生物礁作为主要由生物或生物作用所形成的、显示古地貌隆起的一类特殊碳酸盐岩，在南海周边油气勘探中占据着重要地位。目前，南海北部在该领域的研究总体上还是基于地震资料和为数不多的钻井，如西永1井、西琛1井、西永2井、西石1井等^[1-4]，但这些钻井受当时技术条件及其他因素的制约，揭示的碳酸盐岩-生物礁地层均不完整，普遍存在取心率较低等问题，这在一定程度上制约了我们对南海地区碳酸盐岩-生物礁群发育过程及演化规律的认识。为此，中国海洋石油总公司在西沙岛礁上组织钻探了全取心的XK-1井，并全面开展生物地层、层序地层、年代地层、沉积演化、古海洋环境及储层与成岩演化等方面的研究，为系统认识南海生物礁提供了极好的条件^[5-12]。本次以XK-1井获取的岩心资料为基础，通过对主要造礁生物种类、数量、分布特征及演变规律的分析，明确了西沙地区中新世以来碳酸盐岩-生物礁的演化过程，以期为南海生物礁、滩体的进一步系统研究及生物礁油气的勘探提供基础地质依据。

1.   XK-1井及区域地质概况

XK-1井位于海南省三沙市石岛之上，与之前钻探的西永1井、西永2井和西石1井的位置十分接近(图 1)。该井完钻井深1268.02m，钻穿生物礁、滩进入基底10.5m，基底之上主要为碳酸盐岩生物礁、滩沉积。

图  1  西沙地区主要钻井地理位置图

Figure  1.  Geographical map and the location of the main wells in Xisha area

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XK-1井所在的石岛位于西沙群岛宣德环礁永兴岛的东北角，该环礁为新近纪以来在西沙地块之上发育的碳酸盐岩台地。研究表明西沙地块是南海在演化过程中形成的众多微小地块之一^[13]，其与中沙、南沙地块在白垩纪末期均为华南古地块的一部分，大约在始新世末期，伴随着南海的扩张而逐渐与华南古陆块脱离，并向南运动于新进纪到达现今位置^{[14, 15]}。新近纪，由于西沙地块逐渐沉没于海面之下，早期的断块高地成为水下隆起，因具备优越的地貌条件及适宜的温度、水深等，从而使该地区及周缘发育了大规模的碳酸盐岩台地及生物礁^[16]，目前，除少量生物礁仍在生长外，大部分被淹没于水下并被后续沉积所埋藏。

为更好开展西沙地块与邻近琼东南盆地间碳酸盐岩-生物礁发育规律的研究，XK-1井采用了邻近琼东南盆地成熟的地层格架。其中，0~214.89m为第四系乐东组，主要为生物礁灰岩夹少量生物碎屑砂；214.89~374.95m为第四系—上新统莺歌海组，以288.43m为界分为两段，其中一段主要为生物礁灰岩与生物碎屑灰岩不等厚互层，二段主要为生物碎屑灰岩夹少量生物礁白云岩；374.95~576.5m为上中新统黄流组，以470.1m为界分为两段，其中一段主要为生物礁白云岩夹少量生物碎屑灰岩，二段主要为生物礁白云岩；576.5~1032.46m为中中新统梅山组，以758.4m为界分为两段，其中一段主要为生物碎屑灰岩夹生物礁灰岩及白云岩，二段主要为生物碎屑灰岩夹生物礁白云岩；1032.46~1257.52m为下中新统三亚组，以1179.69m为界分为两段，其中一段主要为中—细晶白云岩，二段下部主要为生物礁灰岩与溶塌角砾岩；上部主要为灰绿色泥岩与泥晶灰岩。值得注意的是，由于琼东南盆地地层格架建立较早，乐东组底界位于格拉斯阶顶部，最新研究表明界面年龄约2.0Ma^[9]，2010年国际地层委员会将第四系的底界调至格拉斯阶的底，从而导致乐东组的底界与第四系的底界出现偏差，在XK-1井第四系底界位于231.86m。

2.   造礁生物类型

研究表明地质历史中的造礁生物除人们所熟知的珊瑚之外，还包括蓝绿藻、古杯类、棘皮类、海绵、苔藓虫、层孔虫、厚壳蛤类、钙藻等^{[17, 18]}。张明书等基于西永1井、西永2井及西琛1井的研究认为西沙地区中新世生物礁的主要造礁生物为珊瑚^[19]。许红等根据西琛1井的钻井资料认为西沙中新世庞大的钙藻化石群落也是生物礁格架的主要营造者，并指明在该井448.0~385.8m的12个层位发现的仙掌藻化石占据岩石的体积可到80%~95%，提供了该时期唯一与最大的成礁基本物质^[20]。本次通过对XK-1井造礁生物的分析，结合岩芯观察、岩石薄片等资料，笔者认为该井新生代地层中的主要造礁生物有钙藻、珊瑚及苔藓虫三类。

