淺析中國湖相白云巖主要的成因模式和沉積環(huán)境

牛元哲，王驍睿

（1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西西安710069；2.中國石油長慶油田分公司第二采油廠，甘肅慶陽745100）

淺析中國湖相白云巖主要的成因模式和沉積環(huán)境

牛元哲1，王驍睿2

（1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西西安710069；2.中國石油長慶油田分公司第二采油廠，甘肅慶陽745100）

由于中國大陸自晚古生代以來海西運(yùn)動，特別是印支運(yùn)動以后，得到空前發(fā)展。中、新生代陸相的沉積盆地星羅棋布。在中國，湖相碳酸鹽巖的分布，主要集中在中、新生代，空間上遍布全國各類陸盆中。湖相白云巖多數(shù)為次生白云巖，準(zhǔn)同生白云巖較為少見，次生白云巖對于反演成巖過程中的沉積環(huán)境有很好的指示作用。通過對不同成因模式的湖相白云巖的分析有助于還原沉積環(huán)境，再結(jié)合不同地區(qū)的巖石組合，生物化石組合和地球化學(xué)特征，可以更準(zhǔn)確的推測當(dāng)時的古環(huán)境古氣候。

湖相白云巖；沉積環(huán)境；巖石學(xué)特征；成巖模式；白云化作用

隨著人們對陸相沉積盆地油氣資源和其他沉積以及層控礦床普查勘探工作的深入進(jìn)行，沉積盆地中湖相沉積體及沉積相的研究也慢慢進(jìn)入人們的視線。然而海相白云巖一直是人們不斷研究的熱點(diǎn)。為了更好的分析研究白云石問題，本文將嘗試著從湖相白云巖的角度出發(fā)，來總結(jié)前人的研究，分析湖相白云巖的形態(tài)特征、成因模式、地球化學(xué)特征以及對沉積環(huán)境的反演。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

對于湖相白云巖的研究湖相白云巖在“白云石（巖）問題”的研究中應(yīng)有一席之地。就沉積環(huán)境而言，海相白云巖占據(jù)了絕對優(yōu)勢，不過全新世以來的湖相白云巖受到后期成巖作用的影響較少。國外對于湖相白云巖地層的研究較多，如約旦峽谷-死海地塹的晚第三紀(jì)-更新世地層，美國落基山脈中部的瓦薩其-綠河-尤因他組早新生代地層，美國猶他州中南部弗拉格斯塔夫古新世地層[1]，法國南部晚白堊-早晚第三紀(jì)的湖相及成上白云巖。以及現(xiàn)代湖相白云巖沉積如庫龍地區(qū)湖相白云巖[2]猶他州大鹽湖中白云石沉積，加利福尼亞南部索爾頓湖中白云石沉積[3]等；國內(nèi)對于湖相白云巖的研究也不在少數(shù)如松遼盆地嫩江組白云巖[4]，南-襄盆地泌陽凹陷古近系地層[5-8]，江漢盆地潛江凹陷古近系[9，10]、渤海灣盆地和遼東灣盆地古近系[11，12]，廣東三水盆地古近系等以及現(xiàn)在湖水沉積的青海湖白云巖沉積，青海小柴旦鹽湖白云石沉積[25]等。通過利用這些湖相白云巖的巖石特征、巖石組合以及地球化學(xué)特征來反演沉積環(huán)境以及更好的了解白云巖（石）問題，提供了一個更好更有利的途徑[13-15]。

2 湖相白云巖與海相白云巖的區(qū)別

2.1 湖相白云巖與海相白云巖在巖石學(xué)特征上的區(qū)別（見表1）

2.2 湖相白云巖與海相白云巖在地球化學(xué)特征上的差別

2.2.1 X衍射分析結(jié)合其他資料顯示，湖相白云巖的有序度一般較低。甘肅天水周家山和山東棗莊第三系湖相泥晶白云巖有序度分別為0.481和0.483濟(jì)陽坳陷中的BS3-12、YS4等井的始新統(tǒng)湖相泥晶白云巖和藻白云巖的有序度更是低了，甚至已經(jīng)到了0.2[29]。海相成因的白云巖其有序度的差別還是比較大的，一般情況下同生和準(zhǔn)同生的白云巖有序度較低，但較老地層的白云巖有序度會比新地層的要高一些[11]。根據(jù)黃志誠等[16]對海相白云巖數(shù)據(jù)做的統(tǒng)計分析資料中，測得海相白云巖有序度最低為0.6，多半以上有序度大于0.7。可見，海相白云巖有序度通常高于湖相白云巖[17-21]。

