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碳酸盐岩分类及性质详解

时间:2023-09-26 理论教育 版权反馈
【摘要】:碳酸盐岩的形成绝大部分是处于海洋环境。碳酸盐岩物质成分和结构类型对岩溶发育的影响起了重要的作用。黏土矿物不是构成碳酸盐岩的主要矿物,当其含量达到一定的程度时可以称为泥质灰岩。桂林地区的碳酸盐岩往往纯度较高,酸不溶物的含量大部分小于5%。在构成碳酸盐岩的矿物成分中方解石与白云石微溶于水,属于可溶解成分,遇到酸发生强烈的酸碱中和反应,并释放出CO2气体。

碳酸盐岩分类及性质详解

(1)碳酸盐岩的分类

碳酸盐岩是指碳酸盐矿物含量超过50%的岩类,是地球上沉积岩的一种,在海洋或内陆湖泊都可以形成。在地球历史上碳酸盐岩的分布十分广泛,从太古代到新生代都有,中国的碳酸盐岩主要形成于古生代。古老的碳酸盐岩发生变质作用会形成大理石。新生代最年轻的碳酸盐岩分布在海洋中的珊瑚礁。由于碳酸盐岩的种类非常多,因此必须进行分类。在成分分类的基础上按照结构组分进行分类的方案得到国际上普遍认可。

桂林从泥盆系中部至石炭系下部都是以碳酸盐岩沉积为主,碳酸盐岩的类型丰富,构成了岩溶发育的物质基础。这些碳酸盐岩可以根据颜色、矿物组成、结构成因等标准分类,颜色是岩石最突出的特征之一。根据颜色的深浅可以分为6类,分别是灰白色、浅灰色、灰色、深灰色、灰黑色、黑色(表3-1、图3-4、图3-5)。岩石的颜色是其矿物组成和结构的综合反映,但是在野外观察岩石的颜色时一定要注意寻找新鲜的岩石面。长期暴露于地表的岩石或者埋藏在土壤下的岩石因为受到风化作用,岩石的颜色与真实颜色相差甚远。

表3-1 桂林碳酸盐岩的颜色分级表

碳酸盐岩属于沉积岩,由3种来源的矿物成分构成,分别是碳酸盐矿物(主要是方解石白云石和其他矿物)、碎屑类,以及次生矿物如石膏等。碳酸盐岩的形成绝大部分是处于海洋环境。碳酸盐岩可以根据成分分类,如白云岩、灰岩、泥质灰岩等,也可以根据其结构和构造分类,如亮晶颗粒灰岩和泥晶灰岩,按照岩石的结构和构造分类是国际上公认的分类方法。碳酸盐岩物质成分和结构类型对岩溶发育的影响起了重要的作用。

图3-4 漓江边新鲜的灰色石灰岩

图3-5 叠彩山仙鹤峰的浅灰色石灰岩

碳酸盐岩的结构组分主要是颗粒和胶结物两类。颗粒为非正常化学沉淀的、具有一定结构特征且在大多数情况下经过搬运的碳酸盐集合体。胶结物是充填于颗粒物之间的泥质或矿物结晶体。构成碳酸盐岩的颗粒物最小的直径规定为0.03毫米,更小的颗粒只能成为胶结物。这种0.03毫米的小颗粒已经无法用肉眼识别,在野外需要借助放大镜显微镜识别。便携式放大镜一般能够放大10倍或20倍,直径0.03毫米的颗粒在放大镜下相当于0.3毫米或0.6毫米,是可以识别的。最大的颗粒直径尚未有测量,但有大过漓江边鹅卵石的情况。颗粒按照成因可以分为:内碎屑,指成岩母质在没有完全固结的时候在水动力的作用下破碎形成的颗粒状、砾石状的碎块;各种粒状构造,主要是围绕陆源碎屑海水中的碳酸钙沉积形成近圆形的颗粒;生物屑,即生物的残体。将颗粒连接起来的基质或者胶结物主要是具有不同结构的碳酸钙的晶体,分为亮晶和泥晶。按照胶结物与颗粒的类型及组合关系,碳酸盐岩可分为亮晶颗粒灰岩、泥晶颗粒灰岩、生物屑灰岩等。

