碳酸盐岩地球化学分析方法综述_王驰

图 1 白云石晶体中 M g/Ca的比率的 X - 射线衍射测量法 [6 ]
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前人对 Na元素的研究表明 [ 4 ] , 高含量 ( 80 ×10 - 6 ～240 ×10 - 6 , 平均 150 ×10 - 6 ) 的碳酸盐岩已被发现于局限的具有蒸发作用的泻湖环境中 ; 低含量 ( 30 ×10 - 6 ～90 × 10 - 6 ) 则分布在开阔台地和珊瑚礁石灰岩中 ; 早期具有叠层石的成岩白云岩和潮坪砾岩 中 Na的含量可高达 400 ×10 - 6 ; 晚期成岩白云岩 Na的含量则相对偏低 ( 100 ×10 - 6 ) 。 此外 , 陆源碎屑含量会明显影响 Na的分布 , 其中 : 碳酸盐中 Na的含量为 400 ×10 - 6 , 页岩中为 9 600 ×10 - 6 , 而粘土则高达 40 000 ×10 - 6[ 5 ] 。
浆碳酸岩 SiO2 / ( K2O +N a2O ) 比值远小于沉积碳酸盐岩之比值 [ 3 ] 。尽管岩浆碳酸岩的 SiO2 / ( K2 O +Na2 O ) 比值的变化范围 (0100～54100) 较大 , 但主要集中在小于 8的区 间内 (比值小于 8的样品占统计数据的 75% , 分析样品数的 84% ) 。相对而言 , 沉积碳 酸盐岩的 SiO2 / ( K2 O + Na2 O ) 比值范围 ( 0108 ～400100 ) 变化更大 , 但一般大于 8 (比值大于 8的占统计数据的 82% , 分析样品数的 97% ) (图 3, A ) 。
3 收稿日期 : 2009 - 10 - 20 作者简介 : 王驰 (1989 - ) , 女 , 内蒙古兴安盟人 , 07级本科生 , 主要从事岩石及地球化学等地 质学方面的学习和研究 , Email: 742811075@ qq1com.
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王 驰 , 李红中 , 高俊杰 , 梁 锦 , 瓦西拉里
(中山大学地球科学系 , 广东 广州 510275)
【摘要 】碳酸盐岩是由碳酸盐矿物 (方解石 , 白云石等 ) 组成的化学沉积岩 ,
其具体包括石灰岩和白云岩 。由于碳酸盐岩的沉积 —成岩过程都受地球化学场 所控制 , 故不同的沉积 —成岩因素往往包含其特定的地球化学特征 。由于这些 特征对岩石的形成环境及物质来源可以起到较好的示踪效果 , 故本文对这些地 球化学特征进行综合评述旨在探究碳酸盐岩的示踪手段和方法 , 并为深入研究 碳酸盐岩提供一定的建议 。
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第 30卷第 4期 JOURNAL OF THE GRADUATES VOL130№4 2009 SUN YAT2SEN UN IVERSITY (NATURAL SC IENCES、M ED IC INE) 2009
碳酸盐岩地球化学分析方法综述 3
【关键词 】地球化学 ; 碳酸盐岩 ; 有机 ; 判别
引言
