6章 白云岩及白云石化作用模式

白云石和白云岩的成因长期以来是一个未解之谜，被称之为“白云 岩问题”。随着微生物白云石化作用模式的提出，似乎又从另一个 思路向人们展示了一些有趣的现象：
白云石化作用广泛发育在同大气圈和海 洋的低含氧量时期，而低含氧量促进厌 氧微生物（包括硫酸盐还原细菌）群落 的活动，从而导致海相碳酸盐的广泛白 云石化。
第五节 白云石化作用的模式
碳酸盐沉积物的白云石化作用模式包括 蒸发白云石化、渗流-回流白云石化等几个典 型模式。 一、蒸发白云石化作用 在现代蒸发环境中广泛分布大量的白云 岩，这种类型的白云石化作用其Mg2+主要来 自于海水，海水主要在风暴及特大潮汐流向 极浅的蒸发环境中提供。白云石是由文石交 代而成，其反应式为:
Mg 2CaCO3 CaMg(CO3 )2 Ca
2
2
二、渗流-回流白云石化作用模式 该模式包括两方面，一是泻湖水及潮 坪孔隙水通过蒸发作用而形成白云石化流 体，二是这种白云石化流体向下进入下伏 的碳酸盐沉积物中产生白云石化。渗流-回 流白云石化作用模式的基本过程是：由蒸 发作用及膏盐沉淀作用产生富镁流体，这 种白云石流体的密度大于下伏碳酸盐沉积 物中的孔隙水，从而使之向下渗透而进入 下伏碳酸盐地层中。
Land认为白云石化作用时发生在淡水和海水的 混合带（下图），而且淡水的积蓄注入还导致了白 云石化以后的方解石沉淀作用．
四、埋藏白云石化作用 该模式的主要机制是盆地泥岩受到压 实产生富Mg2+液体，这种富镁离子液 体进入相邻的陆架边缘等碳酸盐岩中， 从而产生白云石化。埋藏白云岩的 δ18O值一般为负值，Sr与Na含量也较 低，因为原生碳酸盐沉积物常经固溶 作用转变成低镁方解石，另外白云石 作用产生在较高温度下，也会使这些 值降低。白晶白云岩通常是一种典型 的埋藏白云
第四节 白云岩的稳定同位素 地球化学
不同温度下 白云石与水的同 位素分异平衡作 用如图6-4所示： 当δ18O水=0 时，温度与沉淀 出的白云石中的 δ18O的相对不确 定性的关系（右 图）。
第四节
白云岩的稳定同位素地球化学
实际上，在不同温度下，δ18O水值是不一样 的，在这种前提下δ18O白云石与温度的关系见图65，在图6-5中曲线上的数字代表δ18O水的不同值。 而图6-6又表示了不同的δ18O白云石值的情况下， δ18O水值与温度的关系（上图）。
一、交代白云岩 当CaCO3被白 云石交代时，其控 制因素是颗粒的原 生矿物类型、晶体 大小、白云石化作 用的时间以及白云 石化液体的性状。 根据晶体界面形状， 可识别出三种白云 岩的结晶镶嵌组构： 非面状、自形晶面 状及半自形晶面状 （右图）。
二、白云石胶结物 虽然白云石主要是交代成因的，但 白云石胶结物也很普遍。白云胶结物常 以清晰的晶簇状亮晶形式产出，可以与 方解石亮晶相类比，虽然它常是一个较 大的斜方晶体等轴层，而且是一个作为 孔沿内衬层的单一层。在较老的白云岩 中，胶结物也很普遍，而且常呈簇状组 构。用阴极发光法可以看出其微弱的环 带，包括一个类似于方解石胶结物的 “不发光—发光—暗淡带”序列。
第六章 白云岩及白云 石化作用模式
白云石的理想化学成分为CaMg（CO3）2， 其复杂的晶体结构以及它在地质时期中的不均 匀分布，在常温常压下的形成过程都是未得到 完全解决的问题。在研究白云石及白云岩的形 成过程时，必须说明两个问题：Mg2+的来源及 白云石化流体通过碳酸盐沉积物的机制。
