湖北兴山峡口中二叠统眼球状石灰岩特征及成因

何明薇

(中国石油大学(北京)地球科学学院，北京 102249)

罗进雄

(长江大学地球科学学院，湖北 武汉 430100)



湖北兴山峡口中二叠统眼球状石灰岩特征及成因

何明薇

(中国石油大学(北京)地球科学学院，北京 102249)

罗进雄

(长江大学地球科学学院，湖北 武汉 430100)

眼球状石灰岩是一种特殊类型的石灰岩，由“眼球”和“眼皮”两部分组成，广泛分布于中上扬子地区中二叠统栖霞组下部和茅口组中-下部。以湖北兴山峡口地区中二叠统眼球状石灰岩为例，通过野外系统观察和详细描述，结合镜下岩石薄片鉴定、稳定碳氧同位素及微量元素等资料分析，对眼球状石灰岩的特征进行了系统描述，对其形成机理进行了探讨。综合分析表明，眼球状石灰岩中的“眼球”为富氧沉积，“眼皮”为缺氧沉积，“眼皮”可能为上升流作用的产物；眼球状石灰岩可能是受上升流作用的影响，在沉积和差异压实共同作用下形成的。此外，眼球状石灰岩中“眼皮”部分的有机碳含量较高，且分布广，应为良好的烃源岩。

兴山峡口；中二叠统；眼球状石灰岩；缺氧环境；上升流

图1　湖北兴山峡口剖面位置

眼球状石灰岩是一种由颜色较浅的“眼球”和颜色较深的“眼皮”两部分组成的特殊碳酸盐岩，广泛发育于扬子地区中二叠统栖霞组下部和茅口组中-下部，在野外容易识别。也有人称之瘤状石灰岩。由于该石灰岩横向分布较广、纵向分布较有规律，因此有时也可以将其作为地层对比的良好标志。因眼球状石灰岩的广泛发育及特殊性，其成因引起了地质学工作者的兴趣和关注。近30年来，地质学工作者提出了多种眼球状石灰岩的成因解释，如成岩成因[1]、沉积成因[2]、沉积作用和成岩作用综合成因[3～5]等。笔者在研究湖北兴山峡口剖面时，发现中二叠统的眼球状石灰岩十分发育，并对其进行了详细观察和描述。以兴山峡口剖面的野外观察和描述为基础，结合镜下岩石薄片鉴定以及碳氧同位素和微量元素分析资料，总结了眼球状石灰岩的岩石特征和地球化学特征，分析了眼球状石灰岩成因，为研究区中二叠统沉积环境提供岩石学方面的证据。

1　区域地质背景

研究剖面位于黄陵背斜西翼(图1)，即兴山县峡口镇建阳坪村至峡口镇之间的公路边，地理位置为北纬31°07.362′，东经110°48.745′。该剖面为一个单斜构造，地层走向为南北向，产状向西陡倾，倾角一般为30～50°，香溪河的支流高岚河以及沿河公路大致沿倾向切过地层，形成了地层连续出露较理想的露头。该剖面地层特征明显，二叠系的地层界线清楚，除缺失底部的马鞍段外，其余层段均发育齐全。

峡口剖面二叠系厚433.72m(图2)。按照二叠系“三分”[6～8]的划分方案，该剖面缺失下二叠统，发育中二叠统栖霞组、茅口组及上二叠统吴家坪组和长兴组，其中栖霞组和茅口组的厚度分别为111.88m和189.26m，各组之间的界线比较清楚。

图2　湖北兴山峡口中二叠统岩石特征及沉积环境分析柱状图

二叠纪初期扬子地块乃至整个华南陆块均遭受了大规模的海侵。可能与黄陵古隆起的影响有关，研究区未能接受早二叠世沉积，也未能接受栖霞早期马鞍段的沉积；随后(即栖霞灰岩段开始沉积时)，海水迅速而广泛地入侵，沉积了大面积分布的栖霞组和茅口组石灰岩，超覆于泥盆系黄家磴组之上。

