渝東南地區下志留統石牛欄組生物礁沉積特征

譚先鋒，李志軍，蔣艷霞，李 潔，李 航

(1.復雜油氣田勘探開發重慶市重點實驗室，重慶 404331； 2.重慶科技學院 石油與天然氣工程學院，重慶 401331； 3.成都理工大學地球科學學院，四川 成都 610059； 4.重慶地質礦產研究院 外生成礦與礦山環境重慶市重點實驗室，重慶 400042)

渝東南地區下志留統石牛欄組生物礁沉積特征

譚先鋒1，2，李志軍1,2，蔣艷霞3，李 潔4，李 航2

(1.復雜油氣田勘探開發重慶市重點實驗室，重慶 404331； 2.重慶科技學院 石油與天然氣工程學院，重慶 401331； 3.成都理工大學地球科學學院，四川 成都 610059； 4.重慶地質礦產研究院 外生成礦與礦山環境重慶市重點實驗室，重慶 400042)

渝東南地區下志留統石牛欄組發育一定規模的生物礁。以重慶萬盛機槍臺剖面和貴州習水吼灘剖面為主要對象，利用野外觀察、普通薄片、碳/氧同位素等手段，對研究區下志留統石牛欄組生物礁進行了詳細研究。結果表明，研究區生物礁主要發育石牛欄組中上部，且具有一定規模；巖石結構及碳/氧同位素變化揭示了該時期海平面由緩慢上升到急劇下降的變化過程，沉積環境表現為早期淺水混積陸棚—中期生物礁灘沉積—晚期礁前斜坡沉積的演化過程,水體環境適合珊瑚礁及生物群落的大量繁殖。由此證實了渝東南地區下志留統石牛欄組生物礁發育主要受海平面變化及陸源碎屑物質注入的影響，海平面的緩慢變化是生物礁發育的基本條件，陸源碎屑物質的多少制約了生物礁的發育過程。

生物礁；石牛欄組；下志留統；渝東南地區

生物礁的研究迄今已經200多年歷史，從Walther開始，國外學者對其進行了嚴格的定義，到20世紀70年代Dunham提出礁的雙重概念(地層礁和生態礁)，至此，生物礁的定義有了跨時代的發展。針對生物礁的概念繁多，難以掌握，國內學者范嘉松綜合考慮，建議把繁瑣的概念統一成一個基本的術語——“巖隆礁”或稱“碳酸鹽隆礁”。國內部分學者對生物礁的概念仍存在分歧[1]。曾鼎乾認為礁是由原地生長的造礁生物營造，具有抗浪格架、凸透鏡或丘狀的外部形態，并突出與四周同期沉積物，前后常形成不同的相帶，強調生物的有機成因、抗浪構造的重要性以及突出于同期沉積物的外部形態[2]。梅冥相認為生物礁是一種獨特的沉積體系，是由復雜的物理、化學、生物綜合作用形成的具有抗浪性的特殊碳酸鹽巖體[3]。齊文同認為，礁是由生物構成，包括造架生物、聯結包覆生物和礁棲生物，且與生物的長期演化、滅絕和復蘇密切相關，反映環境特征甚至全球變化的是生物礁[4]。這些概念的提出有利于推動中國生物礁的研究。

生物礁的研究對于油氣、沉積環境、古氣候變化的重要意義，近20年來，關于生物礁的研究報道較多。國內不少學者很早就分別對湖北宜昌早奧陶世生物礁進行研究，對奧陶系生物礁的形態特征及儲層進行了詳細探討[5-9]，近年來，中上揚子地區二疊紀生物礁研究也成為熱點，陸廷清等詳細總結了中國南方二疊紀生物礁的成礁模式[10]；其他學者也分別對二疊紀生物礁進行了研究，時代主要包括長興期和茅口期[11-13]，特別是長興期生物礁是川東北地區近年來礁灘相油氣勘探的重點內容。志留紀生物礁的報道相對較少，張廷山曾對中上揚子地區志留紀生物礁進行了專題研究[14-15]，重點探討了四川盆地志留紀生物礁的控制因素，近5年來，關于志留紀生物礁的報道鮮有涉及。本文以渝東南-貴州桐梓地區志留紀珊瑚礁為研究對象，對珊瑚礁的產出特征以及形成環境進行初步探討。

