摘 要：沉積學(xué)領(lǐng)域中白云巖成因問(wèn)題已成為研究熱點(diǎn)，但至今懸而未決。在綜述白云巖成因及研究動(dòng)向的基礎(chǔ)上，概述了白云巖成因研究的進(jìn)展：硫酸鹽及硫化物對(duì)白云石形成的影響受到重視；溶洞白云巖的研究為解釋白云巖成因帶來(lái)了新的認(rèn)識(shí)；相對(duì)常規(guī)同位素分析，δ26Mg和δ44Ca值在反映白云巖成巖流體性質(zhì)方面也具有一定價(jià)值；白云石晶體結(jié)構(gòu)分析從新的角度解釋了白云巖成因。

關(guān)鍵詞：白云巖；成因研究；新認(rèn)識(shí)；新方法

白云巖成因已成為沉積學(xué)領(lǐng)域中長(zhǎng)期存在的研究熱點(diǎn)和主題。作為一種重要的沉積巖，白云巖是構(gòu)成世界上大部分常規(guī)石油和天然氣儲(chǔ)層的儲(chǔ)集巖。自1791年法國(guó)自然學(xué)家Deodalt de Dolemieu 對(duì)白云石首次描述后，學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究[1]。從前寒武紀(jì)到新生代巖層它是普遍存在的一種沉積巖，但是很少出現(xiàn)在較年輕的地層中。盡管有報(bào)道稱在巴哈馬群島和澳大利亞庫(kù)隆瀉湖中發(fā)現(xiàn)了“原生白云石”，但白云巖形成機(jī)理主要不明確的一點(diǎn)在于未發(fā)現(xiàn)近代形成的白云石。至今未在常溫常壓的實(shí)驗(yàn)條件下合成化學(xué)計(jì)量的白云石，同時(shí)在現(xiàn)代湖泊中也未發(fā)現(xiàn)白云石沉淀。究竟所有的白云巖是次生交代形成的，還是其中一部分為原生，這個(gè)問(wèn)題仍未得到解決。傳統(tǒng)的白云巖成因研究多是對(duì)已有成因模式的套用，或是根據(jù)白云石的形成環(huán)境建立新的成因模式，這都會(huì)使白云巖成因分析產(chǎn)生多解性。因此文章通過(guò)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的調(diào)研，概述了一些白云巖成因研究的新觀點(diǎn)和新方法，從而為研究白云巖成因提供一些參考。

1 白云巖成因研究動(dòng)向

白云石最初是由N·T·Saussare這位學(xué)者在1792年向法國(guó)地質(zhì)學(xué)家Deodat Guy de Dolomieu致敬而命名的，隨后首次將該礦物應(yīng)用于阿爾卑斯山巖石研究中[2]。白云巖中白云石礦物占大部分比例，理想的白云石晶格是由Ca2+和Mg2+的互層組成，中間由碳酸鹽層隔開(kāi)，通常是由CaMg（CO3）2化學(xué)分子式來(lái)表示，其中Mg/Ca比相等。白云石分子式看似簡(jiǎn)單，但人們無(wú)法在近常溫、常壓的近地表?xiàng)l件下通過(guò)化學(xué)方式合成這個(gè)看似簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)礦物，合成的白云石總是在X射線衍射中缺乏超結(jié)構(gòu)反射。同時(shí)，白云巖是地質(zhì)記錄中一種常見(jiàn)的沉積巖礦物，但在大部分全新世地層和海相沉積物中是缺失的。這種矛盾被稱之為“白云石（巖）問(wèn)題” ，并在碳酸鹽沉積學(xué)家及地球化學(xué)家之間引起了激烈的爭(zhēng)論。

1.1 δ26Mg和δ44Ca的應(yīng)用

關(guān)于白云石的成因，研究者持有兩種觀點(diǎn)：即原生白云石和次生白云石。白云石的形成離不開(kāi)Mg2+的供給。鎂是白云巖的關(guān)鍵元素并且是碳酸鹽循環(huán)中重要的元素。然而，從已發(fā)布的白云巖鎂同位素比值來(lái)看，鎂元素是最缺乏的，并且對(duì)于白云巖成巖作用和低級(jí)變質(zhì)影響的系統(tǒng)分析顯示δ26Mg在目前來(lái)看是缺乏的，以前相關(guān)的研究只是局限于界定微生物誘導(dǎo)白云石沉淀的概念以及集中研究鎂循環(huán)。Wombacher et al在實(shí)驗(yàn)室中研究了鎂的提純技術(shù)并利用MC-ICP-MS分析了δ26Mg值。Schauble[3]計(jì)算發(fā)布了氧化物、硅酸鹽和碳酸鹽礦物均衡鎂同位素分離系數(shù)的理論數(shù)據(jù)。

