混合水白云石化和埋藏白云石化作用的是与非—以四川盆地飞仙关组白云岩成因为例 The Rationality of Mixed Water Dolomitization and Buried Dolomitization——Taking the Genesis of Dolostone of Feixianguan Formation in the Sichuan Basin as an Example

doi:10.12677/AG.2012.24029

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Advances in Geosciences 地球科学前沿, 2012, 2, 193-198

http://dx.doi.org/10.12677/ag.2012.24029 Published Online December 2012 (http://www.hanspub.org/journal/ag.html)

The Rationality of Mixed Water Dolomitization and Buried

Dolomitization*

——Taking the Genesis of Dolostone of Feixianguan Formation in the Sichuan Basin as an Example

Meng Ning1, Binbin Hao1, Jiuyu an Zhang1, Bin Zhang1, Zhonggui Hu1,2

1School of Geosciences, Yangtze University, Wuhan

2Key Laboratory of Exploration Technologies of Oil and Gas Resources of Ministry of Education, Yangtze University, Jingzhou

Email: dianerliu@yahoo.com.cn

Received: Oct. 19th, 2012; revised: Nov. 3rd, 2012; accepted: Nov. 1 8th, 2012

Abstract: Although researches on dolomite have been lasting for more than 200 years, there are still many disputes

about the genesis of dolostone, and nowadays’ domestic researches in this field just confine to mechanical application of

foreign dolomitization models. Taking part of dolostone of Feixianguan Formation in the Sichuan Basin as an example,

early researchers tended to consider it as the result of mixed water dolomitization, while in recent years, some scholars

came up with the idea of buried causes and studied dolomitization fluids carefully. Based on the discussion of the

petrological and geochemical characteristics of dolostone in Feixianguan Formation, this study analyzes the clashes of

these two types of genetic model of dolostone, hoping to work out the rationality of mixed water dolomitization and

buried dolomitization, which will prov ide a reference for further research on dolostone genesis.

Keywords: Mixed Water Dolomitization; Buried Dolomitization; Feixianguan Formation

