谯文浪，肖加飞，陈 武，李艳桃，刘凌云，马义波

(1.贵州省地质调查院，贵州 贵阳 550005； 2.中国科学院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室，贵州 贵阳 550002)

贵州施秉云台山白云岩地球化学特征及成因探讨

谯文浪1，肖加飞2，陈 武1，李艳桃2，刘凌云1，马义波1

(1.贵州省地质调查院，贵州 贵阳 550005； 2.中国科学院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室，贵州 贵阳 550002)

贵州省施秉县云台山景区喀斯特地貌主要由寒武纪白云岩组成，其白云石含量多在90%以上，无论是基底中的白云石，还是内碎屑中的白云石均呈自形-半自形晶体。白云岩中CaO的平均含量为30.4%，MgO的平均含量为21.7%，与白云岩的理想含量相当。白云岩Sr的平均含量为72.4×10-6，Sr/Ba比值大于1，反映其为海相沉积。白云岩的稀土总量低，仅为12.54×10-6，Eu具较弱负异常，Ce基本无异常，稀土配分模式为轻稀土富集的右倾型。白云岩的形成环境总体表现为局限台地上的泻湖潮下环境，水体较浅，水流不畅，水动力弱-中等。成岩环境以弱还原-还原条件为主，干燥炎热是其古气候条件的特点。在干燥炎热的气候条件下，先期形成的碳酸钙沉积物，经强烈蒸发而形成泻湖卤水，通过向海方向的渗滤回流被交代而形成白云岩，属准同生期-早成岩阶段近地表的交代白云岩。

白云岩；地球化学；成因；施秉云台山

引言

贵州施秉云台山景区以其独特的白云岩喀斯特景观、优美的白云岩层状山岳地貌而闻名，构成了全球热带-亚热带最为典型的喀斯特范例，已获准列入世界自然遗产地名录。其位于贵州省东部的施秉县舞阳河流域的中上游地段，总面积约107km2，平均海拔约530m，属云贵高原向湘西丘陵过渡的斜坡地带。山脉走向与构造线一致，多呈北东、北北东走向(图1)。

云台山景区大地构造位置属扬子陆块[1]，寒武纪地层区划属扬子地层区和江南地层区过渡区的江口-都匀小区[2]，地层特征具典型的扬子区色彩。发育了一套以寒武系第三统高台组、石冷水组为主的白云岩地层，具产状平缓、厚度大和出露完好的特点(图1)。组成景区地貌基础的白云岩蕴含着丰富的岩石学和地球化学信息，已引起地学工作者的广泛关注。张乾柱等[3]分析了景区岩石地球化学特征对喀斯特峡谷形态与分布的影响；李世奇等[4]阐述了景区喀斯特地貌特征及其演化；李高聪等[5]阐述了景区喀斯特地貌的世界自然遗产价值；谯文浪等[6]论述了景区白云岩类型、碳氧同位素组成及沉积环境。本文在阐述白云岩岩石学特征、元素地球化学特征及形成环境状态的基础上，探讨了白云岩的成因。

1 岩石学特征

云台山白云岩主要由晶粒(结晶)白云岩及颗粒白云岩两大类组成，其岩石学特征明显、内容丰富。

图1 施秉县云台山景区地质略图

Fig.1 Simplified geological map of the Yuntai Mountain area， Shibing， Guizhou

1.1 晶粒白云岩

晶粒呈泥-微-粉-细晶级别产出，主要为泥-微晶，粉-细晶少见。白云石晶体结构发育良好，晶粒呈自形-半自形。接触关系以线接触或镶嵌接触为主；白云石占量高，达90%～98%。泥质通常小于1%。岩石可据晶粒的大小不同，分别名为泥晶白云岩、泥-微晶白云岩、微晶-粉晶白云岩、不等晶白云岩等多种类型。

