从埃迪卡拉纪登英组到更广阔的视角：微生物白云岩中的相构特征与多阶段喀斯特化作用

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：From the Ediacaran Dengying Formation to broader perspectives: facies architecture and multistage karstification in microbial dolostones

微生物白云岩孔隙系统演化机制及层序控制研究——以四川盆地灯影组为例，通过沉积构造、层序旋回与多阶段喀斯特化的耦合作用，揭示 fabric-preserving 孔隙与 fabric-destructive 孔隙的叠合模式及流体演化规律。

　　

韩旺|刘丽娟|钟汉婷|陈超|侯明才

中国成都理工大学油气水库地质与开发国家重点实验室，成都610059

摘要

前寒武纪微生物白云岩通常通过早期成岩作用形成的白云石沉淀作用形成，其孔隙系统和成岩路径与显生宙置换型白云岩有根本性差异。沉积构造、周期性以及沉积后过程如何相互作用以塑造此类地层的孔隙系统演化，目前仍不完全清楚。本研究以中国南方四川盆地的埃迪卡拉纪登英组为例，结合沉积学观察、岩石学特征、阴极发光分析、岩石物理测量和原位地球化学分析，探讨了微生物白云岩孔隙发育的控制因素。登英组沉积于一个边缘有碳酸盐岩平台的区域，该平台具有侧向分明的相带，包括平台边缘和内部浅滩相、局限的潟湖-浅滩相以及潮间带平原相。这些相带以分米至米级的层序呈阶梯状分布。研究识别出两种主要的孔隙类型：(i) 与微生物骨架和颗粒结构相关的保形沉积孔隙；(ii) 由溶解、崩塌和断裂作用形成的破坏颗粒结构的喀斯特孔隙。这两种孔隙类型在同一层序中以及不同层序之间呈垂直叠加，形成了多层次且垂直异质的孔隙结构。岩石学和地球化学证据表明，孔隙演化经历了多阶段喀斯特化过程。早期选择性地溶解作用主要在微生物层理、颗粒团块和颗粒边界处扩大了原始孔隙；随后在较长时间的暴露条件下发生了非选择性的喀斯特化作用，形成了洞穴、碎屑支撑孔隙和裂隙网络。晚期填充洞穴的胶结物具有较低的Na、Li、B和Sr/Ca比值，重稀土元素（REE）富集特征，以及较低的δ¹⁸O值（低至?10.66 ‰ VPDB），这些特征共同表明了大气流体参与了孔隙系统的改造。与其他全球前寒武纪微生物白云岩地层的比较表明，相带构造、层序周期性和多阶段喀斯特化作用之间的耦合是前寒武纪微生物白云岩孔隙系统演化的一般机制。这些结果强调了地层构造和暴露历史在控制前寒武纪微生物碳酸盐岩成岩过程中的重要性。

引言

碳酸盐岩地层记录了多种沉积和成岩过程，这些过程对孔隙发育和岩石异质性具有决定性影响。在显生宙系统中，白云岩通常被认为是前体石灰岩经成岩作用置换形成的产物，这一过程通常伴随着约12–13%的体积减少，这有助于孔隙的形成和后续的孔隙改造（Weyl, 1960; Machel, 2004）。因此，显生宙白云岩的研究主要集中在置换机制、白云石化前沿及其成岩后果上，同时也考虑了喀斯特化、断裂作用、流体流动以及压力-温度条件变化的影响（Machel, 2004; Jiang et al., 2016）。

相比之下，许多前寒武纪碳酸盐岩地层中含有通过早期成岩作用形成的微生物白云岩，这些白云岩保留了沉积时的原始结构（Tucker, 1982; Hood et al., 2011; Shuster et al., 2018; Bao et al., 2022）。这类微生物白云岩在全球多个前寒武纪盆地都有发现，包括西伯利亚、阿曼、南澳大利亚和中国北方，表明早期成岩作用形成的白云岩并非孤立现象（Plummer, 2021; Zhai et al., 2023）。这类微生物白云岩与典型的显生宙置换型白云岩在多个方面存在显著差异：首先，它们与微生物席和生物堆积体（如叠层石和凝块石）密切相关，反映了微生物对碳酸盐沉淀的强烈调控作用（Vasconcelos et al., 1995; Sánchez-Román et al., 2008; Yuan et al., 2022）；其次，它们通常具有相对均匀的晶体尺寸和较少的置换遗迹，这与同期沉积或早期成岩作用过程中的白云石化过程一致（Li et al., 2021; Wang et al., 2021）；第三，这类白云岩通常呈厚层或块状分布，并具有广泛的侧向延伸性，表明沉积作用与早期成岩作用在盆地尺度上同步进行（Bosak et al., 2013; Ding et al., 2021）。这些特征表明，前寒武纪微生物白云岩记录的沉积和早期成岩过程与年轻碳酸盐岩系统以置换作用为主的机制截然不同。

尽管人们越来越认识到前寒武纪微生物白云岩的早期成岩起源，但控制其孔隙发育的沉积学和成岩过程仍存在争议。特别是两个未解决的问题是：(1) 沉积相带构造和阶梯状层序如何影响孔隙和胶结物的空间分布；(2) 控制这些微生物白云岩孔隙系统演化的过程在不同前寒武纪盆地中是否存在共性。解决这些问题需要综合分析微相、沉积周期性、暴露表面以及多阶段成岩作用的影响，而不能仅依赖传统上用于显生宙白云岩的研究方法。

