碳酸鹽工廠的精細刻畫：定量化重建視角

摘 要 【意義】碳酸鹽工廠為碳酸鹽巖沉積體系提供了物質基礎，與海洋演化、元素循環、表生地質過程等密切相關，是反映地球系統演化的重要環節。因此，定量化表征碳酸鹽工廠及其主控因素是深入理解碳酸鹽巖所記錄的地質信息的關鍵。【進展】總結了半定量—定量表征碳酸鹽工廠的研究方法進展，結合對沉積過程正演模擬方法的介紹，從定量重建的角度為精細刻畫碳酸鹽工廠提供了思路。【展望】針對碳酸鹽工廠的研究，應在傳統碳酸鹽巖沉積學的基礎上加深對其主控因素的定量評估，特別是直接影響生態的因素。但在套用基于碎屑巖沉積體系所建立的定量分析方法時，需要考慮碳酸鹽巖與碎屑巖的差異，并進一步完善適用于碳酸鹽巖的模型和分析方法。此外，在應用地球化學指標反演碳酸鹽工廠及其主控因素時，要加強對成巖作用改造程度的定量評估，以降低成巖作用對地球化學信號的影響。而在開發和應用新的碳酸鹽巖地球化學代用指標時，需明確其賦存或分餾機理，從而更準確地解讀其所反映的古氣候和古環境信息。同時，在利用沉積過程正演模擬研究工廠的演化和生產機制時，需評估從現代環境中獲取的參數在深時地質記錄中的適用性，并在建模過程中考慮早期成巖作用及海水化學演化的影響。

關鍵詞 碳酸鹽工廠；定量分析；碳酸鹽顆粒；元素地球化學；同位素地球化學；地層正演模擬

第一作者簡介 王夏，女，1986年出生，特聘副研究員，碩士生導師，碳酸鹽巖沉積學，E-mail： xiawang@cdut.edu.cn

中圖分類號 P588.24+5 文獻標志碼 A

0 引言

由于碳酸鹽巖的生源性，適宜光合作用生物生存的淺海區域具有較高的生物產率，是主要的碳酸鹽生產場所，研究者稱之為“碳酸鹽工廠”[1]。近年來，碳酸鹽工廠（碳酸鹽生產工廠）研究的興起加深了人們對于碳酸鹽沉積物在三維空間內的形成、搬運，以及沉積過程的認識。此前針對碳酸鹽工廠的討論主要集中于碳酸鹽工廠的模式及概念體系。其中，最具代表性的包括以沉積環境及其對應的沉積方式為研究對象的Schlager工廠模式[2?3]，和以生態環境對工廠的影響為切入點的Pomar工廠模式[4?6]，碳酸鹽工廠概念體系也在Schlager和Pomar等前人的基礎之上基本建立，但如何進一步挖掘工廠研究的價值以及指導沉積學創新方面還有待深入探討（圖1）。

不同類型的碳酸鹽工廠對碳酸鹽巖沉積體形態和規模的影響一直以來受到廣泛關注[3?5，8?11]。隨光照和營養條件的改變，不同的光合自養生物（photozoan）和異養生物（heterozoan）組合的鈣化速率會產生變化，從而影響不同水深的碳酸鹽顆粒生產速率[4，6，12]。與此同時，碳酸鹽顆粒從臺地內部向外輸送的速度會隨著臺地邊緣及臺地斜坡的形態、水流速度、風向、受海水飽和度控制的成巖固結速率等條件的變化而變化[8?9，13]。近年來，有研究者將上述基本原理結合正演模擬技術，對新生代以及古老的碳酸鹽巖臺地演化過程進行了恢復，發現不同類型的碳酸鹽工廠具有不同的碳酸鹽沉積物的產生速率、深度分布以及粒度（影響沉積物的抗侵蝕性），從而對碳酸鹽巖臺地幾何形態的差異產生了關鍵性的影響[14]。

另一方面，碳酸鹽工廠的轉變往往與重大地質歷史事件耦合。例如：從前寒武到顯生宙記錄了多次和重大地質歷史事件有關的微生物主導的生物沉積體系和后生動物主導的體系之間的轉換過程[15]；P/T之交極熱事件，缺氧事件，海洋酸化等極端環境變化使得淺水碳酸鹽工廠崩潰，向鮞粒，微生物巖，以及自生泥晶為主的碳酸鹽工廠發生轉變[16?17]；中二疊世生物滅絕事件及同期發生的環境劇變（如峨眉山大火成巖省火山噴發）可能嚴重打擊了熱帶淺水碳酸鹽工廠，使碳酸鹽巖臺地發生萎縮[18]；晚三疊世卡尼期洪泛事件（CPE）使得特提斯域廣泛發育的淺水微生物碳酸鹽工廠快速轉換為骨屑—鮞粒碳酸鹽工廠，但在CPE之后又得到恢復[19]。由上可知，碳酸鹽沉淀過程對于環境變化是十分敏感的，這一特性使得碳酸鹽工廠的轉變可以作為沉積環境發生重大轉變的表征之一。因此，對于深時記錄中的碳酸鹽巖臺地演化、碳酸鹽工廠演化進行數值模擬，并探索其和重大地質歷史事件的耦合關系及機制，具有深遠的研究意義。

針對碳酸鹽工廠的特征進行定性描述，根據生物、碳酸鹽顆粒類型、巖相等劃分工廠類型，并探討隨時間變化的工廠演化序列，可以幫助我們理解宏觀尺度上碳酸鹽工廠的轉化過程及其與地質事件的耦合關系。但半定量、定量的碳酸鹽工廠研究的缺乏，以及對碳酸鹽工廠空間上的分布及轉換的認識不足，使得我們對于碳酸鹽工廠的時空演化及其主控因素等仍缺乏深入理解。因此，針對碳酸鹽工廠的研究亟需從定性描述轉向半定量—定量的精細刻畫，而近年來測試分析手段以及沉積過程數值模擬方法的進步為此提供了良好的著力點。為此，首先總結了碳酸鹽工廠及其主控因素的沉積學及地球化學定量表征方法，并介紹了利用碳酸鹽巖沉積過程正演模擬進行碳酸鹽工廠研究的進展，以期從定量化重建的視角，利用沉積學、地球化學，以及數值模擬的方法，提供綜合分析碳酸鹽工廠的生產過程和主控因素的研究思路。