混合水白云石化和埋藏白云石化作用

的是与非*

——以四川盆地飞仙关组白云岩成因为例

甯濛1，郝斌斌 1，张九园 1，张彬1，胡忠贵 1,2

1长江大学地球科学学院，武汉

2长江大学教育部油气资源与勘察技术重点实验室，荆州

Email: dianerliu@yahoo.com.cn

收稿日期：2012 年10 月19 日；修回日期：2012 年11 月3日；录用日期：2012 年11 月18 日

摘要：人们对白云石的研究已有 200 多年的历史，但关于白云岩的成因仍然存在很大的争议。目前国内对白

云岩成因的研究主要停留在对国外提出的白云石化模式的套用阶段。以四川盆地飞仙关组部分白云岩成因为例，

早期学者多倾向于用混合水白云石化模式解释其成因，近几年又有学者提出了埋藏成因，并对其白云石化流体

性质作了具体研究。本文以四川盆地飞仙关组白云岩为例，从引发飞仙关组白云岩成因争议的岩石学特征、地

球化学特征展开讨论，分析这两种成因模式的争议点所在，以期寻找到混合水白云石化和埋藏白云石化作用的

是与非，为更进一步研究白云岩的成因提供一定参考。

关键词：混合水白云石化；埋藏白云石化；飞仙关组

*基金项目：长江大学“国家大学生创新性实验计划项目”(项目编号：1104)和湖北省自然科学基金项目(项目编号：2011CDB005)资助。

混合水白云石化和埋藏白云石化作用的是与非

194

1. 引言同学者有不同的解释。目前主要的成因解释有准同生

(蒸发泵)、混合水和埋藏等白云石化模式。其中准同

生白云石化模式用来解释泥–微晶白云岩类，此种观

点没有争议[3]；而对于混合水[4-6]和埋藏白云石化作用

[3,7-9]模式的应用具有较大分歧，此两种模式常用来解

释分布于台缘鲕滩环境的飞仙关组优质储集岩类——

鲕粒白云岩、具残余鲕粒结构的粗粉晶–细晶白云岩

的成因。本文主要基于前人的研究成果和最新的研究

进展，从沉积环境、岩石学特征及地球化学特征方面对

这两种成因模式的相应证据展开讨论。

四川盆地东北部飞仙关组为一套浅海相碳酸盐

岩台地沉积，在陆表海台地上沉积了一套浅海碳酸盐

岩，间夹蒸发盐层。岩性以鲕粒灰岩、鲕粒白云岩和

藻纹层白云岩为主[1](图1)。其白云岩类型丰富，按形

成环境可分为两大类：局限–蒸发台地和台缘鲕滩环

境。局限台地环境形成的白云岩类型包括：泥–微晶

白云岩、藻纹层白云岩和粉–细晶白云岩，在开江–

梁平海槽东部发育较好，分布面积广。鲕滩环境形成

的白云岩类型包括：具残余鲕粒结构的粗粉晶–细晶

白云岩、鲕粒白云岩，主要分布在开江–梁平海槽东

部边缘的罗家寨–渡口河–铁山坡一带，海槽西部边

缘不发育[2]。

2. 形成环境

研究区早三叠世总体的古地貌特征是长兴末期

区域构造抬升和热构造沉降与坳陷活动继承发展的

结果[3]。川东北地区的台盆硅质岩相受飞仙关期水体

变浅的影响而逐渐消失，演变为深水台盆相与浅水台

地相交替的沉积相展布格局，为典型的台–盆(槽)沉

积体系。根据威尔逊模式，可将沉积相自开江–梁平海

槽向东西两侧依次划分为：盆地相–斜坡相–台缘鲕

粒滩相–开阔台地相–局限台地相– 蒸发台地相[7]。从

理论上看，这种环境既有利于混合水白云石化作用的

发生，也能在后期的埋藏中发生埋藏白云石化作用。

对四川盆地飞仙关组白云岩成因机理或模式，不

2.1. 混合水白云岩的形成环境

混合水白云岩(鲕粒白云岩和具残余鲕粒结构白

云岩)主要见于飞仙关组台缘鲕滩环境中，因为在台地

边缘的转折带，水动力强，容易形成鲕滩。鲕滩在沉

积过程中形成向上突起的正地貌，易暴露于海平面之

上。在淡水透镜体以下的半咸水带中，岩石就会发生

混合水白云石化作用。鲕滩的发育受控于海平面的变

化：当海平面上升时，鲕滩开始形成并接受沉积；当

海平面下降时，向上凸起的鲕滩能暴露与海平面之

上，在大气淡水和海水的共同作用下，形成半咸水带。

当混合水的比例在5%~30%范围内时，就可发生混合

水白云石化作用。随着海平面周期性地升、降，鲕滩

不断接受沉积向上生长，或暴露于大气发生白云石化

作用，从而使鲕滩发生较大规模的混合水白云石化作

用[10]。

2.2. 埋藏白云岩的形成环境

Figure 1. Column of lithology profile of feixianguan formation in

the northeast Sichuan basin[1] 对于同样一套台缘鲕滩白云岩，持埋藏白云石化

图1. 川东北地区飞仙关组岩性剖面柱状图[1]

