鄂尔多斯盆地中东部马五段中粗晶白云岩成因及成岩演化

钟寿康, 李 凌, 谭秀成, 孙 健, 王利超,黄道军, 侯云东, 董少峰, 包洪平

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(西南石油大学),成都 610500；2.中国石油碳酸盐岩储集层重点实验室西南石油大学研究分室,成都 610500；3. 中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司 西南物探分公司,成都 610213；4.中国石油长庆油田分公司 勘探开发研究院，西安 710021)

地质历史时期白云石的成岩演化是一个漫长而复杂的过程[1]。为探索这一过程，地质学家通过现代实验室高温条件下模拟白云石合成，普遍认为白云石的稳定化是一种沉淀—溶解—再沉淀的过程[2-4]。模拟实验所得出的一系列重要结论对研究白云石成岩演化过程具有指导意义。然而，在面对古代白云石的成岩演化过程，研究对象就显得尤为复杂多样，成岩流体则充满了未知性[5-6]，因此研究对象与研究方法的选择就显得尤为重要。相比于其他种类白云石，中粗晶白云石的晶粒大小可满足微区地化测试，且因其复杂的晶粒内部结构和成分变化[7]，而成为研究古代白云石成岩演化的重要载体[6,8-9]。

直面、自形-半自形的中粗晶白云石在白云石成因结构分类中，通常被划分为低温白云石[10-11]，其最显著的特征是常具有“雾心亮边”[1,6,12-14]，即晶粒核心与边缘在岩相特征、主元素和痕量元素上有一定差异[9,15]，尤其以Fe、Mn元素的响应最为强烈[16-17]。目前对于“雾心亮边”结构的成因，主要认为“雾心”是前驱矿物在成岩作用下的残余部分，“亮边”则为后期成岩流体沉淀形成[7,18-19]，这一解释是与合成实验的结论颇为相似的[2-4]。然而，古代中粗晶白云石在不同的成岩条件下，流体的来源及性质复杂多变，如深源热液[6,20]、膏盐岩成岩压释水[13]、改造残余孔隙水[8]等；且前人主要是围绕岩石学分析层面开展工作，而对中粗晶白云石溶解-再沉淀过程中晶粒内外元素差异与迁移规律的研究却相对薄弱[8-9]。

目前在鄂尔多斯盆地下奥陶统马家沟组发现的众多类型白云岩中，中粗晶白云岩是基质白云岩成岩演化的终端产物[21-22]，其他地区的众多白云岩研究实例中也有类似特征[6,13,23]。终端产物的意义不仅是代表了一种白云岩类型，更重要的是其作为区域内白云岩成岩演化贯穿始终的经历者，其自身所携带的信息可完整地记录整个成岩演化历史。因此，终端产物是非常理想的成岩演化研究对象，但目前的研究更多是针对各类白云岩自身成因的讨论[6,20,24-25]，而未开展关于中粗晶白云岩流体演化和成岩演化过程中元素迁移规律等方面工作。

鉴于此，本文以鄂尔多斯盆地马家沟组中粗晶白云岩为例，结合研究区内其他类型白云岩，通过岩石学和地球化学分析，探讨马家沟组第五段(简称“马五段”)中粗晶白云岩的成岩流体来源及性质。在此基础上，重点展开中粗晶白云岩演化过程中关键节点——重结晶过程的成因机制及此过程中元素迁移恢复研究；并利用中粗晶白云岩终端产物的角色，以静态岩石体系，建立动态成岩演化过程中痕量元素迁移规律及其关键节点。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地位于华北板块西部，其内部发育伊盟隆起、西缘冲断带、天环拗陷、伊陕斜坡、晋西挠褶带、渭北隆起等6个Ⅰ级构造单元，研究区位于米脂拗陷及伊陕斜坡东部(图1-A)。寒武纪，由于秦岭古大洋板块向华北板块的俯冲，盆地西部中央古隆起形成，基底断裂发生差异性活动，形成海槽、陆棚斜坡、陆棚潟湖等多种沉积环境[26]。早奥陶世，受加里东运动影响，马家沟组沉积期经历了3次海进-海退沉积旋回[27]。该时期，盆地处于炎热、干旱的低纬度地区[28-29]，沉积环境逐渐演变为局限-蒸发台地相[30-32]。中奥陶世，受加里东运动影响，华北板块整体抬升，遭受长达130 Ma的暴露剥蚀和岩溶叠合改造[33]。中石炭世盆地下降，接受中-晚石炭世的沉积[34]，马家沟组地层开始第二次埋藏演化阶段；随后盆地在中生代晚期发生一次构造热事件，古地温为150～240℃，要明显高于现今地温，并伴随燕山期盆地的再次抬升，地温降低[35]。

