碳酸盐岩总体上包括灰岩和白云岩, 以简单的矿物组分和化学组分、复杂的沉积组构著称, 而且是由那些在地表环境中不稳定的矿物(方解石、文石和白云石)组成的岩石类型(Tucker and Wright, 1990; 梅冥相等, 1997)。碳酸盐岩的形成和发育涉及到特殊的钙化作用和固碳作用(Dupraz et al., 2009), 而且由那些在地表条件下不稳定的矿物所组成, 所以碳酸盐岩的形成过程本身就蕴含着若干谜一样的问题, 如鲕粒的成因机制(Brehm et al., 2006; Duguid et al., 2010)、叠层石的建造机理(Grotzinger and James, 2000; Reid et al., 2000; Altermann, 2004; Perry et al., 2007; 梅冥相等, 2008)、前寒武纪臼齿状构造的形成机理(Grotzinger and James, 2000; Meng and Ge, 2002; 梅冥相, 2005, 2007a; 乔秀夫和高林志, 2007; 旷红伟等, 2011)等等。

在碳酸盐岩中, 白云石(CaMg(CO₃)₂)是一种普通的碳酸盐矿物, 尤其是在前寒武纪碳酸盐岩石中最为普遍、而且经常发现与微生物构造组合在一起, 但是, 在现代环境之中较为少见。再加上在低温的实验室条件不可能人工合成, 所以, 白云岩的成因, 就成为沉积学中的一个未解之谜, 即著名的 “ 白云岩问题(dolomite problem)” (Tucker and Wright, 1990; 梅冥相等, 1997; Warren, 2000; Machel and Lonnee, 2002; Wright and Wacey, 2005; 王勇, 2006; 张学丰等, 2006, 2010; 陈代钊, 2008; McKenzie and Vasconcelos, 2009; 赫云兰等, 2010; 李波等, 2010; 柳益群等, 2010)。科学家们对白云岩问题的长期探索, 提出了若干的白云石化作用模式来解释白云石和白云岩的形成(Tucker and Wright, 1990; 梅冥相等, 1997; Machel and Lonnee, 2002; 王勇, 2006; 张学丰等, 2006, 2010; 陈代钊, 2008; Mckenzie and Vasconcelos, 2009; 赫云兰等, 2010; 李波等, 2010; 柳益群等, 2010), 为研究白云岩的时空分布规律提供了许多重要理念和思考线索。沉积学中的 “ 白云岩问题” 还表现为3个方面的重要科学理念的演变:(1)将白云石和白云岩的形成作用理解为第6种碳酸盐岩成岩作用, 即 “ 白云石化作用(dolomitization)” (Tucker and Wright, 1990; 梅冥相等, 1997); (2)针对白云岩中的一些白云石还保留着原生文石和方解石的晶形, 提出了 “ 拟晶白云石化作用(mimetic dolomization)” 模式和设想(Sibley, 1991), 并用来解释原生石灰岩白云石化作用之后的完美原生沉积组构的保存(详见王勇(2006)的综述), 这似乎是 “ 白云石化作用” 概念的进一步拓展和延伸; (3)针对微生物活动参与和调节白云石沉淀过程的现象, 建立了微生物白云石成因模式(Vasconcelos et al., 1995; Vasconcelos and McKenzie, 1997; Warthmann et al., 2000; van Lith et al., 2003; McKenzie and Vasconcelos, 2009; 详见王勇(2006)和由雪莲等(2011)的综述)。以上几点, 不但代表了科学家们开创性认识的升华, 也揭示了白云石和白云岩形成过程之中更加复杂的自然现象。尽管沉积学中的 “ 白云岩问题” 还没有得到完全解决, 但是, 追逐上述具有鲜明时代特征的科学理念的演变, 不但有益于深刻理解前辈学者的辛勤劳动和创新性认识, 而且也有助于今后对白云岩形成过程中蕴含的复杂作用机理进行深入研究。

