美國邁阿密地區更新世鮞粒灘發育特征及控制因素

劉旺威，高志前，*

(1.中國地質大學(北京)能源學院，北京 100083；2.中國地質大學海相儲層演化與油氣富集機理教育部重點實驗室，北京 100083)

碳酸鹽巖可以作為良好的儲集層，所以對碳酸鹽巖儲層的研究是非常有必要的[1-2]。鮞粒是一種常見的碳酸鹽巖組分，鮞粒在經歷成巖作用后通常會形成鮞粒灘，鮞粒灘往往是很好的儲層單元[3-4]。邁阿密鮞粒灘是十分典型的現代鮞粒灘，許多學者對邁阿密鮞粒灘的進行了大量研究。Hoffmeister等[5]為了解釋邁阿密鮞粒灘與微生物之間的關系，將邁阿密鮞粒灘與巴哈馬大淺灘西部比米尼島處的鮞粒進行了對比，認為邁阿密鮞粒灘與地臺中部的生物相是同時期沉積的，而且碳酸鹽巖體的形成與潮汐通道有密切的關系。Halley等[6]認為潮汐通道是邁阿密鮞粒灘的一部分，相當于巴哈馬現代鮞粒灘中的潮壩帶。Harris[7]通過對邁阿密鮞粒灘的非均質性推斷鮞粒灘中不同的沉積環境對應不同相帶的分布情況，類似于根據巖芯記錄對沉積相進行評估。Halley等[8]對比現代鮞粒灘和邁阿密鮞粒灘有許多相似之處，兩者在發育時水體的深度、鮞粒的形態、大小以及層理都十分類似，動植物化石的分布、成巖過程也大致相同，但是兩者的細節特征還是有很大的差別，由于鮞粒灘形成時受到古地形以及水動力條件的影響，因此在鮞粒灘中淺灘和砂體的形態和方向就會有很大的差異。Halley等[8]認為邁阿密鮞粒灘的潮汐帶以及河道區交錯層理最厚可達2 m，在障壁灘處的交錯層理厚度范圍為2～4 m，斑駁相區域交錯層理的厚度接近3 m。Evans[9]對焦耳特灘和邁阿密鮞粒灘做了深入的類比，對邁阿密鮞粒灘相帶分布以及沉積發育史做了進一步的剖析，邁阿密鮞粒灘早期階段受到潮汐的影響形成了類似于焦耳特灘的形態，隨后該鮞粒灘在潮汐通道的基礎上發育形成了障壁灘。Evans[9]和Usdun[10]通過對障壁灘中的儲層以及障壁后通道進行觀察，總結了鮞粒沉積物的變化特點，在障壁灘中呈交錯層理的鮞?；規r相其顆粒分選一般較好；而在水體較深的障壁后通道中通常發育生物潛穴相；在潮汐水道區可見殘余層狀的泥質鮞粒灰巖相。Evans[9]和Usdun[10]通過對邁阿密鮞粒灘的取芯研究，建立了沉積模型，解釋了邁阿密鮞粒灘沉積相的分布。Grasmeuck等[11]對比了焦耳特灘與邁阿密鮞粒灘兩者中的通道和障壁灘，發現兩者十分類似，并在雷達圖像中發現了障壁灘中層理的傾角隨著高度的增加而變大。Harris[12]等認為邁阿密鮞粒灘的形態特征與現代鮞粒灘系統大致相同。Usdun[10]對邁阿密鮞粒灘中潮汐通道的數量以及累計長度進行了詳細的統計，其中累計長度達到229 km，通道數量為43條。Purkis等[13]和Harris等[14]利用衛星激光雷達技術結合野外露頭對邁阿密鮞粒灘地表巖溶的形態和特征做了細致的分析，認為邁阿密鮞粒灘中的障壁灘和淺灘長期處于暴露環境中，持續受到大氣水以及淺層地下水的溶蝕，這種成巖蝕變導致了大量的漏斗狀溶洞以及層狀溶洞的形成。通過總結前人對邁阿密鮞粒灘的研究，并結合高分辨率的衛星激光雷達繪圖和實地野外露頭考察對邁阿密鮞粒灘的地層背景、形態特征、控制因素、沉積相分布，對成巖作用進行總結和分析，希望對類似的現代鮞粒灘的研究起到借鑒和參考作用。

圖1 邁阿密衛星圖[15]Fig.1 Miami satellite map[15]

