四川盆地西部中二疊統(tǒng)棲霞組晶洞充填物特征與熱液活動記錄*

黃思靜 蘭葉芳 黃可可 呂杰

1．油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都理工大學(xué)，成都 610059

2．成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院，成都 610059

1 引言

熱液環(huán)境是碳酸鹽巖最為重要的成巖環(huán)境之一，除碳酸鹽巖作為主巖的MVT鉛鋅礦床直接與熱液有關(guān)以外，相當(dāng)數(shù)量的白云巖儲層都具有熱液成因:如加拿大西部沉積盆地的泥盆系 Jean Marie 組(Wendte et al．，2006)、Swan Hill組(Davies and Wendte，2005)和密西西比系，加拿大東部和美國東北部密歇根和阿帕拉契盆地的奧陶系(局部有志留系和泥盆系)，美國南部的奧陶系，北亞特蘭大裂谷邊緣的侏羅系A(chǔ)benaki組(Wierzbicki et al．，2006)，加拿大不列顛哥倫比亞東北 Redknife組 Jean Marie段(Wendte et al．，2009)，美國內(nèi)華達(dá)古生界(Diehl et al．，2010)，西班牙的白堊系以及其他很多地方，熱液白云巖儲層形成了很多油氣田。在阿拉伯灣的二疊－三疊系和侏羅－白堊系，世界上最大的油田(沙特阿拉伯的Ghawar)和氣田(阿拉伯灣北部氣田)中已經(jīng)識別出了構(gòu)造控制的熱液白云巖。然而我國與之有關(guān)的研究仍然處于起步階段，仍有許多問題沒有解決，包括碳酸鹽地層中熱液記錄的識別、熱液白云巖的形成機制(如流體的溫度、鹽度、時間)和白云巖的溶解機制等，因而近年來一直為地質(zhì)學(xué)家所高度關(guān)注。

四川盆地西部中二疊統(tǒng)棲霞組主要分布于米倉山、龍門山北段，以厚約200m的淺灰白色塊狀灰?guī)r為主(夾白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，底部夾頁巖)，并與下伏的梁山組、上覆的茅口組呈整合接觸(四川省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1991)。早在30年前，人們就對四川盆地西部(也包括盆地周緣地區(qū))發(fā)育的中二疊統(tǒng)棲霞組白云巖(或白云石)進(jìn)行過初步的研究，如張蔭本(1982)、宋文海(1985)、陳明啟(1989)在早期的研究中分別提出了棲霞組白云巖為混合水白云化作用的產(chǎn)物。其后，不少學(xué)者基于各自的研究角度及所獲得的數(shù)據(jù)和資料，提出了不同的棲霞組白云巖成因機制，并逐漸注意到外來熱事件對棲霞組碳酸鹽巖、尤其是白云巖形成機制的影響，如何幼斌和馮增昭(1996)認(rèn)為埋藏白云化作用是形成白云巖的主要機制，但局部受到異常溫度條件或外來熱事件的影響;王運生和金以鐘(1997)提出這些白云巖是埋藏?zé)嵋汉突旌纤自苹饔玫慕Y(jié)果;黃思靜等(2012)通過對四川盆地西部中二疊統(tǒng)白云巖中的自生非碳酸鹽礦物進(jìn)行研究后，提出存在熱液蝕變作用;舒曉輝等(2012)認(rèn)為棲霞組頂部和茅口組底部的白云巖可能為巖漿熱液或經(jīng)歷了深循環(huán)的大氣降水所造成的熱液白云化作用所形成;郝毅等(2012)認(rèn)為川西北棲霞組豹斑灰?guī)r中的斑狀白云石可能與熱液有一定的關(guān)系;李波等(2012)認(rèn)為四川廣元地區(qū)棲霞組中的斑狀白云巖的形成是不同階段綜合作用的產(chǎn)物，并認(rèn)為熱液流體的注入是其中一個階段;陳軒等(2012)通過對川中地區(qū)棲霞組和茅口組的白云巖進(jìn)行了細(xì)致研究之后，認(rèn)為這些白云巖為構(gòu)造熱液白云巖。多年來，人們對四川盆地西部中二疊統(tǒng)棲霞組熱液活動及其對碳酸鹽成巖作用的影響進(jìn)行了不少有價值的探索，并獲得了較大進(jìn)展和較多數(shù)據(jù)，但總的來說，有關(guān)的成果仍然顯得零散而缺乏系統(tǒng)性，不同研究結(jié)論之間甚至存在矛盾，與熱液有關(guān)的白云巖(或白云石)沉淀流體的溫度、鹽度、熱液作用的時間以及白云巖(或白云石)的溶解機制及其后充填的方解石的沉淀機制仍然沒有解決?；诖耍疚倪x擇四川盆地西部中二疊統(tǒng)棲霞組普遍發(fā)育厘米級大小的晶洞內(nèi)的鞍形白云石和充填于鞍形白云石溶解孔隙和晶間孔隙中的方解石為主要研究對象，試圖獲取與鞍形白云石沉淀有關(guān)的流體，以及其后鞍形白云石溶解的有關(guān)流體的溫度、鹽度等信息，并探索鞍形白云石的沉淀和溶解機制以及溶解空間中方解石的沉淀機制。

