碳酸盐岩微相识别标志及研究意义

张雨辰

成都理工大学沉积地质研究院 四川 成都 610059

Brown于1943年首次引入“微相”的概念，而后Flügel对其进行补充，指明微相是在薄片、岩石揭片或抛光片中具有鉴别意义的古生物特征和沉积学标志的综合。

Wilson根据现代碳酸盐岩沉积的资料，于1975年建立了一个描述热带镶边碳酸盐岩台地的标准相模式，根据显微结构特征将碳酸盐岩划分为24个标准微相类型（SMF），并将其总结为9个标准相带。Flügel（2010）充分考虑冷水环境下的碳酸盐岩台地，对Wilson提出的分类方案进行修订，将标准微相类型（SMF）修订为26个，SMF1～SMF26分别对应由盆地至地表暴露区的顺序排列[1]；同时将缓坡模式的标准微相类型（RMF）归纳为30个，将相带更改为10个，该标准被广泛应用到微相研究工作中。

1 微相研究方法

微相研究主要包括野外工作、样品采集及实验研究三个部分。

（1）野外工作。野外工作是开展地质学研究的工作基础。在野外观测过程中要注意识别：岩性、颜色、结构特征、构造特征、成岩特征、化石及生物特征等相标志[2]。碳酸盐岩会因沉积氧化还原条件、成岩作用过程和风化作用影响呈现出不同特征。

（2）实验研究。早期实验技术主要利用偏光显微镜对岩石薄片、揭片或切片进行观察。后期逐步演变为将常规薄片资料与更精密显微设备（如扫描电子显微镜、阴极发光显微镜、荧光显微镜等）相结合分析观察，辅之地球化学分析得出准确可靠的研究结果。

偏光显微镜是微相研究的基础工具，可以用来观测样品薄片的颗粒类型、灰泥/亮晶相对百分含量、结构构造特征、生物化石组合等内容，进而推测其岩石学特征及岩相类型、沉积相类型及沉积特征垂向演化过程。

扫描电子显微镜（SEM）可以用来观察极小表面的三维立体图形。在碳酸盐岩研究过程中，扫描电镜可以用来分析微孔隙的分布及几何形态、胶结物的空间分布特征、白云石化程度以及化石和非生物成因碳酸盐颗粒的成分和超微结构[3]。

阴极发光显微镜（CL）是化石原始或成岩显微构造研究的主要手段。它是利用电子轰击薄片，在岩石薄片表面激发发光，光性的强弱主要取决于被激发薄片自身特性，如碳酸盐的主要发光元素为Mn2+和Pb3+，Fe2+则为荧光淬灭剂，岩石薄片所含元素及含量不同会产生不同的发光特性。阴极发光有助于识别不同胶结物类型及其所反映的成岩阶段、揭示化石原始结构及生长样式，更精确的识别微相标志。

荧光显微镜是通过可见光或紫外线照射时薄片所显现出的发光特征，可以鉴别灰岩中是否含有有机质、识别隐藏的微组构及生物矿化作用过程。

除此之外，还可以结合矿物学和地球化学等研究方法对碳酸盐岩微相展开研究。通过全岩分析和选择性分析，利用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）和中子活化分析（NAA）可以确定碳酸盐岩微量元素和稀土元素含量[2]，为古环境恢复提供依据和线索。

2 碳酸盐岩微相识别标志

碳酸盐岩颗粒可以指示碳酸盐岩形成的古环境，区分特定沉积环境及海平面变化。颗粒类型的变化可以反映沉积旋回，有助于建立相应的层序地层模式。碳酸盐岩颗粒可以分为内颗粒和外颗粒两类，外颗粒主要是指沉积区外较老的陆源碎屑颗粒，内颗粒种类繁多，包括生物碎屑、似球粒、集合体颗粒、包壳颗粒、内碎屑[2，4]。其中似球粒和包壳颗粒（包括皮粒、鲕粒、豆粒、核形石）可以作为可靠的亚相指示物，似球粒可以根据形态及大小对亚相进行区分，鲕粒可以根据大小、圈层数量及形态进行区分，集合粒（包括葡萄石）可以根据内部结构和大小进行区分，具体颗粒类型与沉积亚相、孔隙度的分布关系如图1所示[2]。

图1 碳酸盐岩颗粒类型及指示意义

2.1 生物碎屑

生物碎屑对沉积环境的表征十分敏感，不同沉积环境适宜生存的生物各不相同，因此不同种属生物碎屑的出现对碳酸盐岩沉积作用及古气候条件控制具有指示意义。生物碎屑类型主要包括：有孔虫、介形虫、双壳类、棘皮动物、大量藻类及少量腹足类[5]。

有孔虫与海水含氧量有较高相关性，当含氧量充足时，有孔虫发育繁盛，反之，则缩减。绝大多数有孔虫生活在正常盐度海水中。包旋虫类有孔虫和粗枝藻的组合通常指示台内开阔海环境[6]。

