貴州紫云上石炭統(tǒng)葉狀藻礁灰?guī)r的成巖作用①

孫寶亮 鞏恩普 李金梅 關長慶 張永利

(1.東北大學地質系 沈陽 110004;2.有色金屬華東地質勘查局 南京 210007)

貴州紫云上石炭統(tǒng)葉狀藻礁灰?guī)r的成巖作用①

孫寶亮1鞏恩普1李金梅2關長慶1張永利1

(1.東北大學地質系 沈陽 110004;2.有色金屬華東地質勘查局 南京 210007)

貴州紫云縣猴場鎮(zhèn)扁平村的上石炭統(tǒng)中的葉狀藻礁及其周邊灰?guī)r中發(fā)育強烈的成巖作用和膠結物,這些膠結物在猴場研究區(qū)內是顯著的和有代表性的。通過觀察、分析野外露頭、光片、薄片、薄片的陰極發(fā)光和染色,來研究礁體巖石的成巖作用,確定了成巖作用序列、成巖環(huán)境、成巖階段。成巖作用類型主要有泥晶化、溶蝕、膠結、新生變形、機械壓實、剪切或高溫重結晶、構造破裂作用等。早成巖階段的成巖作用有輕微壓實、溶蝕作用和在礁灰?guī)r成巖過程中發(fā)揮了至關重要的作用的膠結作用。膠結作用提供了大量的微亮晶、斑塊狀亮晶方解石、放射纖維扇狀膠結物,構成了巖石骨架從而決定巖石的最終形態(tài)。表生成巖階段,強烈的溶蝕作用形成大的晶洞孔隙或通道孔隙,后被潛流的等厚環(huán)壁柱狀膠結物所充填。中、晚成巖階段,接近封閉狀態(tài)的孔隙被等厚環(huán)壁刃狀膠結物和粗粒的等粒亮晶方解石膠結物充填,使礁灰?guī)r孔隙度接近零;先成的膠結物被熱液改造,使有機質含量和顏色發(fā)生變化而結構不變;小部分先成膠結物形成鑄模后被充填。在后生作用階段發(fā)生構造破裂作用。葉狀藻礁灰?guī)r的孔隙系統(tǒng)較早被充填,是其沒能成為油氣儲集層的原因之一。在南盤江盆地內可能只有在后生作用階段形成大且連通的孔隙的灰?guī)r才能成為油氣儲集層。

成巖作用膠結作用 葉狀藻礁 上石炭統(tǒng) 扁平村

0 引言

滇黔桂地區(qū)中-古生界海相新區(qū)是我國南方重要油氣資源戰(zhàn)略接替區(qū)[1]。該區(qū)自1956年開始進行油氣勘探至今,除在四川盆地找到豐富油氣儲量外,其他廣大地區(qū)尚未取得實質性勘探突破[1,2]?？紫缎徒笧┫嗷?guī)r是重要儲層之一[2]。早在1958年就已發(fā)現貴州存在生物礁的線索,1970年以來,多部門、多單位都對生物礁做了大量研究工作[3,4]。其中對油氣勘探有實際意義的是中三疊統(tǒng)、上二疊統(tǒng)、中泥盆統(tǒng)的生物礁沉積[2]。在南盤江盆地的生物礁及裂縫等特殊儲層是近期主要的評價與預測研究內容[1]。

石炭紀的生物礁全球發(fā)育的不好,對其研究更是薄弱。2001年以來,鞏恩普教授課題組開展對黔南地區(qū)石炭紀生物礁的研究工作,發(fā)現了多種類型的石炭紀生物礁,扁平葉狀藻礁就是其中之一。扁平葉狀藻礁灰?guī)r含大量各類型膠結物在猴場研究區(qū)內是顯著的和有代表性的,對礁灰?guī)r的成巖作用的研究能使我們重構成巖歷史和孔隙演化過程,這是葉狀藻礁研究的重要組成部分,也能為南盤江盆地內油氣的運移成藏的研究提供幫助,有重要的理論和一定的經濟意義。

本文通過觀察、分析野外露頭、百余個光片、40個薄片[5,6]、22個薄片的陰極發(fā)光和染色[7,8],研究礁體巖石成巖作用。經染色法確定碳酸鹽中的礦物幾乎都是方解石。

對于巖石學者來說陰極發(fā)光顯微技術已經成為重要且被廣泛應用的工具,陰極發(fā)光為研究沉積巖提供一種全新的視角。陰極發(fā)光儀通過電子束轟擊礦物晶體使其發(fā)光,對于碳酸鹽礦物來說Mn2+和三價的稀土元素離子是最重要的外源激活劑,Fe2+是碳酸鹽礦物陰極發(fā)光的猝滅劑。碳酸鹽礦物的陰極發(fā)光性質反應了Fe和Mn離子的空間分布,從而形成分區(qū)的碳酸鹽膠結物的陰極發(fā)光巖石學概念,它主要應用于觀察解釋成巖階段、重構成巖事件、解釋成巖歷史等。

