碳酸盐沉积物的沉积后作用课件

第十四章碳酸盐沉积物的沉积后作用,定义：碳酸盐沉积物的沉积后作用或广义的碳酸盐岩的成岩作用，是在沉积作用阶段之后，碳酸盐沉积物及碳酸盐岩所发生的一系列的物理的、化学的、物理化学的和生物的作用，以及这些作用所引起的碳酸盐沉积物和碳酸盐岩的结构、构造、成分以及物理和化学性质的变化。与碎屑岩相比，碳酸盐沉积物的成岩作用有以下特点：（1）碳酸盐沉积物的成岩过程快，有的甚至在地表就已固结成岩；（2）由于其成岩快，故在埋藏成岩过程中受到的压实作用不如碎屑岩明显；（3）埋藏过程中后期改造强烈，容易发生破裂作用和溶解作用；（4）受环境控制明显，不同沉积环境形成的碳酸盐沉积物的成岩作用有很大差异。第一节碳酸盐沉积物沉积后作用的主要类型第二节碳酸盐沉积物沉积后作用的环境及特征第三节成岩序列和成岩阶段,第一节碳酸盐沉积物沉积后作用的主要类型,碳酸盐沉积物沉积后作用中的狭义成岩作用类型很多，主要有：一、溶解作用二、碳酸钙矿物的转化作用三、重结晶作用四、胶结作用五、交代作用六、压实作用和压溶作用,一、溶解作用,碳酸盐沉积物（岩）最大的特征是具易变性和易溶性。溶解作用是由于碳酸盐沉积物或碳酸盐岩中孔隙水的性质发生了变化，从而引起碳酸盐矿物或其他成分发生溶解作用。可形成溶孔、溶缝、溶沟、溶洞等。发生溶解作用的条件：（1）CaCO3不饱和，并为弱酸性；（2）孔隙水具有流动性。在碳酸盐岩的各个成岩阶段都可以发生溶解作用，这些溶解作用可以分为选择性溶解和非选择性溶解两种。,（1）同生期和成岩早期的溶解作用常具选择性的特点。大气淡水这是由于海洋沉积物内的不稳定组分，如文石和高镁方解石的生物骨骼以及文石质的鲕粒和晶体比方解石易受溶解而造成的。这类颗粒溶解后常常形成特征的溶模孔隙。古代碳酸盐岩中能完好地保存溶模孔隙，可能是由于颗粒选择性溶解而基质未受溶解所致，也可能是由于颗粒最外层的泥晶皮或泥晶套的保护作用的结果（图141）。,（2）成岩作用晚期阶段，由于不稳定组分已经转变为低镁方解石，其溶解作用多不具选择性，称为非选择性溶解。粒间水（弱酸性）这是水溶液沿节理、裂缝和原生孔隙流动并将它们扩大的一种溶解作用，常形成溶孔、溶缝、溶沟和溶洞（图142）。,溶解作用是扩大和增加岩石孔隙的作用，形成的新孔隙系统往往又是油气渗滤和储集的有效空间。溶解作用可以在碳酸盐岩成岩过程中多次发生，各个世代的溶解作用对成藏的影响不尽相同。因此，研究和区别不同时代的溶解作用及其孔隙特征是有很大实际意义的。,二、碳酸钙矿物的转化作用,碳酸钙矿物的转化作用或方解石化作用包括两种情况：一种是矿物的同质多象转化，这种转化仅发生晶格和晶形的变化，并不发生化学成分的变化，如文石转变为低镁方解石即属于这种类型；另一种变化有离子的带出，即有化学成分的变化，但不发生晶格和晶形的变化。如高镁方解石转化为低镁方解石时有镁离子的带出，但无晶格和晶形的变化。现代浅海的碳酸钙沉积物是由文石、高镁方解石和低镁方解石组成的，但在相应环境中形成的古代石灰岩却都由低镁方解石组成。这一现象说明，文石和高镁方解石在成岩过程中已转变为低镁方解石，由于转变的最终产物是低镁方解石，所以又称为“方解石化”作用。根据大量现代沉积的研究资料，碳酸钙矿物的转化是在常温、常压下进行的湿态转变。,文石向方解石转化是通过晶体间的溶液薄膜进行的，它包括湿态的同质多象转变和湿态的重结晶作用。其转化过程可能是通过文石在极小范围内的溶解和立即沉淀，析出方解石而完成的，实质上相当于一种就地的交代作用。在这一转化过程中还发生了微量元素锶的丢失，此种情况有助于说明文石向方解石的转化是一种湿态的过程，并且还伴随有重结晶作用。,文石质生物骨骼经方解石化后，其原始壳层构造一般尚能残存（如图143所示）。,三、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改变的作用。