1 研究方法

采用高分辨率的衛星激光雷達繪圖和實地野外露頭勘探結合的方法對邁阿密鮞粒灘的發育特征和控制因素進行了總結和分析。

高分辨率的衛星激光雷達繪圖，又稱LiDAR(light detection and ranging)，是一種光學遙感技術，可以在大面積范圍內精確測量地形，該技術用于邁阿密地區的地形測量，可以得到更為精確的地形圖，也能記錄氣候的變化以及海平面的升降情況。Harlem[15]在邁阿密彩色衛星圖[圖1(a)]和邁阿密初始衛星圖[圖1(b)]的基礎之上繪制邁阿密數字地面模型圖，又稱LiDAR DTM(light detection and ranging digital terrain model)[圖1(c)]，該圖有助于可視化邁阿密鮞粒灘的形態特征。

在邁阿密鮞粒灘的野外實地露頭勘察中，主要針對科勒爾蓋布爾斯河道附近障壁灘中向陸側發育的生物潛穴鮞粒相與層狀鮞?；規r相，以及愛麗絲溫賴特公園障壁灘中向海側發育的原生結構和斑駁狀層理做了勘察和分析。

2 區域地質概況

邁阿密位于美國佛羅里達州南部，南鄰比斯坎灣，東接大西洋，面積約143 km2[16](圖2)。邁阿密鮞粒灘廣泛發育于佛羅里達州南部大部分地區的更新世時期，由兩個獨立的單元組成，位于上部的鮞粒相和位于下部的生物相(圖2)。邁阿密鮞粒灘既有原始沉積特征，也有成巖后生變化的特征。該地層可作為與巴哈馬全新世砂巖單元的對比實例，更重要的是可以作為標準層對于區域性的地層對比有重要的意義；在邁阿密鮞粒灘的露頭中可以觀察到沉積環境在空間上的差異性，例如在潮汐作用下形成的羽狀交錯層理和大量的生物遺跡化石，以及各種早期的成巖作用造成碳酸鹽巖儲集層的非均質性，這些對現代鮞粒灘的研究提供了對比和參考。

圖2 佛羅里達東南部和佛羅里達群島區域地質圖[16]Fig.2 The geology of southeastern Florida and the Florida Keys[16]

邁阿密鮞粒灘在阿納斯塔西婭組和基拉戈組灰巖中都有不同程度的發育。邁阿密鮞粒灘北部與阿納斯塔西婭組相交，南部與基拉戈灰巖相交匯(圖2)，其與下伏地層呈不整合接觸，底部巖性以層狀泥晶灰巖和薄層灰巖為主。在邁阿密附近區域，邁阿密鮞粒灘發育在MIS 5E(marine oxygen isotope stage 5E)初期形成的石英砂巖之上，MIS 5E之前，邁阿密鮞粒灘的北部和南部地區主要發育基拉戈組，該區的隆起之間有一個較大的凹陷，該凹陷主要沉積湯普森堡組、阿納斯塔西婭組和基拉戈組。在MIS 5E的海侵期間，凹陷往往可以加速潮汐的變化周期，這為鮞粒的生長提供了有利的條件[17]，隨著水動力增強，碳酸鹽巖的沉積速率也隨之增強，從而碳酸鹽巖地臺進一步向北和向東擴張，最終形成碳酸鹽巖沉積區。

對邁阿密鮞粒進行鈾同位素測年，確定其形成時間距今130萬年[18]，相當于MIS 5E時期，這進一步的證實了邁阿密鮞粒灘與構成佛羅里達群島上部以及大西洋沿海洋脊的阿納斯塔西婭組和基拉戈組的等時性。

3 邁阿密鮞粒灘的野外考察

邁阿密鮞粒灘分布范圍廣，從北部的勞德代爾堡延伸到南部的霍姆斯特德，整體長度超過100 km，平均寬度約10 km，其中部分區域有較好的露頭顯示，選取邁阿密中部的科勒爾蓋布爾斯河道(站點1)，北部的愛麗絲溫賴特公園(站點2)為觀測點(圖3)，原因在于這些區域的露頭出露特征好，保存完好，有利于觀察。

圖3 衛星激光雷達DTM圖中科勒爾蓋布爾斯河道和愛麗絲溫賴特公園的位置(據碳酸鹽巖研究實驗室修改，2016)Fig.3 Location of Coral Gables Waterway and Alice Wainwright Park in LiDAR DTM (revised according to carbonate search laboratory,2016)

圖4 位于科勒爾蓋布爾斯南部典型的邁阿密鮞粒灘露頭Fig.4 The classic Miami oolite outcrop on the southern side of the Coral Gables Waterway

