蘇 旺，江青春，陳志勇，汪澤成，王龍，姜華，卞從勝，吳育林

(1中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院；2中國石油勘探開發(fā)研究院)（3中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與資源學(xué)院；4中國石油川慶鉆探工程有限公司地球物理勘探公司）

冷水碳酸鹽巖研究現(xiàn)狀與展望

蘇 旺1，江青春2，陳志勇2，汪澤成2，王龍3，姜華2，卞從勝2，吳育林4

(1中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院；2中國石油勘探開發(fā)研究院)（3中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與資源學(xué)院；4中國石油川慶鉆探工程有限公司地球物理勘探公司）

長期以來，海相碳酸鹽沉積物被廣泛認(rèn)為是溫暖淺海沉積環(huán)境中的產(chǎn)物，然而近年來國外研究表明，在冷水陸架環(huán)境中，也可以形成規(guī)模的碳酸鹽沉積，即冷水碳酸鹽巖。通過對(duì)大量文獻(xiàn)的調(diào)研，綜述了冷水碳酸鹽巖的概念、地質(zhì)特征、沉積模式等方面的研究進(jìn)展，并展望了該研究領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。研究表明，冷水碳酸鹽沉積是指在（古）緯度約30°～35°以上的溫帶及寒帶地區(qū)、溫度約20℃以下的沉積水體中，或是在富營養(yǎng)的寒冷上升流水體中形成的碳酸鹽沉積物或巖石，其沉積特征與暖水碳酸鹽巖不同。冷水碳酸鹽沉積物中的生物顆粒組合以底棲有孔蟲、軟體動(dòng)物、苔蘚蟲等異養(yǎng)生物和鈣質(zhì)紅藻為主，缺乏造礁珊瑚和鈣質(zhì)綠藻以及鮞粒、集合顆粒等非骨架顆粒，而且沉積物中灰泥基質(zhì)含量較少，礦物成分以方解石為主，氧同位素較重，膠結(jié)作用弱，以破壞性成巖作用為主。冷水碳酸鹽沉積形態(tài)以緩坡為主，波浪磨蝕和再沉積作用較強(qiáng)。古代冷水碳酸鹽巖的沉積特征、識(shí)別標(biāo)志及其作為儲(chǔ)層的油氣資源潛力尚處于探索階段，仍需進(jìn)一步深入研究。

冷水碳酸鹽巖；地質(zhì)特征；沉積模式；研究現(xiàn)狀；綜述

長期以來，人們一致認(rèn)為現(xiàn)代陸架碳酸鹽沉積主要形成于熱帶暖水環(huán)境，古代的海相碳酸鹽巖沉積環(huán)境也是以低緯度、潔凈溫暖的淺海環(huán)境為主［1-3］。但隨著深海鉆探和大洋調(diào)查的進(jìn)行，已在全球多個(gè)高緯度地區(qū)及冷水海域發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)代碳酸鹽沉積物，如澳大利亞南部［4-5］、新西蘭［6-7］、加拿大不列顛哥倫比亞［8-9］、斯堪的納維亞半島［10］、愛爾蘭［11］等。新生代冷水碳酸鹽巖在新西蘭［12-13］、澳大利亞南部［14-15］、地中海［16-18］等地區(qū)也很常見。此外，一些學(xué)者還論述了發(fā)育于高緯度地區(qū)或冷水環(huán)境中的更為古老的海相碳酸鹽巖，如澳大利亞的二疊系［19-20］、加拿大的奧陶系［21-22］?？偟膩碚f，冷水碳酸鹽巖目前研究對(duì)象是以現(xiàn)代和新生代碳酸鹽沉積物（巖）為主，而對(duì)于更為古老的古代碳酸鹽巖論述較少，尚處于探索階段。然而近年來，國外關(guān)于冷水碳酸鹽巖的研究已逐漸發(fā)展成為一個(gè)主流研究領(lǐng)域，多位學(xué)者就其形成環(huán)境、結(jié)構(gòu)組分（尤其是生物組合）、礦物組成、地球化學(xué)、成巖作用等方面［23-27］進(jìn)行了深入探討，并取得了一系列成果和認(rèn)識(shí)。

應(yīng)該說，區(qū)分非熱帶冷水碳酸鹽巖和熱帶暖水碳酸鹽巖可能是重新認(rèn)識(shí)古代碳酸鹽巖沉積環(huán)境的一個(gè)契機(jī)，同時(shí)也是恢復(fù)古氣候和古緯度的重要途徑之一［23，28］；此外，非熱帶冷水碳酸鹽巖海底膠結(jié)作用十分有限，成巖作用效率低，有利于儲(chǔ)集層的形成［3］，這為指導(dǎo)碳酸鹽巖油氣勘探提供了可能的依據(jù)。因此，冷水碳酸鹽沉積及儲(chǔ)層的研究具有重要的理論及實(shí)際意義。本文在大量資料調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)冷水碳酸鹽巖研究領(lǐng)域所取得的進(jìn)展進(jìn)行了梳理、分析和探討，以期為下一步的深入研究奠定基礎(chǔ)和指明方向。

