白云岩成因研究新进展及存在的主要问题

田现鑫

（东华理工大学核资源与环境国家重点实验室地球科学学院，江西南昌330013）

1 概述

近些年来，关于“白云岩”的相关问题研究在沉积学的领域中备受争议，讨论的热潮始终不见消退。在已经过去的两百年间，人们普遍好奇的是此种类型的碳酸盐矿物是通过何种方式沉降下来的，该领域中的众多专家学者均对特殊情况下白云岩的形成提出了独到的见解与观点。而近30年来，最为关键性的研究成果则为对于原生白云岩的研究与讨论，有关热液（水）以及微生物种类的白云岩的研究成果陆续问世大大促进了“白云岩问题”进一步研究工作。本文以国内典型地层白云岩成因为分析实例，希望对巴音戈壁盆地白云质泥岩成因的研究提供重要的借鉴。

2 主要白云岩地层白云岩成因研究现状

2.1 下沟组湖相“白烟型”喷流岩—热水沉积白云岩

（1）喷流岩系的矿物学标志。在白云质泥岩和泥质白云岩中，与热水活动有关的矿物拥有大量的钠长石、铁白云石和石英外，局部含有较丰富的重晶石、方沸石、地开石、黄铁矿和有机质组分，以及同生沉积的菱铁矿、方解石和陆源的伊利石粘土、硅质粉砂。

（2）喷流岩系的岩石学标志。在以“白云质泥岩”和“泥质白云岩”为代表的急流岩系中，以微隐晶构造和层状构造为主要特征，其特征为热液碎屑构造、水热角砾状构造和条状、网状、涡状构造以及等温变形层理。

（3）喷流岩系的稀土元素标志。LREE＞HREE 喷流岩下的槽群具有热水沉积形成的基本特征，其高丰度的REE以及δCe正异常而δEu负异常，尽管与海洋喷流岩相反，但稀土分布格局并且δCe以及δEu的异常分布特征和同层位碱性拉斑玄武岩十分吻合，表明沟喷流和同层位的玄武岩岩石具有很强的亲和力，喷流岩石在空间中的总REE分布逐渐减小了从外向外的变化趋势，热水喷嘴显示可能与湖泊对流热水循环存在着关联性。

郑荣才等专家学者根据下沟组的热液矿物组合、稀土元素以及岩石构造特点，指出这两种类型的岩石均属于“白烟”型热液矿物组合，并对其进行了区分。以方沸石、白云岩铁、钠长石、重晶石、地石岩为主的六种热液矿物组合类型，在此基础上，将喷出岩石的四种成因类型划分为脉充型、水爆角砾岩型、盆地沉积型和区域扩散型。酒西盆地主要是铁白云石的“白烟型”喷口岩的发现，第一次构想出了喷口型热液沉积白云岩，同时，它为相似盆地的湖相白云岩提供了新的成因类别、沉积模型与研究思路。

2.2 芦草沟组白云岩成因

柳益群等专家学者将研究的重心放在了新疆三塘湖盆地中二叠统芦草沟组白云岩的成因上[2]，主要分为以下几个阶段：

（1）三塘湖盆地芦草沟组混合水白云岩。朱玉双等专家学者经过大量的研究发现存在着两种类型的白云岩：纹层、斑状。纹层状白云石具有良好的自形成度，斑状白云岩是由含铁白云石的方解石的作用下形成的，而铁状白云石的形成要晚于第一种白云石，这是由于其晶体尺寸大且自形性差[4]。在大量的专家学者研究之下，白云岩的Mg/Ca值全部都小于1。Sr含量的范围在（31～527）×10-6之间，平均含量在217.8mg/kg，方解石与白云石之间的δ18O 差异大部分小于6%，芦沟组的糊状岩分布不广，平均盐度指数Z为124.43。借助上述关于特征的研究成果，可以得出结论，三塘湖盆地中二叠统的芦草沟组白云岩是混合水成因，构建出了与之相符的白云石化模型。

