白云石化作用及白云岩问题研究述评

# # 碳酸盐岩中赋存的油气资源已接近储量的 >%E ， 产量更高达 &%E 以上， 其中又有一半是在白 云岩中； 先前存在的碳酸盐岩经白云石化作用 （均 质化效应） 后常可增加渗透率， 改善孔隙度， 使容积 增大， 这些次生孔隙是潜在的油气储集空间 （ 马永 生等， @""" ） ， 因此， 白云岩在碳酸盐岩储集层中更 显重要， 而成为油气资源勘探的目标。白云石的理 想化学成分为 2FGH （ 2($ ） 但晶体结构复杂， 在地 !， 质时期中不均匀分布， 其成因及白云岩的产出特征 及形成模式等ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ题尚未圆满解决， 一直引起沉积学 家们的广泛注意和极大兴趣。 本文介绍古代白云岩的五种主要成因模式： 蒸 发作用模式、 渗流?回流模式、 混合白云石化模式、 埋藏白云石化模式及海水白云石化模式； 提出一直 未解决的问题及解决的可能方法和未来研究方向。
也较富集!" # 和 $% 和 &’， 是发生在蒸发白云岩之下 的碳酸盐白云石化过程的产物； 在孔隙度发育较高 的岩石中， 白云石化作用可向下延伸几百米， 而且 在白云石中常发现石盐胶结物。该模式尚未找到 现代可以类比的实例， 但可成功解释许多古代白云 岩的成因， 代表一种与蒸发作用相关的普遍白云石 化过程， 常形成含雾心亮边白云石的细晶白云岩 （ 邵龙义等， ())( ） 。 典型的例子是欧洲西北部 *+,-./+01 盆地上二
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 分布强烈地受到古地理背景的控制， 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 $%， &’ ） 较低， ! # 不太富集， 而 !!" # 及 !!7 E 均为正值的白云岩多为混合白云石 化的产物。如美国 &’K’=’ 早2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 $% 含量 和负值的 !!" # 等特征都说明了它是受淡水稀释的 混合白云岩； 另外我国华北地台中南部的 “ 三山子 白云岩” 可能也属混合白云石化作用的产物。 !6 L5 埋藏白云石化作用 该模式的主要机制是盆地泥岩受到压实作用
第C 期
汤朝阳等： 白云石化作用及白云岩问题研究述评
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产生富镁离子流体， 流体进入相邻的陆架边缘等碳 酸盐岩中， 从而产生白云石化， 常形成砂糖状白云 岩。镁离子来源于受到改造的海水孔隙水以及粘 土矿物变化产生的镁离子， 地下流体的组成成分尚 不清楚， 可能是蒸发岩序列产生的地层水， 因为其 !" # $% 比值高于海水， 而且具 有 较 高 的 镁 离 子 含 量； 随着埋藏深度的增加， 温度随之增高， 粘土矿物 常常发生从蒙脱石向伊利石的转变， 从而释放出镁 &’ 离子， 还有铁离子、 $% 、 硅离子、 钠离子等。 该模式存在的主要问题是： 孔隙流体向临近的 浅水碳酸盐沉积物中搬运要经过较长的距离， 产生 足够镁离子的物源供应从何而来？另外， 孔隙水在 压实过程中通常是向上位移， 只有在页岩层内的砂 岩和砂屑灰岩中的孔隙水流体才会产生横向运移。 在埋藏过程中白云石沉淀作用的证据在很多白云 岩地区都能找到， 但是否整个白云岩体都由埋藏的 白云石化形成还是一个争论问题。有学者曾计算 过， 如果要使一立方分米的灰岩白云石化， 就要求 好几百立方米的页岩受到压实改造才能产生足够 的白云石化流体。 () *+ 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， (,-. 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 /01023 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 /01023 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 （ 45665758， (,9* ） 等。
东# 华# 理# 工# 学# 院# 学# 报 第 !" 卷# 第 $ 期 # # # # # # !%%& 年 " 月 ’()*+,-# (.# /,01# 234+,# 4+0141)1/# (.# 1/23+(-(56
