低能環(huán)境下核形石組構(gòu)特征及成因
——以中15 井上奧陶統(tǒng)良里塔格組核形石為例

耿鋒，楊瑞召，唐雨，沙旭光，孫堯斌，王振宇，張云峰

1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083

2.中國石化西北油田分公司勘探開發(fā)研究院，烏魯木齊 830011

3.中國石化深部地質(zhì)與資源重點實驗室，北京 102206

4.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610500

0 引言

地質(zhì)歷史中的核形石通常是指直徑大于2 mm的碳酸鹽包覆顆粒，內(nèi)部常具不完整或不規(guī)則同心紋層，其組構(gòu)及形態(tài)是反映古氣候、水體能量、水深、微生物類群、水化學(xué)條件波動等信息的重要載體[1-6]。核形石時空分布廣泛，前寒武—第四紀時期均有分布[6-7]，陸相的湖泊、三角洲及海相的潮坪、淺灘環(huán)境中均有發(fā)育[8-11]。一般來說，具同心紋層的普通核形石微生物巖代表著水體充分攪動的高能環(huán)境，同心紋層密集、外形近于球形的能量較高；層紋數(shù)量少或外形不規(guī)則以及扁平者代表能量較低的環(huán)境[10,12]。奧陶紀時期全球發(fā)生了一次重大海洋生物演化事件—生物大輻射，對早古生代地球海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了重要影響[13-14]，且前人認為其是全球氣候變冷、海平面上升、大氣氧濃度增加、造山運動加劇等環(huán)境因素共同作用的結(jié)果[15-17]。核形石組構(gòu)及成因研究可有效揭示該期環(huán)境指標及變化。

我國晚奧陶世核形石研究多集中于塔里木板塊的塔中、塔北地區(qū)，核形石核心類型多樣，幾乎各種生物顆粒、內(nèi)碎屑顆粒皆可為核，多為球狀或橢球狀、半圓狀、復(fù)合型核形石。前人研究認為塔中、塔北地區(qū)高能環(huán)境下多形成亮晶膠結(jié)、個體大、圓度較高的核形石，中—低能環(huán)境下常形成灰泥膠結(jié)、個體小、薄皮核形石[18-20]。而中15 井塔中西部上奧陶統(tǒng)良里塔格組泥質(zhì)條帶灰?guī)r段中的核形石發(fā)育段具有典型的低能沉積特征，累積厚度12.3 m，核形石豐度高、粒度變化大、垂向演化規(guī)律明顯。通過對該段核形石組構(gòu)、粒間填充物、垂向旋回等特征的解剖，分析其形成、沉積環(huán)境與組構(gòu)特征之間的響應(yīng)關(guān)系，建立成因模式圖，以豐富低能環(huán)境下核形石成因研究。

1 地質(zhì)概況

塔中地區(qū)位于塔里木盆地中央低隆起中部，東與塔東低隆相連，西接巴楚斷隆，北與滿加爾凹陷、順托果勒隆起相鄰，為一古生代長期繼承性發(fā)展的巨型古隆起（圖1a）[21]。晚奧陶世良里塔格組沉積時期，塔中處于低緯度地區(qū)，缺乏陸源物質(zhì)輸入，氣候溫暖，為開闊臺地—臺地邊緣的沉積體系（圖1b），海平面相對穩(wěn)定[22]，鹽度正常，發(fā)育大量淺水生物、砂屑[23]。

圖1 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)背景（a）塔里木盆地塔中地區(qū)構(gòu)造位置；（b）上奧陶統(tǒng)良里塔格組泥質(zhì)條帶灰?guī)r段沉積相平面圖；（c）中15井地層綜合柱狀圖Fig.1 Regional geological background of the study area

中15 井位于塔中地區(qū)西部，其上奧陶統(tǒng)良里塔格組厚度為325 m，自上而下分為泥質(zhì)條帶灰?guī)r段、顆?；?guī)r段和含泥灰?guī)r段三個巖性段（圖1c）。核形石主要發(fā)育于中15 井泥質(zhì)條帶灰?guī)r段中上部，見于第6至第8筒次取心段（5 136.00～5 160.54 m），巖性為含泥質(zhì)條帶核形石灰?guī)r、含生屑泥晶核形石灰?guī)r等。

