西沙岛礁白云岩化特征与成因模式分析

曹佳琪，张道军，翟世奎*，罗威，修淳，刘新宇，张爱滨，毕东杰

(1.中国海洋大学 海洋地球科学学院，山东 青岛 266100；2.海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东 青岛 266100；3.中海石油(中国)有限公司湛江分公司，广东 湛江 524057)



西沙岛礁白云岩化特征与成因模式分析

曹佳琪1，2，张道军3，翟世奎1，2*，罗威3，修淳1，2，刘新宇1，2，张爱滨1，2，毕东杰1，2

(1.中国海洋大学 海洋地球科学学院，山东 青岛 266100；2.海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东 青岛 266100；3.中海石油(中国)有限公司湛江分公司，广东 湛江 524057)

关于碳酸盐岩的白云岩化作用至今仍是一个争论颇大的科学问题。在2012-2013年期间，中海石油(中国)有限公司湛江分公司在西沙石岛钻取了长达1 268.02 m的“西科1井”岩心，在0～1 257.52 m主要由碳酸盐岩组成的岩心中存在有7个白云岩层。本文基于西科1井岩心样品的矿物组成、常量、微量及稀土元素含量等地球化学特征分析，探讨了西沙岛礁特有的白云岩化作用过程。结果表明：西科1井7层白云岩在成因上与埋深和压实成岩作用无关，其分布与海平面下降的地质事件有良好的对应关系，白云岩层元素地球化学特征表明白云岩成岩流体为浓缩的高盐度海水。根据白云岩层的矿物学和地球化学特征，提出了礁滩潟湖环境下高盐卤水渗透回流作用的白云岩化模式：伴随海平面的升降，礁体处于淹没与暴露的交替之中，海平面下降导致了礁滩潟湖的形成，由于西沙海区蒸发量大于降水量而使澙湖中海水盐度增高，最终形成富Mg卤水；澙湖中高盐度富Mg卤水在礁体内下渗和侧向扩散，Mg逐渐替代早期CaCO3晶格中Ca而形成白云石；海平面的升降变化和礁体淹没与暴露的交替导致了钻井岩心多个白云岩层的形成。海平面升降直接控制了岛礁碳酸盐岩的发育和白云岩化作用，导致海平面升降的古气候变化在岛礁的形成发育中起到主导作用。

西沙石岛岛礁；西科1井岩心；白云岩层；矿物学；地球化学特征；白云岩化模式

1 引言

生物礁是由固着生物所建造的，本质上是原地沉积的碳酸盐建造[1]。由于生物礁常常具有较高的孔隙度或渗透率，因此极易形成油气资源的有效圈闭而成藏。因此，在大多碳酸盐岩发育地区，都存在由礁控制的油气田。全球大约有43.4×108t原油储藏在生物礁大型油气田中[2]，约占世界油气资源量的60%。人们对生物礁的研究始于18世纪末，达尔文首先从科学的角度阐明了珊瑚岛的成因。到20世纪中叶，由于在生物礁中发现了重要的油气资源，从而掀起了生物礁研究的热潮。早在1928年，我国科学家沈鹏飞及其调查团队就对西沙群岛地质概况进行了考察。仅就钻探而言，我国早先已在西沙群岛打了4口钻井(西永1井、西永2井、西石1井、西琛1井)，并进行了第四纪生物礁地质研究[3—4]、生物礁地层研究[5—8]和沉积成岩作用研究[9—10]，取得了一系列重要的研究成果。

