再論鄂西地區見天壩生物礁白云巖的成因

陶艷忠 蔣裕強 強子同 范嘉松 朱 訊 王玨博

1.西南石油大學地球科學與技術學院 2.西南石油大學天然氣地質四川省重點實驗室 3.中國科學院地質與地球物理研究所

1 地質簡況

川東—鄂西地區（含重慶）上二疊統長興組發育一套淺海臺地相碳酸鹽沉積體系。通常臺地和盆地過渡區臺地邊緣礁發育，見天壩長興組生物礁就處于臺地與鄂西海槽的過渡帶上［1］（圖1）。

圖1 見天壩長興組生物礁地理位置圖

自20世紀80年代在湖北省利川市見天壩發現上二疊統長興組生物礁以來，許多研究者對此礁的生物學［2－4］和沉積學特征［5－6］進行過不同程度的研究。其后不久，又在川東地區長興組找到生物礁和礁型氣田，其中氣主要產于礁白云石化的白云巖中（如忠縣石寶寨1號井）［7］。

見天壩生物礁主要的造礁生物是海綿、水螅和藻（古石孔藻）；附礁生物豐富，有苔蘚、珊瑚、棘皮等。礁白云石化主要發育在礁核和礁翼的棘屑、介屑灘中。對川東—鄂西地區二疊系生物礁白云石化的認識還存在爭議，有潮坪模式、海水（咸水）—淡水混合模式以及埋藏白云石化模式［8－11］。

鑒于此，筆者對見天壩生物礁白云巖的巖石學和地球化學特征進行了研究，認為見天壩礁白云石化作用是在埋藏條件下發生的，具有埋藏白云巖的特征。然而鞍狀白云石的存在及其均一化溫度（Th）測試結果卻表明，白云石化流體交代礁灰巖時，存在異常高的地熱增溫率，這種異常可能受深盆地沉積低溫熱液作用的影響。

2 白云巖的巖石學特征

見天壩生物礁白云巖通常出現在礁的核部，有時也出現在礁翼部的生物碎屑灘或海百合丘中。白云石為他形—半自形，泥粉晶—細晶。礁核比較細，礁翼比較粗。僅從白云石晶體的自形程度和晶體的大小是難以確定白云巖成因的，然而在白云巖與石灰巖的過渡帶上卻留下礁白云巖成因的重要線索。

圖2為礁翼部的白云石化生物礁灰巖，有縫合線和沿縫合線附近分布的分散白云石。不難看出，白云石沿縫合線分布，白云石可以覆蓋在縫合線上，這就表明白云石化作用發生在縫合作用過程中或縫合作用之后，似乎縫合線可以作為白云石化流體的通道。

白云石化不僅與縫合線關系密切，而且在礁白云巖中還可見白云石交代構造裂縫和充填裂縫的亮晶方解石。圖3為染色薄片顯微照片，可清楚地看出有構造裂縫和裂縫充填的亮晶方解石，白云石覆蓋在構造裂縫上，也覆蓋在裂縫充填的亮晶方解石上。白云石對裂縫和裂縫充填亮晶方解石的交代現象十分明顯。

圖2 白云石沿縫合線分布圖

圖3 白云石化交代裂縫和裂縫充填方解石圖

縫合線是埋藏環境成巖作用的鑒定標志［12－13］，構造裂縫是埋藏后構造作用的標志。上述巖石學資料顯示出礁白云石化是在埋藏狀態下發生的。

白云巖形成后，在深埋藏條件下，還有微弱的去白云石化作用。從圖4中不難看出，白云石具有港灣形彎曲和被鐵方解石交代殘留的特征。去白云石化或方解石化的交代物為鐵方解石，顯示藍色或淺藍色（混合液鐵氰化鉀＋茜素紅－S染色），晶體為細粒狀集合體（圖4）。這與白云石化時交代裂縫方解石顏色（紅色）和結構（粗晶質）是不一樣的。白云石的方解石化顯然是在深埋藏條件下與流體成分變化有關，即還原條件下pH值變化（偏酸性），流體富含Fe離子有關。

