白云巖成因研究新進(jìn)展及存在的主要問(wèn)題

田現(xiàn)鑫

（東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室地球科學(xué)學(xué)院，江西南昌330013）

1 概述

近些年來(lái)，關(guān)于“白云巖”的相關(guān)問(wèn)題研究在沉積學(xué)的領(lǐng)域中備受爭(zhēng)議，討論的熱潮始終不見(jiàn)消退。在已經(jīng)過(guò)去的兩百年間，人們普遍好奇的是此種類(lèi)型的碳酸鹽礦物是通過(guò)何種方式沉降下來(lái)的，該領(lǐng)域中的眾多專(zhuān)家學(xué)者均對(duì)特殊情況下白云巖的形成提出了獨(dú)到的見(jiàn)解與觀點(diǎn)。而近30年來(lái)，最為關(guān)鍵性的研究成果則為對(duì)于原生白云巖的研究與討論，有關(guān)熱液（水）以及微生物種類(lèi)的白云巖的研究成果陸續(xù)問(wèn)世大大促進(jìn)了“白云巖問(wèn)題”進(jìn)一步研究工作。本文以國(guó)內(nèi)典型地層白云巖成因?yàn)榉治鰧?shí)例，希望對(duì)巴音戈壁盆地白云質(zhì)泥巖成因的研究提供重要的借鑒。

2 主要白云巖地層白云巖成因研究現(xiàn)狀

2.1 下溝組湖相“白煙型”噴流巖—熱水沉積白云巖

（1）噴流巖系的礦物學(xué)標(biāo)志。在白云質(zhì)泥巖和泥質(zhì)白云巖中，與熱水活動(dòng)有關(guān)的礦物擁有大量的鈉長(zhǎng)石、鐵白云石和石英外，局部含有較豐富的重晶石、方沸石、地開(kāi)石、黃鐵礦和有機(jī)質(zhì)組分，以及同生沉積的菱鐵礦、方解石和陸源的伊利石粘土、硅質(zhì)粉砂。

（2）噴流巖系的巖石學(xué)標(biāo)志。在以“白云質(zhì)泥巖”和“泥質(zhì)白云巖”為代表的急流巖系中，以微隱晶構(gòu)造和層狀構(gòu)造為主要特征，其特征為熱液碎屑構(gòu)造、水熱角礫狀構(gòu)造和條狀、網(wǎng)狀、渦狀構(gòu)造以及等溫變形層理。

（3）噴流巖系的稀土元素標(biāo)志。LREE＞HREE 噴流巖下的槽群具有熱水沉積形成的基本特征，其高豐度的REE以及δCe正異常而δEu負(fù)異常，盡管與海洋噴流巖相反，但稀土分布格局并且δCe以及δEu的異常分布特征和同層位堿性拉斑玄武巖十分吻合，表明溝噴流和同層位的玄武巖巖石具有很強(qiáng)的親和力，噴流巖石在空間中的總REE分布逐漸減小了從外向外的變化趨勢(shì)，熱水噴嘴顯示可能與湖泊對(duì)流熱水循環(huán)存在著關(guān)聯(lián)性。

鄭榮才等專(zhuān)家學(xué)者根據(jù)下溝組的熱液礦物組合、稀土元素以及巖石構(gòu)造特點(diǎn)，指出這兩種類(lèi)型的巖石均屬于“白煙”型熱液礦物組合，并對(duì)其進(jìn)行了區(qū)分。以方沸石、白云巖鐵、鈉長(zhǎng)石、重晶石、地石巖為主的六種熱液礦物組合類(lèi)型，在此基礎(chǔ)上，將噴出巖石的四種成因類(lèi)型劃分為脈充型、水爆角礫巖型、盆地沉積型和區(qū)域擴(kuò)散型。酒西盆地主要是鐵白云石的“白煙型”噴口巖的發(fā)現(xiàn)，第一次構(gòu)想出了噴口型熱液沉積白云巖，同時(shí)，它為相似盆地的湖相白云巖提供了新的成因類(lèi)別、沉積模型與研究思路。

