珊瑚礁：矿物成分与分类

珊瑚礁是由珊瑚和其他造礁生物在长期地质年代中不断地大量繁殖、生长、死亡，骨骼堆积、营造而成的海底隆起构造。造礁生物主要是珊瑚，此外还有石灰藻、有孔虫、多孔螅、苔藓和各种贝类等，它们在珊瑚礁的形成过程中起着不同的作用。按照海洋地质学的观点，珊瑚礁的形成有三个要素：一是生物骨架，二是黏结生物，三是生物碎屑。生物骨架构成珊瑚礁的框架，生物碎屑填充于生物骨架的孔隙中，黏结生物则把碎屑与碎屑、碎屑与骨架紧密地胶结在一起。生物骨架主要由珊瑚，其次是多孔螅分泌的碳酸钙构成。生物碎屑包括珊瑚沙、有孔虫沙、贝壳沙、藻沙等。充当黏结生物的是石灰藻，它附着在钙质骨骼上生长或在生物碎屑粒间生长，能分泌钙质黏合物质，起胶结作用，最终形成能抵抗风浪的钙镁碳酸盐丘状岩体，这就是珊瑚礁。珊瑚礁的矿物成分主要是文石和高镁方解石，化学成分主要为碳酸钙，其含量达到97%。

（1）分类

依据珊瑚礁与海岸的关系，可分为岸礁、堡礁和环礁。岸礁紧靠海岸，沿大陆或海岛边缘生长发育，亦称“裙礁”，由大陆或岛屿周围浅海海底的珊瑚等造礁生物营造而成，礁体外缘生长迅速并向海洋倾斜。红海和加勒比海的大多数珊瑚礁属于岸礁，世界上最长的岸礁是红海岸礁，绵延3 800 km以上；堡礁又称“堤礁”，是离岸一定距离的堤状礁体，其基底亦与陆地相连，与海岸相隔一较宽的大陆架浅海、海峡或水道，如澳大利亚的大堡礁，距大洋洲大陆大于100 km，礁宽2～150 km，礁长约大于2 400 km，面积超过8万km2，是世界上最大的堡礁；环礁是一种呈环形或马蹄形的珊瑚礁，礁顶具有礁坪，中间包围一片水体，称为“潟湖”，水深平均45 m左右，也有的超过160 m，潟湖可通过水道与外海相通。环礁直径大多为2～3 km，大的环礁直径可超过100 km。世界上已知的环礁有330处，绝大部分分布于太平洋和印度洋的热带海域，如太平洋中部马绍尔群岛的夸贾连环礁和印度洋马尔代夫的苏瓦迪瓦环礁，这是世界上两个最大的环礁，面积都在1 800 km2以上。

依据珊瑚礁的外形，可分为台礁、点礁、塔礁和礁滩。台礁呈实心圆形或椭圆形台地状高出周围海底，中间无潟湖或潟湖已淤积成浅水洼塘，我国西沙中建岛即为典型的台礁；点礁是堡礁和环礁潟湖中孤立的小礁体，大小不等，形状不一；塔礁是直立于深海或大陆坡上的细高礁体，其顶部与基底基本位于同一铅垂线上，甚至扩展至基底之外；礁滩则是匍匐于大陆架浅海海底的珊瑚礁。

（2）形成

珊瑚礁的厚度可达千米以上，太平洋的一些珊瑚礁从几千米深的洋底一直伸展到海面附近，但造礁珊瑚生长的极限水深是70～80 m。在浅水里营固着生长的珊瑚何以能从千米之深的海底向上造出巨大的珊瑚礁，一直是自18世纪开始研究珊瑚礁起在海洋地质学上持续争论了100多年的问题。经过资料搜集、理论分析、推测成因，一些学者提出了关于珊瑚礁形成的种种解释或假说，但没有一种假说能解释所有珊瑚礁的形成。珊瑚礁的成因十分复杂，需要海洋地质、地球物理、动植物学等多学科的共同努力，才有可能得到圆满解决。到目前为止，比较重要的和有代表性的假说基本上可分为两类：一类是较为经典的如达尔文的“沉降学说”，另一类是近代在地球板块构造学说的基础上提出来的“扩张沉降论”和“热点沉降论”。