1 地質背景與礁體特征

貴州紫云縣猴場鎮(zhèn)的上石炭統(tǒng)位于揚子地臺南緣,地層分區(qū)屬華南區(qū)滇-黔-桂分區(qū),黔南-桂北-滇東南小區(qū)[9]。該區(qū)石炭-二疊紀地層連續(xù)沉積,屬開闊臺地邊緣沉積環(huán)境[10,11]。晚石炭世-二疊紀是文石海[12,13],在低緯度區(qū)的南盤江盆地[14,15]沉積的碳酸鹽礦物以文石為主。猴場鎮(zhèn)位于南盤江盆地的中北部。南盤江盆地經歷的構造變動多,特別是印支-燕山期以來的構造變動,對古生代盆地進行了反復改造,使原有盆地面貌徹底解體[16～18]。頻繁的構造變動使晚古生代的南盤江盆地存在多期次的巖溶作用[19]。在黔南石炭-二疊系的層序地層格架中,石炭系馬平組對應較高位的相對海平面[10,11,20～22],發(fā)育有海侵體系域和高水位體系域[22],后續(xù)相對海平面的變化驅動了孔隙流體化學組分的改變,并依次控制了碳酸鹽早期礦物穩(wěn)定化和和孔隙演化[23]。

猴場鎮(zhèn)以西約4 km的扁平村以南發(fā)育一個石炭紀馬平期的葉狀藻礁。礁體總體形態(tài)為低起伏的丘狀,規(guī)模較大寬55 m厚18 m[24～27]。層狀或丘狀的以葉狀藻片等生物碎屑為骨架的含大量的同心的黑、白、灰色等厚環(huán)壁(是指在原生或次生孔隙壁上生長的等厚膠結物層)膠結物和葡萄狀膠結物的膠結巖[28]作為礁體的造架部分,和作為其基底或充填于其間的生物碎屑粒泥灰?guī)r或泥粒灰?guī)r,交錯疊置形成葉狀藻礁。扁平葉狀藻礁灰?guī)r以高生物含量和多生物種類及大量膠結物為顯著特征,其中大量的各類膠結物猴場研究區(qū)內是顯著的和有代表性的。

2 成巖作用與成巖階段

成巖作用是指沉積物脫離沉積環(huán)境在變質作用前隨時間發(fā)生的物質成分或結構構造的改變,沉積物經歷不同成巖環(huán)境即不同成巖階段發(fā)生不同的成巖作用。每一時刻巖石都受到一或幾種成巖作用的塑造。

筆者在野外、光片、薄片及薄片的陰極發(fā)光和染色的觀察的基礎上,確定扁平葉狀藻礁及其周邊灰?guī)r經歷的成巖作用主要有泥晶化、膠結、新生變形、機械壓實、溶蝕、剪切或高溫重結晶、構造破裂作用(圖1)。其中膠結、溶蝕、新生變形作用作用時間長,表現形式多樣.athurst解釋Folk提出的新生變形作用為:包括同質多象轉變和重結晶作用和進變新生變形作用(細粒嵌晶被粗粒嵌晶交代)[29],它的產物是方解石化和晶體變大。并且Bathurst認為上述的重結晶作用的程度沒有達到剪切或高溫所造成的那種重結晶的程度[29]。

經過觀察和分析理出這些成巖作用發(fā)生的時間序列,并主要根據《碳酸鹽巖成巖階段劃分》[30],以巖石學標志、次生孔隙類型為依據,劃分出扁平葉狀藻礁灰?guī)r所經歷的各成巖環(huán)境和成巖階段。下面將依序描述各成巖階段發(fā)生的成巖作用的特征。

2.1 淺海海底同生成巖階段

同沉積的淺海海底的成巖作用主要有泥晶化、膠結作用如下述,新生變形作用也在沉積物與海水界面下開始發(fā)生。

圖1 扁平葉狀藻礁灰?guī)r各成巖階段發(fā)生的成巖作用Fig.1 Paragenetic pathway of the diagenetic events records in the phylloid algal reef limestone

扁平葉狀藻礁在不同大小的孔隙中形成不同的膠結物。葉狀藻片豐富的沉積物由于藻片支撐和生物結殼及微晶膠結作用[13]而存有大的孔隙和高的孔隙度,腕足殼、葉狀藻片、苔蘚蟲等生物碎屑有淡泥晶套(輕微泥晶化作用)或微生物結殼?？紫吨行纬傻群癍h(huán)邊針狀膠結物、葡萄狀膠結物。含葉狀藻片較少的生物碎屑粒泥和泥粒沉積物孔隙度低且滲透性差,孔隙里形成微晶膠結物(圖2),微晶膠結物與泥晶套和沉積灰泥等無大差別,又經后期的作用而不易識別。

海底碳酸鹽包括灰泥、生物殼(除海百合片,腕足殼和易成鑄模的殼體外)及生物結殼、泥晶套、微晶膠結物的陰極發(fā)光通常是暗紅色。

等厚環(huán)邊針狀膠結物[28,31]形成時可能是纖維文石,從由塵點狀包裹體連成的邊界看針狀纖維細直,寬度小于10μm,長度與寬度之比大于6∶1(圖2、3、5、6,圖版Ⅰ-1),經歷新生變形作用后變成較大方解石晶體[13,32～34],成模糊的刃狀或犬牙狀,陰極發(fā)光為深黑藍色。等厚環(huán)邊針狀膠結物常見在葉狀藻片及苔蘚蟲上、腕足殼內生長。

