碳酸鹽岩:釋義,套用領域,成分,礦物結構,主要類型,形成過程,結構組分的鑑別,內碎

對主要由碳酸鹽類礦物組成的岩石的泛稱。如常見的由方解石(碳酸鈣的礦物)組成的石灰岩及其變質產物——大理岩；主要由白雲石(碳酸鈣鎂的礦物)組成的白雲岩及白雲大理岩；由方解石和少量黏土礦物組成的泥灰岩等。物性因礦物成分的變化而有一定差異。碳酸鹽岩中有的可選作彩石、硯石、觀賞石。碳酸鹽岩與岩漿岩的接觸帶常形成有價值的珠寶玉石礦床。

碳酸鹽岩所屬現代詞，主要有石灰岩和白雲岩等兩類。碳酸鹽岩和碳酸鹽沉積物從前寒武紀到現在均有產出，分布極廣，約占沉積岩總量的1/5～1/4。

基本介紹

中文名：碳酸鹽岩
外文名：Carbonatite
屬性：岩石
分布：分布極廣
組成：碳酸鹽沉積物
主要類型：石灰岩和白雲岩
套用領域：冶金、建築、裝飾、化工

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釋義

碳酸鹽岩是由方解石、白雲石等自生碳酸鹽礦物組成的沉積岩。以方解石為主的岩石稱為石灰岩，以白雲石為主的岩石稱為白雲岩。碳酸鹽岩主要在海洋中形成，少數在陸地環境中形成。古代廣闊海洋中形成的碳酸鹽岩，約占地表沉積岩分布面積的20%。我國碳酸鹽岩主要分布於震旦紀、寒武紀、奧陶紀、泥盆紀、石炭紀、二疊紀、三疊紀及部分侏羅紀、白堊紀和第三紀的海相地層中，其中以西南地區最為發育。

碳酸鹽岩是重要的儲油岩。全世界50%的石油和天然氣儲存於碳酸鹽岩中。碳酸鹽岩還常與許多固體沉積礦藏共生，如鐵礦、鋁土礦、錳礦、石膏、岩鹽、鉀鹽、磷礦等，而且是許多金屬層控礦床的儲礦層，如汞、銻、鉛、鋅、銅、銀、鎳、鈷、鈾、釩等。碳酸鹽岩本身亦是一種很有價值的礦產，廣泛用於建築、化工、冶金等方面。

套用領域

碳酸鹽岩本身也可是有用礦產,如石灰岩、白雲岩及菱鐵礦、菱錳礦、菱鎂礦等，廣泛用於冶金、建築、裝飾、化工等工業。碳酸鹽岩中儲集有豐富的石油、天然氣和地下水。世界上碳酸鹽岩型油氣田儲量占總儲量的50%，占總產量的60%。與碳酸鹽岩共生的固體礦產有石膏、岩鹽、鉀鹽及汞、銻、銅、鉛、鋅、銀、鎳、鈷、鈾、釩等。

成分

碳酸鹽岩的主要化學成分是CaO、MgO、CO₂。碳酸鹽岩中含有的某些微量元素的比值可作為分析沉積環境的重要參數。碳酸鹽沉積物和碳酸鹽岩中的氧和碳的穩定同位素對判別碳酸鹽岩沉積介質的性質具有一定的意義。

碳酸鹽岩幾乎只由穩定的低鎂方解石和白雲石組成。現代碳酸鹽沉積物中還常常包含有高鎂方解石、文石、原白雲石等。碳酸鹽岩中常見的其他自生礦物有石膏、硬石膏、重晶石、天青石、岩鹽、鉀鎂鹽礦物等；常見的陸源碎屑礦物有石英、長石碎屑、黏土礦物和少量重礦物，這些陸源碎屑礦物均不溶於鹽酸，通常稱之為酸不溶物。

礦物結構

主要由文石、方解石、白雲石、菱鎂礦、菱鐵礦、菱錳礦組成。現代碳酸鈣沉積主要由高鎂方解石、文石及少量低鎂方解石組成。低鎂方解石最穩定，文石不穩定，高鎂方解石最不穩定。後兩者在沉積後易轉變成低鎂方解石。因此，古代岩石中的碳酸鹽礦物多是低鎂方解石。碳酸鹽礦物的結晶習性和晶體特徵與形成環境有關。