白云石沉淀所需的鎂離子主要來(lái)源為海水?，F(xiàn)代海水鎂濃度和δ26Mg同位素特征值分別為53mmol/l和-82‰。以前研究表明，微生物白云巖相對(duì)于其成巖流體來(lái)說(shuō)δ26Mg的強(qiáng)大消耗高達(dá)2-3‰。而相比之下，有機(jī)沉淀物與無(wú)機(jī)碳酸鹽顯示小范圍的分餾。許多研究用來(lái)解決與無(wú)機(jī)碳酸鹽沉淀相聯(lián)系的鎂同位素分餾。理論研究和野外觀測(cè)在一些方面還存在分歧，目前還不完全清楚在碳酸鹽沉淀過(guò)程中究竟是固體還是流體相富集鎂這種輕同位素。

無(wú)機(jī)地球化學(xué)分析技術(shù)能夠用來(lái)推測(cè)白云巖的成因，并且可以建立一套辨別成因的標(biāo)準(zhǔn)，地質(zhì)家可以根據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)揭示白云巖的相關(guān)地球化學(xué)特征。盡管許多白云巖化研究利用了碳、氧和鍶同位素，鈣同位素卻受到很少的注意。從火成巖到植物的各種各樣的地球材質(zhì)中，δ44Ca能夠顯示幾千分比的分餾范圍，但是對(duì)白云巖的研究卻很少見(jiàn)。鈣同位素在地球材料中的含量各異，主要是由與溶液中形成的含鈣礦物相聯(lián)系的動(dòng)力分餾作用以及與鈣離子運(yùn)移相關(guān)的離子交換反應(yīng)造成的。因此，δ44Ca對(duì)研究白云巖成因具有一定的價(jià)值。

1.2 硫酸鹽及硫化物對(duì)白云石形成的影響受到重視

在傳統(tǒng)的碳酸鹽成巖作用研究中，硫酸鹽還原作用對(duì)碳酸鹽成巖作用的影響未受到應(yīng)有的關(guān)注。硫酸鹽廣泛分布于碳酸鹽地層中，而SO42-則廣泛分布于從沉積到成巖作用各階段的流體中，地層中的有機(jī)物與硫酸鹽之間的反應(yīng)深刻地影響了碳酸鹽沉積-成巖作用的整個(gè)過(guò)程。

溶解硫酸鹽對(duì)白云石沉淀的影響研究主要基于實(shí)驗(yàn)研究，Mónica Sánchez-Román等運(yùn)用枝芽胞菌和鹽單胞菌在有氧的實(shí)驗(yàn)條件下檢測(cè)了硫酸鹽對(duì)白云石沉淀的抑制作用，實(shí)驗(yàn)條件是模仿存在白云巖的地表環(huán)境，將溫度設(shè)置為25-35°C，采用了可變的SO42-濃度（0，14，28和56mM），最后證實(shí)在培養(yǎng)基中SO42-存在與否，好氧嗜鹽細(xì)菌都能直接調(diào)節(jié)白云石的沉淀。因此，硫酸鹽的存在不會(huì)抑制白云石的形成。

另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，硫化物的存在可以積極地促進(jìn)白云石的形成。Mg2+脫水作用的難易度被視為是白云石形成的最大障礙，Yang Yang等在其模擬試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)HS-離子完全有可能通過(guò)其他的機(jī)制來(lái)促進(jìn)白云石的形成，研究認(rèn)為與一種碳酸鈣固體前體相（可能是無(wú)定形且含水的）表面伴生的Mg（H2O）62+和HS-離子在液-固態(tài)界面處促進(jìn)了Mg（H2O）62+脫水作用的發(fā)生而產(chǎn)生了一種“原白云石”前體并最終轉(zhuǎn)變?yōu)榘自剖?/p>

