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碳酸盐岩

对主要由碳酸盐类矿物组成的岩石的泛称。如常见的由方解石(碳酸钙的矿物)组成的石灰岩及其变质产物大理岩;主要由白云石(碳酸钙镁的矿物)组成的白云岩及白云大理岩;由方解石和少量黏土矿物组成的泥灰岩等。物性因矿物成分的变化而有一定差异。碳酸盐岩中有的可选作彩石、砚石、观赏石。碳酸盐岩与岩浆岩的接触带常形成有价值的珠宝玉石矿床。

碳酸盐岩所属现代词,主要有石灰岩和白云岩等两类。碳酸盐岩和碳酸盐沉积物从前寒武纪到现在均有产出,分布极广,约占沉积岩总量的1/5~1/4。

碳酸盐岩是由方解石、白云石等自生碳酸盐矿物组成的沉积岩。以方解石为主的岩石称为石灰岩,以白云石为主的岩石称为白云岩。碳酸盐岩主要在海洋中形成,少数在陆地环境中形成。古代广阔海洋中形成的碳酸盐岩,约占地表沉积岩分布面积的20%。我国碳酸盐岩主要分布于震旦纪、寒武纪、奥陶纪、泥盆纪、石炭纪、二叠纪、三叠纪及部分侏罗纪、白垩纪和第三纪的海相地层中,其中以西南地区最为发育。

碳酸盐岩是重要的储油岩。全世界50%的石油和天然气储存于碳酸盐岩中。碳酸盐岩还常与许多固体沉积矿藏共生,如铁矿、铝土矿、锰矿、石膏、岩盐、钾盐、磷矿等,而且是许多金属层控矿床的储矿层,如汞、锑、铅、锌、铜、银、镍、钴、铀、钒等。碳酸盐岩本身亦是一种很有价值的矿产,广泛用于建筑、化工、冶金等方面。

碳酸盐岩本身也可是有用矿产,如石灰岩、白云岩及菱铁矿、菱锰矿、菱镁矿等,广泛用于冶金、建筑、装饰、化工等工业。碳酸盐岩中储集有丰富的石油、天然气和地下水。世界上碳酸盐岩型油气田储量占总储量的50%,占总产量的60%。与碳酸盐岩共生的固体矿产有石膏、岩盐、钾盐及汞、锑、铜、铅、锌、银、镍、钴、铀、钒等。

碳酸盐岩的主要化学成分是CaO、MgO、CO2。碳酸盐岩中含有的某些微量元素的比值可作为分析沉积环境的重要参数。碳酸盐沉积物和碳酸盐岩中的氧和碳的稳定同位素对判别碳酸盐岩沉积介质的性质具有一定的意义。

碳酸盐岩几乎只由稳定的低镁方解石和白云石组成。现代碳酸盐沉积物中还常常包含有高镁方解石、文石、原白云石等。碳酸盐岩中常见的其他自生矿物有石膏、硬石膏、重晶石、天青石、岩盐、钾镁盐矿物等;常见的陆源碎屑矿物有石英、长石碎屑、黏土矿物和少量重矿物,这些陆源碎屑矿物均不溶于盐酸,通常称之为酸不溶物 [1]

主要由文石、方解石、白云石、菱镁矿、菱铁矿、菱锰矿组成。现代碳酸钙沉积主要由高镁方解石、文石及少量低镁方解石组成。低镁方解石最稳定,文石不稳定,高镁方解石最不稳定。后两者在沉积后易转变成低镁方解石。因此,古代岩石中的碳酸盐矿物多是低镁方解石。碳酸盐矿物的结晶习性和晶体特征与形成环境有关。

碳酸盐岩中混入的非碳酸盐成分有:石膏、重晶石、岩盐及钾镁盐矿物等,此外还有少量蛋白石、自生石英、海绿石、磷酸盐矿物和有机质。常见的陆源混入物有粘土、碎屑石英和长石及微量重矿物。陆源矿物含量超过50%时,则碳酸盐岩过渡为粘土或碎屑岩。

