新疆桑株剖面二叠系克孜里奇曼组生物礁基本特征

王翼君，王振宇，唐洪明，杨光，张云峰，屈海洲

西南石油大学地球科学与技术学院，成都 610500

0 引言

生物礁碳酸盐岩是碳酸盐沉积体系的重要组成部分。国内外油气勘探开发的实践也表明，生物礁相往往孕育着大中型油气田和丰富的固体矿产资源[1-6]。自20世纪70年代末，伴随着我国南方生物礁油气藏的勘探开发实践，对于我国南方二叠系生物礁的研究有了长足的进展，相关研究论文众多。21 世纪初，伴随着塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩储层的勘探开发，对于塔里木盆地奥陶系生物礁的研究也取得了重大突破[7-14]。但是，与此同时，对于塔里木二叠系生物礁的研究进展却相对缓慢。20 世纪80年代末，江汉石油学院的地质人员在塔里木盆地西南缘皮山、叶城、莎车一带发现了丰富的石炭系—二叠系生物礁，并有针对性地选择了皮山县桑株镇克孜里奇曼组村附近的桑株剖面二叠系克孜里奇曼组生物礁进行了描述，对其生物特征、微相特征和油气地质意义进行了初步探讨[15-17]；也有学者对于塔里木盆地西北缘的二叠系礁灰岩有所涉足[18-19]。但总体来看，对于塔里木盆地及其周缘二叠系生物礁的研究成果较少，且多集中在宏观地质层面，缺乏微观上的研究，对于其成岩作用、礁体演化模式等方面的研究相对欠缺。因而，对塔西南石炭系—二叠系生物礁进行深入研究，对于深入研究该地区二叠纪的古气候、古环境以及指导该地区二叠系生物礁油气勘探具有重要意义。在前人研究的基础上，结合野外露头观察和室内分析，深入分析了桑株剖面克孜里奇曼组生物礁发育特征（包括古生物特征、礁相特征等），提出了礁体演化模式，并初步讨论了礁体的成岩作用类型等，以期为塔西南地区二叠系生物礁的深入研究提供有益的参考。

1 区域地质概况

从早石炭世开始，塔西南地区自西向东开始海侵，此时塔西南地区为浅海陆棚环境；早石炭世晚期，在原有的混积陆棚的基础上，塔西南地区开始发育碳酸盐岩台地相；到晚石炭世—早二叠世初期，海侵达到高潮，塔西南地区整体上为东高西低的古地貌特征，与此同时，塔西南地区的碳酸盐岩台地也达到了最大规模。早二叠世中—晚期，海水开始退出塔西南地区，塔西南地区开始变成海陆过渡相沉积。到了晚二叠世时期，海水全面退出塔西南地区，塔西南完全进入陆相沉积阶段[20-23]。总体上看，塔西南地区石炭系—二叠系是一个较为完整的“海进—海退”旋回。

早二叠世早期，塔西南地区的海侵进入相对稳定时期。此时，克孜里奇曼组村以东为潟湖—潮坪环境，以西为广阔的浅海陆棚环境，桑株—克孜里奇曼组地区为二者之间的过渡带，整体上为一潮下高能浅滩环境，发育了长达数十千米的台地边缘浅滩。在此基础上，逐渐发育了桑株—克孜里奇曼组台地边缘生物礁（图1）。

图1 塔西南早二叠世沉积相平面展布图Fig.1 Plane distribution of the Early Permian sedimentary facies in the southwestern Tarim Basin

在塔西南露头区，克孜里奇曼组主要分布于英吉莎、莎车、叶城等地，该组整合覆于塔哈奇组之上。该组岩性以碳酸盐岩为主，局部含陆源碎屑岩类，自下而上显示为退积层序为特征。其下部为浅灰色、深灰色厚层—块状生物屑砂屑灰岩、鲕粒灰岩，中部为深灰色、灰黑色生屑灰岩夹白云岩，上部为灰色、灰黑色白云岩、白云质灰岩与紫红色、灰绿色灰岩、砂岩、粉砂岩和泥岩的不规则互层。厚283～551 m，自西向东有变薄趋势。而克孜里奇曼组之上的地层，在不同地区则有所不同。其中，在叶城地区，克孜里奇曼组为近岸浅滩相的棋盘组整合覆盖；在和田地区，则被陆相至河口相的普司格组整合覆盖，自西向东表现为碳酸盐岩比例减少和碎屑岩类比例递增的趋势。这一切，都反映了当时塔西南西区“东高西低”的地貌格局。

具体到桑株剖面，克孜里奇曼组主要为潮间带泥粉晶云岩（云坪）和滩间海泥岩、泥晶灰岩，局部为砂屑灰岩（砂屑滩）、鲕粒灰岩（鲕粒滩），总体上水动力条件较弱。但是，到了克孜里奇曼组上部，发育厚约70 m的生物礁和5.4 m的砂屑灰岩。再往上，为普司格组，岩性突变为陆相紫红色泥岩、褐灰色砂砾岩等（图2），说明在生物礁发育之后，塔西南地区出现了快速海退，塔西南地区结束了海侵史，开始由海转陆。

图2 桑株剖面克孜里奇曼组岩性柱状图Fig.2 Stratigraphic column of the Keziliqiman Formation in the Sangzhu profile

2 生物礁的岩石类型

对于碳酸盐岩的分类是研究碳酸盐岩的岩相古地理的基础和重要依据。参考冯增昭的碳酸盐岩的分类方案[24]，可将克孜里奇曼组生物礁的岩石类型分为海绵障积灰岩、珊瑚骨架灰岩、生粒石灰岩、生屑颗粒质灰岩、泥晶灰岩以及泥—粉晶白云岩。

