白云岩的成因

2675测井解释

作为地球科学一个重要组成部分的地质学是一门古老而又年轻的科学。可以认为,我国在数千年前就已经出现超越时代的先进地质思想,比如”沧海桑田”对海陆变迁的表述(老子,约前550前)”高岸为谷,深谷为陵”对大地升降的推断(《诗经》,约前800年),在地质学的思想认识领域无不闪烁着我国先哲们朴素唯物主义思想的光辉。同样,古希腊哲学家亚里斯多德(Aristotle,前384—322年)也曾提出过缓慢的海陆变迁、人生短暂的思想;欧洲文艺复兴时期,意大利著名学者、艺术家达•芬奇(DaVinci)在观察运河工程地层中的化石后得出海陆变迁的结论,并首先提出用现实主义解释、分析地质现象和资料的方法。
这些思想虽非完整的地学思想或系统的地学认识论,但可以认为它是人类早期对于地球上各种地质现象以及地球发展历史的一种直觉的、经验的哲学认识,和近、现代的地学思想相比,自然是有粗和细,浅和深以及文和野之分的。这里就近、现代地质矿物学白云岩(石)研究中所涉及到认识论的某些问题做一些粗浅的探讨。

众所周知,沉积碳酸盐岩有两大主要岩类:石灰岩和白云岩。前者的组成矿物主要是方解石,后者则是白云石。如果从白云石正式列名文献(Dolomite)的1792年算起,已经有200多年了。而在这期间,报道、研究白云岩(石)的文章真是汗牛充栋,地质学家,尤其是沉积地质学家几乎都把它当作一个刺激而又炙热的难题,希冀在此有所突破。然而就在不久以前,一位著名的沉积岩石学家J•麦肯齐(1.A.Mckenzie)仍以”白云岩问题一尚未止息的论战”为题著文,可见白云岩(石)问题的复杂性和高难度。为什么是这样呢?我们或许可从这论争的以下几个方面略见端倪。

(一)白云岩(石)的”原生沉淀说”和”次生交代说”

早在1779年,也就是白云岩(石)正式命名和引用之前12年,著名意大利地质学家阿蒂诺(G.Arduino)就发现了一种富镁质石灰岩,他称之为”Marmor”,并认为,”Marmor”(即白云岩)是石灰岩同富含在热水溶液中的Mg起反应转变的。后来,奥地利人多罗米欧(D.-Dolomieu)于1791年在奥地利蒂罗尔(Tyrol)地区也发现了这种富镁石灰岩,不约而同地把白云岩称之为”含(富)镁石灰岩”,并无不一致地提出它是交代石灰岩的产物。可见,白云岩的”交代成因论”自其被发现之始就已经奠定了。

但问题远远不是如此简单。地质纪录中的白云岩是广泛分布在海相地层中,尤其是在距今十几亿年前的前寒武系地层中的碳酸盐岩,绝大多数是巨厚的块状白云岩,那如此大量的镁质又从何而来?会不会存在从海水中直接沉淀的白云岩(石),即原生的白云岩(石)呢?而如果地质历史中确实存在从海水中直接沉淀的白云岩(石),那么为什么在现代海洋中我们却从未发现有大量白云石从海水中直接沉淀?而且,在实验室中至今未能在近于地表的常温、常压条件下制成白云石。这些问题长期以来未能最终找到公认的满意答案,因此白云岩(石)的原生抑或次生的成因机理至今还是个未解之谜。

(二)白云岩(石)生成的控制因素有哪些?

最早从物理、化学方面考虑白云岩(石)生成问题的是海丁格(W•Haidinger,1872),他经过实际观察后提出白云岩是”寄生”于石灰岩的,白云岩(石)是灰质碳酸盐被镁质碳酸盐交代而形成一个原子代换另一个原子样式的新化合物。他发现,在自然界白云岩和石膏经常伴生,因而提出是热泉水或海水中的污盐(MgSO4•7H2O)溶液浸蚀石灰岩,溶液中的Mg2+代换了石灰岩中的Ca2+,形成了白云岩;而析出的Ca2+则进人硫酸钙溶体,形成石膏。这被认为是一种白云石化的作用过程(Dolomitization)。海丁格坚信,白云石化是可以在正常地表温度下进行的反应,他甚至还设计了合成白云岩的实验室方案,但并没能将其实现。显然,如果海丁格的说法是正确的,那就有可能在实验室内人工制成白云石。

