近地表(浅埋藏)白云化作用模式

发布网友发布时间：2022-05-03 04:15

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近地表(浅埋藏)白云化作用模式是基于近地表成岩条件和白云化环境下建立的,成岩时间包括准同生和浅埋藏成岩阶段,白云化流体主要是蒸发海水或者海水与淡水的混合水等,发生环境主要涉及浅滩(或障壁岛)一潟湖—潮坪环境等,典型的近地表(浅埋藏)白云化作用模式包括萨布哈模式、渗透回流模式、混合水模式等(图1.1)。

图1.1 近地表(浅埋藏)白云化作用模式图

(1)萨布哈模式

萨布哈(Sabkha)是指在阿拉伯湾南部和西部边缘发育的蒸发潮沼(Warren,2000),萨布哈模式的标准地点是阿联酋阿布扎比Trucial海岸的萨布哈,该地区可能是目前研究最为深入的现代超咸水潮间—潮上潮沼,也是丰富的回流白云石形成的典型地区,而在别处的萨布哈并没有那么多的白云石产出(Machel,2004)。在阿布扎比Trucial海岸的萨布哈,由于具有温度高、温度差和湿度差变化大等非单—干旱气候特征,文石泥等沉积物中孔隙水经强烈蒸发而逐渐浓缩,同时外围水体(主要包括海水或*卤水)不断补充,在这些沉积物中间形成了一个高盐度富Mg²⁺卤水带(表1.1),随着高盐度卤水中石膏和其他一些盐类矿物沉淀,卤水的Mg/Ca比值逐渐增大,并促使沉积物中文石或方解石发生白云化作用或孔隙水直接沉淀原白云石(图1.1A)。在萨布哈的现代潮间/潮上沉积物中常见有少量微晶白云石,但这些微晶白云石也可产出于阿拉伯湾潮下沉积物中(Wenk et al.,1993)。

表1.1 不同碳酸盐白云化作用模式的一些特征

目前,虽然不少学者对萨布哈出现的微晶白云石取得了较多共识,但在补充水体的来源和补给动力学过程、次生交代或原生沉淀成因等方面仍存有争议。实际上,大多数学者从一开始就认为海水是萨布哈外围补充水体,但Wood et al.(2002)通过对同位素地球化学、溶质成分、溶质和水通量的分析,认为大于95%的溶质是来自于上升的*卤水,大约90%的每年输入水是直接降水(其余约10%来自横向和上升的地下水流动)。萨布哈水文循环中不同来源水体的补给动力学过程更复杂,从早期的毛细管力(Friedman et al.,1967)、海水洪泛(Kinsman,1969)、蒸发泵吸(Hüs et al.,1973),到后来的两个或多个上述过程的组合,如洪水补给一蒸发泵吸(üMller et al.,1990),McKenzieeta.l(1980)也认为萨布哈的水文循环经历了三个连续阶段:风暴驱动海水洪泛、毛细管蒸发和蒸发泵吸,Wood et al.(2002)则认为大气降水、地下水的横向和上升流动、蒸发作用是萨布哈水文循环的主要过程(图1.1B)。同时,对于萨布哈微晶白云石的成因研究,早期多认为是高Mg/Ca比值卤水交代沉积物中文石或方解石的结果(Friedman et al.,1967;Hüs et al.,1973),被替换的Ca²⁺进入到孔隙水中(表1.1);但后来通过透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)分析结果认为阿布扎比萨布哈中大多数白云石实际上是从孔隙水直接沉淀的而不是先驱文石的交代产物(Wenk et al.,1993;Sa-dooni et al.,2010),只有少数白云石在晶体尺度观察后被认为是直接交代文石形成的,那些以胶结物形式出现的微晶白云石都是由不同大小孔隙中超咸流体沉淀的,有的孔隙甚至可小至几微米(Wenk et al.,1993)。不过,近年也有研究认为萨布哈的一些微晶白云石与微生物白云化作用之间很可能存在紧密的联系(Bontognali et al.,2010),在孔隙水趋于还原并因细菌硫酸盐还原和(或)微生物产生甲烷导致碱性增强的地方,白云化作用最为强烈(Machel,2004)。