1 概念的提出

“現(xiàn)在是認(rèn)識(shí)過去的鑰匙”這一現(xiàn)實(shí)主義原則已被地質(zhì)學(xué)家廣泛接受，現(xiàn)代碳酸鹽沉積物形成環(huán)境的研究對(duì)于類比進(jìn)而解釋古代碳酸鹽巖沉積環(huán)境具有重要意義。前人在現(xiàn)代碳酸鹽沉積領(lǐng)域做了大量工作，取得了諸多認(rèn)識(shí)，其中包括：（1）現(xiàn)代碳酸鹽沉積物可形成于潮坪、陸架、深海等海洋環(huán)境和洞穴、湖泊、冰川等非海洋環(huán)境，其中以低緯度的溫暖淺海環(huán)境為主，主要分布于南北緯30°以內(nèi)的熱帶地區(qū)［1-3］；（2）溫暖海洋的表層水體中的CaCO3常是飽和甚至是過飽和的［23］，這有利于碳酸鹽的沉積；（3）碳酸鹽沉積與生物作用密切相關(guān)，而海洋有機(jī)物的分布明顯受溫度控制［29］，在溫暖氣候區(qū)能生產(chǎn)碳酸鹽的生物最繁盛?；谝陨先齻€(gè)原因，很多學(xué)者認(rèn)為淺水碳酸鹽沉積從緯度分布上來說是 “熱帶”（包括部分亞熱帶）成因的，從海水溫度上來說是“暖水”成因的，故稱之為“熱帶陸架碳酸鹽”或“暖水碳酸鹽”［3］。根據(jù)“將今論古”的現(xiàn)實(shí)主義原則，傳統(tǒng)的地質(zhì)學(xué)觀點(diǎn)自然認(rèn)為古代的海相碳酸鹽巖也主要形成于低緯度、潔凈溫暖的淺海海水中，這種觀點(diǎn)至今仍是碳酸鹽沉積環(huán)境的主流認(rèn)識(shí)。

然而，隨著現(xiàn)代和古代非熱帶及冷水碳酸鹽沉積的不斷發(fā)現(xiàn)，這一傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)逐漸受到了一些學(xué)者的質(zhì)疑。Askelsson早在1934年和1936年曾對(duì)冰島南部海岸和法國西海岸非熱帶碳酸鹽沉積物進(jìn)行過描述［27］。之后，Teichert［30］（1958年）強(qiáng)調(diào)了冷水和深水珊瑚礁的重要性，并討論了其中的生物組合。Briden和Iyring（1964年）根據(jù)古地磁資料，發(fā)現(xiàn)一些古代碳酸鹽巖可能分布于高緯度地區(qū)［24］。Chave［31］（1967年）針對(duì)“暖水碳酸鹽”的三個(gè)依據(jù)分別提出了質(zhì)疑：（1）在全球一些高緯度和冷水的海域中，正在沉積并已形成具有一定規(guī)模的現(xiàn)代碳酸鹽沉積物；（2）高緯度海域的表層水體中CaCO3也可能是過飽和的；（3）非熱帶地區(qū)較冷水體中的鈣質(zhì)有機(jī)物能夠迅速鈣化。因此，在非熱帶地區(qū)較冷氣候條件下仍然具有形成石灰?guī)r的潛力［23］。隨后，Lees等［29，32］通過考察南北緯60°之間的現(xiàn)代海洋陸架環(huán)境中碳酸鹽沉積物，在熱帶暖水和溫帶冷水中分別識(shí)別出chlorozoan和foramol兩類生物骨架顆粒組合，并認(rèn)為顆粒組合的分布受溫度和鹽度的共同控制。應(yīng)該說，Chave的質(zhì)疑以及Lees等的開創(chuàng)性工作為“冷水碳酸鹽”或“非熱帶碳酸鹽”概念的提出和觀點(diǎn)的形成奠定了基礎(chǔ)。

進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，關(guān)于非熱帶或冷水碳酸鹽沉積的論文及經(jīng)典著作不斷涌現(xiàn)。Nelson等［24］在《非熱帶陸架碳酸鹽》中詳細(xì)描述了冷水碳酸鹽緩坡的特征；James等［25］的《冷水碳酸鹽》補(bǔ)充了大量從第四紀(jì)到古生代冷水碳酸鹽沉積物或巖石的研究實(shí)例，并認(rèn)為古生代石灰?guī)r與現(xiàn)代冷水碳酸鹽沉積物在很多方面表現(xiàn)出了驚人的相似性；Pedley等［27］在《冷水碳酸鹽——沉積體系和古環(huán)境控制》一書中指出，在研究冷水碳酸鹽沉積環(huán)境時(shí)，應(yīng)將小潮海（被陸地包圍的水體，如地中海）和大潮海（即世界性大洋）區(qū)分開來，并指出兩者的主要區(qū)別不是生物的多樣性，更重要的是小潮海所特有的很弱的晴天再沉積作用。近年來，冷水碳酸鹽在國際上已成為碳酸鹽沉積學(xué)的一個(gè)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，在2010年召開的第18屆國際沉積學(xué)大會(huì)上專門設(shè)了一個(gè)冷水碳酸鹽的研討專題，并有多位學(xué)者作了發(fā)言［33］。

綜合前人研究成果，“冷水碳酸鹽巖”（Cool-water Carbonates）［25，27，34］，也有學(xué)者稱之為“非熱帶陸架碳酸鹽巖”［3，24，26］、“溫帶碳酸鹽巖”［6，8］，是指在緯度約30°~35°以上的溫帶及寒帶地區(qū)和溫度約20℃以下的沉積水體中，或是在富營養(yǎng)的寒冷上升流水體中形成的碳酸鹽沉積物或巖石，其沉積特征與暖水碳酸鹽巖不同。筆者認(rèn)為，對(duì)于冷水碳酸鹽巖概念的理解需要注意兩點(diǎn)：第一，高緯度、深水區(qū)并不是冷水碳酸鹽巖的根本限定因素，在有冷的富營養(yǎng)上升流侵襲的熱帶淺海區(qū)也有冷水碳酸鹽沉積物的發(fā)育［3，27，35］， 故其決定性因素在于是否有冷水的作用，因此“冷水碳酸鹽巖”這一表述可能更為準(zhǔn)確。第二，冷水是相對(duì)而言的，冷水與暖水之間沒有嚴(yán)格的界線，已有多位學(xué)者闡述了冷水與暖水過渡類型沉積物的特征［36-38］。應(yīng)該說，“冷水碳酸鹽巖”概念的提出豐富和深化了人們對(duì)于碳酸鹽沉積環(huán)境的理解。