中国南方四川盆地的埃迪卡拉纪登英组为研究这些问题提供了理想的环境。先前的研究表明，登英组保留了发育良好的微生物结构、广泛的模拟白云石纹理和接近海水的地球化学特征，这些特征与同期沉积或早期成岩作用过程中的白云石化过程一致（Lin et al., 2017; Li et al., 2021; He et al., 2025）。该地层沉积于一个边缘有碳酸盐岩平台的区域，具有侧向变化的相带和多级阶梯状层序，为评估沉积过程、暴露事件及后续成岩改造之间的相互作用提供了可靠的地质框架（Song et al., 2018; Zhu et al., 2020; Wang et al., 2021）。

在本研究中，我们通过薄片岩石学分析、阴极发光分析（CL）、孔隙度-渗透率测量和原位地球化学分析，探讨了前寒武纪微生物白云岩中微相构造、沉积周期性、暴露相关成岩作用与孔隙系统演化之间的关系。我们利用LA-ICP-MS测定了不同成岩阶段的胶结物主量和微量元素组成，并利用碳-氧同位素（δ¹³C–δ¹⁸O）数据来了解连续成岩事件中的流体演化过程。通过明确将孔隙发育和胶结物序列与层序边界上的暴露事件联系起来，我们评估了新元古代晚期碳酸盐岩平台上相对海平面波动和暴露频率对早期成岩流体环境的影响。为了将登英组置于更广泛的前寒武纪背景下，我们进一步将其沉积学和成岩特征与其他已详细记录的微生物白云岩地层进行了比较，包括阿曼胡克夫超群的Ara组、东西伯利亚平台的里菲安地层、南澳大利亚的Gillen组、塔里木盆地的Qigebulake组以及中国北方蓟县群的Wumishan组。通过这种综合分析，我们旨在确定前寒武纪微生物白云岩孔隙系统发育的控制因素，并评估这些因素在不同盆地和沉积环境中的普遍性。

地质背景和地层框架

四川盆地位于扬子克拉通的西北部，是一个长期存在的克拉通内盆地（图1a；Wang and Li, 2003; Li et al., 2003）。在埃迪卡拉纪期间，构造活动的平静促进了稳定碳酸盐岩平台的发展，形成了登英组（Gu et al., 2021）。该地层广泛分布于盆地中，厚度从几十米到几百米不等，以白云岩为主。

沉积学和岩石学特征

基于岩芯和露头剖面中的沉积特征和周期性结构，对地层进行了系统划分。关键参数（包括埋藏深度、颜色、岩性、沉积结构、岩石学特征和岩石物理性质）逐层进行了记录。从四川盆地中部的四个代表性井（X1、X2、X3和X4）以及五个露头剖面共采集了186个不同岩性的样本。

沉积框架和主要微相类型

上扬子纪末期的登英组沉积于一个边缘有碳酸盐岩平台的区域。在平台顶部，浅海环境分为多个相带，包括平台边缘浅滩、平台内部浅滩、潟湖和潮间带平原（Wang et al., 2020b; Lan et al., 2022; Ding et al., 2021; Song et al., 2024）。平台边缘由于强烈的波浪-水流作用而具有最高的沉积能量，主要由...

相带构造作为孔隙系统框架的主要控制因素

来自上扬子地区露头和地下岩芯的沉积学证据表明，登英组沉积于一个边缘有碳酸盐岩平台的区域，其中浅层地层包括平台边缘相、内部浅滩相、潮间带平原相和潟湖相。侧向对比的层序剖面和井数据揭示了平台内相带的显著空间差异（Wang et al., 2020b; Ding et al., 2021; Lan et al., 2022）。

结论

1. 本研究表明，高能量的平台边缘到内部浅滩微生物相为登英组的孔隙系统提供了主要的结构模板，而局限的潟湖和潮间带平原相则形成了孔隙发育较差且连接性较低的孔隙系统。这种由相带控制的古地形差异为后续孔隙发育的空间异质性奠定了基础。

2. 识别出两种主要的孔隙类型：(i) 保形沉积孔隙；(ii) 由溶解、崩塌和断裂作用形成的破坏颗粒结构的孔隙。

作者贡献声明

韩旺：数据可视化、软件应用、方法设计、实验研究、数据分析、概念构建、论文撰写及审稿编辑、初稿撰写。刘丽娟：软件应用、数据管理。钟汉婷：资金获取。陈超：数据管理。侯明才：项目监督、管理及概念指导。

未引用参考文献

Cui et al., 2019

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本研究客观性的财务利益、个人关系或职业隶属关系。所有作者明确确认，在本研究、作者身份或论文发表方面不存在任何潜在的利益冲突。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：U2344209、42102138、42050104、U42272131、U19B6003）、成都理工大学自然资源部深时地理与环境重建与应用国家重点实验室的开放基金（项目编号：DGERA20221103），以及成都理工大学油气水库地质与开发国家重点实验室的开放基金（项目编号：PLC20210202）的支持。