一般情况下趋向于出现晶体长大的现象，福克称之为“进变新生变形”作用。特殊情况下也可能发生晶体的缩小，或称为“退变新生变形”作用。,1微亮晶的形成作用2微泥晶的形成作用,1微亮晶的形成作用某些古代泥晶石灰岩，其泥晶的粒径一般为510m（而现代沉积仅为13m），福克将这种大小为510m的方解石晶体称为“微亮晶”。它是在成岩过程中通过与镁离子的迁移有关的重结晶作用造成的。由文石或高镁方解石组成的海相碳酸盐泥，在埋藏条件下发生渐进成岩作用时，通过矿物的转化和重结晶作用，都要转变为低镁方解石，使晶体增长至510m大小的微亮晶（图144）。2微泥晶的形成作用观察古代石灰岩时，常见某些有孔虫、珊瑚藻类和粪球粒，它们都是由粒径仅1m左右的泥晶方解石组成，不透明，在反射光下略带白色，福克称其为“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镁离子的毒害效应，阻碍了晶体的重结晶长大，最终只能形成极小的微泥晶结构。这可能就是罕见的一种“晶体缩小”的重结晶现象，即“退变新生变形”作用（图144）。,四、胶结作用,胶结作用是一种孔隙水的物理化学和生物化学的沉淀作用，作用的结果是在粒间的孔隙中发生晶体生长，这类晶体就是胶结物，它能把碳酸盐颗粒或矿物粘结起来使之变成固结的岩石。组成碳酸盐岩胶结物的矿物很多，但最主要的是碳酸盐类矿物。1碳酸盐胶结物的矿物成分和结晶形态2碳酸盐胶结物的世代3亮晶方解石胶结物与新生变形方解石的区别,1碳酸盐胶结物的矿物成分和结晶形态,现代海洋碳酸盐胶结物的矿物成分主要为方解石（即低镁方解石）、文石、镁方解石（即高镁方解石）和白云石。碳酸盐胶结物主要有三种结晶形态，即泥晶、纤维晶和较粗的粒状晶体。泥晶胶结物：任何一种碳酸盐矿物都可以构成泥晶胶结物；纤维状及针状胶结物：是文石特有的形态；镁方解石有时也呈纤维状；较粗的粒状晶体：粒状是白云石和方解石胶结物的特征形态，可呈自形与半自形菱面体、叶片状或他形。,影响碳酸盐胶结物具体形状和大小的因素有：（1）首先是溶解离子对碳酸盐胶结物晶出和形态的影响；（2）其次是结晶速度对碳酸盐胶结物结晶形态的影响；（3）再次是底质对碳酸盐胶结物结晶形态的影响。,2碳酸盐胶结物的世代充填孔隙的胶结物往往由两个或两个以上世代组成，有时随着世代的不同其组构和微量元素的组成也随之发生变化。在古代石灰岩中，早期胶结物一般在颗粒周围组成薄边胶结，常见为纤维状或马牙状无铁方解石；后期胶结物多为粒状含铁方解石，有时按含铁量递增或递减的顺序还可组成多期胶结。,早期方解石胶结物多为海水成因的文石或高镁方解石经成岩变化而成，后期的可能为淡水成因或从深埋的地下孔隙水或原生水沉淀形成（图145）。,3亮晶方解石胶结物与新生变形方解石的区别在碳酸盐岩中广泛发育着新生变形方解石晶体，它们在光学显微镜下与亮晶方解石胶结物的特征有许多相似之处。两者的主要区别如下：1）新生变形晶体大小不均，常呈斑块状或不规则状分布；亮晶胶结物充填孔隙或呈皮壳状形式出现。2）孔隙胶结物具充填组构，其长轴常垂直孔隙壁生长，向孔隙中心晶体增大，个数减少；新生变形晶体的似球状斑块则相反，中心为微亮晶，外部为放射状排列的较大的长形晶体。3）新生变形晶体可破坏颗粒边界，但常保存其残余组构；铸型颗粒小的亮晶胶结物不破坏颗粒边界，其特征与孔隙充填组构类似，常具两个以上世代，不同世代晶体的成分和组构可以不同。4）亮晶胶结物干净透明，不含原岩残余物；新生变形晶体因常含上述杂质而显得较浑浊，当有机质多时，还会使晶体显淡褐色或略具多色性。5）新生变形晶体晶间界面一般为弯曲状；胶结物亮晶晶间界面较平直，三个晶体接合时合成一个180的贴面，接合率高达3073。6）骨骼的重结晶共轴环边（交代环边）切割邻近的基质或颗粒，胶结物的共轴环边与邻近的胶结物或颗粒分界清楚，无切割。,五、交代作用,在碳酸盐沉积物或碳酸盐岩中，原来的矿物和组分被新矿物取代的作用称为交代作用。