碳酸盐岩的成岩作用

第二章碳酸盐岩的成岩作用本章重点：1、碳酸盐岩的主要成岩作用类型；2、碳酸盐岩中的孔隙；第一节概念和基本术语本节重点：1、成岩作用概念；2、常用术语。一、成岩作用概念成岩作用是指沉积物在沉积后发生的任何物理或化学变化的过程（不包括可引起变质作用的过高温高压下的作用）。——ScholleandUlmer-Scholle,2003成岩作用始于海底（同生或早期成岩蚀变），伴随整个深埋过程（中期成岩蚀变），并延续至随后的抬升阶段（晚期成岩蚀变）。成岩作用可以抹去原生特征的信息，但同时也可以留下关于沉积后环境、孔隙水成分和温度演化的重要信息。1、方解石基质的术语：（1）微晶(Micrite)：即微晶方解石。该术语同时作为碳酸盐泥(软泥)和由碳酸盐泥构成的岩石(泥灰岩)的同义语使用。微晶由直径1~4μm方解石晶体构成，可以是非生物沉淀形成或是通过较大的碳酸盐颗粒破碎形成。微晶产生于盆地内部，极少或不显示明显搬运痕迹。（2）微亮晶(Microspar):一般由微晶经过重结晶(新生变形)作用生成的5~20μm大小的方解石颗粒，也可达30μm，限于重结晶的产物，不是原生沉淀。（3）假亮晶(Pseudospar):新生变形（重结晶）形成的方解石组构，平均晶体大小超过30~50μm。二、碳酸盐基质的定义(Folk,1965)2、白云石组构（Dolomitefabrics）的基本术语：（1）晶体规模(Crystalsizescales,Wright,1992):微晶白云石(Dolomicrostone),晶体直径1~4μm;微亮晶白云石(Dolomicrosparstone)，晶体直径4~10μm;亮晶白云石(Dolosparstone):晶体直径10μm。（2）白云石晶体组构(Crystalfabrics，SibleyandGregg,1987):非面状组构(Nonplanarfabrics)：他形晶紧密堆积。大多数呈弯曲朵状，晶间的接触界线为不规则锯齿状。少有以晶面接合者，正交偏光下具波状消光。面状组构(Planarfabrics)：大多数白云石为自形晶，晶体支撑式，晶间充填孔隙或其它矿物。半自形面状(Planar-s)：大多数晶体为半自形－自形，具平直的边界，晶体间多以晶面相接。低孔隙度，低晶间基质含量。三、成岩作用常用术语1、胶结作用：新沉淀物质对原生或次生孔隙的充填。Folk(1965)描述碳酸盐晶体形状分类的术语：纤状(Fibrous):长条形，长宽比(轴率)超过6:1;等轴粒状(Equant):长宽比小于1.5:1;叶片状(Bladed):长宽比介于6:1~1.5:1。纤状(针状)海水胶结物部分充填有孔虫房室。按Folk(1965)的术语，此处纤状文石胶结物与基底的关系为“结壳”。共轴增生球粒状生长Folk(1965)描述胶结物与基底间关系的术语：结壳(Crust)、增生(Overgrowth)及球粒状生长(Spherulite)。结壳海胆碎片上发育分带状共轴生长的胶结物，经历了早期无铁，中期含铁和晚期无铁阶段。无明显核心的球粒状生长，原生小球经过成岩增生进一步保存和扩大了放射状组构。胶结作用等轴状亮晶方解石胶结放射轴－纤状方解石胶结物，属“结壳”。具弧形解理、波状消光和不规则的粒间边界特征。2、溶解作用：不稳定矿物的淋滤和溶解形成次生孔隙、溶孔或溶洞。3、交代作用：一种矿物对另外一种矿物的转换（Inversion），或某种矿物的同质多象变体被另一种矿物取代。交代作用的要点在于原生矿物与后续矿物间成分不同，即它们不是彼此的同质多象变体。铁白云石交代泥晶方解石硅化的鲕粒灰岩－二氧化硅交代方解石4、重结晶或应变重结晶作用：晶体大小、应变状态或几何形态发生改变，而矿物类型不变。新生变形作用“Neomorphism”：是一种矿物同自身的另一种同质多象变体间的所有成岩转换的统称。如文石→方解石。形成的新晶体可以比原来的大或小，形态仅有简单的差别或者是呈现一种新的矿物种类。