鄭秀才，鄧?yán)?（長(zhǎng)江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州434020）

白云巖的成因一直以來(lái)都是沉積學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一［1～7］。根據(jù)不同成巖階段所形成的白云巖特征，將其劃分為原生白云巖、同生白云巖、成巖白云巖和后生白云巖。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為白云巖主要是成巖過(guò)程中交代形成，被普遍接受的成因機(jī)理包括蒸發(fā)泵模式、混合水模式、滲透回流模式、埋藏白云巖化等。原生白云巖與交代成因白云巖的最大區(qū)別在于前者是在地表或近地表?xiàng)l件下，非固結(jié)狀態(tài)下形成，而后者是已固結(jié)的石灰?guī)r在成巖過(guò)程中經(jīng)交代作用形成的［8，9］。盡管地質(zhì)記錄中［8］客觀存在大量在近地表的自然環(huán)境下形成的白云巖，科學(xué)家們［10］也用“擬晶白云石化作用”和“微生物白云石成因”等解釋白云巖形成機(jī)理，但到目前為止，在常溫、常壓條件下，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)不能合成理想的白云石。“白云巖問(wèn)題”仍然是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題，其成因機(jī)制仍然是最有爭(zhēng)議的課題之一［7～10］。

燕山地區(qū)霧迷山組發(fā)育一套分布廣泛、厚度大的層狀白云巖，保留了良好的原生沉積組構(gòu)，備受石油地質(zhì)學(xué)家的關(guān)注。前人對(duì)該區(qū)白云巖做過(guò)較多的研究工作，但截止目前，主要集中在沉積環(huán)境和古地理特征等方面［11～16］，對(duì)白云巖成因的研究相對(duì)薄弱。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，以遼西凌源境內(nèi)發(fā)育的羅莊亞組白云巖為例，通過(guò)對(duì)其地球化學(xué)特征的分析，探討成因。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于遼西凌源縣大河北鄉(xiāng)魏杖子村附近。區(qū)內(nèi)中元古界出露良好，自下而上分別為薊縣系楊莊組、霧迷山組和洪水莊組，三者之間均為整合接觸。霧迷山組實(shí)測(cè)厚度2947.15m，依據(jù)巖性組合和沉積旋回特征，劃分為8個(gè)巖性段，分別對(duì)應(yīng)天津薊縣剖面的4個(gè)亞組，即羅莊亞組 （1、2段）、磨盤峪亞組 （3、4段），二十里堡亞組 （5、6段）和閃坡嶺亞組 （7、8段）。該次研究的目的層段為羅莊亞組。

羅莊亞組為碳酸鹽潮坪沉積環(huán)境，由上、下共2個(gè)水進(jìn)沉積序列構(gòu)成［12，13］。下部水進(jìn)沉積序列厚334.09m，巖性主要為灰色－深灰色厚層含燧石團(tuán)塊泥晶白云巖、深灰色中厚層含砂粉晶白云巖、紋層狀泥晶白云巖，普遍發(fā)育有疊層石。疊層石形態(tài)自下而上表現(xiàn)為層紋狀－緩波紋狀－半球狀，反映出潮上帶－潮間帶上部－潮間帶下部的沉積環(huán)境。上部水進(jìn)沉積序列厚452.65m，巖性主要為灰色－深灰色厚層含燧石粉晶白云巖，燧石呈條帶狀、團(tuán)塊狀和透鏡狀。疊層石的形態(tài)由下向上為微波狀－穹隆狀－錐柱狀，反映出潮上帶－潮間帶－潮下帶的沉積環(huán)境特征。

2 樣品采集及測(cè)試結(jié)果

該次研究的樣品采自遼西凌源魏杖子剖面，由天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所測(cè)定。為排除陸源組分和成巖階段硅化作用的干擾，在該次研究中，結(jié)合室內(nèi)薄片觀察，剔除了硅化和陸源石英碎屑體積分?jǐn)?shù)量大于10%的樣品，樣品巖性為較均質(zhì)泥晶至粉晶白云巖，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 樣品常量元素測(cè)試結(jié)果

