0 引言

碳酸盐岩储层是重要的油气储层，形成了很多大油气田。截止2012年底，全世界发现的1 021个大油气田中，碳酸盐岩大油气田达321个^[1]。我国相继发现了大型碳酸盐岩油气田，包括陕中气田、轮南—塔河油田、川东北大气区等，并且不断有新的突破。其储层主要有台缘生物礁(滩)、岩溶风化壳、白云岩及台内颗粒滩等^[2]。

沉积相研究对碳酸盐储层的勘探预测具有重要的作用。鲕粒滩作为颗粒滩的一种，在后期成岩作用的改造下，通常具有高孔高渗的特征^[3-5]。鲕粒灰岩作为碳酸盐岩中的优质储层，得到了国内外许多学者的关注^[6-9]，是分析碳酸盐岩沉积环境的重要标志^[10-11]。我国华北台地中寒武统张夏组发育巨厚层状的鲕粒灰岩^[12-16]。北京门头沟区下苇甸作为华北寒武系的典型露头剖面之一，鲕粒灰岩主要发育于张夏组^[13-15]。冯增昭等^[12-13]在对华北地台早古生代岩相古地理研究时，曾对下苇甸寒武系剖面进行了系统的沉积学研究；王成述等^[15]对张夏组鲕粒灰岩的沉积相进行划分；王英华等^[16]对下苇甸寒武系沉积相进行了分析。近年来，许多学者对下苇甸寒武系及其沉积环境进行了更加深入的研究^[17-22]。基于前人的研究成果，对下苇甸寒武系张夏组的沉积环境进行进一步分析研究，发现其不符合标准的威尔逊模式的碳酸盐岩台地类型^[21]，并提出了新的下苇甸张夏组碳酸盐岩沉积模式，为区域地质研究提供了资料。

1 地质概况

北京门头沟下苇甸地区寒武系地层出露完整，沉积现象丰富，是研究华北寒武系沉积特征的典型剖面之一。寒武系分为三统八组，下统有昌平组、馒头组和毛庄组，中统有徐庄组和张夏组，上统有崮山组、长山组和凤山组(图 1)。华北板块在古生代位于赤道附近的低纬度地区^[22]，长期处于陆表海沉积环境，碳酸盐岩沉积所需要的暖、清、浅、咸条件具备，发育了大套的碳酸盐岩。从下寒武统馒头组和毛庄组的潮坪相陆源碎屑沉积为主的红色泥岩沉积到中统及上统以碳酸盐岩沉积为主，代表了碳酸盐台地从发展走向成熟的过程^[20]，其中昌平组到徐庄组是以碎屑岩和碳酸盐岩交互沉积为特征的岩系，代表台地的发展阶段；张夏组到上寒武统碳酸盐岩系，代表台地的成熟阶段^[25]。张夏组以沉积巨厚层状的鲕粒灰岩为主要特征，反映了一种相对高能的浅滩环境。

2 沉积相分析

本次研究重点实测了下苇甸寒武系张夏组剖面，采集63块样品，经过镜下鉴定，共识别出12种岩石类型(表 1)。该区张夏组主要发育巨厚层状的鲕粒石灰岩(占整个剖面厚度的79%)，但在剖面下部发育厚层到薄层的灰绿色页岩及灰泥石灰岩，其中灰绿色页岩向上变薄直至消失。在上部鲕粒灰岩的沉积间断面之上发育薄层的泥粉晶白云岩。本文主要根据野外实测、镜下组分鉴定、XRD测试等方法，对下苇甸张夏组沉积环境进行分析。

2.1 下苇甸张夏组沉积环境分析

分析发现，张夏组下部以浅海页岩为主，并且含有少量的陆源石英砂，但在上部鲕粒石灰岩中却没有发现陆源的石英砂，粗粒碎屑物质皆被台地与陆地之间的浅海阻挡，这是离岸台地的典型特征^[26-27]，在下苇甸主要以碎屑岩浅海相和台地相为主。