栖霞组主要为灰色至深灰色中至厚层的泥(粉)晶生屑石灰岩、生屑质泥(粉)晶石灰岩、含生屑泥(粉)晶石灰岩、眼球状石灰岩等，含硅质团块与条带，与下伏泥盆系黄家磴组呈平行不整合接触(图2)。该组石灰岩中的颗粒主要为生屑，体积分数一般介于19%～57%(平均36.44%)，主要为红藻、绿藻、有孔虫、介形虫、海百合、腕足类等生物碎屑，还可见蜓类、三叶虫、苔藓虫、珊瑚等生物碎屑，生屑多为原地堆积的生物；粒间主要为泥晶方解石充填，未见亮晶方解石胶结物。综合分析其沉积环境应为水动力条件不强的浅水陆棚或开阔台地环境。其中，第1～3层、12层主要为眼球状石灰岩(图3(a))，“眼球”和“眼皮”中生屑较破碎，大多应为原地破碎后堆积的，但是藻类和有孔虫保存相对较完整，说明其沉积环境可能为较安静较深水的陆棚环境。

图3　湖北兴山峡口中二叠统岩石照片

茅口组与栖霞组呈整合接触，与上覆吴家坪组呈平行不整合接触。根据岩性特征，茅口组自下而上可以分为5个岩性段。第一段为深灰色厚层眼球状石灰岩(图3(b)、(c))夹深灰色厚层-块状生屑质泥晶石灰岩(图3(d))、泥晶生屑石灰岩。该段下部泥质含量相对较多，呈条带状，有的成层出现；上部泥质含量相对较少，石灰岩呈似角砾状。该段石灰岩中生屑体积分数变化较大，介于10%～60%(平均为28.56%)，主要有红藻、绿藻、有孔虫、腕足类、海百合、苔藓虫、介形虫等生物碎屑，其中藻类和有孔虫较完整，“眼球”和“眼皮”中生屑种类相似，有腕足类、有孔虫、苔藓虫等，但是“眼球”中还含有藻类，“眼皮”中有Zoophycos，反映了该段水体形成于较安静的深水陆棚环境[9]。第二段为灰至深灰色厚层生屑质粉晶石灰岩与硅质条带粉晶石灰岩，向上硅质含量增加，局部过渡为硅岩(图3(e))，生屑含量较低，藻类含量低，反映以安静的陆棚环境为主，水体逐渐变深。第三段为浅灰、灰至深灰色中-厚层生屑质泥晶石灰岩，局部可见亮晶生屑石灰岩(第16层)和白云石化现象，石灰岩中生屑较丰富，但体积分数变化较大，局部高达85%左右，少的不到10%，平均37.78%，主要为红藻、绿藻、有孔虫、海百合等生物碎屑，还可见腕足类、双壳类、腹足类、苔藓虫、蜓类、珊瑚、介形虫等生物碎屑，说明沉积时的水体较为清澈，循环良好，具有一定的水动力条件，属于浅水陆棚或开阔台地环境，局部为能量较高的浅滩环境。第四段为深灰色-灰黑色薄-中层含生屑泥晶石灰岩(图3(f))，生屑体积分数低，一般为10%～13%，生物门类单调，主要为钙质海绵骨针，可见少量有孔虫和介形虫，未见藻类、腕足类等浅水生物，表明其沉积水体具有一定深度，可能为深水陆棚至盆地边缘沉积环境。第五段为浅灰色-灰色厚层-块状生屑质泥(粉)晶石灰岩，生屑体积分数较高，平均41.52%，生屑主要为红藻、绿藻、有孔虫、海百合等，还可见腕足类、介形虫、双壳类、腹足类、苔藓虫等，反映沉积时的水体较浅，循环良好，具有一定的水动力条件，可能为浅水陆棚或开阔台地沉积环境(图2)。

2　眼球状石灰岩的特征

2.1岩石学特征

眼球状石灰岩由“眼球”和“眼皮”两部分组成，在野外观察和镜下观察时，发现下两者的特征存在着明显差异。

野外观察发现，“眼球”部分为成分较纯的石灰岩，颜色较浅，多为灰色至深灰色，形状似枕状(图3(a))、透镜状或瘤状(图3(b))，顺层分布(图3(c))，长度一般为10～30cm，厚度一般为20～30cm，薄者5 ～10cm，有的呈层状，不显层理，含泥较少，体积分数一般小于5%；生屑含量较高，主要为苔藓虫、二叠钙藻等(图3(h))；“眼球”被“眼皮”包裹，“眼球”中可见荷叶藻(图3(d))，荷叶藻保存完整但有弯曲褶皱现象，反映水动力较弱的陆棚环境。“眼皮”为泥质含量较高的石灰岩，以含泥石灰岩为主；颜色较“眼球”部分深，多为深灰色至灰黑色，生屑含量较低，主要见腕足类和介形虫，生物介壳压扁、破碎，定向排列(图3(i))；泥质含量比“眼球”高，5个样品的黏土矿物体积分数为14.08%～23.18%(平均为19.12%)；其厚度不均，一般5～10cm，厚者可达10～15cm，局部达20～30cm，薄者2～5cm，甚至小于1cm，呈波状起伏的纹层状；偶尔可见体形较小的、具有连续蹼状构造的Zoophycos，指示了水动力较弱、滞留贫氧的环境[9]。

