摘要
许多显生宙白云岩提供了高温白云石化的证据。埋藏的石灰岩已被流经地壳的热液流体所蚀变。这些反应已在实验室中得到重现，且相对已被充分了解。这一情况与未显示高温白云石化迹象、但看似在海底沉淀或被搬运形成沉积层的白云岩形成对比。这些白云石被认为是在低温（10–30°C，通常被描述为温暖）条件下形成的，但这一观点缺乏实验室实验的支持。这些实验已证明，动力学能垒（kinetic energy barrier）阻碍了白云石的形成。存在能够克服该能垒的催化剂，尤其是硫酸盐还原微生物（sulphate-reducing microbes）的活动。概念上的困难在于，这些催化剂不足以生成厚层白云岩，且大多与特定微环境（niche environments）相关，尚未被证明能解释大规模的前寒武纪和显生宙矿床。这一解释空白被称为“白云石问题”（dolomite problem）。
本研究的目的是检验一个有可能解决白云石问题的假说的有效性。研究聚焦于前寒武纪白云石，部分原因是没有骨骼碳酸盐（skeletal carbonates）对白云石层的贡献，部分原因是太古宙和元古宙的野外证据有力地指向沉淀作用。该假说认为，大多数白云石沉淀发生在热液流体喷出与海水相互作用之时，这意味着前寒武纪海水的温度远高于当今的海洋环境。
本文利用白烟囱（white smokers）作为现代类比讨论了支持高温海水和沉淀作用的证据，并以苏格兰赫布里底群岛加韦拉赫群岛（Garvellachs）发现的前寒武纪白云石的案例研究加以说明。热液-沉积白云石的假说最早于1974年提出，近年来已被用于解释与构造活动相关的湖相特征。将该假说应用于所有沉淀白云石的案例，可得出一个整合了海洋环境中沉积白云石的存在与地壳内白云石化过程的替代性视角。
1. 引言
“白云石问题”（dolomite problem）是指认识到当今没有大范围相对纯净的白云石层正在形成，但此类地层在地质记录中曾大量且广泛存在。与此同时，实验室实验证据表明，白云石不会从海水中沉淀，即使在热带温度下也是如此。白云石地质学历史记录了无数次试图阐明白云石看似无法解释的成因的努力，但均未成功。前人已探索了多种情景，其中许多声称解决了该问题。
然而，教科书承认反复尝试解释的失败。Melezhik (2013)评论道：“沉积白云石的成因是一个复杂而长期悬而未决的问题，已困扰地球科学家一个多世纪。”James和Jones (2015)告诉读者“‘白云石问题’是地质学中最古老的难题之一。”
寻求解决方案的研究者也表达了同样的观点。一些近期陈述指出该问题仍待解决：“沉积白云石的成因是一个长期未解之谜，仍有待解答。” (Liu et al., 2019, p. 83)；“这些重要的地质问题已吸引地球科学家的兴趣超过一个世纪，但答案仍然难以捉摸。” (Pina et al., 2022, p. 1468)；“这一现象，也称为‘白云石问题’，是地球科学中一个有趣但长期存在的谜团。” (Shang, 2023, p. 1)；“著名的‘白云石问题’很大程度上源于在地球表面或近表面的温度和压力条件下难以合成白云石。” (Hofmann和Sherry, 2025, p. 2)。
问题的一部分在于现在并不总是过去的钥匙。今天的海洋水体会沉淀文石（aragonite）甚至高镁方解石（high magnesium calcite），但不会沉淀白云石或菱镁矿。然而，存在生物或化学催化剂的例子，能够使含镁流体的涌入导致石灰岩的低温成岩蚀变。这些现代类比代表了特定微环境。Warren (2000) 对现代沉积模式进行了详细分析，包括萨布哈模型（sabkha model）、混合模型（mixing model）和细菌介导模型（bacterial mediation model）。然而，当代白云石形成并不能解释过去。
因此，诉诸当代白云石形成似乎无助于理解为什么白云石在过去更为广泛分布——尤其是在前寒武纪。
