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第四章碳酸盐岩成岩作用-2


第四章 内源沉积岩—碳酸盐岩
一、 概述

二、 碳酸盐岩的成分特征
三、 碳酸盐岩的结构

四、 碳酸盐岩的构造
五、 碳酸盐岩的分类

六、 碳酸盐岩的主要岩石类型
七、 碳酸盐岩的成岩作用

第七节 碳酸盐岩的成岩作用
常见成岩作用方式 压实作用 胶结作用 重结晶作用 交代作用 溶解作用 成岩环境简介

? 压实作用
压实作用包括化学压实作用机械压实作用

1、化学压实作用及组构
缝合线构造是溶解压实组构的唯一表现形式。 缝合线往往由难溶的黏土矿物构成,溶解的石灰岩数 量往往很大,是胶结物(Caco3)的主要物质来源。

? 压实作用
2、机械压实作用及组构
机械压实作用主要表现为塑性变形和破裂两种类型:
(1)塑性变形组构 1)颗粒的凹凸接触:一个颗粒变形后形成凹入坑,相 邻颗粒的一部分嵌入其中。 2) 颗粒的线状接触:颗粒变形后以长轴紧密接触。

3) 单个颗粒变形:如变形鲕粒,变形砂屑等。

? 压实作用
2、机械压实作用及组构
(2)脆性破裂组构
1)放射状破裂:以由颗粒中心向四周辐射的微小破裂 为特征。

2) 断裂:颗粒破裂成几部分,但仍互相接近。
3) 撕碎破裂:1个颗粒被破碎成大致相等的两部分, 可见位移的迹象。 4)剥离:颗粒表面发生片状剥离,偶见于变形鲕状石 灰岩中。

? 胶结作用
? 胶结作用仅发生于粒屑灰岩中 ,胶结作用与沉积作用 可视为同步(何起祥,1978)。
? 胶结物主要为碳酸盐类矿物,有四种主要类型,即方 解石(低镁方解石)、文石、镁方解石(高镁方解石) 和白云石。 ? 主要内容

1、常见的胶结组构
2、碳酸钙胶结物的沉淀作用 3、胶结物的世代

? 胶结作用
一、常见的胶结组构
(1)针状:胶结作用早期,砂屑灰岩被纤维状文石晶体部 分胶结,文石从碎屑颗粒的表面向外生长。
(2)粒状:砂屑灰岩中腕足类介壳碎屑及内碎屑被等粒状 方解石胶结。 (3)等轴生长:在砂屑灰岩中海百合为干净的方解石所环 绕,形成共轴生长边。

(4)嵌晶:包含数个颗粒的粗晶或连片胶结物。

? 胶结作用
二、碳酸钙胶结物的沉淀作用
影响因素:
溶解离子、 结晶速度 底质的矿物成分与晶体结构

? 胶结作用
二、碳酸钙胶结物的沉淀作用

1、溶解离子
在碳酸钙胶结物的沉淀环境中存在的溶解离子主要为: 镁离子和钙离子。

碳酸钙沉淀时受Mg/Ca比值影响。 Mg/Ca比值不同, 形成的矿物及组构也不同
(1)对矿物成分的影响: 在富镁离子的条件下,形成文 石和高镁方解石。正常情况下,形成方解石。

? 胶结作用
二、碳酸钙胶结物的沉淀作用

1、溶解离子
(2)对组构(矿物习性)的影响: 镁离子的侧向“毒害”效应(Folk,1974) 方解石晶体是由CO32-离 子和Ca2+离子层交替组
CO32Ca 2+ CO32-

成,结晶C轴与离子交替
层垂直。

Ca 2
CO32-

? 胶结作用
二、碳酸钙胶结物的沉淀作用

1、溶解离子
(2)对组构(矿物习性)的影响:
对组构(矿物习性)的影响分二种情况

(a)溶液中的Mg2+进入正在生长的晶体顶端的Ca2+层内部 占据了某一钙离子的位置。当晶体继续生长,其上很快被1 个新的Ca2+生长层覆盖。晶体沿着被掩埋的C轴方向继续生 长,会把晶体构造中的缺陷隐藏下来,以这种方式进入方 解石晶格的少数镁离子对晶体的生长并无影响。

? 胶结作用
二、碳酸钙胶结物的沉淀作用

1、溶解离子
(2)对组构(矿物习性)的影响: (b)镁离子进入Ca2+层裸露边缘位置,由于镁的离子半径 较小,当晶体继续生长时,其上下层的CO32-层将向Mg2+方 向收敛并把它包围起来,导致晶体构造发生变形。 当晶体进一步生长时,离子半径较大的Ca2+再也不能 进入这一Ca2+层。由于这一原因,晶体的侧向生长受到了 限制,但这时沿C轴方向的生长并受到镁离子的毒害,因而 生长迅速。这样便形成了数微米宽的纤维状或泥晶陡斜菱 面体高镁方解石