包括下列几种。

①粒屑结构,按粒径大小分为:砾屑(粒径>2毫米)、砂屑(粒径2~0.062毫米)、粉屑(粒径0.062~0.032毫米)、微屑(粒径0.032~0.004毫米)和泥屑(粒径<0.004毫米)。砾屑的排列方位、粒度组成和分选性是分析碳酸盐沉积物沉积环境的重要标志。由核心和包壳组成的粒径小于2毫米的球形或椭球形的颗粒为鲕粒。由富藻纹层组成的球形包粒为藻包粒。由微晶碳酸盐矿物组成的不具内部构造的、表面光滑的球形或卵形颗粒称球粒或团粒。外形不规则的复合颗粒集合体为团块及凝聚颗粒等。

②钙质生物化石显微结构,按方解石(文石)晶体的空间形态,分为由光性方位不一致、三向大致等轴的方解石(文石)几何体组成的粒状结构,广泛见于低等生物中;由平行或放射状排列,一向延长的细柱或针状方解石(文石)晶体组成的纤(柱)状结构,为腔肠动物、节肢动物、轮藻藏卵器的主要结构;由厚度小于1~2微米、近于平行的方解石(文石)薄片叠积而成的片状结构,常见于软体动物、腕足类、苔藓虫和蠕虫栖管中;全部或局部由一致消光的单一晶体或双晶组成的单晶结构,是棘皮动物的主要特征。钙质生物化石的显微结构有从粒状→纤(柱)状→片状→单晶结构的演化趋势。

③晶粒结构,根据粒度划分为砾晶、砂晶、粉晶和泥晶。晶粒也可根据其自形程度划分为自形晶、半自形晶和它形晶。

④生物骨架,指原地生长的群体生物,如珊瑚、苔藓虫、海绵、层孔虫等坚硬钙质骨骼所形成的格架。另外,一些藻类,如蓝藻和红藻,其粘液可以粘结其他碳酸盐组分,形成粘结骨架。

除上述结构外,碳酸盐岩还发育孔隙结构,包括①原生孔隙,形成于沉积同生阶段,如粒间孔隙、遮蔽孔隙、体腔孔隙、生物钻孔、窗格和层状空洞等;②次生孔隙,形成于成岩及后生作用的溶解改造,如粒内孔、铸模孔、晶间孔及其他溶蚀孔隙。

包括生物成因构造和特殊构造:1、生物成因构造。A叠层石:由蓝绿藻形成的叠层构造,表现为富藻纹层与富碳酸盐纹层交互叠置。不同类型的叠层构造可反映形成环境的水动力条件的强弱,层状叠层石代表水动力条件较弱,属于潮间带上部产物,而柱状叠层代表水动力条件较强,属于潮间带下部或者潮下带上部产物;B虫孔及虫迹构造:由生物活动形成的各种虫孔和虫迹构造,可指示生物特征及活动情况。2、特殊构造。A鸟眼构造:如毫米级大小的、常呈定向排列的、多为方解石或硬石膏充填的形似鸟眼的鸟眼构造,主要出现于潮上带;B示顶底构造:碳酸盐沉积物充填在碳酸盐岩孔隙中形成的示顶底构造,表现为孔隙下部首先充填暗色的泥晶或粉晶方解石,其后上部为浅色的亮晶方解石或盐类矿物充填,二者界面平直,并平行于水平面,此构造可判断岩层顶底。C缝合线构造:岩层断面上呈锯齿状曲线(缝合线),它在平面上是一个起伏不平的面。一般认为缝合线是在压溶作用下形成的。还有与碎屑岩相类似的构造(见沉积岩)。

①成分分类,采用白云石、方解石和非碳酸盐矿物的三端元图解,将碳酸盐岩分成8种类型(见图)。②结构成因分类,可将碳酸盐岩分成亮晶异常化学岩、泥晶异常化学岩、泥晶岩(正常化学岩)、原地礁灰岩、交代白云岩等类型。

碳酸盐岩是自然界中重碳酸钙溶液发生过饱和,从水体中沉淀形成。现代和古代碳酸盐沉积主要分布于低纬度带无河流注入的清澈而温暖的浅海陆棚环境以及滨岸地区。这是因为碳酸盐过饱和沉淀需要排出CO2,海水温度升高和海水深度变小都有利于水中CO2分压降低,促进重碳酸钙过饱和沉淀。另外,温暖浅海环境,生物发育,藻类光合作用均需要吸收CO2,也促进CaCO3的饱和和沉淀。底栖和浮游生物还通过生物化学和生物物理作用直接建造钙质骨骼,形成生物碳酸盐岩。机械作用在碳酸盐岩形成中占有重要位置。在浅海带中一经沉淀的碳酸盐沉积物就受到水动力带能量的改造、簸选和沉积分异,形成以机械作用为主的各种滩、坝颗粒碳酸盐沉积体。同时,波浪、潮汐流、风暴流搅动海盆地,促使海水中CO2迅速释放,由新鲜的水流带来充分的养料,加速生物繁殖,因而使碳酸盐沉积。

