白云巖成因研究新認(rèn)識(shí)及新方法

摘 要：沉積學(xué)領(lǐng)域中白云巖成因問題已成為研究熱點(diǎn)，但至今懸而未決。在綜述白云巖成因及研究動(dòng)向的基礎(chǔ)上，概述了白云巖成因研究的進(jìn)展：硫酸鹽及硫化物對(duì)白云石形成的影響受到重視；溶洞白云巖的研究為解釋白云巖成因帶來了新的認(rèn)識(shí)；相對(duì)常規(guī)同位素分析，δ26Mg和δ44Ca值在反映白云巖成巖流體性質(zhì)方面也具有一定價(jià)值；白云石晶體結(jié)構(gòu)分析從新的角度解釋了白云巖成因。

關(guān)鍵詞：白云巖；成因研究；新認(rèn)識(shí)；新方法

白云巖成因已成為沉積學(xué)領(lǐng)域中長(zhǎng)期存在的研究熱點(diǎn)和主題。作為一種重要的沉積巖，白云巖是構(gòu)成世界上大部分常規(guī)石油和天然氣儲(chǔ)層的儲(chǔ)集巖。自1791年法國(guó)自然學(xué)家Deodalt de Dolemieu 對(duì)白云石首次描述后，學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究[1]。從前寒武紀(jì)到新生代巖層它是普遍存在的一種沉積巖，但是很少出現(xiàn)在較年輕的地層中。盡管有報(bào)道稱在巴哈馬群島和澳大利亞庫(kù)隆瀉湖中發(fā)現(xiàn)了“原生白云石”，但白云巖形成機(jī)理主要不明確的一點(diǎn)在于未發(fā)現(xiàn)近代形成的白云石。至今未在常溫常壓的實(shí)驗(yàn)條件下合成化學(xué)計(jì)量的白云石，同時(shí)在現(xiàn)代湖泊中也未發(fā)現(xiàn)白云石沉淀。究竟所有的白云巖是次生交代形成的，還是其中一部分為原生，這個(gè)問題仍未得到解決。傳統(tǒng)的白云巖成因研究多是對(duì)已有成因模式的套用，或是根據(jù)白云石的形成環(huán)境建立新的成因模式，這都會(huì)使白云巖成因分析產(chǎn)生多解性。因此文章通過國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的調(diào)研，概述了一些白云巖成因研究的新觀點(diǎn)和新方法，從而為研究白云巖成因提供一些參考。

1 白云巖成因研究動(dòng)向

白云石最初是由N·T·Saussare這位學(xué)者在1792年向法國(guó)地質(zhì)學(xué)家Deodat Guy de Dolomieu致敬而命名的，隨后首次將該礦物應(yīng)用于阿爾卑斯山巖石研究中[2]。白云巖中白云石礦物占大部分比例，理想的白云石晶格是由Ca2+和Mg2+的互層組成，中間由碳酸鹽層隔開，通常是由CaMg（CO3）2化學(xué)分子式來表示，其中Mg/Ca比相等。白云石分子式看似簡(jiǎn)單，但人們無法在近常溫、常壓的近地表?xiàng)l件下通過化學(xué)方式合成這個(gè)看似簡(jiǎn)單的無機(jī)礦物，合成的白云石總是在X射線衍射中缺乏超結(jié)構(gòu)反射。同時(shí)，白云巖是地質(zhì)記錄中一種常見的沉積巖礦物，但在大部分全新世地層和海相沉積物中是缺失的。這種矛盾被稱之為“白云石（巖）問題” ，并在碳酸鹽沉積學(xué)家及地球化學(xué)家之間引起了激烈的爭(zhēng)論。

1.1 δ26Mg和δ44Ca的應(yīng)用

關(guān)于白云石的成因，研究者持有兩種觀點(diǎn)：即原生白云石和次生白云石。白云石的形成離不開Mg2+的供給。鎂是白云巖的關(guān)鍵元素并且是碳酸鹽循環(huán)中重要的元素。然而，從已發(fā)布的白云巖鎂同位素比值來看，鎂元素是最缺乏的，并且對(duì)于白云巖成巖作用和低級(jí)變質(zhì)影響的系統(tǒng)分析顯示δ26Mg在目前來看是缺乏的，以前相關(guān)的研究只是局限于界定微生物誘導(dǎo)白云石沉淀的概念以及集中研究鎂循環(huán)。Wombacher et al在實(shí)驗(yàn)室中研究了鎂的提純技術(shù)并利用MC-ICP-MS分析了δ26Mg值。Schauble[3]計(jì)算發(fā)布了氧化物、硅酸鹽和碳酸鹽礦物均衡鎂同位素分離系數(shù)的理論數(shù)據(jù)。