2.1 海绵障积岩

通过串管海绵的障壁作用捕获沉积物而形成的岩石。在沉积期，由于串管海绵多为长条状（纵截面长10～15 cm）且在平面上呈丛状分布，可以减缓水流的流速，使得沉积物易于沉积。值得一提的是，海绵个体之间往往被泥晶充填，其余各类生物碎屑含量相对较少，显示其沉积时期所处环境的水动力较弱。此外，部分串管海绵局部或整体遭受了白云石化，但串管海绵的外形轮廓仍然可见（图3b）。主要见于礁核偏向于礁后低能带的部分，从礁后到礁前，逐渐由海绵障积岩过渡为珊瑚骨架岩（图3c）。

图3 桑株剖面克孜里奇曼组生物礁灰岩类型（a）礁基部分，生屑颗粒质灰岩，生屑类型以棘屑为主；（b）礁核串管海绵障积岩，海绵多遭受白云石化；（c）礁核上部珊瑚骨架灰岩，可见群体四射珊瑚；（d）礁后部分灰黑色泥晶灰岩，成层性较好；（e）礁前部分生粒石灰岩，可见溶蚀孔隙；（f）礁盖部分，泥—粉晶云岩Fig.3 Outcrop photographs showing lithological characteristics of reef limestone in the Keziliqiman Formation in the Sangzhu profile(a) in the reef base,bioclastic limestone is the main bioclastic type;(b) in the reef core,there are tubular sponge baffles,and most of the sponges are dolomitized;(c) the coral framework limestone in the reef core shows the group of tetragonal corals;(d) part of the reef wing is gray black micrite limestone with good stratification;(e) there are bioclastic granular limestones in the reef frontier with dissolution pores;(f) reef cover part,mud to powder crystal dolomite

2.2 珊瑚骨架岩

沉积期间，由原地生长且具有建造坚硬格架的块状群体四射珊瑚构成了该类岩石的骨架（图3c）。在显微镜下显示，群体四射珊瑚骨架间往往被海百合茎、䗴类、苔藓虫等各类附礁生物充填，灰泥含量极少，加之珊瑚格架孔基本被亮晶方解石充填。这一切，使得礁体具有坚固的抗浪性。反过来，也说明其沉积期所处环境的水动力较强。珊瑚骨架岩主要分布于礁核偏向于礁前的部分。

2.3 生粒石灰岩

岩石颜色以灰—浅灰为主，结构为生屑颗粒支撑，生屑颗粒含量可达90%，生屑类型主要包括䗴类、腕足类、棘皮生屑等（图3e），局部还可见少量单体珊瑚，泥晶含量极低。由于波浪的作用，生物碎屑的分布往往无规律可循。主要见于礁前部分。

2.4 生屑颗粒质灰岩

岩石颜色主要为灰—灰白色，结构主要为灰泥支撑，局部为生屑颗粒支撑，生屑颗粒含量介于40%～50%，生屑类型包括海百合茎、腕足壳体、䗴类等。生屑颗粒间以及生物体腔孔往往被灰泥（泥晶基质）充填，显示其沉积时期的水动力条件较弱。主要见于礁基部位，在礁后也局部可见（图3a）。

2.5 泥晶灰岩

岩石颜色以灰黑色—黑色为主，泥晶结构，成层性较好（图3d），镜下可见泥晶基质局部微晶化。生物碎屑含量较少，在镜下偶见较为完整的苔藓虫、腕足、䗴类、棘皮生屑，显示其所处的水动力条件较弱。岩石整体结构致密，胶结作用强，储集性能较差，主要见于礁后的低能环境。

2.6 泥—粉晶白云岩

岩石的颜色主要为灰白—浅灰色，泥—粉晶结构。藻纹层较为发育，局部可见溶孔和刀砍纹（图3f）。主要见于礁盖部分。

3 礁体的古生物特征

3.1 造礁生物类型

3.1.1 海绵动物

主要为普通海绵纲居串管海绵属（colospongia）。纵向上，其房室的形态往往呈球形、环形等，直径1.5～3.5 cm（图4b）；房室自上而下的叠置排列，使得海绵个体往往呈串珠状，居串管海绵的长度4.5～20 cm，多呈密集丛状产出（图4a），少数为单体。在横截面上，可见明显的“中央腔”，直径约1 cm。总体而言，串管海绵的形态保存较为完整，但部分海绵也出现了白云石化（图4a～b）。还可见少数海绵呈脑纹状产出（图4c）。除此之外，在镜下可见少量的亚扭囊海绵属（Subascosymplegma），其房室往往呈新月形在垂向上叠置呈板状（图4d）。而且，从显微镜下的观察来看，即使出现了白云石化的串管海绵，其总体形态乃至微观结构仍然保存较好，在其房室外壁的微孔以及房室内部残存的网格状的骨纤结构仍然依稀可见（图4e）。

图4 居串管海绵（a～c）为野外照片；（d，e）为薄片照片Fig.4 Colospongia(a-c) are outcrop photos showing colospongia;(d,e) are photomicrographs showing colospongia

海绵动物主要分布于礁核靠近礁后的位置，为礁核主要造礁生物。礁核靠近礁前的部分也可见居串管海绵，但已经不占主导地位。

3.1.2 珊瑚

数量不多，且主要分布在礁核靠近礁前的部分。以四射珊瑚亚纲的柯坪珊瑚科（Kepingophyllidae）为主，主要呈块状复体，少数为单体。均垂直于层面生长，纵向上高10～50 cm，往往顺层分布，有时和串管海绵共生。其中，复体珊瑚方面，可见珊瑚个体间在横向上呈多角状镶嵌接触（图5a～c）。

