徐州地区大北望崮山组鲕粒灰岩的成岩作用与成岩环境

2015-05-07赵迪斐李利格毛潇潇杨玉娟郭英海

华北科技学院学报 2015年5期

赵迪斐，李利格，毛潇潇，杨玉娟，车晶，郭英海

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221116;2.煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏徐州 221008;3.中国石油大学(北京)，北京 100000;4.南京大学地球科学与工程学院，江苏南京 210000)

0 引言

鲕粒由 Kalkowsky(1908)提出［1］，是一种碳酸盐岩沉积包覆颗粒［2］，成分复杂多样［3］，是碳酸盐岩微相研究和沉积环境研究的重要对象［4］，其特殊结构及后期成岩孔隙，也使其成为石油天然气的良好储集体［5－7］，对于鲕粒灰岩成岩作用的研究具有重要的经济和科学价值。鲕粒的形成经历了漫长的成岩作用，成岩次生变化也蕴含着丰富的地质信息［8－9］。

大北望崮山组剖面位于徐州的西南部，寒武系地层出露完整，地质现象丰富，特别是岩石(碳酸盐岩为主)学现象丰富且典型，许多学者在这里展开研究，其中也包含鲕粒灰岩的相关研究［10－17］。对于该剖面崮山组鲕粒灰岩的成岩作用研究，有助于理解碳酸盐岩的沉积环境、形成机理及成岩演化等问题，本文对崮山组鲕粒灰岩的发育特征进行研究，进而总结崮山组地层的成岩作用特征，包括成岩作用阶段、类型与成岩环境恢复等。

2 岩石学特征

2.1 岩性特征

徐州地区地层为华北型，属华北地层区鲁西北地层分区徐州—宿县小区，区内基岩出露较少，多为第四纪覆盖，古老的结晶基底未见揭示，盖层发育良好。上元古界青白口系和震旦系均属一套滨、浅海碎屑岩－碳酸盐岩沉积组合，是华北地台东南缘独特的沉积类型。下古生界寒武系和奥陶系地层广泛出露，并构成复式背斜翼部，组成徐州地区山系主体，多呈北东—北北东方向，并向北西方向凸出呈弧形展布。

崮山组主要岩性包括鲕粒灰岩、生屑灰岩、泥晶灰岩等，鲕粒灰岩是研究区崮山组主要岩石类型，根据填隙物不同分为泥晶鲕粒灰岩、亮晶鲕粒灰岩、泥晶—亮晶鲕粒灰岩。由于白云化作用，在剖面上常见到白云化鲕粒与正常鲕粒呈条带状分布，二者接触部位具有冲刷痕迹，分布方向多平行于岩层面(图1)。生屑灰岩只在研究区个别层位产出，根据填隙物可以分为灰泥生屑灰岩与亮晶生屑灰岩，生屑含量40% ～65% 不等，主要为三叶虫碎片，其次为海百合茎板、介形虫。

图1 野外剖面现象

崮山组总体岩性特征为夹白云岩条带薄板状泥晶灰岩与鲕粒灰岩互层，其间夹竹叶状灰岩、生屑灰岩、砂屑灰岩透镜体，剖面柱状图如图2。崮山组与长山组岩性界线不明显，剖面以长条状竹叶状砾屑灰岩为界。本区崮山组岩性分布具有明显规律性:整体包括七个米级旋回层序，构成一个总体向上变浅的三级旋回层序;每个米级旋下部为夹不规则云质条带的薄板状灰泥石灰岩，可见水平－水平波状微细纹层，少量倾斜水平虫孔构造发育，沿层间与虫孔发生白云化;层间夹小规模透镜状或薄层状颗粒灰岩条带，颗粒物质主要为鲕粒、无氧化环边的细小竹叶状砾屑、砂屑等，灰泥充填，部分为亮晶充填，为潮下静水背景下的重力流沉积，上部为亮晶鲕粒灰岩，颗粒支撑、亮晶胶结，局部富含以三叶虫碎片为主的生物颗粒。部分鲕粒具白云化，褐黄色白云化鲕粒与深灰色正常灰质鲕粒共存，呈斑块状、条带状及层状集中分布于鲕粒石灰岩层中。对于每一个米级旋回，由下到上板状灰岩层厚逐渐减薄，而鲕粒灰岩层厚逐渐加厚。

