碳酸巖（carbonatite）是主要由碳酸鹽礦物（體積分數(shù)>50%）組成的一種火山巖或侵入巖。
1979年，國際地質(zhì)科學聯(lián)合會（IUGS）提出將巖漿過程形成的碳酸根類巖石定義為碳酸巖。碳酸巖含有巖漿形成的方解石、白云石以及單斜輝石類、霞石，少量的黃長石、黑榴石（鈦鈣鐵榴石）等。
碳酸巖在成因和空間上常與超基性-堿性巖系列的巖石關(guān)系密切，組成超基性-堿性-碳酸巖雜巖體。碳酸巖與稀有ree礦床有成因聯(lián)系。
基本概述
碳酸巖carbonatite ，在空間上和成因上與堿超基性雜巖體有關(guān)的、主要由文石組成的carbonatite一詞由挪威地質(zhì)學家及礦物學家W.C.布勒格于1921年正式引入地質(zhì)文獻。
巖石呈淺灰至灰白色；粒狀結(jié)構(gòu)，細至粗粒，有時呈巨晶結(jié)構(gòu)；常為塊狀構(gòu)造，有時見原生條帶、球粒和球體構(gòu)造。化學成分特殊，與一般硅酸鹽巖漿巖相比，富CaO及CO2，貧SiO2及Al2O3；與沉積相比，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、及鐵白云石，偶爾見。此外，還富含多種（180種左右）次要礦物和副礦物，如輝石類、、、、族稀土文石、、礦物、礦物、、碳化硅等。一般根據(jù)所含碳酸鹽礦物分為：方解石碳酸巖、白云石碳酸巖、鐵白云石碳酸巖和菱鐵礦碳酸巖等。
碳酸巖主要呈中心型侵入雜巖體產(chǎn)出，產(chǎn)狀有中心巖株體、環(huán)狀、錐狀及放射狀巖墻、巖床、巖流及巖被等。已知中心巖株由頂?shù)降走_ 1萬米。碳酸巖常發(fā)生強烈分離結(jié)晶作用、熔離作用和堿交代作用。碳酸巖的分布與深斷裂有關(guān)，主要產(chǎn)于古老地臺邊緣斷裂系及褶皺帶內(nèi)中間地塊斷裂帶。空間上它經(jīng)常與堿性巖－超基性雜巖體或共生。除南極洲外，所有大陸都有碳酸巖的分布。
儲層特征
碳酸鹽巖分布較廣，并且以海相碳酸鹽巖為主，湖相碳酸鹽巖僅分布在中新生代。碳酸鹽巖儲集層沉積相帶有灘壩相、淺水臺地相和生物礁相、湖內(nèi)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。碳酸鹽巖儲層具如下四方面的特點：
①是在相對穩(wěn)定的大地構(gòu)造環(huán)境下形成的，儲層大面積分布。這里是指沉積環(huán)境和成巖環(huán)境都比較穩(wěn)定，即大面積分布的陸表海環(huán)境和整體垂直升降大氣淡水溶解的成巖環(huán)境是儲層得以大面積分布的重要原因。
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(zhì)性強，但是碳酸鹽巖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、小喉為主的碳酸鹽巖儲層的物性特征，使其能產(chǎn)出工業(yè)油氣流或成為高產(chǎn)的油氣儲層。
③碳酸鹽巖儲氣層的非均質(zhì)性強，這是由于構(gòu)造張開縫分布的非均質(zhì)性強所引起的。
④碳酸鹽巖儲集層有生油氣能力，能形成自生自儲或多油氣源氣藏。
新巖類型
在野外觀察到“大理石”呈巖墻、巖枝和細脈侵入石英閃長巖。根據(jù)石準立等的趨勢面分析資料，在深部，本礦區(qū)“大理巖”與石英閃長巖的接觸帶總是以突人石英閃長巖內(nèi)為特征。在“大理巖”與灰?guī)r接觸帶附近觀察到大理巖粒度由于溫度冷卻快而變細和在“大理巖”中有灰?guī)r殘留體。“大理巖”本身的方解石粒度中部粗兩側(cè)細。大理巖礦物結(jié)晶顆粒比長江中下游平原許多接觸熱變質(zhì)形成的大理巖粗。“大理巖”內(nèi)部淺色大理巖為白色，常具有定向的細條紋構(gòu)造(可能為流動構(gòu)造或構(gòu)造事件引起的線性構(gòu)造)，局部產(chǎn)狀變化急劇。