2 冷水碳酸鹽巖的主要地質(zhì)特征

由于沉積物的形成環(huán)境不同，因此與暖水碳酸鹽沉積相比，冷水碳酸鹽在沉積物分布、結(jié)構(gòu)組分（包括顆粒、基質(zhì)和膠結(jié)物）、礦物成分、地球化學(xué)特征、成巖作用等方面均表現(xiàn)出明顯的不同（表1）。

2.1 分布特征

根據(jù)海洋表層水的平均溫度和總體的生物分布特征，F(xiàn)lügel等［3］劃分出了3個(gè)與緯線近于平行的生物地理學(xué)分帶（表2）：熱帶、溫帶和極地帶，其中溫帶和極地帶又統(tǒng)稱為非熱帶，各個(gè)緯度帶之間的界線并非是截然的，而是過渡性變化的。

絕大部分已報(bào)道的現(xiàn)代冷水碳酸鹽沉積物均分布在高緯度地區(qū)［39-40］（圖 1），即非熱帶海域中，因此很多學(xué)者習(xí)慣稱之為“非熱帶碳酸鹽”。而所謂的非熱帶環(huán)境［3］，可以粗略地認(rèn)為是以現(xiàn)今珊瑚礁為界、

一直到極地的廣泛海域，或者說表層海水年平均溫度約為20℃的等溫線（現(xiàn)今緯度約為30°）以外的海域。然而，冷水碳酸鹽沉積物的分布并不完全受緯度控制，除了非熱帶環(huán)境，在熱帶地區(qū)有寒冷富營養(yǎng)上升流的水域也有冷水碳酸鹽的沉積［34-35，41］。在離岸風(fēng)和地球自轉(zhuǎn)偏向力的驅(qū)動(dòng)下，海洋表層水體向海方向（離岸方向）流動(dòng)，而密度躍層和深部的水體向上涌動(dòng)形成上升流，如現(xiàn)今在非洲和美國的西海岸［34］。

表1 冷水與暖水碳酸鹽沉積物（巖）地質(zhì)特征對(duì)比（據(jù)文獻(xiàn)［3，23-24］綜合與修改）

表2 現(xiàn)代碳酸鹽沉積物緯度分帶（據(jù)文獻(xiàn)［3］）

圖1 全球現(xiàn)代陸架碳酸鹽沉積物分布與緯度分帶（據(jù)文獻(xiàn)［3，39］修改；底圖據(jù)文獻(xiàn)［40］）

2.2 結(jié)構(gòu)組分特征

冷水碳酸鹽沉積物在碳酸鹽顆粒、基質(zhì)和膠結(jié)物等結(jié)構(gòu)組分上與暖水碳酸鹽差異較大，以分選中等到好的粗至細(xì)粒生物碎屑灰?guī)r為主，缺乏鮞粒等非骨架顆粒，含有少量細(xì)粒沉積物和礫屑，且碳酸鹽顆粒經(jīng)搬運(yùn)再沉積后可與其他顆?；旌?。

2.2.1 碳酸鹽骨架顆粒

骨架顆粒又稱生物碎屑，由于生物類型及其演化受生態(tài)環(huán)境的控制，對(duì)于碳酸鹽沉積中的生物組合而言，它必然受到海洋物理化學(xué)條件的控制，溫度便是其中重要的影響因素之一（圖2）。因此，與暖水碳酸鹽沉積相比，冷水碳酸鹽沉積在生物組合方面表現(xiàn)出明顯的不同，多位學(xué)者對(duì)此作了詳細(xì)闡述［2-3，26，29，32］。 在熱帶暖水環(huán)境中識(shí)別出了鈣質(zhì)綠藻-珊瑚組合（chlorozoan）、綠藻組合（chloralgal）［26，29］、綠藻-有孔蟲組合（chloroforam）［42］；在冷水環(huán)境中識(shí)別出了有孔蟲-軟體動(dòng)物組合（foramol）［26，29］、苔蘚蟲-軟體動(dòng)物組合（bryomol）［24］、紅藻石組合（rhrodalgal）、軟體動(dòng)物-有孔蟲組合（molechfor）［43］、藤壺-軟體動(dòng)物組合（barnamol）、雙殼類軟體動(dòng)物組合（bimol）［44］、苔蘚蟲-棘皮動(dòng)物組合（bryonoderm）［42］等。此外，James［18］根據(jù)是否對(duì)光照依賴，將生產(chǎn)碳酸鹽的底棲生物分為自養(yǎng)顆粒組合（photozoan）（指示淺海暖水環(huán)境）和異養(yǎng)顆粒組合（heterozoan）（從極地到赤道、從潮間帶到深海均有分布）兩類生物組合，但需要說明的是，冷水碳酸鹽沉積物基本全由異養(yǎng)顆粒組合組成，而異養(yǎng)顆粒組合的出現(xiàn)未必指示其為冷水碳酸鹽沉積，它在暖水碳酸鹽沉積物中也有分布［3］。冷水碳酸鹽顆粒組合除了受溫度影響，也受到鹽度、養(yǎng)分以及顆粒搬運(yùn)和再沉積作用的控制，如在高鹽度或變鹽度的熱帶—亞熱帶暖水環(huán)境中也可以發(fā)育有孔蟲-軟體動(dòng)物組合［45］；由局部上升流導(dǎo)致的營養(yǎng)過?？梢砸种柒}質(zhì)綠藻-珊瑚組合的發(fā)育［45］；在開闊高能陸架或緩坡，受較強(qiáng)底流作用的影響，沿斜坡向上或向下搬運(yùn)和再沉積作用可能導(dǎo)致不同類型顆粒的混合［3］。此外，在北大西洋等開闊陸架冷水域海岸發(fā)現(xiàn)的潮下巨藻叢林（kelp forest）對(duì)冷水碳酸鹽沉積也起著重要作用［3］，它為分泌鈣質(zhì)、產(chǎn)生沉積物的大量生物（如藤壺、雙殼類、海膽類、苔蘚蟲及龍介蟲等）提供了棲息地。