根据近年来的研究，对古生代白云岩的成 因大致建立了五个成因模式：蒸发作用模式、 渗流-回流模式、混合白云石化迷失、埋藏白 云石化模式及海水白云石化模式（下图) ．
2 2
CaMg (CO3 ) 2
2 2 3
（2）
根据许靖华的推算K值大约为1×10-17 。根 据计算，在海水中白云石处于过饱和状态，但 在正常海水中很少有白云石沉淀，这可能是化 学动力因素所致。很多白云石是交代CaCO3 而形 成的，其化学反应式为： CaCO3 Mg 2 CaMg(CO3 )2 Ca 2（3）
六、小结 在一定条件下白云石可以从海水中 沉淀出来，而海水的组成成分必须得到 不同程度的改变。在很多情况下，要产 生白云石化作用必须有足够的海水通过 各种驱动机制进入和通过沉积物。海水 白云石化作用模式是80年代末期发现并 提出的一种白云石化作用机制。随着研 究的更加深入，对地质记录中复杂的白 云岩成因机制还会产生更接近于事实际 的解释
第三节 白云石的痕迹元素 地球化学
白云石中的痕迹元素可以作为白云石化液 体的性质与特征的指示剂。主要研究涉及的元 素是Sr、Na、Fe、Mn，这些元素的聚集作用 的控制因素与文石和方解石相似； 1）在孔隙液体中微量元素的聚焦作用； 2）成岩体系的开放程度（水、岩石比值以及 溶解系数）；mMe mCa dol Kedol mMe mCa 3）在白云石与水之间痕迹元素的有效分配系 数Ke。
要克服从海水中沉淀白云石化的化学动力 学障碍，以下几种变化过程均可以产生这种可 能： 1）海水的蒸发作用 2）海水的稀释作用 3）温度的升高 4）SO2-4含量的降低。
第二节 白云岩的岩石学特征
与方解石一样，白云石的晶 体形式也很多，但由于它是先前 存在的CaCO3 交代作用的产物， 故以发育交代组构为特征，白云 石也常作为胶结物形式充填于颗 粒的孔隙中。
一、白云石的锶 一般认为，白云石的Sr的分配系数 可能只有方解石的一半，因为在白云石晶 格中较大的Sr只能替代Ca而不是Mg。但是， 方解石中Sr的理论Ke值还不统一。白云石 化的时间也会影响白云石中的Sr含量，不 管溶液中Sr的分配系数Ke是多少，但它总 是小于1的，这就说明任何白云石的重结 晶作用都会损失一部分Sr。在一套碳酸盐 地层中或相关的几套地层中，可以用Sr含 量的资料来比较识别不同类型的白云岩。
第一节 白云石化作用的化学反应
白云石形成作用的条件很难确定，因为迄今为止 还没有人在实验室于常温条件下从自然海水中直接 沉淀出白云石。白云石直接沉淀作用的化学反应式 为：
2 Ca 2 Mg 2 2 CO3 CaMg(CO3 )2


（1）
其平衡常数K为：
K
Ca Mg CO
五、海水白云石化作用 以上所提到的白云石化作用过程均强调Mg离子来源于海水， 在白云石化过程中存在的动力学问题是通过海水的稀释作用及蒸 发作用而克服的。这些模式都提供了一个白云石化流体通过碳酸 盐沉积物的驱动机制（下图）。
海水的大规循环而进入碳酸盐台地所产 生白云石化作用的机制是由Kohout(1967)提 出的，另外一种使海水通过碳酸盐台地的动 力机制是由Simms（1984）提出的，即“回 流（raflux）”机制。变化很小的海水也可使 潮坪碳酸盐沉积物产生白云石化，使海水通 过潮坪沉积物的驱动机制是“潮汐泵吸作 用 ” 。 这些“有机”白云石常产生于有机生产 率较高的半远洋沉积物软泥中，经常与上翻 洋流及缺氧作用带相联系，虽然白云石沉淀 作用的机制还不清楚，但总的来讲可能是由 于在这种条件下孔隙水流体中的SO2-4 含量低 而且碱度高而有利于白云石化。
