葛毓柱
地质历史时期，海相沉积物孔隙内部充填物复杂多变，比如其形态和矿物特征。这些变化记录了大量的环境和成岩信息。特别值得关注的一个问题是：这些孔隙充填物到底是海水沉淀产物，还是成岩置换所致？充分理解这些充填物的成因对于古环境解读和成岩史分析具有重要意义（Wilson and Dickson, 1996）。作为海相沉积物孔隙充填物重要的组成部分，放射纤维状方解石广泛出现于碳酸盐岩台地、缓坡、泥晶丘等环境中，并分布于潮间到深水等不同水深处。此外，放射纤维状方解石在古生代和中生代常见，但是在新生代（尤其是全新世至今）变得少见。关于放射状方解石的成因，前人提出了多种解释：(i) 正常海水中直接沉淀；(ii) 蒸发海水沉淀；(iii) 海水-大气水混合沉淀；(iv) 灰泥置换；(v) 纤维状文石胶结物置换；(vi) 柱状高镁方解石胶结物置换；vii) 微生物作用沉淀 (Kendall, 1985; Kim and Lee, 2003; Wilson and Dickson, 1996)。
前人的研究主要集中于古代沉积物，原始沉积信息的丢失和后期复杂成岩作用的叠加可能是导致古代放射纤维状方解石成因多解性和争论性的重要因素之一。本文报道近现代阿布扎比沿海早期海相碳酸盐胶结沉积中发育的放射纤维状方解石 (Ge et al., 2022)。由于形成时期新和埋藏影响弱，相关发现为海相放射纤维状方解石成因机制提供了新的见解。
1. 研究背景
阿布扎比沿海区域位于中东波斯湾西南部（图1A），地貌特征表现为多个小岛及其分隔的浅水潟湖(0到10 m)，沉积环境由陆向海方向依次为萨布哈、潮坪、潟湖和开阔海。此处气候炎热干旱，无河流输入。研究区近现代海相碳酸盐沉积发育，并且自全新世到现代常见早期碳酸盐胶结现象(图1B-E)(Ge et al., 2020)。放射纤维状方解石作为孔隙充填物，见于全新世早期胶结沉积物中(Ge et al., 2022)。为了探明放射纤维状方解石成因，重塑其形成过程和形成环境，沿着自现代到全新世时间轴对早期胶结沉积孔隙充填物形态演化进行了综合性研究。
图1 研究区域位置和早期胶结沉积
（A）研究区域位置。红圈标明采样点，其中L1 和L2 指示现代早期胶结沉积采样点。L3指示全新世早期胶结沉积采样点。（B）现代早期胶结沉积，其上表面平整。（C）现代早期胶结沉积，含大量生物碎屑（红色箭头指示）。（D）全新世早期胶结沉积，其上表面也平整。（E）全新世早期胶结沉积，含大量生物碎屑（红色箭头指示）
2. 研究内容
2.1 现代早期胶结沉积孔隙充填物
现代早期胶结沉积14C定年结果为0-600 年，孔隙内充填物包括文石胶结物、泥晶镁方解石胶结物和极少量的石膏胶结物(图2)。泥晶镁方解石胶结物围绕颗粒边缘呈环带状分布，在扫描电镜下表现为致密微菱形集合体 （图2A）。这些微菱形集合体直径为1-4 μm, 表面不光滑，具亮色阴极发光，镁含量 2-4 wt.% （图2E）。 文石胶结物形态多样，包括板状、柱状和针状(图2F)。这些文石胶结物直径为1-15 μm，分布稀疏，并基于颗粒表面多方向展布，不具有阴极发光特征和镁含量。石膏胶结物表现为多边形。
图2 现代和全新世早期胶结沉积，沉积组份相似但是孔隙充填物明显不同
（A）现代早期胶结沉积，主要由似球粒，腹足，双壳和有孔虫组成。孔隙充填物主要为泥晶镁方解石。；（B）全新世早期胶结沉积，主要由似球粒，腹足，双壳和有孔虫组成。孔隙充填物与现代早期胶结沉积明显不同。；（C）全新世早期胶结沉积沉积颗粒和孔隙充填物镜下特征。（D）图C阴极发光特征。注意：G指示腹足，F指示有孔虫；有孔虫和孔隙充填物显示相似的阴极发光特征。(E) 现代早期胶结沉积中，泥晶镁方解石展示不规则表面和次一级板状晶体复合而成。（F）现代早期胶结沉积中，文石胶结物（红色箭头指示）显示不同形态特征（板状，针状，柱状等）。注意：P指示似球粒，B指示双壳，G指示腹足，F指示有孔虫