(2)渗透回流模式

渗透回流模式是Adams et al.(1960)在解释美国得克萨斯西部二叠系卡匹敦阶生物礁复合体中白云岩的成因时首先提出的。由于存在生物礁或浅滩等障壁,被障壁封闭或半封闭的潟湖海水经蒸发浓缩形成高盐度富Mg²⁺卤水(表1.1),卤水浓度不断升高、密度也相应不断增大(可以达到1.2g/cm3);而后在重力作用下,这些密度较大的卤水下渗至高渗透性台地沉积物中,并向海一侧持续流动直至回到广海(图1.1C),被替换的Ca²⁺也随之回到广海(表1.1)。在回流过程中,高Mg/Ca比值的卤水与渗流通道附近的台地文石或方解石沉积物发生交代白云化作用。渗透回流模式较好地解决了Mg²⁺来源和水文循环机制等问题,因而得到了不少学者的认同,常被用来解释整个碳酸盐台地,甚至整个沉积盆地出现的广泛白云化作用(Shields et al.,1995;Potma et al.,2001)。近年,部分学者通过数值模拟方法进一步深化了人们对渗透回流模式的认识,证实了该模式发生的可行性并扩大了其应用范围,同时也限定了该模式的白云化程度和白云岩形成数量(Shields et al.,1995;Jones et al.,2003,2004;Whitaker et al.,2004)。在热带地区岛屿中,与超咸水条件有关的局限卤水回流显然正在形成全新世白云石,如西班牙Canary岛Fuer-teventura海岸线(üMller et al.,1971)、哥伦比亚SanAndres海岸线(Kocurko,1979)、约旦Aqaba湾Solar湖(Aharon et al.,1977)、埃及Sinai半岛RasMohammed海岸现代边缘(Warren,1991)等。

尽管渗透回流模式已经在实例分析、数值模拟甚至简易实验中得到证实,但长期作为渗透回流模式经典实例的加勒比海南部Bonaire岛Pekelmeer潟湖石膏层之下更新世—上新世碳酸盐的白云化作用(Defeyes et al.,1965),并没有像原来料想的那样真实存在,甚至在潟湖之下也没有发现回流的卤水(Lucia,1968),相应的潟湖水文循环机制也与原来料想的基本相反:一层渗透性较低的薄层粘土火山灰层分隔了较高盐度和正常盐度的潟湖沉积物,但在火山灰层被破坏或缺失的地方会出现向盐沼供应海水的泉水,上涌作用是Pekelmeer潟湖水文循环的主要机制,而非回流作用。当然,Pekelmeer潟湖在个别时间也可能发生回流作用,但不可能有足够的卤水体积形成交代白云石(Murray,1969;Fouke et al.,1996)。此外,渗透回流模式在一些问题的理解上也过于理想化,如卤水来源与补给过程、回流通道的持续性与差异性等方面。一般认为经蒸发浓缩而达到一定Mg/Ca比值的海水是渗透回流模式的白云化流体,原始海水、混合了海水的*水或大气淡水都有可能成为蒸发盆地的卤水,但决定了蒸发浓缩后流体的M/Ca比值变化,只有的水体才会满足M_g/Ca比值较快增加的需要₍W_arren,2 0 0 0) 。同时,封闭孤立的局限台地中蒸发潟湖卤水的补给过程也不是十分清楚,A dams et al.( 19 6 0)最早提出的经典渗透回流模式对卤水的补给并没有给予更多关注,近年研究认为不断积聚蒸发岩的沉积区域表面并未与广海直接连通,大部分海水需要通过穿越卤水湖或卤水水道边缘的地下天然渗透通道向局限台地(潟湖)流入(Wa r r e n,2 0 0 0),但这也需要注意渗流通道的地区特殊性——不同地区局限台地可能有着不同的水体补充渗流通道。同时,数值模拟研究表明渗透回流白云化作用显然不是均一地叠加在所有台地灰岩之上(S hield s et al.,19 9 5;J o n es et al.,2 0 0 3),甚至回流也不是人们想象中的简单:中等盐度流体的回流可以向下渗透到最初的经典回流模式所没有预想到的几百米深度而被称为隐伏回流,经典回流则被称为活跃回流(J o n es et al.,2 0 0 3,2 0 0 4) ,即不同位置的回流存在着流动性质的差异。在渗透回流白云化作用过程中,只有在具有非常高的渗透率且不含有效隔水层(如泥页岩和蒸发岩层)的台地上,并且回流时间相对较长才能被完全白云化(Jones et al.,2003,2004),而这样的台地在自然界中并不多见,至少在现代沉积环境中很少见,且当泥质、石膏等沉积物层成为有效隔层并抑制卤水向深部渗透和回流、海水吸入时,近地表的卤水和海水的流失也将使白云化作用难以在更大深度发生(Machel et al.,1996),因而渗流通道的连续性和高效性及其控制机制也是人们应该关心的。事实上,渗透回流白云化作用往往需要较长时间的大规模稳定水文体系来支撑大量回流白云岩的形成,而这个“较长时间”一般是百万年的时间尺度,如Jones et al.(2003)的模拟时间超过了1.6Ma,如此长时间大规模稳定水文体系的保持机制及其与台地生长、海平面变化之间的耦合关系均尚不清楚。

