碳酸盐岩如何观察与描述？（薄片）

碳酸盐矿物的种类和含量是碳酸盐岩定名的基础。碳酸盐矿物常见的矿物为方解石和白云石，其光学性质极为相似，不易区别，如均为无色、具有聚片双晶、闪突起、高级白干涉色、一轴晶负光性等。

在显微镜下鉴定时可根据以下特征加以区别：①白云石常为自形晶体，方解石多为他形晶体。②双晶带平行菱形解理长对角线为方解石，双晶带平行菱形解理短对角线为白云石。③具有闪突起的矿物，N′e为双晶钝角平分线者为方解石，N′e为双晶锐角平分线者为白云石。④具有变形的碳酸盐岩中，c轴近于平行矿物排列方向者为白云石，垂直矿物排列方向者为方解石。

除了方解石和白云石之外，还常见菱铁矿、菱镁矿、菱锰矿、文石等，但含量较低，区分主要根据光学特征。因这些矿物少见，不再叙述。有兴趣的读者可参见«光性矿物学»教材的相关内容。

显微镜下区分方解石和白云石除了利用光学特征外，常采用染色法和揭片法进行区分。如用茜素红染色后，方解石和铁方解石为粉红色-红色，白云石和铁白云石不染色。碳酸盐岩中除了碳酸盐矿物之外，常或多或少地含有陆源碎屑，如石英、长石、云母及黏土矿物，这些矿物有时为较粗的石英和长石，单独存在或组成鲕粒的核心。含量较低时，颗粒小，肉眼不易鉴别。当含量较高时，可组成碳酸盐岩与碎屑岩的过渡类型，如含砂石灰岩和钙质杂砂岩等。

碳酸盐岩中经常混有黏土矿物，主要见于非颗粒碳酸盐岩之中，其含量的高低影响岩石定名。薄片中主要见黏土矿物及微晶绢云母，黏土矿物显微镜下鉴定困难，可以通过10％的盐酸溶解样品得到不溶解的黏土后，用差热分析确定。海绿石多为矿物集合体，单矿物少见。海绿石矿物集合体多分布在颗粒灰岩之中，是异地沉积形成的；海绿石单矿物为原地沉积，但碳酸盐岩中少见。

非碳酸盐自生矿物含量低，分布零星，常有赤铁矿、黄铁矿、燧石、玉髓、蛋白石、石膏、硬石膏、重晶石、天青石、海绿石、胶磷矿、萤石、石盐等。它们都具有不同的成因意义。

碳酸盐岩的结构与岩石成因关系密切，按其成因分为以下几类：①粒屑结构；②生物骨架结构；③晶粒结构；④残余结构。

1.粒屑结构

与波浪和流水作用有关的碳酸盐岩，常常具有粒屑结构，即由粒屑、泥晶基质（或灰泥杂基）、亮晶胶结物、孔隙等四种结构组分构成。

（1）颗粒（粒屑）

粒屑主要包括内碎屑、鲕粒、生物碎屑、球粒、核形石、团块等。

1）内碎屑：主要是大小不同的碳酸盐岩碎屑，内碎屑的大小反映一定的形成环境。砾屑、砂屑常形成于高能环境；粉屑、泥屑多出现于低能环境。砾屑主要在手标本上观察，显微镜下，不易全面观察颗粒的特征，主要鉴定砾屑的成分及填隙物的成分特征。因此，显微镜下主要以砂屑、粉屑的观察为主。

砂屑及粉屑由泥晶方解石组成，呈圆状或椭圆状，观察时主要鉴定砂屑的物质组成，大小、分选性、磨圆度等特征。

2）鲕粒：是在水体搅动情况下边转动边凝聚而形成的，当其重量大于水的浮力和水体搅动上举力之和时便沉积下来，因此一般大小都近相等。大小在2~0.25mm，常见为1~0.5mm，小于0.25mm者少见，大于2mm者称为豆粒。

鲕粒由核心和包壳组成：鲕粒核心可以是砂屑、粉屑、生物碎屑、微体生物或陆源碎屑等，核心形状各异，可直接影响鲕粒的形状；包壳由微晶方解石组成，同心层可多可少，常对称分布，也可以不对称。

