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碳酸盐岩微相研究现状与发展展望
【摘　要】碳酸盐岩是一种重要的储油岩，碳酸盐岩油气勘探工作促进了人们对碳酸盐岩微相的深入研究，微相分析方法在碳酸盐岩沉积学的研究中也十分重要。本文介绍了碳酸盐岩微相研究的简要历程，重点介绍了碳酸盐岩微相研究的方法和技术手段，以及人们对碳酸盐岩微相分析和解释的研究成果和应用，并对近年来微相分析研究的新进展进行了总结和展望。
【关键词】碳酸盐岩；微相；研究现状；进展
碳酸盐岩作为沉积岩中的一种主要岩类，广泛分布于世界各地，在我国约占沉积岩总面积的55％,并且不同时代的地层中均有发育。由于碳酸盐岩成因和结构的特殊性，使微相分析方法在碳酸盐岩沉积学的研究中显得尤为重要，成为碳酸盐岩沉积环境分析、岩石成因研究、相带划分以及岩相古地理研究中不可或缺的沉积学研究方法和手段[1-2]。
1　碳酸盐岩微相研究简要历程
早期的微相研究主要以岩石学偏光显微镜观察为主要分析手段。最早进行微相研究工作应为奥地利格拉茨大学的peters，在他1863年发表的题为“达斯坦石灰岩中的有孔虫”论文中，曾评价了薄片在阐明古生态和古地理问题方面的作用。
1927年，udden和walte在发表的论著中阐述了说明他们怎样利用偏光镜来描述和研究石灰岩的微相特征，并将鉴定成果最终应用到了得克萨斯的油气勘探中。
19世纪30年代，sander和pia在碳酸盐岩的显微镜研究方面取得了突破性进展，首次介绍了现代碳酸盐的综合研究成果。
1949年，brown最早提出了“微相”这一概念，随后cuvillier在1952年又对它进行了重新定义。
1962年，folk和dunham根据颗粒类型与泥晶一亮晶一颗粒相对含量，对沉积环境能量进行了分析，并提出了分类方法 。
70年代, wilson系统总结了碳酸盐岩沉积学与微相研究方法, 提出了24个标准微相和9个相带的沉积模式。
80年代, 杨承运和卡罗兹用微相方法对碳酸盐岩进行了分类, 并对微相分析方法进行系统阐述[3]。
2　碳酸盐岩微相研究方法和技术手段
要合理的进行微相的分析研究，必须进行野外地质研究，通过对野外露头和岩心的观察，可以识别的相标志有：岩性标志、岩石结构和颜色、层理、沉积构造、成岩特征、化石和生物构造等。在早期的岩石薄片分析研究中，也强调把野外工作和室内薄片研究结合起来。近十几年来，微相的研究方法不断推陈出新，取得了十分显著的成就。
2.1　初步分析方法
对岩石样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，或者是铸体、刻蚀和染色。碳酸盐岩薄片显微镜研究为微相分析提供了必要的基础资料。
研究微相最基本的工具是偏光显微镜和双目显微镜，这些基本的岩石学显微镜也是到目前为止进行微相研究最常用的工具。通常，需要对研究所用的显微镜配备低倍和高倍物镜以及岩石学鉴定装置，同时为研究岩石的成分和组构，还应配置机械或计算机工作站（kobluk和vyas，1989）。为了能同时观察整个薄片，可以使用数字胶片扫描仪 （de keyser，1999）和单片缩影胶片工具。薄片观察的研究顺序应该是从低倍开始，连续转换到高倍的物镜。
2.2　精细分析方法
随着研究的进一步深入，研究沉积微相最有潜力的技术是常规的薄片资料与更为精细的显微镜（如：扫描电子显微镜、阴极发光显微镜和荧光显微镜）和矿物学、地球化学综合研究。tucker（1981）对下列不同的显微镜技术做了极好的综述：扫描电子显微镜、阴极发光显微镜、x射线衍射和沉积岩化学分析技术[2]。