碳酸盐岩能够微溶于水从而形成各种岩溶形态,与它的矿物成分有关。在碳酸盐岩形成的海洋或湖泊环境中,水中溶解了大量的钙、镁及碳酸氢根,在一定的地球化学条件下,借助生物作用将这些元素结合起来形成了方解石或白云石等矿物,与黏土矿物一起构成了碳酸盐岩。因海水化学成分的差异,所形成的岩石矿物组成不一致,以方解石为主要矿物成分的岩石称为灰岩,以白云石为主要矿物成分的岩石称为白云岩,介于两者之间的岩石称为白云质灰岩或者灰质白云岩。黏土矿物不是构成碳酸盐岩的主要矿物,当其含量达到一定的程度时可以称为泥质灰岩。

化学成分与矿物成分有密切的关系,碳酸盐岩的化学成分可以分为氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)和酸不溶物。CaO是方解石的主要化学成分,方解石的分子式为CaCO3。CaO与MgO是白云岩的主要化学成分,白云石的分子式为CaMg(CO32。酸不溶物是黏土矿物的主要化学成分。在纯粹的灰岩中CaO与CO2的含量分别是56%和44%,而纯白云岩的化学成分分别是MgO占22%,CaO占30%,CO2占48%。桂林地区的碳酸盐岩往往纯度较高,酸不溶物的含量大部分小于5%。在构成碳酸盐岩的矿物成分中方解石与白云石微溶于水,属于可溶解成分,遇到酸发生强烈的酸碱中和反应,并释放出CO2气体。黏土矿物难溶于水也不溶于酸。

在野外根据岩石的颜色、形状、酸碱中和反应以及放大镜的初步鉴定后,将岩石标本带回实验室进行切割、打磨、煮胶、研磨等处理,制作成厚度只有0.03毫米的岩石薄片,在显微镜下进行矿物和结构鉴定。桂林的碳酸盐岩除了颜色的差别,有些还具有显著的沉积构造特征,如融县组灰岩具有鸟眼构造,杨堤附近台沟相的桂林组灰岩具有扁豆状构造。桂林碳酸盐岩的结构成分非常丰富,代表性的结构有亮晶颗粒灰岩、泥晶灰岩和泥晶颗粒灰岩。除在显微镜下能够区分岩石的结构组成之外,野外岩石的差异溶蚀现象也是区分的标志。由于在微观尺度上矿物晶体结构的差异,碳酸盐岩在溶解的过程中并不是均匀的,即使化学成分一致,晶体质点的排列情况也是影响溶蚀的重要因素。同质异构是碳酸盐岩的基本特征之一,对于亮晶颗粒灰岩,如果颗粒是由泥晶方解石组成,则颗粒的溶蚀速度大于亮晶,在野外岩石表面上表现为颗粒凹陷而亮晶突出。泥晶灰岩虽然都是由泥晶方解石构成,但细颗粒的泥晶更容易溶蚀,泥晶颗粒灰岩经过溶蚀后,泥晶方解石基质均凹陷,而颗粒突出。

(2)碳酸盐岩的物理性质

碳酸盐岩的结构与其密度、力学强度、孔隙度、吸水性、渗透性等物理性质之间有直接的关系,而岩石的物理性质与溶蚀速度、岩溶形态、水文地质条件之间也存在关联。岩石的孔隙度有原生和次生的区别,原生孔隙度是沉积物固化成岩的过程中形成的孔隙,通常单个孔隙的尺寸只有0.01毫米,次生孔隙是岩石在成岩以后经历了破坏或溶蚀形成的孔隙。次生孔隙的数量远远超过原生孔隙的数量是碳酸盐岩的特征,岩溶发育程度越高的部位,岩组次生孔隙也就越大。桂林山体中见到的大大小小的溶洞都可以归结为次生孔隙。次生孔隙是岩石能够储水和导水的原因,次生孔隙不发育的岩石只能作为隔水层。(www.xing528.com)

不论是哪一种类型的碳酸盐岩,其原生孔隙度小是桂林岩溶共同的特征。孔隙度小导致吸水能力低和物理强度大。野外经过风化的白云岩孔隙度可达到11%,但白云岩的平均孔隙度只有1.79%,由于白云岩样品都经历了风化,测量得到的数据大于原生孔隙度。灰岩的孔隙度还要小一些,平均值只有0.67%,这与最不透水的泥岩类似。而作为含水层的砂岩,其孔隙度一般为30%,碳酸盐岩的吸水率大部分都低于0.6%。岩石的渗透性可以用渗透率表示,单位采用达西或毫达西(表3-2)。渗透率是指在一定压差下,岩石允许流体通过的能力。测量桂林几种典型的碳酸盐岩的渗透率,其值都没有超过1毫达西,属于特低级别。其他类型的岩石如砂岩的渗透率接近100毫达西。渗透率与碳酸盐岩的类型有一定的关系。按渗透率高低排列的顺序为白云岩、泥晶灰岩、泥晶颗粒灰岩、亮晶颗粒灰岩。但岩石的原生孔隙度和透水性一般不能决定其次生孔隙的含水性质。渗透率最低的亮晶颗粒灰岩主要分布于融县组,它是桂林最主要的含水层,也是溶洞发育最多的层位。不能根据岩石的原生物理性质判断地层的富水性,这也是岩溶水文地质工作的基本特点。