1）沉降学说

达尔文于1835年2月至1836年4月，乘船考察了印度洋、太平洋等海洋中的珊瑚礁，并于1842年发表了题为《珊瑚礁的结构和类则》的论文，首次提出环礁是由于火山岛的下沉形成的假说，此即“地盘沉降论”。此后又有不少学者相继提出各种关于珊瑚礁成因的假说，但是相比之下达尔文假说更易于被人接受。达尔文认为，先是热带海洋中的岛屿（如火山岛的沿岸）附着珊瑚虫，生成环绕海岸并与陆地相连的岸礁；之后在长期的地质年代中，由于地壳变动，岛屿下沉，在沉降速度小于珊瑚生长速度的条件下，珊瑚礁能继续均匀向上伸展。同时，珊瑚礁海洋一侧因海水中饵料丰富，溶解氧充足，比海岸一侧珊瑚礁增长得快，结果海洋一侧珊瑚礁便与海岸及其附着的珊瑚礁分开，二者之间便出现一片水域，即潟湖，这时岸礁演变为堡礁；随着时间的流失，岛屿持续下沉以致完全沉没，在这一过程中，珊瑚则不断向上生长，最终形成环绕潟湖的环礁，演变过程如图1.6所示。达尔文提出的这一理论解释了珊瑚礁何以有千米之厚，原来珊瑚礁不是从千米之深海底径直向上生长，而是在浅海向上生长的同时随岛屿缓慢下沉所致。而且岸礁、堡礁和环礁实际上是珊瑚礁在发育过程中三个不同阶段的外在形式。现今，在太平洋的热带海域，处于这三个阶段的珊瑚礁都能见到。

图1.6　达尔文描述的环礁发育序列图

A-B—岸礁；A′-B—堡礁；A″-A′—环礁；C—潟湖

达尔文的理论不仅解释了珊瑚礁的厚度，还将三种主要类型的珊瑚礁有机联系在一起，颇具说服力。但是，要得到学术界的认可还需要更多的地质证据，所以达尔文曾希望在太平洋或印度洋中的某些环礁上进行钻探，试图证实环礁下面存在死火山。当时也确有人在太平洋的环礁上进行过钻探，但限于技术和设备水平，钻探深度仅300～400 m，未能证实达尔文的设想。直到1952年，美国在太平洋的埃尼威托克环礁试爆氢弹以后，在该环礁上进行钻探，当钻穿厚1 287 m的珊瑚礁灰岩后，终于进入到火山岩基底，还采集了4 m左右的橄榄玄武岩岩心。至此，经历了一个多世纪，才证实了达尔文关于珊瑚礁成因的设想。原来埃尼威托克环礁的基底是火山岩，根据其上珊瑚礁灰岩的厚度可以推断，自珊瑚虫固着生长以来，火山已下沉超过1 000 m。这样，对于大洋环礁，达尔文的“沉降学说”给予了圆满的解释。

2）扩张沉降论和热点沉降论

从大尺度来看，太平洋的环礁呈线性排列，在20世纪60年代地球板块构造学说问世以后，有学者根据板块运动理论和环礁呈线性分布的事实，提出了另一种关于珊瑚礁成因的假说，即“扩张沉降论”。该理论认为，大洋中的火山岛产生于中央海岭即洋中脊的顶部，由于海底向海岭两侧扩张，火山岛随大洋岩石圈向两侧移动。在这一过程中，随着火山活动停息，经过上百万年的波浪削蚀作用，火山岛演变成低于海面的平台，平台随洋底继续向两侧推移，并以0.02～0.04 mm/年的速度下沉，到一定程度停止。在下沉过程中，地处于热带的火山平台，水温较高，适宜珊瑚生长，珊瑚便在平台上以接近下沉的速度不断向上生长，最后形成环礁。当一个一个的火山岛从中央海岭产生又向两侧移动并形成环礁后，大洋中的环礁便呈现出如图1.7所示的线状排列模式。

图1.7　扩张沉降论的环礁形成模式

扩张沉降论解释了大洋中环礁呈线性排列的事实，但未说明一系列火山是如何产生的，热点沉降论正好阐明了大洋盆地内火山活动的起因。热点沉降论认为，洋底地幔内存在着一种局部的圆柱状的熔融上升物质流，称为“热柱”。热柱在地幔内的位置相对固定，与洋底的交点为热点，是地幔熔融物质的出口、火山活动的中心。当洋底板块移动，通过热柱上方时，热柱中上升的熔融物质由热点喷出而成活火山，随着洋底板块的移动，形成沿板块走向且依次熄灭的火山链。现今，在太平洋中就存在三条火山链，分别是夏威夷—天皇岛火山链、土阿莫土—莱恩岛火山链和马绍尔—吉尔伯特—奥大腊尔火山链。沿火山链由东南向西北，火山活动熄灭的时间依次提前，环绕火山岛发育的珊瑚礁类型依次从岸礁变为堡礁和环礁。

