碳酸盐岩概论

1、1 第十一章第十一章 碳酸盐岩概论碳酸盐岩概论( (一一) ) 主要研究讨论碳酸盐岩的矿物成分、化学成分、结主要研究讨论碳酸盐岩的矿物成分、化学成分、结构组分、碳酸盐岩的构造和颜色及其成因构组分、碳酸盐岩的构造和颜色及其成因2第一节第一节 绪绪 言言 v 碳酸盐岩是主要由碳酸盐岩是主要由方解石和白云石方解石和白云石等碳酸盐矿等碳酸盐矿物组成的沉积岩。物组成的沉积岩。v 石灰岩和白云岩是碳酸盐岩的主要岩石类型石灰岩和白云岩是碳酸盐岩的主要岩石类型。v碳酸盐岩分布很广碳酸盐岩分布很广 ，在沉积岩中居第三位，在沉积岩中居第三位 ；v 重要的生油岩和储油岩。重要的生油岩和储油岩。在当前国内外的大油在当

2、前国内外的大油气田中，碳酸盐岩产层占气田中，碳酸盐岩产层占50，产量占，产量占60。 31 1国外碳酸盐岩岩石学研究现状国外碳酸盐岩岩石学研究现状 在碳酸盐岩成因方面的成果：在碳酸盐岩成因方面的成果： 非单一的化学成因；能量非单一的化学成因；能量观点 ；白云石及白云岩生成机理；碳酸盐沉积物的沉积后作用。在碳酸盐岩特征与分类方面：在碳酸盐岩特征与分类方面： 化石岩石学；结构一成因分类。化石岩石学；结构一成因分类。 在各类碳酸盐岩的分布与组合方面在各类碳酸盐岩的分布与组合方面： 现代碳酸盐沉积模式。现代碳酸盐沉积模式。 在研究方法方面：在研究方法方面： 碳酸盐岩的研究方法；深水海洋碳酸盐沉积的研究

3、。 4 2 2我国的碳酸盐岩岩石学研究现状我国的碳酸盐岩岩石学研究现状 在成因研究方面：在成因研究方面：碳酸盐沉积后作用的研究取得了重碳酸盐沉积后作用的研究取得了重要成果。要成果。在特征和分类方面：在特征和分类方面：现代碳酸盐研究取得了可喜的进现代碳酸盐研究取得了可喜的进展；发展了我国自己的化石岩石学或化石碎片岩石学；展；发展了我国自己的化石岩石学或化石碎片岩石学；建立了具有我国特点的碳酸盐岩分类方案。建立了具有我国特点的碳酸盐岩分类方案。 在沉积环境和沉积相研究方面：在沉积环境和沉积相研究方面：古代碳酸盐岩的沉积古代碳酸盐岩的沉积环境及沉积相的研究也日益深入了；区域性的碳酸盐环境及沉积相的研

4、究也日益深入了；区域性的碳酸盐岩岩相古地理学研究也有了重大的发展。岩岩相古地理学研究也有了重大的发展。在研究手段方面：在研究手段方面：碳酸盐岩研究手段日趋完善。碳酸盐岩研究手段日趋完善。 在矿产资源勘探方面：在矿产资源勘探方面：在油气勘探中得到广泛应用；在油气勘探中得到广泛应用；在许多金属与非金属矿产勘探中日益受到重视；在建在许多金属与非金属矿产勘探中日益受到重视；在建材及化工勘探方面也取得了显著效益。材及化工勘探方面也取得了显著效益。 5 3、今后研究要点、今后研究要点 u1）加强海相碳酸盐岩层序地层学研究。结合国外理）加强海相碳酸盐岩层序地层学研究。结合国外理论和实践，进一步深化我国海相层

5、序地层学基础理论论和实践，进一步深化我国海相层序地层学基础理论研究，按照不同大地构造单元，建立较完整的理论体研究，按照不同大地构造单元，建立较完整的理论体系。系。 u2）探索和建立海相碳酸盐岩高分辨率层序地层学，）探索和建立海相碳酸盐岩高分辨率层序地层学，有效地为石油勘探和矿产预测服务，创造新思路，开有效地为石油勘探和矿产预测服务，创造新思路，开拓新领域。拓新领域。u3) 完善碳酸岩岩相古地理研究及制图工作。中一小完善碳酸岩岩相古地理研究及制图工作。中一小比例尺岩相古地理研究及制图从理论到方法已有了很比例尺岩相古地理研究及制图从理论到方法已有了很大发展，从矿产预测角度，以后应加强大一中比例尺大