（2）三塘湖盆地芦草沟组湖相热液喷流岩—热水沉积白云岩。柳益群等专家学者通过大量的研究指出此盆地经历了两个重要时期：前晚石炭纪有基底构成的板块构造和石炭纪晚期以来有盆地盖沉积形成和发展的板内构造（柳益群，2010）。三塘湖盆地目前的基本地质特征是在白垩纪晚期区域压缩改造阶段，第三纪—第四纪逆冲—打击改造阶段和山间凹陷盆地构成阶段而形成的，构成了从北部向西部隆起和凹陷的三个构造单元，逆冲隆起带在东北部，在中央凹陷带和西南逆冲推覆带。在这当中，热水白云岩大体上分布于马朗中央凹陷。

该地区的火山岩分为三个主要的火山喷发周期，火山岩主要分布在主断层与次生断层的交汇处，整体上形成了串珠状，受深大断层的掌握，有着裂隙溢流喷发和点喷发等特征。三塘湖盆地中二叠统中白云岩的分布与火山岩十分相似，即呈现出串珠的状态，在平面状剖面上具有较高的连续性，能够体现出裂隙分布的特征，然而层状白云岩的分布范围相对较窄，主要可以在马朗凹陷中遇到，类似于第三套火山岩，呈现出点状分布的特征。

纹层状白云石的组成部分有：白云石、有机物之间的夹层、泥晶石英，夹在白云岩泥岩和凝灰岩之间，在局部层中可见极细的交叉层，通过铁氰化钾和茜素红染色后，白云石显示出了绿蓝色纹层，大部分均为白云铁，与薄片白云石夹层的沸石含量超过90%，呈颗粒状，不同薄片的粒度变化十分显著，这些立方很容易被白云石胶结，或由微晶石英、泥晶等胶结而成，并且通常由白云岩铁交代，它们应该是碱性热水所沉积下来的产物。

基于上文所提到的矿物组合、岩石结构以及形成背景，三塘湖盆地中二叠统白云岩的形成同火山作用和湖滨热液存在着一定的关联性，是属于岩浆的作用下并且同深部热液存在着紧密的相关性的热液沉积白云岩。并对镁离子的浓度这一白云岩成因的重要因素展开了推测。但是文章相对缺乏稀土元素等地球化学数据的佐证，需要更深层次的证据来支持热液喷发的机理和热液矿物的形成机理。不过，文中提及的在暗色泥岩、凝灰岩泥岩中常见有吐鲁番鳕、双壳类、龙骨纲等化石，白云石主要是铁白云石，主要呈现出微粉矿和粉状，由泥晶石英同一些有机质所构成；伴生水热矿物、黄铁矿、伊利石、硬石膏等在该地区首次发现了这种白云岩及其热液矿物，为后续开展白云石微生物成因研究打下来良好的基础。

（3）三塘湖盆地芦草沟组湖相白云岩。李红等[6]这些年来，在三塘湖盆地外围露头和钻芯中发现的中二叠世芦草沟组白云岩主要有两种，一类为粉—泥晶白云岩，另一种类型为方沸钾长白云岩。基于白云石的组成，微量元素和稳定同位素两种。分析认为，思想上的差异虽然是两种白云岩在强烈还原的浅—半深湖相沉积环境中形成的，但它们的形成机理却不同，沉淀白云石粉—白云石具有天然的特征，包括球状和管状的白云石。与微生物吸附有关，其形态和金刚石白云岩为天然白云岩的沉淀；另一种二叠纪长钾白云岩中的白云岩和铁白云岩可能与热液喷口沉积有关。

