西沙島礁白云巖化特征與成因模式分析

曹佳琪，張道軍，翟世奎*，羅威，修淳，劉新宇，張愛濱，畢東杰

(1.中國海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100；2.海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點實驗室，山東 青島 266100；3.中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

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西沙島礁白云巖化特征與成因模式分析

曹佳琪1，2，張道軍3，翟世奎1，2*，羅威3，修淳1，2，劉新宇1，2，張愛濱1，2，畢東杰1，2

(1.中國海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100；2.海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點實驗室，山東 青島 266100；3.中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

關(guān)于碳酸鹽巖的白云巖化作用至今仍是一個爭論頗大的科學(xué)問題。在2012-2013年期間，中海石油(中國)有限公司湛江分公司在西沙石島鉆取了長達(dá)1 268.02 m的“西科1井”巖心，在0～1 257.52 m主要由碳酸鹽巖組成的巖心中存在有7個白云巖層。本文基于西科1井巖心樣品的礦物組成、常量、微量及稀土元素含量等地球化學(xué)特征分析，探討了西沙島礁特有的白云巖化作用過程。結(jié)果表明：西科1井7層白云巖在成因上與埋深和壓實成巖作用無關(guān)，其分布與海平面下降的地質(zhì)事件有良好的對應(yīng)關(guān)系，白云巖層元素地球化學(xué)特征表明白云巖成巖流體為濃縮的高鹽度海水。根據(jù)白云巖層的礦物學(xué)和地球化學(xué)特征，提出了礁灘潟湖環(huán)境下高鹽鹵水滲透回流作用的白云巖化模式：伴隨海平面的升降，礁體處于淹沒與暴露的交替之中，海平面下降導(dǎo)致了礁灘潟湖的形成，由于西沙海區(qū)蒸發(fā)量大于降水量而使?jié)篮泻Ｋ}度增高，最終形成富Mg鹵水；澙湖中高鹽度富Mg鹵水在礁體內(nèi)下滲和側(cè)向擴散，Mg逐漸替代早期CaCO3晶格中Ca而形成白云石；海平面的升降變化和礁體淹沒與暴露的交替導(dǎo)致了鉆井巖心多個白云巖層的形成。海平面升降直接控制了島礁碳酸鹽巖的發(fā)育和白云巖化作用，導(dǎo)致海平面升降的古氣候變化在島礁的形成發(fā)育中起到主導(dǎo)作用。

西沙石島島礁；西科1井巖心；白云巖層；礦物學(xué)；地球化學(xué)特征；白云巖化模式

1 引言

生物礁是由固著生物所建造的，本質(zhì)上是原地沉積的碳酸鹽建造[1]。由于生物礁常常具有較高的孔隙度或滲透率，因此極易形成油氣資源的有效圈閉而成藏。因此，在大多碳酸鹽巖發(fā)育地區(qū)，都存在由礁控制的油氣田。全球大約有43.4×108t原油儲藏在生物礁大型油氣田中[2]，約占世界油氣資源量的60%。人們對生物礁的研究始于18世紀(jì)末，達(dá)爾文首先從科學(xué)的角度闡明了珊瑚島的成因。到20世紀(jì)中葉，由于在生物礁中發(fā)現(xiàn)了重要的油氣資源，從而掀起了生物礁研究的熱潮。早在1928年，我國科學(xué)家沈鵬飛及其調(diào)查團隊就對西沙群島地質(zhì)概況進行了考察。僅就鉆探而言，我國早先已在西沙群島打了4口鉆井(西永1井、西永2井、西石1井、西琛1井)，并進行了第四紀(jì)生物礁地質(zhì)研究[3—4]、生物礁地層研究[5—8]和沉積成巖作用研究[9—10]，取得了一系列重要的研究成果。

