白云岩及白云石化作用.ppt

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1、第六章第六章白云岩及白云白云岩及白云石化作用模式石化作用模式 白云石的理想化学成分为白云石的理想化学成分为CaMgCaMg（COCO3 3）2 2，其复杂的晶体结构以及它在地质时期中的不，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：形成过程时，必须说明两个问题：MgMg2+2+的来源的来源及白云石化流体通过碳酸盐沉积物的机制。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根据近年来的研

2、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、因大致建立了五个成因模式：蒸发作用模式、渗流渗流-回流模式、混合白云石化迷失、埋藏白回流模式、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（下图云石化模式及海水白云石化模式（下图)第一节第一节白云石化作用的化学反应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，因为迄今为止白云石形成作用的条件很难确定，因为迄今为止还没有人在实验室于常温条件下从自然海水中直接沉还没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：淀出白云石。白云石直接沉淀作用的化学反应式为：（1）其平衡常数其平衡常

3、数K为：为：（2）根根根根据据据据许许许许靖靖靖靖华华华华的的的的推推推推算算算算K K K K值值值值大大大大约约约约为为为为1 1 1 1 10101010-17-17-17-17。根根根根据据据据计计计计算算算算，在在在在海海海海水水水水中中中中白白白白云云云云石石石石处处处处于于于于过过过过饱饱饱饱和和和和状状状状态态态态，但但但但在在在在正正正正常常常常海海海海水水水水中中中中很很很很少少少少有有有有白白白白云云云云石石石石沉沉沉沉淀淀淀淀，这这这这可可可可能能能能是是是是化化化化学学学学动动动动力力力力因因因因素素素素所所所所致致致致。很很很很多多多多白白白白云云云云石石石石是是是

4、是交交交交代代代代CaCOCaCOCaCOCaCO3 3 3 3而而而而形形形形成成成成的的的的，其化学反应式为：其化学反应式为：其化学反应式为：其化学反应式为：（3 3 3 3）对于反应平衡式（对于反应平衡式（对于反应平衡式（对于反应平衡式（3 3 3 3）的平衡常数）的平衡常数）的平衡常数）的平衡常数K K K Kcdcdcdcd为：为：为：为：（4 4 4 4）如如如如灰灰灰灰岩岩岩岩地地地地层层层层要要要要完完完完全全全全白白白白云云云云石石石石化化化化就就就就需需需需要要要要大大大大量量量量的的的的MgMgMgMg2+2+2+2+。对对对对于于于于地地地地表表表表及及及及近近近近地地

5、地地表表表表成成成成岩岩岩岩白白白白云云云云石石石石化化化化作作作作用用用用，MgMgMgMg2+2+2+2+的的的的主主主主要要要要来来来来源源源源是是是是海海海海水水水水。在在在在海海海海水水水水中中中中没没没没有有有有产产产产生生生生广广广广泛泛泛泛的的的的白白白白云云云云石石石石沉沉沉沉淀淀淀淀，在在在在海海海海底底底底CaCOCaCOCaCOCaCO3 3 3 3也也也也很很很很少少少少有有有有白白白白云云云云石石石石化化化化的的的的原原原原因因因因是是是是形形形形成成成成白白白白云云云云石石石石矿矿矿矿物物物物的的的的化化化化学学学学动动动动力力力力学学学学因因因因素素素素所所所所

6、致致致致。在在在在海海海海水水水水中中中中，MgMgMgMg2+2+2+2+比比比比CaCaCaCa2+2+2+2+容容容容易易易易水水水水化化化化，而而而而且且且且常常常常形形形形成成成成离离离离子子子子对对对对。这这这这就就就就表表表表明明明明参参参参与与与与化化化化学学学学反反反反应应应应的的的的MgMgMgMg2+2+2+2+很很很很少少少少，而而而而且且且且CaCaCaCa2+2+2+2+比比比比MgMgMgMg2+2+2+2+容容容容易易易易进进进进入入入入Mg-CaMg-CaMg-CaMg-Ca碳碳碳碳酸酸酸酸盐盐盐盐晶晶晶晶体体体体。白白白白云云云云石石石石的的的的形形形形成成

