美国迈阿密地区更新世鲕粒滩发育特征及控制因素

2020-05-20刘旺威高志前

科学技术与工程 2020年9期

刘旺威，高志前，*

(1.中国地质大学(北京)能源学院，北京 100083；2.中国地质大学海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京 100083)

碳酸盐岩可以作为良好的储集层，所以对碳酸盐岩储层的研究是非常有必要的[1-2]。鲕粒是一种常见的碳酸盐岩组分，鲕粒在经历成岩作用后通常会形成鲕粒滩，鲕粒滩往往是很好的储层单元[3-4]。迈阿密鲕粒滩是十分典型的现代鲕粒滩，许多学者对迈阿密鲕粒滩的进行了大量研究。Hoffmeister等[5]为了解释迈阿密鲕粒滩与微生物之间的关系，将迈阿密鲕粒滩与巴哈马大浅滩西部比米尼岛处的鲕粒进行了对比，认为迈阿密鲕粒滩与地台中部的生物相是同时期沉积的，而且碳酸盐岩体的形成与潮汐通道有密切的关系。Halley等[6]认为潮汐通道是迈阿密鲕粒滩的一部分，相当于巴哈马现代鲕粒滩中的潮坝带。Harris[7]通过对迈阿密鲕粒滩的非均质性推断鲕粒滩中不同的沉积环境对应不同相带的分布情况，类似于根据岩芯记录对沉积相进行评估。Halley等[8]对比现代鲕粒滩和迈阿密鲕粒滩有许多相似之处，两者在发育时水体的深度、鲕粒的形态、大小以及层理都十分类似，动植物化石的分布、成岩过程也大致相同，但是两者的细节特征还是有很大的差别，由于鲕粒滩形成时受到古地形以及水动力条件的影响，因此在鲕粒滩中浅滩和砂体的形态和方向就会有很大的差异。Halley等[8]认为迈阿密鲕粒滩的潮汐带以及河道区交错层理最厚可达2 m，在障壁滩处的交错层理厚度范围为2～4 m，斑驳相区域交错层理的厚度接近3 m。Evans[9]对焦耳特滩和迈阿密鲕粒滩做了深入的类比，对迈阿密鲕粒滩相带分布以及沉积发育史做了进一步的剖析，迈阿密鲕粒滩早期阶段受到潮汐的影响形成了类似于焦耳特滩的形态，随后该鲕粒滩在潮汐通道的基础上发育形成了障壁滩。Evans[9]和Usdun[10]通过对障壁滩中的储层以及障壁后通道进行观察，总结了鲕粒沉积物的变化特点，在障壁滩中呈交错层理的鲕粒灰岩相其颗粒分选一般较好；而在水体较深的障壁后通道中通常发育生物潜穴相；在潮汐水道区可见残余层状的泥质鲕粒灰岩相。Evans[9]和Usdun[10]通过对迈阿密鲕粒滩的取芯研究，建立了沉积模型，解释了迈阿密鲕粒滩沉积相的分布。Grasmeuck等[11]对比了焦耳特滩与迈阿密鲕粒滩两者中的通道和障壁滩，发现两者十分类似，并在雷达图像中发现了障壁滩中层理的倾角随着高度的增加而变大。Harris[12]等认为迈阿密鲕粒滩的形态特征与现代鲕粒滩系统大致相同。Usdun[10]对迈阿密鲕粒滩中潮汐通道的数量以及累计长度进行了详细的统计，其中累计长度达到229 km，通道数量为43条。Purkis等[13]和Harris等[14]利用卫星激光雷达技术结合野外露头对迈阿密鲕粒滩地表岩溶的形态和特征做了细致的分析，认为迈阿密鲕粒滩中的障壁滩和浅滩长期处于暴露环境中，持续受到大气水以及浅层地下水的溶蚀，这种成岩蚀变导致了大量的漏斗状溶洞以及层状溶洞的形成。通过总结前人对迈阿密鲕粒滩的研究，并结合高分辨率的卫星激光雷达绘图和实地野外露头考察对迈阿密鲕粒滩的地层背景、形态特征、控制因素、沉积相分布，对成岩作用进行总结和分析，希望对类似的现代鲕粒滩的研究起到借鉴和参考作用。