3 白云巖的地球化學特征

3.1 微量元素Sr和Na成分

礁白云巖和白云石化母巖——石灰巖的Sr和Na的分析資料如表1所示。可以看出：礁白云巖的Sr和Na含量分別為98～370μg／g和150～230μg／g；平均值分別為263.28μg／g和188.28μg／g。白云石化母巖——石灰巖的Sr和Na含量分別為275～480μg／g和380～745 μg／g；平均值分別為454.50μg／g和631.50μg／g。

從礁白云巖、石灰巖的Sr和Na關系圖上（圖5）不難看出，白云巖比被交代母質石灰巖具有較偏低的Sr和Na值，這種現象是怎么發生的呢？

自然界中碳酸鹽礦物的種類繁多，但是在現代碳酸鹽沉積物和碳酸鹽巖中，碳酸鹽礦物是有限的，即鎂方解石、方解石、文石和白云石，這些礦物差不多都沒有理想的成分。嚴格地講，它們或多或少都混進一些微量元素，例如含Mg方解石、含Sr文石以及含鐵白云石等。這些微量元素取代方解石、文石和白云石的主要元素Ca或Mg，能否取代或取代的程度與該元素的地球化學性質、溶液的離子濃度、溫度、壓力以及pH 值和氧化還原電位（Eh）值有關［14－15］。沉積環境中碳酸鹽沉積物在近地表環境下，方解石含有相應的微量元素。但從近地表環境轉入埋藏環境后，溫度、壓力、pH值和Eh值，溶液（流體）中離子濃度等因素會發生變化，所以成巖礦物（膠結物和交代物）的微量元素也會發生變化。

圖4 白云巖的方解石化圖（去白云石化）

表1 礁白云巖、石灰巖的Sr和Na分析資料表

圖5 礁白云巖、被交代石灰巖的Sr和Na關系圖

Sr和Na元素，從地球化學性質上講，均是一種活動性強的離子，在淺海碳酸鹽沉積物進行沉積作用時，Sr和Na以取代主要元素Ca的方式進入到方解石和文石的晶格中，礁灰巖可含有一定量的Sr和Na。在埋藏條件下，當礁灰巖發生白云石化作用時，由于Sr和Na元素具有極強活動性的地球化學特征，有一部分的Sr和Na要流失到交代的溶液中。因此，發生交代作用后的白云巖相對于被交代的石灰巖，其Sr和Na含量較低，從圖5中不難看出這種關系。

圖6 礁白云巖、被交代石灰巖的Mn和Fe的關系圖

3.2 微量元素Mn和Fe成分

礁白云巖、白云石化母巖——石灰巖的Mn和Fe的分析資料見表2。白云石化母巖—石灰巖的Mn和Fe含量分別為85～390μg／g和50～815μg／g；平均值分別為248.57和447.42μg／g。白云巖的 Mn和Fe含量分別為1 050～1 702μg／g和915～3 101μg／g，平均值分別為1 348.28μg／g和1 398.57μg／g。

表2 礁白云巖、石灰巖的Mn和Fe分析資料表

從圖6不難看出，礁白云巖比白云石化作用的母巖——石灰巖含有相對高的 Mn和Fe。要正確解釋這種現象，正如上面討論微量元素Sr和Na一樣，還必須要從微量元素Mn和Fe的地球化學性質和外部條件，即白云石化作用的流體性質、溫度、壓力變化等因素去討論和回答這個問題。從Mn和Fe的地球化學性質上講，Mn和Fe是一種變價元素，在近地表條件下淺水碳酸鹽沉積物沉積時，沉積環境處于一個氧化作用環境，海水中的Mn和Fe離子通常是以高價狀態出現，高價Mn和Fe離子不能夠取代方解石中Ca2＋，這就會造成石灰巖的方解石中含有較低的Mn和Fe。然而，在埋藏狀態下，當石灰巖被白云石化流體交代時，交代環境處于還原狀態下，溫度相對近地表環境要高（大于60℃），壓力要大（大于1個大氣壓）。Mn和Fe處于二價狀態，有利于進入到白云石的晶體格架中。這樣，礁白云巖就會具有比被交代石灰巖更高的Mn和Fe含量。事實上白云巖比被交代石灰巖具有更高的Mn和Fe已成為埋藏條件白云石化作用和埋藏白云巖的一個重要標志［16］。