2.2.1　立体扫描电子显微镜
立体扫描电子显微镜（简称为扫描电镜，sem）技术的应用，对我们了解碳酸盐岩沉积、成岩过程及其产物都有很大的帮助。它的优点是能高度聚焦，形成极小表面的三维（微和超微尺度）优秀照片，分辨率高，放大倍数高达10至100000倍。是碳酸盐岩综合研究分析中非常重要的手段之一。
2.2.2　荧光显微镜
荧光代表物质被可见光或紫外线照射时的发光特征。碳酸盐岩的荧光可能由有机质形成，可以用抛光切片和厚的薄片进行研究。碳酸盐岩荧光发光技术主要应用在：（１）识别隐藏的显微组构；（２）区别原地和异地的微晶灰岩；（３）了解生物的矿化作用过程；（４）研究细纹层状灰岩的有机组分。
2.2.3　阴极发光显微镜
阴极发光显微镜（cl）是研究碳酸盐岩岩石学、成岩显微构造以及生物沉积的重要工具也是研究海相和非海相碳酸盐岩的重要工具。它通过电子轰击抛光薄片和抛光岩石表面激发发光，发光特征取决于被激发固体的物质特征，这些特征包括晶体结构、晶格缺陷以及化学成分等。阴极发光研究通常与岩石学显微镜和稀有元素分析相结合，并且已经成为微相分析的重要组成部分。
2.2.4　流体包裹体
矿物流体包裹体常用于研究沉积岩成岩作用、烃类物质的成因和运移、矿物沉积、构造地质学和岩石学等方面的问题，近20年来越来越被研究人员重视。解释流体包裹体的基本假设条件是流体包裹体发育在封闭体系中，与其形成时的其他流体具有相同的成分和浓度。具有流体包裹体的碳酸盐晶体在抛光切片和薄片中呈现黑色，在碳酸盐晶体中由水成液体和气体组成的雾状包裹体，可以提供胶结物的成岩环境信息。
流体包裹体的研究需要用到岩石学显微镜、加热和冷冻装置。实际的研究工作中，还常将阴极发光显微镜和稳定同位素分析与之相结合。
2.2.5　x射线衍射
在分析细粒碳酸盐岩时经常将x射线衍射和岩石学显微镜结合起来使用。hardy和tucker（1988）也曾介绍过x射线衍射全岩分析和粘土矿物分析的定性和定量分析方法。x射线衍射的有关资料可以提供碳酸盐矿物的化学成分信息，用于区别于不同的碳酸盐岩矿物，并且用于确定白云石晶体的有序度及方解石和白云石晶体的比例。另外，它也提供了快速测定石灰岩和白云岩中碳酸钙及酸不溶残余物含量的能力。
2.2.6　痕量元素和稳定同位素分析
地球化学的研究主要包括痕量元素分析和稳定同位素分析。碳酸盐岩和化石中的痕量元素是古环境的重要指示剂。微相资料、痕量元素和同位素地球化学结合起来用于微相研究，已经发展成为一种趋势。同位素的保存能力取决于原生矿物的保存能力和成岩蚀变程度，所以在研究中，一般先要用岩石学和阴极发光显微镜、扫描电镜和化学资料进行分析，之后在进行同位素分析。古代的碳酸盐岩稳定同位素分析也是古环境的指示标志，同时也揭示了古代海洋气候体系中碳的循环变化。
3　碳酸盐岩微相分析解释研究现状
沉积微相研究的目的就在于通过详细的碳酸盐岩沉积及古生物特征的研究，识别能够反映碳酸盐岩沉积历史的整体或局部环境（包括沉积环境和成岩环境）[2]。在碳酸盐岩微相的分析和解释中，需要对微相标志进行综合认识分析，总结出微相类型。沉积微相类型和沉积相组合是碳酸盐岩沉积模式发展的基础。