已有研究表明，碳酸鹽巖沉積體中白云石的含量與儲層孔隙度及滲透率之間具有明顯的正相關(guān)性[11]。因此，生物礁體中白云巖層的分布及其成因研究，對生物礁儲層油氣資源的勘探開發(fā)具有重要的意義。Friedman和Sanders[12]在研究現(xiàn)代熱帶地區(qū)潮上帶表層碳酸鈣沉積物的粒間準(zhǔn)同生白云化作用時，首先提出了“毛細(xì)管濃縮作用”。近年來，隨著實驗分析技術(shù)的進步以及油氣資源勘探的深入，對白云巖成因機制(模式)的研究取得了許多重要進展[13]。關(guān)于白云巖的生成機理迄今仍是國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注的重要科學(xué)問題之一。僅就碳酸鹽巖的白云巖化作用至少有6種模式：蒸發(fā)模式(薩布哈模式)，滲透回流模式，混合水模式，深埋藏成巖作用模式，地?zé)釋α髂Ｊ剑瑹嵋喊自茙r化作用模式等[14]。在西沙群島發(fā)育有新近系白云巖，眾多的學(xué)者對其成因機制進行了研究探討。魏喜和趙強對西琛1井巖心內(nèi)發(fā)育的3套白云巖進行了研究，指出西沙生物礁碳酸鹽巖白云巖化作用主要存在濃縮海水模式、混合水白云巖化模式和地?zé)釋α黩?qū)動白云巖化模式[15—16]。孫啟良等[17]認(rèn)為，中新世南海海平面變化頻繁，冰期海平面下降，西沙群島生物礁發(fā)生海水濃縮準(zhǔn)同生白云巖化作用，使生物礁儲層良好的物性條件得以保存。何起祥和張明書[18]根據(jù)西琛1井中新統(tǒng)和上新統(tǒng)巖心樣品的礦物及地球化學(xué)特征，認(rèn)為在西沙群島的生物礁中，中新統(tǒng)上段和上新統(tǒng)上段的白云巖是次生成因的，其成因可以用咸淡水混合模式加以解釋。由以上研究可知，盡管迄今已對西沙島礁及其白云巖形成機制方面做了大量的鉆探和研究工作，但就白云巖的成因仍存在眾多爭議。在2012-2013年期間，中海石油(中國)有限公司湛江分公司又在西沙石島鉆取了長達(dá)1 268.02 m的西科1井巖心。西科1井是迄今在西沙地區(qū)鉆井深度最大、鉆取巖心最長、取心率(約80%)最高的科學(xué)鉆井。本文根據(jù)對西科1井巖心所做的礦物學(xué)和地球化學(xué)分析，從分析西沙島礁白云巖化作用的成巖環(huán)境入手，分析探討了島礁的白云巖化作用機制，提出了礁灘潟湖環(huán)境下高鹽鹵水滲透回流作用的白云巖化模式。

2 地質(zhì)背景

西沙群島(15°30′～17°12′N，110°10′～112°50′E)位于南海西北部，面積約50×104km2，由40個礁島、礁灘、沙島和沙洲組成(圖1)，總體展布為北東向，四周為海槽所環(huán)繞。區(qū)內(nèi)主要分布有東北向、西北向和近東西向鋸齒狀斷裂，將該區(qū)分割成裂谷和斷塊區(qū)。從現(xiàn)有的地質(zhì)、地球物理資料來看，西沙群島及鄰近海域在中生代以前曾與華南微陸塊相連，同屬一古生代地塊。在中中新世(距今約20 Ma)，由于南海中央海盆的擴張作用，導(dǎo)致西沙群島及鄰區(qū)開始分裂解體，在西沙群島北緣出現(xiàn)近東西向的張裂構(gòu)造帶，并逐漸演化為近東西向的西沙北海槽；西沙地塊與中沙地塊發(fā)生分離，形成裂谷，繼而形成西沙東海槽[19]。西沙群島遠(yuǎn)離大陸，為孤立的碳酸鹽巖臺地，其沉積成巖作用受陸源物質(zhì)影響較小，與古老孤立碳酸鹽巖臺地的沉積環(huán)境具有可比性[20]。自中新世早期西沙群島開始發(fā)育生物礁[18]，其中宣德環(huán)礁是西沙群島東側(cè)宣德群島的主體，分為兩個大的礁盤：一個是北部的廣大弧形礁盤七連嶼，其上發(fā)育了10個島嶼：西沙洲、趙述島、北島、中島、南島、北沙洲、中沙洲、南沙洲、東新沙洲和西新沙洲；另一個是南部弧形礁盤，其上有最大的永興島和石島。石島(16°51′N，112°21′E)在永興島東北，與永興島在同一個礁坪上，相距約1 130 m。石島長375 m、寬340 m，面積約0.08 km2，最高處15.9 m，是南海諸島中最高的島嶼。

圖1 西沙海域島礁分布及鉆井位置[21]Fig.1 The distribution of reefs and well drilling in the Xisha sea area