白云石的实验室研究自牟洛特(V.Morlot,1847)。他最先在实验室制成白云石。但牟洛特是在温度高达250C、压力达15个大气压的热液条件下制成白云石的,这似乎很难和今天地表的海水和大气条件相比拟。事实上,自海丁格之后的百多年来人们进行过无数次的实验研究,至今仍未能在近于现今的地表温压条件下,制成过我们在地质纪录中所见到的那种白云石。

19世纪中期,甚或可能直到20世纪80年代初,关于白云石形成的一个最普遍的看法是白云石是在Mg/Ca比值相当高(5~10)的高盐度条件下生成的,这就是盛行一时的”盐水说”。而在70年代中期,福克和兰德(Folk,R.L和Land,L.S,1975)运用晶体生长理论,提出了”淡水说”。他们认为,在淡水条件下,离子浓度低,杂质干扰少,晶体生长速度慢,白云石的生长,只要Mg/Ca比率近于1:1就行了。”淡水说”是对白云石生成机制研究的突破和推进,具有重要的理论和实践的意义。如果说”盐水说”主要是直观的推演,那么”淡水说”就有更多理性的色彩,而使实例的释说达到了新的高度和水平。如此看来,控制白云石生成的主要因素是:盐度、Mg/Ca比率和晶体生长速度。

然而也不尽然,近年在深海钻探中发现白云岩产出在缺氧的半深海含硅软泥中,这启示我们,在白云石生成过程中(SO4)可能起着抑制作用。因此,硫酸盐还原细菌则可能成为克服白云石生成时的动力学方面的一个重要因素。现代潮上带白云石常同叠层藻共生,古代的、尤其是早古生代和前寒武系白云岩同蓝绿藻叠层石共生,这里,蓝绿藻是否起着某种微生物化学效应呢?叠层藻最繁盛时期是前寒式纪和早古生代,之后,中生代起已经基本绝迹,这和白云岩的古多个少的分布情况是否有着生物方面的因素相联系呢?可见,在白云岩(石)的形成条件和生成机理方面还有许许多多不确切的了解,也有不少疑难问题需要解决。

(三)白云岩(石)的生成环境和成因模式

原生白云岩(石)的实例是澳大利亚南部库泻湖和美国加州深泉湖。但实际上澳南库隆泻湖中沉淀的碳酸盐矿物主要是高镁方解石和有序度很低的富钙白云石。其堆积速度0.2~0.5mm/年,速度甚快!而且同古代岩层中的大多为有序的、化学计量的白云石很不相同。美国深泉盐湖的白云石的X光衍射测定结果使人们怀疑它很可能不是直接从水体中沉淀的,而是交代成因的。值得注意的是,库隆泻湖和深泉盐湖都被认为是原生沉淀白云石的典型现代实例,尚有如此重大疑点!也就是说,目前很少发现适宜的现代环境、产物以供对比,也难寻确定的判别标准,因而被一些研究者提出质疑(Hardie1987)。近年来,白云岩产出的现代环境发现不少,有:滨海萨勃哈(Sabkha,盐坪)、泥坪、盐湖、碳酸盐台地、大陆湖泊和干盐湖,以及深海缺氧环境,还发现有同低温热液体系伴生的白云石,等等。现代产出类型不少,但和古代,特别是前寒武系大规模巨厚的块状白云岩相比拟,其规模和空间就成了一大矛盾。也就是说,众多模式的生成机理分析可能在局部言之成理,有的还有各种实验佐证,但几乎都无法同古代的分布如此之广、厚度如此之大的块状白云岩统一起来。

由上述情况看来,白云岩(石)研究、争议达200余年,其主要方面似乎是集中在寻找类似于古代白云岩的现代对比物(Analosues)上了,而这样对比的结果,似乎产物Products)在其性征方面的某些差异又带来了新的困惑。这是为什么呢?难道是立论出了问题么?

郝屯(J.Hutton)于18世纪末提出的”均变论”(Uniformitarianism)、随后经过莱伊尔(C.Lyell)的肯定而成为百多年来地质学的思想理论基础。”均变论”的中心思想是”现实主义原理”,即所谓”将今论古”(ThePresentistheKeytothePast)。赖尔曾这样阐述他们的均变思想:地球表面是在继续不变地发生着缓慢改变——渐变作用。正是这样的渐变作用才是地球表面面貌发生变化的动力。同时他还认为,任何地质时期的地质作用总是相同的、重复的,因此也是可以比拟的。赖尔的地质进化论思想无疑是对18世纪盛行一时的居维叶(G•CuViet,1769—1832)的”激变论”一个有力的对抗和批判。因此被恩格斯赞誉为”第一次把理性带进地质学中”。(《自然辨证法》,人民出版社1971年版,第13页)