3.3 礁白云巖的碳氧穩定同位素

見天壩生物礁白云巖的碳氧穩定同位素分析資料見表3?？梢钥闯?，礁白云巖的穩定同位素值（PDB標準，下 同）為：δ18O＝ －5.69‰ ～ －7.20‰；δ13C＝＋2.22‰～＋4.54‰；平均值分別是－6.43‰（δ18O）和＋3.54‰（δ13C）。要正確了解礁白云巖的這些穩定同位素值在白云石化作用中的含義，還需要把其放在海水的穩定同位素值中進行對比，因為海水的穩定同位素碳和氧值是白云石成因解釋的基礎（圖7）。

表3 見天壩生物礁白云巖的碳氧穩定同位素分析資料表

圖7 見天壩生物礁白云巖的C、O穩定同位素分布圖

海洋碳酸鹽沉積物和巖石的白云石化流體是從海水演化出來的。大氣淡水是海水蒸發形成的大氣水，超鹽度的鹵水是海水蒸發作用殘留的含鹽度高的海水。大氣淡水、海水、超鹽度海水以及大氣水—海水混合水都是白云石化的重要流體。然而地質歷史中海水穩定同位素碳和氧是有變化的。據一些學者的研究結果，這種變化與全球性造山運動和全球性海平面變化（一級層序海平面變化）有關［17－18］?，F代海水的穩定同位素碳和氧可以直接測定，地質歷史中海水的穩定同位素碳和氧卻不能直接進行測定，但可通過間接方法進行估算［19－20］。通常是通過測定變化最少的無脊椎動物化石和海水膠結物的碳和氧的同位素進行估算。因為無脊椎動物是從海水中吸取CaCO3的，海水膠結物是從海水中沉淀CaCO3的，兩者均在一定程度代表海水的穩定同位素碳和氧的值。然而，無脊椎動物吸取海水中的CaCO3是一種生物化學作用，海水膠結物沉淀則是一種化學作用。生物化學作用和化學作用存在同位素的分餾作用，它們與真實的海水同位素還存在一定的差值，但由于分餾差值很小，可以忽略不計。據Allan 和 Wiggins［20］計 算，二 疊 世 海 水 的 δ18O＝－2.8‰～2.2‰，δ13C＝4.1‰～5.3‰，平均值分別為－0.30‰（δ18O）和4.7‰（δ13C）。

在貴州地區上二疊統長興組紫云生物礁中，骨架中早期纖狀方解石膠結物和放射軸狀方解石膠結物廣泛分布。激光顯微同位素分析測定的纖狀方解石膠結物的δ18O＝－2.14‰，δ13C＝1.47‰，海綿的δ18O＝－2.52‰，δ13C＝0.126‰。該值落在 Allan 和 Wiggins（1993）測定的海水變化范圍內（圖7）。從圖中不難看出，紫云生物礁測定的海水同位素值中，δ13C值比Allan和 Wiggins（1993）測定的海水的δ13C要偏負。怎么解釋這種現象呢？從巖石學的觀察可以看出紫云生物中的纖狀和放射軸狀方解石在埋藏成巖作用中存在明顯的重結晶作用現象，它并不是變化最少的膠結物，重結晶作用過程中存在有機碳的混入。這種現象在其他地區也出現過［20］。

二疊世海水C、O同位素的取值依據Allan和Wiggins［20］提出的標準。紫云生物礁測定海水C、O同位素值落在Allan和Wiggins（1993）測定的范圍內。紫云生物測定δ13C值比Allan和Wiggins測定的海水的δ13C要偏負，這是由于重結晶作用過程中有機碳污染的結果。

把見天壩生物礁白云石測定的穩定同位素氧值和碳值投影在Allan和 Wiggins［20］的海水C、O同位素圖版上（圖7）。從圖中不難看出，礁白云巖的δ18O值比海水的δ18O明顯偏負。根據同位素地球化學的原理，海水蒸發作用下，輕的海水蒸發，留下同位素偏重的海水，所以蒸發回流白云石化作用形成的白云石的C、O同位素要比海水同位素值偏正，這是蒸發效應引起的。見天壩礁白云巖的δ18O值比海水的δ18O明顯偏負，是另一種同位素分餾效應引起的，即熱作用，或者說溫度效應，這是埋藏條件下熱作用的結果。由于溫度的增加，相對偏負的氧進入到白云石中，相對偏正的氧進入到流體中［20］。見天壩礁白云巖的δ18O值明顯比海水偏負，表明白云石化作用是在埋藏條件下發生，這與其巖石學特征一致。

