碳酸盐岩地层是全球油气勘探中极其重要的有利储层,其油气产量约占世界总产量的60%,显示具有极大的勘探与开发价值。此外,碳酸盐沉积体系还是古海洋、古气候的良好载体,能够更加丰富地记载地质历史时期的古环境变化,因而受到全球科学家的重视。本文以南海西科1井全取芯(1257m)的岩芯为研究对象,精细刻画西沙中新世以来的生物礁滩体系特征,同时厘清海平面、构造、温度、营养盐等因素对碳酸盐工厂演化的控制作用,建立起南海北部生物礁滩体系中新世以来的发育模式。论文成果认识既对南海生物礁滩体系发育演化研究具有重要的理论意义,也为南海碳酸盐岩储层分布预测提供了基础。论文取得的重要研究成果具体包括以下几个方面:1.识别出中新世以来生物礁滩体系发育的5种沉积相,包括:生物礁相、生屑滩相、浅水开放滩相、碳酸盐-陆源碎屑混积相、风成沉积相,其中生物礁相又可进一步细分为珊瑚礁微相、珊瑚-藻礁微相、礁盖微相,生屑滩相又可进一步划分为内侧滩微相、外侧滩微相。珊瑚礁相主要发育在早更新世后期至晚更新世时期,珊瑚-藻礁微相主要发育在晚中新世早期,礁盖微相主要发育在早中新世晚期、晚中新世早期、中更新世至晚更新世时期,内侧滩微相主要发育在中中新世早期、上新世晚期、更新世早期,外侧滩微相主要发育在晚中新世晚期、早上新世时期,碳酸盐-陆源碎屑混积相只发育在早中新世时期,风成沉积相仅发育在晚更新世时期。2.基于中新世以来造礁珊瑚发育程度,识别出12个碳酸盐成分组合带。根据不同层段是否含有造礁珊瑚,将西沙碳酸盐沉积划分出6个Photozoan组合带,4个Heterozoan组合带,和2个Heterozoan-dominated组合带。Photozoan碳酸盐组合带出现在中新世时期、早更新世至晚更新世时期,Heterozoan碳酸盐组合带出现在早中新世时期、中中新世时期、晚更新世时期,Heterozoan为主要特征的碳酸盐组合带出现在中中新世晚期、晚中新世晚期至早更新世时期。3.查明了中新世以来相对海平面对研究区碳酸盐岩发育的影响。相对海平面由全球海平面与构造两个参数共同决定。早中新世-晚中新世早期,相对海平面较低,使得碳酸盐岩中广泛发育暴露面。晚中新世晚期至早上新世早期,由于区域构造加速下沉,相对海平面迅速上升,研究区开始发育Heterozoan碳酸盐工厂,沉积以外侧滩为主。到了早上新世晚期及之后,构造作用逐渐变弱,全球海平面起到主导作用。全球海平面在上新世时期较高,进入更新世后逐渐下降。随着全球海平面下降,Heterozoan碳酸盐工厂转变为Photozoan碳酸盐工厂,早期的外侧滩、内侧滩转变为了以珊瑚礁为主的沉积。生物礁单元厚度随着全球海平面振荡的频率也发生了变化。在中更新世之前,全球海平面整体仍处于较高阶段,此时以较高的频率振荡,形成了厚度较薄的生物礁,而与之不同的是,到了中更新世之后,全球海平面整体处于较低的阶段,此时以较低的频率振荡,形成了厚度较大的生物礁。中更新世之后,全球海平面振幅也有所增大,较大的下降幅度使得形成的厚层生物礁被频繁暴露,形成礁盖沉积。进入晚更新世之后,全球海平面进一步大尺度下降,使得研究区暴露地表,发生风成沉积。4.揭示了中新世以来营养盐对研究区碳酸盐演化的影响。根据营养盐地球化学替代指标(即Ln(Cu/Ti),Ln(Ba/Ti))变化以及与高营养盐密切相关的生物组分(苔藓虫、红藻石、圆盘虫、箭头虫、卷转虫等)富集程度变化,指示了研究区营养盐整体呈现出多个较高值,总体表现在21.2-17.3Ma、15.5-11.6Ma和3.0-1.7Ma。