对白云岩形成机理的再认识

蔡雪峰，闫志为，夏　源

(桂林理工大学 环境科学与工程学院，广西 桂林 541006)



对白云岩形成机理的再认识

蔡雪峰，闫志为，夏源

(桂林理工大学 环境科学与工程学院，广西 桂林 541006)

[摘要]在碳酸盐岩体系中，白云岩通常能形成最好的储层。对白云岩成因演化和储层展布的认识直接决定勘探部署。而白云岩成因是碳酸盐岩岩石学中最复杂、争论时间最久、最难解决的问题之一。根据机理的不同，当前各种主要的白云岩成因模式可划分为两大类：原生白云石模式和次生白云石化模式。虽然原生白云石的例子已被大量发现，但它们是否属真正的原生白云石仍需后续研究；理清白云岩成因问题，对认识白云岩及其相关的碳酸盐岩储层的油气勘探工作尤为重要。

[关键词]白云岩；白云石；成因模式；碳酸盐岩

白云岩(CaMg(co3)2)主要由含量大于50%的白云石组成的沉积碳酸盐岩。自法国博物学家Decodat de Dolomieu[1]于1791年首次描述以来，一直是众多地质学家研究的对象。白云石作为主要的碳酸盐矿物之一，广泛发育于古代地层中。其形成与地下流体的地球化学作用、流体流向水文沉积作用和盆地的构造演化是分不开的，在全新世的地层和现代自然环境下很少出现。对白云岩的研究起始于20世纪60年代，到现在为止还没有形成较完整的理论。

1白云岩概述

白云石化与有利储层的形成密切相关，也是石油地质界广泛关注的成岩机理之一。近半个世纪以来，石油地质学界一直对白云石化模式不断探索，从早期普遍认为的高盐度白云石化模式(蒸发白云石化、回流渗透白云石化)逐步发展到低盐度白云石化模式(混合水白云石化、调整白云石化、海水白云石化和埋藏白云石化等)。

2白云岩生成机理假说

白云岩成因模式分类根据成因机理的不同划分为两大类，分别是原生白云岩和次生白云岩。其具体划分情况见表1。

表1　白云石晶体大小划分　mm

2.1原生白云岩

原生白云石通常定义为从溶液中成核为晶体并像原生沉积物那样堆积下来， 或者以胶结物形式沉淀在大孔隙中，因此在它们生长过程中仅仅占据了流体的空间。以化学沉淀的方式从水体中直接沉淀出来，现在，在常温常压条件下，实验室中尚未合成出真正的、化学计量的白云石。

在已发现的近代白云石实例中，最“过硬”的白云石实例就两个：(1)美国加利福尼亚深泉盐湖面积约13 km2，冬春季湖水深30 cm，在干热的夏季只有少量的盐水，湖底的沉积物中，广泛的分布着白云石，白云石晶体大多小于1μm，内部是化学计量的白云石(Ca50Mg50)，外部是富钙的，堆积速度为0.05～0.09 μm/ka。(2)澳大利亚考龙泻湖中白云石生成机理：通过光合作用植物从水中吸取CO2，从而使水的pH值增高，促使白云石沉淀，湖中的白色悬浮物为高镁方解石和富钙白云石，据测定白云石的堆积速度为0.2～0.5 mm/Y[2]。

2.2次生白云岩

2.2.1毛细管浓缩作用

Friedman and Sanders把这一作用叫做“毛细管浓缩作用”[4]，Hsu and Siegenthalter把这一作用叫做“蒸发泵作用”evaporative pumping dolomotization[3,4]。

这种潮上带，紧挨着盆地滨岸线、泻湖和陆表海分布。重复的海进和海退导致潮下带和潮间带的沉积，刚沉积不久的表层沉积物，主要是文石。由于气候干热，蒸发作用强烈，粒间水不断向空气中散发。海水不断补充到沉积物中，久而久之，粒间水的含盐度变大，正常的海水就变成了盐水。从这种盐水中沉淀出来的是石膏，和其他一些盐类矿石膏的沉淀是粒间水的Mg/Ca比率提高，达到20：1，甚至更高。高镁的粒间水与文石颗粒接触，使文石白云化，即转化为白云石。准同生——距沉积期很近，刚沉积不久未脱离沉积环境就被交代[5]。

潮上带的白云岩通常呈层状分布，并且保留着原始的沉积构造。在干燥的沉积背景下，该白云岩通常有着萨布哈环境下的沉积特征。在潮上带中，白云石晶体的大小通常小于15 μm(微晶)，但因为与潮下带的砂糖状的白云石晶体混合而变的稍粗一些，可以达到40～100(粉晶)，白云石化的证据通常是泥质被分离出来。

