《沉积岩成岩作用》作业

《沉积岩成岩作用与成藏》读书报告：

白云石化作用的主要机理

学院：沉积地质研究院

学号：2012010129

姓名：刘钟森

授课教师：黄思静

近年来，中国在海相碳酸盐岩中的油气勘探不断取得突破，特别是在白云岩储层中发现了若干大型(油)气田，如塔里木盆地和田河气田、鄂尔多斯盆地苏里格气田、四川盆地普光超大型气田等，另外塔里木盆地轮南2塔河大油田中也有部分储层为白云岩。就世界范围看，高达50%的碳酸盐岩储层是白云岩，北美碳酸盐岩中的油气80%以上储存在白云岩中（Zenger D H等，1980），在前苏联、欧洲西北部和南部、非洲南部和西部、中东及远东地区，也发现了大量白云岩油气储层（Sun S Q等，1995）。因此，要想在中国300多万平方公里的碳酸盐岩发育地区取得油气勘探的更大突破，对白云岩储层成因及其发育规律的认识成为关键性课题之一。实际上，白云岩问题早在200多年前就有人对其进行过研究，但目前仍没有查清白云岩的形成条件和机理，对相关的地质模式也存在较多的争议。

在现代沉积环境中几乎见不到原生白云石(岩)，实验室也难以在地表温压条件下合成白云石，但古地层中却发育大量白云岩。因此，要解决白云岩的成因问题，首先要确定大量古地层中的白云岩是原生沉积(淀)的还是次生交代的，进而要弄清白云石不能直接沉淀的机理，还要说明发生次生交代作用的富Mg流体的来源，最终要为富Mg流体如何与先期形成的钙质碳酸盐岩相互作用提供地质与水文地质模型。上述问题既是白云岩成因研究也是白云岩储层研究所涉及的关键性问题。结合前人研究成果，对目前较为流行的学说或机理进行阐述和讨论。一、白云石化作用的主要机理

（一）原生沉淀作用

关于白云岩的成因问题，人们最关心的是在近代碳酸盐沉积物中，是否有真正的原生的白云石，即是否真正有以化学沉淀的方式从水体中直接沉淀出来的白云石。现在，在常温、常压的条件下，在实验室中尚未合成出真正的、化学计量的白云石。

澳大利亚南部考龙泻湖中的原生白云石是在水很咸、PH值很高、植物很茂盛的条件下形成的。通过光合作用，植物从水中吸取CO2，从而使水的PH值增高，这就促使白云石沉淀。奥尔德曼和斯金纳（Alderman and Skinner，1957）曾注意到，孤立的湖水由于受慢慢下沉的细而白的沉淀物的影响，有时竟然变白了。这种白色的悬浮物已被确定，它们是很细的高镁方解石和富钙白云石的混合物。

（二）毛细管浓缩作用—准同生白云石化作用

在现代的热带地区的潮上带，例如在波斯湾南岸的潮上带，在其表层的碳酸盐沉积物中，正在进行着准同生的白云化交代作用。

这些刚沉积不久的表层沉积物，主要是文石。这些沉积物还是疏松的，其粒间充满着水。这些粒间水，在开始阶段是正常的海水。由于该地区气候干热，蒸发作用强烈，这些粒间水就不断地向空气中散发。与此同时，海水又通过毛细管作用，源源不断地补充到这些疏松沉积物的颗粒之间。久而久之，这些粒间水的含盐度就变大了，正常的海水就变成了盐水。从这种盐水中首先沉淀出来的是石膏，也可能还有一些其它盐类矿物。在波斯湾南岸的广大潮上地带，这些膏盐沉积物十分发育。这种潮上带经常是干的，但在低凹地区也可积水成为盐水沼泽，阿拉伯语“萨布哈”（Sabkha）就是指这种潮上的盐沼池（图1-A所示）。

图1 白云石化流体通过沉积物时产生白云石化机理模式图

（据Tucker，1991，转引至姜在兴，2003）

石膏的沉淀使粒间水或表层积水的Mg/Ca比率大大提高。正常海水的Mg/Ca 比率约为3：1~4：1，而干热地区潮上地带表层沉积物的粒间水或表层积水，其Mg/Ca比率可达20：1，甚至更高。这种高镁的粒间水或表层水经常与文石颗粒相接触。将不可避免地使文石被交代，被白云石化，即使文石转变为白云石。现代潮上地带的白云石壳就是这样生成的。所谓“准同生”，指刚沉积不久尚未脱离沉积环境就被交代的意思。Friedman（1967）把这一作用称为“毛细管浓缩作用”，Hsu and Siegenthaler（1969、1971），把这一作用成为“蒸发泵作用”。