2 材料與方法

研究基于詳細的巖心觀察和室內(nèi)薄片、掃描電鏡鑒定，統(tǒng)計、分析核形石宏觀形態(tài)、微觀組構(gòu)。巖心觀察中15井第6～8筒次含泥質(zhì)條帶核形石灰?guī)r中核形石的粒徑、含量、垂向分布位置及旋回、核形石發(fā)育與泥質(zhì)條帶含量的統(tǒng)計學(xué)等特征，定量描述并獲得了各部分的參數(shù)。垂向上選取各種形態(tài)、包殼發(fā)育好/差、核心類型不一、粒間充填物不一等各類典型的核形石塊樣磨制薄片100 余片，應(yīng)用Zeiss AXIO SCOPE.A1 偏光顯微鏡觀察核形石內(nèi)部組構(gòu)、核形石間充填物等特征。選取50個核形石紋層樣品磨制成粉末，在濕度20%、溫度20 ℃條件下，應(yīng)用ISOPROBE-T熱電離質(zhì)譜儀進行87Sr/86Sr測定，用以分析海平面變化趨勢。

3 核形石組構(gòu)特征

3.1 宏觀形態(tài)與結(jié)構(gòu)

宏觀上，中15 井核形石形態(tài)多樣，以球形、半球形、橢球形、花瓣狀為主，粒徑一般為8～16 mm，個別可達20 mm。核心包括暗色微泥晶碎屑團塊、生物碎屑等（圖2a～d）；紋層多呈斷續(xù)、稀疏、紊亂、似斷若續(xù)狀分布（圖2、圖3a，c，d），少數(shù)紋層見連續(xù)、緊密發(fā)育（圖3b），部分具泥晶化。粒間多泥質(zhì)條帶、灰泥（圖3）、破碎程度較高的生物碎屑充填（圖3a）。垂向上，5 136～5 140.8 m 段核形石連續(xù)分布，5 145.8～5 149.2 m、5 153～5 160.2 m段斷續(xù)分布，累積厚度12.3 m。

圖2 核形石結(jié)構(gòu)特征（a）及粒徑分布統(tǒng)計（b）Fig.2 Structural characteristics (a) and particle size distribution (b) of oncoids

圖3 中15 井上奧陶統(tǒng)良里塔格組泥質(zhì)條帶灰?guī)r段核形石宏觀特征（a）與泥質(zhì)條帶共生的核形石，核形石形態(tài)、大小受泥質(zhì)條帶的影響，核心為微泥晶團塊，包殼疏松、紊亂，巖心，5 137.01 m；（b）泥晶核形石灰?guī)r，核形石形態(tài)規(guī)則呈球狀，包殼紋層規(guī)則致密，巖心，5 138.16 m；（c）泥晶核形石灰?guī)r，核形石個體差異明顯，整體形態(tài)呈球狀、花瓣狀，紋層較厚且多為斷續(xù)狀，巖心，5 154.44 m；（d）泥晶核形石灰?guī)r，核形石個體較小，整體形態(tài)多呈球狀，多以雙殼、微泥晶團塊為核心，巖心，5 146.03 mFig.3 Macroscopic characteristics of oncoids in the argillaceous banded limestone of the Upper Ordovician Lianglitage Formation in well Zhong-15

3.2 核形石微組構(gòu)

觀察顯微組構(gòu)發(fā)現(xiàn)，核形石核心組分類型多樣，常見苔蘚蟲、腹足、雙殼、珊瑚、三葉蟲等生物碎屑（圖4a～c）及微泥晶團塊（圖4d）等，成分以方解石為主，少量陸源碎屑、鐵質(zhì)礦物。紋層主要有暗色泥晶紋層（200～300 μm）、菌藻紋層（100～500 μm）、微亮晶紋層（50～100 μm）等三種類型，以前兩者共生為主；紋層對稱及非對稱式均有發(fā)育，以非對稱為主；紋層呈連續(xù)、斷續(xù)狀分布，部分呈花瓣狀。菌藻紋層中見大量具明顯外壁的絲狀葛萬菌（Girvanella），絲體極細，寬約10 μm，長50～100 μm，局部密集分布（圖4e）。葛萬菌形態(tài)在紋層不同部位具有差異性，外圈呈明顯的順層分布，中部圈層多相互纏繞、雜亂生長，內(nèi)圈見平行或斜交紋層。泥晶紋層多斷續(xù)、模糊（圖4b，d）。

