碳酸盐岩

碳酸盐岩主要由沉积的碳酸盐矿物(方解石、白云石)组成，主要的岩石类型为石灰岩(方解石含量大于50%)和白云岩(白云石含量大于50%)。碳酸盐岩往往与陆源碎屑岩呈过渡关系，共同组成混积岩。

碳酸盐岩约占沉积岩总量的20%，在地壳中的分布仅次于泥岩和砂岩。

碳酸盐岩本身就是有用矿产，如石灰岩、白云岩、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。

绝大部分碳酸盐岩都形成于海洋沉积环境，尤其浅海环境。古生代和前寒武纪的深海沉积物中，碳酸盐沉积贫乏;白垩纪以后深海碳酸盐沉积分布普遍;现代深海沉积物中碳酸盐沉积物约占32.2%(平均含量)，主要为抱球虫和翼足类软泥以及珊瑚泥。在浅海环境形成的碳酸盐岩中，前寒武纪的碳酸盐岩显然是由藻类的生物化学作用或从海水中直接沉淀形成的，而寒武纪以后，介壳生物逐渐繁盛，生物成因的碳酸盐岩逐渐超过了化学或生物化学成因的碳酸盐岩，并且受机械作用或重力作用形成的碳酸盐岩也占有相当大的比例。

一、碳酸盐岩的一般特征

1.化学成分与矿物成分

碳酸盐岩的主要化学成分为CaO、MgO、CO₂、SiO₂、TiO₂、Al₂O₃、FeO、Fe₂O₃、K₂O、Na₂O、H₂O。在石灰岩中，CaO占42.6%，MgO占7.9%，CO₂占41.58%，SiO₂占5.19%，其他氧化物占2.72%。在白云岩中，CaO占30.4%，MgO占21.8%，CO₂占47.8%。

碳酸盐岩主要由文石、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黏土、碎屑石英和长石及微量的重矿物。陆源矿物含量超过50%时，则碳酸盐岩过渡为黏土或碎屑岩。

2.结构

碳酸盐岩结构包括粒屑结构，化学结构、生物结构和次生结构。

3.构造

碳酸盐岩以发育叠层构造、鸟眼构造、示顶底构造、虫孔和虫迹构造以及缝合线构造为特征。在陆源碎屑岩中常见的构造，在碳酸盐岩中也可出现。

示顶底构造是碳酸盐沉积物充填在碳酸盐岩孔隙中形成的，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，根据该构造可判断岩层的顶底面。

二、碳酸盐岩的分类

碳酸盐岩的分类一般按照矿物成分和结构－成因分类进行。

1.矿物成分分类

碳酸盐岩的基本矿物组成为方解石、白云石，是成分分类的主要依据。首先按照方解石及白云石的含量划分岩石类型(表14－1)，其次按方解石或白云石与黏土的含量进行划分(表14－2)，也可以按照方解石(包括文石)、白云石、黏土(或砂)(表14－3)的含量进行划分。

表14－1 根据方解石和白云石相对含量划分的岩石类型

表14－2 根据方解石(或白云石)与黏土相对含量划分的岩石类型

表14－3 根据方解石、白云石、黏土(或砂)相对含量划分的岩石类型

续表

2.石灰岩的结构－成因分类

按照结构－成因，石灰岩可划分为微晶或泥晶石灰岩、颗粒石灰岩或粒屑石灰岩、原地固着生物石灰岩、重结晶石灰岩四类(表14－4)。

表14－4 石灰岩的结构－成因分类

◎微晶或泥晶石灰岩:亦称为正常化学岩(图14－1)，为化学－生物化学成因，形成于低能环境，具微晶或泥晶结构。

◎颗粒石灰岩或粒屑石灰岩:亦称为异常化学岩(图14－1)、异地石灰岩(表14－5)，是经过波浪及流水作用(包括岸流、底流及潮汐流)或重力作用形成的岩石类型，具有典型的粒屑结构特征。