圖2 以海底的葡萄狀膠結物為主的膠結巖(光片)膠結物序列是:海底環(huán)境葉狀藻片有結殼或泥晶套且被微晶膠結(Ⅰ),葡萄狀膠結物(b),等厚環(huán)邊針狀膠結物(a);淡水潛流的等厚環(huán)壁柱狀膠結物(e);深埋藏的等厚環(huán)壁刃狀和等粒亮晶方解石膠結物(g),埋藏環(huán)境的被改造的膠結物(h).Fig.2 The cementstone consists predominantly of sea-floor botryoidal cement(polished slab) The sequence of cements is as follows:in the sea-floor environment, phylloid algal fragment(Ⅰ)commonly encrusted or surrounded by micrite envelopes and cemented bymicrite,botryoidal cement(b), isopachous acicular cement(a);in the meteoric phreatic environment,the isopachous layers of columnar cement(e)with the growth banding of light and dark;in the burial setting,isopachous bladed cement and coarse equant calcite spar(g),preexisting cements(h) altered.

葡萄狀膠結物是由緊密放射狀排列的針狀纖維形成的半球形或扇形的礦物集合體(圖2、4)。從由塵點狀包裹體連成的邊界能看出針狀纖維細直,呈放射狀排列,寬度小于10μm,長度與寬度之比大于6∶1,經進變新生變形作用后,已變成較大晶體方解石,塊狀消光,陰極發(fā)光為黑色。葡萄狀膠結物扇形態(tài)好,半徑可達3～4 mm,不同扇間有競爭生長關系,常見在葉狀藻片間孔隙、生物殼腔等較大空間里生長(圖4)。在扁平葉狀藻礁灰?guī)r中葡萄狀膠結物是常見的,是形成膠結巖的主要膠結物之一(圖2)。

圖3 等厚環(huán)壁柱狀膠結物豐富的膠結巖(光片)由葉狀藻片、腕足等生物碎屑經海底結殼和膠結作用構成格架.右上一個腕足殼內有灰泥(Ⅰ)和膠結物的示頂底構造.膠結物序列是:海底的等厚環(huán)邊針狀膠結物(a);淡水潛流的有明暗生長帶的等厚環(huán)壁柱狀膠結物(e);深埋藏的等厚環(huán)壁刃狀(f)和等粒亮晶方解石膠結物(g)Fig.3 The cementstone rich in the isopachous layers of columnar cement(polished slab) Bioclasts such as phylloid algal,brachiopod encrusted and cemented in the sea-floor environment form framework.A brachiopod shell (top right)is filled with geopetal sediment(Ⅰ)and roofed by cements.The sequence of the cements isas follows:marine isopachous acicular cement(a);meteoric phreatic isopachous columnar cement (e)with concentric,various gray growth-layering;burial isopachous bladed cement(f),and coarse equant calcite spar(g)

2.2 早成巖階段

早成巖階段是指沉積物被埋藏并脫離海水、大氣水和混合水的影響之后,在淺埋藏環(huán)境(海底之下幾米至幾十米[28,35])中固結成巖。其中的成巖作用有:膠結、機械壓實、新生變形、溶蝕作用等。

海水埋藏成巖作用的組構(如斑塊狀亮晶方解石膠結物、鑄?？住⑿律冃魏臀⒘辆У?可以和大氣水成巖作用具有相似性[36～39]。微亮晶能作為膠結物形成于大氣水和淺埋藏成巖環(huán)境,而不僅僅是象被廣泛接受的解釋那樣微亮晶是微晶進變新生變形的產物[38]。

2.2.1 機械壓實作用

泥?；?guī)r中在大的海百合莖片周圍的顆粒定向排列與海百合莖片的外表面漸趨于平行,是機械壓實作用的體現,但幾乎沒有生物碎屑被機械壓碎現象。由于層狀和丘狀的葉狀藻片豐富且海底膠結作用強烈的巖化區(qū)起到支撐作用,所以葉狀藻礁整體只有較輕的機械壓實現象,使沉積物顯得顆粒含量略有提高。

2.2.2 溶蝕作用

溶蝕作用產生鑄模孔隙和非組構選擇性的孔隙,例如形成圓斑狀網格(海綿)狀孔隙,被微亮晶充填,甚至Tubiphytes的黑壁也是如此(圖4)。

2.2.3 膠結作用

碳酸鹽巖膠結作用的大部分發(fā)生于淺埋藏環(huán)境[40]。早成巖階段的膠結作用在葉狀藻礁灰?guī)r成巖過程中發(fā)揮了至關重要的作用,為提供大量膠結物和構成了巖石骨架從而決定巖石的最終形態(tài),使灰?guī)r孔隙度大為降低。粒間孔沉淀斑塊狀亮晶方解石膠結物和微亮晶,這兩種膠結物的含量在礁灰?guī)r中含量高,陰極發(fā)光黑紅色。