1 區域地質背景

研究區位于重慶東南部地區的萬盛與貴州桐梓地區附近(圖1)，大地構造上屬于中上揚子地區，區域位置上，屬于淺海陸棚沉積環境。近幾年，部分學者開始對該地區進行研究。川南地區下志留統石牛欄組為一套緩坡陸棚基礎上沉積起來的臺地沉積，沉積體系在空間展布特征上表現為由南向北的從碎屑濱岸—局限臺地—開闊臺地—生物礁/灘—臺地邊緣斜坡—淺水陸棚淺灘—泥質淺水陸棚—深水陸棚變化，在垂向上則由泥/灰質深水—淺水陸棚—碳酸鹽臺地的變化[16]。

從空間變化上來看，研究區石牛欄組中晚期，存在一定規模的生物礁，而實際剖面觀察屬于珊瑚礁。渝東南萬盛-貴州桐梓地區下志留統石牛欄組分布有一

定規模的生物礁，主要造礁生物為珊瑚，生物礁可進一步分為臺地邊緣生物礁和臺內點礁[16]。典型的臺地邊緣生物礁見于貴州習水土河壩剖面,該類礁體橫向上呈串珠狀向東北延伸至溫水一帶，經重慶綦江觀音橋、萬盛關壩機槍臺剖面到貴州桐梓韓家店尖滅，向西南與四川長寧生物礁(灘)相連,至四川珙縣獅子灘尖滅，礁體厚可達30 m。

2 典型剖面生物礁發育特征

渝東南地區及黔北地區發育有珊瑚礁，前人在綦江觀音橋剖面報道了生物礁[17]。本次對該地區4條剖面進行了實地觀察，實際上發育最好的萬盛關壩地區的機槍臺剖面，綦江觀音橋剖面、貴州習水吼灘剖面生物礁發育并不明顯，多為生物灰巖。

2.1 萬盛機槍臺剖面生物礁地層特征

機槍臺剖面位于重慶萬盛地區機槍臺，地理位置與貴州交界，根據地層出露，由于底部地層出露較差，該剖面進行了詳細的地層測量，劃分出11層。底部主要為薄層狀泥晶灰巖與鈣質泥巖互層，中部為生物碎屑灰巖，中、上部主要為生物礁灰巖及生物碎屑灰巖，礁體大約27 m；頂部主要為薄層狀砂屑、粉屑灰巖夾泥質條帶。具體剖面描述見圖2。

2.2 習水吼灘剖面生物礁地層特征

吼灘剖面位于貴州習水吼灘，地層出露較好。依據實測情況，對剖面進行了詳細分層，共劃分出28層，頂底接觸關系非常清楚。底部主要為薄層狀泥質灰巖、泥晶灰巖、砂質泥巖、鈣質泥巖互層，中、下部主要為中層狀泥晶灰巖、生屑灰巖，中上部主要為中厚層狀疙瘩灰巖、生物碎屑灰巖、礁灰巖，具有滑塌變形構造，頂部主要為生物灰巖、礫屑、生屑灰巖，夾礫石碎屑流。詳細剖面描述見圖3。

圖1 研究區位置a)及剖面分布b)示意圖Fig.1 Location of the study area(a)and position of profiles(b)

圖2 重慶萬盛關壩地區機槍臺剖面生物礁沉積特征Fig.2 Depositional characteristics fo bioherm on Jiqiangtai outcrop in Wansheng of Chongqing

圖3 貴州習水吼灘剖面生物礁沉積特征Fig.3 Depositional characteristics of bioherm on Houtan outcrop in Xishui of Guizhou province

3 典型剖面生物礁沉積環境

野外觀察表明，石牛欄組分為4個巖性段：第一段、第三段為泥巖、頁巖及泥質灰巖發育段，多呈互層產出(圖4)；第二段、第四段為灰巖發育段。生物礁及生物灰巖類大量發育于二段和四段。下覆地層為下志留統龍馬溪組黑色頁巖，上覆地層為中志留統韓家店組黃褐粉砂巖夾頁巖(圖5)。