混合水白云石化和埋藏白云石化作用的是与非

观点者认为其形成于埋藏环境。鲕滩间上覆或下伏沉

积物主要以细粒沉积物为主，在成岩压实过程中，容

易造成差异性压实。其形成的富 Mg2+地层水在差异压

实作用的驱动下，优先沿灰岩裂缝或缝合面进入与其

邻近的、具有较高孔、渗的鲕滩沉积物中，从而使其

发生白云石化。这种差异性压实作用会一直延续到成

岩晚期的深埋藏环境。

埋藏白云石化还常与裂缝及缝合线的发育密切

相关[10]。未固结或半固结的鲕粒滩受海平面变化的影

响，周期性暴露地表，受到地表水的淋滤、溶蚀作用，

在垂向上形成多层溶蚀孔缝，为埋藏期白云石化流体

提供了有效的流通空间和通道。

3. 岩石学特征

3.1. 混合水白云岩的岩石学证据

3.1.1. 岩石结构特征

混合水成因解释的白云岩呈灰色或浅灰色中–

厚层状，常与亮晶鲕粒灰岩、亮晶砂屑灰岩或亮晶生

物屑灰岩互层。形成的白云石多为半自形–他形粉–

细晶结构，晶体表面较浑浊。在镜下，这类白云岩中常

保留鲕粒、砂屑等碎屑颗粒的残余结构[4]，有时白云

石呈雾心亮边结构[5]。

从白云石晶体形态、构造、大小及分布等方面分

析，早成岩期白云石主要有以下特点：1) 保留有原岩

颗粒的结构特征，如鲕粒的同心纹层结构(说明在大规

模压实作用之前，鲕粒灰岩已发生白云石化)；2) 粒

间孔边缘或部分粒内孔中可见沥青充填(说明鲕粒云

化发生在大规模有机烃运移之前)；3) 可见二期方解

石胶结物与白云石化颗粒共存(说明在第二期方解石

胶结物形成之前或同时，鲕粒发生白云石化)；4) 已发

生白云石化的鲕粒被构造裂缝切割[5]；5) 鲕粒和胶结

物全为白云石，部分表现为鲕粒为白云石而胶结物为

方解石[7]；6) 岩石中的示底构造也是近地表环境大气

水作用的证据之一，这类岩石分布于向上浅滩化旋回

中滩体的顶部，这是大气淡水与海水混合水白云石化

作用最容易发生地带[11]。

3.1.2. 有序度和 MgCO3/CaCO3摩尔分数比值

发生混合水白云石化的前提条件是淡水与海水

的混合，从而导致白云石化流体镁离子浓度降低，而

n(Mg2+)/n(Ca2+)值不变。此条件下的交代作用过程中，

结晶速度缓慢，钙、镁和碳酸根离子有充足的时间重

新组合形成有序度更高的白云石，常形成具备较好晶

形的自形–半自形白云石晶体[12]，晶体有序度相对较

高(约0.7 左右)[13]。

通过参阅前人的研究资料，发现无论白云岩有序

度高或低，均可用混合水白云石化作用来解释：有序

度偏高的白云岩，说明其暴露时间较长，受大气淡水

作用明显，混合水白云石化较彻底[5]。通过与潮坪白

云岩的有序度对比，鲕粒白云岩的有序度明显要偏高

(图2)；其中有序度偏低的白云石可能由于暴露时间

短，受淡水作用影响有限，白云石化作用过程快，交

代不彻底[14]；而有序度中等的白云岩，结晶速度适中，

其有序度介于埋藏白云岩和同生期白云岩之间。推测

其形成环境也介于准同生和埋藏环境之间，为混合水

环境[7]。纵向剖面上有序度向下变低，显示了混合水

白云石化过程中的流体下渗过程[6]。

3.1.3. 阴极发光证据

混合水成因的白云石阴极发光颜色以蓝紫、紫红

色为主，部分为桔红色。其中具有“雾心亮边”结构

的白云石“雾心”呈紫色，“亮边”为橙黄–桔黄–

桔红等交替的环带结构。此特点反应大气水对原岩(灰

岩)白云石化过程由表及里的影响程度由强变弱，而呈

现出递变的发光特征。阴极发光强度弱–中等，多呈

暗褐色–暗桔红色[14,15]，也表明白云石形成的环境为

受大气淡水影响的氧化环境[6]。

3.2. 埋藏白云岩的岩石学证据

3.2.1. 岩石结构特征

埋藏白云岩晶粒粗、细不等，多为细–中晶，部分

为粗晶，重结晶作用较强，常具“雾心亮边”结构。云

Figure 2. The distribution map of the order degree and the calcium

carbonate mole fraction of dolomite[5]

图2. 白云岩有序度、碳酸钙摩尔分数分布图[5]