（三）渗透回流白云石化作用

在潮上地带，由于毛细管浓缩作用或蒸发泵作用所产生的高Mg/Ca比率的粒间盐水，所引起的表层碳酸钙沉积物的准同生白云石化作用，只是白云石化作用的一个方面，即高镁盐水“向上”运动的一个方面。另外，还有其“向下”运动的一个方面。

在潮上地带形成的高镁粒间盐水，当其对表层沉积物的白云石化基本完成时，产生这种高镁盐水的地质条件还仍然持续存在。由于这种高镁盐水的相对密度较大，当地表无出路时，其向下渗透回流是必然的。这种向下渗透回流的高镁盐水，在其穿过下伏的碳酸钙沉积物或石灰岩时，必然会使它们白云石化，从而形成白云岩或部分白云石化的石灰岩（图1-B、C）。

（四）混合白云石化作用

该模式是由Hanshaw于1971年在研究Florida Aquifer三叠纪灰岩中的地下水及白云石化作用时首先提出的，他们认为在地下水之下的半咸水是一种潜在的白云石化流体（镁离子由海水提供），激烈的地下水运动使之通过灰岩而形成白云岩，常为含明亮白云石和钙质残余的钙质白云岩。该模式的特点是：如果与淡水混合的海水的Mg/Ca（摩尔体积比）大于或等于5.2，则混合水对海水中的化学动力障碍就会消除，有利于白云石化作用（Badiozamani，1973）。如Caribbean-Bahamas地区，上新世至渐新世白云石广泛发育，被认为是混合白云石化作用的产物。

混合白云石化作用主要取决于白云石化流体的有效运动，水的激烈循环与泵吸作用相当重要；碳酸盐滨线的向海进积伴随着混合带的向海进积，因此，海退阶段易形成混合白云岩；混合白云岩的分布强烈地受大古地理背景的控制，主要发育在没有蒸发岩产出的潮坪相岩石中，且常发生在压实作用之前；痕量元素（如Sr、Na）较低，δ18O不太富集，而δ18O及δ13C均为正值的白云岩多为混合白云石化的产物。如美国Navada早—中古生代的碳酸盐中，靠近陆地的东部由白云岩组成，近盆地的西部则由灰岩组成，缺乏蒸发岩，同时具较低的Sr含量和负值的δ18O等特征都说明了它是受淡水稀释的混合白云岩。

（五）淡水白云岩

Folk and Land（1975）在对各种环境中的白云石结晶作用进行研究之后，提出控制白云石结晶作用的主要因素为溶液的Mg/Ca比率、盐度和结晶速度。

Folk and Land指出，在变盐度的环境中（如在被洪水淹没的潮上盐坪或被洪水注入的海湾中），在淡水和海水的混合带中，以及在其他淡水或淡水作用的环境中（如大气水作用下的碳酸盐的孔隙、洞穴或裂缝中等），都可以形成白云石，溶液的Mg/Ca比率只要近于1：1即可。这样形成的白云石称为“淡水白云石”。

（六）调整白云石化作用

Doodell and Garman（1969）在对大巴哈马滩上安德罗斯岛的一口深探井（苏必利尔井）进行详细的岩石学和地球化学研究后，提出了一个新白云石化作用机理——调整白云石化作用。这是在大气水的影响下，原来的碳酸盐沉积物的成分，经淋滤溶解作用和交代作用，在化学成分及矿物成分上进行重新组合或调整，使

原来的碳酸盐沉积物发生白云石化，从而生成白云岩的作用。

这一调整白云石化作用所需要的镁就来自沉积物本身，不需要另外的镁来源。它所需要的条件主要是地壳上升作用，使原生沉淀的不稳定的碳酸盐矿物暴露于大气水作用下，从而使这些不稳定的碳酸盐矿物发生溶解作用和调整白云石化作用（图1—C、D、E）。

（七）生物白云石化作用

能直接生成白云石的生物，如海胆，海胆牙齿的致密轴带含有白云石。许多生物可以沉淀出镁方解石。在成岩作用过程中，镁方解石中的镁可以释放出来，从而形成富镁的粒间水。这种粒间水可以使其周围的碳酸钙白云化，发生调整白云石化作用。