碳酸盐岩中常见的交代作用有白云石化、去白云石化、石膏化和硬石膏化、去石膏化、菱铁矿化和黄铁矿化等。1去白云石化作用2石膏化和硬石膏化作用3去石膏化作用,1去白云石化作用方解石交代白云石的作用称为去白云石化作用。去白云石化过程主要是在富含硫酸盐的地下水作用下进行的，硫酸盐离子能从白云石中吸取镁形成硫酸镁和方解石。其反应式如下：CaMg(CO3)2CaSO42H2O2CaCO3MgSO42H2O去白云石化作用形成的次生方解石的特征：由去白云石化作用形成的次生方解石粗大，多呈不规则状，有时可见白云石菱面体之假晶。常因交代不完全，可见次生方解石中残留有白云石粉末质点。岩石中如果有生物屑、鲕粒遭受去白云化时，它们常常被次生方解石切割。去白云石化作用形成的次生石灰岩的特征：去白云石化作用形成的石灰岩称为次生石灰岩，一般具有粗粒和中粒结构，常呈透镜状和树枝状出现于白云岩中。有时次生石灰岩中残留有白云岩的团块。去白云石化作用比较局限，分布范围不广。,2石膏化和硬石膏化作用石膏和硬石膏交代碳酸盐矿物或组分的现象称为石膏化和硬石膏化。这是硫酸盐化作用中最常见的类型。其发生可能与含硫酸盐的孔隙水活动有关。在地下石膏将被硬石膏交代。交代成因的石膏和硬石膏的特点：交代成因的石膏和硬石膏，一般都具有被交代矿物或颗粒的假象。交代不完全时，晶体中保留有残余颗粒的包体，这种包体在反射光下常呈混浊状到褐色。,自生石膏和硬石膏的特征：自生石膏和硬石膏常为板状晶体，或为纤维状、长柱状或粒状，分散或放射状分布于碳酸盐岩中，也常成层分布或呈结核状或“鸡雏”状结构产出。后者溶蚀后常使围岩显现为特征的“鸡笼铁丝”状格架的构造。,3去石膏化作用硬石膏和石膏的晶体被碳酸盐矿物交代的作用称为去石膏化作用。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：6CaSO44H2O6CO26CaCO34H2S11O22S上式表示硫酸盐被细菌还原，产生硫化氢和硫，同时还伴生有方解石交代石膏的作用，硫或被水带走，或留下富集成自然硫矿床。,四川三叠系石膏质石灰岩常见的去石膏化的特征是，粒状方解石或舌状、束状及放射状方解石或白云石具有石膏晶体的假象或石膏结核的假象。石炭系亦有同样的特征。,六、压实作用和压溶作用,1压实作用2压溶作用3影响压实、压溶作用的因素,1压实作用早期发育的胶结作用或白云石化作用，极大地妨碍碳酸盐沉积物压实作用的进行，但在某些颗粒碳酸盐岩中，压实作用仍是重要的成岩作用。,颗粒碳酸盐岩中常见的压实现象有：（1）颗粒点接触频率高；（2）颗粒定向和变形；（3）颗粒间线状接触或曲面接触；（4）颗粒压平（图146）；（5）颗粒断裂或破裂；（6）颗粒错断或分离；（7）颗粒表皮撕裂；（8）颗粒表部揉皱；（9）颗粒内部构造形变；（10）颗粒在应力作用下发生粉碎性碎裂；（11）有机质破碎变形为不规则细脉。,2压溶作用碳酸盐岩在负荷或应力作用下，在颗粒、晶体和岩层之间的接触点上，受到最大应力和弹性应变，化学势能不断增加，压溶作用使应变矿物的溶解度提高，导致在接触处发生局部溶解。主要的压溶构造有：1）缝合线，是压溶作用的特征性构造；2）颗粒间的微缝合线（图147）；3）粘土和石英粉砂含量高（10）或有机质较丰富的石灰岩和晶粒较细的白云岩中密细缝组合，与缝合线构造的溶解作用的效应相似。,3影响压实、压溶作用的因素1）碳酸盐颗粒的结构、填积、排列及形状对压溶作用有明显的影响。2）连续持久的埋藏，将引起压实总效应的增加；地温梯度较低、颗粒表面亲水以及贫镁雨水的渗入，均有利于压溶作用的发生。3）早期的胶结和白云石化作用，可增加碳酸盐沉积物的强度，阻碍压溶作用发育。