劉春虎

（河北省地礦局第九地質(zhì)大隊(duì)，河北 邢臺054000）

1 古地理環(huán)境

古生代開始地球自轉(zhuǎn)速度降低，地球表面的物質(zhì)從赤道向兩極運(yùn)動(dòng)，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?jǐn)U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(dá)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(zhì)條紋白云巖，下部為灰色中厚層泥質(zhì)條紋鮞粒灰?guī)r、泥質(zhì)花斑灰?guī)r，夾泥質(zhì)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(zhì)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(jì)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(jié)晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)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(jì)下統(tǒng)冶里組含燧石白云巖，下伏地層為鳳山組含泥質(zhì)條帶白云巖夾薄層竹葉狀灰?guī)r，與上部白云巖呈漸變關(guān)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(jī)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(jié)構(gòu)，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(zhì)，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(jī)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(zhì)相似，很難使他們嚴(yán)格的分離，自然界中就難以形成化學(xué)計(jì)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(xué)計(jì)量的白云石）到Ca55Mg44（原白云石）。

控制白云石結(jié)晶作用的主要因素為溶液的Mg2+/Ca2+比率、鹽度和結(jié)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(dá)到一定濃度先結(jié)晶出晶格構(gòu)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(dá)20:1 甚至更高。當(dāng)達(dá)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(jié)晶生成的白云石應(yīng)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(zhǔn)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(yùn)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(zhuǎn)變?yōu)榘自剖?。這種白云石叫做準(zhǔn)同生白云石。

但是這種準(zhǔn)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M(jìn)g2+/Ca2+比率海水有回流滲透作用，也不會向下滲透很深。因?yàn)樵谙聺B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(zhǔn)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(shí)驗(yàn)證明了大氣水（淡水）與海水混合的白云化機(jī)理，稱為混合白云化機(jī)理。由圖4 可知當(dāng)海水與淡水混合時(shí)，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(jī)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(rèn)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(jìn)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?yàn)a湖等蒸發(fā)標(biāo)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(jì)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(jié)晶作用。從白云石的粒度可見，白云巖的重結(jié)晶作用較強(qiáng)，且重結(jié)晶是在相對靜態(tài)條件下形成。在強(qiáng)重結(jié)晶作用下，白云石中的雜質(zhì)就會減少，內(nèi)部出現(xiàn)的較多粗粒白云石使原巖中顆粒邊界消失，構(gòu)成質(zhì)地均勻的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。

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(diǎn)，其實(shí)這樣的斑點(diǎn)是方解石（CaCO3）經(jīng)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(jìn)行，其化學(xué)反應(yīng)式如下：

6 結(jié)論

經(jīng)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(chǎn)狀來看，最接近的形成原因應(yīng)該是混合白云化作用。這是個(gè)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。