標籤:碳酸岩

碳酸岩(carbonatite),是在空間上和成因上與鹼超基性雜岩體有關的、主要由碳酸鹽礦物組成的火成岩。carbonatite一詞由挪威地質學家及礦物學家W.C.布勒格於1921年正式引入地質文獻。從它的成因和產狀特徵可與沉積的碳酸鹽岩相區別。屬於岩漿成因的稱為「碳酸岩」,屬於沉積成因的稱「碳酸鹽岩」。與之有關的礦產為鈮、鉭、稀土元素、磷、鐵等。最為重要的礦床類型為稀土碳酸岩及燒綠石碳酸岩。

噴發碳酸岩漿(圖1)

  噴發碳酸岩漿(圖1)

1岩漿噴發

非洲坦尚尼亞歐爾多因佑連蓋火山是地球上惟一一座噴發碳酸岩漿的活火山。碳酸岩熔岩噴發時的溫度高達530攝氏度,雖然該溫度大約只有玄武岩熔岩流的一半,但四處飛濺的熔岩滴還是足以燒穿棉質的跳傘衣,就像香火燒穿尼龍布一樣。
圖1為熔岩在空氣中逐漸變硬,形成了一幅藝術畫,就像雄鷹的翅膀。[1-2]

2性狀產出

岩石呈淺灰至灰白色;粒狀結構,細至粗粒,有時呈巨晶結構;常為塊狀構造,有時見原生條帶、球粒和球體構造。化學成分特殊,與一般硅酸鹽岩漿岩相比,富CaO及CO2,貧SiO2及Al2O3;與沉積碳酸鹽岩相比,富SiO2及Fe、Mg、Al、Ti、P等的氧化物,而CaO及CO2較低。主要組成礦物為方解石、白雲石及鐵白雲石,偶爾見菱鐵礦。此外,還富含多種(180種左右)次要礦物和副礦物,如輝石類、金雲母、磷灰石、天青石、鈰族稀土氟碳酸鹽礦物、磁鐵礦、鈮鉭礦物、鈾釷礦物、螢石、碳硅石等。一般根據所含碳酸鹽礦物分為:方解石碳酸岩、白雲石碳酸岩、鐵白雲石碳酸岩和菱鐵礦碳酸岩等。碳酸岩主要呈中心型侵入雜岩體產出,產狀有中心岩株體、環狀、錐狀及放射狀岩牆、岩床、岩流及岩被等。已知中心岩株由頂到底達 1萬米。碳酸岩常發生強烈分離結晶作用、熔離作用和鹼交代作用。碳酸岩的分佈與深斷裂有關,主要產於古老地台邊緣斷裂系及褶皺帶內中間地塊斷裂帶。空間上它經常與鹼性岩-超基性雜岩體或金伯利岩共生。除南極洲外,所有大陸都有碳酸岩的分佈。

3分類共生

碳酸岩地貌(圖2)

  碳酸岩地貌(圖2)

一類主要由碳酸鹽礦物組成的火成岩。礦物成分複雜 ,已發現180多種 ,其中最常見的方解石、白雲石、菱鎂礦等碳酸鹽礦物約佔80%,其次為鹼性長石、輝石、黑雲母、磷灰石、橄欖石等。常見有某種獨特的礦物共生關係:①高溫礦物(鈣鈦礦、獨居石)與低溫礦物(重晶石、天青石等)共生。②硅質礦物與硅不飽和礦物共生(如石英-橄欖石 、石英-霞石等)。主要類型有黑雲碳酸岩 、方解石碳酸岩 、白雲石碳酸岩等。在成因和空間上 ,常與超基性-鹼性岩系列的岩石關係密切,組成超基性-鹼性-碳酸岩雜岩體。碳酸岩多分佈在雜岩體的中心,呈岩筒狀或放射狀岩脈產出。在區域上,這類雜岩主要分佈在地殼構造運動穩定的地區,沿深大斷裂帶分佈。[4-5]

