孫海濤 黃小潔 楊 柳 范國章 黃小娟 王紅平 鐘大康 周思宇

1 中國石油大學（北京）地球科學學院，北京102249

2 中國石油大學（北京）碳酸鹽巖研究中心，北京102249

3 中國石油杭州地質研究院，浙江杭州310023

自2006年巴西桑托斯盆地下白堊統Barra Velha組（簡稱BVE組）碳酸鹽巖首次獲得油氣勘探突破以來，這套鹽下碳酸鹽巖儲集層就成為了巴西深水勘探熱點層位，同時也是科學研究的熱點領域（康洪全等，2018b）。BVE組鹽下碳酸鹽巖含有占比較多、形狀較為特殊的球粒狀及樹枝狀組構，故揭示這些球粒狀及樹枝狀組構的成因既是重要的理論挑戰(zhàn)，也對鹽下碳酸鹽巖儲集層預測研究具有重要意義。

對于BVE組球粒狀及樹枝狀組構的成因解釋，目前主要有2類觀點：（1）微生物成因（王穎等，2017；康洪全等，2018a；張德民等，2018；Gomesetal.，2020；羅曉彤等，2020；何賽等，2022；朱奕璇等，2022），認為這類灰?guī)r屬于微生物球?；?guī)r和疊層石藻灰?guī)r，球粒狀組構和樹枝狀組構的形成與微生物生長過程有關，受控于微生物的生活習性；（2）非生物成因，認為球粒狀、樹枝狀組構可能是在特殊條件下由化學沉積作用形成的，其獨特的形態(tài)與堿性火山湖（Mercedes-Martínetal.，2021）、蒸發(fā)湖（Fariasetal.，2019）、地幔蛇紋巖作用和鹽水滲透作用（Fariasetal.，2019；Loubacketal.，2021）等特殊鹽度或溫度條件有關，例如放射球粒狀組構是在高堿度、高Ca／Mg環(huán)境下形成的（Rogersonetal.，2017）。近年來，許多學者針對加拿大BC省Clinton、美國新墨西哥Belen、土耳其Obruktepe、英國Brook Bottom 等地的鈣華露頭開展研究（Jones and Renaut，2008；Cook and Chafetz，2017；Lopezetal.，2017；Bastianinietal.，2022），雖然已揭示出鈣華碳酸鹽組構與BVE組球粒狀和樹枝狀組構之間具有相似性，但并未明確提出BVE組碳酸鹽巖的沉積成因。這一沉積成因認識的分歧直接影響到BVE組碳酸鹽巖的分類及命名體系，而混亂的巖石名稱（如疊層石灰?guī)r、生物灰?guī)r、球?；?guī)r、樹枝狀疊層石灰?guī)r等）也影響到BVE組的沉積學研究及油氣勘探。

因此，基于從微觀到宏觀的研究思路，筆者利用巖心、薄片開展系統的巖石學分析，結合前人少量的元素及同位素測試數據，系統分析巴西桑托斯盆地BVE組碳酸鹽巖的結構組分類型，闡述不同結構組分的特征及其垂向組合序列，并進一步探討各類結構組分的沉積環(huán)境，提出BVE組的沉積成因模式。該研究對桑托斯盆地湖相碳酸鹽巖的成因和油氣儲集層分布研究具有一定的指導意義。

1 區(qū)域地質概況

桑托斯盆地位于巴西東部海岸（圖1－a），是在大陸裂解過程中逐漸沉積充填而形成的中生代盆地（圖1－b）。白堊紀以來，桑托斯盆地先后經歷了裂谷期、拗陷期、過渡期、漂移期等構造演化階段（圖2）：裂谷期是從中晚歐特里夫期到早阿普特期，早期發(fā)生過大規(guī)?；鹕交顒樱纬蒀amboriu組玄武巖，隨后伴隨大規(guī)模裂陷活動和海侵，發(fā)育Picarras組黑色頁巖，之后沉積Itapema組介殼灰?guī)r；中阿普特期，盆地處于裂谷后期至拗陷期，沉積Barra Velha（簡稱BVE）組碳酸鹽巖；晚阿普特期至早阿爾必期，盆地處于過渡期，發(fā)育海陸過渡相Ariri組蒸發(fā)巖；之后進入漂移期，持續(xù)沉積海相碎屑巖和碳酸鹽巖（羅曉彤等，2020）。