已有研究表明，碳酸盐岩沉积体中白云石的含量与储层孔隙度及渗透率之间具有明显的正相关性[11]。因此，生物礁体中白云岩层的分布及其成因研究，对生物礁储层油气资源的勘探开发具有重要的意义。Friedman和Sanders[12]在研究现代热带地区潮上带表层碳酸钙沉积物的粒间准同生白云化作用时，首先提出了“毛细管浓缩作用”。近年来，随着实验分析技术的进步以及油气资源勘探的深入，对白云岩成因机制(模式)的研究取得了许多重要进展[13]。关于白云岩的生成机理迄今仍是国内外学者广泛关注的重要科学问题之一。仅就碳酸盐岩的白云岩化作用至少有6种模式：蒸发模式(萨布哈模式)，渗透回流模式，混合水模式，深埋藏成岩作用模式，地热对流模式，热液白云岩化作用模式等[14]。在西沙群岛发育有新近系白云岩，众多的学者对其成因机制进行了研究探讨。魏喜和赵强对西琛1井岩心内发育的3套白云岩进行了研究，指出西沙生物礁碳酸盐岩白云岩化作用主要存在浓缩海水模式、混合水白云岩化模式和地热对流驱动白云岩化模式[15—16]。孙启良等[17]认为，中新世南海海平面变化频繁，冰期海平面下降，西沙群岛生物礁发生海水浓缩准同生白云岩化作用，使生物礁储层良好的物性条件得以保存。何起祥和张明书[18]根据西琛1井中新统和上新统岩心样品的矿物及地球化学特征，认为在西沙群岛的生物礁中，中新统上段和上新统上段的白云岩是次生成因的，其成因可以用咸淡水混合模式加以解释。由以上研究可知，尽管迄今已对西沙岛礁及其白云岩形成机制方面做了大量的钻探和研究工作，但就白云岩的成因仍存在众多争议。在2012-2013年期间，中海石油(中国)有限公司湛江分公司又在西沙石岛钻取了长达1 268.02 m的西科1井岩心。西科1井是迄今在西沙地区钻井深度最大、钻取岩心最长、取心率(约80%)最高的科学钻井。本文根据对西科1井岩心所做的矿物学和地球化学分析，从分析西沙岛礁白云岩化作用的成岩环境入手，分析探讨了岛礁的白云岩化作用机制，提出了礁滩潟湖环境下高盐卤水渗透回流作用的白云岩化模式。

2 地质背景

西沙群岛(15°30′～17°12′N，110°10′～112°50′E)位于南海西北部，面积约50×104km2，由40个礁岛、礁滩、沙岛和沙洲组成(图1)，总体展布为北东向，四周为海槽所环绕。区内主要分布有东北向、西北向和近东西向锯齿状断裂，将该区分割成裂谷和断块区。从现有的地质、地球物理资料来看，西沙群岛及邻近海域在中生代以前曾与华南微陆块相连，同属一古生代地块。在中中新世(距今约20 Ma)，由于南海中央海盆的扩张作用，导致西沙群岛及邻区开始分裂解体，在西沙群岛北缘出现近东西向的张裂构造带，并逐渐演化为近东西向的西沙北海槽；西沙地块与中沙地块发生分离，形成裂谷，继而形成西沙东海槽[19]。西沙群岛远离大陆，为孤立的碳酸盐岩台地，其沉积成岩作用受陆源物质影响较小，与古老孤立碳酸盐岩台地的沉积环境具有可比性[20]。自中新世早期西沙群岛开始发育生物礁[18]，其中宣德环礁是西沙群岛东侧宣德群岛的主体，分为两个大的礁盘：一个是北部的广大弧形礁盘七连屿，其上发育了10个岛屿：西沙洲、赵述岛、北岛、中岛、南岛、北沙洲、中沙洲、南沙洲、东新沙洲和西新沙洲；另一个是南部弧形礁盘，其上有最大的永兴岛和石岛。石岛(16°51′N，112°21′E)在永兴岛东北，与永兴岛在同一个礁坪上，相距约1 130 m。石岛长375 m、宽340 m，面积约0.08 km2，最高处15.9 m，是南海诸岛中最高的岛屿。

图1 西沙海域岛礁分布及钻井位置[21]Fig.1 The distribution of reefs and well drilling in the Xisha sea area