◎原地固着生物石灰岩:是以生物作用为主形成的石灰岩，具有典型的生物骨架结构(表14－5)。

◎重结晶石灰岩:为前三类岩石经过强烈重结晶作用而形成，具有各种化学结构及残余结构。

图14－1 石灰岩分类(福克，1959)

表14－5 Dunham的石灰岩分类

虽然颗粒石灰岩的进一步划分方案目前尚未取得共识，但是其划分原则或标准无外乎如下几种情况:

(1)考虑亮晶/灰泥比，利用该比值反映沉积环境水的能量。填隙物中亮晶＞灰泥(2∶1)属于亮晶岩类，亮晶＜灰泥(1∶2)属泥屑(泥晶)灰岩类，然后按颗粒类型进一步细分。以福克(1959)的分类为代表。

(2)考虑颗粒/灰泥比，利用该比值反映石灰岩的支撑和填集程度。大部分分类方案都以颗粒/灰泥比作为分类的定量依据和环境的能量指标，以福克(1959)和顿哈姆(1962)的分类为代表。

(3)考虑颗粒类型，几乎所有的分类方案都将颗粒类型作为细分的重要标志，同时以颗粒类型反映沉积环境。

本教材采用曾允孚等(1980)(表14－4)的分类方案。国内其他有影响的分类方案包括冯增昭(1992)、赵澄林等(2001)、路凤香等(2002)等提出的方案。

3.白云岩的成因分类

白云岩的分类主要根据其成因。维什尼亚科夫(1951，1956)按成因将白云岩分为:原生白云岩、成岩白云岩、后生白云岩三类;鲁欣(1935)将白云岩分为:原生沉积白云岩、同生白云岩、成岩白云岩及后生白云岩四类;福克(1962)在其碳酸盐岩分类中，将白云岩分为原生白云岩和交代白云岩两类;弗里德曼等(1967)根据白云岩的产状和成因，将白云岩分为同生白云岩，碎屑白云岩、成岩白云岩和后生白云岩。

由于目前能肯定的原生沉积的白云岩尚少，绝大多数白云岩系交代而成，但交代的时间、地点和形成机理都有一定的差别，因此，白云岩的分类目前尚难统一，本教材采用曾允孚(1980)的分类方案(表14－6)。

表14－6 白云岩分类

三、常见岩石类型

(一)石灰岩

1.颗粒石灰岩类

◎内碎屑灰岩:由内碎屑和填隙物组成(图14－2);内碎屑大者达砾屑级，小者为粉屑级。填隙物可以是灰泥基质，也可以是亮晶胶结物或者两者均有。

内碎屑的圆度因搬运磨蚀程度而有所差别。潮上带和礁前的内碎屑多呈棱角状。磨圆好、分选较好和亮晶方解石胶结的内碎屑灰岩，一般形成于高能浅滩环境，常伴生波痕和交错层理以及冲刷充填构造等。内碎屑含量小并含有大量的灰泥基质的泥晶砾(砂)屑灰岩和粉屑灰岩，形成于较高能量环境而沉积于低能环境。

内碎屑灰岩可根据其中的优势粒屑的粒级进一步划分为砾屑灰岩(图14－3)、砂屑灰岩、粉屑灰岩。

图14－2 亮晶内碎屑灰岩(何起祥，1978)

图14－3 泥晶内碎屑灰岩素描图(何起祥，1978)

