湖北興山峽口中二疊統眼球狀石灰巖特征及成因

何明薇

(中國石油大學(北京)地球科學學院，北京 102249)

羅進雄

(長江大學地球科學學院，湖北 武漢 430100)

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湖北興山峽口中二疊統眼球狀石灰巖特征及成因

何明薇

(中國石油大學(北京)地球科學學院，北京 102249)

羅進雄

(長江大學地球科學學院，湖北 武漢 430100)

眼球狀石灰巖是一種特殊類型的石灰巖，由“眼球”和“眼皮”兩部分組成，廣泛分布于中上揚子地區中二疊統棲霞組下部和茅口組中-下部。以湖北興山峽口地區中二疊統眼球狀石灰巖為例，通過野外系統觀察和詳細描述，結合鏡下巖石薄片鑒定、穩定碳氧同位素及微量元素等資料分析，對眼球狀石灰巖的特征進行了系統描述，對其形成機理進行了探討。綜合分析表明，眼球狀石灰巖中的“眼球”為富氧沉積，“眼皮”為缺氧沉積，“眼皮”可能為上升流作用的產物；眼球狀石灰巖可能是受上升流作用的影響，在沉積和差異壓實共同作用下形成的。此外，眼球狀石灰巖中“眼皮”部分的有機碳含量較高，且分布廣，應為良好的烴源巖。

興山峽口；中二疊統；眼球狀石灰巖；缺氧環境；上升流

圖1　湖北興山峽口剖面位置

眼球狀石灰巖是一種由顏色較淺的“眼球”和顏色較深的“眼皮”兩部分組成的特殊碳酸鹽巖，廣泛發育于揚子地區中二疊統棲霞組下部和茅口組中-下部，在野外容易識別。也有人稱之瘤狀石灰巖。由于該石灰巖橫向分布較廣、縱向分布較有規律，因此有時也可以將其作為地層對比的良好標志。因眼球狀石灰巖的廣泛發育及特殊性，其成因引起了地質學工作者的興趣和關注。近30年來，地質學工作者提出了多種眼球狀石灰巖的成因解釋，如成巖成因[1]、沉積成因[2]、沉積作用和成巖作用綜合成因[3～5]等。筆者在研究湖北興山峽口剖面時，發現中二疊統的眼球狀石灰巖十分發育，并對其進行了詳細觀察和描述。以興山峽口剖面的野外觀察和描述為基礎，結合鏡下巖石薄片鑒定以及碳氧同位素和微量元素分析資料，總結了眼球狀石灰巖的巖石特征和地球化學特征，分析了眼球狀石灰巖成因，為研究區中二疊統沉積環境提供巖石學方面的證據。

1　區域地質背景

研究剖面位于黃陵背斜西翼(圖1)，即興山縣峽口鎮建陽坪村至峽口鎮之間的公路邊，地理位置為北緯31°07.362′，東經110°48.745′。該剖面為一個單斜構造，地層走向為南北向，產狀向西陡傾，傾角一般為30～50°，香溪河的支流高嵐河以及沿河公路大致沿傾向切過地層，形成了地層連續出露較理想的露頭。該剖面地層特征明顯，二疊系的地層界線清楚，除缺失底部的馬鞍段外，其余層段均發育齊全。

峽口剖面二疊系厚433.72m(圖2)。按照二疊系“三分”[6～8]的劃分方案，該剖面缺失下二疊統，發育中二疊統棲霞組、茅口組及上二疊統吳家坪組和長興組，其中棲霞組和茅口組的厚度分別為111.88m和189.26m，各組之間的界線比較清楚。

圖2　湖北興山峽口中二疊統巖石特征及沉積環境分析柱狀圖

二疊紀初期揚子地塊乃至整個華南陸塊均遭受了大規模的海侵。可能與黃陵古隆起的影響有關，研究區未能接受早二疊世沉積，也未能接受棲霞早期馬鞍段的沉積；隨后(即棲霞灰巖段開始沉積時)，海水迅速而廣泛地入侵，沉積了大面積分布的棲霞組和茅口組石灰巖，超覆于泥盆系黃家磴組之上。

