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1、 8 l 霄 地 质 论 评 G E O L O G I C A L R E V I E W V 0 1 5 8 N o 4 J u ly 2 0 1 2 灰岩一 泥灰岩韵律层 的差异成岩作用 刘 喜 停 颜 佳 新 薛 武 强 中国地质大学 武汉 生物地质与环境地质国家重点实验室 武汉 4 3 0 0 7 4 内容提要 灰岩一泥灰岩韵律层包括结核状灰岩到灰岩和泥灰岩互层 广泛分布在陆棚及深海环境中 出现于 各地质时期 是研究高分辨率地层学和环境恢复的理想工具 但是成岩作用在灰岩一泥灰岩韵律层形成过程中的 作用一直存在分歧 有的学者认为差异化学压实成岩作用加强了原始沉积的差异 有的学者认为成岩
2、作用不仅能够 强烈歪曲原始环境特征 还可以通过自身成岩作用形成与原始沉积特征类似的现象 灰岩一泥灰岩韵律层中的差 异成岩作用是指泥灰岩中的不稳定碳酸盐矿物在海底成岩环境中经过溶解 迁移和在灰岩中再沉淀 导致灰岩层没 有明显被压实 而泥灰岩层受到明显压实 本文重点评述了差异成岩作用发生的环境和过程 并对与之相关的胶结 物来源问题和有机质在早期成岩过程中的作用进行 了讨论 并以华南中二叠统栖霞组韵律层为例 探讨了差异成 岩作用在其形成过程中的作用 最后对以后的研究方向进行了展望 关键词 灰岩 泥灰岩 差异成岩作用 海水埋藏成岩作用 栖霞组 灰岩与泥灰岩的抗风化能力和压实程度 明显不 同 所以灰岩与
3、泥灰岩的界面非常清晰 野外露头上 非常容易识别 因此灰岩一泥灰岩韵律层是研究旋 回地层学 的良好载体 龚一鸣等 2 0 0 8 一直受到 地层学家和古气候学家的青 睐 但 是灰岩非常容易 受成岩作用 的改造 成岩过程对灰岩一泥灰岩韵律 层 形 成 的 作 用 一 直 存 在 分 歧 H a l l a m 1 9 8 6 S c h wa r z a c h e r 2 0 0 0 W e s t p h a l 20 0 6 Mu n n e c k e e t a 1 2 0 0 8 We s t p h a l e t a 1 2 0 0 8 a 在研究志留系 微晶灰岩形成过程中 发 现
4、灰岩一泥灰岩韵律层在 成岩过程 中受到的改造是非 常明显 的 特别是在海 水埋藏成岩作用 中 M u n n e c k e a n d S a mt l e b e n 1 9 9 6 Mu n n e c k e e t a 1 1 9 9 7 We s t p h a l e t a 1 2 0 0 0 差 异成岩作用不仅能够改造原始沉积记录而且可以产 生新的现象 不利于旋 回地层学 的解释 本文主要 讨论 了差异成岩作用在灰岩一泥灰岩韵律层形成过 程中的作用 并对它 的发生机理和存在 的问题进行 了评 述 1 灰岩一泥灰岩韵律层的概念和分布 1 1 灰岩一泥灰岩韵律层的概念 传统定义是
5、用 C a C O 的含量来加以区分灰岩与 泥灰岩 的 将 C a C O 含量在 9 5 1 0 0 的岩石 称 为灰岩 而将 C a C O 含量在 3 5 6 5 之 间的岩石 则称为含泥灰岩 但是现在泥灰岩 的定义 已经改变 了 在灰岩一泥灰岩韵律层 中 灰岩层指的是浅色 的抗风化的岩层 而 暗色 的不耐风化 的岩层则称为 泥灰岩层 并且泥灰岩层受到强烈的压实作用 而灰 岩层受到很微小 的压实作用或者没有受到压实作用 Mu n n e c k e a n d S a m t l e b e n 1 9 9 6 M u n n e c k e a n d We s t p h a l 2
