新疆桑株剖面二疊系克孜里奇曼組生物礁基本特征

王翼君，王振宇，唐洪明，楊光，張云峰，屈海洲

西南石油大學地球科學與技術學院，成都 610500

0 引言

生物礁碳酸鹽巖是碳酸鹽沉積體系的重要組成部分。國內外油氣勘探開發的實踐也表明，生物礁相往往孕育著大中型油氣田和豐富的固體礦產資源[1-6]。自20世紀70年代末，伴隨著我國南方生物礁油氣藏的勘探開發實踐，對于我國南方二疊系生物礁的研究有了長足的進展，相關研究論文眾多。21 世紀初，伴隨著塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖儲層的勘探開發，對于塔里木盆地奧陶系生物礁的研究也取得了重大突破[7-14]。但是，與此同時，對于塔里木二疊系生物礁的研究進展卻相對緩慢。20 世紀80年代末，江漢石油學院的地質人員在塔里木盆地西南緣皮山、葉城、莎車一帶發現了豐富的石炭系—二疊系生物礁，并有針對性地選擇了皮山縣桑株鎮克孜里奇曼組村附近的桑株剖面二疊系克孜里奇曼組生物礁進行了描述，對其生物特征、微相特征和油氣地質意義進行了初步探討[15-17]；也有學者對于塔里木盆地西北緣的二疊系礁灰巖有所涉足[18-19]。但總體來看，對于塔里木盆地及其周緣二疊系生物礁的研究成果較少，且多集中在宏觀地質層面，缺乏微觀上的研究，對于其成巖作用、礁體演化模式等方面的研究相對欠缺。因而，對塔西南石炭系—二疊系生物礁進行深入研究，對于深入研究該地區二疊紀的古氣候、古環境以及指導該地區二疊系生物礁油氣勘探具有重要意義。在前人研究的基礎上，結合野外露頭觀察和室內分析，深入分析了桑株剖面克孜里奇曼組生物礁發育特征（包括古生物特征、礁相特征等），提出了礁體演化模式，并初步討論了礁體的成巖作用類型等，以期為塔西南地區二疊系生物礁的深入研究提供有益的參考。

1 區域地質概況

從早石炭世開始，塔西南地區自西向東開始海侵，此時塔西南地區為淺海陸棚環境；早石炭世晚期，在原有的混積陸棚的基礎上，塔西南地區開始發育碳酸鹽巖臺地相；到晚石炭世—早二疊世初期，海侵達到高潮，塔西南地區整體上為東高西低的古地貌特征，與此同時，塔西南地區的碳酸鹽巖臺地也達到了最大規模。早二疊世中—晚期，海水開始退出塔西南地區，塔西南地區開始變成海陸過渡相沉積。到了晚二疊世時期，海水全面退出塔西南地區，塔西南完全進入陸相沉積階段[20-23]。總體上看，塔西南地區石炭系—二疊系是一個較為完整的“海進—海退”旋回。

早二疊世早期，塔西南地區的海侵進入相對穩定時期。此時，克孜里奇曼組村以東為潟湖—潮坪環境，以西為廣闊的淺海陸棚環境，桑株—克孜里奇曼組地區為二者之間的過渡帶，整體上為一潮下高能淺灘環境，發育了長達數十千米的臺地邊緣淺灘。在此基礎上，逐漸發育了桑株—克孜里奇曼組臺地邊緣生物礁（圖1）。

圖1 塔西南早二疊世沉積相平面展布圖Fig.1 Plane distribution of the Early Permian sedimentary facies in the southwestern Tarim Basin

在塔西南露頭區，克孜里奇曼組主要分布于英吉莎、莎車、葉城等地，該組整合覆于塔哈奇組之上。該組巖性以碳酸鹽巖為主，局部含陸源碎屑巖類，自下而上顯示為退積層序為特征。其下部為淺灰色、深灰色厚層—塊狀生物屑砂屑灰巖、鮞粒灰巖，中部為深灰色、灰黑色生屑灰巖夾白云巖，上部為灰色、灰黑色白云巖、白云質灰巖與紫紅色、灰綠色灰巖、砂巖、粉砂巖和泥巖的不規則互層。厚283～551 m，自西向東有變薄趨勢。而克孜里奇曼組之上的地層，在不同地區則有所不同。其中，在葉城地區，克孜里奇曼組為近岸淺灘相的棋盤組整合覆蓋；在和田地區，則被陸相至河口相的普司格組整合覆蓋，自西向東表現為碳酸鹽巖比例減少和碎屑巖類比例遞增的趨勢。這一切，都反映了當時塔西南西區“東高西低”的地貌格局。

具體到桑株剖面，克孜里奇曼組主要為潮間帶泥粉晶云巖（云坪）和灘間海泥巖、泥晶灰巖，局部為砂屑灰巖（砂屑灘）、鮞粒灰巖（鮞粒灘），總體上水動力條件較弱。但是，到了克孜里奇曼組上部，發育厚約70 m的生物礁和5.4 m的砂屑灰巖。再往上，為普司格組，巖性突變為陸相紫紅色泥巖、褐灰色砂礫巖等（圖2），說明在生物礁發育之后，塔西南地區出現了快速海退，塔西南地區結束了海侵史，開始由海轉陸。

圖2 桑株剖面克孜里奇曼組巖性柱狀圖Fig.2 Stratigraphic column of the Keziliqiman Formation in the Sangzhu profile

2 生物礁的巖石類型

對于碳酸鹽巖的分類是研究碳酸鹽巖的巖相古地理的基礎和重要依據。參考馮增昭的碳酸鹽巖的分類方案[24]，可將克孜里奇曼組生物礁的巖石類型分為海綿障積灰巖、珊瑚骨架灰巖、生粒石灰巖、生屑顆粒質灰巖、泥晶灰巖以及泥—粉晶白云巖。