棲霞組主要為灰色至深灰色中至厚層的泥(粉)晶生屑石灰巖、生屑質泥(粉)晶石灰巖、含生屑泥(粉)晶石灰巖、眼球狀石灰巖等，含硅質團塊與條帶，與下伏泥盆系黃家磴組呈平行不整合接觸(圖2)。該組石灰巖中的顆粒主要為生屑，體積分數一般介于19%～57%(平均36.44%)，主要為紅藻、綠藻、有孔蟲、介形蟲、海百合、腕足類等生物碎屑，還可見蜓類、三葉蟲、苔蘚蟲、珊瑚等生物碎屑，生屑多為原地堆積的生物；粒間主要為泥晶方解石充填，未見亮晶方解石膠結物。綜合分析其沉積環境應為水動力條件不強的淺水陸棚或開闊臺地環境。其中，第1～3層、12層主要為眼球狀石灰巖(圖3(a))，“眼球”和“眼皮”中生屑較破碎，大多應為原地破碎后堆積的，但是藻類和有孔蟲保存相對較完整，說明其沉積環境可能為較安靜較深水的陸棚環境。

圖3　湖北興山峽口中二疊統巖石照片

茅口組與棲霞組呈整合接觸，與上覆吳家坪組呈平行不整合接觸。根據巖性特征，茅口組自下而上可以分為5個巖性段。第一段為深灰色厚層眼球狀石灰巖(圖3(b)、(c))夾深灰色厚層-塊狀生屑質泥晶石灰巖(圖3(d))、泥晶生屑石灰巖。該段下部泥質含量相對較多，呈條帶狀，有的成層出現；上部泥質含量相對較少，石灰巖呈似角礫狀。該段石灰巖中生屑體積分數變化較大，介于10%～60%(平均為28.56%)，主要有紅藻、綠藻、有孔蟲、腕足類、海百合、苔蘚蟲、介形蟲等生物碎屑，其中藻類和有孔蟲較完整，“眼球”和“眼皮”中生屑種類相似，有腕足類、有孔蟲、苔蘚蟲等，但是“眼球”中還含有藻類，“眼皮”中有Zoophycos，反映了該段水體形成于較安靜的深水陸棚環境[9]。第二段為灰至深灰色厚層生屑質粉晶石灰巖與硅質條帶粉晶石灰巖，向上硅質含量增加，局部過渡為硅巖(圖3(e))，生屑含量較低，藻類含量低，反映以安靜的陸棚環境為主，水體逐漸變深。第三段為淺灰、灰至深灰色中-厚層生屑質泥晶石灰巖，局部可見亮晶生屑石灰巖(第16層)和白云石化現象，石灰巖中生屑較豐富，但體積分數變化較大，局部高達85%左右，少的不到10%，平均37.78%，主要為紅藻、綠藻、有孔蟲、海百合等生物碎屑，還可見腕足類、雙殼類、腹足類、苔蘚蟲、蜓類、珊瑚、介形蟲等生物碎屑，說明沉積時的水體較為清澈，循環良好，具有一定的水動力條件，屬于淺水陸棚或開闊臺地環境，局部為能量較高的淺灘環境。第四段為深灰色-灰黑色薄-中層含生屑泥晶石灰巖(圖3(f))，生屑體積分數低，一般為10%～13%，生物門類單調，主要為鈣質海綿骨針，可見少量有孔蟲和介形蟲，未見藻類、腕足類等淺水生物，表明其沉積水體具有一定深度，可能為深水陸棚至盆地邊緣沉積環境。第五段為淺灰色-灰色厚層-塊狀生屑質泥(粉)晶石灰巖，生屑體積分數較高，平均41.52%，生屑主要為紅藻、綠藻、有孔蟲、海百合等，還可見腕足類、介形蟲、雙殼類、腹足類、苔蘚蟲等，反映沉積時的水體較淺，循環良好，具有一定的水動力條件，可能為淺水陸棚或開闊臺地沉積環境(圖2)。