4成因觀點

碳酸岩其成因有多種觀點,有下列幾種:①超基性岩漿衍生的碳酸鹽岩漿結晶生成;②鹼超基性岩漿分離出的富CO2熱液交代鹼性岩或超基性岩生成;③富CO2的含礦熱液充填圍岩裂隙形成碳酸岩伴生的礦產種類多,這是它與其他岩漿岩的重要區別。主要礦產有鈰族稀土、鈮、鈾(釷)、鐵、鈦、磷、銅、鉛、鋅、蛭石、螢石及碳酸鹽原料等。中國碳酸岩有火山沉積成因和岩漿貫入成因兩種類型。[3-4]

5岩石簡介

碳酸岩(2)
岩石名稱:蝕變黑雲母碳酸岩
蝕變黑雲母碳酸岩(圖4)

  蝕變黑雲母碳酸岩(圖4)

英文名稱:Altered biotite-carbonatite
顏色:淺灰綠
構造:塊狀構造
結構:中粒結構
主要成分:方解石、黑雲母(部分已褪色)
所屬岩類:岩漿岩\超基性深成侵入岩
產地:山東萊蕪
採集人:夏衛華
採集時間:1982.11
存放地點:博物館
編號:博C1131-0-1[8-9]

6儲層特徵

碳酸岩
碳酸鹽岩分佈較廣,並且以海相碳酸鹽岩為主,湖相碳酸鹽岩僅分佈在中新生代。碳酸鹽岩儲集層沉積相帶有灘壩相、淺水台地相和生物礁相、湖內淺灘相及半深水湖泊相,以及純裂縫型和古風化殼型儲集體。碳酸鹽岩儲層具如下四方面的特點:
①是在相對穩定的大地構造環境下形成的,儲層大面積分佈。這裡是指沉積環境和成岩環境都比較穩定,即大面積分佈的陸表海環境和整體垂直升降大氣淡水溶解的成岩環境是儲層得以大面積分佈的重要原因。
②儲集空間類型多,以裂縫一孔隙型或裂縫一孔洞型為主,儲層的非均質性強,但是碳酸鹽岩儲層中的空隙除了孔隙和喉道以外,還有張開裂縫和洞穴。張開裂縫和洞穴改善了以低孔、低滲、小喉為主的碳酸鹽岩儲層的物性特徵,使其能產出工業油氣流或成為高產的油氣儲層。
③碳酸鹽岩儲氣層的非均質性強,這是由於構造張開縫分佈的非均質性強所引起的。
④碳酸鹽岩儲集層有生油氣能力,能形成自生自儲或多油氣源氣藏。

7新岩類型

殼源成因碳酸岩————————---碳酸岩
在野外觀察到「大理岩」呈岩牆、岩枝和細脈侵入石英閃長岩。根據石准立等的趨勢面分析資料,在深部,本礦區「大理岩」與石英閃長岩的接觸帶總是以突人石英閃長岩內為特徵。在「大理岩」與灰岩接觸帶附近觀察到大理岩粒度由於溫度冷卻快而變細和在「大理岩」中有灰岩殘留體。「大理岩」本身的方解石粒度中部粗兩側細。大理岩礦物結晶顆粒比長江中下游許多接觸熱變質形成的大理岩粗。「大理岩」內部淺色大理岩為白色,常具有定向的細條紋構造(可能為流動構造或構造事件引起的線性構造),局部產狀變化急劇。
在尖山礦段產在「大理岩」中的「條帶狀輝石一石榴石大理岩」,主要含輝石和石榴石條帶,其條帶走向與「大理岩」岩體延伸方向斜交,且與區內一組斷裂構造有關。顯微鏡觀察結果表明,在製備的約65塊包裹體切片中均觀察到熔融包裹體或流體一熔融包裹體及流體包裹體。包裹體加熱實驗結果顯示,「大理岩」中方解石及「條帶狀輝石一石榴石大理岩」中的石榴子石和方解石中熔融包裹體接近均一的溫度為880~1055℃,流體一熔融包裹體均一溫度為645~740℃。
「大理岩」及「條帶狀輝石-石榴石大理岩」的C和O同位素組成與長江中下游的灰岩大致一致,在δ^13C-δ^18O相關圖中的投影點落在沉積碳酸鹽範圍。電子探針分析表明,在「條帶狀輝石-石榴石大理岩」的方解石中的一個熔融包裹體為含Si、Ca、Mg、Al和K的混合物(即玻璃)。「大理岩」中的圓形固體包裹體成分經電子探針檢查為方解石。能譜分析結果表明,「白雲質大理岩」的白雲石中圓形固體包裹體成分與白雲石類似,但與寄主礦物略有區別。在上述初步研究基礎上認為,本文所報道的「大理岩」和「條帶狀輝石-石榴石大理岩」不是由於接觸變質引起方解石重結晶的產物,而可能是一種新的碳酸岩類型——殼源成因碳酸岩。