图5 珊瑚（a，b）为柯坪珊瑚野外照片（红色框所示）；（c，d，f）为柯坪珊瑚Kepingophyllidae普通薄片照片，其中，d中可见个体珊瑚间以隔壁壁（红圈所示）分界，f中可见个体珊瑚间以鳞片壁（黄色圈所示）、棘片壁（红色框所示）分界；（e，g）分别为单体珊瑚的野外照片（红圈所示）和镜下照片Fig.5 Coral(a,b) are outcrop photos of Kepingophyllidae(shown in red boxes);(c,d,f) are thin section photos of Kepingophyllidae;in d,individual corals are separated by Septal theca (shown by red circles);in f,individual corals are divided by squamo-theca (shown in yellow circles) and brambly-theca (shown in red boxes);(e,g) are outcrop (shown by red circles) and microscopic photos of simple corals

在显微镜下，可见珊瑚个体的隔壁较为发育，隔壁中间发育规则鳞板和人字形鳞板，个体珊瑚中心部位发育较为复杂的轴部构造，在横切面上其形态大多似“核桃”状，中板发育，几乎将轴部构造“一分为二”；也有部分珊瑚的轴部构造简单，为致密的中轴。泡沫带较为发育；隔壁大多为二级，个别可见三级隔壁，隔壁的始端往往参差不齐地延伸至泡沫带内。

此外，柯坪珊瑚的外壁也极具特色。吴望始等[25]认为，和多数四射珊瑚不同，柯坪珊瑚外壁的最外侧有时候不存在极薄的鞘膜（全壁），进而不发育外鞘壁，而由棘片状、层片或鳞片状、隔壁状这三种类型的外壁（假壁）所取代，这是柯坪珊瑚的一种特殊的体壁结构。本次观察到的复体柯坪珊瑚中，珊瑚个体间也多以假壁间隔。其中，多数隔壁较为发育的复体珊瑚间由于隔壁相互穿插、加厚形成了隔壁状外壁（图5d），但还可以见到不同类型的假壁（如棘片壁、鳞片壁，图5f）同时出现在不同的珊瑚个体间，假壁类型的分布呈现出一定的非均质性。

此外，在礁前部分还可见无鳞板的单体珊瑚（5e，g），其横截面近圆形，直径1～2 cm。根据前人的研究表明，这种单体珊瑚往往产于较深水、贫氧、多泥质的静水环境或冷水环境[26]。

3.1.3 苔藓虫

苔藓虫类型较为多样。在显微镜下，可识别出隐口目窗格苔藓虫属（Fenestella）、多孔苔藓虫属（Polypora）、杆苔藓虫属（Rhabdomesid）及翼网苔藓虫属（Ptilodictyina）、环口目蜂房苔藓虫（Cerioporoid）、泡孔目笛苔藓虫属（Fistulipora）等。其中，以隐口目窗格苔藓虫属最为常见，在镜下常见其网状硬体（图6a，b）。其中，窗孔呈长方形—椭圆形，其两侧清晰可见两列虫室，虫室主要呈卵形和似圆形，少数近似五角形、菱形。网格硬体往往由许多横枝相连，其中大多数横枝上也带有虫室。有些窗格苔藓虫周围可见纤状—叶片状亮晶方解石，这些同沉积期海底胶结物往往是苔藓虫赖以生长的硬底。在礁后低能带中，还可见到有些窗格苔藓虫的虫室常常相互连接形成链状结构，外形近似“项链”状（有时还会分出一些“支链”，图6d）。此外，具有双层对称状硬体的翼网苔藓虫属（图6e）和具有分枝的多孔苔藓虫属也较为常见（图6c）。

图6 苔藓虫（a）窗格苔藓虫（Fenestella），可见清晰的窗格和虫室，可见䗴类等附礁生物；（b）窗格苔藓虫（Fenestella），可见清晰的窗格和虫室；（c）多孔苔藓虫（Polypora）碎片，其与纤维状方解石相连；（d）窗格苔藓虫（Fenestella），虫室相互连接形成链状，在主链中还分出了数条支链；（e）翼网苔藓虫属（Ptilodictyina），具有双层对称状硬体Fig.6 Bryozoans(a) Fenestella,with clear fenestra and insect chamber,and reefs such as mollusks;(b) Fenestella,with distinct panes and chambers;(c) the polypora fragment is connected with fibrous calcite;(d) Fenestella,the main chain (indicated by yellow arrow) is divided into several branches (indicated by red arrow);(e) the genus ptilodictyina has bilayer symmetrical hard bodies

隐口目苔藓虫在向上直立生长的过程中，其网状硬体可以阻滞和拦挡泥级的碳酸盐沉积物，其窗孔和虫室也易被灰泥充填，从而利于形成障积岩。苔藓虫主要见于礁前部分，也见于礁基和礁后，常与海胆、海百合等共生。由于苔藓虫的钙质硬体脆弱易碎，抗击海浪的能力较差，因此礁前部分的苔藓虫大多以碎片的形式产出。位于礁后泥晶灰岩中的苔藓虫硬体部分保存大多较为完整。

