第二十一、二十沉积学多媒体教程第碳酸盐岩沉积环境与沉积相

2011.2.10沉积岩石学多媒体教程第一节碳酸盐沉积作用的基本特点第二节碳酸盐沉积环境第三节碳酸盐岩沉积相模式第二十五章碳酸盐岩沉积环境与沉积相一、概述二、碳酸盐岩沉积环境三、碳酸盐岩沉积作用第一节碳酸盐岩沉积环境和沉积作用一、概述INTRODUCTION碳酸盐岩占地质记录中沉积岩的四分之一提供地球历史和环境的信息作为石油和一些金属元素的容岩1.重要性地史时期碳酸盐岩多宽阔的陆表海有广泛的碳酸盐岩沉积（古生代华北地台、杨子地台和北美大陆内部），其沉积机制只有用地质记录的碳酸盐岩本身来研究。现代碳酸盐岩陆棚面积较小：作为研究碳酸盐岩沉积机制（结构和基本沉积作用）的天然实验室。2.古今差异特性：形成于盆地之内，主要发育于正常海相环境岩相分布与河流输入没有直接关系（自源特点）生物及生物化学作用要求清洁透光的海相环境生物骨架的作用准同生胶结作用导致有高于碎屑沉积物的坡度和地形起伏碳酸盐岩沉积层序的发育及堆积样式也受相对海平面波动的影响。海平面的波动也会导致碳酸盐岩沉积体系发生系统性变化。3.碳酸盐岩与碎屑岩的异同点共性：碳酸盐沉积物硅质碎屑沉积物主要产在热带浅水环境中主要是海相的颗粒大小一般反映的是生物骨骼和钙化坚硬部分的大小钙质软泥的存在表明生物大量繁殖浅水砂质砂体主要是局部的物理化学或生物作用形成的碳酸盐沉积物局部聚集不是水动力条件变化引起的，但能改变周围的环境的性质沉积物通常被胶结在海底上沉积物在沉积过程周期性出露导致强烈的成岩作用，特别是胶结作用和重结晶作用不同沉积相的特点经浅变质作用后消失气候不限，见于全球各种环境海相和陆相颗粒大小反映的是沉积环境水动力能量的大小软泥的存在表明悬浮沉降作用浅水砂质砂体是由水流和波浪相互作用形成的沉积环境的变化一般是水动力变化引起的沉积物在沉积环境和海底上仍未固结沉积物在沉积过程周期性的出露对沉积物的影响不大不同沉积相的特点经浅变质作用后仍能保存下来碳酸盐沉积物和硅质碎屑沉积物异同点海相：海相温水型：现代碳酸盐岩陆棚主要位于低纬度热带、亚热带少有陆源物质进入的清洁的浅海，大多数生产碳酸盐岩的陆棚都与大陆相连，如FloridaBay和Australia西部，只有少数陆棚才在大洋岛屿周围，如巴哈马台地和太平洋环礁。海相冷水型：温带（冷水）碳酸盐岩见于南纬32-40º澳大利亚以南陆棚，西北欧陆棚的部分地区，以及苏格兰东北的Orkney陆棚。海相深水型：钙质软泥和沉积物重力流沉积非海相：形成于湖泊、河流、洞穴、土壤和沙漠的非海相环境，可作为古环境的指标，但它们在地质记录中所占的体积很小4.地理分布类型一、概述二、碳酸盐岩沉积环境三、碳酸盐岩沉积作用第一节碳酸盐岩沉积环境和沉积作用二、碳酸盐岩沉积环境CARBONATEENVIRONMENTS1.几种常用的术语碳酸盐建隆(carbonatebuildup)：指在原地形成的横向上局限、呈凸起地形的碳酸盐体,它不涉及内部的组成：(1)生物格架礁：由抗浪的生物格架组成，该术语通常也称生物礁；(2)生物滩：主要由生物碎屑堆积而成，大部分是由于陷落或阻挡作用而堆积，但也有一部分是由波浪和水流机械堆积的；(3)灰泥丘：灰泥基质超过了其它组分，如生物粘结岩和生物碎屑组分。因此它的形成兼有水动力学堆积和原地生物产生的作用；(4)沉积物堆积(分选、磨蚀的骨骼)建隆：指任意形态的沉积物堆积，其内部组成表明，它主要是移动质点的机械堆积作用形成的。也有人用滩表示这一含义，如鲕粒滩、生物碎屑滩、砂屑滩、砾屑滩等。碳酸盐缓坡(carbonateramp)：指从岸线向盆地缓慢倾斜的大型碳酸盐沉积体，其坡度很小(1o)，与较深水的低能环境间一般没有明显的坡折，有的缓坡坡度很小，以致于难以把缓坡与台地分开，因此这两个术语经常交换地使用，碳酸盐台地(carbonateplatform)：指具有近于水平的顶和陡峻的陆棚边缘的大型碳酸盐沉积体，在其边缘常常有高能量的沉积物。