1 經典的Schlager、Pomar碳酸鹽工廠分類方案及其研究進展

Schlager[2?3]與Pomar et al.[4?6]分別提出了碳酸鹽工廠分類體系中最廣為接受的兩種分類方案，具有不同的分類規則和概念結構（圖2a，b），近年來關于工廠分類的討論也大多基于這兩種經典方案（圖2b～e）。Schlager[2?3]的碳酸鹽工廠分類是基于工廠所在的沉積環境和產生碳酸鹽沉積物的沉積作用類型來劃分的；而Pomar et al.[4?6]認為某些生物化學作用通過不同的生物群或生物組合控制了工廠的發育，即生態因素對碳酸鹽工廠類型產生了巨大的影響。這兩種分類方法為碳酸鹽工廠研究提供了不同的視角，有助于我們更全面地理解碳酸鹽巖沉積過程的復雜性。

Lowenstam et al.[22]提出的碳酸鹽三種不同的沉積模式為Schlager[2?3]建立碳酸鹽工廠的分類方案提供了基礎。Schlager[3]認為海洋碳酸鹽生產過程首先分為生物和非生物兩種類型，在與生物相關的碳酸鹽生產過程中又包括生物誘導和生物控制兩種不同的生產機制，而所有碳酸鹽巖的大規模沉積都來源于上述生產機制有規律的組合，并呈現出三種主要的碳酸鹽生產系統（工廠）：以光合自養生物為特征的熱帶生產工廠、以異養生物為特征的溫涼水生產工廠和以微生物和非生物沉淀為主導的灰泥丘生產工廠[2?3]（圖2b）。上述分類方案中的工廠類型均建立于底棲生態系統，因此，Schlager[23]又追加了浮游生產工廠。近年來，Reijmer[20?21]對Schlager的分類體系進行了梳理和補充拓展，增加了冷水珊瑚碳酸鹽工廠（圖2b，c），其中每個生產工廠都有著不同的屬性，例如特定的環境參數，沉積物的產生和運移特點和沉積體的形態和坡度等。但是，Schlager 及Reijmer修訂的碳酸鹽工廠分類體系也存在一些問題，例如地質歷史時期常見的、以鮞粒為主的沉積，既不屬于光合自養型生物主導的工廠，也不屬于非生物成因的化學沉淀主導的工廠類型。考慮到鮞粒的形成與有機礦化過程和化學沉淀過程均存在關聯[24?25]，Li et"al.[17]認為應針對這種特異性工廠類型單獨分類為鮞粒工廠（圖2e），而Michel et al.[10]認為應和其他幾類共同構成生物化學工廠。

此外，Michel et al.[10]通過數值模擬對現代碳酸鹽巖臺地的全球分布規律進行了探索，他們發現不同類型的碳酸鹽巖臺地的分布并不是隨機的，而是受臺地中碳酸鹽工廠的生產條件，也就是適宜碳酸鹽顆粒沉淀的生態環境因素所控制和影響的。該研究根據現代海洋沉積定義了海洋生物化學T型工廠、光合自養生物T型工廠、光合自養生物C型工廠，以及異養生物C型工廠四種類型（圖2d）及其對應的環境特征，其中的T型、C型工廠均參照了Schlager[23]提出的相關概念。此外，該研究也提到了自生灰泥工廠（M-Factory）、流體活動有關的工廠、冷水珊瑚工廠等概念。

Pomar et al.[4?6]則將工廠理論作為一個動態分析碳酸鹽生產過程的工具，主要用于闡明生物過程和物理過程如何控制碳酸鹽沉積體系[26]。Pomar et al.[6]基于生產過程和產物的關系，將海水中的Ca2+和大氣中的pCO2的變化與海洋中進行碳酸鹽沉淀的生物群落的演化和生態需求相結合，其基本原理在于CO2是碳酸鹽沉淀和有機物生存的基礎，而光合作用則是主要的有機物生產過程，同時也為鈣化作用提供了必要的化學環境。Pomar[4]將水體按照光照條件劃分為透光帶、寡光帶和無光帶，并對應不同的生物組合（圖2a）。

因此，相對于Schlager[23]（及Reijmer[21]修訂）分類方案中提出的五種工廠類型及其中包含的與沉積環境之間的對應關系（如“熱帶淺水”等），Pomar et al.[6]提出的碳酸鹽工廠模型和分類方案并沒有強調特定環境與工廠類型之間的對應關系，而是突出了工廠中生態環境條件變化對碳酸鹽生產過程及鈣化機制的控制作用，即同一地理環境中，環境因素的改變可以影響工廠類型。綜上所述，Pomar et al.[6]的模型及方案為定量化描述工廠的演化及環境因素之間的關系提供了更直接的立足點。

2 碳酸鹽工廠發育過程及其主控因素的定量表征

2.1 傳統沉積相及微相分析與碳酸鹽工廠研究的異同

沉積相模式是對于現代及古代各類沉積體系的特征及其控制因素的概括總結[27]。針對碳酸鹽巖的沉積相模式研究自Irwin[28]開始，在20世紀70至90年代達到頂峰。國內外運用最廣泛的模式之一是Wilson[29]建立的碳酸鹽巖鑲邊臺地模式。在這一模式中，Wilson[29]在Flügel[30]總結的三疊紀常見的碳酸鹽巖微相類型的基礎上，提出了熱帶碳酸鹽巖鑲邊臺地中的9個標準相帶模式（Standard Facies Model，SFM）及對應的標準微相類型（Standard Microfacies，SMF）。之后，Flügel[31?33]在大量前人研究的基礎之上，建立了一套碳酸鹽巖微相分析的綜合方法，總結了現代和古代的典型碳酸鹽巖沉積相模式，并劃分出沉積相帶及對應的標準微相類型，得到了廣泛的應用（如金振奎等[34]）。