3.1.4 蓝绿藻

主要为蓝绿藻，其形态特征较为多样。在显微镜下，它们常以大小不一且密集分布的泥晶块或球粒的形式出现（图7a）；有时也呈不规则的片状包壳藻丝体，和微晶碳酸盐互层产出，形成藻黏结岩（图7b，c）；在靠近礁前地区，局部还可见蓝绿藻包绕形成的结核状构造（核形石，图7d）。

图7 蓝绿藻（a）球粒状的蓝绿藻微生物，单偏光；（b）蓝绿藻和粉—细晶碳盐酸互层的片状包壳，单偏光；（c）蓝绿藻和粉—细晶碳酸盐互层的片状包壳，单偏光；（d）核形石灰岩Fig.7 Cyanobacteria(a) globular blue-green algae with single polarized light;(b) the lamellar cladding of cyanobacteria and powder fine-grained carbonaceous hydrochloric acid is monopolarized;(c) the lamellar cladding of blue-green algae and powder fine-grained carbonate interbedding,single polarized light;(d) oncolitic grainstones

3.1.5 管壳石

礁核中可见大量的管壳石（Tubiphytes）。关于它的归属问题，过去存在着很大的争议，曾经被认为是蓝绿藻、海绵或苔藓虫等，近来的研究认为它属于“蓝藻（蓝细菌）—有孔虫共生体”[27-28]。常见于各种生屑颗粒之间。其横切面多为圆形且往往具有同心圈层构造，其中心还有一圆形空腔，这是Tubiphytes的一般特征[29]。但它更多是呈长条状、叶状乃至无定形的聚集体，有着两个及以上的空腔（图8a）。它常常黏附、定殖在居串管海绵、苔藓虫等生物碎屑的硬体表面，起着黏结造礁作用。

图8 各类附礁生物（a）可见较为完整的希瓦格䗴（黄色箭头所指）和拟纺缍䗴（红色箭头所指），与居串管海绵（蓝色箭头所指）、苔藓虫（橙色箭头所指）共生，其中有管壳石黏结依附（绿色箭头所指）；（b）可见较完整的希瓦格䗴（黄色箭头所指）和拟纺缍䗴（红色箭头所指），其周围可见棘皮生屑（蓝色箭头所指）和窗格苔藓虫（绿色箭头所指）Fig.8 Various reef-inserted organisms(a) the relatively complete Schwagerina (indicated by the yellow arrow) and Parafusulina (indicated by the red arrow) coexist with the colospongia (indicated by the blue arrow) and Bryozoa (indicated by the orange arrow),among which the Tubiphytes are attached (indicated by the green arrow);(b) complete Schwagerina (indicated by the yellow arrow) and Parafusulina (indicated by the red arrow) are shown,around which we can see crinoids (indicated by the blue arrow) and bryozoans (indicated by the green arrow)

总而言之，克孜里奇曼组生物礁的造礁生物主要为居串管海绵，其次为柯坪珊瑚，隐口目苔藓虫也较为常见，它们构成了礁体的格架，对于灰泥、生屑颗粒等具有障积功能，加之管壳石和蓝绿藻的黏结作用，使得礁体具有一定的抗浪性。但是，由于居串管海绵和苔藓虫抗浪性较差，抗浪性较强的群体四射珊瑚数量相对较少。因此，整体上可将克孜里奇曼组生物礁归为广义的“地层礁”范畴。这与华南地区二叠纪生物礁的结构较为相似[30]。

3.2 附礁生物类型

桑株二叠系生物礁中的附礁生物类型较为多样。包括䗴类、腹足类、非䗴有孔虫、棘皮动物等。其中，䗴类既是石炭系—二叠系的标准化石，往往也是石炭系—二叠系生物礁的重要附礁生物。在克孜里奇曼组生物礁薄片中，可识别的䗴的种类较多，具体包括纺缍䗴（Profusulinella）、拟纺缍䗴（Parafusulina）、麦䗴（Triticites）、费伯克䗴（Verbeekini dea）、希瓦格䗴（Schwagerina）等。其中，以拟纺缍䗴和希瓦格䗴最为常见（图8）；腹足类的壳体主要呈圆锥形，为右旋壳；棘皮动物主要为海百合和海胆，在显微镜下，主要以骨板的形式出现，有时还可以见到海胆棘刺（图8b）。

4 礁相特征

根据野外露头观察来看，桑株剖面克孜里奇曼组生物礁位于桑株镇下属克孜尔伊格尔村以东，整体呈近东西向展布。由于受构造运动的影响，岩层近乎直立，但仍能大致观察出礁体的整体面貌、空间展布及构成。其中，礁体沿东西向最大展布宽度约520 m，礁体厚约70 m（图9a），为台地边缘孤立的“点礁”。根据野外观察测量的结果，绘制了礁剖面图（图9b）。

图9 皮山县桑株剖面克孜里奇曼组生物礁（a）生物礁卫星影像图；（b）生物礁剖面图Fig.9 Reef from the Permian Keziliqiman Formation in the Sangzhu profile in Pishan county(a) satellite image;(b) profile of reef

4.1 礁基

礁基为生物礁的生长基座，横向上连续稳定。主要为生屑颗粒质灰岩（生屑滩），局部夹鲕粒灰岩（鲕粒滩，部分白云岩化），野外露头可见大量白色的海百合茎，在显微镜下还可以见到大量的海胆棘刺，粒径普遍小于0.5 cm，占生屑总量的70%～80%。其他生屑（双壳类、䗴类、介形虫等）含量为20%～30%。显微镜镜下显示，这些生物的原生体腔孔隙往往被泥晶充填（图8b），说明礁基形成时期水动力相对较弱，缺乏簸选。局部可见一定的溶蚀孔隙，厚约28 m。其底部与砂屑灰岩（砂屑滩）整合接触。

