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沉积故事 碳酸盐岩鲕粒成因之谜

发布日期: 2021-01-27 阅读次数:
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郭芪恒  金振奎

1. 引言

鲕粒本义是指鱼籽粒,被沉积学家引入碳酸盐岩岩石学中,专门用来描述一种极具艺术欣赏价值而又变化多端的碳酸盐岩结构组分,是碳酸盐岩中重要的颗粒类型。鲕粒的形态通常为直径小于2mm的、有核心的、被不同圈层结构包裹的球型或椭球形(图1),根据圈层结构可以分为放射鲕、同心鲕及同心-放射鲕。鲕粒不仅可以用来指示古环境条件(水深、盐度、温度和水体能量)及古气候特征,鲕粒石灰岩还是碳酸盐岩中优势的油气储层。自鲕粒被发现以来,关于鲕粒是物理成因还是生物成因就一直存在争论。争论的要点主要集中在:(1)微生物是否在鲕粒圈层形成中起到积极作用;(2)光合微生物和硫酸盐还原细菌微生物群落是否均在鲕粒形成中发挥作用;(3)鲕粒的放射状结构是次生还是原生。

典型鲕粒形态(a. 同心-放射梅花状鲕,单偏光北京下苇甸寒武系张夏组;b. 同心-放射纤维状包壳单偏光北京青白口寒武系张夏组;c. 偏心放射鲕,单偏光北京青白口寒武系张夏组;d. 放射鲕,单偏光北京青白口寒武系张夏组)

2. 鲕粒的物理化学成因进展

        典型鲕粒的物理化学成因假说认为鲕粒形成需要三个条件:(1)饱和碳酸钙的海水;(2)有核心的来源;(3)动荡的水体。这种地质条件在现代热带的碳酸盐浅滩是比较普遍的,但不是所有的浅滩都有鲕粒的发育。Rankey2009通过对太平洋库克群岛现代鲕粒研究发现鲕粒主要形成于群岛附近pH值和碱度最高的地区,其他地区鲕粒基本不发育,并且现代发生鲕粒沉积的海域具有相同的特征-高pH值和高碱度,认为碳酸钙饱和度是限制鲕粒全球分布的重要因素。

Duguid2010)研究认为微生物在鲕粒的形成中不起作用,相反,由于微生物的存在造成的钻孔及与其相关胶结物的形成,改变了原始鲕粒圈层的结构和化学组成,其将鲕粒形成划分为两个阶段(图2):(1)活跃阶段(悬浮搅动阶段)鲕粒表面形成具有相对较高的Mg/Ca比的非晶质钙碳酸盐ACCAmorphous Calcium Carbonate);(2)稳定阶段(静止阶段)ACC重结晶形成针状文石。

2  鲕粒典型物理化学形成机制(据Duguid等2010)

3. 鲕粒的微生物成因进展

近些年来,关于微生物促进鲕粒形成的认识不断加深,例如Folk和Lynch等2001)研究认为大量鲕粒圈层的沉淀与纳米细菌有关,并且鲕粒中文石切向排列是由粘液的“定向模板”造成的。粘液填充的层与文石层周期性排列构成了鲕粒的圈层结构,而这些富有机质的粘液层在后期腐烂形成了文石层之间的间隙。Summons2013)研究认为特定的微生物群落通过代谢活性增加了局部的碱度,促进了碳酸盐的沉淀,进而促进鲕粒皮层的生长。 Diaz2017)详细研究了微生物活动对鲕粒形成的影响,认为由微生物活动诱导的碱度和过饱和条件局部增加可导致ACC发展和随后的文石晶体形成,强调了ACC形成的生物过程;将鲕粒的形成总结为以下几个阶段(图3):(1)鲕粒外部圈层微生物细胞外聚合物质(EPS)形成导致碳酸钙的沉淀形成ACC;(2ACC累积形成薄层;(3ACC转化为文石晶体,形成围绕核心的新的文石层;(4)动荡的水体磨损不均匀的文石层,形成较为光滑的球形,构成了鲕粒的圈层。

3 鲕粒典型的微生物形成机制(据Diaz等2017)

湖相淡水鲕粒的发现表明碳酸钙过饱和的水体不再是鲕粒形成的必要条件,更加支持了鲕粒微生物学说。Plee2008)通过对日内瓦现代淡水湖做原地实验表明光合微生物群落在鲕粒圈层的形成中起到了至关重要的作用,如丝状和球状的蓝藻,在相同的物理化学条件下,生物膜的缺乏抑制了方解石的沉淀。Pacton2012)通过对瑞士日内瓦现代淡水鲕粒研究表明光合微生物不仅促进了鲕粒核心周围早期碳酸盐岩的沉淀,而且控制了鲕粒整个圈层的形成,硫酸盐还原细菌对鲕粒的形成基本不起作用,鲕粒圈层在钙化之前首先由光合微生物细胞外聚合物质物质(EPS)矿化为无定型硅酸镁(amMg-Si)为鲕粒碳酸钙沉淀提供模板,然后转变为低镁方解石。