经过多年的探索和研究, 对碳酸盐岩成岩环境、成岩作用机制及其产物已经取得了较为系统全面的认识, 并得到了系统全面的总结(Bathurst, 1975; Tucker and Wright, 1990)。最为有趣的是, Tucker和Wright(1990)曾经将碳酸盐岩成岩作用机制总结为6大类型, 即:胶结作用、微生物泥晶化作用、新生变形作用、溶解作用、压实作用和白云石化作用; 也就是说, 将白云石和白云岩的形成过程作为第6种碳酸盐岩成岩作用机制。产生这个科学理念的重要原因是:(1)对白云石这种矿物的成因以及地质分布、白云岩的产出特征及形成模式等, 还有很多未解决的问题; (2)白云石的理想化学成分为CaMg(CO₃)₂, 其有序性较高的晶体结构以及它在地质时期中的不均匀分布, 在常温常压下的形成过程都是未得到完全解决的问题; (3)在实验室还不能于常温常压下从自然海水中沉淀出白云石, 这也就给揭示广泛分布于地质历史时期中的白云石奥秘造成了困难; (4)在研究白云石及白云岩的形成过程时, 必须说明两个问题:Mg²⁺的来源及白云石化流体通过碳酸盐沉积物的机制。

一般来讲, 白云石直接沉淀作用的化学反应式应该为:

Ca²⁺+Mg²⁺+2( CO32-)=CaMg(CO₃)₂ (1)

由于在正常海水中很少有白云石沉淀, 很多白云石是交代CaCO₃而形成的, 所以, 又设想白云石形成的化学反应式应该修改为:

2CaCO₃+Mg²⁺=CaMg(CO₃)₂+Ca²⁺ (2)

但是, 只有当Mg²⁺被带进反应体系、而Ca²⁺又必须被带出才有可能产生这种交代作用; 另外, 如果存在这种情况, 则溶液中的Mg/Ca值将随白云石化的进行而减小, 这又不利于白云石化。因此, 科学家们又设想出以下反应式:

CaCO₃+Mg²⁺+ CO32-=CaMg(CO₃)₂ (3)

而且进一步认为, 在反应式(3)中, Mg²⁺及 CO32-均由白云石化流体提供, CaCO₃的所有Ca²⁺又被融进白云石之中。

科学家们还进一步设想到海水中没有产生广泛的白云石沉淀、而且在海底CaCO₃也很少白云石化的原因, 是存在形成白云石矿物的化学动力学因素障碍(Land, 1985, 1998)。这个化学动力学障碍包括3个重要因素:(1)海水的高离子强度与碳酸盐较快的沉淀速率; (2)Mg²⁺的水化作用; (3) CO32-的活度较低。对于这些产生化学动力学障碍的重要因素, 还进行了以下更加深入的解释和设想。

首先, 最为主要的问题是白云石晶体的有序性高。虽然像海水之类的盐水溶液对CaCO₃(方解石和文石)以及白云石是过饱和的, 但是, 那些结构简单、有序性较差的文石与高镁方解石容易产生沉淀。碳酸盐较快的沉淀速率也阻碍了白云石的沉淀作用, 即使在蒸发背景中, 容易产生高盐卤水溶液, 但其结晶速率很快, 也易于产生CaCO₃沉淀。

其次, 在海水中, Mg²⁺比Ca²⁺容易水化, 而且常形成离子对。这就表明参与化学反应的Mg²⁺很少, 而且Ca²⁺比Mg²⁺容易进入Mg-Ca碳酸盐晶体。一旦被吸附在晶体表面, 水化了的Mg²⁺反而对 CO32-提供了一个障碍。在高温下, 晶体生长可以克服镁离子的水化作用, 这可能就是产生热液白云石化的主要原因。

第三, 白云石的形成常是阳离子与 CO32-结合的产物, 而不是 HCO3-, 因为前者具有消除晶体表面水的介电极子的能力。这就表明, 在高碱度的溶液中容易发生白云石化作用。在海水中(pH值为7.8~8.2), HCO3-与H₂CO₃较多而 CO32-较少。较低的 CO32-的活度就意味着没有足够的 CO32-去打破镁离子的水化障碍。

因此, 要克服从海水中沉淀白云石的化学动力学障碍, 以下几种变化过程均可以产生这种可能:海水的蒸发作用、海水的稀释作用、温度的升高及 SO42-含量的降低。

从白云石(或白云岩)形成的化学原理和机制方面所进行的上述推想和解释, 是沉积学家建立如图1所示的白云石化作用模式的基础, 如:蒸发作用模式、蒸发渗流— 回流模式、混合白云石化模式、埋藏白云石化模式及海水白云石化模式等(Tucker and Wright, 1990; 梅冥相等, 1997; 张学丰等, 2006, 2010; 陈代钊, 2008; 赫云兰等, 2010; 李波等, 2010)。

