碳酸盐岩

碳酸盐岩是由方解石、白云石等碳酸盐矿物组成的沉积岩。以方解石为主的岩石称为石灰岩,以白云石为主的岩石称为白云岩。它主要在海洋中形成,少数在陆地环境中形成。古代广阔海洋中形成的碳酸盐岩,约占地表沉积岩分布面积的20%。在地质历史中我国碳酸盐岩主要分布于震旦纪、寒武纪、奥陶纪、泥盆纪、石炭纪、二叠纪、三叠纪及部分侏罗纪、白垩纪和第三纪的海相地层中,其中以西南地区最为发育。

瑶琳仙境之玉柱擎天-石灰岩溶洞中发育的石笋碳酸盐岩是重要的储油岩。全世界50%的石油和天然气储存于碳酸盐岩中。碳酸盐岩还常与许多固体沉积矿藏共生,如铁矿、铝土矿、锰矿、石膏、岩盐、钾盐、磷矿等,而且是许多金属层控矿床的储矿层,如汞、锑、铅、锌、铜、银、镍、钴、铀、钒等。碳酸盐岩本身还是一种很有价值的矿产,广泛用于建筑、化工、农业、医药、冶金等方面。

碳酸盐岩的主要化学成分是CaOMgOCO2。碳酸盐岩地区的自然景观-桂林山水碳酸盐岩中含有的某些微量元素的比值可作为分析沉积环境的重要参数。碳酸盐沉积物和碳酸盐岩中的氧和碳的稳定同位素对判别碳酸盐岩沉积介质的性质具有一定的意义。

碳酸盐岩几乎只由稳定的低镁方解石和白云石组成。现代碳酸盐沉积物中还常常包含有:高镁方解石、文石、原白云石等。非碳酸盐的自生矿物常见的有:石膏、硬石膏、重晶石、天青石、岩盐、钾镁盐矿物等;常见的陆源碎屑矿物有:石英、长石碎屑、粘土矿物和少量重矿物。这些陆源碎屑矿物均不溶于盐酸,通常称之酸不溶物。

 

酸盐岩的基本结构

酸盐岩的基本结构组分有:颗粒、微晶基质、亮晶胶结物和生物骨架。颗粒是一种在沉积盆地内由水动力作用、生物、生物化学、化学作用所控制的非正常化学沉淀的碳酸盐矿物的集合体。颗粒的类型有鲕粒、球粒、生物屑等。微晶基质在现代碳酸盐沉积物中称为灰泥。微晶为等轴粒状或不规则微粒状,直径1--4μm,肉眼难辨认出颗粒。亮晶方解石胶结物为直径大于0.01mm的方解石晶体。显微镜下亮晶为干净透明的晶粒,它是化学沉淀形成的。常充填于颗粒的孔隙中,作为胶结物把颗粒胶结起来。生物骨架是原地生长的骨架生物如珊瑚、藻类、苔藓虫、海绵、层孔虫等的坚固骨骼组成的。

碳酸盐岩的沉积构造决定于碳酸盐岩形成时的沉积作用方式。受机械作用控制所形成的碳酸盐岩,形成与碎屑岩类似的沉积构造。受生物作用和化学作用影响的碳酸盐岩具有特殊的构造类型,如叠层构造、生物扰动构造、鸟眼构造、示底构造等。

 

碳酸盐岩的成分分类

岩石名称

方解石含量(%)

白云石含量(%)

石灰岩

含白云质灰岩

白云质灰岩

100--95

95--75

75--50

0--5

5--25

25--50

钙质白云岩

含钙质白云岩

白云岩

50--25

25--5

5--0

50--75

75--95

95--100

 石灰岩结构一成因分类

颗粒含量

主要填隙物

颗   粒   石   灰   岩   类

固着生物灰岩

内碎屑 生物屑 鲕(豆)粒 团粒 团块 颗粒混合
大于50% 亮晶 亮晶内碎屑灰岩 亮晶生物灰岩 亮晶鲕粒灰岩 亮晶团粒灰岩 亮晶团块灰岩 亮晶颗粒灰岩

生物礁灰岩

生物层灰岩

生物丘灰岩

灰泥 微晶内碎屑灰岩 微晶生物灰岩 微晶鲕粒灰岩 微晶团粒灰岩 微晶团块灰岩 微晶颗粒灰岩
50-25% 灰泥 内碎屑微晶灰岩 生物微晶灰岩 鲕粒微晶灰岩 团粒微晶灰岩 团块微晶灰岩 颗粒微晶灰岩
25-10% 灰泥 含内碎屑微晶灰岩 含生物微晶灰岩 含鲕粒微晶灰岩 含团粒微晶灰岩 含团块微晶灰岩 含颗粒微晶灰岩
小于10% 灰泥