介形虫由外形基本一致的两个壳体组成，壳体表面光滑，头部通常有齿状内部凸起，个体较小，常小于1mm。在海水、半咸水及淡水中均可以生存，多与有孔虫、藻类共生。

棘皮动物主要包括海百合茎和海胆刺。海百合茎部横切面为中央圆孔，发育网状构造，具有同心圆及放射状纹理，主要生活在水体较清澈、气温较温暖环境中，浮游海百合的骨骼碎片是中生代开阔海相碳酸盐岩的重要组成部分。海胆常常发育棘刺[7]，生活在浅海中的海胆通常胆壳较厚，棘刺呈短粗状。

腹足类常呈卷曲状或螺旋状紧密包围形成一个中央空腔。腹足动物的钙质壳体通常被有机质层包裹，个体通常较大，粒径毫米至厘米不等。部分小型腹足动物与有孔虫难区分，可以通过其壳体弯曲程度高、厚度变化大，体腔孔常充填泥晶等特征与瓣鳃类和有孔虫区分。腹足类多适应于正常盐度的浅海环境。

2.2 似球粒

似球粒为泥晶化程度较高的泥质碎屑，一般缺乏内部结构，多呈次圆状或圆状，部分可呈椭圆状或杆状。似球粒中常见类型有粪球粒、藻似球粒、巴哈马似球粒和灰泥似球粒。粪球粒通常呈椭圆状或杆状，常形成于水动力条件较弱且沉积速率较低的台内或缓坡的潮间带中下部及潮下带，非海洋粪球粒也可以发育于咸水湖、淡水湖中[6]。藻似球粒是一种具不规则外形单继承藻结构的泥晶颗粒，普遍存在于早古生代陆棚碳酸盐岩中[8]。巴哈马似球粒通常是生屑或者鲕粒经过强烈泥晶化作用后，内部显微结构特征消失，形成的泥晶颗粒，通常比藻似球粒个体大。灰泥似球粒通常分选性差、颗粒外形和大小差异大，在地层剖面中总是重复出现，经过改造再沉积下来的灰泥似球粒常沉积于局限浅海环境。

2.3 集合体颗粒

集合粒主要由鲕粒、生物碎屑和似球粒构成，并被文石或方解石胶结物黏结而成。集合粒最早出现于巴哈马滩，水体能量为中-低等，常形成于水体不断变化的潮间带和潮下带浅海环境中。

2.4 包壳颗粒

包壳颗粒包括皮粒、鲕粒、豆粒、核形石，其中鲕粒和核形石可以为古环境恢复提供重要参考。

鲕粒是球形或椭圆形具有同心圈层结构的包壳颗粒，粒径通常小于2mm，其形态受鲕核形态控制，粒度及分选性受水动力条件影响。鲕粒是古环境水体能量、水体深度、水体盐度指示物，原地沉积的鲕粒一般不存在磨蚀痕迹，而经过搬运、沉积后的鲕粒通常粒径差异较大，同心圈层磨蚀现象严重。

核形石是蓝绿藻黏液包裹碳酸盐岩沉积物而形成的同心层泥晶颗粒。核形石的形态可以作为判断形成环境的重要指标，常被当做是高能、深潮间带至浅潮下带环境的标志[2]，早期纹层受到核心形态影响，形成具有核心形态的同心圈层，后受水动力条件影响呈现不同形态，水体不断搅动时会出现厚薄不均、纹层中断等现象，水体处于静止或弱搅动时，纹层会向光垂向生长。

2.5 内碎屑

内碎屑常见于浅海环境中，常被认为是浅海沉积物在经过风暴作用后再沉积的产物。内碎屑的定向排列可以作为评价波浪作用及古水流方向的重要参考，其长轴方向与流向一般呈垂直关系。碳酸盐岩中发育的“黑色砾石”可能指示其经历了地表暴露并伴有植被覆盖。

3 碳酸盐岩微相研究意义

对微相特征展开研究可以有效反应岩石样品沉积学和古生态特征，解释碳酸盐岩沉积环境和成岩作用过程，更好地把握不同时期岩相古地理演化。不同沉积环境具有不同的沉积特征，通过生物群种类及丰度可以得到水体深浅、盐度、清浊度等信息，进而可以精准识别古环境特征，

碳酸盐岩微相分析的快速发展与油气资源勘探息息相关。不同沉积环境形成的储层沉积特征各不相同，如潮坪环境中储层形态多呈条带状，粒度细到中粒，晶间和粒间孔隙发育；局限潟湖环境储层不连续，常呈叠置透镜体，孔隙小；开阔台地中储层形态多呈条带状，储层成层性好。通过对不同时期碳酸盐岩微相进行分析，有助于理解碳酸盐岩储层发育过程，建立相应的沉积模式。

微相研究不仅可以应用在古环境特征演化及油气资源勘探方面，还在考古学、工业生产等方面得到广泛应用。灰岩和白云岩从古至今都是重要的建筑材料，微相分析可以区分古建筑石材、镶嵌工艺材料来源，鉴定陶瓷生产所用材料产地及生产时期。

4 结束语

近年来，碳酸盐岩微相发展迅速，研究重点从过去的推测沉积环境演化转变为对成岩作用过程、岩石孔隙演化，研究方法也从显微薄片观察的定性分析转变为多学科交互式定量分析，测试结果日益精准化，对沉积环境解释、油气成藏及储层评价具有重要参考意义。