8條件模擬技術

碳酸岩
條件模擬是一種取得特徵分佈的地質統計技術。條件模擬的基礎是模擬模型,建立儲層模擬模型是油藏模擬的基礎,該模型把儲層各項物理參數在三維空間的分佈定量地表徵出來。通常的模型是把儲層網格化,給每個網格賦以各自的參數值,來反映儲層參數的三維空間變化。網格的尺寸愈小表明模型愈細;每個網格的參數值與實際值誤差愈小,表明模型的精度愈高。
影響流體在儲層內流動的儲層參數很多,如滲透率、孔隙度、飽和度、毛管壓力、潤濕性、層內不滲透薄夾層的分佈等。儲層的規模範圍可劃分為四級,即微觀範圍(少量幾個孔隙範圍)、宏觀範圍(岩塞和流動特徵的實驗測量)、大型範圍(全油田規模的大網塊範圍)、巨大型範圍(油藏範圍)。儲層描述都有概率的特徵,因為有用的資料不完整、儲層建塊的空間配置複雜、地質特徵有內在變化,這些阻礙了對測量點之間的性質作確定性製圖。
條件模擬的步驟是從地質統計方法所得出的許多隨機場中取出其中的一個,並讓它通過所測量的數據,同時還要保持隨機場的總體對比結構。有了各種範圍的變數模擬,就可以用表面克里格法把變數分成大範圍的和小範圍的。克里格面有取樣點可觀察的所有大範圍變數,但平滑了小範圍的變數。所得的克里格余直只有小範圍的變數和小範圍變數的準確數量,但這些必須加回到克里格面上,以得出與規則一致的分佈。
流動參數比例平均化 流動參數主要有絕對滲透率、分散率和相對滲透率。當模擬比例比宏觀比例大時,在模擬模型中賦予的流動參數一般需要確定有效流動參數和有效流體成分。影響有效流動參數的主要因素是滲透率分佈的非均質性。
儲層表徵的不確定性 由於條件模擬實現空間隨機函數不是獨一無二的,因此,需要評價儲層描述中的不確定性。這可通過模擬多次實現滲透率場的過程特徵來完成。由於詳細地模擬複雜多相流動過程所需的時間太長,成本太高;因此,應該檢索一下可能實現的族譜,以證實哪些實現有條件模擬最適宜、最不適宜和最可能的結果。
條件模擬是一種取得特徵分佈的地質統計技術,可來預測碳酸岩儲層的物性參數。如果岩石結構信息綜合到滲透率換算方程中,那麼電測井計算滲透率可以有很大的改進。杜恩油田幾乎不存在孔洞孔隙度,依據顆粒大小和分選確定了三種孔隙系統,這三種孔隙系統在電阻率對聲波測井孔隙度的圖中各佔有特定的位置,具有特有的孔隙度和滲透率之間的關係,並可通過電阻率和聲波測井精確計算滲透率。