2.1 海綿障積巖

通過串管海綿的障壁作用捕獲沉積物而形成的巖石。在沉積期，由于串管海綿多為長條狀（縱截面長10～15 cm）且在平面上呈叢狀分布，可以減緩水流的流速，使得沉積物易于沉積。值得一提的是，海綿個體之間往往被泥晶充填，其余各類生物碎屑含量相對較少，顯示其沉積時期所處環境的水動力較弱。此外，部分串管海綿局部或整體遭受了白云石化，但串管海綿的外形輪廓仍然可見（圖3b）。主要見于礁核偏向于礁后低能帶的部分，從礁后到礁前，逐漸由海綿障積巖過渡為珊瑚骨架巖（圖3c）。

圖3 桑株剖面克孜里奇曼組生物礁灰巖類型（a）礁基部分，生屑顆粒質灰巖，生屑類型以棘屑為主；（b）礁核串管海綿障積巖，海綿多遭受白云石化；（c）礁核上部珊瑚骨架灰巖，可見群體四射珊瑚；（d）礁后部分灰黑色泥晶灰巖，成層性較好；（e）礁前部分生粒石灰巖，可見溶蝕孔隙；（f）礁蓋部分，泥—粉晶云巖Fig.3 Outcrop photographs showing lithological characteristics of reef limestone in the Keziliqiman Formation in the Sangzhu profile(a) in the reef base,bioclastic limestone is the main bioclastic type;(b) in the reef core,there are tubular sponge baffles,and most of the sponges are dolomitized;(c) the coral framework limestone in the reef core shows the group of tetragonal corals;(d) part of the reef wing is gray black micrite limestone with good stratification;(e) there are bioclastic granular limestones in the reef frontier with dissolution pores;(f) reef cover part,mud to powder crystal dolomite

2.2 珊瑚骨架巖

沉積期間，由原地生長且具有建造堅硬格架的塊狀群體四射珊瑚構成了該類巖石的骨架（圖3c）。在顯微鏡下顯示，群體四射珊瑚骨架間往往被海百合莖、?類、苔蘚蟲等各類附礁生物充填，灰泥含量極少，加之珊瑚格架孔基本被亮晶方解石充填。這一切，使得礁體具有堅固的抗浪性。反過來，也說明其沉積期所處環境的水動力較強。珊瑚骨架巖主要分布于礁核偏向于礁前的部分。

2.3 生粒石灰巖

巖石顏色以灰—淺灰為主，結構為生屑顆粒支撐，生屑顆粒含量可達90%，生屑類型主要包括?類、腕足類、棘皮生屑等（圖3e），局部還可見少量單體珊瑚，泥晶含量極低。由于波浪的作用，生物碎屑的分布往往無規律可循。主要見于礁前部分。

2.4 生屑顆粒質灰巖

巖石顏色主要為灰—灰白色，結構主要為灰泥支撐，局部為生屑顆粒支撐，生屑顆粒含量介于40%～50%，生屑類型包括海百合莖、腕足殼體、?類等。生屑顆粒間以及生物體腔孔往往被灰泥（泥晶基質）充填，顯示其沉積時期的水動力條件較弱。主要見于礁基部位，在礁后也局部可見（圖3a）。

2.5 泥晶灰巖

巖石顏色以灰黑色—黑色為主，泥晶結構，成層性較好（圖3d），鏡下可見泥晶基質局部微晶化。生物碎屑含量較少，在鏡下偶見較為完整的苔蘚蟲、腕足、?類、棘皮生屑，顯示其所處的水動力條件較弱。巖石整體結構致密，膠結作用強，儲集性能較差，主要見于礁后的低能環境。

2.6 泥—粉晶白云巖

巖石的顏色主要為灰白—淺灰色，泥—粉晶結構。藻紋層較為發育，局部可見溶孔和刀砍紋（圖3f）。主要見于礁蓋部分。

3 礁體的古生物特征

3.1 造礁生物類型

3.1.1 海綿動物

主要為普通海綿綱居串管海綿屬（colospongia）。縱向上，其房室的形態往往呈球形、環形等，直徑1.5～3.5 cm（圖4b）；房室自上而下的疊置排列，使得海綿個體往往呈串珠狀，居串管海綿的長度4.5～20 cm，多呈密集叢狀產出（圖4a），少數為單體。在橫截面上，可見明顯的“中央腔”，直徑約1 cm。總體而言，串管海綿的形態保存較為完整，但部分海綿也出現了白云石化（圖4a～b）。還可見少數海綿呈腦紋狀產出（圖4c）。除此之外，在鏡下可見少量的亞扭囊海綿屬（Subascosymplegma），其房室往往呈新月形在垂向上疊置呈板狀（圖4d）。而且，從顯微鏡下的觀察來看，即使出現了白云石化的串管海綿，其總體形態乃至微觀結構仍然保存較好，在其房室外壁的微孔以及房室內部殘存的網格狀的骨纖結構仍然依稀可見（圖4e）。

圖4 居串管海綿（a～c）為野外照片；（d，e）為薄片照片Fig.4 Colospongia(a-c) are outcrop photos showing colospongia;(d,e) are photomicrographs showing colospongia

海綿動物主要分布于礁核靠近礁后的位置，為礁核主要造礁生物。礁核靠近礁前的部分也可見居串管海綿，但已經不占主導地位。

3.1.2 珊瑚

數量不多，且主要分布在礁核靠近礁前的部分。以四射珊瑚亞綱的柯坪珊瑚科（Kepingophyllidae）為主，主要呈塊狀復體，少數為單體。均垂直于層面生長，縱向上高10～50 cm，往往順層分布，有時和串管海綿共生。其中，復體珊瑚方面，可見珊瑚個體間在橫向上呈多角狀鑲嵌接觸（圖5a～c）。

