碳酸盐岩

第九章碳酸盐岩一、碳酸盐岩的定义1．碳酸盐岩——由沉积的碳酸盐矿物（方解石、白云石）组成，主要的岩石类型为石灰岩（方解石含量大于50%）和白云石（白云石含量大于50%）。2．统计资料:A．碳酸盐岩约占沉积岩总量20%，在地壳中分布仅次于泥质岩和砂岩。B．在我国，沉积岩占全国总面积75%，而碳酸盐岩占沉积岩覆盖面积的55%。南方：Z、Pz、T；北方：Pt、Pz。二、碳酸盐岩的成分1．化学成分：CaO、MgO、CO2——氧化物可用18O/16O的比值、13C/12C的比值，来确定环境。即：（1）同位素（18O/16O）：A.区分：海相胶结物与陆相胶结物B.判断：海水的古温度C.区别：生物成因与无机成因（2）同位素（13C/12C）：区分海水与淡水2．矿物成分：（1）碳酸盐岩的矿物成分：文石（霰石）——斜方晶系CaCO3，不太稳定高镁方解石——三方晶系，含MgCO3（11-19%）碳酸盐矿物低镁方解石——三方晶系，含MgCO3（2-3%）白云石——CaMg(CO3)2，高度有序排列自生碳酸盐矿物：eg.菱镁矿、菱铁矿、菱锰矿等（菱X矿-XCO3）非碳酸盐矿物自生矿物:eg.石膏、硬石膏、重晶石、天青石、岩盐、钾镁盐矿物等陆源矿物混入物（2）矿物的转化：文石遇淡水作用方解石析出Mg2+高镁方解石被埋藏生成岩变化因此在地质历史时期中石灰岩的主要碳酸盐矿物都是方解石。三、碳酸盐岩的结构1、概述：碳酸盐岩的结构包括：粒屑结构、生物骨架结构、泥（微）晶结构、晶粒结构、残余结构。2．粒屑结构/颗粒结构（类似于陆源碎屑岩的结构）（1）“粒屑结构”的含义：由颗粒、泥晶基质（或灰泥杂基）、亮晶胶结物、孔隙等四种结构组分构成，也称“颗粒结构”。①颗粒（6种）：鲕粒、团粒/球粒、团块（葡萄石、巴哈）、内碎屑、骨粒、核形石②泥晶基质：0.03mm，半透明、褐色、易重结晶；“不干净”③亮晶胶结构：明亮干净，含量约30-40%④孔隙一般来说：颗粒支撑、分选好、颗粒之间突变。（2）颗粒：a.内碎屑：盆内弱固结的碳酸盐沉积物，经过岸流、潮汐、波浪等作用剥蚀破碎并经过再沉积的碎屑（区别于从盆外古陆的石灰岩经过风化剥蚀而来的碎屑，即外碎屑或陆源碎屑）。其特征、成因等，阅读教材P163下面，通常为浅滩-潮坪环境。内碎屑按直径大小可分为：砾屑：2mm砂屑：2-0.06mm粉屑：0.06-0.03mm微屑：0.03-0.004mm充填于颗粒之间者统称泥屑：0.004mm泥晶基质或灰泥杂基b.核形石：具藻灰结构，由非同心状的藻类泥晶纹层围绕一个固体核心组成，又叫“包粒”。常呈不规则状、且颜色较深。c.鲕粒：球状-椭球状的颗粒，由一圈或多圈规则的同心纹围绕一个核心组成，核心通常是一个碳酸盐颗粒或陆源碎屑。鲕粒d2mm，一般d=0.2-0.5mm，若d2mm叫“豆粒”。常形成于：动荡环境，如台缘浅滩，水深多在5m、10-25m，温暖，浅海。类型：表鲕/藻皮鲕（包壳厚度核心半径）、单鲕、复鲕。d.团粒（球粒）e.团块（又叫葡萄石、巴哈马石）f.骨粒：无脊椎动物分泌的碳酸盐骨骼组分。（3）微（泥）晶方解石（灰泥杂基）（4）亮晶胶结物（亮晶方解石与假亮晶方解石的区别）2．生物骨架结构——强调原地生长（造礁生物），包括：粘积岩、骨架岩、障积岩。3．交代及重结晶的晶粒结构、残余结构（P165）四、碳酸盐岩的孔隙1．按孔隙大小分：0.01mm隐孔0.01mm显孔1mm晶洞2．按成因分：（1）原生孔隙：粒间孔隙、生物骨架孔、粒内孔、遮蔽孔、生物虫孔（虫穴）、鸟眼孔。（2）次生孔隙：铸模孔、粒内溶孔、粒间溶孔、晶间孔、裂缝。五、碳酸盐岩的成岩后生作用及沉积构造1、成岩后生变化2、几种沉积构造（1）示底构造（2）鸟眼构造（窗孔构造）（3）缝合线构造（4）叠层构造鸟眼与窗孔构造（bird-eye,fenestralstructures）主要出现在泥晶灰岩、微晶白云岩、球粒灰岩、粉屑、砂屑灰岩中的原生小孔洞，被亮晶方解石或硬石膏充填。