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  • 碳酸岩

    碳酸岩(carbonatite)是主要由碳酸盐矿物(体积分数>50%)组成的一种火山岩或侵入岩。在空间上和成因上与碱超基性杂岩体有关的、主要由碳酸盐矿物组成的火成岩。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    中文名: 碳酸岩 外文名: carbonatite
    颜色: 呈浅灰至灰白色
    组成矿物: 碳酸盐矿物 属 于: 岩浆成因的称为“碳酸岩”

    目录

    矿物特征/碳酸岩 编辑

    岩石呈浅灰至灰白色;粒状结构,细至粗粒,有时呈巨晶结构;常为块状构造,有时见原生条带、球粒和球体构造。

    化学成分/碳酸岩 编辑

    碳酸岩化学成分变化较大,多数岩石富CaO和CO2,SiO2很低,稀土元素含量较高,以铈族稀土元素为主,族稀土元素几乎不存在,Nb2O3含量普遍高于TaO3含量。碳酸岩与沉积碳酸盐岩化学成分差别很大,沉积碳酸盐岩通常富含SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、K2O、Na2O、SrO和P2O5,而CaO和CO2含量一般相对较低。  

    矿物组成/碳酸岩 编辑

    主要组成矿物为方解石、白云石及铁白云石,偶尔见菱铁矿。此外,还富含多种(180种左右)次要矿物和副矿物,如辉石类、金云母、磷灰石、天青石、铈族稀土氟碳酸盐矿物、磁铁矿、铌钽矿物、铀钍矿物、萤石、碳硅石等。一般根据所含碳酸盐矿物分为:方解石碳酸岩、白云石碳酸岩、铁白云石碳酸岩和菱铁矿碳酸岩等。  

    产状/碳酸岩 编辑

    碳酸岩主要呈中心型侵入杂岩体产出,产状有中心岩株体、环状、锥状及放射状岩墙、岩床、岩流及岩被等。已知中心岩株由顶到底达 1万米。碳酸岩常发生强烈分离结晶作用、熔离作用和碱交代作用。碳酸岩的分布与深断裂有关,主要产于古老地台边缘断裂系及褶皱带内中间地块断裂带。空间上它经常与碱性岩-超基性杂岩体或金伯利岩共生。除南极洲外,所有大陆都有碳酸岩的分布。

    分类共生/碳酸岩 编辑

    碳酸岩地貌(图2) 碳酸岩地貌(图2)

    一类主要由碳酸盐矿物组成的火成岩。矿物成分复杂 ,已发现180多种 ,其中最常见的方解石、白云石、菱镁矿等碳酸盐矿物约占80%,其次为碱性长石、辉石、黑云母、磷灰石、橄榄石等。常见有某种独特的矿物共生关系:①高温矿物(钙钛矿、独居石)与低温矿物(重晶石、天青石等)共生。②硅质矿物与硅不饱和矿物共生(如石英-橄榄石 、石英-霞石等)。主要类型有黑云碳酸岩 、方解石碳酸岩 、白云石碳酸岩等。在成因和空间上 ,常与超基性-碱性岩系列的岩石关系密切,组成超基性-碱性-碳酸岩杂岩体。碳酸岩多分布在杂岩体的中心,呈岩筒状或放射状岩脉产出。在区域上,这类杂岩主要分布在地壳构造运动稳定的地区,沿深大断裂带分布。

    成因/碳酸岩 编辑

    碳酸岩其成因有多种观点,有下列几种:①超基性岩浆衍生的碳酸盐岩浆结晶生成;②碱超基性岩浆分离出的富CO2热液交代碱性岩或超基性岩生成;③富CO2的含矿热液充填围岩裂隙形成碳酸岩伴生的矿产种类多,这是它与其他岩浆岩的重要区别。主要矿产有铈族稀土、铌、铀(钍)、铁、钛、磷、铜、铅、锌、蛭石、萤石及碳酸盐原料等。中国碳酸岩有火山沉积成因和岩浆贯入成因两种类型。

    岩浆喷发/碳酸岩 编辑

    喷发碳酸岩浆(图1) 喷发碳酸岩浆(图1)

    非洲坦桑尼亚欧尔多因佑连盖火山是地球上惟一一座喷发碳酸岩浆的活火山。碳酸岩熔岩喷发时的温度高达530摄氏度,虽然该温度大约只有玄武岩熔岩流的一半,但四处飞溅的熔岩滴还是足以烧穿棉质的跳伞衣,就像香火烧穿尼龙布一样。