研究区内马家沟组地层共分6段，从下往上依次为马一段至马六段，受到沉积差异和剥蚀作用的影响，厚度分布差异较大，岩性发育也各有差异[30]。本次研究的中粗晶白云岩主要发育于马五段，其厚度为90～320 m，在整段海侵背景下还发育10个次一级相对海平面升降旋回，其中，马五9、马五7、马五5、马五3等亚段为海进沉积，马五10、马五8、马五6、马五4、马五1+2等亚段为海退沉积。马五段发育有(含膏模孔)泥粉晶白云岩、颗粒白云岩、泥晶灰岩、膏质云岩、膏盐岩等，其中泥晶灰岩主要发育于马五5亚段，膏质云岩、膏盐岩则主要发育于马五10、马五8、马五6等亚段，其余岩性全段均有发育[27]。

以中粗晶白云岩发育的Y140井为例(图1-B)，其沉积环境为局限-蒸发台地，可精细划分为(膏)云坪、砂屑滩、鲕粒滩、滩间海等沉积微相；岩性方面，主要发育砂屑云岩、中粗晶云岩、泥粉晶云岩、鲕粒云岩、溶塌角砾云岩及少量灰岩；垂向上，依次发育滩间海、颗粒滩、台坪向上变浅序列，具有典型的滩-滩叠置、滩-坪过渡的现象，体现海平面下降的特征。通过对比可见，中粗晶白云岩主要发育于颗粒滩环境中，推测其原岩为颗粒云岩，并主要发育于垂向序列的中部。

2 样品及测试分析方法

本次研究的样品，取自研究区东部位置的11口井(图1-A)，样品共计17件；此外，为加强面上对比，特引用前人在中部地区研究中所涉及的11口井(图1-A)，样品共计21件[22]。所有样品岩性包括中粗晶云岩、砂屑云岩、泥粉晶云岩、泥晶灰岩等。研究工作包括薄片观察、阴极发光观察、主元素和痕量元素测试、碳氧同位素测试、电子探针测试。

阴极发光在西南石油大学天然气地质四川省重点实验室测试完成，测试仪器为英国Cambridge Image Technology公司生产CL8200 MK5阴极发光显微镜，实验电压20 kV，电流180 μA，压力0.003 MPa。主元素和痕量元素测试在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室完成，样品为全岩微区钻样，经玛瑙研钵研磨成粉末状，并过200目筛，粉末样烘干后，经1 mol/L浓度的醋酸超声溶解12 h；离心15 min后分离出的全部上层清液,蒸干,加入1 mL的浓硝酸溶解，再次蒸干，重复一次，以除去残余的醋酸，最后加入5 mL 浓度为1 mol/L的硝酸溶解，得到清液，测试仪器为电感耦合等离子质谱仪ICP-MS Element。碳氧同位素测试在中国石油西南油气田公司勘探开发研究院地质实验室完成，测试仪器为德国Finnigan公司生产MAT252气体同位素质谱仪，样品为全岩微区钻取粉末样，实验采用磷酸法，实验温度22～23℃，湿度50%～55%，检测精度为0.2‰。电子探针测试由西南石油大学天然气地质四川省重点实验室测试完成，测试仪器为日本电子公司生产JXA-8230电子探针测试仪，实验电压15 kV，电流20 nA，检测精度为0.01%。

3 岩石学特征

3.1 中粗晶白云岩

该类白云岩手标本为浅褐-浅褐灰色，自然断面粗糙，呈砂糖状，具典型晶粒结构，局部针孔发育(图2-A、B)。镜下观察见白云石晶粒粗大，普遍介于0.25～1 mm，为中粗晶白云石，晶形为半自形-自形；晶粒以线接触为主，多数具平直边缘，晶粒间可见三联晶的接触角为120°，具典型镶嵌结构(图2-C、D)，少数可见港湾状溶蚀边(图2-E、F、G)；单偏光下部分白云石晶体见雾心亮边结构，对比之下，岩溶通道内充填白云石则无此特征(图2-D)；正交光下单个白云石晶体具有相同的消光角(图2-H)；阴极发光下可见环带结构，内部残余结构发暗色红光，外围白云石环带发亮色红光(图2-I)。白云石晶粒间可见少量石英和萤石等矿物(图2-E、F)，其中，石英为自形-半自形，可见港湾状溶蚀，边缘圆滑，内充填沥青；萤石在单偏光下表现为无色、浅褐色，负高突起，糙面很显著(图2-E、F)，阴极发光下发暗蓝色光。据11口取心井的岩性观察统计，发现中粗晶白云岩分布不稳定，不具有层位性，仅在局部井区的高孔渗层段发育，主要发育于高频海平面升降旋回的海退中早期(图1-B)。