这是原先矿物成分不明时的基本术语。类型举例Folk(1965)术语广义狭义原矿物被另一种不同成分矿物取代方解石→白云石黄铁矿等交代作用原矿物被自身的同质多象变体取代文石泥或文石壳→方解石嵌晶变形矿物转变成同种矿物为变形嵌晶变形方解石→未变形方解石未变形矿物改变自身的形状、粒度或取向方解石泥或纤状方解石→嵌晶方解石矿物溶解形成孔洞，该孔洞之后被充填异化颗粒→孔洞→方解石溶解→孔洞充填成岩矿物蚀变术语交代作用(广义)新生变形作用相变应变重结晶作用重结晶作用(与退变重结晶)新生变形作用微晶向微亮晶和假变晶的过渡(未形变的微晶晶体经过生长或凝聚，形成更大的晶体)。若先前的微晶为钙质，则该成岩蚀变可称为“重结晶作用”。若不知道原始的矿物成分，则最好称之为“新生变形作用”。古代鲕粒灰岩中保存了针状海水胶结物组构。原始的胶结物很可能是纤状文石，现被新生变形成叶片状方解石。若原始矿物成分是文石，则可称为“新生变形作用”。粗大洁净的沉淀方解石晶体泥晶新生变形作用形成的假亮晶方解石微晶向微亮晶及假亮晶转化→重结晶作用5、机械(物理)压实作用：沉积物在负荷压力的作用下发生的颗粒脱水、脆性或塑性变形以及颗粒的重新定向。鲕粒的压实破碎双壳类贝壳压裂以及后期铁质方解石胶结。导致碳酸盐岩中显著的孔隙丧失。6、化学压实作用：沉积物在负荷压力的作用下发生的颗粒脱水、变形或重新定向。强烈的化学压实（压溶）作用产生的缝合线状溶蚀缝。7、断裂（破裂）作用构造作用产生的微裂隙三、成岩作用对岩石物性的影响对岩石物性既有破坏性的也有建设性的影响。既可以降低孔隙度和渗透率，也可使其增大。现代典型碳酸盐沉积物、古代碳酸盐岩地层及典型碳酸盐岩储层之间显著的孔隙度差异。现代沉积物孔隙度平均约35%~45%，颗粒灰岩可达70％，泥灰岩或白垩更高。典型的古代碳酸盐岩孔隙度不到5％，即便是有效储集岩的平均孔隙度也不及现代类似碳酸盐岩孔隙度的一半。因此，了解成岩过程，抑制孔隙丧失的因素和石油运移的相对时间及与孔隙演化的关系是油气及矿产勘探的关键。第二节同生－埋藏期成岩作用本节重点：1、同生/早期海水成岩作用的特点2、同生/早期淡水成岩作用的特点2、埋藏成岩作用的特点一、同生－早期海水成岩作用简介：同沉积期的时间跨度：数年至数千年；孔隙流体性质：海水；对碳酸盐沉积物的影响：可产生较复杂的组构；胶结物：文石及高镁方解石（温暖水体）；高镁方解石为主（较冷海水环境，如温带、两极和深海），但随纬度增高，镁方解石比例逐渐减少，且Mg含量降低。海水胶结作用强度及范围：是海水中溶质供应量的函数。溶质供应取决于沉积速率和从沉积物表面进入其内部的有效途径。沉积缓慢区，可形成显著的海水胶结(海底硬地)；高速沉积区，主要发生在礁前或海岸环境；现代海洋水体文石的补偿深度(ACD)：约1500m，超过则文石的溶解速率超过形成速率，文石不能沉淀；现代海洋方解石补偿深度(CCD)：约4500m。同ACD一样，该深度随纬度、碳酸盐产率和其他因素而变化，在各地质时期明显不同。主要成岩组构(1)生物钻孔颗粒具有被胶结物充填的钻孔，并形成微晶外壳（环边/泥晶套micriteenvelopes）；(2)纤状－叶片状、似球粒状或隐晶质的高镁方解石胶结物形成的等厚壳层。隐晶质壳层由等轴的小于4μm的看似微晶的菱面体组成。现代海洋高镁方解石和文石胶结物的常见类型纤状网状针晶纤状－叶片状环边葡萄石与内沉积物文石质腹足动物外壳存在早期微孔和颗粒外表面的隐晶质高镁方解石胶结物(泥晶套)。泥晶套比颗粒本身更具耐溶解性。高镁方解石泥晶套的SEM照片海水胶结灰岩中颗粒周边的高镁方解石泥晶套。壳层沿颗粒边缘充填钻孔，并围绕颗粒边缘形成隐晶质高镁方解石胶结物壳层。灰岩中剩余粒间孔被超咸潟湖水中沉淀出的纤状海水文石充填。(3)纤状文石胶结物等厚结壳充填颗粒内部孔洞，也可作粒间胶结物(常见于温暖水体的微超盐环境和热带海滩岩中)；等厚结壳层现代沉积物，文石针晶胶结物构成的等厚环边。可以观察到纤状晶体不规则但基本垂直于生长基底的排列方式。