2.1   珊瑚

一般来说珊瑚分为造礁珊瑚与非造礁珊瑚两大类。造礁珊瑚绝大多数生长于水深不超过180m、年平均温度18℃之上的浅海中^[21]；但最适宜生长于25~30℃、水深20m以内的热带区域^[6]；非造礁珊瑚一般为单体，少数为小型的块状或枝状，可生活于5℃以下及500m以深的海洋之中^[6]。XK-1井在0.03~1267.67m井段观察2191个薄片，在48个层位发现可鉴定属种的珊瑚化石；此外，通过对全井段岩芯的观察，在55个层位发现了珊瑚化石。共鉴定8科20属及1个未定属(图 2)，除苍珊瑚(Heliopora)为八射珊瑚外，其余均属于六射珊瑚。刘新宇等对748m以上井段的珊瑚化石开展了研究^[6]，本次在此基础上进一步对全井段的珊瑚化石进行分析。

图  2  XK-1井典型珊瑚化石

a:陀螺珊瑚 Turbinaria ，井深:557.63m；b:扁脑珊瑚 Platygyra ，井深:78.92m；c:鹿角珊瑚 Acropora ，井深:376.18m； d：刺星珊瑚 Cyphastrea ，井深:115.79m；e:滨珊瑚 Porites ，井深:131.78m；f：星孔珊瑚 Cyphastrea ，井深:213.95m

Figure  2.  Typical coral fossils in Well XK-1

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XK-1井发现的珊瑚化石都是新近纪和第四纪印度洋—太平洋海域中常见的属，在我国南海海域，包括海南岛、北部湾、雷州半岛、西沙、中沙和南沙等地均有发现^[22]，调查表明珊瑚骨骼的形态结构与其生活环境密切相关。XK-1井发现的珊瑚既有造礁珊瑚，也有非造礁珊瑚，其中非造礁珊瑚有5个属，分别为丁香珊瑚(Caryophyllia)、角杯珊瑚(Cyathoceras)、内脊沙珊瑚(Endopsammia)、变沙珊瑚(Enallopsammia)和真叶珊瑚(Euphyllia)，其中，前三者为单体珊瑚，生活环境跨度较大，既可在浅海生存，也可在深海环境生存；后两者骨骼呈树枝状，多生活于风浪较小，水体相对安静的浅海之中。XK-1井发现的造礁珊瑚，按骨骼形态大致可分为三大类：第一类为块状，由各珊瑚体彼此相连，聚集成较大较厚的块体或球体而形成，该类珊瑚抗风浪能力较强，多生活于水动力较强的礁骨架、礁顶等环境。又可进一步细分为融合状，如蜂房珊瑚(Favia)、刺星珊瑚(Cyphastrea)、双星珊瑚(Diploastrea)、陀螺珊瑚(Turbinaria)等；多角状，如角蜂巢珊瑚(Favites)；脑纹状，如扁脑珊瑚(Platygyra)；羽扇状，如叶状珊瑚(Lobophyllia)；皮壳状，如滨珊瑚(Porites)。第二类为分枝状，由各珊瑚体向外、向上分叉生长而形成，该井中典型的有鹿角珊瑚(Acropora)，该类珊瑚由于骨骼疏松多孔，抗浪能力较差，多生活于水动力相对较低的礁前或礁后环境，如在北部湾的涠洲岛，原火山口中央形成的避风港中可见大量鹿角珊瑚(Acropora)发育^[6]。第三类为叶片状，为珊瑚个体呈薄片状向外扩展而形成，该井中典型的有蔷薇珊瑚(Montipora)，由于其厚度不大，因此承受外界冲击的能力较差，也多生活于水动力相对较低的礁前或礁后环境。

2.2   钙藻

钙藻的造礁作用与珊瑚类似，都能形成CaCO₃，在生物礁中起黏结和障积等功能，所不同的是二者的钙化机制，珊瑚属于动物造礁，主要依靠珊瑚虫分泌CaCO₃形成外骨骼构成珊瑚骨架。钙藻属于植物造礁，由于自身的结构特征，很容易被打碎而难以保存，多数情况下在珊瑚礁内参与造礁；当条件适合，也可单独形成规模庞大的植物礁，如我国西琛1井发现的中新世藻礁^[20]；同时在现代夏威夷沿岸，也可见部分岸礁中钙藻含量超过40%^[23]。