西科1井设计完钻井深1 350 m，实际钻取了长达1 268.02 m的岩心，在井深1 257.52 m处钻遇由变质岩和火山岩组成的结晶基底，钻井取心率近80%。在0～1 257.52 m主要由碳酸盐岩组成的岩心中存在有7个白云岩层。根据岩性、古生物、古地磁和元素地层等资料[22—32]，结合邻区地震剖面确定了西科1井的主要地层结构(图2)：0～214.89 m为第四系，214.89～288.43 m为上新统莺歌海组一段，288.43～374.95 m为上新统莺歌海组二段，374.95～470.1 m为上中新统黄流组一段，470.1～576.5 m为上中新统黄流组二段，576.5～758.4 m为中中新统梅山组一段，758.4～1 032.46 m为中中新统梅山组二段，1 032.46～1 179.69 m为下中新统三亚组一段，1 179.69～1 257.52 m为下中新统三亚组二段，1 257.52～1 268.02 m为由变质片麻岩和斜长花岗岩组成的结晶基底。王振峰等[31]对西科1井白云岩的岩石学及矿物学特征进行了研究，指出白云岩中白云石总体上呈微晶及细粉晶双峰态结构，微晶白云石为灰岩基质选择性白云石化的结果，呈平直晶面半自形晶，主要为泥微晶基质白云石化的结果；粉晶—细晶白云石呈平直晶面自形晶，为胶结物白云石或过度白云化结果。

图2 西科1井岩心地层结构剖面图Fig.2 The profile map of stratigraphic structure in the core of Well Xike-1

3 样品分析测试方法

3.1 取样

根据对岩心的观察和工作需要，确定取样的基本原则是：用于矿物鉴定分析的样品取样间隔为1 m，用于元素含量分析的样品取样间隔为3 m。在明显的岩性或地层界面的上下各增加一个采样点。

3.2 矿物鉴定分析

矿物组成分析采用X射线衍射光谱(XRD)方法，具体分析流程如下：将经洗盐处理后的样品放入玛瑙研钵中研磨，使样品中各种矿物充分混匀，为将其取向效应降至最低，控制研磨后样品粒径在0.02～0.04 mm之间。称量400 mg左右样品，用力将样品压入带框槽的玻璃质板内，上机测试。上机采用D/max-rB(日本理学)X射线衍射仪，使用Cu靶旋转靶辐射，管电压40 kV，管电流100 mA，步长0.02°(2θ)，扫描范围3°～70°。分析测试操作严格按照标准SY/T 5163-2010执行，测试过程均为计算机控制，测定时的实验条件均保持相同。根据方解石的(104)特征峰2θ=29.25°～29.80°，d=2.995～3.035 Å；白云石的(104)特征峰2θ=30.58°～31.28°，d=2.854～2.912 Å；文石的(111)特征峰2θ=25.5°～26.5°，d=3.39～3.40 Å可以从衍射图谱中定性的区分出方解石矿物、文石矿物和白云石矿物。方解石又分为低镁方解石和高镁方解石。通常，当低镁方解石和高镁方解石共存时，方解石(104)特征峰在2θ=28.5°～30.5°之间会出现分裂(不对称峰)，低角度者为低镁方解石的特征峰，高角度者为高镁方解石特征峰，无分裂峰者为单一的低镁方解石。

3.3 元素含量分析

常量组分分析采用X射线荧光光谱(XRF)方法。分析流程如下：将经过洗盐处理的岩心样品用玛瑙研钵研磨至200目，用硫酸纸包裹后置于60℃恒温箱中干燥24 h。将烘干后的样品装入直径为32 mm的聚乙烯样品杯内，用玛瑙棒均匀压实，保证底面绝对平整，随后将样品装入仪器的样品托盘中，按操作程序进行测试，经质量控制后，得到最终分析结果。测试过程中每10个样品加入一个平行样，标样选用GBW07120碳酸盐岩标准物质进行精度控制。分析所用仪器为SPECTRO XEPOS型光谱仪，所测元素的偏差介于3%～10%之间，满足分析要求。

