碳酸盐成岩作用研究现状与前瞻_黄思静

第16卷第5期2009年9月
地学前缘(中国地质大学(北京);北京大学)
Earth Science Frontiers (China U nivers ity of Geos ciences(Beijing);Pek ing U nivers ity)Vol.16No.5Sep.2009
收稿日期:2008-09-18;修回日期:2009-03-18
基金项目:国家自然科学基金项目(40839908,40672072)
作者简介:黄思静(1949)),男,教授,博士生导师,从事沉积地质学的教学和科研工作。

E -mail:h sj@
碳酸盐成岩作用研究现状与前瞻
黄思静, 张雪花, 刘丽红, 郇金来, 黄可可
油气藏地质及开发工程国家重点实验室;成都理工大学沉积地质研究院,四川成都,610059
H uang Sijing, Zhang Xuehua, Liu Lihong, H uan JinLai, H uang Keke
S tate K ey L aborator y of Oil/G as Re serv oir Ge olog y and Ex ploitation;Institute of S ed imen tary Ge ology ,Ch eng du Univ er sity of T echnol -ogy ,Cheng d u 610059,China
Huang Sijing,Zhang Xuehua,Liu Lihong,et al.Progress of research on carbonate diagenesis.Earth Science Frontiers ,2009,16(5):219-231
Abstract:Car bo nate diag enesis is o ne of the most active fields in sedimento lo gy.T he related research r esult s dir ectly influence peo ple p s under standing abo ut the fo rmatio n mechanisms of car bonate o il/gas reserv oir s and str ata -bo unded deposits.In recent year s,carbonate diag enesis has g otten prom inent achievements in many fields,including the fo llow ing aspect s.(1)M an has succeeded in precipit ating the dolomite w ith super -struc -ture reflect ion under the conditions of bacterial sulfate reduct ion env ir onment o f sea water (lag oo n)at nor mal temperature.(2)H ydro ther mal do lo mitization as the main mo del becomes the focus of the study.Peo ple come to an under standing that hydro thermal dolomite reserv oir s,sedimentary ex halative (SEDEX)P b -Z n deposit s and M ississippi v alley ty pe (M V T )o f P b -Z n deposits hav e similar for matio n mechanisms.T hey are all con -tro lled by t he tectonics (ex tensional o r/and strike -slip (w rench)faults)and fluid flow.(3)M or e attention is being fo cused o n the deep -bur ial closed -sy stem do lom itizatio n.Some dolomit izat ion of pr act ical significance to the oil/gas reserv oir and to the str ata -bo unded deposits mainly o ccurr ed in closed system,which is differ ent fr om the o pen sy st em in t he contributio n to the chang e o f r eser voir space and the co rresponding g eochemical in -dex.(4)M ix ing -zone model fo r do lom itizatio n is being questioned.T he ty pical D orag mo del in W isconsin of U SA is restudied.Based o n the studies using the fluid inclusions method,cathodolum inescence analysis,t hin section ident ificatio n,and stable iso tope test ing ,and co mbined w ith or ganic maturit y data,w e co ncluded that the water -ro ck inter act ion relating to dolo mitization is caused by t he co ncentrated br ine relating to increasing temperature.T he do lo mitizatio n resulted fro m hydro thermal diagenesis.(5)T he meteor ic diag enesis mecha -nism is being challenged.T he r ecent r esear ch show s that larg e -sca le sea lev el low stands may no t have chem-i cally activ e meteoric lenses.T he mar ine environment can produce mature limest one.T he sea w ater can be un -der satur ated w ith r espect to carbo nate by the r esult o f bacter ial sulfate reductio n,which challeng es a number o f cur rent diag enetic paradig ms.(6)St rontium isoto pe is widely applied to the study o f mar ine car bo nate.D if -ferent fro m the ox yg en and car bo n isoto pe which has fr act ionatio n affected by temper ature,pressur e and m-i crobia l action,st rontium iso tope of miner al can dir ect ly reflect the iso topic com position o f fluid.M eanwhile,the mar ine str ontium isoto pe in g eolog y histor y has particular lo ng time trends,w hich make the tr acing of ma -rine carbonate str ontium iso tope com position be widely used in t he po st -sedimentary fluid.(7)Influence of su-l
fate r eductio n on car bo nate diagenesis has been paid more attention,w hich include the decr ease of kinetic inhib-ito r fo r dolo mitization or do lomite pr ecipitatio n,the dissolution and a lterat ion o f carbonate r eser vo irs by H2S and CO2that are the pro ducts o f T SR,and the increase o f the content of stro ntium in diagenetic po re w ater to fo rm celestite depo sits.
Key words:carbonate diag enesis;o rig in o f dolomit e;diag enet ic envir onment;str ontium isotopic tracer;sulfate r eduction
摘要:碳酸盐成岩作用是沉积学最为活跃的领域之一,与之有关的研究成果会直接影响人们对碳酸盐油气储层形成机制和层控矿床形成机制的理解。