圖2 碳酸鹽沉積的環(huán)境條件和骨架顆粒組合的緯度變化（據(jù)文獻(xiàn)［29］）

綜上所述，在熱帶、亞熱帶淺海中，生物組合以造礁珊瑚和鈣質(zhì)綠藻大量發(fā)育為特征，藤壺、苔蘚蟲等占次要地位；而冷水碳酸鹽沉積則受生物骨架碎屑所覆蓋的開放海底環(huán)境所控制，這種海底環(huán)境缺乏造礁珊瑚、鈣化綠藻，而以底棲有孔蟲、軟體動(dòng)物、苔蘚蟲為主，此外還有海膽、藤壺、鈣質(zhì)紅藻、龍介蟲、介形蟲以及非造礁珊瑚和海綿等，其中，除鈣質(zhì)紅藻外，絕大多數(shù)為異養(yǎng)生物，因此，冷水碳酸鹽的生產(chǎn)基本與光照無關(guān)［34］。

2.2.2 碳酸鹽非骨架顆粒

非骨架顆粒是指碳酸鹽沉積物（巖）中非明顯生物來源的顆粒，包括鮞粒、核形石、似球粒、集合顆粒和內(nèi)碎屑等［2］。以鮞粒、集合顆粒為代表的非骨架顆粒在很大程度上局限于暖水陸架環(huán)境，并與chlorozoan組合伴生發(fā)育，而在高緯度地區(qū)則基本缺失［26-27，29，32］，即冷水碳酸鹽沉積缺乏非生物骨架顆粒（圖2）。而球粒（pellets）則是非骨架顆粒中的一個(gè)特例，研究表明［29，32］，在靠近c(diǎn)hlorozoan和foramol兩類骨架顆粒組合邊界的區(qū)域，球粒也可以和代表冷水環(huán)境的foramol組合伴生發(fā)育。

至于為何冷水碳酸鹽沉積缺乏以鮞粒、集合顆粒為代表的非骨架顆粒，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為非骨架顆粒的硬化和保存條件的差異是其根本原因［23，29］。首先，就海水的物理化學(xué)條件而言，熱帶暖水環(huán)境中碳酸鹽常處于過飽和狀態(tài)，溫度、鹽度適宜，就有利于文石的沉淀，進(jìn)而經(jīng)包殼或粘連形成鮞粒、集合體顆粒等，且有利于它們的硬化和保存；而在非熱帶或冷水環(huán)境中碳酸鹽濃度多為近于飽和或未飽和，且溫度、鹽度條件不足，就不利于非骨架顆粒的硬化和保存。其次，在生物鉆孔與泥晶套形成方面，熱帶暖水環(huán)境中顆粒的鉆孔可被過飽和的碳酸鹽沉淀充填，并使顆粒泥晶化形成泥晶套；而冷水環(huán)境中的顆粒因其鉆孔沒有充填而被溶解和破壞［46］，很少出現(xiàn)泥晶套，故不利于顆粒的保存。

2.2.3 灰泥基質(zhì)

碳酸鹽沉積環(huán)境中灰泥的成因主要有物理化學(xué)沉淀作用、生物控制作用、生物崩解作用以及生物侵蝕、機(jī)械磨蝕和破碎作用等［3］。在熱帶地區(qū)碳酸鹽往往處于過飽和狀態(tài)，灰泥的形成多以化學(xué)沉淀以及生物化學(xué)作用為主，現(xiàn)代海洋沉積物中的針狀文石泥大多是這種成因；而在非熱帶地區(qū)灰泥的成因則主要為顆粒的磨蝕、生物侵蝕和浸解作用等［23，26，47］。

非熱帶冷水環(huán)境中碳酸鹽難以飽和，不易產(chǎn)生化學(xué)沉淀，而且沉積速率較低、生物鉆孔發(fā)育且未被充填，因此容易遭受浸解和生物侵蝕作用，再加上冷水沉積環(huán)境底流作用較強(qiáng)，使得顆粒易遭受機(jī)械磨損和破碎，從而形成灰泥。Farrow等［47］也證實(shí)，許多高緯度陸架的碳酸鹽泥都是由生物侵蝕 （如穿貝海綿、石內(nèi)藻以及一些腹足類和海膽類的侵蝕）或浸解作用（如糞球粒的浸解）形成，在這一過程中，生物侵蝕作用速率可以很快，且在高緯度水深小于25m內(nèi)的透光帶最為強(qiáng)烈［3］。