圖5 珊瑚（a，b）為柯坪珊瑚野外照片（紅色框所示）；（c，d，f）為柯坪珊瑚Kepingophyllidae普通薄片照片，其中，d中可見個體珊瑚間以隔壁壁（紅圈所示）分界，f中可見個體珊瑚間以鱗片壁（黃色圈所示）、棘片壁（紅色框所示）分界；（e，g）分別為單體珊瑚的野外照片（紅圈所示）和鏡下照片Fig.5 Coral(a,b) are outcrop photos of Kepingophyllidae(shown in red boxes);(c,d,f) are thin section photos of Kepingophyllidae;in d,individual corals are separated by Septal theca (shown by red circles);in f,individual corals are divided by squamo-theca (shown in yellow circles) and brambly-theca (shown in red boxes);(e,g) are outcrop (shown by red circles) and microscopic photos of simple corals

在顯微鏡下，可見珊瑚個體的隔壁較為發育，隔壁中間發育規則鱗板和人字形鱗板，個體珊瑚中心部位發育較為復雜的軸部構造，在橫切面上其形態大多似“核桃”狀，中板發育，幾乎將軸部構造“一分為二”；也有部分珊瑚的軸部構造簡單，為致密的中軸。泡沫帶較為發育；隔壁大多為二級，個別可見三級隔壁，隔壁的始端往往參差不齊地延伸至泡沫帶內。

此外，柯坪珊瑚的外壁也極具特色。吳望始等[25]認為，和多數四射珊瑚不同，柯坪珊瑚外壁的最外側有時候不存在極薄的鞘膜（全壁），進而不發育外鞘壁，而由棘片狀、層片或鱗片狀、隔壁狀這三種類型的外壁（假壁）所取代，這是柯坪珊瑚的一種特殊的體壁結構。本次觀察到的復體柯坪珊瑚中，珊瑚個體間也多以假壁間隔。其中，多數隔壁較為發育的復體珊瑚間由于隔壁相互穿插、加厚形成了隔壁狀外壁（圖5d），但還可以見到不同類型的假壁（如棘片壁、鱗片壁，圖5f）同時出現在不同的珊瑚個體間，假壁類型的分布呈現出一定的非均質性。

此外，在礁前部分還可見無鱗板的單體珊瑚（5e，g），其橫截面近圓形，直徑1～2 cm。根據前人的研究表明，這種單體珊瑚往往產于較深水、貧氧、多泥質的靜水環境或冷水環境[26]。

3.1.3 苔蘚蟲

苔蘚蟲類型較為多樣。在顯微鏡下，可識別出隱口目窗格苔蘚蟲屬（Fenestella）、多孔苔蘚蟲屬（Polypora）、桿苔蘚蟲屬（Rhabdomesid）及翼網苔蘚蟲屬（Ptilodictyina）、環口目蜂房苔蘚蟲（Cerioporoid）、泡孔目笛苔蘚蟲屬（Fistulipora）等。其中，以隱口目窗格苔蘚蟲屬最為常見，在鏡下常見其網狀硬體（圖6a，b）。其中，窗孔呈長方形—橢圓形，其兩側清晰可見兩列蟲室，蟲室主要呈卵形和似圓形，少數近似五角形、菱形。網格硬體往往由許多橫枝相連，其中大多數橫枝上也帶有蟲室。有些窗格苔蘚蟲周圍可見纖狀—葉片狀亮晶方解石，這些同沉積期海底膠結物往往是苔蘚蟲賴以生長的硬底。在礁后低能帶中，還可見到有些窗格苔蘚蟲的蟲室常常相互連接形成鏈狀結構，外形近似“項鏈”狀（有時還會分出一些“支鏈”，圖6d）。此外，具有雙層對稱狀硬體的翼網苔蘚蟲屬（圖6e）和具有分枝的多孔苔蘚蟲屬也較為常見（圖6c）。

圖6 苔蘚蟲（a）窗格苔蘚蟲（Fenestella），可見清晰的窗格和蟲室，可見?類等附礁生物；（b）窗格苔蘚蟲（Fenestella），可見清晰的窗格和蟲室；（c）多孔苔蘚蟲（Polypora）碎片，其與纖維狀方解石相連；（d）窗格苔蘚蟲（Fenestella），蟲室相互連接形成鏈狀，在主鏈中還分出了數條支鏈；（e）翼網苔蘚蟲屬（Ptilodictyina），具有雙層對稱狀硬體Fig.6 Bryozoans(a) Fenestella,with clear fenestra and insect chamber,and reefs such as mollusks;(b) Fenestella,with distinct panes and chambers;(c) the polypora fragment is connected with fibrous calcite;(d) Fenestella,the main chain (indicated by yellow arrow) is divided into several branches (indicated by red arrow);(e) the genus ptilodictyina has bilayer symmetrical hard bodies

隱口目苔蘚蟲在向上直立生長的過程中，其網狀硬體可以阻滯和攔擋泥級的碳酸鹽沉積物，其窗孔和蟲室也易被灰泥充填，從而利于形成障積巖。苔蘚蟲主要見于礁前部分，也見于礁基和礁后，常與海膽、海百合等共生。由于苔蘚蟲的鈣質硬體脆弱易碎，抗擊海浪的能力較差，因此礁前部分的苔蘚蟲大多以碎片的形式產出。位于礁后泥晶灰巖中的苔蘚蟲硬體部分保存大多較為完整。