近年来,碳酸盐成岩作用在多个领域取得了令人瞩目的研究成果,主要包括以下几个方面:(1)实验室沉淀白云石获得成功:人们模拟海水(泻湖)条件下的细菌硫酸盐还原环境,在常温下沉淀出具有序反射的白云石。

(2)热液白云化作为新的主流模式成为关注的热点:人们已认识到热液白云岩储层、沉积-喷流型铅锌矿床和M ississippi河谷型铅锌矿床具有共同的形成机制,它们均受构造(伸展、走滑构造)和热流体流动的强烈控制。

(3)深埋藏条件下封闭系统的白云化作用受到关注:一些对油气储集空间和层控矿床有较大意义的白云化作用主要是在相对封闭条件下发生的,在对岩石储集空间的变化的贡献上以及在相应的地球化学指标上不同于开放条件下的白云化作用。

(4)混合水白云化模式受到质疑:人们重新研究了作为混合水白云化典型地点的美国威斯康星弧碳酸盐的成岩作用,根据流体包裹体分析、阴极发光分析、偏光显微镜观察及稳定同位素分析等方法并结合有机物成熟度的数据,得出威斯康星弧与白云化有关的水-岩相互作用是由与温度升高有关的浓卤水导致的,白云化作用是热水成岩作用的结果。

(5)淡水环境的成岩机制受到挑战:新近研究证明,大范围的低位体系域中可以没有具化学活性的淡水透镜体,海水环境同样可以产生成熟的石灰岩,细菌硫酸盐还原作用可以引起海水对碳酸盐的不饱和。

(6)锶同位素在海相碳酸盐研究中的广泛应用:由于锶同位素不像氧、碳同位素那样因温度、压力和微生物作用而分馏,矿物可直接反映流体的同位素组成,地质历史中海水锶同位素组成也具有独特的长期变化趋势,这使得海相碳酸盐的锶同位素组成在沉积期后流体示踪中得到广泛应用。

(7)硫酸盐还原作用对碳酸盐成岩作用的影响受到重视:如BSR和T SR可减小SO2-4对白云石沉淀(或白云化)的动力学屏障,其产物H2S和CO2可在不同条件下对碳酸盐储层产生影响,BSR和T SR可提高成岩流体锶含量,甚至在形成天青石矿床中也具极大的潜在价值。

关键词:碳酸盐成岩作用;白云岩成因;成岩环境;锶同位素示踪;硫酸盐还原作用
中图分类号:P5881245文献标志码:A文章编号:1005-2321(2009)05-0219-13
碳酸盐岩至少在以下4个方面不同于陆源碎屑岩:(1)颗粒的盆内成因;(2)对生物的强烈依赖性;
(3)在体积上有意义的碳酸盐储集体主要形成于海平面上升过程,而不像碎屑岩那样主要形成于海平面下降过程;(4)对于成岩作用的强烈敏感性。

在碳酸盐储层和以碳酸盐作为主岩的矿床研究中,尤其是在储层质量评价和预测研究中,碳酸盐对于成岩作用的强烈敏感性显得尤为重要,这是因为与各种成岩机制有关的次生孔隙是碳酸盐最为主要的储集空间,全部由次生孔隙构成的碳酸盐储集体屡见不鲜,有时甚至会出现孔隙颠倒的现象:沉积时的颗粒全部变成孔隙,而沉积时被流体占据的孔隙则全部变成胶结物(如波斯湾滨外二叠系Khuff组的颗粒灰岩[1])。