碳酸鹽岩中混入的非碳酸鹽成分有：石膏、重晶石、岩鹽及鉀鎂鹽礦物等，此外還有少量蛋白石、自生石英、海綠石、磷酸鹽礦物和有機質。常見的陸源混入物有粘土、碎屑石英和長石及微量重礦物。陸源礦物含量超過50%時，則碳酸鹽岩過渡為粘土或碎屑岩。

包括下列幾種。

①粒屑結構，按粒徑大小分為：礫屑（粒徑>2毫米）、砂屑（粒徑2～0.062毫米）、粉屑（粒徑0.062～0.032毫米）、微屑（粒徑0.032～0.004毫米）和泥屑(粒徑<0.004毫米)。礫屑的排列方位、粒度組成和分選性是分析碳酸鹽沉積物沉積環境的重要標誌。由核心和包殼組成的粒徑小於2毫米的球形或橢球形的顆粒為鮞粒。由富藻紋層組成的球形包粒為藻包粒。由微晶碳酸鹽礦物組成的不具內部構造的、表面光滑的球形或卵形顆粒稱球粒或團粒。外形不規則的複合顆粒集合體為團塊及凝聚顆粒等。

②鈣質生物化石顯微結構，按方解石（文石）晶體的空間形態，分為由光性方位不一致、三向大致等軸的方解石（文石）幾何體組成的粒狀結構，廣泛見於低等生物中；由平行或放射狀排列，一向延長的細柱或針狀方解石（文石）晶體組成的纖（柱）狀結構，為腔腸動物、節肢動物、輪藻藏卵器的主要結構；由厚度小於1～2微米、近於平行的方解石（文石）薄片疊積而成的片狀結構，常見於軟體動物、腕足類、苔蘚蟲和蠕蟲棲管中；全部或局部由一致消光的單一晶體或雙晶組成的單晶結構，是棘皮動物的主要特徵。鈣質生物化石的顯微結構有從粒狀→纖（柱）狀→片狀→單晶結構的演化趨勢。

③晶粒結構，根據粒度劃分為礫晶、砂晶、粉晶和泥晶。晶粒也可根據其自形程度劃分為自形晶、半自形晶和它形晶。

④生物骨架，指原地生長的群體生物，如珊瑚、苔蘚蟲、海綿、層孔蟲等堅硬鈣質骨骼所形成的格架。另外，一些藻類，如藍藻和紅藻，其粘液可以粘結其他碳酸鹽組分，形成粘結骨架。

除上述結構外，碳酸鹽岩還發育孔隙結構，包括①原生孔隙，形成於沉積同生階段，如粒間孔隙、遮蔽孔隙、體腔孔隙、生物鑽孔、窗格和層狀空洞等；②次生孔隙，形成於成岩及後生作用的溶解改造，如粒內孔、鑄模孔、晶間孔及其他溶蝕孔隙。

包括生物成因構造和特殊構造：1、生物成因構造。A疊層石：由藍綠藻形成的疊層構造，表現為富藻紋層與富碳酸鹽紋層互動疊置。不同類型的疊層構造可反映形成環境的水動力條件的強弱，層狀疊層石代表水動力條件較弱，屬於潮間帶上部產物，而柱狀疊層代表水動力條件較強，屬於潮間帶下部或者潮下帶上部產物；B蟲孔及蟲跡構造：由生物活動形成的各種蟲孔和蟲跡構造，可指示生物特徵及活動情況。2、特殊構造。A鳥眼構造：如毫米級大小的、常呈定向排列的、多為方解石或硬石膏充填的形似鳥眼的鳥眼構造，主要出現於潮上帶；B示頂底構造：碳酸鹽沉積物充填在碳酸鹽岩孔隙中形成的示頂底構造，表現為孔隙下部首先充填暗色的泥晶或粉晶方解石，其後上部為淺色的亮晶方解石或鹽類礦物充填，二者界面平直，並平行於水平面，此構造可判斷岩層頂底。C縫合線構造：岩層斷面上呈鋸齒狀曲線（縫合線），它在平面上是一個起伏不平的面。一般認為縫合線是在壓溶作用下形成的。還有與碎屑岩相類似的構造（見沉積岩）。

主要類型

①成分分類，採用白雲石、方解石和非碳酸鹽礦物的三端元圖解，將碳酸鹽岩分成8種類型（見圖）。②結構成因分類，可將碳酸鹽岩分成亮晶異常化學岩、泥晶異常化學岩、泥晶岩（正常化學岩）、原地礁灰岩、交代白雲岩等類型。