3 討論

3.1 成巖作用對(duì)白云巖地球化學(xué)指標(biāo)的影響

研究區(qū)羅莊亞組白云巖形成于潮坪環(huán)境［12，13］，野外露頭的泥晶白云巖和粉晶白云巖呈薄層至中層狀，一般紋層發(fā)育，常與疊層石共生，見(jiàn)有干裂等暴露，但未見(jiàn)石膏假晶等咸化標(biāo)志。鏡下見(jiàn)保存較好的顯微沉積層理。白云石多為泥晶－粉晶級(jí)，粒徑一般在0.003～0.005mm之間，以泥晶為主，自形程度較差，晶體間多為致密鑲嵌接觸，正交偏光顯微鏡下均勻消光，陰極發(fā)光較弱，通常呈較暗的紅色。從上述巖石學(xué)特征看，羅莊亞組白云巖基本保持了原始沉積巖石學(xué)特征。

成巖作用常常會(huì)導(dǎo)致碳酸鹽巖的原始地球化學(xué)指標(biāo)發(fā)生改變，利用碳酸鹽巖化學(xué)特征討論其形成環(huán)境和流體性質(zhì)，必須對(duì)成巖改造程度進(jìn)行檢驗(yàn)［17，18］，所用指標(biāo)為w （Mn）／w （Sr）。當(dāng)碳酸鹽巖中w （Mn）／w （Sr）＜10，則表明經(jīng)歷了較弱的成巖改造［19，20］，其地球化學(xué)指標(biāo)表征了原始流體的地球化學(xué)信息。對(duì)于白云巖樣品，當(dāng)w （Mn）／w （Sr）＜3時(shí)，認(rèn)為樣品基本不受成巖改造的影響［21］。區(qū)內(nèi)羅莊亞組白云巖w （Mn）／w （Sr）分布于0.6～6.6（表2），平均為2.53，表明樣品受成巖改造影響相對(duì)較弱，其地球化學(xué)指標(biāo)基本表征了白云巖形成環(huán)境和流體性質(zhì)。

表2 微量元素分析結(jié)果

3.2 白云巖形成環(huán)境

3.2.1 白云巖的成巖溫度

利用Keith和 Weber［22］導(dǎo)出經(jīng)驗(yàn)公式t＝14.8－5.41×δ18O，可以確定白云巖的成巖溫度 （t）。研究區(qū)白云巖 δ13C 介于 －1.7‰～1.56‰ （平均0.22‰）；δ18O 介于－6.05‰ ～ －2.86‰ （平均－4.66‰），據(jù)此計(jì)算得到的白云巖成巖溫度在30～47℃之間 （平均40℃）。參考鄰區(qū)霧迷山組沉積時(shí)期處在低緯度 （3.8o）條件［23］，可以假定白云巖形成時(shí)古地表溫度為30℃，地?zé)崽荻?.5℃／100m［24］，計(jì)算得到的區(qū)內(nèi)羅莊亞組白云巖的形成深度約為0～1100m，平均深度約為650m，屬地表至淺埋藏環(huán)境。結(jié)合燕山地區(qū)區(qū)域構(gòu)造演化和地層資料，推斷白云巖形成的大致時(shí)間可能在羅莊亞組沉積時(shí)期，屬同生白云巖。

Sr也可以用于確定古溫度，其計(jì)算古溫度的經(jīng)驗(yàn)公式為：w （Sr）＝2578－80.8 t（古溫度）［26］。利用該公式計(jì)算區(qū)內(nèi)白云巖的溫度，其分布范圍在30.1～31.8℃ （平均31.7℃）。參照上述地?zé)崽荻取^(qū)域構(gòu)造演化和地層資料，計(jì)算得到的白云巖形成深度在0～120m，平均深度為110m，屬地表－近地表深度，結(jié)合羅莊亞組的厚度 （784.74m），白云巖應(yīng)屬于同生白云巖，與氧同位素分析得到的結(jié)果一致。

3.2.2 白云巖的成巖鹽度

利用Keith和Weber［22］提出鹽度指數(shù) （Z）的計(jì)算公式，計(jì)算了白云巖形成的鹽度。區(qū)內(nèi)白云巖Z在121～128之間，平均為125，表明區(qū)內(nèi)白云巖可能形成于正常鹽度到較低的濃縮海水條件下。Na可以用作反映成巖流體的鹽度指標(biāo)［27，28］?，F(xiàn)代海洋白云巖以高的Na含量為特征，古代白云巖Na含量則明顯減低。Veizer［29］認(rèn)為，正常海水環(huán)境中形成的白云巖w （Na2O）應(yīng)在0.03%～0.043%之間。從表1中可以看出，區(qū)內(nèi)羅莊亞組白云巖w （Na2O）為0.02%～0.03%，與形成于正常海水中白云巖的Na2O含量接近，說(shuō)明區(qū)內(nèi)白云巖形成于正常海水環(huán)境。

