川東北飛仙關(guān)組儲層結(jié)晶白云巖的形成機(jī)制與白云化模式

黃可可, 胡作維, 李小寧, 蘭葉芳, 呂 杰, 黃思靜

(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)

川東北飛仙關(guān)組儲層結(jié)晶白云巖的形成機(jī)制與白云化模式

黃可可, 胡作維, 李小寧, 蘭葉芳, 呂 杰, 黃思靜

(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)

川東北;飛仙關(guān)組;白云巖儲層;海水白云巖化;臺內(nèi)熱對流模式

川東北地區(qū)近年來發(fā)現(xiàn)了普光、羅家寨、鐵山坡、渡口河等多個大中型天然氣田，飛仙關(guān)組的白云巖是重要的儲層。飛仙關(guān)組優(yōu)質(zhì)儲層分布于灘壩高能環(huán)境，并廣泛白云化。如果巖石沒有白云化，儲層質(zhì)量通常也較差。各種白云巖，尤其是結(jié)晶白云巖是最主要的儲層，導(dǎo)致川東北飛仙關(guān)組碳酸鹽白云化并最終形成優(yōu)質(zhì)儲層的成巖機(jī)制是近年來的熱點研究領(lǐng)域之一。人們從白云化作用、碳酸鹽溶解機(jī)制、硫酸鹽還原作用等不同角度探討優(yōu)質(zhì)白云巖儲層的成因[1-17]。然而，在白云化作用、白云化機(jī)制以及白云化模式等方面，仍有一些問題沒有完全解決，如：(1)作為重要儲層的結(jié)晶白云巖的白云化作用的溫度，是近地表溫度還是中、深埋藏環(huán)境的溫度。(2)結(jié)晶白云巖的白云化流體，是海水、鹽度低于海水的混合水還是中、深埋藏環(huán)境的成巖流體。(3)用以解釋結(jié)晶白云巖形成的機(jī)制和結(jié)晶白云巖具有較好物性的原因。本文試圖根據(jù)川東北三疊系飛仙關(guān)組作為重要儲層的結(jié)晶白云巖(包括用以對比的原始結(jié)構(gòu)保存的粒屑白云巖)的結(jié)構(gòu)、元素構(gòu)成、陰極發(fā)光特征、包裹體均一化溫度和碳、氧、鍶同位素特征，結(jié)合晚二疊—早三疊世海水的碳、氧、鍶同位素組成與演化規(guī)律，以及結(jié)晶白云巖在時間上和空間上的分布，研究其形成的流體和溫度，探討白云化機(jī)制和白云化模式，以及白云巖分布樣式和限制白云巖分布區(qū)域的因素，解釋這些白云巖具有較好物性的原因。

1 地質(zhì)背景

川東北地區(qū)位于四川省東北部和重慶市北部，構(gòu)造上屬于揚子板塊西北部的大巴山弧形構(gòu)造帶與川東高陡構(gòu)造帶交互重疊地區(qū)[18]，包括大巴山弧形構(gòu)造帶中南部和川東高陡構(gòu)造帶東北部。川東北地區(qū)地表和地下構(gòu)造都十分復(fù)雜，這與其晚古生代以來經(jīng)歷了多期次、多類型的強(qiáng)烈拉張、擠壓、推擠等構(gòu)造演化密切相關(guān)[19]。川東北地區(qū)在早三疊世印度期(飛仙關(guān)組沉積大致對應(yīng)時間)可分為開江—梁平臺棚(盆地)、陸棚(斜坡)、臺地3個基本的沉積單元，主要發(fā)育蒸發(fā)臺地、局限臺地、開闊臺地、臺地邊緣灘、斜坡和盆地6類沉積相(圖1)，巖石類型主要包括淺海碳酸鹽巖、鈣質(zhì)泥巖和膏鹽蒸發(fā)鹽等[14,20]。

圖1 川東北飛仙關(guān)組(早三疊世)古地理圖Fig.1 Paleogeographic map of Northeast Sichuan Basinduring Feixianguan (Early Triassic) deposition(據(jù)文獻(xiàn)[14]，有修改)