通過對兩條典型剖面進行沉積結構、構造、巖性組合分析，結合前人對該地區現有的研究成果，對該地區石牛欄組生物礁發育的沉積環境演化進行了深入研究。縱向演化上，底部覆蓋于下志留統龍馬溪組之上為一套薄層的砂紙泥巖、泥質砂巖、泥質灰巖成薄層互層(圖4)，陸源碎屑物質含量較高，碳酸鹽中含有大量陸源碎屑石英(圖6a)，泥巖中也具有大量的陸源碎屑石英(圖6b)?？v向上，隨著時間的推移，陸源粉砂含量逐漸減少。綜合石牛欄組下部一段地層特征，該段地層具有典型的混合沉積的特征，屬于典型的混積陸棚沉積環境(圖7)。研究區石牛欄組二段地層巖性主要為泥質灰巖，少量夾泥巖、灰巖和生物灰巖，該類沉積特征證實研究區在該時期可能處于臺地斜坡沉積環境，局部地區發育了少量的生物礁灘沉積，從野外觀察來看，在貴州習水的吼灘剖面，發育了少量的生物灰巖及生物礁灰巖。研究區石牛欄組三段總體來說發育的是混積陸棚環境，但從演化規律上看，局部發育了少部分的生物灘，從沉積物組成特征來看，混入了大量的陸源碎屑石英(圖6c)。研究區石牛欄組四段主要為生物灰巖及生物礁灰巖，從剖面上看，吼灘剖面四段主要為帶有滑塌沉積構造的生物礁灰巖，機槍臺剖面主要為珊瑚礁灰巖以及生物灰巖(圖2)。微觀特征表明，珊瑚礁骨架的確存在，而且存在大量的生物化石(圖6d)。圖7的綜合圖顯示，機槍臺石牛欄組四段晚期主要為含陸源碎屑物質的灰巖，這可能是該地區石牛欄晚期導致生物礁急劇滅亡的主要原因之一。

圖4 石牛欄組底部薄層泥質灰巖與泥質粉砂巖互層Fig.4 Interbedded thin argillaceous limestone and argillaceous siltstone at the bottom of Shiniulan Formation

圖5 韓家店組/石牛欄組分界線Fig.5 Geological boundary between the Hanjiadian and Shiniulan Formations

對兩條典型剖面進行了樣品采集、共計29個樣品點，樣品采集均為原生碳酸鹽沉積，并非方解石脈等后期產物，并進行無機碳、氧同位素分析(表1)，建立了兩條典型沉積剖面的同位素縱向演化剖面(圖7)。機槍臺剖面，縱向上，δ13C值有逐漸增高的趨勢(表1，圖7)，δ18O值呈多旋回變化；吼灘剖面，縱向上δ13C值和δ18O值均表現出呈多旋回級次變化。δ13C值在成巖變化過程中也具有一定影響，但影響不大，δ18O值在成巖變化過程中受成巖作用影響較大，越接近正常海相碳酸鹽，測試值越可靠。Veizer等指出，顯生宙海相碳酸鹽δ13C值一般分布在-1‰～2‰,正常海水一般保持在0。前人研究表明，δ13C值較高一般代表海平面的上升，δ13C值較低一般代表海平面的下降[18]。從兩條剖面的δ13C演化曲線來看，兩條剖面有著相似的演化規律，盡管兩條剖面所處的位置有所差異，但從從下到上的演化規律來看，表現為海平面的緩慢上升，然后到石牛欄組的晚期，有一次海平面的急劇下降，導致了生物礁的死亡。同位素的演化規律從海平面的角度詮釋了該地區的沉積環境從淺水混積陸棚-臺地邊緣礁灘-臺地邊緣的演化規律。另外還發現，生物礁或者生物灰巖存在的地方δ13C值比較高，原因可能是生物礁的大量存在吸取了大量的重同位素δ13C。盡管氧同位素受影響的因素較大，但仍具有一定的規律。氧同位素在古海洋環境中，一般用于研究古海洋的溫度。一般而言，δ18O值高對應溫度的低值，δ18O值低對應溫度的高值，從分析數據來看，生物大量發育的生物礁區域，δ18O值較高，對應溫度較低。說明礁體發育的部位氧同位素高于非礁體發育的部位。部分數據出現了偏差，很有可能跟巖石暴露大氣當中，受大氣淡水的影響。因此，從地球化學的角度，碳、氧同位素規律均符合了該地區石牛欄組的沉積環境演化規律。

圖6 石牛欄組巖石微觀結構特征Fig.6 Microscopic structural features of rocks in the Shiniulan Formationa.石牛欄組底部灰巖中含大量碎屑石英，吼灘剖面；b.石牛欄組底部粉砂質泥巖，吼灘剖面；c.石牛欄組三段灰巖中含有大量陸源碎屑石英，機槍臺剖面；d.石牛欄組四段生物礁灰巖，機槍臺剖面

