時 國， 田景春， 張 翔， 陳佳利

(1.東華理工大學(xué)，江西 撫州 433000;2.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院，四川 成都 610059)

白云巖成因一直以來都是碳酸鹽巖巖石學(xué)研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)，20世紀(jì)50年代以來，人們通過對許多地區(qū)現(xiàn)代白云巖和古代白云巖的大量研究，提出了多種白云巖成因模式(Hsu et al.，1973;Warren，1999;Fookes，1995;Garven et al.，1999;Boni et al.，2000;Graham et al.，2006;湯朝陽等，2006)，但目前仍沒有查清白云巖的形成條件和機(jī)理，對相關(guān)的地質(zhì)模式也存在爭議，在許多方面的研究仍然在探索之中。南華北盆地位于東秦嶺-大別山構(gòu)造帶北緣，華北地臺的南部，橫跨華北地塊、華北地塊南緣構(gòu)造帶，同時緊鄰北秦嶺褶皺帶(徐漢林等，2003;時國等，2010)，為發(fā)育于中-新元古界結(jié)晶及雜巖之上的疊合盆地(圖1)。該地區(qū)上寒武統(tǒng)白云巖發(fā)育，從實測的六條剖面及鉆井資料的統(tǒng)計來看，白云巖厚度占地層總厚度的27.1% ～49.6%，實際厚度222～456.6 m，在層位上主要分布于炒米店組和崮山組(圖2)，野外產(chǎn)狀有厚層塊狀、中厚層狀和薄層狀，集中分布，但也常作為灰?guī)r、泥巖中的夾層或透鏡體，主要為局限臺地—開闊臺地環(huán)境下的一套沉積產(chǎn)物(金振奎等，1993;李余生等，1996;郭緒杰等，2002)。研究區(qū)白云巖的廣泛發(fā)育，為白云巖研究提供了良好的條件。

1 白云巖類型及其巖石學(xué)特征

1.1 白云巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造

南華北地區(qū)上寒武統(tǒng)白云巖按結(jié)構(gòu)-成因劃分為:晶粒白云巖、殘余粒屑白云巖及藻(層紋石、疊層石)白云巖等。

(1)晶粒白云巖按結(jié)構(gòu)可分為細(xì)-中晶白云巖、中-粗晶白云巖及粗晶白云巖。細(xì)-中晶白云巖具明顯的結(jié)構(gòu)分異性，細(xì)晶白云石通常較臟，晶體曲面他形居多，彼此間鑲嵌接觸，少見菱形霧心、干凈亮邊的白云石(圖3a);中-粗晶白云巖中白云石往往較干凈，晶體多為曲面他形(圖3b)，彼此間面狀接觸，在靠近孔隙側(cè)，白云石晶體再生長，晶體邊緣變?yōu)槠街薄⑾鄬ψ孕?粗晶白云巖白云石晶體半自形-他形晶面曲面-直面，晶體相對較臟，邊緣有時干凈(圖3c)，巖溶縫、溶洞生長的晶體自形程度好、晶面平直(圖3g)，在有些薄片中可見到白云石霧心亮邊的環(huán)帶構(gòu)造(圖3d)。

圖1 南華北盆地構(gòu)造單元劃分(據(jù)田景春等，2010)Fig.1 Tectonic zone division of southern north China basin and location of the profiles

(2)殘余粒屑白云巖。炒米店組發(fā)育，殘余粒屑多為生物屑、鮞粒、砂屑，粒屑?xì)堄嘟Y(jié)構(gòu)依稀可辨(圖3f)。原巖多為鮞?；?guī)r、砂屑灰?guī)r等粒屑灰?guī)r，為強(qiáng)白云巖化產(chǎn)物。主要發(fā)育于局限臺地淺灘或鮞灘、潮下淺灘環(huán)境，馬家溝組白云巖多為潮溝產(chǎn)物，白云石含量50% ～100%，組成殘余顆粒的白云石細(xì)小(泥粉晶)且污濁，而顆粒之間的白云石則較粗大(粗粉晶至細(xì)晶)且干凈明亮，自形程度較高，表明這些白云石并非是同一階段所形成。