2.1.1 碎屑岩浅海相

本区的碎屑岩浅海相位于正常浪基面之下，紧邻陆地，以陆源碎屑物质沉积为主，与以碳酸盐岩沉积为主的台地相区分。根据其碎屑岩的成分、结构等特征，本区的碎屑岩浅海又可分为过渡带和页岩局限浅海。

(1) 过渡带

过渡带位于正常浪基面之下，在平面上向陆一侧与滨岸砂滩接触，向海一侧与页岩局限浅海接触，其沉积物主要是海水悬浮搬运的细粒沉积物，主要为粉砂岩。

粉砂岩分选好，但磨圆差，为棱角状和次棱角状(图 2a)。粉砂岩呈浅绿色，水平层理发育，显示其沉积水体低能，位于正常浪基面之下。通过对粉砂岩XRD测试(图 2b)，显示其云母含量为13%，高岭石含量为27%，长石含量为20%，石英含量为30%，还有少量方解石。方解石主要是风浪搬运来的灰泥，与杂基一起沉积充填于粉砂岩孔隙中。粒度和填隙物类型表明，本区的粉砂岩沉积于滨岸砂岩与浅海页岩之间的过渡带。

(2) 页岩局限浅海

本区的页岩局限浅海位于正常浪基面之下，位于碳酸盐岩台地向陆侧，受地形上相对隆起的碳酸盐岩台地遮挡，水体局限。由于海水循环受阻，海底处于缺氧还原状态，生物化石少见，主要沉积灰绿色黏土(图 2c)，仅偶见介形虫。页岩XRD测试(图 2d)结果显示，黏土矿物以高岭石为主，含有较多的石英颗粒及云母，为粉砂质泥岩，代表粉砂级陆源物质的输入较多。由于其与局限台地相沉积的灰泥石灰岩相邻伴生，在页岩中普遍发育一定的灰泥。在张夏组海侵的大背景下，页岩局限浅海不断向陆地一侧推移，最后被台地相代替。在剖面上，灰绿色泥岩主要发育在张夏组下部，并且向上厚度不断减薄，逐渐变为碳酸盐岩沉积(图 2h)。

2.1.2 台地相

台地相泛指以碳酸盐岩沉积为主的、地形较平坦的浅水环境，是碳酸盐岩沉积物的生产工厂。在下苇甸张夏组剖面上主要发育局限台地、滩及潮坪。

(1) 局限台地

局限台地普遍定义为水深在正常浪基面之下、水体循环受阻、海底贫氧还原、以灰泥沉积为主的台地。局限台地由于受相对隆起的台内滩或者障壁岛阻隔，水体循环受阻，盐度较高，不适宜底栖生物生长，因此缺乏生物化石，生物扰动也较少^{[16, 26]}。

张夏组中下部发育的砾屑杂乱排列的砾屑石灰岩为间歇高能带的产物。砾屑磨圆较差(图 2I)，主要是在风暴期间灰泥石灰岩被风暴打破原地堆积形成。砾屑石灰岩填隙物主要是灰泥，反映了其沉积于正常浪基面之下、受风暴影响的沉积环境。砾屑中未见生物碎屑，排除了其砾屑来源于开阔台地的可能性，这种砾屑主要形成于局限台地。下苇甸张夏组下部的灰泥石灰岩在野外主要为中薄层，水平层理发育，缺乏潮坪相的暴露标志。生物化石少见，虫孔痕迹也很少。说明其水体环境局限，盐度偏高，不适宜生物生存，而开阔台地由于与广海相连，在灰泥石灰岩中可以见到大量的生物碎屑及虫孔痕迹，甚至形成生屑灰岩。除此之外，张夏组灰泥石灰岩在剖面下部主要与灰绿色页岩组合，说明其位于台地靠陆一侧。随着台地向陆方向迁移，碎屑岩浅海页岩消失，变为灰泥石灰岩与灰泥鲕粒石灰岩互层(图 2j)。这种灰泥鲕粒石灰岩中也基本没有生屑成分，其位于台地靠陆较为局限的一侧。值得注意的是，张夏组下部发育串珠状生物丘，与其同沉积的岩石类型为浅绿色泥质石灰岩。丘的基底由杂乱分布的砾屑石灰岩构成。生物丘主要形成于页岩局限浅海和局限台地的过渡带。

