白云石成因模式的研究进展及其适用性探讨

王茂林，周进高，陈冬霞,4，郝 毅，彭辉界汪 超，蒋玉婷，谢明贤

（1 中国石油大学（北京）地球科学学院；2 中国石油杭州地质研究院；3 中国石油天然气集团公司碳酸盐岩储层重点实验室）（4 中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室；5 中国石油大学（北京）地球物理与信息工程学院）

白云石，自法国博物学家Dolomieu 于1791 年首次描述以来［1］，一直备受关注，原因有二：

一是为了满足油气和一些低温热液金属矿产（如MVT 型铅锌矿床和很多矽卡岩矿床） 勘探的需要。 白云岩是一种重要的储集层，就世界范围看，高达50%的碳酸盐岩储层是白云岩，北美碳酸盐岩中的油气80%以上储集在白云岩中［2］，俄罗斯、西北欧、北非、南非、西非、中东以及远东地区都有大量的白云岩储层，在中国四川盆地［3］、塔里木盆地、鄂尔多斯盆地［4］也均发现了大量的白云岩油气储层。

二是为了满足理论研究的需要。 白云石的形成机理是碳酸盐岩石学中最复杂、 争论时间最久而又最难以解决的问题之一。 白云石是岩石中一种常见的碳酸盐矿物，它广泛分布在古代碳酸盐台地中，却很少分布在全新世沉积物中，这对“将今论古”原理是一个极大挑战。 现代海水对白云石过饱和，但却很少有白云石沉淀，即便在实验设备如此先进的当代，地表温度下如果没有微生物细菌的媒介作用参与，实验室几乎不可能人工合成出真正意义上的白云石［5］，人们不能通过简单的室内化学反应来解决白云石成因问题。 正是由于白云石成因的理论研究远远不能满足现实生产实际的需求，故进一步探讨白云石成因问题才具有非常重要的理论和现实意义。

自20 世纪60 年代首次提出白云石成因机理以来，以大量的古代和现代白云岩的实例研究和实验分析技术的进步作为讨论白云石成因模式的基础，直到今天，在不同的研究阶段陆续有人提出了20 余种白云石化模式（表1）［6-28］。 第一个阶段，主要是发现阶段，应用物理化学原理提出相应的模式来解释所观察到的现象； 第二个阶段是在现代沉积中发现了白云石，提出了新的思想和模式。这些模式对认识和研究白云石的成因提供了一定科学依据，然而这些模式都或多或少地存在一定的局限性，甚至被质疑。 因而，本文在对现有白云石成因模式进行分析、讨论、归类的同时，将着重探讨不同白云石成因模式的真实性和适用性等核心问题。

表1 （续表）

1 白云石成因模式

通过对古代和现代白云石的研究，目前人们已经积累了大量矿物学、岩石学、矿床学、沉积学和地球化学等领域的基础资料，除了直接沉淀的原生白云石外，还总结了一系列不同类型的白云石化模式来解释白云石的成因问题。 各种各样的白云石化模式分别体现了与不同环境、 不同层位相对应的白云石的形成机制，因而某一白云石化作用模式本身具有先天的特殊性，并导致了其多样性。不同白云石化作用模式的分类方式也是多种多样，比如以可能发生的深度、Mg2+来源、发生时间等角度进行分类。

本文根据不同白云石化模式的Mg2+/Ca2+值对目前的次生白云石化模式进行分类，具体可分为高镁钙比白云石化模式、低镁钙比白云石化模式、正常镁钙比白云石化模式及其它模式等四种类型（表1）。根据赫云兰等［29］的统计结果，本文将高镁钙比白云石化模式的Mg2+/Ca2+值划为10～30，低镁钙比白云石化模式的Mg2+/Ca2+值划为1.2～3.6，正常镁钙比白云石化模式的Mg2+/Ca2+值划为5.2～10。

