2023, Vol. 35
2. 中国石油集团油藏描述重点实验室, 兰州 730020;
3. 中国石油青海油田公司, 甘肃 敦煌 736200
,
LI Jiangtao3,
LI Xiang1,
GAO Yanfang1,
ZHANG Ping1,
SUN Xiujian1,
BAI Yadong1,
ZUO Mingtao1
2. Key Laboratory of Reservoir Description, CNPC, Lanzhou 730020, China;
3. PetroChina Qinghai Oilfield Company, Dunhuang 736200, Gansu, China
湖相微生物碳酸盐岩是湖盆沉积环境演化、气候变迁的特定产物，在古老地层与现代湖泊中均广泛分布，最具代表性的为美国犹他州现代大盐湖、尤因塔盆地始新世绿河组[1-3]，澳大利亚哈梅林潟湖[4]等。微生物碳酸盐岩因其特殊的成因机理，能够反映特定气候与沉积环境，如印度尼西亚萨顿达火山口湖现代微生物碳酸盐岩的形成与季节性气候密切相关[5]；青藏高原北部可可西里盆地五道梁群和沱沱河盆地雅西措群湖相微生物碳酸盐岩形成于中新世总体干旱背景下的短暂湿润期[6-7]。此外，微生物碳酸盐岩也是油气资源中重要的储层类型之一。柴达木盆地西部地区（以下简称柴西地区）发育的湖相微生物碳酸盐岩是油气勘探的重要领域，目前已经陆续在南翼山、大风山等地区获得油气突破[8]。曾令旗等[9]认为该地区湖相微生物碳酸盐岩是青藏高原隆升与全球性变暖事件的特定阶段的产物；王建功等[10-12]认为咸化湖泊中发育的微生物碳酸盐岩规模一般较小，沉积环境、气候与水文地质条件变化能促进微生物的适应性调整，导致微生物碳酸盐岩类型差异性形成与分布；崔俊等[13]认为该地区湖相碳酸盐岩具有岩石类型多、相变快、陆源碎屑发育、普遍白云石化等特点，不同种类碳酸盐岩的分布与沉积微相及古环境密切相关；李翔等[14]认为柴西地区始新统微生物岩主要发育于浅湖高能环境、深水低能隆起以及低能断阶带。整体而言，现有的研究对柴西地区微生物碳酸盐岩的岩相类型、岩石特征和成因机制以及分布规律等缺乏系统研究与深入的认识。
以柴达木盆地西部地区古近系下干柴沟组上段（E32）和新近系下油砂山组（N21）微生物碳酸盐岩为主要研究对象，分析不同沉积环境下微生物碳酸盐岩岩相组合及特征，岩石的微观结构特征和矿物成分等，探讨不同岩相组合中微生物碳酸盐岩的差异性及控制因素，以期为重建柴达木盆地新生代岩相古地理、分析古气候提供依据，为下一步勘探开发提供理论指导。
1 地质概况柴达木盆地位于青藏高原北部，以阿尔金走滑断裂、南祁连山冲断带和东昆仑山走滑冲断带为界，面积约为12.1×104 km2，为内陆中、新生代山间地块盆地。研究区柴西地区是指柴达木盆地的二级构造单元柴西坳陷，位于盆地西部，西北以阿尔金山东缘为界，西南以东昆仑山为界，东以鄂博梁―甘森一线地区为界，是柴达木盆地新生代主要沉积、沉降中心，新生界自下而上发育古近系路乐河组（E1+2）、下干柴沟组下段（E31）、下干柴沟组上段（E32），新近系上干柴沟组（N1）、下油砂山组（N21）、上油砂山组（N22）以及狮子沟组（N23）。
在渐新世—上新世，柴达木盆地气候整体干旱，间或潮湿，发生咸化。山前带发育河流—（扇）三角洲沉积体系，盆地内部发育咸化湖泊—盐湖沉积体系[15]。柴西地区新生代咸化湖泊—盐湖沉积体系可划分为盆地边缘和盆内2类沉积环境，局部发育咸化湖泊沼泽[16]。在不同沉积环境中岩性分布有差异，盆内以湖相碳酸盐岩为主，其次为泥岩、粉砂岩和蒸发岩（盐岩与石膏为主）；盆地边缘受（扇）三角洲与咸化湖泊双重因素影响发育混积相，岩性为钙质岩、砂砾岩、砂岩以及湖相碳酸盐岩。新生界湖相微生物碳酸盐岩在研究区内普遍发育，常与颗粒灰岩互层叠置。重点研究层段古近系下干柴沟组上段（E32）和新近系下油砂山组（N21）发育的微生物碳酸盐岩最典型，在区内西岔沟露头和许多钻井中都有发现[17]（图 1）。
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下载原图 图 1 柴西地区地质地理图（a）、典型露头剖面地层分布（b）及新生界岩性地层综合柱状图（c） Fig. 1 Geological and geographical map (a), typical outcrop profile (b) and stratigraphic column of Cenozoic (c) of western Qaidam Basin |
根据柴西地区新生界湖相微生物碳酸盐岩的岩石类型与结构特征的差异性，可划分为扇控型与湖控型2类岩相组合（图 2）。