图2 大北望崮山组剖面

2.2 沉积环境

崮山组米级旋回层序下部单元的泥晶灰岩、泥灰岩属于中缓坡相沉积，是高频率海平面变化快速上升过程中滞后沉积效应的产物;上部单元颗粒灰岩(鲕粒灰岩、生屑灰岩)是浅缓坡相沉积的产物。因此，徐州大北望在崮山期由张夏组晚期潮下高能鲕粒滩环境转变为中缓坡沉积环境，以薄板状灰泥石灰岩沉积为主，偶尔较强的风暴作用可能携带少量粗粒沉积物(主要为鲕粒、砂屑、竹叶状砾屑)夹于条带灰岩中。随着海平面的降低，鲕粒滩替代中缓坡的灰泥沉积，形成厚层－巨厚层状鲕粒灰岩，鲕粒滩以亮晶鲕粒灰岩为主，属于潮下高能滩。

这种由中缓坡的灰泥沉积至潮下高能浅滩鲕粒灰岩沉积的变化过程在崮山期重复出现，构成七个碳酸盐米级旋回。这些米级旋回本身即为有序的异成因岩相序列，反映了水体加深与变浅的过程由垂向上每个岩性旋回的岩相组构的变化规律(深水单元薄板状灰泥石灰岩向上逐渐变薄，而浅水单元鲕粒灰岩向上逐渐变厚)可知，崮山组的旋回地层层序属于潮下碳酸盐米级旋回层序，其整体构成一个向上变浅的沉积相序列。据崮山组岩性特征，结合晚寒武世区域地质背景可知崮山组的沉积期总体是一个海平面逐渐降低的过程，其间包含多次次级海进海退。

综上，大北望崮山期整体为水体变浅的沉积环境，包含多个三级旋回，每个三级旋回又反映了沉积环境水体由深变浅的过程，在剖面上形成向上变浅序列，在沉积相上则出现了缓坡相与滩相的交替沉积。

2.3 鲕粒发育特征

镜下观察，崮山组鲕粒灰岩发育有15种类型的鲕粒，为轮辐鲕、花瓣鲕、结晶鲕(单晶鲕、多晶鲕)、结晶包壳鲕、白云化鲕、多期鲕、生心鲕以及复鲕，另空心鲕、同心鲕等(图3)据残余同心纹层特征，推断崮山组原生鲕粒多为为径向－同心鲕，局部层位为切向同心鲕。

各类型鲕粒的发育特征如下:

1)轮辐鲕(图3－a)

具一个核心(多不可见，个别为砂屑或生粒核心)，内部具放射状结构，放射柱体粗大，并径向加宽。根据重结晶程度的不同，鲕粒被几个至十几个这样的放射柱体所分割，有的依稀可见同心纹层残留。放射柱体未穿过外部圈层，外部圈层具同心结构，通常一或二层，多者可达几十层。细致观察可见包壳中纤状或细柱状方解石为径向排列。

2)花瓣鲕(图3－b)

内部具径向加宽的放射柱体，边缘圈层略呈波状起伏，形似花瓣。可观察到两个“花瓣”之间有明显的藻管发育，推测花瓣鲕的产生与藻类作用有关。

3)结晶鲕(图3－c/d)

分为单晶鲕与多晶鲕，是由于原生鲕粒重结晶或者由于溶蚀－充填作用形成，鲕粒由一个或多个方解石大晶粒组成，鲕粒轮廓多保存较好。崮山组既可观测到由单个晶粒构成的单晶鲕(图3－c)，也可以观测到由多个晶粒组成的多晶鲕(图3－d)。

4)结晶包壳鲕(图3－e/f)

为原生鲕粒经重结晶作用形成，内部由一个或多个方解石晶粒组成，与外部同心包壳界线明显，多不规则。崮山组中单晶包壳鲕(图3－e)和多晶包壳鲕(图3－f)均有发育。

5)白云化鲕(图3－g/h/i)

较为常见，且类型多样，白云石多自形，细晶甚至达中晶。完全白云化的鲕粒白云石均匀占据整个鲕粒(图3－g)，有的鲕粒白云石集中分布在鲕核部位(图3－h)，有的则分布在鲕粒周缘(图3－i)。

6)生心鲕(图3－j)