混合水白云石化和埋藏白云石化作用的是与非

石晶体之间常存在交切现象，鲕粒常被交代、原始结

构消失殆尽，局部偶见交代不彻底的残余方解石晶

体。中晶白云石也常沿裂缝及缝合线分布，说明成岩

埋藏白云化过程具有明显的多期次性。

高梅生等(2007)根据埋藏交代成因白云岩的原始

鲕粒结构保存状况和白云石结晶、洁净程度，将其结

构划分为四种类型，然后根据岩石学特征将其解释为

三个成岩阶段的埋藏白云化期次的产物[3]。

埋藏白云石也常受控于成岩裂缝(缝合线)的分

布，显微镜下常见白云石化现象从靠近缝合线至远离

缝合线有由强变弱特征。由此说明白云石化流体在缝

合线流动过程中，与周缘围岩发生交代形成白云石。

因而此类白云石的形成晚于缝合线，为埋藏成因[10,15]。

3.2.2. 有序度和 MgCO3/CaCO3摩尔分数比值

埋藏成因的白云石有序度和MgCO3/CaCO3摩尔

分数比值主要受控于埋藏条件下盐度和温度的变化，

随着埋藏深度增加，孔隙水盐度降低和温度的升高，

白云石化速度变慢，有序度增加，MgCO3/CaCO3摩尔

分数的比值逐渐达到化学计量级水平。

埋藏成因的白云石X-衍射有序度值较高[4]，并且

在纵向上有规律变化，显示了白云石化过程中的流体

下渗过程。在不同成岩阶段的埋藏白云化过程中，伴

随孔隙水盐度降低[4]，白云化速度逐渐变慢，白云石

有序度逐渐提高。

3.2.3. 阴极发光

埋藏白云石阴极发光具有暗淡红色的发光特征，

因为 Fe2+和Mn2+进入到白云石晶格中，表明白云石化

处于还原环境，这就意味着白云石化是在埋藏条件下

发生的。因为在暴露或表层环境下，铁锰离子呈氧化

状态，无法进入到白云石晶格中[5]。

4. 地球化学特征

4.1. 混合水白云岩的地球化学证据

4.1.1. 碳氧同位素

氧同位素的组成受大气水稀释、蒸发作用和温度

等因素的综合影响。温度降低和蒸发作用造成δ18O值

偏正；温度增高和大气水稀释造成δ18O值偏负；甲烷

生成造成 δ13C偏正，有机物质氧化造成 δ13C偏负。

根据稳定碳氧同位素在碳酸盐岩成岩环境中的

应用[16]，δ18O和δ13C偏向较高负值表明为大气淡水

成岩环境；δ18O和δ13C偏向较高正值表明为正常和咸

化海水成岩环境；δ18O向高负值偏移而 δ13C相对较稳

定或向低负值偏移表明为较深埋藏成岩环境。鲕粒滩

的δ13C多介于–4‰~4‰之间，δ18O主多介于–2‰~

–7‰之间，且主要分布在混合水白云石化作用的区间

(图3)，这说明鲕粒滩白云岩主要由混合水白云石化作

用形成[7]。从沉积背景也可分析其混合水机理：台缘

鲕滩沉积时常暴露于海平面之上，受到大气淡水影

响，因而 δ18O值偏负。

4.1.2. 锶含量

通过与本区上二叠统长兴组埋藏成因的白云石

中Sr 含量的对比，飞仙关组白云岩 Sr 含量更低显示

其混合水成因[5]。

在碳酸盐沉积物在成岩过程中，Sr的含量一般会

降低。有研究显示[7]，海水的 Sr的含量大约为(1.00~

1.20) × 10–3，受淡水影响形成的方解石Sr 含量为

Figure 3. The comparison diagram of the carbon-oxygen isotopic

characteristics of the mixed water dom i tization and buried dolo-

mitization dolostone (according to Guoqi Wei, et al., Rongcai

Zheng, et al.)

图3. 混合水和埋藏白云石化白云岩碳氧同位素特征对比图(绘图

数据引自魏国齐等(2005)，郑荣才等(2008))

196

混合水白云石化和埋藏白云石化作用的是与非

1.50 × 10–4。研究区白云石中 Sr 含量主要分布于 2.50 ×

10–4 以下(表1)，说明其形成过程中受到淡水的影响。

通过比较埋藏白云岩和二叠纪海水的碳稳定同

位素值，发现埋藏白云岩碳同位素值的变化范围在二

叠纪海水碳同位素值变化范围内，说明白云石化作用

过程受有机碳影响较小，也表明白云石化发生于浅–

中埋藏环境，此时处于生油窗前，有机碳含量相对贫

乏。

4.1.3. 微量元素

研究表明[7]，受淡水的影响的白云岩具有更高的

Na 含量。现代白云石的钠含量较高，达到(1.0~3.0) ×

10–3，而研究区鲕粒白云岩钠含量大多小于 6.00 ×

10–4(表1)，反映其受大气淡水稀释作用的影响，而非

蒸发环境中形成的。

4.2.2. 锶含量及锶同位素

据黄思静等研究，海相碳酸盐的成岩过程是一个

Sr 的丢失过程，而飞仙关组碳酸盐岩的成岩过程中不

但没有丢失锶，反而获得了锶(表1)。因而在埋藏条件

或封闭环境中，地层流体中富集锶，形成富锶地层水，

发生再交代或沉淀于碳酸盐岩矿物中，使围岩(碳酸盐

岩)具有较高锶含量。

4.2. 埋藏白云岩的地球化学证据

4.2.1. 碳氧同位素

埋藏白云岩的氧同位素值比海水的氧同位素值

要偏负(图3)，其原因为温度效应。在埋藏条件下，随

着埋深的增加，地层水温度升高。在“热的同位素分

馏作用”下，相对轻的 O16 进入交代的白云石晶格中，

相对偏重的 δ18O进入到流体中，这就是比海水 δ18O

值偏负的白云岩具有埋藏白云石化特征的原因。

而根据对鲕粒滩白云岩和同期海水稳定同位素

Sr 的分析资料[17](图4)，可以看出研究区的大部分样

品投影在海水的分布范围内，个别样品投影在海水之

上，表明交代流体中的地层水不会是来自三叠系之上

的地层水。晚二叠世的具残余海水性质的地层水和三

叠纪的由残余海水组成的混合地层水是飞仙关组白

云石化流体的主要组成及来源[18,19]，同时白云石化流

体是地层水也就暗示了其埋藏成因。

Table 1. The contrast table of the trace element compositions of t he

mixed water domitization and buried dolomitization dolostone

(according to Wei Yang, et al., Rongcai Zheng, et al.)

