碳酸鹽巖概論

一、基本概念碳酸鹽巖是主要由方解石、白云石等碳酸鹽礦物組成的沉積巖，屬于化學(xué)巖與生物化學(xué)巖類(lèi)，其主要類(lèi)型有石灰?guī)r和白云巖。據(jù)統(tǒng)計(jì)，碳酸鹽巖約占沉積巖總量的20%，在地殼的分布僅次于粘土巖和砂巖。在我國(guó)，沉積巖占全國(guó)總面積的75%，而碳酸鹽巖占沉積巖覆蓋面積的55%，分布比較廣泛。碳酸鹽巖中的礦產(chǎn)特別豐富，如：P、Fe、Mn、S、Al、石膏、Cu、Pb、Zn、Hg、U等。碳酸鹽巖中隱藏的油氣資源也很豐富，世界上與碳酸鹽巖有關(guān)的油氣藏儲(chǔ)量占總儲(chǔ)量的50%，產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的60%左右。二、碳酸鹽巖巖石學(xué)探討現(xiàn)狀 1.國(guó)外碳酸鹽巖巖石學(xué)探討現(xiàn)狀 碳酸鹽巖巖石學(xué)作為—門(mén)獨(dú)立的地質(zhì)科學(xué)分支學(xué)科，發(fā)呈現(xiàn)狀概括起來(lái)主要表現(xiàn)在以下九個(gè)方面：第一節(jié)緒論第一、非單一的化學(xué)成因。碳酸鹽物質(zhì)成分的沉淀和沉淀后的種種變更主要是由化學(xué)或生物化學(xué)定律支配的，而當(dāng)各種碳酸鹽成分一經(jīng)沉淀成為特定的結(jié)構(gòu)組分后，它們?cè)诔练e環(huán)境中則主要受不同強(qiáng)度水動(dòng)力條件限制，即主要是機(jī)械作用。因此，碳酸鹽巖幾乎總是多種作用或多種形成機(jī)理的綜合產(chǎn)物。其次、能量觀點(diǎn)。利用能量指數(shù)，可以在露頭剖面或鉆井剖面上劃分出有定量數(shù)據(jù)的高能量或低能量的層段，也可以在區(qū)域上劃分出有定量數(shù)據(jù)的高能量或低能量的地區(qū)，這對(duì)沉積相帶的能量分析和油氣勘探是特別有用的。近年來(lái)接受能量指數(shù)來(lái)確定和劃分沉積相帶的水能量級(jí)別或接受顆粒與泥的相對(duì)百分含量來(lái)確定沉積相帶的水能量大小，同樣是重要的。第三，結(jié)構(gòu)—成因分類(lèi)。由于各種結(jié)構(gòu)組分能反映沉積環(huán)境中的水動(dòng)力條件及其他特征，因此，按碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)—成因分類(lèi)的各種巖石類(lèi)型就必定反映其沉積相特征和水動(dòng)力條件。這樣，碳酸鹽巖巖類(lèi)學(xué)和巖相古地理學(xué)就特別親密地聯(lián)系起來(lái)了。第一節(jié)緒論第四、白云石及白云巖生成機(jī)理。已被人們普遍接受的有潮上鹽坪的毛細(xì)管濃縮白云化作用或蒸發(fā)泵白云化作用、回流滲透白云化作用、海水與淡水的混合白云化作用、調(diào)整白云化作用、各種Mg／Ca比值和各種鹽度的水體(包括淡水)中的白云石生成作用以及其他白云化作用機(jī)理說(shuō)明等。這些觀點(diǎn)和學(xué)說(shuō)對(duì)于占代白云巖的探討起很大地推動(dòng)作用。第五、碳酸鹽沉積物的沉積后作用。與碎屑沉積物和粘土沉積物相比，碳酸鹽沉積物更易遭遇沉積后的變更。碳酸鹽沉積物(巖)具有易變、易溶和易成巖等特點(diǎn)。第六，現(xiàn)代碳酸鹽沉積模式。