4.2 礁核

礁核为生物礁的主体，造礁生物包括居串管海绵、四射珊瑚、苔藓虫、蓝绿藻等，附礁生物有瓣鳃类、腹足类和棘皮等底栖生物。其中，礁核在横向上生物分带性较为明显，其中，偏礁后一侧以居串管海绵占绝对优势，为单一的海绵礁灰岩，藻黏结为主，也可见一定数量的苔藓虫黏附居串管海绵生长，附礁生物较少，海绵间的孔隙往往被灰泥充填；偏礁前一侧，造礁生物则逐渐过渡为群体珊瑚，珊瑚周围常见海百合茎、䗴类等附礁生物。在各种造礁、附礁生物之间，往往有管壳石、蓝绿藻的黏结依附。䗴类、腹足类、棘皮类等附礁生物大量发育，厚约24 m。

4.3 礁后

位于礁核后侧，下部与礁基接触，上部与呈薄层状藻灰岩（多已白云岩化）组成的礁盖有明显的突变接触关系。岩性主要为灰色薄—中层泥晶灰岩，成层性较好。含少量生物碎屑，可见棘皮、双壳、䗴、苔藓虫、腹足类以及少量串管海绵化石，由于波浪能量较弱，因此化石的完整性较好。厚约12 m。

4.4 礁前

岩性主要为生屑灰岩，生屑含量高达90%，局部可见灰色—深灰色核形石灰岩。常见珊瑚、海绵、苔藓虫碎片以及海百合茎、䗴类化石等。由于波浪能量较强，由于波浪的簸选作用，灰泥不易沉积，生屑含量可超过90%。而且，在碎浪作用下，礁前的造礁、附礁生物经常被打碎，并很容易沿着礁前斜坡出现滑动，使得棘皮生屑（海百合茎）、群体珊瑚等易沿其长轴方向出现定向排列。此外，由于礁核部分经常暴露在水面之上，时常遭受大气淡水的淋滤作用，使得礁顶附近溶蚀孔洞较为发育。在礁前斜坡的位置，还可见少量小型无鳞板单体珊瑚。厚约8 m。

4.5 礁盖

礁盖与下伏礁核呈过渡关系，主要由薄层状藻灰岩组成，其间可见明显的暴露构造。局部遭受强烈的白云岩化（藻云岩），刀砍纹较为发育。这一切，具有明显的潮上带沉积特征。厚约10 m。

5 礁体的演化阶段

5.1 生物礁碳氧同位素特征

碳、氧同位素是分析古气候、古环境的重要手段[31-32]。生物礁发育往往和当时的生物演化和分布、气候变迁、构造运动、海平面升降密切相关。这一切，都可以通过δ13C 值的变化来反映。为此，在桑株剖面克孜里奇曼组采集新鲜岩样13 块进行碳氧同位素测试。其中，有6 块样品采自克孜里奇曼组顶部生物礁的不同部位，其余样品则采自克孜里奇曼组中下部（涵盖了潮间云坪、颗粒滩、滩间海等亚相）。

在样品采集过程中，避开了受溶蚀作用、胶结作用、构造作用改造较强的部分，尽量排除重结晶程度较高的岩石样品，以保证样品的可用性。样品送西南石油大学油气地质与勘探实验教学中心，在Isoprime100型同位素质谱仪上进行测试。碳氧同位素分析数据见表1。

表1 克孜里奇曼组不同岩性碳氧同位素测试结果Table 1 Carbon and oxygen isotope test results of different lithologies in the Keziliqiman Formation

在应用碳酸盐岩的碳氧同位素数据解释古环境之前，需剔除受成岩改造较强的样品。而δ18O的大小及碳、氧同位素的相关性可以大致判断样品受成岩改造的程度。其中，当δ18O＜-10‰时，说明样品遭受了较强的成岩改造，难以代表原始的碳、氧同位素组成。表1显示，大多数样品的δ18O的数值大于-10‰，且碳氧同位素的相关性小于0.5（图10），说明样品总体上受成岩改造的程度较低，可以代表样品的原始碳、氧同位素组成。

图10 桑株剖面克孜里奇曼组δ13CPDB 和δ18OPDB 相关性统计Fig.10 δ13CPDB and δ18OPDB correlation statistics of Keziliqiman Formation in the Sangzhu profile

影响海相碳酸盐岩δ13C值变化的因素很多，包括海平面变化、有机碳含量和埋藏速率、海水温度和盐度变化、大气淡水作用等。其中，有机碳埋藏速率是最为重要的。由于有机碳中往往富集12C，因此当大量有机碳快速埋藏时期，更多的12C 进入埋藏的有机碳中，将使同期海相碳酸盐岩的13C 值向正的方向移动，反之则向负的方向移动。其中，在海平面上升时期，由于生物有机碳的埋藏量增加，海洋中的有机碳数量显著减少，溶解于海水中的CO2含有大量的13C，由此形成的碳酸盐岩也富含13C，所以对应δ13C 的高值；反之，在海平面下降时期，则对应δ13C的低值[33-34]。