2 地質(zhì)背景

四川盆地西部棲霞組厚度大致在23～313m之間(金玉玕等，1999;李國輝等，2005)，部分受到白云化作用的影響，白云巖的厚度大都在數(shù)米到數(shù)十米之間，主要集中在棲霞組上部，如川西劍閣長江溝剖面中二疊統(tǒng)白云巖厚度約為40m。本文按金玉玕等(1999)和李國輝等(2005)對四川盆地海相二疊系三分方案，以及2008年的國際地層表(章森桂等，2009)，將棲霞組和茅口組并入中二疊統(tǒng)。

圖1 四川盆地西部中二疊世棲霞期巖相古地理簡圖(據(jù)魏國齊等，2010)圖中同時顯示了作為樣品采集地的長江溝剖面的位置Fig．1 The schematic diagram of palaeogeography of Middle Permian Qixia Formation in the western Sichuan Basin(after Wei et al．，2010)，showing the location of the Changjianggou section

中二疊統(tǒng)棲霞組沉積時期，四川盆地西部處于碳酸鹽臺地環(huán)境(魏國齊等，2010)，次級沉積環(huán)境包括臺地前緣斜坡、臺地邊緣淺灘和開闊臺地，采集樣品的長江溝剖面棲霞組沉積于碳酸鹽臺地邊緣淺灘環(huán)境(圖1)。

3 樣品采集與研究方法

樣品采自四川盆地西部劍閣縣的長江溝剖面(圖1)中二疊統(tǒng)棲霞組碳酸鹽巖的一些晶洞中，晶洞數(shù)厘米大小，呈長矩形，球形、多邊形及其他不規(guī)則的形狀，晶洞與圍巖的邊界有的清楚(如圖2a，c)，也有的不清楚(如圖2b，d)。

研究方法主要包括巖石學(xué)研究和地球化學(xué)研究。巖石學(xué)研究利用常規(guī)偏光顯微鏡完成薄片分析，包括對鑄體薄片的染色分析，以確定巖石的結(jié)構(gòu)和成分、尤其是晶洞中充填的碳酸鹽礦物(重點是鞍形白云石)及伴生礦物的結(jié)構(gòu)，同時對晶洞中的各種礦物進(jìn)行陰極發(fā)光分析和包裹體均一化溫度分析。

在對樣品進(jìn)行巖石結(jié)構(gòu)和成分研究的基礎(chǔ)上，挑選出手標(biāo)本樣品中的晶洞充填物，將其粉碎至200目，縮分成三份，除一份留作備用外，另外兩份分別用作CaO、MgO、Mn、Sr含量分析和氧、碳同位素分析。