在碳酸盐岩的3种主要储层类型(礁滩相储层、喀斯特储层和白云岩储层)中,虽然礁、滩相储层具有强烈的原生成因,但很多优质的礁、滩相储层都叠加有白云岩化作用和其他成岩作用的改造,如果礁滩相灰岩不白云化,或没有成岩过程的溶解作用,则储层质量相对较差,国内典型的实例是四川盆地东北部三叠系飞仙关组的鲕滩白云岩储层和二叠系长兴组的礁白云岩储层[2-5]。

另外,在以碳酸盐作为主岩的金属矿床中,以白云岩作为主岩的Missis-sippi河谷型(M VT,全文相同)铅锌矿床和以石灰岩或白云岩作为主岩的天青石矿床(如四川盆地东部三叠系)[6-12]的形成机制都强烈地与成岩作用有关。

这些都说明,碳酸盐成岩作用在石油地质学和矿床地质学等应用地质学领域的重要性。

近年来,碳酸盐成岩作用研究显得十分活跃,在多个领域取得了令人瞩目的研究成果,并直接影响了人们对碳酸盐油气储层形成机制和层控矿床形成机制的理解。

本文对碳酸盐成岩作用的一些重要研究进展进行了总结,尤其强调了一些对我们过去传统模式具有挑战性的新理念,它们可能并不全面,有些还有待时间的检验,但在我们进行碳酸盐成岩作用研究时,
尤其是当我们应用传统模式解释碳酸盐成岩过程时,借鉴这些新的研究成果是非常有价值的。

1 低温条件下合成白云石获得成功
人工合成白云石的实验已有近100年历史,最早的实验研究是1913年Spangenberg [13]
完成的,还
有1916年Van
[14]
的研究,有些文献我们已很难直
接阅读。

Braithw aite 等[15]
将Van
[14]
的工作称为白
云石研究的里程碑。

半个多世纪以来,众多科学家在白云岩成因和人工合成白云石的领域做了大量令世人瞩目的工作。

20世纪50年代,人们已在白云石的人工合成工作中取得了不少成就,Graf 和Goldsmith
[16]
在200e 左右的温度条件下从热液中
合成了白云石,以后的工作还包括Baron [17]和Med -lin [18]的实验,他们都在150~200e 的温度条件下合成了有序的白云石。

然而这些实验都显著高于自然界天然白云石的形成温度,很多天然产出的白云石都没有经历过100e 以上的温度,但具有超结构反射。

2004年,Wright 等[19]在地表条件下模拟含有白云石的库隆湖水通过实验沉淀出了白云石(图1,2),实验条件是常温常压,实验总时间(加上细菌培养)大致为22周,从实验中获得的白云石存在有序反射,因而是真正的白云石(图2)。

该实验表明,与硫酸盐还原作用有关的微生物地球化学条件是沉淀出白云石的基本要素。

2 热液白云化作为新的主流模式成为
人们关注的热点
现在,人们对热液(hy drothermal)的定义基本上是统一的,White [20]的定义是/比周围环境稍热(5e 或更多)的水或有关的水0;Davies 和Smith [12]的定义是/进入宿主地层中的、温度高于主岩温度的流体或矿物,它代表了地热异常,并要求有一个流体运动的机制或通道,常与断层和/或裂隙相关0。

有关热液白云石的定义也没有多大争议,白云石形成的温度在定义中并不是主要的,而与围岩的温度差反而是主要的。

无论是Davies 和Sm ith [12],还是Machel 和Lonnee [21]对热液白云岩的定义中,
都强调了热液白云石的形成温度需要高于围岩。

M achel 和Lonnee [21]的定义可能更严格一些,他们
认为只要矿物的形成温度高于(5~10e )环境温度
就能被称为热液成因的,不管这种流体来源和驱动机制如何。

按照这个定义,40e 温度条件下形成的白云石也可能是热液成因的(如果在地表的环境温度条件下);如果矿物形成温度等于或接近围岩温度,不管其沉淀的实际温度多高,其都被认为是地热成因的(图3);与之相反,如果形成温度明显低于环境温度(低5~10e )的矿物可被称作冷水成因的,即使它们的实际形成温度很高。

热液白云岩研究历史最长、资料积累最丰富的是北美地区的Michig an 、Appalachian 及美国和加
拿大东部其他盆地的奥陶系(局部有志留系和泥盆系),尤其是西加拿大沉积盆地(WCSB)的泥盆系,碳酸盐岩的约90%为白云岩。