表1 湖相白云巖與海相白云巖在巖石學(xué)特征上的區(qū)別

2.2.2 碳氧同位素特征湖相白云巖中碳同位素主要隨鹽度的變化而變化。由于大氣中二氧化碳含量很少，溶解在淡水中的二氧化碳多來自土壤和腐殖質(zhì)，而土壤和腐殖質(zhì)中的二氧化碳和δ13C的值是高負(fù)，因此湖相白云巖δ13C變化較快，變化幅度也比較大。本研究團(tuán)隊(duì)對三門峽地區(qū)的碳氧同位素的分析測試中得到的結(jié)果（見表2）。

δ13C為較高負(fù)值，與臨河凹陷、河南泌陽坳陷具有相同的特征，δ18O為1左右，從-6.5到0.9，據(jù)[50]測得青藏高原北部新生代地層中δ18O介于-2到2。該研究區(qū)的數(shù)據(jù)也基本與之吻合。

2.2.3 微量元素湖相白云巖中經(jīng)常含有多種微量元素或者痕量元素[35]。湖相白云巖中微量元素種類通常較為齊全，但其組合面貌和特征元素含量與海相白云巖相比，則因湖水與海水的明顯差異而有很大不同[36-39]。如在湖相白云巖中Sr和Ba都是高豐度的微量元素，如濟(jì)陽坳陷沙河街組的白云巖，是海侵作用的結(jié)果。巖石中的B、Sr、Ba等元素均具有較高的豐度[33]。各地湖相白云巖中Ba含量變化不大，但是Sr的含量變化卻很大。較高Sr含量往往說明白云巖是在高鹽度環(huán)境下形成的，也說明發(fā)生白云化的時間較早，使得Sr沒有大量流失?，F(xiàn)代海水中的Sr含量一般介于1 000× 10-6～1 200×10-6，而湖湘白云巖中Sr的含量往往低于這個值[27]，而且常有較大幅度的變化。Ba也可以靈敏地指示沉積環(huán)境，湖相白云巖中的Ba含量高于海相沉積物,海相白云巖中Ba含量通常為10×10-6～30×10-6，很少超過200×10-6[31]。本研究團(tuán)隊(duì)在對三門峽凹陷白云石成因的研究上得出Sr的數(shù)據(jù)含量（見表3）。

表3中可以看出，Sr和Ba的含量特征，可以明顯的說明湖相白云巖Sr、Ba含量與海相的差別。

表2 三門峽地區(qū)白云石碳氧同位素一覽表

3 湖相白云巖的成因模式

深入了解湖相白云巖形成機(jī)理和地質(zhì)特征，有助于恢復(fù)或再造沉積、成巖環(huán)境和正確評價成巖地質(zhì)體的含礦性。對于白云巖的成因問題湖相白云巖的研究較多的借鑒海相白云巖的成因模式。

3.1 原生沉淀作用

質(zhì)子交換膜燃料電池是一個多輸入、多輸出、不確定的非線性時變的強(qiáng)耦合系統(tǒng)[21]，冷啟動過程中受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、操作參數(shù)和其他因素影響，為了實(shí)現(xiàn)PEMFC冷啟動，目前國內(nèi)外許多學(xué)者對其冷啟動方法進(jìn)行研究，以此來實(shí)現(xiàn)電池冷啟動。文中主要介紹其冷啟動研究現(xiàn)狀。

