碳酸盐岩的成岩作用

碳酸盐沉积物在沉积期后的同生(准同生)、成岩阶段和后生阶段甚至表生阶段，均要发生显著而复杂的变化。这些变化不仅与沉积环境、沉积期后环境(或称为广义的成岩环境)有关，而且与孔隙的发育及控制成矿(包括油气、水及某些金属和非金属矿)有着密切的关系。碳酸盐岩的沉积期后变化可分为以下几类:

1.胶结作用

所谓胶结作用是指碳酸盐颗粒或矿物被粘结在一起，变成坚固岩石的作用。碳酸盐沉积物的胶结作用常是通过晶体在孔隙空间的生长、碳酸盐泥的压缩和质点间的压溶和新生变形作用来完成的。碳酸盐胶结作用的特点是沉积后可立即进行，时间短、成岩快、压实率较低(一般不超过15%)。按胶结作用发生的环境和流体性质，可将成岩环境划分为大气水渗流、大气水活跃潜流、大气水静止潜流、海水潜流、混合水和深埋藏卤水等成岩环境(图5－19)，不同成岩环境的物理化学条件和流体性质的不同，所发生的胶结作用方式、成分和类型也不同。

图5－19 成岩环境划分示意图(据Scholleetal.，2003)

2.压实作用

碳酸盐沉积物在上覆层的重荷压力下，发生水分减少、孔隙度降低、体积缩小进而变致密的作用称为压实作用。碳酸盐沉积物的压实包括单个颗粒体积的缩小、变形、破裂、颗粒定向、紧密填集和填隙物的体积缩小，以及整个沉积物的体积缩小和压溶，甚至碎裂作用等。

3.重结晶作用

重结晶作用是指作用前后矿物成分不变，但晶体大小发生了变化的作用，也可指矿物的多相转变作用(如文石到方解石的湿转变)即成分不变，而晶形和大小均发生变化的作用。福克(1965)把这两者统称为新生变形作用(neomorphism)，即广义的重结晶作用。

4.白云岩化作用

白云石对方解石或文石的交代作用，称白云石化作用，交代充分者称白云岩化作用。白云岩化是个非常复杂的理论问题，它牵涉到白云岩的成因，而且有重大的实际意义，因为通过白云岩化的减体积效应可增大岩石的孔隙度。理论上，由文石转化为白云石时通过晶体的体积缩小而产生6.15%的晶间孔隙，使岩石变得多孔，如考虑Sr²⁺被Ca²⁺取代时造成的体积变化，晶体的体积缩小或孔隙的增加还会略多一些;由方解石转化为白云石时，由晶体体积缩小而产生晶间孔隙理论上可高达14.81%，实际在10%～12%之间，使岩石变得更加多孔。因此，白云岩化作用非常有利于油、气、水的渗流储集和某些热流体沉淀的金属矿产的矿化。

由于白云岩化在目前模拟天然沉积环境的实验室条件下还未成功，其形成机理目前还不很清楚，因此，大多数研究者认为白云岩化是多种多样的，可发生在沉积期和沉积期后的不同阶段。目前，对引起白云石化的机理主要有两派意见，即咸水白云石化和淡水白云石化模式，后者还包含了与大气水有关的混合水白云石化模式。

(1)咸水白云石化模式

持咸水白云石化模式的学者认为:要发生咸水白云石化，必须具备以下几个条件:

■引起反应的水溶液的Mg²⁺/Ca²⁺比值>8.4，且CO^2－₃/Ca²⁺的比值高;

■要有比岩石或沉积物孔隙体积多上千倍的这样的水溶液通过碳酸盐沉积物或岩石，才能使原有物质发生白云石化;

