碳酸岩研究进展.pdf
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1、书书书():岩 石 学 报:尹 淑 苹,谢 玉 玲,侯 增 谦 等 碳 酸 岩 研 究 进 展岩 石 学 报,():,:碳 酸 岩 研 究 进 展尹 淑 苹,谢 玉 玲 侯 增 谦曲 云 伟,北 京 科 技 大 学 土 木 与 资 源 工 程 学 院,北 京 中 国 地 质 科 学 院 地 质 研 究 所,北 京 ,收 稿,改 回,():,:“”,“”;摘要 碳 酸 岩()一 词 自 首 次 被 提 出 至 今 已 有 一 百 多 年 的 历 史,它 是 一 种 神 秘 而 颇 具 争 议 的 岩 石 类 型。碳 酸 岩富 含 碳 酸 盐 矿 物,通 常 与 基 性、超 基 性 或 碱 性 硅
2、 酸 盐 岩 伴 生 形 成 碳 酸 岩硅 酸 盐 岩 杂 岩 体,具 有 独 特 的 化 学 成 分 和 矿 物 学 特 征并 具 有 承 载 重 要 经 济 矿 床 的 能 力。在 过 去 的 几 十 年 里,碳 酸 岩 的 研 究 在 岩 石 成 因 及 岩 浆 起 源、地 球 化 学 与 地 质 年 代 学、高 温高 压 实 验、与 碳 酸 岩 相 关 的 经 济 矿 产、碳 酸 岩 型 稀 土 矿 床 中 稀 土 元 素 的 富 集 分 异 及 成 矿 机 理 等 领 域 取 得 了 巨 大 进 步。本 文 从碳 酸 岩 的 定 义 与 分 类、成 岩 背 景 与 时 空 分 布、岩
3、 石 学 特 征 及 矿 物 组 成、岩 浆 起 源 及 演 化 过 程 以 及 与 碳 酸 岩 相 关 的 矿 产 资 源 等方 面 对 碳 酸 岩 的 研 究 进 展 进 行 了 综 述 与 评 论,提 出 从 成 因 角 度 探 索 碳 酸 岩 分 类 方 案 的 必 要 性,总 结 和 梳 理 了 我 国 目 前 发 现 的碳 酸 岩 的 产 地 和 分 布 特 征,并 认 为 碳 酸 岩 岩 浆 与 硅 酸 盐 岩 浆 演 化 具 有 差 异 性,应 重 视 对 碳 酸 岩 岩 浆 演 化 过 程 中 熔 体流 体 过 渡本 文 受 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目(、)和 中
4、 国 地 质 科 学 院 地 质 研 究 所 基 本 科 研 业 务 经 费()资 助第 一 作 者 简 介:尹 淑 苹,女,年 生,高 级 工 程 师,矿 物 学、岩 石 学、矿 床 学 专 业,:通 讯 作 者:谢 玉 玲,女,年 生,教 授,博 士 生 导 师,主 要 从 事 矿 床 学 和 矿 床 地 球 化 学 方 面 的 研 究,:阶 段 的 研 究。最 后 从 文 献 计 量 学 角 度 利 用 大 数 据 和 可 视 化 手 段 对 来 自数 据 库 的 近 十 年 以“”为 检 索 词 的 近千 篇 文 献 进 行 了 可 视 化 分 析,总 结 归 纳 了 碳 酸 岩 现
5、阶 段 的 研 究 热 点,并 对 未 来 碳 酸 岩 的 研 究 趋 势 进 行 了 展 望。关 键 词 碳 酸 岩;定 义 与 分 类;时 空 分 布;岩 石 矿 物 学 特 征;岩 浆;经 济 矿 产中 图 法 分 类 号 碳 酸 岩()是 一 类 特 殊 的 岩 浆 岩,富 含 碳 酸 盐矿 物,通 常 与 基 性、超 基 性 或 碱 性 硅 酸 盐 岩 伴 生 形 成 碳 酸 岩硅 酸 盐 岩 杂 岩 体,其 最 重 要 的 特 征 是 具 有 独 特 的 成 分 和 矿 物学 特 征 并 具 有 承 载 重 要 经 济 矿 床 的 能 力。自“”一词 被 首 次 提 出(,)距 今
