罗进雄, 何幼斌, 何明薇, 陈晓辉. (2019)华南中二叠统眼球状石灰岩特征及成因的思考* [J]. 古地理学报, 21(4): 613-626
Luo Jin-Xiong, He You-Bin, He Ming-Wei, Chen Xiao-Hui. (2019)Thoughts on characteristics and origin of the Middle Permian eyeball-shaped limestone in South China[J]. Journal Of Palaeogeography, 21(4): 613-626.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2019.04.040
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华南中二叠统眼球状石灰岩特征及成因的思考*
罗进雄1,2, 何幼斌1,2, 何明薇3, 陈晓辉4
1 长江大学地球科学学院,湖北武汉 430100
2 非常规油气湖北省协同创新中心,湖北武汉 430100
3 中海油研究总院有限责任公司,北京 100028
4 中国石化江汉油田分公司物探研究院,湖北武汉 430034
通讯作者简介 何幼斌,男,1964年生,1992年毕业于中国石油大学(北京),获工学博士学位,现为长江大学地球科学学院教授,博士生导师,主要从事沉积学的教学和研究工作。E-mail: heyb122@163.com。

第一作者简介 罗进雄,男,1980年生,2011年毕业于长江大学,获工学博士学位,现为长江大学地球科学学院副教授,硕士生导师,主要从事沉积学的教学和研究工作。E-mail: luojinxiong1980@126.com。

收稿日期:2019-01-28
基金资助:*国家自然科学基金项目(编号: 41402089)和长江青年科技创新团队基金(编号:2015cqt04)共同资助
摘要

眼球状石灰岩是华南地区中二叠统常见的一种碳酸盐岩岩石类型,由“眼球”和“眼皮”组成,广泛分布于中二叠统栖霞组下部和茅口组中—下部。关于眼球状石灰岩特征和成因的研究,已经取得了较为丰富的成果,笔者对这些成果进行了评述:对眼球状石灰岩的分布特征、岩石学特征及地球化学特征进行了总结;对其各种成因观点进行了讨论。在此基础上,阐述了眼球状石灰岩特征研究存在的争议,指出了下一步研究应关注的方面,尤其是在微观特征及地球化学特征方面,同时认为眼球状石灰岩的石油地质意义应该引起足够的重视。

关键词: 华南; 中二叠统; 眼球状石灰岩; 缺氧环境; 上升流
中图分类号:P588.24+5 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2019)04-0613-14
Thoughts on characteristics and origin of the Middle Permian eyeball-shaped limestone in South China
Luo Jin-Xiong1,2, He You-Bin1,2, He Ming-Wei3, Chen Xiao-Hui4
1 School of Geosciences,Yangtze University,Wuhan 430100,China
2 Hubei Cooperative Innovation Center of Unconventional Oil and Gas,Wuhan 430100,China
3 CNOOC Research Institute Co.,Ltd,Beijing 100028,China
4 Geophysical Exploration Research Institute of Jianghan Oil Field Branch Company,SINOPEC,Wuhan 430034,China
About the corresponding author He You-Bin,born in 1964,graduated from in China University of Petroleum(Beijing)with the Ph.D. degree in 1992. Now he is a professor at the School of Geosciences of Yangtze University,and is engaged in sedimentology. E-mail: heyb122@163.com.

About the first author Luo Jin-Xiong,born in 1980,graduated from in Yangtze University with the Ph.D. degree in 2011. Now he is an associate professor at the School of Geosciences of Yangtze University,and is mainly engaged in sedimentology. E-mail: luojinxiong1980@126.com.

Fund:Co-funded by the National Natural Science Foundation of China(No. 41402089) and the Yangtze Fund for Youth Teams of Science and Technology Innovation(No. 2015cqt04)
Abstract

The eyeball-shaped limestone,which is composed of “eyeball”and “eyelid”,is a common type of carbonates with special structures in middle Permian in South China. It develops widely in the lower part of Qixia Formation and the middle-lower part of Maokou Formation. There are many research on the characteristics and origin of eyeball-shaped limestone,which is reviewed in detail in this paper. The distribution,petrological and geochemical characteristics of the eyeball-shaped limestones has been summarized. Besides,different viewpoints on the origin of this kind of eyeball-shaped limestones have been discussed. The controversies on the characteristics of eyeball-shaped limestones have been expounded,and the important research aspects in the future on the eyeball-shaped limestones have been pointed out,especially in the microscopic and geochemical characteristics. Finally it implies that the perspective of eyeball-shaped limestone on the petroleum geological significances should be paid enough attention

Key words: South China; Middle Permian; eyeball-shaped limestone; anoxic environment; upwelling