图1

Fig.1

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	图1 几个白云石化作用模式概略性示意图Fig.1 Outline diagrams showing several models of dolomitization

综上, 学者们将形成白云石(或白云岩)的复杂机理和作用过程简单地定义为 “ 白云石化作用” , 并进一步归为碳酸盐岩成岩作用机制的第6种作用, 大致揭示了该作用过程所需要的特殊的形成环境、所需要的漫长的时间、特殊的水化作用过程, 以及这个复杂过程的多样性产物(交代白云岩、可能的原生白云岩、白云石胶结物、白晶白云岩), 从而回答了在低温试验条件下不能够合成白云石的主要原因。而且根据这个理念所建立的多种白云石化作用模式, 已经在预测白云岩地质分布中得到了较好地运用, 所得出的重要结论包括(Tucker and Wright, 1990; 梅冥相等, 1997):(1)在一定条件下白云石可以从海水中沉淀出来, 而海水的组成成分必须得到不同程度的改变; (2)在很多情况下, 要产生白云石化作用必须有足够的海水通过各种驱动机制进入和通过沉积物, 这些驱动机制包括Kohout对流作用、洋流泵吸作用、高盐度潟湖水的回流作用、潮汐泵吸作用。

针对一些白云岩尤其是前寒武纪白云岩总是保存较为精美的原生沉积组构的现象, 以及这种现象在新生代较为普遍、而在古生代较为罕见的特征, Sibley(1991)建立了拟晶白云石化作用(mimetic dolomization)模式来解释这种现象。该模式认为, 拟晶白云岩化作用发生于矿物共生序列的早期阶段(early in paragenetic sequence), 可以保留原生矿物即文石或方解石的晶形。因此, 原生灰岩的组构细节可以完美无缺地保存下来。

Corsetti 等(2006)对加利福利亚死亡谷(Death Valley)新元古代至寒武纪过渡时期鲕粒白云岩的组构进行了对比研究, 发现了以下有趣的现象(王勇, 2006):新元古代的鲕粒白云岩, 由拟晶白云岩化作用形成, 形成在文石转变为方解石之前, 保留了原生文石或方解石的晶形, 而且5, μ m 级的细纹层结构也得到保存; 而寒武纪的鲕粒白云岩, 由非拟晶白云岩化作用形成, 形成在矿物共生序列的后期阶段, 破坏了原生文石或方解石的晶形, 鲕粒和其他构造的内部细节也因此遭到了不同程度的破坏。他们进一步讨论认为:(1)拟晶白云岩化作用与海水的化学性质和具有封盖作用性能的微生物席(sediment-capping microbial mat; Seilacher, 1999)存在成因关联; (2)高Mg/Ca值的文石海较低Mg/Ca值的方解石海, 更有利于拟晶白云石化的发生; (3)海水中硫酸盐的富集阻碍白云石沉淀; (4)生物扰动可破坏微生物席的封盖作用, 并改变浅表层成岩环境, 不利于拟晶白云石化作用的发生。尽管许多细节问题还有待于进一步研究, 原生灰岩组构保存精美的白云岩, 以及所表征的拟晶白云石化作用特征, 导致了科学家们从海水化学条件的长时间演变规律来解释这种现象, 这为研究白云岩成因及其作用样式的地质历史分布特点提供了极为重要的思考途径。

许多学者对海水化学性质的长时间演变的研究表明, 太古宙末和元古宙的海水在以下时间段Mg/Ca值大于2, 被称为文石海:2750~2630, Ma、2375~2125 Ma、2025~1875 Ma、1675~1425 Ma、1310~1105 Ma、925~550, Ma; 其他时间段Mg/Ca≤ 2, 称为方解石海(Hardie, 2003)。在显生宙, 寒武纪至早石炭世早期(543~330, Ma)、以及中侏罗世至古新世(170~55, Ma)为方解石海; 早石炭世晚期至中侏罗世(330~170 Ma)、以及始新世以来(55 Ma~)为文石海(Sandberg, 1983; Hardie, 1996)。前寒武纪海洋中硫酸盐含量相对较低(Brennan et al., 2004)、生物扰动较弱(Seilacher, 1999), 而微生物席却在沉积物表面普遍发育, 因此在相应的文石海时期有利于产生拟晶白云岩化作用。这些现象, 与保存原生构造的前寒武纪白云岩大量而广泛存在的地质记录相一致。显生宙生物扰动强烈, 而且文石海时期海水中富集硫酸盐, 总的来说不利于拟晶白云石化作用的发生。但是, 这并不排除拟晶白云岩化作用在局限环境或特殊时期发生的可能性, 如早三叠世生物扰动明显减弱(受二叠纪末生物大灭绝的影响), 海水的Mg/Ca值大于2(Lowenstein et al., 2003)、硫酸盐含量相对较低, 从而有利于拟晶白云岩化作用的发生。