海相碳酸盐岩主要沉积在包括地史时期宽阔的浅水陆表海台地在内的浅海陆棚台地上。碳酸盐岩台地可在克拉通地快边缘、克拉通内部盆地、远岸滩坝的顶部和宽阔陆棚上的局部的高地上，碳酸盐岩环境也可见于海滩、泻湖、和潮坪的边缘海环境的部分地区2.陆棚沉积环境Carbonateshelf（nonreef）DepositionalSetting根据台地边缘的性质，有五类碳酸盐岩台地(Harris,Moore,andWilson,1985;JamesandKendall,1992;Read,1982,1985)：(1)镶边碳酸盐岩台地rimmedcarbonateplatforms(2)无镶边（开阔陆棚）碳酸盐岩台地unrimmed(openshelf)carbonateplatforms(3)碳酸盐岩缓坡carbonateramps(4)孤立碳酸盐岩台地isolatedcarbonateplatforms(5)陆表海碳酸盐岩台地Whenweconsiderancientenvironments,wemustaddbroad,epeiricplatforms(Fig.12.2)tothislist.镶边碳酸盐岩陆棚是在陆棚边缘到斜坡深水区之间有一明显的坡折，沿台地边缘具有连续的由礁或骨屑/鲕粒砂浅滩组成的，吸收波浪作用限制水循环的环边或障壁，从而形成由陆棚边缘障壁向陆一侧的低能泻湖环境。泻湖向陆常演变为低能潮坪而不是高能海滩。无镶边台地没有明显的边缘障壁，见于大型热带堤坝的背风面以及所有冷水碳酸盐岩环境，穿过台地的水循环使得沿岸带成为中到高能的海滩，陆棚边缘形成骨屑、鲕粒－球粒浅滩，受到的动力作用类似于硅质陆棚的动力作用。碳酸盐岩缓坡是坡度小于1º的无镶边台地，其浅水沉积与斜坡深水沉积之间的陆棚边缘高能带为由不连续的砂质浅滩而不是礁体组成的不明显坡折过渡，孤立碳酸盐岩台地（巴哈马型）是浅水陆棚外的，周边为几百米到几千米的深水环绕的几十到几百米宽的浅水台地。可以有类似于缓坡型斜坡的边缘，也可以有类似于镶边台地一样的陡坡边缘。这种孤立台地几乎没有陆源碎屑供给，其它孤立台地有：Bermuda,Barbados,andtheCookIslands。没有陆表海台地的现代例子，但古生代和部分中生代确常有几百至几千公里宽，覆盖几百万平方公里的浅水台地；我们只能推测在这种宽阔陆棚上的水动力作用：与广海相连，风暴和波浪强烈影响水循环，潮汐作用也很重要，陆源碎屑输入少。高能带：与陆源碎屑陆棚不同的是，许多现代碳酸盐岩台地，特别是镶边台地在外陆棚边缘具有特征的地貌建隆。这种建隆由生物礁、碳酸钙质浅滩或小岛组成，对波浪起阻挡作用，这种外部障壁通常为允许高速潮流通过进入陆棚的网状潮道所切割。建隆上的水深通常只有几米，属于高能带；低能带：而中陆棚的水深可达几十米，通常位于正常浪基面之下，除点礁、局部堤坝、浅滩和碳酸盐岩缓坡沿岸外，总的属于低能环境；陆棚水循环的控制因素（碳酸盐岩相分布）：障壁和陆棚宽度如果障壁发育，或者陆棚很宽，由于底部对水能的广泛摩擦导致水循环受到限制，换句话说，宽阔的陆表海的水循环应该是受到限制的。循环不好的水体盐度就会异常，盐度变化影响生物的数量和分异度，从而又影响碳酸盐岩的沉积。内陆棚是最局限的环境。陆棚沉积的能量分带特征碳酸盐岩沉积与搬运作用－碳酸盐岩工厂虽然碳酸盐岩的沉积环境是从潮上带到陆棚外的深水环境，但中－外陆棚的浅水台地是碳酸盐岩的原产地，被James（1984）称作潮下带碳酸盐岩工厂。在这产生的碳酸盐岩主要在陆棚上沉积，而一些被向陆搬运到潮坪、海滩和潮下环境，一些被搬运到陆棚外的斜坡和深水盆地沉积。深水碳酸盐岩沉积见于现代海洋的斜坡和邻近的盆地底部，以及显生宙时期地层中。钙质软泥：除了近表层水的钙质浮游生物沉降外，陆棚外的深水环境产生的碳酸盐岩极少。碳酸盐岩工厂产生的碳酸盐岩：被搬运到陆棚外的斜坡和深水盆地沉积。深水区碳酸盐岩沉积物来自于风暴浪、浊流、碎屑流、颗粒流、滑塌滑动、岩崩等把沉积物从陆棚搬运到深水中。2.深水碳酸盐岩沉积环境3.