图1 迈阿密卫星图[15]Fig.1 Miami satellite map[15]

1 研究方法

采用高分辨率的卫星激光雷达绘图和实地野外露头勘探结合的方法对迈阿密鲕粒滩的发育特征和控制因素进行了总结和分析。

高分辨率的卫星激光雷达绘图，又称LiDAR(light detection and ranging)，是一种光学遥感技术，可以在大面积范围内精确测量地形，该技术用于迈阿密地区的地形测量，可以得到更为精确的地形图，也能记录气候的变化以及海平面的升降情况。Harlem[15]在迈阿密彩色卫星图[图1(a)]和迈阿密初始卫星图[图1(b)]的基础之上绘制迈阿密数字地面模型图，又称LiDAR DTM(light detection and ranging digital terrain model)[图1(c)]，该图有助于可视化迈阿密鲕粒滩的形态特征。

在迈阿密鲕粒滩的野外实地露头勘察中，主要针对科勒尔盖布尔斯河道附近障壁滩中向陆侧发育的生物潜穴鲕粒相与层状鲕粒灰岩相，以及爱丽丝温赖特公园障壁滩中向海侧发育的原生结构和斑驳状层理做了勘察和分析。

2 区域地质概况

迈阿密位于美国佛罗里达州南部，南邻比斯坎湾，东接大西洋，面积约143 km2[16](图2)。迈阿密鲕粒滩广泛发育于佛罗里达州南部大部分地区的更新世时期，由两个独立的单元组成，位于上部的鲕粒相和位于下部的生物相(图2)。迈阿密鲕粒滩既有原始沉积特征，也有成岩后生变化的特征。该地层可作为与巴哈马全新世砂岩单元的对比实例，更重要的是可以作为标准层对于区域性的地层对比有重要的意义；在迈阿密鲕粒滩的露头中可以观察到沉积环境在空间上的差异性，例如在潮汐作用下形成的羽状交错层理和大量的生物遗迹化石，以及各种早期的成岩作用造成碳酸盐岩储集层的非均质性，这些对现代鲕粒滩的研究提供了对比和参考。

图2 佛罗里达东南部和佛罗里达群岛区域地质图[16]Fig.2 The geology of southeastern Florida and the Florida Keys[16]

迈阿密鲕粒滩在阿纳斯塔西娅组和基拉戈组灰岩中都有不同程度的发育。迈阿密鲕粒滩北部与阿纳斯塔西娅组相交，南部与基拉戈灰岩相交汇(图2)，其与下伏地层呈不整合接触，底部岩性以层状泥晶灰岩和薄层灰岩为主。在迈阿密附近区域，迈阿密鲕粒滩发育在MIS 5E(marine oxygen isotope stage 5E)初期形成的石英砂岩之上，MIS 5E之前，迈阿密鲕粒滩的北部和南部地区主要发育基拉戈组，该区的隆起之间有一个较大的凹陷，该凹陷主要沉积汤普森堡组、阿纳斯塔西娅组和基拉戈组。在MIS 5E的海侵期间，凹陷往往可以加速潮汐的变化周期，这为鲕粒的生长提供了有利的条件[17]，随着水动力增强，碳酸盐岩的沉积速率也随之增强，从而碳酸盐岩地台进一步向北和向东扩张，最终形成碳酸盐岩沉积区。

对迈阿密鲕粒进行铀同位素测年，确定其形成时间距今130万年[18]，相当于MIS 5E时期，这进一步的证实了迈阿密鲕粒滩与构成佛罗里达群岛上部以及大西洋沿海洋脊的阿纳斯塔西娅组和基拉戈组的等时性。

3 迈阿密鲕粒滩的野外考察

迈阿密鲕粒滩分布范围广，从北部的劳德代尔堡延伸到南部的霍姆斯特德，整体长度超过100 km，平均宽度约10 km，其中部分区域有较好的露头显示，选取迈阿密中部的科勒尔盖布尔斯河道(站点1)，北部的爱丽丝温赖特公园(站点2)为观测点(图3)，原因在于这些区域的露头出露特征好，保存完好，有利于观察。

图3 卫星激光雷达DTM图中科勒尔盖布尔斯河道和爱丽丝温赖特公园的位置(据碳酸盐岩研究实验室修改，2016)Fig.3 Location of Coral Gables Waterway and Alice Wainwright Park in LiDAR DTM (revised according to carbonate search laboratory,2016)