微量和稀土元素(REE)分析采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)方法，分析流程如下：准确称取40 mg经洗盐处理并研磨至200目的样品，置于聚四氟乙烯消解罐中，加入2 mL 1∶10的HF-HNO3混合酸溶液，将其密闭放置在180℃电热板上加热24 h。随后将消解罐敞口在电热板上蒸干，加入1 mL H2O和1 mL HNO3在180℃电热板上回溶12 h。最后用2%HNO3溶液定容至80 g，放入4℃冰箱中保存待测。微量和稀土元素采用美国Agilent7500C型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)分析。为监控测试精度和准确度，在每20个样品加入一个平行样，上机时每间隔20个样品进行标准样和空白样的测试，最后样品测试结果根据标样进行校正，精度由空白样和平行样进行控制，所测元素的相对偏差均低于10%，满足精度要求。测试过程中加入20×10-12的Rh内标溶液检测仪器稳定性。

4 分析结果

4.1 矿物学特征及白云岩层分布

由图3可知，西科1井岩心碳酸盐岩层段(井深1 257.52 m以上)主要由方解石、文石和白云石组成，三者含量之和大于99.6%。高镁方解石只存在于顶部36 m以浅层段。文石在0～36 m和207～229 m层段含量较高，下部层段偶有微量出现，450 m以深层段未现。0～36 m层段文石为“原生”生物文石，井深207 m之下出现的文石为纤维状次生文石。在井深182 m处开始出现白云石，标志着白云岩化作用只发生在此前(时间1.8 Ma BP)的地层中。钻井矿物中方解石与白云石含量具有明显的互为消长关系。为了确保白云岩层的真实性，避免一“点”(一个样品)代“面”(岩层界面)的不确定性，同时考虑岩“层”要有一定的厚度等因素，本文将钻井岩心中白云石矿物含量超过90%并且具有一定厚度(大于10 m)的岩层定为白云岩层。在西科1井岩心中共识别出7个白云岩层：上新世发育1层，早中新世发育3层，中中新世发育2层，晚中新世发育1层。白云岩层的厚度不一(最厚212.7 m，最薄17.4 m)，而且白云岩层的厚度与出现频率均与井深无关。说明埋深和压实成岩作用跟白云岩化作用并无关系，或者说埋深压实所导致的成岩作用并不是导致礁体碳酸盐白云岩化的主要因素。

4.2 常量化学组分特征

组成岩心碳酸盐岩的造岩氧化物以CaO和MgO为主，二者含量之和普遍超过50%；其次是SiO2、Na2O、K2O、Al2O3和P2O5，在岩心中的平均含量基本都小于1%。其他组分如Fe2O3、TiO2和MnO含量甚微。若将生物礁碳酸盐岩的CaO和MgO分别换算成CaCO3和MgCO3，则二者之和超过90%，加之其他碳酸盐组分(如FeCO3和MnCO3等)，碳酸盐组分总量则可达95%以上，说明西科1井岩心碳酸盐岩基本是由碳酸盐矿物组成，未受陆源碎屑物质混染。在钻井岩心底部1 216.00～1 258.40 m层段，以SiO2、Al2O3、TiO2和Fe2O3为代表的陆源组分含量显著上升，尤其在井深1 216.8 m和1 219 m处，CaO含量仅为2.07%和0.62%，而SiO2、Al2O3、TiO2和Fe2O3含量较高，与泥(页)岩的常量组分较为接近[33]。岩心现场观察表明，该层段主要以滑塌角砾岩为主，其中夹有灰绿色泥岩、泥质细砂岩以及生物礁灰(云)岩。

图3 西科1井矿物学特征Fig.3 The mineralogy characteristics of Well Xike-1

图4 西科1井部分常量元素含量随深度变化Fig.4 The changes of constant elements of Well Xike-1

如图4所示，MgO和CaO互为消长，分别对应于白云石和方解石的富集层。在岩心顶部0～36 m层段MgO的高含量是高镁方解石存在的反映，而非白云石化作用的结果。MgO组分含量的高低在一定程度上反映了白云岩化作用的强弱。