? 胶结作用
二、碳酸钙胶结物的沉淀作用

1、溶解离子
(2)对组构(矿物习性)的影响:
镁方解石成为平行于C轴的纤维状或陡斜面体示意图

? 胶结作用
二、碳酸钙胶结物的沉淀作用

1、溶解离子
(2)对组构(矿物习性)的影响:
Mg/Ca比值影响方解石晶体习性示意图

? 胶结作用
二、碳酸钙胶结物的沉淀作用

2、结晶速度
胶结物的结晶速度控制着晶体的大小和形态。结晶作用 和成核作用速度缓慢,有利于较大晶体如纤维晶和粒状 晶体的形成。结晶速度快,往往形成泥晶结构。 在极度低镁的环境中,如在淡水中,快速的沉淀作用使 方解石形成六边形的板状晶体或矮胖六方柱晶体。

? 胶结作用
三、胶结物的世代
充填孔隙的胶结物有世代关系。
早期胶结物一般垂直于粒屑的边部生长,具有栉状组 构特征。晚期胶结物多为具镶嵌组构的粒状方解石。 一般认为早期方解石胶结物可能系海水成因的文石或 高镁方解石经成岩变化而成,晚期的胶结物可能为淡 水(Lindholm,1974)或可能为深埋的地下水或原生 水(Folk,1974)所形成。

? 胶结作用
三、胶结物的世代
亮晶鲕粒灰岩, 物 早期:纤状等厚环边胶结物 晚期:粒状胶结

具两世代胶结
作用,

单偏光,
(10×10)

? 胶结作用
四、碳酸钙胶结物的来源
(1)海水来源:沉积物中的孔隙水通过海水的补给,不断 形成碳酸钙的沉淀。这是碳酸给胶结物的主要来源。
(2)成岩过程中文石和高镁方解石发生溶解,溶解的碳酸 钙可沉淀为低镁方解石胶结物。 (3)化学压实作用(压溶作用)提供的碳酸钙。 (4)地下水来源:地下水通过毛细管浓缩作用,向近地表 处搬运碳酸钙溶液和浓缩以胶结物形成沉淀下来。 (5)淡水将上覆沉积层中的碳酸盐溶解后向下淋滤为下 伏层位的沉积提供钙质胶结物。

? 溶解作用
一、溶解作用的条件及产物
(1)条件:
1)碳酸盐沉积物或碳酸盐岩中孔隙水的性质发生变化, 就要引起碳酸岩矿物或质点的溶解作用。

2)为了保持长期而稳定的溶解过程,孔隙水既要不饱和 又要有流动性。这样才能不仅使碳酸盐溶解,而且能 将溶解的物质带走。
(2)产物: 碳酸盐岩或碳酸盐沉积物的溶解一般属于一致溶解的 范畴,溶解作用的最终产物是次生孔隙(溶解孔隙)

? 溶解作用
二、次生孔隙的类型
(1)晶间孔隙:主要见于次生白云岩中,由交代作用形。 由于菱形的白云石晶体的随机生长伴随着粒间未被 交代部分的溶解作用而形成的。
(2)溶膜孔隙:溶膜孔隙是由于沉积物或岩石中原生组 分的选择性溶解而形成。这些原生组分包括鲕粒、 介壳和蒸发矿物等。 (3)孔洞和溶沟:这种孔隙是与原生结构无任何关系的 溶解作用造成的。

? 溶解作用
具残余鲕粒结构白云岩,飞仙关组,单偏光,4×10 粒间溶孔发育,埋藏溶解作用,

? 重结晶作用和矿物多相转化
1、重结晶作用
? 单纯的重结晶作用是指:在成岩过程中矿物的晶体形状 和大小发生变化,而主要矿物成分不发生改变的作用。
? 一般将晶体趋于加大的现象称为“进变新生变形作用”,

? 一般将晶体趋于缩小的现象称为“退变新生变形作用”。
? 这两种作用的代表性产物分别为“微亮晶”和“泥微 晶”。

? 重结晶作用和矿物多相转化
2、矿物的多相转化作用
现代浅海的碳酸钙沉积物主要是由文石,高镁方解石和 低镁方解石组成。 古代石灰岩却是由低镁方解石组成的。 这一现象说明,文石和高镁方解石在成岩过程中都已转 变成为低镁方解石。 文石向方解石转化是通过晶体间的溶液薄膜进行的,包 括湿态的同质多相转变和湿态重结晶作用,其转化过程可 能是通过文石在极小的范围内溶解和立刻沉淀出方解石而 完成的。在这一转化过程中还发生了微量元素锶的丢失, 这说明文石向方解石转化是一种湿态过程。