6、 0 0 5 We s t p h a l 2 0 0 6 显生 宙从结 核 状 泥灰 岩为 主 到互层 状 灰 岩为 主 变 化 的灰 岩一泥灰岩韵律层发育于陆棚和深海环境 中 可 以 出现在常氧和缺氧环境中 图 1 国内经常用到的 瘤状灰岩 高计元 1 9 8 8 金振奎和冯增 昭 1 9 9 4 蓝光志和张廷山 1 9 9 4 结核状灰岩 朱洪发和王 恕一 1 9 9 2 孙庆峰 2 0 0 6 张霞等 2 0 0 9 眼球状 灰岩 罗进雄 和何幼斌 2 0 1 0 也属于灰岩一泥灰岩 韵律层这一范畴 1 2 灰 岩一 泥灰 岩 韵律层 的 时空分 布 We s t p h a l 和
7、M u n n e c k e 2 0 0 3 通过对世界各 地 已经报道的灰岩一含泥灰岩韵律层 资料 系统分析 了全球范围内显生宙 的灰岩一泥灰岩韵律层的时空 分布规律 得出灰岩一泥灰岩韵律层分布最为有利 注 本文为国家 自然科学基金项 目 编号 4 1 0 7 2 0 7 8 资助 的成果 收稿 日期 2 0 1 1 0 4 1 0 改 回 日期 2 0 1 2 0 4 1 5 责任编辑 章雨旭 作者简介 刘喜停 男 1 9 8 3年生 博士研究生 主要从事碳酸盐岩沉积学研究 E ma i l l i u 1 9 9 9 1 2 6 c o rn 通讯作者 颜佳 新 男 1 9 6 2年
8、生 中国地质大学 武汉 教授 博 士生 导师 通讯 地址 4 3 0 0 7 4 湖 北省 武 汉市 洪 山区鲁 磨 路 3 8 8号 中国地 质大 学地 球科 学学 院 E ma i l j x y a n c u g e d u e n 第 4期 刘喜停等 灰岩一泥灰岩韵律层的差异成岩作用 体的软体动物 Wri g h t e t a 1 2 0 0 3 2 0 0 4 Wh e e l e y e t a 1 2 0 0 8 通过计算得出文石壳 的溶解足以能 够承担灰岩层中胶结物的来 源 特别是 在一些特别 的环境下 软体动物尤为重要 例如在方解石海时 期 分泌文石 的藻类受到抑制 以及
9、碳 酸盐工厂 因为 某种原因关闭的时候 Wh e e l e y e t a 1 2 0 0 8 C h e r n s a n d Wri g h t 2 0 0 9 3 2 有机质与差异成岩作用 Mu n n e c k e和 S a m t l e b e n 1 9 9 6 成岩模型的前提 是原始沉积物中的不稳定矿物在孔隙水化学性质发 生改变的时候发生溶解 孔隙水化学性质的变化是 有机质在细菌参与下发生降解引起的 通过文石的 溶解和方解石 的重新沉淀 碳酸钙被重新分配 虽 然 只 有 百 分 之 一 的 有 机 物 可 以 被 埋 藏 S c h w a r z a c h e r 2
10、 0 0 0 但是有机质在浅水陆棚 内对 碳酸钙的溶解却具有重要 的影 响 这 已经被现代和 古代 的实例 证 明 K u e t a 1 1 9 9 9 Ma l o n e e t a 1 2 0 0 1 S a n d e r s 2 0 0 3 这说 明沉积速率 有机生产 力和水层的氧含量对早期成岩过程有很大的影 响 没有足够的有机质 差异压实可能无法 启动或者完成 这也许是 巴哈马环 台地 沉 积 物 中 文 石 含 量 比 较 高 的 缘 故 We s t p h a l e t a 1 2 0 0 0 此 外有 机质 的增加可能会 导致水体含氧量的改变 从而改变碳酸钙溶解 的程度
11、 对灰岩一 泥灰岩韵律层的发育产生影 响 S c h u l t e a n d B a r d 2 0 0 3 颜 佳 新 和 刘 新 宇 2 0 0 7 表 1 3 3差异 成岩 作 用 的影响 测试灰岩一泥灰岩韵律层中的碳酸 钙含量是研究古气候和古环境中常用 的 手段 C l e a v e l a n d e t a 1 2 0 0 2 但 是 由 于差异成岩过程 中物质 的转 移 使得这 些数据不再可靠 同样其它一些参数也 需要谨慎使用 例如粘土含量 渗透率 同位素等 We s t p h a l e t a 1 2 0 1 0 在差异成岩过程 中 泥灰岩中的文 石质生物会溶解 而灰