圖1 桑托斯盆地位置及研究區(qū)鉆井分布（據Nunn and Harris，2007；朱奕璇等，2022）Fig.1 Location of Santos Basin and study well（after Numm and Harris，2007；Zhu et al.，2022）

圖2 桑托斯盆地下白堊統構造階段及巖石地層綜合柱狀圖（據羅曉彤等，2020；何賽等，2022）Fig.2 Stratigraphy column of the Lower Cretaceous with tectonic stages in Santos Basin（after Luo et al.，2020；He et al.，2022）

早白堊世，桑托斯盆地南部發(fā)育的Walvis海脊（圖1－b中WR）和Rio凸起（圖1－b中RGR），造成盆地與南大西洋之間連通不暢（Nunn and Harris，2007），主要發(fā)育湖泊沉積（圖2）。BVE組埋藏深度超過5000m，沉積厚度最大可達600m，以泥晶灰?guī)r和含有球粒狀、樹枝狀結構組構的灰?guī)r為主。

2 BVE組碳酸鹽巖主要結構組分及其特征

依據桑托斯盆地7口鉆井的156張薄片分析，BVE組碳酸鹽巖結構組分有灰泥、顆粒和膠結物。按照粒度、形態(tài)和成因，可識別出泥晶、球粒、扇狀、叢狀、樹枝狀及砂屑、礫屑等顆粒結構組分（表1）。

2.1 泥晶

BVE組泥晶粒徑小于0.01mm，部分粒徑小于0.005mm，主要成分為方解石，占全部結構組分的8%～19%，平均占比13%。該類灰?guī)r發(fā)育塊狀層理（圖3－a）、水平層理和波狀層理。一般而言，在正常溫度和鹽度的低能環(huán)境條件下，受生物作用和溶解度影響，碳酸鈣結晶、聚集、沉積形成泥晶（圖3－b）。

圖3 桑托斯盆地BVE組各類結構組分的鏡下照片Fig.3 Typicalmicroscopic photographs of structural compositions of the BVE Formation in Santos Basin

2.2 球粒

球粒即球粒狀組構，是指外形為球形的多晶方解石組構，其在三維方向上接近等長。大部分球粒形態(tài)規(guī)則，在正交偏光鏡下呈十字消光（圖3－c）。粒徑為0.25～1mm，在BVE組結構組分中占比最大，介于19%～30%之間，平均占比26%。球粒之間多呈點接觸，粒間常被泥晶方解石充填（圖3－d）。

2.3 扇狀、叢狀、樹枝狀組構特征

除球粒以外，具有波狀消光的還有扇狀、叢狀和樹枝狀等特殊形狀的組構，前人認為這可能是由于微生物誘發(fā)或微生物體粘結造成方解石快速生長而形成的特殊形狀（圖3－e）。該類組構粒徑為0.5～2mm，根據長寬比進一步細分為扇狀（長／寬≤1，圖3－f）、叢狀（長／寬＞1，圖3－g）和樹枝狀（長／寬＞2，圖3－h(huán)）。顆粒外形完好，無破碎，顆粒之間多充填泥晶方解石或發(fā)育粒間孔隙（圖3－i）。顯微鏡下呈波狀消光，為束狀或纖維狀方解石礦物集合體。這類顆粒在BVE組中占比9%～11%，平均占比10%。

2.4 內碎屑

除了球?！獦渲罱M構外，BVE組還發(fā)育部分形狀不規(guī)則或者形態(tài)殘缺的碎屑顆粒（圖4－a）。這些碎屑顆粒普遍遭受沖洗和打磨，邊緣發(fā)生磨損，甚至部分破裂，形態(tài)也變得不規(guī)則（圖4－b），在正交光下碎屑顆粒消光也毫無規(guī)律。根據顆粒大小或結構，內碎屑可進一步分為砂屑（＜2mm）和礫屑（＞2mm）。碎屑顆粒之間常未充填，或部分充填膠結物（圖4－c，4－d）。