2.3 礦物組成特征

碳酸鹽沉積物的礦物組成主要有文石、方解石和白云石三種，其中方解石又可分為高鎂方解石（＞4mol%MgCO3，又稱鎂方解石）和低鎂方解石（＜4mol%MgCO3，即為通常所指的方解石）。正常海水的無機(jī)沉淀實(shí)驗(yàn)表明［48］：在溫度≥30℃的條件下，無機(jī)沉淀物全為文石；而在15～30℃時(shí)，無機(jī)沉淀物則是文石和鎂方解石的混合物；當(dāng)溫度降低到3℃時(shí)，只有低鎂方解石沉淀［48-49］?，F(xiàn)代碳酸鹽沉積物的礦物組成隨緯度變化的特征并不是很明顯，但也有一些規(guī)律可循：從現(xiàn)今熱帶、暖溫帶、涼溫帶到極地淺海環(huán)境中，陸架碳酸鹽沉積物分別以文石和高鎂方解石、高鎂方解石（和較少的文石）、高鎂到低鎂方解石（文石變化范圍可較大）、低鎂方解石為主［3,50-51］，即方解石中Mg含量隨著溫度的降低有減少的趨勢(shì)［52］（圖3）。

因此，與暖水的陸架碳酸鹽沉積物相比，冷水碳酸鹽沉積物中的文石含量可能較少［23］，而方解石含量較多，鎂方解石次之［55］（圖4），這是因?yàn)槲氖玩V方解石在冷水中可能會(huì)被溶解［56］。碳酸鹽沉積物的礦物組成不僅受水體溫度的影響，而且還與生物種類有關(guān)，Rao等［51］研究發(fā)現(xiàn)，南極海苔蘚蟲以低鎂方解石為主，溫帶塔斯馬尼亞苔蘚蟲多為高鎂方解石和不定量的文石，而南極和溫帶的雙殼軟體動(dòng)物主要由文石和不定量的低鎂方解石組成。

圖3 MgCO3摩爾分?jǐn)?shù)與水體溫度的關(guān)系（據(jù)文獻(xiàn)［51］修改）

圖4 熱帶碳酸鹽、冷水碳酸鹽與灰泥丘碳酸鹽沉積物的礦物組成（據(jù)文獻(xiàn)［34］簡化）

現(xiàn)代的白云巖形成于熱帶—亞熱帶等低緯區(qū)［23］；古地磁的研究也發(fā)現(xiàn)，古代白云巖大都出現(xiàn)在古赤道兩側(cè)緯度30°以內(nèi)［57］；但埋藏白云巖的形成并不局限于暖水環(huán)境，在冷水碳酸鹽巖中也可形成［58］。此外，蒸發(fā)巖類礦物（包括石膏、硬石膏和巖鹽等）、鈣質(zhì)疊層石［23，50］也多出現(xiàn)在溫暖的低緯度區(qū)，而在冷水環(huán)境中它們則普遍缺乏。

2.4 地球化學(xué)特征

用于碳酸鹽沉積環(huán)境分析的地球化學(xué)標(biāo)志主要包括微量元素和穩(wěn)定同位素兩個(gè)方面。在熱帶暖水環(huán)境中原始亞穩(wěn)定的文石和鎂方解石在大氣淡水作用下轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的方解石，這個(gè)過程伴隨著Mn的富集和Sr、Na的流失［59］；而原始冷水環(huán)境中的低鎂方解石在大氣淡水成巖環(huán)境中保持穩(wěn)定，因此其原始的地球化學(xué)特征大部分得以保留［50］。澳大利亞塔斯馬尼亞奧陶系熱帶暖水碳酸鹽巖(古緯度為10°N）與下二疊統(tǒng)近極地冷水碳酸鹽巖 （古緯度為80°S）微量元素組成對(duì)比表明［50］，暖水碳酸鹽巖中Mn含量較低（25~244μg/g）、Na含量中等（64~375μg/g）、Sr含量較高（261~1536μg/g）、Sr/Na大于1（2.6~4.6），這與現(xiàn)今全新世熱帶文石質(zhì)碳酸鹽沉積物特征類似［29，50］，并進(jìn)一步推斷該石灰?guī)r原始的碳酸鹽礦物組成以文石為主，石灰?guī)r的形成溫度約為30℃或以上；而在冷水石灰?guī)r中Mn含量較高 （100~2500μg/g）、Na含量（100~1 910μg/g）與Sr含量（200~1 200μg/g）相近、Sr/Na近于1，且Mg含量較低，表明了石灰?guī)r原始礦物組成以低鎂方解石為主，推斷其形成溫度在3℃以下。圖5表明了冷水與暖水碳酸鹽沉積物（巖）的微量元素相對(duì)豐度對(duì)比情況。在其他微量元素方面，Ca的富集量隨氣候變暖而降低［28］，且冷水石灰?guī)r中鈣質(zhì)生物骨骼豐富，因此，冷水碳酸鹽沉積物的鈣含量較高。需要說明的是，碳酸鹽沉積物中微量元素的含量不僅與原始沉積環(huán)境有關(guān)，如水溫、鹽度、巖石類型、填隙物類型及含量、礦物成分、生物種類及含量等，還受到成巖作用的影響［23，60］，若經(jīng)歷后期成巖作用則可能會(huì)削弱甚至消除這些微量元素組成特征。Hood等［60］研究表明，在冷水碳酸鹽巖的巖石類型中，相比較于顆?；?guī)r，泥晶灰?guī)r的Ca含量低，而Mg、Fe、Na、Sr、Mn含量高；（含鐵）白云石化作用可使Ca相對(duì)減少，Mg、Fe大量富集，Na、Sr少量增加（圖5）。