理論上，直接化學(xué)沉淀的原生白云巖應(yīng)該是存在的，但是到目前為止，還沒有找到?jīng)]有爭議、有過硬證據(jù)的實(shí)例。目前對于原生沉淀作用的白云石，出現(xiàn)了生物成因白云巖和熱液成因白云巖，這都引起了人們的極大興趣并提高了進(jìn)一步的研究熱情，國外比較典型的例子有庫龍潟湖C.C.Vonderborch在湖中選取的樣品中發(fā)現(xiàn)有球粒狀白云石，并通過地化數(shù)據(jù)對其進(jìn)行定向定量分析，測得球粒狀白云石含有蛋白石狀的硅質(zhì)成分。他推測這可能與白云石的形成有關(guān)[23，24]。

表3 三門峽地區(qū)白云石微量元素Sr、Ba含量一覽表

3.2 蒸發(fā)作用-準(zhǔn)同生白云化作用

在湖水中強(qiáng)蒸發(fā)的環(huán)境下首先有石膏先沉淀出來，從而使Mg2+/Ca2+比值增高[26]，導(dǎo)致沉淀物中方解石或文石發(fā)生白云化作用。在國內(nèi)新近紀(jì)發(fā)現(xiàn)的白云巖常常與石膏共生。如內(nèi)蒙臨河坳陷中薄層的泥晶白云巖與石膏共生，石膏大規(guī)模生成并形成了礦床，與此相同的還有河南三門峽凹陷、東營凹陷、沁陽凹陷、歧口凹陷等都普遍有蒸發(fā)作用形成的泥晶白云巖[40]。

3.3 回流滲透白云化作用

由于毛細(xì)管濃縮作用或蒸發(fā)泵作用所形成的高M(jìn)g2+/Ca2+比率的粒間水所引起的表層碳酸鈣沉積物的準(zhǔn)同生白云化作用[41]。比如東營凹陷沙四段白云巖夾層的主要成因之一：毛細(xì)管濃縮作用形成的白云石通常含膏質(zhì)和陸源碎屑，主要分布在濱湖以上沉積環(huán)境中。回流滲透作用形成的白云石含一些生物和碎屑，多發(fā)育生物白云巖和砂屑白云巖。

3.4 埋藏白云化作用

近年來對埋藏白云化的概念進(jìn)一步擴(kuò)展，不僅指白云石在埋藏條件下的一種形成機(jī)理，而且更多是指在早期成巖及成巖過程中已經(jīng)發(fā)生白云化的基礎(chǔ)上，在埋藏階段對白云化程度得到加強(qiáng)或調(diào)整（白云巖重結(jié)晶）。

3.5 熱液白云化作用

近20多年來，對構(gòu)造-熱液白云巖化作用和該類型白云巖的研究成為一種流行模式[28-30]。構(gòu)造-熱液（溫度上高于圍巖10℃的熱流體）白云巖化作用是指在構(gòu)造控制的斷裂系統(tǒng)中，深部的熱液流體沿著斷裂系統(tǒng)運(yùn)移至淺層灰?guī)r或白云巖中，使灰?guī)r發(fā)生白云化，使白云巖發(fā)生重結(jié)晶或過度白云化，并且形成大量的機(jī)制交代性和膠結(jié)型鞍狀白云石[32]。由于鞍形白云石常與其他熱液成因礦物共生，所以一般把它作為熱液白云巖作用的重要標(biāo)志，但并不是唯一標(biāo)志。如卿海若[22]的非熱液成因的鞍形白云石一文中提到，在構(gòu)造穩(wěn)定的克拉通內(nèi)部，白云石能夠在成巖過程中通過埋藏壓實(shí)和白云石自我調(diào)節(jié)的云化作用形成鞍形白云石。而非熱液成因的鞍形白云石由于與原白云石同源，因此具有相似的微量元素，結(jié)合它分布的局限性可以將其與熱液成因的鞍形白云石相區(qū)別。非熱液成因的鞍形白云石可能較為常見，但是熱液白云巖常常在規(guī)模上還有晶體生長的完善程度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非熱液成因的鞍形白云石，在這種情況下，熱液白云石有可能被過分的強(qiáng)調(diào)而非熱液成因的鞍形白云石則被低估了。