2　眼球狀石灰巖的特征

2.1巖石學特征

眼球狀石灰巖由“眼球”和“眼皮”兩部分組成，在野外觀察和鏡下觀察時，發現下兩者的特征存在著明顯差異。

野外觀察發現，“眼球”部分為成分較純的石灰巖，顏色較淺，多為灰色至深灰色，形狀似枕狀(圖3(a))、透鏡狀或瘤狀(圖3(b))，順層分布(圖3(c))，長度一般為10～30cm，厚度一般為20～30cm，薄者5 ～10cm，有的呈層狀，不顯層理，含泥較少，體積分數一般小于5%；生屑含量較高，主要為苔蘚蟲、二疊鈣藻等(圖3(h))；“眼球”被“眼皮”包裹，“眼球”中可見荷葉藻(圖3(d))，荷葉藻保存完整但有彎曲褶皺現象，反映水動力較弱的陸棚環境。“眼皮”為泥質含量較高的石灰巖，以含泥石灰巖為主；顏色較“眼球”部分深，多為深灰色至灰黑色，生屑含量較低，主要見腕足類和介形蟲，生物介殼壓扁、破碎，定向排列(圖3(i))；泥質含量比“眼球”高，5個樣品的黏土礦物體積分數為14.08%～23.18%(平均為19.12%)；其厚度不均，一般5～10cm，厚者可達10～15cm，局部達20～30cm，薄者2～5cm，甚至小于1cm，呈波狀起伏的紋層狀；偶爾可見體形較小的、具有連續蹼狀構造的Zoophycos，指示了水動力較弱、滯留貧氧的環境[9]。

眼球狀石灰巖樣品的X衍射分析結果表明，棲霞組樣品黏土礦物主要為伊-蒙間層、伊利石；而茅口組樣品黏土礦物主要為滑石-皂石間層、滑石。

2.2碳、氧同位素特征

該次研究分別對3個眼球狀石灰巖中的“眼球”和“眼皮”部分、2個非眼球狀石灰巖和1個黑色硅巖樣品進行了碳、氧同位素分析，結果見表1。

表1　湖北興山峽口中二疊統巖石樣品碳、氧同位素分析結果

注: 樣品由中國科學院地質與地球物理研究所巖石圈演化國家重點實驗室分析測試，為相對國際標準PDB之值；

Z=2.048(1000δ13C+50)+0.498(1000δ18O+50)[10];P2q、P2m分別指中二疊統棲霞組、茅口組。

從表1可以看出，眼球狀石灰巖中“眼球”部分的δ13C為2.383‰～4.352‰(平均3.322‰)；δ18O為-7.085‰～-5.079‰(平均-6.134‰)。“眼皮”部分的δ13C為2.199‰～4.218‰(平均3.069‰)；δ18O為-6.437‰～-5.531‰(平均-6.070‰)。其他非眼球狀石灰巖3個樣品的δ13C為2.829‰～4.550‰(平均3.912‰)；δ18O為-6.313‰～-5.080‰(平均-5.713‰)。“眼球”和“眼皮”的δ13C均較富集，δ18O明顯偏負，“眼皮”和“眼球”的δ18O差別在0.2‰～0.7‰之間；其中棲霞組“眼球”的δ13C比“眼皮”高，“眼皮”的δ18O比“眼球”高，茅口組則相反。根據經驗公式計算出Z值均大于120(表1)，反映二者皆為海相沉積，受淡水影響小，可能為深埋藏成因環境的產物[11]，說明兩者成巖環境相似。此外，非眼球狀石灰巖的Z值與眼球狀石灰巖也相似，說明這兩者的成巖環境也類似。

2.3微量元素特征

該次研究對上述3個眼球狀石灰巖中的“眼球”和“眼皮”部分、2個非眼球狀石灰巖和1個黑色硅巖樣品進行了微量元素分析，結果見表2，其微量元素也存在著明顯的差異。

表2　湖北興山峽口中二疊統樣品微量元素特征

注: 樣品由國土資源部中南礦產資源監督檢測中心分析測試。w(Sr)為Sr的質量分數；w(Ba)為Ba的質量分數；w(V)為V的質量分數；w(Ni)為Ni的質量分數。

從表2還可以看出，“眼球”和“眼皮”的微量元素V含量差異明顯，“眼球”部分V的含量遠高于“眼皮”部分，“眼球”部分w(V)為3.90～54μg/g，“眼皮”部分w(V)為18.6～168μg/g；而w(Ni)卻相差不大，“眼球”部分為27.8～30.2μg/g，“眼皮”部分為22.6～42.2μg/g。“眼球”和非眼球狀石灰巖的Ni含量和V含量均相差不大。

