白云岩成因研究新认识及新方法

摘 要：沉积学领域中白云岩成因问题已成为研究热点，但至今悬而未决。在综述白云岩成因及研究动向的基础上，概述了白云岩成因研究的进展：硫酸盐及硫化物对白云石形成的影响受到重视；溶洞白云岩的研究为解释白云岩成因带来了新的认识；相对常规同位素分析，δ26Mg和δ44Ca值在反映白云岩成岩流体性质方面也具有一定价值；白云石晶体结构分析从新的角度解释了白云岩成因。

关键词：白云岩；成因研究；新认识；新方法

白云岩成因已成为沉积学领域中长期存在的研究热点和主题。作为一种重要的沉积岩，白云岩是构成世界上大部分常规石油和天然气储层的储集岩。自1791年法国自然学家Deodalt de Dolemieu 对白云石首次描述后，学者对其进行了广泛的研究[1]。从前寒武纪到新生代岩层它是普遍存在的一种沉积岩，但是很少出现在较年轻的地层中。尽管有报道称在巴哈马群岛和澳大利亚库隆泻湖中发现了“原生白云石”，但白云岩形成机理主要不明确的一点在于未发现近代形成的白云石。至今未在常温常压的实验条件下合成化学计量的白云石，同时在现代湖泊中也未发现白云石沉淀。究竟所有的白云岩是次生交代形成的，还是其中一部分为原生，这个问题仍未得到解决。传统的白云岩成因研究多是对已有成因模式的套用，或是根据白云石的形成环境建立新的成因模式，这都会使白云岩成因分析产生多解性。因此文章通过国内外文献的调研，概述了一些白云岩成因研究的新观点和新方法，从而为研究白云岩成因提供一些参考。

1 白云岩成因研究动向

白云石最初是由N·T·Saussare这位学者在1792年向法国地质学家Deodat Guy de Dolomieu致敬而命名的，随后首次将该矿物应用于阿尔卑斯山岩石研究中[2]。白云岩中白云石矿物占大部分比例，理想的白云石晶格是由Ca2+和Mg2+的互层组成，中间由碳酸盐层隔开，通常是由CaMg（CO3）2化学分子式来表示，其中Mg/Ca比相等。白云石分子式看似简单，但人们无法在近常温、常压的近地表条件下通过化学方式合成这个看似简单的无机矿物，合成的白云石总是在X射线衍射中缺乏超结构反射。同时，白云岩是地质记录中一种常见的沉积岩矿物，但在大部分全新世地层和海相沉积物中是缺失的。这种矛盾被称之为“白云石（岩）问题” ，并在碳酸盐沉积学家及地球化学家之间引起了激烈的争论。

1.1 δ26Mg和δ44Ca的应用

关于白云石的成因，研究者持有两种观点：即原生白云石和次生白云石。白云石的形成离不开Mg2+的供给。镁是白云岩的关键元素并且是碳酸盐循环中重要的元素。然而，从已发布的白云岩镁同位素比值来看，镁元素是最缺乏的，并且对于白云岩成岩作用和低级变质影响的系统分析显示δ26Mg在目前来看是缺乏的，以前相关的研究只是局限于界定微生物诱导白云石沉淀的概念以及集中研究镁循环。Wombacher et al在实验室中研究了镁的提纯技术并利用MC-ICP-MS分析了δ26Mg值。Schauble[3]计算发布了氧化物、硅酸盐和碳酸盐矿物均衡镁同位素分离系数的理论数据。

白云石沉淀所需的镁离子主要来源为海水。现代海水镁浓度和δ26Mg同位素特征值分别为53mmol/l和-82‰。以前研究表明，微生物白云岩相对于其成岩流体来说δ26Mg的强大消耗高达2-3‰。而相比之下，有机沉淀物与无机碳酸盐显示小范围的分馏。许多研究用来解决与无机碳酸盐沉淀相联系的镁同位素分馏。理论研究和野外观测在一些方面还存在分歧，目前还不完全清楚在碳酸盐沉淀过程中究竟是固体还是流体相富集镁这种轻同位素。

无机地球化学分析技术能够用来推测白云岩的成因，并且可以建立一套辨别成因的标准，地质家可以根据这个标准来揭示白云岩的相关地球化学特征。尽管许多白云岩化研究利用了碳、氧和锶同位素，钙同位素却受到很少的注意。从火成岩到植物的各种各样的地球材质中，δ44Ca能够显示几千分比的分馏范围，但是对白云岩的研究却很少见。钙同位素在地球材料中的含量各异，主要是由与溶液中形成的含钙矿物相联系的动力分馏作用以及与钙离子运移相关的离子交换反应造成的。因此，δ44Ca对研究白云岩成因具有一定的价值。

1.2 硫酸盐及硫化物对白云石形成的影响受到重视

在传统的碳酸鹽成岩作用研究中，硫酸盐还原作用对碳酸盐成岩作用的影响未受到应有的关注。硫酸盐广泛分布于碳酸盐地层中，而SO42-则广泛分布于从沉积到成岩作用各阶段的流体中，地层中的有机物与硫酸盐之间的反应深刻地影响了碳酸盐沉积-成岩作用的整个过程。