開江—梁平臺棚對于控制四川盆地東北部三疊紀(jì)飛仙關(guān)期沉積相具有非常重要的意義[14,20,21]，其存在時間包括整個晚二疊世和早三疊世的印度階，巖石地層涵蓋川東北的上二疊統(tǒng)吳家坪組、長興組和下三疊統(tǒng)的飛仙關(guān)組。具鮞粒結(jié)構(gòu)的碳酸鹽巖在臺棚兩側(cè)的臺地邊緣都有分布，但經(jīng)歷強(qiáng)烈白云化后所形成的儲層質(zhì)量較好的結(jié)晶白云巖主要分布在臺棚以東的(半)孤立碳酸鹽臺地邊緣，顯示開江—梁平臺棚不僅控制了四川盆地東北部沉積相的分布方式，同時也進(jìn)一步控制了包括白云化作用在內(nèi)的碳酸鹽巖的成巖作用。

2 結(jié)晶白云巖的結(jié)構(gòu)

分布于四川盆地東北部三疊系飛仙關(guān)組的結(jié)晶白云巖具有如下幾個主要特征：(1)或多或少地保留有被白云化的先驅(qū)巖石的鮞粒結(jié)構(gòu)(圖2)。(2)構(gòu)成儲層的主流白云巖由平直晶面半自形—自形晶白云石構(gòu)成，缺乏非平直晶面的他形晶白云石，也缺乏非平直晶面鞍形晶白云石。(3)白云石晶體較小，主要分布在0.1～0.3 mm的細(xì)晶范圍，中晶以上的白云石相對較少(圖3)。(4)部分巖石顯示出組構(gòu)選擇性白云化特征，鮞粒作為優(yōu)先選擇白云化的組構(gòu)[9]。

我們可以進(jìn)一步把飛仙關(guān)組的結(jié)晶白云巖分為2種不同的結(jié)構(gòu)類型：一類結(jié)晶白云巖較好地保存了先驅(qū)鮞粒灰?guī)r的結(jié)構(gòu)，白云石晶體較小，主要處于細(xì)晶范圍，孔隙類型仍然可以定義為粒間孔(圖2-A)；另一類結(jié)晶白云巖原始鮞粒結(jié)構(gòu)保存較差，白云石晶體相對較大，主要分布在細(xì)晶—中晶范圍，孔隙類型主要表現(xiàn)為晶間孔(圖2-B)。前人[9]的研究表明，兩種不同結(jié)構(gòu)的結(jié)晶白云巖可能與其先驅(qū)鮞?；?guī)r原始海水膠結(jié)物類型有關(guān)，由鎂方解石膠結(jié)的鮞粒灰?guī)r白云化后原始結(jié)構(gòu)保存較好，白云石晶體較??；而由文石膠結(jié)的鮞粒灰?guī)r白云化后原始結(jié)構(gòu)保存較差，白云石晶體較大，一些膠結(jié)物沒有白云化或沒有完全白云化的巖石可為此提供依據(jù)。

圖2 川東北飛仙關(guān)組作為主要儲集層的結(jié)晶白云巖的結(jié)構(gòu)Fig.2 Fabric of crystalline dolostones which dominate the good quality reservoirs in Feixianguan Formation紅色鑄體片，單偏光，L2井，飛仙關(guān)組第二段。 (A)殘余鮞粒結(jié)構(gòu)的結(jié)晶白云巖；(B)缺乏殘余鮞粒結(jié)構(gòu)的結(jié)晶白云巖

圖3 川東北飛仙關(guān)組結(jié)晶白云巖鍶同位素組成分布直方圖Fig.3 The distribution histogram of the strontium isotope composition in the crystalline dolostone

3 結(jié)晶白云巖的地球化學(xué)