9岩石學特徵

碳酸岩的基本結構
碳酸岩岩牆位於白雲鄂博礦床東礦北東約3 km的都拉哈拉山的西北麓,斜切白雲鄂博群底部H1粗粒石英砂岩和礫岩以及H2的細粒石英岩。岩牆的走向約40°,傾向北西,傾角85~89°,岩牆地表露頭長約60 m,寬1.1~1.5 m。岩牆與H1和H2圍岩界線分明,在其兩側的接觸帶形成以鈉鐵閃石-鎂質鈉閃石、鈉長石、金雲母為特徵的寬約10~20 cm的霓長岩化帶。這些以鹼質為特徵的礦物沿圍岩中的裂隙及節理分佈,離開接觸帶可達20~30 m之遙。
碳酸岩的岩性雖然較為均一,但是常見有圍岩的捕虜體和捕虜晶,如石英砂岩、石英岩和霓長岩、鈉鐵閃石等。岩石呈細粒結構,有時為似斑狀結構。因受後期構造的影響,岩石發生了強烈變形,組成礦物多呈定向排列,大的方解石斑晶的解理縫發生彎曲,出現波狀消光。
組成岩石的主要礦物是方解石,呈自形-半自形,粒徑為0.2~0.4 mm,大的斑晶可達5~7 mm;顆粒之間多保留120°的三連晶關係,為典型的細粒火成碳酸岩結構,所以可將岩石稱為細粒方解石碳酸岩。方解石以富含Sr和Mn為特徵,但是其REE含量多在電子探針的檢測限以下。
次要礦物為氟碳鈰礦和氟碳鈣鈰礦,多呈自形-半自形粒狀,粒徑為0.01~0.07 mm,但是大者可達0.3~0.5 mm,一些細小顆粒組成粒狀集合體,與方解石呈相嵌接觸關係,說明它們是從碳酸岩漿直接結晶而成的原生礦物。此外,岩石還含有氟碳鈰鋇礦、鈉鐵閃石-鎂質鈉閃石、磷灰石、磁鐵礦、獨居石、褐簾石、石英、熒石、白雲石和重晶石等。

10岩石地球化學特徵

白雲鄂博碳酸岩岩牆代表性樣品的球粒隕石標準化REE分佈型式圖解(球粒隕石標準化數據引自Boynton,1984; 樣品90/39,90/43,90/44,90/48為碳酸岩; 90/49,90/51為霓長岩)
碳酸岩的基本結構

  碳酸岩的基本結構

分析方法:每個樣品精心挑選500 g小碎塊,用蒸餾水清洗乾淨,用烘箱(100 ℃)烘乾。將樣品碎塊置於瑪瑙球磨內粉碎至200目以下。全岩分析在英國Leicester大學地質系用Philips PW 1400 X熒光光譜儀測量,用熔片法測量主要元素(用銠管測定),壓片法測量微量元素,用銠管測定Ni,Zn,Rb,Sr,Y,Zr,Nb和Th,用鎢管測量Sc,V,Cr,Cu,Ba,La,Ce和Nd。為了使微量元素在儀器分析範圍之內,將樣品與光譜純SiO2按照1∶1的比例進行稀釋。樣品的稀土元素分析也在Leicester大學地質系利用等離子光譜儀測定,對原始ICP數據進行Ba,Sr,Ca,Fe和Zr譜線疊加校正。
稀土元素:碳酸岩全岩樣品的REE含量高,變化範圍大,介於1.45%~19.92%,平均為8.36%(質量分數),業已構成REE富礦石。球粒隕石標準化REE分佈型式呈現LREE強烈富集,無Eu異常,與世界其他地區碳酸岩的REE分佈形成一致。NLa/Yb比值介於139~1776,平均為814,說明碳酸岩的輕稀土與重稀土元素之間發生了極度分餾。此外,不同樣品的稀土元素含量相差近14倍,預示碳酸岩岩牆內REE分佈極不均勻。這與岩
碳酸岩