马兆亮等开展了XK-1井第四系钙藻化石的研究^[5]，本次在此基础上对XK-1井0.03~1263.65m井段共2344个薄片中的大型底栖钙藻化石进行了分析，在1167个薄片中发现了钙藻化石。共鉴定3科12属28种(包括未定种)及1个相似种(图 3)，其中绿藻门松藻科仅发现仙掌藻属仙掌藻(未定种)(Halimeda sp.)；绿藻门粗枝藻科仅发现伞轴藻属伞轴藻(未定种)(Cymopolia sp.)；其余10属26种(包括未定种)及1个相似种均为红藻门珊瑚藻科。

图  3  XK-1井典型钙藻化石

a:让氏藻属 Jania sp，井深:22.3m；b:古石枝藻属 Archaeolithothamnium ，井深:426.74m；c:南海奇石藻 Aethesolithon nanhaiensis ， 井深:522.11m；d:珊瑚藻属 Corallina ，井深:1.11m；e:石枝藻属 Lithothamnium ，井深:223.44m； f:伊拉克中叶藻 Mesophyllum iraqense ，井深:794.26m

Figure  3.  Typical calcareous algae in Well XK-1

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XK-1井发现的珊瑚藻科钙藻化石按形态可分为两类：第一类为节片状珊瑚藻，它们生长较快，呈直立分枝状，但质脆易碎，抗风浪能力较弱，常见于内礁坪和潟湖等水动力较弱的环境，在生物礁中多数情况下为堆积充填物，很难构筑礁格架。典型的如蟹手藻属(Amphiroa)、珊瑚藻属(Corallina)、让氏藻属(Jania)等，其中，让氏藻属(Jania)现今多生长于水深常小于10m的热带至亚热带区域；珊瑚藻属(Corallina)生活范围较广，在太平洋珊珊礁周围较常见；蟹手藻属(Amphiroa)在地中海至加利福尼亚等地均有发现，常与上述二者共生^[23]。第二类为壳状珊瑚藻，其主要生长于坚硬的基底之上，具有较强的抗浪作用，在水动力相对较强的外礁坪占优势，可通过捆扎、黏结或缠绕等方式包裹碳酸盐颗粒或其他生物碎屑的形式单独构筑礁格架，在一定的条件下可与节片状红藻及绿藻一起构成独特的植物礁。典型的如古石枝藻属(Archaeolithothamnium)、石枝藻属(Lithothamnium)、石叶藻属(Lithophyllum)、中叶藻属(Mesophyllum)、奇石藻属(Aethesolithon)、石孔藻属(Lithoporella)等。其中，古石枝藻属(Archaeolithothamnium)多生活于8~20m的水深范围，在热带和温带其生活范围可扩展至约40m水深；石枝藻属(Lithothamnium)适应能力较强，在大部分海洋环境中均能生存，但在冷水和凉水中相对丰富；石叶藻属(Lithophyllum)在热带和温带等暖水环境相对繁盛，其生活水深一般不超过120m；中叶藻属(Mesophyllum)多生活于潮汐面至水深50m的范围；石孔藻属(Lithoporella)多生活于潮汐面至15m的水深范围^[20]。此外，值得注意的是绿藻门的仙掌藻属(Halimeda)也为节片状钙藻，多生长于热带和暖温带，在礁前斜坡及潟湖等较深水或低能的环境较为发育^{[5, 20]}。

2.3   苔藓虫

苔藓虫是底栖或附着生长的群体生物，生存适应能力较强。绝大多数生活于海洋中，从滨海直到深达5500m的深海，从温暖的海洋到较寒冷的亚温带区域都可以生存，但大多数繁盛于温暖且盐度正常的浅海环境，一般在30~60m的水深内数量最丰富^{[24, 25]}。研究表明苔藓虫在奥陶纪、石炭纪及二叠纪与棘皮类、海绵类等一起发挥了一定的造礁作用，中生代以来其独立造礁作用明显较弱，常与珊瑚和钙藻等联合造礁^{[17, 18]}。

对XK-1井0.03~1267.67m井段共2191个岩石薄片进行了观察，共在542个深度发现了苔藓虫化石，主要分布于0.68~364.98m，富集于188.90~364.98m地层中，而365.28~1263.65m井段地层中仅在12个深度发现苔藓虫化石，而且丰度极低。目前在XK-1井发现的苔藓虫化石尚没有鉴定具体属种，仅进行了数量统计。但杨敬之、陆麟黄对南海北部大陆架的苔藓虫化石进行了系统研究，结果表明新近纪以来本区苔藓虫化石可鉴定出23属36种^[25]，均属于环口目和唇口目分子，其中，环口目在侏罗纪以来较为繁盛，化石复体多呈蔓状、丛树状、枝状、团块状，虫室多呈管状，室壁薄，一般无横板和刺孔；唇口目在新生代以来达到鼎盛，复体多呈枝状、圆盘状、皮壳状等，虫室一般为扁平的箱状，排列成行，内无横版、泡沫板。从苔藓虫硬体的形状分析，该井发现的苔藓虫化石多呈枝状、团块状、圆盘状、皮壳状(图 4)，其中枝状主要适合于在较深的宁静水体中生存；团块状和皮壳状抗风浪能力较强，常与珊瑚等其他生物联合造礁。