溶解硫酸盐对白云石沉淀的影响研究主要基于实验研究，Mónica Sánchez-Román等运用枝芽胞菌和盐单胞菌在有氧的实验条件下检测了硫酸盐对白云石沉淀的抑制作用，实验条件是模仿存在白云岩的地表环境，将温度设置为25-35°C，采用了可变的SO42-浓度（0，14，28和56mM），最后证实在培养基中SO42-存在与否，好氧嗜盐细菌都能直接调节白云石的沉淀。因此，硫酸盐的存在不会抑制白云石的形成。

另一种观点认为，硫化物的存在可以积极地促进白云石的形成。Mg2+脱水作用的难易度被视为是白云石形成的最大障碍，Yang Yang等在其模拟试验中发现HS-离子完全有可能通过其他的机制来促进白云石的形成，研究认为与一种碳酸钙固体前体相（可能是无定形且含水的）表面伴生的Mg（H2O）62+和HS-离子在液-固态界面处促进了Mg（H2O）62+脱水作用的发生而产生了一种“原白云石”前体并最终转变为白云石。

1.3 溶洞白云岩研究

白云岩存在的地方，都与硫酸盐富集且微生物活动的环境有关，并且通常是缺氧的环境。在潮缘区海滩岩中，细菌在白云岩化过程中也起到重要的作用，这是因为在硫酸根存在之前发生了甲烷氧化作用，这为白云岩形成提供了HCO3-。在古代溶洞中存在的白云岩已有所描述，然而在现代溶洞中含氧、贫硫酸盐的环境下形成白云岩的例子却很少。一些溶洞中的白云岩可以为解决“白云岩问题”提供一些信息，这种白云石也可以在溶洞水中或通过亚稳态矿物的转变而直接沉淀。

Ana M.Alonso-Zarza[4]等研究表明在溶洞中沉积的白云石也可能是在有氧、贫硫酸盐的环境下形成的。在主岩和文石溶洞堆积物上的白云石是在温度为17℃并且在有氧渗流条件中形成的。它以球状体和哑铃状出现，直径为50-300？滋m，其内部是由微米级菱形到半球形晶体组成的。最初该白云石富钙、非化学计量并且有序度低。富镁流体使亚稳态富镁碳酸盐沉积，如碳酸钙镁石，很快将转变为富钙白云石，随着地质时代的推移将形成较为化学计量的白云石。这些白云石与在缺氧、富硫酸盐条件下生成的白云石相似，并且它们在溶洞中的存在提供了一种不同的沉积环境，这也有助于认识“白云岩问题”，包括它们最初的形成和重结晶过程。

1.4 白云石晶体结构分析

传统的白云石研究分析方法对白云岩成因解释都具有多解性，对已有白云石成因模式的套用或根据白云石形成环境重新建立新的白云石成因模式将会使白云石的形成机理过于简单化、模式化。作为一种晶体、矿物，白云石在形成过程中和形成后的成岩作用中有交代、重结晶、去白云石化、白云石化、杂质离子进出等诸多变化，仅仅用一种单一的模式来进行解释似乎过于简单化，地球化学分析所测得的数据也多是经历多期成岩作用后的综合表现，并不能反映单期白云石形成的特征。张杰[5]等从晶体结构角度对五种白云石组构的有序度、晶胞参数、晶格条纹、晶面间距、晶格缺陷等晶体结构参数进行了差异性研究，分析了它們不同的形成环境和成岩演化特征，初步建立了不同类型白云石晶体结构判识标志。这项研究也为解释白云岩成因提供了新的方法。

2 结束语

白云岩成因及白云岩化作用始终是地质学领域中悬而未决的难题，目前对“白云石问题”依然无法得到彻底解决，有些问题甚至一无所获，但学者没有停止对其深入的研究和探讨。传统的白云岩成因研究多是对已有成因模式的套用，或是根据白云石的形成环境建立新的成因模式，这都会使白云岩成因分析产生多解性。因此，本文在分析文献资料的基础上，详细阐述了用定量的方法去研究白云岩成因的一些新认识、新方法，以便为白云岩成因研究提供一些参考。

参考文献

[1]Warren，J.Dolomite： occurrence， evolution and economically important associations[J]. Earth Science Review ，2000（52）：1-81.

[2]Bourrouilh-Le Jan， F.G. Deodat Gratet de Dolomieu. Lifeand works of a European geologist， naturalist and lithologist[J].C. R. Acad. Sci.， Ser. IIa： Sci. Terre Planetes 2000，330（1）： 83-95，French.

[3]Schauble， E.A. First-principles estimates of equilibrium magnesium isotope fractiontation in silicate， oxide， carbonate and hexaaqua magnesium （2+） crystals[J].Geochimica et Cosmochimica Acta ，2011（75）：844-869.

[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]张杰，寿建峰，张天付.白云石成因研究新方法-白云石晶体结构分析[J].沉积学报，2014（32）：550-559.

作者简介：冯诗海（1990-），男，硕士，现主要从事碳酸盐岩成因方面的研究工作。