3.1 科勒爾蓋布爾斯河道

順著東西走向的科勒爾蓋布爾斯河道向比斯坎灣的路程中有許多淺灘、潮汐通道以及障壁灘的露頭，其中位于英格拉罕公園的露頭是較為典型的障壁灘，該處露頭位于障壁灘的向岸側。通過觀察露頭，在該站點識別出交錯層理以及粒度的變化特點，還識別出生物潛穴鮞粒相與層狀鮞粒灰巖相這兩種不同相帶之間的連續性以及變化性。

在科勒爾蓋布爾斯河道附近障壁灘的露頭中，交錯層狀鮞粒灰巖相中可以識別出明顯的槽狀交錯層理以及羽狀交錯層理(圖4)。在該露頭中還有一些將交錯層理分隔開的界面，這些界面為二級界面，這些二級界面是各個砂波遷移的所產生的曲面。上部的低角度交錯層理以及障壁灘的沉積序列，該現象說明在沉積末期為高能淺水環境，受到潮汐通道的影響，障壁灘不斷向岸生長發育。

Halley等[8]認為交錯層理的方向是因為受到向東流動的潮汐水流而形成的。雖然該露頭處大部分交錯層理的傾角都是向東的，但是在沿著水道的區域也發現了雙向交錯層理，其中向西傾的紋層是受到向西流動的水流控制形成。向東傾的交錯層理遠多于向西傾的交錯層理，說明在沉積過程中，潮汐作用占據主導地位。

3.2 愛麗絲溫賴特公園

位于愛麗絲溫賴特公園西南-東北方向的露頭是障壁灘的向海側，該露頭海拔4.5 m，整個露頭出露2.7 m，其中上部為斑駁狀的紋層，發育有豐富的管狀結構，厚度約為2.1 m，下部約60 cm的地層單元保留了地層的原生結構(交錯層理)(圖5)。在溫賴特露頭中發現的生物遺跡化石種類豐富，包括蛇形管和海葵洞穴結構(圖6)。在該露頭中可以看出其下伏交錯層與上伏的斑駁層之間沒有明顯的界面，兩個不同的單元之間呈現一種過渡狀態，這種連續性表明受到潮汐水流作用形成的交錯層狀鮞粒相隨后又受到了各種生物擾動的作用[8]，從而形成斑駁狀層理。

圖5 愛麗絲溫賴特公園交錯層理與斑駁狀層理的露頭Fig.5 Outcrop of cross-bedded sand and mottled unit in Alice Wainwright Park

圖6 愛麗絲溫賴特公園蛇形管和?？囱ńY構Fig.6 Ophiomorpha tubes and rare sea anemone burrow structures in Alice Wainwright Park

4 邁阿密鮞粒灘的特征及控制因素

4.1 邁阿密鮞粒灘的形態

邁阿密鮞粒灘構成了佛羅里達州大西洋沿岸洋脊的最南端，該洋脊被分為兩個部分[17]：一個以淺灘和潮道呈弧形排列為特征，其方向垂直于陸架斷裂；另一個以平行于陸架斷裂的障壁灘為特征(圖7)。

圖7 邁阿密鮞粒灘的巖相古地理圖[6]Fig.7 Paleogeographic map of Miami oolite[6]

在邁阿密鮞粒灘中，潮汐通道對于鮞粒灘的形成有重要的影響，潮汐通道的分布直接影響鮞粒灘的形態，結合野外露頭的證據，在露頭中有大量雙向交錯層理以及遺跡化石的分布，這進一步證明了該單元的形成與潮汐作用有密不可分的聯系。

邁阿密鮞粒灘的最高點位于障壁灘區域，而且在邁阿密鮞粒灘系統形成的后期階段，受到障壁灘的影響，潮道和淺灘的方位和形態都發生了變化，部分潮道和淺灘因此改道或斷流[8]，邁阿密鮞粒灘對應的形態隨著潮汐通道的改變也發生了相應的變化，其截面整體為楔形，最大厚度為13 m[8,17]，其中既保留了許多原生沉積特征，也能觀察到受溶蝕作用影響的成巖痕跡(圖8)。

4.2 沉積相分布

邁阿密鮞粒灘中主要分布兩種巖相。

(1)呈交錯層理的鮞粒相，其層理的厚度為10 cm～2 m，平均傾角約為26°，方向在N70°E～S60°E[8]。在交錯層理中鮞粒的粒度和分選有較大的區別，在潮汐水流的影響下，形成雙向交錯層理，圖9所示為沿科勒爾蓋布爾斯河道附近出露的雙向交錯層理。圖10所示為不同期次交錯層理的厚度變化，說明該單元在多期次的潮汐作用的影響下形成。

圖8 邁阿密鮞粒灘東西向截面圖[17]Fig.8 EW-trending cross-sectional map of Miami oolite[17]