■要具备使Mg²⁺集中或带入、使Ca²⁺带出的驱动力，才能使白云石化不断进行。

图5－20 咸水白云石化模式

发生咸水白云石化的环境干旱、蒸发强烈、水体盐度高、pH高、水浅的潮坪潟湖体系，其形成机理有回流渗透、咸化潟湖和蒸发泵等成因模式(图5－20)。

回流渗透白云石化模式 在蒸发潟湖中由于蒸发强烈，使潟湖中海水盐度增大，重盐水下沉，先通过文石和石膏的沉淀消耗了大部分的Ca²⁺和SO^2－₄，使重盐水的Mg²⁺/Ca²⁺比值和CO^2－₃/Ca²⁺比值增高，在重盐水向海方向的回流渗透过程中引起原CaCO₃沉积物发生白云石化(图5－20A)。此作用多发生于同生、早期成岩阶段，并可延续到后生阶段。由回流渗透白云石化作用形成的白云石晶体有序度较低(白云石有序度:即白云石晶体中Ca²⁺、Mg²⁺、CO^2－₃分层排列有序的程度)。需指出的是，在诸多符合回流渗透白云石化模式的现代碳酸盐沉积区，想象中的白云石化作用并没有出现，而是仅发现了少量零星分布的白云石晶体，目前未确切证明这些白云石晶体是高Mg²⁺/Ca²⁺比值的重盐水回流渗透过程中交代CaCO₃沉积物的产物。

咸化潟湖白云石化模式 在气候炎热干旱和蒸发量远大于降水量与海水补给量之和的咸化潟湖，高盐度和高Mg²⁺/Ca²⁺与CO^2－₃/Ca²⁺比值的海水达到可发生咸水白云石化的条件，故引起潟湖底CaCO₃沉积物的白云石化(图5－20B)。此类型多发生于准同生阶段，所形成的白云岩多呈薄层状与膏盐共生互层或含有石膏结核，在区域上分布广泛，层位稳定，如中国南方中三叠统雷口坡组与膏盐互层的泥－微晶白云岩即为典型的咸化潟湖白云石化产物。

毛细管浓缩或蒸发泵白云石化模式 在气候炎热干旱和蒸发作用强的潮上带，海水不仅在海面上蒸发，也通过毛细管作用泵汲到潮上带的陆地表面蒸发，结果潮上带沉积物孔隙中的海水盐度增高，使Mg²⁺/Ca²⁺、CO^2－₃/Ca比值增高达到了发生咸水白云石化的条件，故引起潮上带CaCO₃沉积物的白云石化(图5－20C)。此类型也多发生于准同生阶段，所形成的白云岩多呈薄层、有暴露标志、与膏盐共生或含石膏结核。由于此类型白云岩在波斯湾阿布扎比的现代萨布哈地区的碳酸盐沉积物中广泛发育。萨布哈(Sabkha)为一阿拉伯术语，系指高潮面以上，常发育有盐沼池的干燥海岸平原，因此，萨布哈也就成为蒸发泵白云石化模式的代名词。

(2)淡水白云石化模式

调整白云石化 古德尔和加曼(Goodell and Garman，1969)对巴哈马滩安德罗斯岛上一口深井进行详细研究后，提出了调整白云石化的机理。该机理认为在大气淡水的影响下，原碳酸盐沉积物或岩石中的富镁成分，通过淋滤、溶解和交代作用，在成分上进行重新调整和组合，使原始物质的某些部分发生白云石化作用，从而生成白云岩。这种调整白云石化作用所需的镁不是外来的，而是本层物质中调整出来的，但它需要地壳上升、淡水参加淋滤溶解出镁，然后运移集中至下部或侧面，引起这部分的CaCO₃物质发生白云石化。故刚开始时有淡水参加作用，属淡水白云石化模式，但后来还是要镁集中才发生白云石化，即又需有咸水白云石化的条件，故其实质为介于淡水与咸水白云石化观点之间的学说。这种白云石化白云岩常与受淋滤的多孔灰岩互层，与短期暴露或沉积间断有关，其白云石晶体的有序度也较高。

图5－21 混合水白云石化模式(据M.E.Tucker，1989)