眼球状石灰岩样品的X衍射分析结果表明，栖霞组样品黏土矿物主要为伊-蒙间层、伊利石；而茅口组样品黏土矿物主要为滑石-皂石间层、滑石。

2.2碳、氧同位素特征

该次研究分别对3个眼球状石灰岩中的“眼球”和“眼皮”部分、2个非眼球状石灰岩和1个黑色硅岩样品进行了碳、氧同位素分析，结果见表1。

表1　湖北兴山峡口中二叠统岩石样品碳、氧同位素分析结果

注: 样品由中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室分析测试，为相对国际标准PDB之值；

Z=2.048(1000δ13C+50)+0.498(1000δ18O+50)[10];P2q、P2m分别指中二叠统栖霞组、茅口组。

从表1可以看出，眼球状石灰岩中“眼球”部分的δ13C为2.383‰～4.352‰(平均3.322‰)；δ18O为-7.085‰～-5.079‰(平均-6.134‰)。“眼皮”部分的δ13C为2.199‰～4.218‰(平均3.069‰)；δ18O为-6.437‰～-5.531‰(平均-6.070‰)。其他非眼球状石灰岩3个样品的δ13C为2.829‰～4.550‰(平均3.912‰)；δ18O为-6.313‰～-5.080‰(平均-5.713‰)。“眼球”和“眼皮”的δ13C均较富集，δ18O明显偏负，“眼皮”和“眼球”的δ18O差别在0.2‰～0.7‰之间；其中栖霞组“眼球”的δ13C比“眼皮”高，“眼皮”的δ18O比“眼球”高，茅口组则相反。根据经验公式计算出Z值均大于120(表1)，反映二者皆为海相沉积，受淡水影响小，可能为深埋藏成因环境的产物[11]，说明两者成岩环境相似。此外，非眼球状石灰岩的Z值与眼球状石灰岩也相似，说明这两者的成岩环境也类似。

2.3微量元素特征

该次研究对上述3个眼球状石灰岩中的“眼球”和“眼皮”部分、2个非眼球状石灰岩和1个黑色硅岩样品进行了微量元素分析，结果见表2，其微量元素也存在着明显的差异。

表2　湖北兴山峡口中二叠统样品微量元素特征

注: 样品由国土资源部中南矿产资源监督检测中心分析测试。w(Sr)为Sr的质量分数；w(Ba)为Ba的质量分数；w(V)为V的质量分数；w(Ni)为Ni的质量分数。

从表2还可以看出，“眼球”和“眼皮”的微量元素V含量差异明显，“眼球”部分V的含量远高于“眼皮”部分，“眼球”部分w(V)为3.90～54μg/g，“眼皮”部分w(V)为18.6～168μg/g；而w(Ni)却相差不大，“眼球”部分为27.8～30.2μg/g，“眼皮”部分为22.6～42.2μg/g。“眼球”和非眼球状石灰岩的Ni含量和V含量均相差不大。

3　成因分析

对于扬子地区二叠系眼球状石灰岩的成因解释，目前有多种不同的观点，如差异压实[1]、压溶成因[15]、等深流和碎屑流共同作用的结果[2]，沉积和成岩共同作用的结果[3，5]。综合研究表明，研究区中二叠统眼球状石灰岩应是沉积作用和成岩作用共同作用的结果。首先，这与岩石原始成分(主要是泥质含量)的差异密切相关。当泥质含量高的沉积与泥质含量低的沉积交替出现时，就会形成两者间的互层。其次，这两种泥质含量不同的沉积物密度不同，会造成差异压实甚至压溶。对于较纯的石灰岩和含泥的石灰岩来说，二者具有明显的不均一性，就会导致较纯的石灰岩受到压剪性应力被断开，呈透镜状、似枕状，而含泥的石灰岩围绕较纯的石灰岩呈波状、似层状分布。