在有陆源输入的浅海盆地,碳酸盐沉积受到排斥和干扰,形成不纯的泥质和砂质碳酸盐岩。在有障壁的泻湖和海湾,常常因海水中Mg2+浓度增加,形成高镁碳酸盐岩和白云岩。在大陆淡水环境,碳酸盐过饱和时常常形成各种结壳状碳酸盐岩──钙结岩。

从结构的角度看,碳酸盐岩主要是由颗粒、泥、胶结物、生物骨架和晶粒五种结构组分组成。此外,还有一些次要的结构组分,如陆源碎屑物质、其他化学沉淀物质、有机质等;还有一些派生的结构组分,如孔隙等。这些次要的和派生的结构组分,虽然对油气的运移和储集甚为重要,对岩石的成冈和环境分析有重要意义,但数量一般很少。冈此,上述5种结构组分,还是组成碳酸盐岩的基本结构组分,是碳酸盐岩的重要鉴定标志及分类命名的依据。

颗粒是流水成因碳酸盐岩最常见最重要的结构组分之一,按成因可分为盆内颗粒和盆外颗粒。盆外颗粒指陆源碎屑颗粒,一般数量少,但是当颗粒碳酸盐岩向陆源碎屑岩过渡时,陆源碎屑的含量可能较多,陆源碎屑颗粒的特征在第七章碎屑岩部分已作讨论。盆内颗粒(简称内颗粒)指在沉积盆地或沉积环境内形成的碳酸盐颗粒。这种颗粒可以是化学沉积作用形成的,也可以是机械破碎作用形成的,还可以是生物作用形成的,或者是这些作用的综合产物。在碳酸盐岩中,凡提到颗粒,只要不特别注明是陆源的,均指内颗粒。内颗粒不仅仅见于碳酸盐岩中,在其他化学沉积的硅质岩、铝质岩的铁质岩石中也有发育。内颗粒的类型多种多样,在岩石薄片中常见者有以下类型:

内碎屑主要是在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、潮汐水流、风暴流、重力流等的作用,破碎、搬运、磨蚀、再沉积而形成的碎屑。

内碎屑的内部结构与原有的先期沉积物类型有关。先期的颗粒灰岩形成的内碎屑,可含有化石、鲕粒、球粒以及先期形成的内碎屑等,其磨蚀的边缘常切割它所包含的化石、鲕粒等颗粒。先期的泥晶灰岩形成的内碎屑,可有纹层、极少细小生物化石,或仅具泥晶结构,其磨蚀边界可切割纹层。依此可与其他颗粒相区别。

根据内碎屑粒径的大小,可把内碎屑划分为砾屑、砂屑、粉屑和泥,砾屑、砂屑和粉屑还可进一步细分。划分标准因行业与作者的不同多有差异。一般认为,内碎屑的粒径直接与水动力条件有关,砾石级内碎屑主要形成于潮汐通道、风暴浪等强水动力环境之中,分布较为局限,中国北方寒武系及奥陶系中分布的“竹叶状砾屑”就是最好的实例。砂级的和粉砂级的内碎屑,可在较强及中等强度的水动力环境中形成,分布较为广泛,在各种颗粒碳酸盐岩中是常见颗粒类型之一。

鲕粒是具有核心和包壳结构的球状一椭球形颗粒,可以简称为“鲕”。鲕粒是碳酸盐中最特征最易于识别的的颗粒之一。鲕粒还常出现在铝质岩、硅质岩和铁质岩等化学沉积岩石类型中。鲕粒的粒径大小,一般在0.25mm至2mm,尤其以0.5mm至1mm居多,大于2mm和小于0.25mm的鲕粒较少见。鲕粒形态多呈圆球形、椭球形,在尚未固结时受应力作用可呈塑变形态。鲕粒的核心可以是内碎屑、化石(完整的或破碎的)、球粒、陆源碎屑颗粒,还可以是先期的鲕粒等;包壳常为同心层状的泥晶方解石(现代海洋环境中的鲕粒主要由文石组成),还可以是泥晶门云石。有的鲕粒包壳具有放射状结构,此放射结构可以穿过整个同心层,也可只限于几个同心层中。