肖(Shaw，1964)、歐文(Irwin，1965)、拉波特(Laporte，1967，1969)、楊(Youngetal，1972)、阿姆斯特朗(Armstrong，1974)、威爾遜(Wilson，1975)等的著作及其中的沉積相和巖相古地理探討成果起了重要的開(kāi)拓作用。第七、化石巖石學(xué)。推動(dòng)了碳酸鹽巖巖類(lèi)學(xué)和古地理學(xué)的探討。第一節(jié)緒論第八、碳酸鹽巖的探討方法。近20年來(lái)碳酸鹽巖巖石學(xué)和巖相古地理學(xué)的飛速發(fā)展，是與這些先進(jìn)的探討方法分不開(kāi)的。第九、深水海洋碳酸鹽沉積的探討。大量探討成果表明，在古代碳酸鹽沉積物(巖)中有廣泛的沉積物重力流、風(fēng)暴流和等深流沉積巖相。2．我國(guó)的碳酸鹽巖巖石學(xué)探討現(xiàn)狀概括起來(lái)有以下十方面：第一，建立了具有我國(guó)特點(diǎn)的碳酸鹽巖分類(lèi)方案。大體上把碳酸鹽巖分為三大類(lèi)：顆粒—泥碳酸鹽巖、晶粒碳酸鹽巖、生物格架碳酸鹽巖等。其次、發(fā)展了我國(guó)自己的化石巖石學(xué)或化石碎片巖石學(xué)。這主要表現(xiàn)在反映我國(guó)碳酸鹽巖中的化石碎片的圖版、圖冊(cè)、教材、專著等已接連公開(kāi)山版，一些高等學(xué)校還特地開(kāi)設(shè)了“化石巖石學(xué)”課程。第三、現(xiàn)代碳酸鹽探討取得了可喜的進(jìn)展。通過(guò)對(duì)我國(guó)海南島及西沙群島現(xiàn)代生物礁考察和部分鉆孔的探討，開(kāi)拓了我國(guó)海洋碳酸鹽沉積物及成巖作用探討的新領(lǐng)域，并有大量科技論著問(wèn)世。第一節(jié)緒論第四、碳酸鹽沉積后作用的探討取得了重要成果。通過(guò)對(duì)西沙和海南島的現(xiàn)代碳酸鹽沉積物的沉積后作用的探討、華北地臺(tái)早古生代碳酸鹽巖成巖作用的探討及硅化作用、去白云化作用、石膏化作用的探討等，均取得了可喜的成果。第五、古代碳酸鹽巖的沉積環(huán)境及沉積相的探討也日益深化了。這主要表現(xiàn)在單剖面沉積環(huán)境分析或微相探討的深化以及各種新穎 的相模式的建立，表明我國(guó)的碳酸鹽巖巖石學(xué)已從巖類(lèi)學(xué)發(fā)展到廠巖相學(xué)的階段。第六、區(qū)域性的碳酸鹽巖巖相古地理學(xué)探討也有了重大的發(fā)展。這主要表現(xiàn)在中一小比例尺(1：50萬(wàn)、1：250萬(wàn)、l：400萬(wàn))和定量化的巖相古地理圖的出現(xiàn)。第七、碳酸鹽巖不僅在油氣勘探中得到廣泛應(yīng)用，其在很多金屬與非金屬礦產(chǎn)勘探中日益受到重視。生產(chǎn)及科研實(shí)踐證明一些以前被認(rèn)為是“中、低溫?zé)嵋旱V床”，其礦體的富集竟與碳酸鹽巖的沉積相帶有極為親密的關(guān)系；有些過(guò)去被認(rèn)為是海陸交相互的煤田，現(xiàn)在看來(lái)有必要重新相識(shí)了。第一節(jié)緒論第八，現(xiàn)代和古代巖溶探討為油氣水勘探供應(yīng)了新的理論依據(jù)。我國(guó)是碳酸鹽巖巖溶最發(fā)育的國(guó)家，通過(guò)現(xiàn)代巖溶探討解決水土流失和水源問(wèn)題及古巖溶的探討解決古潛山油氣勘探問(wèn)題，均已取得了特別豐富的探討成果，促進(jìn)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。