形成過程

碳酸鹽岩是自然界中重碳酸鈣溶液發生過飽和，從水體中沉澱形成。現代和古代碳酸鹽沉積主要分布於低緯度帶無河流注入的清澈而溫暖的淺海陸棚環境以及濱岸地區。這是因為碳酸鹽過飽和沉澱需要排出CO₂，海水溫度升高和海水深度變小都有利於水中CO₂分壓降低，促進重碳酸鈣過飽和沉澱。另外，溫暖淺海環境，生物發育，藻類光合作用均需要吸收CO₂，也促進CaCO₃的飽和和沉澱。底棲和浮游生物還通過生物化學和生物物理作用直接建造鈣質骨骼，形成生物碳酸鹽岩。機械作用在碳酸鹽岩形成中占有重要位置。在淺海帶中一經沉澱的碳酸鹽沉積物就受到水動力帶能量的改造、簸選和沉積分異，形成以機械作用為主的各種灘、壩顆粒碳酸鹽沉積體。同時，波浪、潮汐流、風暴流攪動海盆地，促使海水中CO₂迅速釋放,由新鮮的水流帶來充分的養料，加速生物繁殖，因而使碳酸鹽沉積。

在有陸源輸入的淺海盆地，碳酸鹽沉積受到排斥和干擾，形成不純的泥質和砂質碳酸鹽岩。在有障壁的瀉湖和海灣，常常因海水中Mg²⁺濃度增加，形成高鎂碳酸鹽岩和白雲岩。在大陸淡水環境，碳酸鹽過飽和時常常形成各種結殼狀碳酸鹽岩──鈣結岩。

結構組分的鑑別

從結構的角度看，碳酸鹽岩主要是由顆粒、泥、膠結物、生物骨架和晶粒五種結構組分組成。此外，還有一些次要的結構組分，如陸源碎屑物質、其他化學沉澱物質、有機質等；還有一些派生的結構組分，如孔隙等。這些次要的和派生的結構組分，雖然對油氣的運移和儲集甚為重要，對岩石的成岡和環境分析有重要意義，但數量一般很少。岡此，上述5種結構組分，還是組成碳酸鹽岩的基本結構組分，是碳酸鹽岩的重要鑑定標誌及分類命名的依據。

顆粒是流水成因碳酸鹽岩最常見最重要的結構組分之一，按成因可分為盆內顆粒和盆外顆粒。盆外顆粒指陸源碎屑顆粒，一般數量少，但是當顆粒碳酸鹽岩向陸源碎屑岩過渡時，陸源碎屑的含量可能較多，陸源碎屑顆粒的特徵在第七章碎屑岩部分已作討論。盆內顆粒(簡稱內顆粒)指在沉積盆地或沉積環境內形成的碳酸鹽顆粒。這種顆粒可以是化學沉積作用形成的，也可以是機械破碎作用形成的，還可以是生物作用形成的，或者是這些作用的綜合產物。在碳酸鹽岩中，凡提到顆粒，只要不特別註明是陸源的，均指內顆粒。內顆粒不僅僅見於碳酸鹽岩中，在其他化學沉積的矽質岩、鋁質岩的鐵質岩石中也有發育。內顆粒的類型多種多樣，在岩石薄片中常見者有以下類型：

內碎屑

內碎屑主要是在沉積盆地中沉積不久的、半固結或固結的各種碳酸鹽沉積物，受波浪、潮汐水流、風暴流、重力流等的作用，破碎、搬運、磨蝕、再沉積而形成的碎屑。

內碎屑的內部結構與原有的先期沉積物類型有關。先期的顆粒灰岩形成的內碎屑，可含有化石、鮞粒、球粒以及先期形成的內碎屑等，其磨蝕的邊緣常切割它所包含的化石、鮞粒等顆粒。先期的泥晶灰岩形成的內碎屑，可有紋層、極少細小生物化石，或僅具泥晶結構，其磨蝕邊界可切割紋層。依此可與其他顆粒相區別。

根據內碎屑粒徑的大小，可把內碎屑劃分為礫屑、砂屑、粉屑和泥，礫屑、砂屑和粉屑還可進一步細分。劃分標準因行業與作者的不同多有差異。一般認為，內碎屑的粒徑直接與水動力條件有關，礫石級內碎屑主要形成於潮汐通道、風暴浪等強水動力環境之中，分布較為局限，中國北方寒武系及奧陶系中分布的“竹葉狀礫屑”就是最好的實例。砂級的和粉砂級的內碎屑，可在較強及中等強度的水動力環境中形成，分布較為廣泛，在各種顆粒碳酸鹽岩中是常見顆粒類型之一。