3　成因分析

對于揚子地區二疊系眼球狀石灰巖的成因解釋，目前有多種不同的觀點，如差異壓實[1]、壓溶成因[15]、等深流和碎屑流共同作用的結果[2]，沉積和成巖共同作用的結果[3，5]。綜合研究表明，研究區中二疊統眼球狀石灰巖應是沉積作用和成巖作用共同作用的結果。首先，這與巖石原始成分(主要是泥質含量)的差異密切相關。當泥質含量高的沉積與泥質含量低的沉積交替出現時，就會形成兩者間的互層。其次，這兩種泥質含量不同的沉積物密度不同，會造成差異壓實甚至壓溶。對于較純的石灰巖和含泥的石灰巖來說，二者具有明顯的不均一性，就會導致較純的石灰巖受到壓剪性應力被斷開，呈透鏡狀、似枕狀，而含泥的石灰巖圍繞較純的石灰巖呈波狀、似層狀分布。

眼球狀石灰巖是在沉積環境間歇性變化過程中形成的，可能與中二疊世中上揚子地區上升流的作用有關。主要原因如下：

1)中二疊世是全球上升流發育高峰期之一，而研究區眼球狀石灰巖主要發育在中二疊統棲霞組下部和茅口組中下部，在時間上，眼球狀石灰巖形成時間可能與上升流發育高峰期相對應。

2)地層記錄中上升流沉積的主要證據之一是發育高密度的特殊介殼類等[16]，而研究區中二疊統眼球狀石灰巖的“眼皮”部分生物碎屑以介殼類為主(圖3(h))，說明“眼皮”部分可能是上升流沉積的產物。

3)上升流往往形成缺氧環境，而上升流因厄爾尼諾事件和大洋暖流等影響也會表現出陣發性和周期性的特征，可以造成沉積環境的周期性變化，即缺氧沉積環境與富氧沉積環境的交替出現，而研究區中二疊統眼球狀石灰巖在縱向上表現出“眼球”與“眼皮”交替出現的周期性變化，說明眼球狀石灰巖在形成過程中存在缺氧沉積環境與富氧沉積環境的交替周期性變化。

4)從缺氧相來看，研究區非眼球狀石灰巖與眼球狀石灰巖中“眼球”部分的特征類似。由此可見，“眼球”部分與非眼球狀石灰巖成巖環境類似。

5)古地磁研究表明，研究區屬中上揚子地區，中二疊世位于赤道附近[17]，是位于上升流發育的有利地區。

6)硅巖的大量富集也可以作為上升流的證據之一[18]，研究剖面中二疊統茅口組第11～13層(圖2)發育硅質條帶石灰巖(圖3(e))，甚至薄層硅巖。因此，茅口組硅巖的大量富集為研究區存在上升流提供了證據。

7)研究區中二疊統3個“眼皮”樣品的有機碳分析結果表明總有機碳質量分數為0.24%～1.94%(平均為0.86%)，有機碳含量較高。而有機碳含量與上升流的強度呈正相關關系[16]，因為上升流區富氮、富磷、富硅、富鐵族元素等的營養鹽，大大促進了有機質生產力，因此較高的有機碳含量也是上升流沉積的特征之一。

綜上所述，研究區中二疊世具有發育上升流的良好條件。上升流發育時，形成的沉積物泥質含量較高；上升流受到抑制時，形成的沉積物中的泥質含量較低；當上升流發育時期和抑制時期不斷地交替出現，就會造成泥質含量較高的沉積物與含泥較少的沉積物(或較純的碳酸鹽沉積物)交互成層，從而形成了沉積物的原始組分差異。由于后期的差異壓實、壓溶和剪應力的作用，形成了現在所看到的形似眼球狀、似枕狀、橢球狀、透鏡狀的石灰巖(圖4)。

圖4　湖北興山峽口中二疊統眼球狀石灰巖形成過程示意圖(據文獻[19])

4　結論

1)在興山峽口剖面上，眼球狀石灰巖分布于中二疊統棲霞組下部、茅口組的中下部，由“眼球”和“眼皮”部分構成，兩者之間在顏色、巖性、生物化石、微量元素、碳氧同位素等方面具有較明顯的差異。

2)巖石特征、生物特征和地球化學特征綜合分析表明，中二疊統眼球狀石灰巖的“眼球”部分主要為富氧沉積，“眼皮”部分主要為缺氧沉積。非眼球石灰巖的成巖環境與“眼球”部分相似。