大量实验室实验已经进行，但未能确定在环境温度下从海水形成白云石的途径 (Graf和Goldsmith, 1956; Land, 1998; Gregg et al., 2015)。然而，当水过热时，反应容易进行 (Medlin, 1959; Katz和Matthews, 1977; Sibley et al., 1987; Sibley, 1990; Rodriguez-Blanco et al., 2015)。因此，当成岩作用涉及热液流体时（如第2节所讨论），“白云石问题”不会出现。然而，挑战出现在白云石地层广泛、显示出直接沉淀证据且缺乏成岩蚀变迹象的情况下。
本文旨在回顾白云石形成相关问题；提出解决“白云石问题”的假说；并通过案例研究加以说明和论证。涉及的关键问题包括：通过热热液流体的既定白云石化途径；现代类比证据表明这些并非许多白云岩形成的主要机制；确认白云石沉淀动力学势垒的实验室研究；以及前寒武纪白云石的独特特征。
这些问题构成了本文提出假说的基础：广泛的白云质沉积物是从富含热液流体输入的热或过热海水中沉淀出来的。案例研究基于苏格兰一个通常与寒冷（冰川）水相关的古元古代地点：加韦拉赫群岛。所呈现的数据和解释来自已发表的关于这些岩石的研究以及个人野外工作。最后，对地质科学中的范式和多假设工作方法进行了简要评论。
2. 热液白云石化
白云石不会从低温水中沉淀，因为Mg–OH键太强。然而，研究表明白云石在高于200°C的温度下容易形成（见第1节参考文献，特别是Rodriguez-Blanco et al., 2015）。因此，含镁的热液流体被广泛认为是白云石化的关键机制。由于Mg
2+离子小于Ca
2+离子，它们在白云石化过程中的替代增加了原始石灰岩的孔隙度。这种增强的孔隙度使白云岩成为有利的油气储集岩。世界各地许多油气田，尤其是北美，产自白云岩储集岩。这些储层的经济重要性导致了大量文献的产生。Davies和Smith (2006) 提供了全面的综述，主要关注白云石化作为古生代和中生代的现象。
几种流体流动和成岩模型试图捕捉白云质岩石储层的多样性 (Davies和Smith, 2006)。所有情景都涉及石灰岩前体，热液流体沿张性或横向断层产生的通道流动。野外证据揭示了流体进入石灰岩并实现成岩蚀变的方式。存在称为鞍形白云石（saddle dolomite）的特征性晶体。鞍形白云石具有弯曲的晶面，表明高水平的位错和快速沉淀。这些晶体已通过流体包裹体检验，Davies和Smith (2006) 提供了23个地点的条形图，显示均一化温度范围为80°C至235°C。最低温度揭示了白云石化发生的有效截止点。
加拿大南落基山脉提供了重要白云岩层的获取途径，由McCormick et al. (2023) 描述。重要发现之一是白云石化前缘的野外证据并不代表白云石化的最终阶段，而是代表早期阶段。进行了高分辨率采样，以确定影响白云石化温度的因素。结果表明，白云石化前缘的温度低于靠近断层通道的白云质体。
“保存的温度梯度不是白云石化过程中流体温度降低的证据，而是记录了逐渐更热的流体的重结晶作用。” (Koeshidayatullah et al., 2020a, p. 10)
流体包裹体研究的进一步发现是，流体不仅是热海水，而且是盐度为现代海水2至9倍的卤水。盐类为MgCl
2、CaCl
2和NaCl，关于生成蒸发岩后残余卤水源的可能途径已有广泛讨论。要形成白云石，必须有足够的Mg
2+离子，但一些地点缺乏作为这些离子来源的蒸发岩矿床。因此，地壳内更深处的选项已被考虑，尽管是推测性的。
“因此，尽管流体地球化学的某些方面与海水白云石化一致，但非常高的流体温度和盐度可能表明与另一种热液流体的混合。非常高的温度、正Eu异常、富集的金属浓度以及与石英的同生关系可能表明，热卤水至少部分来源于超镁铁质岩石，可能是下伏元古宙蛇纹岩与富CO
2流体相互作用的结果。” (Koeshidayatullah et al., 2020b, p. 2945)
3. 现实主义与现代白云石化