西科1井設(shè)計完鉆井深1 350 m，實際鉆取了長達(dá)1 268.02 m的巖心，在井深1 257.52 m處鉆遇由變質(zhì)巖和火山巖組成的結(jié)晶基底，鉆井取心率近80%。在0～1 257.52 m主要由碳酸鹽巖組成的巖心中存在有7個白云巖層。根據(jù)巖性、古生物、古地磁和元素地層等資料[22—32]，結(jié)合鄰區(qū)地震剖面確定了西科1井的主要地層結(jié)構(gòu)(圖2)：0～214.89 m為第四系，214.89～288.43 m為上新統(tǒng)鶯歌海組一段，288.43～374.95 m為上新統(tǒng)鶯歌海組二段，374.95～470.1 m為上中新統(tǒng)黃流組一段，470.1～576.5 m為上中新統(tǒng)黃流組二段，576.5～758.4 m為中中新統(tǒng)梅山組一段，758.4～1 032.46 m為中中新統(tǒng)梅山組二段，1 032.46～1 179.69 m為下中新統(tǒng)三亞組一段，1 179.69～1 257.52 m為下中新統(tǒng)三亞組二段，1 257.52～1 268.02 m為由變質(zhì)片麻巖和斜長花崗巖組成的結(jié)晶基底。王振峰等[31]對西科1井白云巖的巖石學(xué)及礦物學(xué)特征進行了研究，指出白云巖中白云石總體上呈微晶及細(xì)粉晶雙峰態(tài)結(jié)構(gòu)，微晶白云石為灰?guī)r基質(zhì)選擇性白云石化的結(jié)果，呈平直晶面半自形晶，主要為泥微晶基質(zhì)白云石化的結(jié)果；粉晶—細(xì)晶白云石呈平直晶面自形晶，為膠結(jié)物白云石或過度白云化結(jié)果。

圖2 西科1井巖心地層結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.2 The profile map of stratigraphic structure in the core of Well Xike-1

3 樣品分析測試方法

3.1 取樣

根據(jù)對巖心的觀察和工作需要，確定取樣的基本原則是：用于礦物鑒定分析的樣品取樣間隔為1 m，用于元素含量分析的樣品取樣間隔為3 m。在明顯的巖性或地層界面的上下各增加一個采樣點。

3.2 礦物鑒定分析

礦物組成分析采用X射線衍射光譜(XRD)方法，具體分析流程如下：將經(jīng)洗鹽處理后的樣品放入瑪瑙研缽中研磨，使樣品中各種礦物充分混勻，為將其取向效應(yīng)降至最低，控制研磨后樣品粒徑在0.02～0.04 mm之間。稱量400 mg左右樣品，用力將樣品壓入帶框槽的玻璃質(zhì)板內(nèi)，上機測試。上機采用D/max-rB(日本理學(xué))X射線衍射儀，使用Cu靶旋轉(zhuǎn)靶輻射，管電壓40 kV，管電流100 mA，步長0.02°(2θ)，掃描范圍3°～70°。分析測試操作嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5163-2010執(zhí)行，測試過程均為計算機控制，測定時的實驗條件均保持相同。根據(jù)方解石的(104)特征峰2θ=29.25°～29.80°，d=2.995～3.035 ?；白云石的(104)特征峰2θ=30.58°～31.28°，d=2.854～2.912 ?；文石的(111)特征峰2θ=25.5°～26.5°，d=3.39～3.40 ?可以從衍射圖譜中定性的區(qū)分出方解石礦物、文石礦物和白云石礦物。方解石又分為低鎂方解石和高鎂方解石。通常，當(dāng)?shù)玩V方解石和高鎂方解石共存時，方解石(104)特征峰在2θ=28.5°～30.5°之間會出現(xiàn)分裂(不對稱峰)，低角度者為低鎂方解石的特征峰，高角度者為高鎂方解石特征峰，無分裂峰者為單一的低鎂方解石。

3.3 元素含量分析

常量組分分析采用X射線熒光光譜(XRF)方法。分析流程如下：將經(jīng)過洗鹽處理的巖心樣品用瑪瑙研缽研磨至200目，用硫酸紙包裹后置于60℃恒溫箱中干燥24 h。將烘干后的樣品裝入直徑為32 mm的聚乙烯樣品杯內(nèi)，用瑪瑙棒均勻壓實，保證底面絕對平整，隨后將樣品裝入儀器的樣品托盤中，按操作程序進行測試，經(jīng)質(zhì)量控制后，得到最終分析結(jié)果。測試過程中每10個樣品加入一個平行樣，標(biāo)樣選用GBW07120碳酸鹽巖標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進行精度控制。分析所用儀器為SPECTRO XEPOS型光譜儀，所測元素的偏差介于3%～10%之間，滿足分析要求。

