碳酸鹽巖概論

碳酸鹽巖概論第1頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六

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，其主要類型有石灰?guī)r和白云巖。據(jù)統(tǒng)計，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，沉積巖占全國總面積的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)十分豐富，如：P、Fe、Mn、S、Al、石膏、Cu、Pb、Zn、Hg、U等。碳酸鹽巖中蘊藏的油氣資源也很豐富，世界上與碳酸鹽巖有關(guān)的油氣藏儲量占總儲量的50%，產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的60%左右。

二、碳酸鹽巖巖石學(xué)研究現(xiàn)狀 1.國外碳酸鹽巖巖石學(xué)研究現(xiàn)狀

碳酸鹽巖巖石學(xué)作為—門獨立的地質(zhì)科學(xué)分支學(xué)科，發(fā)展現(xiàn)狀概括起來主要表現(xiàn)在以下九個方面：第一節(jié)緒論第2頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六

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化主要是由化學(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，它們在沉積環(huán)境中則主要受不同強度水動力條件控制，即主要是機械作用。因此，碳酸鹽巖幾乎總是多種作用或多種形成機理的綜合產(chǎn)物。

第二、能量觀點。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)，這對沉積相帶的能量分析和油氣勘探是十分有用的。近年來采用能量指數(shù)來確定和劃分沉積相帶的水能量級別或采用顆粒與泥的相對百分含量來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。由于各種結(jié)構(gòu)組分能反映沉積環(huán)境中的水動力條件及其他特征，因此，按碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)—成因分類的各種巖石類型就必然反映其沉積相特征和水動力條件。這樣，碳酸鹽巖巖類學(xué)和巖相古地理學(xué)就十分密切地聯(lián)系起來了。第一節(jié)緒論第3頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六

第四、白云石及白云巖生成機理。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理解釋等。這些觀點和學(xué)說對于占代白云巖的研究起很大地推進作用。

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受沉積后的變化。碳酸鹽沉積物(巖)具有易變、易溶和易成巖等特點。

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研究成果起了重要的開拓作用。

第七、化石巖石學(xué)。推進了碳酸鹽巖巖類學(xué)和古地理學(xué)的研究。第一節(jié)緒論第4頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六

第八、碳酸鹽巖的研究方法。近20年來碳酸鹽巖巖石學(xué)和巖相古地理學(xué)的飛速發(fā)展，是與這些先進的研究方法分不開的。第九、深水海洋碳酸鹽沉積的研究。大量研究成果表明，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．我國的碳酸鹽巖巖石學(xué)研究現(xiàn)狀概括起來有以下十方面：

第一，建立了具有我國特點的碳酸鹽巖分類方案。大體上把碳酸鹽巖分為三大類：顆?！嗵妓猁}巖、晶粒碳酸鹽巖、生物格架碳酸鹽巖等。

第二、發(fā)展了我國自己的化石巖石學(xué)或化石碎片巖石學(xué)。這主要表現(xiàn)在反映我國碳酸鹽巖中的化石碎片的圖版、圖冊、教材、專著等已陸續(xù)公開山版，一些高等學(xué)校還專門開設(shè)了“化石巖石學(xué)”課程。

第三、現(xiàn)代碳酸鹽研究取得了可喜的進展。通過對我國海南島及西沙群島現(xiàn)代生物礁考察和部分鉆孔的研究，開拓了我國海洋碳酸鹽沉積物及成巖作用研究的新領(lǐng)域，并有大量科技論著問世。第一節(jié)緒論第5頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六第四、碳酸鹽沉積后作用的研究取得了重要成果。通過對西沙和海南島的現(xiàn)代碳酸鹽沉積物的沉積后作用的研究、華北地臺早古生代碳酸鹽巖成巖作用的研究及硅化作用、去白云化作用、石膏化作用的研究等，均取得了可喜的成果。

第五、古代碳酸鹽巖的沉積環(huán)境及沉積相的研究也日益深入了。這主要表現(xiàn)在單剖面沉積環(huán)境分析或微相研究的深入以及各種新穎的相模式的建立，表明我國的碳酸鹽巖巖石學(xué)已從巖類學(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)研究也有了重大的發(fā)展。這主要表現(xiàn)在中一小比例尺(1：50萬、1：250萬、l：400萬)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，其在許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密切的關(guān)系；有些過去被認(rèn)為是海陸交互相的煤田，現(xiàn)在看來有必要重新認(rèn)識了。

第一節(jié)緒論第6頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六第八，現(xiàn)代和古代巖溶研究為油氣水勘探提供了新的理論依據(jù)。我國是碳酸鹽巖巖溶最發(fā)育的國家，通過現(xiàn)代巖溶研究解決水土流失和水源問題及古巖溶的研究解決古潛山油氣勘探問題，均已取得了十分豐富的研究成果，促進了國民經(jīng)濟的發(fā)展。

第九、我國碳酸鹽巖資源豐富，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)用等方面也進行了大量的研究工作，并取得了顯著效益。

第十、碳酸鹽巖研究手段日趨完善。如使用氧碳同位素資料研究白云石形成環(huán)境，利用掃描電鏡研究微晶碳酸鹽巖，用C14法測定近代碳酸鹽沉積物的年齡，用古地磁法恢復(fù)古緯度—古氣候等，亦取得良好成果。第一節(jié)緒論第7頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六

三、研究要點

1）加強誨相碳酸鹽巖層序地層學(xué)研究。結(jié)合國外理論和實踐，進一步深化我國海相層序地層學(xué)基礎(chǔ)理論研究，按照不同大地構(gòu)造單元，建立較完整的理論體系。