按鲕粒大小、同心层层数，鲕粒可分为：

高能鲕：粒度2mm左右，核心可大可小，包壳层数较多，可以为复鲕、真鲕等。

低能鲕：粒度较小，包壳圈层数较少，有时为偏心鲕。

按形态和内部结构可分为（图2-28）：

图2-28　鲕粒类型示意图

真鲕：同心层厚度大于核心半径，包壳圈层数较多，形成于强水动力条件的高能环境。

薄皮鲕：也称为表鲕，同心层厚度小于核心半径，有时只有1~2圈。

复鲕：较大的包壳中包含两个或多个小鲕粒，作为核心。

偏心鲕：鲕粒核心不在鲕粒中心，同心层不对称，常偏移一侧。

放射鲕：鲕粒同心层不明显。包壳圈层由放射状方解石组成。

单晶鲕：鲕粒核心和包壳由单颗方解石组成。当由多个方解石组成时为多晶鲕，为鲕粒重结晶而成。

负鲕：即为空心鲕，核心缺失，包壳可厚可薄，可能核心被后期溶蚀而成。

此外，还有变形鲕、碎裂鲕、交代鲕等。

在薄片中观察鲕粒时，主要区分鲕粒的类型、大小、核心成分、圈层多少，以区分沉积环境条件、成岩作用及构造特征。

3）生物碎屑（骨屑）：是由完整的微体无脊椎动物或破碎的生物骨骼组成，有的因破碎不严重还具有一定的生物外形和内部构造，因此可根据生物特征鉴定种属，加以定名，有的则破碎强烈，无法鉴定种属。生物碎屑是重要的碳酸盐岩颗粒类型，在石灰岩中普遍存在。生物碎屑可以经过不同程度的搬运和磨蚀，其生物化石类型、大小、分选性和磨圆度是描述的重要内容。各类生物化石的鉴别主要通过显微结构来鉴别，显微结构一般划分为粒状结构、纤（柱）状结构、片状结构和单晶结构。

粒状结构。由光性方位不一致、大致等轴的晶体组成，按晶粒大小分为：

胶粒结构：由微晶方解石胶结稍大的方解石和石英粉砂组成，仅见于有孔虫中的串珠虫、沙盘虫等。

隐粒结构：由小于0.5~1μm的方解石组成，常含有机质、色暗。见于蓝绿藻、红藻，以及部分有孔虫（图2-29）、蜓的致密层等。

图2-29　有孔虫的隐粒结构

微粒结构：由小于1~10μm的方解石组成，色稍浅，微透明。见于蓝绿藻、红藻，部分有孔虫、海绵体壁、珊瑚和苔藓虫幼年期骨骼中。

晶粒结构：由大于10μm的方解石组成，晶体明亮，彼此镶嵌，常见于绿藻、腹足、双壳、海绵体壁及其骨针。

纤（柱）状结构。由平行或放射状排列及单向延长的方解石晶体组成，其ｃ轴与长轴方向近于一致。按晶体大小和形状分为：

纤维结构：方解石晶体的长轴大于短轴，宽小于3μm。它是珊瑚的重要显微结构类型，（又称羽簇结构）。其次见于环口目苔藓虫、介形虫及软体动物骨骼中。按生长又分为三种结构。①层纤结构：纤维状方解石垂直基面生长，在正交偏光下呈波状消光，常见于床板珊瑚、大部分四射珊瑚、介形虫、环口目苔藓虫及部分有孔虫中。②柱纤结构：纤维状方解石开始近于平行基线生长，往后逐渐向外角度变大，呈束状和喷泉状，在正交偏光下纵切面呈波状消光，横切面呈放射状十字消光，常见于四射珊瑚和腹足，双壳类的外层。③球状结构：纤维状方解石向四周放射状生长，在正交偏光下呈均匀的放射状十字消光，常见于六射珊瑚。

玻纤结构：方解石纤维状晶体小于0.5~1μm，垂直壳面平行排列，单偏光下较透明，纤维晶体细到难以分辨，正交镜下呈波状消光。它是三叶虫、介形虫和部分有孔虫的显微结构。

柱状结构：主体较宽，短轴大于5μm，横切面呈正方形或多变形，长轴垂直或略倾斜于壳面，柱状结晶轴的方位不一，是以柱体为独立的消光单位。它是腹足、双壳和头足的结构特征。

片状结构。由近于平行、两向延长的晶体叠积组成，按叠积形式分为：

平行片状结构：由近于平行壳面或骨骸外形的小于1~2μm厚的平行方解石叠积而成。单偏光下色暗，片密，延伸较长，正交偏光下垂直切面为波状消光。常见蠕虫管的立层、环口目苔藓虫体壁和隐口目苔藓虫的外层。