微量和稀土元素(REE)分析采用電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)方法，分析流程如下：準(zhǔn)確稱取40 mg經(jīng)洗鹽處理并研磨至200目的樣品，置于聚四氟乙烯消解罐中，加入2 mL 1∶10的HF-HNO3混合酸溶液，將其密閉放置在180℃電熱板上加熱24 h。隨后將消解罐敞口在電熱板上蒸干，加入1 mL H2O和1 mL HNO3在180℃電熱板上回溶12 h。最后用2%HNO3溶液定容至80 g，放入4℃冰箱中保存待測。微量和稀土元素采用美國Agilent7500C型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)分析。為監(jiān)控測試精度和準(zhǔn)確度，在每20個樣品加入一個平行樣，上機時每間隔20個樣品進行標(biāo)準(zhǔn)樣和空白樣的測試，最后樣品測試結(jié)果根據(jù)標(biāo)樣進行校正，精度由空白樣和平行樣進行控制，所測元素的相對偏差均低于10%，滿足精度要求。測試過程中加入20×10-12的Rh內(nèi)標(biāo)溶液檢測儀器穩(wěn)定性。

4 分析結(jié)果

4.1 礦物學(xué)特征及白云巖層分布

由圖3可知，西科1井巖心碳酸鹽巖層段(井深1 257.52 m以上)主要由方解石、文石和白云石組成，三者含量之和大于99.6%。高鎂方解石只存在于頂部36 m以淺層段。文石在0～36 m和207～229 m層段含量較高，下部層段偶有微量出現(xiàn)，450 m以深層段未現(xiàn)。0～36 m層段文石為“原生”生物文石，井深207 m之下出現(xiàn)的文石為纖維狀次生文石。在井深182 m處開始出現(xiàn)白云石，標(biāo)志著白云巖化作用只發(fā)生在此前(時間1.8 Ma BP)的地層中。鉆井礦物中方解石與白云石含量具有明顯的互為消長關(guān)系。為了確保白云巖層的真實性，避免一“點”(一個樣品)代“面”(巖層界面)的不確定性，同時考慮巖“層”要有一定的厚度等因素，本文將鉆井巖心中白云石礦物含量超過90%并且具有一定厚度(大于10 m)的巖層定為白云巖層。在西科1井巖心中共識別出7個白云巖層：上新世發(fā)育1層，早中新世發(fā)育3層，中中新世發(fā)育2層，晚中新世發(fā)育1層。白云巖層的厚度不一(最厚212.7 m，最薄17.4 m)，而且白云巖層的厚度與出現(xiàn)頻率均與井深無關(guān)。說明埋深和壓實成巖作用跟白云巖化作用并無關(guān)系，或者說埋深壓實所導(dǎo)致的成巖作用并不是導(dǎo)致礁體碳酸鹽白云巖化的主要因素。

4.2 常量化學(xué)組分特征

組成巖心碳酸鹽巖的造巖氧化物以CaO和MgO為主，二者含量之和普遍超過50%；其次是SiO2、Na2O、K2O、Al2O3和P2O5，在巖心中的平均含量基本都小于1%。其他組分如Fe2O3、TiO2和MnO含量甚微。若將生物礁碳酸鹽巖的CaO和MgO分別換算成CaCO3和MgCO3，則二者之和超過90%，加之其他碳酸鹽組分(如FeCO3和MnCO3等)，碳酸鹽組分總量則可達(dá)95%以上，說明西科1井巖心碳酸鹽巖基本是由碳酸鹽礦物組成，未受陸源碎屑物質(zhì)混染。在鉆井巖心底部1 216.00～1 258.40 m層段，以SiO2、Al2O3、TiO2和Fe2O3為代表的陸源組分含量顯著上升，尤其在井深1 216.8 m和1 219 m處，CaO含量僅為2.07%和0.62%，而SiO2、Al2O3、TiO2和Fe2O3含量較高，與泥(頁)巖的常量組分較為接近[33]。巖心現(xiàn)場觀察表明，該層段主要以滑塌角礫巖為主，其中夾有灰綠色泥巖、泥質(zhì)細(xì)砂巖以及生物礁灰(云)巖。

圖3 西科1井礦物學(xué)特征Fig.3 The mineralogy characteristics of Well Xike-1

圖4 西科1井部分常量元素含量隨深度變化Fig.4 The changes of constant elements of Well Xike-1

如圖4所示，MgO和CaO互為消長，分別對應(yīng)于白云石和方解石的富集層。在巖心頂部0～36 m層段MgO的高含量是高鎂方解石存在的反映，而非白云石化作用的結(jié)果。MgO組分含量的高低在一定程度上反映了白云巖化作用的強弱。

