四川盆地東北緣燈影組核形石特征及環境意義

唐玄，劉樹根，宋金民，李智武，余永強，龍翼，昝博文，趙聰

油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室(成都理工大學)，成都　610059

0　引言

核形石(Oncolite)是分泌黏液的微生物及部分藻類在生長過程中捕獲、黏結碎屑物質或碳酸鈣質點，圍繞核心加積而成的、非固著生長的同心層圈狀結核體，由核心(core或nuclei)和包殼(coatings)兩部分組成[1]。其名稱從包粒[2]、疊層石SS型[3]、藻鮞粒、藻豆[4]、藻灰結核[5]、藻球以及藻餅[6]改變到沿用至今的名詞——核形石經歷了漫長過程，核形石多見于水動力較強的灘和潮下帶，在水動力較弱的潮間帶以及潟湖中也有發現。20世紀60—70年代，核形石、疊層石和凝塊石普遍用于地層劃分與對比[7-8]。20世紀80年代以后開始研究核形石對環境的指示意義以及與油氣的關系[9]。

四川盆地震旦系燈影組是勘探較早、工作開展較全面的層位，其微生物巖儲層油氣勘探開始于20世紀60年代，儲量前景可觀，可達一千億方，主要形成于威遠氣田、資陽含氣區、高石梯—磨溪、龍女寺和荷包場氣藏，發育的微生物巖類型主要有凝塊石、疊層石、紋層石、泡沫綿層石及核形石等。四川盆地燈影組發育有核形石的位置也較廣，宋金民等[10]研究發現，威遠地區威113井、資陽地區資1井以及磨溪構造磨溪9井燈二段中均可見核形石發育。

甘洛功雄—涼紅剖面震旦系洪椿坪組(即燈影組)中段可見核形石，以各種形態的Osagia為主[11]；川北楊壩剖面燈影組二段也發現核形石，并被認為是潮下高能帶沉積[12]；1978年曹仁關[13]在川西南震旦系發現核形石并采集了化石標本，主要研究其地層意義，而對于核形石的成因主控因素及指示的環境意義并沒有深入研究。但是就目前四川盆地燈影組核形石的研究并不深入，僅僅只是將其作為微生物巖類型的一種進行了簡單的巖石類型分類，并未對核形石所能反映的沉積環境以及指示作用做深入研究。本文以紫陽麻柳地區燈影組核形石為例進行研究，以便探討其形態特征及麻柳地區核形石特殊沉積模式。

1　地質背景

研究區位于上揚子地區四川盆地東北緣的紫陽縣麻柳鎮西南側(圖1)，是一個沖斷褶皺帶，該褶皺帶是在印支期南秦嶺碰撞造山上經歷多次構造疊加形成的[14]，為秦嶺造山帶安康斷裂以南向南西方向凸出的弧形構造帶，屬大巴山前沖斷褶帶，具有典型的前陸沖斷褶皺帶的特點[15]。燈影組沉積前以砂泥巖沉積為主，進入燈影組由于海平面上升，燈影組整體上在海侵背景下，以碳酸鹽巖沉積為主。

研究區震旦系出露完整，下震旦統南沱組以紫紅色長石石英砂巖和灰綠色巖屑石英砂巖為主，上震旦統陡山沱組下部以灰綠—紫紅色長石石英砂巖夾黏板巖，上部為紫紅色鈣質板巖，上震旦統燈影組下部為含燧石團塊粉晶白云巖，中上部發育疊層石和核形石白云巖，頂部夾白云質灰巖(圖2)[16]。

2　核形石的基本特征

核形石的基本特征主要包括其內部微觀特征和外部形態特征(圖3)。核形石的類型、沉積環境和控制因素的判斷均可以通過核形石的微觀特征來進行確定[17]。

2.1　形態特征

紫陽麻柳剖面震旦系燈影組核形石以球形為主，少數呈橢球形，棒形以及不規則形態。直徑為2～10 mm之間(圖4a～f)，少量核形石直徑可達20 mm。在顯微鏡下觀察，發現大量直徑較小的核形石，約0.1～4 mm不等，多集中于0.2～1 mm(圖5)。