4.鲕粒原始圈层结构

      鲕粒的原始圈层主要分为三类(图4):(1)围绕核心径向展布的放射状结构;(2)围绕核心切线状分布的同心状结构;(3)围绕核心随机分布的杂乱结构。这三种结构既可以同时出现在一个鲕粒中,也可以单独存在一个鲕粒中。通过大量的鲕粒镜下观察结合前人研究机理,作者认为鲕粒最原始的结构是径向生长的放射层,是在低能静水环境中由ACC矿化形成的,随机分布结构及切线状结构是被水动力剪切形成的次生结构,严格意义上的切线状结构是不发育的(图1),因此作者认为鲕粒圈层由径向-随机-切线结构演化,代表了沉积水体能量的增加,鲕粒圈层结构是判断沉积水体能量变化的良好标志


4  鲕粒圈层结构a.破坏性微生物钻孔破坏鲕粒结构,图片据Duguid等,2010;b、c.围绕核心的鲕粒放射结构、随机杂乱结构及切线状结构,据Rankey等,2009;d.鲕粒圈层文石杂乱分布,据Folk和Lynch等,2001)


5.鲕粒有机-无机复合成因

       鲕粒的形成不是单一的纯物理化学机制或者微生物机制,微生物通过调节局部碳酸钙饱和度及碱度促进了鲕粒圈层的形成,而水动力的变化改变了鲕粒圈层结构,从而得到丰富的鲕粒类型。不同鲕粒在新的圈层形成前必须经过建设性生物膜—EPS—ACC—矿化成针状碳酸盐矿物这四个过程,新圈层形成后根据水动力条件及鲕粒生长的间歇性将形成几种典型的鲕粒类型(图51)持续低能连续生长环境—生长环境稳定,因此鲕粒圈层能够围绕核心持续径向周期性生长,生物膜后期难以保留,形成典型的放射鲕(图5a);(2)持续低能间歇生长环境—鲕粒圈层围绕核心径向周期性间歇生长,在鲕粒生长间歇阶段,被大量微生物定殖,后期残余的有机质形成明显的同心状分布的富有机质层,这种情况下形成的鲕粒表现为径向生长的放射状圈层和富有机质同心圈层周期性交替,形成同心-放射状纤维包壳鲕(多数学者定义为同心鲕)(图5b);(3)持续动荡连续生长环境—ACC矿化形成围绕核心径向生长的碳酸盐矿物被水动力剪切作用改造成围绕核心的切线状,周期性的切线状圈层包裹鲕粒核心形成典型的同心鲕(图5c);(4)持续动荡间歇生长环境—切线圈层被间歇期微生物定殖形成的黑色富有机质同心圈层分割在不同的小层内,形成同心-切线包壳鲕(图5d);(5)鲕粒形成早期处于静水环境,连续生长径向放射圈层,后期经过短暂间歇环境变的动荡形成连续的切线状圈层,构成典型的同心-放射鲕(图5ef);(6)鲕粒在形成后,受生物定殖强烈的钻孔影响,原始圈层被破坏,形成泥晶鲕(图5g);(7)鲕粒沉积后期遭受强烈的成岩作用改造,尤其是重结晶作用,形成多晶鲕/单晶鲕,最外层被富含有机质的泥晶套包裹(图5h)。

5 不同类型鲕粒形成过程


本文作者:郭芪恒 长庆油田分公司勘探开发研究院 硕士Email:1974735970@qq.com;

金振奎 中国石油大学(北京)地球科学学院 教授 Email: jinzhenkui@188.com


主要参考文献:

[1]Davies P J , Bubela B , Ferguson J . The formation of ooids[J]. Sedimentology, 1978, 25(5):703-730.

[2]Rankey E C , Reeder S L . Holocene ooids of Aitutaki Atoll, Cook Islands, South Pacific[J]. Geology, 2009, 37(11):971-974.

[3]Duguid S M A , Kyser T K , James N P , et al. Microbes and Ooids[J]. Journal of Sedimentary Research, 2010, 80(3-4):236-251.

[4] Folk R L , Lynch F L . Organic matter, putative nannobacteria and the formation of ooids and hardgrounds[J]. Sedimentology, 2001, 48(2):215-229.

[5]Summons R E , Bird L R , Gillespie A L , et al. Lipid biomarkers in ooids from different locations and ages: evidence for a common bacterial flora[J]. Geobiology, 2013, 11(5):420-436.

[6]Diaz M R, Eberli G P, Blackwelder P, et al. Microbially Mediated Organomineralization in the Formation of Ooids[J]. Geology, 2017, 45(9):771-774.

[7] Plee K , Ariztegui D , Martini R , et al. Unravelling the microbial role in ooid formation - Results of an in situ experiment in modern freshwater Lake Geneva in Switzerland[J]. Geobiology, 2008, 6(4):341-350.

[8] Pacton M , Ariztegui D , Wacey D , et al. Going nano: A new step toward understanding the processes governing freshwater ooid formation[J]. Geology, 2012, 40(6):337-45. 

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