在尖山礦段產(chǎn)在“大理石”中的“條帶狀輝石一石榴石大理巖”，主要含輝石和石榴石條帶，其條帶走向與“大理巖”巖體延伸方向斜交，且與區(qū)內(nèi)一組斷裂構(gòu)造有關(guān)。顯微鏡觀察結(jié)果表明，在制備的約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(jié)果顯示，“大理巖”中方解石及“條帶狀輝石一石榴石大理巖”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℃。
“大理石”及“條帶狀輝石石榴石大理巖”的C和O同位素組成與長江中下游平原的灰?guī)r大致一致，在δ^13C-δ^18O相關(guān)圖中的投影點落在沉積碳酸根范圍。電子探針分析表明，在“條帶狀輝石-石榴石大理巖”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)。“大理巖”中的圓形固體包裹體成分經(jīng)電子探針檢查為方解石。能譜分析結(jié)果表明，“白云質(zhì)大理巖”的白云石中圓形固體包裹體成分與白云石類似，但與寄主礦物略有區(qū)別。在上述初步研究基礎(chǔ)上認為，本文所報道的“大理石”和“條帶狀輝石石榴石大理巖”不是由于接觸變質(zhì)引起方解石重結(jié)晶的產(chǎn)物，而可能是一種新的碳酸巖類型——殼源成因碳酸巖。
條件模擬技術(shù)
條件模擬是一種取得特征分布的地質(zhì)統(tǒng)計技術(shù)。條件模擬的基礎(chǔ)是模擬模型，建立儲層模擬模型是油藏模擬的基礎(chǔ)，該模型把儲層各項物理參數(shù)在三維空間的分布定量地表征出來。通常的模型是把儲層網(wǎng)格化，給每個網(wǎng)格賦以各自的參數(shù)值，來反映儲層參數(shù)的三維空間變化。網(wǎng)格的尺寸愈小表明模型愈細；每個網(wǎng)格的參數(shù)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(nèi)流動的儲層參數(shù)很多，如滲透率、孔隙度、飽和度、毛管壓力、潤濕性、層內(nèi)不滲透薄夾層的分布等。儲層的規(guī)模范圍可劃分為四級，即微觀范圍(少量幾個孔隙范圍)、宏觀范圍(巖塞和流動特征的實驗測量)、大型范圍(全油田規(guī)模的大網(wǎng)塊范圍)、巨大型范圍(油藏范圍)。儲層描述都有概率的特征，因為有用的資料不完整、儲層建塊的空間配置復(fù)雜、地質(zhì)特征有內(nèi)在變化，這些阻礙了對測量點之間的性質(zhì)作確定性制圖。
條件模擬的步驟是從地質(zhì)統(tǒng)計方法所得出的許多隨機場中取出其中的一個，并讓它通過所測量的數(shù)據(jù)，同時還要保持隨機場的總體對比結(jié)構(gòu)。有了各種范圍的變量模擬，就可以用表面克里格法把變量分成大范圍的和小范圍的。克里格面有抽樣點可觀察的所有大范圍變量，但平滑了小范圍的變量。所得的克里格余直只有小范圍的變量和小范圍變量的準確數(shù)量，但這些必須加回到克里格面上，以得出與規(guī)則一致的分布。
流動參數(shù)比例平均化 流動參數(shù)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(shù)一般需要確定有效流動參數(shù)和有效流體成分。影響有效流動參數(shù)的主要因素是滲透率分布的非均質(zhì)性。