圖4 溶蝕作用和各種膠結物(正交偏光)成巖事件序列是:殼體內生長海底的葡萄狀膠結物(a);淺埋藏的溶蝕作用形成圓斑網格(海綿)狀孔隙(Ⅰ),甚至Tubiphytes的黑壁(白箭頭)也是如此,淺埋藏的放射纖維扇狀膠結物(c);深埋藏的亮晶方解石膠結物(g),有些膠結物(h)被改造Fig.4 Dissolution and cements(cross-polarized light) The sequence ofdiagenetic events isas follows:marine botryoidal cement(a)formed within a shell;in a shallow burial setting,dissolution accounted for the formation of dot reseau-like porosity(Ⅰ),so did even black wallof Tubiphytes(white arrows),shallow-burial botryoidal cement(c);deep-burial coarse equant calcite spar(g), preexisting cement(h)altered in the burial setting

淺埋藏環(huán)境里易識別的膠結物是位移性的放射纖維扇狀膠結物[34],也可以稱為是葡萄狀膠結物[41](圖4),但與海底的葡萄狀膠結物扇的區(qū)別在于:①扇由兩種寬度的放射纖維組成,一種是針狀纖維不太直寬度小于10μm,另一種是柱狀纖維寬度大于10 μm小于30μm;②扇的生長受空間限制不能長成一個形態(tài)好的圓弧;③多數扇的角度和半徑要小,半徑在1.2～3.6 mm間,角度在30°～150°之間。相鄰的放射纖維扇間有競爭生長關系。有的標本顯示放射纖維扇狀膠結物含量非常高,可達到整個薄片面積的1/3～1/2(圖4)。

2.3 表生成巖階段

處于早成巖階段的扁平葉狀藻礁灰?guī)r在淺埋藏之后,因地殼運動抬升或海平面下降,暴露及接近地表的成巖環(huán)境,這時期稱為表生成巖階段;葉狀藻礁灰?guī)r經歷了大氣淡水的新生變形、溶蝕、膠結作用。

在Moore總結的淡水潛流含水層成巖模型中,在補給區(qū)的淡水滲流或潛流環(huán)境中不飽和淡水對碳酸鹽沉積物和巖石主要是溶蝕作用,在有些部位形成較大的洞穴次生孔隙;在下流方向當淡水對方解石飽和后,淡水潛流環(huán)境的成巖作用主要是方解石膠結作用[23]。

2.3.1 新生變形作用

海底碳酸鹽包括灰泥、生物殼(除海百合片,腕足殼和易成鑄模的殼體外)及生物結殼、泥晶套、微晶膠結物的陰極發(fā)光通常是暗紅色,與后續(xù)的海底膠結物和淺埋藏膠結物的陰極發(fā)光各不相同。

晚石炭世是文石海,海底文石、高鎂方解石沉積和微晶膠結物在經歷了淺埋藏和淡水成巖環(huán)境中新生變形作用轉為方解石后就比較穩(wěn)定而不易變化[29,36～39]。由于不同時的膠結物陰極發(fā)光各具特色,并且同時形成的沉積物或膠結物在區(qū)域范圍內陰極發(fā)光具有一致性,說明它們雖然經歷了同一新生變形過程,但沒有顯著改變其原始的陰極發(fā)光色,新生變形作用是在接近溶液膜形式下發(fā)生的,新生方解石中發(fā)光激活劑Mn2+和三價的稀土元素離子,和猝滅劑Fe2+的含量沒有明顯變化。

2.3.2 溶蝕作用

肉眼即可觀察到由同心的等厚環(huán)壁柱狀膠結物勾勒出的晶洞或通道孔隙是相連通的復雜的網絡系統(tǒng),廣泛分布于葉狀藻礁內。一些包括葉狀藻片在內的細條狀的東西看來是散布的和漂浮狀的,實際是已被早期膠結物連成枝狀的(圖3、5、6、圖版Ⅰ-1)。單個孔隙的截面為彎曲的長條形或幾個彎曲的長條形的組合。微觀看到有伸長形或海岸線形狀的較大晶洞或通道孔隙

這些晶洞或通道孔隙規(guī)模大且非組構選擇符合淡水溶蝕的特征,應當是繼承了遮蔽孔或粒間孔等原生孔隙的溶解加大的次生孔隙。

2.3.3 膠結作用

相連通的大的孔隙系統(tǒng)壁上形成同心的多層的黑、白、灰的等厚環(huán)壁柱狀膠結物[31,42～48](圖2、3、5、6)。同心的不同灰度的等厚環(huán)壁柱狀膠結物層,反應了孔隙系統(tǒng)中的水化學條件的不斷變化,黑色的含有較高瀝青成分。在有同心的等厚環(huán)壁柱狀膠結物的孔隙中心發(fā)育示頂底構造,其下部的沉積物是粉砂,上部覆蓋的是亮晶方解石膠結物,兩者的界面平直。