白云石沉淀所需的鎂離子主要來源為海水?，F(xiàn)代海水鎂濃度和δ26Mg同位素特征值分別為53mmol/l和-82‰。以前研究表明，微生物白云巖相對(duì)于其成巖流體來說δ26Mg的強(qiáng)大消耗高達(dá)2-3‰。而相比之下，有機(jī)沉淀物與無機(jī)碳酸鹽顯示小范圍的分餾。許多研究用來解決與無機(jī)碳酸鹽沉淀相聯(lián)系的鎂同位素分餾。理論研究和野外觀測(cè)在一些方面還存在分歧，目前還不完全清楚在碳酸鹽沉淀過程中究竟是固體還是流體相富集鎂這種輕同位素。

無機(jī)地球化學(xué)分析技術(shù)能夠用來推測(cè)白云巖的成因，并且可以建立一套辨別成因的標(biāo)準(zhǔn)，地質(zhì)家可以根據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來揭示白云巖的相關(guān)地球化學(xué)特征。盡管許多白云巖化研究利用了碳、氧和鍶同位素，鈣同位素卻受到很少的注意。從火成巖到植物的各種各樣的地球材質(zhì)中，δ44Ca能夠顯示幾千分比的分餾范圍，但是對(duì)白云巖的研究卻很少見。鈣同位素在地球材料中的含量各異，主要是由與溶液中形成的含鈣礦物相聯(lián)系的動(dòng)力分餾作用以及與鈣離子運(yùn)移相關(guān)的離子交換反應(yīng)造成的。因此，δ44Ca對(duì)研究白云巖成因具有一定的價(jià)值。

1.2 硫酸鹽及硫化物對(duì)白云石形成的影響受到重視

在傳統(tǒng)的碳酸鹽成巖作用研究中，硫酸鹽還原作用對(duì)碳酸鹽成巖作用的影響未受到應(yīng)有的關(guān)注。硫酸鹽廣泛分布于碳酸鹽地層中，而SO42-則廣泛分布于從沉積到成巖作用各階段的流體中，地層中的有機(jī)物與硫酸鹽之間的反應(yīng)深刻地影響了碳酸鹽沉積-成巖作用的整個(gè)過程。

溶解硫酸鹽對(duì)白云石沉淀的影響研究主要基于實(shí)驗(yàn)研究，Mónica Sánchez-Román等運(yùn)用枝芽胞菌和鹽單胞菌在有氧的實(shí)驗(yàn)條件下檢測(cè)了硫酸鹽對(duì)白云石沉淀的抑制作用，實(shí)驗(yàn)條件是模仿存在白云巖的地表環(huán)境，將溫度設(shè)置為25-35°C，采用了可變的SO42-濃度（0，14，28和56mM），最后證實(shí)在培養(yǎng)基中SO42-存在與否，好氧嗜鹽細(xì)菌都能直接調(diào)節(jié)白云石的沉淀。因此，硫酸鹽的存在不會(huì)抑制白云石的形成。

另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，硫化物的存在可以積極地促進(jìn)白云石的形成。Mg2+脫水作用的難易度被視為是白云石形成的最大障礙，Yang Yang等在其模擬試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)HS-離子完全有可能通過其他的機(jī)制來促進(jìn)白云石的形成，研究認(rèn)為與一種碳酸鈣固體前體相（可能是無定形且含水的）表面伴生的Mg（H2O）62+和HS-離子在液-固態(tài)界面處促進(jìn)了Mg（H2O）62+脫水作用的發(fā)生而產(chǎn)生了一種“原白云石”前體并最終轉(zhuǎn)變?yōu)榘自剖?/p>