关于有机质裂解与白云石化作用的成因关系, Gaines(1980)运用富含有机酸如天冬氨酸的碳酸盐沉积物所作的试验得出的结论是:有机酸会阻碍白云石化作用; 但是, 当有机酸被氧化之后, 文石很快产生白云石化。从而表明:碳酸盐沉积物中的有机质, 在被裂解之后常常产生白云石化, 也有利于白云石化作用的发生。随着研究的深入, 就像Mazzullo(2000)从有机成岩作用(organodiagenesis)的概念进一步总结出有机成因的白云石化作用(organogenic dolomitization)的概念和模式那样, 科学家们近年来更加注意微生物活动与白云石化作用和原生白云石沉淀作用之间的成因联系(详见李波等(2010)的综述)。

对于所认为的白云石化作用的化学动力学障碍, 可以在高温和一些碱性地下水中得到克服, 这一点已经成为共识; 但是这2种情况显然不能够被轻易应用到现代和古代的浅海到深海沉积之中。因此, 基于Vasconcelos等(1995)与Vasconcelos和McKenzie(1997)的工作, Mazzullo(2000)进一步论述到, 细菌的硫酸盐还原反应(sulfate reduction)和甲烷生成作用(methanogenesis)已经被认为是在地表温度条件下这些沉积的孔隙流体之中克服白云石化作用的化学动力学障碍的两个重要过程; 硫酸盐还原反应和甲烷生成作用在缺氧的富含有机质的沉积物中受到细菌的调节, 在这些作用过程之中各种各样的细菌氧化有机质而作为食物来源, 从而调节孔隙流体的化学特征, 最终促进了早期白云石的沉淀。这也就是Vasconcelos和McKenzie(1997)“ 微生物白云岩” 模式的进一步说明和解释。

随着研究的深入, 沉积学家们已经总结出识别有机成因或微生物白云岩的形貌学特征以及地球化学特征(McKenzie and Vasconcelos, 2009; 详见李波等(2010)和由雪莲等(2011)的综述):(1)有机成因的白云石无一例外具有球粒状、哑铃状或是花椰菜状的外形以及放射纤维状的内部构造, 与高温实验形成的菱形的白云石形成区别; (2)与有氧呼吸、硫酸盐还原作用有关的白云石中, 以碳同位素值出现较大负偏为特征, 甲烷厌氧氧化作用形成的白云石的碳同位素值可能会强烈负偏, 而甲烷生成作用参与形成的白云石的碳同位素值可能呈现出较大正偏。这些重要的科学结论和认识为识别地层记录中的微生物白云岩或有机成因白云岩提供了重要线索。早期成岩过程中有微生物新陈代谢活动参与的氧化还原反应能够促进白云石在地表温压条件下发生沉淀, 这为解决白云岩成因问题提供了新的思路, 也代表了近年来对 “ 白云岩问题” 研究的一个重要进展。

McKenzie和Vasconcelos(2009)设想出下列反应式来代表硫酸盐还原反应所造成的白云石沉淀过程, 即:

Ca²⁺+Mg²⁺+ 2SO42-+2CH₃COOH→

CaMg(CO₃)₂+2H₂S+2H₂O+2CO₂ (4)

