关于碳酸盐岩成因问题的综述

关于碳酸盐岩成因问题的综述 Abstract This article sums up the main opinions of the forming of dolomite. We add the water power and the bioactives to the formation of the limestone. About the formation of the dolomite , we still talk about it from the aspects of protogene and secondary. We read relative references in detail, especially references which were published recently, based on this work, we sum up the opinions and talk about them in our own words. And we try to associate the traditional views with the new standpoints. Key words dolomitisation secondary dolomite protogenic sedimentary rocks 摘要 本文比较系统全面的综述了关于白云岩成因问题。对于灰岩的认识，加入了水动力、生物作用的的控制。对于白云岩的成因，依旧从原生和次生这两个方面对其进行模式和机理的分类和描述。在详细阅读近来发表的相关文献的基础上，进行了较为完整的归纳，并提出了自己的一些粗浅的看法，对传统观点和最新的研究进展尝试着进行联系。 关键词 白云岩化 次生白云岩 原生沉积岩 一、灰岩研究的新认识 1.水动力因素的加入 过去一直认为碳酸盐沉积物只有化学成因。现在的观点认为（刘永福 et al.，2008），碳酸盐岩的沉积受到水动力的控制作用，在结构和构造上有所反映。 我们所熟悉的陆缘碎屑如石英、长石、云母等，属于母岩经过风化作用在原地或搬运到沉积地点堆积而来的。它们从形成到沉积成岩，自始至终都是物理风化的产物。硅质碎屑是母岩的成分和性质的反映，其沉积构造和颗粒大小等特点反映水动力的性质。 根据从20世纪70年代开始的研究（叶德胜 et al.，1989），发现鲕粒、团粒、生物骨架、内碎屑等碳酸盐颗粒等，是经过机械搬运堆积起来的，这些岩石中的沉积构造可以在很多碳酸盐质碎屑岩石中发现。值得说明的是，我们这里所说的碎屑，更加强调沉积方式，认为凡是在沉积作用中受到水力作用的指点都可以成为碎屑。 碳酸盐质碎屑的形成和沉积都是在沉积环境中进行的，被称为自生碎屑，或内源碎屑——相对于硅酸盐碎屑是他生碎屑（图1）。自生碎屑的成分，如鲕粒和生物骨架等对微环境和堆积地点的能量性质等的判定都是很有用的。