眼球状石灰岩是华南地区中二叠统常见的一种碳酸盐岩岩石类型, 因其形状似眼球, 将该类岩石称为“ 眼球状石灰岩” , 也有人称之为“ 瘤状石灰岩” 。眼球状石灰岩和瘤状石灰岩是从形态上来命名的, 也有学者称之为灰岩— 泥灰岩韵律层, 是较为常见的一类碳酸盐岩(张继庆等, 1986; 冯增昭等, 1991, 1994, 1997; 金振奎和冯增昭, 1994; 杨玉卿, 1995; 李双应等, 2001; 包汉勇等, 2009; 罗进雄等, 2009; 罗进雄和何幼斌, 2010; 刘喜停等, 2012; 薛武强等, 2015; 何明薇和罗进雄, 2016)。眼球状石灰岩的特殊性和广泛性已经引起了学者们的重视, 因而其成因受到了沉积学界的广泛关注。

华南地区中二叠统眼球状石灰岩的广泛性和特殊性, 对于重新认识华南地区二叠纪沉积环境、古地理演化、古海洋背景具有积极作用, 有助于了解地球系统的变化。另外, 从油气勘探意义的角度而言, 眼球状石灰岩的“ 眼皮” 部分应是良好的烃源岩(罗进雄和何幼斌, 2014), “ 眼球” 部分也是潜在的储集岩。因此, 华南地区中二叠统眼球状石灰岩所蕴含的理论意义和潜在的经济价值应该被重视。

1 概述

1948年, 黄汲清先生在研究华蓥山二叠系的剖面时创建了“ 五十三梯段” 地层单元(黄汲清和曾鼎乾, 1948), 就用到了“ 眼球状结构” 这一名词(曾鼎乾, 1984)。之后, 张遴信等于1965年在华蓥山一带测制二叠系剖面时将“ 五十三梯段” 中的第25层、26层分别描述为“ 灰色厚层至块状微晶质灰岩, 偶含棕灰色或灰黑色泥质灰岩的团块或条带” 、“ 深灰色泥质灰岩与深灰色灰岩互层” (张遴信等, 1981); 按照该描述, 这2层应归于眼球状石灰岩, 但是在当时, 并没有引起研究者的关注。直到20世纪80年代, 陆续有学者注意到了华南二叠系的眼球状石灰岩, 对其特征及成因展开了研究, 也取得了一系列的成果。

张继庆等(1986)对四川盆地栖霞组和茅口组的眼球状石灰岩研究后, 认为当“ 眼皮” 富含泥质使眼球呈不连续的透镜体时称为眼球状, 当“ 眼皮” 泥质少并与“ 眼球” 渐变时则称似眼球状; 并从宏观沉积特征、生物组合、“ 眼球” 与“ 眼皮” 的厚度比和碳氧同位素特征等方面对其特征进行了总结, 认为眼球状及似眼球状石灰岩主要为成岩成因, 多形成于陆棚内水体相对较深的低能环境。

之后, 冯增昭等(1991, 1994, 1997)在对中下扬子地区、滇黔桂地区和中国南方二叠纪岩相古地理进行研究时, 对眼球状石灰岩的特征及成因进行了研究; 金振奎和冯增昭(1994)对云南东北部及贵州北部的二叠系眼球状石灰岩的成因进行了探讨; 杨玉卿(1995)亦对扬子区的眼球状石灰岩的特征及成因进行了研究。通过一系列的研究, 总体上认为眼球状石灰岩主要是差异压实作用和压溶作用的综合产物。

罗进雄和何幼斌(2010, 2011, 2014)针对中上扬子地区二叠系眼球状石灰岩的特征及成因进行了研究, 认为眼球状石灰岩应形成于浅水碳酸盐岩台地, “ 眼球” 部分是常氧环境的产物, “ 眼皮” 部分是缺氧环境的产物, 可能是由上升流作用形成。因此, 眼球状石灰岩是受上升流作用的影响, 由沉积和差异压实共同作用形成的。

部分学者(颜佳新和方念乔, 1994; 包汉勇等, 2009; 刘喜停等, 2012, 2014a)将眼球状石灰岩归为灰岩— 泥灰岩韵律层(Westphal and Munnecke, 2003; Westphal et al., 2008, 2010)的范畴, 并认为眼球状石灰岩是浅水陆棚的产物(薛武强等, 2015), “ 眼球” 部分的生物产率较低, 形成于常氧环境; “ 眼皮” 部分的生物产率明显较高, 形成于缺氧环境。这种生物生产率和沉积环境的古氧相, 随灰岩— 含泥灰岩韵律层呈规律性变化。

也有学者认为, 眼球状石灰岩为砾屑石灰岩(李双应和岳书仓, 2002; 李双应等, 2008; 万秋和李双应, 2011; 王松等, 2011; 万秋等, 2011a, 2011b, 2011c; 杜叶龙等, 2012; 万秋, 2016), 是深水环境的产物, 其中“ 眼球” 是浅海台地相的生物碎屑灰岩经碎屑流作用而形成的, “ 眼皮” 则源于斜坡的等深流沉积。

此外, 苏成鹏等(2016)对川东地区茅口组眼球状石灰岩展开了相关研究后, 认为眼球状石灰岩的形成与沉积后的成岩作用密切相关, 主要包括早期海水埋藏成岩作用、暴露大气淡水淋溶作用和深埋差异压实作用。