儲層表征的不確定性 由于條件模擬實現(xiàn)空間隨機函數(shù)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(xiàn)滲透率場的過程特征來完成。由于詳細地模擬復(fù)雜多相流動過程所需的時間太長，成本太高；因此，應(yīng)該檢索一下可能實現(xiàn)的族譜，以證實哪些實現(xiàn)有條件模擬最適宜、最不適宜和最可能的結(jié)果。
條件模擬是一種取得特征分布的地質(zhì)統(tǒng)計技術(shù)，可來預(yù)測碳酸巖儲層的物性參數(shù)。如果巖石結(jié)構(gòu)信息綜合到滲透率換算方程中，那么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(jù)顆粒大小和分選確定了三種孔隙系統(tǒng)，這三種孔隙系統(tǒng)在電阻率對聲波測井孔隙度的圖中各占有特定的位置，具有特有的孔隙度和滲透率之間的關(guān)系，并可通過電阻率和聲波測井精確計算滲透率。
巖石學特征
碳酸巖巖墻位于白云鄂博礦區(qū)礦床東礦北東約3 km的都拉哈拉山的西北麓，斜切白云鄂博群底部H1粗粒石英砂巖和礫巖以及H2的細粒石英巖。巖墻的走向約40°，傾向北西，轉(zhuǎn)軸傾角85～89°，巖墻地表露頭長約60 m，寬1.1～1.5 m。巖墻與H1和H2圍巖界線分明，在其兩側(cè)的接觸帶形成以鈉鐵閃石鎂質(zhì)鈉閃石、鈉長石、金云母為特征的寬約10～20 cm的霓長巖化帶。這些以堿質(zhì)為特征的礦物沿圍巖中的裂隙及節(jié)理分布，離開接觸帶可達20～30 m之遙。
碳酸巖的巖性雖然較為均一，但是常見有圍巖的捕虜體和捕虜晶，如石英砂巖、石英巖和霓長巖、鈉鐵閃石等。巖石呈細粒結(jié)構(gòu)，有時為似斑狀結(jié)構(gòu)。因受后期構(gòu)造的影響，巖石發(fā)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(fā)生彎曲，出現(xiàn)波狀消光。
組成巖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(guān)系，為典型的細粒火成碳酸巖結(jié)構(gòu)，所以可將巖石稱為細粒方解石碳酸巖。方解石以富含Sr和Mn為特征，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(guān)系，說明它們是從碳酸巖漿直接結(jié)晶而成的原生礦物。此外，巖石還含有氟碳鈰礦、鈉鐵閃石鎂質(zhì)鈉閃石、磷灰石、磁鐵礦、獨居石、褐簾石、石英、熒石、白云石和重晶石等。
巖石地球化學特征
分析方法：每個樣品精心挑選500 g小碎塊，用蒸餾水清洗干凈，用烘箱(100 ℃)烘干。將樣品碎塊置于瑪瑙球磨內(nèi)粉碎至200目以下。全巖分析在英國Leicester大學地質(zhì)系用Philips PW 1400 X熒光光譜儀測量，用熔片法測量主要元素(用管測定)，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范圍之內(nèi)，將樣品與光譜純SiO2按照1∶1的比例進行稀釋。樣品的ree分析也在Leicester大學地質(zhì)系利用等離子光譜儀測定，對原始ICP數(shù)據(jù)進行Ba, Sr, Ca, Fe和Zr譜線疊加校正。
