云深不知处——白云石成因之谜

白云石（方程式CaMg[CO3]₂），在理想条件下是一种非常简单和优雅的矿物。说它简单是因为它只含钙离子、镁离子和碳酸根离子三种组分；说它优雅是因为三种组分排列非常有序，即钙离子层和镁离子层交替出现，中间隔着碳酸根离子层（图一）。虽然常见的白云石因含铁等杂质而呈灰色，风化后呈褐色，但是纯净的白云石在手标本上为云彩一样的白色（图二），从这点来说，称它为白云石还真是名副其实。

图一：理想的白云石的晶体结构。请注意，垂直于C轴，钙离子层、碳酸根离子层和镁离子层交替出现。（Warren 等，2000）

图二：白云石标本。（图片来源于矿物网，作者晴朗梦石，http://www.qqhuashi.com/forum. php?mod=viewthread&tid=31504&highlight=%B0%D7%D4%C6%CA%AF）

白云石不仅好看，还很有用。一块岩石若白云石的含量超过75%，则被成为白云岩。白云岩广泛用于建材、陶瓷、焊接、橡胶、造纸、塑料、等工业中，在农业、环保、节能、药用及保健等领域也得到了应用。比如它可以用作熔剂、耐火材料、提炼金属镁和镁化物；经适当煅烧后，可加工制成白云灰，它具洁白、强粘着力、凝固力及良好的耐火、隔热性能，适于做内外墙涂料；可以用作土壤酸度的中和剂，亦可中和因使用尿素一类肥料而造成的酸性，使农作物增产。在能源及矿产资源领域，白云岩是油气资源重要的储层，也经常和一些热液成因矿物共生。

但是，就是这么简单和有用的矿物，它的成因却成为学术界200多年的未解之谜。甚至针对它的成因，学术圈还有专门的术语，“白云石问题”（Fairbridge, 1957)，来形容它。“白云石问题”，短短5个字，在它200多年的研究历史上，有着数不清的辛酸泪。其中最经典的恐怕要数Land于1998年发表的文章《Failure to Precipitate Dolomite at 25 ℃ from Dilute Solution Despite 1000-Fold Oversaturation after 32 Years》，翻译成中文是“尽管溶液对白云石的过饱和度超过1000倍，但32年后我们仍没有在25℃条件下从中沉淀出白云石”。一个实验坚持做了32年是什么概念呢？人生又有几个32年？但白云岩的成因之谜并没有因此对这些有信仰的科学家给予怜悯。时至今日，我们对其成因所知仍然有限。

那么，白云石的成因究竟有什么独到之处？

首先，地质科学发展过程中最基本也是最主要的方法之一，将今论古法，在研究白云石成因问题上几乎是行不通的。因为白云岩在古老地质历史时期的碳酸盐岩台地中广泛分布，但在现代如全新世的沉积物中分布却很少。古代白云岩最著名的代表是多洛米蒂山脉，位于于意大利东北部，核心保护面积1359.11km²，3000m以上的山峰多达18座之多。整个多洛米蒂山主要都是由白云岩构成，由于白云石的洁白无瑕，此山又名“白山”（图三）。像这种厚层的白云岩在古老地层中并不缺乏，但相对而言，现代/全新世沉积物中，白云岩不仅少见，规模还很小。那么，通过这些局部的、小型的白云岩建立的成因模型，无法解释地质历史时期相当一部分大规模发育的厚层白云岩的成因，几乎是现代沉积学家达成的共识。

图三：意大利的多洛米蒂山，是全世界知名的旅游度假胜地，被称作“上帝遗留在阿尔卑斯的后花园”。（手机摄于2016年10月）

其次，既然“将今论古”行不通，大家把目光转向了实验法，即通过模拟地表条件（常温常压条件）人工合成白云石，以了解白云石的成因。从实验角度理解白云石形成，十分简单：一种是沉淀，即溶液中的镁离子、钙离子和碳酸根离子直接沉淀成白云石；另一种是置换，即溶液中的镁离子置换碳酸钙中的钙离子生成白云石。然而200多年内，无数实验的结局如上文中提到的Land的实验结局一样，至今没人能不借助中介物质（如微生物、有机质等）在近地表条件下（温度20-30℃，压力1atm）成功合成白云石。这些失败让白云石的成因更加诡异，因为现在人们已经知道，白云岩生成的离子来源主要是海洋，而现代海洋对白云石来说是十到百倍过饱和的，其中却很少有白云石沉淀。有人猜测造成这种现象的原因是海洋的化学成分在地质历史时期是变化的。这个猜测遭到很多争论，因为没人能证明是海洋化学成分的改变引起了白云石古今生成量的差异，还是白云石生成量的差异改变了古今海洋的化学成分。于是，沉积学家关于白云石成因达成的另一个共识或许是，白云石的生成存在动力学的约束，但目前对于这方面的了解仍很有限。

近些年来，关于白云石成因比较热门的进展或许是“微生物白云岩”模式的提出（Vasconcelos and McKenzie, 1997）。其大致原理是通过有机质/微生物做中介，溶液中在亚微米尺度内先沉淀出高镁方解石和钙白云石的晶核，这些晶核随着时间增长而变得有序如镁钙离子比近1:1以及各离子层交替出现，从而成为白云石。这个模型及后来人们对它的发展不仅被用来解释一些现代沉积物中白云石的成因，还促进了微生物培养实验在地表常温常压下沉淀白云石的发展。这无疑对解决白云石沉淀的问题开辟了新天地。然而，也有一些学者表示，这些所谓的“微生物白云石”和地质历史上白云石还有很大差距，重新审视它们的矿物学特征发现，它们中绝大部分是高镁方解石、原白云石、水菱镁矿或钙镁磷酸盐（Gregg等，2015；Kaczmarek 等, 2017）。但这种争议并不能否认，白云石可能是通过亚稳定的先导体克服一个很长的诱导期而形成的；而之所以现代沉积物中很少发现白云石以及实验室在近地表条件下不能合成白云石，不过是由于时间还没有超过这个诱导期。

白云岩成因之谜，究竟会走向何处，至少目前看来我们不得而知。或许就如Land在他文章最后说的，“只有时间能告诉我们，这种新假说是否能指引我们更接近真相，还是会向之前的假说一样半路翻车。但沿着这条长又崎岖的道路，车轮仍在缓缓旋转，而我们终究会到达终点”。