以Flügel[31?33]為代表的微相分析方法是從碳酸鹽巖的微觀結構入手，定量/半定量地分析其中的顆粒（生物/非生物）組合、顆粒粒徑、基質類型、結構構造及成巖特征等，通過與標準微相的對比，解讀沉積及成巖信息，恢復巖石形成時的沉積相帶和古環境。而通過識別不同成因的碳酸鹽組分，并確定其含量和比例，可以識別出沉積序列中不同的碳酸鹽生產模式及其所在環境[35?36]，這與微相分析相似而又有所不同，因此碳酸鹽工廠的研究更加強調不同組分的成因來反演碳酸鹽生產的過程[2?3，21]，更需要對古環境演化過程進行定量化解讀[6]。雖然微相分析可對巖石組構進行細致和綜合的分析，但通過微相分析手段得出的沉積環境信息通常只是定性的描述，無法定量化表征碳酸鹽生產過程的控制因素。與此同時，化石保存的不完備性，或后期成巖改造對沉積及早期成巖作用信息的破壞，都可能導致微相分析對碳酸鹽工廠的古環境條件的誤讀。

因此，在碳酸鹽工廠的研究中，需要在傳統的沉積相及碳酸鹽巖微相分析的基礎上，通過定量/半定量統計生物和非生物顆粒組合，結合有環境指示意義的礦物特征、沉積結構、地球化學指標，來更好地厘定碳酸鹽巖形成時的古環境條件，如水深、光照強度、溫度、營養水平、水體氧化還原狀態等[12，21，33，37?41]。此外，定量分析沉積物的粒度、垂向變化等特征，也可以更準確地得出巖石的沉積物來源和沉積過程中的水動力條件，包括搬運距離、沉積速率、沉積物運移方式等[35，42?46]。而通過顆粒、基質、膠結物的類型和發育期次等特征，可以恢復成巖序列及成巖環境[47?50]；同時，結合對地球化學信號有效性的評估[51?52]識別成巖作用對巖石結構組分及其記錄的古環境信息的改造程度，可將真正反映碳酸鹽生產及其主控因素的信息識別出來。

2.2 碳酸鹽顆粒定量統計分析

碳酸鹽巖微相分析方法中把碳酸鹽顆粒的統計作為定量化描述巖石物質組成的重要方法，定量的顆粒統計及分析不僅可以描述巖石的成分變化，也可以定量化地反映沉積環境特征[31?33]。在碳酸鹽工廠的研究中，定量的顆粒統計也常被用來指示碳酸鹽工廠類型的轉化[19，53]。顆粒形態包括粒度、磨圓、分選等是確定古沉積環境的重要依據[43，54?55]，可以反映水動力強度等指標，但現階段對于碳酸鹽顆粒形態的定量化描述及其指示意義仍需要進一步的理論研究及應用。

早在20世紀50年代，Ginsburg[56]就統計了佛羅里達南部具有良好海水循環的帶狀生物礁以及半局限的佛羅里達灣極淺水區域中的碳酸鹽顆粒，分析后發現后者比前者含有更多的小于0.125 mm的細粒沉積物，而在大于0.125 mm粒徑的沉積物中，前者含有豐富的藻類和珊瑚的碎片，后者則基本以軟體動物和有孔蟲為主，同時，在生物礁中隨著深度和水循環的變化，動植物組合都發生了顯著的變化，從而可以區分出三種具有不同顆粒組合和粒度特征的亞環境，證明了碳酸鹽顆粒的粒度和成分與沉積環境有極大的關系。Braithwaite[57]在生物碎屑砂樣品中篩分出1 000個顆粒，讓它們分別在250 cm的海水柱中以終端速度進行自由無阻礙下落，并進行了單獨測量、稱重和計時，發現顆粒在下落過程中經歷了四種狀態：直線下落、旋轉和螺旋下落，以及不穩定的翻滾，并發現隨著顆粒尺寸的增加，所經歷的四種下落狀態的比例同時取決于顆粒的形狀和有效密度。付坤榮等[58]通過統計4種顆粒灘的顆粒灰巖并繪制其粒度曲線，發現不同顆粒在平均粒徑、分選性、滾動—跳躍—懸浮次總體的含量方面均有明顯區別，其中臺緣灘的水動力與前濱帶接近，臺內灘的水動力表現為中等能量的波浪擾動，指示其發育于受障壁的臺地內部。郭芪恒[59]通過對北京西山下葦甸張夏組鮞粒的粒徑統計，發現鮞粒粒度特征與鮞粒灘在空間上具有良好的耦合關系，因此鮞粒粒度特征可用于精細刻畫鮞粒灘沉積水介質的能量變化。柳晶晶等[60]在研究川西北地區馬鞍塘組的特異化碳酸鹽工廠轉換機制時，提到鮞粒、似球粒、包粒、生物碎屑具有不同的形成方式，并通過對不同顆粒進行粒徑和形狀（形狀系數、圓度、凸度和扁平度）的定量統計，分析了形狀和粒度的變化規律及其所反映的顆粒的搬運方式、水動力條件等。結果表明，似球粒粒徑集中在65～272 μm，且顆粒的分選最好，扁平度接近2，以形狀規則、磨圓較好的扁長形橢圓為主，其搬運方式主要為跳躍搬運，反映了中—高能水動力環境；鮞粒磨圓較似球粒更好，粒徑介于285～351 μm，圓度為0.8～0.9，扁平度小于似球粒，搬運形式一般為滾動或跳躍搬運，反映了大于似球粒的水動力條件；生物碎屑顆粒極不規則，粒徑最大可達7 mm，磨圓較差，且部分顆粒間由灰泥充填，可能代表一種水動力較小的環境。但在使用基于碎屑巖沉積體系所建立的顆粒形狀及粒度與水動力相關關系的模型時，也需要注意生源性（biogenic）的碳酸鹽顆粒與碎屑顆粒的差異，且急需建立基于碳酸鹽顆粒的模型，de Kruijf etal.[61]的研究中也強調了生源性的碳酸鹽顆粒比碎屑顆粒具有更復雜和廣泛的形態、密度和磨蝕產物；因此，該研究建立了一個數據庫，記錄已發表的各種常見碳酸鹽組分的顆粒沉降速度和密度，由于碳酸鹽顆粒存在廣泛的形態和密度變化，需要進行額外的系統性的針對成分的研究，以實現對碳酸鹽顆粒水動力學的充分預測。