表1. 混合水和埋藏白云石化白云岩微量元素组成对比表(数据引

自杨伟等(2011)，郑荣才等(2011))

混合水白云岩微量元素含量埋藏白云岩微量元素含量

类型 Sr ppm Fe2+% Fe2+% Na% 类型 Sr% Fe% Mn%

鲕粒白

云岩 434.6 0.086 0.071 0.053 早成岩埋

藏白云岩 0.013 0.2650.005

中成岩埋

藏白云岩 0.012 0.1430.004

粗粉晶

–细晶

白云岩

201.1 0.093 0.13 0.043 晚成岩埋

藏白云岩 0.02 0.2850.0045

4.2.3. 埋藏白云岩的微量元素

飞仙关组不同成岩阶段白云岩微量元素 Fe、Mn、

Sr 的分析结果(表1)，表明飞仙关组各埋藏成岩阶段

白云岩，Fe、Mn、Sr 含量非常相似，与代表同期海

水的泥–微晶灰岩比较，都以具有较高的 Sr，很高的

Fe 及很低的Mn 含量为主要特征，此特征表明成岩流

Figure 4. 87Sr/86Sr ratio of the oolitic beach dolostone in feixianguan formation in the northeast Sichuan basin[25]

图4. 川东北飞仙关组鲕粒滩白云岩 87Sr/86Sr 比值[25]

混合水白云石化和埋藏白云石化作用的是与非

体具有较强的还原性和缺乏大陆淡水的影响，为相对

封闭的成岩环境产物标志[20,21]，成岩过程中文石的新

生变形、脱 Sr 和多期次白云化与溶蚀作用，都发生在

具有较强还原性、缺乏大陆淡水影响的封闭性成岩环

境中[12]，由于在近地表或暴露的氧化条件下，高价铁、

锰离子无法进入到白云石晶格，只有在埋藏还原环境

下，低价的铁、锰离子才有可能进入到白云石晶格中

[18]；同时相对应的各阶段埋藏白云岩的 Fe 、Mn、Sr

微量元素含量和演化趋势也相同，也佐证了长兴组和

飞仙关组各成岩阶段埋藏白云岩化流体的性质、来源

和演化具有很强的相似性和继承性[22]。

5. 结论

1) 通过形成环境的对比可以看出，持混合水成因

观点者主要是从控制岩石分布的环境推测出其为混

合水成因的可能性：形成于暴露在海平面以上的台地

边缘鲕滩，易受到海水和淡水混合的影响，具有发生

混合水白云石化作用的客观条件，进而找到岩石结

构、构造上的证据；但是持埋藏观点者认为飞仙关组

广泛分布的准同生白云岩属于潮上蒸发环境产物，说

明研究区在飞仙关期气候条件炎热干燥，缺乏潮湿气

候下混合水带存在的可能性，不可能为混合水成因。

且埋藏成因解释的白云岩，常沿裂缝及缝合线分布，

在其分布地因地表淡水作用发育多层溶蚀孔隙，这恰

好为白云石化流体(埋藏成因)提供了有利通道；

2) 对研究区白云岩同位素的争议，主要集中在对

氧同位素偏负这一现象的解释。近地表条件下形成的

混合水白云岩的 δ18O含量比海水低；而持埋藏成因观

点者根据“同位素分馏原理”和当时的气候条件(蒸发

岩沉积表明十燥气候，缺乏大气水)，认为飞仙关组鲕

粒滩体白云岩 δ18O值比海水偏负的原因是热的同位

素分馏作用造成的，为埋藏成因；

3) 在微量元素方面，埋藏白云岩具有高含量的

Fe 微量元素和一定量的Mn 微量元素显示出飞仙关组

白云岩的成岩流体具有较强的还原性和缺乏大陆淡

水的影响，为埋藏环境下的产物。而近几年来对锶同

位素的研究更加确证了其埋藏成因[17,19,23-26]，并对研

究流体来源提供了一定参考价值。相比之下，对于混

合水白云岩，尽管有学者根据 Sr、Mn、Na 等微量元

素进行解释[7,14]，但是其研究并不深入，不具有太大

的说服力。

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