對常量組分所做的相關(guān)分析(表1)表明，若取相關(guān)系數(shù)大于0.7，可以將常量組分分為3類：(1)原生碳酸鹽組分(CaO和K2O)；(2)澙湖環(huán)境富集組分(Na2O、P2O5和MgO)；(3)陸源或火山組分(SiO2、Al2O3、TiO2、Fe2O3、MnO)。3類組分在巖心中的分布如圖4所示。根據(jù)古生物和沉積相分析[27，32]，西科1井巖心中潟湖相沉積主要存在于井深210～750 m層段，對應(yīng)時代為中中新世晚期-上新世(11.6～1.9 Ma BP)。在巖心中，潟湖環(huán)境沉積組分同樣在210～750 m層段明顯富集，該層段地層中包含有5層厚度不一的白云巖層。在該層段之下還有兩個白云巖層，其中最深部的第7層白云巖厚達(dá)212.7 m，為巖心中厚度最大的一層白云巖層。在潟湖環(huán)境主要發(fā)育層段(圖4)之上的地層中，沒有再出現(xiàn)白云巖層。上述事實說明，白云巖層的出現(xiàn)或白云巖化作用的發(fā)生應(yīng)該與潟湖環(huán)境有關(guān)。

表1 常量組分相關(guān)性矩陣

將西科1井白云巖層的常量組分分析結(jié)果列于表2中。通常情況下，F(xiàn)e和Mn在陸相碳酸鹽中含量較高，如巴西S?o Francisco盆地前寒武系白云巖中Fe的含量平均值為4 822×10-6，Mn的含量平均值為343×10-6[34]。但是，由于海水中Fe和Mn的含量極低，在海水環(huán)境下形成碳酸鹽或海水流體作用下形成的白云巖中Fe和Mn的含量則會很低。西科1井白云巖層中Fe和Mn的含量都明顯較低，其中Fe的含量均值為730×10-6，Mn的含量均值僅有51×10-6，由這一事實推測導(dǎo)致西科1井白云巖化作用的流體可能與海水有關(guān)。

表2 西科1井白云巖層中常量組分含量

續(xù)表2

注：“-”代表低于樣品檢測線，未檢測出；白云巖層括號數(shù)字中代表該層分析樣品個數(shù)。

4.3 白云巖層中的微量元素

西科1井7個白云巖層中微量元素含量分析結(jié)果列于表3中?？梢钥闯?，就單個白云巖層而言，無論是微量元素含量的變化范圍，還是平均值都與相應(yīng)白云巖層的埋深無關(guān)，說明埋深和與之伴生的成巖作用對白云巖層中微量元素含量沒有明顯的影響，進一步說明與埋深壓實相關(guān)的成巖作用不是白云巖化作用的主要控制因素。如圖5所示，7個白云巖層NASC標(biāo)準(zhǔn)化的[35]微量元素的分布模式基本一致，除了Cr和Sr兩個元素外，其他元素含量基本都低于中國東部灰?guī)r和白云巖[36]中的含量，表明西沙島礁白云巖與中國東部陸相白云巖在成因(成巖流體)上有所不同。西科1井白云巖層中Sr的含量有兩個特征，一是變化范圍大(44×10-6～446×10-6)，二是平均含量(208.55×10-6)低于中國東部灰?guī)r而高于中國東部白云巖。由于Sr在白云石中的分配系數(shù)很小，因而白云石中Sr的含量通常很低，如果白云石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于95%，其Sr含量很難大于200×10-6[37]。西科1井白云巖層中Sr的含量變化大應(yīng)該是白云巖化作用強弱(或白云石含量)不同所致，平均值超過200×10-6(高于中國東部陸相白云巖)，則說明白云巖化作用中可能有富含Sr的主要源于海水的流體的作用。

表3 西科1井白云巖7層白云巖微量元素含量

續(xù)表3

注：白云巖層括號中數(shù)字代表該層分析樣品個數(shù)。

圖5 NASC標(biāo)準(zhǔn)化的西科1井白云巖層微量元素Fig.5 The NASC standard curve of trace elements in dolomite tiers of Well Xike-1

4.4 稀土元素特征

對西科1井白云巖層的REE分析結(jié)果(表4)進行澳大利亞后太古頁巖[38]標(biāo)準(zhǔn)化，由其REE分布模式(圖6)可見，7層白云巖的REE含量差別不大，其分布模式相似，再次說明REE特征與白云巖層的厚度和埋深無關(guān)，它們應(yīng)是相同環(huán)境或相同條件下地質(zhì)作用的產(chǎn)物。就REE分布模式而言，7層白云巖的REE分布模式都表現(xiàn)出明顯的Ce和Eu的負(fù)異常(圖6)，形態(tài)上與海水的REE模式相似，而與熱液的REE分布模式相差較大，特別是不具有熱液通常也有的Eu的正異常。稀土元素(REE)可以取代白云石中的Ca2+或Mg2+而進入白云石晶格中，在氧化環(huán)境下Ce和Eu則可以呈三價離子而存在于流體中，從而造成白云石礦物中Ce和Eu的相對虧損。白云巖層的稀土元素特征一方面說明白云巖化流體應(yīng)是類似于海水的海源流體，另一方面亦說明白云巖的成巖環(huán)境為氧化環(huán)境。

