關于武安市白鹿寺礦區(qū)鳳山組巨厚層白云巖形成的分析

劉春虎

（河北省地礦局第九地質大隊，河北 邢臺054000）

1 古地理環(huán)境

古生代開始地球自轉速度降低，地球表面的物質從赤道向兩極運動，形成古生代第一次大海侵。昌平期海水由東向西侵入本區(qū)，但冀南地區(qū)依然為陸地。饅頭期海侵擴大，承德- 張家口一線以北為高地，以南全部為陸表海。張夏期海侵達到高潮，北部的高地也有幾處被海水覆蓋。崮山晚期～早奧陶世，稍有海退，但華北仍為陸表海環(huán)境，海水變淺。以阜平- 保定- 滄州一線為界，以北屬潮間堤壩- 局限海環(huán)境，以南屬潮間堤壩-局限海- 潮間瀉湖環(huán)境。崮山期海水分布范圍見圖1。炒米店期承接崮山期，稍有海退，隨之海水加深，為潮下環(huán)境，形成一套碳酸鹽巖- 礫屑碳酸鹽巖建造。

2 鳳山組地層分布

鳳山組地層形成于晚寒武系，崮山期晚期，屬潮間堤壩- 局限海- 潮間瀉湖環(huán)境。鳳山組在華北區(qū)域變化較大，一般厚度為80-130m 左右。在冀南地區(qū)鳳山階厚80 米左右，其上部相變?yōu)榘自茙r，即本文所討論的巖層。如武安仙莊一帶，厚79 米，上部主要為灰色中厚層花斑狀白云巖夾薄層泥質條紋白云巖，下部為灰色中厚層泥質條紋鮞粒灰?guī)r、泥質花斑灰?guī)r，夾泥質條帶灰?guī)r和竹葉狀灰?guī)r。此種組合在冀南變化不大。（河北北京天津地質志）

圖1 寒武- 奧陶古地理簡圖

3 地層基本情況

本層白云巖屬寒武紀上統(tǒng)鳳山組地層，通過白鹿寺礦區(qū)鉆孔揭露，埋深906.13m～1005.66m，厚99.53m。巖性基本均為白云巖，呈灰、深灰色，中- 粗粒結晶結構，塊狀構造。主要成分為白云石，白云石呈半自形～他形粒狀，鑲嵌狀接觸，具脫白云巖化。見圖2、圖3。上覆地層為奧陶紀下統(tǒng)冶里組含燧石白云巖，下伏地層為鳳山組含泥質條帶白云巖夾薄層竹葉狀灰?guī)r，與上部白云巖呈漸變關系。

圖2 白云石薄片染色后在正交偏光顯微鏡下照片

圖3 白云石薄片染色后在單偏光顯微鏡下照片

4 白云巖形成機理

白云巖的成因基本上分為兩類：沉積成因的和次生交代成因的。在次生白云巖中常見交代結構，如晶形較好具環(huán)帶或污濁核心的白云石棱形體、部分白云化的石灰?guī)r中的云斑及白云巖中的石灰?guī)r殘余體等，都是交代作用形成的。

本層白云巖白云石較純凈，沒有雜質，不屬于次生交代成因，但白云石自形程度較差，也不像沉積成因的。下面按照白云巖的形成機理逐步分析。

4.1 原生沉積白云巖

白云石是一種很難形成的礦物，其晶格由Ca2-，Mg2+，CO32-離子層相互交替而成。由于Ca2-和Mg2+性質相似，很難使他們嚴格的分離，自然界中就難以形成化學計量的白云石。方解石成分范圍為Ca77Mg23到Ca98Mg2，白云石的成分范圍為Ca50Mg50（化學計量的白云石）到Ca55Mg44（原白云石）。

控制白云石結晶作用的主要因素為溶液的Mg2+/Ca2+比率、鹽度和結晶速度。

比如，正常海水的Mg2+/Ca2+比率為3:1～4:1。在蒸發(fā)條件下，Ca2-，Mg2+，CO32-離子的濃度不斷提高，達到一定濃度先結晶出晶格構造較簡單的方解石，在此過程中，溶液中的Mg2+/Ca2+比率也在不斷提高，可達20:1 甚至更高。當達到一定條件才有可能形成不大有序的富鈣的原白云石。形成的白云石晶體多小于1μm。與其共生的礦物有方解石、文石、芒硝、石鹽、單斜鈉鈣石、天然堿、鈉鎂釩等。