    图1为熔岩在空气中逐渐变硬,形成了一幅艺术画,就像雄鹰的翅膀。

    岩石信息/碳酸岩 编辑

    方解石碳酸岩

    方解石碳酸岩(图3) 方解石碳酸岩(图3)

    岩石名称:方解石碳酸岩

    英文名称:Calcite carbonatite

    颜色:浅褐

    构造:块状构造

    结构:中粒结构

    主要成分:褐色方解石,少量灰白色方解石

    所属岩类:岩浆岩\超基性深成侵入岩

    产地:山东淄博

    采集人:中国地质大学教工

    采集时间:1982.11

    存放地点:博物馆

    编号:博C1132-0-1

    蚀变黑云母

    岩石名称:蚀变黑云母碳酸岩

    蚀变黑云母碳酸岩(图4) 蚀变黑云母碳酸岩(图4)


      

    英文名称:Altered biotite-carbonatite

    颜色:浅灰绿

    构造:块状构造

    结构:中粒结构

    主要成分:方解石、黑云母(部分已褪色)

    所属岩类:岩浆岩\超基性深成侵入岩

    产地:山东莱芜

    采集人:夏卫华

    采集时间:1982.11

    存放地点:博物馆

    编号:博C1131-0-1

    新岩类型/碳酸岩 编辑

    壳源成因碳酸岩

    在野外观察到“大理岩”呈岩墙、岩枝和细脉侵入石英闪长岩。根据石准立等的趋势面分析资料,在深部,本矿区“大理岩”与石英闪长岩的接触带总是以突入石英闪长岩内为特征。在“大理岩”与灰岩接触带附近观察到大理岩粒度由于温度冷却快而变细和在“大理岩”中有灰岩残留体。“大理岩”本身的方解石粒度中部粗两侧细。大理岩矿物结晶颗粒比长江中下游许多接触热变质形成的大理岩粗。“大理岩”内部浅色大理岩为白色,常具有定向的细条纹构造(可能为流动构造或构造事件引起的线性构造),局部产状变化急剧。

    在尖山矿段产在“大理岩”中的“条带状辉石一石榴石大理岩”,主要含辉石和石榴石条带,其条带走向与“大理岩”岩体延伸方向斜交,且与区内一组断裂构造有关。显微镜观察结果表明,在制备的约65块包裹体切片中均观察到熔融包裹体或流体一熔融包裹体及流体包裹体。包裹体加热实验结果显示,“大理岩”中方解石及“条带状辉石一石榴石大理岩”中的石榴子石和方解石中熔融包裹体接近均一的温度为880~1055℃,流体一熔融包裹体均一温度为645~740℃。

    “大理岩”及“条带状辉石-石榴石大理岩”的C和O同位素组成与长江中下游的灰岩大致一致,在δ^13C-δ^18O相关图中的投影点落在沉积碳酸盐范围。电子探针分析表明,在“条带状辉石-石榴石大理岩”的方解石中的一个熔融包裹体为含Si、Ca、Mg、Al和K的混合物(即玻璃)。“大理岩”中的圆形固体包裹体成分经电子探针检查为方解石。能谱分析结果表明,“白云质大理岩”的白云石中圆形固体包裹体成分与白云石类似,但与寄主矿物略有区别。在上述初步研究基础上认为,本文所报道的“大理岩”和“条带状辉石-石榴石大理岩”不是由于接触变质引起方解石重结晶的产物,而可能是一种新的碳酸岩类型——壳源成因碳酸岩。

    条件模拟技术/碳酸岩 编辑

    碳酸岩

    条件模拟是一种取得特征分布的地质统计技术。条件模拟的基础是模拟模型,建立储层模拟模型是油藏模拟的基础,该模型把储层各项物理参数在三维空间的分布定量地表征出来。通常的模型是把储层网格化,给每个网格赋以各自的参数值,来反映储层参数的三维空间变化。网格的尺寸愈小表明模型愈细;每个网格的参数值与实际值误差愈小,表明模型的精度愈高。

    影响流体在储层内流动的储层参数很多,如渗透率、孔隙度、饱和度、毛管压力、润湿性、层内不渗透薄夹层的分布等。储层的规模范围可划分为四级,即微观范围(少量几个孔隙范围)、宏观范围(岩塞和流动特征的实验测量)、大型范围(全油田规模的大网块范围)、巨大型范围(油藏范围)。储层描述都有概率的特征,因为有用的资料不完整、储层建块的空间配置复杂、地质特征有内在变化,这些阻碍了对测量点之间的性质作确定性制图。