圖4 中15 井上奧陶統(tǒng)良里塔格組泥質(zhì)條帶灰?guī)r段核形石微觀組構(gòu)特征（a）核形石核心為三葉蟲，5 130.8 m；（b）核形石核心為一雙殼殼體，泥晶紋層發(fā)育，5 136.62 m；（c）腹足類核心，縱切面呈塔形，共5層，晶粒結(jié)構(gòu)，5 146.45 m；（d）泥晶團塊為核心，5 139.72 m；（e）核形石兩側(cè)紋層不對稱、個體較小、呈長條狀，5 157.58 m；（f）為圖e白框中現(xiàn)象放大，外圈紋層內(nèi)見葛萬菌順層或斜交層發(fā)育，5 157.58 m；（g）基質(zhì)中亮晶膠結(jié)，核形石包殼紋層對稱連續(xù)生長，5 146.03 m；（h）為圖g白框中紋層發(fā)育情況放大，見亮晶膠結(jié)的核形石其紋層對稱、規(guī)則發(fā)育，5 146.03 m；以上均為薄片單偏光照片F(xiàn)ig.4 Microscopic fabric characteristics of oncoids in the argillaceous banded limestone of the Upper Ordovician Lianglitage Formation in well Zhong-15

當核心為生屑時，因生屑核心類型、大小不同導(dǎo)致核心大小差異較大，核心長軸通常為8～18.4 mm，短軸通常為4～15.6 mm，核形石大小與生屑核心的形態(tài)、大小呈正相關(guān)性；此類核心的核形石紋層傾向于單側(cè)生長，短軸方向上紋層生長速度快于長軸方向，紋層一般厚0.08～3 mm；核形石形態(tài)與核心形態(tài)基本保持一致或單側(cè)增厚呈半球狀。通常來說，當核心為生屑時，其骨骼的核心密度相對較低，易懸浮于水中，藻類、微生物等圍繞生屑核心生長，捕獲、黏附碳酸鹽質(zhì)點，應(yīng)表現(xiàn)為全方位、明暗紋層交互生長的特征[24]。而該井以生屑為核心的核形石呈現(xiàn)出兩種截然不同的紋層特征：一類紋層較厚、核形石個體大、呈球狀或帽狀，粒間往往充填泥質(zhì)或泥質(zhì)、破碎嚴重的生物碎屑（圖4b）；另一類紋層較薄、僅核心短軸方向生長0.08～0.4 mm的包殼、核形石個體較小，粒間往往為灰泥、少量較完整的生物碎屑充填（圖4e）。表明同環(huán)境形成的生屑碎屑，因其形態(tài)和大小的差異，可經(jīng)歷不同的成殼過程，最終形態(tài)多樣的核形石類型。

當核心為微泥晶團塊和早期破碎的核形石球體時，核心形態(tài)多為輕微不規(guī)則狀或橢圓狀，粒徑一般較?。?.5～6.12 mm）。此類核心最終形成的核形石個體大，約6～15 mm，形狀較規(guī)則，多為球狀、橢圓狀。紋層多為半連續(xù)的菌藻紋層、泥晶紋層，斷續(xù)微亮晶紋層，紋層層數(shù)、厚薄不一，局部紋層較厚且較致密，紋層全包裹核心發(fā)育。紋層普遍受到泥晶化作用而模糊不清。此類核形石粒間基質(zhì)中多充填灰泥，少量生物碎屑破碎嚴重，粒徑較?。▓D4d）。

此外，偶見亮晶膠結(jié)物、細小生屑填隙的核形石，其核心以橢圓或長條形生屑為主，包殼紋層多對稱連續(xù)生長，且紋層規(guī)則、包裹緊實（圖4g，h）。