7、成成常常常常是是是是阳阳阳阳离离离离子子子子与与与与COCOCOCO2-2-2-2-3 3 3 3的的的的结结结结合合合合的的的的产产产产物物物物，而而而而不不不不是是是是HCOHCOHCOHCO-3 3 3 3，这这这这就就就就表表表表明明明明，在在在在高碱度高高碱度高高碱度高高碱度高pHpHpHpH值的溶液中容易发生白云石化作用值的溶液中容易发生白云石化作用值的溶液中容易发生白云石化作用值的溶液中容易发生白云石化作用 要要要要克克克克服服服服从从从从海海海海水水水水中中中中沉沉沉沉淀淀淀淀白白白白云云云云石石石石化化化化的的的的化化化化学学学学动动动动力力力力学学学学障障障障碍碍碍碍，以以

8、以以下下下下几几几几种种种种变变变变化化化化过过过过程程程程均均均均可可可可以以以以产产产产生生生生这这这这种种种种可可可可能：能：能：能：1 1）海水的蒸发作用）海水的蒸发作用）海水的蒸发作用）海水的蒸发作用22）海水的稀释作用）海水的稀释作用）海水的稀释作用）海水的稀释作用33）温度的升高）温度的升高）温度的升高）温度的升高44）SOSOSOSO2-2-2-2-4 4 4 4含量的降低含量的降低含量的降低含量的降低。第二节第二节 白云岩的岩石学特征白云岩的岩石学特征 与与方方解解石石一一样样，白白云云石石的的晶晶体体形形式式也也很很多多，但但由由于于它它是是先先前前存存在在的的CaCO3交

9、交代代作作用用的的产产物物，故故以以发发育育交交代代组组构构为为特特征征，白白云云石石也也常常作作为为胶胶结结物物形形式式充充填填于于颗颗粒的孔隙中。粒的孔隙中。一、交代白云岩一、交代白云岩 当当CaCO3被被白白云云石石交交代代时时，其其控控制制因因素素是是颗颗粒粒的的原原生生矿矿物物类类型型、晶晶体体大大小小、白白云云石石化化作作用用的的时时间间以以及及白白云云石石化化液液体体的的性性状状。根根据据晶晶体体界界面面形形状状，可可识识别别出出三三种种白白云云岩岩的的结结晶晶镶镶嵌嵌组组构构：非非面面状状、自自形形晶晶面面状状及及半半自自形形晶晶面面状状（右图）。（右图）。二、白云石胶结物二、

10、白云石胶结物虽虽然然白白云云石石主主要要是是交交代代成成因因的的，但但白白云云石石胶胶结结物物也也很很普普遍遍。白白云云胶胶结结物物常常以以清清晰晰的的晶晶簇簇状状亮亮晶晶形形式式产产出出，可可以以与与方方解解石石亮亮晶晶相相类类比比，虽虽然然它它常常是是一一个个较较大大的的斜斜方方晶晶体体等等轴轴层层，而而且且是是一一个个作作为为孔孔沿沿内内衬衬层层的的单单一一层层。在在较较老老的的白白云云岩岩中中，胶胶结结物物也也很很普普遍遍，而而且且常常呈呈簇簇状状组组构构。用用阴阴极极发发光光法法可可以以看看出出其其微微弱弱的的环环带带，包包括括一一个个类类似似于于方方解解石石胶胶结结物物的的“不不发

11、光发光发光发光暗淡带暗淡带”序列。序列。三、白晶白云岩三、白晶白云岩 这是一种特殊形式或类型的白云岩，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。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，可能是的形式产出。其奇特的晶格变形，可能是由于被吸附在晶体表面的钙离子的聚集

12、作由于被吸附在晶体表面的钙离子的聚集作用发生变化的结果。用发生变化的结果。第三节第三节 白云石的痕迹元素白云石的痕迹元素地球化学地球化学 白白白白云云云云石石石石中中中中的的的的痕痕痕痕迹迹迹迹元元元元素素素素可可可可以以以以作作作作为为为为白白白白云云云云石石石石化化化化液液液液体体体体的的的的性性性性质质质质与与与与特特特特征征征征的的的的指指指指示示示示剂剂剂剂。主主主主要要要要研研研研究究究究涉涉涉涉及及及及的的的的元元元元素素素素是是是是SrSr、NaNa、FeFe、MnMn，这这这这些些些些元元元元素素素素的的的的聚聚聚聚集集集集作作作作用用用用的控制因素与文石和方解石相似；的控制