  碳酸岩

石薄片觀察所發現的氟碳鈰礦等稀土礦物局部高度集中(可達15%~20%(體積分數))的結果吻合。此外,方解石雖然富含Sr和Mn,表現為典型的火成碳酸岩的特徵,但是其REE含量多在電子探針的檢測限以下,預示REE主要賦存在氟碳鈰礦等稀土礦物之中。
白雲鄂博碳酸岩岩牆代表性樣品的原始地幔標準化微量元素蜘蛛圖解(原始地幔標準化數據引自Wood等,1979; 樣品90/39,90/42,90/43,90/44,90/45,90/52,93/149為碳酸岩; 90/40,90/46/90/55,90/56為霓長岩)
微量元素:XRF分析結果如表2所示。原始地幔標準化的碳酸岩微量元素蜘蛛圖解表明,碳酸岩富含Ba,Th,LREE和Sr,變化多端的Nb和P,以及較低的Rb,K和Ti,Zr雖然含量較低,但是異常並不顯著。這種微量元素蜘蛛圖與常見的細粒方解石碳酸岩完全一致。值得指出的是,它們與白雲鄂博REE-Nb-Fe礦床的細粒賦礦白雲石大理岩(H8f)的微量元素蜘蛛圖幾乎重疊。全岩Sm-Nd同位素測年結果表明,碳酸岩岩牆形成年齡t=1223±65(2σ) Ma,INd=0.510926±35(2σ),εNd(t)=-2.63±0.68。這在誤差範圍內,與白雲鄂博稀土礦石的Sm-Nd等時年齡一致,其初始143Nd/144Nd比值也十分接近。
與正常沉積石英砂岩相比,霓長岩的SiO2含量降低,Na2O和Fe2O3顯著升高,說明霓長岩化作用帶入了Na和Fe,帶出了Si。此外,霓長岩的微量元素蜘蛛圖解顯示了較高的Rb,K和Zr,保留了一般沉積石英砂岩的特徵; 但是,Ba,La,Ce,Nd,Sr明顯呈現富集,這是碳酸岩岩牆引起的圍岩霓長岩化疊加作用的特徵。從形成時間上看,霓長岩與碳酸岩是同時的,或者略晚一些。所以,用霓長岩和碳酸岩作為全岩Sm-Nd同位素測年樣品所獲得的結果是可靠的。