无疑, 该反应式意味着微生物具有克服阻止白云石沉淀的化学动力学障碍的能力, 硫酸盐还原反应所具有的化合硫酸根离子的能力就是一个重要例证。

在结构分类以及前人研究成果的基础上, 冯增昭(1994)从成因机理上将白云岩大致划分为原生白云岩和次生白云岩, 还进一步论述到 “ 次生白云岩是一个相当大的范畴的术语” , 还可以进一步划分为同生白云岩、准同生白云岩、成岩白云岩和后生白云岩。这些科学理念, 不自觉地隐含着 “ 白云石化作用” 的概念, 而且意味着白云岩产出特征的多样性; 也像Machel和Lonnee(2002)所指出的 “ 热液白云岩” 是一个定义得较差的概念一样(Davies and Smith, 2006; 也见陈代钊(2008)的综述), 白云岩产出的多样性还难以用一种模式来加以概括。也正是因为白云岩产出特征的多样性和地质分布的不均一性(Warren, 2000), 包括微生物白云岩模式(或有机成因白云岩模式)在内的所有白云石或白云岩成因的模式和设想, 均还存在一定的局限性, 所以, 沉积学中的 “ 白云岩问题” 还没得到完全解决, 这表现在以下几个方面。

1)在运用拟晶白云石化作用模式去解释一些白云岩完整保存灰岩的原生组构时(Sibley, 1991; Burns et al., 2000; Corsetti et al., 2006), 所得出的 “ 高Mg/Ca值的文石海较低Mg/Ca值的方解石海(Sandberg, 1983; Hardie, 1996; Warthmann et al., 2000), 更有利于拟晶白云岩化的发生” 的重要概念, 而且进一步认为地质历史时期的那些厚度巨大的块状白云岩地层体多发育在 “ 高海平面的温室效应时期” , 但是, 在地中海地区广泛发育的厚度近1000 m的三叠纪诺利期的白云岩地层(Iannace and Frisia, 1994)乃至丰富的三叠纪白云岩似乎又不支持这个理念。这个例外首先被解释为在特提斯海中较弱的洋脊活动所导致的海水中Mg²⁺和Ca²⁺比例的增加、温暖和干旱的气候条件所导致的海水循环受到限制而产生分层作用的结果(Iannace and Frisia, 1994)。后来, Mastandrea 等(2006)将这种环境条件解释为适合厌氧嗜盐微生物发育的理想条件, 所以, 认为地中海地区广泛发育的厚度近1000 m的三叠纪诺利期的白云岩是原生沉淀的微生物白云岩的典型代表, 这个认识得到了McKenzie和Vasconcelos(2009)的推崇, 他们同时也强调, 类似于三叠纪巨型白云岩构造的微生物形成机理的许多细节问题, 还不清楚而需要进一步研究, 因为就像Iannace和Frisia(1994)所描述的诺利期白云岩那样, 这些白云岩经历了一个长期的白云石化作用过程。

2)如果说拟晶白云石化作用模式(Sibley, 1991; Corsetti et al., 2006)解释了在白云石化作用过程之中原生灰岩组构保存精美的现象, 微生物白云岩模式(或有机成因白云岩模式; Vasconcelos et al., 1995; Vasconcelos and McKenzie, 1997; Mazzullo, 2000; Wright and Wacey, 2005; Mastandrea et al., 2006; McKenzie and Vasconcelos, 2009)似乎解释了一些可能的白云石原始沉淀形成的白云岩的成因。所出现的问题是, 即使是更像原始沉淀的白云石组成的前寒武纪叠层石白云岩, 就像图2所示的中元古代雾迷山组下部的胶结物相叠层石, 曾经被古生物学家用林奈法命名为“ 假裸枝叠层石(Pseudogymnosolenaceae; 梁玉左等, 1984)” , 也残留有较为明显的“ 文石晶形” (图 2-B), 文石针状体说明了这些古老的胶结物相叠层石(Kah and Knoll, 1996; Grotzinger and James, 2000; Riding, 2000; Kah and Riding, 2007; 梅冥相等, 2008)白云岩曾经经历过较为典型的拟晶白云石化作用(Sibley, 1991; Corsetti et al., 2006); 但是, 不能根据 “ 叠层石是典型的微生物碳酸盐岩(Riding, 2000)” 的概念, 简单地将图2所代表的胶结物相叠层石白云岩推测为原生沉淀的微生物白云岩, 因为它们的原生矿物可能是文石。

图2

Fig.2

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	图2 河北兴隆中元古界雾迷山组下部的胶结物相叠层石白云岩Fig.2 Cement-facies stromatolitic dolostone in the Mesoproterozoic Wumishan Formation at Xinglong section in Hebei Province