需要注意的是，在使用碳酸鹽顆粒定量統計分析碳酸鹽工廠所處環境的水體能量時，也需要結合早期成巖作用特征等對統計數據進行詳細解讀。例如阿布扎比沿海地區（波斯灣南部）發育的現代碳酸鹽工廠，氣候炎熱干旱，降雨稀少，且陸源輸入微弱[62?63]，整體碳酸鹽沉積代表現代邊緣海碳酸鹽緩坡，自陸向海可見薩布哈、潮坪、潟湖、顆粒灘及較深海沉積[64]。古地理分布對于薩布哈、潮坪、潟湖的水動力情況和沉積特征具有一定的控制作用。但除了松散碳酸鹽顆粒沉積，阿布扎比沿海及其他波斯灣南部地區海底大范圍出現現代硬底[64?65]。很多現代硬底（尤其向陸局限地區）具有較平整的上表面，并且生物鉆孔和結殼少見，不同于傳統認識中的古代硬底特征（表面不規則，生物鉆孔和結殼明顯）。研究表明，這些現代硬底的形態和內部早期海相碳酸鹽膠結物組構（包括礦物和形態）呈現明顯的空間變化，可能受控于海水性質、沉積環境和早期海相成巖作用中氧化還原界面波動[62]。因此，雖然Zhong et al.[66]通過顆粒觀察和統計認為隨著水動力減弱，沉積物粒度變細（泥質含量增加），但早期膠結作用有利于碳酸鹽顆粒保存，并可能產生與水動力分布不符的沉積粒度特征[62]，早期海相成巖作中，微生物活動和泥晶化過程會在一定程度上控制碳酸鹽顆粒的形態和粒徑[62?63]，而受水體自身的碳酸鈣飽和度所控制的早期海水膠結作用，可能將不同粒徑的沉積物黏結在一起[67]，產生與水動力環境相悖的顆粒分布特征。

2.3 元素地球化學方法

在碳酸鹽工廠的建造過程中，水體深度、氧化還原條件、營養水平、溫度和鹽度等，以及氣候、陸源碎屑輸入通量等指標都可能對工廠發育產生較大影響。傳統研究主要通過巖石學、礦物學、具指向性的化石和沉積物等指標對碳酸鹽發育過程中的環境變化進行識別。例如利用水柱中沉淀的草莓狀黃鐵礦的粒徑變化特征指示海水缺氧和常氧條件的變化[68?70]；利用全球范圍低緯度地區鮞粒的廣泛發育指示極端熱室氣候條件[17]；煤層的廣泛出現對濕潤氣候的指示，大規模異養生物群落的發育對富營養條件的指示[71]等。盡管這些指標極大地促進了我們對碳酸鹽工廠發育環境的認識，但是這些認識無法提供可靠的定量分析數據，造成對工廠發育過程缺乏有效的量化評價方案。氣候、環境和海平面變化等是調控碳酸鹽工廠發育類型和規模的主要控制因素，通過連續對碳酸鹽巖中相關元素指標的提取，有望定量重建工廠的建造過程。例如，碳酸鹽組分中Ce異常，Zn/Fe摩爾比值，I/（Mg+Ca）等指標可用于連續追蹤水體含氧量的變化；通過對濱海環境中混入的少量細碎屑組分進行分析，可獲得氣候、溫度、營養水平等方面的線索。

Li et al.[72]以寒武紀早期上揚子北部地區為例（圖3），研究圍繞漢南—米倉山古陸發育的連陸臺地，臺地中形成了以鮞粒、鈣質微生物，以及鈣質微生物與古杯聯合建造的多類型淺水碳酸鹽工廠，由于該工廠類型代表著一種寒武紀早期獨特的宏體生物、微生物和非骨屑碳酸鹽復合建造工廠類型，了解其形成過程中動態變化的氧化還原條件、陸源輸入情況、營養水平，以及氣候條件等顯得非常關鍵。該研究發現通過弱酸淋濾與碳酸鹽組分共生的少量細碎屑組分后獲得的化學蝕變指數、斜長石蝕變指數可重建淺水碳酸鹽工廠發育的氣候條件，兩個指標均指示了工廠發育于相對干旱的氣候背景條件；在排除碳酸鹽組分稀釋效應的基礎上，P/Al和Ni富集因子顯示鮞粒工廠的發育與營養水平的變化無直接關聯，但微生物碳酸鹽工廠更趨向于高營養條件且形成環境氧含量相對貧乏，而古杯主導的工廠類型營養水平相對較低。基于一系列元素地球化學指標，該研究推測淺水碳酸鹽工廠的崩潰與當時氣候轉暖濕造成的陸源碎屑輸入通量的顯著增強、營養水平增加，最終將整個淺水碳酸鹽工廠掩蓋有關，并且由于持續長時間的惡劣環境導致工廠無法恢復而最終消亡。由此可見，元素地球化學指標可以對工廠發育過程的定量評價提供重要參考。