3.2 泥粉晶白云岩

泥粉晶白云岩常呈褐灰色-灰褐色，常见块状层理、水平层理。依据是否发育蒸发矿物，常可进一步分为泥粉晶白云岩(图3-A)和含膏模孔泥粉晶云岩(图3-B)，后者常可见蒸发矿物被溶蚀，内部充填土黄色泥云质渗流粉砂。泥粉晶白云岩镜下为泥晶结构(图3-C)，同宏观特征一致,部分样品见板条状石膏假晶(图3-D)、石盐假晶(图3-E)等蒸发矿物假晶伴生。其为沉积期海水分隔浓缩致盐度增高，沉淀石膏、石盐等易溶矿物，后于准同生期暴露溶蚀所致[32]。基质部分较为均质(图3-C)，而(膏)盐模孔常为云泥质渗流粉砂、方解石、半充填或全充填(图3-D、E)。该岩类在马五段发育层位稳定，多形成于高频海退期(图1-B)，是研究区主要的白云岩类型。

3.3 砂屑白云岩

研究区内，砂屑白云岩常为灰褐-土黄色(图3-F)，自然断口较粗糙。镜下可分为2类：一类是在偏光显微镜下直接可见颗粒结构，颗粒颜色较深，粒间白云石胶结物颜色较浅，多表现为马牙状(图3-G)；另一类表现为原始颗粒结构模糊不清(图3-H)，结合岩石铸体薄片及阴极发光等观察，隐约可见颗粒结构(图3-I)。颗粒直径多数为0.2～0.5 mm，分选性和磨圆度较好，为浑圆、圆状，多为颗粒支撑，呈点、线接触(图3-F)。此类岩性常被误认为是粉晶白云岩，通过原岩恢复的相关手段，发现其在马五段发育层位较稳定，具有较好的层位性，主要发育于高频海平面升降旋回海退中早期(图1-B)，也是研究区内发育的白云岩类型之一。

4 地球化学测试结果

4.1 主元素和痕量元素

全岩主元素和痕量元素的测试结果如表1所示。所有样品的数据具有以下特征：(1)Mg/Ca摩尔数比值均较高，少数分布在0.8～0.9之间，多数在0.9以上，属较纯的白云岩。(2)样品Fe含量差异较大，其中以中粗晶白云岩最高，其质量分数(w)为1.20%～5.56%，平均值为3.09%。(3)Sr和Na含量整体偏低，其中中粗晶白云岩相比于砂屑白云岩与泥粉晶白云岩，Na含量更低。(4)样品的Fe/Ca和Mn/Ca值均接近于大气淡水值。(5)样品的Mn/Sr比值均大于2。

表1 鄂尔多斯盆地马家沟组各类型白云岩主元素和痕量元素测试结果Table 1 Analysis of major and trace elements for various types of dolomites in the Majiagou Formation, Ordos Basin

4.2 稀土元素

稀土元素的测试结果如表2所示。样品的∑REE质量分数为(8.09～27.59)×10-6，分布区间较大；δCe值为1.10～1.28，平均为1.18，显示弱正异常；δEu值为0.62～1.15。其中:中粗晶白云岩δEu值为0.62～0.85，平均为0.73，为负异常；砂屑白云岩δEu值为1.02～1.13，平均为1.08，为弱的正异常；泥粉晶白云岩δEu值为0.87～1.15，平均为1.01。

4.3 C、O稳定同位素

C、O同位素的测试结果如表3所示。与早奥陶世海水胶结物的碳氧同位素值[37]相比，所有样品C同位素值在同时期海水区间上下，中粗晶白云岩的δ13CPDB值为-3.79‰～-0.58‰，平均为-2.14‰，较砂屑白云岩与泥粉晶白云岩略负偏。所有样品δ18OPDB值均小于早奥陶世海水胶结物，显示负偏的特征。其中中粗晶白云岩δ18OPDB值为-12.32‰～-8.93‰，平均为-10.63‰；砂屑白云岩δ18OPDB值为-9.82‰～-8.06‰，平均为-8.42‰；泥粉晶白云岩δ18OPDB值为-9.83‰～-7.76‰，平均为-8.77‰。相对于砂屑白云岩和泥粉晶白云岩，中粗晶白云岩相对更偏负。

4.4 氧化物含量的电子探针测试结果

电子探针的测试结果如表4所示。所有样品的氧化物含量总体具有以下特征：中粗晶白云岩晶体内部核心的MgO质量分数为18.591%～21.651%，低于砂屑白云岩颗粒中的微晶白云石；晶体内部核心FeO质量分数为1.341%～3.899%，明显高于微晶白云石。而中粗晶白云岩外围亮红色环边的FeO质量分数为0.134%～0.917%，高于微晶白云石而低于内部暗红色核心。此外，出于电子探针检测精度考虑，提供Na2O、SrO、Al2O3、SiO2等含量分布，仅供参考。

5 讨 论

5.1 成岩流体的期次

5.1.1 岩石学特征对成岩流体期次的指示

鄂尔多斯盆地马五段规模性发育的泥粉晶白云岩，目前国内的主流观点认为是在成岩早期发生白云岩化作用形成的，包括准同生白云岩化作用[21-22]和回流渗透白云岩化作用[25,38]。其中广泛发育的泥晶结构(图3-C)、残余颗粒结构(图3-G、I)，进一步证实了泥粉晶白云岩是成岩早期浓缩海水交代原生灰岩而形成的[39-41]。此外，研究区内马家沟组中广泛发育岩溶作用[32]，由此推测，大气淡水在各类白云岩的成岩演化过程中，同样起到了重要的改造作用，且应该越往下部，参与程度越弱。