3)像Machel和Lonnee(2002)所指出的 “ 热液白云岩” 是一个定义得较差的概念一样(也见陈代钊(2008)的综述), 白云岩产出的多样性还难以用一种模式来加以概括。在地层记录中, 那些数百米乃至数千米厚的白云岩地层体总是那么引人注目, 如中国扬子地区的寒武系娄山关群白云岩(梅冥相, 2007b)、华北地台寒武系至奥陶系的 “ 三山子白云岩” (陈晋镳和武铁山, 1997)、燕山地区的中元古界雾迷山组叠层石白云岩(梅冥相等, 2001, 2008)等等, 总是需要一个能够长时间提供镁离子来源的 “ 白云石化作用沉积和成岩环境” 来解释其所代表的白云石化作用过程, 这种“ 块状白云岩” (Massive dolomite; Lumsden and Caudle, 2001)的成因、尤其是白云石化作用机理和时间进程, 也成为沉积学中 “ 白云岩问题” 的一个方面。

4)地层记录中的那些厚度巨大的白云岩地层体经历了复杂的多阶段和多期次白云石化作用过程。就像Lumsden和Caudle(2001)回顾的那样, 在20世纪60年代晚期, 白云岩成因的问题似乎已经得到解决, 对块状白云岩代表的白云岩问题的认识经历了以下几个阶段:(1)在全新世的潮上坪、海岸潟湖以及盐湖之类的沉积背景中发现了白云石泥晶和原生白云石, 预示着在盐水和盐离解条件下的白云岩成因(Shinn et al., 1965; Folk and Land, 1975); (2)实际上, 即使在这样的背景之中很多白云岩总是包含着暴露和蒸发作用的证据, 所以一些学者就认为白云岩是蒸发岩(Friedman, 1980); (3)尔后, 沉积学家们发现蒸发岩模式不能够圆满解释地质记录中的许多块状白云岩的成因(Land, 1985, 1998); (4)沉积组构和地球化学信息表明, 许多块状白云岩形成于钙质碳酸盐岩向白云岩转变的沉积后渗透性作用过程之中(Allan and Wiggins, 1993)。因此, 具有足够体积的含镁溶液究竟是如何通过千米级别厚、而且覆盖面积达数万至数十万平方千米的碳酸盐岩地层体的问题(Lumsden and Caudle, 2001), 就成为沉积学中 “ 白云岩问题” 的一个方面。

5)"有机成因白云岩"模式(Mazzullo, 2000)和 "微生物白云岩"模式(Vasconcelos et al., 1995; Vasconcelos and McKenzie, 1997), 就像上文中的反应式(4)(McKenzie and Vasconcelos, 2009)所表征的那样, 微生物新陈代谢活动有助于克服白云石化作用的化学动力学障碍, 从而解释了一些可能存在的原生白云石沉淀作用形成的原生白云岩的存在, 最为主要的是硫酸盐还原作用和甲烷生成作用(Vasconcelos et al., 1995; Vasconcelos and McKenzie, 1997; Mazzullo, 2000; Mastandrea et al., 2006; McKenzie and Vasconcelos, 2009), 这些认识和理念已经越来越得到许多学者的青睐和推崇(Wright and Wacey, 2005; 于炳松等, 2007; Sanchez-Roman et al., 2008; Kenward et al., 2009, Deng et al., 2010)以及更多的实验室研究和野外观察的证实。但是, 形成白云石的微生物组合和微生物新陈代谢过程, 与那些通过钙化作用形成灰岩的微生物组合及其微生物新陈代谢过程(Chafetz and Buczynski, 1992)之间存在的差异, 将是一个需要进一步研究的问题; 主要原因来自于:(1)在细菌造成的方解石沉淀作用中, 所形成的类似于假定的 "超微细菌"(Nanobacteria; Folk, 1993a, 1993b)的纳米级别特征物是很普遍的(Chafetz and Buczynski, 1992); (2)"除了纯粹的蒸发盐和自养生物成因, 绝大多数灰岩可以被认为是异养细菌成因的, 而且它们所包含的碳主要来自于原始有机质"(Castanier and Ding-E Young, 1999)。再者, 随着研究的深入而对 "超微细菌"作为一种假定的生命形式的逐渐否定(Martel and Ding-E Young, 2008; Garcí a-Ruiz et al., 2009; Pacton et al., 2010; 梅冥相, 2011), Folk(1993a, 1993b)所假定的 "超微细菌", 已经被解释为细菌碎片(Kirkland et al., 1999)、生物组织微生物腐烂过程中的副产品(Schieber and Arnott, 2003), 乃至在EPS内部的复杂的有机矿化作用的产物而成为碳酸盐成核作用的核心(Aloisi et al., 2006; Bontognali et al., 2008), 导致了许多新概念的诞生和老概念的修订, 尤其是更加肯定了灰泥或泥晶及其聚集体(鲕粒、核形石、叠层石等)的微生物成因(Dupraz et al., 2004, 2009; Reitner, 2004; Brehm et al., 2006; Perry et al., 2007; Daniel and Chin, 2010), 与微生物白云岩的形成过程一样, 在形成灰泥或泥晶及其聚集体(鲕粒、核形石、叠层石等)的钙化作用过程中, 硫酸盐还原反应之类的微生物新陈代谢过程也是一个关键的作用过程(Baumgartner et al., 2006)。也就是说, 形成 "微生物灰岩"的 "微生物钙化作用"与形成 "微生物白云岩"的 "微生物白云石沉淀作用"之间, 是否存在微生物组合的生物属性差异, 将是今后需要进一步研究的问题。