微相分析解释的先决条件是要对古环境进行详细的划分[4]。碳酸盐岩沉积于不同的沉积环境中，由一系列成因相关的沉积物特征和沉积环境要素组成，这些环境就需要不同的沉积相模式进行概括和总结。在碳酸盐岩相模式中用于表述从浅海到深海环境的横剖面的基本要素包括海底地形的变化、横向差异和垂向分界线。read于1995年总结前人的理论，将一个自海岸线至盆地的横剖面划分为五种主要相带（包括台地或大陆坡并经由一个缓坡到达盆地）：即潮坪相、泻湖相、浅水沉积相、深水陆棚及缓坡相、大陆坡和盆地相。不同的沉积环境需要不同的相模式，关于碳酸盐岩沉积相模式也比较多，只要有以下几种：镶边碳酸盐岩台地相带模式（威尔逊模式）、无镶边陆棚和台地模式、缓坡模式、孤立台地和环礁模式、陆表海台地模式、陆表海缓坡模式。其中影响最大、研究最为详细的是镶边碳酸盐岩台地相带模式，威尔逊（wilson）于1975年基于此模式建立了威尔逊沉积相模式，他将碳酸盐岩换分为三大相区和九个标准相带。后经schlager（2002）和flügel（2004）的修改，建立起了更完善的镶边碳酸盐岩台地的相模式，其中包括：（１）深海或克拉通深水盆地；（２）深水陆棚；（３）斜坡脚；（４）斜坡；（５）台地边缘礁；（６）台地边缘颗粒滩；（７）开阔台地；（８）局限台地；（９）蒸发或半咸水台地；（１０）地表暴露受大气淡水影响的区域共10个相带。每一个相带在环境、主要生物群落和沉积物、常见岩相方面都有明显区别。
将微观的沉积微相与宏观的沉积相带联系起来的一种方法是标准微相类型（smf）的建立[4]。标准微相类型是一种虚拟的分类，它是根据等同的标准总结出微相。标准微相类型的概念是由于人们认识到形成于类似环境中的不同年代石灰岩在成分和结构上令人惊讶的相似性而提出的。flügel（1972）最早提出了这个概念。wilson（1975）对flügel的分类进行了扩展补充并且进行了更为严格的定义，wilson区分出24个标准微相类型并应用于一个理想的镶边碳酸盐岩陆棚。用于区分标准微相类型的主要微相标志有：（１）颗粒类型和颗粒之间的联系；（２）沉积组构（如粒度变化、纹层等）；（３）基质类型；（４）化石；（５）沉积物结构类型。威尔逊提出的标准微相类型是目前最具影响力的标准。但是实际中，大概只有70%的微相可以与确定的标准微相类型相对应。另外一个比较实用的标准微相类型是碳酸盐岩缓坡模式。一些缓坡微相标志（rmf）与碳酸盐岩台地smf类型中的标准相是一致的，但是相比之下，碳酸盐岩台地的标准微相类型定义的要好一些并且基于更多的实例研究。
由于标准微相类型可以反映出环境条件，特征的标准微相类型的组合就可以代表特定的相带，因此标准微相类型的建立实现了由微观的微相特征快速简便地鉴定出沉积相类型或沉积环境。
4　碳酸盐岩微相研究的应用
近年来，人们对碳酸盐岩微相的研究越来越多，也越来越深入，究其原因就是碳酸盐岩微相分析有着很高的利用价值，在我们的生活中也有着广泛的应用。
碳酸盐岩微相在油气储层和以碳酸盐岩为宿主岩层的碱金属矿床的储集岩分析中的应用。储集岩可以通过储层岩石的物理特性来描述，这些物理特性使得储集岩具有了有利于流体、气体和矿物的迁移和储藏的能力。微相分析的发展极大地获益于石灰岩和白云岩的油气储层和源岩的勘探与开发，现在，微相分析在研究沉积作用、储层非均质性、储层物性在空间上的变化及发展规律等发面仍具有极其重要意义。碳酸盐岩也可以是有关矿床的宿主岩系，可以利用微相研究成果来理解有关同生和后生矿化作用的模式。
微相分析在岩石特殊物理化学性质研究领域中的作用。碳酸盐岩的工业应用取决于碳酸盐岩的物理和化学性质，而碳酸盐岩的物理和化学性质又是由碳酸盐岩的沉积史和成岩史所决定的。因此，岩石的原始沉积相也影响着碳酸盐岩的成岩过程，就成了岩石某些特殊物理和化学性质的重要控制因素。通过岩石的微相分析，我们就能够更好的理解这种控制因素的作用。
