关于武安市白鹿寺矿区凤山组巨厚层白云岩形成的分析

刘春虎

（河北省地矿局第九地质大队，河北 邢台054000）

1 古地理环境

古生代开始地球自转速度降低，地球表面的物质从赤道向两极运动，形成古生代第一次大海侵。昌平期海水由东向西侵入本区，但冀南地区依然为陆地。馒头期海侵扩大，承德- 张家口一线以北为高地，以南全部为陆表海。张夏期海侵达到高潮，北部的高地也有几处被海水覆盖。崮山晚期～早奥陶世，稍有海退，但华北仍为陆表海环境，海水变浅。以阜平- 保定- 沧州一线为界，以北属潮间堤坝- 局限海环境，以南属潮间堤坝-局限海- 潮间泻湖环境。崮山期海水分布范围见图1。炒米店期承接崮山期，稍有海退，随之海水加深，为潮下环境，形成一套碳酸盐岩- 砾屑碳酸盐岩建造。

2 凤山组地层分布

凤山组地层形成于晚寒武系，崮山期晚期，属潮间堤坝- 局限海- 潮间泻湖环境。凤山组在华北区域变化较大，一般厚度为80-130m 左右。在冀南地区凤山阶厚80 米左右，其上部相变为白云岩，即本文所讨论的岩层。如武安仙庄一带，厚79 米，上部主要为灰色中厚层花斑状白云岩夹薄层泥质条纹白云岩，下部为灰色中厚层泥质条纹鲕粒灰岩、泥质花斑灰岩，夹泥质条带灰岩和竹叶状灰岩。此种组合在冀南变化不大。（河北北京天津地质志）

图1 寒武- 奥陶古地理简图

3 地层基本情况

本层白云岩属寒武纪上统凤山组地层，通过白鹿寺矿区钻孔揭露，埋深906.13m～1005.66m，厚99.53m。岩性基本均为白云岩，呈灰、深灰色，中- 粗粒结晶结构，块状构造。主要成分为白云石，白云石呈半自形～他形粒状，镶嵌状接触，具脱白云岩化。见图2、图3。上覆地层为奥陶纪下统冶里组含燧石白云岩，下伏地层为凤山组含泥质条带白云岩夹薄层竹叶状灰岩，与上部白云岩呈渐变关系。

图2 白云石薄片染色后在正交偏光显微镜下照片

图3 白云石薄片染色后在单偏光显微镜下照片

4 白云岩形成机理

白云岩的成因基本上分为两类：沉积成因的和次生交代成因的。在次生白云岩中常见交代结构，如晶形较好具环带或污浊核心的白云石棱形体、部分白云化的石灰岩中的云斑及白云岩中的石灰岩残余体等，都是交代作用形成的。

本层白云岩白云石较纯净，没有杂质，不属于次生交代成因，但白云石自形程度较差，也不像沉积成因的。下面按照白云岩的形成机理逐步分析。

4.1 原生沉积白云岩

白云石是一种很难形成的矿物，其晶格由Ca2-，Mg2+，CO32-离子层相互交替而成。由于Ca2-和Mg2+性质相似，很难使他们严格的分离，自然界中就难以形成化学计量的白云石。方解石成分范围为Ca77Mg23到Ca98Mg2，白云石的成分范围为Ca50Mg50（化学计量的白云石）到Ca55Mg44（原白云石）。

控制白云石结晶作用的主要因素为溶液的Mg2+/Ca2+比率、盐度和结晶速度。

比如，正常海水的Mg2+/Ca2+比率为3:1～4:1。在蒸发条件下，Ca2-，Mg2+，CO32-离子的浓度不断提高，达到一定浓度先结晶出晶格构造较简单的方解石，在此过程中，溶液中的Mg2+/Ca2+比率也在不断提高，可达20:1 甚至更高。当达到一定条件才有可能形成不大有序的富钙的原白云石。形成的白云石晶体多小于1μm。与其共生的矿物有方解石、文石、芒硝、石盐、单斜钠钙石、天然碱、钠镁钒等。