12、岩 中的文石质生 物会发生新生变形作用 文石质生物在 海水埋藏环境 中 介 于海底成岩环境和 深埋成岩 环境 的溶解 可 能会导致对 生物群落和生态环境的误读 K n o e r i c h a n d Mu t t i 2 0 06 Ch e r n s a nd W r i g h t 2 0 0 9 特别是在相对 贫铁 的浅水 陆 棚区域内 K u e t a 1 1 9 9 9 相对而 言 方解石质 生物有更好 的保存潜力 因此更能代表原始 的沉积 环境 灰岩一泥灰岩中的微量元素是研究其形成环境 氧化还原状态的常用指标 但是差异成岩过程会使 得微量元素的指示意义不可信 例如某些稀土元素
13、 的富集与粘土含量或者有机质含量相关 而这些在 差异成岩过程 中会 在泥 灰岩 中被动 富集 黄文辉 等 1 9 9 9 当然 我们可以利用一些对成岩作用不 敏 感 的元 素 来 指 示 其 形 成 环 境 例 如 铝 和 钛 We s t p h a l a n d M u n n e c k e 1 9 9 7 We s t p h a l e t a 1 2 0 0 4 a 在差异成岩过程 中 碳酸钙产生迁移 在灰岩中 形成胶结物 而泥灰岩中大部分是碳酸钙溶解后的 产物 灰岩和泥灰岩经历 了不 同的早期成岩过程 势必影响到同位素 的分馏 在进行同位素 特别是 全岩同位素解释的时候 需要充
14、分考虑差异成岩过 程 同位素的测定最好选用 比较稳定 的载体 例如 腕足等方解石质动物壳体 We s t p h a l e t a 1 2 0 1 0 表 1有机质 氧化 反应 与碳酸钙饱和状态 S a n d e r s 2 0 0 4 Ta bl e 1 Ne t r e a c t i o ns o f o r ga ni c m a t t e r o xi da t i o n wi t h r e ga r d t o c a l c i u m c a r b o n a t e s a t u r a t i o n S a n d e r s 2 0 0 4 C a C O
15、 的 有机质氧化反应 饱和状态 1 有氧氧化 C H 2 0 0 2 H 2 0 C O 2 下降 2 有氧氧化硫酸盐还原产生的硫 化氢 Hs 一 2 0 2 S O 一 H 下降 H2 S 2 02 s 0 一 2 H 3 a 硫酸盐还原 2 C H 2 0 s 0 一 HS 一 Hc 0 H 2 O C O 2 a 下降一 上升 3 b 甲烷厌氧氧化 b 上升 C H 4 s o 一 H 2 S H 2 0 c 0 一 4 甲烷生成 4 1 2 C H 2 0 2 H2 0 2 C 0 2 4 H2 稳定一上升 4 2 4H2 I CO2 CH4 2H2 O 5 产生 c 0 导致碳酸盐溶
16、解 反应 1 3 a 碳酸的作用 C a CO3 C O2 H2 0 C a 2HC0 3 6 产生 H 导致碳 酸盐溶解 反应 1 3 a Ca CO3 H Ca Hco 控制 p H 7 有机质 氧化导致碳酸盐溶解 的净反应 K u e t a 1 1 9 9 9 不适用 2 C a C O 3 2 C H 2 0 2 0 2 2 C a 4 H C O 第 4期 刘喜停等 灰岩一泥灰岩韵律层的差异成岩作用 6 3 3 型非常相似 不稳定矿物提供物质基础 而较高的有 机质含量则提供了溶解 的动力 但是具体过程还需 要进一步的研究 正确认识华南栖霞组灰岩一泥灰 岩韵律层对于认识华南 中二叠世古地理 探索海相 烃源岩的形成过程 以及文石海时期钙质韵律层的成 因具有重要意义 5 研究 展望 灰岩 泥灰岩韵律层作为研究旋回地层学的理 想载体 可能受到差异成岩的作用影响 计算机模拟 结果证明差异成岩作用不仅能够掩盖或者改造原始 沉积的差异 还 能产 生并 不存 在 的差 异 B o h m e t a 1 2 0 0 3 因此 在进行旋 回地层学研 究的时候 首先要就成岩作用对原始沉 积特征