藻粒即与藻类有成因联系的颗粒,包括藻鲕、藻灰结核、藻团块。藻鲕是在蓝藻参与下形成的鲕粒,其同心层是藻丝体粘附灰泥形成的。这种鲕的直径一般为1~2mm,其核心常有所偏离。藻鲕与正常鲕粒的区别在于,藻鲕的同心层多呈波状或梅花状,厚度变化大,而鲕粒的同心层厚度均匀且平滑。藻灰结核(或称核形石),与藻鲕类似也是蓝绿藻黏液捕捉碳酸盐沉积物而形成的具有核心和同心层结构的颗粒,同心层的厚度变化较大、形态明显不规则。核形石在生长过程中受水动力作用常间歇性滚动,处于静止状态时与海底接触部分的同心层基本停止生长,与水体接触部分则继续生长,从而形成不规则的同心增长层。与藻鲕的区别是,核形石直径较大(10~20mm或更大),同心层粘结物较多、纹层较模糊、厚度和形态变化更明显。藻团块也是藻类粘结增长而成的颗粒,但它不具同心层结构。藻团块的形态大小与内碎屑有些类似,但藻团块是凝聚成因、常有藻的痕迹而无磨蚀的标志。

球粒是较细粒的(粗粉砂级或砂级)、石灰泥组成的、不具有特殊内部结构的、球形或卵形的、分选较好的颗粒。球粒的成因有两种。一种是机械成因,即是一些分选和磨圆都较好的粉砂级或砂级的内碎屑。另一种是生物成因,即是由一些生物排泄的粒状粪便形成的,这种成因的球粒亦称为粪球粒。在古代和现代沉积物中绝大部分球粒都是粪球粒。

粪球粒呈卵形或椭球形,大小形均一,有机质含量一般较高,在薄片中呈灰黑至暗黑色,这是鉴别粪球粒的重要特征。由于粪球粒刚形成时是松软的,极容易破碎或变形,因此只有在石化较快且能量低的环境(如潮坪)中才能保存下来,在能量较高的环境中少见。对球粒的观测与描述,须包含颜色、形态、粒径、均一程度、含量等内容,还须注意区分普通球粒与粪球粒,区分球粒与砂屑。

生物颗粒是生物的骨骼及其碎屑,也可称为“生屑”、“生物”、“骨屑”、“化石”等,其类型包括腕足类、棘皮类、腹足类、头足类、瓣鳃类、三叶虫、介形虫、有孔虫、层孔虫、海绵、珊瑚、绿藻等多门类多种属的生物化石。生物颗粒的鉴别标志及常见生物颗粒的鉴别特征。生物颗粒是碳酸盐岩最复杂最重要的结构组分之一,分布极为广泛,在硅质岩、泥质岩、砂岩等岩石类型中也有分布,具有重要的指相意义。对生物的观测描述,必须确定生物的门类与种属,还应确定生物的矿物组成、内部微细结构、完好与破碎程度,区分原地沉积的、还是异地搬运的,并测定各种生物的含量 [2]

2014年5月11日,塔里木油田近年来依靠科技创新和尖端配套技术应用,攻克油气高效开发的世界级难题,截至目前碳酸盐岩原油产量累计突破1000万吨,探明地质储量逾3亿吨。 [3]

据中石油塔里木油田公司介绍,连日来,油田碳酸盐岩原油日产量保持在5600吨以上水平,先后投产的551口生产井累计产量1010.29万吨,突破千万吨大关。碳酸盐岩原油探明储量达到3.57亿吨,这标志着中国最大的含油气盆地塔里木盆地碳酸盐岩油气藏开发进入新时期。 [3]

碳酸盐岩是指碳酸盐矿物组成的岩石的总称,具有多重孔隙特征。虽然这些埋藏在地下5000米的岩隙中蕴藏着丰富的原油资源,但其难度很大。塔里木盆地中碳酸盐岩油气藏约占盆地油气资源总量的三分之一。

自2005年以来,塔里木油田碳酸盐岩原油年产量从24万吨增至目前的190万吨左右,年均增长率超过12%,塔里木油田油气三级地质储量连续9年保持高位增长。 [3]


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