2.2 蘆草溝組白云巖成因

柳益群等專(zhuān)家學(xué)者將研究的重心放在了新疆三塘湖盆地中二疊統(tǒng)蘆草溝組白云巖的成因上[2]，主要分為以下幾個(gè)階段：

（1）三塘湖盆地蘆草溝組混合水白云巖。朱玉雙等專(zhuān)家學(xué)者經(jīng)過(guò)大量的研究發(fā)現(xiàn)存在著兩種類(lèi)型的白云巖：紋層、斑狀。紋層狀白云石具有良好的自形成度，斑狀白云巖是由含鐵白云石的方解石的作用下形成的，而鐵狀白云石的形成要晚于第一種白云石，這是由于其晶體尺寸大且自形性差[4]。在大量的專(zhuān)家學(xué)者研究之下，白云巖的Mg/Ca值全部都小于1。Sr含量的范圍在（31～527）×10-6之間，平均含量在217.8mg/kg，方解石與白云石之間的δ18O 差異大部分小于6%，蘆溝組的糊狀巖分布不廣，平均鹽度指數(shù)Z為124.43。借助上述關(guān)于特征的研究成果，可以得出結(jié)論，三塘湖盆地中二疊統(tǒng)的蘆草溝組白云巖是混合水成因，構(gòu)建出了與之相符的白云石化模型。

（2）三塘湖盆地蘆草溝組湖相熱液噴流巖—熱水沉積白云巖。柳益群等專(zhuān)家學(xué)者通過(guò)大量的研究指出此盆地經(jīng)歷了兩個(gè)重要時(shí)期：前晚石炭紀(jì)有基底構(gòu)成的板塊構(gòu)造和石炭紀(jì)晚期以來(lái)有盆地蓋沉積形成和發(fā)展的板內(nèi)構(gòu)造（柳益群，2010）。三塘湖盆地目前的基本地質(zhì)特征是在白堊紀(jì)晚期區(qū)域壓縮改造階段，第三紀(jì)—第四紀(jì)逆沖—打擊改造階段和山間凹陷盆地構(gòu)成階段而形成的，構(gòu)成了從北部向西部隆起和凹陷的三個(gè)構(gòu)造單元，逆沖隆起帶在東北部，在中央凹陷帶和西南逆沖推覆帶。在這當(dāng)中，熱水白云巖大體上分布于馬朗中央凹陷。

該地區(qū)的火山巖分為三個(gè)主要的火山噴發(fā)周期，火山巖主要分布在主斷層與次生斷層的交匯處，整體上形成了串珠狀，受深大斷層的掌握，有著裂隙溢流噴發(fā)和點(diǎn)噴發(fā)等特征。三塘湖盆地中二疊統(tǒng)中白云巖的分布與火山巖十分相似，即呈現(xiàn)出串珠的狀態(tài)，在平面狀剖面上具有較高的連續(xù)性，能夠體現(xiàn)出裂隙分布的特征，然而層狀白云巖的分布范圍相對(duì)較窄，主要可以在馬朗凹陷中遇到，類(lèi)似于第三套火山巖，呈現(xiàn)出點(diǎn)狀分布的特征。

紋層狀白云石的組成部分有：白云石、有機(jī)物之間的夾層、泥晶石英，夾在白云巖泥巖和凝灰?guī)r之間，在局部層中可見(jiàn)極細(xì)的交叉層，通過(guò)鐵氰化鉀和茜素紅染色后，白云石顯示出了綠藍(lán)色紋層，大部分均為白云鐵，與薄片白云石夾層的沸石含量超過(guò)90%，呈顆粒狀，不同薄片的粒度變化十分顯著，這些立方很容易被白云石膠結(jié)，或由微晶石英、泥晶等膠結(jié)而成，并且通常由白云巖鐵交代，它們應(yīng)該是堿性熱水所沉積下來(lái)的產(chǎn)物。