圖4 桑托斯盆地BVE組碳酸鹽巖的改造顆粒特征Fig.4 Modified granular characteristics of carbonate rocks of the BVE Formation in Santos Basin

2.5 沉積序列特征

BVE組不同結構組分在垂向上表現為A、B和C的3段式序列（圖5）。底部A1段主要為泥晶，部分夾硅質條帶，為旋回初期水體最深時的沉積；向上A2段發(fā)育少量球粒，球粒漂浮在灰泥基質間，孔隙基本不發(fā)育。中部B1段球粒增多，球粒之間被灰泥充填，有時含有少量白云石，孔隙零星發(fā)育；B2段球粒最多，灰泥充填較少，白云石含量增加。上部C1段發(fā)育扇狀—樹枝狀組構，粒間部分被灰泥充填，孔隙發(fā)育程度一般；頂部C2段主要以樹枝狀組構為主。

圖5 桑托斯盆地BVE組不同結構組分的沉積序列Fig.5 Sedimentary sequence of various structural components of the BVE Formation in Santos Basin

3 BVE組球?！獦渲罱M構地球化學特征

BVE組球粒—樹枝狀組構的形態(tài)十分特殊，其成因研究已經成為碳酸鹽巖研究熱點，同時也是分析BVE組沉積相帶展布的重要依據。由于無法獲取實物樣品，本次地球化學特征研究主要是利用前人的BVE組球?！獦渲罱M構元素和同位素測試數據，在巖石學特征分析的基礎上進一步解釋這些地球化學數據。

3.1 主、微量元素特征

采用LA－ICP－MS對BVE組樣品原位微量元素進行分析，發(fā)現BVE組球粒和樹枝狀組構樣品的Sr和Ba含量異常，其中Ba含量為56～125μg／g，Sr含量為2961～5530μg／g（表 2，Fariasetal.，2019），Sr／Ba值異常高，為30～100。同時，所有樣品的Fe／Mn值為0.2～2.59（表2）。

表2 桑托斯盆地SB－2井BVE組球粒和樹枝狀組構微量元素分析結果（數據來自Farias et al.，2019）Table 2 Trace elements content of spherulitic and arborescent calcite of the BVE Formation from Well SB－2 in Santos Basin（data from Farias et al.，2019）

3.2 團簇同位素特征

依據碳酸鹽團簇同位素（Δ47）測試，可以獲得碳酸鹽礦物的生長溫度（李平平等，2017）。2019年，Farias等對BVE組不同組構的少量碳酸鹽巖樣品進行了碳酸鹽團簇同位素測試，計算出不同組構碳酸鹽礦物生長的古溫度范圍為49.5～72.9℃（圖6），其中球粒形成溫度為57.97℃，樹枝狀組構為64.36℃，砂屑為61℃，泥晶為49.57℃。這一組數據說明BVE組碳酸鹽礦物的形成溫度較高。

圖6 桑托斯盆地SB－2井BVE組球粒和樹枝狀礦物團簇同位素Δ47計算溫度的散點圖（據Farias et al.，2019）Fig.6 Δ47 calculated tempreture of carbonate clumped isotope of spherulitic and arborescent calcite of the BVE Formation from Well SB－2 in Santos Basin（after Farias et al.，2019）

3.3 穩(wěn)定同位素數據特征

碳氧同位素測試結果（Fariasetal.，2019）表明，BVE組球粒的δ18O 值為1‰～3‰，δ13C值為－1.8‰～2‰，且δ18O 和δ13C變化趨勢相似，均具有升高趨勢（圖 7）。樹枝狀組構的 δ18O 值為－0.05‰～3‰，δ13C值為0.2‰～4‰，但當樹枝狀組構的δ18O值升高時，δ13C值卻逐漸降低。顆粒之間為泥晶，其δ18O 值為1.8‰～2.6‰，δ13C值為－0.6‰～2‰。

BVE組碳酸鹽巖的鍶同位素值也比較特殊。在Farias等（2019）測試的樣品中，87Sr／86Sr值全都處于0.71200～0.71400之間，而朱奕璇（2022）公布的 BVE 組樣品87Sr／86Sr值 為 0.706405～0.713699，且BVE組上段和下段樣品的結果均高于中段（表3）。