前人公布了飛仙關(guān)組結(jié)晶白云巖的各種地球化學(xué)資料[8,17,23]，在元素和同位素組成上總體具有如下特征。

a.非常低的錳含量。錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要變化在(14～30)×10-6的一個非常小的范圍內(nèi)，這代表了非常低的錳含量，如巴西S?o Francisco盆地前寒武系Vazante組各種不同類型白云石的錳的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)343×10-6[22]。由于缺乏陰極發(fā)光的激活劑，這些白云巖在通常的測試條件(如12 kV, 300 A的束電壓和束電流)下都不具有陰極發(fā)光或只有很弱的陰極發(fā)光。由于錳是海水中最為缺乏的元素之一，因而顯示了海水或海源流體對川東北飛仙關(guān)組結(jié)晶白云巖形成過程的控制作用。

b.非常低的鐵含量。鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要變化在(56～455)×10-6，這代表了非常低的鐵含量，如巴西S?o Francisco盆地前寒武系Vazante組各種不同類型白云石的鐵的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)4 822×10-6[22]。由于鐵和錳在碳酸鹽成巖過程中具有類似的地球化學(xué)習(xí)性(包括海水中很低的鐵含量以及鐵在碳酸鹽礦物中的分配系數(shù)具有很大的變化范圍)，因而也說明海水或海源流體對川東北飛仙關(guān)組結(jié)晶白云巖形成過程的控制作用。

c.較高的鍶含量。鍶的質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要變化在(90～270)×10-6。白云石的鍶含量很大程度上受鍶在白云石中分配系數(shù)控制。由于鍶在白云石中的分配系數(shù)很小(理論上只有方解石中鍶含量的一半)，因而白云石的鍶含量通常很低，如果巖石中白云石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)>95%，其鍶的質(zhì)量分?jǐn)?shù)很難>200 ×10-6。較高的鍶含量往往說明巖石中含有較多的方解石或存在天青石等鍶的單礦物。因此，對于較純的白云巖來說，飛仙關(guān)組的結(jié)晶白云巖已不是一個低值。如巴西S?o Francisco盆地前寒武系Vazante組各種類型白云巖鍶的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)只有48×10-6[22]。由于鍶是海水中最為豐富的元素之一，因而也說明海水或海源流體對川東北飛仙關(guān)組結(jié)晶白云巖形成過程的控制作用。

d.高于同期海水的鍶同位素組成和與同期海水類似的碳同位素組成。飛仙關(guān)組結(jié)晶白云巖主要分布在開江—梁平臺棚以東的(半)孤立碳酸鹽臺地飛仙關(guān)組下部的飛1—飛2段，接近70%的樣品的87Sr/86Sr比值分布在0.707 45～0.707 85之間，與飛仙關(guān)組上部地層(飛3—飛4段)所對應(yīng)時間(大致相當(dāng)于印度階晚期)的海水值相當(dāng)；其余樣品主要分布在0.707 85～0.708 35之間，與下三疊統(tǒng)嘉陵江組所對應(yīng)時間(大致相當(dāng)于奧倫尼克階)的海水相當(dāng)(圖3)。這說明比結(jié)晶白云巖先驅(qū)鮞?；?guī)r沉積時間晚的非同期海水導(dǎo)致了鮞?；?guī)r的白云化作用。在碳同位素組成上，飛仙關(guān)組結(jié)晶白云巖的δ13C值變化在1.08‰～2.37‰之間，顯示出非常狹窄的變化范圍，與同期海水基本一致，說明結(jié)晶白云巖的碳主要是從先驅(qū)鮞?；?guī)r繼承的，同時也說明白云化過程中少有其他來源碳(如來自大氣CO2中的碳)的加入。

e.氧同位素及所代表的鹽度。強(qiáng)子同等報道的飛仙關(guān)組臺地邊緣鮞灘白云巖的δ18O值變化在-6.73‰～-3.65‰ 之間(不含激光顯微取樣的數(shù)據(jù))[23]，與黃思靜等報道的作為儲層的結(jié)晶白云巖的-6.38‰～-4.19‰之間的δ18O值[8]類似，都顯示出非常狹窄的變化范圍。川東北飛仙關(guān)組結(jié)晶白云巖很難找到可進(jìn)行均一化溫度分析的氣-液兩相包裹體，如果樣品經(jīng)冷凍后依然只有液相包裹體，可知這些白云石中包裹體捕獲溫度應(yīng)在50℃左右[24,25]甚至更低。同時從結(jié)構(gòu)角度來說，川東北飛仙關(guān)組的結(jié)晶白云巖由平直晶面半自形—自形晶白云石組成，缺乏非平直晶面白云石，晶體大小主要在細(xì)晶范圍，也說明這些白云石主要是在較低溫的環(huán)境中形成的。按白云石晶面彎曲的臨界溫度標(biāo)準(zhǔn)[26,27]，結(jié)晶白云巖的形成溫度應(yīng)<50～60℃。根據(jù)對結(jié)晶白云巖形成溫度的討論，假定這些白云石的形成溫度在40～60 ℃之間，可以從白云石氧同位素組成與溫度投點圖(圖4)中看出，川東北飛仙關(guān)組結(jié)晶白云巖白云化流體的氧同位素組成也落在了早三疊世海水的范圍內(nèi)。