基于上文所提到的礦物組合、巖石結(jié)構(gòu)以及形成背景，三塘湖盆地中二疊統(tǒng)白云巖的形成同火山作用和湖濱熱液存在著一定的關(guān)聯(lián)性，是屬于巖漿的作用下并且同深部熱液存在著緊密的相關(guān)性的熱液沉積白云巖。并對(duì)鎂離子的濃度這一白云巖成因的重要因素展開(kāi)了推測(cè)。但是文章相對(duì)缺乏稀土元素等地球化學(xué)數(shù)據(jù)的佐證，需要更深層次的證據(jù)來(lái)支持熱液噴發(fā)的機(jī)理和熱液礦物的形成機(jī)理。不過(guò)，文中提及的在暗色泥巖、凝灰?guī)r泥巖中常見(jiàn)有吐魯番鱈、雙殼類(lèi)、龍骨綱等化石，白云石主要是鐵白云石，主要呈現(xiàn)出微粉礦和粉狀，由泥晶石英同一些有機(jī)質(zhì)所構(gòu)成；伴生水熱礦物、黃鐵礦、伊利石、硬石膏等在該地區(qū)首次發(fā)現(xiàn)了這種白云巖及其熱液礦物，為后續(xù)開(kāi)展白云石微生物成因研究打下來(lái)良好的基礎(chǔ)。

（3）三塘湖盆地蘆草溝組湖相白云巖。李紅等[6]這些年來(lái)，在三塘湖盆地外圍露頭和鉆芯中發(fā)現(xiàn)的中二疊世蘆草溝組白云巖主要有兩種，一類(lèi)為粉—泥晶白云巖，另一種類(lèi)型為方沸鉀長(zhǎng)白云巖?；诎自剖慕M成，微量元素和穩(wěn)定同位素兩種。分析認(rèn)為，思想上的差異雖然是兩種白云巖在強(qiáng)烈還原的淺—半深湖相沉積環(huán)境中形成的，但它們的形成機(jī)理卻不同，沉淀白云石粉—白云石具有天然的特征，包括球狀和管狀的白云石。與微生物吸附有關(guān)，其形態(tài)和金剛石白云巖為天然白云巖的沉淀；另一種二疊紀(jì)長(zhǎng)鉀白云巖中的白云巖和鐵白云巖可能與熱液噴口沉積有關(guān)。

近年來(lái)，在三塘湖盆地的露頭和鉆探巖芯中發(fā)現(xiàn)了兩種主要的中二疊紀(jì)蘆草溝白云巖類(lèi)型：一類(lèi)為粉—泥晶白云巖；另一種是方沸鉀白云母，根據(jù)兩種白云巖的組成，微量元素和穩(wěn)定同位素分析，雖然兩種白云巖形成于強(qiáng)烈還原的淺半深湖相沉積環(huán)境中，然而它們?cè)谛纬蓹C(jī)理上還存在著很大的區(qū)別，沉淀白云石粉—白云母具有天然特征，包括球狀和管狀的白云石可能與微生物吸附存在著緊密的關(guān)聯(lián)性，其形態(tài)與金剛石白云石為天然白云石沉淀；該白云石和鐵白云石中的另一種四方型鉀長(zhǎng)白云巖可能與熱液噴口沉積存在著緊密的關(guān)聯(lián)性。站在方沸鉀白云母的宏觀特征的角度上，它主要呈現(xiàn)出紋層的形狀，并且與深色泥巖相符，所以它不是火山巖，基于偏光、掃描電子顯微鏡的觀察之下，它的主要成巖礦物是方解石、白云石等，而方沸石以及透長(zhǎng)石并非是通常意義上的沉積的碳酸鹽巖的成巖礦物，所以它們不應(yīng)該屬于通常沉積的內(nèi)生沉積巖，根據(jù)微巖相分析，可以得出結(jié)論方沸鉀長(zhǎng)白云巖中的成礦礦物之間的關(guān)系是第一共生關(guān)系和第二交代關(guān)系，并沒(méi)有觀測(cè)到凝灰?guī)r結(jié)構(gòu)或殘余凝灰?guī)r結(jié)構(gòu)，與該地區(qū)的普通凝灰?guī)r有很大的不同。凝灰?guī)r或變凝灰?guī)r也被排除在外。早二疊世和中二疊世的卡拉岡和跳湖時(shí)期兩次大規(guī)模的間歇性火山活動(dòng)沉積的地層，凝灰?guī)r廣泛分布于此地層，表明三塘湖地區(qū)在中二疊世的盧草溝時(shí)期具有較高的碳烯值。根據(jù)上文所述，借助MS-33井我們可以清楚看出方沸鉀長(zhǎng)白云巖是一種由湖濱熱液噴口形成的熱液沉積白云巖。