2 华南中二叠统眼球状石灰岩的特征及成因评述

虽然, 关于华南中二叠统眼球状石灰岩的特征及成因研究取得了一系列的成果, 但是不管是眼球状石灰岩的特征还是其成因研究, 均存在较大的分歧, 现论述如下。

2.1 分布特征

关于眼球状石灰岩的分布规律, 认识比较统一。从平面分布而言, 眼球状石灰岩在华南中二叠统广泛发育, 在华南地区的露头区均能发现(图 1)。从垂向分布而言, 眼球状石灰岩分布于栖霞组下部和茅口组中— 下部, 茅口组眼球状石灰岩可以分为上、下2段。一般而言, 茅口组眼球状构造特征比栖霞组明显一些。虽然在眼球状石灰岩的分布特征上不存在争议, 但是也存在一定的问题:(1)眼球状石灰岩在野外特征明显, 容易鉴别, 但是在覆盖区, 其特征总结较少; (2)在钻井、录井剖面中也未见有使用“ 眼球状石灰岩” 等术语。这一方面说明眼球状石灰岩在钻井剖面中难以鉴别, 且在钻井取心中未必能取到, 另一方面说明该类碳酸盐岩在油气田一线科研和生产部门没有引起足够的重视, 这是在今后的研究中需要加强的地方。此外, 虽然眼球状石灰岩平面上广泛分布, 但是其分布是否具有差异性, 这也是研究中应该总结的一个问题。

图 1 华南地区中二叠统剖面位置
由于华南中二叠统剖面众多, 图中只显示在文中出现的剖面和参考文献中提及的剖面。剖面名称分别为: 1— 四川广元长江沟, 2— 四川旺苍双汇, 3— 重庆开县红花园, 4— 重庆巫溪尖山, 5— 湖北兴山大峡口, 6— 安徽巢湖平顶山, 7— 安徽无为白牡山, 8— 江苏苏州西山, 9— 四川华蓥山三百梯, 10— 重庆石柱冷水溪, 11— 湖北利川黄泥塘, 12— 湖北恩施白杨坪, 13— 湖北秭归新滩, 14— 湖北长阳资丘, 15— 湖北武汉黄金塘, 16— 湖北大冶西畈李, 17— 湖北黄石螺丝壳, 18— 安徽南陵丫山, 19— 重庆南川大铺子, 20— 重庆武隆江口, 21— 湖南慈利江垭, 22— 四川长宁硐底, 23— 四川兴文四龙, 24— 贵州习水太平山, 25— 贵州桐梓松坎, 26— 贵州规定闻江寺, 27— 贵州天柱雷打岩, 28— 湖南溆浦小江口; 其中剖面1、2、3、4、5、9、10、12、19、20、22、23、25为作者实测或观察, 剖面6、8、11、17据冯增昭等(1991), 剖面7、18据杜叶龙等(2012), 剖面13据万秋等(2011a), 剖面14据万秋(2016), 剖面15据包汉勇等(2009), 剖面16据李双应等(2008), 剖面21据王松等(2011), 剖面24、27据冯增昭等(1994), 剖面26据刘喜停等(2012), 剖面28据万秋和李双应(2011)Fig.1 Location of the Middle Permian section in South China

2.2 岩石学特征

眼球状石灰岩由“ 眼球” 与“ 眼皮” 组成, 二者的宏观特征及镜下特征差异明显。“ 眼球” 部分颜色较浅, 为灰色— 深灰色, 成分为较纯的石灰岩(图 2), 似枕状、透镜状或瘤状, 顺层分布, 长数厘米至数十厘米, 厚度一般20icm, 有的呈层状, 泥质含量非常低。“ 眼皮” 则较眼球颜色深, 为深灰色— 灰黑色包裹“ 眼球” 的泥质含量较高的石灰岩, 厚度不均, 呈波状起伏的纹层状, 定向排列的介壳类碎片较发育。笔者所采集的33个“ 眼皮” 样品的全岩X衍射分析表明, 泥质含量介于1.15%~60.32%之间, 平均值为12.09%; 其中含量大于5%的样品有21个, 占样品数的63.6%, 平均值为17.31%。

图 2 华南中二叠统眼球状石灰岩野外照片
A— 四川兴文四龙茅口组, “ 眼球” 部分为浅色, 呈透镜状, “ 眼皮” 部分为暗色, 显微细层理, 包裹着“ 眼球” 部分; B— 贵州桐梓松坎栖霞组, 照片下部“ 眼球” 部分呈透镜状、长条状, 顺层分布, 上部“ 眼球” 与“ 眼皮” 呈互层状分布, “ 眼球” 与“ 眼皮” 比例约为1︰2; C— 贵州桐梓松坎茅口组, “ 眼球” 呈长透镜状顺层分布, 层面起伏不平, “ 眼球” 与“ 眼皮” 比例约为2︰1; D— 贵州桐梓松坎茅口组, 为照片C的顶面特征, 层面凹凸不平; E— 重庆武隆江口茅口组, “ 眼球” 呈长透镜状顺层分布, 眼球” 与“ 眼皮” 比例约为1︰1; F— 重庆石柱冷水溪栖霞组, 眼球” 与“ 眼皮” 比例约为4︰1; G— 重庆石柱冷水溪茅口组, “ 眼球” 呈透镜状顺层分布, 眼球” 与“ 眼皮” 比例约为1︰1; H— 湖北恩施白杨坪茅口组, “ 眼球” 呈透镜状顺层分布, “ 眼球” 与“ 眼皮” 比例约为1︰2; I— 湖北兴山大峡口栖霞组, 中— 厚层状“ 眼球” 夹薄层状“ 眼皮” Fig.2 Field photos of the Middle Permian eyeball-shaped limestones in South China