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下载原图 图 2 柴西地区新生界微生物碳酸盐岩岩相组合沉积特征（据文献[16]修改） （a）扇控型岩相组合，正旋回沉积，微生物碳酸盐岩形成于湖侵时期，西岔沟E32露头剖面；（b）湖控型岩相组合，正旋回沉积，微生物碳酸盐岩成于湖侵期，开4井，N21，4 249.00~4 264.70 m；（c）湖控型岩相组合，反旋回沉积，微生物碳酸盐岩形成于湖退期，风西2-3井，N21，3 955.96~3 973.66 m；（d）湖控型岩相组合，垂向加积沉积，微生物碳酸盐岩形成于湖平面频繁震荡期，风西2-3井，N21，3 885.27~3 900.66 m。 Fig. 2 Lithofacies assemblage characteristics of Cenozoic microbial carbonate rocks in western Qaidam Basin |
研究区扇控型微生物碳酸盐岩岩相组合主要发育在咸化湖泊边缘滨岸区，受（扇）三角洲碎屑沉积与咸化湖泊沉积双重因素控制，形成了特定的混积相带。区内最典型的实例为西岔沟露头下干柴沟组上段（E32）岩相组合，以扇三角洲前缘与咸化湖泊沉积交互分布为主，扇三角洲砂砾岩与湖相碳酸盐岩沉积体侧向相互切割、纵向叠置分布。扇三角洲沉积规模相对较大，岩性主要为厚层块状砂砾岩和砂岩，经风化、剥蚀后，残积物堆积于沟槽与坡脚处；湖相碳酸盐岩规模相对较小，岩性主要为薄层泥灰岩、颗粒灰岩和微生物碳酸盐岩。微生物碳酸盐岩多呈高角度向上翘倾，地层倾角一般为15°~30°，最大可达53°，形成一系列平行的山脊，常叠置于厚层块状砂砾岩之上，代表咸化湖泊湖侵产物，可作为湖盆边缘湖泛期的重要标志。该类岩相组合宏观外形呈丘状或穹隆状，单层厚度为0.5~3.0 m，最大可达5.0 m，横向延伸距离一般为50.0~100.0 m，最远可达300.0~500.0 m（图 3，图 4）。
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下载原图 图 3 柴西地区古近系下干柴沟组上段扇控型岩相组合露头（a）及解释（b）（根据文献[11]修改） Fig. 3 Outcrops (a) and interpretation (b) of fan-controlled lithofacies assemblage of E32 in western Qaidam Basin |
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下载原图 图 4 柴西地区古近系下干柴沟组上段扇控型微生物碳酸盐岩岩相组合露头剖面 （a）露头剖面，海拔3 115 m，产状200°∠32°；（b）无人机拍摄露头剖面，海拔3 458 m，产状15°∠140°。 Fig. 4 Outcrops of fan-controlled lithofacies assemblage of microbial carbonate rocks of E32 in western Qaidam Basin |
研究区在下干柴沟组上段（E32）沉积早期，湖泊初始咸化且与下伏下干柴沟组下段（E31）呈不整合接触，反映了沉积环境的突变。不整合面之下发育河流相―洪泛平原相，岩性以紫红色致密粉砂岩、细砂岩为主；不整合面之上发育扇三角洲与咸化湖泊交互沉积，岩性以浅灰色砂砾岩、砂岩为主；不整合面附近的粗碎屑中见到大量断续分布的泥灰质内碎屑以及纹层状硬石膏（图 5），可作为湖泊初始咸化的识别标志。
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下载原图 图 5 柴西地区古近系下干柴沟组上段（E32）—下干柴沟组下段（E31）不整合面及湖泊咸化的识别标志 （a）E32 —E31不整合面；（b）断续分布的泥灰质内碎屑；（c）纹层状泥灰岩夹硬石膏纹层。 Fig. 5 Identification marks of unconformity and lacustrine lake salinization of E32 and E31 in western Qaidam Basin |
该类岩相组合自下而上依次发育冲刷面、厚层块状砾岩与砂砾岩（单层厚度为3.0~5.0 m，最大可达10.0 m，粒径为10~20 cm）、砂岩与粉砂岩（单层厚度为30~50 cm，最大可达300 cm，局部含砾，粒径为1~5 cm）、侵蚀面、薄层泥灰岩或颗粒灰岩（单层厚度为10~30 cm，最大200 cm），顶部发育微生物碳酸盐岩（单层厚度为1.0~2.0 m，最大厚度为5.0 m）；局部地区可见石膏纹层，纹层厚度较小，仅为1~2 cm。扇三角洲沉积总体表现出正粒序特征，自下而上粒度逐渐变小（图 6）。