核心为生物碎屑，多为三叶虫碎片，也可见个别腹足、瓣鳃类及介形虫的生心鲕。外部包壳结构多样，轮辐状、切饼状均见。受控于生物颗粒的形态特征，此类鲕粒多具椭圆状切面，也可见梭形及卵形。

7)变晶鲕(图3－k)

较为常见，是原生鲕粒经历强烈重结晶作用形成，结晶颗粒多为细晶，原始层理可以分辨，原生鲕粒可以为同心鲕、放射鲕、复鲕、生心鲕等。

8)溶蚀残缺鲕(图3－l)

被粒间水溶蚀，残余部分原生或次生鲕粒，此类鲕粒填隙物多为亮晶方解石，由淡水淋滤溶蚀形成。

9)复鲕(图3－m)

中包络两个更小的鲕粒，可以大小近等，也可以一大一小，两鲕之间可以是线接触、点接触和不接触，其包络圈层少而薄，有的仅有一层，此鲕粒类型在本区比较少见。

10)多期鲕(图3－n)

圈层显著，明显分为两个或多个形成时期，以风氧化圈层分开，内部只有一个核心。由于鲕粒生长过程中沉积环境曾短暂暴露地表，风氧化圈层呈现褐红色，此类鲕粒在本区较少见。

11)砂心鲕(图3－o)

经历溶蚀－充填作用，不同于结晶鲕的是充填的物质不是亮晶方解石而是泥晶沙屑，在本区较少见。

12)去白云化鲕(图3－p)

发生去白云化作用，此类鲕粒内部在菱形的白云石边缘为黑褐色的铁质，鲕粒整体为灰黑色。

13)空心鲕(图3－q)

内部被溶蚀且没有物质的充填，镜下特征明亮不见消光，鲕粒外部包壳完好。

14)同心鲕(图3－r)

15)表鲕

多以泥晶砂屑和生物颗粒为鲕核，外部形态多为椭球形或不规则球形。

图3 崮山组鲕粒发育特征

3 成岩作用类型与阶段

3.1 成岩作用类型

大北望崮山组鲕粒灰岩发育多期次、多类型成岩作用，主要类型有胶结作用、溶蚀作用、白云化作用、压实作用、重结晶作用、交代作用去白云化作用。

3.1.1 压实作用

压实作用主要表现为:颗粒接触紧密、定向、变形破裂、内部构造形变;对鲕粒灰岩整体改造表现为灰岩中鲕粒与生物碎屑明显的条带状定向排列。结晶鲕粒及结晶包壳鲕中结晶的鲕粒发生破裂现象但由于压实作用不强烈，鲕粒保持其原有形态，压实作用造成的鲕粒破碎在较为少见。鲕粒灰岩中内部结构的改造也受到压实作用影响，即由原始的基质支撑变为颗粒支撑。

3.1.2 溶蚀作用

鲕粒灰岩溶蚀现象内部溶蚀和边缘溶蚀内部溶蚀鲕粒被完全溶解或只剩外部圈层充填鲕或结晶鲕(图4－a)空心鲕;边缘溶蚀形成溶蚀残余鲕。

3.1.3 胶结作用

崮山组鲕粒灰岩胶结物主要为方解石，其次海绿石。亮晶方解石胶结物存在于亮晶鲕粒灰岩，是本区鲕粒灰岩中主要的胶结物据胶结作用类型可分为粒间孔亮晶胶结和溶蚀孔亮晶胶结，其中，粒间孔胶结世代显著，第一世代为呈叶片状栉壳结构方解石胶结，第二世代为粒状方解石胶结，有些鲕粒只发育栉壳结构方解石胶结物，相邻几个鲕粒的栉壳状方解石胶结物在粒间孔同时生长，构成“X”型与“Y”型胶结现象(图4－b/c)溶蚀孔亮晶胶结主要表现为结晶鲕与结晶包壳鲕等。这里所指泥晶方解石胶结物并不是真正意义上的胶结物，对于鲕粒起到焊接作用，也可以视为实际意义上的胶结物。海绿石胶结物在本区鲕粒灰岩中不多见，所见到海绿石呈他形充填于粒间孔之中(图4－d)。

3.1.4 白云化作用

本区白云化作用广泛发育，条带状灰岩、鲕粒灰岩中较为常见。条带状灰岩中白云石呈层状与灰岩平行分布;鲕粒灰岩中白云化作用发生在鲕粒以及填隙物中(图4－e)，形成的白云石晶粒较大。白云化强烈的鲕粒，方解石完全被白云石交代(图4－e)，白云化鲕粒可呈镶嵌菱面体结构。

