碳酸鹽沉積巖石學(xué)及相模式

碳酸鹽沉積巖石學(xué) 及相模式 目 錄 第一講 碳酸鹽巖概論 第二講 碳酸鹽巖結(jié)構(gòu)與構(gòu)造 第三講 碳酸鹽巖分類及主要巖石類型 第四講 碳酸鹽巖沉積環(huán)境及沉積相模式 碳酸鹽巖是主要由 方解石和白云石 等碳酸鹽礦物組成的沉積巖； 石灰?guī)r和白云巖 是碳酸鹽巖的主要巖石類型； 碳酸鹽巖分布很廣 ， 在沉積巖中居 第三位 ； 碳酸鹽巖是重要的 烴源巖和儲(chǔ)集巖 。 在當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的大油氣田中 ， 碳酸鹽巖產(chǎn)層占 50 ， 產(chǎn)量占 60 。 第一講 碳酸鹽巖概論 第一節(jié) 碳酸鹽巖的物質(zhì)成分 一 、 碳酸鹽巖礦物成分 （ 一 ） 碳酸鹽礦物 主要是 方解石 (低鎂方解石 )和 白云石 。 現(xiàn)代的碳酸鹽沉積物中還常見(jiàn) 高鎂方解石和文石 。此外在一定的環(huán)境條件下還可有 鐵白云石 、 菱鎂礦 、 菱錳礦 、 菱鐵礦 等碳酸鹽礦物 。 以 方解石 為主的碳酸鹽巖稱 石灰?guī)r ， 以 白云石 為主的碳酸鹽巖稱 白云巖 。 （一） 碳酸鹽礦物 方解石 (, 成 ，常 含少量 一般 4。 三方晶系 ， 常見(jiàn)棱面體 、 復(fù)三方偏三角面體及微晶 、 隱晶質(zhì)集合體 。 三組菱面體解理完全 ， 硬度為 3， 相對(duì)密度為 活度積常數(shù)在 25 時(shí)為 顯微鏡下具極明顯的閃突起 ， 高級(jí)白干涉色 ， 三組完全解理 ， 雙晶紋常見(jiàn)且平行于菱形解理的長(zhǎng)對(duì)角線 。 方解石是 穩(wěn)定的最終保存下來(lái)的礦物相之一 ， 在古老的碳酸鹽巖中廣泛分布 。 廣泛存在于介形蟲(chóng) 、 三葉蟲(chóng) 、 有孔蟲(chóng) 、 層孔蟲(chóng)以及某些腕足動(dòng)物和苔蘚動(dòng)物原始骨骼之中 。 1、方解石 (或低鎂方解石 ) 方解石的晶體結(jié)構(gòu)及原始晶胞形狀 2、白云石 化學(xué)式為 ， 理想白云石是 1 1； 且高度有序 ， 即絡(luò)陰離子 2- 、 鎂離子鈣離子 分別成層沿 屬三方晶系 ， 常見(jiàn)的晶形為菱面體 ,菱形晶面常彎曲 ,硬度為 4， 相對(duì)密度為 活度積常數(shù)在25 時(shí)為 顯微鏡下具 極明顯的閃突起 ， 高級(jí)白干涉色 ， 三組完全解理 ， 雙晶紋平行于菱形解理的短對(duì)角線 。 憑光學(xué)性質(zhì)與方解石極難區(qū)別 ， 常用染色法及衍射分析鑒別 。 在自然界中 ， 這種理想的白云石是很少的 。 碳酸鹽巖中的白云石通常都是富鈣的 ， 一般說(shuō)來(lái) ， 白云石形成時(shí)間愈長(zhǎng) ， 即其時(shí)代愈老就愈接近理想白云石晶體構(gòu)造和化學(xué)式 。 （一） 碳酸鹽礦物 （二）非碳酸鹽礦物 1、 非碳酸鹽自生礦物： 石膏 、 硬石膏 、 天青石 、 重晶石 、 螢石 、 石鹽 。 鉀石鹽 、 玉髓 、 自生石英 、 黃鐵礦 、 赤鐵礦 、 海綠石 、 膠磷礦等 。 2、 還常含一些陸源礦物： 如粘土礦物 、 石英 、 長(zhǎng)石 、云母 、 綠泥石 ， 以及一些重礦物等 。 3、 有機(jī)質(zhì) 這些成分在判斷碳酸鹽巖的成因及沉積環(huán)境上 ， 都是很有用處的 。 