影响礁相碳酸盐生物成岩作用的主要因素

6．2．4　影响礁相碳酸盐生物成岩作用的主要因素

影响碳酸盐生物成岩作用的因素很多，其中包括纬度、水深、温度、压力、水体动荡情况、水化学条件(如CO₂的含量等)、海平面升降、陆源物质的带入及大地构造背景等。由于生物礁是一个对环境条件反应十分敏感的生态系统，因此影响生物礁生态系统中碳酸盐生物成岩作用的因素就更为复杂。下面就影响生物礁生态系统中碳酸盐生物成岩作用的主要因素作一分析。

6．2．4．1　断裂构造对礁相生物成岩作用的影响

礁和大地构造的相互关系是地质学者最常研究的一个问题。范嘉松等(1990)、强子同等(1985)许多学者都曾指出断层在生物礁形成过程中的作用。徐桂荣等(1996，1997)、杨万容等(1995)等在对我国南方二叠纪生物礁的研究中均肯定了构造活动及由构造活动所引起的海平面变化对成礁作用的影响。

断裂构造对礁体中生物碳酸盐建造的影响实质上是通过水下断裂两侧基底的差异升降从而导致基底所处水深的变化来实现的。但由于断裂构造引起的基底水深的变化及对生物礁的影响与其他因素引起的礁体所处的水深变化有着根本的区别，因而很多学者在研究生物礁演化历史时多将断裂构造作为一种独立影响因素给予考虑。

断裂构造对生物礁碳酸盐成岩作用的影响可分为两种情况。一种是断裂活动发生在水深较大的海底，另一种是断裂活动发生在水体较浅的海底。当断裂构造发生在水体较深的区域时，随着两侧断块的差异升降，其中的上升盘所处的水深将逐渐变浅。当上升盘的深度达到生物礁生长所需的临界深度时，那么就具有形成生物礁相碳酸盐建造的基本条件。但随着上升盘的不断上升或生物碳酸盐沉积厚度的增大，礁体所处的水深将变得越来越小。这时，上升盘的上升作用却转而成为生物礁生长的障碍，并可能导致生物礁的消亡和生物碳酸盐成岩作用的停止。当断裂构造发生在水体较浅的区域时，上升盘由于本身处在浅水环境，其上已没有太多空间可容纳生物礁的生长。而下降盘的下降却可不断地给造礁生物的生物碳酸盐建造提供足够的空间。

断裂构造与礁相生物碳酸盐建造之间存在上述的这种联系，但并不是说任何生物碳酸盐的生物成岩作用都必须以断裂构造的存在为前提。相反，在很多情况下，碳酸盐的生物成岩作用与断裂构造没有必然的联系。这种情况多发生在稳定的地台区。另外，要判断碳酸盐的生物成岩作用与断裂构造之间有没有关系往往非常困难。首先是因为断裂的空间出露的限制和标志性特征的缺乏，往往会使不同的人对断裂的性质作出不同的结论。其次，由于地质构造活动的多期次性，目前所保存的断裂的特征和现状只是最后一次断裂活动的结果，并不一定代表当时碳酸盐建造过程中的同生断裂。

6．2．4．2　海底地形对礁相生物成岩作用的影响

前文提到断裂活动与礁体生长之间的关系较为复杂。相反，礁在反映古代海底地形时往往是一种极其灵敏的指示器(库兹涅左夫，1983)。由于绝大多数的生物礁生长在正常的浅海环境，其中水深几米至十几米范围内是生物礁最为繁盛的区域。因此浅水区及深水区的海底正地形就成了生物礁生长发育的一个重要条件。这些海底正地形包括水下堆积起来的各种沉积体，如各种碎屑滩、沙坝、沙洲、地垒、较老的礁石及火山锥等。生物礁生长在浅水区域这主要与礁体自身的生态系统特征有关。海底高地一方面将造礁生物托起在浅水区域，使造礁生物处在一个亮度和通气条件都相当优越的水域环境，使进行光合作用的生产者以及随之而来的其他造礁生物得以广泛发育。而对于那些周边为深水洋盆的生物礁来说，海底正地形除了能提供上述这种生态条件外，还能给造礁生物提供丰富的来自深水区的营养元素。原因是一些N，P等易为生物吸收的基本元素主要浓缩在深部的冷水中，在浅水光合作用区常常很缺乏(库兹涅左夫，1983)。而富含这些元素的冷水的上升道路之一就是隆起的斜坡(库兹涅左夫，1983)。

处在地槽区的生物礁由于其周边多为深水相的泥质岩或放射虫硅质岩(radiolarian chert)等，其正地形往往为火山锥。现代海洋中的珊瑚礁的情况大多如此。古代槽区的礁体也多类似，其中东昆仑地区二叠纪的生物礁是古代地槽区生物礁的一个良好代表。

