碳酸盐胶结物

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1、第八章 碳酸盐胶结物碳酸盐胶结物的研究为碳酸盐岩史 学家和矿物学家提供了直观的令人满意 的材料；其对填塞和保存孔隙的影响、 胶结物同生命的或石化的有机质之间的 相互作用；现代碳酸盐沉积环境等等， 使得碳酸盐胶结物的研究越来越受到沉 积学家们的重视。前 言第一节 碳酸盐的胶结作用第二节 不同地球化学和地质条件对整个 地质时期胶结物的矿物、形态和分布的制约 第三章 碳酸盐胶结物层序地层学一 个 新的研究方向目 录第一节 胶结物的胶结作用 胶结作用的环境 胶结物的矿物与化学特征、组构特征 胶结物的结构特征及类型碳酸盐的胶结作用和成岩作用可以发生在许多环境中：沉 积物沉积期间的海洋环境，淡水透镜体渗入

2、沉积环境的近地表 部位，海平面下降产生的大陆背景以及海水于已改变了化学性 质的水或深部地下盐水的混合带。一 . 胶结作用的环境1. 海洋背景在海洋中已发现的迅速的胶结作用是 很普遍的。1). 深海环境形成深海胶结物的有镁方解石、方解石和 文石，如在碳酸盐台地侧翼的结壳和岩礁及水下 槽内和峡谷沉积的文石。此外，深水胶结作用也可以发生在沉积速 率低的地区或盐度较高的盆地内，如红海较深部 的沉积物以及地中海出现的镁方解石胶结的硬底 。2). 礁在浅水背景 下，尤其是在礁 的边缘，胶结作 用比深水更为广 泛。生物礁中活 跃的胶结作用带 一般限制在礁沉 积物外部几英尺 处，大规模胶结 作用的位置一般 在

3、礁向海的边缘 ，而礁以主礁方 向的背风一侧很 少或没有胶结作 用。3). 浅水碳酸盐台地随着碳酸盐沉 积物的沉积作用， 准同生期胶结作用 也在横穿浅水台地 上发生。例如，在 波浪带和潮涌带， 碳酸盐围绕中心核 沉淀形成的葡萄状 灰岩，通常发育于 缺乏搅动的海底直 到鲕滩的背风面， 它们一部分是在砂 级颗粒的接触点由 碳酸盐胶结物沉积 而形成。在清水沉积环 境的潮间带和潮上 带，胶结作用也同 样普遍。沿海滩出 现的潮间带胶结作 用，通过潮汐泵作 用的脱气减少 CO2，可以形成 海滩岩。这种胶结 物随着矿物的变化 ，可以是微晶的、 叶片状或纤维状的 。2. 潮间和潮上环境在蒸发和盐度升高的地区，静

4、水泻湖之上的潮上带，可以胶 结成不同厚度的结壳(上图)。这些结壳显示出干燥和膨胀的形迹 。在膨胀而形成的挤压脊通常表现出蝶状下凹的多边形。干燥和超盐度地区的潮上和潮间结壳，通常生长文石灰华壳 。这种结壳常常由形成或/和聚集在飞溅带和高部位的潮间及潮 上环境的包壳颗粒和豆石组成。另外，在潮上带出现的胶结作用及其特征与海水涨潮有关 。如果盐度升高和钙镁比值增加，在干旱地区的潮上坪硬石膏 沉淀期间，沉积矿物将发生变化。3. 埋藏背景浅埋过程发 生在近地表湿度 和压力下的大气 水或海水中。在 同淡水接触期间 ，属海洋范畴的 原始碳酸盐的胶 结作用和溶解作 用继续进行；在 最早的埋藏压实 作用期间，与脱

5、 水作用一起产生 了颗粒的再定向 和碎解。4. 深埋藏背景Meyer(1980)证明，在某些碳酸盐 岩中，重要的压溶作用可能出现在上覆 盖层几十米之下，水化学发生变化的位 置可能和深度一样重要。Logan(1979) 及Wanless(1979,1982)证明，在极端的 情况下，一些石灰岩的溶解作用更普遍 ，而在某些情况下完全掩盖了许多沉积 上的关系。二. 胶结物的矿物与化学特征、组构特征1.大气水作用下的胶结物大气水的范畴包括暴露的地表上以及延伸到 地下浅处水，通常是稀释的和只有低离子强度的 。在局部地区，大气水的化学成分受沉积矿物成 分的影响很大，或者在水流过岩石时受到影响。 在矿物学上不