二、白云石中的钠 白云石晶体中的钠的产出 位置是不确定的，或者替代阳离 子或者产于液态包裹体中。虽然 Na的有效分配系数在溶液中的值 实际上很低，但海水中的较高的 mNa/mca 值就意味着从海相孔隙 液体中沉淀而成的白云石，其Na 含量也较高。
三、白云石中的锰和铁 这两种元素与Sr和Na相反，它们不是在 成岩过程中受到损耗，而是在成岩过程中由碳 酸盐沉淀物吸收。其原因有二：①Fe和Mn在 海水中含量很低，而在成岩孔隙流体中含量有 时相当高；②它们在溶液中的有效分配系数Ke 值很高，近地表白云石化作用形成的白云石， 其Mn和Fe含量很低，因为近地表流体处于氧 化状态；而埋藏成岩作用形成的白云石Mn和 Fe含量相对较高，因为在还原环境中锰和铁才 能以Fe2+与Mn2+的形式存于流体中，从而进入 白云石晶格。
三、混合白云石化作用 该白云石化作用模式的基本点是：与淡水 混合的海水如果其Mg/Ca克分子体积比大于或 等于5.2，那这种混合水中对原来的海水的高 离子强度等化学动力学障碍就得到消除，从而 有利于白云石化作用的产生。 淡水-海水混合白云石化主要发育在没有 蒸发岩产出的情况下，特别是那些白云石化了 的潮坪相岩石，而且白云石化作用事件相对较 早（如近地表，在压实作用之前）。由于混合 白云石化作用主要取决于白云石化液体的有效 运动，那么混合白云岩的分布强烈地受到古地 理背景的控制。
Burns S J, Mckenzie J A, Vasconcelos C, 2000. Dolomite formation And biogeochemical cycles in the Phanerozoic. Sedimentology, 47( Suppl 1): 49-61
扬子地台寒武系 巨厚的贫乏化石娄山关群白云岩
厚 度 近 千 米 的 白 云 岩 体
三、白晶白云岩
这是一种特殊形式或类型的白云岩， 它可以是胶结物也可以是交代白云岩。它 由纯净白色的珍珠状白云石亮晶组成。它 以被扭曲的晶体晶格为特征，故以曲线状 晶面、曲线状解理面、波状消光为特征。 白晶白云岩常以洞穴充填物或交代白云岩 的形式产出。其奇特的晶格变形，可能是 由于被吸附在晶体表面的钙离子的聚集作 用发生变化的结果。
从图6-5及图6-6中可以看出， 白云石的氧同位素组成反映了沉淀 作用温度以及白云石化流体的同位 素组成。后者可由CaCO3 的交代使 同位素组成受到影响，一般来说， 只是在水与岩石比值低时或封闭成 岩体系中先成原生矿物才具有较大 的影响。许多古代台地白云石中都 具有充分的证据，表明早期近地台 白云石化作用的产生，它们所形成 的白云石的δ 18O值是较水的负值。
对于反应平衡式（3）的平衡常数KcMg(CO )
2 2 3 3 3
（4）
如灰岩地层要完全白云石化就需要大量 的 Mg2+。对于地表及近地表成岩白云石化作用， Mg2+的主要来源是海水。在海水中没有产生广 泛的白云石沉淀，在海底CaCO3也很少有白云 石化的原因是形成白云石矿物的化学动力学因 素所致。在海水中，Mg2+比Ca2+容易水化，而 且常形成离子对。这就表明参与化学反应的 Mg2+ 很少，而且Ca2+ 比Mg2+ 容易进入Mg-Ca 碳酸盐晶体。白云石的形成常是阳离子与CO2的结合的产物，而不是HCO-3，这就表明，在 3 高碱度高pH值的溶液中容易发生白云石化作用