3.1.4 藍綠藻

主要為藍綠藻，其形態特征較為多樣。在顯微鏡下，它們常以大小不一且密集分布的泥晶塊或球粒的形式出現（圖7a）；有時也呈不規則的片狀包殼藻絲體，和微晶碳酸鹽互層產出，形成藻黏結巖（圖7b，c）；在靠近礁前地區，局部還可見藍綠藻包繞形成的結核狀構造（核形石，圖7d）。

圖7 藍綠藻（a）球粒狀的藍綠藻微生物，單偏光；（b）藍綠藻和粉—細晶碳鹽酸互層的片狀包殼，單偏光；（c）藍綠藻和粉—細晶碳酸鹽互層的片狀包殼，單偏光；（d）核形石灰巖Fig.7 Cyanobacteria(a) globular blue-green algae with single polarized light;(b) the lamellar cladding of cyanobacteria and powder fine-grained carbonaceous hydrochloric acid is monopolarized;(c) the lamellar cladding of blue-green algae and powder fine-grained carbonate interbedding,single polarized light;(d) oncolitic grainstones

3.1.5 管殼石

礁核中可見大量的管殼石（Tubiphytes）。關于它的歸屬問題，過去存在著很大的爭議，曾經被認為是藍綠藻、海綿或苔蘚蟲等，近來的研究認為它屬于“藍藻（藍細菌）—有孔蟲共生體”[27-28]。常見于各種生屑顆粒之間。其橫切面多為圓形且往往具有同心圈層構造，其中心還有一圓形空腔，這是Tubiphytes的一般特征[29]。但它更多是呈長條狀、葉狀乃至無定形的聚集體，有著兩個及以上的空腔（圖8a）。它常常黏附、定殖在居串管海綿、苔蘚蟲等生物碎屑的硬體表面，起著黏結造礁作用。

圖8 各類附礁生物（a）可見較為完整的希瓦格?（黃色箭頭所指）和擬紡綞?（紅色箭頭所指），與居串管海綿（藍色箭頭所指）、苔蘚蟲（橙色箭頭所指）共生，其中有管殼石黏結依附（綠色箭頭所指）；（b）可見較完整的希瓦格?（黃色箭頭所指）和擬紡綞?（紅色箭頭所指），其周圍可見棘皮生屑（藍色箭頭所指）和窗格苔蘚蟲（綠色箭頭所指）Fig.8 Various reef-inserted organisms(a) the relatively complete Schwagerina (indicated by the yellow arrow) and Parafusulina (indicated by the red arrow) coexist with the colospongia (indicated by the blue arrow) and Bryozoa (indicated by the orange arrow),among which the Tubiphytes are attached (indicated by the green arrow);(b) complete Schwagerina (indicated by the yellow arrow) and Parafusulina (indicated by the red arrow) are shown,around which we can see crinoids (indicated by the blue arrow) and bryozoans (indicated by the green arrow)

總而言之，克孜里奇曼組生物礁的造礁生物主要為居串管海綿，其次為柯坪珊瑚，隱口目苔蘚蟲也較為常見，它們構成了礁體的格架，對于灰泥、生屑顆粒等具有障積功能，加之管殼石和藍綠藻的黏結作用，使得礁體具有一定的抗浪性。但是，由于居串管海綿和苔蘚蟲抗浪性較差，抗浪性較強的群體四射珊瑚數量相對較少。因此，整體上可將克孜里奇曼組生物礁歸為廣義的“地層礁”范疇。這與華南地區二疊紀生物礁的結構較為相似[30]。

3.2 附礁生物類型

桑株二疊系生物礁中的附礁生物類型較為多樣。包括?類、腹足類、非?有孔蟲、棘皮動物等。其中，?類既是石炭系—二疊系的標準化石，往往也是石炭系—二疊系生物礁的重要附礁生物。在克孜里奇曼組生物礁薄片中，可識別的?的種類較多，具體包括紡綞?（Profusulinella）、擬紡綞?（Parafusulina）、麥?（Triticites）、費伯克?（Verbeekini dea）、希瓦格?（Schwagerina）等。其中，以擬紡綞?和希瓦格?最為常見（圖8）；腹足類的殼體主要呈圓錐形，為右旋殼；棘皮動物主要為海百合和海膽，在顯微鏡下，主要以骨板的形式出現，有時還可以見到海膽棘刺（圖8b）。

4 礁相特征

根據野外露頭觀察來看，桑株剖面克孜里奇曼組生物礁位于桑株鎮下屬克孜爾伊格爾村以東，整體呈近東西向展布。由于受構造運動的影響，巖層近乎直立，但仍能大致觀察出礁體的整體面貌、空間展布及構成。其中，礁體沿東西向最大展布寬度約520 m，礁體厚約70 m（圖9a），為臺地邊緣孤立的“點礁”。根據野外觀察測量的結果，繪制了礁剖面圖（圖9b）。

圖9 皮山縣桑株剖面克孜里奇曼組生物礁（a）生物礁衛星影像圖；（b）生物礁剖面圖Fig.9 Reef from the Permian Keziliqiman Formation in the Sangzhu profile in Pishan county(a) satellite image;(b) profile of reef

4.1 礁基

礁基為生物礁的生長基座，橫向上連續穩定。主要為生屑顆粒質灰巖（生屑灘），局部夾鮞粒灰巖（鮞粒灘，部分白云巖化），野外露頭可見大量白色的海百合莖，在顯微鏡下還可以見到大量的海膽棘刺，粒徑普遍小于0.5 cm，占生屑總量的70%～80%。其他生屑（雙殼類、?類、介形蟲等）含量為20%～30%。顯微鏡鏡下顯示，這些生物的原生體腔孔隙往往被泥晶充填（圖8b），說明礁基形成時期水動力相對較弱，缺乏簸選。局部可見一定的溶蝕孔隙，厚約28 m。其底部與砂屑灰巖（砂屑灘）整合接觸。