在早中新世晚期至中中新世时期,研究区营养盐增大与东亚季风发育增强期(21.2-17.3Ma和15.5-11.6Ma)有关,东亚夏季风引发了大规模的上升流,流经西沙海域,促使该区生产力水平整体较高,浮游植物广泛生长,进而使得Heterozoan碳酸盐工厂在西沙浅水海域广泛发育,导致造礁珊瑚不能生长,转而形成浅水开放滩。晚上新世至早更新世时期(3.0-1.7Ma),研究区营养盐增大可能与全球冰盖增长有关,全球冰盖的增长使得南大洋营养盐经中层流运输至南海,较高的营养盐配合当时较高的全球海平面使得研究区主要发育Heterozoan碳酸盐工厂。在早更新世之后,随着营养盐与海平面的同时降低,使得研究区广泛发育Photozoan碳酸盐工厂,进而形成厚层生物礁。5.建立了低营养盐型正常生物礁滩模式和季风诱发高营养盐型开放滩模式。在营养盐水平较低的情况下,研究区发育的是正常生物礁滩模式,生物礁滩发育主要受控于水深变化。在水体干净且较浅的环境中,光线充足,造礁珊瑚广泛发育,形成厚层珊瑚礁微相,随着水深略微加大,光线强度稍有下降,珊瑚含量有所降低,壳状红藻逐渐繁盛起来,形成珊瑚-藻礁微相,随着水深进一步加大,珊瑚含量进一步下降,红藻碎屑与底栖有孔虫碎屑含量增多,形成了内侧滩微相,到了外侧滩微相,浮游有孔虫与钙质超微也繁盛起来。正常生物礁滩模式下,由浅至深,底栖有孔虫由浅水种组合逐渐转变为深水种组合。在季风诱发的高营养盐作用下,研究区发育开放滩模式。由于营养盐水平较高,水体表层的浮游植物很多,使得浅水区即为贫光区,珊瑚不能生长,不发育浅水环礁,在这种贫光区内,适应弱光条件的底栖有孔虫属种大量出现。由于水体富营养盐化,偏好营养物质的生物(包括苔藓虫、腹足及部分底栖有孔虫属种)以及红藻石出现较多。6.构建了中新世以来的生物礁滩体系演化样式。生物礁滩体系发育演化受相对海平面、营养盐、温度等因素控制。早中新世初期,东亚夏季风较弱,温度较高,随着区域热沉降导致相对海平面缓慢上升逐渐淹没过西沙隆起后,正常生物礁滩体系在西沙隆起之上开始发育。随着相对海平面持续上升,生物礁迁移至高地,形成新的生物礁-生屑滩格局。到了早中新世中期至中中新世时期(21.2-11.6Ma),相对海平面下降,研究区水体整体较浅。在该时间段内,东亚夏季风强度明显增强,引发的强上升流使得西沙发育厚层的开放滩沉积。正常生物礁滩样式只在夏季风变弱的三个短暂间断期内发育。晚中新世初期11.6-10.5Ma期间,相对海平面进一步下降,使得研究区发生暴露,接受剥蚀。进入晚中新世早期之后(10.5Ma之后),东亚夏季风快速变弱,上升流彻底退出西沙海域。从晚中新世早期(10.5Ma)至上新世早期,西沙地区发生了快速沉降作用,相对海平面呈现出逐渐加深的趋势。在相对海平面较低的晚中新世早期,研究区水体较浅,生物礁发育较多。到了晚中新世晚期-上新世早期,持续的构造下沉作用使得相对海平面持续上升至较高的位置,研究区进入深水区,以外侧滩沉积为主。上新世中期之后,构造活动明显减弱,全球海平面变化开始占据主导作用。在晚上新世至早更新世时期(3.0-1.7Ma),南海营养盐的增加结合较高的全球海平面位置,使得生物礁发育程度不高。在早更新世之后(1.7Ma之后),随着全球海平面、南海营养盐的同步下降,造礁珊瑚在浅水位置大量发育。全球海平面在中更新世时期左右,由高频、低幅振荡转为低频、高幅振荡,受短尺度海平面频率降低影响,生物礁单元厚度变大。受短尺度海平面振幅增大影响,已形成的生物礁单元之上发育礁盖。