表3-2 岩石渗透率的分类

碳酸盐岩的容重地质时代和矿物成分不同而有细微的差别,桂林地区的碳酸盐岩容重随着白云石的含量增多而增加,数值为2.7~2.8克/厘米2。从更大尺度,比如中国大陆,虽然碳酸盐岩分布广泛,但其容重等物理性质差异不大,主要是因为其形成时代普遍久远,相比之下,海岛和岛礁附近形成的年轻的碳酸盐岩物理性质差异很大。岩石的硬度由抗压强度抗拉强度和抗剪强度来衡量(表3-3)。虽然碳酸盐岩的风化是以化学风化为主,但是岩石的物理性质对岩溶地貌演化同样是重要的,因为在溶蚀作用的后期阶段,随着水动力条件的增强和洞穴的扩大,物理破坏作用越来越显著。例如洞穴在发展到一定阶段后会出现顶板坍塌,甚至形成了漏斗天坑的现象。石峰的边坡在遭受溶蚀风化后也会出现不稳定,出现崩塌现象。通过实验室获得的碳酸盐岩的力学强度与砂岩和花岗岩等坚硬岩石的力学强度没有显著的差异,但实际上岩石的强度还与层厚有关,薄层灰岩强度小,很难支撑大型的洞穴,反之大型的洞穴一般出现在厚层灰岩中。对于地质时间尺度上地貌的演化,岩石力学性质是需要考虑的指标。

表3-3 岩石物理强度的对比

(3)碳酸盐岩的层组类型

对碳酸盐岩进行分类以及从岩石的性质出发去解释岩溶的成因,这是岩溶学研究最直接的技术路径,但对于纷繁复杂的自然现象,研究手段显然还不够丰富。在野外,碳酸盐岩并不是单独存在的,往往与其他类型地层构成不同的组合类型,野外调查也发现碳酸盐岩组合结构是影响岩溶发育的重要因素。例如连续的碳酸盐岩沉积往往比碳酸盐岩与非碳酸盐岩交替出现更容易形成大型的洞穴系统。如何研究岩性的组合关系对岩溶的影响是一个重要的问题。20世纪80年代编制中国岩溶类型分布图时,曾经将岩性的组合关系分为连续型、互层型和夹层型(李大通和罗雁,1983;李大通,1985),这种分类方式比较适合进行区域性的对比和分区。桂林地区更多的是碳酸盐岩的连续型沉积,其他两种类型很少出现,因此可以按照具有不同成分、构造或者结构的碳酸盐岩形成的组合结构对层组类型进行分类。桂林碳酸盐岩的岩层组合方式有两大类,分别是均匀状纯碳酸盐岩,包含连续的灰岩与白云岩,以及灰岩与白云岩组合;间层状不纯碳酸盐岩,主要是指碳酸盐岩中含有泥质含量较高的灰岩夹层。

将桂林地区地层分布图和岩石层组类型划分的结果与桂林的岩溶地貌图叠加起来的结果显示,桂林地区均匀状碳酸盐岩的组合主要形成峰丛洼地、峰丛谷地、峰林谷地和峰林平原。断续状不纯碳酸盐岩主要形成丛丘谷地或者缓丘谷地。连续型的碳酸盐岩组合类型形成锥状、桶状、屏风状的石峰及峰簇和洼地、坡立谷、漏斗、落水洞、溶洞、地下河及岩溶泉;断续型的不纯碳酸盐岩主要形成丘、岭、浅洼地。可见岩层组合类型对岩溶地貌划分是非常重要的依据。漓江两岸的风光特色就与岩性和岩层组合有很大的关系。漓江杨堤至兴坪段属于连续型碳酸盐岩沉积,层厚质纯,发育形成的石峰挺拔陡峭,而大圩段和兴坪下游分布断续状不纯碳酸盐岩,山体坡度则较为缓和。