6、发展，从矿产预测角度，以后应加强大一中比例尺碳酸盐岩岩相古地理研究及制图，为勘探地层一岩性碳酸盐岩岩相古地理研究及制图，为勘探地层一岩性油气藏提供地质依据。油气藏提供地质依据。 6 第二节碳酸盐岩的物质成分第二节碳酸盐岩的物质成分 一、碳酸盐岩矿物成分一、碳酸盐岩矿物成分 （一）碳酸盐矿物（一）碳酸盐矿物 F 主要由主要由方解石方解石(低镁方解石低镁方解石)及白云石及白云石两种碳酸两种碳酸盐矿物组成盐矿物组成 。现代的碳酸盐沉积物中还常见现代的碳酸盐沉积物中还常见高高镁方解石、文石。镁方解石、文石。此外在一定的环境条件下还此外在一定的环境条件下还可有可有 铁白云石、菱镁矿、菱锰矿、菱铁矿铁白云

7、石、菱镁矿、菱锰矿、菱铁矿等碳等碳酸盐矿物。酸盐矿物。F以方解石为主的碳酸盐岩称石灰岩，以白云石以方解石为主的碳酸盐岩称石灰岩，以白云石为主的碳酸盐岩称白云岩。为主的碳酸盐岩称白云岩。7 （一）（一）碳酸盐矿物碳酸盐矿物 方解石方解石(CaCO(CaCO3 3),), COCO3 3 2-2-络阴离子和络阴离子和CaCa2+2+组成，组成，常常含少量含少量MgCOMgCO3 ,一般一般 8 8；盐度高，超盐条件有利于形成文石；盐度高，超盐条件有利于形成文石；MgMgCaCa2 2：1 1(3)(3)海水中文石较方解石易沉淀的原因，李普曼（海水中文石较方解石易沉淀的原因，李普曼（LippmanL

8、ippman）认为与文石成核速度和结晶速度比方解石更快有关。认为与文石成核速度和结晶速度比方解石更快有关。(4)(4)稳定性较差稳定性较差( (介于高镁方解石和方解石间介于高镁方解石和方解石间) )，易于转变为方，易于转变为方解石，在古老的碳酸岩中不存在。解石，在古老的碳酸岩中不存在。 （一）（一）碳酸盐矿物碳酸盐矿物 11 4 4、白云石、白云石 化学式为化学式为CaMgCOCaMgCO3 3 2 2，理想白云石是，理想白云石是MgMg2+2+：CaCa2+2+=11=11；且高度有序，即络阴离子；且高度有序，即络阴离子COCO3 3 2 22-2- 、镁离子镁离子MgMg2+2+和和钙离子

9、钙离子CaCa2+2+均分别均分别成层沿成层沿c c轴方向彼此相间排布。轴方向彼此相间排布。属三方晶系，常见的晶形为菱面体属三方晶系，常见的晶形为菱面体, ,菱形晶面常弯菱形晶面常弯曲曲, ,硬度为3.54，相对密度为2.87，活度积常数在25时为10-17.6。显微镜下具显微镜下具极明显的闪突起、三组完全解理，双晶极明显的闪突起、三组完全解理，双晶纹平行于菱形解理的短对角线，高级白干涉色。纹平行于菱形解理的短对角线，高级白干涉色。凭光学凭光学性质与方解石极难区别，常用性质与方解石极难区别，常用染色法及衍射分析鉴别染色法及衍射分析鉴别在自然界中，这种理想的白云石是很少的。碳酸盐在自然界中，这种

10、理想的白云石是很少的。碳酸盐岩中的白云石通常都是富钙的，岩中的白云石通常都是富钙的，一般说来，白云石形成一般说来，白云石形成时间愈长，即其时代愈老就愈接近理想白云石晶体构造时间愈长，即其时代愈老就愈接近理想白云石晶体构造和化学式。和化学式。 （一）（一）碳酸盐矿物碳酸盐矿物 14155 5、原白云石、原白云石是一种富钙的白云石，其化学式大体变化在是一种富钙的白云石，其化学式大体变化在CaMgCO32 Ca(Mg0.84Ca0.16)CO32之间，之间，当然当然其晶体构造也就木是最理想有序了，但仍保持白云石其晶体构造也就木是最理想有序了，但仍保持白云石的晶体构及相关性质。的晶体构及相关性质。原白