6)白云石化作用似乎需要一个盐度变高的沉积环境, 以及在这种环境之中才能够发育富镁离子的成岩流体而产生白云石化作用。就像扬子地区的寒武系娄山关群白云岩(梅冥相, 2007b)、华北地台寒武系至奥陶系的 “ 三山子白云岩” (陈晋镳和武铁山, 1997)随着沉积环境中水体的逐渐变深而相变为灰岩地层一样, 即使是在厚度可达到5000余米的中元古界雾迷山组叠层石白云岩地层中(图 2-A, 2-B), 在辽宁凌源地区其上部还发育属于二级和三级海侵加深背景下沉积的、厚度为百余米的缓坡相纹理石灰岩地层(第5个二级层序中的第1个三级层序的中下部)(梅冥相等, 2001, 2008; 图3-C至图3-F), 以及在早期高水位体系域中的臼齿状构造(MT构造; 旷红伟等, 2009)灰岩, 与三级层序的晚期高水位体系域(LHST)中的叠层石白云岩(图 3-A, 3-B)形成了极为强烈的反差, 这些现象说明了白云岩地层、尤其是那些块状白云岩的形成, 需要一个特别有利于白云石化流体发育的沉积和成岩环境, 尤其是能够持续提供含镁离子成岩流体发育的环境, 而且这种白云石化作用过程是多阶段多期次的(Lumsden and Caudle, 2001; Rameil, 2008; Touir et al., 2009; Ronchi et al., 2011)。

图3

Fig.3

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	图3 辽宁凌源剖面中元古界雾迷山组叠层石白云岩地层上部所夹的灰岩Fig.3 Limestone in upper part of stromatolite dolostone strata in the Mesoproterozoic Wumishan Formation at Lingyuan section in Liaoning Province

由于白云岩产出环境的多样性及其对应产物的多样性(原生白云岩和次生白云岩乃至热液白云岩和微生物白云岩等等), 因而造成沉积学中百年未决的 “ 白云岩问题” 。经过近200年的探索和研究, 多代沉积学家对 “ 白云岩问题” 的探索和研究所取得的许多创新性认识, 不但具有鲜明的时代特色, 而且为进一步研究奠定了坚实的基础。由早期的白云岩属于蒸发岩的认识到后来的原生白云岩和次生白云岩的划分, 从白云石化作用的多重模式到热液白云岩和拟晶白云石化作用的提出, 从有机成因白云岩到微生物白云石(岩)模式的建立等等, 虽然已经取得了许多引人注目的研究成果, 特别是近年来对与微生物新陈代谢作用相关的白云石沉淀机理的认识更进一步开阔了研究思路, 但是, 沉积学中的 “ 白云岩问题” 还远未得到圆满解决, 还需要采用更广阔的视野, 利用更深刻的物理学、化学和生物学理论与实践, 进行更细致深入的研究, 方能到达彻底解决 “ 白云岩问题” 的彼岸。