سنگ های کربناتی چیست و انواع آن کدامند؟

سنگ های کربناتی (Carbonate rocks) به سنگ هایی گفته می‌شود که حاوی بیش از 50% کانی کربناته باشند. کلسیت، کلسیتِ Mgدار، آراگونیت و دولومیت کانی های کربناته هستند. از این میان، کلسیت و دولومیت رایج‌ترین و مهمترین فازها در سنگ‌های کربناتۀ قدیمی‌تر هستند. تراورتن و کالیش، دو سنگ مهم کربناتی محسوب می‌شوند. از نظر شیمیایی، سنگ‌های کربناته سرشار از CaO، MgO و CO₂ هستند. قدم اول در شکل گیری این سنگ‌ها، رسوبگذاری غیرآلی و آلی ذرات کربناته است که توسط موجودات ریز ایجاد می‌شود. منشاء ذرات آلی (بیوشیمیایی) پوسته موجودات دریایی مثل صدف‌ها، روزن داران و مرجان‌ها است. منشاء ذرات غیرآلی (معدنی) برای ایجاد سنگ های کربناته، سنگ های کربناتۀ قدیمی‌تر هستند. محیط تشکیل سنگ‌های کربناته می‌تواند در دریاها، در محیط‌های حدواسط و در قاره‌ها باشد. تشکیل سنگ های کربناتی در قاره‌ها، فقط در دریاچه‌ها قابل توجه است؛ زیرا در دریاچه‌ها، به طور محلی، می‌توانند نهشته‌های بزرگی تشکیل دهند.

سنگ های کربناتی چیست؟

سنگ های کربناته نوع مهمی از سنگ های رسوبی هستند که عمدتاً از کانی‌های کربناتی مانند کربنات کلسیم (CaCO₃) و کربنات مضاعف کلسیم و منیزیم (₂(Mg CaCO₃)) تشکیل شده‌اند. سنگ های کربناتی، سنگ‌هایی بسیار ناهمگن هستند، زیرا اجزای تشکیل دهندۀ آن از ذرات با منبع بیولوژیکی و غیر بیولوژیکی (معدنی) است و این اجزا در یک زمینه (ماتریس) یا سیمان، از جنس گل آهک قرار گرفته‌اند. الگوی ریزساختاری سنگ‌های کربناته، تحت تأثیر اندازه، شکل، چگالی، آرایش فضایی ذرات، شکستگی‌ها و ترک‌ها نقش مهمی در تعیین خواص فیزیکی آن‌ها دارد.

سنگ آهک و دولوستون دو نوع عمده سنگ های کربناتی هستند. سنگ آهک عمدتاً از کربنات کلسیم تشکیل شده است، دولوستون عمدتاً از کربنات منیزیم یا همان دولومیت تشکیل شده است. سنگ آهک (Limestone) و دولوستون (dolostone) در مجموع به عنوان کربنات شناخته می‌شوند. زیرا این دو نوع سنگ رسوبی، عمدتاً از کانی‌های کلسیت (CaCO3)، آراگونیت (CaCO3) و دولومیت [₂(Mg CaCO₃)] تشکیل شده‌اند. بافت سنگ های کربناته می‌تواند به صورت بلورین و غیر بلورین باشد. این سنگ‌ها بسیار مستعد تبلور مجدد پس از رسوب‌گذاری هستند که می‌تواند بافت‌های اصلی را تغییر داده و/یا مبهم کنند. همچنین می‌تواند بافت‌های کاملاً کریستالی ایجاد کند.