11、云石主要分布在现代沉积物中原白云石主要分布在现代沉积物中，这种富钙的，这种富钙的白云石在自然界中是欠稳定的，在埋藏成岩过程中它白云石在自然界中是欠稳定的，在埋藏成岩过程中它们都有向更稳定的（更加化学计量的或更加有序的）们都有向更稳定的（更加化学计量的或更加有序的）白云石转化的趋势。白云石转化的趋势。 （一）（一）碳酸盐矿物碳酸盐矿物 16 （二）非碳酸盐矿物（二）非碳酸盐矿物 1 1、非碳酸盐自生矿物：、非碳酸盐自生矿物：石膏、硬石膏、天青石、重石膏、硬石膏、天青石、重晶石、萤石、石盐。钾石盐、玉髓、自生石英、晶石、萤石、石盐。钾石盐、玉髓、自生石英、黄铁矿、赤铁矿、海绿石、胶磷矿等。另外，黄

12、铁矿、赤铁矿、海绿石、胶磷矿等。另外，2 2、还常含一些陆源矿物：、还常含一些陆源矿物：如粘土矿物、石英、长如粘土矿物、石英、长石、云母、绿泥石，以及一些重矿物等。石、云母、绿泥石，以及一些重矿物等。2 2、有机质：、有机质：这些矿物成分在判断碳酸盐岩的成因这些矿物成分在判断碳酸盐岩的成因及沉积环境上，都是很有用处。及沉积环境上，都是很有用处。17 二、碳酸盐岩化学成分二、碳酸盐岩化学成分 n碳酸盐岩的化学成分与其矿物组成及形成环境有关碳酸盐岩的化学成分与其矿物组成及形成环境有关：n纯石灰岩纯石灰岩(纯方解石纯方解石)的理论化学成分为的理论化学成分为CaO(56CaO(56) )和和COCO2

13、 2(44(44););纯白云岩纯白云岩(纯白云石纯白云石)的理论化学成分为的理论化学成分为CaO(30.4CaO(30.4),MgO(21.7),MgO(21.7),CO),CO2 2(47.9(47.9) )。但是，实际但是，实际上自然界中的碳酸盐岩总是或多或少地含有其他的化上自然界中的碳酸盐岩总是或多或少地含有其他的化学成分。学成分。n碳酸盐岩的化学成分对碳酸盐岩的各种工业用途来说碳酸盐岩的化学成分对碳酸盐岩的各种工业用途来说是很重要的。是很重要的。例如水泥用的石灰岩，例如水泥用的石灰岩，MgO的含量需小小于于3%3%5 5，K K2 2O+NaO+Na2 2O O的含量需小于的含量需小

14、于1 1，SOSO3 3含量需小含量需小于于3 3，SiOSiO2 2含量需小于含量需小于3 34 4；冶金熔剂用的白云；冶金熔剂用的白云岩，岩，MgOMgO需大于需大于1616，SiO2SiO2需小于需小于7 7；18n在碳酸盐岩中还常含有一些微量元素或痕量元素在碳酸盐岩中还常含有一些微量元素或痕量元素，如如 SrSr， BaBa， MnMn，CoCo，NiNi，PhPh，ZnZn，CuCu，CrCr，GaGa，TiTi，B B等。等。这些元素在地层划分和对比以及沉积环境这些元素在地层划分和对比以及沉积环境分析上，有时很有意义分析上，有时很有意义。n例如硼例如硼(B(B），开阔海石灰岩的硼含