    条件模拟的步骤是从地质统计方法所得出的许多随机场中取出其中的一个,并让它通过所测量的数据,同时还要保持随机场的总体对比结构。有了各种范围的变量模拟,就可以用表面克里格法把变量分成大范围的和小范围的。克里格面有取样点可观察的所有大范围变量,但平滑了小范围的变量。所得的克里格余直只有小范围的变量和小范围变量的准确数量,但这些必须加回到克里格面上,以得出与规则一致的分布。

    流动参数比例平均化 流动参数主要有绝对渗透率、分散率和相对渗透率。当模拟比例比宏观比例大时,在模拟模型中赋予的流动参数一般需要确定有效流动参数和有效流体成分。影响有效流动参数的主要因素是渗透率分布的非均质性。

    储层表征的不确定性 由于条件模拟实现空间随机函数不是独一无二的,因此,需要评价储层描述中的不确定性。这可通过模拟多次实现渗透率场的过程特征来完成。由于详细地模拟复杂多相流动过程所需的时间太长,成本太高;因此,应该检索一下可能实现的族谱,以证实哪些实现有条件模拟最适宜、最不适宜和最可能的结果。

    条件模拟是一种取得特征分布的地质统计技术,可来预测碳酸岩储层的物性参数。如果岩石结构信息综合到渗透率换算方程中,那么电测井计算渗透率可以有很大的改进。杜恩油田几乎不存在孔洞孔隙度,依据颗粒大小和分选确定了三种孔隙系统,这三种孔隙系统在电阻率对声波测井孔隙度的图中各占有特定的位置,具有特有的孔隙度和渗透率之间的关系,并可通过电阻率和声波测井精确计算渗透率。

    岩石学特征/碳酸岩 编辑

    基本结构

    碳酸岩岩墙位于白云鄂博矿床东矿北东约3 km的都拉哈拉山的西北麓,斜切白云鄂博群底部H1粗粒石英砂岩和砾岩以及H2的细粒石英岩。岩墙的走向约40°,倾向北西,倾角85~89°,岩墙地表露头长约60 m,宽1.1~1.5 m。岩墙与H1和H2围岩界线分明,在其两侧的接触带形成以钠铁闪石-镁质钠闪石、钠长石、金云母为特征的宽约10~20 cm的霓长岩化带。这些以碱质为特征的矿物沿围岩中的裂隙及节理分布,离开接触带可达20~30 m之遥。

    碳酸岩的岩性虽然较为均一,但是常见有围岩的捕虏体和捕虏晶,如石英砂岩、石英岩和霓长岩、钠铁闪石等。岩石呈细粒结构,有时为似斑状结构。因受后期构造的影响,岩石发生了强烈变形,组成矿物多呈定向排列,大的方解石斑晶的解理缝发生弯曲,出现波状消光。

    组成岩石的主要矿物是方解石,呈自形-半自形,粒径为0.2~0.4 mm,大的斑晶可达5~7 mm;颗粒之间多保留120°的三连晶关系,为典型的细粒火成碳酸岩结构,所以可将岩石称为细粒方解石碳酸岩。方解石以富含Sr和Mn为特征,但是其REE含量多在电子探针的检测限以下。

    次要矿物为氟碳铈矿和氟碳钙铈矿,多呈自形-半自形粒状,粒径为0.01~0.07 mm,但是大者可达0.3~0.5 mm,一些细小颗粒组成粒状集合体,与方解石呈相嵌接触关系,说明它们是从碳酸岩浆直接结晶而成的原生矿物。此外,岩石还含有氟碳铈钡矿、钠铁闪石-镁质钠闪石、磷灰石、磁铁矿、独居石、褐帘石、石英、荧石、白云石和重晶石等。

    化学特征

    白云鄂博碳酸岩岩墙代表性样品的球粒陨石标准化REE分布型式图解(球粒陨石标准化数据引自Boynton,1984; 样品90/39,90/43,90/44,90/48为碳酸岩; 90/49,90/51为霓长岩)