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白云石化作用及白云岩问题研究述评
图 !5 白云石化作用模式示意图 （ 据梅冥相等， !334 修编） !"#$ !5 %&’()* +,- ./ +.0’1 2*.3"4# .5#,4.#’4") 0.1.+"("6,(".4 （ +.0"/"’0 /5.+ 789，’( ,1$ ， !334 ）
!6 75 混合白云石化作用 该模式是由 8’1.-’9 于 !34! 年在研究 :;<%0=’ >?@0A+% 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 BC D E’ （ 摩尔体 积比） 大于或等于 F6 ( ， 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 （ G’=0<H’2 I’10， !347 ） 。如 E’%0JJ+’12G’-’I’. 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 万方数据
叠统白云岩， 盆地与大洋完全或部分隔开而产生的 鲕粒灰 膏岩层覆盖， 周围分布着藻2葡萄石礁灰岩、 岩以及潮间至浅潮下的骨屑颗粒灰岩及泥岩， 均已 白云石化； 我国贵阳附近的早、 中三叠世白云岩， 属 滩后泻湖及礁后泻湖相， 几乎全部为白云岩， 而台 地边缘礁、 滩相为灰岩， 发育在淹没不整合界面上 的缓坡台地相大冶组灰岩也未见白云石化， 其相带 及白云岩分布界线非常清晰， 被解释为渗流2回流 白云石化的产物 （ 梅冥相等， !334 ） 。
白云石化的产物？一直存在争论， 成为一个尚未完 全解决的科学命题。大多数前寒武纪白云岩还是 像显生宙白云岩那样属于交代成因的产物。在白 云岩中， 晶粒结构发育， 除泥晶结构外还有粉晶、 细 晶、 中晶、 以至粗晶结构， 晶粒较粗的晶形常较好且 多呈自形或半自形晶， 其几何体常呈砂糖状； 交代 结构发育， 如晶粒较粗的白云石菱形体交代各种颗 粒及化石； 晶形较好的白云石菱形体常具环带或污 浊核心， 亦是交代残余现象； 部分白云石化的石灰 岩中的云斑及白云岩中的石灰岩残余体亦是交代 作用所致； 还有一些如白云石沿缝合线或裂隙发育 的交代构造等都说明次生白云岩交代作用； 很多前 寒武纪灰岩， 包含有文石和高镁方解石颗粒， 这表 明与显生宙碳酸盐岩相相似的成岩作用形式。 如果接受前寒武纪白云岩是白云石化作用而 不是白云石沉淀作用。首先就应该承认其形成于 近地表条件下， 表明在那个时代具有产生白云石化 作用的环境条件 （ 温度、 有机作用、 !" # $%、 :$;& ） ， 有利于白云石化作用。但有些前寒武纪白云岩， 在 野外从未发现灰岩透镜体或者灰岩夹层， 在薄片中 也不见方解石遗迹， 这些白云岩的原生组构保留完 好， 不管是在手标本还是在显微镜下均可以观察 到， 整个地层全部产出的是白云岩， 这表明确实存 在原生的白云石颗粒和胶结物， 多数学者认为是从 海水中直接沉淀的产物。 造成白云石直接从海水中沉淀的因素具备以 下条件： 较高的温度、 较高的 : $;& 、 较高的 !" # $%、 较低的硫酸根离子浓度和有机酸。实际上， 已存在 一些证据表明前寒武纪海水具有较高的 !" # $%、 较 较高的温度。前寒武纪海水的有机地球 高的 : $;& 、 化学特征与现在不同， 因为那时只有藻、 细菌及菌 藻能产生有机质， 后生动物缺乏或者正在演化中。 /%<=>5?@<%3 等曾强调过在生物作用中 $%& ’ 的重要 性， 前寒武纪是富镁、 贫钙、 较局限的 “ 苏打海洋” ， 到显生宙即逐渐演变成一个 “ 氯化钠” 海洋， 而且认 为有机方解石化作用是钙去毒作用的一种形式， 随 着时间的变化， 海水中的 $%& ’ 的逐渐增加以及在靠 近前寒武纪A寒武纪界线钙质骨骼的出现是 $%& ’ 经 历了一个障碍的产物。 从岩石组分随时间变化图 （ 图 &） 可以看出， 太 古宙碳酸盐岩很少。例如加拿大地盾的绿岩带， 主 要由来自于火山作用地域的硅质碎屑组成， 沉积岩 大致只有百分之一； 碳酸盐的缺乏可能是由于太古
收稿日期： !%%>?@%?!% 基金项目： 国家自然科学基金 （ A%$B!%%A ） ； 中国地质调查局研 究 项 目 （ !%%$@$%%%%%& ） 作者简介： 汤朝阳 （ @"&" —） ， 男， 高级工程师， 硕士生， 从事区域地质调查
万 方数据 和沉积学研究。
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