6、稳定的地区，文石和镁方解石的分 解作用可以强烈地改变水的Sr/Ca值和Mg/Ca值， 尤其在方解石或白云石的沉淀作用共同发生时更 是如此。白云石和低镁方解石（通常2%）一 般都是从大气水中沉淀出的碳酸盐矿物。 在大部分大气水的条件下，文石很快地溶 解，而镁方解石则快速转变成低镁方解石 。一般说来，从大气水中沉淀出的胶结 物显示出含量低的痕量元素成分所产生的 低离子强度的影响。大气水所形成的白云 石一般显示锶的平均浓度为210-4或更低， 大多数情况下含钠量有10-4量级。方解石通 常显示出锶浓度为410-4或更少的来源和溶 液的氧化还原状态。有些大气水形成白云 石是富含铁的，但如果距海水或粘土

7、来源 很远，通常含锰很少。富铁碳酸盐被假定是由还原溶 液形成的，因为在这样的条件 下，铁的离子半径允许它进入 到碳酸盐的晶格中。铁的作用 有如阴极发光的一种阻尼，而 锰似乎像辐射离子。铁-锰碳酸 盐的稳定范围是随pH值和Eh值 而变化的，也随伴生发磷光强 弱的总含硫量而变化。（如图 ）如果锰和铁存在于此系统中 ，阴极发光法对于迅速而又精 密的鉴定胶结物沉淀的环境特 征是一种有用的方法；如果有 足够的关于副矿物的资料和胶 结物中含镁、锶成分的资料， 阴极发光法也是很有用的。总之，从大气水中沉淀出的碳酸盐胶结物的氧、碳同位素 总是以富含轻同位素为特征。并且不论它是何种类型的矿物 ，从大气水中沉淀出

8、的胶结物通常都是清洁的、等粒的菱面 体，它们都倾向于形成粗的结晶质颗粒，常充填于整个孔隙 空间。由颗粒到孔隙的中心，晶体大小稍有变化。孔隙中常 充填着单一的晶体颗粒。2. 海洋环境中的胶结物海洋范畴的成岩作用系统以洋盆内所含的成分是恒定的 、巨大储量的水的均质性和稳定性为特征。海水有较高的离子 强度。热带表层水中通常饱含普通碳酸盐矿物相。文石和镁方 解石就是从海水中沉淀出的矿物相。大部分深水中所含的碳酸 盐矿物是不饱和的，在易于保存碳酸盐的深度以下，即低于溶 跃面处，碳酸盐矿物开始溶解。这种溶解作用是海洋范畴重点 一种原生成岩作用，概括地讲，它与深洋盆中碳酸盐沉积物的 分布相对应。3. 海洋过

9、渡带的胶结物潮间潮上带是在海洋和大陆条件之间的过渡带，对沉 积物和外界流体成分都具有强烈的影响。这一带每年都有一 段时期暴露为地表环境，因而在此系统的水文学特点及成岩 方式上，气候起着非常重要的 作用。在干旱气候条件下，高 速度的蒸发作用将导致生成下伏的潮上带内的高浓度卤水。 这些卤水中的氯含量高达1610-11（广海海水中的氯含量为 1910-12）。石膏系在氯含量为6510-12时沉淀。有很多证据表明撒 布哈的水文学特点主要是它下面的海水向陆地方向流动，以 代替地表因蒸发作用而失掉的水，但没有较重的卤水向海中 回流的证据（Butler,1969）这些卤水与碳酸盐沉积作用之间 的相互作用形成

10、相互关系的穿插镶嵌。根据Butler(1970)的研 究资料，横穿特鲁西尔海洋向海方到陆地的萨布哈，显示了 蒸发岩和碳酸盐岩间的相互关系。占优势的矿物为：在泻湖边缘的文石及白云石；向陆地边 缘的硬石膏；介于泻湖和陆地边缘的石膏。横越萨布哈德作用 是复杂的，并似乎被石膏的沉淀作用所触发。若石膏及其文石 是从卤水中沉淀出来的，则镁/钙值可能很快的上升到开始发生 白云石化作用的比值。现有的文石是被白云石所交代或者也被 石膏交代，可能经过溶解作用-再沉淀作用，石膏即转化为硬石 膏。如果从陆地一侧由大气来源的卤水进入此系统，则成岩作 用情况即变得极复杂，因为这时有两种成分混合的卤水。4. 地下成岩环境中

11、的胶结物埋藏成岩作用相当复杂，埋藏胶结物的识别，依赖于岩相 关系的确定，岩相关系表现的是在特定的埋藏历史中其它可识 别的事件或过程之后的沉淀作用。埋藏胶结物形成在早期胶结 和压实现象之后，也可能在缝合线和裂缝之后，虽然对胶结物 来说，这些关系没必要确定一个埋藏深度，但它们通常表明沉 淀作用又是在成岩开始之后，而有时在埋藏之前。对于埋藏胶结物的鉴定和研究，主要有以下研究方法 ：含铁胶结物埋藏后不久，常常在沉积物-水的界面之下几米或几十米内，由于微生物 的呼吸和有机质的氧化，海洋沉积物孔隙水中溶解的氧被消耗殆尽。继续氧 化合硫酸盐的还原作用，可能会导致孔隙水变成还原水，从而促成了在方解 石和/或白