表3 鄂尔多斯盆地马家沟组各类型白云岩C、O同位素测试结果Table 3 Analysis of C-O isotopes for various types of dolomites in the Majiagou Formation, Ordos Basin

相比于广泛发育的泥粉晶白云岩，中粗晶白云岩的局部分布，说明在大面积准同生白云岩化作用之后，存在后期流体再改造的可能。中粗晶白云岩的晶粒呈砂糖状，三联晶接触角呈120°；阴极发光下，白云石晶粒是由内部暗红色的残余核心和外围亮红色的环带部分组成(图2-G、H、I)，前人研究认为此类型中粗晶白云岩是埋藏期局部重结晶的产物[7,14]。由此推测中粗晶白云岩可能是在埋藏期受到了某种流体的改造。此外，中粗晶白云岩晶粒间充填的萤石，常被认为是中低温热液晚期结晶的气成热液矿物，广泛产于热液矿脉，常与石英等矿物伴生[42,43]。但通过观察，发现含量极少，说明晚期热液的活动可能并不特别发育。

5.1.2 主元素和痕量元素特征

相比于现代海水，大气淡水富Fe、Mn而贫Na(表1)[21,37]，其中，两者的Fe/Ca、Mn/Ca值相差 1 000倍(图4)；而区内样品的Fe/Ca为16.88×10-3～271.80×10-3、Mn/Ca为1.13×10-3～4.12×10-3，均很接近大气淡水的比值。盆地东部各类白云岩样品Fe质量分数平均值为1.64% (图5-A)，含量总体偏高，此现象在马家沟组上部地层中是普遍的[44]。考虑到盆地内马家沟组地层的长期暴露[33]，说明研究区内白云岩曾受大气淡水淋滤改造，且该期次流体富含Fe[44]。另一方面，随着埋深的增加，还原条件下，Fe3+还原为Fe2+，更容易进入晶格替换出Ca、Mg[45]，从而使得大气淡水中的Fe得以在白云岩中大量保存。同样，相比于现代海相沉积白云岩中质量分数达(1 000～3 000)×10-6的Na[1,46]，盆地东部白云岩样品Na的质量分数平均值仅为286×10-6(图5-C)，明显偏低。与Sr不同， Na含量的降低，是和成岩流体本身性质相关[25,40]，而与成岩演化过程中白云石晶体自身变化关系不大，由此进一步印证了曾受到过Na含量很低的大气淡水淋滤改造。对比盆地中部马五5亚段白云岩样品，其Fe的平均质量分数为0.80% (图6-A)，Na的平均质量分数为540×10-6(图6-C)[22]，发现东部马五1+2亚段的样品Fe含量更高、Na含量更低。这种元素含量与距离风化壳远近的关系，也是符合马家沟组上下地层岩溶发育规律的。

表4 鄂尔多斯盆地马家沟组各类型白云岩电子探针测试结果Table 4 Electron probe analysis for various types of dolomites in the Majiagou Formation, Ordos Basin

将不同地区中粗晶白云岩同其他类型白云岩进行比较，可发现东部地区中粗晶白云岩比泥粉晶白云岩和砂屑白云岩的Fe含量要高、Na含量要低(图5-A、C)，中部地区的细中晶白云岩同样具有Fe和Mn含量偏高、Na和Sr含量偏低的特征(图6)。不同地区中粗晶白云岩的主元素和痕量元素分布，说明了中粗晶白云岩形成时，发生Fe、Mn加入而Na、Sr流失。考虑到成岩作用过程中埋藏作用的加强所带来的还原-高温环境，可能会进一步促进Fe、Mn等进入晶格[22,47]，以及重结晶过程中白云石结构调整导致Sr含量的降低。但值得注意的是，Na含量在研究区内因受到岩溶作用影响而普遍较低，而中粗晶白云岩的Na含量在所有样品中又属最低，说明第三期次流体盐度很低，在重结晶过程中进一步将Na置换出白云石晶体，因此在判别埋藏期矿物成因时，同样需要重视提供离子的成岩流体影响[24,45,48]。

5.1.3 稀土元素特征

碳酸盐岩的Mn/Sr比值可指示成岩作用的改造强度，且认为该值大于2时，样品便受到较强烈的成岩作用[49]；而稀土元素具备协同演化的特点，因此不同流体形成或改造的岩石，则会保留与之相关的稀土元素配分模式[50]。将样品稀土元素含量与澳大利亚太古宙页岩(PAAS)标准化后，出现3类配分模式(图7)。Ⅰ类配分模式对应样品Y102-1，岩性为泥粉晶白云岩；Ⅱ类配分模式对应样品Y58-1、Sh42-1、Sh142-1，岩性包含泥粉晶白云岩与砂屑白云岩；Ⅲ类配分模式对应样品Y140-1、Y140-3、Y140-4，岩性为中粗晶白云岩。