2.2　結構特征

研究核形石結構特征需要從其核心(core或nuclei)和包殼(coating)入手進行細致的描述(圖3)。

核心：核形石是圍繞其核心生長，核心形態對核形石的幾何形狀存在一定的控制作用[12]。核形石的核心種類包括灰泥、生物碎屑、陸源碎屑、砂屑等。研究區內震旦系燈影組核形石的核心為灰黑—黑色灰泥組分，鏡下觀察核心直徑約0.1 mm，野外手標本上觀察，核形石直徑可達1～2 mm。經歷過諸多成巖作用之后，部分核形石的核心已經難以確定甚至重結晶成亮晶白云石(圖5f)。另外，有少量核形石以多個核形石為核心的復合核形石(圖5c)，復合核形石多以薄皮狀產出，核心為多個小核形石黏結在一起，核心直徑1～1.5 mm。

包殼：核形石的包殼多呈不規則的彎曲狀或波狀，包殼分亮紋層和暗紋層，亮紋層由微晶—亮晶碳酸鹽巖礦物組成，為富屑層。暗紋層由泥晶碳酸鹽巖礦物組成，為富藻層[9](圖3)。根據薄片觀察結果，研究區燈影組核形石包殼結構非常明顯，可以見到明暗相間的包殼結構，球形核形石和橢球形核形石包殼較連續(圖5d, f, g, h)，復合核形石包殼較不連續(圖5a, b, e)，總體表現為亮條紋寬而暗條紋相對較窄，亮條紋寬度1～100 μm，多數亮條紋寬度為50 μm，暗條紋寬度1～10 μm，大多數暗條紋寬度為2～5 μm。

圖1　研究剖面位置圖Fig.1　Location of the studied section

圖2　紫陽麻柳剖面綜合柱狀圖a.陡山沱組與燈影組分界宏觀；b.9層硅質巖；c.26層瀝青浸染；d.37層丘狀疊層石；e.28/29分界線宏觀；f.50與51層宏觀；g.51與52層宏觀；h.56層頂部礫屑層；i.58層核形石；j.混積巖，陸源碎屑石英，單偏光，2.5×10；k-l.核形石，單偏光，4×10；m.具波狀消光石英，單偏光，4×10；n.凝塊石，單偏光，2.5×10；o.粉晶白云巖，單偏光，2.5×10，p.條帶狀分布石英，單偏光，2.5×10；q.砂屑白云巖，單偏光，2.5×10；r.泡沫綿層白云巖，單偏光，2.5×10。Fig.2　Integrated column of Ziyang Maliu Section

圖3　核形石形態結構特征示意圖Fig.3　Diagram showing oncolite morphological structure

2.3　核形石分類

核形石的形態特征是核形石分類的重要依據之一。曾允孚等[18]在對廣西泗頂泥盆系上統榮縣組核形石的分類時提出根據核形石的形態特征以及內部構造對核形石進行分類，筆者綜合以核心大小與包殼厚度分類和以核心多少分類，將紫陽麻柳地區震旦系燈影組的核形石分為四類：Ⅰ類：正常核形石，即核心半徑小于包殼厚度的單核心核形石(圖5d～f)；Ⅱ類：正常復合核形石，即復合核心半徑小于包殼厚度的多核心核形石(圖5b～c)；Ⅲ類：薄皮核形石，即核心半徑大于包殼厚度的單核心核形石(圖5g～i)；Ⅳ類：薄皮復合核形石，即核形石包殼厚度小于復合核心半徑的多核心核形石(圖5a)。麻柳剖面燈四段核形石以正常核形石居多，薄皮復合核形石次之。

圖4　紫陽麻柳剖面燈四段核形石a.球型和橢球形核形石，野外照片；b. 條帶狀分布的核形石，野外照片；c.球型核形石，野外照片；d. 球形核形石，野外照片；e.條帶狀分布的核形石，野外照片；f. 球型核形石，手標本照片Fig.4　Oncoids in the Fourth Section of the Dengying Formation in the Ziyang Maliu Section

圖5　麻柳剖面震旦系燈影組核形石的形態和結構特征a.橢球形薄皮核形石，單偏光，2×10；b. 不規則復合核形石(大)及球形正常核形石(小)，單偏光，2×10；c.不規則復合核形石(大)及球形正常核形石(內部)，單偏光，2×10；d. 球形正常核形石，單偏光，4×10。e.球形正常核形石，單偏光，4×10；f. 重結晶后殘余球形正常核形石，單偏光，10×10；g. 球形及橢球形正常核形石，單偏光，5×10；h. 球形薄皮核形石，單偏光，5×10；i. 橢球形正常核形石，單偏光，2×10Fig.5　Morphology and structure features of oncoids under the single polarizing microscope of the Sinian Dengying Formation in Maliu Section