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下载原图 图 6 柴西地区古近系下干柴沟组上段（E32）（a）与新近系下油砂山组（N21）（b）层序测量剖面（剖面位置参见图 1b，其中P1为E32，P2为N21） Fig. 6 Sequence survey section of E32 (a) and N21 (b) in western Qaidam Basin |
研究区扇控型微生物碳酸盐岩可分为凝块石和叠层石2种。
（1）凝块石。西岔沟露头凝块石内部由大小不等的凝块与团块组成，含丰富的生屑碎片和钙化藻球粒。早期矿化的藻球粒可作为后期微生物及其群落附着、赖以生存并发生矿化作用的重要场所。藻球粒可作为凝块与聚合粒核心质点，围绕质点生长发育圈层结构，呈环带状。内部为大量球粒及其聚合体，外部发育富有机质包壳，球粒可划分为有无壳型和有壳型2类，无壳型球粒通常聚集成凝块或聚合体，有壳型聚合粒往往形成卵球袋，卵球袋主要形态有椭球形、球形和不规则形，粒径为0.2~2.0 mm（图 7）。
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下载原图 图 7 柴西地区西岔沟剖面新生界湖相扇控型岩相组合中凝块石特征 （a）古近系下干柴沟组上段微生物碳酸盐岩露头剖面；（b）凝块结构（或团块），凝块与颗粒之间由亮晶方解石胶结，图（a）中s1样品；（c）凝块石中可见丰富的生屑碎片及钙化藻球，图（a）中s1样品；（d）新近系下油砂山组微生物碳酸盐岩露头剖面；（e）凝块结构与球粒结构，图（d）中s2样品；（f）凝块结构与卵球袋（具包壳的球粒聚合体），图（d）中s2样品。 Fig. 7 Characteristics of thrombolites in Cenozoic fan-controlled lithofacies assemblage in Xichagou outcrop, western Qaidam Basin |
（2）叠层石。西岔沟露头凝块石中局部夹薄层叠层石。叠层石受有机矿化作用、化学沉淀与物理改造等因素的共同影响，形态与微观结构复杂，最常见的是层状结构，根据有机质的贫富程度发育明、暗纹层，若干明、暗纹层间互分布形成生长型环纹，纹层厚度范围大，微米级至毫米级均有发育。此外，还发育弧形、锥形及不规则凸起等多类型叠层石。发育微米级—毫米级孔洞，形态多样，呈扇状、条带状、三角形以及不规则形等，孔洞内壁边界清晰，表面附着一层厚度不均匀的纤毛状钙化有机质，孔洞内被形态多样的胶结扇完全充填（图 8）。
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下载原图 图 8 柴西地区新生界扇控型微生物碳酸盐岩岩相组合中凝块石与叠层石共生层的特征 （a）新近系下油砂山组微生物碳酸盐岩露头剖面；（b）凝块石与叠层石共生层，富含陆源碎屑，图（a）中s3样品；（c）叠层石包裹形成的各种形态的空腔及胶结扇，图（a）中s3样品；（d）叠层石包裹形成的扇形空腔及胶结扇，图（a）中s3样品。 Fig. 8 Characteristics of co-exist of thrombolites and stromatolites in Cenozoic fan-controlled lithofacies assemblage in western Qaidam Basin |
对研究区扇控型微生物碳酸盐岩样品进行X射线衍射分析可知，矿物成分以方解石和文石（霰石）为主，白云石次之，此外还有少量陆源碎屑和赤铁矿等发育，基本不含黏土矿物；同一区域内不同沉积期矿物成分差异较大（表 1）。
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下载CSV 表 1 柴西地区新生界扇控型微生物碳酸盐岩矿物成分 Table 1 Mineral composition of Cenozoic fan-controlled microbial carbonate rocks in western Qaidam Basin |
凝块石的矿物成分以泥晶方解石为主，常见长英质陆源碎屑颗粒，凝块与颗粒之间由粉晶—细晶方解石胶结，局部为镁方解石。钙化藻球粒的矿物组分为白云石或高镁方解石，球粒和团块发育的富有机质包壳成分为泥晶方解石，包壳周缘附着一层絮状物，分析认为主要为钙化EPS（细胞外聚合物），EPS周缘附着一层厚度为50~100 μm的微晶白云石（图 9）。
