中国东部鄂尔多斯盆地奥陶纪马家沟组（第5段）厚层白云岩的白云石化作用机制

《Journal of Asian Earth Sciences》：Dolomitization mechanism for thick bedded dolostones of the Ordovician Majiagou Formation (Member 5) in the eastern Ordos Basin, China

厚层白云岩的矿物学、沉积学及地球化学特征显示其由海平面高频振荡控制的同沉积蒸发浓缩模型形成，白云石化过程伴随方解石和石膏沉淀，Mg/Ca比值升高，最终形成低能局限克拉通环境中的白云岩薄层循环叠加。

　　
本文聚焦中国鄂尔多斯盆地奥陶纪 Majiagou Formation 成员5的厚层白云岩形成机制，通过矿物学、沉积学及地球化学多维度分析，揭示了高频率海平面振荡对白云岩沉积与成岩的协同控制作用。研究以鄂尔多斯盆地东部厚层白云岩为目标，发现其具有独特的三段式相序特征：隐晶质白云岩中发育圆形石膏假象，微晶质白云岩呈现非平面晶体边界及板状石膏假象，细晶质白云岩则不含石膏假象且晶体边界规则。这种垂直分异与海平面周期性变化及白云石化学计量比变异显著相关，证实了海平面快速振荡对白云石化过程的控制。

研究指出，厚层白云岩的发育环境具有显著的非近岸特征。尽管白云岩中缺乏常见的浅海沉积标志（如包粒、藻类碎屑），但通过微观结构观察（如石膏假象的形态和分布）结合锕铀比值（Th/U）和稀土元素配分模式，可推断该区属于低能局限构造环境。这种环境为高镁流体与碳酸盐沉积物的相互作用提供了理想条件。

核心创新点在于提出了"同步沉积模型"（syndepositional model），该模型整合了蒸发浓缩作用与海平面振荡效应。具体而言，在温暖浅海的温室型海洋环境中，蒸发作用导致钙质沉积物浓缩，镁钙比值（Mg/Ca）升高触发白云石化。形成的致密盐水层通过垂向渗透置换未固结的钙质前缘，形成具有明确层序的三类白云岩相带。这一过程与全球奥陶纪频繁的海平面波动相吻合，特别是中奥陶世Majiagou Formation记录的多次进退循环，为模型验证提供了关键地质证据。

研究对比了传统成岩假说，指出其局限性：① "渗流回流模型"虽能解释镁源供给，但难以支持米级旋回性沉积；② "混合带模型"缺乏对局限海环境白云石化动力学的直接证据；③ "热液成岩说"无法合理解释低能环境中的快速成岩过程。通过分析白云石晶体结构（如非平面边界与平面边界的差异）与流体包裹体特征，证实了成岩作用与沉积过程的高度耦合性。

地球化学分析显示，白云岩化学计量比（Mg/Ca比值）存在系统性变化，与海平面上升期（高Mg/Ca）和下降期（低Mg/Ca）形成对应关系。这种动态调整表明镁离子浓度受控于海水盐度与蒸发强度的综合作用。同时，稀土元素显示特征性的"钟形"配分模式，与局限海环境中陆源输入减少、重矿物分选增强的现象一致，为确定沉积环境提供了关键依据。

该研究对盆地尺度白云岩形成机制具有重要启示：在克拉通盆地背景下，高频率海平面振荡（周期约1-2百万年）通过控制蒸发浓缩速率和流体动力学条件，能够高效形成米级至亚米级白云岩层序。这一发现突破了传统观点认为厚层白云岩需要长期稳定流体系统的局限认知，为古海洋环境重建提供了新思路。

研究方法上，结合了X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和激光诱导击穿光谱（LIBS）等技术，实现了矿物相、晶体结构、元素分异等多尺度分析。特别值得注意的是，通过显微CT扫描重建了白云岩孔隙连通性特征，发现垂向渗透通道的发育程度与白云石化阶段存在对应关系，这为理解流体运移机制提供了直接证据。

在对比前人研究时，本文发现现有理论难以解释以下关键现象：① 同一岩层中同时发育隐晶-微晶-细晶三级结构；② 石膏假象与白云石化阶段存在严格时序关系；③ 地球化学数据揭示的流体来源具有多源性特征。通过建立"沉积-成岩"动态耦合模型，成功整合了这些看似矛盾的现象，揭示了白云石化过程的多阶段演化特征。

该成果对能源勘探具有重要指导意义。鄂尔多斯盆地作为我国重要含气盆地，其奥陶系白云岩储层发育具有独特性。研究揭示的成岩作用与沉积过程的协同机制，为碳酸盐岩储层预测提供了新思路：厚层白云岩的形成不仅需要特定的成岩流体条件，更依赖于沉积体系对海平面变化的响应速度与幅度。这种时空耦合关系在储层发育中具有关键控制作用。

未来研究可进一步拓展至其他克拉通盆地，验证该模型的普适性。同时，结合同位素示踪技术（如氧同位素与锶同位素）追踪白云石化流体的来源与运移路径，将有助于建立更完整的成岩动力学模型。此外，研究提出的多周期叠加机制，对理解复杂层序中白云岩体叠合形成模式具有重要参考价值。