热点沉降论还说明了火山岛沉降的原因。火山岛在热点生成随岩石圈板块移动，由于热点往往位于地球软流圈上拱处，所以火山岛一旦离开热点向一侧漂移，就逐渐发生沉降，环礁就在火山岛周围发育起来。离开热点越远，环礁的基底火山岛的年龄越老，礁体越厚。

可见，“扩张沉降论”和“热点沉降论”将达尔文的“沉陷学说”和现代板块构造学说结合起来，认为环礁的发育不仅与地壳垂直升降运动有关，而且与板块水平运动有关。这一理论结合珊瑚虫的生长条件，能较为合理地解释现今海洋中珊瑚礁的形成原因和过程。

（3）特点

珊瑚礁资源丰富，包括生物资源、油气资源和淡水资源。珊瑚礁具有极高的生物多样性和资源生产力，是许多海洋生物理想的栖息场所，其中生活着珊瑚、海绵、多毛类、瓣鳃类、马蹄类、贝类、海龟、甲壳动物、海胆、海星、珊瑚藻和各种鱼类等海洋生物近10万种，占已记录海洋生物种类的一半以上，鱼类密度超过大洋平均密度100倍，是热带浅海的生态关键区，其重要性堪比大陆上的热带雨林；珊瑚礁灰岩孔隙多、渗透性好、生物丰度高，有利于石油与天然气的形成与聚集，是良好的油气储层。20世纪二三十年代起，在美国、墨西哥、加拿大和伊拉克等地相继发现大型生物礁油气田。据估计，世界石油储量达1万亿t，可采储量3 000亿t，其中海底石油储量1 350亿t。世界天然气储量255万亿～280万亿m3，其中海洋储量140万亿m3。我国南海油气资源也极为丰富，整个南海盆地石油资源量为230亿～300亿t，近海天然气资源量约为16万亿m3，占我国油气资源总量的1/3。许多珊瑚礁岛上还蕴藏着以透镜体形式存在的淡水资源，这在茫茫大海上显得尤其珍贵。

1）地貌特点

珊瑚礁是海底上一个明显的突起地形，由海底伸展至海面，侧缘多呈20°～30°的陡坡，与周围岩层不连续。由于珊瑚虫不能在水面以上生长，只能以海平面为准在水面下向四周扩展，因而各种礁体都有广大的礁盘，这是礁体顶部在海平面形成的礁平台。平台四周珊瑚生长速度快，略微隆起，有利于珊瑚砾石、生物碎屑堆积，使礁平台内低外高如盘碟状。当礁盘上的堆积物高出海面后，便成沙洲，进一步演变成灰沙岛——珊瑚岛。如前所述，岸礁、堡礁和环礁是演变过程中三个不同阶段的珊瑚礁，发育有珊瑚岛的环礁是一个最为成熟的珊瑚礁。有无珊瑚岛发育的珊瑚礁地貌相区如图1.8所示，一般可分为向海坡、礁坪和潟湖。(www.xing528.com)

图1.8　环礁地貌示意图

2）向海坡

向海坡也称礁外坡，是环礁向外海一侧的坡面，一般呈陡坡直下海盆，至水下台阶处才转缓。坡面有砾块、细粒灰质沉积物。坡上水面下透光带内有珊瑚生长，透光带以下，混合堆积着死礁体和塌积物。由于风浪侵蚀和钻孔生物作用，坡上常有沟槽，深度2～5 m，宽1～3 m，长数十米不等。向海坡受水动力作用和造礁生物生长的不同影响，可分为斜坡型和陡坡型。斜坡型位于礁体的迎风面，受强烈的风浪冲蚀，导致向海坡上缘坡段坡度减小，如我国南沙诸碧礁迎风北坡水深50 m以浅，向海坡度仅为14°，迎风的西南坡水深50 m以浅，向海坡度仅为7.5°；陡坡型坡面犹如墙状峭壁，有的甚至向礁体内凹，因水力条件适中，珊瑚生长量大于波浪剥蚀量，珊瑚生长旺盛，在低潮面以下不断向外增长，致使坡面成陡峭礁墙。