第九、我國(guó)碳酸鹽巖資源豐富，建材及化工系統(tǒng)在碳酸鹽巖的化學(xué)成分、物理性能、工業(yè)應(yīng)用等方面也進(jìn)行了大量的探討工作，并取得了顯著效益。第十、碳酸鹽巖探討手段日趨完善。如運(yùn)用氧碳同位素資料探討白云石形成環(huán)境，利用掃描電鏡探討微晶碳酸鹽巖，用C14法測(cè)定近代碳酸鹽沉積物的年齡，用古地磁法復(fù)原古緯度—古氣候等，亦取得良好成果。第一節(jié)緒論三、探討要點(diǎn)1）加強(qiáng)誨相碳酸鹽巖層序地層學(xué)探討。結(jié)合國(guó)外理論和實(shí)踐，進(jìn)一步深化我國(guó)海相層序地層學(xué)基礎(chǔ)理論探討，依據(jù)不同大地構(gòu)造單元，建立較完整的理論體系。2）探究和建立海相碳酸鹽巖高辨別率層序地層學(xué)，有效地為石油勘探和礦產(chǎn)預(yù)料服務(wù)，創(chuàng)建新思路，開(kāi)拓新領(lǐng)域。3）完善碳酸鹽巖巖相古地理探討及制圖工作。中—小比例尺巖相古地理探討及制圖從理論到方法已有了很大發(fā)展，從礦產(chǎn)預(yù)料角度，以后應(yīng)加強(qiáng)大—中比例尺碳酸鹽巖巖相古地理探討及制圖，為勘探地層一巖性油氣藏供應(yīng)地質(zhì)依據(jù)。第一節(jié)緒論其次節(jié)碳酸鹽巖的成分一、礦物成分1.碳酸鹽礦物

碳酸鹽巖主要由方解石、白云石兩種碳酸鹽礦物組成。A.方解石（CaCO3）礦物體系：除方解石外，還有高鎂方解石、低鎂方解石、文石。在這三種礦物中，高鎂方解石最不穩(wěn)定，其次為文石，低鎂方解石較穩(wěn)定。所以前兩者只出現(xiàn)在現(xiàn)代碳酸鹽沉積物中，古代碳酸鹽巖中不存在。B.白云石（CaMg[CO3]2）：屬三方晶系，晶形呈菱面體。C.其它碳酸鹽礦物：菱鎂礦、菱鐵礦、菱錳礦等。

方解石的晶體結(jié)構(gòu)方解石的晶形及光性方位2.非碳酸鹽自生礦物常見(jiàn)的有：石膏及硬石膏、重晶石、天青石、巖鹽及鉀鎂礦物、少量的蛋白石、自生石英、黃鐵礦、海綠石、磷酸鹽等。3.陸源碎屑礦物作為混入物，有粘土、石英及長(zhǎng)石碎屑，少量的重礦物，其含量應(yīng)<50％。二、化學(xué)成分純石灰?guī)r的理論化學(xué)成分為CaO－56％、CO2－44%；純白云巖的理論化學(xué)成分為CaO－30.4％、MgO－21.7%、CO2－47.9％。但自然界中的碳酸鹽巖總是或多或少地含有其它的化學(xué)成分。 碳酸鹽巖的主要化學(xué)成分有：CaO、MgO及CO2。其余氧化物有：SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、K2O、Na2O、H2O等。其化學(xué)成分與粘土陸源石英及硅質(zhì)生物、燧石的存在有關(guān)。此外，碳酸鹽巖中還存在某些微量元素，如：Sr、Ba、Rb、V、Ni等，依據(jù)它們的含量及其比值，可以推斷環(huán)境的標(biāo)記。其次節(jié)碳酸鹽巖的成分第三節(jié)碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)與巖石的成因有親密的關(guān)系，它不僅是巖石分類(lèi)命名的主要依據(jù)，而且是環(huán)境分析的重要標(biāo)記。