4.2 礁核

礁核為生物礁的主體，造礁生物包括居串管海綿、四射珊瑚、苔蘚蟲、藍綠藻等，附礁生物有瓣鰓類、腹足類和棘皮等底棲生物。其中，礁核在橫向上生物分帶性較為明顯，其中，偏礁后一側以居串管海綿占絕對優勢，為單一的海綿礁灰巖，藻黏結為主，也可見一定數量的苔蘚蟲黏附居串管海綿生長，附礁生物較少，海綿間的孔隙往往被灰泥充填；偏礁前一側，造礁生物則逐漸過渡為群體珊瑚，珊瑚周圍常見海百合莖、?類等附礁生物。在各種造礁、附礁生物之間，往往有管殼石、藍綠藻的黏結依附。?類、腹足類、棘皮類等附礁生物大量發育，厚約24 m。

4.3 礁后

位于礁核后側，下部與礁基接觸，上部與呈薄層狀藻灰巖（多已白云巖化）組成的礁蓋有明顯的突變接觸關系。巖性主要為灰色薄—中層泥晶灰巖，成層性較好。含少量生物碎屑，可見棘皮、雙殼、?、苔蘚蟲、腹足類以及少量串管海綿化石，由于波浪能量較弱，因此化石的完整性較好。厚約12 m。

4.4 礁前

巖性主要為生屑灰巖，生屑含量高達90%，局部可見灰色—深灰色核形石灰巖。常見珊瑚、海綿、苔蘚蟲碎片以及海百合莖、?類化石等。由于波浪能量較強，由于波浪的簸選作用，灰泥不易沉積，生屑含量可超過90%。而且，在碎浪作用下，礁前的造礁、附礁生物經常被打碎，并很容易沿著礁前斜坡出現滑動，使得棘皮生屑（海百合莖）、群體珊瑚等易沿其長軸方向出現定向排列。此外，由于礁核部分經常暴露在水面之上，時常遭受大氣淡水的淋濾作用，使得礁頂附近溶蝕孔洞較為發育。在礁前斜坡的位置，還可見少量小型無鱗板單體珊瑚。厚約8 m。

4.5 礁蓋

礁蓋與下伏礁核呈過渡關系，主要由薄層狀藻灰巖組成，其間可見明顯的暴露構造。局部遭受強烈的白云巖化（藻云巖），刀砍紋較為發育。這一切，具有明顯的潮上帶沉積特征。厚約10 m。

5 礁體的演化階段

5.1 生物礁碳氧同位素特征

碳、氧同位素是分析古氣候、古環境的重要手段[31-32]。生物礁發育往往和當時的生物演化和分布、氣候變遷、構造運動、海平面升降密切相關。這一切，都可以通過δ13C 值的變化來反映。為此，在桑株剖面克孜里奇曼組采集新鮮巖樣13 塊進行碳氧同位素測試。其中，有6 塊樣品采自克孜里奇曼組頂部生物礁的不同部位，其余樣品則采自克孜里奇曼組中下部（涵蓋了潮間云坪、顆粒灘、灘間海等亞相）。

在樣品采集過程中，避開了受溶蝕作用、膠結作用、構造作用改造較強的部分，盡量排除重結晶程度較高的巖石樣品，以保證樣品的可用性。樣品送西南石油大學油氣地質與勘探實驗教學中心，在Isoprime100型同位素質譜儀上進行測試。碳氧同位素分析數據見表1。

表1 克孜里奇曼組不同巖性碳氧同位素測試結果Table 1 Carbon and oxygen isotope test results of different lithologies in the Keziliqiman Formation

在應用碳酸鹽巖的碳氧同位素數據解釋古環境之前，需剔除受成巖改造較強的樣品。而δ18O的大小及碳、氧同位素的相關性可以大致判斷樣品受成巖改造的程度。其中，當δ18O＜-10‰時，說明樣品遭受了較強的成巖改造，難以代表原始的碳、氧同位素組成。表1顯示，大多數樣品的δ18O的數值大于-10‰，且碳氧同位素的相關性小于0.5（圖10），說明樣品總體上受成巖改造的程度較低，可以代表樣品的原始碳、氧同位素組成。

圖10 桑株剖面克孜里奇曼組δ13CPDB 和δ18OPDB 相關性統計Fig.10 δ13CPDB and δ18OPDB correlation statistics of Keziliqiman Formation in the Sangzhu profile

影響海相碳酸鹽巖δ13C值變化的因素很多，包括海平面變化、有機碳含量和埋藏速率、海水溫度和鹽度變化、大氣淡水作用等。其中，有機碳埋藏速率是最為重要的。由于有機碳中往往富集12C，因此當大量有機碳快速埋藏時期，更多的12C 進入埋藏的有機碳中，將使同期海相碳酸鹽巖的13C 值向正的方向移動，反之則向負的方向移動。其中，在海平面上升時期，由于生物有機碳的埋藏量增加，海洋中的有機碳數量顯著減少，溶解于海水中的CO2含有大量的13C，由此形成的碳酸鹽巖也富含13C，所以對應δ13C 的高值；反之，在海平面下降時期，則對應δ13C的低值[33-34]。

