡之间的转换带。

3 生物礁成礁模式

宣汉盘龙洞生物礁发育在鄂西--城口海槽西侧台缘带，其北东侧是鄂西--城口海槽，南西侧是碳酸盐岩台地。晚二叠世长兴早期，盘龙洞区为一套斜坡相沉积，随着长兴组沉积时期整体海平面的不断下降，该区形成了一套规模较大的台地边缘生物礁。根据该生物礁的沉积特征、岩石特征以及区域沉积环境的演化特征，该剖面又可分为3期成礁旋回(图4)。

图4 宣汉盘龙洞长兴组生物礁成礁模式图Fig.4 Forming model of Changxing Formation reef in Panlongdong section, Xuanhan

第一成礁旋回：该旋回发育在长兴组沉积早期，处于台地前缘斜坡相，水体较深，不利于生物礁的发育，形成一套薄层泥质灰岩、含生屑泥晶灰岩沉积；之后相对海平面下降，沉积一套泥晶粉屑生屑灰岩滩相沉积，这些堆积物的表层富含棘皮类等生屑，为生屑滩相，没有形成大的礁核(图4)。生屑滩沉积之后，相对海平面相对上升，水体加深，沉积了一套泥晶灰岩，覆盖在生屑滩之上。

第二成礁旋回：在第一成礁旋回基础上，随着相对海平面的逐渐下降，在第一成礁旋回形成的生屑滩沉积微地貌之上，以沉积生物障积岩和浅滩相生屑灰岩为主，这些堆积物的表层富含棘皮类等生屑，经藻类黏结固定作用形成稳定地抗浪骨架。在此基础上，随着海平面持续相对下降，地形地貌、水体能量、阳光等方面都有利于生物繁盛生长，海绵类、珊瑚类、水螅、苔藓虫等造礁生物繁盛，同时，腹足类、腕足类、双壳类、棘皮类等各大生物繁殖，礁体堆积速度逐渐变快。此时期生物作用造成的沉积速率明显高于两侧非礁区，使得礁顶部沉积水体局部变浅，礁体进入浪基面以上高能环境停止生长，并向海盆方向推进，形成一套生物礁相沉积，即第二成礁旋回。

第三成礁旋回：该阶段为盘龙洞长兴组生物礁的主体，规模最大。第二成礁旋回形成的礁，在波浪和水流作用下第二旋回礁顶部骨架被打碎形成生屑滩，成为第三旋回礁生长的基底。随着相对海平面的短暂上升，海绵、水螅类、苔藓虫等开始繁茂生长成礁。之后随着相对海平面的持续下降，该区地形地貌、水体能量、阳光等方面都越来越有利于生物繁盛生长，礁体堆积速度逐渐变快;造礁生物迅速发展的同时，黏结生物数量上也急剧增多，在生物礁表层栖居了各种附礁生物，并且形成了各种洞穴、裂缝等复杂空间，有利于提供更为复杂、不同层次的栖息地。随着礁体的快速堆积，礁体逐渐高出周围海底，影响海水循环，并改变台地边缘两侧的沉积作用，当礁体生长到浪基面时，风浪作用可能将礁体部分打碎，在靠近海槽一侧的斜坡带易形成礁前垮塌而成的礁角砾岩，在靠近台内一侧则易沉积静水环境中的泥晶生屑灰岩。随着海平面相对持续下降以及礁体的迅速发育，当礁体达到平均海平面，形成浅水环境并间歇暴露，造礁生物大量死亡，在骨架礁顶部沉积以藻类为主的黏结岩，礁最终会停止发育，形成第三成礁旋回。之后随着海平面继续下降，礁顶部暴露，在其上部依次沉积了生屑滩相灰岩，并随后发生白云岩化作用。

总之，盘龙洞生物礁是在相对海平面逐渐下降过程中形成的一套加积-进积型生物礁。第一旋回礁是未经充分生长而被淹死的礁；第二旋回礁经历充分生长后短期暴露而死亡，仅顶部发生了较弱的白云岩化；第三旋回礁则经历了充分生长并长期暴露出海平面后死亡，其死亡后经波浪和水流的改造作用而形成生屑滩，并强烈白云岩化。