从本次测试结果来看，桑株剖面克孜里奇曼组生物礁的δ13C皆为正值（大多介于2‰～4‰），且数值远大于克孜里奇曼组下部的样品。由此可见，桑株克孜里奇曼组生物礁是在塔西南地区晚石炭世—早二叠世海平面上升背景下形成的，而且在礁体形成过程中，由于珊瑚、串管海绵、苔藓虫等造礁生物大量繁盛，它们死后被快速埋藏，从而吸收大量的12C，导致海水中的13C相对富集。但是，在礁盖的暴露面部分的藻纹层白云岩，δ13C 的数值又迅速下降至0.119‰，这符合潮坪白云石的碳同位素特征[35]。这说明，在礁盖发育的时期，海平面急剧下降，桑株地区的沉积环境已经由台地边缘转变为气候炎热干燥的潮上带，在此环境中，珊瑚、海绵、苔藓虫等造礁生物根本无法生存，使得海洋中的生物作用减弱，海水中的13C 出现亏损，礁体彻底消亡。前人研究表明，早二叠世（乌拉尔世）为石炭系—二叠纪大冰期的延续阶段，当时的气候较为寒冷，发育冷水动物群[36]。而如前所述，桑株生物礁的礁前出现了适应冷水环境的小型无鳞板珊瑚以及礁盖部分δ13C急剧下降，极有可能指示了此次冰期，早二叠世中—晚期塔西南地区的海退也极有可能和这次冰期有关。

5.2 礁体演化史

5.2.1 礁基形成

在早二叠世初期，塔西南地区的海侵达到最大范围，在塔西南地区形成了窄长的台缘带，与之相应的，发育窄长的台缘砂屑滩体。而温暖、清洁的砂屑滩吸引了大量的海胆、海百合等棘皮动物以及䗴类、苔藓虫等前来定居，随后海胆、海百合等生物大量繁盛。但由于缺乏坚硬的格架，易被波浪打碎。海胆和海百合死后，其骨板上的骨片会解体，海胆的棘刺也会从骨片上脱落，成为碳酸盐沉积物的重要来源。从镜下观察来看，棘皮生屑往往集中富集，且生屑颗粒间有泥晶充填，可推测当时的水动力条件较之下部的砂屑滩沉积时弱，使得棘皮生屑不易被长距离搬运，易于原地堆积，形成正向地貌凸起。这易于改变水深、增加光照和氧气，为礁体的发育奠定了良好的基础（图11a）。

图11 皮山县桑株剖面二叠系克孜里奇曼组生物礁演化模式图Fig.11 Modeled evolution of the reef in the Permian Keziliqiman Formation in the Sangzhu profile in Pishan county

5.2.2 礁体发育

在前期发育的棘皮生屑滩的基础上，居串管海绵、群体珊瑚等造礁生物开始在浅水透光带大量地繁衍生息。其中，群体珊瑚主要在靠近迎风面一侧定殖，形成了坚固的“抗浪构造”，大量的棘皮动物、苔藓虫、䗴类等居礁生物在其中栖居；与此同时，抗浪性较弱的居串管海绵等生物在靠近背风面的一侧大量定殖，形成了“海绵丛林”（图11b），海绵与管壳石、钙藻等形成缠绕格架，黏结并障积各种灰泥、生屑。随着礁体礁体持续生长，逐渐出现了礁前和礁后的分异（图11c）。

5.2.3 礁体衰亡阶段

海平面快速下降，桑株地区气候变得炎热干燥，礁体暴露在大气中，失去了赖以生存的基础，使得造礁生物大量死亡，有利于藻类大量繁殖。在此情况下，也容易出现准同生白云岩化和回流渗透白云岩化，因此出现了藻纹层白云岩（图11d）。

6 生物礁的成岩作用

6.1 礁灰岩的阴极发光特征

克孜里奇曼组生物礁形成后，也经历了复杂的成岩变化。包括白云岩化、胶结作用、硅质交代、溶解作用等。其中，阴极发光技术是研究沉积岩成岩作用、成岩演化史、成岩流体性质的最有效手段之一。基于此，为了研究桑株剖面克孜里奇曼组生物礁成岩作用，从不同礁相中分别选取代表性样品进行阴极发光测试，样品为标准光薄片，实验的真空度为0.3 Pa，束电压8.0 kV，束电流6 000 µA，曝光时间为1.5 s。为了便于对阴极发光特征进行精细描述，将样品的阴极发光强度分为极强、强、中等、弱、极弱、不发光等五个等级。根据前人的研究成果，碳酸盐岩的阴极发光性主要受Fe、Mn 的含量和Fe/Mn 比值的影响[37-38]。因此，本次研究中针对某些不同阴极发光特征的颗粒和填隙物进行电子探针测试，主要分析其中的Fe、Mn、Sr 等元素。阴极发光和电子探针测试都在西南石油大学地球科学与技术学院进行。

根据60块克孜里奇曼组生物礁的阴极发光图像来看，礁核下部（串管海绵富集部分）、礁盖、礁后（泥晶灰岩部分）的阴极发光较弱，礁核上部、礁前（生屑灰岩部分）、礁基阴极发光相对较强，但显示出明显的非均质性。此外，不同结构组分的阴极发光特征也有明显差别，特征如下。

（1）未经重结晶（新生变形）改造的泥晶基质（包括包裹着生物碎屑的泥晶套）多数发弱—中等的棕红色光，而泥晶基质重结晶成为亮晶胶结物后，则发极弱的棕红色光—不发光。䗴类、苔藓虫等生物体腔普遍被泥晶充填，其中有重结晶的部分的阴极发光普遍偏暗（图12f）。电子探针测试结果显示，泥晶和重结晶后的亮晶胶结物之间的FeO/MnO差了将近10 倍，由此可见，重结晶会导致Fe 元素相对富集（表2）。