6、 已 有多 年 的 历 史,一直 以 来,围 绕 碳 酸 岩 成 因、分 类、岩 浆 来 源 与 演 化、富 集 成 矿机 制 等 方 面 的 争 论 就 未 曾 间 断。碳 酸 岩 岩 浆 源 自 地 球 深 部,岩 浆 演 化 过 程 与 壳 幔 相 互 作 用 密 切 相 关,研 究 碳 酸 岩 的 成 因和 组 成 有 助 于 理 解 地 幔 的 性 质 和 特 征,了 解 关 于 壳 幔 相 互 作用、物 质 交 换 的 重 要 信 息,因 此,碳 酸 岩 是 揭 示 地 幔 地 球 化 学动 力 学 的“探 针 岩 石”(许 成 等,);碳 酸 岩 中 大 量 碳 酸 盐矿 物 通
7、 过的 吸 收 与 释 放 参 与 地 球 碳 平 衡 过 程,是 地 球 碳循 环 的 重 要 组 成 部 分,研 究 碳 酸 岩 的 形 成 机 制 对 理 解 全 球 碳循 环 过 程 具 有 重 要 意 义(,);此外,碳 酸 岩 中 普 遍 富 含 稀 土 元 素()、铌()和 磷()等具 有 重 要 经 济 意 义 的 元 素,据 统 计,每个 碳 酸 岩 或 碳 酸岩碱 性 岩 杂 岩 体 中 就 有个 赋 存 有 经 济 意 义 的 矿 床(,),碳 酸 岩 被 认 为 是 最 具 有 经 济 潜力 的 岩 石 类 型 之 一(,)。目 前 随 着 各 种高 科 技、新 能 源
8、 等 新 兴 产 业 的 发 展 以 及 国 防 军 工 等 领 域 的 需求,人 们 对 战 略 性 关 键 矿 产 的 需 求 日 益 增 加,其 涉 及 的 相 关金 属 元 素(如 稀 有、稀 土、稀 散 金 属 等)和 矿 床 研 究 的 重 要 性也 越 来 越 突 显,对 碳 酸 岩 的 研 究 变 得 愈 加 重 要。在 过 去 的 几 十 年 里,随 着 大 量 实 验 岩 石 学 成 果 的 积 累 和分 析 技 术(如 高 灵 敏 度 质 谱 技 术)的 提 高,碳 酸 岩 的 研 究 取 得了 巨 大 进 步。本 文 从 碳 酸 岩 的 定 义 与 分 类、成 岩 背
9、景 与 时 空分 布、岩 石 学 特 征 及 矿 物 组 成、岩 浆 起 源 及 演 化 特 征 以 及 与碳 酸 岩 相 关 的 矿 产 等 方 面 对 碳 酸 岩 的 研 究 进 展 进 行 了 综 述与 评 论;最 后 从 文 献 计 量 学 角 度 利 用 大 数 据 和 可 视 化 手 段 对来 自数 据 库 的 近年 以“”为 检 索 词 的 近千 篇 文 献 进 行 可 视 化 分 析,归 纳 和 总 结 了 碳 酸 岩 现 阶 段 的 研究 热 点,并 对 未 来 碳 酸 岩 的 研 究 趋 势 和 需 要 关 注 的 问 题 进 行了 归 纳 与 展 望。碳酸岩的定义与分类
10、碳 酸 岩 的 定 义关 于 碳 酸 岩 的 定 义,目 前 普 遍 采 用 的 是 国 际 地 质 科 学 联合 会()的 标 准:含 有以 上 体 积 分 数 的 碳 酸 盐、且含 量 少 于的 一 类 特 殊 的 岩 浆 成 因 的 岩 石 类 型(,;,)。但 是对 碳酸 岩 的 定 义 存 在 很 多 不 足,遭 到 许 多 碳 酸 岩 学 者 的 质 疑(,;,;,),因 为 该 定 义 仅 关 注 了 岩 石 中 碳 酸 盐 矿 物 和的 含 量,而 忽 略 了 岩 石 成 因,这 样 的 分 类 方 式 将 所 有 含碳 酸 盐 超 过的 且 可 以 被 合 理 推 断 为 岩