图  4  XK-1井典型苔藓虫化石

a:团块状苔藓虫，井深：118.76m；b:圆盘状苔藓虫，井深：207.34m；c:枝状苔藓虫，井深：214.55m；d: 皮壳状苔藓虫，井深：223.14m

Figure  4.  Typical bryozoan fossils in Well XK-1

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3.   造礁生物分布特征

XK-1井发现的三类造礁生物以钙藻最为丰富，其次为珊瑚，苔藓虫最少且分布集中(图 5)，现按层位自下而上介绍如下。

图  5  XK-1井主要造礁生物分布特征

Figure  5.  Distribution characteristics of the main reef-building organisms in Well XK-1

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3.1   下中新统三亚组

三亚组造礁生物仅珊瑚、钙藻发育，未见苔藓虫，根据其分布特征可分为3个阶段。

(1) 1257.52~1228.92m井段。此阶段珊瑚繁盛，岩心中在约20m井段发现10层造礁珊瑚；薄片中含量最高可达80%以上，其中造礁珊瑚既有块状的蜂房珊瑚(Favia)、蔷薇珊瑚(Montipora)、刺星珊瑚(Cyphastraea)和滨珊瑚(Porite)等，也有分枝状的鹿角珊瑚(Acropora)和叶片状的蔷薇珊瑚(Montipora)；非造礁珊瑚主要为角杯珊瑚(Cyathoceras)。钙藻在薄片中含量一般为40%(面积百分比，下同)，最高达60%以上，既有壳状珊瑚藻，也有节片状珊瑚藻，其中，壳状珊瑚藻以石叶藻属(Lithophyllum)最为发育，其次为中叶藻属(Mesophyllum)；节片状珊瑚藻以珊瑚藻属(Corallina)和让氏藻属(Jania)最为发育。

(2) 1228.92~1179.69m井段，此阶段钙藻数量较前期明显减少，以节片状珊瑚藻占绝对优势，主要为珊瑚藻属(Corallina)。珊瑚仅见滨珊瑚(Porite)和鹿角珊瑚(Acropora)。

(3) 1179.69~1032.46井段，该井段相当于三亚组一段，白云岩化严重，主要为细—中晶白云岩，大部分化石被白云岩化破坏，难以鉴定。薄片中残存最多的为钙藻化石，但一般残余含量小于20%，对少量形态保存较好化石的鉴定表明基本全部为壳状珊瑚藻，以中叶藻属(Mesophyllum)最为丰富。相对而言，钙藻在中下部含量较高。

3.2   中中新统梅山组

梅山组早期钙藻较发育，中期珊瑚相对集中，晚期造礁生物很少，据此可分为3个阶段。

(1) 1032.46~819.57m井段。此阶段珊瑚不发育，苔藓虫极少，但钙藻繁盛，薄片中含量一般10%~30%，最高可达70%，整体以珊瑚藻属(Corallina)、让氏藻属(Jania)等节片状珊瑚藻占优势，且分布连续；具造架能力的壳状珊瑚藻仅在845.49~956.49m井段较发育，以石枝藻属(Lithothamnium)、古石枝藻(Archaeolithothamnium)和中叶藻属(Mesophyllum)为主。值得注意的是，该井段有孔虫极为丰富，以底栖类为主，部分薄片中含量可达40%以上，浮游类偶见。

(2) 819.57~742.06m井段。此阶段钙藻含量显著降低，薄片中含量一般不足10%，以节片状珊瑚藻占绝对优势，常见珊瑚藻属(Corallina)和让氏藻属(Jania)；造礁珊瑚集中出现，岩心及薄片中均可见，薄片中含量最高达80%以上，主要为块状的陀螺珊瑚(Turbinaria)、滨珊瑚(Porites)、蜂房珊瑚(Favia)和双星珊瑚(Diplastrea)。苔藓虫偶见，底栖有孔虫含量较前期降低。

(3) 742.06~576.5m井段。此阶段钙藻数量稀少，以珊瑚藻属(Corallina)为主。苔藓虫不发育。珊瑚仅在两处薄片和一处岩心中见及，分别为滨珊瑚(Porites)、薄星珊瑚(Leptastrea)和丁香珊瑚(Caryophyllia)。底栖有孔虫较前期丰富，薄片中含量一般为5%~20%。