圖4 白云石氧同位素組成與溫度投點圖Fig.4 Crossplots of fluid-inclusion homogenization temperature against oxygen isotopic signature for dolomite等值線是與白云石平衡的水和氧同位素組成，川東北飛仙關(guān)組白云巖溫度范圍的確定見正文中的討論，早三疊世海水的δ18O值按文獻(xiàn)[28]方解石的δ18O值所對應(yīng)的海水大致范圍

圖5 川東北飛仙關(guān)組原始結(jié)構(gòu)保存的粒屑白云巖的結(jié)構(gòu)Fig.5 Microphotographs of the fabric-preserved grain dolostones from Feixianguan Formation in Northeast Sichuan Basin巖石中白云石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)>97%，但具非結(jié)晶結(jié)構(gòu)，巖石極好地繼承了先驅(qū)灰?guī)r的結(jié)構(gòu)，(A)和(B)分別為鮞粒白云巖和藻屑白云巖， L2井，飛仙關(guān)組第二段，均為單偏光

除結(jié)晶白云巖以外，四川盆地東北部飛仙關(guān)組還分布有原始結(jié)構(gòu)完全保存的粒屑白云巖(典型結(jié)構(gòu)如圖5所示)。在一個向上變淺的剖面層序上，這類白云巖分布在結(jié)晶白云巖之上，且已完全白云化；但白云巖所具有的是一種非結(jié)晶結(jié)構(gòu)，完全繼承了先驅(qū)灰?guī)r中方解石的晶體大小、形態(tài)及其他特征(圖5)。在地球化學(xué)特征上，這些白云巖具有比結(jié)晶白云巖稍高的錳、鐵含量，與結(jié)晶白云巖類似的鍶含量；但其鍶同位素比值接近同期海水，說明白云化流體基本上是由同期海水完成的。由于這些原始結(jié)構(gòu)保存的粒屑白云巖的δ13C值較結(jié)晶白云巖偏負(fù)，變化在0.69‰～1.73‰之間，低于同期海水，說明其形成過程中可能存在大氣CO2中碳的加入。這些白云巖具有比結(jié)晶白云巖稍高的錳、鐵含量，說明它們經(jīng)歷了相對開放的成巖環(huán)境。

4 討 論

4.1 白云化的流體和溫度

白云化作用的流體和溫度是研究白云巖成因和建立白云化模式最為重要的基礎(chǔ)，在前文已對此作了討論，在此進(jìn)一步總結(jié)如下。

a.飛仙關(guān)組結(jié)晶白云巖極低的錳、鐵含量顯示海水或海源流體的特征。

b.飛仙關(guān)組結(jié)晶白云巖δ13C值與同期海水一致，說明結(jié)晶白云巖的碳可能是從先驅(qū)鮞?；?guī)r繼承的，白云化過程中其他來源碳(如來自大氣CO2中的碳)的加入有限。

c.飛仙關(guān)組的結(jié)晶白云巖由平直晶面半自形—自形晶白云石組成，缺乏非平直晶面白云石，晶體相對較小，缺乏可進(jìn)行均一化溫度分析的氣-液兩相包裹體，其形成溫度應(yīng)<50～60℃。

d.按40～60℃的白云化溫度，飛仙關(guān)組結(jié)晶白云巖δ18O值代表的白云化流體是早三疊世的海水。

e.反過來，根據(jù)結(jié)晶白云巖具有非常低的錳、鐵含量和較高的鍶含量等反映的海源液體的特征，我們也可以根據(jù)結(jié)晶白云巖δ18O值變化范圍，從白云石氧同位素組成與溫度投點圖中估算出結(jié)晶白云巖白云化溫度大致在40～60℃之間。

f.飛仙關(guān)組結(jié)晶白云巖中的87Sr/86Sr比值主要與早三疊世印度階晚期，其次是早三疊世奧倫尼克階海水的鍶同位素組成相當(dāng)，這說明比結(jié)晶白云巖先驅(qū)鮞?；?guī)r沉積時間晚的非同期海水導(dǎo)致了鮞?；?guī)r的白云化作用，白云化作用發(fā)生時飛1—飛2段的鮞?；?guī)r處于埋藏深度<1 km的埋藏階段。