对常量组分所做的相关分析(表1)表明，若取相关系数大于0.7，可以将常量组分分为3类：(1)原生碳酸盐组分(CaO和K2O)；(2)澙湖环境富集组分(Na2O、P2O5和MgO)；(3)陆源或火山组分(SiO2、Al2O3、TiO2、Fe2O3、MnO)。3类组分在岩心中的分布如图4所示。根据古生物和沉积相分析[27，32]，西科1井岩心中潟湖相沉积主要存在于井深210～750 m层段，对应时代为中中新世晚期-上新世(11.6～1.9 Ma BP)。在岩心中，潟湖环境沉积组分同样在210～750 m层段明显富集，该层段地层中包含有5层厚度不一的白云岩层。在该层段之下还有两个白云岩层，其中最深部的第7层白云岩厚达212.7 m，为岩心中厚度最大的一层白云岩层。在潟湖环境主要发育层段(图4)之上的地层中，没有再出现白云岩层。上述事实说明，白云岩层的出现或白云岩化作用的发生应该与潟湖环境有关。

表1 常量组分相关性矩阵

将西科1井白云岩层的常量组分分析结果列于表2中。通常情况下，Fe和Mn在陆相碳酸盐中含量较高，如巴西São Francisco盆地前寒武系白云岩中Fe的含量平均值为4 822×10-6，Mn的含量平均值为343×10-6[34]。但是，由于海水中Fe和Mn的含量极低，在海水环境下形成碳酸盐或海水流体作用下形成的白云岩中Fe和Mn的含量则会很低。西科1井白云岩层中Fe和Mn的含量都明显较低，其中Fe的含量均值为730×10-6，Mn的含量均值仅有51×10-6，由这一事实推测导致西科1井白云岩化作用的流体可能与海水有关。

表2 西科1井白云岩层中常量组分含量

续表2

注：“-”代表低于样品检测线，未检测出；白云岩层括号数字中代表该层分析样品个数。

4.3 白云岩层中的微量元素

西科1井7个白云岩层中微量元素含量分析结果列于表3中。可以看出，就单个白云岩层而言，无论是微量元素含量的变化范围，还是平均值都与相应白云岩层的埋深无关，说明埋深和与之伴生的成岩作用对白云岩层中微量元素含量没有明显的影响，进一步说明与埋深压实相关的成岩作用不是白云岩化作用的主要控制因素。如图5所示，7个白云岩层NASC标准化的[35]微量元素的分布模式基本一致，除了Cr和Sr两个元素外，其他元素含量基本都低于中国东部灰岩和白云岩[36]中的含量，表明西沙岛礁白云岩与中国东部陆相白云岩在成因(成岩流体)上有所不同。西科1井白云岩层中Sr的含量有两个特征，一是变化范围大(44×10-6～446×10-6)，二是平均含量(208.55×10-6)低于中国东部灰岩而高于中国东部白云岩。由于Sr在白云石中的分配系数很小，因而白云石中Sr的含量通常很低，如果白云石的质量分数大于95%，其Sr含量很难大于200×10-6[37]。西科1井白云岩层中Sr的含量变化大应该是白云岩化作用强弱(或白云石含量)不同所致，平均值超过200×10-6(高于中国东部陆相白云岩)，则说明白云岩化作用中可能有富含Sr的主要源于海水的流体的作用。

表3 西科1井白云岩7层白云岩微量元素含量

续表3

注：白云岩层括号中数字代表该层分析样品个数。

图5 NASC标准化的西科1井白云岩层微量元素Fig.5 The NASC standard curve of trace elements in dolomite tiers of Well Xike-1

4.4 稀土元素特征

对西科1井白云岩层的REE分析结果(表4)进行澳大利亚后太古页岩[38]标准化，由其REE分布模式(图6)可见，7层白云岩的REE含量差别不大，其分布模式相似，再次说明REE特征与白云岩层的厚度和埋深无关，它们应是相同环境或相同条件下地质作用的产物。就REE分布模式而言，7层白云岩的REE分布模式都表现出明显的Ce和Eu的负异常(图6)，形态上与海水的REE模式相似，而与热液的REE分布模式相差较大，特别是不具有热液通常也有的Eu的正异常。稀土元素(REE)可以取代白云石中的Ca2+或Mg2+而进入白云石晶格中，在氧化环境下Ce和Eu则可以呈三价离子而存在于流体中，从而造成白云石矿物中Ce和Eu的相对亏损。白云岩层的稀土元素特征一方面说明白云岩化流体应是类似于海水的海源流体，另一方面亦说明白云岩的成岩环境为氧化环境。