2.3 騰格爾組白云巖成因

（1）二連盆地白音查干凹陷騰格爾組熱水沉積白云巖。內(nèi)蒙古二連盆地白銀岔崗凹陷的下白堊統(tǒng)（主要集中在上騰格組和獨(dú)紅木組的第一段）發(fā)育了具有湖相沉積特征的深色泥質(zhì)白云巖。初步確定了油田酸滴實(shí)驗(yàn)和薄片研判，含油地層為膏狀白云巖和泥質(zhì)白云巖，其中的白色的條帶、灰白色的砂礫碎屑為石膏。從它們的顏色和硬度以及與白云石的共生關(guān)系的角度來(lái)看，前人認(rèn)為它們屬于碳酸鹽湖沉積，是淡水碎屑巖向碳酸鹽巖和糊狀鹽湖所變化的必經(jīng)之路。

湖相白云巖由北向東方向上的同沉積斷裂所掌握，基本上分布在凹陷北部的陡坡帶和中央湖相斷裂帶的下盤(pán)，并沿?cái)鄬映示€性分布。白云巖中的白云巖主要是鐵白云巖，并與長(zhǎng)石、重晶、菱鎂礦等低溫?zé)嵋旱V物等存在著緊密的相關(guān)性。其結(jié)構(gòu)可分為微粉晶結(jié)構(gòu)、微晶結(jié)構(gòu)和中微晶斑結(jié)構(gòu)（多礦物組合），此外，主要是白云鐵，與長(zhǎng)石、重晶石、菱鎂礦等低溫?zé)嵋旱V物存在著關(guān)聯(lián)性。白云巖的巖石構(gòu)造還具有明顯的熱液沉積特征，包括層狀結(jié)構(gòu)、熱液碎屑結(jié)構(gòu)、星散結(jié)構(gòu)、同生塑性變形以及網(wǎng)狀脈狀結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上得出結(jié)論，該研究為白云巖型白云巖。該區(qū)域是由深層熱液參與和沉積形成的，這就是熱液沉積白云巖[7]。

在通過(guò)微量元素、X光、電子探針以及能譜等方式分析礦物成分以及白云巖結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在更深層次上研判出了白云巖是如何形成的[8]。研究區(qū)是一套單層的促進(jìn)白云石和促進(jìn)層，厚度為0.2～1.5m，白云石層由重晶石、黃鐵礦、鐵白云石、水菱鎂礦等組成，白云石晶體的厚度為10～200m，條紋狀結(jié)構(gòu)、同生形變結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀脈狀結(jié)構(gòu)、角礫巖結(jié)構(gòu)的發(fā)育，天然伽馬700～1100API，2～4 個(gè)波狀消光，馬鞍形特征，有裂紋，是普通泥巖的兩倍，鈾和釷的含量達(dá)到了相當(dāng)高的水平：（40～60）×10-6、（60～100）×10-6。Co、Fe、Mn 為與現(xiàn)代紅海熱水的沉積相吻合，沿平面底部的裂縫分布，反映出它是一套“白煙型”熱液白云巖。

（2）二連盆地阿南凹陷騰格爾組白云巖成因。二連盆地阿南凹陷下白堊統(tǒng)騰格組發(fā)育了一套富含致密油的湖相含石油層，通過(guò)巖芯、掃描電鏡（SEM）、碳同位素分析，白云巖巖石可以分為兩種不同的類(lèi)型：一種是扁平晶體在晶格層和星點(diǎn)云團(tuán)泥巖或云團(tuán)低灰?guī)r中的分布，一半是自定形的白云石粉狀結(jié)晶；另一種是不平整度—晶體面平整度和自形粉質(zhì)晶狀白云巖分布在塊狀凝灰?guī)r或云狀砂巖中，兩種不同的成因：半自形微粉晶白云石δ13CPDB值比較高（平均值為5.4‰），主要受其影響產(chǎn)甲烷菌的代謝活性，δ18OPDB值負(fù)偏移相對(duì)較小（平均-13.0‰），約50℃～75℃，引起早期成巖白云巖，Mg2+離子主要來(lái)自火山灰質(zhì)物質(zhì)中灰分的大量多肽，由于呈粉狀細(xì)晶體白云石較大晶體，晶體形狀良好，δ13CPDB值低（0.2‰～0.7‰），具有代謝活性產(chǎn)甲烷和深層熱催化作用的共同作用下，δ13CPDB值較低（平均-19.4‰），推測(cè)出溫度大致為119℃，Mg2+離子存在著一定的可能性同粘土礦物多肽和深部流體上升存在著一定的關(guān)聯(lián)性[9]。