巖石的結(jié)構(gòu)類(lèi)型干脆影響到油氣的儲(chǔ)集性能、含水性等同特征。一般經(jīng)過(guò)波浪和流水作用的搬運(yùn)、沉積而成的碳酸鹽巖，常具有粒屑結(jié)構(gòu)，即由顆粒、泥晶基質(zhì)（灰泥）、亮晶膠結(jié)物、孔隙四部分組成。由原地生長(zhǎng)的群體生物構(gòu)成巖石骨架的生物巖或礁灰?guī)r，常具有生物骨架結(jié)構(gòu)，即由造架的生物和粘結(jié)的生物與填隙的顆?；蚰嗑Щ|(zhì)及亮晶膠結(jié)物構(gòu)成。由化學(xué)、生物化學(xué)沉淀而成的石灰?guī)r或白云巖，重結(jié)晶作用改造形成的碳酸鹽巖，常具有晶粒結(jié)構(gòu)。因此，碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)組分包括顆粒、泥、膠結(jié)物、生物骨架、晶粒等五種主要類(lèi)型。一、粒屑（顆粒）結(jié)構(gòu)1.顆粒類(lèi)型碳酸鹽巖中的顆粒，按其是否在沉積盆地中形成，分為內(nèi)顆粒（盆內(nèi)顆粒）和外顆粒（盆外顆粒）兩類(lèi)，其中內(nèi)顆粒是主要的，常見(jiàn)的類(lèi)型有：（1）內(nèi)碎屑：依據(jù)粒度可分為－a.礫屑（＞2mm）、b.砂屑（2～0.05mm）、c.粉屑（0.05～0.005mm）。（2）鮞粒（重點(diǎn)）A.概念：鮞粒是具有核心和同心層結(jié)構(gòu)的球形顆粒，外形與魚(yú)子相像，故得名。鮞粒通常由兩部分構(gòu)成，一為核心，一為同心層，核心可以是內(nèi)碎屑、化石球粒、陸源碎屑等；同心層主要由泥晶方解石組成，有的鮞粒具放射狀結(jié)構(gòu)。第三節(jié)碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)竹葉狀礫屑灰?guī)rB.類(lèi)型：依據(jù)鮞粒的結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征，可以把鮞粒分為以下幾種類(lèi)型：①正常鮞；②薄皮鮞（表鮞）；③復(fù)鮞；④橢形鮞；⑤單晶鮞和多晶鮞；⑥負(fù)鮞；⑦放射鮞第三節(jié)碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)C.成因i生物說(shuō)：ii無(wú)機(jī)沉淀說(shuō)：鮞粒生成的必要條件是：CaCO3供應(yīng)豐富且達(dá)到過(guò)飽和，有充分的核心來(lái)源，水體要受到攪動(dòng)。（3）藻粒藻粒是與藻類(lèi)有成因聯(lián)系的顆粒，包括藻鮞、藻灰結(jié)核、藻團(tuán)塊。藻鮞：是在藻（主要為藍(lán)藻）參與下形成的鮞，其同心層是通過(guò)藻絲體粘結(jié)灰泥形成的，形成機(jī)制類(lèi)似疊層石。與正?；瘜W(xué)沉淀形成的鮞粒的區(qū)分在于藻鮞的同心層多呈波狀或梅花狀，厚度變更大，而正常鮞粒的同心層厚度勻整且平滑。第三節(jié)碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)藻灰結(jié)核（核形石）：也是通過(guò)藍(lán)綠藻粘液捕獲碳酸鹽沉積物而形成的具有同心層結(jié)構(gòu)的顆粒，成因與藻鮞相同，但同心層常呈不規(guī)則狀。與藻鮞相比，核形石較大，其直徑大于2mm，一般為10~20mm，同心層粘結(jié)物較多、較模糊、厚度變更更明顯。