表4 西科1井各白云巖層稀土元素含量平均值

注：白云巖層括號中的數(shù)字代表該層分析樣品個數(shù)。

圖6 西科1井白云巖層稀土元素PAAS標(biāo)準(zhǔn)化曲線(海水和熱液數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[39-40])Fig.6 The PAAS standard curve of rare earth elements in dolomite tiers of Well Xike-1(the data of seawater and hydrothermal fluid are quoted from the reference [39-40])

5 主要科學(xué)問題的討論

5.1 白云巖層分布與古氣候事件或海平面變化

西沙群島礁體白云巖化作用具有區(qū)域性，并不局限與個別島嶼，與西沙群島特殊的地理條件與古海洋環(huán)境變化密切相關(guān)。據(jù)修淳等(2016，見另文)的研究，“西科1井”7層白云巖在形成時間上均與自中新世以來的古氣候變冷事件相對應(yīng)，有證據(jù)表明白云巖化作用發(fā)生于氣候變冷事件背景下。因此，海平面的變化在西沙島礁的白云巖層發(fā)育過程中可能起到重要作用。從全球來看，新近系白云巖不僅在南海北部的西沙群島發(fā)育，在全球也廣泛分布，所以新近紀(jì)白云石化作用是一個全球性的事件，而不是一個地區(qū)的孤立事件[20]。事實上，西沙群島海域生物礁中新世和上新世的白云巖在區(qū)域上具有很好的可對比性。已有研究表明，這兩期白云化事件與海平面的大幅下降有關(guān)，例如，趙強[16]認(rèn)為西琛1井兩套白云巖頂部的不整合面分別對應(yīng)于北極冰川形成事件和米辛尼亞事件。根據(jù)“西科1井”7套白云巖層的地層年代與南海ODP1148鉆氧同位素曲線[41]對比(修淳等2016)發(fā)現(xiàn)，上新統(tǒng)白云巖層(圖3中層“1”，形成于3.2 Ma BP)、中中新統(tǒng)-上中新統(tǒng)白白云巖(圖3中層“2～4”，形成于約5.3～11.6 Ma BP)、中中統(tǒng)白云巖(圖3中“5～6”層，形成于約13 Ma BP)和下中新統(tǒng)-中中新統(tǒng)白云巖(圖3中層“7”，形成于約16～21 Ma BP)分別對應(yīng)于上新世北極冰蓋的形成(3.2 Ma BP)、晚中新世的Messinian事件(7.2 Ma BP)、中中新世的南極冰蓋擴大事件(13.6 Ma BP)和早中新世一系列變冷事件(16.0 Ma BP)?？梢钥闯?，“西科1井”巖心中的白云巖層都與古氣候的變冷事件相對應(yīng)，發(fā)育在海平面的下降旋回。據(jù)此可以推斷古氣候變冷導(dǎo)致的海平面下降事件與西沙島礁的白云巖層發(fā)育之間可能有著重要的聯(lián)系。

5.2 白云巖層C、O同位素特征

白云巖的碳氧同位素組成主要取決于白云巖化流體的碳氧同位素組成，并且受到介質(zhì)鹽度和溫度的影響，鹽度越高，δ值越高。咸化介質(zhì)中形成的白云石具有較高的δ18O和δ13C值，混合水成因的白云石則具有較低的δ18O和δ13C值[42]。δ18O和δ13C值二者結(jié)合起來可用于指示流體的古鹽度大小(Z值)，即Z=2.048(δ13C+50)+0.498(δ18O+50)[43]，正常海水的Z值為120左右。與西科1井處于同一礁體的西琛1井白云巖碳氧同位素組成列于表5中，表中同時列出了不同成因白云巖的碳氧同位素的δ值及計算得到的Z值?？梢钥闯?，西沙石島島礁白云巖中碳氧同位素的組成與準(zhǔn)同生超濃縮鹵水白云巖的碳氧同位素組成接近，計算得到的反映古流體鹽度的Z值最為相近(均大于120)。在淡水或混合水模式中形成的白云巖因大氣淡水的作用而導(dǎo)致具有較輕的C和O的同位素組成，其相應(yīng)δ值主要為負(fù)值，相應(yīng)的Z值較小。上述特征同樣說明西沙石島島礁中的白云巖形成于相對海水鹽度更高的鹵水流體作用下，推測西沙島礁白云巖化模式不可能為咸淡水混合模式。