主要出现在潮上带和潮间带上部的沉积物中。成因：气泡成因、收缩成因、生物成因等。示顶底构造(geopetalstructure)在碳酸盐岩的原生孔洞中，有两种不同的充填物，在孔洞的底部或下部，为泥屑、粉屑等内碎屑充填，色较暗；孔洞的顶部或上部为亮晶方解石充填，色较浅，两者之间界面平直，能表示岩层的顶和底。缝合线（styolite）缝合线是一种裂缝构造。常见于碳酸盐岩中，但也出现在石英砂岩、硅质岩及蒸发岩中。在岩层的切面上，它呈现为锯齿状的曲线——缝合线在平面上，它呈现的参差不齐凹凸起伏的面——缝合面；从立体上看，这些凹下或凸起的大小不等的柱体——缝合柱。缝合线大小：1mm～几十厘米（起伏）产状：有的与层面平行，甚至与层面一致，有的则与层面交叉。生物生长构造—叠层构造具有叠层构造的岩石称叠层石（stromatolite）由两种基本层组成：（1）富藻纹层，又称暗层，藻类组份含量多；（2）富屑纹层，又称亮层，藻类组份少。两种基本层叠置出现，即形成叠层构造。它是由蓝绿藻细胞分泌粘液质捕集和粘结沉积质点而成的。叠层石的形态变化多样，明显地受环境因素的制约。基本形态有层状、波状、柱状及锥状。山东汶南寒武系安徽淮南寒武系叠层石的形态与水动力条件有关六、碳酸盐岩的分类和命名1．化学成分分类：碳酸盐占50%以上（CaCO3、MgCO3、SrCO3等），主要用于经济地质上的分类，区分矿与非矿，在岩类学研究上一般不以此为分类标准。2．矿物成分分类：内源（盆地）—方解石、白云石、菱铁矿等物质组成（来源）外源（陆源碎屑）碎屑粘土矿物陆源的自生的（1）石灰岩：方解石50%；白云岩：白云石50%，而对于纯的碳酸盐来说量须达90%或95%以上。（2）灰岩与白云岩的过渡类型（3）灰岩、白云岩与粘土岩的过渡类型（4）方解石、白云石粘土/砂混合的岩类（参见P166）举一个例子：泥质15%、白云石30%、方解石55%→含泥云灰岩3．结构成因分类（灰岩分类）（1）福克（Folk）60年代的分类（结构-成因分类）:强调亮晶方解石（高能）与灰泥（灰泥）①颗粒灰岩（最具成因意义）②微晶灰岩③生物灰岩④重结晶改造的晶粒灰岩（成岩改造）A．主要贡献：①把碎屑岩的成因观点引入碳酸盐岩的分类；②把灰泥与杂基等同；③把颗粒类型细分。B．不足：①只强调灰泥的带走，亮晶/灰泥比，不强调环境中灰泥的产出（因为灰岩形成时，灰岩颗粒的磨损也可以形成灰泥）；②不符合岩石学一般分类原则，无矿物的主次关系（背离了少前多后的原则）；③没有强调颗粒/灰泥的比值。（2）邓哈姆（R.J.Dunham）1962的石灰岩分类:把颗粒／灰泥量化，作为能量指标来描述①灰泥灰岩②粒泥灰岩③颗粒灰岩④泥粒灰岩A．优点：①考虑到颗粒/灰泥的比值；②考虑到了灰泥是一个动态的变化，有出有新生成；③野外实用。B．不足：①对于亮晶胶结考虑不周，忽略了亮晶胶结物；②不区分颗粒类型；③其命名易与碎屑岩相混淆。（3）曾允孚（1980年）的结构-成因分类（灰岩分类）总的分类原则：A.亮晶/灰泥的比值——用来反映沉积环境的水能量；B.颗粒/灰泥的比值——用来反映沉积环境的水能量；C.颗粒类型——作为细分岩类的重要依据。该分类集中了福克和邓哈姆的优点，避开了其缺点。4．灰岩的命名原则：颗粒结构：颜色+填隙物+结构+矿物成分（基本矿物成分），应结合岩石的矿物成分、结构构造、成岩后生变化及颜色等进行综合命名。eg.绿色含海绿石白云化生物碎屑含云微晶灰岩泥（微）晶结构：颜色+结构+名称，eg.灰色泥晶灰岩5．白云岩分类（P169）成因分类：原生白云岩、次生白云岩。七、碳酸盐岩的主要类型：1．内碎屑灰岩2．生物屑灰岩3．鲕粒灰岩4．球粒/团粒灰岩5．泥（微）晶灰岩6．结核状（瘤状）石灰岩7．生物礁灰岩8．其它灰岩类：非海相碳酸钙沉积9．白云岩10．