巴西桑托斯盆地下白垩统湖相碳酸盐岩球粒—树枝状组构特征与成因*

2023-10-09孙海涛黄小洁范国章黄小娟王红平钟大康周思宇

古地理学报 2023年5期

孙海涛黄小洁杨柳范国章黄小娟王红平钟大康周思宇

1 中国石油大学（北京）地球科学学院，北京102249

2 中国石油大学（北京）碳酸盐岩研究中心，北京102249

3 中国石油杭州地质研究院，浙江杭州310023

自2006年巴西桑托斯盆地下白垩统Barra Velha组（简称BVE组）碳酸盐岩首次获得油气勘探突破以来，这套盐下碳酸盐岩储集层就成为了巴西深水勘探热点层位，同时也是科学研究的热点领域（康洪全等，2018b）。BVE组盐下碳酸盐岩含有占比较多、形状较为特殊的球粒状及树枝状组构，故揭示这些球粒状及树枝状组构的成因既是重要的理论挑战，也对盐下碳酸盐岩储集层预测研究具有重要意义。

对于BVE组球粒状及树枝状组构的成因解释，目前主要有2类观点：（1）微生物成因（王颖等，2017；康洪全等，2018a；张德民等，2018；Gomesetal.，2020；罗晓彤等，2020；何赛等，2022；朱奕璇等，2022），认为这类灰岩属于微生物球粒灰岩和叠层石藻灰岩，球粒状组构和树枝状组构的形成与微生物生长过程有关，受控于微生物的生活习性；（2）非生物成因，认为球粒状、树枝状组构可能是在特殊条件下由化学沉积作用形成的，其独特的形态与碱性火山湖（Mercedes-Martínetal.，2021）、蒸发湖（Fariasetal.，2019）、地幔蛇纹岩作用和盐水渗透作用（Fariasetal.，2019；Loubacketal.，2021）等特殊盐度或温度条件有关，例如放射球粒状组构是在高碱度、高Ca／Mg环境下形成的（Rogersonetal.，2017）。近年来，许多学者针对加拿大BC省Clinton、美国新墨西哥Belen、土耳其Obruktepe、英国Brook Bottom 等地的钙华露头开展研究（Jones and Renaut，2008；Cook and Chafetz，2017；Lopezetal.，2017；Bastianinietal.，2022），虽然已揭示出钙华碳酸盐组构与BVE组球粒状和树枝状组构之间具有相似性，但并未明确提出BVE组碳酸盐岩的沉积成因。这一沉积成因认识的分歧直接影响到BVE组碳酸盐岩的分类及命名体系，而混乱的岩石名称（如叠层石灰岩、生物灰岩、球粒灰岩、树枝状叠层石灰岩等）也影响到BVE组的沉积学研究及油气勘探。

因此，基于从微观到宏观的研究思路，笔者利用岩心、薄片开展系统的岩石学分析，结合前人少量的元素及同位素测试数据，系统分析巴西桑托斯盆地BVE组碳酸盐岩的结构组分类型，阐述不同结构组分的特征及其垂向组合序列，并进一步探讨各类结构组分的沉积环境，提出BVE组的沉积成因模式。该研究对桑托斯盆地湖相碳酸盐岩的成因和油气储集层分布研究具有一定的指导意义。

1 区域地质概况

桑托斯盆地位于巴西东部海岸（图1－a），是在大陆裂解过程中逐渐沉积充填而形成的中生代盆地（图1－b）。白垩纪以来，桑托斯盆地先后经历了裂谷期、拗陷期、过渡期、漂移期等构造演化阶段（图2）：裂谷期是从中晚欧特里夫期到早阿普特期，早期发生过大规模火山活动，形成Camboriu组玄武岩，随后伴随大规模裂陷活动和海侵，发育Picarras组黑色页岩，之后沉积Itapema组介壳灰岩；中阿普特期，盆地处于裂谷后期至拗陷期，沉积Barra Velha（简称BVE）组碳酸盐岩；晚阿普特期至早阿尔必期，盆地处于过渡期，发育海陆过渡相Ariri组蒸发岩；之后进入漂移期，持续沉积海相碎屑岩和碳酸盐岩（罗晓彤等，2020）。

图1 桑托斯盆地位置及研究区钻井分布（据Nunn and Harris，2007；朱奕璇等，2022）Fig.1 Location of Santos Basin and study well（after Numm and Harris，2007；Zhu et al.，2022）