کانی های اصلی سنگ های کربناتی؛ دولومیت

انواع سنگ های کربناته

1. لایم استون یا همان سنگ آهک (Limestone): این سنگ عمدتاً از کربنات کلسیم تشکیل شده است.
2. دولو استون (Dolostone): عمدتاً از کربنات منیزیم یا همان دولومیت تشکیل شده است. واژه دولوستون، به طور خاص به کانی دولومیت اشاره دارد. اما این واژه، کاربرد گسترده‌ای پیدا نکرده است و سنگ‌شناسان رسوبی معمولاً از واژه دولومیت استفاده می‌کنند.
3. کالیش (Calich): خاک و یا سنگ های کربناتی به رنگ روشن (خاکستری مایل به سفید یا کرم رنگ) با ترکیب کلسیت کم منیزیم است. از طریق رسوبگذاری کلسیت در خاک، رسوبات یا در سنگ‌های موجود تشکیل می‌شود.
4. ریف (Reef): از نهشته شدن پوسته کربناتی گیاهان، جانوران و آبزیان در محدودۀ خاصی از دریاها و اقیانوس‌ها ایجاد می‌شود.
5. سنگ تراورتن: یک سنگ کربناتی رسوبی است که از رسوب آهک در چشمه های آبگرم ایجاد می‌شود.
6. سنگ مرمریت: یک سنگ رسوبی دگردیس شده است که از رسوب کربنات کلسیم و منیزیم و پخته شدن آن در حرارت‌های کم ایجاد می‌شود.
7. سنگ چینی: یک سنگ دگرگونی است که از دگرگونی درجه ضعیف توده‌های آهکی ایجاد شده است. چنانچه دگرگونی قوی باشد، سنگ مرمر (Marble) شکل می‌گیرد.

سنگ های کربناتی رسوبی در یکی از دو گروه بزرگ زیر جای می‌گیرند:

1. سنگ های کربناتۀ آلی: منشاء جانوری و گیاهی دارد؛ مثل ریف ها.
2. سنگ های کربناتی شیمیایی: منشاء معدنی دارد؛ مثل سنگ تراورتن.

سنگ‌های کربناته متخلخل حاصل از رسوب شیمیایی و بیوژنیک کربنات کلسیم، بخش بزرگی از مخازن نفت را تشکیل می‌دهند. از این رو، بررسی آن‌ها مهم است و مورد مطالعه قرار می‌گیرند.

هر یک از این دو دسته در ادامه توضیح داده شده است.

1- سنگ های کربناته آلی

بیشترین و مهمترین سنگ‌های کربناته آلی، در محیط‌های کم عمق دریا تشکیل می‌شوند. زیرا بسیاری از حیوانات، گیاهان و باکتری‌های کوچک ترشح کننده آهک (CaO) در آب‌های کم عمق زندگی می‌کنند. ترشحات و پوسته آن‌ها بسیاری از سنگ‌های کربناته را تشکیل می‌دهد. ریف یکی از انواع سنگ های کربناتی آلی است. این سنگ، از انباشته شدن پوسته جانوران دریایی بسیار کوچک (فورامینیفرا) و از بقایای آهکی کوکلیت ها، جلبک دریایی که جنس‌شان از کربنات کلسیم است، به دست می‌آید. ریف تخلخل و نفوذپذیری بسیار بالایی دارد. این ویژگی، آن را به یک کانی صنعتی و ماده مهم برای بسیاری از کاربردهای صنعتی مانند ساختمان سازی، کشاورزی و به عنوان منبع کربنات کلسیم برای تولید سیمان، کاغذ و سایر محصولات تبدیل می‌کند.

2- سنگ های کربناتی با منشاء شیمیایی

کلسیت می‌تواند منشاء غیر آلی نیز داشته باشد؛ در این صورت، به صورت شیمیایی رسوب می‌کند. کربنات کلسیم در آب دریا و در آب‌های شیرین به حالت محلول وجود دارد. عنصر کلسیم (Ca) از هوازدگی کانی‌های حاوی کلسیم (مثل پلاژیوکلاز کلسیم دار) به دست می‌آید و به صورت یون ⁺Ca² وجود دارد. CO2 موجود در اتمسفر، پس از برخورد با سطح آب، با آب واکنش داده در آن حل می‌شود. بر اثر این واکنش، اسید ضعیفی به نام H2CO3 (اسید کربنیک) تولید می‌شود (واکنش زیر):

CO₂(gas) + H₂O(liquid) ⇌ H₂CO₃

منیزیم یکی دیگر از یون های رایج در آب است که مانند کلسیم می‌تواند منشاء غیر آلی داشته باشد. به این ترتیب که از تغییر کانی‌هایی مانند الیوین به دست می‌آید. اولیوین حاوی Mg است.