现实主义原理在地质学发展中所起的积极进步的作用是应该完全肯定的,但是它简单、机械地重复变化的地球观却也常常使地质学家个在纷杂的地质现象面前陷入困境。比如,如何解释古生物大规模绝灭现象,达尔文归因于”地质纪录的不完整性”,这是不能自圆其说的。赖尔否认突变,认为自然界没有飞跃,在今天看来显然也是错误的。白云岩难题长时期未能解决,固然是一原因,而思想路线方面的问题可能在于我们过份地坚信”均变论”。正如70年代中期有人指出,全新世(1.5万年前至今)以来碳酸盐沉积物的沉积相、矿物组分和早期成岩特征只能反映近期的海水平面变化。因此,它只能用于解释更新世(250~1.5万年前)的碳酸盐岩的生成。塔克(A.Tucker,1985,1990)曾经指出:(l)由于更新世冰川的作用以及近百万年来海洋水平面的变化,目前大多数地区碳酸盐的沉积不过是4,000~5,000年前开始的,因此残余地貌对于碳酸盐沉积有很强的控制作用,而在低纬度的深水地区,则有大量残余的碳酸盐沉积物存在。因此,沉积物和所处环境未能达到稳定的平衡状态。(2)同地质历史的状况相比,现今海水平面相对较低,因此目前地球表面没有可堆积碳酸盐的广布于低纬度地区的陆表海(EPeiriseas);而在地质历史中,克拉通(Craton,稳定地块)常常是被没膝深的陆表海水所淹没的。(3)除了某些泻湖灰泥和鲕粒外,现代碳酸盐沉积物几乎完全是生物成因的—构成石灰岩骨屑的生物类型在整个显生宙因其本身变化(种的演化及绝灭)而有极大不同,因而生物在碳酸盐沉积中所起的作用也因时间不同而有所差异。

塔克从地球表面环境的演化、地质事件、沉积作用和沉积物质来源等方面,和”均变论”唱了反调,目标集中准确地瞄准其理论基础的薄弱环节。随后,基温和威肯逊(Given和Wilkinson,1987)则毫不含糊地说,对于沉积学的许多方面而言,将今不能论古(The Present is not be key to the past for many aspects of sedimentology)。迈尔(Miall,1983)对这一问题谈得比较公允。他认为:”将今论古”这一原理在某些限定意义上是对的。毫无疑问,对现代沉积环境的研究当然可以成为沉积相研究的最重要基础,但也一定会有许许多多的问题随之而来,困惑着我们的工作,因此,我们还应该认识到,”古可喻今”(The past is a very important key to the present)。这也是一定不可缺少的.迈尔的思想无疑是认识上的一个重大飞跃,因为百多年来”均变论”中的机械唯物论等方面的深远影响在相当大的程度上束缚了人们的思想,以一个固定不变的程式观察世界、研究世界,从而闭塞思路,障碍着开拓性的研究。前述的白云岩(石)的研究情况只不过是众多事例中的一例而已。观察现今以追溯和解释过去,是建筑在”均变论”基础上的主要思考路线。即”现在正在进行的,正是过去以同样方式进行过了的,这种”单向”的思考,显然是不全面的,也难以解释大自然界数以亿万年计的万千变化。总之,”将今论古”和”古可喻今”的双向思考无疑是认识上的突破和前进。如前述之陆表海的的有无意味着环境的变迁和演进,甚至是巨变,而矿物性征和组合的不同归因于产物的生成机制的可能差异。因此迈尔还曾明确提出,对古代岩石的研究主要还需从古代岩石本身人手。这是颇有道理的。

让我们再回到白云岩(石)问题上来。

早在本世纪初,图伊尔(V,Tuyl,1961)根据戴利(Daly,1909)的工作,就曾注意到”白云岩在每一地质时代的地层中都可产出,在现代海洋中也正在形成;只不过在早古生代白云岩产出最多,而随着时间推移则愈来愈少了”。怎样解释这种现象呢?戴利认为是生物腐烂所致;斯台德曼(Steidtmann,1911)认为古海洋中Mg2+离子浓度大于现代海洋;图伊尔则认为应当考虑时间因素,时间久长足以把厚层石灰岩转变成为白云岩。可以看出,20世纪初的沉积地质学家们在白云岩(石)问题上已经把眼界扩大了:一是在形成因素方面,已经注意到了生物这一重要方面,或者说已经把沉积—成岩过程从无机范畴推延到有机界;再是提出了Mg2+离子浓度的古今差异问题,已经着眼于全球海水性质的差别或变化,从海水性质、大气环境等方面对”均变论”设疑;三是时间因素明确被提出。这是涉及到整个地质学领域的一个重大认识问题,因为所有地质过程几乎都是发生在久远以前,除某些灾变事件外,一般演化、推进的时间也较长,是先进的科技手段难以模拟的。