表4 西科1井各白云岩层稀土元素含量平均值

注：白云岩层括号中的数字代表该层分析样品个数。

图6 西科1井白云岩层稀土元素PAAS标准化曲线(海水和热液数据引自文献[39-40])Fig.6 The PAAS standard curve of rare earth elements in dolomite tiers of Well Xike-1(the data of seawater and hydrothermal fluid are quoted from the reference [39-40])

5 主要科学问题的讨论

5.1 白云岩层分布与古气候事件或海平面变化

西沙群岛礁体白云岩化作用具有区域性，并不局限与个别岛屿，与西沙群岛特殊的地理条件与古海洋环境变化密切相关。据修淳等(2016，见另文)的研究，“西科1井”7层白云岩在形成时间上均与自中新世以来的古气候变冷事件相对应，有证据表明白云岩化作用发生于气候变冷事件背景下。因此，海平面的变化在西沙岛礁的白云岩层发育过程中可能起到重要作用。从全球来看，新近系白云岩不仅在南海北部的西沙群岛发育，在全球也广泛分布，所以新近纪白云石化作用是一个全球性的事件，而不是一个地区的孤立事件[20]。事实上，西沙群岛海域生物礁中新世和上新世的白云岩在区域上具有很好的可对比性。已有研究表明，这两期白云化事件与海平面的大幅下降有关，例如，赵强[16]认为西琛1井两套白云岩顶部的不整合面分别对应于北极冰川形成事件和米辛尼亚事件。根据“西科1井”7套白云岩层的地层年代与南海ODP1148钻氧同位素曲线[41]对比(修淳等2016)发现，上新统白云岩层(图3中层“1”，形成于3.2 Ma BP)、中中新统-上中新统白白云岩(图3中层“2～4”，形成于约5.3～11.6 Ma BP)、中中统白云岩(图3中“5～6”层，形成于约13 Ma BP)和下中新统-中中新统白云岩(图3中层“7”，形成于约16～21 Ma BP)分别对应于上新世北极冰盖的形成(3.2 Ma BP)、晚中新世的Messinian事件(7.2 Ma BP)、中中新世的南极冰盖扩大事件(13.6 Ma BP)和早中新世一系列变冷事件(16.0 Ma BP)。可以看出，“西科1井”岩心中的白云岩层都与古气候的变冷事件相对应，发育在海平面的下降旋回。据此可以推断古气候变冷导致的海平面下降事件与西沙岛礁的白云岩层发育之间可能有着重要的联系。

5.2 白云岩层C、O同位素特征

白云岩的碳氧同位素组成主要取决于白云岩化流体的碳氧同位素组成，并且受到介质盐度和温度的影响，盐度越高，δ值越高。咸化介质中形成的白云石具有较高的δ18O和δ13C值，混合水成因的白云石则具有较低的δ18O和δ13C值[42]。δ18O和δ13C值二者结合起来可用于指示流体的古盐度大小(Z值)，即Z=2.048(δ13C+50)+0.498(δ18O+50)[43]，正常海水的Z值为120左右。与西科1井处于同一礁体的西琛1井白云岩碳氧同位素组成列于表5中，表中同时列出了不同成因白云岩的碳氧同位素的δ值及计算得到的Z值。可以看出，西沙石岛岛礁白云岩中碳氧同位素的组成与准同生超浓缩卤水白云岩的碳氧同位素组成接近，计算得到的反映古流体盐度的Z值最为相近(均大于120)。在淡水或混合水模式中形成的白云岩因大气淡水的作用而导致具有较轻的C和O的同位素组成，其相应δ值主要为负值，相应的Z值较小。上述特征同样说明西沙石岛岛礁中的白云岩形成于相对海水盐度更高的卤水流体作用下，推测西沙岛礁白云岩化模式不可能为咸淡水混合模式。