(4)影响碳酸盐岩溶蚀的因素

影响岩溶的因素除地质之外,还包含气候、水文、生物作用等。关于岩溶现有的解释是建立在局部的观察和少量的试验基础上,有可能被推翻重写,就像一棵树从幼苗长成参天大树要经历阳光和风雨一样,岩溶的发育离不开特定的气候条件,而且在岩溶形成的漫长过程中气候可能有干、湿、冷、热轮回,发生了多次变化。石笋定年和古环境研究证明,在距今1.2万年左右桂林曾处于冰期(详见本书第五章)如前文所述,地质因素包含岩石的形成、结构、成分、物理性质、层组类型等。水文因素是水流的能量和水化学性质,决定了有多少物质被搬运带走,又有什么样的物质随水而至。

我国古代的地理学家已经意识到水流与岩溶的密切关系。水流对岩石的溶解即溶蚀作用,是岩溶现象产生的根本原因。溶蚀试验是20世纪50年代就开展的科学试验研究,它是从化学机理上来解释溶蚀作用。在实验室开展的试验,后来被拓展到在世界各地的野外开展试验。室内的溶蚀试验是保持其他条件不变的前提下,着重考察单一因素例如水流速度、水的化学性质、岩石的结构和成分等对溶蚀速率的影响。考察岩石因素的溶蚀试验是将来自不同地区的试样制作成同样形状的薄片,放在水流中观测溶蚀量。在试验过程中可以调节水流速度和pH值,以获得岩石的溶蚀结果即溶蚀速率。溶蚀速率的计算有2种方法:通过测量水流中溶解形成的水溶液的Ca2+和Mg2+来计算溶解速率;通过溶蚀试片的质量损失计算溶蚀速率。溶蚀速率与溶解速率的差异为侵蚀速率。

利用桂林地区的岩石试样开展的溶蚀试验结果显示,在相同性质的水溶液和温度条件下,相当于岩溶处于同一个气候带和水动力条件,影响化学溶解量的主要因素是岩石化学成分,影响物理破坏的主要因素是岩石结构组成。在溶蚀过程中起主导作用的是化学溶解,所以影响溶蚀速度的主要因素仍然是岩石的物质成分,其次才是结构组分。已有大量的溶蚀试验证明,在相同的条件下,岩石的溶解速率随着氧化钙含量的增加而上升,随着氧化镁和酸不溶物的增加而降低。灰岩的溶蚀速率比白云岩高,灰岩的溶蚀速率比白云岩高,碳酸盐岩的纯度降低导致溶蚀速率减慢。试验得到的结论与野外观测结果相符合。

每一个地区的岩溶形成都经历了漫长的历史,桂林也不例外。但并非所有地区的岩溶都和桂林岩溶一样进入到成熟阶段。岩溶发育进入成熟期以后,溶蚀速度不再是影响岩溶发育结果的主要因素,在自然条件下溶蚀过程远不是室内模拟这样简单,比如野外的碳酸盐岩具有多种组合特征,容易溶解和不易溶解的部分在同样的条件下溶蚀的程度不同,会形成多种溶蚀形态,从而造成溶蚀环境的变化。在野外环境中岩石都具有裂隙,成为水流的主要通道,也是岩溶优先发育的部位,它们往往决定了整个系统的岩溶形态。

野外溶蚀试验旨在考察气候因素、水文因素或生物因素对碳酸盐岩溶解的影响。20世纪90年代全国范围内开展的野外溶蚀试验,以解释区域岩溶现象差异的原因。溶蚀试验在全国不同的地理气候带同时开展,试验所采用的岩石样品统一选自桂林七星公园普陀山上的灰岩,磨制成统一规格的薄片。试验的结果充分印证了气候条件对溶蚀作用的强烈影响。处于南方热带、亚热带湿热气候条件下的碳酸盐岩溶蚀速率达到4.9毫克/(厘米2·年)(桂林),而北方温带半干旱气候下的碳酸盐岩溶蚀速率仅为1.2毫克/(厘米2·年)(北京)(Yuan,2002)。试验还发现在西北干旱气候条件下,岩石的质量还出现增加的现象。试验表明了桂林山水的形成与其所在的气候带之间的关系密切,这也部分解释了中国碳酸盐岩分布广泛,但独有桂林岩溶如此典型的原因。

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