沉积相标志及鉴别方法
2020-01-19 · 技术研发知识服务融合发展。
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为便于野外操作和辨认，根据前人研究成果，将该区石炭纪沉积归纳出下面一些沉积相标志及其鉴别方法：
1.几何形态标志
各类沉积相在平面上和剖面上有各自的几何形态特点。例如河流相的点砂坝与海岸浅滩相（鲕滩、生物碎屑滩）（图6-2）。在横剖面上的形态就有不同，前者是上平下凹，后者是上凸下平，平面上的形状也完全不同，前者受弯曲的河谷控制，后者则平行于海岸分布。又如生物岩礁有独自的几何形态，其中堡礁呈长条状，环礁呈圆环状，马蹄礁呈马蹄状。因此，几何形态是沉积相的识别标志之一。
图6-2 石炭纪腕足类贝壳定向排列，表示沿岸浅滩沉积环境
沉积相的几何形态是前沉积地形、沉积环境的地貌和后沉积历史的函数，可以为后沉积侵蚀作用和构造变形所改造。所以，只有当沉积环境的形态被保留时，沉积相的几何形状才是有效的鉴别标志。
沉积相几何形态的研究资料有两个来源，一是地面资料，一是地下资料。后者主要来自地球物理勘查，特别是地震反射资料可以清楚地勾画出礁和海下扇的几何形态，在浅处有时可以圈出单个的潮沟和浅滩。
2.岩性特点标志
岩性是鉴别碳酸盐岩沉积相的基本的、最有意义的标志之一，也是最易观察、最直观的参数。根据一般的规律，碳酸盐岩的岩性研究，在沉积相方面要比碎屑岩有意义。这是因为碳酸盐沉积物不可能发生很远的搬运，多半是原地形成的，所以碳酸盐岩与其沉积环境有着密切的关系。碎屑沉积的岩性虽然也与沉积环境有关，但更重要的是与其搬运有密切的关系（图6-3）。所以砂岩的岩性在指相意义上不如碳酸盐岩。
许多人都试图运用沉积结构来确定沉积环境。对碳酸盐岩来说，沉积结构的研究在指相方面具有重要的意义。众所周知，碎屑岩是依靠粒度来判断沉积环境的能量大小，而碳酸盐岩则是依靠颗粒与泥晶含量之比来表示水介质能量。现在不少学者都采用结构—成因来进行碳酸盐岩的分类。
碳酸盐岩岩性标志主要表现在如下方面：
颗粒：碳酸盐岩的颗粒特征在指相方面有重要的意义，不同的颗粒反映不同的沉积环境。
碳酸盐岩颗粒的指相意义与碎屑岩颗粒不同。碎屑岩是依据颗粒的大小和形态来判断其水动力条件；而碳酸盐岩则由于颗粒的比重、成因不同，因此不能依据其大小和形态，而是依据其类型来帮助识别水介质的能量。如鲕粒多分布于浅滩，它显示中等强度的水动力条件；丰富的生物碎屑则形成生物滩；球粒主要分布于台地内部或潮间带的低能沉积环境。就是同一类型的颗粒，也可以分布在不同的沉积环境中。如鲕粒，又可以分为真鲕、表鲕、偏心鲕、生物鲕等。其中真鲕是在相对较强的水动力条件下形成的，而表鲕、偏心鲕则是在较弱的水动力条件下生成的。如扎布萨尕秀地区下石炭统怀头他拉组厚层灰岩中发育的腕足化石，个体很大，单个腕足类个体直径可达7cm，反映水动力条件较高，为高能的水动力环境（图6-4，图6-5）。
图6-3 上泥盆统阿木尼克组陆相砾岩
图6-4 扎布萨尕秀怀头他拉组生物碎屑灰岩中生物碎屑
图6-5 石炭纪生物灰岩中海百合茎碎屑，显示高能带水动力环境
泥晶：是指小于0.005m m的方解石（或白云石）晶粒。泥晶只能在没有水动力作用或安静的沉积环境中形成，它可以指示低能的沉积环境。因此，许多学者都采用颗粒与泥晶之比来表示水动力的能量。
亮晶：除颗粒/泥晶之比，亮晶也是碳酸盐岩重要的指相岩性标志。高能带有较强的波浪作用，致使灰泥部分均被簸扬到低能处，在高能带即形成亮晶胶结。因此，亮晶可以作为高能带的一个岩性标志。
非碳酸盐组分：非碳酸盐组分也是识别碳酸盐沉积环境的重要标志之一。在通常情况下，蒸发岩矿物形成于蒸发作用较强的潮汐带沉积环境。在古代地层中，由于蒸发岩矿物易溶，因此保留下的只是其假象。硅质多分布远洋环境（图6-6）。而泥质不仅可以分布于潮上带沉积环境，而且也分布于深海地带。海绿石广泛地被认为形成于大陆架沉积环境，多产于远离海岸地带，温度在3～15℃之间，深度大致在10～2000m，Ph=8，Eh=0～－100mV。