发现白云石可以在当代特定微环境中形成，被认为足够新颖，以至于报道出现在《自然》杂志上 (Wells, 1962; Curtis et al., 1963)。在波斯湾的碱性萨布哈环境中发现了白云石以及文石和石膏/硬石膏。Curtis et al. (1963) 指出地下水温度约为35°C，并报告了使用X射线衍射对沉积物进行的检验。这表明白云石的特征反射不存在，沉淀物质更适合描述为原白云石（protodolomite）。萨布哈环境随后被确定为微生物活动（主要是硫酸盐还原细菌）生成白云石的地点 (Vasconcelos et al., 1995; Bontognali et al., 2010; Brauchli et al., 2016; Petrash et al., 2017, Bontognali et al., 2026)。
随后探索了其他环境，在碱性盐湖沉积物中检测到白云石。Last (1990) 回顾了这些例子，引用了全球近50个案例的报告。世界上最深入分析的湖相产出被确定为加利福尼亚州的深泉湖白云石。这些白云石似乎是沉淀的，与超盐碱水中的泥和碎屑混合。
微生物席和叠层石提供沉积物稳定作用，并有可能形成富含白云石的层位。Riding (2000) 回顾了这些生成碳酸盐的方式，指出该过程独特地依赖于生物和非生物因素的结合，并且本质上是局部性的。厚层白云质沉积物不会在局部特定微环境中形成。
这些现代类比还有其他问题——白云石晶体与其他沉积物质混合，体积小，实验室研究未能在35°C的盐水液体中重现白云石的形成。Guo et al. (2023) 的最新综述对这些矿床与前寒武纪和古生代白云石的相关性持谨慎态度，承认对大规模白云岩层的解释仍然难以捉摸。
尽管如此，Guo et al. (2023, p. 1) 指出“微生物介导越来越被认为是克服地球表面沉积条件下白云石形成动力学势垒的关键过程。”微生物充当催化剂。由于海水中硫酸根离子丰富，下面的化学方程式表明石膏和白云石是产物 (Wang, 2021)：
2CaCO
3 + Mg
2+ + SO
42- + 2H
2O → CaSO
4?2H
2O + CaMg(CO
3)
2硫酸盐还原微生物已被发现在萨布哈环境和盐湖中均有活性。继Vasconcelos et al. (1995) 的提议之后，许多人开始认为微生物活动是解决白云石问题的缺失关键。以下文字摘自McKenzie和Vasconcelos (2009, pp. 217-218)：
“直到最近，白云石形成模型在构建地球化学方程式时都忽略了微生物因素，即初级沉淀与次级交代，这些被假定代表白云石形成过程。现在，人们普遍认识到，特定环境条件下的微生物活动可以介导低温下大量白云石的沉淀。”
微生物提供的催化机制仍在讨论中。最简单的概述来自Cai et al. (2021)。海水中的硫酸根离子与Mg
2+反应，使其无法用于白云石形成。硫酸盐还原微生物破坏硫酸镁离子对，释放镁用于白云石化过程中方解石的改造。硫酸盐以石膏/硬石膏的形式被去除。该机制过于简单化，因为游离Mg
2+的可用性并非需要解决的问题。关于更广泛问题（即影响微生物催化白云石形成的因素）的概述由Petrash et al. (2017) 提供。Liu et al. (2020) 倾向于涉及胞外聚合物（extracellular polymeric substances, EPS）的解释，EPS有可能削弱与Mg水合相关的键。微生物产生两种类型的EPS：黏液EPS和荚膜EPS，后者被认为是有效的。由此产生的原白云石以球粒状生长为特征，从合并的纳米球开始，成长为微米级的球体和哑铃状体 (Liu et al., 2024)。
白云石在陆缘 (Baker和Burns, 1985) 和深海沉积物 (Lumsden, 1988) 中据报道含量为1%-5%。基于实验工作，这些情况下的催化剂被确定为溶解硅，Si(OH)
4 (Fang和Xu, 2022; Al Disi et al., 2024)。