眼球状石灰岩是在沉积环境间歇性变化过程中形成的，可能与中二叠世中上扬子地区上升流的作用有关。主要原因如下：

1)中二叠世是全球上升流发育高峰期之一，而研究区眼球状石灰岩主要发育在中二叠统栖霞组下部和茅口组中下部，在时间上，眼球状石灰岩形成时间可能与上升流发育高峰期相对应。

2)地层记录中上升流沉积的主要证据之一是发育高密度的特殊介壳类等[16]，而研究区中二叠统眼球状石灰岩的“眼皮”部分生物碎屑以介壳类为主(图3(h))，说明“眼皮”部分可能是上升流沉积的产物。

3)上升流往往形成缺氧环境，而上升流因厄尔尼诺事件和大洋暖流等影响也会表现出阵发性和周期性的特征，可以造成沉积环境的周期性变化，即缺氧沉积环境与富氧沉积环境的交替出现，而研究区中二叠统眼球状石灰岩在纵向上表现出“眼球”与“眼皮”交替出现的周期性变化，说明眼球状石灰岩在形成过程中存在缺氧沉积环境与富氧沉积环境的交替周期性变化。

4)从缺氧相来看，研究区非眼球状石灰岩与眼球状石灰岩中“眼球”部分的特征类似。由此可见，“眼球”部分与非眼球状石灰岩成岩环境类似。

5)古地磁研究表明，研究区属中上扬子地区，中二叠世位于赤道附近[17]，是位于上升流发育的有利地区。

6)硅岩的大量富集也可以作为上升流的证据之一[18]，研究剖面中二叠统茅口组第11～13层(图2)发育硅质条带石灰岩(图3(e))，甚至薄层硅岩。因此，茅口组硅岩的大量富集为研究区存在上升流提供了证据。

7)研究区中二叠统3个“眼皮”样品的有机碳分析结果表明总有机碳质量分数为0.24%～1.94%(平均为0.86%)，有机碳含量较高。而有机碳含量与上升流的强度呈正相关关系[16]，因为上升流区富氮、富磷、富硅、富铁族元素等的营养盐，大大促进了有机质生产力，因此较高的有机碳含量也是上升流沉积的特征之一。

综上所述，研究区中二叠世具有发育上升流的良好条件。上升流发育时，形成的沉积物泥质含量较高；上升流受到抑制时，形成的沉积物中的泥质含量较低；当上升流发育时期和抑制时期不断地交替出现，就会造成泥质含量较高的沉积物与含泥较少的沉积物(或较纯的碳酸盐沉积物)交互成层，从而形成了沉积物的原始组分差异。由于后期的差异压实、压溶和剪应力的作用，形成了现在所看到的形似眼球状、似枕状、椭球状、透镜状的石灰岩(图4)。

图4　湖北兴山峡口中二叠统眼球状石灰岩形成过程示意图(据文献[19])

4　结论

1)在兴山峡口剖面上，眼球状石灰岩分布于中二叠统栖霞组下部、茅口组的中下部，由“眼球”和“眼皮”部分构成，两者之间在颜色、岩性、生物化石、微量元素、碳氧同位素等方面具有较明显的差异。

2)岩石特征、生物特征和地球化学特征综合分析表明，中二叠统眼球状石灰岩的“眼球”部分主要为富氧沉积，“眼皮”部分主要为缺氧沉积。非眼球石灰岩的成岩环境与“眼球”部分相似。

3)研究区中二叠统眼球状石灰岩是由沉积和差异压实、压溶等作用共同作用形成的，沉积过程与上升流之间关系密切，“眼皮”部分为上升流沉积的产物，眼球状石灰岩初始物质组分的形成与上升流的阵发性与周期性密切相关。

4)研究区栖霞组和茅口组眼球状石灰岩的“眼皮”部分是缺氧环境下的产物，同时也是良好的烃源岩，所以加强眼球状石灰岩不仅具有沉积学理论意义，同时在油气勘探中也具有现实意义。

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[编辑]邓磊

2015-10-07

国家自然科学基金项目(41402089)。

何明薇(1992-)，女，硕士生，现从事沉积学方面的学习与研究，936278902@qq.com。

P588.245

A

1673-1409(2016)14-0001-08

[引著格式]何明薇，罗进雄.湖北兴山峡口中二叠统眼球状石灰岩特征及成因[J].长江大学学报(自科版),2016,13(14):1～8.