图6-6 石炭纪含燧石条带灰岩
由上所述，微相分析在碳酸盐岩沉积相中具有重要意义，其主要研究内容就是碳酸盐岩的岩性和沉积结构。
3.沉积构造标志
沉积构造是沉积环境中的重要标志，无疑它是原地形成的。近来通过实验室和现代沉积物的研究，对沉积构造的了解更加深入。
碳酸盐岩与碎屑岩一样发育有各种沉积构造。不同类型的沉积构造与不同的沉积环境有密切的关系。
根据沉积构造形成的相对时期，我们把沉积构造分为三大类，分别介绍如下：
（1）沉积前的沉积构造
这种沉积构造是在上覆地层沉积之前，在层界面上形成的。它们具有侵蚀的特点，也不同于后沉积底层变形现象（重压模）。
前沉积构造包括沟道、冲刷痕迹、小槽、爬迹、大槽以及其他的侵蚀现象。尽管许多实验工作对于造成这些沉积构造的水动力条件还不甚清楚，但是它们可以指示水流的方向。
在碳酸盐岩的许多沉积环境中，前沉积构造均有发育。前沉积构造是沉积环境中沉积间断的标志。根据侵蚀规模和时间的长短，可将其分为两大类：侵蚀规模小，侵蚀时间短，局部切断下伏地层的纹理，称为冲刷面；侵蚀规模大，侵蚀时间长，对下伏地层切割较强，上覆地层形成底砾岩（其中常包含下伏岩层的碎屑），或者形成风化土壤，称为风化壳或侵蚀面（如华北地台的奥陶系风化壳）。
（2）同沉积构造
这种沉积构造是在沉积时形成的，如扁平层、交错层、纹层、交错纹层、波痕等。
不同类型的同沉积构造往往发育于不同的沉积环境。纹理构造最常见的是水平纹理，在各种沉积环境中皆有发育。根据特征，可以分为两大类，形成于浅水和深水两种不同的沉积环境。浅水沉积环境的水平纹理以延伸短、呈断续分布为特点；深水沉积环境的水平纹理则以延伸长、呈连续分布为特点，这反映了深水沉积环境的安静性和稳定性。羽状层理是一种反映双向水流的沉积构造，主要发育于潮间带，是潮汐带重要的沉积构造标志（图6-7）。
板状层理主要发育于海滨和浅滩。滨海板状层理的层系交角过去在不少教科书中均认为是低角度（十几度）。但根据现代海洋调查证明，有的滨海板状层理的层系交角可达三十几度，这与海岸地形及构造运动有关。交错层主要发育于潮沟和浅滩（图6-8，图6-9），但深水沉积环境同样可见，如等深流所形成的板状层理。浅水与深水交错层有区别，前者规模大，延伸广，与浅水流作用而形成的。递变层理在浅水和深水沉积环境均有分布，但两者的成因不同。浅水递变层理是风暴流及其他密度流形成的；而深水递变层理则是重力流形成的。两者通过其他标志可以区别，如层序、底痕等。波痕在许多沉积环境中皆有出现，而最发育的是潮坪沉积环境。深水沉积环境偶尔可见，但以小型波痕为特点。
图6-7 石炭纪灰岩中纹理和羽状层理
图6-8 扎布萨尕秀下石炭统怀头他拉组羽状交错层理
图6-9 石灰沟上泥盆统阿木尼克组槽状交错层理
由上所述，同沉积构造是由波浪、潮汐、水流作用所形成的。研究层理的倾斜，可以恢复古水流的方向。
尽管流动体系概念对于同沉积构造的研究颇有价值，但是它只能间接地帮助分析沉积环境，这是因为水流运动限于沉积沟、槽的范围。
（3）沉积后的沉积构造
这种沉积构造与沉积时形成的沉积构造有很大不同，而且要复杂。根据实验和近代沉积的研究，可将其分为两大类：一类是层面的垂向方向发生了改变，如重压模、假结核、流砂构造；一类是横向组构重新排列，如滑塌，这种沉积构造多半是在未固结的沉积物中，由于地震、重力流、静水压力等作用造成的，这些作用可以在各种沉积环境中发生。
1）变形沉积构造：这是由于横向运动的结果，从河滩到深海斜坡都可以产生，最典型的是三角洲斜坡、海底峡谷和海底扇。变形沉积构造对认识古斜坡有重要意义。
2）碳酸盐岩特殊的沉积构造：碳酸盐岩本身有一些独特的沉积构造，如干缩、树根痕、鸟眼构造、层状晶洞构造、叠层石、钙结层（壳）、锥状构造（又称帐篷构造和泥蓬构造）、缝合线、晶体印模、示底构造等。