据报道，高负电荷粘土矿物（如伊利石和蒙脱石）也能够充当催化剂 (Liu et al., 2019)。Meng et al. (2024) 展示了使用氨作为催化剂的实验室实验。反应容器使用了高Mg/Ca摩尔比和30°C及40°C的温度。形成了原白云石以及其他沉淀物（如含水氯化镁）。
因此，研究人员有许多重要变量需要探索。毫无疑问，催化剂可以在环境温度下产生白云石。根据已进行的实验工作，诊断特定的富白云石位置需要假设检验过程来确定因果关系。只有一个低温白云石形成的报道不涉及温暖蒸发浅水环境中的高盐度水。这是冷海水中白云石沉淀的案例 (Pirlet et al., 2010)，重要的是，也观察到丰富的石膏。这可以解释为微生物白云石生产的例子，但这留下了关于溶解硅和负电荷粘土相关性的问题。
所有这些白云石化的催化途径实际上都产生原白云石 (Montes-Hernandez et al., 2016; Kaczmarek et al., 2017)。仍然存在内部重组以产生化学计量白云石的问题。普遍认为原白云石是亚稳态的，深时是理解所需变化的关键。Neuhuber et al. (2024) 试图量化时间尺度，并报告了原白云石向白云石转化的千年尺度。
总之，现代类比引起了广泛关注，但它们与大规模古代白云石形成的条件显著不同。差异多于相似之处。
a. 现代类比中白云石是沉积物混合物的组成部分。萨布哈沉积物含有文石、方解石、原白云石、石盐和风成砂 (Curtis et al., 1963)。湖相和海相沉积物的蒸发矿物较少，但泥和粉砂种类更多。然而，白云岩主要是碳酸盐岩。
b. 萨布哈和盐湖是占据有限地理区域的特定微环境。前寒武纪和显生宙白云岩的地理分布广泛得多。
c. 现代白云质物质层位较薄，与过去的巨型矿床形成鲜明对比。
d. 当代白云质沉积物是原白云石。实现真正白云石的有序化研究不足且具有推测性。
e. 在某些情况下，当代白云石形成涉及先前存在的文石或方解石的白云石化，而非直接沉淀。
f. 许多地质学家指出，现代白云石形成的类比并不能帮助我们理解过去。Warren (2000, p. 2，引用于第1节) 的评估提请注意几个主要差异。Wright和Wacey (2004) 总结先前工作并评论道：“已经提出了大量的物理化学模型来解释沉积白云石的形成，但没有一个能令人满意地解决动力学势垒如何被克服的基本问题。”他们倾向于硫酸盐还原细菌作为最可能的机制。另见Rodriguez-Blanco et al. (2015)。Meng et al. (2024) 指出，“微生物白云石”模型不足以解释没有或很少有微生物成因证据的白云岩。
因此，现代例子有助于说明厚层白云岩层的形成必须与它们有多么不同。现代类比不是通往过去的钥匙，有理由提出替代沉积环境作为假说。可以研究现代类比以了解当今的白云石沉积，但前全新世白云岩需要考虑非常规环境。这并不是要排除特定微环境中微生物白云石的考虑（例如，Wang et al., 2025）。这种情况与更广泛的碳酸盐沉积问题并无不同。在思考了过去巨大而广泛的石灰岩之后，Ager (1993, p. 100) 将其与现在的贫乏进行对比：“目前我们严重缺乏碳酸盐沉积，尤其是在浅水环境中，除了像加勒比海被过度使用的巴哈马滩和西澳大利亚的鲨鱼湾这样的地方性例子。东非海岸和‘波斯’湾西侧也有一些珊瑚岩形成，但与地质历史特定时期浅水碳酸盐的广阔范围相比，这些微不足道。”
可以说，尽管我们有可靠的机制来形成巨大的热液白云岩层，但我们缺乏对宿主石灰岩如何形成的理解。这些问题可能是相关的。下面解决的问题涉及在没有白云石化过程运作证据的情况下白云石的形成。
4. 实验室研究与动力学势垒
海水中含有大量的Mg
2+离子。它含有1290 ppm的镁和411 ppm的钙，Mg/Ca比率为3.14。相比之下，河水两种离子的含量都较低，Mg/Ca比率为0.44。这导致初步结论：唯一足够丰富以形成大型沉积白云石体的镁离子来源是海水 (Warren, 2000)。