镜下研究(图3)表明, “ 眼球” 部分生物碎屑主要为藻类、腕足类、有孔虫、介形虫、海百合、腹足类和苔藓虫等, 一般较破碎, 分布杂乱, 未见磨蚀现象, 多为原地堆积, 含量一般大于50%, 粒间多为泥晶方解石充填。“ 眼皮” 部分颗粒主要为生物碎屑, 含量多为30%~50%; 生屑也较破碎, 多为介壳类, 显定向排列, 多数为原地堆积; 粒间也为泥晶方解石充填。之前笔者研究认为“ 眼皮” 部分生屑与“ 眼球” 不同的是缺乏藻类, 以介壳类较丰富(罗进雄和何幼斌, 2010), 但是也研究者认为“ 眼球” 和“ 眼皮” 部分中的生屑颗粒都含有大量绿藻化石(薛武强等, 2015), 这是关于眼球状石灰岩显微特征的一个较大的争议, 因此, “ 眼球” 与“ 眼皮” 部分的古生物特征, 尤其是两者之间的差异性, 还需要进一步地深入研究。

图 3 华南中二叠统眼球状石灰岩显微照片
A— “ 眼球” , 泥晶生屑石灰岩, 生屑主要为松藻(红色箭头), 少量腕足类(黄色箭头), 湖北兴山大峡口茅口组, 单偏光; B— “ 眼皮” , 生屑质泥晶石灰岩, 生屑主要为腕足类(红色箭头), 生屑呈定向排列, 湖北兴山大峡口茅口组, 单偏光; C— “ 眼球” , 泥晶生屑石灰岩, 生屑主要为藻类和有孔虫, 照片左侧完整化石为二叠钙藻(左边红色箭头), 右侧较大化石为米齐藻(右边红色箭头), 黄色箭头所指为有孔虫, 贵州桐梓松坎茅口组, 单偏光; D— “ 眼皮” , 生屑质泥晶石灰岩, 生屑主要为介壳类, 介壳类呈定向排列, 红色箭头所指为介形虫, 贵州桐梓松坎茅口组, 单偏光; E— “ 眼球” , 泥晶生屑石灰岩, 生屑主要为松藻(红色箭头所指), 四川旺苍双汇茅口组, 单偏光; F— “ 眼皮” , 生屑质泥晶石灰岩, 生屑主要为腕足类(红色箭头所指), 呈定向排列, 四川旺苍双汇茅口组, 单偏光; G— “ 眼球” , 泥晶生屑石灰岩, 照片中主要为二叠钙藻(红色箭头所指), 重庆巫溪尖山茅口组, 单偏光; H— “ 眼皮” , 生屑质泥晶生屑石灰岩, 生屑主要为腕足类(红色箭头所指)和介形虫(黄色箭头所指), 生屑呈定向排列, 重庆巫溪尖山茅口组, 单偏光。所有照片中的线段比例尺长度均为0.5immFig.3 Photomicrographs of the Middle Permian eyeball-shaped limestones in South China

眼球状石灰岩“ 眼皮” 部分遗迹化石Zoophycos较为发育(图 4), 在贵州桐梓松坎茅口组、四川广元长江沟栖霞组(刘喜停等, 2014b)、四川长宁硐底茅口组、重庆南川大铺子栖霞组、重庆石柱冷水溪茅口组均有发现, 且多被硅化。相信随着研究的不断深入, 华南中二叠统中会有更多的Zoophycos被发现。关于Zoophycos遗迹相的认识, 目前认为其应产生于贫氧环境(龚一鸣等, 2007; 张立军和龚一鸣, 2009)。综上所述, 研究区含Zoophycos的“ 眼皮” 部分应为缺氧沉积。华南地区中二叠统Zoophycos遗迹相的研究有助于厘清眼球状石灰岩的成因, 这也是研究中应加强的一方面。