表3 桑托斯盆地BVE組鍶同位素分析結果統計（數據來自朱奕璇等，2022）Table 3 Strontium isotope test results of the BVE Formation in Santos Basin（data from Zhu et al.，2022）

4 BVE組沉積環(huán)境與成因模式

4.1 沉積環(huán)境

根據BVE組碳酸鹽巖巖石學特征，結合地球化學數據，筆者認為BVE組沉積環(huán)境具有高溫、高鹽度、高能的特征。

1）高溫特征。根據BVE組球粒、樹枝狀組構特征及泥晶的團簇同位素分析結果計算出來的溫度范圍（46～73℃）推測，BVE組碳酸鹽沉積環(huán)境的溫度超出了地表常溫。需要注意的是，用穩(wěn)定同位素分析古環(huán)境時需要考慮礦物是否發(fā)生蝕變，最可靠的數據是來自于未經成巖蝕變的樣品，例如未蝕變的生物鈣殼，而經歷成巖作用或熱液影響后同位素會發(fā)生重排，造成計算溫度往往高于實際溫度（Pietzsch，2021；朱奕璇等，2022）。但這也存在爭議，如Stopler和Eiler（2015）曾提出過受熱液影響但并非同位素重排的影響因素。文中引用的團簇同位素數據分別來自于泥晶、砂屑、球粒和樹枝狀組構（Fariasetal.，2019），且從泥晶（49.57℃）、球粒（平均57.97℃）、砂屑（61℃）到樹枝狀組構（平均64.36℃，最大72.9℃），溫度依次呈升高趨勢，與球?！獦渲罱M構的巖石學特征所反映出的快速結晶生長特征一致。

2）高鹽度特征。主、微量元素及穩(wěn)定同位素結果表明，BVE組碳酸鹽巖形成于高鹽度的水體環(huán)境。Sr／Ba值高達 100（Fariasetal.，2019），Fe／Mn值也存在升高趨勢，且利用方解石和水的氧同位素分餾公式計算出的古水體氧同位素值也比較高。根據Keith和Weber（1964）的古鹽度計算公式，得到BVE組的Z值為90～133（朱奕璇等，2022）。所以，BVE組沉積時期為高鹽度咸水環(huán)境。

3）高能特征。BVE組除了發(fā)育球?！獦渲罱Y構組分外，還發(fā)育砂屑、礫屑、鮞粒等碎屑顆粒。碎屑顆粒具有一定磨圓度和分選性，顆粒之間充填亮晶膠結物或者保留粒間孔隙。因此，這些內碎屑沉積部位具有較強的水動力條件。

4）生物活動特征。從碳同位素的變化趨勢看，BVE組球晶的δ18O和δ13C變化趨勢一致，同時存在升高趨勢（圖7），而樹枝狀組構的δ18O 升高時，δ13C則逐漸降低，這可能反映出在高溫、高鹽度環(huán)境下，沉積環(huán)境中的碳元素可能受到了生物活動的影響。但是，在筆者收集的巖石學證據中，并未發(fā)現生物的直接證據，且朱奕璇等（2022）報導的薄片中的介形蟲并未參與到球?；驑渲罱M構中。不可否認的是，BVE組沉積環(huán)境中確實是存在生物活動的，但生物對球粒和樹枝狀組構形成的影響卻不是很重要。

圖7 桑托斯盆地BVE組球粒和樹枝狀組構的碳氧同位素分布（同位素數據來自Farias et al.，2019）Fig.7 Carbon and oxygen isotope distribution of different spherulitic and arborescent calcite of the BVE Formation in Santos Basin（isotope data from Farias et al.，2019）

4.2 球?！獦渲罱M構的沉積成因

基于對BVE組沉積環(huán)境的分析，結合巖石學證據和地球化學數據，筆者重點探討了泥晶、球粒及樹枝狀組構的沉積成因。

1）泥晶的形成。當湖水中 ［M＋］·Ksp（M 為Ca、Fe等離子的摩爾濃度，Ksp為容度積），就會發(fā)生CaCO3的沉淀。根據BVE組泥晶灰?guī)r的結構和構造特征，認為泥晶形成于水體較深的低能部位，是由泥晶方解石正常沉積、均勻緩慢堆積而成的（圖8）。