稀土元素：碳酸巖全巖樣品的REE含量高，變化范圍大，介于1.45%～19.92%，平均為8.36%(質(zhì)量分數(shù))，業(yè)已構(gòu)成REE富礦石。球粒隕石標準化REE分布型式呈現(xiàn)LREE強烈富集，無Eu異常，與世界其他地區(qū)碳酸巖的REE分布形成一致。NLa/Yb比值介于139～1776，平均為814，說明碳酸巖的輕稀土與重稀土元素之間發(fā)生了極度分餾。此外，不同樣品的ree含量相差近14倍，預(yù)示碳酸巖巖墻內(nèi)REE分布極不均勻。這與巖石薄片觀察所發(fā)現(xiàn)的氟碳鈰礦等稀土礦局部高度集中(可達15%～20%(體積分數(shù)))的結(jié)果吻合。此外，方解石雖然富含Sr和Mn，表現(xiàn)為典型的火成碳酸巖的特征，但是其REE含量多在電子探針的檢測限以下，預(yù)示REE主要賦存在氟碳鈰礦等稀土礦物之中。
微量元素：XRF分析結(jié)果如表2所示。原始地幔標準化的碳酸巖微量元素蜘蛛圖解表明，碳酸巖富含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，但是異常并不顯著。這種微量元素蜘蛛圖與常見的細粒方解石碳酸巖完全一致。值得指出的是，它們與白云鄂博礦區(qū)REE-Nb-Fe礦床的細粒賦礦白云石大理巖(H8f)的微量元素蜘蛛圖幾乎重疊。全巖Sm-Nd同位素測年結(jié)果表明，碳酸巖巖墻形成年齡t=1223±65(2σ) Ma, INd=0.510926±35(2σ), εNd(t)=-2.63±0.68。這在誤差范圍內(nèi)，與白云鄂博稀土礦石的Sm-Nd等時年齡一致，其初始143Nd/144Nd比值也十分接近。
與正常沉積石英砂巖相比，霓長巖的SiO2含量降低, Na2O和氧化鐵顯著升高，說明霓長巖化作用帶入了Na和Fe，帶出了Si。此外，霓長巖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巖的特征；但是，Ba, La, Ce, Nd, Sr明顯呈現(xiàn)富集，這是碳酸巖巖墻引起的圍巖霓長巖化疊加作用的特征。從形成時間上看，霓長巖與碳酸巖是同時的，或者略晚一些。所以，用霓長巖和碳酸巖作為全巖Sm-Nd同位素測年樣品所獲得的結(jié)果是可靠的。
稀土元素富集機制
碳酸巖已達到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；巖石結(jié)構(gòu)分析表明，它們與方解石呈相嵌接觸關(guān)系，說明是從碳酸巖漿直接結(jié)晶而成的原生礦物。這種巖石結(jié)構(gòu)關(guān)系在Mountain Pass富稀土碳酸巖中也有發(fā)現(xiàn)。值得指出的是，碳酸巖中氟碳鈰礦和氟碳鈣鈰礦的稀土元素配分型式與白云鄂博礦區(qū)礦床的賦礦白云石大理巖中的這類礦物十分相似。碳酸巖的微量元素蜘蛛圖解和形成時代亦與賦礦白云石大理石和稀土礦石幾乎相同。這些地球化學特征說明碳酸巖的形成與白云鄂博礦床的成因可能存在著某種內(nèi)在的聯(lián)系。此外，已經(jīng)獲得的O，C和Sr研究成果支持這種推論。
與正常沉積石灰?guī)r中的方解石比較可以看出，REE碳酸巖中的方解石富含Sr和Mn；用不同REE碳酸巖樣品中方解石的Sr與Mn投圖表明，它們呈反相關(guān)關(guān)系，反映碳酸巖經(jīng)歷了分離結(jié)晶作用。及用全巖La/Sr-La/Nd和Ba/Sr-La/Sr等所作的圖解也說明了碳酸巖發(fā)生了分離結(jié)晶作用。因此，可以推測，大量方解石的結(jié)晶分離致使殘余巖漿中REE高度富集。REE的這種富集過程與Mountain Pass碳酸巖十分相似。Wyllie等指出，碳酸巖REE的高度富集過程應(yīng)該發(fā)生在地殼環(huán)境中，但是這種源于地幔的碳酸巖巖漿的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。如果碳酸巖巖漿的REE濃度高于這個最低水平，那么排除形成REE碳酸巖的最主要因素是在碳酸巖巖漿的結(jié)晶過程中，有結(jié)晶溫度較高的含REE礦物(如磷灰石，獨居石，鈣鈦礦等)從巖漿中結(jié)晶分離，帶出了相當數(shù)量的REE。這樣的結(jié)果必然不能形成REE碳酸巖，而形成磷灰石-磁鐵礦型碳酸巖。