代表Ⅰ类配分模式的样品Y102-1，其Mn/Sr值最小(Mn/Sr=2.78)(表1)，说明成岩改造相对最弱。基于研究区内准同生期白云岩化的已有认识，首先与海水比较(图7-A)，发现该样品配分模式显示HREE略富集，弱于海水的HREE富集程度，整体曲线较平缓；δCe值略大于1(δCe=1.19)(表2)，与海水的负异常明显不同。而随着Mn/Sr值的增大(平均Mn/Sr=7.00)(表1)，样品Y58-1、Sh42-1、Sh142-1便表现Ⅱ类配分模式(图7-B)。与Ⅰ类比较后发现Ⅱ类的δCe值相似，仍表现为弱正异常(平均δCe=1.17)(表2)；HREE则不富集，转而MREE富集，曲线呈“帽形”。

岩石学、主元素和痕量元素特征显示，研究区内样品存在淡水淋滤的过程，而Ⅰ、Ⅱ类配分模式与海水之间有明显差异，也说明了本次研究样品不再具备海源流体的信息。Ce在镧系金属中，因受外层电子影响，可作为判识氧化-还原条件的敏感元素。海水中δCe负异常是氧化环境的典型表现[51]，而Ⅰ、Ⅱ类配分模式中，δCe弱正异常则说明这两类样品经历了弱还原的成岩环境。弱还原条件与暴露氧化的淡水淋滤似存在冲突，但在岩溶垂向分带中，上部渗流带中常以溶蚀为主，而在下部潜流带和深部缓流带中，则会以沉淀为主[49]，因此从岩溶角度考虑，弱还原环境是合理、可解释的。此外，碳酸盐岩在富集碳酸根的大气淡水中，矿物晶格中HREE相比于LREE更为活泼，更容易和碳酸根结合从白云石晶格中流出，进入活动流体中[52]，因此现代河水常表现为HREE富集[53]。在海相成因的背景下，HREE的流失则会突显MREE的富集，进而表现出“帽形”特征。Ⅰ、Ⅱ类δCe弱正异常和MREE富集的配分模式，结合地质背景[32]，认为淡水淋滤作用在研究区内是存在的，使得大部分样品不再具备原始海相沉积流体性质。进一步根据Ⅰ、Ⅱ类Mn/Sr值的逐渐增大以及较于海水逐渐亏损的HREE，可推测淡水改造强度是存在差异的，且认为Ⅰ类配分模式可能是由原始海相白云岩到强淡水改造白云岩转变的中间状态，即受到了淡水淋滤，但强度稍弱。

Ⅲ类配分模式岩性为中粗晶白云岩，较于Ⅰ、Ⅱ类，Mn/Sr值继续增大(平均Mn/Sr=10.77)(表1)；总稀土含量(表2)和配分模式没有发生太大变化(图7-B)，仍以MREE富集、曲线呈“帽形”为特征；但δEu值为负异常(平均δEu=0.73)，与Ⅰ、Ⅱ类明显不同。与主元素和痕量元素特征类似，中粗晶白云岩的稀土配分模式，同样显示在淡水改造的基础上受第三期次流体改造。δEu值常与流体温度和氧化-还原条件相关，例如幔源热液稀土元素特征具有明显的正Eu异常(图7-B)[54]，且高温极大地促进Eu2+进入晶格而使得热液沉淀矿物具有非常显著的正Eu异常。基于Ⅲ类的δEu值负异常，可以基本排除幔源热液的参与，而是埋藏期还原性质流体的产物。值得注意的是，中粗晶白云岩的成岩流体应比Ⅰ、Ⅱ类还原程度更高，且随着埋藏加深，温度也应更高。

5.1.4 C、O稳定同位素特征

碳酸盐岩C、O稳定同位素丰度常是原始沉积水体沉淀过程及后期成岩流体参与的水岩反应等共同作用的结果，基于各类型白云岩与沉积水体δ18O、δ13C值的比较，常为流体判识提供重要信息。研究区内样品δ18O值均要低于奥陶纪海水胶结物[38]，表现为氧同位素偏负的特征(图8)。对于偏负的特征，前人普遍认为提高温度和大气淡水淋滤或地层水的改造利于O同位素呈“负值”[55]。考虑到研究区内广泛发育的岩溶作用，因此认为大气淡水的参与成岩改造程度较大，是导致δ18O偏负的主要原因[56]。中、东部地区由于样品分布层位不同，导致东部样品比中部样品的淡水改造程度更强，而东部地区样品的δ18O值(图8-A)较于中部地区(图8-B)更加偏负，则很好地反证了研究区内样品是受到大气淡水改造而导致δ18O偏负。δ13C值偏负一般可能是受到大气淡水淋滤、有机质降解等因素的影响[57]，而温度影响很小，基本可以忽略。本次研究样品表现出在沉积海水δ13C值附近波动的特征，整体负偏程度不大，显示受到有机碳影响较小。东部地区样品δ13C值较为分散(图8-A)，推测与距离风化壳较近、成岩作用更加复杂有关；而中部地区样品整体负偏(图8-B)，显示受到大气淡水的影响。

