《沉积岩成岩作用》作业

《沉积岩成岩作用与成藏》读书报告：

白云石化作用的主要机理

学院：沉积地质研究院

学号：2012010129

姓名：刘钟森

授课教师：黄思静

近年来，中国在海相碳酸盐岩中的油气勘探不断取得突破，特别是在白云岩储层中发现了若干大型(油)气田，如塔里木盆地和田河气田、鄂尔多斯盆地苏里格气田、四川盆地普光超大型气田等，另外塔里木盆地轮南2塔河大油田中也有部分储层为白云岩。就世界范围看，高达50%的碳酸盐岩储层是白云岩，北美碳酸盐岩中的油气80%以上储存在白云岩中（Zenger D H等，1980），在前苏联、欧洲西北部和南部、非洲南部和西部、中东及远东地区，也发现了大量白云岩油气储层（Sun S Q等，1995）。因此，要想在中国300多万平方公里的碳酸盐岩发育地区取得油气勘探的更大突破，对白云岩储层成因及其发育规律的认识成为关键性课题之一。实际上，白云岩问题早在200多年前就有人对其进行过研究，但目前仍没有查清白云岩的形成条件和机理，对相关的地质模式也存在较多的争议。

在现代沉积环境中几乎见不到原生白云石(岩)，实验室也难以在地表温压条件下合成白云石，但古地层中却发育大量白云岩。因此，要解决白云岩的成因问题，首先要确定大量古地层中的白云岩是原生沉积(淀)的还是次生交代的，进而要弄清白云石不能直接沉淀的机理，还要说明发生次生交代作用的富Mg流体的来源，最终要为富Mg流体如何与先期形成的钙质碳酸盐岩相互作用提供地质与水文地质模型。上述问题既是白云岩成因研究也是白云岩储层研究所涉及的关键性问题。结合前人研究成果，对目前较为流行的学说或机理进行阐述和讨论。一、白云石化作用的主要机理

（一）原生沉淀作用

关于白云岩的成因问题，人们最关心的是在近代碳酸盐沉积物中，是否有真正的原生的白云石，即是否真正有以化学沉淀的方式从水体中直接沉淀出来的白云石。现在，在常温、常压的条件下，在实验室中尚未合成出真正的、化学计量的白云石。

澳大利亚南部考龙泻湖中的原生白云石是在水很咸、PH值很高、植物很茂盛的条件下形成的。通过光合作用，植物从水中吸取CO2，从而使水的PH值增高，这就促使白云石沉淀。奥尔德曼和斯金纳（Alderman and Skinner，1957）曾注意到，孤立的湖水由于受慢慢下沉的细而白的沉淀物的影响，有时竟然变白了。这种白色的悬浮物已被确定，它们是很细的高镁方解石和富钙白云石的混合物。

（二）毛细管浓缩作用—准同生白云石化作用

在现代的热带地区的潮上带，例如在波斯湾南岸的潮上带，在其表层的碳酸盐沉积物中，正在进行着准同生的白云化交代作用。

这些刚沉积不久的表层沉积物，主要是文石。这些沉积物还是疏松的，其粒间充满着水。这些粒间水，在开始阶段是正常的海水。由于该地区气候干热，蒸发作用强烈，这些粒间水就不断地向空气中散发。与此同时，海水又通过毛细管作用，源源不断地补充到这些疏松沉积物的颗粒之间。久而久之，这些粒间水的含盐度就变大了，正常的海水就变成了盐水。从这种盐水中首先沉淀出来的是石膏，也可能还有一些其它盐类矿物。在波斯湾南岸的广大潮上地带，这些膏盐沉积物十分发育。这种潮上带经常是干的，但在低凹地区也可积水成为盐水沼泽，阿拉伯语“萨布哈”（Sabkha）就是指这种潮上的盐沼池（图1-A所示）。

