辽西凌源罗庄亚组白云岩成因探讨

郑秀才，邓磊 （长江大学工程技术学院，湖北 荆州434020）

白云岩的成因一直以来都是沉积学领域研究的热点问题之一［1～7］。根据不同成岩阶段所形成的白云岩特征，将其划分为原生白云岩、同生白云岩、成岩白云岩和后生白云岩。多数学者认为白云岩主要是成岩过程中交代形成，被普遍接受的成因机理包括蒸发泵模式、混合水模式、渗透回流模式、埋藏白云岩化等。原生白云岩与交代成因白云岩的最大区别在于前者是在地表或近地表条件下，非固结状态下形成，而后者是已固结的石灰岩在成岩过程中经交代作用形成的［8，9］。尽管地质记录中［8］客观存在大量在近地表的自然环境下形成的白云岩，科学家们［10］也用“拟晶白云石化作用”和“微生物白云石成因”等解释白云岩形成机理，但到目前为止，在常温、常压条件下，实验室内不能合成理想的白云石。“白云岩问题”仍然是一个悬而未决的问题，其成因机制仍然是最有争议的课题之一［7～10］。

燕山地区雾迷山组发育一套分布广泛、厚度大的层状白云岩，保留了良好的原生沉积组构，备受石油地质学家的关注。前人对该区白云岩做过较多的研究工作，但截止目前，主要集中在沉积环境和古地理特征等方面［11～16］，对白云岩成因的研究相对薄弱。笔者在前人研究的基础上，以辽西凌源境内发育的罗庄亚组白云岩为例，通过对其地球化学特征的分析，探讨成因。

1 地质概况

研究区位于辽西凌源县大河北乡魏杖子村附近。区内中元古界出露良好，自下而上分别为蓟县系杨庄组、雾迷山组和洪水庄组，三者之间均为整合接触。雾迷山组实测厚度2947.15m，依据岩性组合和沉积旋回特征，划分为8个岩性段，分别对应天津蓟县剖面的4个亚组，即罗庄亚组 （1、2段）、磨盘峪亚组 （3、4段），二十里堡亚组 （5、6段）和闪坡岭亚组 （7、8段）。该次研究的目的层段为罗庄亚组。

罗庄亚组为碳酸盐潮坪沉积环境，由上、下共2个水进沉积序列构成［12，13］。下部水进沉积序列厚334.09m，岩性主要为灰色－深灰色厚层含燧石团块泥晶白云岩、深灰色中厚层含砂粉晶白云岩、纹层状泥晶白云岩，普遍发育有叠层石。叠层石形态自下而上表现为层纹状－缓波纹状－半球状，反映出潮上带－潮间带上部－潮间带下部的沉积环境。上部水进沉积序列厚452.65m，岩性主要为灰色－深灰色厚层含燧石粉晶白云岩，燧石呈条带状、团块状和透镜状。叠层石的形态由下向上为微波状－穹隆状－锥柱状，反映出潮上带－潮间带－潮下带的沉积环境特征。

2 样品采集及测试结果

该次研究的样品采自辽西凌源魏杖子剖面，由天津地质矿产研究所测定。为排除陆源组分和成岩阶段硅化作用的干扰，在该次研究中，结合室内薄片观察，剔除了硅化和陆源石英碎屑体积分数量大于10%的样品，样品岩性为较均质泥晶至粉晶白云岩，结果见表1。

表1 样品常量元素测试结果

3 讨论

3.1 成岩作用对白云岩地球化学指标的影响

研究区罗庄亚组白云岩形成于潮坪环境［12，13］，野外露头的泥晶白云岩和粉晶白云岩呈薄层至中层状，一般纹层发育，常与叠层石共生，见有干裂等暴露，但未见石膏假晶等咸化标志。镜下见保存较好的显微沉积层理。白云石多为泥晶－粉晶级，粒径一般在0.003～0.005mm之间，以泥晶为主，自形程度较差，晶体间多为致密镶嵌接触，正交偏光显微镜下均匀消光，阴极发光较弱，通常呈较暗的红色。从上述岩石学特征看，罗庄亚组白云岩基本保持了原始沉积岩石学特征。

成岩作用常常会导致碳酸盐岩的原始地球化学指标发生改变，利用碳酸盐岩化学特征讨论其形成环境和流体性质，必须对成岩改造程度进行检验［17，18］，所用指标为w （Mn）／w （Sr）。当碳酸盐岩中w （Mn）／w （Sr）＜10，则表明经历了较弱的成岩改造［19，20］，其地球化学指标表征了原始流体的地球化学信息。对于白云岩样品，当w （Mn）／w （Sr）＜3时，认为样品基本不受成岩改造的影响［21］。区内罗庄亚组白云岩w （Mn）／w （Sr）分布于0.6～6.6（表2），平均为2.53，表明样品受成岩改造影响相对较弱，其地球化学指标基本表征了白云岩形成环境和流体性质。