3.2.3 白云巖形成的氧化還原條件

白云巖中的Fe、Mn含量是判斷氧化、還原作用的敏感物質(zhì)。Fe2＋、Mn2＋和Mg2＋有相近的離子半徑，所以常常取代白云石晶格中的Mg2＋，但Fe2＋、Mn2＋很容易被氧化，因此在氧化環(huán)境中形成的白云巖Fe、Mn含量要低于還原環(huán)境［30］，而具有較高Fe2＋、Mn2＋含量的白云巖反映其形成于深埋藏成因條件下的強(qiáng)還原環(huán)境［31～34］。區(qū)內(nèi)羅莊亞組白云巖具有較低的Fe、Mn含量特征，其中w （FeO）為0.019%～0.17% （平均0.064%）；w （MnO）為0.004%～0.014% （平均0.055），與具氧化和蒸發(fā)特征的近地表?xiàng)l件下 形成 的白云巖 （w （MnO）為 0.072%，w （Fe）為 0.043%［35］）接近。w （Fe2＋）／w （Fe3＋）在0～2.8 （平均0.32），亦表明白云巖形成于氧化條件下。

3.3 白云巖成因的地球化學(xué)特征

為了從各種復(fù)雜而零亂的數(shù)據(jù)中提煉成因信息，進(jìn)而探討區(qū)內(nèi)羅莊亞組白云巖形成的主控因素，筆者對(duì)區(qū)內(nèi)白云巖主元素做了R型因子分析，分析時(shí)設(shè)置最小特征值為1，經(jīng)方差極大正交旋轉(zhuǎn)，分析結(jié)果提取出海源因子和陸源因子2個(gè)主因子 （圖1）。

陸源因子（F2）：特征變量包含w（Al2O3）、w（K2O ）、w（TiO2）、w （Fe2O3）和w （P2O5），在變量主因子正交平面投影圖 （圖1）中，5個(gè)特征變量分布在同一區(qū)域，其中w （Al2O3）、w（K2O）與w （TiO2）的相關(guān)系數(shù)大于0.8 （表3）。它們主要賦存于陸源泥質(zhì)中，其中Al、Ti易被吸附于黏土礦物中，也是黏土礦物的主要組分，Al2O3較TiO2相對(duì)穩(wěn)定，極少受成巖作用和后期變質(zhì)作用的影響，其含量主要由陸源物質(zhì)輸入量決定。Al2O3總體含量不高，且不同樣品之間變化不大，推測(cè)原巖形成時(shí)陸源水體的供應(yīng)量較為穩(wěn)定。

圖1 主元素因子分析

海源因子 （F1）：特征變量包含w （MgO）、w （CaO）、w （SiO2）、w （Na2O）和w （MnO）等氧化物組合，方差貢獻(xiàn)率達(dá)35.36%。在變量主因子正交平面投影圖中 （圖1），5個(gè)特征變量分布在2個(gè)區(qū)域，F(xiàn)1的負(fù)軸方向是w （MgO）、w （CaO），F(xiàn)1的正軸方向是w （SiO2）、w （Na2O）和w （MnO），其中w （SiO2）與w （CaO）、w （MgO）之間呈明顯的負(fù)相關(guān) （相關(guān)系數(shù)大于0.9）（表3）。多數(shù)研究者［36，37］認(rèn)為w （SiO2）與w （CaO）的負(fù)相關(guān)是沉積環(huán)境中陸源物質(zhì)對(duì)碳酸鹽巖礦物沉淀抑制的結(jié)果。從分析結(jié)果看，羅莊亞組白云巖的SiO2為海源因子組分，與來(lái)自于陸源的Al2O3、K2O和TiO2之間沒(méi)有明顯的相關(guān)性，所以w （SiO2）與w （CaO）之間的負(fù)相關(guān)不是陸源物質(zhì)對(duì)碳酸鹽巖礦物的沉淀抑制的結(jié)果，它可能反映了pH值對(duì)碳酸鹽巖礦物沉淀的影響［38］。

表3 主元素相關(guān)系數(shù)