1.2 颗粒白云岩

按颗粒含量的多少，分为两类，即颗粒结晶白云岩和结晶颗粒白云岩。

1.2.1 颗粒结晶白云岩

颗粒为藻砂屑，占量30%左右，呈次圆状、圆状及浑圆状，磨圆度较好，但分选性较差。藻砂屑由呈自形-半自形的泥晶级晶体组成。白云岩基底构成岩石的主要成分，约占65%，以泥晶级为主，微晶级次之，呈自形-半自形的粒状晶体。因此，岩石可名为藻砂屑泥-微晶白云岩。

1.2.2 结晶颗粒白云岩

根据颗粒的差异、填隙物结晶程度不同，又可分为两个亚类，即粉-细晶藻砂屑白云岩和泥晶藻鲕藻砂屑白云岩。

(1)粉-细晶藻砂屑白云岩的颗粒全为藻砂屑，占75%左右，呈次圆状、圆状及浑圆状，磨圆度较好，分选性中等，砂屑颗粒由自形-半自形的微-细晶白云石组成。填隙物为粉-细晶白云石组成，占20%左右，呈自形-半自形的粒状晶体。

(2)亮-泥晶藻鲕藻砂屑白云岩中的藻砂屑占50%左右，分布不均匀，呈次圆状、圆状及浑圆状，磨圆度和分选性均较好，砂屑颗粒由自形-半自形的泥晶白云石组成。藻鲕占35%左右，分布不均，呈次圆状-圆状，圆度和分选性较好。鲕粒主要为薄皮鲕、偏心鲕、正常鲕，见少量复鲕。鲕心由泥晶白云石组成，圈层由明、暗层相间构成，明层为粉-细晶白云石，暗层为蓝绿藻及其分泌物粘结的泥晶白云石。填隙物为晶粒白云石，以泥晶白云石为主，亮晶白云石次之，白云石呈自形-半自形。

云台山白云岩的共同特点是白云石含量高，都在90%以上，而泥质含量甚微，多小于1%。无论是基底的白云石，还是内碎屑中的白云石，均呈自形-半自形晶粒。

2 地球化学特征

白云岩主量元素采用X射线荧光光谱法(XRF)测试，微量、稀土元素采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测试，测试在中国科学院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室完成。

2.1 主量、微量元素特征

兹将白云岩的部分主、微量元素及相关比值列于表1。

表1 云台山景区白云岩部分常量元素(%)和微量元素(×10-6)及元素比值

Table 1 Major (%) and trace (×10-6) element contents and ratios for the dolostones from the Yuntai Mountain area， Shibing， Guizhou

样号岩性MgOCaOSiO2Al2O3FeSrBaMg/CaSr/BaYT⁃1白云岩21 7830 622 560 640 3650 9014 800 603 44YT⁃2白云岩27 1430 533 681 090 2461 3017 100 753 58YT⁃3白云岩21 5431 821 810 240 2295 103 640 5726 13YT⁃4白云岩22 3831 373 090 80 2012762 300 602 04YT⁃5白云岩25 0930 751 450 470 0939 802 430 6916 38HC⁃2白云岩24 5530 741 930 630 2755 3011 700 674 73HC⁃3白云岩20 9829 294 671 030 3360 5036 000 601 68HC⁃4白云岩20 2831 862 930 560 2089 4030 100 542 97平均值22 9730 872 770 680 2472 4122 260 633 25SM⁃1灰岩49 694 591 070 3653612600 43

注：SM-1为下寒武统清虚洞组灰岩，为比较而列出

白云石的理想分子式为CaMg(CO3)2，其中，CaO含量为30.41%，MgO含量为21.86%。云台山白云岩中CaO含量为29.29%～31.86%，平均值为30.87%；MgO含量为20.28%～27.15%，平均值为22.97%。可见白云岩的CaO含量与MgO含量均与理想含量相当，并且每件样品含量均较接近。白云岩中Fe含量较低，为0.09%～0.36%，平均0.24%，低于清虚洞组灰岩的Fe含量(0.36%)和世界碳酸盐岩的Fe含量(0.38%)。白云岩中尚含少量的SiO2和Al2O3。