4 结论

1)通过对宣汉盘龙洞长兴组生物礁的野外观察和室内综合分析，表明该礁发育完好，以海绵骨架礁灰岩和海绵骨架礁云岩为主，为相对海平面整体下降背景下形成的一套加积-进积型台地边缘生物礁。

2)综合岩性、古生物等沉积相标志，认为该区长兴组属于碳酸盐岩台地边缘沉积体系，可划分出斜坡相、台地边缘生物礁和台地边缘生屑滩相及礁基、礁核、礁盖、礁前、礁后等亚相。

3)盘龙洞生物礁可分为3期成礁旋回：第一旋回礁是低能环境下形成的未经充分生长而被淹死的礁；第二旋回礁形成与较高能环境下，经历了充分生长后暴露而死亡，暴露时间短仅顶部发生了较弱的白云岩化；第三旋回礁则形成于高能环境下，经历了充分生长并暴露出海平面后死亡，其死亡后经波浪和水流的改造作用而形成生屑滩，长期暴露发生强烈白云岩化。

中国石油勘探开发研究院罗平教授在野外剖面观测给予了指导,李思田教授和邢凤存副教授对文章的修改和完善提出了宝贵意见和建议,在此一并致谢！

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Sedimentary Characteristics and Reef-Forming Model of Changxing Formation in Panlongdong Section of Xuanhan,Sichuan

Li Qiufen1,Miao Shunde2,Jiang Qingchun1,Wang Tongshan1,Xu Anna1,Zhai Xiufen1

1.PetroChinaResearchInstituteofPetroleumExplorationandDevelopment,Beijing100083,China2.CNOOCResearchInstitute,Beijing100027，China

Based on the multidisciplinary analysis of outcrop and microfacies observation, the sedimentary characteristics and forming model of Changxing Formation reef are researched in detail in Panlongdong Section. The reef is located in the platform margin of Exi-Chengkou trough. It is a huge platform marginal reef deposition during aggradation-progradation in a background of relative sea-level fall. The reef is full of outcrops. Sponge skeleton reef limestone and sponge skeleton reef dolomite are the main rocks. According to the sedimentary facies’ characteristics, Panlongdong region belongs to a carbonate platform marginal sedimentary system, and can be divided into slope facies, platform marginal reef, and platform marginal bio-clast bank. The platform marginal reef facies can be divided into reef base, reef core, reef cap, fore reef, and back reef. Panlongdong reef consists of three depositional cycles: the first cycle of reef was formed in a low energy environment which was drown without sufficient growth; the second cycle of reef was formed in a relative high energy environment which died of exposure after experiencing sufficient growth with weak dolomitization on the top; and the third cycle of reef was formed in a high energy environment which died of exposure after experiencing sufficient growth, and then the reef formed a bio-clast bank, and later was destroyed by waves and tides. The reef and bio-clast bank experienced an intensive dolomitization after a long-term exposure.

Changxing Formation; reefs; sedimentary characteristics; reef-forming model

10.13278/j.cnki.jjuese.201505106.

2015-01-12

国家油气重大专项(2011ZX05004)；中石油重大专项(2014E-3201)

李秋芬(1979--)，女， 博士，主要从事沉积地质学、层序地层学研究，E-mail:liqiufen@petro-china.com.cn。

10.13278/j.cnki.jjuese.201505106

P539

A

李秋芬，苗顺德 ，江青春，等.四川宣汉盘龙洞长兴组生物礁沉积特征及成礁模式.吉林大学学报:地球科学版,2015,45(5):1322-1331.

Li Qiufen, Miao Shunde, Jiang Qingchun, et al. Sedimentary Characteristics and Reef-Forming Model of Changxing Formation in Panlongdong Section of Xuanhan,Sichuan.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(5):1322-1331.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201505106.