2.4 同位素地球化學研究方法

碳酸鹽巖的同位素地球化學是研究碳酸鹽工廠演化及其相應海洋環境的重要手段。目前應用最廣泛的包括碳酸鹽巖的碳、氧、鍶同位素[73?75]。近年來，非傳統金屬穩定同位素（鈣、鎂同位素）也被開發用以示蹤碳酸鹽工廠的早期成巖過程，進而為解讀其反映的古氣候、環境信息提供更有效的評估[76?79]。針對碳酸鹽工廠研究的傳統同位素地球化學研究方法，近期已有文章進行系統總結[36]，不再贅述。主要對近年來的一些新興技術進行介紹，包括利用碳酸鹽團簇同位素（Δ47，Δ48）重建古溫度和利用Sr同位素（δ88/86Sr）新開發的碳酸鹽巖飽和度指標。

溫度是影響碳酸鹽工廠發育的重要因素，因此古溫度重建是碳酸鹽工廠研究的重要方向之一。碳酸鹽巖的氧同位素是最常用的“地質溫度計”，但受限于有效載體的保存、成巖改造等因素的影響，除了基于弱成巖改造的生物殼體，如牙形刺磷灰石和腕足類方解石殼等得出的結果，利用全巖δ18O重建古溫度一直飽受爭議[80?82]。近年來，碳酸鹽團簇同位素（Δ47）地球化學的快速發展[83?84]，為古海洋溫度重建提供了更有效的指標，并為傳統的氧同位素定溫方法等提供了可相互印證的對象，為探索碳酸鹽工廠—生命— 氣候環境協同演化提供了新的機遇。Goldberg et al.[85]通過對比團簇同位素和氧同位素恢復的泥晶灰巖樣品中不同組分的溫度，發現早古生代碳酸鹽全巖δ18O數據受到成巖改造的影響較小，且與腕足殼和牙形刺氧同位素結果有較好的一致性，并以此為基礎選取數據恢復了全球寒武紀—奧陶紀的高分辨率溫度記錄，然后將其置于生物演化和全球構造運動的背景下進行對比研究，指出地球氣候與構造和火山活動關系緊密，并控制早期生物演化。隨著分析測試精度的提高，碳酸鹽團簇同位素的測定從Δ47發展到Δ48，開展雙團簇同位素（Δ47+Δ48）測溫可以避免動力學分餾造成的偏差，實現古溫度的有效重建[86?87]，為碳酸鹽團簇同位素研究開拓了新的方向。此外，Swart et al.[88]利用實驗室合成方解石成功建立了首個團簇同位素Δ48的溫度標定公式，展現出雙團簇同位素測溫的巨大應用潛力。需要注意的是，碳酸鹽巖團簇同位素可能在埋藏成巖過程中由于溶解和重結晶作用丟失原始古海洋溫度信號，從而反映成巖流體溫度[89]。

碳酸鹽飽和度控制碳酸鹽的沉淀和分布[10，90]。Wang et al.[91]利用穩定Sr 同位素（δ88/86Sr）開發了一種全新的碳酸鹽巖飽和度指標，其基本原理是Sr同位素的分餾主要受碳酸鈣沉積速率控制（動力學分餾），即海水碳酸鈣飽和度的變化，為探索海洋碳酸鹽工廠和碳酸鹽礦物飽和狀態的演化提供了新的視角。該研究對30億年以來碳酸鹽巖記錄的穩定鍶同位素進行了恢復，發現前寒武紀海相碳酸鹽巖的δ88/86Sr值相較于顯生宙顯著偏高，根據Sr同位素分餾原理和同位素質量平衡計算，發現前寒武紀海洋的碳酸鈣飽和度遠高于顯生宙海洋，提出前寒武紀海洋存在一個“被忽略的”碳酸鹽工廠，如孔隙水中生成的自生碳酸鹽，可能代表了整個前寒武紀一個主要卻被忽視的碳酸鹽匯。

利用碳酸鹽巖的地球化學組成重建碳酸鹽工廠及其海洋環境演化的基礎是，碳酸鹽巖能夠忠實地記錄原始海水的地球化學信號[73]。由于受到復雜的沉積—成巖過程的影響，碳酸鹽巖的地球化學信號能否真實地反映海水信息一直備受爭議[92]。近年來，越來越多的學者開始重視對碳酸鹽巖所記錄的地球化學信號有效性的評估[51?52]。碳酸鹽巖Ca-Mg同位素體系被開發用來約束碳酸鹽的原生礦物和早期成巖作用[76，79，92]。碳酸鹽巖早成巖階段的成巖體系可視為海水和沉積物兩個端元的混合，不同深度的成巖流體性質受海水和沉積物孔隙水不同程度混合的影響，前人將兩個端元分別描述為流體緩沖體系和沉積物緩沖體系[76，79]。流體緩沖體系形成的碳酸鹽沉積物繼承了海水較高的δ44Ca值特征；而形成于沉積物緩沖體系中的碳酸鹽沉積物，由于繼承原始碳酸鹽礦物的Ca同位素值，具有較低的δ44Ca值[76?77，79]。在相對封閉的沉積—成巖體系中，碳酸鹽巖的Mg同位素組成（δ26Mg）主要受到孔隙水的δ26Mg值分餾的影響。因此，根據Ca-Mg同位素體系分析可以約束沉積—成巖系統的開放性，這對評估其地化指標的受改造程度至關重要。Lau et al.[52]進一步利用水—巖反應模型對碳酸鹽巖的古氧化還原指標I/Ca，Ce/Ce*，碳酸鹽晶格結合態Cr、U、S同位素進行數值模擬，定量評估成巖改造對這些指標的影響。結果表明，由相對未演化的海水構成的成巖流體緩沖體系（“海水緩沖”）能夠有效地保留所有的地球化學信息。相反，由在不同氧化還原條件下高度演化的孔隙水構成的成巖流體緩沖體系（“孔隙水緩沖”）可能改變原始的地球化學信號。為了更好地解讀成巖作用對碳酸鹽巖地球化學指標的影響，未來還需要更多的理論實驗約束、野外觀測和多地化參數綜合數據集。

