白云岩及白云石化作用

1、2021-5-81 2021-5-82 f白云石化作用及其形成的白云岩 u白云石化作用模式 u黔桂地区白云岩成因模式 u白云石化白云岩的交代标志 u黔桂地区泥盆系、石炭系细-粗晶白云岩的一 些特殊组构 f原生沉积白云岩 u现代沉积白云岩 u古代沉积白云岩 2021-5-83 白云石化作用模式 1毛细管浓缩作用（capillary concentration） （费里得曼和桑德斯 friedman and sanders，1967） 在干热气侯区的潮上带，碳酸钙沉积物中 的粒间水由于毛细管作用，持续受蒸发而浓缩 成盐水，首先形成石膏或其它盐类矿物，使海 水中ca2+减少，从而提高了水中mg/ca

2、比值， 其比值可大于20：1，致使与接触的文石、高 镁方解石质颗粒被交代而转变为白云石。 2021-5-84 2.蒸发泵作用（evaporative pumping） 在波斯湾南岸潮上萨布哈（sabha）蒸发作 用很强，广泛发育白云石化作用。许靖华，西根 撒勒（hsu and siegenthaler,1969）称其为蒸发泵 作用。他们认为海水是由于萨布哈潮上带蒸发泵 作用，从泻湖侧向被抽汲入潮上的沉积物内，通 过强蒸发作用和石膏及文石沉淀，使孔隙水 mg/ca比值提高而引起白云石化（图1）。 白云石化作用模式 2021-5-85 图图1 潮上萨布哈蒸发泵白云石化机理潮上萨布哈蒸发泵白云石化机

3、理 （许靖华等，（许靖华等，1969） 潮上带蒸发泵 平均高潮面 陆源地下水 潮源地下水 2021-5-86 3.渗透回流白云石化作用（seepage reflux） 毛细管浓缩或蒸发泵作用形成的富镁盐水完成表 层沉积物白云石化后，其余部分将向下回流渗透引起 下伏碳酸钙沉积物或石灰岩白云石化（图2）。 白云石化作用模式 2021-5-87 图图2 白云石化作用的渗透回流机理白云石化作用的渗透回流机理 （据德菲斯，（据德菲斯，1965） 海面 强烈蒸发作用 潮坪湖泊 渗透 白云石化 回流 2021-5-88 白云石化作用模式 4.混合白云石化作用（dorag dolomitization） 对于

4、广泛分布的陆表海陆棚或构造高地中共生的白 云岩，其中没有蒸发矿物或蒸发岩，也缺乏潮上标志 ，用高镁钙比率的超盐度卤水的白云石化模式不能解 释。巴迪奥扎曼尼（badiozamani,1973）提出了大气 淡水和海水混合的白云石化作用机理。根据实验（图 3）5%30%的海水与地下淡水混合，将会使方解石 不饱和，而对白云石则会增强其饱和度，这样在盐度 降低而mg/ca比值乃保持不变的情况下也可以引起白 云石化作用（图4）。 2021-5-89 102030405060708090100 -0.6 -0.4 -0.2 0 1 2 4 6 8 饱和程度 白 云石 方解石 过饱 和 不饱 和 白云 化 作

5、 用 海 水 % 图图4 美国威斯康星中奥陶统美国威斯康星中奥陶统 米夫林段的白云化作用示意米夫林段的白云化作用示意 图（据巴迪奥札曼尼，图（据巴迪奥札曼尼，1973） 此图表示在威斯康星背斜，在岩石出露水面以后，此图表示在威斯康星背斜，在岩石出露水面以后， 淡水透镜体及其下伏的半咸水带的位置，混合白淡水透镜体及其下伏的半咸水带的位置，混合白 云化作用就在此透镜体以下的半咸水带中进行云化作用就在此透镜体以下的半咸水带中进行。 图图3 地下水与海水的混合液对方解地下水与海水的混合液对方解 石和白云石的饱和程度的影响（据石和白云石的饱和程度的影响（据 巴迪奥札曼尼，巴迪奥札曼尼，1973） 请注意