东昆仑地区二叠纪生物礁主要分布在东昆仑造山带的南坡及阿尼玛卿一带。生物礁的周边多为深水相的砂板岩及深海软泥。由于灰岩与砂板岩之间存在差异风化，礁灰岩在地貌上多呈突起状，而周围的砂板岩的地势则相对较低。另外由于前人多将本区这套砂板岩的时代定为三叠纪，所以粗一看，给人的感觉是二叠纪的灰岩推覆在三叠纪的砂板岩之上。但经后来的研究发现，很多二叠纪礁灰岩之下存在火山岩或火山碎屑岩。因此这些礁灰岩实际上是在古代深水海洋中的火山锥基础上生长起来的生物礁建造，而不是推覆体(王永标等，2000)。

图6．1所表示的是东昆仑南坡东端二叠纪生物礁的分布及其与周边砂板岩及复成分砾岩的关系。从图中可以看出，大部分的礁灰岩之下均有复成分砾岩基座的存在或与复成分砾岩相伴生。礁灰岩与其下的复成分砾岩之间的这种分布上的紧密关系是很难用推覆体来解释的，因为推覆是一种无机过程，它不可能有选择地将大部分的礁灰岩有目的地推覆到复成分砾岩之上。相反，这种现象却能从生物礁生长发育所需要的环境条件的角度得到圆满的解释。因为一切礁和有机建造的形成都要有能使礁生物群落中的生物蓬勃发展的合适的生态条件。但仅仅有温暖、清洁、含盐度正常或接近正常的海水等条件对礁的形成是不够的，海底的正地形是礁发育的一个重要条件。本区生物礁灰岩多发育在砾岩这样一个正地形基座(foundation)之上，这种现象决非偶然，其中有其必然的联系。首先，野外观察到这些砾岩的周围都是一些同期的盆地相沉积物，其中主要为中薄层砂岩、粉沙岩、灰黑色板岩夹中薄层灰岩。在研究区南边的阿尼玛卿一带甚至出现碳酸盐补偿深度之下沉积的深海粘土夹放射虫硅质岩。在这样一种深水盆地上如果没有一个基座来作为建造基础的话，造礁生物是难以发展起来的。

6．2．4．3　气象条件对礁相生物成岩的影响

气象条件包括古纬度、古温度、风向及因风向引起的古水流方向的变化等因素。在现代海洋中，纬度对生物礁的分布起着明显的控制作用，现代绝大部分的生物礁都分布在南纬和北纬30°的范围之内。按“将今论古”的现实主义原理，则古代生物礁的分布也应该受到纬度的控制。然而从古代生物礁的分布情况来看，很多生物礁现在所处的纬度显然明显偏高。中国二叠纪的生物礁除扬子地区仍处在低纬度外，东昆仑地区为约北纬36°，新疆及内蒙古地区的二叠纪生物礁则约为41°～43°，而俄罗斯乌尔地区的生物礁所处纬度则更高。如果古代地球的气候条件与现代的相差不大的话，那么古生物礁的这种分布现状只能用板块漂移来解释。温度在很大程度上与纬度有关，但由于海洋暖流及寒流的影响，在局部地区可以影响生物礁的纬向分布。

因气象条件引起的风浪和水流对生物礁生长的影响更直接。由于礁生态系统中大部分造礁生物为底栖固着的滤食生物，因此能给其带来食物和新鲜水的波浪和水流自然显得更为重要。生物礁在浅水区生长也与造礁生物的这种生存要求有关，因为浪基面以上的浅水区总是比浪基面以下的相对静水区更适合底栖固着生物得到新鲜的食物和水。另外受风向决定的水流方向也明显地控制着礁体的生长和分布，现代海洋中的生物礁多生长在迎风面已是众所周知的事实，古代生物礁的生长也应是如此。

图6．1　东昆仑南坡东端二叠纪礁灰岩的分布特征

湘西慈利二叠纪珊瑚礁与海绵礁的生长特征是个很好的例子(王永标等，1997)(图6．2)。在礁体发育早期，珊瑚礁生长在岸边，而海绵礁生长在台地边缘。随着海绵礁的不断生长上升，逐渐在其后形成一闭塞的潟湖(lagoon)。而这时处在潟湖与海岸之间的珊瑚礁自然也受到闭塞环境的影响，而最终消亡。相反，处在台地边缘的海绵礁因其前方为不受阻挡的开阔海，一直延续到晚二叠世的末期。

图6．2　湖南慈利晚二叠世生物礁的沉积模式

东昆仑地区二叠纪生物礁的分布则是在更大范围内受复杂水流影响的典型例子。在阿尼玛卿地区，骨架岩(framestone)主要分布在托索湖(冬给措纳湖)—花石峡礁岛链的南坡，北坡相对不发育。骨架岩的这种分布特点说明当时海流的主体方向基本上是由南向北。礁体的这种古地理指向与东昆仑地区沉积相的宏观展布所反映出来的古海洋格局是一致的。但在东昆仑南坡地区，礁灰岩的展布方向多变，有的分布在礁岛(reef island)南侧，也有的分布在礁岛东侧或礁岛中间(王永标，2001;林启祥等，2001)。这说明东昆仑南坡地区当时古海流的方向可能是多变的。这种方向多变的古水流可能由多种原因造成，一种可能是由于托索湖—花石峡一线生物礁岛链的阻挡使原来来自南边阿尼玛卿洋方向的古海流发生偏向;另一种可能是由于东昆仑南坡复杂的礁岛海环境中礁岛之间的相互阻挡导致古水流的复杂化;再一种可能是来自南边阿尼玛卿洋的海流与来自东部秦岭海槽的海流互相叠加造成东昆仑南坡地区水流方向的多样化。当然也可能是所有这些因素共同影响的结果。