此外，受洋底板塊俯沖作用的影響，現存大部分海相碳酸鹽巖為古代陸表海沉積產物。古代和現代陸表海碳酸鹽沉積研究表明，海水性質及相應碳酸鹽地球化學記錄與同時期廣海性質有時會表現出很大的差異性[93]。例如Pederson et al.[93]對阿布扎比沿海地區海水性質進行了研究，發現隨著沉積環境局限性增加，海水性質受到氣候、沉積和早成巖環境中有機質分解的影響，從而與廣海海水性質產生明顯的差異性，這對研究古代邊緣海碳酸鹽巖地球化學性質具有重要意義。

3 地層沉積正演模擬及碳酸鹽工廠定量化研究

研究沉積體的三維演化過程，通常是基于露頭或鉆孔采集大量數據來進行多元地質統計建模（例如：Amour et al.[94]），但這種方法高度依賴于數據，所以只能在有限的程度上揭示影響沉積過程的地質規律。近年來基于地質過程的建模方法如地層正演模擬技術（Stratigraphic Forward Modelling，SFM）的進一步發展，為地質規律的驗證和總結提供了更有效的思路[95]。

在碳酸鹽巖沉積過程正演模擬中，需要調整各類參數以獲得最符合實際情況的模型（圖4）。在碳酸鹽巖沉積過程正演模擬中使用的主要參數包括模擬區域的面積、初始地形、研究區構造沉降、全球海平面變化和沉積物供應等[96]。當物質來源穩定時，碎屑巖體系中的沉積物性質及沉積結構幾乎是均一的，但由于碳酸鹽巖沉積物的內源性（“carbonate areborn， not made”[1]），即沉積物是由不同水深的“生產者”在原地產生，然后在波浪和重力的作用下被改造和運移的[97]，所以碳酸鹽沉積通常具有極強的非均質性。而碳酸鹽工廠的概念為模擬碳酸鹽沉積物的生產和搬運過程提供了理論支持。因此，在碳酸鹽巖體系中運用基于沉積過程的地質建模方法時，除了考慮構造基底沉降、海平面變化、古地形、陸源碎屑輸入、沉積物運移等因素，還需要關注由不同類型的碳酸鹽工廠所控制的碳酸鹽產率變化與其他環境因素的耦合關系（圖4、表1）。例如，光照強度、溫度、水深、波浪能和沉積物可容納空間等因素均可以通過影響生物的生存狀態從而間接影響工廠的發育[4，6]。雖然受限于現有模型及模擬方法，沉積過程正演模擬難以重建快速的環境變化所導致的碳酸鹽生產及溶解過程，但在長時間尺度的研究中，將碳酸鹽工廠及其演化過程納入研究思路，可以深化對臺地/盆地演化驅動因素的認識[101，117]，進而深入揭示碳酸鹽工廠在沉積過程中的重要作用。因此，對碳酸鹽巖沉積過程進行正演模擬也是定量化厘定碳酸鹽工廠及其主控因素的過程（圖5）。

3.1 碳酸鹽的產率

碳酸鹽的產率是決定碳酸鹽工廠生產過程及碳酸鹽巖沉積體形成過程的關鍵要素[46，118]。基于海水中CaCO3沉淀的質量平衡關系，通過堿度降低技術捕捉水體中CaCO3的實時變化，可以計算出海洋生物碳酸鹽的產率（production rate）[46]。由于碳酸鹽巖的沉積過程復雜，深時記錄中的真實碳酸鹽產率很難被準確估算[119]。Enos[118]根據沉積環境總結了前人報道的不同地區的沉積速率（sedimentation rate）（Enos所引用的數據為單位時間內沉積物的堆積厚度），包括淺海到遠洋/深海的碳酸鹽沉積速率，但也指出這些數據中除了單個珊瑚的生長速率和通過堿度測試得出的碳酸鹽固定量是嚴格意義上的產率之外，其他的碳酸鹽“產率”都近似于碳酸鹽沉積物的積累速率（accumulation rate）（這里指碳酸鹽沉積物的輸入率及原地產率扣除通過沉積過路作用或侵蝕作用產生的碳酸鹽沉積物輸出率之后的凈結果），真實的碳酸鹽產率與碳酸鹽沉積物的輸入或輸出率無關。在沉積過程模擬中通常使用碳酸鹽沉積物的積累速率替代產率，研究者們按照實際情況給出了不同的數值范圍（表1）。Pomar[4] 根據不同的光照依賴性，區分出三種生產碳酸鹽的生物群：透光帶型、寡光帶型和無光帶型，并提出了這三種生物群的碳酸鹽產率隨水深變化的模型。Burgess et al.[103]認為碳酸鹽巖臺地的沉積過程中，透光帶范圍內合理的沉積速率是250～5 000 m/Myr。Seard et al.[120]根據Bosscheret al.[112]提出的生物礁生長方程，計算得出碳酸鹽生產率隨水深變化的曲線。Liu et al.[101]基于Smith etal.[46]、Sadler[121]以及Bosence et al.[122]的工作，將600 m/Myr 作為全球透光帶碳酸鹽工廠產率的平均值。Montaggioni[113]通過對末次冰期以來印度洋—太平洋珊瑚礁系統發育過程的充分調查，認為在以骨架礁為主的沉積體系中，碳酸鹽的產率介于1 000～30 000 m/Myr，絕大多數產率介于6 000～7 000 m/Myr。Sultana et al.[14]在探究碳酸鹽工廠如何影響臺地的形態時，將Chlorozoan工廠（一種包含鈣質綠藻、造礁珊瑚和軟體動物的，生活在淺水區域的生物群落）的碳酸鹽沉積速率設定在3 740 m/Myr，用來表示在透光帶中不同生物組合的產率。