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下载原图 图 9 柴西地区西岔沟露头剖面新近系下油砂山组凝块石微观结构及主要矿物特征 （a）薄片，可见：①球粒、②聚合粒、③钙化藻球粒、④泥晶方解石壳套、⑤钙化的絮状EPS、⑥白云石壳套、⑦粉晶—细晶方解石、⑧球粒内发育溶蚀孔，后期由方解石胶结；（b）图（a）阴极发光照片，可见：①聚合粒泥晶方解石、②矿化藻球粒白云石、③聚合粒壳套泥晶白云石、④孔隙充填物高镁方解石；（c）阴极发光照片，可见：①球粒富有机质泥晶方解石、②球粒的矿化壳套泥晶方解石、③孔隙内镶边型胶结扇泥晶白云石、④孔隙充填物泥晶方解石。 Fig. 9 Microstructure and main mineral characteristics of thrombolites of Neogene Xiayoushashan Formation in Xichagou outcrop, western Qaidam Basin |
叠层石矿物成分包括泥晶方解石、亮晶方解石、文石（或霰石）、镁方解石和白云石，矿物分布具有有序性与规律性：①层状叠层石的暗层为富有机质泥晶方解石，明层为亮晶方解石和文石（霰石），二者交替互层分布；②局部弧形、不规则凸起状叠层石可发育纤维状文石（或霰石），此类矿物相对不稳定，在湖相碳酸盐岩中不常见，若文石（或霰石）含有机质颜色则呈深色，反之为亮色，二者交替互层分布；③叠层石包卷的孔隙与空腔内侧附着微米级厚度的微晶白云石，孔隙与空腔内发育由亮晶方解石形成的胶结扇，亮晶方解石以粉晶—细晶为主，外形以菱形为主，晶体直径多为100~300 μm，相互镶嵌，可见大量生长缝合线。
2.2 湖控型岩相组合 2.2.1 岩相特征柴西地区新生界湖控型微生物碳酸盐岩岩相组合主要发育在盆缘斜坡区、断阶带以及盆内浅水湖泊。下油砂山组（N21）沉积时期风西地区位于斜坡区，发育典型的湖控型岩相组合，主要岩性为泥晶碳酸盐岩、微生物碳酸盐岩、泥岩和粉砂岩，主要为块状（厚度为几十厘米）、薄互层（厘米级）和纹层状（毫米级）。不同岩性互层分布，单层厚度普遍较小，泥晶碳酸盐岩厚度为0.15~0.75 m，最大2.55 m，以灰色、深灰色为主；微生物碳酸盐岩厚度为0.20~2.00 m，以深灰色、灰色为主；泥岩厚度为0.10~2.00 m，最大6.00 m，以深灰色、灰黑色为主；砂岩厚度为0.10~0.60 m，最大4.00 m，以灰色为主（图 10，图 11）。沉积构造以水平层理、脉状层理、透镜状层理为主，普遍发育伪喀斯特、钙质或铁质结核、微裂隙等，偶见少量的介形虫化石和炭化植物碎片[16]。
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下载原图 图 10 柴西地区风西2-3井新近系下油砂山组湖控型岩相组合特征 Fig. 10 Characteristics of lake-controlled lithofacies assemblage of Neogene Xiayoushashan Formation of well Fengxi 2-3 in western Qaidam Basin |
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下载原图 图 11 柴西地区风西2-3井新近系下油砂山组湖控型岩相组合中主要岩性厚度概率分布特征 Fig. 11 Probability distribution of main lithologic thickness of lake-controlled lithofacies assemblage of Neogene Xiayoushashan Formation of well Fengxi 2-3 in western Qaidam Basin |
受气候、湖平面升降及水文条件的影响，湖控型岩相组合的层序类型多样，包括退积型、进积型和加积型层序等（参见图 2）：①退积型层序，以正旋回沉积为主，自下而上依次为薄层粉砂岩、泥晶灰岩、颗粒灰岩、微生物碳酸盐岩以及泥岩，其中微生物碳酸盐岩主要形成于湖侵时期，通常叠置于颗粒灰岩或泥晶灰岩之上。②进积型层序，以反旋回沉积为主，自下而上依次为纹层状泥岩与泥晶灰岩、块状泥晶灰岩或白云岩、薄层粉砂岩以及微生物碳酸盐岩，微生物碳酸盐岩主要形成于湖退时期，通常叠置于粉砂岩之上；粉砂岩层理面见大量白云母，局部可见炭质碎片，并发育脉状层理和爬升层理。③加积型层序，微生物碳酸盐岩、泥岩和泥晶碳酸盐岩互层分布，局部发育薄层粉砂岩，泥晶碳酸盐岩以纹层状为主；纹层状泥灰岩与泥岩中夹透镜状、条带状粉砂岩以及颗粒灰岩条带，层理面见炭屑、介形虫，发育生物扰动构造。
2.2.2 岩石特征研究区湖控型岩相组合中的微生物碳酸盐岩可分为凝块石、叠层石及二者的共生层3种，微观结构复杂（图 12）。