微晶或泥晶灰岩类

重结晶灰岩

具残余结构的巨晶、中晶、细晶灰岩

白云岩结构一成因分类表

颗  粒  灰  岩  白  云  化

内碎屑白云岩

生物白云岩

原生类型

弱到中等 有结构残余 无结构残余 强烈变化

砾屑白云岩、砂屑白云岩、粉屑白云岩、泥屑白云岩

叠层石白云岩、层纹石白云岩、核形石白云岩、凝块石白云岩

内碎屑 白云化内碎屑灰岩 残余内碎屑灰质白云岩、白云岩 细晶白云岩

中晶白云岩

粗晶白云岩

巨晶白云岩

不等晶白云岩

结核状白云岩、孔洞状白云岩、斑块状白云岩、角砾状白云岩

生物(屑) 白云化生物灰岩 残余生物灰质白云岩、白云岩
鲕(豆)粒 白云化鲕粒灰岩 残余鲕粒灰质白云岩、白云岩
团粒 白云化团粒灰岩 残余团粒灰质白云岩、白云岩
团块 白云化团块灰岩 残余团块灰质白云岩、白云岩
微晶 白云化微晶灰岩 微细晶灰质白云岩
固着生物灰岩白云化 白云化生物礁、生物层、生物丘灰岩 残余生物礁、生物层、生物丘灰质白云岩、白云岩
准同生白云岩 微晶、泥晶、极细晶灰岩


沉积物沉积时形成的英格兰苏塞克斯白垩崖

鲕粒灰岩

颗粒灰岩主要由颗粒和颗粒间孔隙中所充填的物质组成,填隙物质通常为亮晶方解石晶粒或微晶基质。分别称为亮晶颗粒灰岩和微晶颗粒灰岩。结构与砂岩相似。颗粒可以是不同类型的碳酸盐颗粒,如内碎屑、鲕粒、团块、球粒和生物碎屑等。它们形成于不同的沉积环境中。

石灰华呈钟乳石、石笋或晶簇状,形成于石灰岩溶洞中;泉华呈树枝状、丛状、疏松多孔,是石灰质的泉水在温泉出口附近由CaCO3围绕水草、藻类结晶沉淀而形成的。内部晶体多排列成巨大的栉壳状、放射状的大晶粒,有时夹含有机质的细晶微晶纹层,这是一种特殊类型的碳酸盐岩石。

石灰华

细晶白云岩

由碳酸钙沉积物或石灰岩被白云石交代而成交代白云岩。在交代白云岩中或多或少地见到被交代物的残余结构,这是交代成因的证据。当白云石的交代作用很彻底,辨认它所交代的原岩结构特征及其形成环境是有困难的。除交代白云岩外,还有其它类型的白云岩,如“原生”白云岩和碎屑白云岩。

泥晶灰岩

主要由<4μm的微晶方解石组成。微晶灰岩是在没有持续水流的平静环境中由灰泥沉积而成。在近岸潮坪带形成的微晶灰岩,常常伴有鸟眼、干裂等构造。当有陆源粘土物质沉积时易形成瘤状微晶灰岩和干裂破碎的微晶砾屑灰岩。远洋的深海微晶灰岩,矿物成分以低镁方解石为主,如白垩主要由颗石藻和少量微小的钙球组成。

生物礁灰岩具有原地生物(如珊瑚)骨骼结构和群体生物生长所组成的骨架。在原地生物松散格架的阻挡和捕获作用下,大量灰泥陷落在生物格架之间可形成障积岩;由原地生物生长粘结捕获碳酸盐细小颗粒和灰泥常形成层状的粘结岩。如藻类或层孔虫粘结岩;原地生长生物的坚固骨架之间充填颗粒和灰泥,可形成典型生态礁的格架岩。

珊瑚礁灰岩

 