13、因素与文石和方解石相似；的控制因素与文石和方解石相似；的控制因素与文石和方解石相似；11）在孔隙液体中微量元素的聚焦作用；）在孔隙液体中微量元素的聚焦作用；）在孔隙液体中微量元素的聚焦作用；）在孔隙液体中微量元素的聚焦作用；2 2）成成成成岩岩岩岩体体体体系系系系的的的的开开开开放放放放程程程程度度度度（水水水水、岩岩岩岩石石石石比比比比值值值值以以以以及及及及溶解系数）；溶解系数）；溶解系数）；溶解系数）；3 3）在在在在白白白白云云云云石石石石与与与与水水水水之之之之间间间间痕痕痕痕迹迹迹迹元元元元素素素素的的的的有有有有效效效效分分分分配配配配系系系系数数数数KeKe。一、白云石的锶一、

14、白云石的锶 一一般般认认为为，白白云云石石的的SrSr的的分分配配系系数数可可能能只只有有方方解解石石的的一一半半，因因为为在在白白云云石石晶晶格格中中较较大大的的SrSr只只能能替替代代CaCa而而不不是是MgMg。但但是是，方方解解石石中中SrSr的的理理论论KeKe值值还还不不统统一一。白白云云石石化化的的时时间间也也会会影影响响白白云云石石中中的的SrSr含含量量，不不管管溶溶液液中中SrSr的的分分配配系系数数KeKe是是多多少少，但但它它总总是是小小于于1 1的的，这这就就说说明明任任何何白白云云石石的的重重结结晶晶作作用用都都会会损损失失一一部部分分SrSr。在在一一套套碳碳酸酸

15、盐盐地地层层中中或或相相关关的的几几套套地地层层中中，可可以以用用SrSr含含量的资料来比较识别不同类型的白云岩。量的资料来比较识别不同类型的白云岩。二、白云石中的钠二、白云石中的钠白白云云石石晶晶体体中中的的钠钠的的产产出出位位置置是是不不确确定定的的，或或者者替替代代阳阳离离子子或或者者产产于于液液态态包包裹裹体体中中。虽虽然然Na的的有有效效分分配配系系数数在在溶溶液液中中的的值值实实际际上上很很低低，但但海海水水中中的的较较高高的的mNa/mca值值就就意意味味着着从从海海相相孔孔隙隙液液体体中中沉沉淀淀而而成成的的白白云云石石，其其Na含量也较高。含量也较高。三、白云石中的锰和铁三、

16、白云石中的锰和铁这这两两种种元元素素与与Sr和和Na相相反反，它它们们不不是是在在成成岩岩过过程程中中受受到到损损耗耗，而而是是在在成成岩岩过过程程中中由由碳碳酸酸盐盐沉沉淀淀物物吸吸收收。其其原原因因有有二二：Fe和和Mn在在海海水水中中含含量量很很低低，而而在在成成岩岩孔孔隙隙流流体体中中含含量量有有时时相相当当高高；它它们们在在溶溶液液中中的的有有效效分分配配系系数数Ke值值很很高高，近近地地表表白白云云石石化化作作用用形形成成的的白白云云石石，其其Mn和和Fe含含量量很很低低，因因为为近近地地表表流流体体处处于于氧氧化化状状态态；而而埋埋藏藏成成岩岩作作用用形形成成的的白白云云石石Mn

17、和和Fe含含量量相相对对较较高高，因因为为在在还还原原环环境境中中锰锰和和铁铁才才能能以以Fe2+与与Mn2+的的形形式式存存于于流流体体中中，从从而而进进入入白云石晶格。白云石晶格。第四节第四节白云岩的稳定同位素白云岩的稳定同位素地球化学地球化学 不同温度下不同温度下白云石与水的同白云石与水的同位素分异平衡作位素分异平衡作用如图用如图6-4所示：所示：当当18O水水=0时，温度与沉淀时，温度与沉淀出的白云石中的出的白云石中的18O的相对不确的相对不确定性的关系（右定性的关系（右图）。图）。第四节第四节白云岩的稳定同位素地球化学白云岩的稳定同位素地球化学 实际上，在不同温度下，实际上，在不同温

18、度下，18O18O水值是不一样水值是不一样的，在这种前提下的，在这种前提下18O18O白云石与温度的关系见图白云石与温度的关系见图6-6-5 5，在图，在图6-56-5中曲线上的数字代表中曲线上的数字代表1818O O水水的不同值。的不同值。而图而图6-66-6又表示了不同的又表示了不同的1818O O白云石白云石值的情况下，值的情况下，1818O O水水值与温度的关系（上图）值与温度的关系（上图）。从从图图6-5及及图图6-6中中可可以以看看出出，白白云云石石的的氧氧同同位位素素组组成成反反映映了了沉沉淀淀作作用用温温度度以以及及白白云云石石化化流流体体的的同同位位素素组组成成。后后者者可可