從上述學(xué)者對(duì)騰格爾組白云巖成因的認(rèn)識(shí)過(guò)程表明該組白云巖成因在不同凹陷表現(xiàn)出不同的成因，也是循序漸進(jìn)逐步完善的過(guò)程。當(dāng)前對(duì)白音查干凹陷白云巖的成因主要觀點(diǎn)是噴流沉積及微生物作用；而對(duì)阿南凹陷白云巖成因則是微生物作用和埋藏成因。

3 巴音戈壁組白云質(zhì)泥巖中白云石成因研究思路

大多數(shù)學(xué)者從白云石巖石學(xué)特征出發(fā)，具體通過(guò)手標(biāo)本及鏡下的巖石特征對(duì)白云巖進(jìn)行分類(lèi)，比如，二連盆地阿南凹陷下白堊統(tǒng)騰格爾組白云巖中半自形微粉晶白云石與非平直—平直晶面、非平直晶面、自形粉細(xì)晶白云石形成的方式方法也完全不同。根據(jù)地球化學(xué)的證實(shí)，如半自形微化白云巖的ham13cpdb值較高，大部分原因來(lái)自于產(chǎn)甲烷菌代謝活性的程度，當(dāng)δ18OPDB值負(fù)偏移量較小時(shí)，符合成巖早期成因白云石的情況；在深層有機(jī)質(zhì)熱催化和產(chǎn)甲烷菌的代謝活動(dòng)共同作用下，自形粉細(xì)晶白云石的δ13CPDB值普遍偏小，當(dāng)檢測(cè)到δ18OPDB值較低時(shí)，符合成巖晚期埋藏成因白云石的情況[10]。在普遍情況下，下溝組噴流巖的δCe 正異常，可以視為湖底熱鹵水沉積環(huán)境具備偏堿性條件、較強(qiáng)還原性的直接征兆；Eu負(fù)異常呈現(xiàn)中等偏強(qiáng)的狀態(tài)時(shí)，不僅僅直接證明了湖底熱鹵水池沉積環(huán)境有較強(qiáng)的還原性，而且也說(shuō)明了在一定程度的低溫條件下噴流巖的沉積作用才會(huì)產(chǎn)生。同時(shí)，F(xiàn)e、Mn、Sr、Si/Al 比值等主微量，REE 變化也被應(yīng)用來(lái)佐證不同環(huán)境下白云巖形成機(jī)制。最后，根據(jù)區(qū)域構(gòu)造背景歸納出白云巖形成的原因，并對(duì)Mg2+來(lái)源等給出假設(shè)。

將高放廢物處置以及地質(zhì)處置項(xiàng)目組夏天在內(nèi)蒙古塔木蘇盆地白堊紀(jì)下巴音戈壁組泥巖中發(fā)現(xiàn)了鉆井和取芯過(guò)程相結(jié)合，該組深灰色泥巖標(biāo)本呈現(xiàn)較多“斑晶”，通過(guò)鏡下初步觀察主要為粗晶白云石、方解石等。XRD 衍射分析表明該類(lèi)泥巖主要以白云石、伊利石、鈉長(zhǎng)石、方沸石等為主，也存在著較少的高嶺石、蒙脫石，部分見(jiàn)黃鐵礦。具備典型熱水礦物方沸石鈉長(zhǎng)石。目前，主微量和稀土元素等地球化學(xué)數(shù)據(jù)正在分析之中。通過(guò)學(xué)習(xí)、文獻(xiàn)查閱，對(duì)比已有噴流沉積白云巖特征，推測(cè)巴音戈壁盆地巴音戈壁組白云質(zhì)泥巖很可能也屬于噴流沉積。