图1 白云石化流体通过沉积物时产生白云石化机理模式图

（据Tucker，1991，转引至姜在兴，2003）

石膏的沉淀使粒间水或表层积水的Mg/Ca比率大大提高。正常海水的Mg/Ca 比率约为3：1~4：1，而干热地区潮上地带表层沉积物的粒间水或表层积水，其Mg/Ca比率可达20：1，甚至更高。这种高镁的粒间水或表层水经常与文石颗粒相接触。将不可避免地使文石被交代，被白云石化，即使文石转变为白云石。现代潮上地带的白云石壳就是这样生成的。所谓“准同生”，指刚沉积不久尚未脱离沉积环境就被交代的意思。Friedman（1967）把这一作用称为“毛细管浓缩作用”，Hsu and Siegenthaler（1969、1971），把这一作用成为“蒸发泵作用”。

（三）渗透回流白云石化作用

在潮上地带，由于毛细管浓缩作用或蒸发泵作用所产生的高Mg/Ca比率的粒间盐水，所引起的表层碳酸钙沉积物的准同生白云石化作用，只是白云石化作用的一个方面，即高镁盐水“向上”运动的一个方面。另外，还有其“向下”运动的一个方面。

在潮上地带形成的高镁粒间盐水，当其对表层沉积物的白云石化基本完成时，产生这种高镁盐水的地质条件还仍然持续存在。由于这种高镁盐水的相对密度较大，当地表无出路时，其向下渗透回流是必然的。这种向下渗透回流的高镁盐水，在其穿过下伏的碳酸钙沉积物或石灰岩时，必然会使它们白云石化，从而形成白云岩或部分白云石化的石灰岩（图1-B、C）。

（四）混合白云石化作用

该模式是由Hanshaw于1971年在研究Florida Aquifer三叠纪灰岩中的地下水及白云石化作用时首先提出的，他们认为在地下水之下的半咸水是一种潜在的白云石化流体（镁离子由海水提供），激烈的地下水运动使之通过灰岩而形成白云岩，常为含明亮白云石和钙质残余的钙质白云岩。该模式的特点是：如果与淡水混合的海水的Mg/Ca（摩尔体积比）大于或等于5.2，则混合水对海水中的化学动力障碍就会消除，有利于白云石化作用（Badiozamani，1973）。如Caribbean-Bahamas地区，上新世至渐新世白云石广泛发育，被认为是混合白云石化作用的产物。

混合白云石化作用主要取决于白云石化流体的有效运动，水的激烈循环与泵吸作用相当重要；碳酸盐滨线的向海进积伴随着混合带的向海进积，因此，海退阶段易形成混合白云岩；混合白云岩的分布强烈地受大古地理背景的控制，主要发育在没有蒸发岩产出的潮坪相岩石中，且常发生在压实作用之前；痕量元素（如Sr、Na）较低，δ18O不太富集，而δ18O及δ13C均为正值的白云岩多为混合白云石化的产物。如美国Navada早—中古生代的碳酸盐中，靠近陆地的东部由白云岩组成，近盆地的西部则由灰岩组成，缺乏蒸发岩，同时具较低的Sr含量和负值的δ18O等特征都说明了它是受淡水稀释的混合白云岩。

（五）淡水白云岩

Folk and Land（1975）在对各种环境中的白云石结晶作用进行研究之后，提出控制白云石结晶作用的主要因素为溶液的Mg/Ca比率、盐度和结晶速度。

Folk and Land指出，在变盐度的环境中（如在被洪水淹没的潮上盐坪或被洪水注入的海湾中），在淡水和海水的混合带中，以及在其他淡水或淡水作用的环境中（如大气水作用下的碳酸盐的孔隙、洞穴或裂缝中等），都可以形成白云石，溶液的Mg/Ca比率只要近于1：1即可。这样形成的白云石称为“淡水白云石”。

（六）调整白云石化作用

Doodell and Garman（1969）在对大巴哈马滩上安德罗斯岛的一口深探井（苏必利尔井）进行详细的岩石学和地球化学研究后，提出了一个新白云石化作用机理——调整白云石化作用。这是在大气水的影响下，原来的碳酸盐沉积物的成分，经淋滤溶解作用和交代作用，在化学成分及矿物成分上进行重新组合或调整，使