CaO、MgO、Mn、Sr含量分析由四川省地質(zhì)礦產(chǎn)局華陽地礦檢測中心完成，CaO、MgO含量由常規(guī)化學(xué)分析方法測試，檢測限為1%，誤差分別為2%和5%;Mn、Sr含量由原子吸收光度法測試，檢測限分別為5×10－6和42×10－6，誤差分別為13%和14%。碳、氧同位素分析由中國石油西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院完成，F(xiàn)inigan MAT 252氣體同位素質(zhì)譜儀，GBW04406標(biāo)樣的分析誤差為0．01%。包裹體均一化溫度分析使用英國Linkam THMSG600型冷熱臺及相應(yīng)的控制系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)完成，測試溫度誤差為±1℃。陰極發(fā)光分析由成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室完成，采用英國劍橋儀器公司CL8200MK5陰極發(fā)光儀(配以 Leica偏光顯微鏡)，測試條件選擇束電壓12kV、束電流300μA。

4 巖石學(xué)特征

就礦物成分而論，晶洞充填物主要包括方解石和白云石兩種礦物(圖3、圖4)。從占位關(guān)系來看，首先充填于晶洞中的礦物是作為非平直晶面他形晶的鞍形白云石(圖3)，這些白云石具有鞍形白云石特有的弧形彎曲晶面和波狀消光，晶體很大，主要分布在大于0．5mm的粗晶到極粗晶范圍內(nèi)，有時低倍鏡下也無法顯示整個完整晶體(圖4c，d)。

圖2 采集樣品的晶洞的形態(tài)特征(a、b)－標(biāo)本中晶洞，黃色箭頭圈出的為晶洞的范圍;(c、d)－薄片中的晶洞，黃色箭頭所指為晶洞和圍巖的邊界，薄片直拍，圖(c)中A、B和圖(d)中C的意義見圖4的說明．長江溝剖面棲霞組，(a)和(c)采自累積厚度60．2m處;(b)和(d)采自累積厚度56．8m處Fig．2 Morphological characteristics of vugs in the Middle Permian Qixia Formation in the Changjianggou section(a，b)－vugs in rock samples;(c，d)－vugs in thin section captured directly by camera，arrows showing the boundaries between the rock and vugs．For the meaning of Box A and Box B in(c)and Box C in(d)，see the explanation in Fig．4．All samples are from the Middle Permian Qixia Formationin the Changjianggou section，and the sample in(a)and(c)is taken from the cumulative thickness of 60．2m from the bottom of Qixia Formation，and the sample in(c)and(d)is taken from 56．8m from the bottom of the Qixia Formation

由于作為晶洞充填物的鞍形白云石普遍遭受溶解，很難有完整的晶體保存(圖4)，白云石溶解后的空間為方解石占據(jù)(圖3、圖4)，但取代白云石的方解石仍然保留很好的白云石的晶體形態(tài)(圖3、圖4)，有的甚至保留了鞍形白云石原有的彎曲晶面和波狀消光(圖4c，d)，晶洞充填物中的方解石除作為白云石的交代產(chǎn)物外，仍有一部分作為白云石晶間的充填物，因而在有的樣品中，方解石以晶間充填物為主(如圖3所示的樣品)，在另一些樣品中，方解石以白云石溶解后的晶內(nèi)充填物為主(如圖4所示的樣品)。白云石晶間的空間足夠大時，晶間方解石的晶體顯著大于白云石，巨大的方解石將白云石包裹，顯示連生膠結(jié)結(jié)構(gòu)特征，同時白云石晶間和晶內(nèi)方解石具相同的干涉色，因而是共用同一結(jié)晶軸的同一晶體。在陰極發(fā)光分析中，這兩種方解石具有類似的陰極發(fā)光，顯示它們是從成分類似的流體中沉淀的同期產(chǎn)物(圖3c)。另外，方解石發(fā)光顏色很暗，為暗的橙褐色陰極發(fā)光，白云石發(fā)光相對較強，為桔紅色的陰極發(fā)光(圖3c)，顯示白云石的發(fā)光強度大于方解石，因而可能方解石具有更低的錳含量，其沉淀流體可能更接近海水。

