BVE组泥晶粒径小于0.01 mm, 部分粒径小于0.005 mm, 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

Fig.3

Figure Option ViewDownloadNew Window

图 3 桑托斯盆地BVE组各类结构组分的镜下照片 a— A-6井, 5131 m, 块状层理泥晶灰岩, 单偏光; b— A-1井, 6447.1 m, 泥晶方解石, 部分白云石化, 正交偏光; c— A-6井, 5162 m, 十字消光的球粒, 正交偏光; d— A-7井, 5657 m, 十字消光的球粒, 粒间充填泥晶方解石, 正交偏光; e— A-7井, 5375 m, 凝块灰岩岩心, 发育树枝状组构凝块; f— A-4井, 5523.6 m, 波状消光的扇状组构, 扇状颗粒之间充填泥晶方解石, 正交偏光; g— A-2井, 5447.5 m, 纤细的波状消光丛状组构, 丛状颗粒之间发育孔隙, 正交偏光; h— A-5井, 5838.37 m, 波状消光的树枝状组构, 树枝状颗粒之间发育孔隙, 正交偏光; i— A-3井, 4902 m, 波状消光的树枝状组构, 树枝状颗粒之间充填亮晶方解石, 正交偏光Fig.3 Typical microscopic photographs of structural compositions of the BVE Formation in Santos Basin

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0.25~1 mm, 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)。

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0.5~2 mm, 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%。

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(< 2 mm)和砾屑(> 2 mm)。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

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 4 桑托斯盆地BVE组碳酸盐岩的改造颗粒特征 a— A-7井, 5477.4 m, 颗粒灰岩岩心; b— A-3井, 5195 m, 砂屑之间发育孔隙, 单偏光; c— A-4井, 5109 m, 砾屑之间和内部局部硅化 作用、充填白云石胶结物, 剩余部分粒间孔, 单偏光; d— A-6井, 5132 m, 砂屑和鲕粒之间部分充填, 剩余部分粒间孔, 单偏光Fig.4 Modified granular characteristics of carbonate rocks of the BVE Formation in Santos Basin

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

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 5 桑托斯盆地BVE组不同结构组分的沉积序列 a— A-1井, 6366.8~6368.2 m, BVE组岩心扫描照片; b— BVE组典型岩性序列Fig.5 Sedimentary sequence of various structural components of the BVE Formation in Santos Basin

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56~125 μ g/g, Sr含量为2961~5530μ g/g(表 2, Farias et al., 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

Table2

表 2(Table2)

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) Table2 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) 结构组分类型 测量位置 Ca /% Mg /% Sr /μ g· g-1 Fe /μ g· g-1 Ba /μ g· g-1 Cu /μ g· g-1 K /μ g· g-1 Mn /μ g· g-1 Na /μ g· g-1 Zn /μ g· g-1 样品1球粒 晶体核部 39 0 5530 58 56 960 249 134 800 102 样品1球粒 晶体核部 39 0 3623 34 86 131 122 416 62 176 样品2树枝状组构 组构内部 39 1 2961 618 103 954 31 268 212 78 样品2树枝状组构 组构内部 38 1 3268 927 124 35 47 240 194 62 样品2树枝状组构 组构内部 38 1 3443 536 112 75 34 381 202 58 样品3球粒边部白云岩 晶体边缘 30 6 2389 1583 56 47 85 258 1815 94 样品3球粒边部白云岩 晶体边缘 28 7 2276 1588 84 32 38 239 2432 78 样品3球粒 晶体核部 36 2 2702 480 66 5 32 188 2099 38

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) Table2 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)

依据碳酸盐团簇同位素(Δ 47)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

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	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Δ 47计算温度的散点图(据Farias et al., 2019)Fig.6 Δ 47 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)

碳氧同位素测试结果(Farias et al., 2019)表明, BVE组球粒的 δ ¹⁸O 值为1‰ ~3‰ , δ ¹³C值为-1.8‰ ~2‰ , 且 δ ¹⁸O 和δ ¹³C变化趋势相似, 均具有升高趋势(图 7)。树枝状组构的 δ ¹⁸O 值为-0.05‰ ~3‰ , δ ¹³C值为0.2‰ ~4‰ , 但当树枝状组构的 δ ¹⁸O 值升高时, δ ¹³C值却逐渐降低。颗粒之间为泥晶, 其 δ ¹⁸O 值为1.8‰ ~2.6‰ , δ ¹³C值为-0.6‰ ~2‰ 。

图 7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	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)

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

Table3

表 3(Table3)

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) Table3 Strontium isotope test results of the BVE Formationin Santos Basin(data from Zhu et al., 2022) 地层 样品号 87Sr/86Sr BVE组上段 B1-s1 0.709824 B1-s2 0.712105 B1-s3 0.713108 B1-s4 0.713383 BVE组中段 B2-s1 0.713163 B2-s2 0.706405 B2-s3 0.711671 BVE组下段 B3-s1 0.713699 B3-s2 0.713372 B3-s3 0.712062 B3-s4 0.711684

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) Table3 Strontium isotope test results of the BVE Formationin Santos Basin(data from Zhu et al., 2022)

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(Farias et al., 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(Farias et al., 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 δ ¹⁸O 和δ ¹³C变化趋势一致, 同时存在升高趋势(图 7), 而树枝状组构的 δ ¹⁸O 升高时, δ ¹³C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。

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⁺]· [ CO32-]> 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

Fig.8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	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-Martí n et al., 2022), 内部具纤维径向和多晶结构, 球粒以单个物体(直径最大30 μ m)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)。

图 9

Fig.9

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	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

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)。

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; Herlinger et al., 2017; Mercedes-Martin et al., 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(Fornero et al., 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

Fig.10

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	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; Lopez et al., 2017; Rogerson et al., 2017; Farias et al., 2019; Gomes et al., 2020; Mercedes-Martí n et al., 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。