图伊尔之后40年,对白云岩(石)的认识费伯里支(Fairbridge,1957)曾总结了两点,代表了本世纪50年代的认识水平:

(1)白云石是亚稳矿物文石和高镁方解石次生变化生成的;

(2)海水中的Mg2+是云化溶液的理想来源。

尤其是人们已经得知,现代海洋具备白云石的饱合条件,但其中既无块状白云石产出,也不见云化现象,而古代巨厚的块状白云岩是否可能在另一种不同于现代物理化学条件或其它动力学因素的环境中生成的呢?从而就更加明确地提出了全球环境可能有较大变化的问题。关于前寒武纪海水的化学性质问题,麦索纽韦(Matsonnevve,1982)认为,前寒武纪海水同现在海水不同,其直接原因是当时存在缺氧的CO2大气圈。有的学者认为,前寒武纪海水的Ca2+和Mg2+浓度很高,以后在晚前寒武纪和早古生代,Ca2+被大量提取(如生物提取作为造架或骨质组分,生成石膏、硬石膏等硫酸盐矿物),使海水中的Mg/Ca值增高,而大气图的高CO2分压又增加了海水的碱度,故当时有利于白云石的直接沉淀(Chilinger,1982)。塔克(Tucker,1982)研究了美国加州东部中上元古界贝克泉组白云岩之后认为,前寒武纪有从海水中直接沉淀的白云岩。尽管塔克的论点遭到一些权威学者的责难和质疑(Zeuser等,1982),但他的文章还是引起了广泛的注意的反响。因为,他的论点无疑对于传统的交代说是个有力的挑战,而且意味着他从岩石学角度再一次向”均变论”发起了抨击,表明白云石可能存在从原生向次生转变的形成机制,是隐生亩和显生宙之间海洋环境变化的反映。可以看到,80年代以来,人们认识、探索的范围已经由单纯的矿物学生成机制问题逐步地推延到到其生成背景的全球大环境方面了。

显生宙以来的地质历史距今不过6亿年左右,约40亿年的所谓隐生宙,对我们还是一个很大的未知数,而对隐生宙末期的中晚元古代广布的白云岩,我们也还知之甚少.一时盛行的显生宙以来白云岩随时代变新而递减的产出趋势,在隐生宙是什么样子的呢?目前更是不得而知。基温和成肯逊(1987),对这一”分布规律”重新作出了评价。他们对显生宙以来白云岩石含量的原始资料,包括戴利的工作进行了重新分析和计算,并重新列表,得出了惊人的不同结果——不存在白云石含量和时间的明显的线性增减关系.他们的工作表明:在早奥陶纪—中志留纪和早白垩纪期间,即570百万年之后,白云岩的含量变化有两个较大的峰值,即早奥陶纪一中志留纪和早白垩纪。很明显,整个显生宙碳酸盐岩序列中的白云岩相对含量确有显著变化,但并非是随时间的线性变化,而其最大含量是近似在某个地质时期,大体上是在大陆洪泛期和最大海平面处于高位时期(早古生代和晚中生代);或者说,沉积有亚稳碳酸盐矿物的温暖的陆表海环境可以提供最为理想的大面积生成白云岩的地域。

这一看法似可成理,然而早在70年代初就有人对于全球性Mg2+循环提出疑问;现代碳酸盐所移走的少量的Mg2+并不能使全球海水保持一种稳态平衡(Carrels和Mackenzie,1971),而为了保持一种稳态的海水化学成分,Mg2+的输人必须同其输出保持平衡。有人通过对蒸发块体的”非均态”产出的研究得出这样的解释:在很少沉积或没有沉积时期,海水的盐度有一缓慢的增加;而在大量蒸发盐沉积时期随着盐分从海水中移出而使其中盐度急剧降低;随后可能因为新沉积的蒸发盐块体的化学风化,盐分注入海洋,又使之有一盐度急剧增加。也就是说,块状蒸发盐形成时间意味着碳酸盐类是Mg质的主要的巨大交换库(sink)。缺少白云岩大量沉积的时期必然是全球海水中Mg2+浓度增加,或者是有另外的Mg2+外送机理变得更为活跃(Mackenzie,1991)。这一分析不仅给出了一种新的动态平衡的模式,而且在如何利用分析数据进行归纳、思考等方面似乎也不无启迪!霍兰德(H.Holland,1984)的测定分析如果是正确的话,自然无可非议,但他测定的是一种缓慢的稳态平衡状况下的结果,很难或根本不可能表现出时间短促的动态过程。而后者是人们往往可以感受到、而在地质纪录中颇难保存或造成某种不连续的”灾变”过程,如风暴、洪江、滑塌、冲蚀,等等。这种直接体验和间接推论的矛盾在地学领域俯拾皆是,难以一时速决。但由白云岩(石)的矿物岩石学问题推及到Mg2+的来源问题,进而推及Mg2+的输人和带出的海水平衡问题,这大约是研究逻辑的自然发展,也是百多年来探索而最终进行多种因素考虑后,认识上取得的进步。然而Mg2+的驱动机制是什么呢?