有关研究表明，控制白云岩结晶作用的主要因素为溶液的Mg/Ca比值、盐度和结晶速度。Mg/Ca比值越高，说明白云石化流体盐度越高。云台山白云岩中Mg/Ca比值范围为0.54～0.75，平均值为0.63。

Sr是碳酸盐岩中重要的微量元素之一，并把它作为碳酸盐沉积和成岩作用过程中的重要元素。从浅水到深水环境，Sr含量逐渐增加，在局限台地相中含量为105.3×10-6[7]。埋藏型白云岩的Sr含量较低，一般在100×10-6以下[8-9]。云台山白云岩的Sr含量较低，且变化范围较大，为(39.8～127)×10-6，平均72.4×10-6。Sr的低含量反映了可能有Sr的流失，说明埋藏作用对Sr含量有影响。碳酸盐岩具有从浅水台地到深水台盆Sr含量和1000Sr/Ca比值呈增加趋势[10]。云台山白云岩也具有这样的特点，与清虚洞组深水灰岩相比，白云岩Sr含量低了7倍多。

Ba在白云岩中的含量一般较低，这是因为Ba的离子半径较大，一般较难进入白云石的晶格中，只有在较高温度条件下才有可能进入。Ba也具有从浅水到深水环境含量增加的趋势[7]。云台山地区的碳酸盐岩同样反映了这样的变化特征，白云岩的Ba含量为(3.64～62.3)×10-6，平均值22.26×10-6，而清虚洞组深水灰岩Ba含量高达1260×10-6。

Sr/Ba比值可以反映介质的盐度，Sr/Ba>1为海水，Sr/Ba<1为淡水。云台山白云岩Sr/Ba比值为1.68～26.13，平均值为3.25，这与何宏研究塔里木巴楚地区局限台地相白云岩的Sr/Ba比值(3.6)接近[11]。

2.2 稀土元素特征

兹将云台山白云岩的稀土元素含量及有关参数列于表2。白云岩的∑REE含量低，仅为(3.8～19.47)×10-6，平均12.54×10-6，处于海水来源的白云岩含量(一般小于20×10-6)范围内[12]。轻稀土(LREE)含量为(3.4～17.25)×10-6，平均11.21×10-6；重稀土(HREE)含量为(0.42～2.22)×10-6，平均1.33×10-6；LREE/HREE比值为7.39～9.36，平均8.4；(La/Sm)N为3.47～6.03，平均4.42；(Tb/Yb)N为1.12～1.97，平均1.49。总体显示轻稀土富集、重稀土亏损特点。δCe为0.76～1.12，平均0.97，为弱的负异常至微弱正异常；δEu为0.6～0.77，平均0.71，为较弱负异常。经球粒陨石标准化后的稀土配分模式为右倾型(图2)，轻稀土段较陡，重稀土段平坦，表现为轻稀土富集，Eu显负异常。为了便于对比，选取了一件清虚洞组灰岩样品，其稀土总量为12.54，轻稀土含量为11.18，重稀土含量为1.3，LREE/HREE比值为8.61，(La/Sm)N为4.59，(Tb/Yb)N为1.53，δCe为0.95，δEu为0.58。这件灰岩样品的稀土数据与白云岩稀土数据平均值非常相似。

表2 云台山白云岩的稀土元素含量(×10-6)及参数Table 2 REE contents (×10-6) and relevant parameters for the dolostones from the Yuntai Mountain area， Shibing， Guizhou

图2 云台山景区白云岩稀土配分模式

Fig.2 Chondrite-normalized REE distribution patterns for the dolostones from the Yuntai Mountain area， Shibing， Guizhou