内碎屑灰岩在各个地质时代的碳酸盐岩地层中均有出现，如广泛发育于华北地区下古生界地层中的“竹叶状灰岩”，即是砾屑灰岩的典型代表。

◎生物碎屑灰岩:由生物碎屑和填隙物组成，生物碎屑为主要颗粒类型，可混有数量不等的其他类型的颗粒。填隙物一般为亮晶方解石。生物碎屑灰岩一般形成于水体动荡的高能浅滩(生物滩)环境。◎鲕粒灰岩:由鲕粒和填隙物构成。填隙物可以是灰泥基质或亮晶胶结物;按鲕粒类型不同可进一步命名为正常鲕(同心鲕)灰岩、放射鲕灰岩、变晶鲕灰岩等。鲕粒分选较好，鲕粒灰岩中可发育交错层理和波痕构造等。一般形成于温暖的、中等能量的浅海环境，如台地边缘浅滩(鲕滩)、潮汐砂坝或潮汐三角洲等环境。

◎团粒灰岩:团粒多为细砂屑到粉砂屑级，呈球形或椭球形，有机质含量高。填隙物多为灰泥，少量为亮晶方解石。一般沉积于低到中等能量的环境，如开阔的潮坪及相邻的潟湖等。

现代团粒沉积见于巴哈马滩等地。团粒灰岩在我国南方泥盆系和三叠系等地层中广泛发育。

2.泥晶(微晶)灰岩

该类岩石包括由内碎屑中的泥屑形成的泥屑灰岩和化学作用沉淀的微晶灰岩。由于二者不易区分，因而统称为泥晶(微晶)灰岩。

泥晶(微晶)灰岩中的颗粒含量较低，一般小于10%，还含有少量陆源碎屑。泥晶(微晶)灰岩外观致密、均一。水平层理或微波状层理发育。

化学沉淀的微晶灰岩一般为微晶结构，呈稳定的层状分布，具有均匀块状或水平层理。具水平纹理的化学成因的微晶灰岩与发育水平层理的机械或生物成因的泥屑(晶)灰岩难以区分。

泥晶(微晶)灰岩也包括地表形成的如石灰华和钙泉华等。

如果泥晶灰岩中的黏土含量较高，则为泥灰岩。

泥晶灰岩在时间和空间上分布广泛。

◎白垩:是一种特殊的含生物泥晶灰岩，色白而纯净，几乎全由方解石组成(CaCO₃＞90%)，杂质以蒙脱石和伊利石为主。白垩为深海－半深海沉积物，由微米级微体生物化石堆积而成，常见有孔虫、颗石藻和少量海绵骨针、放射虫等。

白垩主要分布在西欧和北美部分上白垩统地层中，在我国也有零星分布。

3.原地固着生物灰岩类

◎生物礁灰岩:是一种造礁骨架的碳酸盐生物构筑体，骨架将岩石黏在一起，形成固定在海底上的坚硬的具有抗浪性的碳酸盐礁，在地貌上高于同期沉积物的块状岩隆。主要造礁生物有珊瑚、石枝藻、层孔虫、窗格状苔藓虫等。生物礁灰岩可按造礁生物的种类来命名，如藻礁灰岩、珊瑚礁灰岩等。

造礁生物的种类在不同的地质历史时期有所不同，每一时期都有其特有的组合:寒武纪以古杯和钙藻为主;中－晚奥陶世以苔藓虫、层孔虫、板状珊瑚为主;志留纪和泥盆纪以层孔虫、板状珊瑚为主;晚三叠世和晚侏罗世以珊瑚、层孔虫为主;晚白垩世以厚壳蛤类为主，新生代以六射珊瑚为主。

生物礁灰岩其隆起状礁的规模、大小、形态各异，如点礁、丘礁、环礁、层状礁等，生物礁的类型决定于海水的深度、温度、地形、盆地的升降速度以及海进海退变化。

◎生物丘灰岩:是通过原地带根基生物的阻挡作用将灰泥沉积物截获堆积而成。生物丘灰岩主要是灰泥丘(生物丘)，常形成规模较大的层状晶洞构造和一些有根茎的生物化石(钙藻、海百合、层孔虫、苔藓虫等)。生物丘灰岩的基本组成是灰泥(泥晶方解石)。

