碳酸盐岩沉积学

碳酸盐岩沉积学一、碳酸盐岩石学二、碳酸盐成岩作用三、碳酸盐沉积相四、碎屑岩沉积相一、碳酸盐岩石学1碳酸盐岩的矿物组成2碳酸盐岩的同位素组成3碳酸盐岩的结构4碳酸盐岩分类一、碳酸盐岩石学1碳酸盐岩的矿物组成沉积碳酸盐矿物自生的非碳酸盐矿物陆源碎屑矿物1.1沉积碳酸盐矿物学（1）沉积碳酸盐矿物的基本特征沉积岩中见的碳酸盐矿物包括方解石(或称低镁方解石)、文石、镁方解石(或称高镁方解石)、白去石及菱铁矿.菱镁矿.菱锰矿等.它们都是由碳酸根[Co3]2和Ca2+、Mg2+以及Fe2+、Mn2+、Ba2+、Sr2+、Pb2+等结合形成的无水碳酸盐矿物。从结构上说,碳酴盐矿物有三方晶系和斜方晶系系列。斜方晶系系列的典型代表矿物是文石,故亦称文石型.三方晶系则有三方晶系方解石型和三方晶系白云石型两类。离子半径较小的Mg、Zn、Fe、Mn、Cd在能量上有利于形成六次配位的三方晶系;半径较大的Ba、Pb、Sr等则有利于形成9次配位的斜方晶系。离子半径中等的Ca既可形成三方晶系方解石型,也可形成斜方晶系的文石型(表1)。白云石由于其成分和结构的特殊性,因而在三方晶系中单独将其划为一类。碳酸盐矿物的结晶类型与其阳离子半径的关系阳离子MgZnFeMnCdCaSrPbBa离子半径0.65-0.780.74-0.830.75-0.830.80-0.910.97-1.030.99-1.061.13-1.271.20-1.261.25-1.34配位数6666669999矿物菱镁矿菱锌矿菱铁矿菱锰矿菱镉矿方解石文石天青石白铅矿物毒重石三方晶系方解石型晶格斜方晶系文型晶格（2）方解石(LMC)方解石是常温常压下最稳定的CaCO3矿物相.方解石中,MgCO3的摩尔分数5%,常是2-3%,其结晶习性常是复三方偏三角面体、菱面体。在碳酸盐岩中,方解石有三种主要成因:①文石及镁方解石在淡水环境中新生变形的产物;②淡水及地质历史中部分海水中的化学沉淀物;③如构成腕足类的壳，古代石灰岩几乎全由方解石组成。（3）文石(A)从热力学的角度来说,文石是高温高压下稳定的CaCO3矿物相,因此,在常温常压的地表条件下,文石必然要向着方解石转化。在Mg2+活度较高的海水(正常海水Mg2+离子浓度约0.052mol/L)中,由于方解石的晶核生长受到水合Mg2+吸附作用的阻碍,造成文石(其Mg2+含量极低,MgCO3摩尔分数2%)的生成自由能低于方解石，因而优先沉淀文石而不是方解石。因而优先沉淀文石而不是方解石，直到文石离开富Mg2+的海洋环境时,才向着其稳定的矿物相方解石转化,因而古代的石灰岩几乎全由方解石组成,现代海洋CaCO3沉积物则主要由文石（及镁方解石）组成。104(3.402A)文石属斜方双锥晶类，晶体常为柱状，集合体多呈纤维状或柱状。在碳酸盐岩中，文石主要有两种成因：①海水中的化学沉淀物;②生物成因,如构成软体类动物的壳。（4）镁方解石(HMC)镁方解石具方解石型晶格，但MgCO3摩尔分数5%,绝大多数MgCO3均是以固溶体方式加入到方解石晶格中的。在各种CaCO3矿物相中,镁方解石溶解度最大,稳定性最差。在淡水中很容易转化成方解石；在Mg/Ca比值高的溶液中溶液则可能向着白云石转化。因而镁方解石是现代碳酸盐沉积的组成矿物之一,古代已基本消失。镁方解石的结晶习性常为复三方偏三角面体或陡斜的菱面体。一部分镁方解石属有机成因,即生物成因或生物化学成因,但亦有无机沉淀的镁方解石分布在现代海洋环境中。（4）白云石(D)白云石是指成分上Ca、Mg含量近于相等,并在X射线衍射图上具超结构反射的Ca、Mg碳酸盐。理想白云石Ca、Mg原子的数量完全相等,即Ca、Mg的mol百分数各为50%,且Ca2+、Mg2+与CO3呈完全有序的排列,即有序度为1,而大多数天然产出的白云石,其Ca.Mg摩尔分数变化在Ca56-50%和Mg44-50%之间,且有序度1,即部分有序。对未显示超结构反射者(即完全无序的Ca、Mg碳酸盐),仍属镁方解石范畴。