表2 微量元素分析结果

3.2 白云岩形成环境

3.2.1 白云岩的成岩温度

利用Keith和 Weber［22］导出经验公式t＝14.8－5.41×δ18O，可以确定白云岩的成岩温度 （t）。研究区白云岩 δ13C 介于 －1.7‰～1.56‰ （平均0.22‰）；δ18O 介于－6.05‰ ～ －2.86‰ （平均－4.66‰），据此计算得到的白云岩成岩温度在30～47℃之间 （平均40℃）。参考邻区雾迷山组沉积时期处在低纬度 （3.8o）条件［23］，可以假定白云岩形成时古地表温度为30℃，地热梯度1.5℃／100m［24］，计算得到的区内罗庄亚组白云岩的形成深度约为0～1100m，平均深度约为650m，属地表至浅埋藏环境。结合燕山地区区域构造演化和地层资料，推断白云岩形成的大致时间可能在罗庄亚组沉积时期，属同生白云岩。

Sr也可以用于确定古温度，其计算古温度的经验公式为：w （Sr）＝2578－80.8 t（古温度）［26］。利用该公式计算区内白云岩的温度，其分布范围在30.1～31.8℃ （平均31.7℃）。参照上述地热梯度、区域构造演化和地层资料，计算得到的白云岩形成深度在0～120m，平均深度为110m，属地表－近地表深度，结合罗庄亚组的厚度 （784.74m），白云岩应属于同生白云岩，与氧同位素分析得到的结果一致。

3.2.2 白云岩的成岩盐度

利用Keith和Weber［22］提出盐度指数 （Z）的计算公式，计算了白云岩形成的盐度。区内白云岩Z在121～128之间，平均为125，表明区内白云岩可能形成于正常盐度到较低的浓缩海水条件下。Na可以用作反映成岩流体的盐度指标［27，28］。现代海洋白云岩以高的Na含量为特征，古代白云岩Na含量则明显减低。Veizer［29］认为，正常海水环境中形成的白云岩w （Na2O）应在0.03%～0.043%之间。从表1中可以看出，区内罗庄亚组白云岩w （Na2O）为0.02%～0.03%，与形成于正常海水中白云岩的Na2O含量接近，说明区内白云岩形成于正常海水环境。

3.2.3 白云岩形成的氧化还原条件

白云岩中的Fe、Mn含量是判断氧化、还原作用的敏感物质。Fe2＋、Mn2＋和Mg2＋有相近的离子半径，所以常常取代白云石晶格中的Mg2＋，但Fe2＋、Mn2＋很容易被氧化，因此在氧化环境中形成的白云岩Fe、Mn含量要低于还原环境［30］，而具有较高Fe2＋、Mn2＋含量的白云岩反映其形成于深埋藏成因条件下的强还原环境［31～34］。区内罗庄亚组白云岩具有较低的Fe、Mn含量特征，其中w （FeO）为0.019%～0.17% （平均0.064%）；w （MnO）为0.004%～0.014% （平均0.055），与具氧化和蒸发特征的近地表条件下 形成 的白云岩 （w （MnO）为 0.072%，w （Fe）为 0.043%［35］）接近。w （Fe2＋）／w （Fe3＋）在0～2.8 （平均0.32），亦表明白云岩形成于氧化条件下。

3.3 白云岩成因的地球化学特征

为了从各种复杂而零乱的数据中提炼成因信息，进而探讨区内罗庄亚组白云岩形成的主控因素，笔者对区内白云岩主元素做了R型因子分析，分析时设置最小特征值为1，经方差极大正交旋转，分析结果提取出海源因子和陆源因子2个主因子 （图1）。

陆源因子（F2）：特征变量包含w（Al2O3）、w（K2O ）、w（TiO2）、w （Fe2O3）和w （P2O5），在变量主因子正交平面投影图 （图1）中，5个特征变量分布在同一区域，其中w （Al2O3）、w（K2O）与w （TiO2）的相关系数大于0.8 （表3）。它们主要赋存于陆源泥质中，其中Al、Ti易被吸附于黏土矿物中，也是黏土矿物的主要组分，Al2O3较TiO2相对稳定，极少受成岩作用和后期变质作用的影响，其含量主要由陆源物质输入量决定。Al2O3总体含量不高，且不同样品之间变化不大，推测原岩形成时陆源水体的供应量较为稳定。