圖9 邁阿密鮞粒灘中的雙向交錯層理Fig.9 Bi-directional cross-bedding in Miami oolite

圖10 邁阿密鮞粒灘中多期次交錯層理Fig.10 Multiple periods cross-bedding in Miami oolite

圖11 愛麗絲溫賴特公園生物潛穴型泥質鮞?；規r相露頭Fig.11 Outcrop of the burrow-mottled ooid-peloid grainstones at Alice Wainwright Park

(2)生物潛穴型泥質鮞?；規r相(圖11)，該相是由生物在層狀的泥質鮞粒灰巖還未固結的沉積面向下鉆孔形成的，由于生物的擾動作用，層狀層理逐漸變為生物潛穴相和生物遺跡相。在該相中發現了3種遺跡化石：蕨類植物的嵌套錐形遺跡化石[19]、穴居蝦的口交管遺跡化石以及帶狀桿狀遺跡化石。其中穴居蝦的口交管遺跡直徑為1～3 cm，管壁內有泥質附著，管壁外部形狀不規則，受到流體作用時，其管體內部容易溶蝕，而管壁不易被溶蝕。這些遺跡潛穴經過再沉積作用以及后期的膠結壓實作用，具有很強的抗風化能力，不易受到周圍沉積物的影響。

4.3 成巖作用

更新世時期，沉積物在海平面低位期暴露于陸上，基于亞穩定的文石以及方解石的性質，在此期間易受到外界環境的影響。根據露頭的資料顯示，在邁阿密鮞粒灘中存在多種膠結作用，且膠結作用一般發生在兩種淺層地下環境之中：①受到大氣滲濾的影響，水在重力的作用之下向下滲濾，由于顆粒之間毛細管作用力的限制，成巖礦物呈明顯的彎月面和微乳石形態；②受到地下水滲濾的影響，在淺層地下區域通常處于流體飽和狀態，因此成巖礦物的生長和發育十分均勻，往往呈等致分部。

根據邁阿密鮞粒經歷成巖作用時受到原生結構的影響程度，將其分為三種類型[17]。

(1)整體受原生結構影響的成巖作用，該類型的成巖作用主要受到原生結構的影響，主要為早期膠結作用對其進行改造，對應的孔隙度較好。在整個邁阿密鮞粒灘中該種成巖作用占據主導地位，在各處露頭都可以觀察到。

(2)部分受原生結構影響的成巖作用，該種類型的成巖作用主要發生在成巖后期階段，對大型河道以及溶洞的發育有重要意義。

(3)不受原生結構影響的成巖作用，沉積物在該類型成巖作用的影響下，其灰巖表面通常會部分溶蝕，生成殘余物和不溶性碎屑。

在邁阿密鮞粒灘原生結構的基礎之上，早期膠結作用會保存其原始的結構。受到水動力的作用，較細的顆粒會優先膠結，而較粗的顆粒則會保持未膠結狀態或者部分膠結。由于晶體之間的膠結作用，早期共生序列中的孔隙度呈現降低趨勢；在成巖作用的后期階段，原生結構對成巖作用有很大的影響，由于文石以及次生方解石的溶蝕，孔隙度表現為增大的趨勢。

碳酸鹽巖在大氣滲濾作用的影響下某些成分會被溶蝕，被溶蝕的部分在后期的成巖作用中又會被填充，這種溶蝕作用以及再沉積作用對鮞粒灘的孔滲性有著很大的影響，而且這兩種成巖作用伴隨著大氣滲濾作用會一直持續，其對鮞粒灘的改造也會一直持續?？偟膩碚f，由于早期膠結作用和溶蝕作用的影響，對應的孔隙度既有增大的情況，也有減小的情況。

5 結論

(1)通過對邁阿密鮞粒灘以及現代鮞粒灘的研究和類比，發現邁阿密鮞粒灘與現代鮞粒灘系統有很強的相似性，而且邁阿密鮞粒灘的形成與潮汐作用密不可分，潮汐通道的分布特征直接影響鮞粒灘的形態。

(2)邁阿密鮞粒灘中分布最為廣泛的是交錯層理的鮞粒相和生物潛穴型泥質鮞?；規r相，這反映了該鮞粒灘在較強的水動力條件下形成，其中的雙向交錯層理和大量的生物遺跡化石顯示出該鮞粒灘的形成受到潮汐作用的影響。

(3)邁阿密鮞粒灘經歷了膠結作用、溶蝕作用等多種成巖作用，其中受原生結構影響的成巖作用，主要為早期膠結作用，在整個邁阿密鮞粒灘中該種成巖作用占據主導地位，其對應的孔隙度最好，是良好的儲層單元。