從本次測試結果來看，桑株剖面克孜里奇曼組生物礁的δ13C皆為正值（大多介于2‰～4‰），且數值遠大于克孜里奇曼組下部的樣品。由此可見，桑株克孜里奇曼組生物礁是在塔西南地區晚石炭世—早二疊世海平面上升背景下形成的，而且在礁體形成過程中，由于珊瑚、串管海綿、苔蘚蟲等造礁生物大量繁盛，它們死后被快速埋藏，從而吸收大量的12C，導致海水中的13C相對富集。但是，在礁蓋的暴露面部分的藻紋層白云巖，δ13C 的數值又迅速下降至0.119‰，這符合潮坪白云石的碳同位素特征[35]。這說明，在礁蓋發育的時期，海平面急劇下降，桑株地區的沉積環境已經由臺地邊緣轉變為氣候炎熱干燥的潮上帶，在此環境中，珊瑚、海綿、苔蘚蟲等造礁生物根本無法生存，使得海洋中的生物作用減弱，海水中的13C 出現虧損，礁體徹底消亡。前人研究表明，早二疊世（烏拉爾世）為石炭系—二疊紀大冰期的延續階段，當時的氣候較為寒冷，發育冷水動物群[36]。而如前所述，桑株生物礁的礁前出現了適應冷水環境的小型無鱗板珊瑚以及礁蓋部分δ13C急劇下降，極有可能指示了此次冰期，早二疊世中—晚期塔西南地區的海退也極有可能和這次冰期有關。

5.2 礁體演化史

5.2.1 礁基形成

在早二疊世初期，塔西南地區的海侵達到最大范圍，在塔西南地區形成了窄長的臺緣帶，與之相應的，發育窄長的臺緣砂屑灘體。而溫暖、清潔的砂屑灘吸引了大量的海膽、海百合等棘皮動物以及?類、苔蘚蟲等前來定居，隨后海膽、海百合等生物大量繁盛。但由于缺乏堅硬的格架，易被波浪打碎。海膽和海百合死后，其骨板上的骨片會解體，海膽的棘刺也會從骨片上脫落，成為碳酸鹽沉積物的重要來源。從鏡下觀察來看，棘皮生屑往往集中富集，且生屑顆粒間有泥晶充填，可推測當時的水動力條件較之下部的砂屑灘沉積時弱，使得棘皮生屑不易被長距離搬運，易于原地堆積，形成正向地貌凸起。這易于改變水深、增加光照和氧氣，為礁體的發育奠定了良好的基礎（圖11a）。

圖11 皮山縣桑株剖面二疊系克孜里奇曼組生物礁演化模式圖Fig.11 Modeled evolution of the reef in the Permian Keziliqiman Formation in the Sangzhu profile in Pishan county

5.2.2 礁體發育

在前期發育的棘皮生屑灘的基礎上，居串管海綿、群體珊瑚等造礁生物開始在淺水透光帶大量地繁衍生息。其中，群體珊瑚主要在靠近迎風面一側定殖，形成了堅固的“抗浪構造”，大量的棘皮動物、苔蘚蟲、?類等居礁生物在其中棲居；與此同時，抗浪性較弱的居串管海綿等生物在靠近背風面的一側大量定殖，形成了“海綿叢林”（圖11b），海綿與管殼石、鈣藻等形成纏繞格架，黏結并障積各種灰泥、生屑。隨著礁體礁體持續生長，逐漸出現了礁前和礁后的分異（圖11c）。

5.2.3 礁體衰亡階段

海平面快速下降，桑株地區氣候變得炎熱干燥，礁體暴露在大氣中，失去了賴以生存的基礎，使得造礁生物大量死亡，有利于藻類大量繁殖。在此情況下，也容易出現準同生白云巖化和回流滲透白云巖化，因此出現了藻紋層白云巖（圖11d）。

6 生物礁的成巖作用

6.1 礁灰巖的陰極發光特征

克孜里奇曼組生物礁形成后，也經歷了復雜的成巖變化。包括白云巖化、膠結作用、硅質交代、溶解作用等。其中，陰極發光技術是研究沉積巖成巖作用、成巖演化史、成巖流體性質的最有效手段之一。基于此，為了研究桑株剖面克孜里奇曼組生物礁成巖作用，從不同礁相中分別選取代表性樣品進行陰極發光測試，樣品為標準光薄片，實驗的真空度為0.3 Pa，束電壓8.0 kV，束電流6 000 μA，曝光時間為1.5 s。為了便于對陰極發光特征進行精細描述，將樣品的陰極發光強度分為極強、強、中等、弱、極弱、不發光等五個等級。根據前人的研究成果，碳酸鹽巖的陰極發光性主要受Fe、Mn 的含量和Fe/Mn 比值的影響[37-38]。因此，本次研究中針對某些不同陰極發光特征的顆粒和填隙物進行電子探針測試，主要分析其中的Fe、Mn、Sr 等元素。陰極發光和電子探針測試都在西南石油大學地球科學與技術學院進行。

根據60塊克孜里奇曼組生物礁的陰極發光圖像來看，礁核下部（串管海綿富集部分）、礁蓋、礁后（泥晶灰巖部分）的陰極發光較弱，礁核上部、礁前（生屑灰巖部分）、礁基陰極發光相對較強，但顯示出明顯的非均質性。此外，不同結構組分的陰極發光特征也有明顯差別，特征如下。

（1）未經重結晶（新生變形）改造的泥晶基質（包括包裹著生物碎屑的泥晶套）多數發弱—中等的棕紅色光，而泥晶基質重結晶成為亮晶膠結物后，則發極弱的棕紅色光—不發光。?類、苔蘚蟲等生物體腔普遍被泥晶充填，其中有重結晶的部分的陰極發光普遍偏暗（圖12f）。電子探針測試結果顯示，泥晶和重結晶后的亮晶膠結物之間的FeO/MnO差了將近10 倍，由此可見，重結晶會導致Fe 元素相對富集（表2）。