图1 主元素因子分析

海源因子 （F1）：特征变量包含w （MgO）、w （CaO）、w （SiO2）、w （Na2O）和w （MnO）等氧化物组合，方差贡献率达35.36%。在变量主因子正交平面投影图中 （图1），5个特征变量分布在2个区域，F1的负轴方向是w （MgO）、w （CaO），F1的正轴方向是w （SiO2）、w （Na2O）和w （MnO），其中w （SiO2）与w （CaO）、w （MgO）之间呈明显的负相关 （相关系数大于0.9）（表3）。多数研究者［36，37］认为w （SiO2）与w （CaO）的负相关是沉积环境中陆源物质对碳酸盐岩矿物沉淀抑制的结果。从分析结果看，罗庄亚组白云岩的SiO2为海源因子组分，与来自于陆源的Al2O3、K2O和TiO2之间没有明显的相关性，所以w （SiO2）与w （CaO）之间的负相关不是陆源物质对碳酸盐岩矿物的沉淀抑制的结果，它可能反映了pH值对碳酸盐岩矿物沉淀的影响［38］。

表3 主元素相关系数

F1正轴方向的w （SiO2）、w （MnO）和w （Na2O）中，锰氧化物一般归因于铁锰结核沉积物或海底热水活动沉积物来源，而SiO2与生物或海底热水活动有关。野外调查和室内研究证实，区内发育大量的硅质岩，呈薄层状、条带状、结核状和团块状产出，以夹层或互层产于白云岩中，属热液成因。相关分析显示，w （SiO2）和 w （MnO）之间呈正相关，在w （Al）－w （Fe）－w （Mn）三角图 （图2）上，罗庄亚组部分白云岩样品落在热水成因区域。从微量元素的组成看，w （Rb）／w （Sr）偏低 （表2），显示区内白云岩沉积时有富镁铁物质加入，说明当时存在强烈的扩张裂解作用，从而导致热液活动频繁。综上所述，区内白云岩形成时期可能有热水参与了沉积作用。

F1负轴方向的w （MgO）、w （CaO）最高，二者都是白云岩沉积所必需的物质，w （MgO）为18.29%～22.51% （平均21.74%），w （CaO）为25.28%～31.19% （平均30.32%），与理想的白云岩中化学计量值 （w （MgO）为21.7%，w（CaO）为30.4%）十分接近。

白云石 （CaMg（CO3））形成的化学反应主要有：

图2 w （Al）－w （Fe）－w （Mn）三角图

从反应方程式可以看出，式 （1）白云石直接从水溶液中沉淀，形成的是沉积型原生白云岩；式（2）白云石是方解石或文石中的Ca2＋被Mg2＋交代，形成的是交代型成岩白云岩。从理论上讲，式 （1）白云石的形成过程中，有多少Mg2＋进入晶格，就有多少Ca2＋进入晶格，因此其Ca2＋、Mg2＋含量之间为线性正相关；式 （2）则相反，有多少Mg2＋进入白云石晶格，相应的就有多少Ca2＋被置换出来，因此交代白云石的Ca2＋、Mg2＋含量之间为线性负相关。在w （MgO）－w （CaO）散点图 （图3）上，区内样品集中分布在理想的白云岩区域，具有明显的线性正相关 （相关系数0.914）（表3），几乎与理想白云岩沉积曲线重合，反映出罗庄亚组白云岩具有原生沉积成因的地球化学特征。

4 结论

1）研究区罗庄亚组白云岩主要为泥晶－粉晶级的白云石，保存较好的原生显微沉积构造，w （Mn）／w （Sr）平均2.53，受成岩改造影响弱，其地球化学组成反映了白云岩形成流体和环境的地球化学特征。

2）白云岩具有较低的成岩温度，碳、氧同位素和微量元素Sr分析得到的成因温度分别为40℃和31.7℃，结合区域地层资料、区域构造演化史推测其形成时间为罗庄亚组沉积时期，属同生白云岩。

3）罗庄亚组白云岩与形成于正常海水的白云岩中w （Na2O）接近，碳、氧同位素计算的盐度指数和盐度也显示白云岩形成于正常海水盐度环境。

4）白云岩具有较低的Fe、Mn，w （Fe2＋）／w （Fe3＋）平均为0.32，表明白云石化发生在地表－近地表条件的氧化条件下。

5）因子分析提取到陆源因子和海源因子。海源因子中，w （SiO2）和w （MgO）、w （CaO）呈负相关，可能与pH值对海源沉积作用的控制有关。w （MgO）和w （CaO）呈正相关，显示白云石是沉积成因而非交代或重结晶成因。

图3 w （MgO）－w （CaO）散点图

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