碳酸鹽巖微相研究現狀與發展展望

董運青（河南理工大學 河南 焦作 454003）

碳酸鹽巖作為沉積巖中的一種主要巖類，廣泛分布于世界各地，在我國約占沉積巖總面積的55%,并且不同時代的地層中均有發育。由于碳酸鹽巖成因和結構的特殊性，使微相分析方法在碳酸鹽巖沉積學的研究中顯得尤為重要，成為碳酸鹽巖沉積環境分析、巖石成因研究、相帶劃分以及巖相古地理研究中不可或缺的沉積學研究方法和手段[1-2]。

1 碳酸鹽巖微相研究簡要歷程

早期的微相研究主要以巖石學偏光顯微鏡觀察為主要分析手段。最早進行微相研究工作應為奧地利格拉茨大學的Peters，在他1863年發表的題為“達斯坦石灰巖中的有孔蟲”論文中，曾評價了薄片在闡明古生態和古地理問題方面的作用。

1927年，Udden和Walte在發表的論著中闡述了說明他們怎樣利用偏光鏡來描述和研究石灰巖的微相特征，并將鑒定成果最終應用到了得克薩斯的油氣勘探中。

19世紀30年代，Sander和Pia在碳酸鹽巖的顯微鏡研究方面取得了突破性進展，首次介紹了現代碳酸鹽的綜合研究成果。

1949年，Brown最早提出了“微相”這一概念，隨后Cuvillier在1952年又對它進行了重新定義。

1962年，Folk和Dunham根據顆粒類型與泥晶一亮晶一顆粒相對含量，對沉積環境能量進行了分析，并提出了分類方法。

70年代,Wilson系統總結了碳酸鹽巖沉積學與微相研究方法,提出了24個標準微相和9個相帶的沉積模式。

80年代,楊承運和卡羅茲用微相方法對碳酸鹽巖進行了分類,并對微相分析方法進行系統闡述[3]。

2 碳酸鹽巖微相研究方法和技術手段

要合理的進行微相的分析研究，必須進行野外地質研究，通過對野外露頭和巖心的觀察，可以識別的相標志有：巖性標志、巖石結構和顏色、層理、沉積構造、成巖特征、化石和生物構造等。在早期的巖石薄片分析研究中，也強調把野外工作和室內薄片研究結合起來。近十幾年來，微相的研究方法不斷推陳出新，取得了十分顯著的成就。

2.1 初步分析方法

對巖石樣品最基本的也是最初的操作是磨制成薄片，也可以是制作切片、揭片，或者是鑄體、刻蝕和染色。碳酸鹽巖薄片顯微鏡研究為微相分析提供了必要的基礎資料。

研究微相最基本的工具是偏光顯微鏡和雙目顯微鏡，這些基本的巖石學顯微鏡也是到目前為止進行微相研究最常用的工具。通常，需要對研究所用的顯微鏡配備低倍和高倍物鏡以及巖石學鑒定裝置，同時為研究巖石的成分和組構，還應配置機械或計算機工作站（Kobluk和Vyas，1989）。為了能同時觀察整個薄片，可以使用數字膠片掃描儀 （De Keyser，1999）和單片縮影膠片工具。薄片觀察的研究順序應該是從低倍開始，連續轉換到高倍的物鏡。

2.2 精細分析方法

隨著研究的進一步深入，研究沉積微相最有潛力的技術是常規的薄片資料與更為精細的顯微鏡（如：掃描電子顯微鏡、陰極發光顯微鏡和熒光顯微鏡）和礦物學、地球化學綜合研究。Tucker（1981）對下列不同的顯微鏡技術做了極好的綜述：掃描電子顯微鏡、陰極發光顯微鏡、X射線衍射和沉積巖化學分析技術[2]。

2.2.1 立體掃描電子顯微鏡

立體掃描電子顯微鏡（簡稱為掃描電鏡，SEM）技術的應用，對我們了解碳酸鹽巖沉積、成巖過程及其產物都有很大的幫助。它的優點是能高度聚焦，形成極小表面的三維（微和超微尺度）優秀照片，分辨率高，放大倍數高達10至100000倍。是碳酸鹽巖綜合研究分析中非常重要的手段之一。