在剖面上，灰泥石灰岩主要发育在张夏组剖面下部，从开始的灰绿色页岩中的夹层逐渐变为夹灰绿色页岩，说明张夏组初期总体上处于海侵的大背景，局限台地的灰泥石灰岩逐渐代替了碎屑岩浅海的灰绿色页岩。

(2) 滩

滩指“水体持续或间歇动荡，以颗粒石灰岩沉积为主的浅水环境”。颗粒可以是内碎屑、鲕粒、藻粒、球粒或生粒等。颗粒石灰岩的填隙物主要有两种类型，灰泥基质和亮晶方解石胶结物。灰泥主要沉积于相对安静的环境中，而亮晶方解石主要以化学沉淀的方式充填粒间，对水动力的要求较高，只有水持续动荡，将灰泥带走，方解石胶结物才会沉淀^[26-28]。据此，将正常浪基面之上的、水体持续高能的、以亮晶方解石胶结为主的亮晶颗粒石灰岩定为高能滩；将正常浪基面与风暴浪基面之间、间歇动荡的、以灰泥充填为主的灰泥颗粒石灰岩定为间歇高能滩^{[26, 29]}。

① 间歇高能滩

间歇高能滩由于位于正常浪基面之下，水体时而安静，时而动荡，颗粒主要是动荡时水流搬运沉积的；灰泥在安静条件下从悬浮状态沉积并充填于颗粒之间，因此其沉积以灰泥颗粒石灰岩为主^[29]。

下苇甸剖面下部主要以灰泥鲕粒石灰岩为主，鲕粒类型以低能的放射鲕为主(图 3a，b)，还有较多的重结晶的单晶鲕/多晶鲕(图 3c)。狄明信等^[30]通过对北京西山张夏组研究认为这种鲕粒石灰岩主要形成于中等能量的滩前斜坡和滩后局限海，本文将这两种沉积灰泥鲕粒石灰岩的相带定为间歇高能滩，在空间上位置与其一致。鲕粒核心主要以灰泥形成的颗粒为主，很少发现同心鲕，这是其与高能滩鲕粒最主要的区别。由于水体间歇动荡，放射鲕外层普遍发育很薄的同心层包壳，是其间歇动荡的证据。通过对鲕粒粒径统计，做出了其粒径分布直方图，结果显示大多数鲕粒粒径呈单峰态分布(图 4b)，且鲕粒分选系数普遍小于亮晶胶结的鲕粒灰岩的分选系数(图 4d)，即灰泥充填的鲕粒分选较好，且鲕粒分选越好，鲕粒含量也越高，这种现象主要与放射鲕生成所需的低能环境有关。间歇高能带由于长期处于相对稳定的低能环境，其鲕粒围绕核心生长的速度较为一致，因此其分选一般较好，受水动力扰动相对较小，鲕粒含量也越高。间歇高能滩主要发育在剖面中下部。

② 高能滩

高能滩由于位于正常浪基面之上，水体持续高能，带走了大量的灰泥，给亮晶方解石胶结物的沉淀提供了可能，并且颗粒含量较多，总体以沉积亮晶颗粒石灰岩为主^[29]。

下苇甸张夏组上部以沉积亮晶鲕粒石灰岩为主，鲕粒类型以高能的同心鲕为主(图 3d)，还有较多的同心—放射鲕，其主要是低能的放射鲕被带到高能带生长同心层所致。并且发育少量的破碎鲕及复鲕(图 3e，f)，部分亮晶鲕粒石灰岩中鲕粒形态不规则，磨蚀严重(图 3g)，这些均是高能滩持续高能的证据。鲕粒间含有很多生物碎屑，甚至有许多生屑核心的鲕粒(图 3h)，说明水体循环较好，生物大量发育。这种鲕粒滩主要位于台地外边缘向海一侧。