15、量约为），开阔海石灰岩的硼含量约为0.050.05，局限海石灰岩的棚含量约为局限海石灰岩的棚含量约为0.140.14，潮上云坪准同，潮上云坪准同生白云岩的棚含量约为生白云岩的棚含量约为0.240.24。这说明碳酸盐岩中。这说明碳酸盐岩中的棚含量随其沉积环境的水体含盐度的增高而增高，的棚含量随其沉积环境的水体含盐度的增高而增高，碳酸盐岩中的硼含量可作为古沉积环境水体含盐度碳酸盐岩中的硼含量可作为古沉积环境水体含盐度的良好标志。的良好标志。n因此，开展碳酸盐岩中微量及痕量元素的研究是有因此，开展碳酸盐岩中微量及痕量元素的研究是有意义的。意义的。 二、碳酸盐岩化学成分二、碳酸盐岩化学成分 19 第三

16、节第三节 碳酸盐岩结构组分碳酸盐岩结构组分 n碳酸盐岩主要由碳酸盐岩主要由颗粒、泥、胶结物、晶粒、以颗粒、泥、胶结物、晶粒、以及生物格架及生物格架五种主要的结构组分五种主要的结构组分组成。组成。n此外，还有一些次要的结构组分，如陆源物质、此外，还有一些次要的结构组分，如陆源物质、其它化学沉积矿物、有机质等；其它化学沉积矿物、有机质等；n派生的结构组分如孔隙等。派生的结构组分如孔隙等。 这些次要的和派生的结构组分对岩石性质也有这些次要的和派生的结构组分对岩石性质也有一定的影响，对岩石的成因分析有重要意义一定的影响，对岩石的成因分析有重要意义. .20一、颗粒 n 在碳酸盐岩中，常见颗粒类型有在碳

17、酸盐岩中，常见颗粒类型有内碎屑、鲕粒、生物内碎屑、鲕粒、生物颗粒、球粒、藻粒、团块等。颗粒、球粒、藻粒、团块等。说明：说明：（1)1)颗粒与砾岩、砂岩、粉砂岩中砾、砂、粉砂相似。颗粒与砾岩、砂岩、粉砂岩中砾、砂、粉砂相似。 （2 2）按其是否在沉积盆地内生成，可分为）按其是否在沉积盆地内生成，可分为盆内颗粒盆内颗粒和和盆外盆外( (碎屑碎屑) )颗粒颗粒两大类两大类( (区别区别: :成因、结构、成分成因、结构、成分) )。n盆内颗粒又称内颗粒，盆内颗粒又称内颗粒，福克福克（Folk 1959 1962Folk 1959 1962）称其称其为为“异化颗粒异化颗粒”或或“异化组分异化组分”，即福

18、克所说的，即福克所说的“异异常化学作用常化学作用”所形成的颗粒或组分。碳酸盐岩中的颗所形成的颗粒或组分。碳酸盐岩中的颗粒，主要就是这种内颗粒。粒，主要就是这种内颗粒。盆外颗粒是极少的或是次盆外颗粒是极少的或是次要的。要的。因此，在碳酸盐岩中，凡提到颗粒，只要不特因此，在碳酸盐岩中，凡提到颗粒，只要不特别注明是陆源的，均系指内颗粒。别注明是陆源的，均系指内颗粒。21 1 1、内碎屑内碎屑 1)1)定义定义：内碎屑内碎屑是沉积盆地中沉积不久的、半固结或是沉积盆地中沉积不久的、半固结或固结的各种碳酸盐沉积物，受波浪、潮汐流、风暴流、固结的各种碳酸盐沉积物，受波浪、潮汐流、风暴流、重力流等的作用，破碎

19、、搬运、磨蚀、再沉积而形成的重力流等的作用，破碎、搬运、磨蚀、再沉积而形成的盆内颗粒。盆内颗粒。2)2)特征及与陆源碎屑的区别特征及与陆源碎屑的区别：常具有复杂程度不同常具有复杂程度不同(与先期沉积物相同与先期沉积物相同)的内部结的内部结构构, ,可含有化石、鲕粒、球粒以及早先形成的内碎屑等；可含有化石、鲕粒、球粒以及早先形成的内碎屑等；有明显的不同程度的磨蚀改造的痕迹，磨蚀的边缘有明显的不同程度的磨蚀改造的痕迹，磨蚀的边缘常切割它所包含的化石、鲕粒等颗粒常切割它所包含的化石、鲕粒等颗粒；结构特征表现为粒度、分选性、圆度等方面；结构特征表现为粒度、分选性、圆度等方面；成分几乎均为碳酸盐沉积物成