倾斜片状结构：由斜交壳面或骨骼外形同向倾斜的方解石叠积而成，倾斜壳的前部常见蠕虫管的外层、腕足骨骼内层等。

单晶结构。骨骼碎片由一个方解石晶体组成，正交偏光下消光一致，按单晶形状分成：

连生单晶结构：为海百合碎片的主要显微结构，海百合碎片内具有有机纤维布满的网状组织，其内充填方解石，光性方位一致，有的成岩时由方解石次生加大形成消光一致的单晶，可见方解石的解理。

网格单晶结构：为海胆类的主要显微结构，它是海胆死后，有机质腐烂后形成的孔洞被方解石充填，原骨片方解石与新充填的方解石的结晶轴相互垂直，形成网格状。薄壁单晶结构：由厚约10μm延伸、结晶轴平行壁面或生长方向的单晶方解石组成。仅见于隐口目苔藓虫虫室间壁和红藻的翁格达藻层的细胞壁中。

总之，各种生物骨骼具有不同的壳层和组成，它们的显微结构也不一致，如腕足壳层一般为两层，外壳为较薄的柱状层，内层为与壳面呈低角度倾斜片状结构层。碎片中通常仅见片状层，正交偏光下呈倾斜波状消光。腕足棘刺常呈密集的片状结构，横切面呈密集环状，中心为亮晶方解石。

4）球粒：由泥晶碳酸盐矿物组成的颗粒，一般呈卵球形，内部结构均一，表面光滑，成群出现，分选良好，富含有机质，具有相同的大小和形状，颗粒大小为0.03~0.2mm，为无脊椎动物的粪粒。鉴定时要注意球粒大小、组成、分布等特征。与鲕粒的区别是，球粒粒度小于0.2mm，没有内部结构，富含有机质；与砂屑的区别是富含有机质。

5）核形石：又称为藻灰结核，它是大小不等、外形不规则的球形包粒。它富含有机质，同心壳层不规则，呈弯曲、皱纹状、波状，壳层厚宽窄不一，往往不连续，呈花朵状、花瓣状，同心壳层组成类似叠层构造，由富藻纹层和富屑纹层相间组成。鉴定时注意与藻鲕的区别，藻鲕圈层较规则，核心明显。

6）团块：是具有不规则外形的复合颗粒，其内部可包裹小生物、小球粒。颗粒被蓝藻黏结在一起，岩石外围可有包壳（图2-30）。聚合的颗粒，外形不规则。团块石灰岩在古代岩石中一般不单独产出，只有少数的团块与生物碎屑和鲕粒共生，或与隐藻碳酸盐岩共生。因此，团块是异化颗粒与蓝藻共同组成的颗粒。

图2-30　团块颗粒类型

和团块一样，在碳酸盐颗粒分类中，还有一些颗粒如：假鲕、凝块石、藻屑等，这些颗粒在结构和组成上可能有所区别，其成因和内碎屑的成因基本一致，只是来源于不同的原碳酸盐岩及环境，就和碎屑岩中的砾石成分一样，花岗岩砾石和片麻岩砾石都是砾石。

单独划分没有什么意义，应归于砾屑或砂屑范畴。

（2）亮晶胶结物（淀晶）

亮晶胶结物是以化学方式沉淀的碳酸盐矿物，充填于颗粒之间起胶结作用。晶粒清澈明亮，常大于0.01mm，常存在于颗粒粗、分选好、数量多的岩石中，而且与颗粒间界线清楚，呈突变接触。亮晶之间界面平直，有时可见世代关系。亮晶胶结物形成于水动力条件较强的环境中。鉴定时主要区分亮晶胶结物的成因类型，其各自特征如下：

1）粒状胶结：由等轴粒状方解石组成，晶粒大小为0.01~0.03mm，晶体明亮干净，多为贴面结合，多形成于淡水渗透带。

2）世代胶结：由孔隙壁向孔隙中心生长，晶粒变粗，可出现2~3个世代。通常第一世代由针状马牙状晶体垂直颗粒表面生长；第二世代为粗粒的粒状或马牙状晶体生长在第一世代的孔隙中心侧；第三世代为更粗大的方解石组成，常呈粒状方解石颗粒，形成于海底及淡水渗流带。