2.4　共生組合

麻柳剖面發育幾套核形石與礫屑、砂屑的共生組合，形成核形石—礫屑—砂屑的韻律層，形成由下到上的正粒序。核形石直徑0.1～4 mm，分布穩定，各種形態結構的核形石均較為發育；礫屑大小2～3 mm，分布無定向，含量較少并且有時缺失礫屑層；砂屑大小0.1～0.5 mm，在整個核形石發育段基本都有分布。這種共生組合在燈四段中部發育，上部零星分布的核形石不具有此特征(圖6)。

2.5　垂向分布

核形石在整個麻柳剖面燈四段中上部均有發育(圖6)，中部較上部發育，燈一段到燈三段未發現核形石。燈四段中部(實測剖面第56～59層)各種形態的核形石均有發育(圖7)，正常核形石一般較小，直徑0.2 mm，薄皮核形石大小和正常核形石相當，復合核形石大小不均一，0.3～5 mm均有發現，在燈四段中部核形石還和礫屑、砂屑組成15個核形石—礫屑—砂屑的韻律層，核形石向上一直到燈影組頂部核形石零星分布。

2.6　掃描電鏡下的核形石形態及微生物特征

用場發射掃描電鏡觀察麻柳剖面燈四段中部核形石白云巖樣品，可見不同形態的微生物，有放射狀(圖8c)、桿狀(圖8d)、不規則狀(圖8e)以及絲狀(圖8f)，大小1～2 μm。其中放射狀、桿狀和不規則狀都是由細小的球粒狀微生物形成的集合體，球粒大小0.1 μm。此外, 還可見微生物分泌的胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances，簡稱EPS)，胞外聚合物是在一定條件下由微生物分泌于體外的高分子聚合物，具有黏結、富集功能，是黏結和捕獲鈣質的主要物質(圖8a,b)。

圖6　麻柳剖面震旦系燈影組核形石縱向分布特征a～d. 核形石，單偏光，4×10；e. 核形石，單偏光，2.5×10；f～h. 59層核形石級礫屑；i. 58層砂屑礫屑；j. 55層紋層；k. 52與53層宏觀照Fig.6　The vertical distribution characteristics of oncoids of the Dengying Formation in the Maliu Section

圖7　麻柳剖面震旦系燈影組四段中部核形石形態和結構特征a.球形核形石，單偏光，4×10；b.橢球形核形石，單偏光，2×10；c.橢球形復合核形石(大)及球形正常核形石(小)，單偏光，2×10；d.橢球形正常核形石(藍色箭頭)及球形正常核形石(紅色箭頭)，單偏光，4×10；e.不規則復合核形石，單偏光，4×10；f.球形核形石，剖面照片，層號59Fig.7　Morphology and structural characteristics of oncoids in the middle of the section of the Dengying Formation in the Maliu Section

圖8　掃描電鏡中紫陽麻柳剖面燈四段中部核形石形態特征及微生物結構特征a.EPS，SEM，24000×；b. EPS，SEM，20000×；c.放射狀微生物集合體，SEM，40000×；d. 桿狀微生物集合體，SEM，40000×；e.不規則狀微生物集合體，SEM，80000×；f. 絲狀微生物，SEM，20000×；g. 球形核形石，SEM，800×；h. 球形核形石脫落形成的凹槽，SEM，1000×；i. 球形核形石脫落形成的凹槽，SEM，400×Fig.8　Oncoids morphological characteristics and microbial structure characteristics in the middle of the Fourth Section of the Dengying Formation in the Ziyang Maliu Section in SEM

掃描電鏡下觀察到球形核形石，直徑200 μm(圖8g)，同時觀察到核形石脫落形成的凹槽，凹槽直徑100～200 μm(圖8h, i)，組成核形石的礦物顆粒的大小明顯比周圍的礦物小。