4 沉積環境對珊瑚礁的影響

珊瑚礁發育主要受海底地形、地形構造高點、盆地沉降及海平面升降、陸源碎屑物質的輸入量等方面的影響。現代海洋環境中的珊瑚礁主要發育在南北緯30°之間的正常淺海環境。這種環境往往具有水流暢通、透光較好、水體溫度和鹽度等環境條件，在這種環境下面，珊瑚能夠得到繁殖，一旦環境發生改變，珊瑚礁就會死亡。盡管古代珊瑚礁和現代珊瑚礁在形態結構上有所差異，但是在環境的生態系統方面具有極大的相似性。

前面對研究區古地理面貌進行了恢復，結果表明，該地區主要的古地理環境為碳酸鹽淺海陸棚到生物灘及建隆起的發展過程(圖8)。石牛欄組早期，受龍馬溪組晚期海平面急劇下降的影響，整個研究區主要為淺海陸棚環境，且陸源碎屑物質充足，總體沉積了一套泥質灰巖、砂質灰巖、砂質泥巖等，巖性上多為薄層狀，從前面描述的兩條剖面沉積特征來看，完全符合了混合沉積的混積陸棚的沉積模式；隨著海平面的緩慢上升，陸源碎屑物質的影響逐漸減弱，研究區從混合沉積區逐步變成正常的海洋沉積區，生物開始繁盛，珊瑚、有孔蟲等開始大量繁殖，生物碎屑灘壩開始慢慢沉積下來，因此跟兩條剖面中部的生物碎屑灰巖、砂屑灰巖完全吻合；隨著生物碎屑灘的逐漸堆積，地形開始逐漸變高，形成了一個海底隆起，加之海洋環境完全適合珊瑚礁的大量繁殖，形成珊瑚礁，值得注意的是，該時期除了珊瑚礁的大量繁殖之外，還出現了大量的生物群落，如層孔蟲、水螅、有孔蟲等生物群落(圖9)，說明該時期水體環境適合生物的大量繁殖。研究表明，該礁體厚度約20～30 m，核心可達50 m左右，從吼灘和機槍臺兩條剖面來看，機槍臺剖面由于發育有生物礁，地層比吼灘剖面厚約30 m。到石牛欄組晚期，由于海平面急劇下降，研究區受陸源碎屑物質影響較大，主要表現在灰巖中含有大量石英砂，該時期礁體環境迅速遭到破壞，在礁體靠近陸源一方變成了淺海陸棚的混合沉積，礁體前方則變成了斜坡環境，吼灘剖面石牛欄組頂部發育的滑塌構造很好的證實斜坡的存在(圖10)。

圖7 典型剖面沉積相演化Fig.7 Sedimentary evolution of typical outcrops

樣品號巖性δ13C(V-PDB)/‰δ18O(V-PDB)/‰樣品號巖性δ13C(V-PDB)/‰δ18O(V-PDB)/‰GJQ-2砂屑灰巖3.15-5.05HT-13泥質灰巖0.00-9.13GJQ-3粉屑灰巖4.48-8.90HT-18泥質灰巖1.52-8.68GJQ-4生屑灰巖1.90-9.03HT-19砂屑灰巖0.41-4.82GJQ-5生物灰巖1.34-3.22HT-22砂屑灰巖1.15-5.99GJQ-7生物灰巖1.05-7.51HT-24含粉砂泥質灰巖1.11-8.12GJQ-8生物礁灰巖1.29-7.88HT-26生屑灰巖1.21-5.61GJQ-9生物礁灰巖1.47-7.54HT-28生屑灰巖1.71-5.93GJQ-11泥質灰巖-0.47-2.56HT-29生屑灰巖1.25-5.75GJQ-13粉屑灰巖0.84-7.58HT-30泥質灰巖0.92-9.41GJQ-14泥質灰巖1.20-7.72HT-31含泥生物灰巖1.44-6.04GJQ-16泥質灰巖1.37-8.33HT-33泥灰巖1.28-7.84HT-2含鈣粉砂質泥巖1.25-6.54HT-34生屑灰巖2.38-6.68HT-5泥質灰巖1.63-6.99HT-37生物灰巖1.08-8.22HT-7泥質灰巖1.60-8.20HT-39生屑灰巖0.14-8.46HT-10含鈣粉砂質泥巖0.50-6.83

圖8 研究區沉積環境演化與珊瑚礁形成模式Fig.8 Sedimentary environment evolution and coral bioherm formation mode in the study area