(3)藻(層紋石、疊層石)白云巖。多見于崮山組上部，如河南澠池仁村剖面厚4 m，層紋石、疊層石主要呈共生或過渡關(guān)系。在登封關(guān)口剖面有多層厚1～2 m的柱狀疊層石白云巖，多產(chǎn)于潮間-潮上環(huán)境，對油氣的生成運(yùn)移和隔檔均有好的作用。藻白云巖大多數(shù)孔隙不發(fā)育，部分重結(jié)晶成為粉晶白云石，晶面平直，自形程度好(圖3e，h)。巖石較致密，局部見有溶蝕孔、縫，被硅質(zhì)或其它礦物充填。疊層石和層紋石多為藍(lán)綠藻成因，若為化學(xué)成因的紋層狀構(gòu)造則叫紋層狀白云巖，其紋層更規(guī)則、連續(xù)，起伏更小。

1.2 陰極發(fā)光特征

不同結(jié)構(gòu)的白云巖陰極發(fā)光特征可用來判斷成巖機(jī)制、推測成巖流體性質(zhì)(Azmy et al.，2001;黃思靜等，2008)。對上寒武統(tǒng)25件白云巖樣品陰極發(fā)光分析結(jié)果表明，藻白云巖中白云石發(fā)均勻暗粉紅色光，細(xì)晶鐵白云石不發(fā)光，少量方解石發(fā)橘紅色光(圖4a)，說明白云石交代方解石且白云石化不徹底。晶粒白云巖發(fā)中-弱橘紅色光(圖4b，c)，發(fā)光強(qiáng)度較泥微晶白云巖弱，且隨晶體的增大陰極發(fā)光強(qiáng)度變?nèi)?，說明隨成巖強(qiáng)度的增加白云巖發(fā)光性減弱;中粗晶白云石多具單環(huán)環(huán)帶結(jié)構(gòu)，環(huán)帶呈菱形、三角形，核部發(fā)暗橙紅色光，環(huán)邊發(fā)亮橙黃色、橘黃色光(黑心亮邊)，表明形成白云巖環(huán)帶的流體與主晶流體不同。鮞粒白云巖(圖4d)中白云石發(fā)紅色光，鮞粒邊緣的早期膠結(jié)物不發(fā)光，晚期膠結(jié)物發(fā)紅色光，鐵白云石不發(fā)光。該地區(qū)白云巖陰極發(fā)光強(qiáng)度都較弱，反應(yīng)出這些白云巖受非海源流體影響小，海源流體是白云巖化的主導(dǎo)流體。

2 地球化學(xué)特征

2.1 微量元素

圖2 南華北盆地太參3井上寒武統(tǒng)沉積相及層序地層綜合柱狀圖Fig.2 The upper Cambrian sedimentary facies and sequence stratigraphy histogram of Taican 3#in southern north China basin

晶粒白云巖低Sr含量反應(yīng)白云巖化過程中大量Sr的流失，可能形成于埋藏階段，與藻白云巖具相近的Na、Mn含量，可能說明兩者白云巖化流體具有一定的同源性(表1)。藻白云巖中高濃度的鍶是由周圍古陸基巖風(fēng)化而帶入海洋中的Sr2+與CaCO3沉淀而形成文石，并通過生物和藻類從淺海漂運(yùn)及深海表層沉降，使盆地沉積物中的鍶相應(yīng)富集。同時海底有機(jī)質(zhì)沉積物在經(jīng)歷硫酸鹽還原帶過程中能使Sr2+大量固定，由于Sr2+，Ca2+離子半徑相近，因而在經(jīng)硫酸鹽還原帶產(chǎn)生的準(zhǔn)同生白云化作用過程中能使鍶容易被直接捕獲和結(jié)合而進(jìn)入白云石晶格。殘余粒屑白云巖中的鍶的低含量，低于正常海水與泥晶灰?guī)r的鍶含量，主要是由于在成巖交代過程中淡水加入，使鹽度下降。另外Fe2+高達(dá)3 978×10－6，說明交代作用發(fā)生在還原條件下。因此推測殘余粒屑白云化是淡水與海水混合的低鹽度水交代成巖固結(jié)中的碳酸鹽沉積物。