生物礁沉积环境环礁台礁、平顶礁小环礁岸礁生物礁具有完全不同于陆棚其它地区的独特的环境，大部分现代礁生长在浅水中。障壁礁是位于台地边缘的线性礁体；基本上都是侧向连续的，延伸可达几百公里，如澳大利亚大堡礁在澳大利亚东陆棚上延伸达1900公里；岸礁：在一些现代陆棚很窄的地方，线性礁体紧贴岸线生长，中间没有泻湖分隔，环礁是环绕在太平洋深水区的海山顶部孤立的环状礁，这些礁构成包围浅水泻湖的外围环形抗浪障壁；小环礁是在泻湖中或在环状边缘形成的环状构造；补丁礁、塔礁或台礁是指沿陆棚边缘和散布在中陆棚的小型孤立礁体；平顶的台礁也见于深水中；一、概述二、碳酸盐岩沉积环境三、碳酸盐岩沉积作用第一节碳酸盐岩沉积环境和沉积作用三、碳酸盐岩沉积作用（1）化学和生物化学作用ChemicalandBiochemicalProcesses1.沉积作用无机沉淀：溶解度pH温度二氧化碳含量温度升高压力降低植物的光合作用二氧化碳含量的减少CaCO3沉淀现代海洋生物从海水中吸取碳酸钙形成介壳和骨骼在寒武纪以后，甚至在前寒武纪的碳酸钙沉淀中起到关键作用。有机沉淀生物觅食和扰动导致生物碎屑及其它碳酸盐岩物质的分解和产生各种痕迹化石间接作用直接作用以造礁珊瑚和钙质绿藻为主，另加一些有孔虫；除生物骨架残骸外，还包括鲕粒、颗粒集合体、球粒和灰泥生物组合碳酸盐岩沉积物适宜在陆源硅质碎屑输入少的温暖的浅水环境沉积，在高纬度冷水环境的碳酸盐岩沉积物几乎都是生物骨骼残骸。由底栖有孔虫、软体动物、节肢动物、苔藓动物和钙质红藻组成是现代陆棚的重要组成部分，从有冷水入侵的中－低纬度到高纬度地区都有分布，古代第三系－古生代地层中也有报道冷水型生物残骸组合有孔虫组合（异珊瑚组合）温水型生物组合(~20ºC)绿藻珊瑚组合（光合珊瑚）生物对现代碳酸钙生产的作用与古代碳酸钙的形成不一定完全相同。下图说明显生宙各形成碳酸盐岩的生物群的相对重要性，主要碳酸盐岩生物是随时间变化的。生物的分布特征：有助于碳酸钙沉积物的生产陆棚上水的循环从深水区带来生物生长所需要的养分障壁岛波浪破碎使水与大气作用而增加水中的含氧量由于水压的降低而降低CO2的含量（2）物理作用PhysicalProcesses因此，现代的礁体在波浪搅动带最发育，生物成因的碳酸钙沉积物总的来说是波浪运动刺激的结果。动荡的水体是鲕粒形成的关键因素，水体流动导致水下增生和胶结也有助于葡萄石和粪球粒的形成与保存；对碳酸盐岩物质的改造和搬运作用在沉积物的重新悬浮和搬运过程中的主要营力：波浪、水流、风暴、沉积物重力流波浪和水流：对碳酸盐岩沉积物的搬运和簸选在高能的陆棚台地外缘特别常见；礁体前缘强波浪的击打导致礁石的破碎，产生被向海向陆搬运的生物碎屑；波浪和水流把碳酸盐岩泥从粗粒沉积物中簸选出来并搬运到陆棚台地和其它局限的陆棚地区。粗粒沉积物本身可以作为簸选后的滞留沉积，形成砂或砾石坪，也可以被搬运沉积形成浪成坝和浅滩、海滩、砂嘴，或者潮汐三角洲和潮汐坝。风暴、沉积物重力流：风暴对陆棚碳酸盐岩沉积物的改造与对硅质碎屑沉积物的改造一样；沉积在斜坡和盆地的深水环境深水碳酸盐岩，除了远洋碳酸盐岩（侏罗纪以后的钙质浮游生物：有孔虫、绿藻、微体腹足类等）外，主要是被风暴、沉积物重力流搬运到深水环境的浅水碳酸盐岩•生物在碳酸盐形成中的重要作用•水动力条件对碳酸盐沉积的控制•碳酸盐沉积基本上是在原地形成的•碳酸盐沉积主要形成于温暖、清洁、透光的浅水环境•碳酸盐的沉积作用迅速，但容易受到抑制2.碳酸盐沉积的基本条件（1）生物在碳酸盐形成中的重要作用•生物可以把壳体，死亡后沉积于水底，直接由生物形成的碳酸盐组分数量很大，其中有灰泥、碳酸盐颗粒及原地生物礁等•海洋生物可以通过吸收大量CO2改变介质的条件，促进碳酸钙的沉淀•生物扰动等遗迹化石（2）水动力条件对碳酸盐沉积的控制•灰泥总是堆积在安静的环境中•较粗的颗粒如砾屑、砂屑、生物碎屑等沉积在水动力条件较强的水体中•有一些碳酸盐沉积如生物礁等，呈块状的原地生物格架产出在水动力条件活