3）礁坪

礁坪是珊瑚礁体向上发育到大潮低潮面后水平扩展形成的礁顶平台，是珊瑚生长的上限，也是生物碎屑堆积的平台。礁坪基本上由石珊瑚、贝类、钙质藻和有孔虫的残体组成的砾、沙堆积而成，以砾石为主，涨潮时被淹没，低潮时出露。礁坪的宽度与环礁的发育程度有关，在地质构造和海平面相对稳定的条件下，礁坪日益加宽，并逐步围封潟湖。礁坪形态也多种多样，除宽窄不同外，礁石出露亦不相同，有的多、有的少，有的礁坪上还有沙洲和珊瑚岛发育。礁坪可分为外礁坪、礁突起和内礁坪三部分，礁突起也称“礁脊”。外礁坪包括礁坪外缘、礁突起外侧，是波浪强烈作用区，海水往复流动和造礁生物生长会形成许多沟槽切割，沟壁有抗浪性很强的珊瑚、多孔螅和珊瑚藻生长。当向海坡为陡坡型时，外礁坪便很窄甚至不发育，但珊瑚生长繁茂；而当向海坡为缓坡时，外礁坪较宽，有珊瑚和藻类生长。礁脊是内外礁坪的连接部分，由风浪抛掷到礁缘上的大小礁块和生物碎屑堆积而成，处于高潮时碎浪带上，水动力作用强，无活珊瑚生长，但珊瑚藻最为旺盛。对于没有灰沙岛的礁坪而言，礁脊是礁坪的最高处；内礁坪在礁脊内侧延伸至潟湖边，海浪经过外礁坪和礁脊，至内礁坪时已消耗大部分能量，且内礁坪只有在大潮低潮时才短时干出。所以，内礁坪上珊瑚和礁栖生物生长较好，特别是近潟湖坡一带，往往发育成茂密的珊瑚林带。若内礁坪上发育有灰沙岛，则岛屿往往位于下风区靠近潟湖一侧，并且在灰沙岛和礁坪之间，由于受岛上承接的淡水浇注和风浪掀起的岛屿岸滩沙粒影响，珊瑚的生长会受到抑制。

4）潟湖

潟湖是位于环礁中部的中央水体，地貌单元包括潟湖坡、潟湖底、湖内点礁和与外海相通的水道，也称“口门”。潟湖坡是礁坪到潟湖的过渡带，也分陡峭型与斜坡型两大类。陡峭潟湖坡常由巨大的、竖向生长的珊瑚构成，与狭窄的礁坪相连，只有宽阔的礁坪才有可能提供大量的生物碎屑沙粒填充潟湖形成斜坡。潟湖坡上珊瑚生长旺盛，海藻成片生长，软体动物和其他礁栖生物也较丰富；潟湖底地形起伏较大，有突起的点礁，有平地和凹地。潟湖一般水不深，大部分水深在透光带内，适宜珊瑚生长。湖底有珊瑚碎屑沙粒沉积，中部沉积物粒径小，湖边较粗；点礁是潟湖底向上生长的礁体，竖向增长，发育成台状“礁墩”，在平面上呈点状分布。点礁形态大致可分两类：峰丘型，礁体未发育到低潮面，呈峰丘状；礁坪型，礁体发育至低潮面，沿水平方向扩展成礁坪。通常，较大环礁内点礁发育不良，而较小的环礁内，点礁却很发育。点礁处于低能带，礁上珊瑚和礁栖生物生长十分繁茂。口门是潟湖与外海的连接通道，根据口门的有无、多少和水深可将环礁分为封闭型环礁、准封闭环礁和半开放环礁。封闭型环礁有完整的环形礁坪，没有口门，潟湖在低潮时也不能与外海进行水体交换，呈封闭状态。如我国南沙舰长礁，见图1.9。准封闭环礁有比较完整的礁坪，但尚有一至数个口门存在，潟湖可与外海进行水体交换，但口门多是门槛式的，即口门水深小于潟湖水深，如南沙的美济礁南口水深18～25 m，而潟湖水深达27 m。美济礁及口门如图1.10所示。半开放环礁的礁环尚未发育完全，很多还在水下，呈暗礁，而且口门多，也较深、较宽，潟湖与外海的水体交换较通畅。如南沙的仙宾礁，见图1.11。