    碳酸岩的基本结构 碳酸岩的基本结构

    分析方法:每个样品精心挑选500 g小碎块,用蒸馏水清洗干净,用烘箱(100 ℃)烘干。将样品碎块置于玛瑙球磨内粉碎至200目以下。全岩分析在英国Leicester大学地质系用Philips PW 1400 X荧光光谱仪测量,用熔片法测量主要元素(用铑管测定),压片法测量微量元素,用铑管测定Ni,Zn,Rb,Sr,Y,Zr,Nb和Th,用钨管测量Sc,V,Cr,Cu,Ba,La,Ce和Nd。为了使微量元素在仪器分析范围之内,将样品与光谱纯SiO2按照1∶1的比例进行稀释。样品的稀土元素分析也在Leicester大学地质系利用等离子光谱仪测定,对原始ICP数据进行Ba,Sr,Ca,Fe和Zr谱线叠加校正。

    稀土元素:碳酸岩全岩样品的REE含量高,变化范围大,介于1.45%~19.92%,平均为8.36%(质量分数),业已构成REE富矿石。球粒陨石标准化REE分布型式呈现LREE强烈富集,无Eu异常,与世界其他地区碳酸岩的REE分布形成一致。NLa/Yb比值介于139~1776,平均为814,说明碳酸岩的轻稀土与重稀土元素之间发生了极度分馏。此外,不同样品的稀土元素含量相差近14倍,预示碳酸岩岩墙内REE分布极不均匀。这与岩石薄片观察所发现的氟碳铈矿等稀土矿物局部高度集中(可达15%~20%(体积分数))的结果吻合。此外,方解石虽然富含Sr和Mn,表现为典型的火成碳酸岩的特征,但是其REE含量多在电子探针的检测限以下,预示REE主要赋存在氟碳铈矿等稀土矿物之中。

    白云鄂博碳酸岩岩墙代表性样品的原始地幔标准化微量元素蜘蛛图解(原始地幔标准化数据引自Wood等,1979; 样品90/39,90/42,90/43,90/44,90/45,90/52,93/149为碳酸岩; 90/40,90/46/90/55,90/56为霓长岩)

    微量元素:XRF分析结果如表2所示。原始地幔标准化的碳酸岩微量元素蜘蛛图解表明,碳酸岩富含Ba,Th,LREE和Sr,变化多端的Nb和P,以及较低的Rb,K和Ti,Zr虽然含量较低,但是异常并不显著。这种微量元素蜘蛛图与常见的细粒方解石碳酸岩完全一致。值得指出的是,它们与白云鄂博REE-Nb-Fe矿床的细粒赋矿白云石大理岩(H8f)的微量元素蜘蛛图几乎重叠。全岩Sm-Nd同位素测年结果表明,碳酸岩岩墙形成年龄t=1223±65(2σ) Ma,INd=0.510926±35(2σ),εNd(t)=-2.63±0.68。这在误差范围内,与白云鄂博稀土矿石的Sm-Nd等时年龄一致,其初始143Nd/144Nd比值也十分接近。

    与正常沉积石英砂岩相比,霓长岩的SiO2含量降低,Na2O和Fe2O3显著升高,说明霓长岩化作用带入了Na和Fe,带出了Si。此外,霓长岩的微量元素蜘蛛图解显示了较高的Rb,K和Zr,保留了一般沉积石英砂岩的特征; 但是,Ba,La,Ce,Nd,Sr明显呈现富集,这是碳酸岩岩墙引起的围岩霓长岩化叠加作用的特征。从形成时间上看,霓长岩与碳酸岩是同时的,或者略晚一些。所以,用霓长岩和碳酸岩作为全岩Sm-Nd同位素测年样品所获得的结果是可靠的。

    富集机制

    碳酸盐岩储集层

    碳酸岩已达到REE富矿石的品位。主要赋存在氟碳铈矿和氟碳钙铈矿等矿物之中; 岩石结构分析表明,它们与方解石呈相嵌接触关系,说明是从碳酸岩浆直接结晶而成的原生矿物。这种岩石结构关系在Mountain Pass富稀土碳酸岩中也有发现。值得指出的是,碳酸岩中氟碳铈矿和氟碳钙铈矿的稀土元素配分型式与白云鄂博矿床的赋矿白云石大理岩中的这类矿物十分相似。碳酸岩的微量元素蜘蛛图解和形成时代亦与赋矿白云石大理岩和稀土矿石几乎相同。这些地球化学特征说明碳酸岩的形成与白云鄂博矿床的成因可能存在着某种内在的联系。此外,已经获得的O,C和Sr研究成果支持这种推论。