1.1 原生白云石模式

“原生白云石”通常指以化学沉淀方式从水体中直接沉淀出可化学计量的白云石或以胶结物形式沉淀在大孔隙中的白云石［30］。近几十年来，在已经发现的近代白云石的实例中，最“过硬”的原生白云石的实例，应属澳大利亚南部考龙潟湖和美国加利福利亚深泉湖中的白云石［30］，近年也有学者把“非叠层石生态系蓝细菌白云石”视为原生白云石［7］。 这些原生白云石一般是全新世的产物，其晶体洁净透明，为自形的细晶或微晶，以原生孔隙或溶蚀孔隙中充填胶结物的形式产出，或与文石、高镁方解石共生。

从理论上讲，直接化学沉淀的原生白云石应该是存在的，但是，不具有普遍意义。到目前为止，还没有找到一个较好的实例来证明这种具有地层学意义的原生白云石的确存在。 目前在常温常压的实验室条件下，在无微生物细菌的参与下尚未合成出真正可化学计量的白云石。 在硫酸盐还原细菌作用下形成的那些白云石是在生物参与下形成的，更多体现的是生物的特性。所以，是否真正有以化学沉淀的方式从水体中直接沉淀出来的白云石，这一问题仍将继续讨论下去。

1.2 次生白云石化模式

各种次生白云石化作用机理的实例远比原生白云石的多，其可信程度也远比原生白云石的实例高。各种交代成因的白云石化模式所对应的适用条件、Mg2+来源、Ca2+流向、 流体运输机制以及形成机理等问题已在表1中列出，典型的次生白云石化模式如图1所示。

2 几种白云石化模式的研究进展及适用性探讨

20世纪60年代国外首次提出白云石成因机理至今，上述20余种白云石成因模式的相继建立与应用，不仅没有成功解释“白云石问题”，反而使得相应的白云石成因模式受到不断的挑战和质疑。事实上，不同地区的白云石因其形成环境和条件不同而相差较大，即使在同一地区也因环境的不断演化而有所变化。 正是因为这种白云岩产出特征的多样性和地质分布的不均一性，包括回流渗透白云石化模式等在内的所有白云石成因模式和设想，均会存在着一定的适用性。 对不同白云石成因模式的真实性和适用性等核心问题的进一步探索，对于今后更好地应用和改进现有的、 甚至总结出全新的白云石化作用模式都将有重要的现实意义。接下来，本文将着重对蒸发泵白云石化模式、回流渗透白云石化模式、混合水白云石化模式、埋藏压实白云石化模式、海水白云石化模式、热液白云石化模式等的真实性和相关问题，以及对微生物白云石化模式取得的研究进展进行探讨和评价。

2.1 蒸发泵白云石化模式的相关探讨

蒸发泵白云石化模式（图1a）形成于20世纪60年代，最早用于解释波斯湾萨布哈地区潮间带白云石的成因以及佛罗里达—巴哈马地区白云石的成因，经过几十年的不断总结和完善，已经得到人们的普遍认可，常被用来解释蒸发潮坪带上的白云石成因。虽然目前对于蒸发泵白云石化模式取得了很多共识，但在诸如萨布哈水文环境、原生沉淀或次生交代等问题上仍有争议，还有待进一步研究。

Mackenzie等［31］认为萨布哈的水文环境主要由三个连续的阶段组成，即陆地洪水充注、毛细管浓缩和蒸发泵吸，这三个阶段随着白云石化卤水的演化而演变，并不断重复；而Wood等［32］则认为大气降水、地下水的横向和上升流动、 蒸发作用是萨布哈水文循环的主要过程。

图1 几种白云石化模式概略性示意图（据表1和第2章节中所列相关文献改编）

对于萨布哈泥晶白云石的成因研究，虽然多数学者认为是高Mg2+/Ca2+的卤水交代早期沉积的文石或方解石形成的，但Wenk 等［33］利用透射电子显微镜和扫描电子显微镜对阿布扎比萨布哈白云石的成因进行分析，认为大部分白云石实际上是从孔隙水中直接沉淀而不是交代早期文石或方解石的结果。