菱镁矿八、碳酸盐岩的研究方法九、碳酸盐岩的矿产利用（P158）石灰岩、白云岩、菱铁矿十、碳酸盐岩的成岩作用Postsedimentationalprocessofcarbonatesediments碳酸盐岩的成岩作用是在沉积作用阶段之后，碳酸盐沉积物及碳酸盐岩所发生的一系列的物理的、化学的、物理化学的和生物的作用，以及这些作用所引起的碳酸盐沉积物和碳酸盐岩的结构、构造、成分以及物理的和化学的性质的变化。碳酸盐岩的成岩作用对碳酸盐岩孔隙即油气储集空间的形成和演化，关系十分密切，因此对碳酸盐岩的成岩作用的研究，不仅有重要的地质理论意义，而且还有重要的生产实际意义。第一节碳酸盐岩成岩作用的主要类型Maintypesofpostsedimentationalprocessofcarbonatesediments溶解作用碳酸钙矿物的转化作用和重结晶作用胶结作用交代作用压实及压溶作用一、溶解作用（solution）溶解作用是由于碳酸盐沉积物或碳酸盐岩中孔隙水的性质发生了变化，从而引起碳酸盐矿物或其它成分发生溶解作用。为了保持长期而稳定的溶解过程，孔隙水既要不饱和又要有流动性。在碳酸盐岩的各个成岩阶段都可以发生溶解作用。成岩早期的溶解作用常具选择性的特点。这是由于海水沉积物内的不稳定组分，如文石和高镁方解石的生物骨骼以及文石质的鲕粒和晶体比方解石易受溶解而造成的。这类颗粒溶解后常常形成特征的溶模孔隙。在成岩作用晚期阶段，由于不稳定组分已经转变为低镁方解石，其溶解作用多不具选择性，称非选择性溶解。这是水沿节理、裂缝和原生孔隙流动并将它们扩大的一种溶解作用，常形成溶孔、溶缝、溶沟和溶洞。溶解作用是扩大和增加岩石孔隙的作用，形成新孔隙系统往往又是油气渗滤和储集的有效空间。碳酸盐岩孔隙的分类二、碳酸钙矿物的转化作用和重结晶作用碳酸盐沉积物在沉积后作用过程中，常常发生矿物的转化作用、重结晶作用和应变重结晶作用。Inversionandrecrystallizationofcalciumcarbonateminerals矿物的转化作用包括两种情况。一种是矿物的同质多象转化，这种转化仅发生晶格和晶形的变化，并不发生化学成分的变化，如文石转变为低镁方解石即属这种类型。另一种变化有离子的带出即有化学成分的变化，但不发生晶格和晶形的变化，如高镁方解石转化为低镁方解石有镁离子的带出，但无晶格和晶形的变化。重结晶作用分简单重结晶作用和应变重结晶作用。简单重结晶作用指矿物晶体单纯地增大或缩小。应变重结晶作用指在应力作用下矿物晶格发生变形。福克（Folk,1965）主张应将这些作用明确地分开，但在不能辨认的情况下，则建议用“新生变形作用”一词作为这些作用的统称。也有人将上述这些作用当作广义的重结晶作用看待。实际上，这三种作用也应属于广义的交代作用的范畴。1、矿物的转化作用——方解石化作用现代浅海的碳酸钙沉积物是由文石、高镁方解石和低镁方解石组成的，但在相应环境中形成的古代石灰岩却都由低镁方解石组成。由于转变的最终产物是低镁方解石，所以又叫“方解石化”作用。文石高镁方解石低镁方解石根据大量现代沉积的研究资料，碳酸钙矿物的转化是在常温常压下进行的湿态转变。实质上相当于一种就地的交代作用。在这一转化过程中还发生了微量元素的迁移。文石质生物骨骼经方解石化后，其原始壳层构造一般尚能残存。LMCDLMC（很少有元素迁移或失去Sr并获得Fe、Mn）HMCDLMC（失去Mg并获得Fe、Mn）ADLMC（很少有元素迁移或失去Sr并获得Fe、Mn）因此，成岩作用碳酸盐矿物转变过程（新生变形作用）微量元素的迁移方式主要为：2、重结晶作用单纯的重结晶作用是指在成岩过程中，矿物的晶体形状和大小发生变化而主要矿物成分不改变的作用。一般情况下趋向于出现晶体长大的现象，福克称之为“进变新生变形”作用。特殊情况下也可能发生晶体的缩小，或称之为“退变新生变形”作用。①微亮晶的形成作用某些古代泥晶石灰岩，