20、分几乎均为碳酸盐沉积物( (与先期沉积相同与先期沉积相同) )。一、颗粒 3)3)分类：内碎屑根据其颗粒直径大小，划分为分类：内碎屑根据其颗粒直径大小，划分为砾砾屑、砂屑、粉屑、和泥屑屑、砂屑、粉屑、和泥屑四个级别；砂屑和粉屑还可四个级别；砂屑和粉屑还可以再细分，但其分类的界限有所不同。以再细分，但其分类的界限有所不同。（据赵澄林等）v竹叶状砾屑灰岩是最好的一个实例竹叶状砾屑灰岩是最好的一个实例。n砾屑多呈扁饼状，其侧面常呈长条状似竹叶，故常称砾屑多呈扁饼状，其侧面常呈长条状似竹叶，故常称其为竹叶状砾屑。其扁平面多与层面平行，但也有与其为竹叶状砾屑。其扁平面多与层面平行，但也有与层面斜交甚至垂

21、直的，也有呈叠瓦状排列或旋涡状排层面斜交甚至垂直的，也有呈叠瓦状排列或旋涡状排列的；其磨圆度通常相当好，分选好到中等。有的竹列的；其磨圆度通常相当好，分选好到中等。有的竹叶状砾屑的表面或表层还常有褐色，即所说的氧化圈。叶状砾屑的表面或表层还常有褐色，即所说的氧化圈。砾屑之间多为灰泥基质，亮晶胶结物少见，所有这些砾屑之间多为灰泥基质，亮晶胶结物少见，所有这些特征都表明，这种竹叶状砾屑是在浅水海洋环境中，特征都表明，这种竹叶状砾屑是在浅水海洋环境中，半固结或已固结的碳酸盐岩层，经强大的水流、潮汐半固结或已固结的碳酸盐岩层，经强大的水流、潮汐或风暴作用，发生破碎、磨蚀、搬运并堆积而成。与或风暴作用，

22、发生破碎、磨蚀、搬运并堆积而成。与层面斜交或垂直以及呈叠瓦状或旋涡状排列的竹叶，层面斜交或垂直以及呈叠瓦状或旋涡状排列的竹叶，更反映了强大的水动力条件。近来，有些学者把竹叶更反映了强大的水动力条件。近来，有些学者把竹叶状砾屑视作风暴的产物，也有人把它的分布与地震作状砾屑视作风暴的产物，也有人把它的分布与地震作用联系起来。用联系起来。 v砂屑灰岩n砂级内碎屑砂级内碎屑n砂屑多为泥晶石灰岩的碎屑，圆度及分选一般砂屑多为泥晶石灰岩的碎屑，圆度及分选一般都较好，大都近于球形。但也有形状很不规则都较好，大都近于球形。但也有形状很不规则的砂屑。的砂屑。n直到近若干年才逐渐被人们重视，人们才逐渐直到近若干年

23、才逐渐被人们重视，人们才逐渐认识到砂屑比砾属的分布还要广泛。这种砂屑认识到砂屑比砾属的分布还要广泛。这种砂屑在显微镜下极易观察，在岩石风化面上也可以在显微镜下极易观察，在岩石风化面上也可以观察出来，但在一般的岩石表面则不易认出。观察出来，但在一般的岩石表面则不易认出。32v粉屑颗粒：粉屑颗粒：其特征与砂屑基本相同，仅粒级较其特征与砂屑基本相同，仅粒级较小罢了。但是，圆度和分选均较好的粉屑却与小罢了。但是，圆度和分选均较好的粉屑却与球粒很难区别。球粒很难区别。v泥屑：泥屑：泥级的内碎屑；从理论上讲，肯定是存泥级的内碎屑；从理论上讲，肯定是存在的；仍然难以把这种碎屑成因的泥屑与化学在的；仍然难以把

24、这种碎屑成因的泥屑与化学沉淀成因的泥晶以及生物成因的泥级生物颗粒沉淀成因的泥晶以及生物成因的泥级生物颗粒区分开。因此，在通常情况下，使用区分开。因此，在通常情况下，使用“碳酸盐碳酸盐泥泥”或或“泥泥”、“灰泥灰泥”、“云泥云泥”这些概括这些概括性的术语来概括这三种成因的泥。性的术语来概括这三种成因的泥。332 2、鲕粒、鲕粒 1)1)鲕粒的概念鲕粒的概念: :是化学凝聚成因的具有是化学凝聚成因的具有核心和包壳核心和包壳( (同心层结构同心层结构) )的球形内颗粒。很象鱼卵子（即鲕）的球形内颗粒。很象鱼卵子（即鲕）。 n核心核心可以是内碎屑、化石（完整的或破碎的）、陆可以是内碎屑、化石（完整的或