3.6 生物成因白云巖作用

這是最近比較流行的一種白云石的成巖模式[34]，早在1906年，俄羅斯生物學(xué)家Georgi A Nadson就發(fā)現(xiàn)：硫酸鹽還原細(xì)菌在缺氧條件下，可以沉淀出少量白云石，但是這一發(fā)現(xiàn)并未引起人們的重視。Vasconcelos et al（1995）首次發(fā)現(xiàn)，在硫酸鹽還原細(xì)菌參與可以形成非常有序的白云石。之后Vasconcelos and McKenzie（1997）報道了巴西里約熱內(nèi)盧州附近的Lagoa Vermelha潟湖地表常溫環(huán)境中黑色富含有機(jī)質(zhì)沉積物中的白云石沉淀。這種模式被其稱為微生物白云石（巖）模式。Warthmann et al.（2000）進(jìn)行了模擬巴西Lagoa Vermelha潟湖缺氧沉積環(huán)境下白云石的沉淀實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果不但生成了白云石還與湖中的白云石形態(tài)極為相似。除了硫還原細(xì)菌能有效的生成白云石外，還有很多學(xué)者通過產(chǎn)甲烷古菌和嗜鹽好氧細(xì)菌都有白云石的沉淀生成。與此相比，國內(nèi)對于微生物白云石的模式的研究也是緊緊追隨國外研究的步伐。如于炳松等（2007）利用掃描電鏡等測試手段對青海湖底現(xiàn)代沉積物中的球狀白云石幾何體進(jìn)行了仔細(xì)鑒定，發(fā)現(xiàn)其形態(tài)特征與文獻(xiàn)中報道的具有文生物細(xì)胞體形態(tài)的白云石幾何體極為相似，因此認(rèn)為其屬于微生物成因[42]。

4 湖相白云巖反演沉積環(huán)境

湖相白云巖盡管在類型和巖石特征等多方面與海相白云巖有很多相似之處，但是其形成條件和沉積環(huán)境卻是都有很大的差別。相比之下古氣候、古水動力、古介質(zhì)等因素對湖相沉積的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于海相沉積。在湖盆體系中，氣候溫暖濕潤的時候，雨量增大，地表徑流可以帶入大量陸源碎屑物質(zhì)和Mg2+和Ca2+。氣候趨向于干旱，陸源物質(zhì)減少，水體清澈，生物繁盛，此階段會有大量的生物碳酸鹽沉積。當(dāng)氣候進(jìn)一步干旱的時候，湖水發(fā)生咸化，不利于生物生長，這個階段會有陸源砂泥和純凈的灰泥沉積，同時灰泥也會受干濕氣候的交替影響發(fā)生白云化作用，從而形成多旋回的沉積韻律。由此可見，除了鹽湖可有各類白云巖外，淡水-半咸水湖同樣可形成類型復(fù)雜的白云巖，只不過是成因上有所不同罷了[43-45]。

在不同的沉積相中形成的白云巖也有不同的特征，根據(jù)湖泊的水文情況，可分為水文出口湖、水文封閉湖（包括常年水文封閉湖和間歇性水文封閉湖）。但是水文出口湖中，湖水通過河流的流入和沉積來平衡蒸發(fā)量和外流量。湖水處于淡水至微咸水狀態(tài)，其碳酸鹽沉積物中的主要礦物是低鎂方解石。在水文封閉湖中主要特點(diǎn)是蒸發(fā)量超過流入量且沒有外流。這就產(chǎn)生兩大特點(diǎn)：首先，湖面的快速變化是由降雨量和流失量的變化引起的；第二，水中溶質(zhì)含量特別是Mg2+/Ca2+比會很高，鈣的減少可能是由早期沉積作用引起的。鹽湖的環(huán)境和巖相已經(jīng)由Eugster和Hardie等做了總結(jié)。如扁平礫石（內(nèi)碎屑）礫巖（礫屑碳酸鹽巖），由白云巖泥巖碎屑構(gòu)成，礫石被解釋為換前進(jìn)期間重新加工撕裂的巖屑；球粒狀顆粒灰?guī)r。有兩種巖相，一是薄層浪成波痕或浪成紋層的白云石球粒狀顆?；?guī)r，二是泥裂白云質(zhì)泥巖。這些已分別被解釋為波動、波浪影響的潮灘帶及露出水面的泥坪沉積物；白云質(zhì)泥巖薄層，含有粉砂級球粒的紋理及粒級紋層。然而有些泥巖是沉積在更深的常年湖環(huán)境中，而另一些泥巖則代表鹽堿灘至干泥坪沉積物；油頁巖由富含有機(jī)質(zhì)的白云質(zhì)紋層和油頁巖角礫構(gòu)成。油頁巖具有泥裂且與天然堿地層有關(guān)。角礫巖或許是由泥裂頁巖再造形成的。油頁巖還含有碎屑白云質(zhì)球粒狀粉砂透鏡體，這些粉砂被認(rèn)為是波浪作用的證據(jù)。有機(jī)質(zhì)被解釋為是浮游“藻類”大量繁殖和有機(jī)軟泥沉淀的產(chǎn)物[46，47]。

