南华北盆地上寒武统白云岩岩石学与地球化学特征及其成因探讨

时 国， 田景春， 张 翔， 陈佳利

(1.东华理工大学，江西 抚州 433000;2.成都理工大学沉积地质研究院，四川 成都 610059)

白云岩成因一直以来都是碳酸盐岩岩石学研究的热点与难点，20世纪50年代以来，人们通过对许多地区现代白云岩和古代白云岩的大量研究，提出了多种白云岩成因模式(Hsu et al.，1973;Warren，1999;Fookes，1995;Garven et al.，1999;Boni et al.，2000;Graham et al.，2006;汤朝阳等，2006)，但目前仍没有查清白云岩的形成条件和机理，对相关的地质模式也存在争议，在许多方面的研究仍然在探索之中。南华北盆地位于东秦岭-大别山构造带北缘，华北地台的南部，横跨华北地块、华北地块南缘构造带，同时紧邻北秦岭褶皱带(徐汉林等，2003;时国等，2010)，为发育于中-新元古界结晶及杂岩之上的叠合盆地(图1)。该地区上寒武统白云岩发育，从实测的六条剖面及钻井资料的统计来看，白云岩厚度占地层总厚度的27.1% ～49.6%，实际厚度222～456.6 m，在层位上主要分布于炒米店组和崮山组(图2)，野外产状有厚层块状、中厚层状和薄层状，集中分布，但也常作为灰岩、泥岩中的夹层或透镜体，主要为局限台地—开阔台地环境下的一套沉积产物(金振奎等，1993;李余生等，1996;郭绪杰等，2002)。研究区白云岩的广泛发育，为白云岩研究提供了良好的条件。

1 白云岩类型及其岩石学特征

1.1 白云岩结构构造

南华北地区上寒武统白云岩按结构-成因划分为:晶粒白云岩、残余粒屑白云岩及藻(层纹石、叠层石)白云岩等。

(1)晶粒白云岩按结构可分为细-中晶白云岩、中-粗晶白云岩及粗晶白云岩。细-中晶白云岩具明显的结构分异性，细晶白云石通常较脏，晶体曲面他形居多，彼此间镶嵌接触，少见菱形雾心、干净亮边的白云石(图3a);中-粗晶白云岩中白云石往往较干净，晶体多为曲面他形(图3b)，彼此间面状接触，在靠近孔隙侧，白云石晶体再生长，晶体边缘变为平直、相对自形;粗晶白云岩白云石晶体半自形-他形晶面曲面-直面，晶体相对较脏，边缘有时干净(图3c)，岩溶缝、溶洞生长的晶体自形程度好、晶面平直(图3g)，在有些薄片中可见到白云石雾心亮边的环带构造(图3d)。

图1 南华北盆地构造单元划分(据田景春等，2010)Fig.1 Tectonic zone division of southern north China basin and location of the profiles

(2)残余粒屑白云岩。炒米店组发育，残余粒屑多为生物屑、鲕粒、砂屑，粒屑残余结构依稀可辨(图3f)。原岩多为鲕粒灰岩、砂屑灰岩等粒屑灰岩，为强白云岩化产物。主要发育于局限台地浅滩或鲕滩、潮下浅滩环境，马家沟组白云岩多为潮沟产物，白云石含量50% ～100%，组成残余颗粒的白云石细小(泥粉晶)且污浊，而颗粒之间的白云石则较粗大(粗粉晶至细晶)且干净明亮，自形程度较高，表明这些白云石并非是同一阶段所形成。

(3)藻(层纹石、叠层石)白云岩。多见于崮山组上部，如河南渑池仁村剖面厚4 m，层纹石、叠层石主要呈共生或过渡关系。在登封关口剖面有多层厚1～2 m的柱状叠层石白云岩，多产于潮间-潮上环境，对油气的生成运移和隔档均有好的作用。藻白云岩大多数孔隙不发育，部分重结晶成为粉晶白云石，晶面平直，自形程度好(图3e，h)。岩石较致密，局部见有溶蚀孔、缝，被硅质或其它矿物充填。叠层石和层纹石多为蓝绿藻成因，若为化学成因的纹层状构造则叫纹层状白云岩，其纹层更规则、连续，起伏更小。

1.2 阴极发光特征

不同结构的白云岩阴极发光特征可用来判断成岩机制、推测成岩流体性质(Azmy et al.，2001;黄思静等，2008)。对上寒武统25件白云岩样品阴极发光分析结果表明，藻白云岩中白云石发均匀暗粉红色光，细晶铁白云石不发光，少量方解石发橘红色光(图4a)，说明白云石交代方解石且白云石化不彻底。晶粒白云岩发中-弱橘红色光(图4b，c)，发光强度较泥微晶白云岩弱，且随晶体的增大阴极发光强度变弱，说明随成岩强度的增加白云岩发光性减弱;中粗晶白云石多具单环环带结构，环带呈菱形、三角形，核部发暗橙红色光，环边发亮橙黄色、橘黄色光(黑心亮边)，表明形成白云岩环带的流体与主晶流体不同。鲕粒白云岩(图4d)中白云石发红色光，鲕粒边缘的早期胶结物不发光，晚期胶结物发红色光，铁白云石不发光。该地区白云岩阴极发光强度都较弱，反应出这些白云岩受非海源流体影响小，海源流体是白云岩化的主导流体。

2 地球化学特征

2.1 微量元素

图2 南华北盆地太参3井上寒武统沉积相及层序地层综合柱状图Fig.2 The upper Cambrian sedimentary facies and sequence stratigraphy histogram of Taican 3#in southern north China basin