进一步将中粗晶白云岩与泥粉晶白云岩、砂屑白云岩相比较，可发现δ18O 值更加负偏(图8)。若将整体负偏情况下更加负偏的中粗晶白云岩仍简单理解为大气淡水参与，显然不合适，由此可见是存在第三期次成岩流体的。根据Fe、Mn含量及REE配分模式等变化，推测该期次流体作用时间应该稍晚，而埋深增加所导致的“高温”可能是δ18O值更加负偏的主要原因；而中粗晶白云岩Na含量最低，因此也不排除是因为第三期次流体盐度很低导致的。再者针对东部和中部地区中粗晶白云岩δ18O和δ13C值相关性进行计算，可见东部地区(R2=0.99)(图9-A)和中部地区(R2=0.64)(图9-B)的中粗晶白云岩δ18O和δ13C相关性高，而其他类型白云岩则无类似特征。说明埋藏阶段的第三期次流体改造彻底，导致白云石晶体发生调整，演化为中粗晶；而中粗晶白云岩的Sr含量最低便是最好的佐证。

5.2 中粗晶白云岩重结晶过程

通过岩石学和地球化学的分析，认为中粗晶白云岩是在大面积准同生期白云岩化流体和暴露期淡水淋滤改造的基础上，于埋藏期受第三期次流体局部重结晶而成。这一结论，进一步加深了前人关于中粗晶白云岩形成是多期次成岩流体多重作用的认识[7,9]。随着研究的深入，发现白云石晶体内部结构的差异与成岩流体性质变化存在密切关联[8]，可见从岩石尺度到矿物尺度的细化，对于白云石重结晶及此过程中元素迁移等关键问题可能具有某种潜在意义。纵向分布上，可见中粗晶白云岩均发育于高孔渗段(图1-B)，推测其原岩为颗粒白云岩。基于该假设，本次研究在流体判识的工作基础上，进一步选取东部地区的砂屑白云岩作为对比对象，开展关于中粗晶白云石晶粒和砂屑中微晶白云岩晶粒的阴极发光观察及配套电子探针测试。

中粗晶白云石晶体具有圈层结构(图2-I、J、K、L)，内部为暗红色残余结构(图2-F)，外围环边表现为亮红色，颜色均匀无明暗环带(图2-I、J、K、L)，且与内部雾心具有相同消光角(图2-H)。元素分布(表4、图10-A)显示：白云石晶体内部残余结构Mg含量低于外围环带和砂屑白云岩中的微晶白云石；Fe、Mn含量分布，是中粗晶白云石内部最高，外围环带次之，微晶白云石最少；Na含量是中粗晶白云石内部最高；Sr含量是微晶白云石、中粗晶白云石内部、外围环带依次降低；Al、Si等含量测试显示可能外围环带最高(鉴于探针精度有限和文章的严谨性，Na、Sr、Al、Si等元素仅作为参考)。此外值得注意的是，晶粒内部与外围的Mg、Fe和Mn含量相关系数计算结果(R2=0.92)(图10-B)，显示具有很高的负相关性，表明晶体内的Mg2+、Fe2+、Mn2+地球化学行为可能具有某种关联。

P.W.Choquette等[7]曾就跨盆地、多层位的5种晶粒白云石进行系统梳理，基于阴极发光下白云石晶粒成分与结构的差异，总结认为晶粒白云岩的形成是长时间、多步骤的，尤其是具有环带状特征的白云石，可能是多期次、异流体的终端产物。基于本次研究的中粗晶白云石晶粒内外差异，推测重结晶过程是分两步进行的；不同位置的微区元素分布，则暗示该过程可能伴有流体成分的差异[19]。而前人高温合成白云石实验，认为白云石的稳定化是一种沉淀—溶解—再沉淀的过程[2-4]，这一指导性结论，为中粗晶白云石重结晶模式建立及重结晶过程中元素迁移规律研究提供了重要理论依据。为了更好地展示中间过程，将其分为3个阶段：

a阶段，受淡水淋滤后的颗粒白云岩，于埋藏期受到第三期次流体改造(图11-A)。

b阶段，随着埋深增加，在温度较高的溶液环境中，颗粒白云岩颗粒中的微晶白云石开始发生溶解-沉淀过程[2-4](图11-B)。小粒径的微晶白云石晶体消失，转而调整为细中晶白云石[1,58]。结构的调整既使得残余颗粒结构彻底消失，又导致白云石晶粒体积变小。第三期次流体中Fe2+、Mn2+等富集，在高温、还原条件下优先促进了大量Fe2+、Mn2+进入白云石晶格中[45]，使得中粗晶白云石晶粒内部的Fe、Mn含量要比微晶白云石高出一个数量级(图10-A)。考虑到中粗晶白云岩内部与外部Mg含量与Fe、Mn含量呈现非常好的负相关性(图10-B)，而结合Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+等阳离子半径(分别为0.106 nm、0.078 nm、0.083 nm、0.091 nm)[24]，推测该过程Fe2+、Mn2+替换了半径相近的Mg2+进入晶格，且Fe2+发挥了主要作用。根据Na微区分布(表4)，推测第三期次流体初期盐度较高，导致中粗晶白云石内部的Na含量较高；Sr则随着白云石结构调整而流失(表4)。正交偏光下单个白云石晶体具有统一的消光角(图2-H)，说明c阶段开始前中粗晶白云石内部已经调整成为一个晶体。