人们对其的高度关
图3 热液、地热(形成于与围岩温度处于热平衡
的环境)和冷水矿物的形成作用
(据文献[21])
Fig 13 H ydroth ermal,geothermal (formed in thermal
equilibrium w ith the surr ou nding rocks),
an d hydr ofrigid mineral formation
注已有近50年[21],各种已有的白云化模式(如蒸发泵、混合水模式和渗透回流模式等)都曾被用来解释这些白云岩的成因。

但研究结果表明,这些白云岩中的大多数都不能用这些已有模式来进行合理解释。

现在,虽然人们在这里提出了很多与热液白云岩成因机制有关的重要理念,但与白云化作用有关的M g 的来源和相应的质量平衡问题仍然没有解决。

在北美地区(也包括澳大利亚西部Canning 盆地Lennard 陆棚的泥盆系),热液白云岩储层和沉积-喷流型(SEDEX)铅锌矿床以及以热液白云岩作为主岩的M ississippi 河谷型(MVT )铅锌矿床共生,表明这3种热流体矿床(也把热液白云岩储层看作矿床)是有联系的,这是北美地区热液白云岩储层的一大特色(图4)。

这3种热流体矿床的共性包括:(1)均受构造(伸展、走滑构造)强烈控制;(2)从盆地的外侧到碳酸盐台地边缘之间有活跃热流体流动;(3)SEDEX 的存在表明,伴有高热流的伸展构造背景(包括弧后伸展背景)中常有火山作用。

基于这些共性,我们可以把沉积盆地中SEDEX 和/或M VT 矿床的出现作为盆地演化某阶段热液活动的标志,通过对SEDEX 和M VT 矿床有关标志的研究,来提高热液白云岩储层的勘探成功率,比如说,由于SEDEX 是同沉积的,我们就可直接确定与之有关的活动断层和热液流体流动的时间(图4)。

我国南方海相碳酸盐与北美的热液白云岩储层有很多相似之处,但也存在一些根本的差别,在我国
华南碳酸盐岩地层中,同样发育有SEDEX 或M VT
图4 三种低温沉积热液矿床示意图
(据文献[12])
Fig 14 S chematics of three low -tem perature
sedimen tary hydrothermal deposits
(1)以页岩作为主岩的沉积喷流型(S EDEX)铅锌矿床;(2)以热液白云岩作为主岩的(M VT )铅锌矿床;(3)热液白云岩储层相。

菱镁矿作为补充的沉积热液矿床
铅锌矿床[6-9]
,包括广西、湖南、四川、云南、贵州等省
的前寒武)寒武系、泥盆系以及石炭)二叠系等,但这些地区的相应层位中都没有发现值得人们关注的或有价值的热液白云石储层;而有良好白云石储层发育的上扬子三叠系飞仙关组、二叠系长兴组等地层中,则没有发现有价值的以白云岩作为主岩的铅锌矿床或其他层控贱金属矿床。

因而北美的热液白云石储层的形成模式是否可用于我国上扬子地区的白云岩储层仍值得深入研究。

3 深埋藏条件下封闭系统的白云化作用受到关注
多年来,人们提出了不同的白云化模式来解释交代白云岩的成因[22],大多数已有的白云化机制主要是基于近地表成岩条件建立的,成岩时间包括了准同生和浅埋藏成岩阶段。

如渗透回流模式[23-24]、蒸发泵模式[25-26]和混合水白云化模式[27-29]等。

然而,一些对油气储集空间和层控矿床有实际意义的白云化作用可能主要是在相对深埋藏成岩过程的封闭条件下发生的,温度可以仅仅是地热温度,按Davies 和Sm ith [12]、Machel 和Lonnee [21]的定义,它们也不是热液白云化作用。

人们很难找到成熟的模式来解释埋藏成岩过程中,尤其是深埋藏过程中的白云化作用。

深埋藏成岩过程比人们已有深刻理解的地表成岩环境更为复杂,温度、压力、CO 2分压、流体pH 值、Mg 离子的来源、系统的开放性和封闭性
及受控因素都与近地表条件具有显著差别。

黄思静等[10]提出:发生在近地表开放系统中的白云化作用主要按化学反应:CaCO 3+CO 2-3+M g 2+=CaM g (CO 3)2进行,而发生在封闭系统中的白云化作用主要按化学反应:2CaCO 3+M g
2+
=CaM g (CO 3)2+
Ca 2+进行,它们对岩石储集空间的变化以及对相应的地球化学指标也具有完全不同的影响。