3 形成环境

云台山白云岩成分、结构、构造方面的特点总的表现为以白云石为主要矿物，晶体呈自形-半自形；结构上主要为泥-微晶结构；沉积构造上，岩层多呈薄层状，以水平层理和水平条带层理为主，偶见平行层理，所见波痕均为小型波痕。

上述特征表明当时的环境条件是水体较浅、水流不畅、咸化程度高、水动力为弱-中等。总体上应为局限台地上的泻湖环境。

地球化学方法已广泛应用于沉积岩的研究中，某些特征元素比值及参数(表3)能够较好地反映环境条件。

3.1 古盐度

Sr/Ba比值可以判断古盐度，大于1为海相沉积，小于1为淡水沉积。区内白云岩的Sr/Ba比值(表1)皆大于1，说明为海相沉积。

区内白云岩的盐度指标(Z值)均大于120[6]，也反映出海相沉积的特点。

根据盐度计算的经验公式(S=δ18O+21.2/0.61)[13]，计算出区内白云岩的古盐度为27.36‰～30.65‰，平均29.64‰(表3)。

表3 云台山景区白云岩特征元素比值及参数Table 3 Ratios and parameters of the diagnostic elements in the dolostones from the Yuntai Mountain area， Shibing， Guizhou

注：T(℃)表示古温度；S(‰)表示古盐度

3.2 氧化还原状态

3.2.1 U/Th比值

当U/Th比值>1.25时为氧化环境，小于0.75为还原环境，其间为贫氧环境[14]。区内白云岩U/Th比值为0.39～3.17，平均0.87(表3)，既有反映氧化的也有显示还原的，总体上为弱还原环境。

3.2.2 Ni/Co比值

当Ni/Co比值>7时为氧化环境，<5时为还原环境，二者之间为贫氧环境[14]。区内白云岩Ni/Co比值为0.46～1.34，平均0.94(表3)，反映为还原环境。

3.2.3 V/(V+Ni)比值

当V/(V+Ni)比值<0.6时表示古海洋水体呈弱分层的贫氧环境，>0.84时为静海相还原环境[15]。区内白云岩V/(V+Ni)比值变化在0.41～0.59之间，平均0.47，均小于0.6(表3)，表示为贫氧环境。

3.2.4 Cu/Zn比值

当Cu/Zn比值<0.21时为还原环境，>0.63时为氧化环境[16]。区内白云岩Cu/Zn比值为0.06～0.41，平均0.15(表3)，为弱还原-还原环境。

3.2.5 δU值

δU=2U/(U+Th/3)，当δU值>1时指示缺氧环境，<1时为正常海相环境。区内白云岩δU值均>1(表3)，反映为缺氧环境。

稀土元素在自然界中主要以+3价状态出现[17]，其中，Eu和Ce是变价元素，对氧化还原条件的变化比较敏感而出现异常。因此，其异常情况能够反映成岩环境的氧化还原状态。在低温碱性环境中，Eu3+被还原成易溶的Eu2+而被迁移、贫化，出现Eu的负异常(δEu<1)[18-21]。区内白云岩的δEu的平均值为0.71，呈较弱负异常，说明白云岩形成于偏碱性的还原环境。δCe=log[3CeN/(2LaN+NdN)，以北美页岩为标准，若δCe>-0.1为Ce的富集，指示缺氧、还原的古水体环境；<-0.1时为Ce的亏损或负异常，指示氧化的古水体环境[22]。区内白云岩的δCe值仅一件样品<-0.1，其余均>-0.1，且平均值为-0.04(表3)，显示还原环境。

上述特征元素比值及参数表明云台山白云岩的形成环境具弱还原-还原状态。

3.3 古气候

3.3.1 Sr/Cu比值

通常Sr/Cu比值介于1～10之间指示温湿气候，而大于10则指示干热气候[23]。区内白云岩的Sr/Cu比值在15～50之间，平均值约25(表3)，表明当时为干热气候条件。

