11碳酸盐岩概论

第十一章
碳酸盐岩概论(一)
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
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第一节
绪

言
碳酸盐岩是主要由方解石和白云石等碳酸盐矿
物组成的沉积岩。
石灰岩和白云岩是碳酸盐岩的主要岩石类型。 碳酸盐岩分布很广 ，在沉积岩中居第三位 ； 重要的生油岩和储油岩。在当前国内外的大油
气田中，碳酸盐岩产层占50％，产量占60％。
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1．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： 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： 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： 现代碳酸盐沉积模式。 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。
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二、碳酸盐岩化学成分

碳酸盐岩的化学成分与其矿物组成及形成环境有关：

纯石灰岩(纯方解石)的理论化学成分为CaO(56％)和 CO2(44％);纯白云岩(纯白云石)的理论化学成分为 CaO(30.4％),MgO(21.7％),CO2(47.9％)。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 学成分。 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。例如水泥用的石灰岩，MgO的含量需小 于3%～5％，K2O+Na2O的含量需小于1％，SO3含量需小 于3％，SiO2含量需小于3％～4％；冶金熔剂用的白云 岩，MgO需大于16％，SiO2需小于7％；

粒 径 一 般 为 ： 2~0.25mm ， 大 于 2mm 和 小 于 0.25mm均较少见。

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一、颗粒
2)鲕粒分类 根据鲕粒结构和形 态特征，分为以下几 类： （1）正常鲕： 其同心层厚度大于 核心的直径。一般所 说的鲕粒都是指的这 种正常鲕。
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（2） 表皮鲕：
其同心层厚度小
于其核心直径。有 的表皮鲕只有一层
(1)在现代沉积物中常呈现针状，有时也呈现泥状。 (2)形成有利条件为：温度较高（＞15 ℃ ），温暖浅海沉积 物以文石为主； pH值 > 8 ；盐度高，超盐条件有利于形成文石； Mg／Ca＞2：1 (3)海水中文石较方解石易沉淀的原因，李普曼（Lippman） 认为与文石成核速度和结晶速度比方解石更快有关。 (4)稳定性较差( 介于高镁方解石和方解石间 ) ，易于转变为方 解石，在古老的碳酸岩中不存在。
小罢了。但是，圆度和分选均较好的粉屑却与 球粒很难区别。
泥屑：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 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“碳酸盐 泥”或“泥”、“灰泥”、“云泥”这些概括 性的术语来概括这三种成因的泥。
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空心鲕(负鲕)
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空心鲕和表皮鲕
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（二）非碳酸盐矿物
1、非碳酸盐自生矿物：石膏、硬石膏、天青石、重 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， 2、还常含一些陆源矿物：如粘土矿物、石英、长石、
云母、绿泥石，以及一些重矿物等。
2 、有机质： 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。
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第三节 碳酸盐岩结构组分

碳酸盐岩主要由颗粒、泥、胶结物、晶粒、以
及生物格架五种主要的结构组分组成。

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；

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 一定的影响，对岩石的成因分析有重要意义.
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一、颗粒
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第二节碳酸盐岩的物质成分
一、碳酸盐岩矿物成分 （一）碳酸盐矿物
主要由方解石(低镁方解石)及白云石两种碳酸
盐矿物组成 。现代的碳酸盐沉积物中还常见高 镁方解石、文石。此外在一定的环境条件下还 可有 铁白云石、菱镁矿、菱锰矿、菱铁矿等碳 酸盐矿物。
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。
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（一）碳酸盐矿物 4、白云石
化学式为CaMg[CO3]2，理想白云石是Mg2+： Ca2+=1∶1；且高度有序，即络阴离子[CO3]22- 、镁离子 Mg2+和钙离子Ca2+均分别成层沿c轴方向彼此相间排布。 属三方晶系，常见的晶形为菱面体,菱形晶面常弯 曲,硬度为3.5～4，相对密度为2.87，活度积常数在 25℃时为10-17.6。 显微镜下具极明显的闪突起、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。凭光学 性质与方解石极难区别，常用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 岩中的白云石通常都是富钙的，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 和化学式。 11
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（一）碳酸盐矿物
5、原白云石 是一种富钙的白云石，其化学式大体变化在 CaMg[CO3]2 ~ Ca(Mg0.84Ca0.16)[CO3]2之间，当然 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。 原白云石主要分布在现代沉积物中，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 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。
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（一）碳酸盐矿物
1、方解石(或低镁方解石)
方解石(Ca[CO3]), [CO3]2-络阴离子和Ca2+组成， 常含少量 Mg[CO3], 一般 <4mol ％。三方晶系，常见棱 面体、复三方偏三角面体及微晶、隐晶质集合体。三 组菱面体解理完全，硬度为 3 ，相对密度为 2.71 ，活 度积常数在25℃时为10-8.52。显微镜下具极明显的闪 突起、三组完全解理，双晶纹常见且平行于菱形解理 的长对角线，高级白干涉色。 方解石是 Ca[CO3] 最稳定的最终保存下来的矿物 相之一，在古老的碳酸盐岩中广泛分布。 广泛存在于介形虫、三叶虫、有孔虫、层孔虫以 及某些腕足动物和苔藓动物原始骨骼之中。
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2．我国的碳酸盐岩岩石学研究现状 在成因研究方面：碳酸盐沉积后作用的研究取得了重 要成果。 在特征和分类方面：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； 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：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 岩岩相古地理学研究也有了重大的发展。 在研究手段方面：碳酸盐岩研究手段日趋完善。 在矿产资源勘探方面：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 材及化工勘探方面也取得了显著效益。
④ 福 克 （ 1976 ） 曾 指 出 ， 高 镁 方 解 石 形 成 于 富 镁 的 海 水 中 （Mg／Ca的比值大于2：1）。如果有细菌作用参于，多形成 晶面弯曲的晶体。
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（一）碳酸盐矿物
3、文石(又名霰石)
文石是方解石的同质异象变体,含 Mg[CO3]少于 2mol ％,属斜方晶系,在现代沉积中常呈针状,有时也呈泥状。 {010}解理不完全,硬度3.5,比重2.9,活度积常数在25℃ 时为10-8.15。基本特征：
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二、碳酸盐岩化学成分