图 4 华南中二叠统眼球状石灰岩中Zoophycos遗迹化石野外照片
A— 贵州桐梓松坎茅口组, 上部浅色为“ 眼球” 部分, 下部深色为“ 眼皮” 部分, Zoophycos发育在“ 眼皮” 部分, 被硅化; B— 为图A中“ 眼皮” 部分放大, 见贝壳类生屑顺层排列; C— 重庆南川大铺子栖霞组, “ 眼皮” 部分发育Zoophycos, 见硅化现象; D— 四川长宁硐底茅口组, Zoophycos发育在“ 眼皮” 部分; E— 重庆石柱冷水溪茅口组, Zoophycos 发育在“ 眼皮” 部分Fig.4 Field photos of Zoophycos of the Middle Permian eyeball-shaped limestones in South China

2.3 地球化学特征

目前专门针对华南地区中二叠统眼球状石灰岩的地球化学特征的研究还不多。

2.3.1 碳氧同位素特征

笔者之前对其碳氧同位素和微量元素组成特征进行了研究(罗进雄和何幼斌, 2010), 中上扬子地区中二叠统19个“ 眼球” 样品的 δ13CPDB为2.199‰ ~4.128‰ , 平均3.598‰ ; δ18OSMOW为-9.831‰ ~-3.780‰ , 平均-5.555‰ ; 24个“ 眼皮” 样品的 δ13CPDB为1.300‰ ~4.429‰ , 平均3.314‰ ; δ18OSMOW为-8.531‰ ~-4.396‰ , 平均-5.807‰ (罗进雄和何幼斌, 2010)。

本次研究笔者选取了川东鄂西地区3条剖面(四川华蓥李子垭、重庆石柱冷水溪和湖北兴山大峡口)的38对“ 眼球” 和“ 眼皮” 样品进行了研究, 结果表明其碳氧同位素组成特征与之前研究结果类似, “ 眼球” 和“ 眼皮” 的δ 13C较富集, δ 18O明显偏负(表 1)。

表 1 川东鄂西地区中二叠统眼球状石灰岩碳氧同位素组成特征 Table1 Characteristics of carbon and oxygen isotopes of eyeball-shaped limestones in eastern Sichuan to western Hubei

从表 1可以看出:“ 眼球” 样品的 δ13CPDB为2.144‰ ~4.992‰ , 平均3.743‰ ; δ18OSMOW为-7.085‰ ~-2.003‰ , 平均-3.426‰ 。“ 眼皮” 样品的 δ13CPDB为2.157‰ ~4.773‰ , 平均3.663‰ ; δ18OSMOW为-9.414‰ ~-2.919‰ , 平均-4.225‰ 。统计表明, “ 眼球” 与“ 眼皮” 样品的 δ13CPDB差别不大, 未显现出规律性; 而“ 眼皮” 样品的 δ18OSMOW普遍较“ 眼球” 偏低, 差别在0.1‰ ~3.8‰ 之间。

2.3.2 微量元素特征

“ 眼球” 与“ 眼皮” 的微量元素含量也存在着明显的差异(罗进雄和何幼斌, 2010)。本次研究笔者选取了川东鄂西地区5条剖面(四川华蓥李子垭、重庆石柱冷水溪、湖北恩施谭家坝、湖北恩施白杨坪和湖北兴山大峡口)的52对“ 眼球” 和“ 眼皮” 样品进行了微量元素的分析与研究。结果(表 2)表明:“ 眼球” 部分V的含量介于2.85~31.38 μ g/g之间, 平均值为10.48 μ g/g, 而“ 眼皮” 部分V的含量介于7.85~136.30 μ g/g之间, 平均值为34.52 μ g/g; “ 眼球” 部分Ni的含量介于3.31~19.02 μ g/g之间, 平均值为9.80 μ g/g, 而“ 眼皮” 部分Ni的含量介于4.70~47.52 μ g/g之间, 平均值为13.49 μ g/g; “ 眼球” 部分Cr的含量介于3.31~23.62 μ g/g之间, 平均值为9.15 μ g/g, 而“ 眼皮” 部分Cr的含量介于7.39~133.42 μ g/g之间, 平均值为29.52 μ g/g; “ 眼球” 部分Co的含量介于0.59~3.36 μ g/g之间, 平均值为1.44 μ g/g, 而“ 眼皮” 部分Co的含量介于0.48~6.70 μ g/g之间, 平均值为1.45 μ g/g。“ 眼球” 与“ 眼皮” 的V、Ni、Cr、Co含量差异较大, “ 眼皮” 中各微量元素的含量都较“ 眼球” 高, 尤其表现在V、Ni、Cr这3个元素方面, 而Co含量的差异相对不明显。这亦与罗进雄和何幼斌(2010)的结论相同。

表 2 川东鄂西地区中二叠统眼球状石灰岩微量元素组成特征 Table2 Characteristics of trace elements of eyeball-shaped limestones in eastern Sichuan to western Hubei