图4 位于科勒尔盖布尔斯南部典型的迈阿密鲕粒滩露头Fig.4 The classic Miami oolite outcrop on the southern side of the Coral Gables Waterway

3.1 科勒尔盖布尔斯河道

顺着东西走向的科勒尔盖布尔斯河道向比斯坎湾的路程中有许多浅滩、潮汐通道以及障壁滩的露头，其中位于英格拉罕公园的露头是较为典型的障壁滩，该处露头位于障壁滩的向岸侧。通过观察露头，在该站点识别出交错层理以及粒度的变化特点，还识别出生物潜穴鲕粒相与层状鲕粒灰岩相这两种不同相带之间的连续性以及变化性。

在科勒尔盖布尔斯河道附近障壁滩的露头中，交错层状鲕粒灰岩相中可以识别出明显的槽状交错层理以及羽状交错层理(图4)。在该露头中还有一些将交错层理分隔开的界面，这些界面为二级界面，这些二级界面是各个砂波迁移的所产生的曲面。上部的低角度交错层理以及障壁滩的沉积序列，该现象说明在沉积末期为高能浅水环境，受到潮汐通道的影响，障壁滩不断向岸生长发育。

Halley等[8]认为交错层理的方向是因为受到向东流动的潮汐水流而形成的。虽然该露头处大部分交错层理的倾角都是向东的，但是在沿着水道的区域也发现了双向交错层理，其中向西倾的纹层是受到向西流动的水流控制形成。向东倾的交错层理远多于向西倾的交错层理，说明在沉积过程中，潮汐作用占据主导地位。

3.2 爱丽丝温赖特公园

位于爱丽丝温赖特公园西南-东北方向的露头是障壁滩的向海侧，该露头海拔4.5 m，整个露头出露2.7 m，其中上部为斑驳状的纹层，发育有丰富的管状结构，厚度约为2.1 m，下部约60 cm的地层单元保留了地层的原生结构(交错层理)(图5)。在温赖特露头中发现的生物遗迹化石种类丰富，包括蛇形管和海葵洞穴结构(图6)。在该露头中可以看出其下伏交错层与上伏的斑驳层之间没有明显的界面，两个不同的单元之间呈现一种过渡状态，这种连续性表明受到潮汐水流作用形成的交错层状鲕粒相随后又受到了各种生物扰动的作用[8]，从而形成斑驳状层理。

图5 爱丽丝温赖特公园交错层理与斑驳状层理的露头Fig.5 Outcrop of cross-bedded sand and mottled unit in Alice Wainwright Park

图6 爱丽丝温赖特公园蛇形管和海葵洞穴结构Fig.6 Ophiomorpha tubes and rare sea anemone burrow structures in Alice Wainwright Park

4 迈阿密鲕粒滩的特征及控制因素

4.1 迈阿密鲕粒滩的形态

迈阿密鲕粒滩构成了佛罗里达州大西洋沿岸洋脊的最南端，该洋脊被分为两个部分[17]：一个以浅滩和潮道呈弧形排列为特征，其方向垂直于陆架断裂；另一个以平行于陆架断裂的障壁滩为特征(图7)。

图7 迈阿密鲕粒滩的岩相古地理图[6]Fig.7 Paleogeographic map of Miami oolite[6]

在迈阿密鲕粒滩中，潮汐通道对于鲕粒滩的形成有重要的影响，潮汐通道的分布直接影响鲕粒滩的形态，结合野外露头的证据，在露头中有大量双向交错层理以及遗迹化石的分布，这进一步证明了该单元的形成与潮汐作用有密不可分的联系。

迈阿密鲕粒滩的最高点位于障壁滩区域，而且在迈阿密鲕粒滩系统形成的后期阶段，受到障壁滩的影响，潮道和浅滩的方位和形态都发生了变化，部分潮道和浅滩因此改道或断流[8]，迈阿密鲕粒滩对应的形态随着潮汐通道的改变也发生了相应的变化，其截面整体为楔形，最大厚度为13 m[8,17]，其中既保留了许多原生沉积特征，也能观察到受溶蚀作用影响的成岩痕迹(图8)。