25、破碎的）、陆源碎屑、以及其他物质。源碎屑、以及其他物质。n包壳包壳( (同心层同心层) )主要由泥晶方解石组成；现代海洋环主要由泥晶方解石组成；现代海洋环境中鲕粒主要由文石组成。有的鲕粒具有境中鲕粒主要由文石组成。有的鲕粒具有放射状结构放射状结构，有的则只限于几个同心层中。有的则只限于几个同心层中。n粒径一般为：粒径一般为：20.25mm20.25mm，大于，大于2mm2mm和小于和小于0.25mm0.25mm均较少见。均较少见。一、颗粒 342)2)鲕粒分类鲕粒分类 根据鲕粒结构和形根据鲕粒结构和形态特征，分为以下几态特征，分为以下几类：类：（1 1）正常鲕：）正常鲕： 其同心层厚度大于其同

26、心层厚度大于核心的直径。一般所核心的直径。一般所说的鲕粒都是指的这说的鲕粒都是指的这种正常鲕。种正常鲕。一、颗粒 36（2 2） 表皮鲕：表皮鲕： 其同心层厚度小其同心层厚度小于其核心直径。有于其核心直径。有的表皮鲕只有一层的表皮鲕只有一层同心层，亦叫薄皮同心层，亦叫薄皮鲕。鲕。表皮鲕表皮鲕38放射状鲕粒（3) 3) 放射放射鲕鲕 具有放射具有放射结构鲕粒结构鲕粒这种放射结这种放射结构多是后来构多是后来重结晶作用重结晶作用的产物。的产物。 3940(4)(4)复鲕：复鲕： 在一个在一个鲕粒中，包鲕粒中，包含两个或多含两个或多个小鲕粒个小鲕粒。41空心鲕空心鲕(负鲕负鲕)（5 5）空心鲕）空心鲕

27、： 内部（核心内部（核心及同心层的大及同心层的大部或全部）已部或全部）已选择性溶蚀的、选择性溶蚀的、基本上只保留基本上只保留下一个外壳的下一个外壳的鲕粒。鲕粒。42空心鲕和表皮鲕空心鲕和表皮鲕4344（6 6） 椭形鲕：椭形鲕：椭形鲕：正常的椭形鲕：正常的鲕大都呈球形，鲕大都呈球形，但也有些鲕呈椭但也有些鲕呈椭球形，这主要是球形，这主要是由其核心的形状由其核心的形状决定的。核心为决定的。核心为长条形的鲕常呈长条形的鲕常呈椭球形。椭球形。 45(7)(7)单晶鲕及多单晶鲕及多晶鲕：晶鲕：整个鲕粒基本整个鲕粒基本上由一个球形上由一个球形的外壳和一个的外壳和一个方解石晶体或方解石晶体或多个方解石晶多

28、个方解石晶体构成，其同体构成，其同心层已不复存心层已不复存在了。在了。 46单晶鲕多晶鲕多晶鲕（8 8）变形鲕）变形鲕： 鲕粒在同生期受底部水流冲刷或拖曳变形而成。鲕粒在同生期受底部水流冲刷或拖曳变形而成。变形鲕变形鲕 变形负鲕变形负鲕493)3)鲕粒成因鲕粒成因：关于鲕粒的成因，有许多学说和观点，但归纳起来，关于鲕粒的成因，有许多学说和观点，但归纳起来，不外乎两种，即不外乎两种，即生物说和无机说生物说和无机说。 韦尔韦尔(Wevl,1967)(Wevl,1967)在巴哈马地区进行了实验观察，在巴哈马地区进行了实验观察，当把碳酸盐颗粒浸入温暖的饱和当把碳酸盐颗粒浸入温暖的饱和CaCOCaCO3 3的表层海水中的表层海水中, ,围绕这种颗粒表面的沉淀作用立刻就发生了，当这一新围绕这种颗粒表面