? 交代作用
碳酸盐沉积物或碳酸盐岩中的交代作用十分活跃, 常见的交代作用包括: 白云岩(石)化 去白云岩(石)化 硅化 硫酸盐化 菱铁矿化和黄铁矿化等

? 交代作用
1. 白云岩化作用:
按成因白云岩分为原生白云岩,次生白云岩。自然界以交代成因 的次生白云岩为主。

(1)渗滤回流作用(Adams和Rhodes,1960)

利用该模式来解释得克萨斯二叠纪白云岩的分布。
? 海岸泻湖的强烈蒸发作用使海水浓缩; ? 石膏的沉淀,把Ca2+从水中移走,增加了Mg2+这浓度; ? 富Mg2+的残留卤水比泻湖之下沉积物中充填的正常海 水要重,因而向下渗流; ? 富Mg2+水体流经先期沉淀的碳酸盐沉积物,引起白云 岩化作用。

? 交代作用
1. 白云岩化作用:
(1)渗滤回流作用
强烈蒸发作用

海面

潮坪
渗滤 回流

湖泊

白云岩化区

白云岩化的渗滤回流作用机制(据K.S.Deffeyes,1965)

? 交代作用
1. 白云岩化作用:
(2)溶解—自白云岩化作用
这一模式主张含镁的碳酸盐沉积物在一定的条件下发 生溶解,然后重新沉淀下来,镁离子和钙离子结合形 成白云石。 毫无疑问,这一模式肯定能够解释某些白云岩的成因。 然而正如Land等人(1975)指出,这是一种自我消耗, 在邻近组分未发生溶解的情况下,这种作用不可能为 厚层碳酸盐的白云化提供大量的镁离子。

? 交代作用
1. 白云岩化作用:
(3)混合白云岩化作用
汉肖等(Hanshaw,1971)和Land(1973)提出了一个 新的白云岩化机制,即大气水(淡水)与海水混合机制来 解释佛罗里达和牙买加第四纪灰岩中的白云岩的成因。 按照该模式,正常海水与淡水混合形成半咸水,这种盐 水对于方解石不饱和,但对于白云石饱和,白云石沉淀, 方解石溶解。

? 交代作用
1. 白云岩化作用:
(3)混合白云岩化作用 地下水与海水混合液对方解石和白云石饱和程度的影响

? 交代作用
1. 白云岩化作用:
混合白云岩化模式(Badiozmani,1973)

? 交代作用
1. 白云岩化作用:
(4)深埋白云岩化作用
Illing(1959)在研究加拿大西部晚泥盆世的礁体时, 提出了地下水白云岩化模式。 他认为,在埋藏过程中,礁体下部或礁体周围的沉积 物排除同生水。这些同生水受蒙脱石转变成 伊利石的 影响,因而含有高的Mg/Ca。当这些同生水流经礁体 时,便对礁体产生了白云岩化作用

? 交代作用
1. 白云岩化作用:
(5)蒸发泵吸作用
在炎热的气候条件下,由于强烈的蒸发作用,潮上带 象泵一样驱使海水通过沉积物的孔隙,向陆地运行, 结果在朝上带形成白云岩的薄壳。 白云岩化的重要结果是使岩石的孔隙度增大(13%), 可能对成油具有重要意义。

? 交代作用
1. 白云岩化作用:
白云岩化的蒸发泵吸作用

? 交代作用
2、去白云岩化作用
方解石交代白云石的作用叫做去白云岩化作用 。
(1)方解石晶体含有未交代完全的白云石残余,形成 特征的“嵌晶组构”。

(2)方解石常呈白云石菱面体的假象存在。
(3)常常保存白云石的残余组构的痕迹 (4)增加体积13%,但仍然可以见到菱形溶孔。

? 交代作用
2、去白云岩化作用
去白云岩化作用发生的条件:
(1)在富含硫酸盐的地下水作用下完成的;其反应式: CaMg(CO3)2+CaSO4· 2O→2CaCO3+MgSO4+2H2O 2H (2)是在近地表条件下发生的(解决膏盐溶解问题)。 (3)发生在不含石膏的地区;这时硫酸盐离子可能是由 黄铁矿或其它硫化物的氧化而成。