近地表开放体系中的白云化过程有大气CO 2和大气水的介入,白云化过程不会造成孔隙流体锶含量的显著增
加,但白云石的锰含量较高,D 13
C 值较低(有大气
CO 2加入),D 18
O 值较高(与相对低温成岩环境有关),这种开放体系中的白云化(或白云石沉淀)作用,对油气储集空间和与成岩过程元素迁移有关的沉积层控矿床的形成没有多少实际意义。

发生在封闭系统中的白云化属于就地白云化作用,该过程可造成埋藏成岩体系流体锶含量的增加,同时白云石
的D 13C 值较高(与同期海水接近),D 18O 值较低(更
多的与深埋藏高温条件下的同位素分馏有关),白云化作用会造成岩石储集空间的增加,并可能与某些沉积层控矿床的形成有关。

我国四川盆地东北部三叠系飞仙关组地层中的优质白云石储层主要形成于深埋藏条件
[30]
,并受热
化学硫酸盐还原作用影响,白云岩具有结晶结构,原始沉积组构保存较少(这不同于那些在相对低温条件下形成的原始结构保存的白云岩,图5),氧同位素组成偏负,碳同位素组成和锶同位素组成接近同期海水,锰含量偏低,包裹体均一化温度很高(100
e 以上),同时地层中伴生高锶高温的成岩流体[10-11],但我们难以找到一个现存的成熟模式来解释其成因,这种深埋藏白云岩的形成机制,尤其是存在热化学硫酸盐还原作用地层中深埋藏白云化作用的机制,已受到人们的极大关注。

4 混合水白云化模式受到质疑
混合水白云化模式影响我们多年。

Badiozam a -ni [27]提出用/Do rag 0(波斯语/混血0之意)模式(即混合水白云化模式)解释威斯康星弧Sinnipee 群奥陶系碳酸盐岩,尤其是Platteville 组的M ifflin 段白云岩的分布和地球化学特征。

因而威斯康星弧成了古代岩石中/Dorag 0白云化作用的典型地点。

近年来Luczaj
[31]
重新研究了威斯康星弧碳酸盐的成岩作
用,对作为经典模式的混合水白云化作用提出了完全不同的意见。

他认为,该地区的白云化作用是热水成岩作用的一个实例。

根据流体包裹体分析、阴极发光分析、偏光显微镜观察、稳定同位素分析等方法并结合有机物成熟度的数据,得出威斯康星弧与白云化有关的水-岩相互作用是由与温度升高有关的浓卤水导致的,这与区域M VT 矿床以及钾硅酸盐矿物的成岩作用是同时期的。

Luczaj
[31]
重新对混
合水白云化进行评估,排除了威斯康星州构造弧附近普遍存在的白云化模式为混合水白云化的可能性。

其中这样几点是最为重要的:
(1)从白云岩的分布来说,
混合水白云化应沿构
图5 川东北罗2井三叠系飞仙关组白云岩显微照片
(据文献[30])
Fig 15 Ph otomicrograp hs of different ty pes of dolomite in Feix iangu an Formation,EN Sichuan of C hina
(a)具原始结构的粒屑白云岩,321315m;(b )结晶白云岩,325415m 。

均为铸体薄片,单偏光
造高地发育,即沿平行于威斯康星弧的部分地区白
云化,因为这些地区有近地表暴露;但Luczaj[31]的观察与解释是:威斯康星弧的东部完全白云化,这与构造位置无关,沿弧地带为部分完全白云化,弧的西部零星白云化,白云化一直延伸到M ichig an 盆地。

(2)按照混合水模式,白云石应在混合带交代和沉淀,同时伴随方解石溶解。

但Luczaj[31]的观察与解释是:威斯康星弧白云石的交代和沉淀与M VT 矿化作用密切相关。

(3)按照混合水模式,每个近地表暴露事件应造成不同的阴极发光环带,阴极发光环带的分布应限于与弧平行的暴露区。

但Luczaj[31]的观察与解释是:威斯康星东部的区域性阴极发光环带可一直追溯到Prairie du Chien和Sinnipee群,志留系也有发现,而威斯康星西南部则有不同的阴极发光环带[32]。