11、 浆 成 因 的 岩 石 都归 为 碳 酸 岩 范 畴。按 照 这 个 定 义,一 些 原 本 是 沉 积 或 者 变 质成 因 的 石 灰 岩 或 者 含 足 够 多 碳 酸 盐 矿 物 的 热 液 脉 都 可 以 被称 之 为 碳 酸 岩;同 时 该 定 义 也 忽 略 了 源 自 同 一 母 岩 浆 并 具 有广 泛 碳 酸 盐 矿 物 含 量 变 化(不 足体 积 分 数)的 一 套 成 因相 关 的 岩 石 序 列 组 合。()认 识 到 形 成 碳 酸 岩的 母 岩 浆 在 经 历 了 复 杂 的 演 化 过 程(如 不 混 溶 和 结 晶 分 异 作用)后 会 生 成 一 套 碳
12、 酸 盐 矿 物 含 量 显 著 变 化 的 同 源 岩 浆 岩 序列,因 此 他 提 出 修 正 碳 酸 岩 的 定 义 为 任 何 含 有 体 积 分 数 大 于的 原 生 火 成 碳 酸 岩 的 岩 石,而 不 考 虑含 量。这 样 可以 更 好 地 区 分 来 自 同 一 岩 浆 体 系、连 续 演 化 并 在 矿 物 组 合 及岩 石 成 因 方 面 都 具 有 显 著 的 矿 物 学 和 地 球 化 学 遗 传 特 征 的岩 石。()也 认 为 碳 酸 岩 定 义 中 碳 酸 盐 矿 物的 体 积 含 量 下 限 可 以 下 降 至。碳 酸 岩 的 分 类遵 循对 碳 酸 岩 的
13、定 义,按 照 岩 石 中 主 要 碳 酸 盐 的矿 物 类 型 可 将 碳 酸 岩 分 为:方 解 石 碳 酸 岩()、白 云 石 碳 酸 岩()、铁 质 碳 酸岩(,含 有 富 铁 的 碳 酸 盐 矿 物)和 钠 质 碳 酸 岩(,目 前 仅 限 于 坦 桑 尼 亚 碳 酸岩)(,)。如 果 存 在 多 种 重 要 的 碳 酸 盐 矿 物,则 按 各 端 员 矿 物 递 增 的 顺 序 进 行 命 名,如 方 解 石白 云 石 碳酸 岩(白 云 石 含 量方 解 石)。若 存 在 含 量 较 多 的 非 碳 酸 盐类 矿 物 也 可 以 在 名 称 中 有 所 体 现,如 金 云 母磁 铁
14、 矿方 解 石碳 酸 岩(,)。按 照 岩 石 的 化 学 成 分 可将 碳 酸 岩 分 为(图):钙 质 碳 酸 岩,()、镁 质 碳 酸 岩,(),且 和 铁 质 碳 酸 岩,(),且 ,若 岩 石 中含 量 大 于,则 为 硅 质 碳 酸 岩(,;,)。()关于 碳 酸 岩 三 元 分 类 图 解 中 不 包 含的 碳 酸 岩,因 此()做 出 补 充,提 出 了 基 于 氧 化 物 质 量 分 数 的 新的 三 角 图 解(图),应 用 此 三 角 图 需 满 足 的 前 提 是 碳 酸 岩中含 量 大 于,其 中 或 且 。岩 石 学 报,():图碳 酸 岩 的 四 种 分 类 方
15、案 图 解()碳 酸 岩 的经 典()分 类 图 解(据 ,;,),不 包 含 硅 质 碳 酸 岩;()包 含 硅 质 碳 酸 岩 的()()分 类 图 解(据,);()基 于 摩 尔 分 数 改 进 的()分 类 图 解(据 ,);()碳 酸 岩 的四 面 体 分 类 图 解(据 ,),代 表含 铁 白 云 石 中 的 最 大 值,为 透 辉 石,为 铁 金 云 母(),为 白 云 石,为 镁 菱 铁 矿 ()()(,;,),;()()(),(,);()()(,);()(,),的 碳 酸 岩 分 类 方 案 虽 然 被 广 泛 应 用,但()认 为“”(铁 质 碳 酸 岩)一 词 并 没有