圖5 冷水與暖水碳酸鹽沉積物（巖）微量元素相對(duì)豐度（據(jù)文獻(xiàn)［60］）

在穩(wěn)定同位素方面，C、O、Sr同位素組成已廣泛應(yīng)用于恢復(fù)（古）海水溫度。Friedman等［61］建立了與水溫相關(guān)的18O分餾模式。Kroopnick［62］指出，由于大氣CO2濃度、有機(jī)質(zhì)的氧化作用和水體的混合作用不同，從溫帶到極地帶海洋表層水體的δ13C值也不同。Rao等［51］發(fā)現(xiàn)，由于海水溫度、δ13C濃度以及水體循環(huán)不同，極地生物骨架與溫帶生物骨架的碳氧同位素分布區(qū)域可以很好地被分開（圖6）。重的δ18O值指示了非熱帶或超鹽度環(huán)境［63］。在沒有冰雪融水稀釋的影響下，非熱帶淺海苔蘚蟲、底棲有孔蟲和軟體動(dòng)物的δ18O值可以給出近似的海水溫度［64］，因此可以用于古溫度的確定［65］，進(jìn)而識(shí)別古代冷水碳酸鹽巖。需要注意的是，如果有冰雪融水稀釋的強(qiáng)烈影響，δ13C和δ18O值均會(huì)明顯減?。?1］，如格陵蘭現(xiàn)代海［66］、加拿大北極區(qū)［67］和塔斯馬尼亞二疊紀(jì)極地海［68］。此外，由于生長速率不同，非熱帶淺海不同的生物骨架（如苔蘚蟲、底棲有孔蟲和軟體動(dòng)物）的δ13C和δ18O值會(huì)有少許差異［51，69］。

圖6 極地和溫帶生物骨架碳氧同位素分布（據(jù)文獻(xiàn)［51］修改）

2.5 成巖作用特征

非熱帶環(huán)境中的碳酸鹽沉積物成巖作用以破壞作用為主［70］，這是由于在非熱帶海水環(huán)境中的碳酸鹽飽和度是很低的或者說是未飽和的，因此沉積物可以在很長時(shí)間內(nèi)保持未成巖狀態(tài)［3，34，71］。 然而，骨架內(nèi)和顆粒間的碳酸鹽膠結(jié)作用在一些溫帶（涼水）和冷水碳酸鹽沉積物中可能普遍存在［3］。研究表明，文石含量對(duì)碳酸鹽沉積物的成巖作用有重要影響［72］。在成巖早期，亞穩(wěn)定的文石經(jīng)溶解再沉淀可形成方解石膠結(jié)物。在大氣淡水或淺埋藏環(huán)境中，富含文石的沉積物在成巖早期就開始形成大量的方解石膠結(jié)物［54，73］，從而提高了巖石硬度，增強(qiáng)了巖石在深埋藏環(huán)境中抵抗顆粒間機(jī)械和化學(xué)壓實(shí)作用的能力，最終使得部分孔隙得以保留。對(duì)于冷水碳酸鹽巖而言，由于其原始礦物組成中的文石含量很低，因此，它缺乏早期形成的大量粒間膠結(jié)物，而膠結(jié)物主要是來源于成巖晚期深埋藏顆粒間和縫合線的壓溶作用［56，72］，較強(qiáng)的壓實(shí)及壓溶作用也使得粒間孔隙大大減少。Dodd等［72］研究發(fā)現(xiàn)，美國印第安納州中密西西比統(tǒng)石灰?guī)r和新西蘭新生代非熱帶石灰?guī)r相似，主要由方解石質(zhì)的棘皮動(dòng)物和苔蘚蟲組成，具有相似的成巖歷史，尤其是膠結(jié)物的形成歷史（圖7）：即海底膠結(jié)物和淺埋藏時(shí)期文石來源的膠結(jié)物較少，膠結(jié)作用較弱，孔隙可以得到很好保存；到了深埋藏時(shí)期，壓溶作用成為膠結(jié)物的主要來源，膠結(jié)作用增強(qiáng)，孔隙空間急劇減少，顯然這一演化模式與新生代熱帶石灰?guī)r的成巖歷史不同。冷水碳酸鹽沉積物中很少發(fā)生白云石化，但Hood等［58］提供了一個(gè)很罕見的冷水碳酸鹽巖埋藏白云石化的實(shí)例，該冷水石灰?guī)r中只有泥晶基質(zhì)發(fā)生部分白云石化，而骨架顆粒和亮晶膠結(jié)物沒有發(fā)生白云石化；雖然沒有白云石化相關(guān)的次生孔隙形成，但高脆性的白云質(zhì)灰?guī)r在后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中易形成裂縫，進(jìn)而可以作為裂縫性油氣儲(chǔ)層。

3 冷水碳酸鹽沉積模式

研究表明，冷水碳酸鹽的沉積形態(tài)以緩坡為主［3，17，24，34］，這是由它的沉積及成巖特點(diǎn)所決定的。如前所述，冷水碳酸鹽沉積物的骨架顆粒以有孔蟲、軟體動(dòng)物、苔蘚蟲等異養(yǎng)生物為主，缺乏快速生長的造礁珊瑚、鈣質(zhì)綠藻等鈣質(zhì)造架生物，因此難以形成抗浪鑲邊；再加上波浪、風(fēng)暴等高能底流作用強(qiáng)烈［3，17，34］，甚至可以直接沖刷到海岸，將生物碎屑搬運(yùn)到很遠(yuǎn)，故沉積穩(wěn)定性較差，海底生物建造很少超過分米級(jí)幅度［17］，且膠結(jié)作用較弱，所以冷水碳酸鹽巖通常形成碳酸鹽緩坡。