近年来，在三塘湖盆地的露头和钻探岩芯中发现了两种主要的中二叠纪芦草沟白云岩类型：一类为粉—泥晶白云岩；另一种是方沸钾白云母，根据两种白云岩的组成，微量元素和稳定同位素分析，虽然两种白云岩形成于强烈还原的浅半深湖相沉积环境中，然而它们在形成机理上还存在着很大的区别，沉淀白云石粉—白云母具有天然特征，包括球状和管状的白云石可能与微生物吸附存在着紧密的关联性，其形态与金刚石白云石为天然白云石沉淀；该白云石和铁白云石中的另一种四方型钾长白云岩可能与热液喷口沉积存在着紧密的关联性。站在方沸钾白云母的宏观特征的角度上，它主要呈现出纹层的形状，并且与深色泥岩相符，所以它不是火山岩，基于偏光、扫描电子显微镜的观察之下，它的主要成岩矿物是方解石、白云石等，而方沸石以及透长石并非是通常意义上的沉积的碳酸盐岩的成岩矿物，所以它们不应该属于通常沉积的内生沉积岩，根据微岩相分析，可以得出结论方沸钾长白云岩中的成矿矿物之间的关系是第一共生关系和第二交代关系，并没有观测到凝灰岩结构或残余凝灰岩结构，与该地区的普通凝灰岩有很大的不同。凝灰岩或变凝灰岩也被排除在外。早二叠世和中二叠世的卡拉冈和跳湖时期两次大规模的间歇性火山活动沉积的地层，凝灰岩广泛分布于此地层，表明三塘湖地区在中二叠世的卢草沟时期具有较高的碳烯值。根据上文所述，借助MS-33井我们可以清楚看出方沸钾长白云岩是一种由湖滨热液喷口形成的热液沉积白云岩。

2.3 腾格尔组白云岩成因

（1）二连盆地白音查干凹陷腾格尔组热水沉积白云岩。内蒙古二连盆地白银岔岗凹陷的下白垩统（主要集中在上腾格组和独红木组的第一段）发育了具有湖相沉积特征的深色泥质白云岩。初步确定了油田酸滴实验和薄片研判，含油地层为膏状白云岩和泥质白云岩，其中的白色的条带、灰白色的砂砾碎屑为石膏。从它们的颜色和硬度以及与白云石的共生关系的角度来看，前人认为它们属于碳酸盐湖沉积，是淡水碎屑岩向碳酸盐岩和糊状盐湖所变化的必经之路。

湖相白云岩由北向东方向上的同沉积断裂所掌握，基本上分布在凹陷北部的陡坡带和中央湖相断裂带的下盘，并沿断层呈线性分布。白云岩中的白云岩主要是铁白云岩，并与长石、重晶、菱镁矿等低温热液矿物等存在着紧密的相关性。其结构可分为微粉晶结构、微晶结构和中微晶斑结构（多矿物组合），此外，主要是白云铁，与长石、重晶石、菱镁矿等低温热液矿物存在着关联性。白云岩的岩石构造还具有明显的热液沉积特征，包括层状结构、热液碎屑结构、星散结构、同生塑性变形以及网状脉状结构，在此基础上得出结论，该研究为白云岩型白云岩。该区域是由深层热液参与和沉积形成的，这就是热液沉积白云岩[7]。

在通过微量元素、X光、电子探针以及能谱等方式分析矿物成分以及白云岩结构的基础上，在更深层次上研判出了白云岩是如何形成的[8]。研究区是一套单层的促进白云石和促进层，厚度为0.2～1.5m，白云石层由重晶石、黄铁矿、铁白云石、水菱镁矿等组成，白云石晶体的厚度为10～200m，条纹状结构、同生形变结构、网状脉状结构、角砾岩结构的发育，天然伽马700～1100API，2～4 个波状消光，马鞍形特征，有裂纹，是普通泥岩的两倍，铀和钍的含量达到了相当高的水平：（40～60）×10-6、（60～100）×10-6。Co、Fe、Mn 为与现代红海热水的沉积相吻合，沿平面底部的裂缝分布，反映出它是一套“白烟型”热液白云岩。