19、由由CaCO3的的交交代代使使同同位位素素组组成成受受到到影影响响，一一般般来来说说，只只是是在在水水与与岩岩石石比比值值低低时时或或封封闭闭成成岩岩体体系系中中先先成成原原生生矿矿物物才才具具有有较较大大的的影影响响。许许多多古古代代台台地地白白云云石石中中都都具具有有充充分分的的证证据据，表表明明早早期期近近地地台台白白云云石石化化作作用用的的产产生生，它它们们所所形形成成的白云石的的白云石的18O值是较水的负值。值是较水的负值。第五节第五节白云石化作用的模式白云石化作用的模式 碳碳酸酸盐盐沉沉积积物物的的白白云云石石化化作作用用模模式式包包括括蒸蒸发发白白云云石石化化、渗渗流流-回回流流

20、白白云云石石化化等等几几个个典典型模式。型模式。一、蒸发白云石化作用一、蒸发白云石化作用在在现现代代蒸蒸发发环环境境中中广广泛泛分分布布大大量量的的白白云云岩岩，这这种种类类型型的的白白云云石石化化作作用用其其Mg2+主主要要来来自自于于海海水水，海海水水主主要要在在风风暴暴及及特特大大潮潮汐汐流流向向极极浅浅的的蒸蒸发发环环境境中中提提供供。白白云云石石是是由由文文石石交交代而成，其反应式为代而成，其反应式为:二、渗流二、渗流-回流白云石化作用模式回流白云石化作用模式该该模模式式包包括括两两方方面面，一一是是泻泻湖湖水水及及潮潮坪坪孔孔隙隙水水通通过过蒸蒸发发作作用用而而形形成成白白云云石石

21、化化流流体体，二二是是这这种种白白云云石石化化流流体体向向下下进进入入下下伏伏的的碳碳酸酸盐盐沉沉积积物物中中产产生生白白云云石石化化。渗渗流流-回回流流白白云云石石化化作作用用模模式式的的基基本本过过程程是是：由由蒸蒸发发作作用用及及膏膏盐盐沉沉淀淀作作用用产产生生富富镁镁流流体体，这这种种白白云云石石流流体体的的密密度度大大于于下下伏伏碳碳酸酸盐盐沉沉积积物物中中的的孔孔隙隙水水，从而使之向下渗透而进入下伏碳酸盐地层中。从而使之向下渗透而进入下伏碳酸盐地层中。三、混合白云石化作用三、混合白云石化作用该该白白云云石石化化作作用用模模式式的的基基本本点点是是：与与淡淡水水混混合合的的海海水水如

22、如果果其其Mg/Ca克克分分子子体体积积比比大大于于或或等等于于5.2，那那这这种种混混合合水水中中对对原原来来的的海海水水的的高高离离子子强强度度等等化化学学动动力力学学障障碍碍就就得得到到消消除除，从从而而有利于白云石化作用的产生。有利于白云石化作用的产生。淡水淡水-海水混合白云石化主要发育在没有海水混合白云石化主要发育在没有蒸发岩产出的情况下，特别是那些白云石化了蒸发岩产出的情况下，特别是那些白云石化了的潮坪相岩石，而且白云石化作用事件相对较的潮坪相岩石，而且白云石化作用事件相对较早（如近地表，在压实作用之前）。由于混合早（如近地表，在压实作用之前）。由于混合白云石化作用主要取决于白云石

23、化液体的有效白云石化作用主要取决于白云石化液体的有效运动，那么混合白云岩的分布强烈地受到古地运动，那么混合白云岩的分布强烈地受到古地理背景的控制。理背景的控制。Land认为白云石化作用时发生在淡水和海水的认为白云石化作用时发生在淡水和海水的混合带（下图），而且淡水的积蓄注入还导致了白混合带（下图），而且淡水的积蓄注入还导致了白云石化以后的方解石沉淀作用云石化以后的方解石沉淀作用四、埋藏白云石化作用四、埋藏白云石化作用 该模式的主要机制是盆地泥岩受到压该模式的主要机制是盆地泥岩受到压实产生富实产生富MgMg2+2+液体，这种富镁离子液液体，这种富镁离子液体进入相邻的陆架边缘等碳酸盐岩中，体进入相