圖7 三種石灰?guī)r的膠結(jié)物形成歷史及孔隙演化（據(jù)文獻(xiàn)［72］）

關(guān)于冷水碳酸鹽緩坡的沉積模式，已有多位學(xué)者對(duì)其進(jìn)行過探討［24-25，27，34，74-75］。 由于不同地區(qū)不同層系沉積時(shí)期的古地形和區(qū)域水動(dòng)力條件不同［74］，由此導(dǎo)致的沉積相帶分布也不盡相同，難以用統(tǒng)一的沉積模式來概括。以西班牙東南部新近系貝蒂克（Betic）山間盆地的溫帶碳酸鹽沉積為例［75］，該區(qū)主要發(fā)育三種相模式（圖8），即低能均勻傾斜緩坡沉積模式（圖8a）、中等能量均勻傾斜緩坡沉積模式（圖8b）和遠(yuǎn)端變陡緩坡沉積模式（圖8c），相帶分布由陸向海依次為海岸帶、淺灘、開闊臺(tái)地、斜坡腳及盆地相［75］（圖8b）。 其中，海岸相帶包括海灘、潟湖、沙嘴、海底陡崖等諸多微相；向海方向?yàn)楦吣艿臏\灘相，以泥?；?guī)r和粒屑灰?guī)r為主，其中生物骨架顆粒高度破碎和磨損，發(fā)育槽狀交錯(cuò)層理；在晴天浪基面之下，淺灘向盆地方向的相對(duì)安靜的環(huán)境是最主要的碳酸鹽生產(chǎn)區(qū)域，稱為碳酸鹽工廠相［16］，該區(qū)域生物骨架顆粒保存很好，為原地或準(zhǔn)原地堆積。但對(duì)于遠(yuǎn)端變陡緩坡（圖8c)，由于膠結(jié)作用較弱，缺乏早期成巖作用，碳酸鹽骨架顆粒易于移動(dòng)［17，34，74］，在風(fēng)暴期強(qiáng)烈底流作用下，碳酸鹽工廠的骨架顆粒向陸地方向的淺灘、沙嘴及海灘搬運(yùn)，也可以在重力流作用下沿較陡的斜坡向下搬運(yùn)，在風(fēng)暴浪基面之下的盆地海底扇葉和溝道中再沉積下來。

眾所周知，碳酸鹽緩坡在熱帶溫暖淺水環(huán)境也可形成，且很多地質(zhì)學(xué)家已成功將其模式應(yīng)用于古代碳酸鹽巖沉積環(huán)境的解釋當(dāng)中，但與此相比，冷水碳酸鹽緩坡在形態(tài)演化、灰泥含量以及波浪磨蝕等方面［34］則表現(xiàn)出明顯的不同。由于兩者在鑲邊建造能力［17，34］和碳酸鹽生產(chǎn)的深度窗不同［76］，熱帶緩坡有向鑲邊臺(tái)地演化的強(qiáng)烈傾向，而冷水碳酸鹽緩坡形態(tài)則一直很穩(wěn)定，這與碎屑巖陸架較為相似［34］。此外，冷水碳酸鹽緩坡的沉積物分布也與碎屑巖陸架相似［34］，沿陸架的沉積物粒度分布均是水體能量的函數(shù)，水體越淺、能量越高的環(huán)境中沉積物粒度越

粗，隨深度增加，泥級(jí)沉積物增加。如果冷水碳酸鹽緩坡的波浪磨蝕作用很強(qiáng)烈，那么在其陸架中部的部分地區(qū)甚至沒有沉積物堆積［77-78］。

圖8 西班牙東南部貝蒂克（Betic）山間盆地溫帶碳酸鹽緩坡沉積模式（據(jù)文獻(xiàn)［75］修改）

4 展 望

應(yīng)該說，冷水碳酸鹽巖是碳酸鹽巖沉積巖石學(xué)一個(gè)全新的研究領(lǐng)域，經(jīng)過近40年的發(fā)展，已取得一系列的成果和認(rèn)識(shí)。然而不可否認(rèn)的是，該領(lǐng)域的研究目前仍處于探索階段，在很多方面還有待深入研究。

首先，在理論發(fā)展上，應(yīng)繼續(xù)深化研究現(xiàn)代冷水碳酸鹽沉積物特征，在此基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步分析和解釋古代冷水碳酸鹽巖的沉積特征，總結(jié)出冷水碳酸鹽沉積的地質(zhì)特征及其與暖水碳酸鹽的區(qū)別。許多古代碳酸鹽巖的生物組合［79］、礦物成分、元素及同位素組成表明［80］，非熱帶碳酸鹽巖在世界范圍內(nèi)可能廣泛存在，且有些已經(jīng)被識(shí)別，并且毫無疑問的是，有些現(xiàn)在被認(rèn)為是“熱帶碳酸鹽巖”的實(shí)例也將會(huì)被證明是冷水碳酸鹽巖。在判別冷水和暖水碳酸鹽沉積時(shí)，要綜合結(jié)構(gòu)組分、礦物組成、地球化學(xué)特征等多方面的資料，單方面的特征如單一門類的生物化石很難將兩者區(qū)分開，而且可能得出錯(cuò)誤的結(jié)論。