二、碳酸鹽巖化學(xué)成分 碳酸鹽巖的化學(xué)成分與其礦物組成及形成環(huán)境有關(guān)： 純石灰?guī)r (純方解石 )的理論化學(xué)成分為 6 )和4 )； 純白云巖 (純白云石 )的理論化學(xué)成分為)， ),) 但是 ，實(shí)際上自然界中的碳酸鹽巖總是或多或少地含有其他的化學(xué)成分 。 碳酸鹽巖的化學(xué)成分對(duì)碳酸鹽巖的各種工業(yè)用途來(lái)說(shuō)是很重要的 。 例如水泥用的石灰?guī)r ， % 5 ， ， ， 4 ；冶金熔劑用的白云巖 ， 6 ， 。 在碳酸鹽巖中還常含有一些微量元素或痕量元素 ，如 i， 這些元素及其含量在地層劃分和對(duì)比以及沉積環(huán)境解釋中 ， 有時(shí)很有意義 。 例如 硼 (B） ， 開(kāi)闊海石灰?guī)r的硼含量約為 ，局限海石灰?guī)r的棚含量約為 ， 潮上云坪準(zhǔn)同生白云巖的硼含量約為 。 這說(shuō)明碳酸鹽巖中的硼含量隨其沉積環(huán)境的水體含鹽度的增高而增高 ，碳酸鹽巖中的硼含量可作為古沉積環(huán)境水體含鹽度的良好標(biāo)志 。 因此 ， 開(kāi)展碳酸鹽巖中微量或痕量元素的研究是有意義的 。 二、碳酸鹽巖化學(xué)成分 碳酸鹽巖的顏色與陸源碎屑巖及粘土巖相同 ， 其顏色所反映的環(huán)境條件也是相似的 。 （ 1） 強(qiáng)還原色： 灰黑色 ， 黑灰色； （ 2） 還原色： 深灰色 ， 灰色 ， 淺灰色； （ 3） 弱還原色： 灰綠色 ， 黃綠色 ， 黃灰色； （ 4） 弱氧化色： 褐灰色 ， 灰褐色； （ 5） 氧化色： 灰紫色 ， 棕紅色 ， 紅褐色 。 第三節(jié) 碳酸鹽巖的顏色 第二講 碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造 第一節(jié) 碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)組分 一 、 顆粒 二 、 碳酸鹽泥 三 、 膠結(jié)物 四 、 晶粒 五 、 生物格架 第二節(jié) 碳酸鹽巖的沉積構(gòu)造 第一節(jié) 碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)組分 碳酸鹽巖主要由 顆粒 、 灰泥 、 膠結(jié)物 、 晶粒 、 以及生物格架等 五種主要的結(jié)構(gòu)組分組成 。 此外 ， 還有一些次要的結(jié)構(gòu)組分 ， 如陸源物質(zhì) 、 其它化學(xué)沉積礦物 、 有機(jī)質(zhì)等； 派生的結(jié)構(gòu)組分如孔隙等 。 這些次要的和派生的結(jié)構(gòu)組分對(duì)巖石性質(zhì)也有一定的影響 ， 對(duì)巖石的成因分析有重要意義 。 一、顆粒 在碳酸鹽巖中 ， 常見(jiàn)顆粒類型有 內(nèi)碎屑 、 鮞粒 、 藻粒 、 球粒 、 葡萄石 、 團(tuán)塊 、 生物顆粒等 。 （據(jù)趙澄林等） 鮞粒 是化學(xué)凝聚成因的具有核心和包殼 (同心層結(jié)構(gòu) )的球形內(nèi)顆粒 。 很象魚(yú)卵子 （ 即鮞 ） 。 核心 可以是內(nèi)碎屑 、 化石 （ 完整的或破碎的 ） 、 陸源碎屑 、 以及其他物質(zhì) 。 