Ca²⁺ + Mg²⁺ + 4HCO₃^– ⇌ CaMg(CO₃)₂ + 2H₂CO₃

انحلال کلسیت و دولومیت با اسیدی بودن آب کنترل می‌شود. CO₂ یک گاز است، بنابراین حلالیت آن در آب سرد و فشار بالا بیشتر است. مولکول‌های CO₂ کندتر حرکت می‌کنند و در آب سرد راحت‌تر حل می‌شوند. فشار بالا نیز باعث انحلال فاز گاز در آب می‌شود. در آب حاوی دی اکسید کربن، کلسیت به صورت محلول است. هرگاه مقدار دی اکسید کربن موجود در سیال آبی، کم شود، کلسیت محلول موجود در سیال، رسوب می‌کند. تغییر شرایط محیطی مثل بالا آمدن آب از عمق زیاد به عمق کم، باعث خروج CO₂ از محلول و ته نشینی آهک می‌شود. همچنین گرم شدن آّب، سبب خروج CO₂ از آن و نهشته شدن آهک می‌شود. سنگ تراورتن به این طریق ایجاد می‌شود و از جمله سنگ های کربناتی است که منشاء شیمیایی دارد.

محیط تشکیل سنگ های کربناتی

سنگ‌های کربناتی می‌توانند در محیط های زیر شکل بگیرند:

1. در قاره ها.
2. در محیط های حدواسط.
3. در دریاها به ویژه بخش های کم عمق دریاها.

سنگ های کربناتی قاره ای

در قاره‌ها، امکان شکل گیری سنگهای کربناته در محیط های زیر وجود دارد:

• در دریاچه‌ها
• چشمه های آبگرم
• تلماسه های ناشی از باد
• آبرفت ها

از بین محیط های بالا، دریاچه ها می‌توانند به طور محلی، نهشته های کربناتی بزرگی را ایجاد کنند. نهشته‌های کربناتی حاصل از آبرفت ها و تلماسه‌ها فراوانی چندانی ندارند.

در چشمه‌های آبگرم، کربنات کلسیم در آب چشمه به صورت حل شده وجود دارد. زمانی که آب چشمه از اعماق به سطح زمین می‌آید، اکسیژن موجود در اطراف سطح زمین وارد آب شده و دی اکسید کربن موجود در آب از آن خارج می‌شود. خروج دی اکسید کربن از آب چشمه، قدرت انحلال و نگهداری کربنات کلسیم در آب را نیز کم می‌کند. این امر باعث ته نشین شدن کربنات کلسیم‌ها (آهک) در اطراف آب چشمه های آبگرم می‌شود.

تشکیل سنگ های کربناتی در محیط های حد واسط

یکی از بهترین مناطقی که مستعد ایجاد رسوبات کربناته و در نتیجه شکل گیری سنگ های کربناتی است، محیط های حد واسط است. منظور از محیط های حد واسط، مناطق زیر است:

1. محیط های بین کشندی تا زیر کشندی سواحل (جذر و مدی).
2. خلیج ها
3. مرداب ها
4. سبخاها

در محیط های بالا، بیشتر سنگ های کربناته آواری و ناشی از تبخیر را داریم. در سبخاها، تبخیر زیاد است و عامل اصلی ته نشینی رسوبات کربناتی است.

تشکیل سنگ های کربناتی در دریاها

دریاها بهترین محیط برای نهشته شدن رسوبات آهکی و تبدیل آن‌ها به سنگ های کربناته هستند. بسیاری از سنگ های کربناتی در محیط های دریایی کم عمق ته نشین شده‌اند. زیرا در محیط های دریایی، جانوران آبزی فراوانی وجود دارد که پوسته آهکی دارند. نهشته شدن پوسته آهکی این جانوارن پس از مرگ شان، منجر به ایجاد سنگ های کربناتی آلی می‌شود. اما این حالت در سراسر گسترۀ دریا و اقیانوس وجود ندارد. از این رو، 9 محیط رسوبگذاری اصلی برای رسوبگذاری رسوبات کربناتی تعیین شده است. در هر یک از این 9 بخش، به دلیل شرایط منحصر به فرد دریا (مثل درجه حرارت آب و نوع موجودات آبزی) نوع خاصی از رسوبات آهکی ته نشین می‌شود. این 9 محیط عبارتند از:

1. پلتفرم های دریایی (نزدیک ترین قسمت دریا به ساحل).
2. رمپ
3. پایاب
4. فلات
5. ریف ها
6. حاشیه فلات
7. پیش شیب
8. سراشیبی و خیز
9. حوضه عمیق دریا

سنگ آهک تقریباً به طور انحصاری توسط موجودات موجود در آب دریا تشکیل می‌شود (اگرچه سنگ آهک‌های آب شیرین نیز وجود دارد). از طریق تبلور مستقیم کلسیم و کربنات محلول در آب دریا، پوسته آهکی برای بدن جانوارن شکل می‌گیرد. پوسته آهکی این جانوران پس از مرگ، بر روی هم انباشته می‌شود و تشکیل سنگ کربناتی بیوژنیک را می‌دهد.