2.2 全新世早期胶结沉积孔隙充填物
全新世早期胶结沉积14C定年结果为2360-6700 年。相比于现代早期胶结沉积，全新世早期胶结沉积孔隙内充填物发生了显著变化（图2, 3），主要为微晶镁方解石，放射纤维状镁方解石和柱状镁方解石(图2B-D, 3)。微晶镁方解石由致密排列的微菱形晶体（直径多小于6 μm）组成，沿着颗粒表面呈环带状分布（图3A,B）。这些微菱形晶体表面光滑，经常与上述中的泥晶镁方解石伴生在同一孔隙中，且二者形态侧向上渐变。这些微晶镁方解石镁含量表现为4-7 wt.%, 呈现亮色阴极发光。此外，微晶镁方解石常位于其它孔隙充填物之下。
放射纤维状镁方解石（10-120 μm长）晶体致密排列，具弧形生长末端和波状消光，含泥晶包裹体(图3C-H)。放射纤维状镁方解石沿着向孔隙中心方向含泥晶包裹体数量减少，并且晶体变大。此外，组成这些放射纤维状镁方解石的晶体之间接触面不规则，且单个晶体由多个次一级晶体复合而成。原位元素分析表明镁含量为4-7 wt.%，且具亮色阴极发光。局部见草莓状黄铁矿和放射纤维状镁方解石伴生。
柱状镁方解石（40-160 μm长）晶体致密排列成扇形，生长末端平直，具波状消光。晶体沿着向孔隙中心方向变大，并且晶体间接触面平直(图3D, F, G)。这些柱状镁方解石呈现亮色阴极发光，含镁量为4-7 wt.%。柱状镁方解石和放射纤维状镁方解石常伴生在一起，并且侧向上二者形态发生渐变。
图3 全新世早期胶结沉积中微晶镁方解石，放射纤维状镁方解石和柱状镁方解石特征
（A）扫描电镜下，颗粒表面被泥晶和微晶镁方解石覆盖。（B）扫描电镜下，泥晶（黄色箭头指示）和微晶（红色箭头指示）镁方解石共存。（C）放射纤维状镁方解石（RFMC）和柱状镁方解石(CMC)共存于同一孔隙中。（D）图C在正交光下特征。放射纤维状镁方解石（RFMC）和柱状镁方解石(CMC)形态渐变。（E）放射纤维状镁方解石（RFMC）位于微晶镁方解石（MC）之上。注意：放射纤维状镁方解石（RFMC）展示不规则晶体间接触面。同时多个晶体末端（Mt）指示次一级晶体的存在。（F）柱状镁方解石（CMC）位于微晶镁方解石（MC）之上,并局部被放射纤维状镁方解石（RFMC）覆盖。注意：柱状镁方解石（CMC）晶体间接触面规整。（G）扫描电镜下，放射纤维状镁方解石（RFMC）和柱状镁方解石(CMC)共现于同一孔隙中。其中，放射纤维状镁方解石（RFMC）晶体间界面不规整，柱状镁方解石(CMC)晶体间界面规整。(H) 扫描电镜下，放射纤维状镁方解石（RFMC）由微晶镁方解石复合而成
3. 研究意义
综上所述，通过对比阿布扎比沿海区域现代(0-600 年)和全新世(2360-6700 年)早期胶结沉积孔隙充填物特征，放射纤维状镁方解石只出现于全新世(2360-6700 年)早期胶结沉积孔隙充填物中。此处放射纤维状镁方解石与古代常见的放射纤维状方解石具有相似的形态特征；此外，古代放射纤维状方解石的前身也通常认为是放射纤维状镁方解石(Sandberg, 1985; Christ et al., 2015)。因此认为，本研究放射纤维状镁方解石是古代放射纤维状方解石的近现代类似物。前人关于放射纤维状方解石的探讨主要集中两个方面：i) 成因机制（原始沉淀还是成岩置换）；ii)具体形成过程。结合研究区放射纤维状镁方解石沉积学、矿物学和地球化学特征，针对放射纤维状方解石成因机制和具体形成过程提出以下见解以供后续讨论和研究。