圖5 膠結物豐富的礁灰?guī)r(光片)經溶蝕作用形成的非組構選擇性孔隙(左下角).葉狀藻和其他生物殼一般有結殼或泥晶套(Ⅰ),凹面?zhèn)扔姓戏e的灰泥.膠結物序列是:海底的等厚環(huán)邊針狀膠結物(a);淡水的有明暗生長帶的等厚環(huán)壁柱狀膠結物(e);深埋藏的粗粒亮晶方解石膠結物(g),被改造的膠結物(h)Fig.5 The reef limestone rich in cements(polished slab) Secondary non-fabric selective porosity(bottom left corner)is created by dissolution.Phylloid algal fragments and other bioclasts commonly were encrusted or surrounded bymicrite envelopes(Ⅰ),carbonate mud was baffled in their concave side.The sequence of cements is: marine isopachous acicular cement(a);meteoric isopachous columnar cement(e)with concentric,various gray growth-layering;burial coarse equant calcite spar(g),preexisting cements(h)altered

構造裂縫孔隙壁上生長多層等厚環(huán)壁柱狀膠結物,構造角礫內有早成的等厚環(huán)壁柱狀膠結物,說明等厚環(huán)壁柱狀膠結作用是多期次的(圖6)。

柱狀膠結物就是Kendall所定義的有波狀消光和直的雙晶面的放射纖維[44,49]。柱狀晶體長度與寬度之比大于6∶1[43],寬0.12～0.3 mm,長1.8～3 mm (圖版Ⅰ-1),陰極發(fā)光為深藍黑色。不同層間不整合疊置或以微晶層隔開的整合疊置經研究認為在扁平葉狀藻礁灰?guī)r中,最顯著的且含量較高的等厚環(huán)壁柱狀膠結物,在有的標本中可以達到薄片面積的50% ～60%,就是在下流方向的淡水潛流環(huán)境下形成,是形成膠結巖的另一種主要膠結物。

斑塊狀亮晶方解石膠結物通常沉淀于伸長形或海岸線形狀的較大晶洞孔隙和粒間孔隙,陰極發(fā)光藍黑色,與早成巖階段的比較難區(qū)別。與柱狀膠結物相比斑塊狀膠結物形成于更慢速度和更低飽和度的水流中。

圖6 淡水潛流的構造裂隙和膠結物(光片)成巖事件序列是:海底的等厚環(huán)邊針狀膠結物(a);大的構造角礫(Ⅰ)內有先成淡水的等厚環(huán)壁膠結物(e);淡水潛流的有不同灰度的等厚環(huán)壁柱狀膠結物(e);深埋藏的等厚環(huán)壁刃狀膠結物(f)和粗粒的亮晶方解石膠結物(g)Fig.6 Tectonic fracture and cements formed in the meteoric phreatic environment(polished slab) The sequence of diagenetic events is as follows:marine isopachous acicular cement(a);preexisting meteoric isopachous columnar cement(e)in large angular fragments;meteoric isopachous columnar cement(e)with concentric,various gray growth-layering;burial isopachous bladed cement(f),and coarse equant calcite spar(g)

2.4 中、晚成巖階段

中、晚成巖階段大致發(fā)生于中-深埋藏成巖環(huán)境。扁平葉狀藻礁灰?guī)r的成巖作用主要有溶蝕、膠結、新生變形、可能剪切或高溫重結晶作用,幾乎沒有化學壓溶現象出現。

2.4.1 常見的溶蝕、膠結作用

在生物碎屑粒泥灰?guī)r和泥?；?guī)r中溶蝕作用形成邊界清晰的圓形、伸長的晶洞孔隙,沒有或微弱被一向伸長的膠結物(針狀、柱狀、刃狀)環(huán)壁生長,而被清透的粗粒晶簇或斑塊狀亮晶方解石膠結物所充填。一些早期孔隙的中心部位也被粗粒晶簇或斑塊狀亮晶方解石膠結物所充填,例如淡水溶蝕的晶洞或通道孔隙、遮蔽孔、粒間孔的中心部位,它們的陰極發(fā)光為黑色,中有黑紅色規(guī)則環(huán)帶,為金字塔或菱形。這種膠結物符合“深埋藏環(huán)境以形成等厚環(huán)壁刃狀膠結物和粗粒的等粒亮晶方解石為特征”[35]的結論。

中、晚成巖階段的孔隙接近封閉狀態(tài),流入流出的流體少,結晶緩慢,所以更易形成清透的粗粒亮晶方解石膠結物(圖版Ⅰ-1)。埋藏膠結作用使礁灰?guī)r孔隙度接近零

2.4.2 有機質參與的溶蝕、膠結作用

有些在淺埋藏時形成的放射纖維扇狀膠結物顏色變黑,含較高的瀝青,并且放射纖維扇內有溶蝕孔,內充填粗粒亮晶方解石膠結物。從手標本看放射纖維扇外部的同心等厚環(huán)壁柱狀膠結物大部分變白,而結構沒變化,與灰色的部分連續(xù)。一般充填洞穴中心的膠結物未變色。這種情況比較常見。

