徐州地区寒武系豹皮灰岩的岩性特征及其成因机制分析

龙 刚，黄 萍，林剑怀，李伟康

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州;2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221008)

0 引言

豹皮灰岩在徐州地区寒武系地层中分布普遍，主要以中厚—厚层状分布在下寒武统馒头组和中寒武统张夏组地层中;国内外不同地区的豹皮灰岩的成因也大不相同;主要分为以下几大类观点(冯增 昭，1989):原生沉淀作用，准同生白云岩化作用，超咸水条件下的白云岩化作用，低盐度的混合水条件下白云石化作用，生物爬行迹经过回流渗透白云岩化作用。

认识本区豹皮灰岩的岩性特征对以寒武系灰岩为主要地基持力层的当地建筑行业具有较为重要的意义，了解它的成因对于徐州地区沉积环境的判断和古地理气候的恢复以及当地油气的勘探开发也具有十分重要的地质意义(栾守亮等，2010)。

1 地质背景

徐州地区的地层属于华北地层区鲁西北分区，在寒武纪早期，华北地台开始逐渐抬升(冯增 昭，1990)，遭受风化剥蚀并开始了第一次大规模海侵，从早寒武世—中寒武世基本上为潟湖、碳酸盐岩台地交替沉积环境，碎屑物质来自华北古陆。晚三叠世—早侏罗世的印支—燕山运动使本区地台盖层遭受的最强烈的构造变形作用，形成了大北望剖面猴家山背斜和贾汪复式向斜以及徐—宿弧形构造。

2 豹皮灰岩的岩石学特征

2.1 宏观特征

选取徐州大北望剖面为主干剖面(图1)，贾汪剖面为辅助剖面，对寒武系的豹皮状灰岩进行详细的研究。豹皮灰岩是指表面含有不规则斑块的石灰岩，岩石可以分为豹斑和基质两部分，二者在外观上差别明显(武永强等，1995)，豹斑部分表现为浅黄色或灰黄色，基质部分表现为灰色或深灰色，可见少量虫孔构造;形似豹皮上的斑状结构。

豹皮灰岩野外产状特殊，基本呈中厚—厚层状，水平波状层理发育，岩层的厚度稳定;豹斑与基质成分不同(表1)及其裂隙发育程度的不同导致二者的抗风化能力不同，形成了岩石表面凹凸不平的现象;在野外用体积分数为5%的稀盐酸滴在基岩新鲜面上，基质部分比豹斑部分起泡要剧烈;豹斑一般呈条带状、树枝状、云朵状等(陈战杰等，1991)，其排列具有一定的方向性，多以水平方向分布为主。

图1 徐州大北望实测地层剖面图

表1 豹皮灰岩成分质量分数对比

2.2 微观特征

将豹皮灰岩切片后用茜红素试剂进行染色，再置于显微镜下观察;由于偏光镜下的方解石被染为红色，白云石不被染色，所以可将两者清晰地分辨出来。

2.2.1 微观结构 岩石的豹斑主要成分是以粉晶结构为主的白云石，晶粒为较规则的菱形体，多呈自形—半自形(图2-1)，晶径约为0.05～0.1 mm;未白云岩化的石灰岩部分以含生物碎屑球粒泥晶灰岩为主，局部夹有少量属于泥晶胶结的砂屑灰岩，晶间孔隙呈三角形及不规则多边形(图2-2)，孔隙大小为0.1～0.4 mm，连通性好;基质部分由泥晶方解石组成，平均粒径约为0.03 mm，并含有不等量的生物碎屑，包括棘皮动物、三叶虫、腹足类及藻类(图2-3)，生物碎屑部分发生了白云岩化作用。

2.2.2 微观构造 岩石中发育着大量规模大小不一，被方解石充填的裂隙(图2-9)及锯齿状缝合线(图2-7)，方解石脉大小为1～5 mm不等，充填的方解石晶体均为半自形—他形(图2-5);部分方解石脉同时切割了豹皮灰岩的基质部分与豹斑部分(图2-8);缝合线的大小多为1 mm及1 mm以下，可见到少量白云石晶体颗粒发生了自身溶蚀作用(图2-6)以及与方解石发生了交代作用(图2-4)，这些都是豹皮灰岩在成岩作用后期由于岩层受到了上覆岩层的压力或构造应力等作用的影响所形成的产物。