3　核形石的沉積環境

碳酸鹽巖的結構和構造比陸源碎屑巖更能靈敏地反映沉積環境[19]，而核形石的形態和結構特征在一定程度上取決于其生長過程中水流能量因素[20]。根據研究發現，海平面變化、碳酸鹽礦物沉降速率、水動力條件等變化會在核形石包殼和核心的形成中有不同的顯示[21]，故可以通過核形石核心和包殼的厚度、形狀等的不同來判斷其不同的沉積環境。

對核形石的沉積環境，前人研究認為核形石包殼特征是分類的重要依據，包殼形態在一定程度取決于其生長環境中的水流能量因素，正常核形石常出現在高能環境中，薄皮核形石多為中能環境的產物，復合核形石代表水動力條件相對較強、中高等能量相互交替的環境[20]。研究核形石沉積環境可以通過針對其核心成分的不同來分類確定[22]。高能環境中形成的核形石因為水動力條件較強，因其滌蕩作用，多產生亮晶核形石，水動力越強，洗滌作用越強，形成的亮晶顆粒越干凈。相反，在水動力條件較弱的低能環境中則多形成泥微晶膠結的核形石[9]。

紫陽麻柳剖面震旦系燈影組中的核形石的核心為灰黑—黑色灰泥組分，少量砂屑核心，說明在核形石形成之前，水深相對較深。隨著海平面下降，水深變淺，水體能量增強，在動蕩的水體環境下以灰泥為核心形成了核形石，這與剖面上所見的海平面升降規律相一致。在水動力條件足夠強的情況下，核形石會呈跳躍生長，顆粒直徑較小的核形石甚至呈現懸浮生長，由于菌藻類具有向光性生長，這種跳躍或懸浮生長過程能接受均勻光照，才能形成比較連續的球形—橢球形包殼，進而形成球形和橢球形的核形石，核心較大的復合核形石由于水動力不足以使之懸浮，遂形成的包殼不規則，于是形成棒狀，不規則狀核形石。

核形石的膠結物主要為亮晶膠結物，膠結物成分為方解石，呈現兩個世代，一世代圍繞顆粒邊緣生長，晶形差，晶粒小，二世代生長在孔隙中央，晶粒粗大，晶形較好。可見在其形成時經過水流作用的沖洗，將顆粒間的物質帶走，再經化學沉淀形成亮晶膠結物，說明核形石形成時期為動蕩或連續水流，水體能量較高，在鏡下可觀察到砂屑和少量礫屑與核形石伴生。根據Read[23]緩坡模式, 砂屑和礫屑可能來自臨近的潮坪相沉積物，風暴作用將原始碳酸鹽巖沉積物打碎搬運，然后與核形石一同沉積在緩坡相中。

4　核形石形成的控制因素

核形石的形成過程中胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances，簡稱EPS)具有重要的意義，因為其是藍細菌等微生物分泌出的具有黏結作用的物質用來捕獲碳酸鹽巖礦物顆粒，進而形成紋層，后經水動力條件的翻轉等作用，形成現如今具有包殼和核心的核形石[24]。EPS對分析核形石形成的主控因素具有重要意義，EPS是微生物碳酸鹽巖形成不可或缺的物質，同時也是微生物活動的證據。結合前人研究成果，確定本區核形石發育的控制因素有以下幾點：

4.1　燈影組微生物繁盛，充足的物質基礎是核形石形成的前提

震旦系燈影組微生物碳酸鹽巖非常發育，形成的微生物巖類型多樣，包括穹狀、微波狀或席狀疊層石、核形石、層紋石、凝塊石等[12, 25-28]。在全球范圍內廣泛發育微生物巖[8,12]表明當時的沉積背景下，已經有大量微生物，具備核形石形成的物質基礎并且相當豐富。

4.2　中—高能的水動力環境能保持顆粒懸浮跳躍生長，有利于核形石的形成

水動力條件：核形石的形成需要一定的水動力條件使顆粒跳躍或懸浮，才能形成圍繞核心的同心包殼結構，而核形石的包殼往往不圓滑，而是呈現波狀或斷續狀，或是由于水動力條件不是非常強，使核形石呈跳躍搬運的結果。另外，水動力條件還影響微生物分泌的胞外聚合物(EPS)，Hageleetal.[29]研究Alz河核形石認為，EPS膜易被破壞，其有機質薄膜不具備強抗破壞能力。水動力條件太強可能會導致EPS膜被破壞，而不能形成核形石。此外, 本區核形石個體較小，推測在形成時的水動力條件不是很高，所以核形石應該形成于中—高能的水動力環境。