2.2 碳氧同位素

碳酸鹽巖碳氧同位素值主要受介質(zhì)的溫度、鹽度影響。在成巖作用中，沉積物的埋深、溫度、壓力增加，大氣降水的淋濾溶解，生物有機(jī)體降解等都對δ13C和δ18O產(chǎn)生一定的影響。

圖3 南華北盆地上寒武統(tǒng)白云巖主要結(jié)構(gòu)類型微觀照片F(xiàn)ig.3 Photomicrographs of dolomites in the upper Cambrian of southern north China basin

一般來說，鹽度升高，δ13C和δ18O值增大;溫度升高，δ18O變輕;此外，在成巖作用中，淡水淋濾和生物降解均可使δ13C和δ18O變輕。根據(jù)宿縣夾溝剖面上寒武統(tǒng)δ18O測試結(jié)果(表2)，溫度范圍為14.7～24.3 ℃，平均溫度為20.3 ℃，屬于冷濕氣候。同時，測得古溫度也可以幫助判斷白云巖的成因，由于氣溫較低，平均為20.3℃，表明白云巖形成于沉積后不久。其溫度絕大部分均在24℃以下，不可能為高溫的蒸發(fā)泵成因，應(yīng)為同生-準(zhǔn)同生期混合水白云石化成因。

圖4 陰極發(fā)光特征Fig.4 Cathode luminescence images of dolomites

晶粒白云巖主要發(fā)育細(xì)-中晶白云巖和中-粗晶白云巖，晶體多曲面他形，晶體中心較臟，邊緣干凈，伴生礦物少見，偶見黃鐵礦，陰極發(fā)光呈弱橘紅色。低Sr含量反應(yīng)白云巖化過程中大量Sr的流失，可能形成于埋藏階段，主要是由于懷遠(yuǎn)運(yùn)動后上寒武統(tǒng)白云巖埋藏加深，溫度升高，封存于古隆起周緣潮坪環(huán)境的大量鹵水，在上覆沉積物的壓實下不斷側(cè)向排出富Mg流體，發(fā)生白云巖化。殘余粒屑白云巖中含有生物碎屑、內(nèi)碎屑、藻屑等顆粒組分，粘土和粉砂等陸源碎屑很少，反映原巖為潮坪或潮下淺水沉積。白云巖化作用優(yōu)先沿層間縫、水平蟲孔、蟲跡和粒間孔內(nèi)的灰泥填隙物進(jìn)行，生成大小不一、形狀各異、數(shù)量不等的云斑。白云石對灰質(zhì)顆粒藻屑、內(nèi)碎屑、生物碎片切割侵蝕，選擇性交代作用受原巖沉積結(jié)構(gòu)構(gòu)造控制。白云石礦物表面污濁，陰極射線下呈中弱亮度橙紅色。鍶值接近于零，低于正常海水與泥晶灰?guī)r的鍶含量。以上地化特征反映交代溶液中有淡水加入，使鹽度下降。Fe2+高達(dá)3 978×10－6，說明交代作用發(fā)生在還原條件下。因此推測殘余粒屑白云巖是淡水與海水混合的低鹽度水交代成巖固結(jié)中的碳酸鹽沉積物，在這一過程中，鈣鎂離子發(fā)生交換，鍶隨之向水中釋放，促使鍶值急劇下降。所以殘余粒屑白云巖為成巖階段早-中期淺埋地下混合水潛流帶環(huán)境生成。藻白云巖具有紋層、干裂、鳥眼、石膏假晶和藻疊層等構(gòu)造，含粘土、石英、云母等陸源物質(zhì)，白云石4～25 μm，呈細(xì)小污濁狀半自形菱面體，陰極射線下暗紅褐色。鍶值達(dá)(1 500～2 114)×10－6，反映交代介質(zhì)仍然是超鹽度咸水，在干濕交替的水上蒸發(fā)環(huán)境下于成巖早期階段生成，屬于同生-準(zhǔn)同生白云巖。