3.1.5 重结晶作用

重结晶作用泥晶方解石重结晶和鲕粒的强烈重结晶泥晶方解石重结晶为细晶方解石(图4－)。重结晶的泥晶方解石晶粒相对细小，不发育亮晶方解石胶结物的栉壳状结构，呈过渡状介于亮晶方解石与未发生重结晶的泥晶方解石之间。溶蚀可发生重结晶作用形成结晶鲕与结晶包壳鲕。重结晶作用强烈原有结构特征不复存在，鲕粒仍然保持其光滑球形特征，变晶鲕。

3.1.6 去白云化作用

去白云化现象见于鲕粒灰岩中，发生去白云化的鲕粒呈条带状分布，平行于层面。镜下观察显示去白云化鲕粒呈灰黑色(图4－h)，这是由于原来白云石含铁量较高，方解石交代白云石过程中铁质被析出分布于被交代白云石的边缘。鲕粒内部由于去白云化形成的次生方解石粗大，多呈不规则状，有时可见白云石菱面体假晶。去白云化作用在本区分布不广，只有个别层位发育。

3.2 成岩作用阶段

本文采用中国石油地质勘探专业标准化委员会发布的SY/T5478－2003《碳酸盐岩成岩阶段划分》方案。研究区寒武纪碳酸盐岩不同程度的具有大气淡水、海水、埋藏成岩环境特征，据薄片观察及成岩作用类别的分析，将本区鲕粒灰岩成岩作用过程分为以下阶段:

1)准同生成岩阶段

为海水—淡水混合同生成岩阶段，主要发生颗粒的溶蚀作用混合水白云化作用及胶结作用表现为溶孔、白云石、以及鲕粒灰岩孔隙中方解石胶结物的形成。

2)早期成岩阶段

沉积物脱离海水—淡水环境，进入浅埋藏阶段，主要发生重结晶作用、胶结作用以及溶蚀孔的充填作用，表现为泥晶鲕粒灰岩中灰泥重结晶为亮晶，粒状胶结物的形成以及溶蚀鲕粒充填形成的结晶鲕、包壳结晶鲕等。

3)中期成岩阶段

沉积物进入深埋藏阶段，压实作用明显，颗粒发生定向分布，内部结构发生变化，充填结晶鲕中方解石破碎，个别鲕粒也有碎裂现象发生。

图4 典型成岩作用现象

4)表生成岩阶段

构造抬升导致岩石重新返回大气淡水成岩环境主要发生溶解、淡水方解石充填作用、去白云化作用等。

3.3 成岩环境

大北望崮山组鲕粒灰岩的成岩环境类型主要包括大气淡水成岩环境、海水成岩环境、混合水成岩环境、埋藏成岩环境及表生成岩环境，各环境类型的微观结构特征如下:①大气淡水成岩环境为鲕粒滩顶部与大气接触部位，其下为淡水潜流带，次带淡水略呈酸性，对CaCO3沉积物有较强的溶解能力，表现为负鲕的存在，鲕内溶孔多是由于松散鲕粒滩经淋滤作用形成，由于松散的鲕粒滩中鲕粒的矿物成分尚为文石、高镁方解石，故其更易于被不饱和CaCO3淡水溶解;②海水成岩环境水体能量较高，海水多呈饱和状态，表现为灰泥分洗干净，为亮晶胶结结构提供了空间，在本区亮晶胶结的鲕粒灰岩中鲕粒胶结物呈栉壳状结构，局部地层可见海绿石，代表了海水成岩环境③混合水成岩环境主要体现在本区白云化为混合水白云化机理，为接近海平面的岩石接受大气降水作用形成，环绕颗粒发育的呈叶片的栉壳状胶结也代表了混合水成岩环境的存在;④埋藏成岩环境在本区主要表现为对于颗粒内部结构的破坏、造成颗粒整体变形破碎以及对鲕粒灰岩接触类型的改造;⑤研究区表生成岩环境主要是由于地表抬升暴露而受地表水作用，致使溶蚀作用广泛发育，在灰岩内部表面可见溶蚀孔洞，鲕粒去白云化作用。