4.3　低陸源碎屑注入有利于EPS膜的保持，有利于核形石形成

低陸源碎屑注入之所以有利于核形石發育，是因為其有利于EPS膜的保存，而EPS膜對核形石的形成又至關重要，故低陸源碎屑的注入是重要控制因素之一[24]。研究區燈影組核形石成分單一，相比下部大量石英伴生的白云巖，核形石段沒有發現石英(圖9)，這對EPS的保存起了非常關鍵的作用；另外, 代明月等[30]認為泥質的出現是中斷核形石生長的直接因素，麻柳剖面核形石段并沒有發現泥質，而在非核形石段均發現或多或少的泥質。幾乎沒有陸源碎屑代表清潔的沉積水體，這對微生物的生長是極有利的條件，也是核形石發育的有利條件。

圖9　紫陽麻柳剖面燈影組陸源碎屑含量與分布特征對比Fig.9　The content and distribution of terrigenous detritus of the Dengying Formation in the Ziyang Maliu Section

綜合分析認為，四川盆地東北緣紫陽麻柳剖面震旦系燈影組的微生物物質基礎豐富，中—高能水動力條件適宜，而核形石形成的主控因素應該為陸源碎屑的注入量。因其有可能對EPS具有破壞作用而使核形石停止生長，在石英和泥質成分比較高的地層中并未發現核形石，而在石英和泥質等陸源碎屑不發育的地層中，在相似的水動力環境下卻見核形石發育其中。

5　核形石對四川盆地東北緣震旦系燈影組沉積環境的指示意義

紫陽麻柳剖面震旦系燈影組整體為一套與微生物有關的白云巖，其中燈二段和燈四段主要為疊層石白云巖、凝塊石白云巖及核形石白云巖，根據核形石形成所需要的中—高能、攪動、透光的環境要素分析，為典型的中—高能淺緩坡相帶。燈一段為硅質白云巖，反映了中緩坡相帶的特點。燈三段主要為黑色泥巖和硅質白云巖，反應水體較深，水體為還原性質，代表了深緩坡相帶的特征。所以, 川東北紫陽麻柳地區在震旦紀燈影組沉積時整體為一個緩坡相帶。

龔銀杰等[31]認為，南秦嶺在晚震旦世形成盆地相碎屑巖和碳酸鹽巖混積，并且南秦嶺微地塊被廣泛認為是深水盆地相，而上揚子臺地北緣是屬于碳酸鹽臺地相，震旦系燈影組沉積的是一套以白云巖為主的碳酸鹽巖。紫陽麻柳剖面位于四川盆地與南秦嶺之間，根據核形石的沉積環境分析，其沉積環境應該為臺地邊緣緩坡相，表明紫陽麻柳剖面應屬于上揚子地臺，而并非南秦嶺微地塊(圖10)，即是說該區震旦系燈影組核形石的形成并未受到后期南秦嶺微地塊形成時的影響，故通過核形石的形成沉積環境可知，麻柳剖面屬于上揚子臺地北緣。

6　結論

(1) 紫陽麻柳地區核形石沉積于海平面相對下降，水體能量增強的淺水、能量中等偏高、無陸源物質注入的環境。

(2) 研究區核形石分為四類，分別是正常單一核形石、正常復合核形石、薄皮單一核形石和薄皮復合核形石，正常簡單核形石居多，復合核形石次之，薄皮核形石較少。

圖10　紫陽麻柳剖面燈影組沉積模式圖Fig.10　Carbonate sedimentary model of the Dengying Formation in the Ziyang Maliu Section

(3) 該地區核形石形成的主控因素為陸源碎屑的注入量，次要控制因素為水動力條件，較少的陸源碎屑流入，沉積水體清潔，有利于微生物發育。太高的水動力條件以及陸源碎屑物質注入會破壞微生物分泌的胞外聚合物(EPS)，使核形石停止生長。

(4) 川東北紫陽麻柳地區在震旦紀燈影組沉積時整體為一個緩坡相帶，核形石發育的燈四段為中—高能淺緩坡沉積相帶，并與上揚子地塊碳酸鹽臺地相一致，其屬于上揚子地塊。

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