16、很 好 地 被 定 义,因 为化 学 分 类 方 案 将、和作 为 同 一 端 元 组 分 处 理,无 法 准 确 区 分 含 有 赤 铁 矿 或 磁铁 矿 的 方 解 石 或 白 云 石 碳 酸 岩,还 是 主 要 由 富的 铁 白 云石 或 方 解 石菱 铁 矿 组 成 的 碳 酸 岩。因 此 他 引 入“含 铁 钙 质碳 酸 岩()”这 一 术 语,提 出 了 一 种基 于 摩 尔 分 数 的 改 进 的 碳 酸 岩 化 学 成 分 分 类 方 案(图):钙 质 碳 酸 岩(,)、镁 质 碳 酸 岩,且()、含 铁 钙 质 碳 酸 岩(,且()和 铁 质 碳 酸 岩,且(),其 中表 示
17、()的 摩 尔 比,若和均 被 准 确 测 定,则为的 摩 尔 分 数,否 则 为 将 总换 算 成的 摩 尔 分 数。该 分 类 尽 管 未 被 所有 人 公 认,但 这 种 分 类 方 式 在 碳 酸 岩 相 关 的 矿 床 研 究 中 被 普遍 使 用(,)。以 上 方 案 都 是 基 于对 碳 酸 岩 的 定 义(碳 酸 盐 矿 物体 积 分 数)。(,)提 出 将 岩 石 中 碳酸 盐 矿 物 的 体 积 分 数 下 限 降 低 为,并 依 据 矿 物 成 因 和 母岩 浆 类 型 把 碳 酸 岩 分 为 两 类:初 始 碳 酸 岩()和 残 余 碳 酸 岩(?)(,)。前 者 主
18、要 由 源 自 地 幔 的 岩 浆 通 过 分 异 作 用 形成,结 晶 温 度 一 般 在 以 上,这 类 岩 石 中 的 矿 物 主要 为 碳 酸 盐 矿 物、橄 榄 石、透 辉 石、斜 锆 石、钙 钛 矿 和 钛 锆 钍矿 等,伴 生 的 矿 床 以 贫的 烧 绿 石、磷 灰 石 和 磁 铁 矿 为 主,通常 贫(,);后 者 则 主 要 由 来 自 初 始 碳 酸 岩尹 淑 苹 等:碳 酸 岩 研 究 进 展熔 体 或 其 他 来 源 的 流 体 在 相 对 较 低 的 温 度 下 形 成 的,这 类 岩石 的 矿 物 组 合 取 决 于 形 成 时 的 流 体 类 型、温 度 和 压
19、 力,较 为复 杂,岩 石 中 往 往 富 集。这 种 分 类 规 则 强 调 二 者 的 成因 差 别 以 及 不 同 的 经 济 意 义,并 得 到 了 许 多 学 者(,;,)的 认 可。这种 分 类 规 则 依 据 岩 石 中 主 要 的 碳 酸 盐 矿 物 类 型 把 初 始 碳 酸岩 分 为类:()方 解 石 碳 酸 岩 主 要 碳 酸 盐 矿 物 是 方 解石();()白 云 石 碳 酸 岩 主 要 碳 酸 盐 矿 物 是 白 云石();()铁 白 云 石 碳 酸 岩 主 要 碳 酸 盐 矿物 为 铁 白 云 石 (,)();()镁 菱 铁 矿 碳 酸岩 主 要 碳 酸 盐 矿
20、物 为 镁 菱 铁 矿 (,)();()菱 铁 矿 碳 酸 岩 主 要 碳 酸 盐 矿 物 为 菱 铁 矿;()无 水 钙 苏打 石碳 酸 钠 钙 石 碳 酸 岩 主 要 碳 酸 盐 矿 物 为 无 水 钙 苏 打石 (,)()和 碳 酸 钠 钙 石 (,)()。若 岩 石 中 含 有 重 要 的 硅 酸 盐 矿 物,则 在 前 面 增 加 该 矿 物 的 前缀,不 再 使 用 硅 质 碳 酸 岩 的 术 语。同 时 该 方 案 也 给 出 了 基 于化 学 成 分 的 四 元 图 解(图)。综 上,鉴 于 碳 酸 岩 复 杂 的 矿 物 组 成 和 成 因,在 矿 床 学 的实 际 研 究