图2 桑托斯盆地下白垩统构造阶段及岩石地层综合柱状图（据罗晓彤等，2020；何赛等，2022）Fig.2 Stratigraphy column of the Lower Cretaceous with tectonic stages in Santos Basin（after Luo et al.，2020；He et al.，2022）

早白垩世，桑托斯盆地南部发育的Walvis海脊（图1－b中WR）和Rio凸起（图1－b中RGR），造成盆地与南大西洋之间连通不畅（Nunn and Harris，2007），主要发育湖泊沉积（图2）。BVE组埋藏深度超过5000m，沉积厚度最大可达600m，以泥晶灰岩和含有球粒状、树枝状结构组构的灰岩为主。

2 BVE组碳酸盐岩主要结构组分及其特征

依据桑托斯盆地7口钻井的156张薄片分析，BVE组碳酸盐岩结构组分有灰泥、颗粒和胶结物。按照粒度、形态和成因，可识别出泥晶、球粒、扇状、丛状、树枝状及砂屑、砾屑等颗粒结构组分（表1）。

2.1 泥晶

BVE组泥晶粒径小于0.01mm，部分粒径小于0.005mm，主要成分为方解石，占全部结构组分的8%～19%，平均占比13%。该类灰岩发育块状层理（图3－a）、水平层理和波状层理。一般而言，在正常温度和盐度的低能环境条件下，受生物作用和溶解度影响，碳酸钙结晶、聚集、沉积形成泥晶（图3－b）。

图3 桑托斯盆地BVE组各类结构组分的镜下照片Fig.3 Typicalmicroscopic photographs of structural compositions of the BVE Formation in Santos Basin

2.2 球粒

球粒即球粒状组构，是指外形为球形的多晶方解石组构，其在三维方向上接近等长。大部分球粒形态规则，在正交偏光镜下呈十字消光（图3－c）。粒径为0.25～1mm，在BVE组结构组分中占比最大，介于19%～30%之间，平均占比26%。球粒之间多呈点接触，粒间常被泥晶方解石充填（图3－d）。

2.3 扇状、丛状、树枝状组构特征

除球粒以外，具有波状消光的还有扇状、丛状和树枝状等特殊形状的组构，前人认为这可能是由于微生物诱发或微生物体粘结造成方解石快速生长而形成的特殊形状（图3－e）。该类组构粒径为0.5～2mm，根据长宽比进一步细分为扇状（长／宽≤1，图3－f）、丛状（长／宽＞1，图3－g）和树枝状（长／宽＞2，图3－h）。颗粒外形完好，无破碎，颗粒之间多充填泥晶方解石或发育粒间孔隙（图3－i）。显微镜下呈波状消光，为束状或纤维状方解石矿物集合体。这类颗粒在BVE组中占比9%～11%，平均占比10%。

2.4 内碎屑

除了球粒—树枝状组构外，BVE组还发育部分形状不规则或者形态残缺的碎屑颗粒（图4－a）。这些碎屑颗粒普遍遭受冲洗和打磨，边缘发生磨损，甚至部分破裂，形态也变得不规则（图4－b），在正交光下碎屑颗粒消光也毫无规律。根据颗粒大小或结构，内碎屑可进一步分为砂屑（＜2mm）和砾屑（＞2mm）。碎屑颗粒之间常未充填，或部分充填胶结物（图4－c，4－d）。

图4 桑托斯盆地BVE组碳酸盐岩的改造颗粒特征Fig.4 Modified granular characteristics of carbonate rocks of the BVE Formation in Santos Basin

2.5 沉积序列特征

BVE组不同结构组分在垂向上表现为A、B和C的3段式序列（图5）。底部A1段主要为泥晶，部分夹硅质条带，为旋回初期水体最深时的沉积；向上A2段发育少量球粒，球粒漂浮在灰泥基质间，孔隙基本不发育。中部B1段球粒增多，球粒之间被灰泥充填，有时含有少量白云石，孔隙零星发育；B2段球粒最多，灰泥充填较少，白云石含量增加。上部C1段发育扇状—树枝状组构，粒间部分被灰泥充填，孔隙发育程度一般；顶部C2段主要以树枝状组构为主。

图5 桑托斯盆地BVE组不同结构组分的沉积序列Fig.5 Sedimentary sequence of various structural components of the BVE Formation in Santos Basin