2.2.2 熒光顯微鏡

熒光代表物質被可見光或紫外線照射時的發光特征。碳酸鹽巖的熒光可能由有機質形成，可以用拋光切片和厚的薄片進行研究。碳酸鹽巖熒光發光技術主要應用在：（1）識別隱藏的顯微組構；（2）區別原地和異地的微晶灰巖；（3）了解生物的礦化作用過程；（4）研究細紋層狀灰巖的有機組分。

2.2.3 陰極發光顯微鏡

陰極發光顯微鏡（CL）是研究碳酸鹽巖巖石學、成巖顯微構造以及生物沉積的重要工具也是研究海相和非海相碳酸鹽巖的重要工具。它通過電子轟擊拋光薄片和拋光巖石表面激發發光，發光特征取決于被激發固體的物質特征，這些特征包括晶體結構、晶格缺陷以及化學成分等。陰極發光研究通常與巖石學顯微鏡和稀有元素分析相結合，并且已經成為微相分析的重要組成部分。

2.2.4 流體包裹體

礦物流體包裹體常用于研究沉積巖成巖作用、烴類物質的成因和運移、礦物沉積、構造地質學和巖石學等方面的問題，近20年來越來越被研究人員重視。解釋流體包裹體的基本假設條件是流體包裹體發育在封閉體系中，與其形成時的其他流體具有相同的成分和濃度。具有流體包裹體的碳酸鹽晶體在拋光切片和薄片中呈現黑色，在碳酸鹽晶體中由水成液體和氣體組成的霧狀包裹體，可以提供膠結物的成巖環境信息。

流體包裹體的研究需要用到巖石學顯微鏡、加熱和冷凍裝置。實際的研究工作中，還常將陰極發光顯微鏡和穩定同位素分析與之相結合。

2.2.5 X射線衍射

在分析細粒碳酸鹽巖時經常將X射線衍射和巖石學顯微鏡結合起來使用。Hardy和Tucker（1988）也曾介紹過X射線衍射全巖分析和粘土礦物分析的定性和定量分析方法。X射線衍射的有關資料可以提供碳酸鹽礦物的化學成分信息，用于區別于不同的碳酸鹽巖礦物，并且用于確定白云石晶體的有序度及方解石和白云石晶體的比例。另外，它也提供了快速測定石灰巖和白云巖中碳酸鈣及酸不溶殘余物含量的能力。

2.2.6 痕量元素和穩定同位素分析

地球化學的研究主要包括痕量元素分析和穩定同位素分析。碳酸鹽巖和化石中的痕量元素是古環境的重要指示劑。微相資料、痕量元素和同位素地球化學結合起來用于微相研究，已經發展成為一種趨勢。同位素的保存能力取決于原生礦物的保存能力和成巖蝕變程度，所以在研究中，一般先要用巖石學和陰極發光顯微鏡、掃描電鏡和化學資料進行分析，之后在進行同位素分析。古代的碳酸鹽巖穩定同位素分析也是古環境的指示標志，同時也揭示了古代海洋氣候體系中碳的循環變化。

3 碳酸鹽巖微相分析解釋研究現狀

沉積微相研究的目的就在于通過詳細的碳酸鹽巖沉積及古生物特征的研究，識別能夠反映碳酸鹽巖沉積歷史的整體或局部環境（包括沉積環境和成巖環境）[2]。在碳酸鹽巖微相的分析和解釋中，需要對微相標志進行綜合認識分析，總結出微相類型。沉積微相類型和沉積相組合是碳酸鹽巖沉積模式發展的基礎。