干缩现象是潮上带、潮间带最明显的标志，常见的有干裂和泥饼卷缩两种类型。干裂又称泥裂，在层面上呈多边形，断面上呈“V”字形，被后生沉积物充填。泥饼卷的形成是由于灰泥暴露于大气，日晒失水，表面一层形成泥饼，并发生卷曲。
泥裂可以在多种沉积环境中形成，最常见的是潮坪环境。由于沉积物暴露水面，蒸发作用的结果，使沉积物发生干缩破裂。在发生成岩作用之后，断面产生变形。
水下沉积环境同样可以产生泥裂。这是因沉积物形成后，在固化过程中发生凝聚失水而形成的。在浅水沉积地区，由于强烈的蒸发作用，也可以使水下沉积物发生失水而形成泥裂，但与暴露于大气形成的泥裂（干裂）不同。最大的特点是水下泥裂在层面上不具有多边形，而是呈断续状透镜体或断续状裂纹，在横断面上仍为“V”字形，但延伸较短。
除此之外，在沉积盆地中的斜坡地带，沉积物未固结之前，由于重力作用而发生滑动，下伏沉积物亦可形成泥裂。这种泥裂与上述两种泥裂特点不同，其分布局限，在层面上垂直于滑动方向成排分布，横断面上具有微小的“V”字形，很少有上覆沉积物的充填。还有早期沉积物遭受后期破坏再搬运、沉积的构造，如条带灰岩及内碎屑灰岩，图6-10、图6-11是石灰沟克鲁克组底部发育的条带灰岩和内碎屑灰岩，反映了高能的沉积环境。
图6-10 石灰沟克鲁克组条带灰岩
图6-11 石灰沟克鲁克组泥岩中球砾灰岩
在泥晶、微晶（或球粒）白云岩或灰岩中，见在1～3mm大小的、多平行层理排列的、似鸟眼状的孔隙，被假亮晶方解石或硬石膏充填或未被充填，此种构造称为鸟眼构造。因为常成群密集出现，故又叫窗格状或网格状构造。由于是在暗灰色泥晶灰岩上分布有白色方解石斑点，故又叫雪花状构造。其成因有：碳酸盐灰泥失水收缩、灰泥中含气泡、藻类腐烂后的遗迹、硬石膏、成岩作用的重结晶等。这种沉积构造主要产于潮上带，少数在潮间带，十分之九的鸟眼构造见于浅水中（Folk，1980），所以鸟眼构造具有特殊的指相意义。近来资料表明，鸟眼构造在潮下带也有分布，但数量较少。
层状晶洞沉积构造是一种具有广阔空间的空洞沉积构造，晶洞呈水平分布，底部近于扁平，而上部表面则为不规则状，是原始空洞为内沉积物和（或）假亮晶方解石充填所成，如礁岩的中心部分，有时称为礁华。这可能是由软体动物残余和埋藏产生的，也可能是干缩造成的。
叠层石的成因在很长一段时期有争议。从事古生物研究的学者认为是生物形成的，从事沉积学研究的学者认为是沉积构造。近来通过近代叠层石的研究表明，叠层石的形成与藻和沉积环境两者有关，所以称为生物沉积构造。它是通过藻光合作用进行新陈代谢，由藻分泌的黏液黏结碎屑而成。其生长过程是一层藻，一层碎屑，具有明显的向阳性。其形态主要受沉积环境的影响，与水动力条件有关。可分为三大类：层状、柱状和球状。古代叠层石在显微镜下观察具有亮暗条带构造。
叠层石在地质历史时期分布很广，但大量的主要分布在前寒武纪地层中。基本上分布于潮汐带，以潮上带、潮间带为主，其次为潮下带。
钙结层（壳）是由于土壤水分的蒸发、沉淀作用所生成的石灰岩。多在半干燥气候区形成，这里蒸发作用大于降水作用，土壤的水分主要是向上运动。当含碳酸钙的水从土壤中蒸发时，方解石就沉淀在土壤的质点之间。这是暴露于大气的象征。
锥状构造实际也是一种干缩现象，是未固结的石灰岩暴露于大气，失水干缩形成的圆锥状构造。主要分布于潮上、潮间带。图6-12是石灰沟剖面穿山沟组底部灰岩中发育的钙结壳构造，说明当时的沉积环境暴露的为潮上带，也为该区石炭系底部界面的确定提供了参考。
图6-12 石灰沟下石炭统穿山沟组古钙结壳
（据钟建华，2005）
4.古水流标志
水流是沉积物沉积的主要动力，因此古水流的研究是沉积环境研究的重要内容之一。通过对水流标志的研究，判别水流的方向及状态，可以帮助辨别海岸线、陆源区、沉积区及其中的浅海、深海、古斜坡。