(4)混合水模式的白云石流体包裹体应该记录低的温度(所有的流体包裹体的均一化温度都应小于50e)。

但Luczaj[31]的观察与解释是:威斯康星弧白云石流体包裹体记录了较高的温度(两相流体包裹体均一化温度为82~100e)。

(5)混合水模式白云石流体包裹体所含水的盐度应在淡水与海水之间(冰点温度为0~-119e),而威斯康星弧白云石和伴生热液矿物流体包裹体含有较高密度的卤水,盐度(质量分数)13%~28%(冰点温度为-1619~-1918e,或水石盐是最后转化相)。

M elim等[33]记录的大巴哈马滩和佛罗里达南部混合带全岩样品的氧同位素值也在淡水的负值(D18O=(-312?017)j)和海水的正值(D18O=(+ 110?013)j)之间变化。

(6)据Badiozamani[27]报道,M ifflin段D18O的范围为-4j~-515j,但Luczaj[31]的观察与解释结果是D18O在-8164j~-2188j的范围内,与热液白云岩一致[34]。

(7)混合带白云化的重要理论支持是要求混合水相对CaCO3不饱和,而相对白云石过饱和。

然而,Melim等[33]对巴哈马滩和佛罗里达南部近地表混合带成岩作用的研究也表明,混合带不含白云岩,但该环境相对文石是不饱和的,因为铸模孔到处可见,因而巴哈马和佛罗里达的实例也质疑了混合带白云化作用。

5淡水环境的成岩机制受到挑战
淡水成岩环境是海相碳酸盐岩重要的成岩环境。

1980年由Longm an[35]建立的近地表条件下碳酸盐成岩模式对碳酸盐成岩作用及其与储集空间演化关系的研究产生了非常深远的影响。

该模式将近地表条件下碳酸盐成岩环境划分了从沉积)海水潜流)淡水潜流)淡水渗流等环境中的7个成岩阶段,这对于解释准同生)早成岩过程碳酸盐的胶结作用和次生孔隙形成机制具有非常重要的意义。

可以说,该模式及相应的派生模式影响了我们一代人。

Longm an[35]模式的核心内容是:(1)海水对碳酸盐矿物(方解石或文石)是过饱和的,因而没有碳酸盐矿物的溶解作用,主要的成岩作用是颗粒的泥晶化、高镁方解石或文石的胶结作用;(2)文石或高镁方解石的新生变形作用只能在淡水环境中发生,或者是只有淡水环境中才能形成成熟的石灰岩;(3)淡水对碳酸盐矿物(方解石或文石)可以是不饱和的,因而碳酸盐的溶解作用主要发生在淡水成岩环境。

人们如此重视近地表条件下大气水成岩环境的原因,是由于新近系到第四系海平面的变化导致了大多数年轻的浅海沉积物受到大气淡水作用的影响,从而使人们认为碳酸盐成岩作用也主要受大气淡水的控制。

然而新近的研究证明,沉积物所经历的这种条件不能完全代表所有的地质历史,越来越多的研究成果对淡水成岩环境的成岩机制提出了挑战[33,36],主要包括以下几个方面:
(1)大范围的海平面下降并不一定产生具化学活性的大气水透镜体。

M elim等在2002年和2004年[33,36]通过对更新世低水位滩体顶部岩心的检测研究显示,并没有发生大气水成岩作用,在这个实例中,具有活性大气水透镜体仅延伸至地表以下10 m处,因此,如果我们只用大气水成岩作用来追踪海平面变化,则可能会错过一些大规模的海平面变化事件。

(2)海水埋藏成岩作用的组构可以和大气水成岩作用具有相似性。

许多被认为是大气水成岩作用的组构在海水埋藏环境中也可以存在(已有氧同位素数据表明,其成岩蚀变发生在海源孔隙水中),如斑块状亮晶方解石胶结物、铸模孔、新生变形和微亮晶等。

在相对开放条件下可以有文石的溶解,但并没有大量的胶结物,而在相对封闭条件下,有文石溶
解的同时也有方解石的胶结作用;海水埋藏环境的组构与大气水环境组构的相似性,主要是由海水浅埋藏环境中文石被选择性溶解造成的。

