南华北石炭–二叠纪太原组灰岩显微图像数据集

岩石显微图像专题 I 区论文（评审中） • 版本 ZH2

A carbonate microscopic image dataset of the Permo-Carboniferous Taiyuan Formation from the southern margin of the North China Block

马睿，刘超，杨江海

Ma rui, Liu chao, Yang Jianghai

DOI: 10.11922/csdata.2020.0052.zh
PID: 21.86101.1/csdata.2020.0052.zh
: 10.11922/sciencedb.j00001.00045

： 2020 - 06 - 30

： 2020 - 07 - 14

264 2 0

摘要&关键词

摘要：本文收集和整理了华北板块南缘石炭–二叠纪含生物碎屑灰岩的显微图像。选择豫西地区跨潟湖–局限台地–开阔台地–斜坡多相带的3条太原组野外剖面为研究对象，对代表性的图像及其岩石特征进行分类描述。样品以灰泥含量较高的含生物碎屑粒泥灰岩为主要特征。利用装有显微照相系统的蔡司偏光显微镜对灰岩薄片进行观察和照相。本灰岩显微图像集共包含95件灰岩样品，380张显微照片，可分为泥晶灰岩、泥粒灰岩和粒泥灰岩3类。本图像集的建立可为研究晚古生代大冰期时北半球中纬度地区的古气候、古环境、古生物面貌及相带沉积分异提供基本素材。

关键词：南华北；石炭–二叠纪；生物碎屑灰岩；显微图集

Abstract & Keywords

Abstract: This paper studied the limestone micrographs from the Permo-Carboniferous Taiyuan Formation in three sections spanning a multiphase zone of lagoon - restricted platform - open platform - slope in western Henan. We collected 380 microscopic images from 95 limestone samples. Representative images were classified with their microfacies. These limestone samples are rich in bioclastic grains and belong to mudstones, wackstones and packstones. Bioclastic wackstone is the dominant rock type. The limestone thin sections were observed and photographed by Zeiss polarizing microscope with photomicrography system. The collection of mirco-images can provide basic data for understanding the paleoclimate, paleoenvironment, paleontological features and facies zone in the northern Hemisphere during the Late Paleozoic Ice Age, and would be used as a possible standard for limestone microfacies research in the future.

Keywords: south of North China; Late Paleozoic; bioclastic limestone; micrographs

数据库（集）基本信息简介

数据集名称	南华北石炭–二叠纪太原组灰岩显微图像数据集
数据作者	马睿，刘超，杨江海
数据通讯作者	刘超（liuchao661030@126.com）
数据时间范围	岩石样品采集的地层时代为晚石炭–早二叠世，标本采集时间2017–2019 年，岩石薄片偏光显微镜照片拍摄于2019–2020年。
地理区域	河南省中部、西部和西北部。GPS范围：113°9’36’’E–113°06’31’’E ；34°9’15’’N–35°14’03’’N 。
偏光显微镜分辨率	2048×2048像素
数据量	2.02 GB
数据格式	.xlsm，zip
数据服务系统网址	https://dx.doi.org/ 10.11922/sciencedb.j00001.00045
基金项目	国家自然科学基金面上项目（41572078）
数据集组成	本数据集由两部分组成：（1）显微照片.zip，包括3条坡面95件岩石样品的380张显微照，数据量2.02 GB；（2）显微图像数据信息表.xlsm，数据量478 KB.

Dataset Profile

Title	A carbonate microscopic image dataset of the Permo-CarboniferousTaiyuan Formation in the southern margin of the North China Block
Data authors	Ma Rui, Liu Chao,Yang Jianghai
Data corresponding author	Liu Chao（liuchao661030@126.com）
Time range	Late Carboniferous to early Permian. These samples were collected in 2017 to 2019. Micrographs were taken in 2019 to 2020.
Geographical scope	The sections are located in the central-west and northwest of Henan. GPS range: 113°9’36’’E-113°06’31’’E ；34°9’15’’N-35°14’03’’N。
Spatial resolution	2048×2048 pixels
Data volume	2.02GB
Data format	.xlsm, zip
Data service system	https://dx.doi.org/ 10.11922/sciencedb.j00001.00045
Source of funding	National Natural Science Foundation of China (41572078)
Dataset composition	The dataset include 2 kinds of data files: Photomicrographs.zip and statistical database.xlsm. Photomicrographs.zip is a dataset of polarized photomicrographs (*.zip) of the thin sections, which contains 380 microphotographs from three sections, 95 limestone samples, with a data volume of 2.02 GB; statistical database.xls is the detailed identification of the thin sections, with a data volume of 478 KB.