其次，在研究方法上，要明確諸如穩(wěn)定同位素、古地磁、孢粉分析等傳統(tǒng)的古氣候分析方法對(duì)于判別冷水鹽酸鹽沉積的有效性和適用性，并嘗試探索新方法，進(jìn)而建立一套實(shí)用的冷水碳酸鹽沉積的判別方法。

最后，在生產(chǎn)應(yīng)用上，需明確冷水碳酸鹽巖的油氣地質(zhì)意義，探索其儲(chǔ)層形成機(jī)理及分布規(guī)律，總結(jié)冷水碳酸鹽巖發(fā)育的沉積模式，從而更好地用于指導(dǎo)油氣勘探。目前對(duì)于古代冷水碳酸鹽巖油氣儲(chǔ)層潛力的研究還很薄弱，僅有個(gè)別學(xué)者作了相關(guān)探討［35，58］。Martindale等［35］提供了一個(gè)在溫躍層上下同時(shí)發(fā)育暖水和冷水碳酸鹽巖油氣儲(chǔ)層的研究實(shí)例。我國海相碳酸鹽巖分布面積廣，油氣資源豐富，是當(dāng)前及未來油氣勘探的一個(gè)重要領(lǐng)域，因此，冷水碳酸鹽的基礎(chǔ)性研究無論是對(duì)于碳酸鹽沉積巖石學(xué)理論的完善，還是對(duì)于油氣勘探的指導(dǎo)，都具有重要的意義。

5 結(jié) 論

（1）冷水碳酸鹽沉積是指在（古）緯度約30°~35°以上的溫帶及寒帶地區(qū)、溫度約20℃以下的沉積水體中，或是在富營養(yǎng)的寒冷上升流水體中所形成的碳酸鹽沉積物或巖石，其沉積特征與暖水碳酸鹽不同。

（2）冷水碳酸鹽沉積物中的生物顆粒組合以底棲有孔蟲、軟體動(dòng)物、苔蘚蟲等異養(yǎng)生物和鈣質(zhì)紅藻為主，缺乏造礁珊瑚和鈣質(zhì)綠藻，缺乏鮞粒、集合顆粒等非骨架顆粒；而且沉積物中灰泥基質(zhì)含量較少，礦物成分以方解石為主，氧同位素較重，膠結(jié)作用弱，以破壞性成巖作用為主。

（3）冷水碳酸鹽沉積形態(tài)以緩坡為主，且很穩(wěn)定；受波浪、風(fēng)暴等高能底流作用影響，波浪磨蝕作用和再沉積作用較強(qiáng)。

（4）冷水碳酸鹽巖是碳酸鹽巖沉積巖石學(xué)一個(gè)全新的研究領(lǐng)域，在很多方面還有待深入研究，在理論發(fā)展上，應(yīng)進(jìn)一步深化研究其地質(zhì)特征以及與暖水碳酸鹽沉積的區(qū)別；在研究方法上，需明確各種方法的適應(yīng)性，并探索新方法；在生產(chǎn)應(yīng)用上，需明確其油氣地質(zhì)意義，進(jìn)而指導(dǎo)油氣勘探。

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編輯：黃革萍

Cool-water Carbonates:A Review of the Current Status and Prospects

Su Wang,Jiang Qingchun,Chen Zhiyong,Wang Zecheng, Wang Long,Jiang Hua,Bian Congsheng,Wu Yulin

Marine carbonate sediments is widely considered to be the products deposited in a warm and shallow sea environment for a long time,however,in recent years some overseas researches show ed that themassive carbonates also can deposit in a cool-water shelf environment,namely cool-water carbonates.Based on the investigation of a large number of literatures,this paper reviews the concept,geological characteristics,sedimentary models of cool-water carbonates.Cool-water carbonates refers to the carbonate sediments or rocks deposited on the bottom of water bodies in a temperate zone or a polar zone w ith the latitude/palaeolatitude above about 30°～35°and the temperature below 20℃, or in a upwelling cool nutrient-rich water,so its sedimentary characteristics are different from the warm-water carbonates. The skeletal grain assemblages in cool-water carbonate sedimentsmainly consist of heterotrophic organisms,including benthic foraminifera,mollusks and bryozoans,and calcium red algae,but lack hermatypic coral reefs,calcified green algae and non-skeletal grains such as ooids and grain aggregates.The cool-water carbonates has less limemud,more calcite,and heavier oxygen isotope.Its cementation isweak and its diagenesis is predominantly destructive.The cool-water carbonates has the geometry of ramp predom inantly w ith strong w ave erosion and re-sedimentation.

Cool-water carbonates;Geological characteristics;Sedimentarymodel;Oil/gas potential

TE122.2

：A

10.3969/j.issn.1672-9854.2017.01.001

1672-9854(2017)-01-0001-13

2015-04-26；改回日期：2016-07-13

本文受國家科技攻關(guān)重大專項(xiàng)“海相碳酸鹽巖油氣資源潛力與大油氣田形成條件、分布規(guī)律研究”（編號(hào)：2011ZX05004-001）資助蘇旺：1991年生，2016年獲中國石油勘探開發(fā)研究院碩士學(xué)位，主要從事碳酸鹽巖沉積及儲(chǔ)層研究。通訊地址：甘肅省蘭州市城關(guān)區(qū)雁兒灣路535號(hào)；E-mail:suwang91@163.com

Su W ang：Geology Engineer.Add:PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration&Development-Northwest, 535 Yanerwan Rd.,Lanzhou,Gansu,720030,China