鮞粒

鮞粒是具有核心和包殼結構的球狀一橢球形顆粒，可以簡稱為“鮞”。鮞粒是碳酸鹽中最特徵最易於識別的的顆粒之一。鮞粒還常出現在鋁質岩、矽質岩和鐵質岩等化學沉積岩石類型中。鮞粒的粒徑大小，一般在0.25mm至2mm，尤其以0.5mm至1mm居多，大於2mm和小於0.25mm的鮞粒較少見。鮞粒形態多呈圓球形、橢球形，在尚未固結時受應力作用可呈塑變形態。鮞粒的核心可以是內碎屑、化石(完整的或破碎的)、球粒、陸源碎屑顆粒，還可以是先期的鮞粒等；包殼常為同心層狀的泥晶方解石(現代海洋環境中的鮞粒主要由文石組成)，還可以是泥晶門雲石。有的鮞粒包殼具有放射狀結構，此放射結構可以穿過整個同心層，也可只限於幾個同心層中。

藻粒

藻粒即與藻類有成因聯繫的顆粒，包括藻鮞、藻灰結核、藻團塊。藻鮞是在藍藻參與下形成的鮞粒，其同心層是藻絲體粘附灰泥形成的。這種鮞的直徑一般為1～2mm，其核心常有所偏離。藻鮞與正常鮞粒的區別在於，藻鮞的同心層多呈波狀或梅花狀，厚度變化大，而鮞粒的同心層厚度均勻且平滑。藻灰結核(或稱核形石)，與藻鮞類似也是藍綠藻黏液捕捉碳酸鹽沉積物而形成的具有核心和同心層結構的顆粒，同心層的厚度變化較大、形態明顯不規則。核形石在生長過程中受水動力作用常間歇性滾動，處於靜止狀態時與海底接觸部分的同心層基本停止生長，與水體接觸部分則繼續生長，從而形成不規則的同心增長層。與藻鮞的區別是，核形石直徑較大(10～20mm或更大)，同心層粘結物較多、紋層較模糊、厚度和形態變化更明顯。藻團塊也是藻類粘結增長而成的顆粒，但它不具同心層結構。藻團塊的形態大小與內碎屑有些類似，但藻團塊是凝聚成因、常有藻的痕跡而無磨蝕的標誌。

球粒

球粒是較細粒的(粗粉砂級或砂級)、石灰泥組成的、不具有特殊內部結構的、球形或卵形的、分選較好的顆粒。球粒的成因有兩種。一種是機械成因，即是一些分選和磨圓都較好的粉砂級或砂級的內碎屑。另一種是生物成因，即是由一些生物排泄的粒狀糞便形成的，這種成因的球粒亦稱為糞球粒。在古代和現代沉積物中絕大部分球粒都是糞球粒。

糞球粒呈卵形或橢球形，大小形均一，有機質含量一般較高，在薄片中呈灰黑至暗黑色，這是鑑別糞球粒的重要特徵。由於糞球粒剛形成時是鬆軟的，極容易破碎或變形，因此只有在石化較快且能量低的環境(如潮坪)中才能保存下來，在能量較高的環境中少見。對球粒的觀測與描述，須包含顏色、形態、粒徑、均一程度、含量等內容，還須注意區分普通球粒與糞球粒，區分球粒與砂屑。

生物顆粒

生物顆粒是生物的骨骼及其碎屑，也可稱為“生屑”、“生物”、“骨屑”、“化石”等，其類型包括腕足類、棘皮類、腹足類、頭足類、瓣鰓類、三葉蟲、介形蟲、有孔蟲、層孔蟲、海綿、珊瑚、綠藻等多門類多種屬的生物化石。生物顆粒的鑑別標誌及常見生物顆粒的鑑別特徵。生物顆粒是碳酸鹽岩最複雜最重要的結構組分之一，分布極為廣泛，在矽質岩、泥質岩、砂岩等岩石類型中也有分布，具有重要的指相意義。對生物的觀測描述，必須確定生物的門類與種屬，還應確定生物的礦物組成、內部微細結構、完好與破碎程度，區分原地沉積的、還是異地搬運的，並測定各種生物的含量。

碳酸鹽岩