4 結(jié)論

(1)按結(jié)構(gòu)-成因，南華北地區(qū)寒武系白云巖分為:晶粒白云巖、殘余粒屑白云巖及藻(層紋石、疊層石)云巖等。

(2)晶粒白云巖伴生礦物少，陰極發(fā)光為中-弱橘紅色光，Sr含量較低，該種白云巖為埋藏白云巖;殘余粒屑白云巖中白云石礦物表面污濁，陰極射線下呈中弱亮度橙紅色，鍶值接近于零，為成巖階段早-中期淺埋地下混合水潛流帶環(huán)境下生成;藻白云巖中白云石細(xì)小，陰極射線下暗紅褐色，鍶值高，反映其交代介質(zhì)仍然是超鹽度咸水，為水上蒸發(fā)環(huán)境下同生-準(zhǔn)同生白云巖。

表1 各類白云巖微量元素含量Table 1 Trace element of dolomites of the upper Cambrian 10－6

表2 宿縣夾溝剖面炒米店組部分微量元素及碳氧同位素分析結(jié)果表Table 2 The trace elements and isotope compositions of dolomites from Chaomidian formation in Suxian section 10－6

圖5 安徽宿縣炒米店組白云巖取樣位置及碳氧同位素變化曲線圖Fig.5 Sampling location and diagram of carbon and oxygen isotopic curve from Chaomidian formation in Suxian section

郭緒杰，焦貴浩.2002.華北古生界石油地質(zhì)［M］.北京:地質(zhì)出版社:23-29.

黃思靜，卿海若，胡作維，等.2008.川東三疊系飛仙關(guān)組碳酸鹽巖的陰極發(fā)光特征與成巖作用［J］.地球科學(xué)，33(1):26-34.

金振奎，馮增昭.1993.華北地臺東部下古生界白云巖的類型及儲集性［J］.沉積學(xué)報，11(2):11-18.

李余生，張長俊，田景春，等.1996.華北板塊南緣下古生界油氣生儲蓋特征［M］.成都:四川科學(xué)技術(shù)出版社:4-48.

時國，田景春，吳永良，等.2010.南華北地區(qū)下古生界碳酸鹽巖成巖作用及其對儲層的影響［J］.地質(zhì)科技情報，29(3):10-15.

湯朝陽，王敏，姚華舟，等.2006.白云石化作用及白云問題研究述評［J］.東華理工學(xué)院學(xué)報，29(3):205-210.

田景春，張翔，許珉，等.2010.南華北盆地青白口系-侏羅系層序界面時空分布特征研究［J］.地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報，32(4):331-227.

徐漢林，趙宗舉，楊以寧，等.2003.南華北盆地構(gòu)造格局及構(gòu)造樣式［J］.地球?qū)W報，24(1):27-33.

張學(xué)豐，胡文瑄，張軍濤.2006.白云巖成巖相關(guān)問題及主要形成模式［J］.地質(zhì)科技情報，25(5):32-40.

Azmy K，Veizer J，Misi A，et al.2000.Dolomitization and isotope stratigraphy of the Vazante Formation，Sao Francisco basin，Brazil［J］.Precambrian Research，112(3-4):303-329.

Boni M，Parente G，Bechstaedt T，et al.2000.Hydrothermal dolomites in SW Sardinia(Italy):Evidence for a widespread Late-Variscan fluid flow event(in Paleofluid flow and diagenesis during basin evolution)［J］.Sedimentary Geology，131(3-4):181-200.

Fookers E.1995.Development and eustatic control of Upper Jurassic reef complex(Saint Germain-de-Joux，eartern France)［J］.Facies，33:129.

Garven G，Appold MS，Toptygina VI，et al.1999.Hydrogeologic modeling of the genesis of Carbonate-hosted lead-zinc ores［J］.Hydrogeology Journal，7(1):108-126.

Graham R D，Langhorne BS Jr.2006.Structurally controlled hydrothermal dolomite reservoir facies:An overview［J］.AAPG Bulletin，90(11):1641-1690.

Hsu K J，Schneider J.1973.Progress report on dolomitization-hydrology of Abu Dhabi Sabkhas，Arabian Gulf［M］//Purser B H.The Persian gulf.New York:Springer:409-422.

Warren J K.1999.Evaporites:Their Evolution and Economics［M］.Oxford:Blackwell Scientific Publications:1-438.