图1　毛细管浓缩作用

2.2.2回流渗透白云化作用

回流渗透白云岩，最早由Adams和Rhodes[4]在1960年提出，在潮上地带形成的高镁粒间盐水，当其对表层沉积的白云化基本完成时，产生这种高镁盐水的地质条件还仍然持续存在，那么多余的高镁盐水必然向下回流。这种下回流渗透的高镁盐水，在其穿过下伏的碳酸钙沉积物或石灰岩时，必然会使它们发生白云石化，从而形成白云岩或部分白云化的石灰岩。美国二叠盆地中Central Basin台地中沿San Andres/Grayburg走向带的白云岩储层，沙特阿拉伯的Qatiff 油田的Arab-D白云岩均形成于回流卤水中[3]，如图2所示。

图2　混合白云石化模式图

回流白云岩一般形成于蒸发岩之下，部分白云岩随着与蒸发岩的距离的增加而含量减少。因为回流过程倾向于发生在早期压实环境中，因此白云岩储层中晶间孔网格发育良好，这些晶间孔以孔隙壁光滑和形态不规则为特征。

由于这种渗透回流作用可以长期反复进行，导致白云石化作用较彻底，常形成无残余结构的结晶云岩，有的可达粗晶级。常有石膏、岩盐等蒸发矿物或蒸发岩层共生，并位于白云岩的上部[4]。

2.2.3混合水白云化作用

前三种白云石生成的机理，都有一个共同点，及都需要干热的气候，都需要高Mg/Ca比率的盐水，都把白云石当做一种蒸发矿物看待。还有一些白云岩，如广泛分布的与路表海陆棚或构造高地共生的白云岩，并没有蒸发岩，也缺乏潮上环境的成因标志。

巴迪奥札曼尼[5]提出了大气水(淡水)与海水混合的白云化作用的机理。在海水为5%～30%的混合液范围内，将发生方解石被白云石化作用，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，混合白云化作用就在此透镜体以下的半咸水带中进行，如图3所示。

在低海平面时，台缘鲕滩出露海面，受到大气淡水透镜体，下部与海水混合，发育混合水带，引起鲕滩白云石化。

形成于海水边缘或者混合区域背景下的白云岩，其附近缺失蒸发盐类及有着大气淡水成岩组构，比如铸模孔隙和大气淡水渗流或地下水胶结物。胶结物透明状，且有着相对独立的包裹体，通常同一晶体内出现复杂的方解石和白云石嵌晶结构。白云岩通常为细晶，存在着交代结构的晶体粒径小于20μm。

2.2.4调整白云化作用

古德尔和加曼在对大巴哈马滩上安德罗斯岛上的一口深探井(苏比利尔井)进行详细的岩石学和地球化学研究以后，提出了调整白云化作用。

在大气水的影响下，原来的碳酸盐沉积物的成分，经过淋滤、溶解作用和交代作用，在化学成分及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化，从而生成白云岩的作用[6]。

当海平面下降使沉积物中的高镁方解石暴露于大气淡水中时，高镁方解石就会发生溶解，释放Mg2+，使该处或下伏的碳酸盐沉积物发生白云石化。这种白云石化作用所需要的镁来自沉积物本身，不需要另外的镁来源[7]。它所需要的条件主要是海平面相对下降，使原生沉淀的不稳定的碳酸盐矿物暴露于大气水作用下，从而使这些不稳定的碳酸盐矿物发生溶解作用和调整白云化作用。

图3　渗透回流白云石化模式图

2.2.5埋藏压实白云化

浅埋藏白云石化分布深度大致在600～1 000 m。在碳酸盐岩地层的抬升期和埋藏期，地下岩层的任意位置都可能发生白云石化作用。浅埋藏环境为近地表海水向地下高盐度地层水过渡的地带，也可称为混合水环境。在这个过渡带，由于下部地层压实作用开始增强，会形成自下而上的压实流，带动下部卤水进入上部碳酸盐地层，可使混合带的灰岩发生白云石化[7]。

中-深埋藏环境的深度在 1 000 m 以下的还原环境，在这种环境下由于水岩比例小，地层水流动性差[8]。由构造运动产生的构造驱动流携带着深部的热液流体沿断层和裂缝向上运移，运移初期实际是热液对地层中原来的孔隙水自下往上的驱替过程。这些 Mg/Ca 比值较高的还原性流体在地层中流动而发生深埋藏白云石化。