国外学者通过对北美、北欧黑色页岩地球化学特征的研究, 认为V/(V+Ni)值(Hatch and Leventhal, 1992)、V/Cr值和Ni/Co值(Jones and Manning, 1994)可作为良好的古缺氧环境判识标志, 并确定出了相应标准(表 3), 在国内外得到了广泛应用。通过对V/(V+Ni)、V/Cr和Ni/Co值等指标的分析, 认为中— 上扬子地区眼球状石灰岩中“ 眼球” 部分多为常氧环境(颜佳新和刘新宇, 2007)的产物, 少量为贫氧环境的产物; 而“ 眼皮” 部分则多为厌氧环境的产物, 少量为贫氧环境的产物(罗进雄和何幼斌, 2010)。下扬子地区栖霞组眼球状石灰岩也表现出相同的特征(李双应和岳书仓, 2002)。

表 3 缺氧环境和常氧环境的地球化学判识指标 Table3 Geochemical indices of anoxic and oxygenous environments

川东鄂西地区5条剖面研究的数据(表 2)显示:“ 眼球” 部分的V/(V+Ni)值介于0.17~0.79之间, 平均值0.50, “ 眼皮” 部分的V/(V+Ni)介于0.41~0.86之间, 平均值0.70; “ 眼球” 部分的V/Cr值介于0.49~3.02之间, 平均值1.17, “ 眼皮” 部分的V/Cr值介于0.39~3.69之间, 平均值1.38; “ 眼球” 部分的Ni/Co值介于4.65~12.04之间, 平均值6.87, “ 眼皮” 部分的Ni/Co值介于5.91~22.80之间, 平均值10.21。其中“ 眼球” 部分V/(V+Ni)值高于0.60的样品有13个, “ 眼皮” 部分V/(V+Ni)值大于0.60的样品有43个, 低于0.46的样品仅有1个; “ 眼球” 与“ 眼皮” 部分V/Cr值绝大多数都小于2.0, “ 眼球” 部分大于2.0的样品有3个, 但是均小于4.25, “ 眼皮” 部分V/Cr值大于2.0的样品有5个, 也均小于4.25; “ 眼球” 部分Ni/Co值小于5.0的样品有1个, 大于7.0的样品有21个, “ 眼皮” 部分Ni/Co值小于7.0的样品有4个, 但均大于5.0。因此, 就V/(V+Ni)指标(表 3)而言, “ 眼球” 部分总体为贫氧— 常氧沉积, “ 眼皮” 部分则主要为厌氧沉积; 就V/Cr指标而言, “ 眼球” 与“ 眼皮” 部分主要为常氧沉积, 少量为贫氧沉积; 就Ni/Co指标而言, “ 眼球” 部分主要贫氧沉积, “ 眼皮” 部分主要厌氧沉积。由此看来, 这3个判识指标之间存在不吻合的地方, V/(V+Ni)值的指示性相对较好, 而V/Cr值的指示性相对较差。就3个指标的平均值而言, 不管是V/(V+Ni)值, 还是V/Cr值和Ni/Co值, “ 眼皮” 部分都高于“ 眼球” 部分, 且对应样品的“ 眼皮” 部分的V/(V+Ni)值均高于“ 眼球” 部分, “ 眼皮” 部分的Ni/Co值绝大多数高于“ 眼球” 部分, 仅有4个样品出现偏差。这反映出“ 眼球” 和“ 眼皮” 的古氧环境的差别是客观存在的, 也表明这些指标在碳酸盐岩古氧环境的判识方面具有较好的意义。之所以会出现偏差, 可能有2个方面的因素:一方面可能是这些指标之于碳酸盐岩的适用性, 因为这些指标标准的建立是来源于页岩样品的; 另一方面可能是受成岩作用的影响(颜佳新等, 1998)。

因此, 关于眼球状石灰岩的地球化学特征, 不能局限于常规的碳氧同位素和微量元素分析, 应该引入新的方法和指标, 比如稀土元素(颜佳新等, 1997, 1998; 腾格尔等, 2004)、锶同位素、钼同位素和铁同位素以及生物标志化合物(腾格尔等, 2004; Grice et al., 2005; 陈兰等, 2006; Hebting et al., 2006; Sinninghe and Schouten, 2006; Zhang et al., 2011; Frencha et al., 2014)等。近年来, 锶同位素、钼同位素和铁同位素在缺氧环境研究中的应用也得到了国内外学者的关注, 认为海洋中锶同位素的组成和变化与大洋缺氧事件密切相关(黄思静等, 2005); 钼同位素是指示氧化还原条件的有效示踪剂(Arnold et al., 2004; Zhou et al., 2011; 汤冬杰等, 2015); 铁同位素也是一项新的海水氧化还原指标(Duan et al., 2010; 刘喜停和颜佳新, 2011)。

2.4 成因评述

前已述及, 关于华南中二叠统眼球状石灰岩的成因存在较大的分歧。一种观点认为眼球状石灰岩形成于深水环境, 与为重力流作用相关; 另一种观点是眼球状石灰岩形成于浅水碳酸盐岩台地, 由沉积和成岩共同作用形成, 其形成原因或是受上升流作用影响, 或是因为生物生产力差异。