4.2 飛仙關(guān)組結(jié)晶白云巖的分布及相應(yīng)的環(huán)境特征

前人在飛仙關(guān)組結(jié)晶白云巖的分布方面做了較多的工作[14]，作為重要儲層的飛仙關(guān)組的結(jié)晶白云巖主要分布在開江—梁平臺棚以東的(半)孤立碳酸鹽臺地邊緣的鮞粒灘壩環(huán)境(圖1)，與開江—梁平臺棚以西的鑲邊陸棚比較，臺棚東、西兩側(cè)的碳酸鹽臺地及邊緣淺灘環(huán)境的鮞粒巖存在如下差別。

a.開江—梁平臺棚以西，飛仙關(guān)組沉積于與大陸毗鄰的碳酸鹽臺地，缺乏陡峻的臺地邊緣；以東則為(半)孤立碳酸鹽臺地，具陡峻的臺地邊緣。臺地兩側(cè)同時對海水開放，東側(cè)(半)孤立碳酸鹽臺地長興組中廣泛發(fā)育放射軸狀纖維狀膠結(jié)物，說明臺棚以東的陡峭臺地邊緣在長興期就已建立，并具有數(shù)百萬年與海水接觸的地質(zhì)條件。

b.開江—梁平臺棚兩側(cè)海水的局限程度存在差別，以東的(半)孤立碳酸鹽臺地蒸發(fā)鹽較西側(cè)發(fā)育，從飛1—飛4段都有蒸發(fā)鹽發(fā)育；而西側(cè)僅在飛4段有厚度不大的蒸發(fā)鹽(圖6)。

c.開江—梁平臺棚兩側(cè)鮞粒巖(也包括其他粒屑碳酸鹽巖)的分布層位存在差別，西側(cè)層位較高，主要分布在飛2段上部和飛3段；東側(cè)層位較低，主要分布在飛1段和飛2段(圖6)。由于開江—梁平臺棚消失于印度階末期，飛仙關(guān)組大致與印度階對應(yīng)，按2008年的國際地層表[29]，印度階時限為251(±0.4)～249.5 Ma B.P.，時間間隔為1.5 Ma，最長也只有1.9 Ma。時間在碳酸鹽的白云化中具有非常重要的作用，Whitaker 和Xiao的數(shù)值模擬表明，正常海水要使碳酸鹽臺地完全白云化，需要幾百萬—幾十個百萬年[30]。同時，很多白云化作用(如回流白云巖和一些以海水作為白云化流體的埋藏白云巖)被局限在臺地范圍內(nèi)，四川盆地東北部飛仙關(guān)組作為儲層的結(jié)晶白云巖也被局限在開江—梁平臺棚以東(半)孤立碳酸鹽臺地邊緣。因而(半)孤立碳酸鹽臺地存在的時間會限制結(jié)晶白云巖的發(fā)育及規(guī)模。從這一角度來說，分布層位較低的臺棚以東(半)孤立碳酸鹽臺地的鮞粒巖具有更充足的白云化作用的時間，這是開江—梁平臺棚兩側(cè)鮞粒巖的白云化的程度存在差別，即東側(cè)的鮞粒巖強(qiáng)白云化、西側(cè)弱白云化或不白云化的另一重要原因。

d.開江—梁平臺棚以西更多地發(fā)育如圖5所示的原始結(jié)構(gòu)保存的白云巖(差儲層或非儲層)，巖石中白云石的晶體大小完全繼承先驅(qū)石灰?guī)r，具泥—微晶結(jié)構(gòu)或不等晶結(jié)構(gòu)(先驅(qū)石灰?guī)r膠結(jié)物和粒屑具不同的晶體大小)。在臺棚以東與一次相對海平面下降對應(yīng)的向上變淺旋回中，結(jié)晶白云巖分布在旋回中下部，而原始結(jié)構(gòu)保存的粒屑白云巖則分布在上部靠近臺地頂部的位置，向上過渡為泥—微晶結(jié)構(gòu)的塞卜哈白云巖，一些鉆井還存在蒸發(fā)鹽，說明原始結(jié)構(gòu)保存的粒屑白云巖和結(jié)晶白云巖具有不同的白云化機(jī)制。