海水與大氣水混合，在近地表條件下混合水白云巖也可具有比海水相對偏負的穩定同位素值。然而，從同位素分餾的原理上看，混合水白云石化的δ13C和δ18O值變化范圍較大，δ13C值和δ18O值變化應當呈正的線性相關分布［20］。從圖6中不難看出，見天壩礁白云巖的δ13C和δ18O缺乏這樣的分布。從巖相的資料分析中可以看出長興期該地區處于熱帶海洋環境，并無長期暴露在大氣水環境中的證據。

3.4 白云石有序度

從天壩生物礁白云巖X射線分析資料（表4）中不難看出，礁白云巖的3個樣品白云石晶體的粒度為0.03～0.25mm，晶形為半自形—自形晶，有序度分別為0.95、0.82和0.91，具有高的有序度。

表4 見天壩生物礁白云巖X射線分析資料表

白云巖孔隙充填的鞍狀白云石，晶粒的粒度分別為1～3mm和0.7～1.5mm，自形晶，有序度分別為0.72和0.77，具有中—高的有序度。包裹體均一化溫度（Th）測定，其溫度的變化范圍為190～210℃。白云石化作用時溫度較高（大于60℃），白云石有序度較高，表明白云石化作用是在埋藏環境中發生的。

3.5 鞍狀白云石膠結物

見天壩生物礁白云巖中存在許多鞍狀白云石膠結物，其通常出現在次生孔隙中，以孔隙充填方式出現，并和基質白云石共生。這些鞍狀白云石晶體粗，自形程度高（自形—半自形），通常具有解理，有時含有固體包裹體，單偏光下呈溶蝕狀，正交光下具有明顯的波狀消光（圖8）。

鞍狀白云石的碳氧穩定同位素分析資料見表5。不難看出，鞍狀白云石的δ18O＝－5.89‰～－6.67‰，δ13C＝3.21‰～4.32‰，平均值分別為－6.26‰（δ18O）和3.92‰（δ13C）。

圖8 鞍狀白云石膠結物顯微照片

表5 見天壩生物礁鞍狀白云石碳氧穩定同位素分析資料表

這些資料顯示出，鞍狀白云石的碳氧穩定同位素值接近于基質白云石的碳氧穩定同位素值，兩者大致分布在同一分布范圍（圖7）。從巖石學特征上看，其通常是共生關系，這表明交代石灰巖流體和沉淀鞍狀白云石流體的應該是同一流體，只是形成方式不同：一個是交代，一個是從流體中沉淀。有關鞍狀白云石和交代的基質白云石的形成問題，Davies和Smith［21］作過相關論述：“交代基質白云石和鞍狀白云石是接近準同時在同一個流體和同樣環境狀態下形成的”。

見天壩生物礁中鞍狀白云石膠結物通常都含有兩相流體包裹體。包裹體的均一化溫度介于190～210℃（Th）。據一些研究者的資料，世界各地的鞍狀白云石的均一化溫度都大于80℃，溫度變化介于80～235℃［21］。見天壩生物礁中鞍狀白云石膠結物的均一化溫度也分布在這個范圍內。

4 結論

巖石學和地球化學資料表明，礁灰巖的白云石化作用是在埋藏條件下發生的，具有埋藏白云石化的特征。如果以平均地熱增溫率30℃／1 000m計，那么上二疊統長興組之上的沉積覆蓋層在7 000m左右，這與該地區長興組之上蓋層小于5 000m的事實不相符合，說明交代礁灰巖的白云石化流體的溫度比長興組流體所具有的溫度要高。換言之，礁白云石化流體不是長興組地層的流體，而是來自下伏深盆地沉積低溫熱液因構造活動向上移動的結果。與鞍狀白云石共生的成巖礦物有石英、黃鐵礦、硬石膏等礦物。礁白云石很有可能是一種熱液白云巖，有關問題有待進一步研究和討論。

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