引言

碳酸盐岩的显微结构、构造特征（微相）是进行岩石分类和命名的基础^[1]。由于碳酸盐岩成因和结构的特殊性，其所含的颗粒类型和结构、构造信息能为研究沉积环境、沉积过程和后期成岩作用提供重要依据。Folk和Dumham等人基于碳酸盐岩微相特征，对沉积环境的物理化学条件等进行了分析，奠定了碳酸盐岩的岩石分类基础^[2,3,4,5]。随后，Embery对Dumham分类体系进行了补充修改，加入了生物因素和成岩因素，并对颗粒粒径进行了半定量统计^[6]。Wilson通过总结不同沉积背景条件下碳酸盐岩的沉积模式，综合地形、水动力和气候等因素，提出了24种标准微相和9个对应的标准相带^[7]。近年来，Flügel和Wright等人对灰岩微相进行了系统总结，进一步完善了碳酸盐岩沉积微相分析模式及其对沉积环境和沉积过程的指示作用^[1,8-9]。尽管人们对碳酸盐岩微相的标准有不同的看法，碳酸盐岩的岩石显微观察和分析已成为古沉积环境恢复和确定成岩作用类型、强度的研究基础，同时也为判断元素、同位素等地球化学指标的有效性提供了有力的沉积学依据^[10,11,12]。为了更加客观、系统地描述碳酸盐岩样品本身所记录的微相信息，构建一种具有普适意义的定量统计思维，本文总结了南华北地区石炭-二叠纪太原组灰岩的岩石显微图像特征，并建立了相应的岩石显微图像集。

1 数据采集和处理方法

通过文献调研和野外踏勘，发现华北南缘豫西地区晚古生代地层出露较为完整^[13-14]。选择了河南省禹州市文湾剖面、磨街剖面和河南省焦作市白坡河剖面3条剖面作为研究对象（表1，图1），进行了系统的样品采集工作（图2）。采样层位为上石炭统–下二叠统太原组。

表1 采样剖面及其经纬度

采样剖面(剖面编号)	GPS经纬度
河南禹州文湾剖面（WW）	34°9’58’’N，113°10’41’’E
河南禹州磨街剖面（MJ）	34°9’15’’N，113°9’36’’E
河南焦作白坡河剖面（BPH）	35°14’03’’N，113°06’31’’E

图1 研究区地质概况图

A研究区的大地构造图及南华北石炭-二叠纪地层出露；B、C为文湾、磨街和白坡河剖面地质图

图2 采样剖面地层柱状图

1.1 数据采集

根据设定的研究计划，我们将野外采集的未风化的岩石样品送往中国地质大学（武汉）磨片室进行标准薄片磨制，获得厚0.03mm的光学岩石薄片。薄片拍照和信息采集方法统一按《岩石显微图像专题》的标准^[13]执行，利用配备有显微照相系统的蔡司偏光显微镜对岩石薄片进行显微观察和照相，系统采集了岩石显微图像，并同时获取了与薄片有关的信息。薄片的描述与灰岩岩定名均依据《岩石显微图像专题》确定的标准^[15]，按“薄片编号”+“m”+“摄像视域的数字序号”+“正交光符号+或单偏光符号-”进行编号。图像集所含照片数量共计380张，分辨率为2048×2048像素。

1.2 显微数据处理方法

本次显微镜下观察是在中国地质大学（武汉）生物地质与环境地质国家重点实验室和地球科学学院的显微分析平台完成，使用仪器为偏光显微镜蔡司AXIO Image A1m，测试条件为温度25℃、湿度50%。数据集中灰岩样品共计95个，图像380张。依据灰岩的显微结构进行分类。

我们采用Dumham灰岩分类方案（图3）^[2,15]，即根据灰岩的成因属性（原地/异地）、碎屑颗粒大小和支撑类型对灰岩进行命名。根据这一标准，对所获得的灰岩显微图像进行分类描述，共识别出泥晶灰岩、粒泥灰岩和泥粒灰岩3种类型。

图3 灰岩分类命名标准

2 数据样品描述

本数据集侧重岩石显微信息，下面分别列举代表性样品简要阐述3类灰岩的显微结构特征。

2.1 岩石类型

2.1.1 泥晶灰岩

泥晶灰岩主要分布于文湾、磨街剖面下部和白坡河剖面中部，现对样品WW18T-14进行描述。

样品WW18T-14（图4A、B）采自于文湾剖面太原组的中薄层灰岩。颗粒含量少于5%，分选中等，基质支撑，基质为灰泥。颗粒以少量生物碎屑和岩屑为主，可能由生物扰动作用带入。生物碎屑包括：䗴类（fu），粒径为0.3–0.8 mm，保存较好；双壳（bi），壳体长度约0.8 mm，壳体被亮晶方解石充填；岩屑（l），粒径为0.4–0.6 mm，呈长柱状或椭圆形，颗粒边缘局部因晚期成岩作用发生溶蚀。定名泥晶灰岩。