2）探索和建立海相碳酸鹽巖高分辨率層序地層學(xué)，有效地為石油勘探和礦產(chǎn)預(yù)測服務(wù)，創(chuàng)造新思路，開拓新領(lǐng)域。

3）完善碳酸鹽巖巖相古地理研究及制圖工作。中—小比例尺巖相古地理研究及制圖從理論到方法已有了很大發(fā)展，從礦產(chǎn)預(yù)測角度，以后應(yīng)加強大—中比例尺碳酸鹽巖巖相古地理研究及制圖，為勘探地層一巖性油氣藏提供地質(zhì)依據(jù)。第一節(jié)緒論第8頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六第二節(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第9頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六

2.非碳酸鹽自生礦物常見的有：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，根據(jù)它們的含量及其比值，可以判斷環(huán)境的標(biāo)志。第二節(jié)碳酸鹽巖的成分第10頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六第三節(jié)碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)與巖石的成因有密切的關(guān)系，它不僅是巖石分類命名的主要依據(jù)，而且是環(huán)境分析的重要標(biāo)志。巖石的結(jié)構(gòu)類型直接影響到油氣的儲集性能、含水性等同特征。一般經(jīng)過波浪和流水作用的搬運、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、晶粒等五種主要類型。第11頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六

一、粒屑（顆粒）結(jié)構(gòu)

1.顆粒類型

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，其中內(nèi)顆粒是主要的，常見的類型有：（1）內(nèi)碎屑：根據(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）

A.概念：鮞粒是具有核心和同心層結(jié)構(gòu)的球形顆粒，外形與魚子相似，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)r第12頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六B.類型：

根據(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)第13頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六C.成因

i生物說：ii無機沉淀說：鮞粒生成的必要條件是：CaCO3供應(yīng)豐富且達(dá)到過飽和，有充分的核心來源，水體要受到攪動。

（3）藻粒藻粒是與藻類有成因聯(lián)系的顆粒，包括藻鮞、藻灰結(jié)核、藻團塊。藻鮞：是在藻（主要為藍(lán)藻）參與下形成的鮞，其同心層是通過藻絲體粘結(jié)灰泥形成的，形成機制類似疊層石。與正?；瘜W(xué)沉淀形成的鮞粒的區(qū)別在于藻鮞的同心層多呈波狀或梅花狀，厚度變化大，而正常鮞粒的同心層厚度均勻且平滑。第三節(jié)碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)第14頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六

藻灰結(jié)核（核形石）：也是通過藍(lán)綠藻粘液捕捉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、厚度變化更明顯。

第三節(jié)碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)藻團塊也是藻類粘結(jié)增長而成的顆粒，但不具同心層結(jié)構(gòu)。第15頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六（4）球粒與糞球粒把較細(xì)粒的（細(xì)砂－粗粉砂級）、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，一種是機械成因，即是一些分選和磨圓都較好的細(xì)砂－粉砂級的內(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，有機質(zhì)含量高，薄片中呈暗色。

第16頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六（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，類型眾多，常見的有：腕足類、棘皮類、腹足類、頭足類、瓣腮類、三葉蟲、有孔蟲、介形蟲、層孔蟲、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17頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六第三節(jié)碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)（6）其它顆粒團塊：由幾個碳酸鹽顆粒被灰泥或藻類粘結(jié)在一起形成的顆粒。葡萄石：多個相互接觸的顆粒（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）

泥是與顆粒相對應(yīng)的另一種結(jié)構(gòu)組分，是指泥級的碳酸鹽質(zhì)點，與碎屑巖的雜基相當(dāng)。根據(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。有三種成因類型的灰泥：①化學(xué)沉淀作用形成的灰泥；②機械破碎磨蝕作用形成的灰泥；③生物作用生成的灰泥。云泥的成因較為復(fù)雜，是否存在原生的云泥目前尚不太清楚。第18頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六3.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），它是在較強的水動力條件下，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明亮晶體。第三節(jié)碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)第19頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六

亮晶方解石膠結(jié)物與粒間灰泥的區(qū)別：

①亮晶晶粒粗大，灰泥則較??； ②亮晶清潔明亮，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，灰泥沒有這種結(jié)構(gòu)；

第三節(jié)碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)第20頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六當(dāng)巖石發(fā)生重結(jié)晶時，灰泥常變?yōu)檩^大的晶體，這時，要區(qū)分兩者常有一定的難度，當(dāng)重結(jié)晶作用不太強烈時，兩者的區(qū)別為：

①亮晶膠結(jié)物的櫛殼狀結(jié)構(gòu)仍隱約可見晶形較好，晶體邊緣平直，晶體較明亮； 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，晶體的明亮程度較差，可見灰泥的殘余，決不呈櫛殼狀結(jié)構(gòu)。重結(jié)晶作用強烈時，無法將二者區(qū)分開，這時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)一定，則當(dāng)亮晶多時，代表巖石形成時的水動力強，灰泥多時，代表水動力弱。第三節(jié)碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)第21頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六

4.膠結(jié)類型在碳酸鹽巖中，作為膠結(jié)物的礦物常為方解石和白云石，有時可見石膏、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)類型與碎屑巖相似，也可分為基底式、孔隙式、接觸式膠結(jié)及它們之間的過渡類型。

二、生物骨架結(jié)構(gòu)原地生長的造礁生物構(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、層孔蟲及鈣藻等，而充填于骨架間的附架生物有：有孔蟲、海百合、腕足類、腹足類等，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)第22頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六三、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)第23頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六

碳酸鹽巖的構(gòu)造比較復(fù)雜，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，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絲狀或球狀的藍(lán)綠藻