4.2 沉积相分布

迈阿密鲕粒滩中主要分布两种岩相。

(1)呈交错层理的鲕粒相，其层理的厚度为10 cm～2 m，平均倾角约为26°，方向在N70°E～S60°E[8]。在交错层理中鲕粒的粒度和分选有较大的区别，在潮汐水流的影响下，形成双向交错层理，图9所示为沿科勒尔盖布尔斯河道附近出露的双向交错层理。图10所示为不同期次交错层理的厚度变化，说明该单元在多期次的潮汐作用的影响下形成。

图8 迈阿密鲕粒滩东西向截面图[17]Fig.8 EW-trending cross-sectional map of Miami oolite[17]

图9 迈阿密鲕粒滩中的双向交错层理Fig.9 Bi-directional cross-bedding in Miami oolite

图10 迈阿密鲕粒滩中多期次交错层理Fig.10 Multiple periods cross-bedding in Miami oolite

图11 爱丽丝温赖特公园生物潜穴型泥质鲕粒灰岩相露头Fig.11 Outcrop of the burrow-mottled ooid-peloid grainstones at Alice Wainwright Park

(2)生物潜穴型泥质鲕粒灰岩相(图11)，该相是由生物在层状的泥质鲕粒灰岩还未固结的沉积面向下钻孔形成的，由于生物的扰动作用，层状层理逐渐变为生物潜穴相和生物遗迹相。在该相中发现了3种遗迹化石：蕨类植物的嵌套锥形遗迹化石[19]、穴居虾的口交管遗迹化石以及带状杆状遗迹化石。其中穴居虾的口交管遗迹直径为1～3 cm，管壁内有泥质附着，管壁外部形状不规则，受到流体作用时，其管体内部容易溶蚀，而管壁不易被溶蚀。这些遗迹潜穴经过再沉积作用以及后期的胶结压实作用，具有很强的抗风化能力，不易受到周围沉积物的影响。

4.3 成岩作用

更新世时期，沉积物在海平面低位期暴露于陆上，基于亚稳定的文石以及方解石的性质，在此期间易受到外界环境的影响。根据露头的资料显示，在迈阿密鲕粒滩中存在多种胶结作用，且胶结作用一般发生在两种浅层地下环境之中：①受到大气渗滤的影响，水在重力的作用之下向下渗滤，由于颗粒之间毛细管作用力的限制，成岩矿物呈明显的弯月面和微乳石形态；②受到地下水渗滤的影响，在浅层地下区域通常处于流体饱和状态，因此成岩矿物的生长和发育十分均匀，往往呈等致分部。

根据迈阿密鲕粒经历成岩作用时受到原生结构的影响程度，将其分为三种类型[17]。

(1)整体受原生结构影响的成岩作用，该类型的成岩作用主要受到原生结构的影响，主要为早期胶结作用对其进行改造，对应的孔隙度较好。在整个迈阿密鲕粒滩中该种成岩作用占据主导地位，在各处露头都可以观察到。

(2)部分受原生结构影响的成岩作用，该种类型的成岩作用主要发生在成岩后期阶段，对大型河道以及溶洞的发育有重要意义。

(3)不受原生结构影响的成岩作用，沉积物在该类型成岩作用的影响下，其灰岩表面通常会部分溶蚀，生成残余物和不溶性碎屑。

在迈阿密鲕粒滩原生结构的基础之上，早期胶结作用会保存其原始的结构。受到水动力的作用，较细的颗粒会优先胶结，而较粗的颗粒则会保持未胶结状态或者部分胶结。由于晶体之间的胶结作用，早期共生序列中的孔隙度呈现降低趋势；在成岩作用的后期阶段，原生结构对成岩作用有很大的影响，由于文石以及次生方解石的溶蚀，孔隙度表现为增大的趋势。

碳酸盐岩在大气渗滤作用的影响下某些成分会被溶蚀，被溶蚀的部分在后期的成岩作用中又会被填充，这种溶蚀作用以及再沉积作用对鲕粒滩的孔渗性有着很大的影响，而且这两种成岩作用伴随着大气渗滤作用会一直持续，其对鲕粒滩的改造也会一直持续。总的来说，由于早期胶结作用和溶蚀作用的影响，对应的孔隙度既有增大的情况，也有减小的情况。