3.3   上中新统黄流组

黄流组沉积早期珊瑚发育，晚期钙藻及苔藓虫繁盛，据此可分为2个阶段。

(1) 576.5~470.1m井段。该井段相当于黄流组二段，此阶段苔藓虫不发育；钙藻偶见南海奇石藻(Aethesolithon nanhaiensis)等；珊瑚含量较前期明显升高，且分布连续，岩心中多达9处见及完整化石，薄片中亦多处可见，含量最高达80%以上。属种类型多样，既有块状的陀螺珊瑚(Turbinaria)、滨珊瑚(Porites)、双星珊瑚(Diploastrea)、星孔珊瑚(Astreopora)等，也有分枝状的鹿角珊瑚(Acropora)和非造礁的变沙珊瑚(Enallopsammia)、丁香珊瑚(Caryophyllia)。

(2) 470.1~374.95m井段。该井段相当于黄流组一段，为钙藻最为繁盛、多样的井段，既有可构筑礁格架的古石枝藻属(Archaeolithothamnium)、石枝藻属(Lithothamnium)、石叶藻属(Lithophyllum)和中叶藻属(Mesophyllum)，也有抗风浪能力较弱的久保让氏藻(Jania kuboiensis)、仙掌藻属(Halimeda)，但以前者占优势。薄片中钙藻含量一般20%~60%，最高达80%以上。苔藓虫也较发育，含量一般5%~15%，最高可达50%，以圆盘状和皮壳状类型为主。珊瑚在岩心及薄片中各有一个深度有发现，主要为块状的滨珊瑚(Porites)。

3.4   上新统莺歌海组

莺歌海组造礁生物钙藻、苔藓虫发育，珊瑚偶见，根据其分布特征可分为2个阶段。

(1) 374.95~304.73m井段。钙藻含量较前期降低，属种明显单调，主要为中叶藻属(Mesophyllum)，其次为蟹手藻属(Amphiroa)，薄片中含量一般不足30%，且多以生物碎屑形式分布于泥晶之中。苔藓虫较前期丰富，含量一般10%~20%，最高达50%，但化石结构多被严重破坏，网状结构中常见泥晶充填，也多以生物碎屑形式发育。珊瑚仅岩心中见少量陀螺珊瑚(Turbinaria)。值得注意的是本井段有孔虫丰富，既有底栖类，亦有浮游类。

(2) 304.73~214.89m井段。为该井苔藓虫最繁盛的井段，主要为造礁能力较强的皮壳状、团块状类型，常黏结周围碎屑形成大量黏结岩，其次为圆盘状类型。钙藻较前期丰富，主要为具较强抗浪能力的石叶藻属(Lithophyllum)、石枝藻属(Lithothamnium)和中叶藻属(Mesophyllum)，其次是可为生物礁提供生态多样性的珊瑚藻属(Corallina)和蟹手藻属(Amphiroa)等，特别是240~280m井段，钙藻含量一般为20%~40%，最高达60%。珊瑚仅晚期在薄片中少量可见，主要为刺星珊瑚(Cyphastrea)。此外，本井段有孔虫也较发育，既有底栖类，亦有浮游类。

3.5   第四系乐东组

乐东组三类造礁生物均有发育，但珊瑚最繁盛，根据其分布特征可分为3个阶段。

(1) 214.89~126.22m井段。此阶段钙藻稀少，偶见蟹手藻属(Amphiroa)等；苔藓虫含量显著降低，薄片中含量一般约5%，枝状、圆盘状及团块状均有发育；珊瑚在薄片中较少，但岩芯中大量发育，且保存较好，既有抗风浪能力较强的陀螺珊瑚(Turbinaria)、刺星珊瑚(Cyphastraea)、滨珊瑚(Porite)、角蜂巢珊瑚(Favites)等，也有抗风浪能力较弱的鹿角珊瑚(Acropora)，还可见非造礁的真叶珊瑚(Euphyllia)、内脊沙珊瑚(Endopsammia)。

(2) 126.22~21.93m井段。此阶段钙藻较前期发育，薄片中含量一般约5%，最高达20%左右，以抗风浪较强的石孔藻属(Lithoporella)占优势；其次为蟹手藻属(Amphiroa)；珊瑚依然较丰富，岩芯及薄片中均可见，薄片中较多层段含量20%~40%，最高达80%以上，既有块状的陀螺珊瑚(Turbinaria)、角蜂巢珊瑚(Favites)、刺星珊瑚(Cyphastrea)等，也有分支状、叶片状的鹿角珊瑚(Acropora)、蔷薇珊瑚(Montipora)。苔藓虫含量与前期相当，绝大部分化石破碎，仅局部见保存较好的团块状化石。

(3) 21.93~0m井段。此阶段珊瑚不发育，苔藓虫极少，但钙藻相对丰富，薄片中较多层段含量为5%~30%，最高达60%以上，尤以中、下部最为繁盛，主要为蟹手藻属(Amphiroa)、让氏藻属(Jania)和珊瑚藻属(Corallina)等抗风浪能力较弱的类型，上部属种单调，主要为蟹手藻属(Amphiroa)。