碳酸盐岩微相在考古学方面的应用。一般的讲，考古学的测量方法主要包括元素分布分析、稳定同位素分布类型格局和矿物与岩石组分分析等。微相分析在考古中的应用主要有：（１）识别陶瓷工艺所用材料的原产地和加工地；（２）区分判别古建筑石材、艺术品、工艺品用材的原料产地；（３）确定当时工艺品的制作路线；（４）根据同位素和地球化学资料评价原产地分析结论；（５）了解考察古代的贸易路线。因而，沉积微相分析在考古学中起着越来越重要的作用，并且微相分析的方法不仅仅能用于碳酸盐岩，还可以用于燧石。所以，把考古对象的特征与地质的和沉积相的特征结合起来，就是一种非常有价值的考古方法。
5　碳酸盐岩微相研究新进展与未来展望
近年来，碳酸盐岩微相的研究和应用也取得了很大的进展，主要体现在以下几个方面：（１）新技术的应用：为了最爱限度的开发微相分析所应用的资料信息，除了使用偏光显微镜以外，还用到了一些新的技术手段，如阴极发光显微镜、流体包裹体显微镜、扫描电子显微镜以及稳定同位素地球化学技术。现在，为了进行沉积微相分析，评价盆地中可能发育的沉积储集体，对岩石薄片进行定量分析也是不可缺少的方法。（２）新的古、今碳酸盐岩对比研究资料的应用：由于地质历史中的生物系统、地质因素以及化学作用都会随着时间的变化而变化。所以，现代碳酸盐岩的沉积体系仅能部分反映地史中古地理背景和沉积环境的变化。但是，研究现代碳酸盐岩的形成过程，能让我们了解生物对碳酸盐发育的影响，帮助我们了解和认识在古代碳酸盐岩中有哪些物理作用、生物和生物遗迹以及化学作用能够被保存和记录下来。因此，现代深浅海碳酸盐岩沉积作用的研究，对古代碳酸盐微相解释具有重要的意义。（３）碳酸盐岩颗粒成因、分布方面的新资料：近来，有关显生宙以来生物成因和非生物成因对碳酸盐颗粒的成因、颗粒类型分布和沉积位置的影响方面的研究越来越多，资料越来越丰富。另外，一些典型的颗粒类型组构（如鲕粒、核形石）对研究古纬度和古环境对海相和非海相碳酸盐岩沉积作用的影响也具有重要意义；（４）生物对碳酸盐岩沉积控制作用研究的新资料：由于生物各种不同方式的活动可能会对坦碳酸盐岩的结构和构造起到破坏性的作用，所以人们通过研究生物活动的遗迹形态和分布来恢复古环境的信息；另外，细菌和蓝藻细菌在细粒和微生物碳酸盐岩沉淀中的作用也日益被人们所认识和重视。（５）精细沉积模式的新概念：为了研究碳酸盐岩建造的主要控制因素，可主要开了沉积作用过程、控制因素并用计算机进行模拟，营建一个“动力学模型”来提供一个虚拟的碳酸盐岩台地供进一步假设和讨论。这种由计算机模拟形成的相模式的发展训练，主要依赖微相和生物学参数的选取。
总的来说，微相的研究近年来有很大发展，以由过去的单纯的分析环境转为研究岩石的成因、沉积作用的过程、成岩作用变化及其与岩石孔隙演化关系等，由传统的定性化研究方法（主要指用岩石学偏光显微镜进行的微相研究）发展到定量化研究沉积微相及微相组合，研究内容渐趋丰富并逐步向各学科分散、渗透，不论是从研究内容还是研究方法上都取得了长足的进步。
【参考文献】
［1］冯增昭.碳酸盐岩岩相古地理学[m].石油工业出版社，1989，5.
［2］flügel．碳酸盐岩微相：分析、解释及应用[m].马永生，主译.地质出版社，2006，10.
［3］包洪平，杨承运.碳酸盐岩微相分析及其在岩相古地理研究中的意义[m].岩相古地理，1999，19（6）：23-29.
［4］初广震.塔里木盆地寒武-奥陶系碳酸盐岩微相与成岩作用研究[d].北京：中国地质大学，2010，5.
［责任编辑：周娜］