图1.9　舰长礁地貌示意图

图1.10　美济礁及口门图

1—礁坪；2—潟湖坡；3—潟湖底；4—峰丘型点礁；5—礁坪型点礁；237—水深23.7 m

图1.11　仙宾礁地貌图

5）地质特点

珊瑚礁多孔，礁体具有明显的成层性，这一特征是由珊瑚礁的形成、堆积过程所决定的。珊瑚礁可分为原生礁和次生礁。原生礁主要由造礁珊瑚在附着基底上自然生长而成。首先，珊瑚虫在附着点生长发育成珊瑚柱墩，这是构成珊瑚礁的基本单元，柱墩形状大小不一，有的呈圆柱状，有的呈球棒状，还有的呈蘑菇状。若干珊瑚柱墩横向生长、接触连接以及珊瑚藻等生物的包绕覆盖、黏结愈合，从而形成高一级的较大构造单元，称为“柱墩构造”，外形有板状、块状、球棒状和蘑菇状等。多个珊瑚柱墩构造还可再生长、再结合。各种各样的柱墩构造在结合过程中造成了很多大小不同的原生洞穴和甬道，加上各种生物碎屑在空隙中的沉积填充胶结，就形成了具有原始礁格架及大量孔穴和甬道的原生礁，如图1.12所示。其中的孔穴和甬道可高达5 m、长达几十米。原生礁在形成发育过程中，还不断受到生物破坏作用。其实，生物作用有双重性，前面提到的珊瑚藻等生物在礁体局部破损地方和孔穴中的包绕、覆盖、愈合作用对珊瑚礁的发育具有重要的建设意义，但另外一些穿孔生物、穴居生物、游食动物和捕食动物如软体动物、蠕虫、海胆、海绵、甲壳类和部分藻类生物为了生存，会采取各种方式在礁体上钻掘各种形状的大孔、小孔和微孔，使礁体千疮百孔，布满这类生物次生洞穴。此外，海水溶蚀作用也会使礁体产生溶洞、溶孔等次生洞穴，西沙永兴岛地下350 m深处就有一与海水相通的溶洞层。洞穴，无论是原生还是次生，都是珊瑚礁格架组构中的重要部分，在原生礁中可占到礁体的40%～50%。

图1.12　珊瑚礁格架与孔穴生成示意图

次生礁是在礁坪上由珊瑚、贝壳、藻类和有孔虫等生物碎屑堆积而成。在海水溶蚀、风浪和周期性潮汐作用下，原生礁体的突出部分以及洞穴多而大的部分，极易被折断、破碎和崩塌，掉落的礁块碎屑一部分在低凹处堆积、在珊瑚礁洞穴内沉积，其余被风浪搬运、堆积到礁坪上形成次生礁。有的礁坪上，这些生物碎屑堆积物已胶结成灰岩，如我国西沙的石岛，而更多的堆积物还未胶结，构成沙岛。无论胶结与否，次生礁由礁块、珊瑚碎屑、生物沙粒堆积而成，孔隙率都很高。

前面已经阐明，珊瑚礁的形成伴随着洋面的相对涨落。洋面相对变动可由洋底板块升降引起，也可由全球性冰川消长产生，都会在珊瑚礁体上留下地质记痕。为了解珊瑚礁地质特点，中国南海石油指挥部于20世纪70年代，在永兴岛东北角开凿了“西永一井”，井深1 384.6 m，钻穿了厚度为1 251 m的珊瑚礁，1 279 m深处见到基底片麻状花岗岩。根据采得的岩芯分析，若按原生礁和次生礁划分，则在厚1 251 m的礁灰岩地层中，两者明显地在竖向上交替发育，具有明显的成层性，如图1.13所示。这表明珊瑚礁堆积时，水动力条件呈周期性变化。按照图显示的原生礁和次生礁分布，西沙礁灰岩层可分为四个主要沉积旋回，这是在海侵背景下，珊瑚基底振荡式沉降，使礁体时而淹没海中，时而露出水面而形成的，与该海区地震勘测成果相一致。特别是在厚28 m的棕色风化壳上的珊瑚灰岩中有热带榕属和红树科花粉，年代为渐新世末至中新世初，可见当时仍是热带浅水海域，风化壳上的珊瑚碎屑即为海面附近的沉积相。大约在1 000 m深处还发现有溶洞。

图1.13　永兴岛礁岩地层划分图