3 豹皮灰岩成因机制分析

本区豹皮灰岩的斑状构造是由于不完全白云岩化所形成的，当潟湖中的高镁重盐水向海水方向发生回流，盐水的w(Mg)/w(Ca)比值增 大，在沿着岩层的层面进行渗透时，使得CaCO3被白云石交代，所以才形成了沿着岩层层面水平分布的豹斑。白云石发生交代的原理:2CaCO3+Mg2+=CaMg(CO3)2+Ca2+(冯增 昭等，1989)，观察显微镜下豹皮灰岩的切片，由基质和白云石间的过渡现象可以知道大多数的豹斑是次生白云石交代所形成，属于次生白云石。豹皮灰岩中极其发育的方解石脉属于成岩后期受到应力作用的产物，它同时切割了豹皮灰岩的基质和豹斑两部分(图2-8)，并且在基质中观察到极少量亮晶胶结物部分被白云石所交代，所以可以判断本区寒武系中的豹皮灰岩是在成岩作用的早期形成的(Pray et al，1965)。

图2 豹皮灰岩的岩石薄片显微镜图

在显微镜下观察薄片的过程中尚未发现像石膏等蒸发岩类夹层，也未见到石膏或其他盐类矿物晶体及其假晶，这表明本地区的豹皮灰岩不可能是在超咸水的环境下发生白云岩化作用形成的;由于豹皮灰岩所在岩层的下伏岩层为泥岩、钙质泥岩等，该类岩石形成于水动力条件较弱的沉积坏境，且岩层中发现较多三叶虫化石(贾振远等，1984)可以说明当时的海水盐度比较正常，适合海洋古生物的生长;其上覆岩层有砂屑灰岩、竹叶状灰岩等，可见有波痕，说明当时为一种潮下带浅水的高能环境(桑树勋等，2002);泥岩、粉砂质泥岩与石灰岩交替出现，并在泥岩中发现有云母碎片存在，且不含生物化石，说明当时这种盐度不正常的潟湖沉积环境(里丁，1985)。由豹皮灰岩所在的岩层位置可以推断出当时的古地理沉积环境是由一种水动力条件较缓的淡水环境向高能、高盐度咸水环境过渡的。从豹皮灰岩切片样品中由泥晶方解石组成的基质可以知道它是和颗粒一起沉淀的，即泥晶基质的存在表明了该沉积物分选不好，是形成于一种水体较为局限的、水动力能量中等偏弱的环境，比如潮坪与开阔的低盐度浅水潟湖(Rivers et al，2012)。综上所述得出本地区的豹皮灰岩在成岩作用时期发生的白云岩化作用模式假想图(图3)。

图3 白云岩化作用示意图

4 结论

(1)对豹皮灰岩的微观特征研究可知，它的成岩是由于原有的石灰岩发生了白云岩化作用，形成了表面以粉晶为主的豹斑结构和未被白云岩化的泥晶方解石基质部分。(2)由徐州地区古地理沉积环境和豹皮灰岩岩层所在猴家山背斜的核部附近位置，加之碳酸盐岩的可溶性可知，岩层中的溶洞和裂隙十分发育，白云石格架之间的晶间孔数量较多、连通性好，所以豹皮灰岩岩层可作为当地良好的油气储藏层(小穆尔，1986)。(3)通过对豹皮灰岩的岩性特征研究并结合古地理环境综合分析得出结论:豹皮灰岩的白云岩化作用发生在成岩作用早期，是在低盐度的混合水动力环境下经过回流渗透白云岩化作用所形成的。

陈战杰，张镔.1991.关于“豹皮灰岩”的成因［J］.矿物岩石，11(2):41－46.

冯增 昭.1989.碳酸盐岩岩相古地理学［M］.北京:石油工业出版社.

冯增 昭.1990.华北地台早古生代岩相古地理［M］.北京:地质出版社.

冯增 昭，王英华，刘焕杰，等.1994.中国沉积学［M］.北京:石油工业出版社.

贾振远，马淑媛.1984.山东莱芜地区下古生界豹斑灰岩的成因及其意义［J］.地质评论，30(3):224－228.

里丁 H G.1985.沉积环境和相［M］.北京:科学出版社.

栾守亮，陈世悦，马玉新，等.2010.徐州大北望地区寒武系陆表海沉积特征及其演化［J］.特种油气藏，17(6):50－53.

桑树勋，徐磊，张华.2002.徐州地区寒武纪灰质障壁砂坝沉积模式研究［J］.中国矿业大学学报，31(6):565－570.

武永强，吴卓丹.1995.太原西山奥陶系豹皮灰岩的成因［J］.山西矿业学院学报，13(2):161 －166.

小穆尔 C H.1986.碳酸盐岩孔隙地质学［M］.李汉瑜，译.北京:石油工业出版社.

PRAY L C，MURRAY R C.1965.Dolomitization and limestone diagenesis:A Symposium［M］.Tulsa，Okla，USA:Society of Economic Paleontologists and Mineralogistis，Special Publication No 13.

RIVERS J M，KYSER T K，JAMES N.2012.Salinity reflux and dolomitization of southern Australian slope sediments:the importance of low carbonate saturation levels［J］.Sedimentology，59(2):445 －465.