3 BVE组球粒—树枝状组构地球化学特征

BVE组球粒—树枝状组构的形态十分特殊，其成因研究已经成为碳酸盐岩研究热点，同时也是分析BVE组沉积相带展布的重要依据。由于无法获取实物样品，本次地球化学特征研究主要是利用前人的BVE组球粒—树枝状组构元素和同位素测试数据，在岩石学特征分析的基础上进一步解释这些地球化学数据。

3.1 主、微量元素特征

采用LA－ICP－MS对BVE组样品原位微量元素进行分析，发现BVE组球粒和树枝状组构样品的Sr和Ba含量异常，其中Ba含量为56～125μg／g，Sr含量为2961～5530μg／g（表 2，Fariasetal.，2019），Sr／Ba值异常高，为30～100。同时，所有样品的Fe／Mn值为0.2～2.59（表2）。

表2 桑托斯盆地SB－2井BVE组球粒和树枝状组构微量元素分析结果（数据来自Farias et al.，2019）Table 2 Trace elements content of spherulitic and arborescent calcite of the BVE Formation from Well SB－2 in Santos Basin（data from Farias et al.，2019）

3.2 团簇同位素特征

依据碳酸盐团簇同位素（Δ47）测试，可以获得碳酸盐矿物的生长温度（李平平等，2017）。2019年，Farias等对BVE组不同组构的少量碳酸盐岩样品进行了碳酸盐团簇同位素测试，计算出不同组构碳酸盐矿物生长的古温度范围为49.5～72.9℃（图6），其中球粒形成温度为57.97℃，树枝状组构为64.36℃，砂屑为61℃，泥晶为49.57℃。这一组数据说明BVE组碳酸盐矿物的形成温度较高。

图6 桑托斯盆地SB－2井BVE组球粒和树枝状矿物团簇同位素Δ47计算温度的散点图（据Farias et al.，2019）Fig.6 Δ47 calculated tempreture of carbonate clumped isotope of spherulitic and arborescent calcite of the BVE Formation from Well SB－2 in Santos Basin（after Farias et al.，2019）

3.3 稳定同位素数据特征

碳氧同位素测试结果（Fariasetal.，2019）表明，BVE组球粒的δ18O 值为1‰～3‰，δ13C值为－1.8‰～2‰，且δ18O 和δ13C变化趋势相似，均具有升高趋势（图 7）。树枝状组构的 δ18O 值为－0.05‰～3‰，δ13C值为0.2‰～4‰，但当树枝状组构的δ18O值升高时，δ13C值却逐渐降低。颗粒之间为泥晶，其δ18O 值为1.8‰～2.6‰，δ13C值为－0.6‰～2‰。

BVE组碳酸盐岩的锶同位素值也比较特殊。在Farias等（2019）测试的样品中，87Sr／86Sr值全都处于0.71200～0.71400之间，而朱奕璇（2022）公布的 BVE 组样品87Sr／86Sr值为 0.706405～0.713699，且BVE组上段和下段样品的结果均高于中段（表3）。

表3 桑托斯盆地BVE组锶同位素分析结果统计（数据来自朱奕璇等，2022）Table 3 Strontium isotope test results of the BVE Formation in Santos Basin（data from Zhu et al.，2022）

4 BVE组沉积环境与成因模式

4.1 沉积环境

根据BVE组碳酸盐岩岩石学特征，结合地球化学数据，笔者认为BVE组沉积环境具有高温、高盐度、高能的特征。

1）高温特征。根据BVE组球粒、树枝状组构特征及泥晶的团簇同位素分析结果计算出来的温度范围（46～73℃）推测，BVE组碳酸盐沉积环境的温度超出了地表常温。需要注意的是，用稳定同位素分析古环境时需要考虑矿物是否发生蚀变，最可靠的数据是来自于未经成岩蚀变的样品，例如未蚀变的生物钙壳，而经历成岩作用或热液影响后同位素会发生重排，造成计算温度往往高于实际温度（Pietzsch，2021；朱奕璇等，2022）。但这也存在争议，如Stopler和Eiler（2015）曾提出过受热液影响但并非同位素重排的影响因素。文中引用的团簇同位素数据分别来自于泥晶、砂屑、球粒和树枝状组构（Fariasetal.，2019），且从泥晶（49.57℃）、球粒（平均57.97℃）、砂屑（61℃）到树枝状组构（平均64.36℃，最大72.9℃），温度依次呈升高趋势，与球粒—树枝状组构的岩石学特征所反映出的快速结晶生长特征一致。