要沉淀白云石，需要这个反应：
Ca
2+ + Mg
2+ + 2(CO
32-) → CaMg(CO
3)
2热和过热水促进化学变化，但在低温下什么也不会发生。需要实验工作来量化这些变化。这涉及在反应动力学方程中找到平衡常数（K）。当（已知的）离子浓度值代入方程，并估计K值时，结果表明在今天的海洋温度下没有显著反应。海水含有足够的Mg
2+，既能进行白云石化，也能进行初级沉淀，但在低温下，平衡常数禁止白云石化和原生白云石的形成。
主要解释是镁离子优先与水形成键。镁对水有高亲和力，形成水化壳层，导致动力学势垒 (de Leeuw和Parker, 2001; Xu et al., 2013)。必须以某种方式克服动力学势垒，提高反应温度是已验证的方法。
Graf和Goldsmith (1956) 考虑了多种流体在25°C至450°C的温度范围内。他们证实了先前研究者的结果，即在低温下没有显著反应。在低于200°C的温度下，反应缓慢，产生一些具有白云石化学成分但缺乏分子结构的产物（原白云石）（即未见超结构X射线反射）。高于200°C时，反应迅速进行，超结构反射显示产生了真正的白云石。
这项工作之后，Gaines (1974) 表明原白云石可以在100°C和大气压下产生。随后的实验工作主要研究更高温度下的反应。共识是，产生原白云石的化学变化分两个或三个阶段进行，然后进一步的一个阶段（或多个阶段）带来导致真正白云石的有序化 (Sibley et al., 1987; Sibley et al., 1994)。报道的实验工作使用的反应物温度大多高于100°C。关于低温白云石形成的误导性声明（应报告为极高镁方解石，VHMC）由Kaczmarek et al. (2017) 讨论。所有这些研究者都同意，“白云石问题”本质上是动力学问题 (Land, 1998)。在更高温度下，白云石沉淀速度大大加快，温度超过200°C时反应速率以分钟计 (Montes-Hernandez et al., 2014; Rodriguez-Blanco et al., 2015)。
尽管改变了实验参数，但反复尝试从环境温度下的海水沉淀白云石都失败了。Land (1998) 特别专注于寻找能够产生白云石的条件组合。他设计了一项在25°C下进行的实验室研究，并提供了延长的反应时间——有些实验持续了32年。他的论文旨在记录完全缺乏积极结果的情况。Land的主观判断是，缓慢的沉淀会在长时间内发生。另一种评估是，低温实验室实验强化了“白云石问题”，解释了为什么今天白云石仅在特定微环境中借助催化剂形成。“问题”不是解释特定微环境沉积物，而是解释大规模、广泛的相对纯净白云质沉积物。
Kim et al. (2023) 的实验工作为白云石文献贡献了重要的新思想。这项实验室研究表明，波动的环境条件（特别是盐度）与沉淀白云石的有序化有关。没有脉冲变化的环境，没有报道晶体生长。在脉冲电子输入以促进水分子辐射分解的情况下，2小时的测试运行产生了70和170 nm（200和560个单层）的白云石晶体生长。研究人员评论说，“令人惊讶的是，逐层生长可以在自然界产生大规模的白云石矿床”，“慢至300 nm/年的晶体生长速率在地质时间尺度上仍然可以产生巨大的米级单晶” (Kim et al., 2023, p. 919)。然而，300 nm/年对应百万年30厘米的白云石。地质环境的特点不是长期稳定性，因此诉诸长期地质时间尺度是不恰当的。这项实验工作的一个重要方面是流体温度保持在80°C。这很重要，因为80°C是热液白云石化报道的最低温度 (Davies和Smith, 2006, 图11)。因此，Kim et al. (2023) 的实验工作表明热水对于白云石形成至关重要。
5. 前寒武纪白云石
通过将讨论集中在与前寒武纪白云石上，可以排除三个变量：
• 没有碳酸盐骨骼残骸产生沉积物
• 礁结构仅限于浅水/潮间带藻类或微生物席
