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1、第七节 碳酸盐岩的成岩作用 压实作用 胶结作用 重结晶作用 交代作用 溶解作用,一、常見的成岩作用类型和特征 （一）、压实作用 1、压实组构 碳酸盐沉积物的机械压实作用是伴随着大量的破裂和塑性流动进行的（恩格尔哈特，1977）。 （1）机械压实组构 碳酸盐沉积物的机械压实组构包括塑性变形和破裂两种类型（表13-1）。 （2）化学压实组构 亦称为溶解压实组构，是化学压实作用的产物。 缝合线是溶解压实组构的唯一表现形式。,碳酸盐沉积物的压实组构, 塑性变形组构 a、 颗粒的凹凸接触：1个颗粒变形后形成凹入坑，相邻颗粒的一部分嵌入其中。 b、 颗粒的线状接触：颗粒变形后以长轴紧密接触。 c、 单个颗
2、粒变形：如变形鲕粒，变形砂屑等。, 脆性破裂组构 a、 放射状破裂：以由颗粒中心向四周辐射的微小破裂为特征。 b、 断裂：颗粒破裂成几部分，但仍互相接近。 c、 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。 d、 剥离：颗粒表面发生片状剥离，偶见于变形鲕状石灰岩中。,(二)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。,1、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。
3、（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。,2、碳酸钙胶结物的沉淀作用 碳酸钙胶结物的沉淀作用主要受溶解离子、结晶速度和底质的矿物成分与晶体结构的控制和影响，其主要特征如下:,（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。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。,镁离子的侧向“毒害”效应有关（Folk,1974） 方解石晶体是由CO32-离子和Ca2离子层交
4、替组成，结晶C轴与离子交替层垂直。 （1）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。 。,（2）假如镁离子正好进入Ca2层的裸露的边缘位置，由于镁离子具有较小的离子半径，当晶体继续生长时，其上覆和下伏的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，离子半径比较大的Ca2离子再也不能进入这一Ca2层。 由于这一原因，晶体的侧向生长受到了限制，但这时沿
5、C轴方向的生长并未受到镁离子的毒害，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,镁方解石成为平行于C轴的纤维状或陡斜面体示意图,（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。,Mg/Ca比值影响方解石晶体习性,（3）底质矿物成分与晶体结构 胶结物依附于颗粒表面结晶生长，因而胶结物的结晶习性常受底质物质（简称底质）的矿物成分和晶体结构的控制和影响。 a、底质与胶结物成分相
6、同时的胶结特征 当底质为干净的微粒多晶矿物时 ：胶结物与底质共轴生长、微粒镶嵌结构，演化为从底质表面向孔隙中心呈现晶体数量减少和个体增大的特征。 当底质为大的单晶时 ：胶结物与单晶底质呈明显的共轴生长，形成“次生加大边” 。,B、底质与胶结物成分不同时的胶结特征 当方解石胶结物在文石或石英颗粒表面生长时，胶结物的结晶形态仍为微粒结构， C、同质多象矿物文石和方解石底质上的胶结作用 在文石和方解石两种底质共存的情况下，文石胶结物喜欢在文石底质上生长，方解石胶结物易在方解石底质上生长。,3、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
7、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。,亮晶鲕粒灰岩，具两世代胶结作用，一世代为纤状等厚环边胶结物， 二世代为粒状胶结物，飞仙关组，单偏光，1010,4、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
8、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。,(三)溶解作用 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。 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。 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）。,由溶解作用形成的次生孔隙的类型： （1）晶间孔隙：主要见于次生白云岩中，由交代作用形成。由于菱形的白云石晶体的随机生长伴随着粒间未被交
9、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。,具残余鲕粒结构白云岩，粒间溶孔发育， 埋藏溶解作用，飞仙关组，单偏光，410,(四)重结晶作用和矿物多相转化作用 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”，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”。,（1）微亮晶
10、由大于3，常为510的方解石晶粒组成，Folk（1974）将其称为“微亮晶”。成岩过程中通过与镁离子的迁移有关的重结晶作用形成的。 海相碳酸盐泥是由文石和方解石組成。 在埋藏成岩条件发生渐进成岩作用时，向低镁方解石转化并伴随镁离子的溶出。 已溶出的镁离子保留在晶体间隙中，围绕细小的方解石周围形成“镁膜”，妨碍晶体的进一步重结晶，使方解石的晶粒只有23大小。 当镁离子为低镁微咸水的淋滤作用，或为淡水下渗时的淋滤作用，或被碳酸盐层中的粘土矿物吸收，或为雨水的冲洗作用所迁移走时，方解石晶体就从“镁膜”的束缚中解放出来，重结晶作用就会使晶体增长至510大小的微晶。,意讲解“微亮晶”和“微泥晶”,（2）
11、微泥晶 在古代石灰岩中常常可以发现一些有孔虫、珊瑚、藻类和粪球粒等，都是由粒径仅为1左右的泥晶方解石组成。其特征在透射光下不透明，在反射光下略带白色，Folk（1974）将其称为“微泥晶”。 微泥晶的原始成分可能也是镁方解石，在成岩作用过程中，由于富镁孔隙水产生的毒害效应，阻碍了晶体的重结晶长大，最终只能形成及小的微晶结构。,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
12、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。,(六)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：白云岩化 去白云岩化 硅化 硫酸盐化 菱铁矿化和黄铁矿化等,1.白云岩化作用： 白云岩的成因： 原生白云岩， 次生白云岩。 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。 他们认为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，这样富Mg2的残留卤水就比泻湖之
13、下沉积物中充填的正常海水要重，因而向下渗流，富Mg2的大量水体就流经了先期沉淀的碳酸盐沉积物，引起白云岩化作用。,白云岩化的渗滤回流作用机制,（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。,（3）混合白云岩化作用 Hanshaw等（1971）和Land（1973）提出了一个新的白云岩化机制，即大气水（淡水）与海水混合的白云岩化机
14、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。,地下水与海水混合液对方解石和白云石饱和程度的影响,混合白云岩化模式（Badiozmani，1973),（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。这些同生水大概已受到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,（5）蒸发泵吸作用 在炎热的气候条件下，由
15、于强烈的蒸发作用，潮上带向泵一样驱使海水通过沉积物的孔隙，向陆地运行，结构在朝上带形成白云岩的薄壳。,白云岩化的蒸发泵吸作用,控制白云石结晶的主要因素Mg/Ca、盐度和结晶速度,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,去白云岩化作用发生的条件： 1、是在近地表条件下发生的。 2、在富含硫酸盐的地下水作用下完成的； 其反应式如下： CaMg(CO3)2CaSO42H2O2CaCO3+MgSO4+2H2O 3、发生在不含
16、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。,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。,膏质白云岩，石膏发育，硬石膏作用，飞仙关组，单偏光，410,4.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。在地下还原硫细菌与硫酸盐产生下列反应： 6CaSO4+4H2O+6CO26CaCO3+4H2S+11O2+2S 此外，在地表去白云石化时，也可伴有去石膏化作用。,5.硅化作用 当pH相对较低，且孔
17、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）。,二、成岩环境及其特征 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）,1、海洋潜水带 海洋潜水
18、带指温暖浅海（水深100m），其中的沉积物或岩石中的多有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。,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，而对白云是过饱和的溶液。在水循环良好的混合带环境中可以发生白云岩化（Badiozamani,1973）。,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溶液碳酸盐的大气水充满。潜水面的顶部以
19、水平面为界。 （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。水循环非常缓慢，几乎无胶结作用发生。,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。,（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。,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,