6．2．4．4　基底沉降及海平面升降对礁相生物成岩作用的影响

相对海平面的变化直接影响着生物礁的生长和发育，但引起相对海平面变化的因素是多种多样的，除了前述的断裂构造外，还有因海陆变迁、全球气候及非断裂引起的基底沉降等。下面就非断裂构造引起的相对海平面升降对生物礁生长的影响作一简述。

在海洋中，当火山锥上增加了大型礁建造物的负荷时，下陷作用就会更加活跃起来，幅度可达2～3km(库兹涅左夫，1983)。下陷作用主要发生在礁的基底及周缘地区。根据现有资料，构造拗陷或海底沉降对礁的生长及其性质起着重要作用。生物礁是对水深十分敏感的生态体系，如果海平面保持不变，其向上生长的空间将十分有限，并最终抑制其向上生长，而无法形成比周围沉积物明显突出于海底的碳酸盐建造。基底沉降是引发相对海平面上升的因素之一，因此基底沉降在一定限度内是有利于生物礁生长的。但当基底沉降速率大大超过礁体生长速率时，水深会越来越大，造礁生物最终会因无法适应深水环境而消亡。

引起海平面变化的另一重要因素是气候或大区域的海陆变迁。其中气候对海平面变化的影响主要是通过降雨量与蒸发量对比的变化及冰川和积雪的融化速度的变化来实现的。太平洋珊瑚礁在第四纪冰期与间冰期交替出现时所表现出来的生长旋回就是其中的最好例子。但上述两种因素引起的海平面变化所经历的时间往往较为漫长，而且单位时间内海平面变化的幅度不会太大。从前人的研究资料分析，在大部分情况下，礁体的生长速率一般都能达到或超过较长地质时间内的海平面上升速度。据Wolfgang Schlager(1981)研究，新生洋壳的沉降速率最大为250μm/a，洋盆的沉降速率平均为10～100μm/a，而由海底扩张引起的海平面上升速度不超过10μm/a。与此相反，仅保守地估计，生物礁及碳酸盐台地潜在的生长速率至少为1 000μm/a。这个数值超过了任何因长时期的地质变化而引起的海平面的上升速度。因此，在较长的地质时期内引起的海平面上升一般都有利于礁体的生长，而不存在因礁体生长速度跟不上海平面上升速度而被“淹死”的可能。

6．2．4．5　陆源物质的带入对礁相生物成岩作用的影响

大部分的造礁生物为底栖固着并通过滤食来生活的生物，陆源碎屑的带入自然会影响其滤食。另外，长期的陆源物质的带入势必影响水体的清澈度，从而阻挡阳光的透入性，影响绿色植物的光合作用，并最终破坏礁生态系统。因此，大量陆源物质的带入往往能抑制礁体的正常生长。库兹涅左夫(1983)认为在大量陆源物质带入的情况下，就会形成陆源岩系或碳酸盐—陆源岩系。在此岩系的碳酸盐岩夹层中，常常见有造礁生物，但是不利的条件使得刚刚萌芽的礁通常只生成层状礁或小型生物丘。在立陶宛上二叠统中就发现有类似的这种情况，波兰—立陶宛盆地在新阿克缅层系形成时，周围生长了厚50～70m的礁堤，这些礁堤为含有大量苔藓虫的碳酸盐岩块体。但在附近的井中，却相变为泥质—碳酸盐质岩系。在碳酸盐夹层中苔藓虫仍然十分丰富，但多呈碎屑状。东昆仑地区生物礁中也存在着这种现象，在那尔扎西部，树维门科组礁灰岩中碳酸盐岩较纯，且厚度大。但在其西侧的马尔争组板岩及粉砂岩中却夹有一层厚度约60cm的苔藓虫骨架岩及一些灰岩角砾共同组成的灰岩层。因此成礁现象变成了碎屑物的堆积现象，这显然与碎屑物质的进入有关。而在这样一种不利的条件下，苔藓虫却能形成高丰度(但低分异度)的骨架岩。这说明古代苔藓虫在生态上比海绵及珊瑚等造礁生物更能适应恶劣的环境。有意思的是，通过对现代苔藓虫与现代海绵、珊瑚的生态研究对比，发现存在类似的现象。

图6．3　东昆仑地区中二叠世地层分布简图(据1∶25万及1∶5万野外填图资料简编)

注:盆地相砂板岩的时代可能跨越了二叠纪和三叠纪，但目前尚难将它们分开。