6、，请注意，5%的海水与的海水与95%的地下水的混合液，对白云石已的地下水的混合液，对白云石已 饱和了，但对方解石则布饱和；饱和了，但对方解石则布饱和；30%的海水与的海水与70%的地下水的地下水 的混合液，对白云石已过饱和许多倍，但对方解石仍不饱和。的混合液，对白云石已过饱和许多倍，但对方解石仍不饱和。 因此，在海水为因此，在海水为530%的混合液中，将发生方解石被白云石的混合液中，将发生方解石被白云石 交代，即白石作用。海水为平均海水。地下水为墨西哥尤卡交代，即白石作用。海水为平均海水。地下水为墨西哥尤卡 坦的地下水。坦的地下水。 海平面 淡水透镜体 半咸水 带 2021-5-810 白云石

7、化作用模式 5调整白云石化作用 （adjustment dololitization） 古德尔和加曼（goodelll and garman,1969）提 出。在大气水影响下，原来的碳酸盐沉积物的成分 （文石、高镁方解石），经过溶蚀作用和交代作用 ，在化学成分或矿物成分上进行重新组合或调整， 使原来的碳酸盐沉积物发生白云石化。 2021-5-811 白云石化作用模式 6埋藏压实白云石化作用模式（burial compact dolomitization） mattes and monntjoy(1980)和l.s. land(1985)提出 该白云石化作用模式。根据米埃特礁周边发生白云 石化推

8、测白云石化溶液是从周围地层中被挤压出的 地层水进入礁体孔隙而引起的。 2021-5-812 白云石化作用模式 7潮汐泵汲白云石化模式（tidal pumping dolomitization） jose d.carballo(1987)对佛罗里达岛链中 sugarloaf岛全新世潮上沉积物中的白云石化作用 ，通过岩石学、同位素及水文资料等综合分析， 认为主要是通过佛罗里达湾的正常海水的潮汐泵 汲作用来完成的，而不是过去所说的蒸发泵作用 产生的。有时5%10%的海水蒸发作用和/或硫 酸盐还原对加速白云石化有帮助，但这些作用并 非完全必要。 2021-5-813 白云石化作用模式 根据jose d

9、.carballo(1987)资料，sugarloaf key 正在发生全新世白云石化作用。富钙白云石形成 在厚0.2510cm的表层壳上。该白云石壳超覆在 下覆岩溶更新世miami鲕粒灰岩之上的薄层碳酸盐 泥上。壳层放射性碳年龄范围随着白云石含量由 0%至80%而相应地增加，由160年增至1420年。 相对高渗透的下覆更新世鲕粒灰岩与全新世低渗 透碳酸盐泥在表层水和部分承压含水层之间产生 一个潮汐泻湖。高浓度的白云石建立在沉积层最 薄和潮汐泵汲最有效的地区。 2021-5-814 相隔一段距离所作通过泵汲循环的有限的地表 （表层）水和地下水分析，表明白云石化的流体是 原始的佛罗里达湾水。最早

10、的成岩作用是由白云石 胶结物的沉淀作用引起的，白云石产状为0.10.3微 米，次圆状晶体，呈不明显的结晶形态。在进一步 胶结作用时和稍后，在先成晶体交代作用期间，形 成弱有序的15微米的自形菱面体白云石。x-衍射数 据表明重结晶白云石比结晶白云石的组成更有序和 富钙少。其机理是：当潮水进入潮上带灰泥坪后， 这种富镁海水在灰泥的微小粒间孔隙中不断循环和 向上及向下泵汲、渗透，最终即引起灰泥沉积物发 生白云石化。（潮汐泵汲作用过程参见图5） 白云石化作用模式 2021-5-815 图图5说明：说明： a）上升的大潮的初始阶段。）上升的大潮的初始阶段。 地下水面（破折线）反映渗地下水面（破折线）反映

11、渗 透的透的miami鲕粒灰岩的地形，鲕粒灰岩的地形， 但是比含水层等势面（钻井但是比含水层等势面（钻井 水平面）低。主要是由于低水平面）低。主要是由于低 渗透的全新世沉积物的限制。渗透的全新世沉积物的限制。 b）当潮汐继续上升时，含）当潮汐继续上升时，含 水层的等势面上升至沉积物水层的等势面上升至沉积物 表面之上并且在潮坪表面形表面之上并且在潮坪表面形 成水洼（水湾）。成水洼（水湾）。c）当地）当地 表水位高时和潮坪涨潮时，表水位高时和潮坪涨潮时， 含水层的等势面已经开始回含水层的等势面已经开始回 落。落。d）正在下落的大潮的）正在下落的大潮的 最后阶段。沉积物内的水平最后阶段。沉积物内的水