表2 电子探针结果Table 2 Electron microprobe analyses of reef limestones

图12 礁体的阴极发光特征（a，b）中（礁基）可见管壳石包绕生物碎屑（发极弱棕红色光，绿色箭头所指），局部可见生物钻孔（发极弱棕红色光，蓝色箭头所指）。溶蚀孔隙发育，孔隙边缘可见方解石胶结物，胶结物核心部位不发光，有发亮色的边缘（黄色箭头所指）；（c，d）中（礁核下部）可见海胆的棘刺（斜切面），被裂缝切割（裂缝中的方解石不发光）。海胆棘刺上半部分不发光，下半部分发中等的橘红色光（重结晶）；（e，f）中（礁核上部）可见窗格苔藓虫体腔中被泥晶和亮晶胶结物充填，其中泥晶充填部分发弱棕红色光（黄色箭头所指），亮晶胶结物（重结晶）充填部分发极弱棕红色光—不发光（绿色箭头所指）。此外，还可见棘皮生屑（发中等橘红色光）发育两个世代的胶结物（白色箭头所指）；（g，h）中（礁后）可见腕足动物和居串管海绵碎屑，它们的骨骼不发光（黄色箭头所指）。腕足的茎孔、海绵的腹腔皆被泥晶充填，其中充填海绵腹腔的泥晶已经部分重结晶，发弱红色光；（i，j）中（礁后）可见翼网苔藓虫和棘皮生屑共生，其中翼网苔藓虫基本不发光，棘皮生屑发中等橘红色光；（k，l）中可见柯坪珊瑚个体，体腔被泥晶和亮晶充填，隔壁轴部发中等—强橘红色光，隔壁两侧羽屑发弱棕红色光，但隔壁靠近轴部的位置基本不发光（;m，n）（礁前）中可见亮晶胶结物充填粒间溶蚀孔隙，其中，亮晶胶结物的发光较之周围泥晶基质暗；（o，p）中可见窗格苔藓虫和棘皮生屑共生，其中，棘皮生屑基本不发光，窗格苔藓虫发亮红色光Fig.12 Cathode luminescence features of reefsIn (a) and (b) (reef base),there is a bioclastic surrounded by Tubiphytes (with very weak brownish red light,indicated by the green arrow),and there is a biological drilling hole (with very weak brownish red light,indicated by the blue arrow).Dissolution pores are developed,calcite cement can be seen at the edge of pores,and the core part of the cement does not emit light,but has a bright edge (indicated by the yellow arrow);In (c) and (d) (the lower part of the reef core),crinoids (oblique section) can be seen and cut by cracks (calcite in the cracks does not emit light).The upper part of the crinoids does not emit light,and the lower part emits medium orange light (recrystallization);In(e) and (f) (the upper part of reef core),the cavity of bryozoans was filled with micritic and bright crystal cements.The micritic filling part showed weak brownish red light (yellow arrow),and the bright crystal cement (recrystallization) filling part showed very weak brownish red light -no light (green arrow).In addition,two generations of cement (indicated by the white arrow) can be seen in the spines;In (g) and (h) (reef wing),the debris of brachiopod and colospongia are seen,and their bones do not emit light (indicated by the yellow arrow).The stem pores of the brachiopods and the abdominal cavity of the sponge were filled with micrite,and the micrite filled with the abdominal cavity of the sponge had partially recrystallized,with weak red light;In (i) and (j) (reef back),Ptilodictyina and echinoderm are symbiotic.Ptilodictyina does not emit light,and echinoderm shows medium orange light;In (k) and (l),Kepingophyllidae is seen,the body cavity is filled with mud crystal and bright crystal,the axis of the next wall emits medium strong orange light,and the feather debris on both sides of the next wall emits weak brown red light,but the position near the axis of the next wall does not emit light;In (m)and (n) (reef frontier),the intergranular dissolution pores are filled with luminescent cements,and the luminescent intensity of the cements is darker than that of the surrounding micrite matrix;In (o) and (p),Fenestella and echinoderm are symbiotic,in which echinoderm is not luminous and Bryozoa teneriformis is bright red

（2）管壳石普遍发较强的橘红色光（图12b），䗴类发弱—中等橘红色光（图12f），腕足动物多不发光（图12h）。棘皮生屑发光性强弱不一，发弱—强橘红色光（图12d，f，h，j，p）不等，海胆棘刺多不发光，但其局部重结晶后发中等橘红色光。柯坪珊瑚的钙质骨骼总体上发中等—强的橘红色光（强于充填于其体腔中的泥晶基质和粒状胶结物），其中，其隔壁的轴部发光较强，其隔壁两侧的“羽屑”部分发光弱—中等，而隔壁靠近轴部的部分基本不发光（图12f，j）。窗格苔藓虫普遍发中等—强橘红色光，但翼网苔藓虫则普遍发弱棕红色光—不发光（图12f，i，j，p）。

（3）部分棘皮生屑加大边具有两个世代的发光性。第一世代胶结物发极弱棕红色光—不发光，第二世代的胶结物发弱棕红色光（图12f）。

（4）充填裂缝中的方解石为极弱发光（图12d，j，p）。充填与溶蚀孔隙空间壁面的马牙状方解石胶结物内部无阴极发光，但其边缘具有中等—强的橘红色发光边。充填孔隙中间部分的粒状方解石发极弱—弱的棕红色光，它们的发光强度普遍弱于周围的泥晶基质。