孔隙水的演化向低M g/Ca 比值方向移动,较低的M g/Ca 比值造成等轴粒状亮晶方解石沉淀(斑块状亮晶和微亮晶)。

因此,原来被认为是大气水成岩环境的组构也受到质疑,这些组构不能单独用来确定大气水成岩环境。

另外,在海水埋藏环境中,有机物通过细菌(通过硫酸盐)的氧化作用也可以使海水变得对碳酸盐不饱和。

(3)海相孔隙流体中蚀变的沉积物中的锶含量可以有较大范围的变化,这在过去被认为是不同环境造成的,因而我们不能简单地用锶含量判断环境。

实际上,在封闭系统中,海水埋藏成岩作用中的高锶被认为是文石的溶解释放到孔隙流体中造成的;而开放系统的海水埋藏成岩过程中的相对低锶应该是体系中的锶被冲刷带走的结果。

因而要谨慎使用锶含量来判断成岩环境。

这提醒我们,川东北飞仙关组高锶流体的存在可能是相对封闭系统中的文石新生变形、相对封闭系统中的白云化作用以及硫酸盐还原作用共同的结果[10-11]。

(4)在大气水和海水的混合成岩环境中,可以观察到沉积物从富文石的碳酸盐岩蚀变为低镁方解石的过程,混合带形成的碳酸盐岩的组构也可以与淡水和海相埋藏成岩作用带相似,包括铸模孔、斑块状亮晶到犬牙状方解石胶结物,并且灰泥重结晶为泥晶和微亮晶,混合水成岩作用带中存在文石的溶解和少量低镁方解石的胶结作用,但没有出现按混合水成岩模式所预测的洞穴式孔隙和白云化作用。

6 锶同位素在碳酸盐岩研究中得到广
泛应用
氧、碳、硫同位素作为传统的地球化学手段曾在20世纪50年代以后的半个世纪中为推动碳酸盐沉积学及有关的储层和矿床研究作出了巨大贡献。

80年代以后,随着锶同位素分析技术和分析精度的提高,以及人们对海水锶同位素组成在碳酸盐岩中的保存条件和相应成岩作用的理解,锶同位素在海相碳酸盐领域得到了非常广泛应用。

碳酸盐岩的锶同位素组成之所以可以作为流体研究参数的原因主要有两点:(1)锶同位素不像氧、碳同位素那样因温度、
压力和微生物作用而分馏[37],矿物可直接反映流体
的同位素组成而基本上不存在矿物和流体间的同位素分馏;(2)由于锶在海水中的滞留时间(U 106a)大大长于海水的混合时间(U 103a),因而任一时代全球范围内海相锶元素在同位素组成上是均一的[38],这造成了地质历史中海水的锶同位素组成具有独特的长期变化趋势[39-40],这为人们进行沉积期后流体的示踪研究提供了一个非常有意义的背景值。

一些研究者在这方面为我们提供了非常有借鉴意义的研究成果。

Qing 等
[41]
对地中海西部Gibr a-l
tar 早侏罗世潮坪碳酸盐白云化作用的研究是有关实例之一。

地中海西部Gibraltar 早侏罗世碳酸盐台地存在厚层块状白云岩,但缺乏厚层的蒸发盐沉积,表明白云化时海水并没有达到石膏沉淀时的盐
度。

Qing 等通过Gibraltar 组白云岩、腕足类壳以及早侏罗世海水87Sr /86Sr 比值的对比研究,结合氧、碳同位素、阴极发光和其他研究手段,揭示了G-i br altar 组碳酸盐岩的白云化作用发生在海源流体中(图6),但其盐度低于海水,由大致在500m 埋藏深度条件下多阶段白云化作用形成。

这说明盐度低于海水的流体可以在厚层潮坪碳酸盐岩中产生块状
图6 侏罗系G ibraltar 组石灰岩、细-中晶白云
岩的87Sr/86Sr 和D 18
O 投点图
(据文献[41])
Fig 16 Cross -plot of
87
Sr/86S against D 18O of Gib raltar
limestones and fin e -mediu m dolom ites 该图显示白云岩、Gibraltar 组腕足以及早侏罗世海水87Sr/86Sr 变化范围的相对关系
白云化作用,这是一种早成岩阶段的白云化模式,同时也说明白云化作用可以由海水或具有广泛盐度的改变海水(正常海水、低盐度海水和超盐度海水)产生。

Stein 等[42]的研究则提供了一个作为更老岩石的白垩系岩墙对上新世泻湖海水同位素组成影响的实。