24、邻的陆架边缘等碳酸盐岩中，从而产生白云石化。埋藏白云岩的从而产生白云石化。埋藏白云岩的1818OO值一般为负值，值一般为负值，Sr Sr与与NaNa含量也较含量也较低，因为原生碳酸盐沉积物常经固溶低，因为原生碳酸盐沉积物常经固溶作用转变成低镁方解石，另外白云石作用转变成低镁方解石，另外白云石作用产生在较高温度下，也会使这些作用产生在较高温度下，也会使这些值降低。白晶白云岩通常是一种典型值降低。白晶白云岩通常是一种典型的埋藏白云的埋藏白云五、海水白云石化作用五、海水白云石化作用 以上所提到的白云石化作用过程均强调以上所提到的白云石化作用过程均强调MgMg离子来源于海水，离子来源于海水，在白云石化

25、过程中存在的动力学问题是通过海水的稀释作用及蒸在白云石化过程中存在的动力学问题是通过海水的稀释作用及蒸发作用而克服的。这些模式都提供了一个白云石化流体通过碳酸发作用而克服的。这些模式都提供了一个白云石化流体通过碳酸盐沉积物的驱动机制（下图）。盐沉积物的驱动机制（下图）。海海水水的的大大规规循循环环而而进进入入碳碳酸酸盐盐台台地地所所产产生生白白云云石石化化作作用用的的机机制制是是由由Kohout(1967)提提出出的的，另另外外一一种种使使海海水水通通过过碳碳酸酸盐盐台台地地的的动动力力机机制制是是由由Simms（1984）提提出出的的，即即“回回流流（raflux）”机机制制。变变化化很很小

26、小的的海海水水也也可可使使潮潮坪坪碳碳酸酸盐盐沉沉积积物物产产生生白白云云石石化化，使使海海水水通通过过潮潮坪坪沉沉积积物物的的驱驱动动机机制制是是“潮潮汐汐泵泵吸吸作作用用”。这这些些“有有机机”白白云云石石常常产产生生于于有有机机生生产产率率较较高高的的半半远远洋洋沉沉积积物物软软泥泥中中，经经常常与与上上翻翻洋洋流流及及缺缺氧氧作作用用带带相相联联系系，虽虽然然白白云云石石沉沉淀淀作作用用的的机机制制还还不不清清楚楚，但但总总的的来来讲讲可可能能是是由由于于在在这这种种条条件件下下孔孔隙隙水水流流体体中中的的SO2-4含含量量低低而且碱度高而有利于白云石化。而且碱度高而有利于白云石化。六

27、、小结六、小结 在在一一定定条条件件下下白白云云石石可可以以从从海海水水中中沉沉淀淀出出来来，而而海海水水的的组组成成成成分分必必须须得得到到不不同同程程度度的的改改变变。在在很很多多情情况况下下，要要产产生生白白云云石石化化作作用用必必须须有有足足够够的的海海水水通通过过各各种种驱驱动动机机制制进进入入和和通通过过沉沉积积物物。海海水水白白云云石石化化作作用用模模式式是是8080年年代代末末期期发发现现并并提提出出的的一一种种白白云云石石化化作作用用机机制制。随随着着研研究究的的更更加加深深入入，对对地地质质记记录录中中复复杂杂的的白白云云岩岩成成因因机机制制还还会会产产生生更更接接近近于于

28、事事实实际际的解的解释释 白云石和白云岩的成因长期以来是一个未解之谜，被称之为白云石和白云岩的成因长期以来是一个未解之谜，被称之为“白云白云岩问题岩问题”。随着微生物白云石化作用模式的提出，似乎又从另一个。随着微生物白云石化作用模式的提出，似乎又从另一个思路向人们展示了一些有趣的现象：思路向人们展示了一些有趣的现象：白云石化作用广泛发育在同大气圈和海白云石化作用广泛发育在同大气圈和海洋的低含氧量时期，而低含氧量促进厌洋的低含氧量时期，而低含氧量促进厌氧微生物（包括硫酸盐还原细菌）群落氧微生物（包括硫酸盐还原细菌）群落的活动，从而导致海相碳酸盐的广泛白的活动，从而导致海相碳酸盐的广泛白云石化。云石化。Burns S J,Mckenzie J A,Vasconcelos C,2000.Dolomite formationAnd biogeochemical cycles in the Phanerozoic.Sedimentology,47(Suppl 1):49-61扬子地台寒武系扬子地台寒武系巨厚的贫乏化石娄山关群白云岩巨厚的贫乏化石娄山关群白云岩厚厚度度近近千千米米的的白白云云岩岩体体