通過對生物礁的形成環境進行系統研究表明，石牛欄組生物礁的主要控制因素為海平面變化和陸源碎屑物質的注入。陸源碎屑物質充足的地方，生物礁不發育，陸源碎屑物質影響較小的地方，生物礁發育；另外，生物礁的生長和大量生物群落的出現，說明該地區在石牛欄組中晚期，海洋環境非常適宜生物的繁殖，水體環境處于溫暖、安靜的自然水體。海平面的緩慢上升成為生物礁得以繁盛的另一個主要原因，環境的緩慢變化，水體的緩慢增加使生物礁能完全適應這種變化，并不斷加積建隆，形成一定規模的生物礁體。

圖9 珊瑚礁格架中的生物群落Fig.9 Biomes in the framework of coral bioherm

圖10 礁前斜坡滑塌構造Fig.10 Slump structures on the reef-front slopes

5 結論

1) 重慶萬盛機槍臺剖面和貴州習水吼灘剖面發育生物礁，主要為臺地邊緣礁，造礁生物為珊瑚。生物礁主要發育在下志留統石牛欄組上部，厚度20～30 m，形態上呈帶狀分布，具有一定的規模，局部地方發育少量點礁。

2) 石牛欄組下部巖性主要為泥質灰巖、粉砂質泥巖等混合沉積，中部為生物灰巖及生物礁灰巖，頂部主要為泥灰巖等；該時期海平面表現為緩慢上升到急劇下降的變化過程，沉積環境表現為早期淺水混積陸棚-中期生物礁灘沉積-晚期礁前斜坡沉積的演化過程,水體環境適合珊瑚礁及生物群落的大量繁殖。

3) 渝東南地區下志留統石牛欄組生物礁發育主要受海平面變化及陸源碎屑物質注入的影響，早期海平面的緩慢變化有利于生物礁的形成，晚期海平面的快速下降導致生物礁的死亡；陸源碎屑物質充足時期，生物礁停止生長，陸源碎屑物質不充足時期，生物礁大量發育。

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(編輯 董 立)

SedimentarycharacteristicsofbiohermintheLowerSilurianShiniulanFm，southeasternChongqing

Tan Xianfeng1,2,Li Zhijun1,2,Jiang Yanxia3,Li Jie4,Li Hang2

(1.ChongqingKeyLaboratoryofComplexOilandGasExplorationandDevelopment,Chongqing401331,China;2.OilandGasEngineeringInstitute,ChongqingUniversityofScienceandTechnology,Chongqing401331,China;3.EarthSciencesFaculty,ChengduUniversityofScienceandTechnology,Chengdu,Sichuan610059,China;4.ChongqingKeyLaboratoryofExogenicMineralizationandMineEnvironment,ChongqingInstituteofGeologyandMineralResource,Chongqing400042,China)

A certain amount of bioherm are developed in the Lower Silurian Shiniulan Formation in southeastern Chongqing.Taking the Jiqiangtai outcrop in Wansheng of Chongqing and Houtan outcrop in Xishui of Guizhou as the main study targets,we studied in detail the bioherm in the Lower Silurian Shiniulan Formation through field observation,ordinary thin section observation and carbon/oxygen isotope measurement.The bioherms mainly occur in the Upper and Middle Shiniulan in the study area and have a certain scale.Rock structure and carbon/oxygen isotopes reveal a change of sea level from slow rising to sharp declining.Depositional environment developed from shallow mixed continental shelf in the early stage to biological reef-shoal in the middle stage and finally to reef-front slope in the late stage.The aquatic environment was suitable for the coral bioherms and biological communities to thrive.The development of bioherm in the Lower Silurian Shiniulan in southeastern Chongqing was mainly affected by sea-level changes and terrigenous clastics input.Slow change of sea level was the basic condition for bioherm growth and the amount of terrigenous clastics input controlled the process of bioherm development.

bioherm,Shiniulan Formation,Lower Silurian,southeastern Chongqing

2013-10-09;

：2013-12-24。

譚先鋒(1982—)，男，博士、副教授，沉積地質與古環境研究。E-mail：xianfengtan8299@163.com。

李志軍(1977—)，男，博士、副教授，油氣田開發地質。E-mail:lzjykj@126.com。

重慶市自然科學基金項目(cstc2012jjA90007)；國家自然科學基金項目(41202043)。

0253-9985(2014)01-0056-09

10.11743/ogg20140108

TE121.3

：A