• 相对较少的白云石矿床显示出白云石化的迹象
可以推断，大多数前寒武纪碳酸盐是通过沉淀形成的。如果可以排除石灰岩的热液白云石化，那么白云岩也是通过沉淀形成的。使用Microstrat数据库，Cantine et al. (2020, p. 1) 指出“元古宙白云石的性质和范围与显生宙白云石形成对比，与白云石在寒武纪之前是早期甚至在某些情况下是初级沉淀物是一致的。”此外，根据Daly (1909) 的数据，前泥盆纪北美白云石与较晚的系相比，镁含量更高。
虽然这些数据令人感兴趣，但将表格从北美扩展到全球存在困难。一项可能有用的调查 (Given和Wilkinson, 1987) 记录了显生宙数据，但不包括前寒武纪。Tucker (1981, p. 140) 在他的沉积岩石学教科书中提供了强化前寒武纪白云石独特性的数据：
“白云石在地层记录中的分布并不均匀，而是随时间回溯而增加。中生代的石灰岩与白云岩之比约为10:1。古生代为3:1，前寒武纪为1:3。”
Daly (1909, p. 168) 得出结论，前寒武纪白云石主要是沉淀物。这主要有两个原因。首先，石灰岩和白云石颗粒是细粒的，重结晶后尺寸为10-30μm。其次，石灰岩层与白云石层的交替表明沉积作用而非白云石化过程。
Tucker (1982, p. 7) 提出了前寒武纪白云石沉淀的论据。他断言：“白云石在前寒武纪比在显生宙岩石中更常见”，并将其描述为一个被忽视的问题。他认为，在前寒武纪，主要的碳酸盐矿物是白云石并且是沉淀的。前寒武纪海水被推断与显生宙海水不同，因为允许白云石沉淀，同时伴随石灰石的广泛白云石化。他的论点大部分是岩石学方面的：交代白云石通常以破坏结构细节为特征，但在所研究的白云石中原始组构得以保存。
“事实上，除非通过染色、X射线衍射或其他技术知道岩石是白云石，否则人们会认为它是未白云石化的显生宙石灰岩，颗粒、纤维状和亮晶胶结物都在那里，但由白云石组成。” (p. 9)
为了将前寒武纪白云石与显生宙石灰岩进行比较，获得了沉积颗粒、纤维状胶结物和亮晶胶结物的碳氧同位素比率（δ
13C和δ
18O）。白云石样品显示出与沉淀的显生宙石灰岩相同的同位素比率趋势，Tucker (1982, p. 11) 将这种相似性描述为“完全可比”和“惊人”。
关于加利福尼亚州东部贝克泉白云石（Beck Spring Dolomite，约300米厚的台地碳酸盐）直接沉淀的证据由Tucker (1983, p. 1117) 发表。
“与许多显生宙白云石相反，原始组构保存完好，因此可以推断的成岩历史类似于浅水石灰岩，即早期纤维状胶结物和后期栉壳状亮晶。同沉积和早期成岩纤维状白云石在各种孔隙结构和颗粒周围沉淀。区分了四种主要类型的纤维状白云石，其中一些的组构表明交代成因，而另一些可能是原生的。晚期成岩亮晶白云石显示出直接沉淀的特征，如精细的生长带和晶体终端，尽管记录了溶解和晶体粉砂的内部沉积阶段。”
在接下来的十年中，Grotzinger及其同事 (Grotzinger和James, 2000) 解决了沉淀问题。他们记录了太古宙和古元古代石灰岩和白云石的多样化相，包括丰富的海底沉淀物，以及新元古代的碎屑结构（盖帽碳酸盐岩）。尚未阐明的是白云石是如何沉淀的，或者它如何形成沉积层。讨论初级沉淀的其他文献包括Hood et al. (2011) 和Hood与Wallace (2012, 2018)。
Tucker关于贝克泉白云石的工作被认为是有争议的，主流观点认为白云石化是次生的。然而，Shuster et al. (2018) 通过提供同沉积白云石化的证据并表明纤维状胶结物是原生海相白云石沉淀物，缓和了这种不安。
在他们关于前寒武纪白云石的综述论文中，Cantine et al. (2020, p. 1) 承认一些前寒武纪白云石显示出沉淀的证据：
“来自数据库和岩石学研究的观察证实，元古宙白云石的性质和范围与显生宙白云石形成对比，与白云石在寒武纪之前是早期甚至在某些情况下是初级沉淀物是一致的。”