不同碳酸鹽工廠的產率可以影響沉積物的類型、巖石的結構類型、地層結構，以及沉積體的形態等。基于Pomar[4]的產率模型，Burgess et al.[103]在建模中設定了三個具有不同光照水平的碳酸鹽工廠，占據主導地位的工廠會影響碳酸鹽沉積物的產率、類型、進而影響巖石的結構類型，如透光帶碳酸鹽工廠趨向于生產顆粒灰巖（grainstone）、中光帶碳酸鹽工廠趨向于生產泥粒灰巖（packstone）和粒泥灰巖（wackestone）、寡光帶碳酸鹽工廠趨向于生產灰泥灰巖（mudstone）。Li et al.[99]通過敏感性分析發現，雖然碳酸鹽的產率—深度變化曲線對碳酸鹽巖臺地尺度的幾何形態變化產生的影響較小，但較為明顯地影響了不同沉積相的分布以及特定沉積相的厚度。Tella et al.[97]利用敏感性分析的方法，證明不同光照條件分帶對應的生物類型的相對含量是影響緩坡形態的關鍵因素，如寡光帶異養生物占主導時可形成同斜緩坡或低角度緩坡，而透光帶光合自養生物占主導時則可形成鑲邊緩陸棚。van der Looven et al.[100]對馬爾代夫碳酸鹽巖臺地在漸新世—中新世的演化歷程進行了正演模擬，揭示了多個碳酸鹽工廠協作和相互依賴的生產機制，證明漸新世臺地的淹沒主要受控于碳酸鹽工廠的破壞，而非相對海平面的變化。Cantrell et al.[123]通過建立水深和溫度的模糊集來描述儲層沉積過程的控制因素。Hawie et al.[124]在模擬阿布扎比陸上油田中三個主要儲層的結構非均質性時，對復雜碳酸鹽幾何形狀的變化進行了建模，結果表明碳酸鹽巖幾何外形的變化主要受碳酸鹽產率的影響。

3.2 水體光照強度

一束單射光通過介質時，透射光強度的減弱與介質的厚度和濃度正相關（比爾—朗伯特定律，Beer-Lambert’s law）[125]，因此，水體中的光照強度與水體深度和水體的透光性有關。Bosscher et al.[112]根據Chalker et al.[126?127]關于造礁珊瑚的光合作用量和骨骼生長速率的模型，結合比爾—朗伯特定律，提出了生物礁的生長速率方程：

G（z）=G（m）×tanh[I0×exp（-z/k）/Ik]

式中：G（z）是生物礁的生長速率，G（m）是生物礁的最大生長率，z 表示水深，I0表示表面光強度，Ik表示飽和光強度，k 代表消光系數，這一模型認為光照是影響全新世生物礁生長的最重要因素，而水深和水體渾濁度可影響光照強度，所以它們也是控制生物礁生長速率的關鍵因素。Pomar et al.[4，6]解釋了不同深度生物群的棲息范圍，在清澈的水域中，真光帶生物群的最佳生存范圍為20～30 m；寡光帶生物群的最佳生存范圍為50～100 m，水深變化可影響該區域內能進行光合作用的生物，從而控制碳酸鹽巖的沉積過程。因此，也可用生物群落組合識別相應的水深。

3.3 溫度

許多正演地層模擬軟件都將溫度作為一個控制淺水碳酸鹽巖沉積體，如生物礁生長的因素[101，117，123]。溫度在淺水區域對生物群的影響較大，如熱帶淺水碳酸鹽工廠主要分布在緯度30° N～30° S或18 °C冬季等溫線內，水體溫暖[21]。Yao et al.[82]利用保存良好的腕足類方解石殼體的δ18O恢復了石炭紀晚維憲期到謝爾普霍夫期的古海水溫度，發現后生動物生物礁的豐度急劇降低與晚維憲期的氣候變冷事件是耦合的，且早于其他底棲生物多樣性的減少，說明生物礁這一類重要的淺水碳酸鹽工廠對于溫度具有較高的敏感性。同時，在建模過程中也應當考慮溫度對海水碳酸鈣飽和度的影響，及其對碳酸鹽巖的沉積成巖過程及分布的控制。

3.4 波浪能量

波浪能量可從兩方面影響碳酸鹽工廠。首先，如果波浪不能驅散海水的渾濁物，增加到達海底的光照量，那么珊瑚等依賴光合作用的造礁生物也會進一步被限制生長[128]；此外，波浪能量也是影響沉積物運移的重要因素，例如Dionisos作為應用擴散方程模擬的正演模型，在模擬沉積物運移過程時，將盆地坡度和波浪能量作為影響沉積物運移速率的參數[124，129]。除波浪外，現階段仍缺乏關于潮汐影響碳酸鹽沉積物搬運過程的模擬研究，值得在將來的研究中進一步討論。