表5 白云岩层碳氧同位素特征

5.3 西沙岛礁白云岩化作用模式

对西科1井岩心的详细观察发现，在各层白云岩层附近未出现蒸发岩夹层，而且白云岩也不具有鸟眼和干裂纹等特殊构造，因此可以排除蒸发作用强烈而持续环境下的萨布哈白云岩化模式。矿物与地球化学特征排除了埋深压实成岩作用下白云岩化模式、淡水或咸淡水混合作用下的白云岩化模式和热液作用下的白云岩化模式。西沙岛礁发育在古老的变质片麻岩基底之上，在该地区至今未发现有中新世以来岩浆活动的证据，缺乏地热对流白云岩化作用模式的证据。一系列的元素(包括同位素)地球化学特征表明白云岩形成于潟湖环境和高盐度卤水参与的条件下。张道军等通过精细的古地磁学、同位素地层及岩心层序地层分析，在西科1井0～740 m岩心内识别出7个暴露面、3个淹没面[29]，说明礁体的生长是一个淹没与暴露的交替过程。综合以上特征，结合白云岩形成和气候变冷事件在时间上的高度一致性，并考虑到岛礁碳酸岩多空隙，有利于比重较大的高盐度卤水的渗透回流等因素，提出西沙岛礁白云岩的成因模式如下：

图7 白云岩层成因模式示意图Fig.7 The schematic diagram of genetic model of the dolomitization

(1)在海平面稳定上升直至短期稳定时期，西沙海域生物礁稳定生长。由于西沙海域地处热带又远离大陆，其气候和水质条件有利于生物礁的发育和生长，礁盘逐渐扩大，碳酸盐岩台地向外扩张。生物礁一般生长于低潮线以下至水深几十米范围以内，而礁平台则以海面相对稳定时期低潮面为其发育的上限[50]。因此，西沙生物礁处于海平面以下一定范围内，逐渐形成生物灰岩地层(图7a)。

(3)由于生物礁体具有多孔隙的特点，比重较大的高盐度潟湖海水(卤水)沿礁体空隙下渗和侧向流动，并与早期形成生物灰岩层(以方解石为主)发生如下反应：

2CaCO3+Mg2+=CaMg(CO3)2+Ca2+.

(1)

其结果是CaCO3(方解石)晶格中的Ca2+逐渐被Mg2+取代，形成白云岩层。自新近纪以来，全球海平面发生了多次升降变化，导致西沙群岛地区的生物礁体经历了反复的淹没与暴露过程，从而形成了多个白云岩层(图7c)。

需要说明的是，本文针对西沙岛礁白云岩成因所提出的礁滩潟湖环境下高盐卤水渗透回流作用的白云岩化模式主要是基于西沙岛礁特殊的地理环境(区域远离大陆、以海洋环境为主、蒸发量大于降水量等)和白云岩层的矿物学、地球化学与地层学特征(白云岩层纯净，其中白云石矿物含量大多都高于90%、富集潟湖环境沉积物中富集的元素组分、白云岩层的地层时代对应于古气候变冷事件等)所提出的，不完全同理于传统的蒸发渗滤回流模式。诚然，任何一个(理论)模式的提出，都需要众多现实实例的验证、补充和发展，才能得以完善。在本文的白云化模式中，Ca离子的排除难以用石膏的沉淀加以解释，因为在岩层中的确没有发现有石膏层，这应是以后需要进一步研究的问题之一。

6 主要结论

(1)在西沙岛礁中所存在的7层白云岩是在潟湖环境下，高盐度卤水交代早期形成的以方解石为主的碳酸盐矿物的产物。

(2)西科1井岩心中的白云岩层都与古气候的变冷事件相对应，发育在海平面的下降旋回。古气候变化在岛礁形成发育中起到主导作用，与古气候变化相关的海平面升降间接地控制了岛礁碳酸盐岩的白云岩化作用。