除此之外还有许多同心包壳亮晶胶结的放射鲕(图 3I)，这是低能放射鲕被搬运到高能滩生长同心层的结果。这种亮晶胶结的鲕粒平均粒径一般均较大，普遍在0.6~0.8 mm之间，而低能环境中的放射鲕平均粒径主要在0.5~0.7 mm之间(图 4c)，粒径分布多为多峰态(图 4a)。亮晶鲕粒灰岩中鲕粒的分选系数普遍低于灰泥鲕粒石灰岩(图 4d)，这主要与其强大的水动力有关，可以将不同深度的不同粒径的低能鲕带到高能带沉积，影响了鲕粒的分选。亮晶鲕粒灰岩主要发育在下苇甸剖面中部以上到剖面顶部，说明张夏组剖面中部以上以高能滩沉积环境为主。在剖面下部发育一层定向排列的砾屑石灰岩，砾屑之间为亮晶方解石胶结物(图 2e)，其沉积于水体能量强的相带，风暴打破的固结的灰泥搬运到高能滩经过波浪反复搬运磨蚀，具有较好的分选和磨圆。

(3) 潮坪

潮坪指地形平坦、随潮汐涨落而周期性淹没、暴露的环境。本文所指的潮坪为碳酸盐岩台地内部相对隆起的台内滩由于海平面相对变化间歇性暴露的潮坪环境^[26-27]。

在张夏组剖面中上部，巨厚层的亮晶鲕粒石灰岩顶部普遍发育薄层状的泥晶白云岩与灰泥石灰岩夹层(图 2f，g)，约5 cm厚。泥晶白云岩主要是由海平面下降台内滩间歇出露水面，灰泥石灰岩受蒸发泵白云化作用形成。但这种潮坪发育时间极短，后期海平面上升又沉积鲕粒石灰岩。张夏组剖面中上部主要是滩相的鲕粒石灰岩与潮坪相的灰泥石灰岩与泥晶白云岩互层组成的岩性旋回。

2.2 沉积模式及沉积环境演化

根据下苇甸张夏组沉积特征，建立了其沉积模式，为一个典型的离岸缓坡碳酸盐岩台地沉积模式^[26-27](图 5)。

在下苇甸张夏组最底部，主要沉积陆源细粒沉积物，以含粉砂钙质页岩为主，并发育少量的钙质粉砂岩，主要为碎屑岩浅海沉积。这种相带由底向上逐渐消失，被碳酸盐岩沉积为主导的台地所替代，台地相主要为以鲕粒石灰岩为主的滩，其中张夏组剖面下部以沉积灰泥鲕粒石灰岩为主的间歇高能滩为主，中上部及顶部以沉积亮晶鲕粒石灰岩为主的高能滩为主。高能滩顶部普遍发育薄层的泥粉晶白云岩条带，代表高能滩的间歇性暴露。

由下苇甸张夏组综合柱状图可知(图 6)，该组是由29个由深变浅的准层序构成的海侵沉积序列，由剖面底部陆源碎屑物质沉积为主导的碎屑岩浅海相到中上部碳酸盐岩沉积为主导的台地沉积，整体代表了一海平面不断上升的过程，碳酸盐台地从发展走向成熟。

3 讨论

Wilson^[31]提出9个相带的碳酸盐岩台地综合模式，Read^[32]开始了动态碳酸盐岩沉积模式的研究和建立，强调了缓坡沉积相模式的重要。这些模式，在恢复古代碳酸盐岩沉积环境和沉积相的研究中是十分有用的，但均建立在没有陆源碎屑物搬入的情况下。关士聪等^[33]吸取了威尔逊沉积模式的优点，提出了符合我国古海域碳酸盐岩沉积相综合模式。范嘉松等^[34]将碳酸盐岩沉积及滨岸碎屑岩沉积归纳为八个相带。近年来，针对国内碳酸盐岩沉积相分析存在的一些问题，顾家裕等^[35]和金振奎等^[26]对碳酸盐岩台地类型及相模式进行了总结。基于前人的研究成果，离岸缓坡碳酸盐岩台地沉积模式充分考虑了陆源碎屑的影响，在平面上将碎屑岩沉积与碳酸盐岩沉积分开，很好地解释了华北地台寒武系张夏组碳酸盐岩地层中陆源石英砂岩的沉积成因。