4 核形石分類

目前核形石微生物巖分類主要按照“形”[1,25]、組分[2]及“形+成因環(huán)境”[26]三種分類方法。中15井核形石核心成分、大小、形態(tài)與核形石最終形態(tài)、大小、基質(zhì)充填物之間有著一定對應(yīng)關(guān)系。綜合核形石核心、紋層特征和核形石形態(tài)將其核形石劃分為四類。

（1）球狀核形石：核形石整體形態(tài)為球型或近似球型，為包殼全包裹核心型。個體大小差異大，約2～16 mm。紋層厚度大但泥晶化嚴重，鏡下觀察具微弱單側(cè)生長、不對稱發(fā)育的趨勢；紋層連續(xù)或斷續(xù)、疏密程度不一，包殼較厚的一側(cè)紋層較疏松,較薄的一側(cè)紋層較緊密。核心多為泥晶團塊和生物碎屑核心，呈偏心狀。粒間多灰泥和少量生物碎屑充填。與泥質(zhì)條帶和縫合線伴生的球狀核形石個體多較小（圖5a，b），表明泥質(zhì)條帶的發(fā)育可能抑制核形石的生長。

圖5 中15 井上奧陶統(tǒng)良里塔格組泥質(zhì)條帶灰?guī)r段核形石類型及特征（a）球狀核形石，5 136.18 m，單偏光；（b）球狀核形石，與泥質(zhì)條帶伴生的核形石個體多較小，5 143.60 m，單偏光；（c）橢球狀核形石，因核形石粒徑太大圖片無法展示完全，5 146.19 m，正交偏光；（d）帽狀、半球狀核形石，5 139.72m，單偏光；（e）帽狀、半球狀核形石，5 142.52 m，單偏光；（f）板條—帽狀核形石，5 146.52 m，單偏光Fig.5 Oncoid types and characteristics in the argillaceous banded limestone of the Upper Ordovician Lianglitage Formation in well Zhong-15

（2）橢球狀核形石：核形石整體形態(tài)為橢球狀，為包殼全包裹核心型。核形石個體大，長軸約18.4 mm，短軸約12 mm。核心形態(tài)多為橢形、長條形等。紋層包裹較緊密，厚約2.8～3.2 mm，常對稱發(fā)育。核心直徑仍大于包殼厚度，整體為薄皮核形石。此類核形石發(fā)育極少，僅在亮晶膠結(jié)、完整生屑保存的基質(zhì)中發(fā)育（圖5c）。

（3）帽狀或半球狀核形石：半球狀核形石多為包殼全包裹核心型，少見半包裹型。個體較大，長軸直徑多在6～10 mm。核心多為飄帶狀三葉蟲，短條帶狀雙殼類及重結(jié)晶的微泥晶團塊等，核心呈偏心狀。雖然包殼為全包裹型，但紋層主要沿核心短軸方向發(fā)育，近核心處紋層規(guī)則、密集，向外紋層稀疏、紊亂，形成疏密不一、連續(xù)性差、外形極不規(guī)則的紋層及常形成裙邊狀、枝狀邊緣。粒間多充填灰泥和較少的破碎生物碎屑（圖5d，e）。

（4）板條狀核形石：此類核形石多為全包裹型的薄皮核形石，個體較小，長軸多為1.6～6.4 mm，短軸1.6～1.8 mm。核心多為雙殼類碎片，僅短軸兩側(cè)紋層發(fā)育，厚0.08～0.64 mm，長軸兩端基本未見紋層包裹。短軸兩側(cè)紋層也存在發(fā)育不對稱、較薄的現(xiàn)象。粒間充填灰泥、較完整生物碎屑。板條狀核形石進一步發(fā)育，可能呈帽狀或半球狀（圖5f）。

5 垂向旋回特征

垂向上，核形石灰?guī)r與泥晶灰?guī)r、泥質(zhì)條帶灰?guī)r交替出現(xiàn)，核形石發(fā)育段內(nèi)部往往出現(xiàn)多套核形石個體大、含量高—個體小、含量低—核形石含量逐漸降低—含泥質(zhì)條帶泥晶灰?guī)r的旋回組合，泥質(zhì)（陸源物質(zhì)）供應(yīng)是影響核形石生長及消亡的直接因素。垂向上表現(xiàn)為灘間海和低能核形石灘的旋回沉積，核形石粒徑和含量頻繁地升降，認為這種垂向多旋回變化的特征反映了當時沉積水體能量雖有波動但波動幅度整體不大。