总体而言，桑株剖面克孜里奇曼组生物礁灰岩的泥晶基质部分具有弱—中等程度的阴极发光，说明在成岩过程中，Mn含量较低的海相流体起主导作用。局部受重结晶（新生变形）改造的部分发光极弱—不发光，这可能和大气水的参与有关，但是影响较为局限。此外，不同类型的生物碎屑、同一类型生屑不同颗粒间乃至同一生屑颗粒不同部位的发光程度往往差别较大，但其周围的泥晶基质基本未受影响，这说明Mn 含量较高的非海相流体对桑株组生物礁的改造具有一定程度的“组构选择性”，即主要针对生屑颗粒而非泥晶基质。

6.2 成岩阶段划分

1）准同生—同生成岩阶段

桑株克孜里奇曼组生物礁灰岩中可识别的准同生—同生成岩阶段的成岩标志主要有：（1）粉—细白云石是桑株克孜里奇曼组生物礁中最发育的白云石类型，主要为自形晶—半自形晶，是选择性交代居串管海绵骨骼作用的结果（图4d）；（2）藻类的包壳作用和管壳石对生物的黏结、包裹作用；（3）可见生物钻孔，这些钻孔往往被泥晶充填，这些泥晶碳酸盐岩主要是文石或高镁方解石。其中，大多数泥晶为弱发光，部分生物碎屑为极弱—不发光，记录了低Mn 含量的海水特征；（4）部分棘皮生屑可见早期具有极弱阴极发光的加大边（图12e）；（5）部分海绵骨骼出现了泥晶化，由不发光向发弱棕红色光转变。

2）早成岩阶段

桑株克孜里奇曼组生物礁灰岩在成岩过程中主要经历了淡水潜流和淡水渗流环境。淡水潜流环境的主要成岩标志包括：（1）充填于粒间、粒内溶蚀孔隙中的亮晶方解石胶结物（图12b，n）。这些胶结物往往显示出淡水胶结物的环带状阴极发光，即具有不发光—弱发光的核部和明亮的发光边缘；（2）棘皮多期共轴加大边（图12e）。棘皮动物可发育于海水潜流环境，而在淡水潜流环境中继续生长的共轴加大边通常由于锰含量相对较高而具比第一期胶结物的阴极发光较强；（3）组构选择性溶解作用，如某些棘皮生屑被完全溶解再充填，仅剩一个外形轮廓；（4）重结晶作用。泥晶向亮晶转变、文石或镁方解石等不稳定组分新生变形成低镁方解石，如充填部分生物体腔的泥晶转变成了亮晶胶结物，这部分胶结物的阴极发光强度比泥晶低。部分海胆棘刺局部也出现了重结晶，重结晶的部分发光强度比原始的钙质骨骼高。淡水渗流环境的成岩标志主要有：非组构选择性溶解作用、示底构造（下部泥晶弱—中等橘红色阴极发光，上部亮晶方解石为极弱—不发光）。

3）中—晚成岩阶段

中—晚成岩阶段的主要成岩标志包括：（1）化学压溶作用使得颗粒或生物之间呈凹凸—缝合接触，局部沿缝合线有方解石充填；（2）生长于溶蚀孔隙中心、晶体较粗大极弱—不发光的块状方解石（图12n）；（3）充填于后期构造裂缝中的粒状或块状方解石，它们发光极弱—不发光（图12d，p）。

7 结论

（1）早二叠世早期，塔西南地区的海侵达到最大规模，发育数十千米的台地边缘浅滩。在此基础上发育了克孜里奇曼组生物礁，它为一沿台地边缘生长的“点礁”。礁体可分为礁基、礁核、礁前、礁后、礁盖五个沉积相单元。其中，靠近礁前部位的造礁生物主要为群体四射珊瑚，岩性主要为珊瑚骨架岩；靠近礁后部位的造礁生物主要为居串管海绵，岩性主要为海绵障积岩。在此过程中，蓝绿藻和管壳石也起到了重要的黏结作用。

（2）桑株剖面克孜里奇曼组生物礁的演化主要受海平面升降的控制。在海平面上升的背景下，在适合的水深、光热条件下，棘皮动物、䗴类等开始在砂屑海滩上栖息，形成礁基。在此基础上，居串管海绵和珊瑚等先后参与造礁，逐渐形成了礁前和礁后的分异。后来，随着海平面快速下降，桑株地区变成了炎热干燥的潮上带，藻类大量发育，造礁生物大量死亡，最终导致礁体消亡。

（3）礁体接近桑株剖面克孜里奇曼组顶部，向上岩性快速突变为普司格组底部的陆相紫红色泥岩。由此可见，塔西南早二叠世中期的海平面下降速率较快。同时，结合桑株生物礁礁前出现了适应冷水环境的小型无鳞板珊瑚来看，塔西南在早二叠世中晚期的海退极有可能和早二叠世的冰期有关。因此，克孜里奇曼组的生物礁发育可以看作是塔西南地区早二叠世大规模海退前的“回光返照”。

（4）克孜里奇曼组生物礁受成岩改造的影响较小，但是礁体不同部位、不同沉积物类型受成岩改造的程度存在明显的非均质性。其中，礁核部位受成岩改造的程度最大，包括串管海绵骨骼的白云石化、溶解作用产生一定数量的次生孔隙、部分泥晶基质新生变形成为亮晶、次生孔隙被亮晶胶结物再充填等；礁后和礁基受成岩改造的影响相对较小，但其中的部分生物碎屑颗粒（如苔藓虫、棘皮生屑等）也出现了不同程度的新生变形改造。而且，在成岩过程中，海相流体起了主导作用，沉积期后非海相流体的改造主要针对生屑颗粒，对泥晶基质的影响较小。