白垩

白垩是一种白色疏松的土状石灰岩,主要成分是生物泥晶方解石,可含有少量石英、长石等杂质。有人认为白垩是富含生物方解石软泥的原生堆积物,在成岩过程中不会出现文石转变为方解石的重结晶过程,因此岩石得以保存它的原生孔隙和硬度,常疏松多孔。在电子显微镜下白垩大部分是由颗石藻组成,说明白垩形成于温暖浅海,水深一般为54-90米。

白云岩的成因

白云岩的成因问题多年来一直是沉积学争论的重大问题之一。古代地层中所见的白云岩大多具有交代的证据,它们是经白云石化作用所形成的。白云石化作用的机制很复杂,并不是一种机理所能概括,学者们提出了许多白云岩化作用的机理来解释白云岩的成因。

蒸发泻湖渗透回流作用示意亚当斯等(1960)在研究美国二叠纪白云岩的成因时,提出了蒸发泻湖渗透回流作用形成交代白云岩的假说。后来迪菲耶斯等(1965)在研究加勒比海的博内尔岛的现代白云石形成时,也证实存在这种作用。亚当斯和罗德斯(1960)等所提出的蒸发泻湖渗透回流作用机制是:在蒸发强烈的海洋地区,堡礁或沙堤所阻挡的近岸泻湖,与外海海水交流不能正常进行,在强烈的蒸发作用下,使间歇性进入泻湖的海水盐度不断增高。向岸方向盐度更高。当盐度达到72时,除CaCO3以文石和高镁方解石方式沉淀外,开始出现石膏沉积,向岸越近其蒸发作用越强烈。当盐度达到199,沉积物中大量出现石膏并逐渐出现石盐。大量过盐水中的Ca2+被沉淀。大大提高了海水中 Mg2+含量。这种重卤水沉降到泻湖底部并顺着泻湖向海洋方向平缓的斜坡流动,当遇到堡礁或沙堤和附近的沉积物时,由于沉积物的孔隙中饱含正常盐度海水,因浓度差使高盐度高密度的重卤水向含低盐度和低密度的正常海水沉积物中渗透,并向海洋方向回流。在流经疏松的钙质沉积物和礁体时,Mg2+进入沉积物的CaCO3晶格中,逐渐形成白云石。

蒸发泵汲作用交代白云岩形成机理绝大多数蒸发作用的白云石都出现在潮坪带,如波斯湾、佛罗里达和巴哈马滩等地。在广阔的潮坪区和潮坪盐沼的细粒沉积物表面,都存在白云石化薄壳或白云石化深入沉积物浅层之内,而潮间带及潮下带沉积物主要为碳酸钙。这些地区的白云石化作用,被认为是由于潮坪区沉积物的孔隙水的高盐度和高Mg/Ca的卤水的交代作用。弗里德曼和桑德斯(1967)提出潮坪区高盐度、高Mg/Ca的卤水是一种“向上运移的孔隙水因蒸发引起的毛细管浓缩作用”所造成。许靖华和西根塞勒(1969)用实验证明这—机理而称之为“蒸发泵作用”。在潮坪区早先沉积的碳酸钙沉积物饱含孔隙水,在强烈蒸发时孔隙水沿毛细管上升,并使沉积物下部与海水沟通的孔隙不断获海洋正常海水的补给,就象泵汲一样。蒸发泵汲作用不断进行,使潮坪沉积物上部孔隙水盐度大大增高,出现文石、高镁方解石及石膏沉淀,从而增高了卤水中Mg/Ca,这些卤水就成为一种交代溶液,逐渐交代碳酸钙沉积物而成白云岩。

许多海洋生物可以沉淀高镁方解石,如藻类能浓集镁,从而为钙质沉积物中发生白云石化提供了高Mg/Ca比值的条件;1975年福克在总结了形成白云石Mg/Ca的控制因素与盐度的关系,提出在稀溶液中,由于干扰离子少,在结晶速度缓慢的情况下,也能形成白云石。因而提出很多白云石是海水被淡水的冲淡而形成的;现代深海钻探资抖表明,富白云石岩层十分普遍。博纳蒂(1966)在东地中海深海沉积物内发现有l0-30μm大小的菱形白云石晶体,这些碳酸盐软泥,推测与海底火山作用的无机沉淀有关。