形成上述現象原因可能是:先成的膠結物在深埋藏環(huán)境里被熱液改造。在熱液的作用下,孔隙度較大的灰色等厚環(huán)壁膠結物重結晶形成結構沒變化而雜質含量少的白色同類膠結物(圖2、4),其中的微孔隙被方解石充填。熱液使葡萄狀膠結物扇產生溶蝕孔,熱液攜帶少量的有機質滲透,有機質在小孔隙和死端孔隙滯留下來,使葡萄狀膠結物扇和一些生物碎屑中有較高的瀝青含量,顏色變黑。

2.4.3 形成先成膠結物鑄模的溶蝕、膠結作用

先成的等厚環(huán)壁刃(或柱)狀膠結物明顯被溶解形成鑄模,這種溶蝕、膠結作用是一種很少見的情況。鏡下觀察,相鄰的刃(或柱)狀膠結物(橫切面為蜂窩狀)界線是亮線條,它由兩側的粗細不均的黑線勾勒出來,這種黑線是刃(或柱)狀膠結物形成鑄模后沉淀的微晶層(圖版Ⅰ-2)。后充填鑄模的亮晶方解石膠結物羽毛狀消光,陰極發(fā)光為藍黑色。同時溶蝕成的晶洞孔隙也被上述的亮晶方解石膠結物充填。并且有陰極發(fā)光為亮橙色網格狀脈浸染,反映了熱液溶蝕和結晶的特點。

與鑄模被充填同時,新形成的放射纖維扇狀膠結物和刃狀膠結物,破壞等厚環(huán)壁刃(或柱)狀膠結物的底質等厚環(huán)邊針狀膠結物(圖版Ⅰ-3)。

2.4.4 新生變形作用或高溫重結晶作用

礁灰?guī)r多數已亮晶化,少數標本中生物碎屑輪廓變模糊而不易識別,巖石經歷了進變新生變形或剪切和高溫重結晶作用。

2.5 后生(后成)作用階段

后生(后成)作用是指沉積物固結成巖之后到遭受變質或再次風化之前所發(fā)生的變化[50,51]。在扁平葉狀藻礁灰?guī)r中觀察到的后生作用主要是剪切和高溫重結晶、構造破裂作用,和個別的化學壓溶現象。剪切和高溫重結晶作用使礁灰?guī)r略大理巖化和產生雙晶。構造破裂作用是指碳酸鹽在固結成巖后,在由于受到構造應力作用下,巖石中發(fā)育規(guī)模、大小不同的構造裂隙,后被礦物質半充填或全充填[52]。

2.5.1 在淺部(氧化還原界面附近)滲流和潛流環(huán)境的構造破裂作用

圖版Ⅰ-4展示的標本體現了典型淺部的構造破裂作用,這種情況少見。通過對它的觀察建立了一個比較復雜的成巖作用序列如下:在張性構造裂隙內,有大小混雜堆積的黑灰色和少量紅褐色構造角礫,可以看出它們是礁灰?guī)r埋藏成巖后的。⑴滲流環(huán)境下,角礫間孔隙被奶白色和灰色方解石所膠結,同時少數小角礫被白色和灰色同心膠結物層包圍形成滲流豆粒;后沿裂隙壁和剛成的細裂隙壁生長等厚環(huán)壁膠結物,上有含紅褐色含Fe2O3的微晶層沉淀。⑵裂隙喉道堵塞后形成的洞穴下部沉積異地來源的小礫石和紅褐色含Fe2O3晶體粉砂,層理比較明顯,向上顆粒變細,指示這時是氧化的滲流環(huán)境。⑶上部的洞穴被等厚環(huán)壁刃狀膠結物和粗粒亮晶方解石膠結物充填,表明成巖環(huán)境已轉為還原的潛流和埋藏環(huán)境。

2.5.2 在深部環(huán)境的構造破裂作用

多數情況是在深部環(huán)境構造裂隙被白色、綠色粗粒的刃狀和等粒的亮晶方解石膠結物充填。其中一小部分裂隙的中間部位充填瀝青,或以條塊狀存在,或賦存于粗粒方解石晶間孔隙。構造裂隙內的角礫和壁上的灰?guī)r有的由于隨熱液而來的有機質的滲入而變黑(圖版Ⅰ-5)。

3 方解石的雙晶特征及其指示意義

Ferrill和Burkhard認為:方解石的雙晶寬度與形成溫度之間存在緊密正相關關系,并且雙晶形態(tài)發(fā)生顯著變化是在170～200℃間,170℃以下形成薄的雙晶(厚度≤1μm),厚的雙晶(厚度?1μm)形成在超過200℃的溫度下[53～56]。

扁平村葉狀藻灰?guī)r的粗粒方解石膠結物中的雙晶的厚度普遍遠大于1μm(圖版Ⅰ-1、6),有些雙晶有彎曲交錯現象(圖版Ⅰ-6),即使在后生作用階段的亮晶方解石膠結物的雙晶寬度也是遠大于1μm的。這些雙晶形成于超過200℃的溫度下。

結合①南盤江盆地不同時期的古地溫梯度[57]和②雙晶形成溫度超過200℃的結論,確定葉狀藻礁灰?guī)r的可能埋深如下:泥盆紀、石炭紀超過5.7 km(31 ～35℃/km);二疊紀超過4.4～2.8 km(45～70℃/ km);中生代超過6.6 km(30℃/km);新生代超過7.1 km(28℃/km)。目前不確定方解石雙晶形成于何時,即使在地溫梯度最高的二疊紀,埋深也超過2.8 km。