4.   生物礁沉积环境演化

一般而言，对礁、滩进行古生物学、沉积学及沉积环境的研究，首先要界定其三维形态边界以及空间展布。Henson依据宏观外形提出礁复合体模型，后经不断完善，得到了广泛的应用^[26-28]。礁复合体模型包括礁前、礁核和礁后三部分，在发育完整的礁复合体中，可细分为远侧塌积、近侧塌积、礁斜坡、礁骨架、礁顶、礁坪、礁后砂和潟湖等亚相。中国科学院南沙综合科学考察队根据我国南沙岛礁特征提出了环礁相带划分模式^[29]。该模式包括向海坡相、外礁坪相、礁坪凸起相、内礁坪相、潟湖坡相和潟湖盆相6个相带。本次以礁复合体与环礁沉积模式为基础，采用礁、滩复合体沉积模式对XK-1井的沉积环境演化进行了分析(图 6)。首先根据不同的水动力及其内部的生物特征，划分出生物礁相、生屑滩相和潟湖相三种沉积环境。然后进一步将生物礁划分为礁骨架和礁顶；将生屑滩划分出礁后滩和礁前滩，二者的区别是礁前滩位于礁体外侧，向海方向过渡为开阔台地，礁后滩位于礁体内侧，向陆方向过渡为局限台地^[30]，其中，礁前滩位于礁骨架外侧浪基面以下至礁前斜坡坡折线一带，在堡礁及岸礁体系中较为发育，在环礁体系有时不发育；礁后滩又可分为礁后内侧滩和礁后外侧滩，对应于礁复合体模式，礁后内侧滩相当于礁坪相；礁后外侧滩大致相当于礁后砂相，二者的区别是礁后内侧滩相对高能，各类搬运来的生物碎屑较为发育。

图  6  XK-1井礁-滩复合体沉积模式图

Figure  6.  The depositional model of a reef-beach complex of Well XK-1

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4.1   早中新世

根据主要造礁生物的分布及其生态特征，早中新世三亚组沉积时期XK-1井的沉积环境经历了生物礁、礁后滩-潟湖、生物礁的演化过程(图 7)。具体划分如下：(1)1257.52~1228.92m井段，该时期为珊瑚、钙藻联合造礁期，其中，钙藻既有抗风浪能力较强的壳状珊瑚藻，也有抗风浪能力较弱的节片状珊瑚藻；而珊瑚虽然块状、分枝状和叶片状的类型均有发育，但以抗风浪能力较强的块状类型为主。结合薄片中浮游类有孔虫不发育，生物碎屑形态不规则，粒径较大，最大可达厘米级，认为该时期主要为具有一定水动力的的礁骨架上部至礁顶环境。(2)1228.92~1179.69m井段，该时期虽然分支状和皮壳状造礁珊瑚仍有发育，但抗风浪能力较强的钙藻数量显著下降，而以抗风浪能力较弱的节片状珊瑚藻占绝对优势，表明该时期水动力较前期变低，结合岩性方面泥晶灰岩及钙质泥岩等发育，生物碎屑保存较好，粒径多为0.2~1mm，认为该时期主要为水动力较弱、且具有一定水深的礁后外侧滩与潟湖环境。(3)1179.69~1032.46m井段，虽然该井段白云岩化严重，但是薄片之中残存的大量抗风浪能力较强的壳状珊瑚藻表明该时期水动力较强；同时，白云岩残余生物构造的对比分析表明其和上部井段的红藻黏结构造比较相似，推测本井段白云岩化之前的原岩主要为红藻黏结岩，据此认为该时期主要为生物礁环境，其主要造礁生物为钙藻。

图  7  XK-1井生物礁沉积环境分析图

Figure  7.  Sedimentary environmental evolution revealed by Well XK-1

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4.2   中中新世

中中新世梅山组沉积时期XK-1井的沉积环境经历了礁后滩、生物礁、礁后滩3个演化阶段(图 7)。分别如下：(1)1032.46~819.57井段，该时期抗风浪能力较弱的节片状珊瑚藻最为发育，但壳状珊瑚藻在局部井段与节片状珊瑚藻数量相当；底栖有孔虫丰富，既有适应于高能环境的大底栖类，也有适应于低能环境的小底栖类；结合珊瑚不发育，生物碎屑以次圆—次棱角状为主，粒径多为0.3~4mm，认为该时期主要为礁后内侧滩与礁后外侧滩交互的环境，其中壳状珊瑚藻相对发育的井段可能为相对高能的礁后内侧滩环境。(2)819.57~742.06m井段，该时期相对前期珊瑚较为发育，且主要为抗浪能力较强的类型；钙藻以抗风浪能力较弱的节片状珊瑚藻为主；有孔虫以适应于较高能环境的大底栖类相对发育，结合生物碎屑以分选及磨圆均较差的原地-准原地类型为主，认为该时期为相对高能的生物礁环境，其中主要的骨架生物为珊瑚，而钙藻主要起填充作用。(3)742.06~576.50m井段，该时期珊瑚稀少，苔藓虫不发育；钙藻含量偏低，且以反映低能环境的节片状珊瑚藻占优势，结合底栖有孔虫丰富，早期适应于低能环境的小底栖类繁盛，生物碎屑以次棱角状为主，粒径多为0.3~2mm，晚期适应高能环境的大底栖类占优势，生物碎屑以次圆状为主，粒径多为0.4~4mm，认为该时期为礁后内侧滩与外侧滩交互的环境，其中大底栖类占优势的层段可能为相对高能的礁后内侧滩环境。