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下载原图 图 12 柴西地区新近系湖控型岩相组合中微生物碳酸盐岩主要类型 （a）凝块石，跃灰101井，下干柴沟组上段（E32），2 927.50 m；（b）叠层石，开4井，下油砂山组（N21），4 249.00 m；（c）凝块石与叠层石的共生层，南V16-2井，上油砂山组（N22），1 797.30 m。 Fig. 12 Main rock types of microbial carbonate rocks of Neogene lake-controlled lithofacies assemblage in western Qaidam Basin |
（1）凝块石。凝块石由灰色、灰黑色不规则团块、颗粒、球粒、聚合粒以及丝状体等构成，部分团块与团粒周缘发育暗色有机质包壳。大量球粒、聚合粒可形成凝块结构，并黏接长英质陆源碎屑颗粒、黏土以及少量的黄铁矿与菱铁矿，陆源碎屑颗粒通常分布在团块与聚合粒周缘以及有机质纹层之间；胶结物以方解石为主，局部为亮晶方解石（图 12a，图 13a—13d）。
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下载原图 图 13 柴西地区新生界湖控型微生物碳酸盐岩微观结构特征 （a）团块，南V 16-2井，下油砂山组（N21），1 797.30 m；（b）颗粒，风西2-3井，下油砂山组（N21），3 311.89 m；（c）凝块与聚合粒，南V 16-2井，下油砂山组（N21），1 797.30 m；（d）凝块与丝状体，南V 16-2井，下油砂山组（N21），1 797.30 m；（e）叠层结构，开4井，上干柴沟组（N1），4 249.20 m；（f）叠层结构，含钙化藻球粒，开4井，上干柴沟组（N1），4 249.20 m。 Fig. 13 Microstructure characteristics of Cenozoic lake-controlled microbial carbonate rocks in western Qaidam Basin |
（2）叠层石。叠层石多发育在缓坡带、断阶带以及浅水湖泊等低能沉积环境，主要分布在开特米里克、跃进和风西等地区，包括柱状与纹层状2种结构类型，二者通常混合共生。柱状叠层石由一系列柱状体或指状体向上叠加形成，单层厚度为1.0~3.0 cm，柱状体直径为0.5~1.5 cm，表现出“底小顶大”的特征，可见大量钙化藻球，边界清晰，大小均一，粒径约100 μm；层状叠层石具明暗交替特征，厚度为200~600 μm，明层主要为方解石、石英等微小颗粒，暗层富含有机质与黏土。叠层石中胶结物以泥晶方解石为主，局部可见亮晶方解石胶结物。此外，叠层石中还含有丰富的陆源碎屑颗粒，粒径为微米级，也可见大量球粒和粉末状黄铁矿（图 12b，图 13e）。
（3）凝块石与叠层石的共生层。共生层厚度一般为0.3~0.5 m，最大可达2.0 m，主体为凝块石，局部发育叠层石。其中凝块石主要包括藻团块、球粒、聚合粒等；叠层石的厚度一般为3~5 cm，短柱状和纹层状均有发育，发育微米级—毫米级的叠层构造，颜色以灰色、灰黑色为主，灰黑色叠层石中富含有机质，灰色叠层石以泥晶方解石和白云石为主（图 12c，图 13f）。
2.2.3 矿物成分对研究区样品进行X射线衍射分析可知，湖控型微生物碳酸盐岩的矿物成分以白云石和方解石为主，此外，还包含陆源碎屑、黏土、石膏和黄铁矿等。在不同区域、不同层系、不同岩石类型中各成分含量存在较大差异，主要成分白云石和方解石的含量变化较大（表 2）。
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下载CSV 表 2 柴西地区典型井新生界微生物碳酸盐岩矿物成分 Table 2 Mineral composition of Cenozoic microbial carbonate rocks from typical wells in western Qaidam Basin |
扫描电镜揭示：①研究区湖控型微生物碳酸盐岩中矿物成分粒径较小，一般为1.0~10.0 μm，其中方解石多呈菱形、球形及片状等，白云石多为菱面体，粒径为5.0~10.0 μm。矿物成分常混杂，如南翼山地区下油砂山组（N21）凝块石样品中主要成矿元素为O，Ca，Fe，C和K，平均质量分数分别为42.27%，19.68%，11.21%，8.15% 和5.84%，此外还含有Si，Al，Mg，S和Ca等多种元素，质量分数都小于5.00%（图 14a—14b）。②粒径小于1.0 μm的超微观矿物成分复杂，以钙化的EPS为主，常表现为半自形与它形，其表面常附着大量微体化石，形貌、粒径均与活体蓝细菌具较高相似性，为疑似蓝细菌微体化石。微体化石按形态可分为短杆状、球状和丝状3类，其中杆状体化石直径约为0.4 μm，长0.5~1.0 μm；丝状体化石直径为0.3~0.5 μm，长1.0~2.0 μm；球化石粒径约为1.0 μm，常常聚合成团粒（聚合粒）（图 14c—14f）。