除方解石和白云石以外，晶洞充填物中還存在一些自生的非碳酸鹽礦物，其產(chǎn)出方式與方解石類似，從數(shù)量上來講，這些礦物是微量的，對晶洞充填物全巖化學(xué)成分影響可能忽略，在顯微鏡尺度下也很難發(fā)現(xiàn)它們，黃思靜等(2012)報道了這些礦物，并在掃描電鏡下通過能譜確認(rèn)了這些礦物，礦物類型主要有螢石、氟磷灰石、重晶石、石英等。圖3中顯示了白云石晶內(nèi)溶孔中螢石的存在(箭頭所指)。

5 地球化學(xué)特征

對采集的晶洞充填物樣品進(jìn)行了碳、氧同位素，CaO、MgO、Sr和Mn含量分析，分析結(jié)果列于表1中。從巖石學(xué)研究可以看出，由于晶洞中白云石和方解石緊密交生，要選出單一的白云石和單一的方解石是十分困難的。圖3所示的是鞍形白云石保存較好的樣品，但這些鞍形白云石中總有方解石存在，而圖4所示的是強烈去白云化的以方解石為主的樣品(尤其是圖4c，d，樣品中幾乎全為方解石)，但方解石中仍然殘留有與之緊密共生的白云石。因而本文所分析的均為晶洞充填物的全巖樣品。

巖石學(xué)觀察還表明，晶洞充填物的礦物成分十分單調(diào)，在數(shù)量上有意義的只有方解石和白云石兩種礦物，微量的螢石、氟磷灰石、重晶石等礦物在X射線衍射分析中低于檢測限，其組成元素在化學(xué)分析中也均低于檢測限。同時方解石和白云石結(jié)構(gòu)也很單調(diào)，白云石均為具類似陰極發(fā)光性的鞍形白云石，方解石則為充填于白云石晶間和晶內(nèi)的也具類似陰極發(fā)光性的連生方解石(圖3、圖4)。因此，晶洞充填物的全巖分析中CaO和MgO相對含量變化基本上是方解石和白云石相對含量變化的反映，CaO和MgO的相對含量也可以換算成方解石和白云石的相對含量(表1)。基于此，如果我們選擇具有不同CaO、MgO含量(即具有不同方解石和白云石含量)的晶洞充填物，樣品同位素組成的變化所反映的是方解石和白云石所具有的同位素組成的變化，如果某種同位素和MgO含量(當(dāng)然也可以是CaO含量或相應(yīng)的白云石、方解石的含量)存在良好的相關(guān)性，我們就可以通過這種相關(guān)性推算出端元礦物(方解石或白云石)的同位素組成。圖5和圖6分別為晶洞充填物全巖分析結(jié)果中氧、碳兩種同位素組成與MgO含量及換算的白云石含量的投點圖，下面我們對此作進(jìn)一步討論。

表1 長江溝剖面棲霞組晶洞中充填物的碳、氧同位素和CaO、MgO、Sr、Mn含量分析結(jié)果Table 1 Carbon and oxygen isotopes，chemical compositions of CaO，MgO，Sr，and Mn of vug fillings in the Middle Permian Qixia Formation in the Changjianggou section

圖3 晶洞中的鞍形白云石和白云石晶間、晶內(nèi)的方解石鞍形白云石的弧形晶面和波狀消光，白云石晶體內(nèi)部亦有溶解并充填方解石，有極少孔隙中充填螢石(黃色箭頭，螢石鑒定依據(jù)參見黃思靜等(2012))，白云石具較強的桔紅色陰極發(fā)光，方解石具較暗的橙褐色陰極發(fā)光，鞍形白云石晶間和晶內(nèi)方解石具類似陰極發(fā)光．(a)、(b)、(c)分別為單偏光、正交偏光和陰極發(fā)光照片，(a)和(b)為藍(lán)色鑄體片經(jīng)茜素紅S染色，長江溝剖面棲霞組，累積厚度50．7m處Fig．3 Micro－photos of the saddle dolomite and calcite in vugsSaddle dolomites typically show curved crystal faces and undulatory extinction，showing relatively strong orange－red cathodoluminescence．Calcite replaces saddle dolomite and occurs in the interior of dolomite and inter－granular pores， showing dark orange－brown cathodoluminescence．Fluorite fills in the pores(arrow)．(a)planepolarized light;(b)cross－polarized light;(c)cathodoluminescence(CL)．The sample is located in the cumulative thickness of 50．7m from the bottom of Qixia Formation