2.1.2 粒泥灰岩

粒泥灰岩广泛分布于文湾、磨街剖面和白坡河剖面，现对样品MJ19T-19进行描述。

样品MJ19T-19（图4C、D）采自于磨街剖面太原组的中层灰岩。颗粒含量约为20%，分选差，基质支撑，基质为灰泥。颗粒以生物碎屑和似球粒为主。生物碎屑包括䗴类（fu），粒径为0.2–0.4 mm，保存较好；双壳类（bi），壳体长度为0.3–1.6 mm，壳体被亮晶方解石充填，具明显的晶粒结构；钙藻类（c），粒径为0.5 mm，呈长柱状，孢子孔被灰泥充填；棘皮类（cr），粒径为0.5–0.7 mm，呈单晶结构；介形虫（o），粒径约为0.3–0.4 mm，壳体内部被亮晶充填，正交镜下呈波状消光。似球粒（p）粒径在0.1–0.35 mm之间，形状各异。定名为含生物碎屑粒泥灰岩。

2.1.3 泥粒灰岩

泥粒灰岩广泛分布于文湾、磨街剖面和白坡河剖面，现对样品MJ19T-11进行描述。

样品MJ19T-11（图4E、F）采自于磨街剖面太原组的中层灰岩。颗粒含量约为50%，分选差，颗粒支撑，填隙物为灰泥，颗粒主要为生物碎屑和岩屑。生物碎屑以棘皮类海百合茎（cr）为主，占颗粒总含量的 90 %，粒径为0.2–1.2 mm，呈椭圆形或长柱状，单晶消光，中部的孔径被灰泥充填，部分颗粒由于发生压溶作用其边缘呈现锯齿状。其他的生物碎屑还包括：䗴类（fu）粒径约为 0.4–0.5 mm，保存较差；介形虫（o），粒径为 0.6–0.8 mm，其腔室为泥晶机质充填。岩屑（l）粒径为0.5–1.2 mm，泥晶结构，形状不规则。定名为生物碎屑泥粒灰岩。

图4 南华北石炭-二叠纪太原组典型灰岩显微图像

A,B太原组泥晶灰岩（WW18T-4m2-, WW18T-4m2+），可见䗴类（fu）、双壳（bi）和岩屑（l）等颗粒，文湾剖面；C,D太原组粒泥灰岩（MJ19T-19m1-, MJ19T-19m1+），含䗴类、双壳类、钙藻类（c）、棘皮类（cr）、介形虫（o）和似球粒（p），磨街剖面；E,F（MJ19T-11m1-, MJ19T-11m1+）太原组泥粒灰岩，包含海百合茎（cr）、䗴类、介形虫和岩屑，磨街剖面。A,C,E为单偏光视域;B,D,F为正交偏光视域。

2.2 颗粒类型及特征

碳酸盐岩的颗粒类型及其特征是岩石显微观察和划分微相的重要依据。研究剖面太原组灰岩中包含的颗粒类型主要为生物碎屑和岩屑颗粒两种。

2.2.1 生物碎屑

研究样品中可见有孔虫、棘皮类、腕足、双壳、钙藻、介形虫等多种生物碎屑颗粒。有孔虫类化石在晚古生代较为常见，现以样品WW18T-6和WW8T-14（图5A、B）为例进行特征描述。䗴类有孔虫粒径为1.2 mm，房室多被亮晶方解石充填，旋臂较厚，由致密层和蜂巢层组成，隔壁褶皱强烈，不规则；小有孔虫，粒径为0.6 mm，壳壁较厚，房室为亮晶充填。

图5 南华北石炭-二叠太原组典型灰岩颗粒显微图像

A,B有孔虫颗粒，A为䗴类有孔虫，B为非䗴类有孔虫；C棘皮类颗粒；D腕足类颗粒，E双壳颗粒；F 介形虫；G钙藻颗粒；H,I为岩屑颗粒；A–H为单偏光视域，I为正交偏光视域。

研究区棘皮类化石以海百合茎碎片为主，化石原始成分为高镁方解石，后期全部转化为低镁方解石。薄片中多呈现为破碎的磨蚀程度不同的骨板。现以样品MJ19T-2（图5C）为例进行描述。海百合茎颗粒为其斜切面，粒径为0.6 mm，呈不规则长柱状，单晶结构，边缘由于压溶作用呈锯齿状绞合构造。