(3)白云岩化作用模式可概括为：在海平面稳定上升直至短期稳定时期，西沙海域生物礁稳定生长，礁盘逐渐扩大；在全球气候变冷、海平面动荡下降时期，生物礁出露海面形成岛礁，并逐渐形成礁滩潟湖；由于西沙海域蒸发量大于降水量，潟湖内的海水盐度逐渐增大，从而形成高盐度富Mg卤水；由于生物礁体具有多孔隙的特点，使得比重较大的高盐度潟湖海水(卤水)沿礁体空隙下渗和侧向流动，并与早期形成的生物灰岩层(以方解石为主)发生反应，其结果是CaCO3(方解石)晶格中的Ca2+逐渐被Mg2+取代，形成白云岩层。

致谢：中海石油(中国)有限公司湛江分公司提供了钻井样品，王振峰总地质师、孙志鹏经理给予了大力支持和有效指导，在此表示衷心的感谢。中国海洋大学姜龙杰、张侠等同学参与了部分样品处理工作，在此一并致谢。

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The characteristics and genetic model of the dolomitization in Xisha Reef Islands

Cao Jiaqi1，2， Zhang Daojun3， Zhai Shikui1，2， Luo Wei3， Xiu Chun1，2， Liu Xinyu1，2， Zhang Aibin1，2， Bi Dongjie1，2

(1.CollegeofMarineGeosciences，OceanUniversityofChina，Qingdao266100，China;2.KeyLabofSubmarineGeosciencesandProspectingTechniques，MinistryofEducation，Qingdao266100，China;3.ZhanjiangBranchofChinaNationalOffshoreOilCorporation(CNOOC)Ltd.，Zhanjiang524057，China)

The dolomitization of carbonate rocks is a controversial scientific problem. During the 2012-2013， the Zhanjiang branch of CNOOC drilled the Well Xike-1. The core of well is 1 268.02 m long and 0-1 257.52 m carbonate rocks interval has 7 dolomite tiers. This paper discusses the dolomitization of reefs in the Xisha Islands based on mineral composition， major elements， trace and rare earth elements of sample of well Xike 1. It turned out that the cause of formation of 7 dolomite tiers is not relevant to buried depth and compaction diagenesis and the distribution of dolomite tiers has a close relationship with sea level falling. According to characteristics of element geochemistry of dolomite tiers， the dolomite diagenetic fluid is concentrated high salinity seawater. The paper proposes the hypersaline brine seepage backflow dolomitization pattern in reefs lagoon environment. With the rise and fall of sea level， the reefs are in the loop of submersion and exposure. The descending of sea leval leads to the formation of the lagoon. Because the evaporation capacity is more than precipitation in the Xisha sea area， the salinity of seawater in lagoon is increased and Mg-rich brine is formed. With the infiltration of the Mg-rich brine in mushy reefs， the Mg replaces the Ca formed in CaCO3in early stage and the dolomite is formed. The cycles of submersion and exposure of reef cause several dolomite tiers formed. The sea level fluctuation controls the development of reefs carbonatite and dolomitization. The changes of paleoclimate leading to the sea level fluctuation play an important role in the formation and development process of reef islands．

reefs in Shidao Island in Xisha; rock core of Well Xike-1; dolomite tiers; mineralogy; geochemistry; dolomitization

2016-01-22；

2016-07-13。

国家科技重大专项课题(2011ZX05025-002-03)；中海石油(中国)有限公司专项课题(CCL2013ZJFNO729)。

曹佳琪(1990—)，男，山东省滨州市人，主要从事海洋地质学研究。E-mail：caojiaqi314@163.com

翟世奎(1958—)，男，山东省聊城市人，教授，博士生导师，主要从事海洋地质学研究。E-mail:zhaishk@public.qd.sd.cn

P736.2

A

0253-4193(2016)11-0125-15

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