1.3 溶洞白云巖研究

白云巖存在的地方，都與硫酸鹽富集且微生物活動(dòng)的環(huán)境有關(guān)，并且通常是缺氧的環(huán)境。在潮緣區(qū)海灘巖中，細(xì)菌在白云巖化過程中也起到重要的作用，這是因?yàn)樵诹蛩岣嬖谥鞍l(fā)生了甲烷氧化作用，這為白云巖形成提供了HCO3-。在古代溶洞中存在的白云巖已有所描述，然而在現(xiàn)代溶洞中含氧、貧硫酸鹽的環(huán)境下形成白云巖的例子卻很少。一些溶洞中的白云巖可以為解決“白云巖問題”提供一些信息，這種白云石也可以在溶洞水中或通過亞穩(wěn)態(tài)礦物的轉(zhuǎn)變而直接沉淀。

Ana M.Alonso-Zarza[4]等研究表明在溶洞中沉積的白云石也可能是在有氧、貧硫酸鹽的環(huán)境下形成的。在主巖和文石溶洞堆積物上的白云石是在溫度為17℃并且在有氧滲流條件中形成的。它以球狀體和啞鈴狀出現(xiàn)，直徑為50-300？滋m，其內(nèi)部是由微米級(jí)菱形到半球形晶體組成的。最初該白云石富鈣、非化學(xué)計(jì)量并且有序度低。富鎂流體使亞穩(wěn)態(tài)富鎂碳酸鹽沉積，如碳酸鈣鎂石，很快將轉(zhuǎn)變?yōu)楦烩}白云石，隨著地質(zhì)時(shí)代的推移將形成較為化學(xué)計(jì)量的白云石。這些白云石與在缺氧、富硫酸鹽條件下生成的白云石相似，并且它們?cè)谌芏粗械拇嬖谔峁┝艘环N不同的沉積環(huán)境，這也有助于認(rèn)識(shí)“白云巖問題”，包括它們最初的形成和重結(jié)晶過程。

1.4 白云石晶體結(jié)構(gòu)分析

傳統(tǒng)的白云石研究分析方法對(duì)白云巖成因解釋都具有多解性，對(duì)已有白云石成因模式的套用或根據(jù)白云石形成環(huán)境重新建立新的白云石成因模式將會(huì)使白云石的形成機(jī)理過于簡(jiǎn)單化、模式化。作為一種晶體、礦物，白云石在形成過程中和形成后的成巖作用中有交代、重結(jié)晶、去白云石化、白云石化、雜質(zhì)離子進(jìn)出等諸多變化，僅僅用一種單一的模式來進(jìn)行解釋似乎過于簡(jiǎn)單化，地球化學(xué)分析所測(cè)得的數(shù)據(jù)也多是經(jīng)歷多期成巖作用后的綜合表現(xiàn)，并不能反映單期白云石形成的特征。張杰[5]等從晶體結(jié)構(gòu)角度對(duì)五種白云石組構(gòu)的有序度、晶胞參數(shù)、晶格條紋、晶面間距、晶格缺陷等晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了差異性研究，分析了它們不同的形成環(huán)境和成巖演化特征，初步建立了不同類型白云石晶體結(jié)構(gòu)判識(shí)標(biāo)志。這項(xiàng)研究也為解釋白云巖成因提供了新的方法。

2 結(jié)束語

白云巖成因及白云巖化作用始終是地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域中懸而未決的難題，目前對(duì)“白云石問題”依然無法得到徹底解決，有些問題甚至一無所獲，但學(xué)者沒有停止對(duì)其深入的研究和探討。傳統(tǒng)的白云巖成因研究多是對(duì)已有成因模式的套用，或是根據(jù)白云石的形成環(huán)境建立新的成因模式，這都會(huì)使白云巖成因分析產(chǎn)生多解性。因此，本文在分析文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了用定量的方法去研究白云巖成因的一些新認(rèn)識(shí)、新方法，以便為白云巖成因研究提供一些參考。

參考文獻(xiàn)

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[4]Ana M. Alonso-Zarza， Andrea Martín-Pérez. Dolomite in caves： Recent dolomite formation in oxic， non-sulfate environments. Castanar Cave， Spain[J].Sedimentary Geology ，2008（205）：160-164.

[5]張杰，壽建峰，張?zhí)旄?白云石成因研究新方法-白云石晶體結(jié)構(gòu)分析[J].沉積學(xué)報(bào)，2014（32）：550-559.

作者簡(jiǎn)介：馮詩(shī)海（1990-），男，碩士，現(xiàn)主要從事碳酸鹽巖成因方面的研究工作。