（八）埋藏白云石化作用

很多白云岩形成于石灰岩层被埋藏的过程中，但是对于这能否导致整个碳酸盐台地普遍深入的白云岩化仍存在很多争议。

这种模式中的驱动力是深海沉积的泥岩的压实作用和富Mg2+的流体对台地边缘的石灰岩的侵入作用（图1—F）。Mg2+主要来源于粘土矿物、海相孔隙水和高镁方解石颗粒。埋藏环境较高的温度使得白云石沉淀作用得以顺利进行。在埋藏环境中没有持续不断的流体供给来源。热液流体可以循环流动（特别是通过裂缝、断层和节理），从而形成白云石脉。在许多石灰岩中，沿缝合面、岩溶缝发育的分散的、菱形白云石胶结物和晚期白云石胶结物是埋藏白云岩存在的普遍形式。

（九）海水白云石化作用

地质学家们发现海水本身也可作为白云石化流体，1980年代末期建立了这种新的海水白云石化作用模式。在一定条件下白云石可以从海水中沉淀出来，而海水的组成成分必然得到不同程度的改变，白云石化作用的发生必须有足够的海水通过各种驱动机制进入和穿越沉积物，这些驱动机制包括对流作用、洋流泵吸作用、高盐度泻湖水的回流作用、潮汐泵吸作用等。

大洋水进入台地边缘，替代了台地内部的较温热而且密度较小的地下水，地下水以热泉的形式出露于台地上或者台地边缘地带，在海水位于一到三米深的范围内，将产生开放的对流系统；当较冷的海水中高镁方解石和文石处于未饱和状态，低镁方解石处于饱和状态，或者这三种矿物都处于不饱和状态，而白云石相对处于饱和状态时，海水就会通过泵吸作用的驱动穿过台地边缘的沉积物产生白云石化作用。如Kohout对流就是一种可以延续较长时间的白云石化作用潜在机制，还有“回流”机制（Deffeyes，1965）等。

二、白云石化作用的研究现状

事物具有其普遍性和特殊性，白云岩也不例外，上述的九种白云石形成模式都不能包罗万象，解释所有的白云岩沉积，全世界的地质学家们还在苦苦探索着它的成因机制，以期更加合理的解释白云岩的形成问题。

近年来，国外对一些地区白云岩进行了深入研究，取得了一些新进展。例如加拿大西部泥盆纪沉积盆地（WCSB）交代白云岩的起源一直是有争议的问题。以前所用的称之为“常量流体”的模式（CFM）中，流体的分布不太符合实际的平均分布模式，人们用相当多的镁质来源，广泛的地下水流系统围绕着成岩环境去解释他们的生成问题，分析流体流动对区域性渗透回流白云石化作用的约束，其局限性明显，现提出稳定流体和可变流体水文地质模式（Jones，2000a）。模拟的回流循环模式所包含的许多实际台地顶部海水流体是开放的而不是封闭的边界条件。研究在边界条件下台地顶部流体的灵敏度和数量，台地顶部盐分的含量和临界的水压参数（渗透性和渗透各向异性），结果证明回流循环是盐度不同导致的流体的密度不同而引起的。潜在的白云石质流体，可以通过重力作用下降到下面的孔隙网络。

又如，潮下深海沉积物的有机白云石化作用模式（Mazzullo，2000）的建立。首先，在地表温度下的白云石化作用是在缺氧和富有机质沉积物的条件下，由细菌硫酸盐的减少和甲烷的去气作用所导致的；进而在甲烷的去气作用和后期硫酸盐减少过程中，当PH值持续升高和孔隙流体富碱质和CO32-及镁质的减少和钙质的脱水或者没有脱水的镁或钙发生表面反应的情况下，最终这些过程将促使早期的白云石化作用。白云岩的体积意义同硫酸盐的减少及潮下的甲烷去气作用、浅海沉积及深海沉积相联系，有机生成的白云岩的含量在全新世的潮下沉积中多达百分之七十，主要以胶结物形式存在。Sr和Mn含量相对较低，硫酸盐减少而成的白云岩由于伴生黄铁矿而贫铁，由甲烷去气作用而成的白云岩由于Fe取代了Mg离子而富含二价铁贫镁。Mg和Ca可能来源于上层海水的扩散或者是早期碳质沉积物的溶解。这类白云岩以δ13C的变化范围广为特征，硫酸盐成因的白云岩δ13C亏损，而典型甲烷去气成因的白云岩δ13C富集，δ13C的亏损和富集程度取决于有机成岩作用反应的程度和海水扩散提供的δ13C的质量。白云岩中δ18O的变化比较严格，一般反映了孔隙流体温度和盐度的不同。在有机白云岩成因上尚没有解决的问题有：硫酸盐减少和甲烷去气作用在促进白云石化过程中的作用如何？白云岩形成的深度？Mg和Ca的可能来源？