3.5 沉積可容空間

容納碳酸鹽工廠發育的物理空間在正演模擬中是通過基底沉降和絕對海平面的變化之間的耦合來實現的[105]。沉積基底的初始形態、沉積基底的沉降、海平面的振蕩都是制約碳酸鹽工廠發育過程的重要因素，在碳酸鹽工廠中，無論上述哪種情況造成的海進和海退都意味著沉積物的“原產地”環境條件可能發生改變，例如造礁生物的棲息地隨相對海平面變化擴大或縮小，使得造礁生物群落的生存受到影響，進而影響了相關沉積體的組構、結構和形態，這在正演地層模擬中可以得到充分體現[97，100，130]。對于模擬中基底沉降的估算主要受地層年代的影響：地層年代越新，估算沉降量的準確性越高[95]。Lanteaume etal.[131]在正演模擬中給出了方程ΔS=（ΔT+ΔW）-ΔE（Δ 單位時間，S 沉降量，T 模擬的沉積物累計厚度，W 古水深，E 海平面的升降），用來求導每個時間步長內沉積物的沉降量從而繪制沉降圖。前人對不同時期，不同時間跨度的海平面變化的經典研究成果被廣泛地用于正演模擬研究中（如Miller et al.[107]；Haq et al.[108]），但需要根據具體研究區域在全球海平面變化的基礎上進行微調，以適應區域性海平面變化的差異。Seard et al.[120]為了探究不同的海平面變化對珊瑚礁發育的影響因素，校正了不同振幅和時間步長的海平面振蕩曲線。Liu et al.[101]的研究區地層年代跨越埃迪卡拉紀晚期至寒武紀早期，該時期處于冰室向溫室的過渡期，因此，該研究中使用的海平面振蕩曲線采用了由三級、四級和五級三種不同海平面震蕩曲線擬合而成。當然，除海平面變化外，季風帶來的洋流變化等對碳酸鹽巖臺地建造過程及形態的影響也不可忽視[132]。

此外，沉積物的壓實作用也是影響沉積物可容空間的重要因素，但由于碳酸鹽巖在沉積—早成巖期的膠結速率較快[13]，所以在校準沉積可容空間時，要考慮碳酸鹽沉積物與碎屑沉積物在壓實作用方面的差異，及不同沉積相帶的壓實作用差異。

3.6 沉積物的搬運

對于沉積物的搬運過程，正演模擬技術在碎屑巖沉積體系中的應用發展較為成熟[133?135]。Pitman[136]根據Sloss[137]和Harbaugh et al.[138]的模型開發了一個適合碎屑巖沉積的幾何模型[118]。而碳酸鹽沉積物的搬運過程發生在沉積物原位產生之后，因此也會考慮使用和碎屑巖類似的搬運模式。Li et al.[99]利用正向地層模擬探究碳酸鹽巖臺地幾何外形的形成因素，目標集中在沉積物的產生和運移過程，此研究針對三疊紀印度階至拉丁階大貴州灘的演化展開，并圍繞MPD（最大生產深度），MPR（最大生產速率）和不同的運移參數，利用觀測數據和模擬數據的厚度差異，臺地邊緣到坡腳的距離以及坡腳的最大傾斜角度表征模型在不同參數限制下所發生的形變，同時通過對不同參數的敏感性分析，認為搬運速率對碳酸鹽巖臺地形狀的影響是巨大的。

然而，對沉積物搬運過程進行模擬時，需要注意松散的碳酸鹽沉積物可以快速膠結[13]，而這些沉積—早成巖期的膠結作用對碳酸鹽沉積物搬運過程產生的影響是不可忽略的。因此，在對深時記錄中的碳酸鹽沉積物搬運過程進行模擬時，需要考慮該時期的海水地球化學條件對膠結作用的影響，直接套用現代海水化學條件下的沉積物搬運模式可能造成模擬結果的偏差。此外，由于碳酸鹽巖沉積過程與碎屑巖沉積過程在早期成巖階段存在較大的差異性，需要進一步探索和建立更適用于碳酸鹽沉積物的搬運過程模型。

4 結論及展望

隨著分析測試技術、沉積過程數值模擬等研究手段的不斷發展，定量化精細刻畫碳酸鹽工廠構成及其生產過程成為一個值得期待的新興方向。通過高分辨率地識別巖石學、地球化學特征，并結合沉積過程數值模擬等方法，可以分析大規模碳酸鹽發育的氣候條件、古地理格局、物質來源、氧化還原條件、水動力條件和營養水平等。這些工作的開展將有利于更深入地認識碳酸鹽沉積過程，闡明其動力學來源和具體生產機制，對于理解地球表層生物圈與環境的相互關系也具有重要意義。但在未來的研究中，仍需要重點關注和解決以下問題。

（1） 在進行碳酸鹽顆粒的定量統計分析時，不僅要針對顆粒組合的變化進行分析，也需要進一步挖掘通過顆粒形態的統計分析所揭露的環境信息，同時要進一步完善適用于碳酸鹽顆粒的定量形態分析方法和模型。此外，在定量統計時也需要考慮成巖過程對于沉積物和沉積構造等特征的改造，以避免在數據解讀時產生偏差。

（2） 在利用地球化學指標定量評估碳酸鹽工廠發育的古海洋環境時，需要慎重考慮碳酸鹽巖所記錄的地球化學信號的有效性，未來應進一步建立基于Ca-Mg同位素，結合數值模擬方法的技術體系，以定量評估成巖作用的改造程度。同時，在開發和應用新的碳酸鹽巖元素或同位素地球化學代用指標時，需深入理解元素的賦存機理和同位素的分餾機制，以便更準確地恢復古氣候、環境的演變。在地球化學分析技術方面，由于碳酸鹽巖的非均質性極強，應進一步加強原位元素及同位素測試方法的開發和應用，進而達到精細刻畫碳酸鹽工廠發育的古海洋環境的目的。

（3） 利用碳酸鹽巖沉積過程正演模擬研究深時記錄中的碳酸鹽工廠演化，現階段仍有許多問題需要解決。首先，在針對深時碳酸鹽巖沉積過程進行的正演模擬中，參數的設置（例如產率、古水深等）多基于現代實例，其適用性需要進一步驗證；其次，在基于碳酸鹽工廠基本原理的地層沉積正演模擬中，需要進一步關注海水化學條件及沉積—早期成巖作用對碳酸鹽生產及沉積過程的影響。

致謝 感謝評審專家及編輯部老師在論文修改過程中提出的寶貴意見，感謝研究生李心怡在圖件修改過程中做出的貢獻。

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