21、中 有 关 碳 酸 岩 的 描 述 往 往 使 用 经 典 碳 酸 岩 定 义 和分 类 方 案,目 前 对 碳 酸 岩 依 据 矿 物 学 组 成 来 命 名 和 分 类 仍 是首 选 的 方 法(,;,)。但随 着 研 究 的 深 入,经 典 的 分 类 往 往 无 法 涵 盖 所 有 的 碳 酸 岩 类型,如 自 然 界 还 发 现 了 一 种 以 菱 锶 矿 为 主 要 碳 酸 盐 矿 物 的 新的 碳 酸 岩 类 型(曲 云 伟 等,),该 富 锶 碳 酸 岩 不 同 于 已 知的 任 何 一 种 钙 质、镁 质、铁 质 和 钠 质 碳 酸 岩。碳 酸 岩 的 经 典定 义 与 分
22、类 除 了 描 述 岩 石 的 结 构 构 造 特 征 和 所 含 矿 物 组 合外,能 够 传 达 的 信 息 很 少,不 能 提 供 有 用 的 岩 石 成 因 方 面 的信 息,更 不 能 用 于 指 示 碳 酸 岩 岩 浆 的 起 源 和 演 化,甚 至 可 能产 生 误 导。然 而 解 决 矿 床 学 的 关 键 科 学 问 题 往 往 依 赖 于 成矿 岩 浆 岩 的 岩 浆 起 源、岩 浆 演 化 及 矿 化 条 件 与 机 理 的 探 讨,因 此 准 确 把 握 碳 酸 岩 的 经 典 定 义 与 存 在 的 不 足,综 合 考 虑 各种 碳 酸 岩 的 分 类 依 据,在 实
23、 际 研 究 中 全 方 位 多 角 度 对 碳 酸 岩进 行 特 征 描 述、精 准 命 名 并 考 虑 多 种 分 类 方 案,有 助 于 探 究其 岩 石 成 因。近 几 十 年 来 的 碳 酸 岩 研 究 和 高 温 高 压 实 验 工作 已 经 积 累 了 足 够 多 的 成 果 来 建 立 碳 酸 岩 的 成 因 性 定 义 和分 类,()也 建 议 设 计 以 岩 石 成 因 为 依 据 的新 的 碳 酸 岩 定 义 与 分 类 方 案。在 今 后 的 研 究 中,关 注 不 同 类型 碳 酸 岩 的 成 因 意 义 及 其 与 不 同 矿 产 资 源 类 型 的 关 联,探 索
24、基 于 岩 石 成 因(如 初 始 碳 酸 岩、残 余 的 碳 酸 岩 热 液 脉 或 反 矽卡 岩 等)的 碳 酸 岩 分 类 方 案,对 揭 示 经 济 元 素 在 碳 酸 岩 岩 浆演 化 过 程 中 的 富 集 与 分 异 机 理 有 重 要 意 义,从 而 为 进 一 步 指导 找 矿 提 供 借 鉴。碳酸岩的成岩背景与时空分布 碳 酸 岩 的 成 岩 背 景碳 酸 岩 可 以 出 现 在 不 同 的 构 造 背 景 中,如 大 陆 板 内 环境、造 山 带 或 洋 岛 环 境 等(,;,)。大 陆 板 内 环 境 下 的 碳 酸 岩 通 常 产 于 伸 展 拉 张 的 岩 石 圈构
25、 造 背 景 下(杨 学 明 等,),包 括 稳 定 的 大 陆 板 块 内 部、克拉 通 边 缘 和 裂 谷 带。主 要 产 于 太 古 宙 和 元 古 宙 基 底 中 的 大陆 板 块 岩 石(其 中为 克 拉 通,为 非 克 拉 通 环 境)或 具 有 前 寒 武 纪 基 底 的 显 生 宙 岩 石 中(,)。世 界 上 大 陆 板 内 碳 酸 岩 的 主 要 产 地 包 括:东 非 大 裂谷、科 拉 半 岛斯 堪 的 那 维 亚 半 岛、加 拿 大 地 遁 东 南 部 和 南部、西 伯 利 亚 克 拉 通 东 侧、格 陵 兰 地 块 南 缘、巴 西 克 拉 通 东缘、印 度 地 块 边
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