表2 電子探針結果Table 2 Electron microprobe analyses of reef limestones

圖12 礁體的陰極發光特征（a，b）中（礁基）可見管殼石包繞生物碎屑（發極弱棕紅色光，綠色箭頭所指），局部可見生物鉆孔（發極弱棕紅色光，藍色箭頭所指）。溶蝕孔隙發育，孔隙邊緣可見方解石膠結物，膠結物核心部位不發光，有發亮色的邊緣（黃色箭頭所指）；（c，d）中（礁核下部）可見海膽的棘刺（斜切面），被裂縫切割（裂縫中的方解石不發光）。海膽棘刺上半部分不發光，下半部分發中等的橘紅色光（重結晶）；（e，f）中（礁核上部）可見窗格苔蘚蟲體腔中被泥晶和亮晶膠結物充填，其中泥晶充填部分發弱棕紅色光（黃色箭頭所指），亮晶膠結物（重結晶）充填部分發極弱棕紅色光—不發光（綠色箭頭所指）。此外，還可見棘皮生屑（發中等橘紅色光）發育兩個世代的膠結物（白色箭頭所指）；（g，h）中（礁后）可見腕足動物和居串管海綿碎屑，它們的骨骼不發光（黃色箭頭所指）。腕足的莖孔、海綿的腹腔皆被泥晶充填，其中充填海綿腹腔的泥晶已經部分重結晶，發弱紅色光；（i，j）中（礁后）可見翼網苔蘚蟲和棘皮生屑共生，其中翼網苔蘚蟲基本不發光，棘皮生屑發中等橘紅色光；（k，l）中可見柯坪珊瑚個體，體腔被泥晶和亮晶充填，隔壁軸部發中等—強橘紅色光，隔壁兩側羽屑發弱棕紅色光，但隔壁靠近軸部的位置基本不發光（;m，n）（礁前）中可見亮晶膠結物充填粒間溶蝕孔隙，其中，亮晶膠結物的發光較之周圍泥晶基質暗；（o，p）中可見窗格苔蘚蟲和棘皮生屑共生，其中，棘皮生屑基本不發光，窗格苔蘚蟲發亮紅色光Fig.12 Cathode luminescence features of reefsIn (a) and (b) (reef base),there is a bioclastic surrounded by Tubiphytes (with very weak brownish red light,indicated by the green arrow),and there is a biological drilling hole (with very weak brownish red light,indicated by the blue arrow).Dissolution pores are developed,calcite cement can be seen at the edge of pores,and the core part of the cement does not emit light,but has a bright edge (indicated by the yellow arrow);In (c) and (d) (the lower part of the reef core),crinoids (oblique section) can be seen and cut by cracks (calcite in the cracks does not emit light).The upper part of the crinoids does not emit light,and the lower part emits medium orange light (recrystallization);In(e) and (f) (the upper part of reef core),the cavity of bryozoans was filled with micritic and bright crystal cements.The micritic filling part showed weak brownish red light (yellow arrow),and the bright crystal cement (recrystallization) filling part showed very weak brownish red light -no light (green arrow).In addition,two generations of cement (indicated by the white arrow) can be seen in the spines;In (g) and (h) (reef wing),the debris of brachiopod and colospongia are seen,and their bones do not emit light (indicated by the yellow arrow).The stem pores of the brachiopods and the abdominal cavity of the sponge were filled with micrite,and the micrite filled with the abdominal cavity of the sponge had partially recrystallized,with weak red light;In (i) and (j) (reef back),Ptilodictyina and echinoderm are symbiotic.Ptilodictyina does not emit light,and echinoderm shows medium orange light;In (k) and (l),Kepingophyllidae is seen,the body cavity is filled with mud crystal and bright crystal,the axis of the next wall emits medium strong orange light,and the feather debris on both sides of the next wall emits weak brown red light,but the position near the axis of the next wall does not emit light;In (m)and (n) (reef frontier),the intergranular dissolution pores are filled with luminescent cements,and the luminescent intensity of the cements is darker than that of the surrounding micrite matrix;In (o) and (p),Fenestella and echinoderm are symbiotic,in which echinoderm is not luminous and Bryozoa teneriformis is bright red

（2）管殼石普遍發較強的橘紅色光（圖12b），?類發弱—中等橘紅色光（圖12f），腕足動物多不發光（圖12h）。棘皮生屑發光性強弱不一，發弱—強橘紅色光（圖12d，f，h，j，p）不等，海膽棘刺多不發光，但其局部重結晶后發中等橘紅色光。柯坪珊瑚的鈣質骨骼總體上發中等—強的橘紅色光（強于充填于其體腔中的泥晶基質和粒狀膠結物），其中，其隔壁的軸部發光較強，其隔壁兩側的“羽屑”部分發光弱—中等，而隔壁靠近軸部的部分基本不發光（圖12f，j）。窗格苔蘚蟲普遍發中等—強橘紅色光，但翼網苔蘚蟲則普遍發弱棕紅色光—不發光（圖12f，i，j，p）。

（3）部分棘皮生屑加大邊具有兩個世代的發光性。第一世代膠結物發極弱棕紅色光—不發光，第二世代的膠結物發弱棕紅色光（圖12f）。

（4）充填裂縫中的方解石為極弱發光（圖12d，j，p）。充填與溶蝕孔隙空間壁面的馬牙狀方解石膠結物內部無陰極發光，但其邊緣具有中等—強的橘紅色發光邊。充填孔隙中間部分的粒狀方解石發極弱—弱的棕紅色光，它們的發光強度普遍弱于周圍的泥晶基質。