,第二节碳酸盐沉积物沉积后作用的环境及特征,碳酸盐沉积后作用环境或简称为碳酸盐成岩环境，可划分为五种基本类型：（1）海水环境（又分为海水潜流和渗流两个亚环境）（2）大气淡水环境（又分为淡水渗流和潜流两种亚环境）（3）海水淡水混合环境（4）埋藏环境（又分为浅埋和深埋两种亚环境）（5）表生环境。海洋碳酸盐沉积物沉积后经历的环境演化视埋藏条件或暴露条件的不同，表现为三种不同的演化系列：（1）由海水环境到埋藏环境的演化系列（由于埋藏变深）；（2）由埋藏环境到表生环境的演化系列（由于构造抬升使埋藏变浅）；（3）由海水环境到淡水环境的演化系列（由于埋藏变浅）。,以正常低海平面为界，海水环境分为海水渗流和海水潜流两个亚环境。海水潜流亚环境处于正常低朝线以下的海底，包括浅水和深水两个碳酸盐沉积的地区。海水潜流亚环境中的沉积后作用主要是成岩作用，包括溶解作用、胶结作用、生物成岩作用（即藻钻孔和泥晶化作用）和新生变形等作用。海水渗流亚环境是沿滨线分布的碳酸盐地带，其位置相当于朝间和潮上带，是岩石水空气接触的三相环境。海水渗流亚环境中的沉积后作用主要是成岩作用，包括胶结作用、藻钻孔和泥晶化作用和交代作用。,大气淡水环境又分为淡水渗流亚环境和淡水潜流亚环境。,由于海洋成岩环境决定了成岩作用的性质和强度，并直接控制着物质转化和储集空间的形成的重要性。上述各成岩环境的成岩标志和胶结作用特征如图148和图149所示。,第三节成岩序列和成岩阶段,任何碳酸盐岩成岩地质体都是多种成岩作用的综合产物。不同成岩作用随成岩环境的变迁而不断改变，同类成岩作用也可以形成于不同成岩阶段。因此，在不断演化的成岩环境控制下，每一碳酸盐岩地质体都有其特定的成岩序列和成岩阶段。一、成岩序列二、成岩阶段及其划分标志,一、成岩序列,成岩序列是在同一成岩体中各类成岩作用发育和演化的次序。由于成岩作用直接受成岩环境的控制，并与沉积作用的性质和沉积物的结构特征密切相关，因此，不同的碳酸盐岩沉积体具有不同成岩序列。我国海进和海退的碳酸盐沉积序列均较发育，在不同的气候条件影响下，相同的沉积物可具有不同的成岩序列（图1410）。,海进层序中的碳酸盐沉积常具有较完整的成岩序列，先期沉积的碳酸盐颗粒可普遍具有不同程度的泥晶化、白云石化，并为世代环边胶结物所胶结。在深埋藏环境中，经压实、变形作用可发展为压溶、埋藏白云石化或重结晶作用。沉积物的原始结构可随埋藏成岩作用的加强而消失或明显改变。,因海退而使浅水沉积物早期暴露、遭受大气淡水淋溶、淡水胶结或因气候干旱、蒸发作用强烈，沉积物在形成后、固结前即发生白云石化的现象亦较常见。在构造作用控制下，具此类成岩组构的岩石多数有各种深埋成岩作用叠加。抬升后，受地表成岩作用则形成溶孔、溶洞和垮塌角砾岩，去白云石化强烈时可形成次生石灰岩。,我国各时代的海退型礁、滩沉积物多具上述成岩历史而具较为复杂的成岩系列，但许多低能沉积区的沉积物如直接进入埋藏环境时，其成岩序列多较简单，并以生物泥晶化、压溶、埋藏白云石化或重结晶作用为主。,我国碳酸盐岩沉积类型较为复杂，不同沉积相的成岩序列亦各不相同。（1）扬子区上、下古生界，特别是华北地区下古生界台地沉积的碳酸盐岩的成岩序列：扬子区上、下古生界，特别是华北地区下古生界台地沉积的碳酸盐岩，常不同程度地具有近地表海水成岩特征，其后因抬升而遭受大气淡水成岩作用，并使成岩序列复杂化；如直接演化为深埋成岩环境，则表现为浅深埋藏的成岩序列。（2）湘西黔东的中寒武统、南盘江和川南地区二叠系以及鄂尔多斯地区奥陶系的较深水和深水沉积的碳酸盐岩的成岩序列：湘西黔东的中寒武统、南盘江和川南地区二叠系以及鄂尔多斯地区奥陶系的较深水和深水沉积，因沉积物缺乏早期大气淡水成岩改造，故以压实、破碎、变形、压溶、重结晶等简单成岩序列为主。,二、成岩阶段及其划分标志,碳酸盐岩各成岩阶段所经历的多为非单一的成岩环境，其划分标志也是多种成岩环境标志的综合。国、内外常见的成岩阶段划分方案如表142。,1早期成岩阶段指沉积物脱离沉积介质后，进入地表成岩环境直至深埋藏期之前，其中包括同生期成岩作