1.3 溶洞白云巖研究

白云巖存在的地方，都與硫酸鹽富集且微生物活動(dòng)的環(huán)境有關(guān)，并且通常是缺氧的環(huán)境。在潮緣區(qū)海灘巖中，細(xì)菌在白云巖化過(guò)程中也起到重要的作用，這是因?yàn)樵诹蛩岣嬖谥鞍l(fā)生了甲烷氧化作用，這為白云巖形成提供了HCO3-。在古代溶洞中存在的白云巖已有所描述，然而在現(xiàn)代溶洞中含氧、貧硫酸鹽的環(huán)境下形成白云巖的例子卻很少。一些溶洞中的白云巖可以為解決“白云巖問(wèn)題”提供一些信息，這種白云石也可以在溶洞水中或通過(guò)亞穩(wěn)態(tài)礦物的轉(zhuǎn)變而直接沉淀。

Ana M.Alonso-Zarza[4]等研究表明在溶洞中沉積的白云石也可能是在有氧、貧硫酸鹽的環(huán)境下形成的。在主巖和文石溶洞堆積物上的白云石是在溫度為17℃并且在有氧滲流條件中形成的。它以球狀體和啞鈴狀出現(xiàn)，直徑為50-300？滋m，其內(nèi)部是由微米級(jí)菱形到半球形晶體組成的。最初該白云石富鈣、非化學(xué)計(jì)量并且有序度低。富鎂流體使亞穩(wěn)態(tài)富鎂碳酸鹽沉積，如碳酸鈣鎂石，很快將轉(zhuǎn)變?yōu)楦烩}白云石，隨著地質(zhì)時(shí)代的推移將形成較為化學(xué)計(jì)量的白云石。這些白云石與在缺氧、富硫酸鹽條件下生成的白云石相似，并且它們?cè)谌芏粗械拇嬖谔峁┝艘环N不同的沉積環(huán)境，這也有助于認(rèn)識(shí)“白云巖問(wèn)題”，包括它們最初的形成和重結(jié)晶過(guò)程。

1.4 白云石晶體結(jié)構(gòu)分析

傳統(tǒng)的白云石研究分析方法對(duì)白云巖成因解釋都具有多解性，對(duì)已有白云石成因模式的套用或根據(jù)白云石形成環(huán)境重新建立新的白云石成因模式將會(huì)使白云石的形成機(jī)理過(guò)于簡(jiǎn)單化、模式化。作為一種晶體、礦物，白云石在形成過(guò)程中和形成后的成巖作用中有交代、重結(jié)晶、去白云石化、白云石化、雜質(zhì)離子進(jìn)出等諸多變化，僅僅用一種單一的模式來(lái)進(jìn)行解釋似乎過(guò)于簡(jiǎn)單化，地球化學(xué)分析所測(cè)得的數(shù)據(jù)也多是經(jīng)歷多期成巖作用后的綜合表現(xiàn)，并不能反映單期白云石形成的特征。張杰[5]等從晶體結(jié)構(gòu)角度對(duì)五種白云石組構(gòu)的有序度、晶胞參數(shù)、晶格條紋、晶面間距、晶格缺陷等晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了差異性研究，分析了它們不同的形成環(huán)境和成巖演化特征，初步建立了不同類型白云石晶體結(jié)構(gòu)判識(shí)標(biāo)志。這項(xiàng)研究也為解釋白云巖成因提供了新的方法。

2 結(jié)束語(yǔ)

白云巖成因及白云巖化作用始終是地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域中懸而未決的難題，目前對(duì)“白云石問(wèn)題”依然無(wú)法得到徹底解決，有些問(wèn)題甚至一無(wú)所獲，但學(xué)者沒(méi)有停止對(duì)其深入的研究和探討。傳統(tǒng)的白云巖成因研究多是對(duì)已有成因模式的套用，或是根據(jù)白云石的形成環(huán)境建立新的成因模式，這都會(huì)使白云巖成因分析產(chǎn)生多解性。因此，本文在分析文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了用定量的方法去研究白云巖成因的一些新認(rèn)識(shí)、新方法，以便為白云巖成因研究提供一些參考。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：馮詩(shī)海（1990-），男，碩士，現(xiàn)主要從事碳酸鹽巖成因方面的研究工作。