鍶同位素可以作為海平面變化的指示劑，87Sr/86Sr 的變化與同期海平面的升降呈負相關(guān)關(guān)系[27-28]。整體上，Sr 同位素垂向上具降低趨勢，這與同時期全球海平面總體向上呈上升趨勢的認識相一致（圖6）。

圖6 中15 井上奧陶統(tǒng)良里塔格組泥質(zhì)條帶灰?guī)r段核形石垂向發(fā)育特征Fig.6 Vertical development characteristics of oncoids in the argillaceous banded limestone of the Upper Ordovician Lianglitage Formation in well Zhong-15

6 討論

6.1 核形石形成環(huán)境及成因

一般認為低能“靜水”環(huán)境中常顯示出不規(guī)則的外圈紋層和強烈偏離球狀的形態(tài)，且多數(shù)不對稱，呈向下或向上變厚及側(cè)向上的延長[29]。中15井泥質(zhì)條帶灰?guī)r段發(fā)育的球狀、帽狀核形石多以苔蘚蟲、三葉蟲等淺水生屑為核心（圖7a，b），紋層較厚，以暗色泥晶紋層和菌藻紋層為主，顯示為灰泥和隱晶質(zhì)的鈣化微生物化石的包繞和充填（圖7c），紋層的各個方向生長狀態(tài)不一，呈不對稱生長，最終形成帽狀和球狀核形石（核心偏移）（圖7d）；核形石之間普遍發(fā)育破碎生物碎屑（圖7e）、灰泥和泥質(zhì)條帶（圖7f）。核形石為相對靜水，水體攪動及波浪搬運作用不強烈的原地或近距離搬運沉積成因。形成過程中，苔蘚蟲、三葉蟲等淺水生物被波浪打碎形成生屑，并被搬運至開闊臺內(nèi)地；當相對深水透光的低能環(huán)境下適應(yīng)葛萬菌等細菌繁殖時，其不斷分泌黏液對淺水形成的生屑、團塊進行吸附、捕獲、黏結(jié)，不斷生長，形成核形石（圖8a～d）。當水體處于攪動和靜止相交替狀態(tài)時，搬運作用不強烈，形成了紋層不對稱發(fā)育、紋層厚度較大的球狀核形石、帽狀核形石，粒間多灰泥、細生屑充填（圖8e）；隨著海平面進一步上升，水體能量相對較低、弱攪動的低能水體環(huán)境下光照不均勻使紋層只能向上發(fā)育形成，核形石基本處于固定海平面狀態(tài)，最終形成紋層薄、多單側(cè)發(fā)育、個體小的板條狀核形石（圖8f）。

圖7 中15 井上奧陶統(tǒng)良里塔格組泥質(zhì)條帶灰?guī)r段核形石組構(gòu)對低能沉積環(huán)境的響應(yīng)（a）淺水三葉蟲碎片，5 138.25 m；（b）苔蘚蟲碎片，5 145.82 m；（c）紋層多斷續(xù)、模糊，顯示為灰泥和隱晶質(zhì)的鈣化微生物化石紋層的包繞和充填，5 137.65 m；（d）核形石紋層呈不對稱生長，5 148.89 m；（e）粒間破碎嚴重的生物碎屑充填，5 145.40 m；（f）粒間泥質(zhì)條帶充填，5 136.43 m；以上均為薄片單偏光照片F(xiàn)ig.7 Characteristics of oncoid fabric responses to the sedimentary environment in the argillaceous banded limestone of the Upper Ordovician Lianglitage Formation in well Zhong-15