4.3   晚中新世

根据主要造礁生物的分布及其生态特征，晚中新世黄流组沉积时期XK-1井的沉积环境经历了礁顶-礁骨架及礁骨架2个演化阶段(图 7)。(1)576.5~470.10m井段，珊瑚繁盛，类型多样，表明主要为珊瑚造礁期；而节片状珊瑚藻极少，壳状珊瑚藻分布相对连续，表明该时期水动力较强，结合生物碎屑多为0.4~8mm，磨圆较差，推测该时期主要为礁顶-礁骨架的环境。(2)470.10~374.95m井段，该时期珊瑚数量显著降低。苔藓虫主要以抗风浪能力较强的类型为主；钙藻极为繁盛，既有壳状珊瑚藻，亦有节片状珊瑚藻，还可见松藻类的仙掌藻，揭示具有一定的水深。结合形态不规则，大小混杂，认为该时期主要为礁骨架沉积环境，其中，具有格架建造功能的壳状珊瑚藻、皮壳状苔藓虫与节片状珊瑚藻及仙掌藻等共同构建了生物礁。

4.4   上新世—第四纪

上新世至第四纪莺歌海组沉积时期XK-1井的沉积环境经历了礁前滩、礁骨架与礁前滩交互沉积2个演化阶段(图 7)。(1)374.95~304.73m井段，珊瑚稀少，钙藻属种单调，苔藓虫虽较丰富但多以碎屑形式分布于泥晶之中，揭示了较低的水动力环境。同时，适应广海环境的浮游有孔虫及钙质超微化石均较为丰富^[7]，且分布连续。结合生物碎屑以次棱角状为主，认为该时期主要为与广海联通、且有一定水深的礁前滩环境。(2)304.73~214.89m井段，钙藻和苔藓虫均较为发育，且类型多样，同时二者均以抗风浪能力较强的类型为主，揭示水动力较前期变强。结合浮游有孔虫及钙质超微在本井段含量虽较前期降低^[7]，但亦较常见。结合生物碎屑多为0.3~8mm，以次棱角状为主，认为该时期为礁骨架与礁前滩交互的环境，由于该时期珊瑚并不发育，因此主要造礁生物为钙藻和苔藓虫。

4.5   第四纪

第四纪乐东组沉积时期XK-1井的沉积环境经历了礁骨架、礁骨架-礁顶、礁后内侧滩与外侧滩交互沉积3个演化阶段(图 7)。(1)214.89~126.22m井段，珊瑚繁盛，类型多样，因此主要为珊瑚造礁期。同时，珊瑚保存完好，苔藓虫枝状及团块状均有发育，表明该时期虽然水动力较强，但依然具有一定的水深。结合生物碎屑磨圆较差，最大可达厘米级，认为该时期主要为礁骨架环境。(2)126.22~21.93m井段，珊瑚依然较为繁盛，但与前期相比抗风浪能力较强的壳状珊瑚藻开始发育，且苔藓虫化石也更为破碎，生物碎屑多为0.4~8mm，据此认为该时期水动力较前期变强，主要为礁骨架至礁顶的环境。(3)21.93~0m井段，与前期相比珊瑚不发育，钙藻含量相对升高，但属种相对单调，以抗浪能力较弱的节片状珊瑚藻占绝对优势，生物碎屑粒度变细，多为0.3~2mm，表明水动力较前期变弱，且相对局限，据此认为该时期为礁后内侧滩与外侧滩交互的环境。