研究区腕足类化石广泛分布，现以样品MJ19T-24（图5D）为例进行描述。壳体原生矿物成分为低镁方解石，壳长2.4 mm，壳体呈平行片状结构，不同壳层显示出差异性成岩改造。

研究区双壳类化石分布广泛，现以样品WW8T-54（图5E）进行描述。双壳壳体原生矿物成分为文石或高镁方解石，薄片中的壳已转变为低镁方解石，呈次生晶粒结构，但仍可分辨出特征性棱柱状构造。壳长为0.5 mm。

介形虫主要分布于磨街、文湾剖面，现以样品WW18T-1（图5F）为例进行描述。壳体为钙质几丁质，呈现褐深棕色。壳长0.4 mm，单层壳，玻纤结构，壳内空腔充填亮晶。

钙藻主要分布于磨街、文湾剖面下部的粒泥灰岩中，现以样品MJ19T-19（图5G）为例进行描述。钙藻的横切面为长柱状，藻体因成岩作用改造呈晶粒结构，推测其原生矿物为文石或高镁方解石。孢子孔内被泥晶机质充填。

2.2.2 岩屑颗粒

研究区岩屑颗粒主要出现于磨街剖面和文湾剖面的泥晶灰岩中，按颗粒的来源可分成两类。第一类内源碎屑（图5H），灰岩岩屑，粒径约为0.5–1.2 mm，常呈扁长的角砾状、椭圆状、圆状或透镜状，边缘可见淡红褐色的氧化晕，分选性较好且定向排列，被灰褐色的碳酸钙胶结，生物碎屑含量少。第二类外源碎屑（图5I），陆源碎屑颗粒，粒径约为0.01–0.5 mm，呈椭圆形或角砾状，磨圆较差，由多晶石英镶嵌排列组成。

2.3 碳酸盐岩显微图像数据库信息表

整个薄片照片数据集由95个岩石薄片和与之相对应的380张偏光显微照片组成。每一件岩石薄片都包含单偏光显微照片和正交光显微照片各一张，而且显微照片颜色与偏光显微镜下的肉眼观察一致，显微图像中的成分与鉴定报告中的描述相同。

薄片鉴定报告由1个碳酸盐岩鉴定表格组成，鉴定表格内主要包含了以上所述的3条实测剖面中的泥晶灰岩、粒泥灰岩和泥粒灰岩岩石薄片的基本信息。数据描述包括岩石名称、碳酸盐岩颗粒类型、结构、构造、成岩作用等方面。表2是数据集包含岩石类型及其岩性信息汇总表。

表2 灰岩类型及数量

岩类	岩石类型	数量
灰岩	泥粒灰岩	11
	粒泥灰岩	64
	泥晶灰岩	20

3 数据质量和评估

本数据集的岩石样品均采自于华北南缘豫西地区，基于详细的野外剖面实测，选择合适的灰岩样品制作岩石薄片，保证了样品来源的可靠性。岩石薄片按照国家与国际标准进行制作，薄片的厚度约为0.03 mm，符合显微观察和拍照的要求。

显微照片高清且无色差。在显微镜拍摄过程中，采用自动曝光和自动白平衡，使得肉眼观察和系统照片颜色尽量保持一致，分辨率根据不同的粒径大小有所区别，分辨率范围为2048×2048像素，图片统一保存为ipg格式；故而显微照片的质量与清晰度是可靠的。同时，作者均参与了岩石薄片和显微照片的观察和讨论，对岩石特征从不同角度进行了描述和总结，降低了对岩石分类和显微照片描述的主观偏差。

4 数据价值

本数据集将有助于展示晚古生代冰期发育时中纬地区不同沉积相带的显微沉积特征，并为晚石炭世–早二叠世沉积环境记录及演化提供沉积学证据。本图像集基于准确的野外采样和客观的显微观察，可与其他相关的岩石显微图像集配合使用，为沉积岩石学研究提供对比分析的重要依据，并可为地质、资源类教学活动的基础参考资料，为岩相的人工智能识别提供参考标准。

致谢

感谢《岩石显微图像专题》特邀编委胡修棉教授和侯明才教授的邀请。感谢孟琦同学在显微照相过程中和刘佳、王圆等同学人在薄片鉴定过程中提供的帮助。

[1]

FLÜGEL E. Microfacies of Carbonate Rocks || Basin Analysis: Recognizing Depositional Settings[M/OL]. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2004: 725-802. https://doi.org/10.1007/978-3-662-08726-8.