（2）二连盆地阿南凹陷腾格尔组白云岩成因。二连盆地阿南凹陷下白垩统腾格组发育了一套富含致密油的湖相含石油层，通过岩芯、扫描电镜（SEM）、碳同位素分析，白云岩岩石可以分为两种不同的类型：一种是扁平晶体在晶格层和星点云团泥岩或云团低灰岩中的分布，一半是自定形的白云石粉状结晶；另一种是不平整度—晶体面平整度和自形粉质晶状白云岩分布在块状凝灰岩或云状砂岩中，两种不同的成因：半自形微粉晶白云石δ13CPDB值比较高（平均值为5.4‰），主要受其影响产甲烷菌的代谢活性，δ18OPDB值负偏移相对较小（平均-13.0‰），约50℃～75℃，引起早期成岩白云岩，Mg2+离子主要来自火山灰质物质中灰分的大量多肽，由于呈粉状细晶体白云石较大晶体，晶体形状良好，δ13CPDB值低（0.2‰～0.7‰），具有代谢活性产甲烷和深层热催化作用的共同作用下，δ13CPDB值较低（平均-19.4‰），推测出温度大致为119℃，Mg2+离子存在着一定的可能性同粘土矿物多肽和深部流体上升存在着一定的关联性[9]。

从上述学者对腾格尔组白云岩成因的认识过程表明该组白云岩成因在不同凹陷表现出不同的成因，也是循序渐进逐步完善的过程。当前对白音查干凹陷白云岩的成因主要观点是喷流沉积及微生物作用；而对阿南凹陷白云岩成因则是微生物作用和埋藏成因。

3 巴音戈壁组白云质泥岩中白云石成因研究思路

大多数学者从白云石岩石学特征出发，具体通过手标本及镜下的岩石特征对白云岩进行分类，比如，二连盆地阿南凹陷下白垩统腾格尔组白云岩中半自形微粉晶白云石与非平直—平直晶面、非平直晶面、自形粉细晶白云石形成的方式方法也完全不同。根据地球化学的证实，如半自形微化白云岩的ham13cpdb值较高，大部分原因来自于产甲烷菌代谢活性的程度，当δ18OPDB值负偏移量较小时，符合成岩早期成因白云石的情况；在深层有机质热催化和产甲烷菌的代谢活动共同作用下，自形粉细晶白云石的δ13CPDB值普遍偏小，当检测到δ18OPDB值较低时，符合成岩晚期埋藏成因白云石的情况[10]。在普遍情况下，下沟组喷流岩的δCe 正异常，可以视为湖底热卤水沉积环境具备偏碱性条件、较强还原性的直接征兆；Eu负异常呈现中等偏强的状态时，不仅仅直接证明了湖底热卤水池沉积环境有较强的还原性，而且也说明了在一定程度的低温条件下喷流岩的沉积作用才会产生。同时，Fe、Mn、Sr、Si/Al 比值等主微量，REE 变化也被应用来佐证不同环境下白云岩形成机制。最后，根据区域构造背景归纳出白云岩形成的原因，并对Mg2+来源等给出假设。

将高放废物处置以及地质处置项目组夏天在内蒙古塔木苏盆地白垩纪下巴音戈壁组泥岩中发现了钻井和取芯过程相结合，该组深灰色泥岩标本呈现较多“斑晶”，通过镜下初步观察主要为粗晶白云石、方解石等。XRD 衍射分析表明该类泥岩主要以白云石、伊利石、钠长石、方沸石等为主，也存在着较少的高岭石、蒙脱石，部分见黄铁矿。具备典型热水矿物方沸石钠长石。目前，主微量和稀土元素等地球化学数据正在分析之中。通过学习、文献查阅，对比已有喷流沉积白云岩特征，推测巴音戈壁盆地巴音戈壁组白云质泥岩很可能也属于喷流沉积。