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下载原图 图 14 柴西地区新生界湖控型微生物碳酸盐岩EPS组构及主要矿物 （a）球粒中矿物分布特征，南浅22-06井，上油砂山组（N22），1 201.50 m；（b）DES能谱，样点对应图（a）中P1；（c）钙化EPS组构，南浅22-06井，上油砂山组（N22），1 187.70 m；（d）白云石矿物，南浅22-06井，上油砂山组（N22），1 187.70 m；（e）钙化EPS组构中丝状、短柱状可疑化石，南V 16-2井，下油砂山组（N21），1 797.35 m；（f）钙化EPS组构中丝球形与聚合粒微生物可疑化石，南V 16-2井，下油砂山组（N21），1 797.35 m。 Fig. 14 EPS fabric and main minerals of Cenozoic lake-controlled microbial carbonate rocks in western Qaidam Basin |
受古地貌、沉积环境、陆源碎屑供给等影响，柴西地区新生界微生物碳酸盐岩的岩相类型与结构特征在盆缘、盆内均存在差异，这种差异是咸化湖泊不同演化阶段的产物。研究区下干柴沟组上段（E32）与下油砂山组（N21）分别代表盆地演化的不同阶段，E32沉积时期盆地演化为走滑挤压裂陷阶段，地形差异较大，咸化湖泊沉积环境以半深湖—深湖为主，主要发育扇控型微生物碳酸盐岩岩相组合；西岔沟地区的滨岸沉积环境中湖控型微生物碳酸盐岩岩相组合发育局限，仅在跃进、南翼山和风西斜坡带零星分布。N21沉积时期盆地处于挤压坳陷阶段，地形平缓，沉积环境以浅水湖泊为主，扇控型与湖控型2类微生物碳酸盐岩岩相组合均有发育，西岔沟地区的滨岸环境发育扇控型岩相组合；油泉子、南翼山、风西和开特米里克周缘大面积浅水湖泊发育湖控型岩相组合。
微生物碳酸盐岩在不同沉积环境下结构类型也存在差异，E32沉积期盆缘滨岸环境以发育凝块石为主，局部发育少量叠层石；N21沉积期盆缘滨岸区、斜坡带、断阶带与盆内浅水湖泊都发育凝块石、叠层石及二者的共生层（表 3）。
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下载CSV 表 3 柴西地区古近系—新近系典型微生物碳酸盐岩岩相组合差异分布 Table 3 Differential distribution of typical lithofacies assemblages of Paleogene-Neogene microbial carbonate rocks in western Qaidam Basin |
微生物碳酸盐岩的沉积特征，微观结构及矿物类型是生物学、生物化学、机械沉积与物理改造作用等综合响应的产物。生物学特征是内因，主要表现为蓝细菌或微体藻类对沉积环境的自适应性，其代谢、呼吸、吸附和黏结作用对微生物碳酸盐岩的沉积构造和内部结构具有控制作用[18-19]，主要表现在微生物活体及其死亡、埋藏与成岩过程阶段对沉积物形态、结构的影响以及生物矿化作用与有机矿化作用对矿物类型、结构特征的控制[20-23]。物源供给及水文地质条件属于外因，主要由气候与沉积环境的变化引起，对岩石类型、微观组构、主要矿物类型以及生物建造都会产生明显的物理影响与干扰[24-25]，在不同沉积环境、受不同控制因素的影响形成不同类型的岩相组合与微生物碳酸盐岩[26-27]。研究区扇控型与湖控型微生物碳酸盐岩岩相组合的岩相特征与微生物碳酸盐岩的结构特征、矿物成分等均有明显的差异（表 4）。这些差异性特征指示气候变化、湖平面升降、物源与水的供给以及咸化湖泊水文地质条件等是主要的控制因素。
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下载CSV 表 4 柴西地区新生界不同微生物碳酸盐岩岩相组合的特征及成因机理对比 Table 4 Characteristics of different lithofacies assemblages of Cenozoic microbial carbonate rocks in western Qaidam Basin |
柴西地区扇控型微生物碳酸盐岩的典型特征是以凝块石为主，发育胶结扇，不含或含微量的黏土矿物，指示水体较浅、水动力较强、水质清澈的沉积环境。胶结扇与富有机质组分交互分布可以快速形成稳固结构，以抵御滨岸环境较强的水动力改造。扇控型微生物碳酸盐岩的形成主要受控于有机矿化作用与化学沉淀作用，有机矿化作用控制岩石的主要结构组分，化学沉淀作用则控制胶结扇的形成[28-30]。