圖8 桑托斯盆地BVE組球?！獦渲罱M構的沉積成因模式Fig.8 Sedimentary origin model of spheroid-shrub components of the BVE Formation in Santos Basin

2）球粒的形成。球粒是在高溫、高鹽度的淺水部位快速沉積形成的。隨著沉積位置變高，水體深度變淺。當溫度較高時，水體蒸發(fā)程度加劇，進一步導致研究區(qū)水體的鹽度偏高。同時，由于高溫，水體中的CO2容易發(fā)生脫氣現象，造成水體中的Ca2＋濃度升高，碳酸鈣發(fā)生快速結晶。纖維狀或棱柱狀方解石在生長堆積過程中，受水體能量增加干擾，快速聚集成三軸相近的球粒狀形態(tài)；加上該時期生物活動較為強烈，故研究區(qū)地層中的較淺部位主要沉積多晶方解石集合體的球粒（圖8）。前人研究表明，在鹽度相當于2.08 g／L的NaCl溶液、沒有生物作用的條件下，可形成外部形態(tài)呈完美球形的方解石球粒（Mercedes-Martínetal.，2022），內部具纖維徑向和多晶結構，球粒以單個物體（直徑最大30μm）的形式出現；當鹽度不變、有生物作用加入時，會產生具有更平滑紋理和聚集形式的方解石球粒；當湖水鹽度升高至10.40 g／L且無生物作用時，會發(fā)育顯示內部纖維徑向和多晶結構的球粒，且粒徑更大（圖8）。

3）樹枝狀組構的形成。隨著沉積部位繼續(xù)變淺，水體的能量減弱，高溫、高鹽度會導致碳酸鈣快速結晶成球粒；而隨著球粒的逐漸長大，當水體能量無法使其旋轉時，晶體則向某一側快速生長并形成扇狀組構（圖8；圖9－a）；隨后，繼續(xù)生長表現出分枝特征，外部形態(tài)發(fā)展為纖維狀緊密、相對筆直、堆積的叢狀—樹枝狀組構。這種快速生長基本上是由高鹽度和高溫度控制的，與熱水鈣華沉積過程相似。樹枝狀組構的生長速度和規(guī)模往往是在湖平面附近最快，因為該部位最淺，湖水表面的溫度和鹽度最高。隨著氣候變化和湖平面變化，會形成亮層和暗層交替的韻律層（圖5）：隨著氣候變化及大氣降水的補充，或者溫度降低，生物活動性和鹽度會降低，導致這一時期球粒和藻粒緩慢或停止生長；同時個別球粒外形成暗色包殼，或有生物遺體或鎂硅酸鹽黏土存在，形成較薄的具有紋層結構的暗色泥晶灰?guī)r（圖9－b）。隨著氣候再次變化，溫度再次升高，水體蒸發(fā)加劇，導致水體鹽度升高；同時水體中的CO2發(fā)生脫氣現象，造成水體中的Ca2＋濃度升高。此外，該時期生物活動強烈，上述這些因素共同作用，導致這一時期方解石快速結晶，并在生物誘導下沉淀堆積形成球?！獦渲罱M構（圖9－c）。最終，可形成縱向分布序列（圖5）。

圖9 不同氣候條件下桑托斯盆地BVE組球?！獦渲罱M構形成的沉積序列Fig.9 Sedimentary sequence of spheroid-shrub components of the BVE Formation in Santos Basin under different climate conditions

4.3 BVE組沉積模式

關于BVE組碳酸鹽巖中的球粒和樹枝狀組構，前人也曾提出過不少成因模式（王穎等，2016；Herlingeretal.，2017；Mercedes-Martinetal.，2017；羅曉彤等，2020）。結合區(qū)域構造背景，筆者提出了桑托斯盆地BVE組的熱水沉積模式，即深大斷裂溝通的熱液及火山活動共同作用，導致了高溫、高鹽度的局限淺水湖相碳酸鹽巖沉積。