由于沒有出露與碳酸巖共生的硅酸不飽和堿性巖石，所以很難判斷都拉哈拉碳酸巖是源于地幔軟流圈低程度部分熔融作用的霞石質(zhì)巖漿經(jīng)地殼環(huán)境下液態(tài)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，白云鄂博礦區(qū)處于華北地臺北緣的裂谷環(huán)境中，明顯有別于非洲堿性巖-碳酸巖形成的構(gòu)造環(huán)境。因此，在火成碳酸巖的巖石組合上可能出現(xiàn)了差異，即使在地殼環(huán)境中發(fā)生了無法觀察的液態(tài)不混溶作用，REE也不會在熔離出的碳酸巖熔體中得到有意義的富集。可以設(shè)想碳酸巖漿直接形成于巖石圈地幔極低程度的部分熔融作用。扣除以分離結(jié)晶作用造成的REE高度富集的影響，假定樣品90/39代表原始碳酸巖漿，那么產(chǎn)生這種巖漿必須要求地幔源區(qū)是一種已經(jīng)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，地幔二輝橄欖巖的部分熔融作用能夠產(chǎn)生碳酸巖熔體。模擬計算結(jié)果表明，經(jīng)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的初始碳酸巖熔體。殘留礦物相中的榴石要求不低于20%。這種REE已經(jīng)初步富集的碳酸巖熔體再經(jīng)歷地殼環(huán)境中的分離結(jié)晶作用能夠達到觀察到的碳酸巖的REE濃度水平。
研究表明，大理巖體是一個碳酸巖侵入體，隨后由于構(gòu)造作用和糜棱巖化作用促使粗粒白云石大理巖發(fā)生細粒化，成礦熱液導致其發(fā)生重結(jié)晶作用； REE-Nb-Fe成礦作用和碳酸巖巖漿活動有關(guān)［。白云巖化作用的可能模式是：由于碳酸巖漿的侵入，引起本區(qū)對流的熱液體系重新調(diào)整，導致鎂從白云鄂博礦區(qū)群沉積巖，特別是頁巖，活化轉(zhuǎn)移到碳酸巖體之中致使其發(fā)生白云巖化作用。而碳酸巖巖墻由于產(chǎn)生的熱量太小，以至不能形成一定規(guī)模的對流熱液體系，所以它們多數(shù)沒有發(fā)生白云巖化作用。另一種可能性是，賦礦粗粒白云石大理石是原生白云質(zhì)碳酸巖漿冷卻結(jié)晶作用而形成，是和鈣質(zhì)碳酸巖巖墻同源巖漿不同階段的產(chǎn)物。這種推測的直接依據(jù)是切割賦礦粗粒白云石大理巖上覆H9板巖的另外一條細粒碳酸巖巖墻也是鈣質(zhì)的，沒有發(fā)生白云巖化作用；而他與白云石大理巖的微量元素和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巖也是相似的，是引起地幔交代作用的重要介質(zhì)之一。假設(shè)這種地幔流體交代沉積石灰?guī)r或者白云巖而形成了賦礦白云石大理石，使其具有碳酸巖的巖石地球化學特征，那么大理巖的礦物共生組合和礦物生成順序應(yīng)遵從交代關(guān)系。事實上，描述的巖石結(jié)構(gòu)和礦物生成順序與礦化碳酸巖是一致的，赤鐵礦形成于磁鐵礦之后，所描述的赤鐵礦經(jīng)地幔流體交代反應(yīng)形成了磁鐵礦。
參考資料 >
碳酸鹽+碳酸巖=碳酸鹽巖?.河北省自然資源廳 海洋局.2024-03-28