第三節(jié)碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)藻團(tuán)塊也是藻類(lèi)粘結(jié)增長(zhǎng)而成的顆粒，但不具同心層結(jié)構(gòu)。（4）球粒與糞球粒把較細(xì)粒的（細(xì)砂－粗粉砂級(jí)）、由灰泥組成的、不具特殊內(nèi)部結(jié)構(gòu)的球形或卵形的、分選較好的顆粒，稱為球粒（pellet）。

第三節(jié)碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)球粒的成因有兩種，一種是機(jī)械成因，即是一些分選和磨圓都較好的細(xì)砂－粉砂級(jí)的內(nèi)碎屑。另一種是生物成因的，即是由一些生物排泄的粒狀糞便形成的－稱為糞球粒。糞球粒一般呈卵形或橢球形，分選很好，有機(jī)質(zhì)含量高，薄片中呈暗色。

（5）生物顆粒（生屑、骨屑）

第三節(jié)碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)生物顆粒（skeletalgrainn）是指生物骨骼及其碎屑，類(lèi)型眾多，常見(jiàn)的有：腕足類(lèi)、棘皮類(lèi)、腹足類(lèi)、頭足類(lèi)、瓣腮類(lèi)、三葉蟲(chóng)、有孔蟲(chóng)、介形蟲(chóng)、層孔蟲(chóng)、海綿、珊瑚、紅藻、綠藻、輪藻等各種鈣質(zhì)生物化石。生物化石具有重要的指相意義。第三節(jié)碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)（6）其它顆粒團(tuán)塊：由幾個(gè)碳酸鹽顆粒被灰泥或藻類(lèi)粘結(jié)在一起形成的顆粒。葡萄石：多個(gè)相互接觸的顆粒（鮞粒、球粒、生物顆粒）膠結(jié)在一起形成一個(gè)復(fù)合顆粒，其外形像葡萄串，稱為葡萄石。豆粒：直徑大于2mm的鮞粒，同心層通常不規(guī)則。2.泥（泥晶基質(zhì)、微晶碳酸鹽泥）泥是與顆粒相對(duì)應(yīng)的另一種結(jié)構(gòu)組分，是指泥級(jí)的碳酸鹽質(zhì)點(diǎn)，與碎屑巖的雜基相當(dāng)。依據(jù)其成分可分為灰泥和云泥。泥與顆粒的界限，一般以0.005mm為界。有三種成因類(lèi)型的灰泥：①化學(xué)沉淀作用形成的灰泥；②機(jī)械裂開(kāi)磨蝕作用形成的灰泥；③生物作用生成的灰泥。云泥的成因較為困難，是否存在原生的云泥目前尚不太清晰。3.膠結(jié)物（亮晶、淀晶）膠結(jié)物是指沉淀于顆粒之間孔隙中的結(jié)晶方解石或其它礦物，對(duì)顆粒起膠結(jié)作用，相當(dāng)于碎屑巖中的膠結(jié)物。由干凈的、較大的方解石晶體組成，晶粒常大于0.01mm（<3.3Φ），它是在較強(qiáng)的水動(dòng)力條件下，原始粒間的灰泥被沖刷掉以后，富含CaCO3的水溶液在成巖期于孔隙中沉淀形成的光明晶體。第三節(jié)碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)亮晶方解石膠結(jié)物與粒間灰泥的區(qū)分： ①亮晶晶粒粗大，灰泥則較??