圖8 中15 井上奧陶統(tǒng)良里塔格組泥質(zhì)條帶灰?guī)r段核形石發(fā)育沉積模式（a）泥質(zhì)條帶灰?guī)r段正常沉積時期；（b）核形石核心類型；（c）苔蘚蟲、三葉蟲等淺水生物被波浪打碎形成生屑，并被搬運至開闊臺內(nèi)地；（d）為水體處于攪動和靜止相交替狀態(tài)時形成的紋層不對稱發(fā)育、紋層厚度較大的球狀核形石、帽狀核形石（e）海平面上升，泥質(zhì)條帶灰?guī)r段進一步在核形石發(fā)育段上沉積；（f）為水體能量相對較低、弱攪動的低能水體環(huán)境下形成紋層薄、多單側(cè)發(fā)育、個體小的板條狀核形石；（b，d，f）為圖8c框中核形石核心、包殼形成過程Fig.8 Sedimentary development patterns of oncoids in the argillaceous banded limestone of the Upper Ordovician Lianglitage Formation in well Zhong-15

6.2 地質(zhì)意義

奧陶紀生物大輻射（Ordovician Radiation）事件致使生物發(fā)生大規(guī)模輻射,在奧陶紀的海洋生物門類中，幾乎所有化石門類都在奧陶紀發(fā)生了多樣性的劇增[14,30]，這也為中15井核形石中豐富的生物碎屑核心如苔蘚蟲、腹足、雙殼、珊瑚、三葉蟲等奠定了門類多樣性基礎(chǔ)。奧陶紀期間全球海平面是顯生宙以來最高的時期之一，發(fā)生過多次大規(guī)模的海侵事件[31-32]。奧陶紀核形石與其他地質(zhì)時代核形石紋層特征、核心類型、核形石形態(tài)等特征相似，差異在于高豐度、個大、紋層厚的核形石在中15井中為低能產(chǎn)出，而在其他地質(zhì)時代發(fā)育的核形石則是高能環(huán)境下形成的[3-6,18,24]。

中15井上奧陶統(tǒng)良里塔格組泥質(zhì)條帶灰?guī)r段中低能環(huán)境卻發(fā)育高含量、大顆粒的核形石，可能受奧陶紀全球海平面上升以及生物大輻射影響，具體核形石產(chǎn)出為豐富的核心物質(zhì)來源（相鄰臺緣帶生屑、團塊）、發(fā)育程度高的細菌、穩(wěn)定或弱波動的沉積環(huán)境等因素的有機耦合。

7 結(jié)論

（1）中15井上奧陶統(tǒng)良里塔格組泥質(zhì)條帶灰?guī)r段中上部發(fā)育一套厚約12.3 m的含泥質(zhì)條帶核形石灰?guī)r、含生屑泥晶核形石灰?guī)r，核形石粒度為2～20 mm，核心為苔蘚蟲、三葉蟲、雙殼、腹足等。包殼厚度大，富含葛萬菌泥晶紋層，基質(zhì)中多充填灰泥、生物碎屑。

（2）將核形石分為球狀、帽狀、橢球狀、板條狀四類核形石，以帽狀、球狀為主。球狀核形石整體形態(tài)為球型或近似球型，為包殼全包裹核心型，紋層厚度大但泥晶化嚴重，紋層呈微弱單側(cè)生長、不對稱發(fā)育的趨勢。橢球狀核形石形態(tài)呈橢球狀，發(fā)育較少，紋層對稱生長且粒間亮晶膠結(jié)。帽狀核形石，核形石形態(tài)為半球狀，包殼為全包裹型但紋層僅核心短軸方向發(fā)育，向上紋層較厚形成單側(cè)生長。板條狀核形石核心多為長條形的雙殼殼體，包殼不對稱發(fā)育且薄，長軸兩端基本未見紋層包裹。

（3）垂向上為三個核形石發(fā)育段，單個旋回呈含量、粒度變大趨勢。球狀、帽狀核形石形成于水體處于攪動和靜止相交替的環(huán)境，板條狀核形石形成于相對靜止、水體更深、低能的環(huán)境。中15井低能核形石的形成可能受奧陶紀全球海平面上升以及生物大輻射影響，具體產(chǎn)出受豐富的核心物質(zhì)來源（相鄰臺緣帶生屑、團塊）、發(fā)育程度高的細菌、低能、弱動蕩等因素共同影響。

致謝 衷心感謝評審專家和編輯對本文提出的建設(shè)性修改意見。