12、云石中含二价铁的碳酸盐共同沉淀。马鞍状白云石，也称异形白云石，它是一种常含铁的埋藏碳酸盐胶结物 。它以变曲的晶面和波状消光以及发育富铁和贫铁带为特征。 阴极发光地下流体中变化着的氧化（氧化能力）和锰铁比率的改变，使得一些胶 结物，使得一些胶结物在使用阴极发光岩石学研究时展现出标记带。用这种 方法，可以划分出胶结物的时代，而且可以估算胶结物形成时的近似埋藏深 度。 流体包体分析碳酸盐胶结物的原生包体是确定胶结物形成时温度的一种可行的手 段。 稳定同位素稳定同位素对埋藏胶结物的 识别起到了关键性的作用。给出了水的氧同 位素，对解释方解石沉淀期间的温度特别有用。反之，用方解石的18O值和 流体包体沉

13、淀时的温度，也可以计算出沉淀水的18O。三胶结物的结构特征及类型识别碳酸盐岩的胶结类型及结构，主要是为了识别成岩环境以 及解释碳酸盐岩的形成历史。换言之，不同成岩环境有着不同的胶 结类型和胶结物特征。可以指示成岩环境的主要胶结物类型 ：新月型胶结组构重力胶结组构粒状等厚环边胶结栉壳等厚环边胶结共轴胶结组构其中，前两种胶结类型反映了渗流带孔隙水的活动特 征，由于孔隙水受毛细管作用深入颗粒间，在相邻颗粒之 间便沉淀了亮晶方解石，构成新月型胶结；如果孔隙水滴 悬于颗粒下侧，则形成重力胶结。不同的成岩范围具有不同的碳酸盐体范围，在化学上如图所 示存在三个范围：1Na和Mg二者含量均高，如在海相胶结物内

14、（海滩岩、潮下带胶结物、礁的胶结物等 ）；2Na含量高而Mg含量低，如地下带；3二者含量均低，如雨水带第二节 不同地球化学和地址条件对整个地 质时期胶结物的矿物、形态和分布的制约 一溶解期骨骼碳酸盐的相对反应和对成岩作用的意义 二碳酸盐有机质相互作用模式及其对碳酸钙沉淀的影响 三古代石灰岩中文石胶结物及其产状 四对放射铀状方解石胶结物的重新认识和重新鉴定 五海底胶结物似球粒结构成因的认识 六从生物礁岩石的分类论“泥晶” 七近地表背景下非海相碳酸盐胶结物的晶体形态和组成一溶解骨骼碳酸盐的相对反应和对成岩作 用的意义关于这方面的研究，以（ ）的研究成果最为典型。该学者的研究成果表明了有关控 制碳酸

15、盐早期成岩反应的、被普遍接受的某些假设可能过 分地简单化。（）所进行的试验分贝在海水和大 气水中进行，用方解石、文石和镁方解石组成的不同骨骼 颗粒的粉碎样品，其大小一般为，结果 表明，微结构的复杂性能控制碳酸盐颗粒的相对反应性， 而矿物稳定性的差异远不明显。微结构较复杂的文石颗粒 比在矿物学上稍不稳定的镁方解石颗粒溶解得更快，说明 了发应表面积的差异显然比热动力稳定性的差异起了更大 的作用。微结构控制骨骼碳酸盐溶解速度的程度，与溶液的饱和程 度有关。溶解期间微结构与矿物学的控制随溶液饱和程度而变 化的分区如图：二. 碳酸盐有机质相互作用模式及其对 碳酸钙沉淀的影响碳酸盐有机质的相互作用关系的重

16、要性，是在20世 纪60年代从三个途径加以识别的。通过软体动物贝壳中矿 物与有机质的关系的研究，认识到蛋白质类基质和骨骼颗粒 密切相关，显然有机体利用蛋白质粘膜形成矿物相的核，并 可能建立晶体矿物的外部结构排列；Kitano和Hood(1965) ，Kitano和Kanamori(1969)发现当一些有机化合物引起文 石沉淀的同时，一些纯有机化合物诱发方解石(或高镁方解石 )沉淀，他们还发现沉淀的速率受所存在的有机化合物性质的 影响；发现悬浮的碳酸盐矿物被有机粘膜所包裹，从而阻 止了颗粒与海水间的平衡，后来的研究证实碳酸盐岩从海水 中吸附有机质形成“外壳”，同时也证实了在淡水沉积中碳酸 盐颗粒明显地被有机质所包裹。有机质与骨骼和非骨骼碳酸钙普遍存在的密切关系，同时，有机质不但对碳 酸钙的组构和矿物学性质具强烈的影响，而且对碳酸盐的沉淀速率也有机质，包 括可溶解有机