1)長江溝剖面棲霞組晶洞充填物的氧同位素組成與MgO含量(或白云石含量)與δ18O之間顯示出良好的相關(guān)性，按直線函數(shù)擬合，二者之間的確定系數(shù)(相關(guān)系數(shù)平方值)高達(dá)0．90，相關(guān)系數(shù)則超過0．95(圖5)，按圖5所示的直線函數(shù)方程:δ18O(PDB，‰)=0．044×(白云石，%)－9．5464，對于全部由白云石組成的樣品(相當(dāng)于圖5a中MgO含量21．86%)，其δ18O= －5．2‰，對于全部由方解石組成的樣品(MgO含量0%)，其 δ18O= －9．55‰，顯示鞍形白云石比充填于其晶間和間內(nèi)的方解石具有更大的δ18O值。若按90%的置信區(qū)間(圖5虛線所示范圍)，則對于全部由白云石組成的樣品(MgO含量 21．86%)，其 δ18O大致分布在－5．94‰～ －4．35‰之間，對于全部由方解石組成的樣品(MgO 含量 0%)，其 δ18O 大致分布在 －10．34‰ ～ －8．75‰之間。這些數(shù)值對于我們了解鞍形白云石沉淀流體及其鞍形白云石溶解流體、以及作為去白云化產(chǎn)物的方解石沉淀流體的性質(zhì)十分重要。

圖4 晶洞中鞍形白云石的廣泛溶解和方解石的沉淀(a)和(b)分別為圖2c中視域A和視域B的放大，顯示鞍形白云石的彎曲晶面;(c)為圖2d中C視域的放大，(d)為(c)對應(yīng)的正交偏光，顯示鞍形白云石溶解后殘存部分所勾繪出的弧形晶面的形態(tài)，圖d可以清楚看出沉淀的方解石仍具有和鞍形白云石類似的波狀消光．藍(lán)色鑄體片茜素紅S染色Fig．4 Intensive dissolution of saddle dolomite and the precipitation of calcite in vugs(a)and(b)show the enlargement of Box A and Box B in Fig．2c，showing the curved crystal faces of saddle dolomite;(c)is the enlargement of Box C in Fig．2d and(d)shows the corresponding micro－photo under cross－polarized light，showing the outline of curved crystal of the residual saddle dolomite and the calcite with similar undulatory extinction as saddle dolomite．Blue epoxy impregnated，stained by Alizarin red S

2)與氧同位素組成不同，長江溝剖面棲霞組晶洞中充填物的碳同位素組成與MgO含量(或白云石含量)與δ13C之間缺乏良好的相關(guān)性，按直線函數(shù)擬合，二者之間的確定系數(shù)(相關(guān)系數(shù)平方值)僅有0．13(圖6)，說明對于晶洞中充填的碳酸鹽樣品來說，沒有顯著的隨著白云石含量增加或方解石含量增加碳同位素組成變化的現(xiàn)象，這對于我們了解鞍形白云石及作為去白云化產(chǎn)物的方解石的碳源十分重要。

3)在錳、鍶兩種微量元素中，長江溝剖面棲霞組晶洞中充填物的錳含量與MgO含量(或白云石含量)之間具有一定的相關(guān)性，按直線函數(shù)擬合，二者之間的確定系數(shù)為0．45(圖7a)，4個白云石含量超過40%的樣品的錳含量都在70×10－6以上，這與陰極發(fā)光分析中白云石具有比方解石更強的陰極發(fā)光性是一致的(圖3);長江溝剖面棲霞組晶洞中充填物的鍶含量與MgO含量(或白云石含量)之間缺乏相關(guān)性，按直線函數(shù)擬合，二者之間的確定系數(shù)為0．15(圖7b)，但與方解石相比，白云石具有更低鍶含量，4個白云石含量超過40%的樣品中，有3個樣品的鍶含量都低于100×10－6，但方解石含量超過80%的樣品鍶含量變化在90×10－6～240×10－6之間的一個較大范圍，這是晶洞充填物鍶含量與MgO含量(或白云石含量)之間缺乏相關(guān)性的主要原因。碳酸鹽礦物的錳、鍶含量在很大程度上受其在礦物中的分配系數(shù)控制，尤其是鍶含量，其在白云石中的分配系數(shù)理論上僅有其在方解石中的一半，因而白云石的鍶含量通常較低。