表5 白云巖層碳氧同位素特征

5.3 西沙島礁白云巖化作用模式

對西科1井巖心的詳細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，在各層白云巖層附近未出現(xiàn)蒸發(fā)巖夾層，而且白云巖也不具有鳥眼和干裂紋等特殊構(gòu)造，因此可以排除蒸發(fā)作用強烈而持續(xù)環(huán)境下的薩布哈白云巖化模式。礦物與地球化學(xué)特征排除了埋深壓實成巖作用下白云巖化模式、淡水或咸淡水混合作用下的白云巖化模式和熱液作用下的白云巖化模式。西沙島礁發(fā)育在古老的變質(zhì)片麻巖基底之上，在該地區(qū)至今未發(fā)現(xiàn)有中新世以來巖漿活動的證據(jù)，缺乏地?zé)釋α靼自茙r化作用模式的證據(jù)。一系列的元素(包括同位素)地球化學(xué)特征表明白云巖形成于潟湖環(huán)境和高鹽度鹵水參與的條件下。張道軍等通過精細(xì)的古地磁學(xué)、同位素地層及巖心層序地層分析，在西科1井0～740 m巖心內(nèi)識別出7個暴露面、3個淹沒面[29]，說明礁體的生長是一個淹沒與暴露的交替過程。綜合以上特征，結(jié)合白云巖形成和氣候變冷事件在時間上的高度一致性，并考慮到島礁碳酸巖多空隙，有利于比重較大的高鹽度鹵水的滲透回流等因素，提出西沙島礁白云巖的成因模式如下：

圖7 白云巖層成因模式示意圖Fig.7 The schematic diagram of genetic model of the dolomitization

(1)在海平面穩(wěn)定上升直至短期穩(wěn)定時期，西沙海域生物礁穩(wěn)定生長。由于西沙海域地處熱帶又遠(yuǎn)離大陸，其氣候和水質(zhì)條件有利于生物礁的發(fā)育和生長，礁盤逐漸擴大，碳酸鹽巖臺地向外擴張。生物礁一般生長于低潮線以下至水深幾十米范圍以內(nèi)，而礁平臺則以海面相對穩(wěn)定時期低潮面為其發(fā)育的上限[50]。因此，西沙生物礁處于海平面以下一定范圍內(nèi)，逐漸形成生物灰?guī)r地層(圖7a)。

(3)由于生物礁體具有多孔隙的特點，比重較大的高鹽度潟湖海水(鹵水)沿礁體空隙下滲和側(cè)向流動，并與早期形成生物灰?guī)r層(以方解石為主)發(fā)生如下反應(yīng)：

2CaCO3+Mg2+=CaMg(CO3)2+Ca2+.

(1)

其結(jié)果是CaCO3(方解石)晶格中的Ca2+逐漸被Mg2+取代，形成白云巖層。自新近紀(jì)以來，全球海平面發(fā)生了多次升降變化，導(dǎo)致西沙群島地區(qū)的生物礁體經(jīng)歷了反復(fù)的淹沒與暴露過程，從而形成了多個白云巖層(圖7c)。

需要說明的是，本文針對西沙島礁白云巖成因所提出的礁灘潟湖環(huán)境下高鹽鹵水滲透回流作用的白云巖化模式主要是基于西沙島礁特殊的地理環(huán)境(區(qū)域遠(yuǎn)離大陸、以海洋環(huán)境為主、蒸發(fā)量大于降水量等)和白云巖層的礦物學(xué)、地球化學(xué)與地層學(xué)特征(白云巖層純凈，其中白云石礦物含量大多都高于90%、富集潟湖環(huán)境沉積物中富集的元素組分、白云巖層的地層時代對應(yīng)于古氣候變冷事件等)所提出的，不完全同理于傳統(tǒng)的蒸發(fā)滲濾回流模式。誠然，任何一個(理論)模式的提出，都需要眾多現(xiàn)實實例的驗證、補充和發(fā)展，才能得以完善。在本文的白云化模式中，Ca離子的排除難以用石膏的沉淀加以解釋，因為在巖層中的確沒有發(fā)現(xiàn)有石膏層，這應(yīng)是以后需要進一步研究的問題之一。

6 主要結(jié)論

(1)在西沙島礁中所存在的7層白云巖是在潟湖環(huán)境下，高鹽度鹵水交代早期形成的以方解石為主的碳酸鹽礦物的產(chǎn)物。

(2)西科1井巖心中的白云巖層都與古氣候的變冷事件相對應(yīng)，發(fā)育在海平面的下降旋回。古氣候變化在島礁形成發(fā)育中起到主導(dǎo)作用，與古氣候變化相關(guān)的海平面升降間接地控制了島礁碳酸鹽巖的白云巖化作用。