2）高盐度特征。主、微量元素及稳定同位素结果表明，BVE组碳酸盐岩形成于高盐度的水体环境。Sr／Ba值高达 100（Fariasetal.，2019），Fe／Mn值也存在升高趋势，且利用方解石和水的氧同位素分馏公式计算出的古水体氧同位素值也比较高。根据Keith和Weber（1964）的古盐度计算公式，得到BVE组的Z值为90～133（朱奕璇等，2022）。所以，BVE组沉积时期为高盐度咸水环境。

3）高能特征。BVE组除了发育球粒—树枝状结构组分外，还发育砂屑、砾屑、鲕粒等碎屑颗粒。碎屑颗粒具有一定磨圆度和分选性，颗粒之间充填亮晶胶结物或者保留粒间孔隙。因此，这些内碎屑沉积部位具有较强的水动力条件。

4）生物活动特征。从碳同位素的变化趋势看，BVE组球晶的δ18O和δ13C变化趋势一致，同时存在升高趋势（图7），而树枝状组构的δ18O 升高时，δ13C则逐渐降低，这可能反映出在高温、高盐度环境下，沉积环境中的碳元素可能受到了生物活动的影响。但是，在笔者收集的岩石学证据中，并未发现生物的直接证据，且朱奕璇等（2022）报导的薄片中的介形虫并未参与到球粒或树枝状组构中。不可否认的是，BVE组沉积环境中确实是存在生物活动的，但生物对球粒和树枝状组构形成的影响却不是很重要。

图7 桑托斯盆地BVE组球粒和树枝状组构的碳氧同位素分布（同位素数据来自Farias et al.，2019）Fig.7 Carbon and oxygen isotope distribution of different spherulitic and arborescent calcite of the BVE Formation in Santos Basin（isotope data from Farias et al.，2019）

4.2 球粒—树枝状组构的沉积成因

基于对BVE组沉积环境的分析，结合岩石学证据和地球化学数据，笔者重点探讨了泥晶、球粒及树枝状组构的沉积成因。

1）泥晶的形成。当湖水中［M＋］·Ksp（M 为Ca、Fe等离子的摩尔浓度，Ksp为容度积），就会发生CaCO3的沉淀。根据BVE组泥晶灰岩的结构和构造特征，认为泥晶形成于水体较深的低能部位，是由泥晶方解石正常沉积、均匀缓慢堆积而成的（图8）。

图8 桑托斯盆地BVE组球粒—树枝状组构的沉积成因模式Fig.8 Sedimentary origin model of spheroid-shrub components of the BVE Formation in Santos Basin

2）球粒的形成。球粒是在高温、高盐度的浅水部位快速沉积形成的。随着沉积位置变高，水体深度变浅。当温度较高时，水体蒸发程度加剧，进一步导致研究区水体的盐度偏高。同时，由于高温，水体中的CO2容易发生脱气现象，造成水体中的Ca2＋浓度升高，碳酸钙发生快速结晶。纤维状或棱柱状方解石在生长堆积过程中，受水体能量增加干扰，快速聚集成三轴相近的球粒状形态；加上该时期生物活动较为强烈，故研究区地层中的较浅部位主要沉积多晶方解石集合体的球粒（图8）。前人研究表明，在盐度相当于2.08 g／L的NaCl溶液、没有生物作用的条件下，可形成外部形态呈完美球形的方解石球粒（Mercedes-Martínetal.，2022），内部具纤维径向和多晶结构，球粒以单个物体（直径最大30μm）的形式出现；当盐度不变、有生物作用加入时，会产生具有更平滑纹理和聚集形式的方解石球粒；当湖水盐度升高至10.40 g／L且无生物作用时，会发育显示内部纤维径向和多晶结构的球粒，且粒径更大（图8）。

3）树枝状组构的形成。随着沉积部位继续变浅，水体的能量减弱，高温、高盐度会导致碳酸钙快速结晶成球粒；而随着球粒的逐渐长大，当水体能量无法使其旋转时，晶体则向某一侧快速生长并形成扇状组构（图8；图9－a）；随后，继续生长表现出分枝特征，外部形态发展为纤维状紧密、相对笔直、堆积的丛状—树枝状组构。这种快速生长基本上是由高盐度和高温度控制的，与热水钙华沉积过程相似。树枝状组构的生长速度和规模往往是在湖平面附近最快，因为该部位最浅，湖水表面的温度和盐度最高。随着气候变化和湖平面变化，会形成亮层和暗层交替的韵律层（图5）：随着气候变化及大气降水的补充，或者温度降低，生物活动性和盐度会降低，导致这一时期球粒和藻粒缓慢或停止生长；同时个别球粒外形成暗色包壳，或有生物遗体或镁硅酸盐黏土存在，形成较薄的具有纹层结构的暗色泥晶灰岩（图9－b）。随着气候再次变化，温度再次升高，水体蒸发加剧，导致水体盐度升高；同时水体中的CO2发生脱气现象，造成水体中的Ca2＋浓度升高。此外，该时期生物活动强烈，上述这些因素共同作用，导致这一时期方解石快速结晶，并在生物诱导下沉淀堆积形成球粒—树枝状组构（图9－c）。最终，可形成纵向分布序列（图5）。