包殼 (同心層 )主要由泥晶方解石組成；現(xiàn)代海洋環(huán)境中鮞粒主要由文石組成 。 有的鮞粒具有放射狀結(jié)構(gòu) ，有的則只限于幾個(gè)同心層中 。 粒徑一般為： 2 大于 2豆粒 ） 和小于 一、顆粒 碳酸鹽泥是與顆粒相對(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) ， 它與粘土巖或粘土質(zhì)砂巖中的粘土泥是相當(dāng)?shù)?， 均是與顆粒同時(shí)以機(jī)械方式從流體中直接沉積的 。 “ 微晶碳酸鹽泥 ” 、 “ 微晶 “ 、 “ 泥晶 ” 、“ 泥屑 ” 是它的同義詞 。 根據(jù)它的具體成分 ， 可分“ 灰泥 ” 和 “ 云泥 ” 。 關(guān)于泥與顆粒的界限 ， 目前還沒(méi)有一致的意見(jiàn) 。 這里暫以 二、碳酸鹽泥 是指沉淀于顆粒之間的結(jié)晶方解石或其它自生礦物 ， 它與砂巖中膠結(jié)物相似 ， 是在沉積后階段從孔隙溶液中以化學(xué)方式沉淀形成的 。 基本特征： （ 1） 這種方解石膠結(jié)物的晶粒 ， 一般比灰泥的晶粒大 ， 通常 由于其晶體較清潔明亮 ， 故常稱做 “ 亮晶方解石 ” 、 “ 亮晶方解石膠結(jié)物 “ 或 “ 亮晶 ” 。 （ 2） 第一世代的膠結(jié)物一般呈櫛殼狀 ， 第二世代多呈亮晶嵌晶粒狀 。 基本特征 三、膠結(jié)物 晶粒是晶粒碳酸鹽巖 （ 也稱結(jié)晶碳酸鹽巖 ）的主要結(jié)構(gòu)組分 。 晶?？墒紫雀鶕?jù)其粒度劃分為礫晶 、 砂晶 、粉晶 、 泥晶等；砂晶和粉晶還可再細(xì)分 。 但劃分標(biāo)準(zhǔn)有差異 。 泥晶和細(xì)粉晶的方解石和白云石 ， 主要是原生或準(zhǔn)同生的；粗粉晶以上的方解石和白云石 ，主要是次生的 ， 即重結(jié)晶或交代作用的產(chǎn)物 。 四、晶粒 粉晶白云巖，溶洞中自形白云石，有少柱狀石英，電鏡照片，馬家溝組 一般認(rèn)為 ， 生物格架包括 生物骨骼格架 和 生物粘結(jié)格架 等類型 ， 以前者為主 。 1、 生物骨骼格架 生物骨骼格架 是原地生長(zhǎng)并原地保存的群體造礁生物如珊瑚 、 苔蘚 、 海綿 、 層孔蟲(chóng)等的骨骼所形成的堅(jiān)硬的 、 具抗浪性的碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)組分 。 骨骼格架的特征：群體造礁生物的骨骼；原地生長(zhǎng)并原地保存 ， 與層面垂直 ， 保持原始生長(zhǎng)狀態(tài) 。 與生物顆粒的區(qū)別：生物及生態(tài)不同；原地生長(zhǎng)并原地保存；具有抗浪性 。 五、生物格架 2、 生物粘結(jié)格架 由藍(lán)藻和紅藻等藻類的粘液粘結(jié)灰泥 、 顆粒 、生物碎屑等其它碳酸鹽組分形成的具有抗浪性的格架稱粘結(jié)格架 。 如各種藻疊層石 。 生物格架和粘結(jié)格架均是礁碳酸鹽巖的不可缺少的結(jié)構(gòu)組分 ， 所以也稱 礁格架 。 海綿骨架巖，串管海綿具原地生長(zhǎng)態(tài)，藍(lán)綠藻緾繞粘結(jié)，骨架間有二世代白云石充填。 第二節(jié) 碳酸鹽巖的沉積構(gòu)造 碳酸鹽巖的沉積構(gòu)造多種多樣 ， 碎屑巖中的沉積構(gòu)造幾乎都可以出現(xiàn)在碳酸鹽巖中；此外 ， 碳酸鹽巖還常有一些自己獨(dú)有的沉積構(gòu)造類型 ， 如疊層構(gòu)造 、 鳥(niǎo)眼構(gòu)造 、 示底構(gòu)造 、 疊錐構(gòu)造 、 蟲(chóng)孔及蟲(chóng)跡構(gòu)造 、 縫合線構(gòu)造等 。 