近年来，随着微生物白云石化模式的发展，也有研究认为萨布哈的一些泥晶白云石与微生物白云石作用之间有着紧密的关系，在孔隙水趋于还原状态并在硫酸盐还原细菌或甲烷厌氧细菌导致碱性增强的地方，白云石化作用最为强烈。

2.2 回流渗透白云石化模式的相关探讨

回流渗透白云石化模式 （图1b） 自1960 年Adams 等［8］提出用以解释美国德克萨斯西部二叠系生物礁复合体中白云石的成因至今，经过不断的深入发展，已经较好地解决了Mg2+的来源以及水文循环机制等相关问题，因此得到了不少专家学者的认可，常被用来解释整个碳酸盐台地、甚至整个沉积盆地的白云石化作用。

尽管如此，但长期作为回流渗透模式经典实例的加勒比海南部Bonaire 岛Pekelmeer 潟湖石膏层之下的上新世—更新世石灰岩的白云石化作用，并没有像原来Deffeeyes 等［34］设想中的那样真实，在潟湖之下甚至没有发现回流的卤水［35］，其相应的水循环机制与当初实验中所设定的基本相反： 在较高盐度和正常盐度的潟湖沉积物中有一层渗透性较低的薄层黏土火山灰隔层，在火山灰隔层被破坏的地方会出现向盐沼供应海水的泉水上涌作用，上涌作用是Pekelmeer 潟湖水文循环的主要机制，只在个别时间可能发生回流作用，但不可能有足够的卤水体积交代形成大规模的白云石［36－37］。

此外，回流渗透模式在一些问题的理解上也过于理想化，比如卤水来源与补给过程、回流通道的持续性与差异性等方面。同时，回流渗透白云石化作用往往需要较长时间、 大规模稳定水文体系来支撑大量回流白云岩的形成，而这个“较长时间”一般是百万年的时间尺度，如此长时间大规模稳定水文体系的保持机制及其与台地生长、 海平面变化之间的耦合关系尚不清楚。

2.3 混合水白云石化模式受到质疑

从混合水白云石化模式（图1c）建立的早期，就有较多的学者对在此模式下形成大规模台地白云石化作用机理的合理性提出了质疑［38］。首先，如果考虑白云石的有序度，白云石和方解石在混合水中的饱和状态并不是像Badiozamani［11］所计算的那样：当海水含量为10%～40%时，混合水对白云石过饱和，而对方解石不饱和，对白云石沉淀有利。 但是Badiozamani［11］是用基于古代有序白云石的溶度积来计算的，而实际上混合水带形成的是无序白云石。用无序白云石的溶度积来计算，仅当海水为30%-40%时，混合水才对白云石过饱和而对方解石不饱和，即对发生混合水白云石化作用的流体成分要求得相当苛刻［38］（图2）。

图2 地下水与海水的混合水对方解石和白云石饱和程度的影响（据Hardie［38］）

此外，按照混合水白云石化的重要理论支撑，混合带的水相对于碳酸钙不饱和，而相对于白云石过饱和，但许多混合带并非如此。Melim 等［39］对巴哈马滩和佛罗里达南部近地表的混合带成岩作用的研究也表明，混合带不含白云岩，但该环境相对白云石是不饱和的，因为铸模孔到处可见。

之后，一些混合水模式的典型实例也被认为是其它白云石化模式的结果。 Luczaj［40］利用流体包裹体、岩相学、阴极发光、偏光显微镜观察、稳定同位素和有机质成熟度的数据分析，对Badiozamani［11］提出的威斯康辛州中奥陶统白云岩的混合水成因提出了完全不同的观点，他认为这是热液白云石化作用的结果，它与这一区域MVT矿床以及钾硅酸盐矿物的成岩作用是同期的。

虽然混合水白云石化模式遭受到了比较多的质疑，但并没有完全被否定，在混合带中就不能形成白云石，只是普遍认为混合带中形成白云石的能力有限，形成的白云石体积相对较小［41］。如郑荣才［12］将此模式与盐度变动白云石化模式（图1d）相结合，较好地解释了广西崇左江洲地区下三叠统局部块状白云石的成因。