F1正軸方向的w （SiO2）、w （MnO）和w （Na2O）中，錳氧化物一般歸因于鐵錳結(jié)核沉積物或海底熱水活動(dòng)沉積物來(lái)源，而SiO2與生物或海底熱水活動(dòng)有關(guān)。野外調(diào)查和室內(nèi)研究證實(shí)，區(qū)內(nèi)發(fā)育大量的硅質(zhì)巖，呈薄層狀、條帶狀、結(jié)核狀和團(tuán)塊狀產(chǎn)出，以?shī)A層或互層產(chǎn)于白云巖中，屬熱液成因。相關(guān)分析顯示，w （SiO2）和 w （MnO）之間呈正相關(guān)，在w （Al）－w （Fe）－w （Mn）三角圖 （圖2）上，羅莊亞組部分白云巖樣品落在熱水成因區(qū)域。從微量元素的組成看，w （Rb）／w （Sr）偏低 （表2），顯示區(qū)內(nèi)白云巖沉積時(shí)有富鎂鐵物質(zhì)加入，說(shuō)明當(dāng)時(shí)存在強(qiáng)烈的擴(kuò)張裂解作用，從而導(dǎo)致熱液活動(dòng)頻繁。綜上所述，區(qū)內(nèi)白云巖形成時(shí)期可能有熱水參與了沉積作用。

F1負(fù)軸方向的w （MgO）、w （CaO）最高，二者都是白云巖沉積所必需的物質(zhì)，w （MgO）為18.29%～22.51% （平均21.74%），w （CaO）為25.28%～31.19% （平均30.32%），與理想的白云巖中化學(xué)計(jì)量值 （w （MgO）為21.7%，w（CaO）為30.4%）十分接近。

白云石 （CaMg（CO3））形成的化學(xué)反應(yīng)主要有：

圖2 w （Al）－w （Fe）－w （Mn）三角圖

從反應(yīng)方程式可以看出，式 （1）白云石直接從水溶液中沉淀，形成的是沉積型原生白云巖；式（2）白云石是方解石或文石中的Ca2＋被Mg2＋交代，形成的是交代型成巖白云巖。從理論上講，式 （1）白云石的形成過(guò)程中，有多少M(fèi)g2＋進(jìn)入晶格，就有多少Ca2＋進(jìn)入晶格，因此其Ca2＋、Mg2＋含量之間為線性正相關(guān)；式 （2）則相反，有多少M(fèi)g2＋進(jìn)入白云石晶格，相應(yīng)的就有多少Ca2＋被置換出來(lái)，因此交代白云石的Ca2＋、Mg2＋含量之間為線性負(fù)相關(guān)。在w （MgO）－w （CaO）散點(diǎn)圖 （圖3）上，區(qū)內(nèi)樣品集中分布在理想的白云巖區(qū)域，具有明顯的線性正相關(guān) （相關(guān)系數(shù)0.914）（表3），幾乎與理想白云巖沉積曲線重合，反映出羅莊亞組白云巖具有原生沉積成因的地球化學(xué)特征。

4 結(jié)論

1）研究區(qū)羅莊亞組白云巖主要為泥晶－粉晶級(jí)的白云石，保存較好的原生顯微沉積構(gòu)造，w （Mn）／w （Sr）平均2.53，受成巖改造影響弱，其地球化學(xué)組成反映了白云巖形成流體和環(huán)境的地球化學(xué)特征。

2）白云巖具有較低的成巖溫度，碳、氧同位素和微量元素Sr分析得到的成因溫度分別為40℃和31.7℃，結(jié)合區(qū)域地層資料、區(qū)域構(gòu)造演化史推測(cè)其形成時(shí)間為羅莊亞組沉積時(shí)期，屬同生白云巖。

3）羅莊亞組白云巖與形成于正常海水的白云巖中w （Na2O）接近，碳、氧同位素計(jì)算的鹽度指數(shù)和鹽度也顯示白云巖形成于正常海水鹽度環(huán)境。

4）白云巖具有較低的Fe、Mn，w （Fe2＋）／w （Fe3＋）平均為0.32，表明白云石化發(fā)生在地表－近地表?xiàng)l件的氧化條件下。

5）因子分析提取到陸源因子和海源因子。海源因子中，w （SiO2）和w （MgO）、w （CaO）呈負(fù)相關(guān)，可能與pH值對(duì)海源沉積作用的控制有關(guān)。w （MgO）和w （CaO）呈正相關(guān)，顯示白云石是沉積成因而非交代或重結(jié)晶成因。

圖3 w （MgO）－w （CaO）散點(diǎn)圖

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