他们承认“白云石问题”，但提出现代类比作为解决方案。由此提出了“太古宙和元古宙期间海水化学性质显著不同”的建议。这使他们能够使用与Tucker (1982, 1983) 基本相同的沉淀论据。尽管Cantine et al. (2020) 推广了许多研究者的建议，即前寒武纪海水化学性质不同，但从‘白云石海水’沉淀的假说尚未得到实验室实验的验证。这并不是否认前寒武纪海洋与显生宙海洋不同，而是指出所提出的海水差异并未导致白云石沉淀，并且该假说尚未解决“白云石问题”。
对于石灰岩来说，文石在环境温度下从海水中沉淀是可能的，尽管现代类比与过去大规模石灰岩矿床不匹配。白云石沉淀面临的挑战更为严峻，因为存在动力学势垒。然而，作为一种替代解释，涉及热热液流体的成因将在下一节讨论。
6. 热或过热水海水中的白云石沉淀
白云石从海水中沉淀有一条途径，尽管这需要水是热的或过热的。大洋中脊是热液流体通过喷口流动并消散在周围海洋中的地点。这些水携带着从下伏岩石中收集的矿物质，温度大多在250°-400°C范围内。与寒冷海水的接触导致沉淀，从而在喷口上方建造烟囱体并在海底沉积沉积物。这些烟囱体被称为“烟囱”：黑烟囱（black smokers）富含硫化铁，流体温度较高，pH值低；而白烟囱（white smokers）与较低的流体温度、白色沉淀物和高pH值相关 (Tivey, 2007)。
热玄武质洋底岩石是这些热液喷口的补给源，输送的矿物质来源于玄武岩 (Libbey和Williams-Jones, 2016; Prause et al., 2025)。溶液中的任何镁离子都会与玄武岩反应形成粘土矿物，如蒙脱石和绿泥石，或与水反应沉淀氢氧化镁。因此，大洋中脊热液系统是镁的汇，降低了沉淀白云石的潜力 (Hannington et al., 2005, p. 125; Tivey, 2007, p. 54)。然而，考虑到不同的围岩和流体组成，烟囱体为白云石沉淀提供了现代类比。这种联系最早由Ilich (1974) 基于南斯拉夫中新世湖相岩石提出：“研究热液-沉积白云石的成因可能为解决‘白云石问题’提供新的帮助。”然而，几十年过去了，这种形成模式才被认真对待。Jiao et al. (2013, 摘要)（中文）表达了他们对热液流体负责原生白云岩以及石灰岩白云石化的信心。
“本文作者重点介绍了白云石作为一种标志性低温热液矿物的成因研究进展。作者认为‘白烟型’喷流热液白云岩是原生白云岩的典型样品。”
中国作者发表的热液白云石沉淀研究来自被解释为湖相环境的地点。Wen et al. (2013) 研究了青藏高原北部下白垩统酒泉盆地涉及水爆角砾岩的岩石。Jiao et al. (2018) 研究了中国西北二叠系芦草沟组，发现白云石等其他矿物是从同沉积或准同生热液流体中沉淀的证据。Jiao et al. (2020) 的进一步论文再次研究芦草沟组，报道了原生湖相白云石。Zhang et al. (2020, 摘要) 将同一地层描述为陆内裂陷盆地内的盐湖，伴有强烈的热液活动：
“发现了热液-沉积白云石，以三种白云岩形式存在，即方沸石-长石白云岩（AFD）、硅质白云岩（SD）和铵长石-钠长石白云岩（BAD），与湖底同沉积热液活动有关。”
Zhang et al. (2021)、Li et al. (2021) 和Jiao et al. (2023) 发表了关于芦草沟组这些白云石的补充研究。Zhang et al. (2024) 分析了银额盆地巴音戈壁组的白云石。热液流体的流体包裹体数据表明温度为108.3 - 159.8°C。
仍在中国西北，Yang et al. (2021) 将二连盆地下白垩统腾格尔组白云质地层的数据与其特定湖相热液系统模型联系起来。确定了提供流体流动通道的断层系统，并通过流体包裹体研究识别了三种白云质相。结果是一个热液流体脉冲式喷入湖泊的情景。从结论中：