； ②亮晶清潔光明，灰泥則較污濁； ③亮晶膠結(jié)物常呈現(xiàn)出櫛殼狀等特征的分布狀況，灰泥沒(méi)有這種結(jié)構(gòu)；第三節(jié)碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)當(dāng)巖石發(fā)生重結(jié)晶時(shí)，灰泥常變?yōu)檩^大的晶體，這時(shí)，要區(qū)分兩者常有確定的難度，當(dāng)重結(jié)晶作用不太猛烈時(shí)，兩者的區(qū)分為： ①亮晶膠結(jié)物的櫛殼狀結(jié)構(gòu)仍隱隱可見(jiàn)晶形較好，晶體邊緣平直，晶體較光明； ②灰泥重結(jié)晶的方解石晶體常呈粒狀，晶面彎曲并互呈鑲嵌狀，晶體的光明程度較差，可見(jiàn)灰泥的殘余，決不呈櫛殼狀結(jié)構(gòu)。重結(jié)晶作用猛烈時(shí)，無(wú)法將二者區(qū)分開(kāi)，這時(shí)只好把這兩種非顆粒成分統(tǒng)稱為“基質(zhì)”或“填隙物”。若巖石中的顆粒數(shù)確定，則當(dāng)亮晶多時(shí)，代表巖石形成時(shí)的水動(dòng)力強(qiáng)，灰泥多時(shí)，代表水動(dòng)力弱。第三節(jié)碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)4.膠結(jié)類(lèi)型在碳酸鹽巖中，作為膠結(jié)物的礦物常為方解石和白云石，有時(shí)可見(jiàn)石膏、硅質(zhì)等膠結(jié)物。膠結(jié)物本身的結(jié)構(gòu)有：櫛殼狀、粒狀、再生邊及連生膠結(jié)物等。膠結(jié)類(lèi)型與碎屑巖相像，也可分為基底式、孔隙式、接觸式膠結(jié)及它們之間的過(guò)渡類(lèi)型。二、生物骨架結(jié)構(gòu)原地生長(zhǎng)的造礁生物構(gòu)成的巖石骨架常具生物骨架結(jié)構(gòu)，形成礁灰?guī)r。能造礁的生物有：珊瑚、海綿、苔蘚蟲(chóng)、層孔蟲(chóng)及鈣藻等，而充填于骨架間的附架生物有：有孔蟲(chóng)、海百合、腕足類(lèi)、腹足類(lèi)等，其間還可有灰泥及亮晶膠結(jié)物。第三節(jié)碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)三、晶粒結(jié)構(gòu)

化學(xué)及生物化學(xué)作用形成的灰?guī)r、經(jīng)白云巖化作用形成的白云巖、重結(jié)晶的灰?guī)r，常具有晶粒結(jié)構(gòu)，按晶粒大小可細(xì)分為： 巨晶：晶粒>2mm 細(xì)晶：0.25～0.1mm 極粗晶：2～1mm 粉晶：0.1）～0.005mm 粗晶：1～0.5mm 微晶：0.05～0.001mm 中晶：0.5～0.25mm 隱晶：<0.001mm

第三節(jié)碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)碳酸鹽巖的構(gòu)造比較困難，與沉積環(huán)境及成巖改造作用有關(guān)，在碎屑巖中發(fā)育的各種沉積構(gòu)造在碳酸鹽巖中同樣發(fā)育，同時(shí)，碳酸鹽巖中還有一些特有的構(gòu)造。一、疊層構(gòu)造（疊層石）疊層石由兩種基本層組成：①富藻紋層（暗層），藻組分含量多，有機(jī)質(zhì)含量高，碳酸鹽沉積物少，顏色深；②富碳酸鹽紋層（亮層）：藻組分含量少，有機(jī)質(zhì)含量低，碳酸鹽沉積物多，顏色淺。這兩種基本層交互呈現(xiàn)，形成疊層構(gòu)造。疊層石中的藻組分主要是