穆托和霍兰德(Mottl和Holland,1975)记述了冰岛雷克雅内斯海岭附近海水—玄武岩随温度相互作用的情况:温度70—500C时,海水中的Mg2+移人玄武岩;温度0—20C时,玄武岩的Mg2+移回海水中。他们认为,中生代以来海底温度随海底扩张速度增加而升高,因此在扩张的大洋中脊地带海水被加热,使海水—玄武岩的相互蚀变作用强度增大,加速Mg2+移人洋壳玄武岩的过程,海水中的Mg2+则加大了消耗,就减少了白云岩的Mg2+供应。这一论点试图用板块构造运动的观点解释中生代以后白云岩减少的原因,应当说是有创见的。近年来在大洋中脊(MOR)发现一种重要的Mg2+的储集库,热浪环流的海水在高温条件下同大洋中脊的玄武岩发生反应,形成新矿物,而来自海底热泉中环流的海水基本上不含可测知的Mg2+(Edmond等,1979)。这种高温热液流表明,通过大洋中脊的海水环流是现代海洋中移走Mg2+的主要机制(Palmer和Edmond,1989)。如果此说是正确的话,那么就可以推断,在MOR加速扩张时期,随着环流的增加,Mg2+则可以更有效地从海水中带出;而Mg2+进人MOR聚集库的流量增加就自然减少它进人碳酸盐中的数量,也就是减少了可用于生成白云石的数量。此外MOR扩张减速时则海洋中Mg2+的浓度有所增加,从而可有较多的Mg2+用于白云石化。对于全球Mg2+循环中的源(sources)和库(sinks)的问题目前还未充分理解。人们只能推测,构造运动十分关键地控制着Mg源和Mg库,因而也控制了过去和现今的海水化学性质,间接地还有白云石化作用。

白云岩(石)问题论战200年,其中颇有可引起我们注意和思考之处。这似乎从某种意义上表现出地质科学的一些特点——近现代地质学可能是在众说纷纭的论辩中产生和成长的。一个观念、思想、概念、学说、理论以及模式,其生长点是纷杂的地质现象,而经过感性的观察、认识、经验,更多的分门别类的研究和理性的思考而渐趋成熟,而被公认,以至称雄一时;但几乎就在同时,往往有所谓”异端”学说从不同角度对其质疑、争辩,与之并立、抗衡。就在这样的态势下,思考的范围广了,深了,周密了,从而推动进一步考察和再认识,把研究、思考放在更高、更深的层次上,对原有的看法或理论进行补充、更正、反论、重塑或重建,构成一个更为合乎其时、顺乎其理的新认识。

白云岩(石)的研究状况可能给我们以如下启示:

1.地球是一个整体,而地质学研究的起点往往是从局部的经验出发,建立起一种经验或半经验模式。但个别或部分的认识模式不可能用以全面地、确切地解释全球性的现象和过程。因此,我们对于地球的认识及所建立的各种认识模式就对地球本身的认识来说,是十分不够的,如果把地球作为宇宙天体的一员,则我们的认识之彼岸还相当遥远。因而,建立全球大一统的观念,以及宇宙天体的观念,进行全面深人的研究是十分必要的。

2.地球表面的演化一般是处于均变的平衡态,但是其间的灾变和非平衡态的地球历史发展中的地位也不容忽视。

3.我们对地球演化的认识和了解还很不够,只就地球表面的地质现象而言,其纷繁复杂的程度也促使我们必须从全方位、多角度地进行探查和研究。而在分门别类地进行多种手段的研究后,综合的探讨方有可能升迁到更高层次。

4.研究探索地球的奥秘,思想方法的主导方面是”将今论古”和”古可喻今”。而数学、物理学、化学、生物学、天文学、气象学、海洋学、水文学等学科的发展和进步以及先进的测试手段,必然成为地质学认识的可靠基础和推动力量。

5.在浩繁的地质数据和纷杂的地质现象面前,当前的地质学显然需要辩证唯物主义的哲学指导,从而作出更全面、更深刻、更正确的哲学思考。