晶粒白云岩低Sr含量反应白云岩化过程中大量Sr的流失，可能形成于埋藏阶段，与藻白云岩具相近的Na、Mn含量，可能说明两者白云岩化流体具有一定的同源性(表1)。藻白云岩中高浓度的锶是由周围古陆基岩风化而带入海洋中的Sr2+与CaCO3沉淀而形成文石，并通过生物和藻类从浅海漂运及深海表层沉降，使盆地沉积物中的锶相应富集。同时海底有机质沉积物在经历硫酸盐还原带过程中能使Sr2+大量固定，由于Sr2+，Ca2+离子半径相近，因而在经硫酸盐还原带产生的准同生白云化作用过程中能使锶容易被直接捕获和结合而进入白云石晶格。残余粒屑白云岩中的锶的低含量，低于正常海水与泥晶灰岩的锶含量，主要是由于在成岩交代过程中淡水加入，使盐度下降。另外Fe2+高达3 978×10－6，说明交代作用发生在还原条件下。因此推测残余粒屑白云化是淡水与海水混合的低盐度水交代成岩固结中的碳酸盐沉积物。

2.2 碳氧同位素

碳酸盐岩碳氧同位素值主要受介质的温度、盐度影响。在成岩作用中，沉积物的埋深、温度、压力增加，大气降水的淋滤溶解，生物有机体降解等都对δ13C和δ18O产生一定的影响。

图3 南华北盆地上寒武统白云岩主要结构类型微观照片Fig.3 Photomicrographs of dolomites in the upper Cambrian of southern north China basin

一般来说，盐度升高，δ13C和δ18O值增大;温度升高，δ18O变轻;此外，在成岩作用中，淡水淋滤和生物降解均可使δ13C和δ18O变轻。根据宿县夹沟剖面上寒武统δ18O测试结果(表2)，温度范围为14.7～24.3 ℃，平均温度为20.3 ℃，属于冷湿气候。同时，测得古温度也可以帮助判断白云岩的成因，由于气温较低，平均为20.3℃，表明白云岩形成于沉积后不久。其温度绝大部分均在24℃以下，不可能为高温的蒸发泵成因，应为同生-准同生期混合水白云石化成因。

图4 阴极发光特征Fig.4 Cathode luminescence images of dolomites

晶粒白云岩主要发育细-中晶白云岩和中-粗晶白云岩，晶体多曲面他形，晶体中心较脏，边缘干净，伴生矿物少见，偶见黄铁矿，阴极发光呈弱橘红色。低Sr含量反应白云岩化过程中大量Sr的流失，可能形成于埋藏阶段，主要是由于怀远运动后上寒武统白云岩埋藏加深，温度升高，封存于古隆起周缘潮坪环境的大量卤水，在上覆沉积物的压实下不断侧向排出富Mg流体，发生白云岩化。残余粒屑白云岩中含有生物碎屑、内碎屑、藻屑等颗粒组分，粘土和粉砂等陆源碎屑很少，反映原岩为潮坪或潮下浅水沉积。白云岩化作用优先沿层间缝、水平虫孔、虫迹和粒间孔内的灰泥填隙物进行，生成大小不一、形状各异、数量不等的云斑。白云石对灰质颗粒藻屑、内碎屑、生物碎片切割侵蚀，选择性交代作用受原岩沉积结构构造控制。白云石矿物表面污浊，阴极射线下呈中弱亮度橙红色。锶值接近于零，低于正常海水与泥晶灰岩的锶含量。以上地化特征反映交代溶液中有淡水加入，使盐度下降。Fe2+高达3 978×10－6，说明交代作用发生在还原条件下。因此推测残余粒屑白云岩是淡水与海水混合的低盐度水交代成岩固结中的碳酸盐沉积物，在这一过程中，钙镁离子发生交换，锶随之向水中释放，促使锶值急剧下降。所以残余粒屑白云岩为成岩阶段早-中期浅埋地下混合水潜流带环境生成。藻白云岩具有纹层、干裂、鸟眼、石膏假晶和藻叠层等构造，含粘土、石英、云母等陆源物质，白云石4～25 μm，呈细小污浊状半自形菱面体，阴极射线下暗红褐色。锶值达(1 500～2 114)×10－6，反映交代介质仍然是超盐度咸水，在干湿交替的水上蒸发环境下于成岩早期阶段生成，属于同生-准同生白云岩。

4 结论

(1)按结构-成因，南华北地区寒武系白云岩分为:晶粒白云岩、残余粒屑白云岩及藻(层纹石、叠层石)云岩等。

(2)晶粒白云岩伴生矿物少，阴极发光为中-弱橘红色光，Sr含量较低，该种白云岩为埋藏白云岩;残余粒屑白云岩中白云石矿物表面污浊，阴极射线下呈中弱亮度橙红色，锶值接近于零，为成岩阶段早-中期浅埋地下混合水潜流带环境下生成;藻白云岩中白云石细小，阴极射线下暗红褐色，锶值高，反映其交代介质仍然是超盐度咸水，为水上蒸发环境下同生-准同生白云岩。

表1 各类白云岩微量元素含量Table 1 Trace element of dolomites of the upper Cambrian 10－6

表2 宿县夹沟剖面炒米店组部分微量元素及碳氧同位素分析结果表Table 2 The trace elements and isotope compositions of dolomites from Chaomidian formation in Suxian section 10－6

图5 安徽宿县炒米店组白云岩取样位置及碳氧同位素变化曲线图Fig.5 Sampling location and diagram of carbon and oxygen isotopic curve from Chaomidian formation in Suxian section

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