? 交代作用
3、石膏化和硬石膏化
石膏和硬石膏交代碳酸盐矿物或组分的现象叫石膏化 或硬石膏化。
该作用的发生可能与含硫酸盐的孔隙水的活动有关。 在地下,石膏为硬石膏交代。常见于干旱气候。 4、去石膏化作用 硬石膏或石膏被碳酸盐矿物交代的作用叫去石膏化作用 去石膏化常与地表淡水和细菌的作用有关。可能反应: 6CaSO4+4H2O+6CO2→6CaCO3+4H2S+11O2+2S 此外,在地表去白云石化时,也可伴有去石膏化作用。

? 交代作用
膏质白云岩,石膏发育,硬石膏作用,飞仙关组,单偏光,4×10

? 交代作用
5.硅化作用

当pH相对较低,且孔隙水为SiO2所饱和时,碳酸盐常 常发生硅化。
CaCO3+H2O+CO2+H4SiO4 SiO2+Ca2++2HCO3-+2H2O 硅化作用具有明显的选择性。生物组分最易发生硅化, 形成硅质内模。

其他常见的交代产物有硅质结核和硅质条带。硅化产 物常常保留原有的沉淀构造(如细纹理和生物的微构 造等)。

? 成岩环境及其特征
? 成岩环境及分类:

成岩环境:与成岩作用关系密切的环境称之为成岩环境 。 Longman(1982)将成岩环境划分为两大类:
?

1、近地表成岩环境: 海洋潜水带 混合带 淡水或大气潜水带 淡水或大气渗流带。 2、地下成岩环境,

碳酸盐沙岛的主要成岩环境(Longman,1982)

? 成岩环境及其特征
1、海洋潜水带
海洋潜水带指温暖浅海(水深<100m),其中的沉积 物或岩石中的多余孔隙空间都为正常海水所填充。
(1)活跃的海洋潜水带:水运动与其他作用(如光合作用 生物的呼吸,CO2去气,细菌活动等)伴生,导致胶 结作用。胶结物主要为镁方解石和文石。 (2)停滞的海洋潜水带:水通过沉积物的运动相当缓慢, 胶结作用很少发生。。

? 成岩环境及其特征
2、混合带
位于海洋潜水带和淡水潜水带之间。海水与淡水的 混合可以形成一种对方解石稍微不饱和,而对白云 石过饱和的溶液。在水循环良好的混合带环境中可 以发生白云岩化(Badiozamani,1973)。

? 成岩环境及其特征
3、淡水或大气潜水带
位于渗流带和混合带之间。所有的孔隙均为含有液 碳酸盐的大气水充满。潜水面的顶部以海平面为界。
(1)未饱和带:对CaCO3不饱和大气水进入潜水带,便开 始(或继续)溶解沉积物,产生类似于渗流带的晶 洞或印模孔隙。 (2)活跃的饱和带:水对于CaCO3饱和,导致方解石广泛 的胶结作用。胶结物为粒状方解石。 (3)停滞带:存在于大气淡水潜水带的较深部位和干旱 气候条件下。水循环缓慢,几乎无胶结作用发生。

? 成岩环境及其特征
4、淡水或大气渗流带
位于地表之下和潜水面之上的近地表带。 孔隙空间既可以以空气为主,也可以以水为主。 该带的水通常是大气水(雨水),对CaCO3不饱和。 溶解是渗流带的主要特征。 渗流带达到饱和后,就可以通过蒸发作用或CO2的 去气作用使方解石沉淀下来。

? 成岩环境及其特征
4、淡水或大气渗流带
(1)溶解亚带
任何形式的碳酸钙都可以发生溶解。胶结作用主要 发生于空气与岩石界面处。

(2)沉淀亚带
位于渗流带的下部,以胶结作用为主。如果孔隙水 以弯月状分布于颗粒之间,那么胶结物将具有新月 型的组构特征。如果水以悬滴状挂在于颗粒的下面, 那么将形成悬挂型胶结物。该亚带的胶结物通常以 细小等粒状的方解石为主。

? 成岩环境及其特征
5、地下成岩环境
地下埋深的成岩环境中发生的主要成岩事件包括: (1)沉积物的压实作用和流体排出; (2)某些矿物和有机质的热成熟; (3)缝合作用; (4)白云岩化作用,尤其是沿断层和礁缘; (5)邻近缝合线的胶结作用; (6)裂隙作用; (7)沿缝合线的白云岩化作用和新生变形作用; (8)次生孔隙的形成; (9)石油运移

第四章 内源沉积岩—碳酸盐岩 思考题

1、碳酸盐成岩作用方式? 2、碳酸钙胶结物的来源? 3、白云岩化作用模式有那些? 4、碳酸盐的成岩环境有那些?


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