碳酸盐岩是由碳酸盐矿物 (方解石 、白云石等 ) 组成的化学沉积岩 , 其具体包括 石灰岩和白云岩 [1 ] 。碳酸盐岩中矿物和元素成分的不同主要受形成机制影响 , 而相同矿 物或元素按不同的组合则可形成诸多不同的种类 。除海相或湖相沉积成因的碳酸盐岩中 有灰岩 、白云岩这两大端员组分外 , 还有如白云质灰岩等的多种中间产物 , 甚至在有陆 源碎屑物质混入时还可以形成泥质灰岩等 。基于碳酸盐岩分类对于碳酸盐的研究的重要 意义 , 前人根据与碳酸盐岩成因密切相关的碳酸盐岩结构为指标对碳酸盐进行分类 [2 ] , 如 : 根据方解石的晶体构造可划分为颗粒灰岩 、颗粒泥晶灰岩 、泥晶灰岩 、礁灰岩和次 生石灰华等 ; 根据白云岩的成因则可分为原生白云岩 、交代白云岩和碎屑白云岩及淡水 白云岩 。碳酸盐岩的沉积 —成岩过程一般都受地球化学场所控制 , 因此不同的沉积 —成 岩因素往往包含其特定的地球化学特征 。根据物质含量及性质可分为 : 主量元素 (造岩 元素 ) 、微量元素 、稳定和放射性同位素 、有机地球化学特征 。此外 , 还有反映沉积环 境的物理化学特征 ( f(O2) 、 Eh 和 pH ) , 反映晶体结构构造和光谱学的结构化学特征 , 以及反映物质和结构相转变速率的动力学特征等 。由于这些特征对岩石的形成环境及物 质来源可以起到较好的示踪效果 , 故本文对这些地球化学特征进行综合评述旨在探究碳
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(11岩浆碳酸岩 ; 21沉积碳酸盐岩 ; 31白云碳酸岩 ; 41石灰岩 ) 图 4 不同成因碳酸盐岩石的 A l2O3 / ( K2O +Na2O ) 和 A l2O3 /Na2O 直方图 [3 ]
碳酸盐岩中 M g2 + 含量的不同可以指示碳酸盐形成时周围环境的盐度 [ 1 ] , 其中 : M g2 + /Ca2 +的比值较高说明形成于水温较高的浅海和滨岸地带的海水环境 , 该环境海水 盐度较大且属于亚稳定或不稳定的碳酸盐相 ; M g2 + /Ca2 +的比值较低 , 则说明形成于深 海低水温的环境中 , 属于稳定的碳酸盐相 。此外 , M g2 + /Ca2 + 指标还可以用以区别碳酸 盐中的亚类 [1 ] , 如 : 在对以白云石为主要矿物的碳酸盐的研究中 (图 1 ) , 通过 将 M g2 + /Ca2 +作图与标准白云石的图像进行对比分析 , 可以对不同成因的白云岩加以区 别 。根据沉积水体中 M g2 + /Ca2 +和盐度的关系 , 前人提出白云石形成的条件为 [ 1 ] : 高离 子浓度和快速结晶作用的高浓度环境中 , 且 M g2 + /Ca2 +比值介于 5: 1或 10: 1之间 。
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碳酸盐岩地球化学分析方法综述
(11岩浆碳酸岩 ; 21沉积碳酸盐岩 ; 31白云碳酸岩 ; 41石灰岩 ) 图 3 不同成因的碳酸盐岩石的 SiO2 / ( K2O +Na2O ) , SiO2 /Na2O 直方图 [3 ]
114 SiO2 /N a2 O 指标 在区别岩浆碳酸岩和沉积碳酸盐岩时 , 还可以应用 SiO2 /Na2 O 指标 。岩浆碳酸岩的
SiO2 /Na2 O 比沉积碳酸盐岩的小得多 [ 3 ] 。岩浆碳酸岩的 SiO2 /Na2 O 比值在 0100 ～160100 之间 , 一般小于 30100 (比值小于 30100 的占统计数据的 81% , 分析样品数的 90% ) 。 而沉积碳酸盐岩的 SiO2 /Na2 O 比值 1100 ～5000100, 通常大于 30100 (比值大于 30100 的占统计数据的 80% , 分析样品数的 90% ) (图 3, B ) 。 115 A l2 O3 / ( K2 O +N a2 O ) 指标
(11岩浆碳酸岩 ; 21沉积碳酸盐岩 ; 31白云碳酸岩 ; 41石灰岩 ) 图 2 不同成因的碳酸盐岩石 P2O5 含量及 K2O /Na2O 比值直方图 [3 ]
113 SiO2 / ( K2 O +Na2 O ) 指标 SiO2 / ( K2 O +Na2 O ) 指标为区别碳酸岩和碳酸盐岩提供了另一个有效的依据 。岩