在后生作用階段生成的亮晶方解石膠結物中的雙晶形成于超過200℃的溫度下,說明灰?guī)r經歷了一次超過2.8 km的深埋藏,如果不是在二疊紀,埋深會超過5.7 km。而后生作用是灰?guī)r在第一次深埋藏之后的經地殼抬升接近地表時發(fā)生的。所以葉狀藻礁灰?guī)r經歷了二次或以上的深埋藏過程,葉狀藻礁灰?guī)r代表的上石炭統(tǒng)灰?guī)r的埋深是頻繁變化的,印證了其它文獻的南盤江盆地地殼升降頻繁和經歷多次巖溶作用的結論[16～19]。

4 結論

(1)貴州紫云縣猴場鎮(zhèn)扁平村的上石炭統(tǒng)中的葉狀藻礁及其周邊灰?guī)r中廣泛發(fā)育強烈的成巖作用,成巖作用類型主要有泥晶化、溶蝕、膠結、新生變形、機械壓實、剪切或高溫重結晶、構造破裂作用等。其中膠結、溶蝕、新生變形作用作用時間長、強烈,表現形式多樣。

①淺海海底同生成巖階段,葉狀藻片豐富的沉積物由于生物結殼及微晶膠結作用而存有大的孔隙,其中生成等厚環(huán)邊針狀膠結物、葡萄狀膠結物;生物碎屑粒泥和泥粒沉積物孔隙度較低,孔隙里形成微晶膠結物。②早成巖階段的成巖作用有輕微壓實、溶蝕作用,和在葉狀藻礁灰?guī)r成巖過程中發(fā)揮了至關重要的作用的膠結作用。膠結作用提供了大量的微亮晶、斑塊狀亮晶方解石、放射纖維扇狀膠結物,和構造了巖石骨架從而決定巖石的最終形態(tài)。③表生成巖階段,強烈的溶蝕作用形成大的晶洞孔隙或通道孔隙,后被潛流的同心等厚柱狀膠結物環(huán)壁生長。至此,膠結作用使扁平村葉狀藻礁及其周邊灰?guī)r孔隙度大為降低,能抵抗壓實作用。④中、晚成巖階段,接近封閉狀態(tài)的孔隙被等厚環(huán)壁刃狀膠結物和粗粒的等粒亮晶方解石膠結物充填,使礁灰?guī)r孔隙度接近零;先成的膠結物被熱液改造,使有機質含量和顏色發(fā)生變化而結構不變;小部分先成膠結物形成鑄模后被充填。新生變形作用以接近溶液膜形式進行,基本不改變孔隙。⑤在后生作用階段發(fā)生構造破裂作用。少數裂隙有指示接近地表的氧化滲流環(huán)境的環(huán)壁紅褐色微晶層和滲流豆粒和紅褐色含Fe2O3晶體粉砂;多數裂隙充填了粗粒的刃狀和等粒的亮晶方解石膠結物,其中有的裂隙中間部位充填了瀝青。

(2)葉狀藻灰?guī)r的亮晶方解石膠結物中雙晶的厚度普遍大于1μm,包括后生作用階段的,雙晶形成溫度大于200℃。在后生作用階段葉狀藻礁灰?guī)r有一次深埋超過2.8 km,如果不是在二疊紀,深埋會超過5.7 km。上石炭統(tǒng)的灰?guī)r是在經歷了二次或以上的深埋藏過程,印證了其它文獻的南盤江盆地地殼升降頻繁和經歷多次巖溶作用的結論。

(3)葉狀藻礁灰?guī)r的孔隙系統(tǒng)較早被膠結,在第一次深埋藏過程中孔隙就幾乎被完全膠結,是此葉狀藻礁灰?guī)r沒能成為油氣儲集層的原因之一。南盤江盆地內可能只有在后生作用階段形成大而連通的次生孔隙的灰?guī)r才能成為油氣儲集層。

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Diagenesis of the Upper Carboniferous Phylloid Algal Reef Limestone in Ziyun County,Guizhou

SUN Bao-liang1GONG En-pu1LIJing-mei2GUAN Chang-qing1ZHANG Yong-li1
(1.Geology Department of Northeastern University,Shenyang 110004; 2.East China M ineral Exp loration and Development Bureau,Nanjing 210007)