1. 層面構(gòu)造：波痕 ， 干裂 ， 收縮縫等； 2. 層理構(gòu)造：交錯(cuò)層理 ， 波狀層理 ， 水平層理等； 3. 變形構(gòu)造：變形層理 ， 滑塌構(gòu)造等； 4. 疊層構(gòu)造 蟲(chóng)孔構(gòu)造 灰?guī)r中的微縫合線 第三講 碳酸鹽巖的分類及主要巖石類型 亮晶鮞粒石灰?guī)r 粗粉晶白云巖 中粗晶白云巖 亮晶鮞粒白云巖 第四講 碳酸鹽巖沉積環(huán)境及沉積相模式 一、威爾遜的碳酸鹽巖標(biāo)準(zhǔn)相帶模式 威爾遜綜合了大量前人資料 ， 并考慮到海底地形 、 潮汐 、 波浪 、 氧化界面 、 鹽度及海水循環(huán)等綜合因素的控制 ， 提出原地加積的建隆 （ 孤立臺(tái)地 ） 和進(jìn)積的陸棚邊緣 （ 鑲邊陸棚 )兩種碳酸鹽陸棚形成方式 ， 在此基礎(chǔ)上 ， 建立了碳酸鹽標(biāo)準(zhǔn)相帶模式 。 這個(gè)模式共由三大相區(qū)和九個(gè)標(biāo)準(zhǔn)相帶組成 ， 同時(shí) ， 為了用于分析這九個(gè)標(biāo)準(zhǔn)相帶的沉積和巖性組合特征 ， 他還總結(jié)出了 24個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的微相類型 （ 。 從海至陸九個(gè)相帶依次是： 盆地相； 開(kāi)闊陸棚 （ 廣海陸棚 ） 相； 碳酸鹽巖臺(tái)地的斜坡腳 （ 或盆地邊緣 ） 相； 碳酸鹽巖臺(tái)地的前斜坡 （ 或臺(tái)地前緣斜坡 ） 相； 臺(tái)地邊緣的生物礁相； 簸選的臺(tái)地邊緣砂 （ 或臺(tái)地邊緣淺灘 ） 相； 開(kāi)闊臺(tái)地相； 局限臺(tái)地相； 臺(tái)地蒸發(fā)巖 （ 或蒸發(fā)巖臺(tái)地 ） 相 。 1至 3亞相帶為第一個(gè)低能寬相帶組合 （ ， 4至 6亞相帶為高能窄相帶組合 （ ， 7至 9亞相為第二個(gè)低能寬相帶組合 （ 盆地相位于波基面和氧化界面以下，水深超過(guò)幾十米至幾百米，為靜水還原環(huán)境。因水深而光線暗淡，不適于底棲生物生長(zhǎng)。沉積物主要依靠從外帶注入的細(xì)粒泥質(zhì)物質(zhì)和硅質(zhì)物質(zhì)，以及浮游生物死亡后降落的生物雨。停滯缺氧的和過(guò)威化條件均可出現(xiàn)。盆地相按沉積特征又可分為下列類型： 1）石灰?guī)r濁積巖相： 2）深水瘦地槽相： 3）深?？死ㄅ璧兀ㄇ费a(bǔ)償和停滯缺氧的）碳酸鹽巖相： 三、威爾遜的碳酸鹽巖標(biāo)準(zhǔn)相帶模式 廣海陸棚相） 此環(huán)境水深幾十米至 100m， 一般為氧化環(huán)境 。 鹽度正常 ， 水體循環(huán)良好 。 海底一般在浪基面以下 ， 但大的風(fēng)暴也可以影響底部沉積物 。 這種陸棚較寬闊 ，沉積作用相當(dāng)均勻 。 這是典型的較深的淺海沉積環(huán)境 ，主要巖石類型為富含化石的石灰?guī)r與泥灰?guī)r ， 呈灰 、綠 、 紅及棕等色 ， 視氧化和還原條件而異 ， 普遍見(jiàn)生物擾動(dòng)構(gòu)造 。 層理薄到中 ， 或呈波狀到結(jié)核狀 。 