3）新月型胶结：分布在两个相邻颗粒接触处，胶结物外缘常向内弯曲成新月状。形成于陆上渗流带。

4）渗滤砂胶结：由亮晶胶结物胶结的岩石，局部出现泥屑、粉屑、细小骨屑等充填于粒间孔隙中。形成于早期成岩阶段，主要为泥屑等碳酸盐物质被渗流水携带充填而成。

5）重力胶结：在泥晶基质胶结的岩石中，出现有悬挂状的粒状亮晶胶结物。系由于渗流带中孔隙水受重力作用集中而悬挂在颗粒下方沉淀的亮晶方解石。

6）共轴胶结：又称为再生胶结、共轴增生，类似于砂岩中的再生加大现象。表现为碳酸盐岩中方解石围绕海百合等生物壳，以组成壳的矿物晶体向外生长。共轴生长边受生物的形状、显微结构等影响，如果生物壳是柱状或针状，其外增生部分也为共轴的柱状或针状；如生物壳为纤维或波纤状，共轴边也为纤维或波纤状。

（3）泥晶基质（灰泥）

泥晶基质相当于陆源碎屑岩的杂基，但它不是陆源的，而是在盆地内形成的细小的碳酸盐矿物碎屑，晶粒小于0.03mm，充填于颗粒间，对颗粒起胶结作用。显微镜下表现为颗粒细小，色暗，不干净，与颗粒之间界线可以明显，也可以不清楚。泥晶基质易重结晶似亮晶胶结物，在显微镜下要注意它们彼此的区别。亮晶胶结物与重结晶的泥晶基质的主要区别如下：

1）亮晶胶结物充填于颗粒磨圆好、分选好的颗粒支撑的粒间孔隙中，胶结物少于颗粒。重结晶的泥晶常多于颗粒。

2）重结晶的泥晶晶体昏暗，常可见泥晶残余，晶粒间也常有残余的泥晶。亮晶胶结物晶体明亮，清洁，不含或少含杂质。

3）泥晶重结晶的晶体之间的接触面是不规则的，多呈锯齿状。亮晶的胶结物晶体间的接触面多是平直的贴面接触。

4）亮晶胶结物晶体可见生成先后的世代关系，常见呈2~3个世代，一般第一世代晶体较小，围绕颗粒呈栉状结构的针状或小柱状晶体；第二世代晶体充填于孔洞中呈较大的晶体。有的孔洞还可生长第三、四世代晶体，而泥晶重结晶的晶体无世代关系。

5）亮晶胶结物与颗粒之间的接触界线明显清晰，多呈突变接触，不破坏颗粒边界。泥晶重结晶后与颗粒的界线不清，可穿切破坏颗粒边界，呈复杂的齿状。

（4）支撑关系与胶结类型

支撑关系与陆源碎屑岩相似，分基质支撑和颗粒支撑。胶结类型也可分为基底式胶结、孔隙式胶结、接触式胶结和镶嵌式胶结。

2.生物骨架结构

生物骨架结构是指原地生长的底栖生物和造礁生物所具有的结构，是由生物骨架和生物化学组分组成的。应描述骨架生物的种属及其结构特征；充填于骨架间的附架生物的种属及组构特征；泥晶基质和亮晶胶结物的组构等特征。

3.晶粒结构

晶粒结构是化学沉淀形成的碳酸盐矿物和上述各种原生结构的石灰岩经过强烈重结晶作用形成的碳酸盐矿物晶粒。晶粒可根据其粒度划分为：巨晶（>2mm）、粗晶（2~0.5mm）、中晶（0.5~0.25mm）、细晶（0.25~0.05mm）、粉晶（0.05~0.005mm）及泥晶（<0.005mm）。晶粒结构按晶体形状不同可分为：他形晶（无晶面）、半自形晶（具有部分晶面）、自形晶（具有良好晶面）（图2-31）。