(3)混合水模式

正如前面所描述的,不论是萨布哈模式还是渗透回流模式,都需要干热的气候、强烈的蒸发作用以及由此形成的高Mg/Ca比值卤水,以至于有学者认为白云石就是一种蒸发矿物(Friedman,1980),但一些广泛分布在陆表海碳酸盐台地环境的白云岩并没有邻近蒸发岩产出,也缺乏潮上暴露标志,因而缺乏足够证据来说明其与蒸发作用之间存在关联。针对某些白云岩出现在现代台地边缘淡水-海水混合区域,Hanshaw et al.(1971)率先使用混合水(包括Mixingzone、Dorag,全文同)模式解释美国佛罗里达古新世—早中新世灰岩含水层中白云石的成因,Land(1973)也将其用于解释牙买加北部中更新世生物礁的同生白云化作用,随后Badiozamani(1973)通过计算认为海水占5%～30%的混合水对方解石不饱和而对白云石过饱和,在具有这些比例的混合水的出现区域可以发生白云石交代方解石,他同时将这一结果应用到美国威斯康星西南部中奥陶统白云岩的成因解释上,并将该模式命名为Dorag模式(图1.1D)。实际上,混合水模式中Mg²⁺来源仍然是富Mg²⁺的海水,被替换的Ca²⁺随循环水回到广海(表1.1)。

从混合水模式建立的早期,已有较多学者对大气淡水—海水混合带中大范围台地白云化作用发生机制的合理性提出了很多质疑(Hardie,1987;Machel et al.,1994)。如果使用现代环境中沉淀的、更易溶解的无序白云石的溶度积(平衡常数≈10^-16.5)而不使用基于古代有序白云石的溶度积(平衡常数≈10^-17),那么适合混合水白云化作用的流体成分范围将大大减少,只有在海水占30%～41%的混合水中才会出现(Hardie,1987),即发生混合水白云化作用的流体成分要求变得比较苛刻。其后,一些混合水模式的典型实例也被修改为海源流体白云化作用的结果,如北大西洋巴巴多斯岛GoldenGrove白云岩(Ma-chel et al.,1994)和牙买加北部新近系HopeGate组白云岩(Land,1991)。Machel(2004)从热力学、动力学和水文学三个方面认为混合水模式缺乏足够的基础,同时新近的巴哈马滩和佛罗里达南部近地表混合带研究表明海水—淡水混合带中不含白云石,即使文石已经处于不饱和状态(Melim et al.,2004);随后,Luczaj(2006)更是在包裹体、岩相学、稳定同位素和有机质成熟度等分析基础上,彻底否认了美国威斯康星中奥陶统白云岩是Badiozamani(1973)原先认为的混合水成因,并认为它们是热液白云化作用的结果。值得注意的是,尽管对混合水模式质疑的声音此起彼伏,但Machel(2004)并没有完全否定海水—淡水混合带中可以形成白云石,只是认为海水—淡水混合带形成白云石的能力有限,形成的白云石体积相对较小,且仅限于台地边缘分布;当在更大的盐度区间(如海水大于70%),白云石通常含量非常少(体积分数只有百分之几),且作为薄的胶结边或交代边出现。