“我们的新模型解释了原生白云石沉淀如何需要高热通量与大陆环境中穿透地表的渗透性断层的结合，允许富含Mg的卤水与湖相流体相互作用。[…]我们基于过程的湖底热液喷发新模型解释了这些白云石矿物学和地球化学的系统变化，为看待白云石的原生成因提供了动力。” (Yang et al., 2021, p. 8)
该模型具有与湖相环境相关的特点：白云石沉淀伴有许多其他沉积物（泥、粉砂、砂、火山灰）；需要富Mg卤水（因为海水不是湖相环境的一部分）；沉积物体量不广泛。然而，从热液喷口沉淀白云石是一个极易转移到海洋环境的原则，在前寒武纪和显生宙都一样，海水提供了充足的镁离子供应。
You et al. (2021) 报道了中国北部鄂尔多斯盆地三叠纪湖相沉积物中的热液烟囱体。作者认为这一发现对研究原生白云石的热液性质具有重要意义。Guo et al. (2023) 研究了几个湖相盆地，受火山影响的二连盆地（下白垩统）导致了“火山-热液影响的白云石形成”的识别。
也许最出人意料的发现是在大洋中脊热液喷口附近发现白云石。Bohrmann et al. (2024) 报道了与斯瓦尔巴近海克尼波维奇洋脊相关的热液场：“该丘体在某些地方显示出低温扩散喷发，伴有碳酸盐沉淀物（白云石和方解石）。”Argentino et al. (2025) 记录了对加克尔洋脊西南极光热液场附近沉积物的岩心研究。岩心MC-148由粘土-云母（41%至42%）、石英（17%至21%）、长石（钾长石和斜长石；17%至20%）和碳酸盐（方解石和白云石；13%至15%）组成。白云石部分报告为5%。
Davies和Smith (2006) 综述的显生宙石灰岩广泛白云石化证明了地壳中相关热液流体的广泛存在。上述案例显示了如果这些流体喷入海水可能产生的后果。由于唯一经实验确认的大规模白云石沉淀机制是通过热液流体，可以提出一个假说：前寒武纪白云石是在热液流体与海水混合时形成的。一些白云石直接在海底沉淀，其他沉积物在地壳表层沉淀。在后一种情况下，过热水对流将沉淀物通过喷口带入海洋水体，在那里它们作为碎屑沉积物积累，并可被海流进一步搬运。这是一个热海水情景，与Eyles (1993) 描述的广泛构造活动同时发生。构造作用也与显生宙情景相似，其中广泛的断裂和地壳运动为热流体进行白云石化开辟了道路。
该情景必然涉及前寒武纪海水淹没大陆岩石时的高温。Knauth和Lowe在分析燧石氧同位素数据后发展了前寒武纪热海水的论据 (Knauth和Lowe, 1978; 2003; Knauth, 2005)。太古宙温度被认为为55 - 85°C，在元古宙降低，并在前寒武纪末期达到当代值。这些解释由于热液流体可能重置氧同位素数据而未被地质界轻易接受。Robert和Chaussidon (2006) 提出了更有力的论据，他们同时考虑了氧同位素和硅同位素，发现了相同的趋势。他们得出结论，太古宙海洋温度约为70°C，新元古代降至20°C。De La Rocha (2006) 在《自然》的新闻与观点文章中对这项研究提供了同情的视角，但以谨慎的声明结束：
“有时超过70°C的前寒武纪海洋当然值得深思。从未发现能在73°C以上生长的光合生物。此外，氧气溶解度随温度下降会加剧前寒武纪大气低氧水平下的海洋缺氧，可能阻碍多细胞动物生命的发展。前寒武纪的硅同位素数据令人瞩目。但鉴于这些观点以及前寒武纪冰川沉积的存在，可能需要比δ
18O和δ
30Si更多的证据来说服怀疑者接受热水浴式的前寒武纪海洋。” (p. 921)
在接下来的十年中，怀疑者的观点占主导地位，太古宙和元古宙的叙述围绕弱太阳、几次冰川作用、大气和海洋中氧含量的变化以及具有不同化学性质的海水而凝聚。
Marin-Carbonne、Robert和Chaussidon继续研究氧和硅同位素数据，并修改了他们关于成岩作用程度的观点 (Marin-Carbonne et al., 2014)。他们提出了五个岩石学和地球化学标准来识别燧石的原始沉积成因，发现只有一件样品通过了测试。这件来自古元古代燧石的样品，海洋温度评估为37 - 48°C。
虽然