图 1A硅酸盐碎屑（石英） 图 1B碳酸盐岩碎屑（鲕粒） 2.对多成因的两方面的理解 碳酸盐质点的生成过程和沉积过程是两个不同的阶段，因此，对多成因的理解，也要从这两方面来入手。 一方面，在碳酸盐颗粒的生成阶段。碳酸盐碎屑要经历复杂的生物作用或化学作用，或者二者兼有之。 另一方面，要从整个碳酸盐岩的角度来认识。通常可以分为三个成因类型： ①原地化学成因：即从始至终只受化学作用的控制，如石钟乳。 ②原地生物成因：以生物或生物化学作用，在原地形成生物骨架，如礁灰岩。 ③水流和波浪搬运成因：生成阶段复杂，但沉积阶段都是碎屑成因，大部分碳酸盐岩是这种成因类型。 3.藻类沉积作用 藻类沉积作用是重要的碳酸盐岩成因方式（雷怀彦et al.，1992）。藻类是低等的单细胞或多细胞植物，没有根茎叶的分化。褐藻、红藻、绿藻、蓝绿藻等通过钙化作用和粘接作用，形成钙质硬壳或者有机质。蓝绿藻的造岩意义最大。 藻类的沉积作用有三种形式： ①改变环境的PH值，藻类生活中吸收CO2，使得周围水体成碱性。CaCO3溶解度下降而沉淀下来。 ②藻类以钙质遗体直接堆积，一些高级的藻类，通过分泌作用形成遗体化石，称为藻灰岩。 ③蓝藻以粘接作用的方式，吸附碳酸盐颗粒，形成碳酸盐沉积。蓝藻受季节影响周期性繁殖，通过粘接作用形成亮暗交错层。暗层富藻，有机质高；亮层贫藻，有机质少；这种层纹状的特殊沉积构造，称为叠层构造（图2）。 图2叠层石 藻类是很多动物的食物，因此，和动物的繁茂程度是反相关的。在干旱气候条件下，生物稀少，藻类是宽盐度生物，所以叠层石常常发育在气候干燥的潮湿带，尤其是潮间带。藻类直接生长在沉积介质中，具有指向意义，因此，在碳酸盐岩研究中，藻类的重要性是显而易见的。 二、白云岩成因问题的讨论 1.“白云岩问题”的产生 白云岩可以单独产出、也可以与灰岩或砂岩共生，或者在灰岩中以斑块、条带的形式存在。白云岩风化面常常布满“刀砍纹”，沉积构造与灰岩相似。除了前寒武纪白云岩可含结构纤细的藻细胞痕迹化石以外，自寒武纪以来的白云岩中均不含化石，或者只有化石假象。较纯的白云岩多呈结晶结构，少数呈鲕粒、内碎屑、藻粘结结构，很像灰岩，有时候则与灰岩有明显的交代关系，在灰岩与白云岩之间构成连续的过渡岩石序列。 普遍认为（李振宏et al.，2005）现代海水中不能沉淀出白云石，常温常压的实验条件下也不能人工合成白云石（张景廉et al.，2003），因此，通常认为寒武纪以后的白云岩都是通过灰岩的白云岩化形成的。有两种情况例外，就是前寒武纪形成的白云岩和泻湖环境中形成的白云岩。目前为止（张学丰et al.，2006），存在两种截然不同的看法，一种认为是纯粹的化学作用，另一种认为是交代成因。这种所谓的“原生白云岩”和“次生白云岩”的争论就构成了“白云岩问题”。这个问题尚未得到很好的解决。 2.白云岩化的主要模式 白云岩化实质上是文石和方解石矿物中Ca2+离子被Mg2+离子替换。因此，白云岩化模式的合理性就在于对这一过程的准确合理的解释。目前为止的模式（冯增昭.，1998）主要由以下三种： ①浓缩海水模式：这是一种在高温、高PH值、高（Mg/Ca）比值的条件下发生的过程。这一过程又被称为“毛细管浓缩”模式，即在高温背景下，潮上带表层碳酸钙沉积物发生脱水，周围的海水在沉积物的毛细作用下不断运移补充，并被浓缩。在文石和石膏结晶之后，海水的组分中相对缺乏Ca而富含Mg，结果，表层沉积物被白云岩化。由于此时形成的白云岩是沉积物和海水之间的相互作用，只是海水相对而言脱离了原来的环境，因此，此种机制下形成的白云岩可以认为是准同生白云岩，形成这种准同生白云岩的过程即为准同生作用。在波斯湾西海岸的潮上带形成的白云岩被认为就是属于这种模式，在这样的环境中，孔隙水平均温度超过30℃，盐度是正常海水的5-8倍，（Mg/Ca）比值大于10，PH值大于9。浓缩水模式形成的白云岩具有一些特定的识别特点：浅红色或浅黄色，薄层状，可见干裂，泥晶或者极细晶结构，含石膏假晶，无化石。另外，由于反应速率过快，形成的白云石中Ca的含量比较多。 ②混合水机理模式：Badiozamani在研究美国威斯康星州中奥陶统的白云岩时（韩征et al.，1998），提出了这种模式。通过实验，他发现5%-30%的海水的海淡水混合之后，对白云石是饱和的、对方解石不饱和。因此，这种水作用于方解石时会造成白云石化。如图3所示，海洋中隆升岛上部属于淡水作用的范围，与周围海水的混合作用会导致在其下部形成半咸水带，是形成白云岩化的场所。这里只是混合模式中的一种，事实上，根据混合时沉积物所处的成岩作用的不同的阶段不同，海水和淡水的混合可以有很多方式（表1），如泻湖海水与大气降水或高水头地下淡水混合可形成同生混合、潮间带或潮上带的空隙海水与大气降水混合可形成准同生混合、被埋藏但未完全固结成岩的沉积物由潜流地下淡水与潜流海水混合形成成岩混合。在这种意义下，白云岩化的模式是多种多样的，但是混合水模式产生的白云岩也具有相同的特点。颜色多为灰白、灰、深灰色，无氧化色，厚度从薄层到块状层不等，白云石与石灰石间存在渐变性；经历白云石化交代作用较强的岩石多形成细晶结构，作用较弱的显示出灰岩的残余构造；白云石常常显示雾心或者环带现象，推测其原因是海水浓度的不同形成的。此外，晶体的有序性较高。