6 包裹體均一化溫度

對長江溝剖面棲霞組晶洞充填物鞍形白云石中67個包裹體進(jìn)行了均一化溫度分析，對分布于鞍形白云石晶間、晶內(nèi)的方解石中28個包裹體進(jìn)行了均一化溫度分析，分析結(jié)果列于表2中。我們可以從圖3和圖4中這兩種礦物之間的占位關(guān)系判斷其形成的相對時間，由于方解石充填于白云石晶間，或白云石溶解后的晶內(nèi)孔隙中甚至交代白云石，因而白云石先于方解石形成。

圖5 晶洞充填物的MgO含量與δ18O投點圖(a)以及白云石含量與δ18O投點圖(b)圖件顯示MgO含量(或白云石含量)與δ18O之間的良好相關(guān)性，確定系數(shù)高達(dá)0．90，虛線范圍代表90%的置信區(qū)間Fig．5 Cross－plots of MgO and δ18O(a)and dolomite content and δ18O of vug fillings(b)The figure showing a good correlation between MgO(dolomite content)and δ18O，R2=0．90．Dotted line represents the 90%confidence interval

圖6 晶洞充填物的MgO含量與δ13C投點圖(a)以及白云石含量與δ13C投點圖(b)圖件顯示MgO含量(或白云石含量)與δ13C之間缺乏良好相關(guān)性，確定系數(shù)只有0．13Fig．6 Cross－plots of MgO and δ13C(a)and the dolomite content and δ13C(b)of vug fillings The figure showing the lack of a good correlation between MgO(dolomite content)and δ13C

表2 長江溝剖面棲霞組晶洞充填物中鞍形白云石和充填于白云石晶間、晶內(nèi)的方解石的包裹體均一化溫度分析結(jié)果Table 2 Fluid－inclusion homogenization temperature of saddle dolomite and calcite in the Middle Permian Qixia Formation in the Changjianggou section，western Sichuan Basin

圖8 長江溝剖面棲霞組晶洞充填物中鞍形白云石(a)和白云石晶間與晶內(nèi)方解石(b)的包裹體均一化溫度分布直方圖Fig．8 Histograms of fluid－inclusion homogenization temperature of saddle dolomite(a)and calcite(b)in the Middle Permian Qixia Formation in the Changjianggou section，western Sichuan Basin

鞍形白云石的包裹體均一化溫度顯著高于其后形成的方解石，前者分布于90～270℃之間，而80%以上的包裹體的均一化溫度集中在110～210℃之間(表2、圖8a);后者均一化溫度分布在50～190℃的一個區(qū)間范圍內(nèi)，一半以上的樣品(54%)分布在70～110℃之間(表2、圖8b)。鞍形白云石和其后形成的方解石的包裹體均一化溫度的平均值分別約為164℃和102℃，差值大致為60～70℃，顯示鞍形白云石沉淀后地層經(jīng)歷了60～70℃的降溫。

7 討論

7．1 晶洞充填碳酸鹽的氧碳同位素組成與流體

前邊已經(jīng)討論，長江溝剖面棲霞組晶洞充填物中鞍形白云石的δ18O值分布在－5．94‰～ －4．35‰(PDB)之間，包裹體的均一化溫度集中在110～210℃之間，由此可以獲得鞍形白云石沉淀流體是一種δ18O值在+4‰～+14‰(SMOW)之間的高鹽度、高溫流體(圖9a);長江溝剖面棲霞組晶洞充填物鞍形白云石晶間以及鞍形白云石溶解孔隙中充填的方解石的 δ18O 值分布在 －10．34‰ ～ －8．75‰(PDB)之間，包裹體均一化溫度主要分布在70～110℃之間，因而可以獲得這些方解石沉淀流體的δ18O值在－4‰～+5‰(SMOW)之間，與白云石沉淀流體的鹽度相比，方解石的沉淀流體具有較低的鹽度，其鹽度值接近中二疊世海水，同時也具有較低的沉淀溫度(圖9b)。