因为埋藏白云石化通常发生在沉积和岩化作用后，白云岩通常截断沉积相，在很多情形下，地层界线同样会遭到截断[9]。完全白云石化的岩石通常会产出中晶到粗晶的晶体(晶体大小范围在150到远大于1 mm)，这种白云岩通常表现出异形结构和马鞍状结构(晶面弯曲和波状消光)。由于存在着大量的两相含水流体包裹体而呈暗色。

3分析与展望

碳酸盐岩油气储层中，白云岩占据着重要的地位，世界范围内的碳酸盐岩油气储层中，白云岩储层超过 50%，而在北美，白云岩储层更是占据超过 80%的碳酸盐岩油气储层[10]，因此对于碳酸盐岩油气储层来说，白云岩具有相当大的重要性。对白云岩生成机理的研究具有很大意义。

随着科技发展，新技术也为白云岩成因研究提供了新的契机，表现在：一是精细的同位素定年技术，有可能为白云岩化发生的具体时间的厘定提供依据[11]；二是对白云岩的微区分析，包括电子探针在微米尺度上对其成分变化的揭示，以及离子探针对微区同位素变化的解剖，都有可能对白云岩化的过程及其后期变化进行恢复；三是在分子动力学基础上的计算机模拟技术，有可能对白云石的形成提出新的热力学模型与动力学解释；四是微生物参与下的实验室研究则开辟了白云岩成因研究的新途径[9]。

参考文献

[1]毕胜宇，郑聪斌，李振宏，等.鄂尔多斯盆地天环北段白云岩成因分析[J].东华理工学院学报.2005，28(1)：1-4.

[2]张晓宝.准噶尔盆地南缘东部中二叠统流芦草沟组黑色页岩中白云岩夹层的成因探讨[J].沉积学报.1993,11(2):133 -140.

[3]Deckker P D,Last W M.Modern Dolomite Deposition in Conti-nental, Saline Lakes, Western Victoria, Australia[J].Geology,1988,16:29 -32.

[4]Mackenzie J. Holocene Dolomitzation of Calcium Carbonate Sediments from the Coastal Sabkhas of Abu Dhabi,U.A.E[J].J.Geol.,1981,89:185 -198.

[5]Bellanca, A. and Neri, R. 1986. Evaporite-carnonate cycles of the Messinian, Sicily: stable isotopes, mineralogy, textural features, and environmental implications: Jour. Sed. Petrology, Vol. 56, p.614-621.

[6]陈代钊.构造-热液白云岩化作用与白云岩储层[J].石油与天然气地质.2008，29(5)：614-622.

[7]胡作维.川东北地区三叠系飞仙关组白云岩的形成机制研究[D].成都：成都理工大学博士论文.2010.

[8]黄华谷.羌塘盆地双湖地区布曲组含油白云岩发光性研究[D].成都：成都理工大学硕士论文.2008.

[9]黄擎宇，张哨楠，丁晓琪，等.鄂尔多斯盆地西南缘奥陶系马家沟组白云岩成因研究[J].石油实验地质.2010，32(2)：147-154.

[10]黄思静，Hairuo QING，裴昌蓉，等.川东三叠系飞仙关组白云岩锶含量/锶同位素组成与白云石化流体[J].岩石学报.2006b，22(8)：2123-2132.

[11]胡忠贵.川东-渝北地区石炭系白云岩成因与成岩系统研究[D].成都：成都理工大学博士论文.2009.

Simply Understanding of Lacustrine Dolomite

CAI Xue-feng，YAN Zhi-wei，XIAYuan

(College of Environmental Science and Engineering, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China)

Abstract:Dolomite usually can form one of the best oil and gas accumulation in carbonate. Multiresolution is directly determined by the understanding of genetic evolution and reservoir spatial distribution of dolomite. However the origin of dolomite is quite complex and difficult to solve in long term in the domain of carbonate petrology. According to the different mechanism, all the current main dolomite can be classified into two styles: primary dolomites and secondary dolomites. Whether they belong to the real primary dolomites still needs further research, large numbers of primary dolomites have been found. It is particularly important for the understanding of dolomite and carbonate reservoirs for oil and gas exploration to clarify the origin of dolomite.

Key words:Dolomite；dolostone；origin model and carbonate

[收稿日期]2015-03-14

[基金项目]国家自然科学基金(41302197)；国家科技支撑计划(2012BAC26B00)；广西自然科学基金(2013GXNSFBA019211)

[作者简介]蔡雪峰(1989-)，男，山西朔州人，在读硕士研究生，主攻方向：地下水污染。[通讯作者]夏源(1982-)，男，贵州遵义人，副教授，主要从事地下水数值模拟方面研究。

[中图分类号]P588.15

[文献标识码]A

[文章编号]1004-1184(2016)01-0145-03