图2-31　粗粒自形晶粒结构

晶粒结构应分别观察和描述结晶程度、晶粒大小、自形程度和晶粒之间的关系（表2-9），然后给予综合命名，如中细粒不等粒半自形晶粒结构。

表2-9　碳酸盐岩晶粒结构鉴定表

4.残余结构

前述各种结构的灰岩发生不彻底的白云岩化或重结晶后，保留下原来的结构称残余结构。如残余砂屑结构、残余鲕粒结构（图2-32）、残余生屑结构以及幻影结构等。

图2-32　残余鲕粒结构

在描述时，新生结构和残余结构均要描述。要注意观察重结晶程度及其特征；白云岩化的程度及其特征；矿物晶体彼此的交代关系和形态变异等。

在对碳酸盐岩结构进行观察和描述时，可按以下步骤进行：

1）首先观察粒屑含量的多少或颗粒与填隙物的支撑关系，确定是粒屑结构还是结晶结构或生物结构。

2）如果是粒屑结构，应观察颗粒的类型及含量；亮晶胶结物成分和含量；泥晶基质特征及含量。

3）如果是结晶结构，应观察晶粒大小、自形程度、相互关系和形成阶段，并注意是否有残余结构，从而判断是否是重结晶作用或交代作用形成的。

4）如果是生物结构，则应观察主要和次要生物种属、结合方式、填隙物特征。观察孔隙大小、形态及成因。

总之，要在正确识别与描述碳酸盐岩结构的基础上，根据上述结构成因分类，确定所观察的结构成因类型，给予正确的结构名称，如亮晶鲕粒结构。

在碳酸盐岩中常见各种层理构造、层面构造、结核构造、叠层构造和缝合线构造等。在显微镜下进行构造特征的观察和鉴定的注意事项如下：

1）显微层理的观察：注意形态特征，如层状、条纹状、条带状、波纹状、小透镜状及粒度的韵律层理和小型斜层理。观察细层的物质组成。

2）注意小型冲刷-充填构造、小型结核构造、缝合线构造，区分缝合线的形态及缝合线内部物质组成。

3）注意泥晶灰岩中的鸟眼构造、窗孔构造、示底构造。

4）注意碳酸盐岩中的生物钻孔，以及生物扰动构造、叠层构造等。

碳酸盐岩在不同的成岩阶段可形成不同的矿物成分和结构、构造特征，根据岩石中的这些特征，可以分析岩石的成岩变化。

1）准同生-同生阶段：常形成粒屑沉积，并被泥晶方解石等固定下来，生物钻孔及生物扰动构造的形成，有些粒屑发生变形，如砂屑拉长、压扁等，海绿石的形成。

2）早期成岩作用：可发生粉晶、微晶的白云岩化和石膏化，高镁方解石及文石转变为低镁方解石，还可以形成粒间孔、铸模孔，或发生胶结作用。

3）晚期成岩作用：第二世代胶结物发生白云岩化形成白云石粉晶，方解石的重结晶，缝合线的形成。

4）后生作用：发生白云岩化、去白云岩化、去石膏化，重结晶作用形成粗大的晶体，缝合线形成，天青石、重晶石、萤石等矿物的形成及后期细脉的形成。

碳酸盐岩的分类与命名可以根据矿物成分和结构特征来进行。矿物成分分类的主要依据是方解石和白云石的相对含量，或碳酸盐矿物和陆源碎屑物质的含量（表2-8）；结构分类是目前广泛应用的方案，主要考虑颗粒的类型和含量，再考虑填隙物类型，如亮晶方解石和泥晶方解石的含量晶屑综合命名。在分类命名时，要考虑以下问题：

1）先采用矿物成分命名，确定石灰岩还是白云岩。

2）按结构命名，考虑颗粒类型、填隙物的类型和含量。

3）有特殊自生矿物时，要在命名时考虑，如含海绿石亮晶鲕粒灰岩。

4）有特殊构造时，也常参加命名，如叠层石石灰岩。

命名时一般采用：填隙物类型＋结构＋成分名称，如紫红色泥晶竹叶状砾屑灰岩、深灰色亮晶鲕粒灰岩等。

碳酸盐的成因包括碳酸盐岩的形成环境及水动力条件、沉积环境、成岩环境。碳酸盐岩的形成环境和水动力条件主要通过岩石中颗粒类型、大小和泥晶确定。

颗粒的形成环境：如鲕粒形成于水动力条件较高的浅滩环境。

颗粒的沉积环境：亮晶和泥晶方解石的含量代表沉积环境的水动力条件的强弱；泥晶灰岩是低能环境的产物，亮晶方解石胶结的颗粒灰岩形成于高能的沉积环境。

成岩后生变化：不同的胶结类型反映了碳酸盐岩不同的成岩后生环境。

生物类型可以判断盐度：生物化石及生物碎屑反映形成环境的盐度，如含三叶虫、腕足、软舌螺、棘皮类反映正常盐度的海相环境。