微相分析解釋的先決條件是要對古環境進行詳細的劃分[4]。碳酸鹽巖沉積于不同的沉積環境中，由一系列成因相關的沉積物特征和沉積環境要素組成，這些環境就需要不同的沉積相模式進行概括和總結。在碳酸鹽巖相模式中用于表述從淺海到深海環境的橫剖面的基本要素包括海底地形的變化、橫向差異和垂向分界線。Read于1995年總結前人的理論，將一個自海岸線至盆地的橫剖面劃分為五種主要相帶（包括臺地或大陸坡并經由一個緩坡到達盆地）：即潮坪相、瀉湖相、淺水沉積相、深水陸棚及緩坡相、大陸坡和盆地相。不同的沉積環境需要不同的相模式，關于碳酸鹽巖沉積相模式也比較多，只要有以下幾種：鑲邊碳酸鹽巖臺地相帶模式（威爾遜模式）、無鑲邊陸棚和臺地模式、緩坡模式、孤立臺地和環礁模式、陸表海臺地模式、陸表海緩坡模式。其中影響最大、研究最為詳細的是鑲邊碳酸鹽巖臺地相帶模式，威爾遜（Wilson）于1975年基于此模式建立了威爾遜沉積相模式，他將碳酸鹽巖換分為三大相區和九個標準相帶。后經Schlager（2002）和 Flügel（2004）的修改，建立起了更完善的鑲邊碳酸鹽巖臺地的相模式，其中包括：（1）深海或克拉通深水盆地；（2）深水陸棚；（3）斜坡腳；（4）斜坡；（5）臺地邊緣礁；（6）臺地邊緣顆粒灘；（7）開闊臺地；（8）局限臺地；（9）蒸發或半咸水臺地；（10）地表暴露受大氣淡水影響的區域共10個相帶。每一個相帶在環境、主要生物群落和沉積物、常見巖相方面都有明顯區別。

將微觀的沉積微相與宏觀的沉積相帶聯系起來的一種方法是標準微相類型（SMF）的建立[4]。標準微相類型是一種虛擬的分類，它是根據等同的標準總結出微相。標準微相類型的概念是由于人們認識到形成于類似環境中的不同年代石灰巖在成分和結構上令人驚訝的相似性而提出的。Flügel（1972）最早提出了這個概念。 Wilson（1975）對 Flügel的分類進行了擴展補充并且進行了更為嚴格的定義，Wilson區分出24個標準微相類型并應用于一個理想的鑲邊碳酸鹽巖陸棚。用于區分標準微相類型的主要微相標志有：（1）顆粒類型和顆粒之間的聯系；（2）沉積組構（如粒度變化、紋層等）；（3）基質類型；（4）化石；（5）沉積物結構類型。威爾遜提出的標準微相類型是目前最具影響力的標準。但是實際中，大概只有70%的微相可以與確定的標準微相類型相對應。另外一個比較實用的標準微相類型是碳酸鹽巖緩坡模式。一些緩坡微相標志（RMF）與碳酸鹽巖臺地SMF類型中的標準相是一致的，但是相比之下，碳酸鹽巖臺地的標準微相類型定義的要好一些并且基于更多的實例研究。

由于標準微相類型可以反映出環境條件，特征的標準微相類型的組合就可以代表特定的相帶，因此標準微相類型的建立實現了由微觀的微相特征快速簡便地鑒定出沉積相類型或沉積環境。

4 碳酸鹽巖微相研究的應用

近年來，人們對碳酸鹽巖微相的研究越來越多，也越來越深入，究其原因就是碳酸鹽巖微相分析有著很高的利用價值，在我們的生活中也有著廣泛的應用。

碳酸鹽巖微相在油氣儲層和以碳酸鹽巖為宿主巖層的堿金屬礦床的儲集巖分析中的應用。儲集巖可以通過儲層巖石的物理特性來描述，這些物理特性使得儲集巖具有了有利于流體、氣體和礦物的遷移和儲藏的能力。微相分析的發展極大地獲益于石灰巖和白云巖的油氣儲層和源巖的勘探與開發，現在，微相分析在研究沉積作用、儲層非均質性、儲層物性在空間上的變化及發展規律等發面仍具有極其重要意義。碳酸鹽巖也可以是有關礦床的宿主巖系，可以利用微相研究成果來理解有關同生和后生礦化作用的模式。

微相分析在巖石特殊物理化學性質研究領域中的作用。碳酸鹽巖的工業應用取決于碳酸鹽巖的物理和化學性質，而碳酸鹽巖的物理和化學性質又是由碳酸鹽巖的沉積史和成巖史所決定的。因此，巖石的原始沉積相也影響著碳酸鹽巖的成巖過程，就成了巖石某些特殊物理和化學性質的重要控制因素。通過巖石的微相分析，我們就能夠更好的理解這種控制因素的作用。