(3)白云巖化作用模式可概括為：在海平面穩(wěn)定上升直至短期穩(wěn)定時期，西沙海域生物礁穩(wěn)定生長，礁盤逐漸擴大；在全球氣候變冷、海平面動蕩下降時期，生物礁出露海面形成島礁，并逐漸形成礁灘潟湖；由于西沙海域蒸發(fā)量大于降水量，潟湖內(nèi)的海水鹽度逐漸增大，從而形成高鹽度富Mg鹵水；由于生物礁體具有多孔隙的特點，使得比重較大的高鹽度潟湖海水(鹵水)沿礁體空隙下滲和側(cè)向流動，并與早期形成的生物灰?guī)r層(以方解石為主)發(fā)生反應(yīng)，其結(jié)果是CaCO3(方解石)晶格中的Ca2+逐漸被Mg2+取代，形成白云巖層。

致謝：中海石油(中國)有限公司湛江分公司提供了鉆井樣品，王振峰總地質(zhì)師、孫志鵬經(jīng)理給予了大力支持和有效指導(dǎo)，在此表示衷心的感謝。中國海洋大學(xué)姜龍杰、張俠等同學(xué)參與了部分樣品處理工作，在此一并致謝。

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The characteristics and genetic model of the dolomitization in Xisha Reef Islands

Cao Jiaqi1，2， Zhang Daojun3， Zhai Shikui1，2， Luo Wei3， Xiu Chun1，2， Liu Xinyu1，2， Zhang Aibin1，2， Bi Dongjie1，2

(1.CollegeofMarineGeosciences，OceanUniversityofChina，Qingdao266100，China;2.KeyLabofSubmarineGeosciencesandProspectingTechniques，MinistryofEducation，Qingdao266100，China;3.ZhanjiangBranchofChinaNationalOffshoreOilCorporation(CNOOC)Ltd.，Zhanjiang524057，China)

The dolomitization of carbonate rocks is a controversial scientific problem. During the 2012-2013， the Zhanjiang branch of CNOOC drilled the Well Xike-1. The core of well is 1 268.02 m long and 0-1 257.52 m carbonate rocks interval has 7 dolomite tiers. This paper discusses the dolomitization of reefs in the Xisha Islands based on mineral composition， major elements， trace and rare earth elements of sample of well Xike 1. It turned out that the cause of formation of 7 dolomite tiers is not relevant to buried depth and compaction diagenesis and the distribution of dolomite tiers has a close relationship with sea level falling. According to characteristics of element geochemistry of dolomite tiers， the dolomite diagenetic fluid is concentrated high salinity seawater. The paper proposes the hypersaline brine seepage backflow dolomitization pattern in reefs lagoon environment. With the rise and fall of sea level， the reefs are in the loop of submersion and exposure. The descending of sea leval leads to the formation of the lagoon. Because the evaporation capacity is more than precipitation in the Xisha sea area， the salinity of seawater in lagoon is increased and Mg-rich brine is formed. With the infiltration of the Mg-rich brine in mushy reefs， the Mg replaces the Ca formed in CaCO3in early stage and the dolomite is formed. The cycles of submersion and exposure of reef cause several dolomite tiers formed. The sea level fluctuation controls the development of reefs carbonatite and dolomitization. The changes of paleoclimate leading to the sea level fluctuation play an important role in the formation and development process of reef islands．

reefs in Shidao Island in Xisha; rock core of Well Xike-1; dolomite tiers; mineralogy; geochemistry; dolomitization

2016-01-22；

2016-07-13。

國家科技重大專項課題(2011ZX05025-002-03)；中海石油(中國)有限公司專項課題(CCL2013ZJFNO729)。

曹佳琪(1990—)，男，山東省濱州市人，主要從事海洋地質(zhì)學(xué)研究。E-mail：caojiaqi314@163.com

翟世奎(1958—)，男，山東省聊城市人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事海洋地質(zhì)學(xué)研究。E-mail:zhaishk@public.qd.sd.cn

P736.2

A

0253-4193(2016)11-0125-15

曹佳琪，張道軍，翟世奎，等. 西沙島礁白云巖化特征與成因模式分析[J]. 海洋學(xué)報， 2016， 38(11): 125-139， doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.11.012

Cao Jiaqi， Zhang Daojun， Zhai Shikui， et al. The characteristics and genetic model of the dolomitization in Xisha Reef Islands[J]. Haiyang Xuebao， 2016， 38(11): 125-139， doi: 10.3969/j.issn.0253-4193.2016.11.012