图3混合水白云岩化的隆升模式（据 Badiozamani） 表1常见的白云石化模式 白云石化模式 响度深度/m （Mg/Ca）比值 流体动力学 典型实例

蒸发模式 <500 10-30 海水渗透到方解石碳酸钙地层，在蒸发作用下浓缩 波斯湾准同生白云岩 渗透回流模式 <700 10-30 海水蒸发形成高盐度卤水，向下渗透到碳酸钙地层 加勒比海小安德列斯群岛更新统白云岩 混合水模式 <500 1.24-3.64 大气淡水与海水混合形成混合水，下渗到海平面以下隆起的碳酸钙地层中 美国威斯康辛中奥陶统米夫林段白云岩

混合水模式（2） 500-1500 1.24-3.6海水在自身的压力下，渗透到碳陕甘宁盆地定边地区奥4 酸钙地层中，与地层中的淡水形成混合水 陶系巨厚白云岩 海水模式 <700 5.2-10 符合白云石化离子浓度的海水渗透到浅层的碳酸钙地层中 巴哈马晚新生代滩白云岩 海水模式（2） 1000-2000 5.2-10 符合白云岩化的海水在自身的压力下渗透到深层的碳酸钙地层中 巴哈马晚新生代滩白云岩

埋藏模式 2000-3000 4-10 由于压实作用，地层中的海水或其他成岩作用流体在地层中流动 加拿大新思科和上侏罗统Abenaki地台白云岩

热液模式 >2500 4-10 深部流体上涌或热能、岩浆活动及底辟构造等原因，压力增大或温度升高的流体渗透到上覆地层或沿断层上移 纽约州上奥陶统特伦顿-布莱克利弗群白云岩

（据赫云蓝等，2010） ③深埋白云石化：在一定的条件下，深埋白云石化拥有更加合理的可行性（张景廉et al.，2000）。与早期成岩白云石化不同的是，深埋白云石化对交代水溶液的（Mg/Ca）比值要求更低。随着温度的升高，白云石化所要求的（Mg/Ca）比值更低。例如，在90℃时，需要（Mg/Ca）比值为1/4即可发生白云石化，在190℃时，只需（Mg/Ca）比值为1/10即可。深埋白云石化也可称为后生白云石化，这是相对于前两种模式的原生白云石化而言的。这种深埋成因的白云石常常出现在灰岩断层、褶曲轴部、构造裂隙系统和缝合线基础之上等部位，与相邻的灰岩的接触关系可以是突变的，也可以是渐变的。交代水溶液的来源有多种，可以是成岩作用中的压实水，也可以是深部地下水，或者上升的变质水和岩浆水。深埋白云岩的一般特征是：结晶结构、晶体粗大，多经历重结晶作用，环带结构；因含Fe比较多，氧化后呈褐色。也可因晶格破坏呈菱面体铸模孔。 3.原生沉淀白云岩的证据 长期认为自然界中不存在原生沉淀的白云岩，它们无一例外的属于交代成因。然而，随着对白云岩研究的深入，发现确实存在原生沉淀的白云岩，并在古代白云岩的研究中找到了更多的证据（朱忠德et al.，2000）。 根据研究，在澳洲南部的一个叫做库隆泻湖的地点发现了正在进行的白云石生成和沉淀的作用。在这种泻湖环境中，植物繁盛，它们通过光和作用吸收掉大量的CO2，使得泻湖中PH值升高；此外，水中的盐度也很高。可以观察到细小的白云石颗粒直接从水中沉淀出来的现象。 但是，这种机制下原生白云石的产生应当具有其特殊性，因为只有在（Mg/Ca）比值比较高的水中才可以倾向于产生白云石，而不是优先产生石灰石，再由白云石化作用产生次生的白云岩。因此，这种所谓的原生白云岩的现象还需要进一步的研究。 以上所讨论的，不管是交代成因的白云岩还是原生白云岩，不难发现，其形成环境都是热带、半干旱的浅水地区和潮上带地区；另外，白云岩的形成与高盐度水的存在紧密联系。因此，许多人得出了白云岩只能在高盐度条件下形成的结论。事实上，在一些低盐度的淡水湖泊中也发现了白云石，在钙质层和土壤中也发现了白云石。 （Mg/Ca）比值和盐度是白云石结晶作用的两个控制因素。在盐度较高的环境中，沉淀作用迅速。但是由于其他离子的干扰，通常很难形成白云石，往往是先形成文石和镁方解石，在（Mg/Ca）比值大于5-10的条件下才生成白云石。而当盐度降低时，要生成白云石就不需要太高的条件，通常（Mg/Ca）比值在接近1:1的条件下，也能生成白云石。在缺少外来离子