前人研究表明 [ 3 ] , 岩浆碳酸岩的 A l2 O3 / ( K2 O + Na2 O ) 比值显著小于沉积碳酸盐 岩 , 其中 : 岩浆碳酸岩的 A l2 O3 / ( K2 O +Na2 O ) = 0100～37100, 通常小于 2150 (比值 小于 2150的占统计数据的 78% , 分析样品数的 82% ) ; 但是沉积碳酸盐岩的 A l2 O3 / ( K2 O + Na2 O ) = 0120 ～76100, 且往往大于 2150 (比值 大于 2150 的 占统计 数据 的 90% , 分析样品数的 87% ) (图 4, A ) 。
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112 K2 O /N a2 O 指标 应用 k2 O /Na2O 指标和 P2 O5 含量 (图 2) , 可以对岩浆碳酸盐和沉积碳酸盐岩加以
区别 , 但后者使用相对较少 。岩浆碳酸岩的 K2 O /Na2 O 比值明显小于沉积碳酸盐岩 [ 3 ] , 其中 : 岩浆碳酸岩的 K2O /Na2 O 比值一般小于 1, 占统计数据的 64% ; 而沉积碳酸盐岩 的 K2 O /Na2O 比值绝大部分大于 1, 点统计数据的 79% (图 2, B ) 。因此 , 岩浆碳酸岩 一般相对贫钾富钠而沉积碳酸盐岩则相对富钾贫钠 。
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碳酸盐岩地球化学分析方法综述
酸盐岩的示踪手段和方法 , 并为深入研究碳酸盐岩提供一定的建议 。
1 主量元素
自然界中丰度较高的元素被称为主量元素 , 它们一般在岩石或矿物中的含量大于 011% , 并可以在一定的环境条件下形成独立的矿物 [1 ] 。碳酸盐岩的主要化学成分是 CaO、M gO、CO2 , 其次是 SiO2 、 TiO2 、A l2 O3 、 Fe2 O3 、 FeO 及 K2 O、Na2 O 等 , 这些元 素的相对含量与其形成环境有着密切的关系 。据此 , 前人建立了诸多用以环境和物源示 踪的指标 [ 1, 3 - 5 ] 。 111 M g2 + /Ca2 +指标
2 微量元素
诸多研究表明 [ 7, 8 ] , 海相碳酸盐的成岩过程是一个锰的获取过程和锶的丢失过程 , 造成这种现象的原因与以下几个因素有关 : ①碳酸盐岩成岩流体 (孔隙流体或大气水 ) 中具有比沉积流体 (海水 ) 更高的锰含量 , 但具有更低的锶含量 [ 9, 10 ] ; ②化学动力学 效应 , 具体原理为 : 海相碳酸盐矿物沉积过程与成岩过程有关的化学反应速度具有巨大 差别 , 且锰 、锶两种元素在 CaCO3 中分配系数变化范围存在巨大差异 [ 7, 8 ] ; ③晶体化学 因素 , 由于锰更容易取代方解石 (或白云石 ) 中的 Ca和 Mg但难以取代文石中的 Ca和 M g, 而锶则更容易取代文石中的 Ca而难以取代方解石 (或白云石 ) 中的 Ca, 因而从 海相沉积文石到成岩方解石的转变过程中锰的含量增加而锶则被大量失去 。因此 , 沉积 海相碳酸盐矿物或成岩蚀变性较弱的海相碳酸盐矿物应具有较高的锶含量和较低的锰含
116 A l2 O3 /N a2 O 指标 前人研究显示 [ 3 ] , 岩浆碳酸岩的 A l2 O3 /Na2 O 比值显著小于沉积碳酸盐岩 , 其中 :
岩浆碳酸岩的 A l2 O3 /Na2O = 0100～28100, 一般小于 7100 (比值小于 7100 的占统计数 据的 82% ) ; 而沉积碳酸盐岩的 A l2 O3 /Na2 O = 0120 ～570100, 通常大于 7100 (比值大 于 7100的占统计数据的 76% , 分析样品数的 82% ) (图 4, B ) 。