碳酸鹽巖微相在考古學方面的應用。一般的講，考古學的測量方法主要包括元素分布分析、穩定同位素分布類型格局和礦物與巖石組分分析等。微相分析在考古中的應用主要有：（1）識別陶瓷工藝所用材料的原產地和加工地；（2）區分判別古建筑石材、藝術品、工藝品用材的原料產地；（3）確定當時工藝品的制作路線；（4）根據同位素和地球化學資料評價原產地分析結論；（5）了解考察古代的貿易路線。因而，沉積微相分析在考古學中起著越來越重要的作用，并且微相分析的方法不僅僅能用于碳酸鹽巖，還可以用于燧石。所以，把考古對象的特征與地質的和沉積相的特征結合起來，就是一種非常有價值的考古方法。

5 碳酸鹽巖微相研究新進展與未來展望

近年來，碳酸鹽巖微相的研究和應用也取得了很大的進展，主要體現在以下幾個方面：（1）新技術的應用：為了最愛限度的開發微相分析所應用的資料信息，除了使用偏光顯微鏡以外，還用到了一些新的技術手段，如陰極發光顯微鏡、流體包裹體顯微鏡、掃描電子顯微鏡以及穩定同位素地球化學技術。現在，為了進行沉積微相分析，評價盆地中可能發育的沉積儲集體，對巖石薄片進行定量分析也是不可缺少的方法。（2）新的古、今碳酸鹽巖對比研究資料的應用：由于地質歷史中的生物系統、地質因素以及化學作用都會隨著時間的變化而變化。所以，現代碳酸鹽巖的沉積體系僅能部分反映地史中古地理背景和沉積環境的變化。但是，研究現代碳酸鹽巖的形成過程，能讓我們了解生物對碳酸鹽發育的影響，幫助我們了解和認識在古代碳酸鹽巖中有哪些物理作用、生物和生物遺跡以及化學作用能夠被保存和記錄下來。因此，現代深淺海碳酸鹽巖沉積作用的研究，對古代碳酸鹽微相解釋具有重要的意義。（3）碳酸鹽巖顆粒成因、分布方面的新資料：近來，有關顯生宙以來生物成因和非生物成因對碳酸鹽顆粒的成因、顆粒類型分布和沉積位置的影響方面的研究越來越多，資料越來越豐富。另外，一些典型的顆粒類型組構（如鮞粒、核形石）對研究古緯度和古環境對海相和非海相碳酸鹽巖沉積作用的影響也具有重要意義；（4）生物對碳酸鹽巖沉積控制作用研究的新資料：由于生物各種不同方式的活動可能會對坦碳酸鹽巖的結構和構造起到破壞性的作用，所以人們通過研究生物活動的遺跡形態和分布來恢復古環境的信息；另外，細菌和藍藻細菌在細粒和微生物碳酸鹽巖沉淀中的作用也日益被人們所認識和重視。（5）精細沉積模式的新概念：為了研究碳酸鹽巖建造的主要控制因素，可主要開了沉積作用過程、控制因素并用計算機進行模擬，營建一個“動力學模型”來提供一個虛擬的碳酸鹽巖臺地供進一步假設和討論。這種由計算機模擬形成的相模式的發展訓練，主要依賴微相和生物學參數的選取。

總的來說，微相的研究近年來有很大發展，以由過去的單純的分析環境轉為研究巖石的成因、沉積作用的過程、成巖作用變化及其與巖石孔隙演化關系等，由傳統的定性化研究方法（主要指用巖石學偏光顯微鏡進行的微相研究）發展到定量化研究沉積微相及微相組合，研究內容漸趨豐富并逐步向各學科分散、滲透，不論是從研究內容還是研究方法上都取得了長足的進步。

［1］馮增昭.碳酸鹽巖巖相古地理學[M].石油工業出版社，1989，5.

［2］Flügel.碳酸鹽巖微相：分析、解釋及應用[M].馬永生，主譯.地質出版社，2006，10.

［3］包洪平，楊承運.碳酸鹽巖微相分析及其在巖相古地理研究中的意義[M].巖相古地理，1999，19（6）：23-29.

［4］初廣震.塔里木盆地寒武-奧陶系碳酸鹽巖微相與成巖作用研究[D].北京：中國地質大學，2010，5.