12、平 面是与岩床地形反向的。面是与岩床地形反向的。 2021-5-816 白云石化作用模式 处于海底的碳酸钙沉积物， 当周围海水与沉积物内部发生 温度或盐度差异时，将形成泵 汲作用，冷的海水进入沉积物 内，在海水下一定深度，即相 当于碳酸钙的补偿深度，约 1000m，此时海水对方解石是 不饱和的，但对白云石却是过 饱和的，因此这样的海水足以 使碳酸盐沉积物发生白云石化 （图6）。 8海水白云石化模式（seawater dolomitization） 0 1 02 0 3 0 (km ) 1 5 e 1 senw f 1 冷 海 水 白 云 岩 化 作 用 上 新 世 更 新 世 中 新 世 始

13、新 世 海 水 井 5km 火 山 岩 基 底 图图6 enewetak atoll地区始新统灰岩的冷海水白云地区始新统灰岩的冷海水白云 岩化模岩化模 式（式（saller，1984） 2021-5-817 0 1 02 0 3 0 (km) 1 5 e 1 senw f 1 冷海水白 云岩化作用 上新世更新世 中新世 始新世 海水 井 5km 火山岩基底 图图6 enewetak atoll地区始新统灰岩的冷海水白云地区始新统灰岩的冷海水白云 岩化模式（岩化模式（saller，1984） 白云石化作用模式 8海水白云石化模式（seawater dolomitization） 白云石的13c：

14、2.22.4；18o： 2.12.7，富含重氧同位素。由于缺 乏超盐卤水的证据，所以推断其应形 成于冷海水环境。saller在研究位于 12501400m的始新世珊瑚藻有孔 虫颗粒岩白云岩化时，其17s/16s比 值为0.708650.70901，表明白云化 发生在中中新世和现代之间某一段时 间或多个时期。水温1020，较该 区太平洋表层水温28低得多。 2021-5-818 白云石化作用模式 kastner(1984)认为，海水中so42-低有利于白云石化。 baker&kastner(1981)通过实验：海水中少量so42-（5%） 存在，会强烈阻碍白云化作用，而文石则能在较高含量的海 水

15、中被白云石化。此外富含有机质的沉积物中微生物还原作 用可使so42-含量降低，有机质降解产生大量ch4、hco3-、 co32-等气体使溶液碱度增加亦有助于白云化作用。海水白 云化的主要机理是具白云化潜力的冷水洋流的泵汲作用和热 对流作用（thermal conrection, swartz,1958）（图6）。洋 流泵汲作用（oceanic tides/ocean current pumping）是一种 将海水大规模泵汲到沉积物内的驱动力。 8海水白云石化模式（seawater dolomitization） 2021-5-819 黔桂地区白云岩成因模式 图图7 黔桂地区白云岩成因模式（黔桂

16、地区白云岩成因模式（a）潮汐泵汲；（）潮汐泵汲；（b）正常海水；（）正常海水；（c）近地）近地 表混合水：（表混合水：（c1）海平面较高，（）海平面较高，（c2）海平面较低；（）海平面较低；（d）埋藏成岩环境：）埋藏成岩环境： （d1）压实排挤流，（）压实排挤流，（d2）热（盐）水为主的混合（水）；（）热（盐）水为主的混合（水）；（e）构造热液）构造热液 黔桂地区泥盆系石炭系 白云岩分布广泛，层位稳定， 厚度数十至数百米，呈层状， 主要发育在连陆碳酸盐台地的 外缘及邻近广海和深海槽的一 些孤立碳酸盐台地上，是该区 最有利的油气储集层。其成因 模式可主要归纳为五种：潮汐 泵汲（图7a）、正常海水