图9 不同气候条件下桑托斯盆地BVE组球粒—树枝状组构形成的沉积序列Fig.9 Sedimentary sequence of spheroid-shrub components of the BVE Formation in Santos Basin under different climate conditions

4.3 BVE组沉积模式

关于BVE组碳酸盐岩中的球粒和树枝状组构，前人也曾提出过不少成因模式（王颖等，2016；Herlingeretal.，2017；Mercedes-Martinetal.，2017；罗晓彤等，2020）。结合区域构造背景，笔者提出了桑托斯盆地BVE组的热水沉积模式，即深大断裂沟通的热液及火山活动共同作用，导致了高温、高盐度的局限浅水湖相碳酸盐岩沉积。

早白垩世，桑托斯盆地东南部的Walvis海脊阻挡了其与大西洋的连通（图1－b，Nunn and Harris，2007），在桑托斯盆地形成局限环境，同时裂谷期发育的多条北东—西南走向的深大断裂将盆地分割成隆凹相间的格局（图1；图10）。BVE沉积时期，伴随有大量火山活动（Forneroetal.，2019），同时沿深大断裂有热液流体涌入湖盆，造成湖盆局部位置温度升高并接受大量盐类物质补给。在海平面上升时期，海水频繁越过东南方向的Walvis海脊向盆地补充盐类物质，最终形成了高盐度、高温度的沉积环境，这为球粒、扇状—树枝状组构的形成提供了良好的化学条件。垂向岩性序列特征（图5；图9）的发育，可能与气候及生物活动有密切关系。此外，浪基面之上局部高能环境中，也形成了大量砾屑、砂屑和鲕粒等碎屑颗粒。

图10 桑托斯盆地BVE组碳酸盐岩沉积成因模式Fig.10 Carbonate rock sedimentary model of the BVE Formation in Santos Basin

前人也提出过BVE组碳酸盐岩的几种成因，例如微生物成因、碱湖成因或者钙华成因等（Cook and Chafetz，2017；Lopezetal.，2017；Rogersonetal.，2017；Fariasetal.，2019；Gomesetal.，2020；Mercedes-Martínetal.，2021），但尚都有争论。例如微生物成因是最早被提出来的，然而目前在BVE组球粒和树枝状组构中还未找到生物结构或者生物结构残留，没有直接证据证明生物活动或生物体直接参与了树枝状类颗粒的形成。当然也可能是观测手段的问题，有学者建议从宏观、中观、显微及亚显微4个层次进行微生物碳酸盐岩研究（吴亚生等，2021）。其次，碱湖成因模式被认为是局限环境下的强烈蒸发作用导致这些特殊结构组分的形成，这与盆地构造背景比较吻合，但在如此强烈的蒸发作用下未见大规模的膏盐岩沉积确是值得探讨的问题。针对地幔流体来源说，也有学者认为锶同位素特征并不支持幔源流体（Pietzsch，2021）。实际上，热液活动已有岩石学方面的证据，前人观察到了大量粒间的石英、重晶石等热液矿物（Lima and de Ros，2019），而且幔源锶是亏损的，在地幔里锶是不相容元素，总体含量较少，所以即使有幔源物质混入，也不会显著降低锶同位素比值；相反，研究样品锶同位素比值显著高于同期海水的比值（0.7073～0.7077），所以必然有地壳岩石混入，或是风化物质混入，或者是幔源流体在通过地壳过程中侵蚀地壳岩石并携带进入湖盆，最终形成了较高的锶同位素比值。

总之，虽然很多学者都针对桑托斯盆地BVE组特殊的碳酸盐结构组分的成因开展了研究，但由于实物资料缺乏等各种原因，目前还没有确切统一的结论，这一研究还需要持续开展下去。