混合水白云石化 此模式由巴迪奥扎曼尼(Badiozamani，1973)提出，通过理论计算证明，只要有5%～30%的海水和70%～95%的淡水混合，降低了盐度和Mg/Ca比值，减少了竞争离子(Sr²⁺、Na⁺、SO^2－₄、Cl^－等)，放慢了结晶速度，反而更有利于规则有序白云石的形成，即也可发生白云石化(图5－21)。美国威斯康星的中奥陶统米林夫段块状白云岩和中国南方二叠系的白云岩，都被认为是典型的混合水白云岩化产物。巴迪奥扎曼尼等认为，由混合水白云石化形成的白云石晶体比咸水白云石化的晶体大、晶形好、有序度较高和切割力强(即能破坏其他颗粒)且无选择性，其白云石化的岩体常在陆表海的陆棚灰岩层中呈透镜状产出。这种白云石晶体有序度较高，即Ca²⁺、CO^2－₃、Mg²⁺分层排列较好。

需指出的是，自20世纪90年代以来，渗透回流和混合水白云岩化作用能否形成大规模的块状白云岩在欧美国家遭到广泛质疑，即使被作为混合水白云岩化典范的美国威斯康星州中奥陶统米夫林段白云岩，也已被重新解释为成岩埋藏过程中热液交代作用的产物，又如加拿大西部阿尔伯特深盆泥盆系和阿拉伯湾北部的油田中的白云岩储层，以及包括川东上石炭统黄龙组白云岩储层、川东北上二叠统长兴组礁滩相白云岩储层及上三叠统飞仙关组鲕粒白云岩储层等许多大油气田的白云岩储层，都被重新解释为构造控制的热液白云岩储层，而这些储层以前都被解释为混合水成因的。显而易见，对混合水白云岩化模式有必要进行重新评估。而早期不被重视的“埋藏压实白云岩化”、“构造和热液白云岩化”，以及“生物成因白云岩化”等模式和成因观点被越来越多的地质事实所证实。

5.去白云石化作用

白云石被方解石交代的作用叫去白云石化作用，去白云石化证据和特征主要有如下几点:

■在方解石大晶体内有未完全交代的白云石残余物，呈嵌晶结构;

■方解石具白云石菱面体假象;

■交代残余物中含有以前的菱面体白云石晶体假象，呈氧化铁的环带出现，或者在新生的方解石晶体内保存有白云石菱面体的残余形迹;

■去白云石化的方解石晶体一般大而明亮;

■去白云石化常伴随有淋滤、溶解作用，并产生菱形孔，也可增加岩石的孔隙率。去白云石化常与硫酸盐离子存在有关:

CaMg(CO₃)₂(白云石)+CaSO₄·2H₂O(石膏)→2CaCO₃(方解石)+MgSO₄+2H₂O

故去白云石化主要发生于含膏白云岩或有石膏夹层的白云岩地区，多在近地表环境退后生阶段发生，也可在深埋藏阶段由于去膏化引起去白云石化。另外，含黄铁矿的白云岩出露地表时，由黄铁矿氧化产生的SO^2－₄离子，也可引起局部的去白云石化。去白云化强烈时，可形成次生石灰岩，如川东上石炭统黄龙组下部的次生石灰岩，保存有良好的白云石菱面体晶体结构和萨布哈环境特有的斑马构造和铁丝鸡笼构造。

需指出的是，成都理工大学黄思静教授的去白云石化实验结果(实验前和实验后流体中的Mg²⁺离子含量没有明显变化)，并不支持白云石与含膏之间的化学反应式，但却发现含有SO^2－₄离子的流体明显加快了白云岩的机械分解速度，其机理目前还不清楚，但可以肯定的是含有SO^2－₄离子的流体有利于去白云石化，这也应该是萨布哈环境容易发生去白云石化作用的主要原因。

6.去膏化作用

石膏、硬石膏晶体被方解石交代后仍保持石膏、硬石膏晶形的作用，称去膏化作用。去膏化常与地表淡水和细菌作用有关，其反应式为:

6CaSO₄(硬石膏)+4H₂O+6CO₂→6CaCO₃(方解石)+4H₂S+11O₂+2S(自然硫)

去膏化的鉴定特点为:粒状方解石或舌状、囊状、放射状方解石集合体呈石膏晶体的假象或石膏结核的假象。