在泥灰?guī)r中見(jiàn)球狀或流動(dòng)狀構(gòu)造 ， 還可見(jiàn)泥丘和尖塔礁 。陸源物質(zhì)有石英粉砂巖 、 頁(yè)巖等 ， 與石灰?guī)r互層 ， 成層性好 。 生物群有代表正常鹽度的介殼化石 ， 狹鹽性動(dòng)物群的腕足類 、 珊瑚 、 頭足類及棘皮類等相當(dāng)發(fā)育 。此開(kāi)闊陸棚相帶與開(kāi)闊臺(tái)地相很相似 ， 因此 ， 常難加以區(qū)別 ， 前者多為廣鹽性生物 。 盆地斜坡相或盆地邊緣相） 碳酸鹽巖臺(tái)地的斜坡腳相位于碳酸鹽巖臺(tái)地的斜坡末端 ， 其沉積物由遠(yuǎn)洋浮游生物及來(lái)自相鄰的碳酸鹽巖臺(tái)地的細(xì)碎屑組成 ， 水體深度與開(kāi)闊陸棚相相似 ，一般位于浪基面以下 ， 但高于氧化界面 ， 由薄層 、 層理完好的碳酸鹽巖組成 ， 夾少量粘土質(zhì)及硅質(zhì)夾層 。此巖石類似盆地相沉積物 ， 但含泥質(zhì)較少 ， 厚度較大 。某些韻律性或類似復(fù)理石層理的薄層灰?guī)r可達(dá)數(shù)百米 ，有滑塌現(xiàn)象 。 或臺(tái)地前緣斜坡相 ） 此相帶為深水陸棚和淺水碳酸鹽巖臺(tái)地的過(guò)渡沉積 ， 從浪基面之上一直延續(xù)到浪基面以下 ， 但一般位于含氧海水下限之上 。 此斜坡的角度可達(dá) 30 ， 主要由各種碎屑組成 ， 堆積在向海的斜坡上 。 沉積物不穩(wěn)定 ， 其大小和形狀變化極大 ， 可能呈層狀 ， 有細(xì)粒層 ， 也有巨大的滑塌構(gòu)造 ， 或?yàn)榍胺e層及楔形體巖層 。 它們主要由灰砂組成 ， 或由細(xì)粒碳酸鹽巖組成 。 廣海生物十分豐富 。 其生態(tài)特征取決于水體的能量 、 斜坡陡峻程度 、生物繁殖能力 、 造染生物的數(shù)量 、 粘結(jié)作用 、 捕集作用 、 出露水面的頻率以及后來(lái)的膠結(jié)作用 。 此種生物建造可分為三種類型： 灰泥丘或生物碎屑丘； 圓丘礁臺(tái)或斜坡； 格架建筑的環(huán)礁 。 主要由塊狀石灰?guī)r和白云巖組成 ， 幾乎全由生物組成 ， 也有許多生物碎屑 。 碳酸鹽巖臺(tái)地邊緣淺灘相） 簸選的臺(tái)地邊緣砂相主要呈砂洲 、 海灘 、 扇形或帶狀的濱外壩或潮汐壩 ， 或風(fēng)成砂丘島 。 一般位于海平面之上到 5 10 組成的顆粒已受波浪 、 潮汐或沿岸海流的簸選 ， 因而比較潔凈 。 此帶鹽度正常 ， 循環(huán)良好 ， 氧氣充足 。 但由于底質(zhì)經(jīng)常變動(dòng) ， 因此不適于海洋生物繁殖 。 從地理位置來(lái)看 ， 此相帶位于臺(tái)地邊緣之后的海峽 、 瀉湖及海灣中 ， 因此也可以用陸棚瀉湖或臺(tái)地瀉湖來(lái)命名 。 此環(huán)境水較淺 ， 由數(shù)米到數(shù)十米 ， 鹽度由基本上屬于正常鹽度到略為偏高 ， 海水環(huán)境中等 。 這種條件適合各種生物生長(zhǎng) ， 但無(wú)狹鹽性生物 。 沉積物的結(jié)構(gòu)變化大 ， 但含有相當(dāng)數(shù)量的灰泥 。 封閉一封閉的臺(tái)地） 這是一個(gè)真正的瀉湖 ， 海水循環(huán)受到很大限制 ， 鹽度顯著提高 。 從地理位置來(lái)看 ， 這些瀉潮可分為堤礁 （ 堡礁 ） 之間或堤礁 （ 堡礁 ） 之后的瀉湖 ， 沿岸砂嘴之后