3.1 放射纤维状镁方解石：原始海水vs. 早成岩孔隙水产物
从现代(0-600 年)到全新世(2360-6700 年)早期胶结沉积孔隙充填物的明显形态变化可以有以下两种解释：i)海水性质发生了明显变化，从而导致了孔隙充填物的改变；ii) 早期成岩置换作用使得初始孔隙充填物发生了改变。第一种解释认为不太可能，因为：i)研究区域自全新世到现在海水性质并没有发生过明显变化 (Pederson et al., 2021)；ii) 全新世和现代早期胶结沉积具有相似的沉积环境，沉积组成和地球化学信号(Ge et al., 2022)。从而，第二种解释具有较大可能性。此外，现代早期胶结沉积孔隙充填物（如泥晶镁方解石，文石）作为胶结物在其它现代海相碳酸盐环境也广泛出现。但是全新世早期胶结沉积孔隙充填物（微晶镁方解石，放射纤维状镁方解石，柱状镁方解石），在其它现代海相碳酸盐环境极少出现。再者，现代泥晶方解石到全新世微晶方解石在薄片和扫描电镜下显示出形态的渐变。以上证据支持全新世早期胶结沉积孔隙充填物为早成岩孔隙水产物。
地球化学方面，现代和全新世早期胶结沉积物碳氧数据偏正，表明淡水影响不存在或微弱，与本地气候特征相符(Ge et al., 2022)。全新世镁方解石孔隙充填物亮色阴极发光特征指示较还原的孔隙水环境。这与出现伴生草莓状黄铁矿、低δ34Spyrite 值和海底沉积物颜色迅速变为还原色相一致(Ge et al., 2022)。以上进一步说明本研究放射纤维状镁方解石为早期海相成岩孔隙水产物。
图4 放射纤维状镁方解石形成过程示意图。阶段一：泥晶镁方解石（红色表示）自海水中沉淀；阶段二：泥晶镁方解石（红色表示）重结晶为微晶镁方解石（黄色表示）；阶段三：微晶镁方解石（黄色表示）初步演化为放射纤维状镁方解石（蓝色）；阶段四：放射纤维状镁方解石（蓝色）进一步演化，表现出多晶体末端和不规则晶体间界面
3.2 放射纤维状镁方解石：胶结物 vs. 重结晶产物
一方面，放射纤维状镁方解石出现在沉积孔隙内，呈纤维状并且向着孔隙中心方向生长，这符合胶结物的特征。但另一方面，放射纤维状镁方解石表现出波状消光，晶体间不规则接触和单个晶体由次一级晶体复合而成等现象，这些符合重结晶而不是胶结物特征。本研究的一个亮点是在扫描电镜下发现了从泥晶镁方解石，到微晶镁方解石，再到纤维状镁方解石的形态转变。 综合考虑，这指示了放射纤维状镁方解石可能是由泥晶镁方解石在早期海相成岩过程中转变而来。基于矿物学、形态和地球化学特征，研究区放射纤维状镁方解石具体形成过程推测如下（图4）：i) 泥晶镁方解石作为胶结物从海水中沉淀；ii) 泥晶镁方解石在早成岩过程中重结晶为微晶镁方解石，这个过程中晶面变得平滑规整；iii) 微晶镁方解石重结晶变为放射纤维状镁方解石。前人研究表明，还原孔隙水条件下，高碱度有利于孔隙充填物发育纤维状形态。此外，还原条件有利于发生微生物硫化还原，从而导致高碱度，高CaCO3 饱和度和低SO42-浓度。这些符合研究区早成岩孔隙水地化特征，可能导致或促进了放射纤维状镁方解石的形成和生长。鉴于本研究放射纤维状镁方解石为古代放射纤维状方解石的类似物，相关研究发现对于借助孔隙充填物进行古海洋解释以及理解更老相似的孔隙充填物（如纤维放射状白云岩）的成因机制具有重要意义。
本文作者系成都理工大学沉积地质研究院研究员。本文属作者认识，相关问题交流可通过邮箱1156351337@qq.com与作者联系。更多详情，请参考文章全文和参考文献。
参考文献
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