c阶段，内部晶体形成以后，高温晶间流体内Mg2+以及Fe2+、Mn2+置换出的Mg2+，保持着重结晶过程的继续[3-4](图11-C)。后期以沉淀白云石外围环带为主要特征，使得细中晶白云石进一步长大成为中粗晶白云石，同时导致部分晶体内部的不规则形态(图2-I)，说明该过程仍是符合白云石溶解-沉淀的重结晶规律。在b阶段中，大部分Fe、Mn元素优先进入白云石内部，因此，在c阶段，溶液中剩余Fe2+、Mn2+含量明显减少，导致了白云石晶粒外围环边Fe、Mn稍低的特征，但仍然比调整前的微晶白云石含量要高(图10-A)。而外围环带的Na含量减少(表4)，说明重结晶后期流体盐度降低；且白云石环带Sr很低(表4)，说明其有序度很高。而环带包围下的白云石晶体自形程度很高便是最好的证据，说明沉淀过程缓慢，有非常可观的水岩比来支撑这一反应过程的持续进行。

5.3 中粗晶白云岩成岩演化序列及元素迁移规律

基于马家沟组地层构造演化、岩性组合、成岩作用，众多学者将马五段白云岩成岩演化环境凝练概括为沉积环境、初次浅埋藏环境、抬升暴露环境、二次埋藏环境和深埋藏环境[29,59]。成岩作用可理解为水岩反应，顾名思义流体参与是必不可缺的[24,49]。马家沟组地层所有岩性均经历了上述5个成岩阶段，但可能由于缺少相应的成岩流体，使得其并非都发生了成岩作用，多样的岩性组合便是最好的证明。基于该设定，不同阶段的关键成岩作用及其地球化学响应得以保存，为成岩演化提供对比；而中粗晶白云岩通过岩石学及地球化学分析，认为可能是贯穿始终的成岩作用经历者。为体现以中粗晶白云岩为终端演化产物的白云岩成岩序列，现以静态岩石体系模拟动态成岩演化及该过程中元素迁移，其中最为关键的工作是选取各个阶段具有代表性的岩性样品。

由于本次研究缺乏沉积和成岩早期白云岩化过程的讨论，参考前人研究的鄂尔多斯盆地中部马五5亚段原生海相灰岩与泥粉晶白云岩，分别代表沉积环境样品与浅埋藏环境样品[22]。马五5亚段沉积时迎来了马五段最大海侵，因此保留了马五段仅存的原生海相灰岩；同时马五5亚段中的白云岩的岩溶作用极弱，可很好规避岩溶流体对于早期白云岩化流体的混染。而抬升暴露环境中，大气淡水的淋滤会在海相白云岩中叠加对应的地球化学响应，因此本次研究中泥粉晶白云岩和砂屑白云岩便很符合该条件，且可能存在原始海相白云岩到强淡水改造白云岩转变的中间样品，即Y102-1样品。所以选取中粗晶白云岩作为二次埋藏环境与深埋藏环境的代表岩性。

为便于对比，对所有样品的各元素含量求平均值，并保留最大、最小值，然后与海相原生灰岩对应元素[22]进行相对百分比计算，即

r= (wi-w0)/w0

(1)

其中：将沉积阶段、初次浅埋藏阶段、抬升暴露阶段、第二次埋藏阶段、深埋藏阶段分别定义为i=1,2,…,5;r表示相对百分比(即倍数)；wi表示某元素在i状态的含量；w0表示某元素在初始状态(即沉积阶段)的含量。

5.3.1 沉积-浅埋藏阶段

奥陶纪时期，研究区内主要的沉积环境为局限-蒸发台地相[28,30-32]，蒸发作用使得粒间水中的离子浓度不断增高，与沉积-浅埋藏阶段发生了早期白云岩化作用(图12)[21-22,39]。此过程中，Na含量显著增加，r=2.4(0.5～3.7)，与水体咸化导致白云岩化作用相符合；Sr含量则有明显的下降，r=-0.7(-0.6～-0.8)，现有研究普遍认为白云岩化作用过程是一个排出Sr的过程[1,60-61]；Fe、Mn含量在此阶段并无太大的变化；Mn/Sr比值基本无变化，说明此时的白云岩仍保留有海源流体的性质。