咸化湖泊滨岸富砂区适于厚层微生物碳酸盐岩的形成[31-32]，当以原核生物为主的微生物群落附着于清洁、透明的细粒石英颗粒之上时，通过呼吸与代谢作用产生具有黏结性的细胞外聚合体，并依附于沉积物表面不断向上生长、聚集成层状或网状微生物席[33-36]。微生物席既可以为底栖生物群落提供附着、防御性微环境，又能在矿物颗粒表面发育成微生物膜，形成新的细胞外聚合体。微生物席随着成岩作用不断向上叠加生长，矿化以后就形成了坚硬致密的微生物碳酸盐岩[37-40]。野外露头剖面的沉积序列、岩相组合（图 15a）以及岩石的微观结构特征都揭示了微生物碳酸盐岩的形成过程。
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下载原图 图 15 柴西地区新生界扇控型岩相组合中主要岩性沉积序列及微观结构特征 （a）露头剖面，产状140°∠15°，E32，海拔3 458.00 m；（b）钙质岩中碎屑颗粒周缘由有机质包裹，孔隙由富有机质组分充填，样品来自图（a）中b取样点；（c）颗粒灰岩中的鲕粒、核形石与球粒，样品来自图（a）中c取样点；（d）凝块结构，含钙化藻球粒，样品来自图（a）中d取样点；（e）凝块与叠层共生层，含丰富的球粒与聚合粒，样品来自图（a）中e取样点。 Fig. 15 Sedimentary sequence and microstructure characteristics of main lithologies of Cenozoic fan-controlled lithofacies assemblages in western Qaidam Basin |
（1）钙质岩的形成。湖侵时期咸化湖水淹没（扇）三角洲，大量微生物附着于石英、长石等碎屑颗粒表面，在碎屑颗粒周缘形成有机质包壳。由于微生物及其有机质的矿化作用，不断胶结、固化（扇）三角洲顶部的碎屑沉积颗粒，形成钙质岩（图 15b）。
湖侵时期，弱固结砂岩的孔隙中含有大量高矿化度流体，孔隙中的细菌黏附于颗粒表面，以形成微生物群落的方式生存。微生物群落在埋藏过程中占主导地位，并以非常缓慢的速度降解，支撑地质历史时期深层生物圈中的生命，其中一部分微生物在海底250~320 m的古老沉积物中能够存活7~11 Ma[41-42]。微生物细胞不仅保持着代谢活动的能力，还可以促进微生物群落在孔隙或裂缝中的矿化过程，尤其在颗粒表面的凹坑和沟槽中优先生长，不断积累有机质和次生矿物[43-44]，最明显的特征就是形成颗粒包壳，堵塞孔隙。
（2）颗粒灰岩的形成（图 15c）。钙质岩之上发育薄层泥灰岩和颗粒灰岩，颗粒灰岩单层厚度为1.0~2.0 m，胶结致密，以基质支撑为主，局部颗粒支撑。颗粒类型多样，包括鲕粒、核形石、球粒及团块，并由亮晶方解石胶结而成（参见图 8d）。颗粒灰岩中富含陆源碎屑，核形石的内核就以陆源碎屑为主。稀土元素检测揭示研究区颗粒灰岩中的鲕粒、核形石、球粒及团块的有机组分特征与微生物碳酸盐岩具有一致性，表明其有机组分与微生物碳酸盐岩的成因具有关联性[16]。
（3）微生物席的发育及矿化作用。底栖微生物群落附着于碎屑颗粒或颗粒灰岩之上，发育微生物席。微生物席的存在为微生物群落的生存、细胞的代谢创造了稳定的生态环境，也为生物矿化与有机矿化作用提供了有利场所。高矿化度水介质中蓝细菌大量繁殖，以早期矿化的藻球粒为附着物形成了一系列微生物群落（图 15c，15d），围绕钙化藻球粒的微生物膜及其EPS发生有机矿化作用[45-46]。微生物膜及其EPS因吸附大量CO32-而形成的负离子层可为Ca2+提供大量配位体，通过吸附作用沉淀方解石，形成微晶方解石球粒。微生物群落及其内部的单细胞直接参与矿化作用，可形成富有机质组分[47-48]。
生物群落围绕钙化藻球粒不断发生环带状的矿化作用，因此球粒、聚合粒及团块中隐约可见生长纹层，其周缘附着大量钙化的纤毛状絮状物或钙化的EPS。球粒与团块外部发育结晶壳套，壳套内侧矿物为泥晶方解石，外侧为泥晶白云石，壳套内、外矿物类型的差异取决于溶液中离子类型及其含量的变化。方解石沉淀之后，溶液中Ca2+浓度降低，Mg2+浓度大幅度上升，当Mg2+达到临界浓度后，结晶为白云石。局部辐射状文石可能由有机矿化作用和化学作用共同控制，将微生物的细胞结构比作矿化模板，其官能团的组成和结构可以被动形成不同类型矿物成核的理想条件，一些微生物可控制矿物的初始成核，也能控制矿物的结构和生长方向。然而，应该注意微生物只是用来增强过饱和溶液中的沉淀动力，既不增加矿物的沉淀程度，也不促进欠饱和溶液中的沉淀[49]。
（4）边缘结壳与胶结扇的发育。凝块石中的团块、球粒与聚合粒的边缘普遍发育壳套，孔隙与空腔中均形成胶结扇（图 16）。诸多学者认为微生物膜表面可以作为沉淀碳酸盐矿物的理想场所，并形成壳套，他们对微生物膜介导结壳已达成共识[50-53]，壳套中的镁方解石也被广泛认为是微生物碳酸盐岩，至少早期是由生物诱导所致[54-56]。壳套主要由微生物诱导形成的标志包括：典型的有机质生长形式，拥有生物遗迹化石及生物诱导成因的球粒结构，所捕获的颗粒表面由黏液包裹，在相似的孔隙中其生长厚度在侧向具较大变化等[57]。