17、（海 水泵汲）（图7b）、近地表混 合（水）（图7c1、图7c2）、埋 藏成岩环境（图7d1、图7d2）、 构造热液（图7e） 2021-5-820 白云石化白云岩的交代标志 以黔桂地区泥盆系、石炭系层状白云岩为例作如 下介绍。 通过大量野外观察及宏观和微观岩石学特征研究 ，泥盆系和石炭系呈层状分布的白云岩共有5种主 要类型，即微晶白云岩、粉晶白云岩、细粗晶白 云岩、（含）颗粒白云岩、粒序层白云岩。除少数 角砾屑成因外，其余类型的白云岩都是同生或由成 岩交代作用形成，其交代的标志如下。 2021-5-821 白云石化白云岩的交代标志 1.野外岩石学标志 野外产状及宏观岩石学特征表明，层状白 云

18、岩与上下石灰岩地层呈渐变或突变接触，有 时向顶部则过渡为斑块状白云岩。在大多数白 云岩层中，均不同程度地保留有未被交代尽的 原石灰岩的团块及透镜状或不规则层状残余体 。这些特征进一步说明白云岩是交代成因的。 2021-5-822 白云石化白云岩的交代标志 1生物证据 在研究区大多数的白云岩中，常不同程 度地含有钙质生物化石，如枝状层孔虫、块状 层孔虫、介形虫、棘屑、腕足、珊瑚、苔藓虫 、海绵、有孔虫、腹足、某些红藻、绿藻和非 骨骼蓝藻等。通过岩石学研究和地球化学分析 ，发现这些生物骨壳已部分或全部转变为白云 石，这是交代成因白云岩的最令人信服的证据 。 2021-5-823 白云石化白云岩的交

19、代标志 3.交代组构 在研究区白云岩中，发育多种交代组构， 最常见的有颗粒的假象和幻影，以及白云石的 交代切割组构；此外，还有残余生物和残余纹 层理等组构。 2021-5-824 白云石化白云岩的交代标志 3.交代组构 颗粒的假象和幻影：原岩虽已完全白云石化， 但其中的碳酸钙颗粒组分如生物骨壳、内碎屑、 球粒、藻鲕、团粒等颗粒的轮廓及其内部组构已 遭破坏，仅保留其外形，或者颗粒已完全被大的 白云石晶体“吞食”，仅仅残留下那些不溶残余 物质和泥质等呈分散状分布，根据其分布的行迹， 大体上尚能显现出颗粒的影子。 2021-5-825 白云石化白云岩的交代标志 3.交代组构 生物残余组构：在显微镜下

20、表现为白云石选择 性交代微晶石灰岩中的颗粒、生物骨壳、灰泥基质 或部分胶结物，并占据了这些组分的一部分空间， 常呈菱形晶体漂浮于基质或颗粒之中。 残余纹层理：碳酸盐沉积物中发育的纹理构造， 在沉积物白云石化后被保存下来。 2021-5-826 白云石化白云岩的交代标志 3.交代组构 交代残余包裹体：白云石晶体中残留有交代不 彻底的方解石微粒包裹体，这是很常见的一种白云 石化作用标志。在正交光下可见残余的微粒方解石 呈星点分布，或聚积于晶体中心呈雾状分布现象， 在阴极发光显微镜下发桔黄色光斑，或在桔红色发 光背景下显现黄色色斑。 2021-5-827 黔桂地区泥盆系、石炭系细黔桂地区泥盆系、石炭

21、系细-粗晶白云岩的一些特殊组构粗晶白云岩的一些特殊组构 1花斑状交代组构和不等晶交代结构 花斑状交代组构主要发生在白云石化作用不 够完善的泥粒岩、泥粒一颗粒岩及少量颗粒岩中。 交代成因的白云石斑块呈大小仅数厘米至数毫米 的不规则斑块分布，原岩则呈（更）小的不规则 斑块或斑点分散残留于白云石斑块之间。 2021-5-828 黔桂地区泥盆系、石炭系细黔桂地区泥盆系、石炭系细-粗晶白云岩的一些特殊组构粗晶白云岩的一些特殊组构 1花斑状交代组构和不等晶交代结构 这类岩石可以单独成层状产出，也可以为交代 完全的层状白云岩与石灰岩层间的过渡层。令人感 兴趣的是这类岩石中有原岩残留斑块可以真实地表 明原始沉