但是在溶液中结晶生成的白云石应自形程度较高，观察图1 可见白云石多数呈他形，接触界线呈弯曲状，平直的较少。矿物成分单一，并没有其他矿物伴生，这该怎么解释呢？只能说本层白云岩不是原生沉积的。

4.2 准同生白云岩

推断白云岩是由原生沉积的方解石白云化形成。

幸运的是在现代正有这样的白云石在生成。比如在波斯湾南岸的潮上带，有一层刚沉积不久的沉积物，主要是文石。潮上带具有粒间水或表层积水，在蒸发作用下Mg2+/Ca2+比率升高。这种高镁的粒间水或表层水与文石颗粒接触，使文石被交代转变为白云石。这种白云石叫做准同生白云石。

但是这种准同生白云岩主要为粉晶或泥晶白云岩，只在近地表生成，即使高Mg2+/Ca2+比率海水有回流渗透作用，也不会向下渗透很深。因为在下渗过程中要不断的被海水稀释。厚99.53m 的白云岩，加上冶里组25.07m 的含燧石白云岩，共124.60m，沉积如此厚的白云岩也不是准同生白云岩能解释的。

图4 淡水与海水混合液对白云石饱和程度的影响（巴迪奥札曼尼1973）

4.3 混合白云化白云岩

在1973 年，巴迪奥札曼尼（Badiozamani）首先用实验证明了大气水（淡水）与海水混合的白云化机理，称为混合白云化机理。由图4 可知当海水与淡水混合时，海水比例占5%～45%范围则白云石过饱和，而方解石不饱和，白云石析出，方解石溶解。发生方解石被白云石交代现象。巴迪奥札曼尼用这一混合白云化作用的机理解释了美国威斯康星中奥陶统的白云岩的成因，得到了满意的效果，尤其是其中的米夫林段。而从所研究的白云石的晶形来看，不像沉积成因的。

还有淡水的来源问题。据前人研究认为凤山期是海退期，形成潮间坝环境。在古地理环境一节已表述。就有可能在露出海面的地表接受大气降水，在淡水和海水接触面附近进行白云岩化，见图5。对于沿正性单元分布的、伴随有不整合的、而又缺乏潮上带或泻湖等蒸发标志的白云岩，用混合白云化作用得到了满意的解释。由于这一作用不受蒸发作用限制，所以在低纬度地区，混合白云化作用形成的白云岩更普遍。

据研究美国威斯康辛州中奥陶统米夫林段的白云岩即为此种成因，也是在海退期形成，在每次海退和暴露于大气期间，降水成因的地下淡水透镜体以下的半咸水带中，就会发生白云化作用。通过计算，米夫林段的白云岩化速度为0.85m/千年，这是很快的。如果白鹿寺凤山组的白云岩也是混合白云化成因的，那么形成近百米厚的白云岩层是完全可能的。

图5 混合白云化示意图

5 白云岩沉积后作用

首先白云石有重结晶作用。从白云石的粒度可见，白云岩的重结晶作用较强，且重结晶是在相对静态条件下形成。在强重结晶作用下，白云石中的杂质就会减少，内部出现的较多粗粒白云石使原岩中颗粒边界消失，构成质地均匀的结晶结构。

其次白云石出现了脱白云石化作用。在图1 中可看到白云石表明有很大红色的斑点，其实这样的斑点是方解石（CaCO3）经茜素红染色而成。这在自然界中是一种很常见的现象：白云石的脱白云化作用，由方解石交代白云石。脱白云化主要在富含硫酸盐的地下水作用下进行，其化学反应式如下：

6 结论

经过以上分析，可以做出武安市白鹿寺矿区凤山组巨厚层白云岩的形成过程为：首先在海水中形成灰岩，灰岩成因难以判断。后由于海平面下降，使地面露出海平面，接受大气降水。原来的灰岩在混合水的环境下逐渐被交代成白云岩，从近百米厚的白云岩层产状来看，最接近的形成原因应该是混合白云化作用。这是个由上到下的过程，并伴随着海平面的下降，也就是崮山期的海退。综合以上，形成了现在所见的白云岩。至此所有问题都可以解释。