11稀土元素富集機制

碳酸鹽岩儲集層
碳酸岩已達到REE富礦石的品位。主要賦存在氟碳鈰礦和氟碳鈣鈰礦等礦物之中; 岩石結構分析表明,它們與方解石呈相嵌接觸關係,說明是從碳酸岩漿直接結晶而成的原生礦物。這種岩石結構關係在Mountain Pass富稀土碳酸岩中也有發現。值得指出的是,碳酸岩中氟碳鈰礦和氟碳鈣鈰礦的稀土元素配分型式與白雲鄂博礦床的賦礦白雲石大理岩中的這類礦物十分相似。碳酸岩的微量元素蜘蛛圖解和形成時代亦與賦礦白雲石大理岩和稀土礦石几乎相同。這些地球化學特徵說明碳酸岩的形成與白雲鄂博礦床的成因可能存在著某種內在的聯繫。此外,已經獲得的O,C和Sr研究成果支持這種推論。
與正常沉積石灰岩中的方解石比較可以看出,REE碳酸岩中的方解石富含Sr和Mn; 用不同REE碳酸岩樣品中方解石的Sr與Mn投圖表明,它們呈反相關關係,反映碳酸岩經歷了分離結晶作用。及用全岩La/Sr-La/Nd和Ba/Sr-La/Sr等所作的圖解也說明了碳酸岩發生了分離結晶作用。因此,可以推測,大量方解石的結晶分離致使殘餘岩漿中REE高度富集。REE的這種富集過程與Mountain Pass碳酸岩十分相似。Wyllie等指出,碳酸岩REE的高度富集過程應該發生在地殼環境中,但是這種源於地幔的碳酸岩岩漿的REE初始濃度不能太低,否則REE進入主要碳酸鹽礦物和其他礦物,因而沒有機會形成REE礦物。如果碳酸岩岩漿的REE濃度高於這個最低水平,那麼排除形成REE碳酸岩的最主要因素是在碳酸岩岩漿的結晶過程中,有結晶溫度較高的含REE礦物(如磷灰石,獨居石,鈣鈦礦等)從岩漿中結晶分離,帶出了相當數量的REE。這樣的結果必然不能形成REE碳酸岩,而形成磷灰石-磁鐵礦型碳酸岩。
由於沒有出露與碳酸岩共生的硅酸不飽和鹼性岩石,所以很難判斷都拉哈拉碳酸岩是源於地幔軟流圈低程度部分熔融作用的霞石質岩漿經地殼環境下液態不混溶作用所形成的可能性,但也不能排除這種機制的存在。在中元古代,白雲鄂博處於華北地台北緣的裂谷環境中,明顯有別於非洲鹼性岩-碳酸岩形成的構造環境。因此,在火成碳酸岩的岩石組合上可能出現了差異,即使在地殼環境中發生了無法觀察的液態不混溶作用,REE也不會在熔離出的碳酸岩熔體中得到有意義的富集。可以設想碳酸岩漿直接形成於岩石圈地幔極低程度的部分熔融作用。扣除以分離結晶作用造成的REE高度富集的影響,假定樣品90/39代表原始碳酸岩漿,那麼產生這種岩漿必須要求地幔源區是一種已經富集的地幔。大量高溫高壓實驗表明,在壓力為2.1~3.1 GPa和930~1080 ℃的上地幔條件下,地幔二輝橄欖岩的部分熔融作用能夠產生碳酸岩熔體。模擬計算結果表明,經原始地幔富集10~20倍的富集地幔按1%的低程度部分熔融作用,可以形成REE濃度約1000 μg.g-1的初始碳酸岩熔體。殘留礦物相中的柘榴石要求不低於20%。這種REE已經初步富集的碳酸岩熔體再經歷地殼環境中的分離結晶作用能夠達到觀察到的碳酸岩的REE濃度水平。
研究表明,大理岩體是一個碳酸岩侵入體,隨後由於構造作用和糜棱岩化作用促使粗粒白雲石大理岩發生細粒化,成礦熱液導致其發生重結晶作用; REE-Nb-Fe成礦作用和碳酸岩岩漿活動有關。白雲岩化作用的可能模式是:由於碳酸岩漿的侵入,引起本區對流的熱液體系重新調整,導致鎂從白雲鄂博群沉積岩,特別是頁岩,活化轉移到碳酸岩體之中致使其發生白雲岩化作用。而碳酸岩岩牆由於產生的熱量太小,以至不能形成一定規模的對流熱液體系,所以它們多數沒有發生白雲岩化作用。另一種可能性是,賦礦粗粒白雲石大理岩是原生白雲質碳酸岩漿冷卻結晶作用而形成,是和鈣質碳酸岩岩牆同源岩漿不同階段的產物。這種推測的直接依據是切割賦礦粗粒白雲石大理岩上覆H9板岩的另外一條細粒碳酸岩岩牆也是鈣質的,沒有發生白雲岩化作用; 而他與白雲石大理岩的微量元素和C以及O同位素地球化學特點一致。
地幔流體的微量元素蜘蛛圖與常見的碳酸岩也是相似的,是引起地幔交代作用的重要介質之一。假設這種地幔流體交代沉積石灰岩或者白雲岩而形成了賦礦白雲石大理岩,使其具有碳酸岩的岩石地球化學特徵,那麼大理岩的礦物共生組合和礦物生成順序應遵從交代關係。事實上,描述的岩石結構和礦物生成順序與礦化碳酸岩是一致的,赤鐵礦形成於磁鐵礦之後,所描述的赤鐵礦經地幔流體交代反應形成了磁鐵礦。
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