22、积物的性质，而且这类岩石的白云石斑块 本身常具有不等晶结构，所以对其进行较全面的分 析，不仅可以较清楚地了解其白云石化的过程以及 其控制因素，而且可以弄清不等晶结构及花斑状组 构的形成原因。 2021-5-829 黔桂地区泥盆系、石炭系细黔桂地区泥盆系、石炭系细-粗晶白云岩的一些特殊组构粗晶白云岩的一些特殊组构 1花斑状交代组构和不等晶交代结构 镜下特征表明，原始碳酸钙沉积物中不同矿物成 分和组构对白云石交代作用的差异敏感性是导致花斑 状白云石交代组构形成的重要原因之一，具体表现在 白云石的交代作用有明显的选择性。当白云石化不够 强烈时，白云石优先选择交代灰泥基质，其次是泥晶 化的有孔虫和某些

23、生物碎屑，藻球粒、藻团粒，有时 还有微晶灰岩成分的粉屑、砂屑等，而那些大的生物 屑骨壳，如腕足、苔藓虫等可以不被交代或仅局部遭 受轻微的交代，至于像已转变成单晶方解石的棘屑， 多晶粒状方解石的双壳、腕足则不被交代。 2021-5-830 黔桂地区泥盆系、石炭系细黔桂地区泥盆系、石炭系细-粗晶白云岩的一些特殊组构粗晶白云岩的一些特殊组构 1花斑状交代组构和不等晶交代结构 究其原因，灰泥、藻球粒等除原始成分上可以 是亚稳定的（含）文石和镁方解石质外，更主要是 由微晶级方解石组成的颗粒和泥晶化生物骨壳等组 成的颗粒细小，比表面积大，不饱和键多、易于被 白云石交代。在以上这些组分中，白云石化时微晶 级

24、成核中心极其发育，白云石晶体交代增长过程必 然出现竞争生长、增长快的晶径较大且自形程度高， 而增长慢的只能在受限的空间内生长，晶径相对较 小且晶形发育较差，即所谓的“交代竟争增长”， 结果导致白云石呈不等晶结构或呈花斑状分布。 2021-5-831 黔桂地区泥盆系、石炭系细黔桂地区泥盆系、石炭系细-粗晶白云岩的一些特殊组构粗晶白云岩的一些特殊组构 1花斑状交代组构和不等晶交代结构 当白云石化较强烈时，除上述成分已优先白云石化外， 生物骨壳亦明显地被选择性白云石化。由文石、高镁方解石 组成的骨壳相对易于白云石化，而低镁方解石质的骨壳则相 对地较难白云石化。有些生物骨壳，如高镁方解石质的棘皮 和文

25、石质的软体动物等，在成岩作用早期或浅埋藏期即可转 变为低镁方解石，它们往往比其它原始成分为低镁方解石质 的生物骨壳更难被白云石化。生物骨壳的显微结构也是生物 化石被选择性白云石化的一个原因，特别是在埋藏成岩环境 中，当文石和高镁方解石均转变成低镁方解石后，生物骨壳 的显微构造则是引发选择性白云石化的决定性因素。 2021-5-832 黔桂地区泥盆系、石炭系细黔桂地区泥盆系、石炭系细-粗晶白云岩的一些特殊组构粗晶白云岩的一些特殊组构 2白云石的雾心亮边构造 雾心亮边构造是糖粒状白云岩中最普遍、最常见的交代组构之一。 白云石交代方解石组分时，一方面表现为mg2+离子与ca2+离子的置换作 用，另一

26、方面表现为白云石晶体的逐渐增长。因为白云石化作用初始进 行过程总是围绕分散的众多的成核中心以较快的速度进行，围绕成核中 心白云石晶体将迅速置换增长，碳酸钙沉积物中的杂质如泥质、有机质、 铁质等来不及被排出晶体之外，只好作为包裹物质残留于晶体内部，致 使晶体显示带褐黄色、半透明和不洁净。随白云石化作用继续进行，污 浊白云石将继续交代增长。由于流体流动速度因白云石形成而减慢，所 以白云石的交代速度也逐渐变慢，在这种情况下杂 质比较容易被排出、 因而在污浊白云石的外缘形成无色透明的亮边。部分层位雾心亮边白 云石的雾心呈黄褐色，似有较多的铁质残留其中, 晶体均是自形生长。 2021-5-833 黔桂地