(1) 本次研究，发现下苇甸张夏组灰绿色泥岩及粉砂岩为碳酸盐岩台地向陆侧的“台后碎屑岩浅海”，并非位于碳酸盐岩台地向海侧的“台前碎屑岩浅海”或“台前斜坡或盆地”。灰绿色泥岩中含有一定含量的硅质成分，而这些硅质并非盆地相或斜坡生物成因的硅质，而是陆源石英砂颗粒，并且含有较多的云母，粉砂岩中也含有大量的云母，生物碎屑较为罕见，这是其与滩后斜坡或盆地相泥岩重要的区别^[26-28]，因此，张夏组底部的碎屑岩为台后局限碎屑岩海沉积。弄清这个问题对分析海侵海退、分析层序类型十分重要。如果如本文所言，碎屑岩为台后局限碎屑岩海沉积，那么张夏组自下而上就是一个海侵序列，台地向陆方向迁移；如果碎屑岩为台前碎屑岩海沉积，那么张夏组就是一个海退序列，台地向海方向迁移。

(2) 碎屑岩沉积主要发育在张夏组底部，并且向上逐渐减少并消失，中上部以沉积大套厚层块状的鲕粒灰岩为主要特征，说明张夏组整体处于一个海平面不断上升的过程，在平面上滩后碎屑岩海不断向陆推进，张夏组逐渐被稳定的碳酸盐台地相沉积替代(图 6)。前人在研究时将张夏组碎屑岩归为滩后斜坡或盆地相沉积，从而认为张夏组为一个不断海退的过程^[18-21]，本次研究表明张夏组为一个不断海侵的过程，将对本区域后续研究提供依据和线索。

(3) 关士聪等^[33]研究表明陆地边缘相区是我国古海域沉积环境的重要特点之一，横向上陆源碎屑沉积可与台地相区清水碳酸盐岩呈过渡关系。范嘉松等^[34]研究表明我国碳酸盐岩台地总是濒临古陆，这些古陆供给大量的碎屑物质，形成滨岸碎屑岩相。华北地台这一特征十分明显，并且通过对北京门头沟青白口寒武系剖面观察发现了由紫红色粉砂岩—灰绿色粉砂岩—灰绿色泥岩与碳酸盐岩夹层这么一种连续的过渡剖面，也进一步说明了灰绿色泥岩和粉砂岩属于近岸沉积，而非滩后斜坡相沉积，从而说明下苇甸沉积模式不是传统的缓坡沉积模式，而应该为离岸缓坡沉积模式，在台地和陆地之间存在一个碎屑岩滨浅海(图 5)。

4 结论

(1) 下苇甸张夏组主要发育两类相带五种沉积环境：碎屑岩浅海相包括过渡带和页岩局限浅海；碳酸盐台地相包括局限台地、滩(高能滩、间歇高能滩)、潮坪。

(2) 下苇甸张夏组为典型离岸缓坡碳酸盐岩台地沉积，在台地与陆地之间存在一个碎屑岩浅海。这种碎屑岩沉积不是位于台地向海侧，而是向陆侧。随着海面不断上升，碎屑岩浅海逐渐退出了张夏组沉积，被稳定的碳酸盐台地沉积代替。

(3) 下苇甸张夏组间歇高能滩主要发育在剖面中下部，沉积于滩后局限海洋环境，中上部主要以高能滩为主，并且这种高能滩主要发育在台地外边缘靠海一侧。