眼球状石灰岩的沉积环境研究, 目前存在2种截然不同的观点, 即深水与浅水之争。这是一个首当其冲的科学问题, 因为这直接影响着华南二叠纪的沉积环境及古地理演化的研究, 也说明2种观点都需要更多的论据来支撑。但是不管是深水成因还是浅水成因, 关于“ 眼皮” 部分的古氧环境的认识还是相对一致的, 即其是缺氧环境的产物(李双应和岳书仓, 2002; 罗进雄和何幼斌, 2010; 刘喜停等, 2014b; Liu et al., 2014)。

2.4.1 重力流成因

这种观点认为眼球状石灰岩的“ 眼球” 部分为砾屑石灰岩, 为碎屑流作用的产物。这些“ 砾屑石灰岩” 顶、底面常呈波状起伏, 外形大部分呈次圆状到次棱角状, 砾石之间有相互挤压的特征, 不发育截切、揉皱等滑动构造(李双应等, 2008), 且“ 砾石” 通常是顺层分布, 而非块状构造, 在野外也未发现 “ 砾石” 具有大小混杂、分选性差等特征, 这与典型的重力流沉积特征不太相符。将“ 眼球” 部分解释为斜坡相, 在局部地区应是可能的, 但是难以用来解释华南地区大面积广泛发育的眼球状石灰岩, 而且这也很难解释眼球状石灰岩中成层分布的“ 眼球” 部分(图 2-B)。

2.4.2 上升流成因模式

笔者曾提出“ 眼皮” 可能为上升流作用的产物, 眼球状石灰岩是受上升流作用的影响, 由沉积和差异压实共同作用形成的(罗进雄和何幼斌, 2010)。虽然眼球石灰岩的发育特征与上升流沉积之间存在比较密切的关系, 但也存在以下主要问题。

1)古代地层记录中的上升流沉积鉴别标志。上升流在现代大洋中广泛发育, 这种地质营力对沉积作用有重要影响, 因此, 必然会在沉积记录中保存下来。但是对于上升流沉积的研究存在极大的不平衡, 即现代的多、古代的少(张尚锋等, 2012)。虽然关于古代上升流沉积已有一些实例(吕炳全和瞿建忠, 1989; 吕炳全等, 2004, 2005; 吕炳全, 2008), 但是总体而言显得单薄, 尤其是在鉴别标志方面, 目前仍没有提出一套全面系统的关于古代上升流沉积的鉴别标志。现代上升流沉积区具有富硅、富磷、富有机质三位一体的特征(吕炳全等, 2004; 杜远生等, 2009), 在华南地区中二叠统硅质沉积中较为常见, 且“ 眼皮” 部分有机质丰富(罗进雄和何幼斌, 2011, 2014), 但是却未见磷质沉积, 且磷的含量也非常低。如对采自四川广元长江沟中二叠统栖霞组和茅口组的19个样品进行测试(样品分析测试由中国科学院地质与地球物理研究所完成)发现, P2O5含量介于0.0004~0.0104 μ g/g之间, 平均值为0.0027 μ g/g。磷含量低是眼球状石灰岩上升流成因模式中与典型上升流沉积特征相矛盾的地方。

2)上升流沉积的规模问题。眼球状石灰岩在华南地区中二叠统广泛分布, 如果“ 眼皮” 部分为上升流作用形成, 那么上升流是否能够形成规模如此之大的缺氧沉积呢?这也是一个比较难回答的问题。虽然在现代大洋中上升流沉积可以形成较大范围的缺氧沉积, 如在安哥拉海盆东侧沿岸长340ikm、距岸100ikm的缺氧带, 在秘鲁— 智利岸外由沿岸上升流形成的近100ikm缺氧带(吕炳全, 2008), 但是在地质历史时期上升流是否可以形成范围超过1000ikm的缺氧沉积?这需要下一步进行深入研究。

2.4.3 生物生产力成因模式

高生物生产力是海洋缺氧环境的主要驱动因素(Liu et al., 2018), 可以较好地解释“ 眼皮” 部分缺氧环境的形成。有学者以薄片中单位面积内生物碎屑的百分含量表征生产力的高低(Ma et al., 2008; 刘喜停等, 2014b), 前已述及, “ 眼球” 和“ 眼皮” 部分生屑含量较高, 且“ 眼球” 部分生屑含量普遍高于“ 眼皮” 部分, 这与眼球状石灰岩“ 眼皮” 部分生物生产力高于“ 眼球” 部分(包汉勇等, 2008)的结论是否相矛盾呢?华南地区中二叠世高生物生产力的形成机制是怎样的呢?是与海平面上升诱发的赤道上升流有关(刘喜停等, 2014b; Liu et al., 2014)还是其他因素造成的, 这也是一个值得深入研究的命题。