5.   讨论

XK-1井的分析表明西沙地区中新世以来造礁生物经历了多期繁盛与衰落，不同时期不仅其丰度不同，而且类型差别较大。本次通过该井的分析认为由于不同类型造礁生物对水深的适应能力不同，导致其纵向上的演变与区域海平面变化之间存在明显的关联性。如黄流组沉积时期，本区海平面表现为一个逐渐上升的过程^{[11, 31]}，因此早期造礁生物以珊瑚为主，但伴随着海平面的不断上升，珊瑚的数量逐渐下降，而钙藻和苔藓虫则突然繁盛；同样在三亚组沉积时期伴随着区域的海平面上升^{[11, 31]}，造礁生物珊瑚也表现为由繁盛向衰亡的演变。与之相反，莺歌海组沉积晚期至第四纪南海海平面表现为一个逐渐下降的过程^{[11, 31]}，而主要造礁生物的演变也刚好与之相反，早期海平面较高，造礁生物主要为钙藻和苔藓虫，而晚期海平面逐渐下降，造礁生物则演变为以珊瑚为主。因此对于生物礁储层的预测而言，如果钻井揭示珊瑚为主要造礁生物，那么在盆地内较低的古隆起部位则可能发育钙藻、苔藓虫等形成的藻礁；反之，如果钻井揭示钙藻、苔藓虫为主要造礁生物，那么盆地内较高的古隆起部位尚可发育珊瑚礁。

此外，对于西沙地区中新世以来的成礁期，目前还存在不同认识，如蔡峰等认为西沙群岛中新世每一个岛礁都存在早、中、晚3个独立的完整成礁期^[32]；魏喜则认为西沙海域古近纪晚期以来生物礁有渐新世、早中新世、中中新世、晚中新世、上新世和第四纪等多个成礁期^[33]。本次基于XK-1井主要造礁生物的演化认为西沙地区中新世以来主要发育3个主要造礁期和2个次要造礁期，其中主要造礁期为早中新世三亚组一段沉积时期、晚中新世黄流组沉积时期、上新世莺歌海组沉积晚期至第四纪乐东组沉积时期；次要造礁期为早中新世三亚组二段沉积早期和中中新世梅山组沉积中期。并且，上述成礁期在邻近的西琛1井及珠江口盆地东沙隆起等区域均有明显响应，如位于东沙隆起的流花11-1油田，其主要目的层即为早中新世珠江组中晚期生物礁^[34]，与三亚组一段主要成礁期对应较好；西琛1井536.45~377.5m与290.65~12.3m井段生物礁灰岩与藻黏结灰岩发育^[20]，分别与晚中新世黄流组及上新世莺歌海组至第四纪乐东组两个主要成礁期对应较好。因此对于邻近的琼东南盆地，上述主要成礁期为生物礁储层发育的重要有利时期，但值得注意的是，由于生物礁的横向迁移，在梅山组晚期等海平面相对较低的时期，上述非造礁期对应的层系在盆地内构造相对较低的古隆起之上，也存在发育生物礁的可能。

6.   结论

(1) 通过对XK-1井岩心及薄片中所含化石的鉴定分析，明确了西沙地区中新世以来主要发育钙藻、珊瑚及苔藓虫三类造礁生物。其分布特征如下：三亚组底部珊瑚、钙藻均较丰富，中上部仅钙藻发育；梅山组下部钙藻繁盛，中部珊瑚相对丰富，上部造礁生物稀少；黄流组下部珊瑚发育、上部钙藻及苔藓虫繁盛；莺歌海组钙藻和苔藓虫繁盛；乐东组珊瑚繁盛。

(2) 基于建立的礁、滩复合体沉积模式提出XK-1井中新世以来的沉积环境演化大致可划分为13个阶段。其中，早中新世三亚组经历了3个演化阶段，分别为初期生物礁阶段、早期礁后外侧滩-潟湖阶段、晚期生物礁阶段；中中新世梅山组经历了3个演化阶段，分别为早期礁后滩阶段、中期生物礁阶段、晚期礁后滩阶段；晚中新世黄流组经历了2个演化阶段，分别为早期礁顶-礁骨架阶段、晚期礁骨架阶段；上新世—第四纪莺歌海组经历了2个演化阶段，分别为早期礁前滩阶段、晚期礁骨架与礁前滩交互阶段；第四纪乐东组经历了3个演化阶段，分别为早期礁骨架阶段、中期礁骨架-礁顶阶段、末期礁后滩阶段。

(3) XK-1井造礁生物演变规律与区域海平面变化特征的耦合分析认为，因不同类型造礁生物对水深的适应能力不同，伴随着海平面的上升，造礁生物有从珊瑚逐渐向钙藻及苔藓虫演变的趋势；而伴随着海平面的下降，造礁生物又有从钙藻和苔藓虫逐渐向珊瑚演变的趋势。

(4) 根据XK-1井主要造礁生物的纵向演化规律明确了西沙地区中新世以来主要发育3个主要造礁期和2个次要造礁期，其中主要造礁期为早中新世三亚组一段沉积时期、晚中新世黄流组沉积时期、上新世莺歌海组晚期至第四纪乐东组沉积时期；次要造礁期为早中新世三亚组二段沉积早期和中中新世梅山组沉积中期。