在国内，对白云岩成因的研究也从未间断过，在现今能源战略需求的压力下，对各主要盆地、地区的白云岩的成因研究，显得尤为重要，如黄思静等（2007年），对四川盆地东北部下三叠统飞仙关组白云岩进行详细研究，该白云岩为普光气田的主要的天然气储集岩，勘探潜力巨大，可采储量已达到5000×108m3左

右，因而地质工作者必须面对白云岩的成岩作用，尤其是白云石化作用和白云岩成因等基础理论问题，在以往的成果中，提出了许多不同的成因机制和模式：如混合水白云岩化和深埋藏溶解模式（王一刚等，2002），混合水、渗透回流和埋藏白云岩化模式（陈更生等，2005），渗透回流和埋藏白云岩化模式（苏立萍等，2004），混合水白云岩化模式（魏国齐等，2005）和埋藏过程中海源流体白云岩化模式（黄思静等，2006、2007）等。这些成果从矿物学、岩石学、地球化学等不同角度研究了四川盆地东北部三叠系飞仙关组的白云岩化作用和白云岩成因，在一定程度上代表了我国目前白云岩形成机制领域的研究现状（黄思静，2007）。

黄思静等（2007）从锰含量、锶含量、阴极发光性等特征上反映飞仙关组白云岩成岩过程与经典成岩理论相悖；从其锶同位素组成和锰、锶含量的关系也表明与大气水有关的成岩过程和作为重要储集岩的结晶白云岩的形成机制无关，传统的白云石化机制难以解释结晶白云岩的成因。而具有海源色彩的高锶、低锰成岩流体在很大程度上控制了飞仙关组碳酸盐的成岩作用，其来源与成因值得进一步关注。

无独有偶，高梅生、郑荣才等（2007），按结构和物质组成特征，将川东北地区飞仙关组白云岩划分为准同生和成岩埋藏两种主要成因类型。飞仙关组海相灰岩和各类白云岩的高Sr含量和Sr同位素特征，显示了很强的早三叠世富Sr 海水和Sr同位素组成特征，说明地层中源于早三叠世富Sr海水的、经萨勃哈环境蒸发浓缩的封存孔隙水为成岩期埋藏白云石化富Mg2+流体的主要来源。（三）白云石化作用的研究发展趋势

白云石化作用的研究一直是碳酸盐岩石学中最复杂、争论时间最久而又难以解决的问题之一，世界各地的地质学家们都在试图解决这个“世界级”难题。

通过构造背景、沉积环境分析、结合岩石学、矿物学、地球化学资料，从而对一个地区的白云岩成因进行综合分析，这是目前白云岩成因研究所采用的主要方法，也是比较有效的手段（李振奎等，2005）。白云石化作用是以水文学的背景来考虑的，按照水文学背景，白云石化作用又可划分为埋藏压实作用、渗透回流作用、流体的热对流作用以及海平面上升和下降驱动流体的作用。Kaufman （1990）就试图在水文学和沉积学之间架起一座桥梁，以便于比较好地了解碳酸盐岩台地典型的古水文系统的特征。盆地中的水化学特征可以用计算机来模拟，如果结合实际地质条件，设计合理的参数和模型，白云石化作用也可以用计算机来加以模拟。高速计算机的使用，使复杂的水文学问题的数值模拟变得更为容易和方便，这也是未来研究白云岩成因的又一有效的手段，并且被越来越多的地质学家所采用。

主要参考文献

1.姜在兴，沉积学，北京：石油工业出版社，2003.

2.曾允孚、夏文杰，沉积岩石学，北京：地质出版社，1986.

3.黄思静、Hairuo Qing、胡作维等，四川盆地东北部三叠系飞仙关组碳素盐岩成岩作用和

白云岩成因的研究现状和存在问题，地球科学进展，2007，22（5）：495~503.

4.黄思静、Hairuo Qing、裴昌容等，川东三叠系飞仙关组白云岩锶含量、锶同位素组成与

白云岩化流体，岩石学报，2006，22（8）：23~32.

5.高梅生、郑荣才、文华国等，川东北下三叠同飞仙关组白云岩成因——来自岩石结构的

证据，成都理工大学学报（自然科学版），2007，34（3）：297~304.

6.李振宏、杨永恒，白云岩成因研究现状及进展，油气地质与采收率，2005，12（2）：5~8.

7.张学丰、胡文瑄、张军涛，白云岩成因相关问题及主要形成模式，地质科技情报，2006，

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8.汤朝阳、王敏、姚华舟等，白云石化作用及白云岩问题研究述评，东华理工学院学报，

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9.Kaufman R L，Ahmed A S.Gas chromatography as a development and production tool for

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