長江溝剖面棲霞組晶洞充填物中的方解石和白云石的δ13C值沒有顯著差別，前邊分析可知碳同位素組成與MgO含量(或白云石含量)之間也缺乏相關(guān)性，這些碳酸鹽礦物的δ13C值大致分布在0．7‰～2．6‰的范圍內(nèi)，顯著低于同期海水的δ13C值(圖10)，考慮到深部來源CO2的δ13C平均值在－5‰左右，因而可以認(rèn)為棲霞組晶洞充填物的方解石和白云石具有同期海水(或同期碳酸鹽)和深部CO2混合碳源。

圖9 晶洞充填物中白云石(a)和方解石(b)流體包裹體均一化溫度和氧同位素組成投點圖等值線是與白云石或方解石平衡的水的氧同位素組成，根據(jù)張理剛(1985)的公式計算．中二疊世海水的δ18O值按Veizer et al．(1999)方解石的δ18O值Fig．9 Cross－plots of fluid－inclusion homogenization temperature and oxygen isotopic composition for calcite and dolomiteContours are the oxygen isotopic compositions of water that balance with dolomite or calcite．Calculated according to the formula presented by Zhang(1985)．The δ18O of Middle－Permain seawater is the δ18O of calcite in Veizer et al．(1999)

圖10 長江溝剖面中二疊統(tǒng)棲霞組晶洞充填物的碳同位素組成的主要范圍及與海水碳同位素組成的對比(上揚子地區(qū)古生代海水碳同位素演化曲線據(jù)黃思靜，1997)Fig．10 The main scope of carbon isotopic composition of vug fillings in the Middle Permian Qixia Formation in the Changjianggou section and comparison with the carbon isotopic composition of co－seawater(the evolution curve of δ13C of Paleozoic seawater in the Upper Yangtze platform from Huang，1997)

7．2 晶洞充填物中鞍形白云石的沉淀及其后的溶解機制

由前面的討論可知，長江溝剖面棲霞組晶洞充填物中鞍形白云石是在鹽度顯著超過同期海水的高鹽度流體(δ18O=+4‰～+14‰)中沉淀的，其沉淀溫度主要分布在110～210℃，最高溫度超過260℃(表2)，因而我們不能用傳統(tǒng)的白云化和白云石沉淀機制來解釋其成因。

四川盆地二疊系埋藏史曲線如圖11a所示，顯示在海西期的東吳運動經(jīng)歷了隆升，這與峨眉山玄武巖噴發(fā)前巖漿上涌有關(guān)(何斌等，2005)，以后在印支期經(jīng)歷了先沉降－后隆升的局面，至燕山早期再次沉降、喜山期隆升至今。結(jié)合前人對分布在四川盆地內(nèi)鉆井的研究(朱傳慶等，2009)，整個四川盆地西部的二疊系所經(jīng)歷過的最大埋藏深度大致在7000m左右(圖11a的A處)，但該埋藏深度也難以通過正常地?zé)嵩鰷剡_(dá)到260℃以上的溫度。

圖11 四川盆地西部HS1井埋藏史－古熱流分布綜合圖(a)和四川盆地代表性鉆井古熱流值分布圖(b)(據(jù)朱傳慶等，2009，2010綜合修改)Fig．11 The synthetic map of burial history－paleoheat flow distribution for Well HS1 in western Sichuan Basin(a)and distribution map for representative wells in the Sichuan Basin(b)(modified after Zhu et al．，2009，2010)