按照水深和水動力條件劃分相帶，則在湖相沉積中白云巖主要出現(xiàn)的相帶還是比較廣泛的。例如在濟(jì)陽坳陷中的白云巖沉積模式是濱湖帶的泥坪-藻坪含有隱晶白云巖、含顆粒隱晶白云巖、含白云質(zhì)砂屑泥灰?guī)r；濱湖帶的岸灘有鮞粒白云巖，含核形石砂屑白云巖，藻團(tuán)粒白云巖（有的含砂），生物內(nèi)碎屑白云巖等；在淺湖中的湖灣含有隱晶質(zhì)白云巖，含顆粒隱晶質(zhì)白云巖，糞球里白云巖；淺湖中的淺灘-藻礁中有生物內(nèi)碎屑白云巖，藻團(tuán)粒白云巖，藻礁白云巖，蠕蟲管白云巖；半深湖相中有含顆粒隱晶質(zhì)白云巖，隱晶白云巖；在深湖中主要為泥巖，但是也發(fā)育有葉狀泥質(zhì)白云巖，隱晶白云巖等[48，49]。

5 小結(jié)

中國湖相白云巖的研究還處于初始階段，對湖相白云巖的研究應(yīng)該引起人們的注意，并對其進(jìn)行更深入的了解和研究。

（1）中國湖相白云巖的沉積相相對來說出露還是比較完整的，同時國內(nèi)一些大型油田如大慶、勝利、大港等油田就是在陸相盆地找到的。這些資源的勘察和一些沉積礦床的開采都需要進(jìn)一步的對湖相沉積進(jìn)行研究，白云巖是湖湘沉積中重要的儲集層，所以對其研究仍然是非常重要的。

（2）雖然湖相白云巖跟海相白云巖有很大的差異，但是由于湖相沉積研究程度的不夠成熟，對于海相白云巖的借鑒還是必不可少的。

（3）有效的根據(jù)湖相白云巖的形態(tài)特點(diǎn)、地化特征以及與白云巖伴生的礦物組合，可以有效的反映古沉積環(huán)境，對于陸相沉積環(huán)境分析提供一個新的視角和思路。

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A brief analysis introduction of lacustrine dolomite in China and its genesis model and depositional environment

NIU Yuanzhe1，WANG Xiaorui2
（1.Department of Geology，Northwestern University，Xi'an Shanxi 710069，China；2.Oil Production Plant 2 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Qingyang Gansu 745100，China）

China mainland was unprecedentedly developed since late Paleozoic hercynian orogeny,especially after indosinian movement.Mesozoic and Cenozoic terrestrial basins distribute broadly.In China,the lacustrine carbonates mainly distribute in Mesozoic and Cenozoic and is widely distributed in various terrestrial basins.The secondary dolomite is the dominated fancies of the lacustrine dolomite,penecontemporary doiostone is relatively rare.The secondary dolomite is an indicator of inversion diagenesis process of depositional environment.Analysis on different genetic model of lacustrine dolomite can be the key to deoxidize sedimentary environment,combined with rocks unites in multi-area,fossil assemblage and geochemical analysis can accurately reveal the palaeoenvironment and palaeoclimate.

lacustrine dolomite；depositional environment；petrological properties；diagenesis model；dolomitization

TE122.22

A

1673-5285（2016）01-0066-06

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.01.018

2015－12-05

牛元哲，男，西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系在讀碩士研究生，郵箱：414078817@qq.com。