تنها در چند منطقه است که رسوب مستقیم و غیر آلی کربنات رخ می‌دهد. رسوب کربنات مستقیماً تحت تأثیر شوری آب دریا، دمای آب دریا و عمق آن است؛ به این صورت که:

• آب بسیار شور، موجودات ترشح کننده کربنات را مسموم می‌کند.
• آب گرم باعث افزایش فعالیت آلی بالا می شود.
• آب کم عمق برای تشکیل کربنات بهتر از آب های عمیق است.

تشکیل سنگ های کربناتی در فلات قاره

امروزه بیشتر سنگ آهک معمولاً در آبهای کم عمق (عمق کمتر از 200 متر) در مناطق فلات قاره در نزدیکی خط استوا و نه در عرض‌های جغرافیایی بالا رسوب می‌کند. تراوشات آهکی که در اعماق (3000 متر +) در کف اقیانوس انباشته می شوند. این تراوش‌ها از پوسته‌های موجودات ترشح‌کننده کربنات تشکیل شده‌اند که در واقع در نزدیکی سطح آب‌های اقیانوس در منطقه نورانی (فوتیک) زندگی می‌کنند.

 پس از مرگ، پوسته‌های این موجودات شناور (پلاژیک) به آرامی در کف اقیانوس قرار می‌گیرند. پس از تجمع این آهک ها، در نهایت می‌تواند با تراکم، سیمان شدن و تبلور مجدد به سنگ آهک آب عمیق تبدیل شود. چنین سنگ‌ آهک‌های دریایی عمیق معمولاً محدود به مناطقی هستند که حداکثر عمق آب کمتر از حدود 4500 متر است که معادل عمق “جبران کربنات کلسیم” است.

عمق جبران کربنات (carbonate compensation depth) یا به اختصار CCD عمقی در زیر سطح دریا است که در آن میزان کربنات کلسیم محلول از میزان رسوب آن با ته نشین شدن پوسته‌های پلاژیک بیشتر می‌شود. مقدار دقیق CCD به نرخ کلی بهره‌وری آلی در آب‌های سطحی و همچنین ترکیب شیمیایی و دمای اقیانوس خاص بستگی دارد؛ اما در حال حاضر، به طور جهانی بین 4000 تا 5000 متر قرار دارد. (با این حال، سطح CCD در گذشته نسبتاً به طور چشمگیری در نوسان بوده است.) در نتیجه، در حال حاضر، کف مدرن عمیق‌تر از 4500 متر، محل رسوب و انباشت تراوشات سیلیسی است. تراوشات سیلیسی از موجودات پلاژیک ترشح کننده سیلیس یا مواد خاک زا (معمولاً قرمز) در حد و اندازۀ خاک رس است که از قاره‌ها مشتق شده‌اند.

سنگ‌های آهکی پلاژیک باستانی و ریزدانه فقط در توالی‌های رسوبی نسبتاً جوان (ژوراسیک و جوان‌تر) وجود دارند. زیرا موجودات دریایی که قادر به ترشح پوسته‌های کربنات کلسیم بودند تا اواخر تاریخ زمین تکامل پیدا نکردند.

تشکیل گل آهکی

جلبک ها و باکتری‌ها، باعث تولید گِل آهکی می‌شوند. این گل، پس از طی کردن دیاژنز (سنگ شدگی) به سنگ کربناتی تبدیل می‌شود. گل آهکی حاصل از جلبک‌ها، در طیف وسیعی از محیط ها مثل سبخاها، محیط های مردابی کشندی و دریایی عمیق، قابل تشکیل است.