縱觀二疊紀(jì)以來的非地?zé)嵩鰷責(zé)崾录?，四川盆地西部在中二疊世末(259Ma左右)的古熱流值達(dá)到最大值(圖11b)，部分鉆井最高古熱流超過100mW/m2(朱傳慶等，2010)，這是東吳運動期間峨眉山玄武巖噴發(fā)時巖漿活動的熱效應(yīng)所致，該過程對當(dāng)時處于淺埋藏環(huán)境的棲霞組的成巖作用造成了顯著的影響，鞍形白云石的沉淀是否與該熱事件有關(guān)，是一個有爭議的問題。我們可以這樣反向思維，要滿足這些鞍形白云石及其后的方解石的形成溫度，如果沒有熱液活動，這些鞍形白云石只能形成于埋藏歷史中的最大埋深點(圖11a中的A點)，此時溫度可以基本滿足(但仍然不能滿足260℃以上的最高溫度)，其后的抬升也可以勉強滿足鞍形白云石沉淀后地層所經(jīng)歷的60～70℃的溫度降。但這種假定顯得過于極端，此時巖石埋藏深度已近7000m，巖石的滲透性很差，很難發(fā)生體積上有意義的白云化作用。因此，最大的可能性是與峨眉山玄武巖有關(guān)的熱作用過程產(chǎn)生的高溫高鹽度流體從溫度和鹽度兩個方面克服了白云石沉淀的動力學(xué)屏障并導(dǎo)致鞍形白云石的沉淀。然而，該熱事件僅持續(xù)約6Myr時間(He et al．，2007)，熱事件結(jié)束后導(dǎo)致地層溫度降低，白云石沉淀導(dǎo)致鎂離子消耗，這種低溫、低鹽度的流體對白云石是不飽和的，從而白云石溶解作用發(fā)生，取而代之的是與該流體在物理化學(xué)條件上平衡的代表相對低溫(70～110℃)和低鹽度(δ18O=－4‰～+5‰)的方解石沉淀。

8 結(jié)論

(1)四川盆地西部棲霞組晶洞中充填有晶體粗大的鞍形白云石，鞍形白云石具廣泛的溶解結(jié)構(gòu)，溶解空間為次生方解石充填;

(2)晶洞充填物中鞍形白云石和沉淀于白云石晶間和晶內(nèi)的方解石具有顯著不同的氧同位素組成和包裹體均一化溫度，前者δ18O值－5．94‰ ～ －4．35‰，包裹體均一化溫度主要為110 ～210℃，后者 δ18O 值 －10．34‰ ～ －8．75‰，包裹體均一化溫度主要為70～110℃;

(3)根據(jù)晶洞中鞍形白云石和沉淀于白云石晶間和晶內(nèi)的方解石的氧同位素組成和包裹體均一化溫度，獲得鞍形白云石沉淀流體的δ18O值分布在+4‰～+14‰(SMOW)之間，方解石沉淀流體的δ18O值分布在－4‰～+5‰(SMOW)之間，白云石是在高鹽度和高溫流體中沉淀的，方解石是在相對低鹽度和低溫流體中沉淀的;

(4)晶洞充填物中鞍形白云石和沉淀于白云石晶間和晶內(nèi)的方解石的碳同位素組成沒有實質(zhì)性區(qū)別，二者δ13C值大致分布在0．7‰～2．6‰的范圍內(nèi)，顯著低于同期海水的δ13C值，兩種碳酸鹽礦物中的碳具有同期海水和深部CO2混合碳源的特征;

(5)中二疊世末東吳運動時，棲霞組碳酸鹽地層處于淺埋藏環(huán)境，峨眉山玄武巖噴發(fā)時巖漿活動的熱效應(yīng)導(dǎo)致了鞍形白云石的沉淀，而熱事件后流體溫度和鹽度的同時降低則使得鞍形白云石溶解，并伴隨方解石沉淀在鞍形白云石溶解后的孔隙和晶間孔隙中。

致謝 兩位匿名審稿人對論文提出了非常寶貴的建設(shè)性意見;成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院博士研究生李小寧和碩士研究生成欣怡參加了野外工作;潘小強、胡博、袁桃等碩士研究生參加了樣品整理、薄片分析和陰極發(fā)光分析;油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室伏美燕老師在流體包裹體測溫中給予了極大的幫助;在此一并表示衷心的感謝。

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