(4)海水胶结的海底硬地形成区域具有选择性，通常与磷酸盐和海绿石胶结、生物钻孔和动物结壳及内碎屑共生；(5)充填孔洞的文石和高镁方解石构成大型葡萄状体；全新世海底硬地和海滩岩沉积。文石胶结规模大速度快，形成固化的岩石仅需数年。文石质鲕被文石胶结物完全包裹。全新统礁灰岩。仙掌藻属颗粒灰岩被纤状－叶片状高镁方解石等厚层胶结。在大多数环境中，高镁方解石是主要的海水胶结物。全新统礁灰岩中大型孔洞中的海水胶结物。文石和极少量的高镁方解石组成的大型密集葡萄状体。礁前沉积物溶孔内的文石质葡萄状胶结物。孔洞中的葡萄状体(6)原生孔洞被内沉积物充填或是格架支撑的沉积物中发育水成岩墙；(7)沿岸的海滩岩和浪花带胶结物；(8)微生物/胶结物与海洋甲烷和热液渗出物的共生关系。纤状方解石胶结物的不同类型。簇生光轴(Fascicular-optic)；放射轴－纤状(Radiaxial-fibrous)；放射纤状(Radial-fibrous)。虚线表示亚晶体边界，交叉实线表示双晶面。上二叠统造礁黏结灰岩中放射纤状方解石胶结物全新世沉积物，海岸带地表(浪花带)成岩作用。图中下垂的胶结反映了渗流环境；胶结为纤状文石或微晶质高镁方解石组成，反映了该过渡带为海水与渗流交替的环境。上白垩统页岩，图示为复杂层状同沉积期的纤状海水方解石胶结物壳层，推测在海底沼气带沉淀形成。沼气渗出物可以滋养丰富的微生物群落，因此，与这些渗出口共生的胶结物尤其富含有机质包裹体(细菌？)二、早期淡水成岩作用淡水渗流带也称“不饱和带”，包括上部渗透带(Zoneofinfiltration)，和下部重力作用的渗滤带(Percolationzone)。渗流带以下为潜流带，也称“饱和带”。两者之间界为“潜水面(Watertable)”。淡、咸水之间有一个半咸水过渡带，称为“混合带”。淡水带成岩作用是指地表或其附近的地层受现代淡水影响或渗透而产生的蚀变现象。淡水环境通常可以分成不饱和带(渗流带Vadosezone)和饱和带(潜流带Phreaticzone)，两者以潜水面为界。地表淡水流体与其他孔隙流体(海水或盆地水)充填的地层之间的界面称为“混合带”，具有特殊的成岩特征。渗流带简介：淡水成岩作用发育部位：大多数浅海碳酸盐沉积经历了淡水成岩作用，表现为海平面以上沉积物的成岩作用，或是台地碳酸盐暴露于海平面以上的渗流带中。另外，淡水可以循环至地表以下，使暴露面以下更古老的碳酸盐沉积层也发生改变。淡水作用的时间：跨度数百年至数百万年；淡水作用模式复杂且多变的原因：初始沉积物质随相带和时间的不同而变化；降雨量和淡水的流动速率(与渗透性差异有关);水体化学性质的差异，尤其是在混合带；持续暴露时间的差异或多期暴露过程中蚀变的差异；植被和植物产生的酸因地而异，以及在地质历史时期植物进化的差异性。成岩作用类型：溶解与胶结均有；溶解多发生在渗流带，胶结则发生在潜流带。淡水胶结物：低镁方解石为主。在含地下咸水的干燥区，常可形成文石、高镁方解石、低镁方解石、白云石、石膏、硬石膏及其他蒸发盐矿物。淡水－海水混合带可形成白云石。地表风化壳中可伴生黏土、磷酸盐、铁和铝的氧化物。淡水胶结物的形态渗流带组构受颗粒接触处水体局部分布的影响，在颗粒下侧可形成悬挂的微滴。潜流带胶结物分布较均一，反映该环境中孔隙水分布达到完全饱和。淡水成岩作用的各阶段潜流带部分胶结作用，颗粒育淋滤潜流带完全胶结作用，颗粒中等淋滤大气淡水导致孔隙的反转，颗粒完全被淋溶淡水成岩作用通常是一种自源自生沉积过程，某处不稳定物质的溶解为别处提供再沉淀的溶质。潜流带胶结作用早期与不稳定物质的初始溶解配合，但是某些或大多数溶解作用发生在渗流带环境，而多数胶结作用则可能发生在潜流中。随着淡水成岩作用的继续，可以形成完全的组构倒置，原生孔隙之被充填，原生颗粒变成次生孔隙。如果存在外部溶质，则次生孔隙也将被胶结物充填。主要成岩组构(1)渗流带以不稳定的碳酸盐矿物(文石和高镁方解石)大规模溶解，并常伴