تشکیل سنگ کربناتی دولومیت

دولومیت در مناطقی تشکیل می‌شود که غلظت نمک‌ها به دلیل تبخیر افزایش می‌یابد. محیط هایی مثل دریاچه‌ها یا مناطقی که آب دریا محدود شده یا به دام افتاده است. با افزایش غلظت منیزیم، با کلسیتی که قبلاً رسوب کرده است واکنش می‌دهد و با واکنش زیر دولومیت تشکیل می‌دهد:

2CaCO3+Mg²⁺→CaMg(CO3)2 + Ca2+

در برخی موارد، سازندهای سنگ آهک در اثر واکنش با سیالات حاوی منیزیم، به دولومیت تبدیل می‌شوند. سیالات حاوی منیزیم، از طریق منافذ و شکستگی‌ها به سنگ آهک نفوذ کرده و آن را به دولومیت تبدیل می‌کند.

تقریباً تمام دولومیت‌ها با تبدیل کانی‌های کربنات کلسیم به دولومیت تولید می‌شوند. این فرآیند تبدیل، دولومیتیزاسیون نام دارد. دولومیتی شدن می‌تواند تقریباً بلافاصله پس از شکل‌گیری سنگ آهک (به طور همزمان) در عرض چند روز، چند هفته یا چند ماه پس از تشکیل سنگ آهک (دولومیتی شدن همزمان) انجام شود. دولومیتی شدن همچنین ممکن است سالها یا حتی میلیون‌ها سال بعد رخ دهد (دولومیتی شدن اپی ژنتیکی).

تقریباً همه دولومیت‌ها در اصل سنگ آهک بودند. از این رو، بیشتر دولومیت‌ها به همان شکل اولیه سنگ های آهک تشکیل می‌شوند. به طور مشابه، همان طرح های طبقه بندی را می‌توان به طور کلی برای دولومیت ها به عنوان برای سنگ آهک استفاده کرد. همچنین، محیط های رسوبی یکسان، محیط هر دو نوع سنگ را تشکیل می‌دهند. با همه این‌ها، شرایط خاصی باعث تبدیل واحدهای مختلف سنگ آهک به دولومیت می‌شود.

طبقه بندی سنگ های کربناته

طبقه بندی های مختلفی برای سنگ های کربناتی وجود دارد. در طبقه بندی اصلی و پایه، سنگ های کربناتی بر اساس منشاء خود به دو گروه بزرگ طبقه بندی می‌شوند:

1. سنگ های کربناتی آواری: از بقایای سنگ آهک و پوسته‌ آهکی بدن جانوران تشکیل می‌شود.
2. سنگ های کربناته شیمیایی: عمدتاً از گل‌های دریایی سرچشمه می‌گیرند و از رسوب بی‌کربنات تشکیل می‌شوند.
3. سنگ های کربناتی بیوژنیک.

طبقه بندی سنگ های کربناتی آهکی بر اساس منشاء بیوژنیک

به طور کلی برای سنگ آهک با منشأ بیوژنیک سه طبقه بندی اصلی وجود دارد:

1. سنگ آهک اوولیتی: از دانه های کروی کوچک کلسیت (فسیل های محصور شده و قطعات پوسته) تشکیل شده است.
2. چالک: از رسوبات انباشته شده از بقایای اسکلت یا پوسته حیوانات میکروسکوپی تشکیل شده است.
3. کوکوئینا: سنگ آهک فسیلی است که تقریباً به طور کامل از قطعات فسیلی تشکیل شده است که توسط گل آهکی سیمان شده است.

چرا سنگ های کربناتی مهم هستند؟

مطالعه سنگ های کربناته مهم است؛ زیرا:

• شاخص بسیار خوبی برای محیط های رسوبگذاری ویژه هستند؛ از این رو، بازسازی این محیط‌ها برای درک تاریخ زمین شناسی بسیار مهم است.
• به عنوان سنگ مخزن هیدروکربن ها محسوب می شوند (سنگ مخزن نفت و گاز). سنگ های کربناته به دلیل ساختار متخلخل و ناهمگن خود، جریان هیدروکربن ها را در این نوع مخازن بهبود می بخشد.
• سنگ میزبان انواع معینی از کانسارها هستند.
• برخی از سنگ های کربناتی، حاوی مقادیر قابل توجه و متنوعی از فسیل‌های مختلف هستند؛ از این رو، در بازسازی و روند تکاملی محیط های رسوبگذاری دیرینه کارآمد می‌باشند.