2.4.4 形成机制

综合眼球状石灰岩的宏观特征、微观特征和地球化学特征研究, 华南地区中二叠统眼球状石灰岩是由沉积和成岩作用共同形成的观点(罗进雄和何幼斌, 2010; 刘喜停等, 2012)是比较容易接受的, 其中沉积作用是基础, 成岩作用是关键。“ 眼球” 与“ 眼皮” 二者之间物质成分、生物颗粒(图 3)和微量元素的差异, 都表明“ 眼球” 与“ 眼皮” 部分原始物质成分来源的不同。至于是何种原因造成了眼球状石灰岩“ 眼球” 与“ 眼皮” 部分原始来源的不同, 又是何种原因造成了“ 眼球” 与“ 眼皮” 部分古氧环境的差异, 沉积环境是否存在差异, 还有待于进一步研究。而各类成岩作用, 包括压实作用、压溶作用、胶结作用等以及压剪性应力, 共同造成了“ 眼球” 与“ 眼皮” 部分的差异性和各类形态(图 5)。

图 5 华南地区中二叠统眼球状石灰岩形成过程示意图(据罗进雄和何幼斌, 2010, 有修改)
A— 重庆武隆江口茅口组; B— 四川华蓥三百梯栖霞组; C— 四川旺苍双汇茅口组; D— 湖北兴山大峡口茅口组; E— 贵州桐梓松坎栖霞组; F— 重庆石柱冷水溪茅口组Fig.5 Formation process of the Middle Permian eyeball-shaped limestones in South China(modified from Luo and He, 2010)

2.5 石油地质意义

华南二叠系是油气勘探开发的重点层系, 尤其是四川盆地上二叠统长兴组的勘探开发已取得了重大突破, 中二叠统也显示了良好的前景, 但是关于眼球状石灰岩的石油地质意义却未有专门系统的研究。对于眼球状石灰岩的烃源岩意义已有初步的共识, “ 眼皮” 部分不仅有机质丰度较高, 而且眼球状石灰岩横向、纵向分布相当广泛, 具有较大的体积, 就有机质数量方面而言, 其应该是良好的烃源岩(刘喜停等, 2014b; Liu et al., 2014; 罗进雄和何幼斌, 2014), 但是关于其烃源岩的评价及研究还有待进一步强化和深化, 而且其对二叠系油气成藏有何贡献尚不明确, 这也是一个值得深究的科学问题。

关于眼球状石灰岩的储集层意义更是未见有相关报道及研究。笔者在野外调查过程中, 在湖北恩施白杨坪茅口组发现“ 眼球” 部分应差异溶蚀作用形成了良好的储集空间, 其中充填了方解石和沥青(图 6), 这表明眼球部分也具有良好的储集性能, 可与“ 眼皮” 部分构成良好的“ 自生自储” 的成藏组合, 应是潜在的储集岩。

图 6 湖北恩施白杨坪中二叠统眼球状石灰岩“ 眼球” 部分充填的方解石和沥青Fig.6 Calcite and asphalt filled with the “ eyeball” part of the Middle Permian eye-shaped limestone in Baiyangping section of Enshi, Hubei Province

在目前国内提升油气勘探开发力度、保障国家能源安全的大形势下, 眼球状石灰岩的石油地质意义研究更是应该受到格外重视。

3 研究展望

综上所述, 眼球状石灰岩作为华南中二叠统广泛发育的一类特殊的碳酸盐岩类型, 虽然其特征、成因及所蕴含的地质意义的研究取得了一系列的成果, 但是还有待于进一步加强和深化。

1)眼球状石灰岩的宏观特征、微观特征、地球化学特征的研究还不够全面。宏观特征方面主要是覆盖区眼球状石灰岩的分布研究目前仍未涉及; 微观特征方面主要是“ 眼球” 与“ 眼皮” 部分的成分、古生物特征之间的差异还需进一步总结和完善; 地球化学特征方面微量元素研究需要进一步加强, 同时还需要引入REE、Sr同位素、Mo同位素、生物标志化合物等新方法。这些新方法的引入不仅有利于完善眼球状石灰岩的地球化学特征, 也有利于进一步阐明眼球状石灰岩的古氧环境, 这对眼球状石灰岩的沉积环境分析及成因研究都是大有裨益的。

2)眼球状石灰岩的成因应是一个在较长时间都会存在争论的问题。眼球状石灰岩是形成于深水环境还是形成于浅水碳酸盐岩台地环境, 这是一个首要问题。其次, 如果是形成于浅水碳酸盐岩台地环境, 那么沉积作用和成岩作用在其形成过程中的影响尚需进一步的研究。再次, “ 眼球” 与“ 眼皮” 部分原始物质来源和古氧环境差异性的原因, 是受上升流作用的影响还是其他因素的影响, 也需要进一步明确。

3)眼球状石灰岩的广泛性和特殊性, 有助于进一步理解华南二叠纪的沉积环境、古地理演化和古海洋背景。同时, 眼球状石灰岩对于四川盆地二叠系的油气勘探也具有重要的意义。川西北双探1井在栖霞组、茅口组获得高产工业气流, 表明四川盆地中二叠统的油气勘探大有可为。因此, 华南中二叠统眼球状石灰岩潜在的经济价值应该引起足够的重视。

相信随着研究的不断深入, 眼球状石灰岩的特征、成因及其地质意义等科学问题也会越辨越明, 也会有更多的信息被进一步发掘。

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