5.生物化石标志
古生物是分析确定沉积环境最重要的方法之一。它包括对大化石、微化石和遗迹化石的分析研究，其中最重要的是微化石和遗迹化石。现在在沉积相的分析上，对微化石的研究已超过大化石的进展，特别是在井下研究方面，微化石比大化石优越得多。
遗迹化石包括潜穴、足迹、钻孔（Grimes and Harper，1970；Frey，1975）、觅食迹等。遗迹化石在沉积环境解释方面颇有用处，这是因为：①遗迹化石是原地产物，不可能像其他化石经受再改造；②遗迹化石分布极为广泛，从寒武系到现代都可见到；③浅水、深水沉积环境中均有分布，但两者有区别，浅海的遗迹化石多数在层面上呈起伏构造，或是在沉积物中呈不同的结构；而深海中则很少见到这种遗迹化石，相反潜穴和基质沉积物之间是以不同颜色显示的。这种颜色形成的原因还不清楚，可能是与潜穴类型或沉积物中的有机物质数量发生变化有关。另外潜穴的方向也不同；④在各种沉积类型中都可见到；⑤一定的沉积环境具有一定的遗迹类型特点。运用这个方法，可以确定一系列的“遗迹相”，每个“遗迹相”由一套遗迹化石组成，或者说一套遗迹化石产在具有一定特点的沉积相中。尽管生物在演变，但是“遗迹相”在显生宙是保持不变的。
大化石特别是在古生代的沉积环境中，也具有重要的意义。利用大化石可以判别海、陆相（图6-13），而且可以区别浅海与深海。图6-14是城墙沟剖面底部城墙沟组灰黑色钙质泥岩中发育的单体珊瑚，个体很大，直径可达12c m，长度可达58c m，反映了一种特定的沉积环境。石灰沟剖面克鲁克组中发育的
图6-13 上泥盆统陆相植物斜方薄皮木（阿木尼克组）
（据何元良，1979）
图6-14 石灰沟石炭纪怀头他拉组珊瑚化石
图6-15 扎布萨尕秀怀头他拉组群体珊瑚组成的生物礁
图6-16 下石炭统怀头他拉组珊瑚组成的生物礁
众所周知，无论大化石还是微体化石，在不同的沉积环境中，其种类和组合是不同的。它们的生存和组合，与沉积环境的盐度、水的流通、氧和营养物质的供给以及水的深度有密切的关系，同时也与生物的生态平衡有关。
但是，多数古生物化石的保存，不像遗迹化石那样是原地形成的（图6-17），而是经过了改造的。有的化石经过了较短距离的搬运，有的则经历了较远距离的搬运，其结果常常使不同沉积环境的生物群掺杂在一起，为解释沉积环境带来了一定的困难。严格地说，用古生物确定沉积环境时，应排除异地搬运来的生物。但大量研究资料说明，这种情况并不十分严重，即使是经历了远距离的搬运，改造较严重者，其影响也是容易排除的。如浅水底栖生物，由于洋流或重力流可以搬运至深水沉积环境，这是经常发生的现象，称为生物组合异常。我们可以通过生物群组合和其他沉积环境标志来加以区别和排除。
浅水沉积环境，特别是潮下带沉积环境，由于波浪或水流作用，生物可以经常发生搬运，但一般不会超过沉积环境的范围。也就是说，只能发生短距离的搬运。这是指正常气候条件下。如果发生风暴事件，生物可发生较远距离的搬运。
浅水沉积环境，特别是潮下带沉积环境，在正常盐度下，以多类型底栖生物组合为特点，种类常有珊瑚、软体动物、海百合、苔藓虫、介形虫、棘皮动物等。随着水域盐度的改变，生物组合也随之发生改变。首先是类型减少，分异度变低。其中最灵敏的是软体动物，特别是腹足类。
潮上和潮间带常具有藻叠层石。此外，由于潮汐、波浪作用，潮下带大量的硬壳生物可搬运到潮上、潮间带堆积，形成生物组合的异常。
深水沉积环境以浮游生物和微体生物为特点，常见有孔虫、放射虫、翼足目、硅藻、颗石藻、介形虫、笔石，甚至三叶虫、菊石等（图6-18）。但深水沉积环境生物组合的分异度要比浅水环境低得多，生物组合单调，常常仅有2～3种。
图6-17 石灰沟石炭纪克鲁克组遗迹化石
图6-18 石炭纪灰岩中的菊石化石
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