總體而言，桑株剖面克孜里奇曼組生物礁灰巖的泥晶基質部分具有弱—中等程度的陰極發光，說明在成巖過程中，Mn含量較低的海相流體起主導作用。局部受重結晶（新生變形）改造的部分發光極弱—不發光，這可能和大氣水的參與有關，但是影響較為局限。此外，不同類型的生物碎屑、同一類型生屑不同顆粒間乃至同一生屑顆粒不同部位的發光程度往往差別較大，但其周圍的泥晶基質基本未受影響，這說明Mn 含量較高的非海相流體對桑株組生物礁的改造具有一定程度的“組構選擇性”，即主要針對生屑顆粒而非泥晶基質。

6.2 成巖階段劃分

1）準同生—同生成巖階段

桑株克孜里奇曼組生物礁灰巖中可識別的準同生—同生成巖階段的成巖標志主要有：（1）粉—細白云石是桑株克孜里奇曼組生物礁中最發育的白云石類型，主要為自形晶—半自形晶，是選擇性交代居串管海綿骨骼作用的結果（圖4d）；（2）藻類的包殼作用和管殼石對生物的黏結、包裹作用；（3）可見生物鉆孔，這些鉆孔往往被泥晶充填，這些泥晶碳酸鹽巖主要是文石或高鎂方解石。其中，大多數泥晶為弱發光，部分生物碎屑為極弱—不發光，記錄了低Mn 含量的海水特征；（4）部分棘皮生屑可見早期具有極弱陰極發光的加大邊（圖12e）；（5）部分海綿骨骼出現了泥晶化，由不發光向發弱棕紅色光轉變。

2）早成巖階段

桑株克孜里奇曼組生物礁灰巖在成巖過程中主要經歷了淡水潛流和淡水滲流環境。淡水潛流環境的主要成巖標志包括：（1）充填于粒間、粒內溶蝕孔隙中的亮晶方解石膠結物（圖12b，n）。這些膠結物往往顯示出淡水膠結物的環帶狀陰極發光，即具有不發光—弱發光的核部和明亮的發光邊緣；（2）棘皮多期共軸加大邊（圖12e）。棘皮動物可發育于海水潛流環境，而在淡水潛流環境中繼續生長的共軸加大邊通常由于錳含量相對較高而具比第一期膠結物的陰極發光較強；（3）組構選擇性溶解作用，如某些棘皮生屑被完全溶解再充填，僅剩一個外形輪廓；（4）重結晶作用。泥晶向亮晶轉變、文石或鎂方解石等不穩定組分新生變形成低鎂方解石，如充填部分生物體腔的泥晶轉變成了亮晶膠結物，這部分膠結物的陰極發光強度比泥晶低。部分海膽棘刺局部也出現了重結晶，重結晶的部分發光強度比原始的鈣質骨骼高。淡水滲流環境的成巖標志主要有：非組構選擇性溶解作用、示底構造（下部泥晶弱—中等橘紅色陰極發光，上部亮晶方解石為極弱—不發光）。

3）中—晚成巖階段

中—晚成巖階段的主要成巖標志包括：（1）化學壓溶作用使得顆粒或生物之間呈凹凸—縫合接觸，局部沿縫合線有方解石充填；（2）生長于溶蝕孔隙中心、晶體較粗大極弱—不發光的塊狀方解石（圖12n）；（3）充填于后期構造裂縫中的粒狀或塊狀方解石，它們發光極弱—不發光（圖12d，p）。

7 結論

（1）早二疊世早期，塔西南地區的海侵達到最大規模，發育數十千米的臺地邊緣淺灘。在此基礎上發育了克孜里奇曼組生物礁，它為一沿臺地邊緣生長的“點礁”。礁體可分為礁基、礁核、礁前、礁后、礁蓋五個沉積相單元。其中，靠近礁前部位的造礁生物主要為群體四射珊瑚，巖性主要為珊瑚骨架巖；靠近礁后部位的造礁生物主要為居串管海綿，巖性主要為海綿障積巖。在此過程中，藍綠藻和管殼石也起到了重要的黏結作用。

（2）桑株剖面克孜里奇曼組生物礁的演化主要受海平面升降的控制。在海平面上升的背景下，在適合的水深、光熱條件下，棘皮動物、?類等開始在砂屑海灘上棲息，形成礁基。在此基礎上，居串管海綿和珊瑚等先后參與造礁，逐漸形成了礁前和礁后的分異。后來，隨著海平面快速下降，桑株地區變成了炎熱干燥的潮上帶，藻類大量發育，造礁生物大量死亡，最終導致礁體消亡。

（3）礁體接近桑株剖面克孜里奇曼組頂部，向上巖性快速突變為普司格組底部的陸相紫紅色泥巖。由此可見，塔西南早二疊世中期的海平面下降速率較快。同時，結合桑株生物礁礁前出現了適應冷水環境的小型無鱗板珊瑚來看，塔西南在早二疊世中晚期的海退極有可能和早二疊世的冰期有關。因此，克孜里奇曼組的生物礁發育可以看作是塔西南地區早二疊世大規模海退前的“回光返照”。

（4）克孜里奇曼組生物礁受成巖改造的影響較小，但是礁體不同部位、不同沉積物類型受成巖改造的程度存在明顯的非均質性。其中，礁核部位受成巖改造的程度最大，包括串管海綿骨骼的白云石化、溶解作用產生一定數量的次生孔隙、部分泥晶基質新生變形成為亮晶、次生孔隙被亮晶膠結物再充填等；礁后和礁基受成巖改造的影響相對較小，但其中的部分生物碎屑顆粒（如苔蘚蟲、棘皮生屑等）也出現了不同程度的新生變形改造。而且，在成巖過程中，海相流體起了主導作用，沉積期后非海相流體的改造主要針對生屑顆粒，對泥晶基質的影響較小。