根据经验公式T=13.85-4.54δ18O+0.04(δ18O)2，通过白云岩δ18O算出的古温度为33.14～49.64℃，平均38.14℃(表3)。

3.3.2 古气候的岩石构造标志

云台山白云岩具有方形的膏盐溶蚀孔洞及膏盐流失造成的垮塌构造，反映当时的气候条件为干燥炎热。

由此可见，云台山白云岩形成时总的为温度较高的干燥炎热气候条件，海水的蒸发量大。

综上所述，云台山白云岩形成时的环境状态总体表现为局限台地上的泻湖环境；水体较浅，水流不畅，盐度较高，水动力弱-中等；氧化还原状态以弱还原-还原条件为主；古气候条件为温度较高的干热环境。

4 白云岩的成因

长期以来白云岩的成因一直是地学界研究的难点，同时也是研究的热点。许多学者通过世界各地现代和古代白云岩的大量研究对比，提出了多种成因观点和成因模式。成因模式主要有“蒸发泵白云石化模式”、“渗滤回流白云石化模式”及“混合水白云石化模式”等。

云台山白云岩在岩石学、地球化学及形成环境方面，有其自身的特点和内涵，这是探寻其成因的基础与依据。云台山白云岩的主要矿物为白云石，无论是内碎屑中的白云石，还是基底(填隙物)白云石，多为泥-微晶级的自形-半自形晶体，显示了准同生白云岩的特点[24]。

图3 MgO-CaO交会图

Fig.3 MgO-CaO diagram for the dolostones from the Yuntai Mountain area， Shibing， Guizhou

图4 MgO-Mg/Ca交会图

Fig.4 MgO-Mg/Ca diagram for the dolostones from the Yuntai Mountain area， Shibing， Guizhou

据有关白云岩的研究[25-27]，若白云岩的MgO与CaO呈线性正相关，为沉积成因；而若白云岩的MgO与CaO呈线性负相关，且MgO与Mg/Ca比值呈正相关，则说明为交代成因或重结晶成因。在MgO-CaO交会图解中(图3)，云台山白云岩的分析数据总体显示负相关；在MgO-Mg/Ca交会图解中(图4)，总体显示正相关，这反映云台山白云岩为交代成因，而非沉积成因。

云台山白云岩的Sr含量平均值为72×10-6，与一些埋藏型白云岩的Sr含量相近，说明白云岩形成可能与埋藏成岩作用有关。

云台山白云岩的稀土配分模式与正常海相灰岩的稀土配分模式相似，表明白云岩可能继承了碳酸钙沉积物的稀土组成，由碳酸钙沉积物转变而来。

云台山白云岩所反映的形成环境状况是干旱炎热的气候、盐度较高的介质流体、弱还原-还原的相对封闭环境，这些为白云岩的形成造就了良好的条件。

云台山白云岩在沉积作用期间，不具有潮间或潮上环境标志，其特点反映的是潮下环境，沉积基面位于波基面附近。

云台山白云岩以细晶粒白云岩为主，另具少量的颗粒白云岩。前者是由碳酸钙沉积物转变而来；后者中的内碎屑是先期的碳酸钙沉积物，在弱固结的情况下，由于潮汐和波浪等作用，在盆内被打碎而再沉积的碎屑。鲕粒是在较动荡的环境中，藻纹层与粘结纹层交互组成。颗粒形成后，粒间随即被碳酸钙沉积物所充填或胶结，后在白云石化作用下成岩。

就贵州全境而言，寒武系第三统在铜仁-玉屏-凯里-独山一带有起障壁作用的台地边缘高能带存在[28]，云台山景区即位于高能带北西侧的局限台地内部。在此古地理背景下，台地内部形成的碳酸钙沉积物之上的泻湖水体，由于干燥炎热气候条件下强烈的蒸发作用，海水浓缩，盐度增大，使得含钙盐先从海水中沉淀出来。这就导致了泻湖水体中Ca2+含量不断减少，而Mg2+含量增加，形成了超咸卤水。这样的富Mg2+重盐水沿湖底向海方向朝下渗滤回流，通过碳酸钙沉积物的渗透带，其Mg2+置换沉积物中的Ca2+，使之发生白云石化。因此，云台山白云岩可以认为是准同生-成岩早期近地表的渗滤回流交代白云石化成因。