白云石的结晶习性以菱面体为主。绝大多数天然产出的白云石都是交代文石、镁方解石或方解石的产物。但对于一些缺乏交代结构的泥一微晶白云石,仍不排除其原生沉淀的可能性。1.2自生的非碳酸盐矿物碳酸盐岩中自生的非碳酸盐矿物包括各种石膏、硬石膏、天青石、重晶石、高岭石、地开石、萤石、黄铁矿和自生粘土矿物等，碳酸盐岩自生非碳酸盐矿物（尤其是成岩过程中形成的自生非碳酸盐矿物的研究对于推测成岩流体性质，解决储层研究中的一些疑难问题起到意想不到的效果，我们后边举一研究实例来说明这一问题1.3陆源碎屑矿物碳酸盐岩中的陆源碎屑矿物包括石英、长石、岩屑碎屑粘土矿物以及云母等，其研究方法与碎屑岩的研究方法是类似的。自生二氧化硅矿物，残余体腔孔1.4.1碳酸盐矿物的转变1.4沉积成岩过程中碳酸盐矿物的转变和微量元素的迁移(1)沉积碳酸盐矿物的晶体化学习性阳离子MgZnFeMnCdCaSrPbBa离子半径0.65-0.780.74-0.830.75-0.830.80-0.910.97-1.030.99-1.061.13-1.271.20-1.261.25-1.34配位数6666669999矿物菱镁矿菱锌矿菱铁矿菱锰矿菱镉矿方解石文石天青石白铅矿物毒重石三方晶系方解石型晶格斜方晶系文型晶格碳酸盐矿物的结晶类型与其阳离子半径的关系因此，镁、铁、锰等小半径金属阳离子很容进入方解石型晶格，很难进入文石型晶格；而锶等大半径阳离子很容易进入文石晶格，很难进入方解石型晶格.（2）生成自由能问题MgCO3的生成自由能大于CaCO3Mg很容易进入方解石型晶格而很难进入文石型晶格因此，在富Mg的海洋环境中方解石的生成自由能大于文石，海水中优先沉淀文石流体中Mg2+浓度增加（或称为Mg2+的毒化作用）限制碳酸盐晶体的侧向生长，因而海相碳酸盐沉积物或海相碳酸盐胶结物常具有一向延长的晶体形态，而淡水胶结物则有等轴（粒状）的晶体形态流体中Mg2+浓度增加（3）流体中Mg2+离子浓度与碳酸盐矿物晶体形态的关系LMCHMCDLMC&DA（4）成岩过程中碳酸盐矿物的转变1.4.2微量元素的迁移受3个因素控制1、矿物学因素（包括生物因素）2、碳酸盐沉积环境和成岩环境元素构造的差别3、化学动力学效应含量（ppm）元素海水大陆淡水Ca41115Mn0.00040.02Fe0.00340.67Sr8.10.09Mg12904.1(1)海水的主要元素组成(2)大陆淡水的主要元素组成元素MnFeSrMg分配系数5.4—17001—200.05—0.270.02—0.06因此，海水中富（Ca）Sr、Mg，贫Mn、Fe大陆淡水中富Mn、Fe，贫Sr、Mg元素MnFeSrMg分配系数5.4—17001—200.05—0.270.02—006（3）化学动力效应Fe、Mn、Sr、Mg在CaCO3中的分配系数CaCO3的沉淀与结晶过程是一个非常快速的过程（其时间与成岩过程中发生的矿物新生变形和重结晶等过程相比，可以忽略不计，因此Fe、Mn、Sr、Mg（尤其是分配系数变化很大的Fe、Mn）在CaCO3中的分配系数很低。与之相反，CaCO3的成岩过程（如矿物新生变形和重结晶等）是一个极其缓慢的过程过程，Fe、Mn、Sr、Mg（尤其是分配系数变化很大的Fe、Mn）在CaCO3中的分配系数很高，大量的Fe、Mn等元素在成岩过程中进入碳酸盐晶格中.LMCDLMC（很少有元素迁移或失去Mg并获得Fe、Mn）HMCDLMC（失去Mg并获得Fe、Mn）ADLMC（失去Sr并获得Fe、Mn）因此，成岩作用碳酸盐矿物转变过程微量元素的迁移方式主要为：LMCHMCDLMC&DA获得Fe、Mn失去Mg,或很少有变化失去Mg失去Sr1.4.3矿物学转变造成的晶体形状的转变海相沉积物（或胶结物）晶体形态的差别当海相碳酸盐矿物离开富Mg2+的海洋环境，在发生其矿物学转变的转变的同时，其晶体形态将发生相应的转变（从右向左转变）流体中Mg2+浓度增加在过去的研究中，当我们面对古代碳酸盐岩时，总认为保留一向延长晶体形态的胶结物（马牙状、针状、柱状等），其原始胶结物可能是文石，因而其成岩环境是海相环境）然而从碳酸盐矿物的晶体化学习性可知，文石与方解石具有巨大的晶体化学习性上的差异（表1），其转变过程不能保留其原有的晶体形态，因而保留一向延长晶体形态的胶结物（马牙状、针状、柱状等），其原始胶结物应是镁方解石，而不是文石。