27、区泥盆系、石炭系细黔桂地区泥盆系、石炭系细-粗晶白云岩的一些特殊组构粗晶白云岩的一些特殊组构 3白云石的环带构造 环带构造也是交代白云岩中常见的一种特征组 构。通过研究发现，交代白云岩中并不是所有白云 石都发育环带构造，只有那些白云岩中较大的晶间 孔隙、溶蚀孔隙、溶蚀缝及裂隙中靠孔隙壁或裂缝 壁一侧的白云石，因面向孔、缝有增生的空间，可 以通过白云石的次生加大作用形成环带构造。具环 带构造的白云石一般都成良好的自形晶体，尤其在 溶孔、溶缝和较大裂缝中充填的白云石，有时不仅 自形程度好而且环带多。 2021-5-834 黔桂地区泥盆系、石炭系细黔桂地区泥盆系、石炭系细-粗晶白云岩的一些特殊组构粗

28、晶白云岩的一些特殊组构 3白云石的环带构造 白云石环带的形成是由于孔隙水成分发生某些变化， 如mgca值及其他微量元素在白云石生长过程中发生了变 化，或者由于结晶速度发生了间断变化所引起的。有时在 环带次生增长的不同阶段孔隙水中有fe3+离子、有机质或其 他杂质进人，由于这些物质不能进人碳酸钙或碳酸钙镁矿 物的晶格格架，因而只能作为机械混人物包裹于晶格之间、 形成有色或暗色环带。次生加大的白云石则在其外形成次 生加大边，这样也可以形成环带构造。 综合上述资料可知，具环带构造的白云石大都是由于 白云石化过程中白云石的多期次生加大作用形成的。 2021-5-835 黔桂地区泥盆系、石炭系细黔桂地区

29、泥盆系、石炭系细-粗晶白云岩的一些特殊组构粗晶白云岩的一些特殊组构 4.白云石的“聚合”构造 在研究区的不等晶或中一粗晶白云岩中常含有一些粗晶 或巨粗晶白云石晶体，在单偏光镜下呈一个完整的大的白云 石晶体，在正交偏光镜下可见是由几个小菱形白云石聚合而 成，每个小菱形晶体都具有各自的消光位，有时彼此间消光 位又比较接近。这种特征组构可能是在成岩过程中由于白云 石化作用延续时间较长，发生了白云石的重结晶作用和次生 加大作用，使相邻近而又光性方位相近似的小菱形白云石晶 体加大和重结晶为个大菱形晶体。可以认为聚晶菱形白云石 是漫长成岩过程中多期白云石化作用及重结晶作用的一种叠 加效应。 2021-5-

30、836 黔桂地区泥盆系、石炭系细黔桂地区泥盆系、石炭系细-粗晶白云岩的一些特殊组构粗晶白云岩的一些特殊组构 5对角线构造 白云石的对角线构造常见于某些糖粒状白云岩中。显微镜下 或呈两条相互垂直又近于 对称的、向菱面体4个晶面夹角发散的 褐色或灰褐色扫帚状条带；也可以是一条明显，另一 条隐约可 见甚至不发育。形成对角线的原因是，对三方晶系菱面体的白云 石来说，对角线是晶面（或面网）间的等分线方位，亦即结晶力 最弱的方位。当石灰岩白云石化过程中，原有位置的泥质、fe3+、 mn4+、有机质等杂质不可能进人晶格格架，只能以机械混入物形 式被包裹、被排斥至结晶力最弱的对角线位置上分布。由于白云 石a轴方向结晶力较c轴（亦为光轴）方向强，这样，当机械混入 物较少时，杂质沿c轴方向分布多，a轴方向分布少，形成不对称 的甚至只发育一条对角线构造，只有当杂质较多时，才发育两条 对称或近对称的对角线构造。 2021-5-837 原生沉积白云