The upper Carboniferous phylloid algal reef and circumjacent limestone has undergone intensive diagenesis in the Bianping Village of Houchang Town,Ziyun County,the cements,signs of the effect of the diagenesis,are prominent and representative in the region of Houchang Town.The diagenesis of phylloid algal reef limestone are studied in detail bymeans of rock outcrop and slab and thin section analysis and observation using polarisingmicroscope, alizarin red and potassium ferricyanide staining,cathodoluminescence.Diagenetic environments in the reef limestone are recognized,paragenetic sequences determined,diagenetic stages divided,and the diagenetic history reconstructed.Themain types of the diagenesis include micritization,cementation,neomorphism,physical compaction,dissolution,shear or high-temperature recrystallization,fracturing,etc.Among the processes,cementation,neomorphism, dissolution affect rock over a long time,intensively,having various appearances.During syndiagenetic stage,sediment rich in the fragments of phylloid algal thallihad high porosity and largely preserved shelter porosity,micritization and cementation occurs extensively,marine botryoidal cement and acicular cement grew in pores;whereas bioclastic wackestone and packstone sediment poor in the fragments of phylloid algal thalligenerally had low porosity and permeability,micrite cement grew in pores.There were light compaction and dissolution,and cementation that play a key role in the diagenetic process of the reef limestone,during early diagenetic stage.Cementation supplied a great deal cements,including blocky calcite spar and calcite microspar precipitated in small pores,and radiating cement fans grew in big pores.Cementation constructed rock framework,and consequently decided the features of the limestone rock.During epidiagenetic stag,vuggy or channel porosity was created by intensemeteoric dissolution in the recharge area;meteoric phreatic cements precipitated in downflow areas,including isopachous columnar cement,and equant and blocky calcite cement,isopachous columnar cement is volumetrically more abundant.So far the porosity of the reef limestone bad been reduced dramatically through early-stage cementation,so the reef limestone could preventmechanical compaction.During middle and late diagenetic stage,nearly occluded porosity was filled with isopachous bladed cement and coarse drusy or blocky calcite spar because of low rates of fluid influx and efflux,making total porosity in the reef limestone reduce to approximately zero.Preexisting cementswere altered on the hydrocarbon composition and color,but the crystal fabrics unaltered.The color of isopachous bladed to columnar calcite cement changed from gray to white,and the color of botryoidal cement becamemore blackish due to hydrocarbon infiltration.A little isopachous bladed to columnar calcite cementwere dissolved,leavingmouldic pores filled subsequently.Construction fracturing is one of themain types of diagenesis that took place during catagenesis stage.Rustymicrocrystalline layers containing Fe2O3lining thewall of some fractures,and vadose pisoids and ferrugineous crystal silt containing Fe2O3deposited at the bottom of the cavities formed in the tectonic fractures,indicate that they formed in oxidizing vadose environments.Most fractures are filled with white or green bladed cement and clear coarse sparry calcite cement,the middle part of some fractures is filled with bitumen block.Nearly all twins in calcite filling fractures are thicker than 1μm,therefore it can be derived that the thick twins deformed at the temperature above 200℃.o the phylloid algal reef limestone was again buried deeper than 2.8km during catagenesis stage.This indicates that the Nanpanjiang Basin has undergone frequent elevation-subsidence.Itmight be a reason for that the phylloid algal reef limestone did not become oil and gas reservoirs that the pores of the phylloid algal reef limestone were occluded by burial cement.Only limestone that has large interconnected secondary pores generated during catagenesis stage could become oil and gas reservoirs in the Nanpanjiang Basin.

diagenesis;cementation;phylloid algal reef;Upper Carboniferous;Bianping village

孫寶亮 男 1970年出生 博士 講師 沉積學 E-mail:sunbaoliang@mail.neu.edu.cn

P588.2

A

1000-0550(2012)01-0043-11

①國家自然科學基金項目(編號:40972004)資助。

2011-01-11;收修改稿日期:2011-04-02

圖版Ⅰ說明:1.葉狀藻(Ⅰ)和苔蘚蟲(Ⅱ)有泥晶套,外有海底的等厚環(huán)邊針狀膠結物(a),二者都被淡水溶蝕掉(白箭頭).后沉淀淡水潛流等厚環(huán)壁柱狀膠結物(e),剩余孔隙被深埋藏的晶簇狀亮晶方解石(g)所膠結(正交偏光).2.二條黑線(代表微晶層)(白箭頭)中間的亮線,是橫切面為蜂窩狀的等厚環(huán)壁刃(或柱)狀膠結物(e)的邊界(正交偏光加石膏試板).3.由新成的柱狀纖維(白箭頭)合并的刃狀膠結物(Ⅰ),破壞了等厚環(huán)壁刃(或柱)狀膠結物(e)的底質(正交偏光加石膏試板).4.構造破裂作用的充填序列:大小混雜堆積的構造角礫(Ⅰ),滲流豆粒(Ⅱ),等厚環(huán)壁柱狀膠結物(e2),紅褐色含Fe2 O3的微晶層(L),紋層狀紅褐色晶體粉砂(Ⅲ),等厚環(huán)壁刃狀膠結物(f2),亮晶方解石膠結物(g2)(光片).5.構造裂隙內的角礫(Ⅰ)和網狀方解石脈(Ⅱ)及裂隙壁(Ⅲ)上的變黑的群體珊瑚(Ⅳ).6.充填構造裂隙的亮晶方解石中的雙晶的寬度遠大于1μm(正交偏光加石膏試板).雙晶類型Ⅱ:板狀厚雙晶,形成溫度> 200℃;雙晶類型Ⅲ:彎曲的和透鏡狀的雙晶,形成溫度>200℃.