而块状的嵌晶胶结物，其原始胶结物反而是海相文石碳酸盐矿物的结晶类型与其阳离子半径的关系阳离子MgZnFeMnCdCaSrPbBa离子半径0.65-0.780.74-0.830.75-0.830.80-0.910.97-1.030.99-1.061.13-1.271.20-1.261.25-1.34配位数6666669999矿物菱镁矿菱锌矿菱铁矿菱锰矿菱镉矿方解石文石天青石白铅矿物毒重石三方晶系方解石型晶格斜方晶系文型晶格return因此，判断原始胶结物应是镁方解石，而还是文石，应依据以下两点：1）矿物中Sr的含量2）矿物中是否残留有文石晶体3)如果不具有阴极发光且铁、锰含量低则其原始矿物可能是方解石1.5海相碳酸盐成岩蚀变的判别1)海相碳酸盐矿物成岩蚀变的定义海相碳酸盐矿物离开沉积盆地流体所经历的所有变化，包括矿物学的、化学的和结构的，但通常不包括在沉积盆地中发生的同生变化2)海相碳酸盐成岩蚀变的检测从前边的分析已经可以说明：对沉积海相碳酸盐矿物中Sr、Mg、Fe、Mn的检测，是判断该碳酸盐矿物是否遭受成岩蚀变，其同位素分析结果（也包括其它用以反映沉积环境、层序地层学特征的有关分析）是否具有真实性的一个重要手段。在公布海相碳酸盐的同位素演化曲线时，必须公布其相应的Sr、Mg、Fe、Mn含量海相碳酸盐成岩蚀变性检测的具体方法包括：氨基酸分析微量元素分析*阴极发光分析*结构分析（XRD分析，SEM分析）（1）微量元素分析对没有遭受成岩蚀变的沉积海相碳酸盐矿物（方解石）而言：Fe300ppmMn100ppm才可用于同位素微量元素或其它与沉积环境有关的分析，以代表原始海水.（2）阴极发光分析对没有遭受成岩蚀变的沉积海相碳酸盐矿物（方解石）而言：应不具阴极发光，同时Fe300ppm才可用于同位素分析，以代表原始海水.（3）筛选原始矿物组成为LMC（低镁方解石）的组分LMC、A、HMC在离开富Mg的海相环境后，都将在成岩过程中转变成DLMC。因此原始矿物组成为LMC的组分具有很强的抵抗成岩蚀变的能力，尤其是原始矿物组成为低镁方解石的生物（如腕足类的全部种属、有孔虫壳和三叶虫的部分种属等），此外也可选择没有遭受成岩蚀变的微（泥）晶灰岩和准同生白云岩。3）阴极发光分析在海相碳酸盐成岩蚀变的判别中的应用在碳酸盐岩研究中,主要通过碳酸盐矿物的阴极发光颜色及强度,推测矿物中杂质元素的成分及含量,从而研究它们的形成条件,如胶结物的形成条件及白云石的形成条件等,从而对碳酸盐岩的沉积和成岩环境、成岩历史、孔隙演化等进行研究，因而阴极发光分析被认为是碳酸盐岩成岩作用研究最为重要的三种手段之一（AAPG）。（1）沉积碳酸盐矿物阴极发光性的控制因素碳酸盐矿物的阴极发光性主要受晶体中Mn2+和Fe2+含量的控制。Mn2+作为激活剂,激活发光,Fe2+是作为猝灭剂,抑制发光,这已经是为大家所接受了。但是Mn2+和Fe2+在控制阴极发光过程中的关系如何,矿物的阴极发光性是受Fe/Mn比率控制,还是受Fe、Mn的绝对含量控制,以及多大量的Mn2+便可激活发光,多大量的Fe2+便可猝灭发光，这是很多人都没有搞清楚的问题，因而造成了很多错误的结论。如前人(Pierson,1981;Righter和Zinkernagel1981;以及TenHave和HeiJnen,1985)关于可激活碳酸盐阴极发光的Mn2+最低限的研究中,其范围从15ppm一直到1000ppm。这与阴极发光仪目前还没有一个统一的仪器标准,各测试者所使用的测试条件(主要是指测试仪器的检测限)不同,以及样品复盖范围有关。a)