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下载原图 图 16 柴西地区新生界扇控型微生物碳酸盐岩中的壳套与胶结扇 Fig. 16 Fabric shell and cemented fan of Cenozoic fan-controlled microbial carbonate rocks in western Qaidam Basin |
胶结扇矿物成分以较纯净的亮晶方解石为主，晶体粒径为100~300 μm，相互镶嵌，可见大量生长缝合线，局部孔隙中发育双层镶边型胶结扇，内侧矿物为泥晶白云石，孔隙中发育方解石，方解石与白云石之间的边界清晰可见。分析认为胶结扇的成因主要是化学沉淀作用，环境与气候的变化造成孔隙水浓度的变化，再加上后期流体的注入，共同导致方解石与白云石的快速生长且交替分布，其中方解石的形成滞后于白云石，为后期高矿化度的流体注入所致。水介质中的矿化度影响着碳酸盐的沉淀，其影响因素有：①水体碱度与Ph，Ca2+浓度及Ca2+与Mg2+的浓度比[58]；②波浪搅动、温度变化以及光合作用造成CO2的消失等[59]；③有机质降解释放氨气[60]和硅酸盐的风化[61]等。
微生物碳酸盐岩结构组分边缘结壳与胶结扇的发育特征均与前寒武至显生宙以来的海相微生物礁体普遍相似[62-63]，分析认为研究区新生界扇控型微生物礁体形成于浅水环境，且频繁暴露于水平面，普遍发育的胶结物可以促进沉积物快速固化以抵御较强的水动力[64-65]。同时，固化作用可以保证微生物碳酸盐岩的垂向卸压与较快的生长速率，加拿大西北地区的小达尔群微生物礁体的同沉积胶结物就非常典型[66-67]。
4.2 湖控型微生物碳酸盐岩研究区湖控型微生物碳酸盐岩的典型特征是凝块石与叠层石均常见，通常混合共生，不发育胶结扇，泥质含量较高，可见大量疑似化石，矿物成分表现出明显的混积特征，颗粒粒径小，纹层厚度小等这些特征都是盆内较弱水动力及高沉积速率条件等因素综合影响的结果，指示水平面频繁变化、水体较深、水动力较弱、水质浑浊的沉积环境。湖控型微生物碳酸盐岩的形成由有机矿化作用、化学沉淀作用以及物理作用等多因素综合控制，有机质组分主要由微生物参与形成；泥晶方解石、镁方解石与白云石主要由有机矿化作用与化学沉淀作用共同控制形成；黏土与陆源碎屑则为在重力作用下由机械沉淀而成，其中一部分由EPS黏液捕获并黏结，形成了微生物碳酸盐岩的基质。
微生物大群落附着于软沉积物之上形成了微生物席，垂直于微生物席的丝状蓝细菌向上生长形成梳状有机质，与蓝细菌鞭毛一起降低水体流速，捕获黏土等较小的沉积颗粒，并与泥晶碳酸盐岩颗粒混合聚集形成凝块石，导致凝块石富含黏土矿物与有机质成分。叠层石形成于水动力较弱的沉积环境，发育明暗纹层，分析认为季节变化是明暗纹层形成的主控因素。夏季微生物的光合作用与呼吸作用强烈，微生物席中的球形蓝细菌生长更快，黏结大量碎屑颗粒形成明层，明层以陆源碎屑颗粒与亮晶方解石为主；冬季丝状蓝细菌过度生长，穿过亮层结构向新的微生物席移动[68-70]，以富有机质黏土矿物为主。叠层石与凝块石混合共生体现了沉积环境复杂多变，综合反映了光照、温度、盐度、气候以及季节变化等因素。
5 结论（1）柴达木盆地西部地区新生界发育湖相碳酸盐岩，其中微生物碳酸盐岩是重要沉积类型，主要分布在咸化湖泊边缘滨岸区、斜坡带、断阶带与浅水湖泊沉积环境。受古地貌、沉积环境、陆源碎屑供给等综合影响，发育扇控型与湖控型2类岩相组合，扇控型岩相组合主要分布在湖泊边缘滨岸环境，厚度大、分布广；湖控型岩相组合主要分布在斜坡区、断阶带以及浅水湖泊，厚度小、分布局限。
（2）研究区不同岩相组合中微生物碳酸盐岩的类型与结构特征均存在较大差异。扇控型微生物碳酸盐岩发育在水体较浅、水动力较强、水质清澈的沉积环境，形成于湖侵阶段，往往叠置于厚层块状砂砾岩之上，呈丘状或穹隆状外部形态；岩石类型以凝块石为主，偶见叠层石，通常夹持在凝块石中，单层厚度较小，通常为毫米级或厘米级的明暗纹层；微观结构以团块（凝块）、球粒及聚合粒为主，粒径较大，团块与颗粒间亮晶方解石胶结；矿物类型单一，结晶分异明显，黏土矿物缺乏，发育胶结扇；主要由有机矿化作用与化学沉淀作用控制形成。
（3）湖控型微生物碳酸盐岩形成于水体较深、水动力较弱、水质浑浊、泥质含量较高的沉积环境，无论在湖侵、湖退阶段均可形成；发育退积型、进积型以及加积型等多种沉积层序，往往与泥晶碳酸盐岩、泥岩与粉砂岩互层分布，且单层厚度普遍较小；叠层石与凝块石均发育，且二者混合共生；结构类型多样，矿物组分混杂，不发育胶结扇；主要矿物为方解石和白云石，还有丰富的陆源碎屑、黏土矿物以及少量的黄铁矿和蒸发岩矿物等。由有机矿化作用、化学沉淀作用以及物理沉积作用等控制形成。
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