    与正常沉积石灰岩中的方解石比较可以看出,REE碳酸岩中的方解石富含Sr和Mn; 用不同REE碳酸岩样品中方解石的Sr与Mn投图表明,它们呈反相关关系,反映碳酸岩经历了分离结晶作用。及用全岩La/Sr-La/Nd和Ba/Sr-La/Sr等所作的图解也说明了碳酸岩发生了分离结晶作用。因此,可以推测,大量方解石的结晶分离致使残余岩浆中REE高度富集。REE的这种富集过程与Mountain Pass碳酸岩十分相似。Wyllie等指出,碳酸岩REE的高度富集过程应该发生在地壳环境中,但是这种源于地幔的碳酸岩岩浆的REE初始浓度不能太低,否则REE进入主要碳酸盐矿物和其他矿物,因而没有机会形成REE矿物。如果碳酸岩岩浆的REE浓度高于这个最低水平,那么排除形成REE碳酸岩的最主要因素是在碳酸岩岩浆的结晶过程中,有结晶温度较高的含REE矿物(如磷灰石,独居石,钙钛矿等)从岩浆中结晶分离,带出了相当数量的REE。这样的结果必然不能形成REE碳酸岩,而形成磷灰石-磁铁矿型碳酸岩。

    由于没有出露与碳酸岩共生的硅酸不饱和碱性岩石,所以很难判断都拉哈拉碳酸岩是源于地幔软流圈低程度部分熔融作用的霞石质岩浆经地壳环境下液态不混溶作用所形成的可能性,但也不能排除这种机制的存在。在中元古代,白云鄂博处于华北地台北缘的裂谷环境中,明显有别于非洲碱性岩-碳酸岩形成的构造环境。因此,在火成碳酸岩的岩石组合上可能出现了差异,即使在地壳环境中发生了无法观察的液态不混溶作用,REE也不会在熔离出的碳酸岩熔体中得到有意义的富集。可以设想碳酸岩浆直接形成于岩石圈地幔极低程度的部分熔融作用。扣除以分离结晶作用造成的REE高度富集的影响,假定样品90/39代表原始碳酸岩浆,那么产生这种岩浆必须要求地幔源区是一种已经富集的地幔。大量高温高压实验表明,在压力为2.1~3.1 GPa和930~1080 ℃的上地幔条件下,地幔二辉橄榄岩的部分熔融作用能够产生碳酸岩熔体。模拟计算结果表明,经原始地幔富集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浓度约1000 μg.g-1的初始碳酸岩熔体。残留矿物相中的柘榴石要求不低于20%。这种REE已经初步富集的碳酸岩熔体再经历地壳环境中的分离结晶作用能够达到观察到的碳酸岩的REE浓度水平。

    研究表明,大理岩体是一个碳酸岩侵入体,随后由于构造作用和糜棱岩化作用促使粗粒白云石大理岩发生细粒化,成矿热液导致其发生重结晶作用; REE-Nb-Fe成矿作用和碳酸岩岩浆活动有关。白云岩化作用的可能模式是:由于碳酸岩浆的侵入,引起本区对流的热液体系重新调整,导致镁从白云鄂博群沉积岩,特别是页岩,活化转移到碳酸岩体之中致使其发生白云岩化作用。而碳酸岩岩墙由于产生的热量太小,以至不能形成一定规模的对流热液体系,所以它们多数没有发生白云岩化作用。另一种可能性是,赋矿粗粒白云石大理岩是原生白云质碳酸岩浆冷却结晶作用而形成,是和钙质碳酸岩岩墙同源岩浆不同阶段的产物。这种推测的直接依据是切割赋矿粗粒白云石大理岩上覆H9板岩的另外一条细粒碳酸岩岩墙也是钙质的,没有发生白云岩化作用; 而他与白云石大理岩的微量元素和C以及O同位素地球化学特点一致。

    地幔流体的微量元素蜘蛛图与常见的碳酸岩也是相似的,是引起地幔交代作用的重要介质之一。假设这种地幔流体交代沉积石灰岩或者白云岩而形成了赋矿白云石大理岩,使其具有碳酸岩的岩石地球化学特征,那么大理岩的矿物共生组合和矿物生成顺序应遵从交代关系。事实上,描述的岩石结构和矿物生成顺序与矿化碳酸岩是一致的,赤铁矿形成于磁铁矿之后,所描述的赤铁矿经地幔流体交代反应形成了磁铁矿。

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