但是在溶液中結晶生成的白云石應自形程度較高，觀察圖1 可見白云石多數(shù)呈他形，接觸界線呈彎曲狀，平直的較少。礦物成分單一，并沒有其他礦物伴生，這該怎么解釋呢？只能說本層白云巖不是原生沉積的。

4.2 準同生白云巖

推斷白云巖是由原生沉積的方解石白云化形成。

幸運的是在現(xiàn)代正有這樣的白云石在生成。比如在波斯灣南岸的潮上帶，有一層剛沉積不久的沉積物，主要是文石。潮上帶具有粒間水或表層積水，在蒸發(fā)作用下Mg2+/Ca2+比率升高。這種高鎂的粒間水或表層水與文石顆粒接觸，使文石被交代轉變?yōu)榘自剖＿@種白云石叫做準同生白云石。

但是這種準同生白云巖主要為粉晶或泥晶白云巖，只在近地表生成，即使高Mg2+/Ca2+比率海水有回流滲透作用，也不會向下滲透很深。因為在下滲過程中要不斷的被海水稀釋。厚99.53m 的白云巖，加上冶里組25.07m 的含燧石白云巖，共124.60m，沉積如此厚的白云巖也不是準同生白云巖能解釋的。

圖4 淡水與海水混合液對白云石飽和程度的影響（巴迪奧札曼尼1973）

4.3 混合白云化白云巖

在1973 年，巴迪奧札曼尼（Badiozamani）首先用實驗證明了大氣水（淡水）與海水混合的白云化機理，稱為混合白云化機理。由圖4 可知當海水與淡水混合時，海水比例占5%～45%范圍則白云石過飽和，而方解石不飽和，白云石析出，方解石溶解。發(fā)生方解石被白云石交代現(xiàn)象。巴迪奧札曼尼用這一混合白云化作用的機理解釋了美國威斯康星中奧陶統(tǒng)的白云巖的成因，得到了滿意的效果，尤其是其中的米夫林段。而從所研究的白云石的晶形來看，不像沉積成因的。

還有淡水的來源問題。據(jù)前人研究認為鳳山期是海退期，形成潮間壩環(huán)境。在古地理環(huán)境一節(jié)已表述。就有可能在露出海面的地表接受大氣降水，在淡水和海水接觸面附近進行白云巖化，見圖5。對于沿正性單元分布的、伴隨有不整合的、而又缺乏潮上帶或瀉湖等蒸發(fā)標志的白云巖，用混合白云化作用得到了滿意的解釋。由于這一作用不受蒸發(fā)作用限制，所以在低緯度地區(qū)，混合白云化作用形成的白云巖更普遍。

據(jù)研究美國威斯康辛州中奧陶統(tǒng)米夫林段的白云巖即為此種成因，也是在海退期形成，在每次海退和暴露于大氣期間，降水成因的地下淡水透鏡體以下的半咸水帶中，就會發(fā)生白云化作用。通過計算，米夫林段的白云巖化速度為0.85m/千年，這是很快的。如果白鹿寺鳳山組的白云巖也是混合白云化成因的，那么形成近百米厚的白云巖層是完全可能的。

圖5 混合白云化示意圖

5 白云巖沉積后作用

首先白云石有重結晶作用。從白云石的粒度可見，白云巖的重結晶作用較強，且重結晶是在相對靜態(tài)條件下形成。在強重結晶作用下，白云石中的雜質就會減少，內部出現(xiàn)的較多粗粒白云石使原巖中顆粒邊界消失，構成質地均勻的結晶結構。

其次白云石出現(xiàn)了脫白云石化作用。在圖1 中可看到白云石表明有很大紅色的斑點，其實這樣的斑點是方解石（CaCO3）經茜素紅染色而成。這在自然界中是一種很常見的現(xiàn)象：白云石的脫白云化作用，由方解石交代白云石。脫白云化主要在富含硫酸鹽的地下水作用下進行，其化學反應式如下：

6 結論

經過以上分析，可以做出武安市白鹿寺礦區(qū)鳳山組巨厚層白云巖的形成過程為：首先在海水中形成灰?guī)r，灰?guī)r成因難以判斷。后由于海平面下降，使地面露出海平面，接受大氣降水。原來的灰?guī)r在混合水的環(huán)境下逐漸被交代成白云巖，從近百米厚的白云巖層產狀來看，最接近的形成原因應該是混合白云化作用。這是個由上到下的過程，并伴隨著海平面的下降，也就是崮山期的海退。綜合以上，形成了現(xiàn)在所見的白云巖。至此所有問題都可以解釋。