白云岩及白云石化作用

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1、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)．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

2、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：（1）其平衡常数K为：（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：（3）对于反应平衡式（3）的平衡常数Kcd为：（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

3、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CO2-3的结合的产物，而不是HCO-3，这就表明，在高碱度高pH值的溶液中容易发生白云石化作用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

4、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、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

5、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。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

6、附在晶体表面的钙离子的聚集作用发生变化的结果。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）；3）在白云石与水之间痕迹元素的有效分配系数Ke。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S

7、r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。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

8、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。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