3)研究區中二疊統眼球狀石灰巖是由沉積和差異壓實、壓溶等作用共同作用形成的，沉積過程與上升流之間關系密切，“眼皮”部分為上升流沉積的產物，眼球狀石灰巖初始物質組分的形成與上升流的陣發性與周期性密切相關。

4)研究區棲霞組和茅口組眼球狀石灰巖的“眼皮”部分是缺氧環境下的產物，同時也是良好的烴源巖，所以加強眼球狀石灰巖不僅具有沉積學理論意義，同時在油氣勘探中也具有現實意義。

[1]張繼慶，馮純江，杜德勛，等. 四川盆地早二疊世碳酸鹽沉積作用及風暴沉積作用[M].重慶: 重慶出版社，1986：11～74.

[2] 李雙應，洪天求，金福全，等.巢縣二疊系棲霞組臭灰巖段異地碳酸鹽巖成因[J].地層學雜志，2001，25(1)：69～74.

[3] 馮增昭，何幼斌，吳勝和.中下揚子地區二疊紀巖相古地理[M].北京：地質出版社，1991：25～41.

[4] 羅進雄，何幼斌，王丹，等.湖北興山峽口剖面二疊系巖石特征及沉積環境分析[J].古地理學報，2009，11(4)：393～404.

[5] 羅進雄，何幼斌.中-上揚子地區二疊系眼球狀石灰巖特征及成因研究[J].地質論評，2010，56(5):629～637.

[6] 曾鼎乾.四川華鎣山二疊系調查追記[J].中國地質科學院院報，1984，5(9)：109～117.

[7] 張正華.黔南二疊紀地層[M].貴陽：貴州人民出版社，1988：100～113.

[8] 李國輝，李翔，宋蜀筠，等. 四川盆地二疊系三分及其意義[J].天然氣勘探與開發，2005，28(3)：20～26.

[9] 張立軍，龔一鳴. 四川后高坪地區晚泥盆世植物和遺跡化石的新發現[J]. 地層學雜志, 2009，33( 2) : 138～146.

[10] Keith M L，Weber J N. Isotopic composition and environmental classification of selected limestones and fossils[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1964，28: 1786～1816.

[11] 王英華, 黃志誠, 王國忠, 等. 中、下揚子區海相碳酸鹽巖成巖作用研究[M]. 北京: 科學技術文獻出版社，1991：4～20.

[12] Hatch J R，Leventhal J S． Relationship between inferred redox potential of the depositional environment and geochemistry of the Upper Pennsylvanian (Missourian) stark shale Member of the Dennis limestone，Wabaunsee County，Kansas，USA[J].Chemical Geology，1992，99(3) : 65～82.

[13] Thomas J A，Maynard J B．Trace-element behavior and redox facies in core shales of Upper Pennsylvanian Kansas-type cyclothems[J]．Chemical Geology，2004，206(3/4) : 289～318.

[14] 李雙應, 岳書倉. 安徽巢湖二疊系棲霞組碳酸鹽巖斜坡沉積[J]. 沉積學報, 2002，20(1) : 7～12.

[15] 金振奎,馮增昭.云貴地區二疊系劉石灰巖的成因[J].巖石礦物學雜志,1994，13(2):133 ～137.

[16] 胡望水，呂炳全，王紅罡，等.揚子地塊東南緣寒武系上升流沉積特征[J].江漢石油學院學報，2004，26(4)：9～11.

[17] 顏佳新，劉新宇.從地球生物學角度討論華南中二疊世海相烴源巖缺氧沉積環境成因模式[J].地球科學(中國地質大學學報)，2007，32(6)：789～796.

[18] 鄢菲，胡望水，呂炳全，等.下揚子中二疊統上升流相與烴源巖的關系研究[J]. 海洋石油，2008，28(2)：62～67.

[19] 羅進雄，何幼斌.中上揚子地區二疊紀巖相古地理[M].北京：石油工業出版社，2014：33～41.

[編輯]鄧磊

2015-10-07

國家自然科學基金項目(41402089)。

何明薇(1992-)，女，碩士生，現從事沉積學方面的學習與研究，936278902@qq.com。

P588.245

A

1673-1409(2016)14-0001-08

[引著格式]何明薇，羅進雄.湖北興山峽口中二疊統眼球狀石灰巖特征及成因[J].長江大學學報(自科版),2016,13(14):1～8.