早白堊世，桑托斯盆地東南部的Walvis海脊阻擋了其與大西洋的連通（圖1－b，Nunn and Harris，2007），在桑托斯盆地形成局限環(huán)境，同時裂谷期發(fā)育的多條北東—西南走向的深大斷裂將盆地分割成隆凹相間的格局（圖1；圖10）。BVE沉積時期，伴隨有大量火山活動（Forneroetal.，2019），同時沿深大斷裂有熱液流體涌入湖盆，造成湖盆局部位置溫度升高并接受大量鹽類物質補給。在海平面上升時期，海水頻繁越過東南方向的Walvis海脊向盆地補充鹽類物質，最終形成了高鹽度、高溫度的沉積環(huán)境，這為球粒、扇狀—樹枝狀組構的形成提供了良好的化學條件。垂向巖性序列特征（圖5；圖9）的發(fā)育，可能與氣候及生物活動有密切關系。此外，浪基面之上局部高能環(huán)境中，也形成了大量礫屑、砂屑和鮞粒等碎屑顆粒。

圖10 桑托斯盆地BVE組碳酸鹽巖沉積成因模式Fig.10 Carbonate rock sedimentary model of the BVE Formation in Santos Basin

前人也提出過BVE組碳酸鹽巖的幾種成因，例如微生物成因、堿湖成因或者鈣華成因等（Cook and Chafetz，2017；Lopezetal.，2017；Rogersonetal.，2017；Fariasetal.，2019；Gomesetal.，2020；Mercedes-Martínetal.，2021），但尚都有爭論。例如微生物成因是最早被提出來的，然而目前在BVE組球粒和樹枝狀組構中還未找到生物結構或者生物結構殘留，沒有直接證據證明生物活動或生物體直接參與了樹枝狀類顆粒的形成。當然也可能是觀測手段的問題，有學者建議從宏觀、中觀、顯微及亞顯微4個層次進行微生物碳酸鹽巖研究（吳亞生等，2021）。其次，堿湖成因模式被認為是局限環(huán)境下的強烈蒸發(fā)作用導致這些特殊結構組分的形成，這與盆地構造背景比較吻合，但在如此強烈的蒸發(fā)作用下未見大規(guī)模的膏鹽巖沉積確是值得探討的問題。針對地幔流體來源說，也有學者認為鍶同位素特征并不支持幔源流體（Pietzsch，2021）。實際上，熱液活動已有巖石學方面的證據，前人觀察到了大量粒間的石英、重晶石等熱液礦物（Lima and de Ros，2019），而且幔源鍶是虧損的，在地幔里鍶是不相容元素，總體含量較少，所以即使有幔源物質混入，也不會顯著降低鍶同位素比值；相反，研究樣品鍶同位素比值顯著高于同期海水的比值（0.7073～0.7077），所以必然有地殼巖石混入，或是風化物質混入，或者是幔源流體在通過地殼過程中侵蝕地殼巖石并攜帶進入湖盆，最終形成了較高的鍶同位素比值。

總之，雖然很多學者都針對桑托斯盆地BVE組特殊的碳酸鹽結構組分的成因開展了研究，但由于實物資料缺乏等各種原因，目前還沒有確切統一的結論，這一研究還需要持續(xù)開展下去。

5 結論

1）桑托斯盆地鹽下下白堊統Barra Velha組（BVE組）碳酸鹽巖具有特殊的結構組分類型，包括十字消光的球粒及波狀消光的扇狀、叢狀和樹枝狀組構。垂向上，常見泥晶—球粒—樹枝狀組構沉積序列。

2）BVE組球?！獦渲罱M構沉積時，水體環(huán)境呈高鹽度、高溫的特點，微晶方解石顆粒沉淀后通過化學凝絮或生物作用，快速向四周或某一方向聚集生長，形成了球?！獦渲钐厥饨M構。

3）結合區(qū)域沉積背景，提出了深大斷裂溝通熱液和火山活動共同導致湖水溫度升高、表層海水頻繁海侵補給鹽類物質的球?！獦渲罱M構熱水沉積模式。該模式可以較好地解釋桑托斯盆地BVE組球?！獦渲罱M構快速形成的原因。