2.4 埋藏压实白云石化模式和海水泵吸白云石化模式广受关注

埋藏压实白云石化模式（图1e）的提出，是立足于区别近地表条件下发生的白云石化作用模式，这种模式下产生的白云石在许多碳酸盐沉积形成的沉积层中都可以观察得到，亦已受到了人们的关注，但是对于这是否会导致整个碳酸盐台地普遍发生白云石化仍存在很多争议。人们认为，这种模式中的驱动力来自于深海沉积的泥岩的压实作用和富Mg离子的流体对台地边缘的石灰岩的侵入作用，其中争议较大的问题是白云石形成和生长过程中所需要的Mg离子的来源。 一般认为Mg离子的来源有四种可能: ⑴来自天然盐卤（杂卤石、光卤石）； ⑵来自黏土矿物转化； ⑶海相孔隙水 （原生海水或原生蒸发水）； ⑷高镁方解石颗粒。 但是这四种Mg离子来源方式都有一定的缺陷。 目前，关于埋藏白云石化的Mg离子来源还没有定论。

自20世纪80年代Saller等［14］提出海水泵吸白云石化模式（图1f）以来，地质学家们不断地进行以海水作为白云石化唯一供给流体的可能性研究，并提出了海水在沉积物中运移的多种机理，逐渐受到人们的重视。 这些驱动海水进入和穿越沉积物的机制包括Kohout对流作用、海水泵吸作用、潮汐泵吸作用等。 Vahrenkamp等［42］通过对晚新生代巴哈马滩白云石的研究，得出其成因为海水泵吸白云石化的结果。

由海水直接作为白云石化的流体通过以上机制能够提供足够的动力学条件和充足的离子来源，但对海水本身的Mg离子浓度要求具有一定的局限性。海水（正常镁钙比）白云石化发生在石灰岩压实过程中或已固结的石灰岩地层中，属于成岩过程中形成的白云石。 海水通过粒间孔或晶间孔渗透到石灰岩地层当中，在成岩过程中通过离子的交代作用形成白云石，该模式中形成的白云石主要为颗粒白云石和结晶白云石［29］。

2.5 热液白云石化模式的相关探讨

20世纪80、90年代，由于学科间的相互渗透以及边缘学科的迅猛发展，Anderson等［22］提出了与区域构造运动有关的构造热液白云石化模式，Cervato［23］提出了与火山运动有关的火山热液白云石化模式，Mountjoy等［24］提出了与变质作用有关的变质热液白云石化模式。进入21世纪，热液白云石化模式又有了新的发展。 Davies等［43］在上述机理的基础上，进一步深化和完善了热液白云石化模式的机理和应用条件，克服了某些局限性，使得热液白云石化的理论更加全面，促使热液白云石化模式（图1g）逐渐发展为人们所关注的主流模式。 这些学者对热液和热液白云石的定义基本是统一的。 Davies等［43］对热液的定义是“进入宿主地层中的、温度高于主岩温度的流体或矿物，它代表了地热异常，并要求有一个流体运动的机制或通道”，他们对热液白云石的定义强调了其形成温度需要高于围岩。 人们已经认识到热液白云石化过程中形成的储层与沉积——喷流型铅锌矿床和密西西比河谷型铅锌矿床具有共同的形成机制，它们均受构造和热流体流动的强烈控制［44］。

与此同时，目前对热液白云石化及其对储层的改造作用的理解依然存在着较多误区，比如：对于多数认为是热液白云石的实例而言，没有可靠的证据表明它们与热液成因或热液叠加有关。比如，对热液白云石研究历史最长、 资料积累最丰富之一的西加拿大阿尔伯达沉积盆地的泥盆系［45］仍然没有解决与白云石化作用有关的Mg离子的来源和相应的质量平衡问题；鞍状白云石并非都是热液白云石，只有在某些情况下才可能属于热液白云石，如流体流动的热对流、热化学硫酸盐还原作用等［41］。尽管在热液系统中白云石通常与某些贱金属矿床共生，但这并不能作为所有与层控贱金属矿物伴生的白云石热液成因的证据。