在碳酸盐岩中还常含有一些微量元素或痕量元素， 如 Sr， Ba， Mn，Co，Ni，Ph，Zn，Cu，Cr，Ga， Ti，B等。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。 例如硼(B），开阔海石灰岩的硼含量约为0.05％， 局限海石灰岩的棚含量约为0.14％，潮上云坪准同 生白云岩的棚含量约为0.24％。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， 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。 因此，开展碳酸盐岩中微量及痕量元素的研究是有 意义的。
同心层，亦叫薄皮
鲕。
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表皮鲕
（3) 放射 鲕 具有放射 结构鲕粒
这种放射结 构多是后来 重结晶作用 的产物。
放射状鲕粒
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(4)复鲕： 在一个 鲕粒中，包 含两个或多 个小鲕粒。
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（5）空心鲕：
内部（核心 及同心层的大 部或全部）已 选择性溶蚀的、 基本上只保留 下一个外壳的 鲕粒。
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3、今后研究要点
1）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 系。 2）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 拓新领域。 3) 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 大发展，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 油气藏提供地质依据。

砂屑灰岩


砂级内碎屑 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 的砂屑。 直到近若干年才逐渐被人们重视，人们才逐渐 认识到砂屑比砾属的分布还要广泛。这种砂屑 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。
粉屑颗粒：其特征与砂屑基本相同，仅粒级较
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3) 分类：内碎屑根据其颗粒直径大小，划分为砾 屑、砂屑、粉屑、和泥屑四个级别；砂屑和粉屑还可 以再细分，但其分类的界限有所不同。
（据赵澄林等）
竹叶状砾屑灰岩是最好的一个实例。
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 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 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 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 或风暴作用，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， 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 用联系起来。
在碳酸盐岩中，常见颗粒类型有内碎屑、鲕粒、生物 颗粒、球粒、藻粒、团块等。 说明： （1)颗粒与砾岩、砂岩、粉砂岩中砾、砂、粉砂相似。 （2）按其是否在沉积盆地内生成，可分为盆内颗粒和 盆外(碎屑)颗粒两大类(区别:成因、结构、成分)。 盆内颗粒又称内颗粒，福克（Folk 1959 1962 ）称其 为“异化颗粒”或“异化组分”，即福克所说的“异 常化学作用”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。盆外颗粒是极少的或是次 要的。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。
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（一）碳酸盐矿物
2、高镁方解石(或称镁方解石) 其化学成分和晶体结构与方解石相似，唯MgCO3含量一 般大于 10mol％，有时可达30mol％。其特点：
①镁含量虽高，方解石的晶格并未破坏。 ②溶解度较大，稳定性远较方解石为差；
③容易向低镁方解石或白云石转化，所以只能存在于现代碳酸 盐沉积物中。

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一、颗粒
1、内碎屑 1)定义：内碎屑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、 重力流等的作用，破碎、搬运、磨蚀、再沉积而形成的 盆内颗粒。 2)特征及与陆源碎屑的区别： 常具有复杂程度不同(与先期沉积物相同)的内部结构, 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 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； 成分几乎均为碳酸盐沉积物(与先期沉积相同)。
一、颗粒
2、鲕粒
1)鲕粒的概念:是化学凝聚成因的具有核心和包壳 (同心层结构)的球形内颗粒。很象鱼卵子（即鲕）。
核心可以是内碎屑、化石（完整的或破碎的）、陆 源碎屑、以及其他物质。

包壳 ( 同心层 ) 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。有的鲕粒具有放射状结构， 有的则只限于几个同心层中。