5 结论

(1)云台山白云岩主要由晶粒白云岩和少量颗粒白云岩组成，主要矿物白云石含量都在90%以上，泥质含量甚微。无论基底中的白云石，还是内碎屑中的白云石均呈自形-半自形晶体。

(2)云台山白云岩的主要化学组分CaO的平均含量为30.4%，MgO的平均含量为21.7%，与白云岩的理想含量相当，每件样品的含量均较接近，说明白云石化程度高。白云岩中Sr的平均含量为72.4×10-6，Sr/Ba比值大于1，表明为海相沉积。白云岩的稀土总量低，平均值仅为12.54×10-6。δCe平均值为0.97，基本无异常。δEu平均值为0.71，表现较弱负异常，经球粒陨石标准化的稀土配分模式为轻稀土富集的右倾型，与海水来源的白云岩稀土模式相似。

(3)云台山白云岩的形成环境总体表现为局限台地上的泻湖潮下环境，水体较浅，水流不畅，水动力弱-中等。环境的氧化还原状态以弱还原-还原条件为主。古气候表现为干旱炎热的气候条件。

(4)云台山白云岩的成因机理为，先期形成的碳酸钙沉积物，在干旱炎热的气候条件下，经强烈蒸发的泻湖海水的浓缩形成超咸卤水，通过向海方向的渗滤回流被交代而形成白云岩，属准同生-早期成岩阶段近地表的交代白云岩成因。

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Geochemistry and origin of the dolostones from the Yuntai Mountain area， Shibing， Guizhou

QIAO Wen-lang1， XIAO Jia-fei2， CHEN Wu1， LI Yan-tao2， LIU Ling-yun1， MA Yi-bo1

(1.GuizhouInstituteofGeologicalSurvey，Guiyang550005，Guizhou，China; 2.StateKeyLaboratoryofDepositGeochemistry，InstituteofGeochemistry，Guiyang550002，Guizhou，China)

The karast landforms in the Yuntai Mountain area， Shibing， Guizhou are dominantly made up of the Cambrian dolostones in which the dolomite contents come up to 90%， and display euhedral-subhedral crystals. The dolostones in this area have the contents of 30.4% for CaO， 21.7% for MgO and 72.4×10-6for the average of Sr contents with the Sr/Ba ratios of more than 1， and are characterized by low ΣREE (12.54×10-6)， slightly negative Eu anomaly， and right-leaning LREE-enriched distribution patterns. It is inferred that the dolostones were originated from the lagoon-subtidal environments within the restricted platforms with shallower water depths and weakly to moderate hydrodynamic environments， and xerothermic palaeoclimatic conditions. Influenced by the xerothermic climates， the pre-existing calcium carbonates were highly evaporated to give rise to the lagoon brines， and the seaward infiltration and seepage reflux of the brines finally resulted in the formation of the dolomites. It follows that the dolostones in the study area should be assigned to the near-surface replacement dolostones generated during the penecontemporaneous-early diagenetic stages.

dolostone; geochemistry; genesis; Yuntai Mountain area in Shibing

1009-3850(2015)03-0094-08

2014-07-08； 改回日期： 2014-08-09

谯文浪(1980-)，男，高级工程师，长期从事区域地质调查工作。E-mail：qiaowenlang@163.com

通讯简介： 肖加飞，E-mail：xiaojiafei5@163.com

贵州省科技计划项目(黔合SY字(2012)161)；矿床地球化学国家重点实验室项目群项目(SKLODG-ZY125-08)；西南岩溶区重要地层剖面调查项目(121201140700001)

P588.24+5

A