5.3.2 抬升暴露阶段

在奥陶纪初期，受加里东运动的影响，碳酸盐沉积台地出现大规模海退，抬升暴露使得马家沟组上部地层遭受大气淡水淋滤[33,56]。同时发育的岩溶系统为大气淡水持续作用和后期流体渗入提供可容空间和渗流通道(图12)。淡水淋滤对海相白云岩元素组成造成强烈影响：Fe、Mn含量增多，r分别为25.8(11.6～69.5)和18.8(10.4～27.2)，而这与大气淡水对上部地层溶蚀改造有关；Na含量在云化作用增加之后，此阶段又大幅减少，r=-0.2(-0.7～0.5)，表明受低盐度的大气淡水改造，会流失大量Na；Sr含量继续减少，r=-0.8(-0.6～-0.9)，与白云岩结构调整[60]和大气淡水淋滤作用相关；Mn/Sr比值也有很大幅度的增加，r=77.2(44.8～128.8)，指示该阶段已经受到强烈成岩作用改造，不再具有原始海源流体的性质。

5.3.3 第二次埋藏阶段

在大气淡水改造的基础上，颗粒白云岩在埋藏环境的还原高温条件下，受到第三期次流体进一步改造。首先颗粒中的微晶白云石溶解-再沉淀，调整为细中晶白云石；随后在残余晶粒的周围和早期岩溶通道内沉淀形成外围环带，使之演化为中粗晶白云石。此过程中，Fe、Mn含量再次大幅度增加，r值分别为61.2(23.2～110.8)和20.9(17.4～25.8)，且主要是和白云石晶体内部核心结构调整有很大关系；Na含量继续下降，r=-0.6(-0.7～-0.5)，表明重结晶过程中的成岩流体盐度总体不高；Sr含量在此过程中进一步减少，与重结晶过程中白云石结构调整和高有序度的外围环带沉淀有关； Mn/Sr比值继续增大，r=101.2(87.7～126.8)，表明中粗晶白云岩再次遭受了强烈的成岩改造，大气淡水的地化响应也相对减弱、消失。

5.3.4 深埋藏阶段

中粗晶白云岩形成以后，发育的晶间孔为后期深埋藏过程中的成岩流体及烃类继续提供渗流通道，进一步沉淀原生石英、萤石等矿物，并发生不同程度的溶蚀作用，伴随少量沥青质充填(图12)。此阶段，鉴于对比样品缺乏和小规模复杂成岩作用等问题，无法恢复该阶段的元素迁移规律，但其影响还是值得考虑的，后续的研究工作将在此方面深入完善。

总的来说，可将中粗晶白云岩演化过程中元素迁移规律总结为以下5点：①随着演化作用的进行，Fe、Mn含量持续增加，Na含量先增加后减少，Sr含量则持续减少，Mn/Sr比值持续增大；②Fe、Mn含量上升的关键节点应是在抬升暴露期和第二次浅埋藏期，主要受到大气淡水淋滤改造和重结晶作用的影响；③Na含量上升的关键节点为初次浅埋藏期，为早期高盐度的海源白云岩化流体所控制，而含量减少的关键节点则发生在抬升暴露期，是受到了大气淡水淋滤改造的结果；④Sr含量下降的关键节点为初次浅埋藏期，早期白云岩化作用是主要原因；⑤Mn/Sr比值增大的关键节点在抬升暴露期，大量的大气淡水提供了丰富的成岩流体，致使研究区内白云岩的成岩改造剧烈。

6 结 论

a.研究区内普遍发育泥粉晶白云岩、颗粒白云岩，而中粗晶白云岩局部发育，不具有层位性；中粗晶白云岩晶粒粗大，阴极发光下见环带结构，晶粒间充填萤石、石英等矿物。

b.基于岩石学和地球化学分析，认为研究区内白云岩是在成岩早期白云岩化基础上，叠加淡水改造后，具有高Fe、Mn低Na、Sr、“帽形”稀土元素配分模式、弱δCe正异常、负偏的δ18O等地化特征。而中粗晶白云岩则是在上述基础上，于埋藏阶段受第三期次流体改造，导致Fe、Mn含量更高、Na、Sr含量更低、δEu负异常，δ18O值强烈负偏。

c.根据阴极发光特征与晶体内部与外部微区地球化学差异，认为中粗晶白云岩先是微晶白云石结构调整为内部核心，此过程中大量Fe、Mn进入晶格置换出Mg元素，随后沉淀白云石环边，伴随少量Fe、Mn进入晶格。

d.中粗晶白云岩是经历准同生期云化—大气淡水淋滤—埋藏重结晶—深埋藏溶蚀等一系列成岩作用的终端产物。认为随着演化进行，Fe、Mn含量持续增加，演化关键节点在抬升暴露期和第二次浅埋藏期；Na含量先增加后减少，演化关键节点分别在初次浅埋藏期和抬升暴露期；Sr含量则持续减少，演化关键节点在初次浅埋藏期；Mn/Sr比值持续增大，演化关键节点在抬升暴露期。