生物丘灰岩在古代和现代斜坡均有发现，如形成于华北地区古生界地层中大量生物灰泥丘，其环境为台地边缘缓斜坡环境。

◎生物层灰岩:亦称为藻灰岩或叠层石灰岩，主要由分泌黏液的藻类(蓝、绿藻)，通过藻细胞和丝状体分泌黏液黏结碳酸盐沉积物的微层相互叠置构成。一般形成于潮间带和潮上带。

(二)白云岩

1.准同生(或同生)白云岩

◎与蒸发岩共生的准同生白云岩:白云岩与海相的蒸发岩(如石膏、硬石膏、岩盐)互层，具微－细晶等粒结构，结构均一，缺少碳酸钙沉积被交代的特征，很少与正常石灰岩共生。白云岩位于海退序列的上部，夹于石灰岩与蒸发岩之间，常具纹层、鸟眼、干裂、膏盐晶洞等蒸发潮坪环境的特殊构造类型，如我国华北地区奥陶系含盐段白云岩等。

◎与石灰岩共生的早期成岩白云岩:常与石灰岩共生，白云岩可以呈夹层赋存于以石灰岩为主的地层中，在剖面上具一定的序列，由下而上依次为正常生物碎屑石灰岩－豹斑白云岩或疙瘩状白云岩(灰质白云岩)或鲕粒白云岩－纹层状微晶白云岩。

◎与红层共生的同生白云岩:仅与陆源沉积物共生互层，典型实例是与红层共生的同生白云岩，如我国华北地区蓟县杨庄组地层中的白云岩。

◎与石英砂岩共生的同生白云岩:在潮坪上由于蒸发作用，水的含盐度升高，Mg/Ca比值增高，从而沉淀出白云岩，并与白云质胶结石英砂岩共生。

◎生物作用生成的原生(同生)白云岩:在闭塞的环境中，如潟湖和潮坪，藻类的光合作用和黏结作用也可以提高海水的pH，促进白云石的生成，如巴哈马潮坪形成与藻类有成因关系的各个叠层原生白云岩。

2.内碎屑白云岩

内碎屑白云岩有两种基本类型，即准同生和再沉积内碎屑白云岩。

◎准同生内碎屑白云岩:在浅水盆地内的同生、准同生白云岩经潮汐、风暴等水动力的冲刷、改造和搬运沉积形成的白云岩。岩石的粒屑由原始组分为白云石的内碎屑、鲕粒、团粒及藻叠层石碎屑等组成。代表了不同水动力条件下沉积环境。

◎再沉积内碎屑白云岩:是由于重力作用搬运再沉积形成的，即已形成的白云岩或白云石碎屑，因重力流作用沿盆地斜坡向下移动，在较远的深水环境再沉积形成的白云岩。其特点是具有陆源和浅海白云岩岩屑和磨蚀的白云石晶体，甚至和大量的石灰岩碎屑混杂堆积。

3.成岩白云岩

沉积物在固结过程中碳酸钙被交代而形成的白云岩。白云石多为粒状不规则菱形晶体。岩石具交代残余结构，同心环带构造发育，白云石在显微镜下表面浑浊，不干净。根据成岩白云岩的地质产状，可分为两种类型:

◎层内白云岩(S－白云岩):是碳酸盐沉积层内形成的具交代残余结构的白云岩。

◎沿地层不连续面形成的白云岩(W－白云岩):既可以沿地层不连续面向下延伸形成可以穿越许多岩层的不规则白云岩帽，又可以呈底面不规则，而其顶面与潮上坪台面一致的白云岩。其明显特征是具交代残余结构。

4.后生白云岩

常受构造控制，其分布和地层中断裂和裂隙密切相关。岩石具明显的不均匀交代结构，白云石颗粒大小不等，一般较大，自形晶发育，具环带构造。岩石孔隙较大，且多孔;层理不明显，可见交代残余结构。与围岩呈突变接触，接触面呈弯曲状。