热液白云石化不都是有利于改善储层条件而使其增大孔隙度与改善渗透率，它是一把“双刃剑”，既对储层起建设性作用，又对储层起破坏性作用［46］。郑剑锋等［47］通过对塔里木盆地下古生界热液白云石储层的研究也验证了此看法。

此外，对于热液白云石化模式中的诸如流体的驱动力、流体流动通道、含镁盐水来源及其主要控制因素等问题仍有待进一步深化理解。

2.6 微生物白云石化模式的研究进展

相比前面所提到的白云石化模式，微生物白云石化模式是近二十年来新近提出、 具有突破性意义的一种白云石化作用模式。1997年，Vasconcelos等［26］在巴西Lagoa Vermelha潟湖地表发现白云石可沉淀在常温环境下黑色富含有机质的沉积物中，且与微生物培养实验中沉淀出的白云石非常相似，从而根据Lagoa Vermelha 潟湖同位素数据和水文模型提出了微生物白云石化模式（图1h）。 该模式在南澳大利亚、阿拉伯海湾、西印度外陆棚边缘以及意大利南部等地区得到了不同研究者的肯定［48］，我国鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组五段白云石也可以解释为微生物成因［49-50］。

经过研究的不断深入，沉积学家们不断地完善硫酸盐还原细菌沉淀白云石的机理，发现不仅硫酸盐还原细菌能促进白云石沉淀，甲烷厌氧细菌和嗜盐需氧细菌对白云石沉淀也有重要的促进作用。 同时，也已经总结出了识别微生物白云石的形貌学特征和地球化学特征：（1）有机成因的白云石具有球粒状、 哑铃状或花椰菜状的外形和放射纤维状的内部构造，与高温实验下形成的菱形白云石有所区别；（2）与有氧呼吸、硫酸盐还原作用有关的白云石中，以碳同位素值出现较大负偏为特征，甲烷厌氧氧化作用形成的白云石的碳同位素值可能会强烈负偏，而甲烷生成作用参与形成的白云石的碳同位素值可能呈现出较大正向偏移［51-52］。 通过这些特殊的形态特征、重要的科学结论来寻找微生物作用的证据，或可为古代相似成因白云石的成因研究提供一种标志，这也代表了近年来对“白云石”问题的一个重要进展。

3 结 语

虽然上述不同种类的白云石成因模式相继被建立与应用，但仍然没有解决困扰人们已久的“白云石成因问题”，关于白云石成因模式的研究仍有待深入。白云石是一种成分结构简单的矿物，但并不是一种成因来源简单的矿物，仅用几个理想化的白云石成因模式很难完全解决自然界中不同地区、 不同时间白云石的成因解释，尤其是人们在运用中忽略不同白云石化模式的真实性和适用性等核心问题时，碳酸盐白云石成因模式就有可能陷入被滥用的境地。 在实际应用中，应结合具体情况具体分析，根据区域地质背景、白云石化流体运输动力、水文循环机制等实际情况辩证地应用目前已有的白云石成因模式，只有这样的成因解释才能更好地符合每一类白云岩的特殊成因。

经过大半个世纪的不断积累和发展，地学界对于上述20余种不同类型的白云石成因模式已经有了不同的认可度： 萨布哈蒸发泵白云石化模式和回流渗透白云石化模式已经受到了普遍认可； 混合水白云石化模式、出溶白云石化模式受到持续挑战；海水泵吸白云石化模式、埋藏白云石化模式、构造挤压白云石化模式、 地形补给白云石化模式受到了广泛关注；热液白云石化模式（构造热液、火山热液、变质热液） 和微生物白云石化模式已经作为新的主流模式成为人们关注的热点，尤其是微生物白云石化模式为今后解决“白云石”问题提供了一个全新的视角。相信多学科综合的新技术、 新思路之不断应用必将会极大程度地推进碳酸盐白云石成因的研究。

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