圖6 川東北地區(qū)開江—梁平臺棚東、西兩側(cè)沉積相對比綜合柱狀圖Fig.6 Comprehensive column of the Feixianguan Formation on both sides of the Kaijiang-Liangping platform-shelf in Northeast Sichuan Basin(據(jù)文獻(xiàn)[14]，有修改)

圖7 四川盆地東北部飛仙關(guān)組作為儲層的結(jié)晶白云巖的白云化機(jī)理示意圖Fig.7 Sketch for dolomitization mechanism of crystalline dolostones which dominate the good quality reservoirs in Feixianguan Formation由于飛仙關(guān)組的結(jié)晶白云巖主要分布在開江—梁平臺棚以東，因而本圖顯示的主要是開江—梁平臺棚以東鮞粒巖的白云化模式，同時圖中顯示的是長周期模式，短周期與此類似。參考了文獻(xiàn)[34]的有關(guān)圖件，但本文作了實質(zhì)性修改并賦予了不同的含義

4.3 白云巖形成機(jī)制與白云化模式

我們用臺地內(nèi)海水的熱對流模式來解釋開江—梁平臺棚以東作為儲層的結(jié)晶白云巖的形成機(jī)制(圖7)。這種臺內(nèi)海水熱對流模式包括開放、封閉和混合3種類型[31]。開放的對流單元在頂部或側(cè)向?qū)Ｋ_放，并使得海水可以補(bǔ)充或流出，因而海水是鎂的主要來源。封閉的對流單元的熱對流在封閉系統(tǒng)中發(fā)生，要求封閉的流體自生必須要有足夠的鎂，比如封存的是Mg/Ca比值較高的海水，或封閉地層內(nèi)部存在鎂的來源；因而封閉對流單元中白云化作用相對有限，并需要地層本身具有更高滲透率和沒有隔水夾層等條件。

由于結(jié)晶白云巖主要分布在開江—梁平臺棚以東，因而該模式代表的是具陡峻邊緣的孤立的碳酸鹽臺地，鮞粒巖的分布層位也較低，主要在飛1段和飛2段。根據(jù)前邊的地球化學(xué)和白云巖的結(jié)構(gòu)特征，可以認(rèn)為白云化的主流流體是海水，溫度大致為40～60℃。這些海水在時間上晚于飛1段和飛2段，主要是飛4段沉積結(jié)束前的海水，與嘉陵江組時間相當(dāng)或在時間上更晚的海水對飛仙關(guān)組鮞粒巖的白云化仍然可能存在影響，但相對有限。除結(jié)晶白云巖的鍶同位素組成方面的依據(jù)以外，開江—梁平臺棚以東的(半)孤立碳酸鹽臺地的存在時間是另一重要依據(jù)。因為到奧倫尼克階(大致與嘉陵江組對應(yīng))臺棚以東的(半)孤立碳酸鹽臺地已經(jīng)消失，流體的驅(qū)動方式由開放的對流單元過渡為封閉的對流單元，白云化作用的規(guī)模將減小。

使鮞粒巖或其他粒屑碳酸鹽巖發(fā)生白云化的海水在臺地內(nèi)運動，對海水開放的熱對流是白云化流體的主要驅(qū)動方式，包括低溫海水向臺地方向的運動和海水進(jìn)入臺地被加熱后的向上垂向運動。熱對流的原始驅(qū)動力是溫度在空間上的差異，以下幾個方面的原因使得開江—梁平臺棚以東的(半)孤立碳酸鹽臺地存在臺地內(nèi)部的熱對流并具有顯著的白云化作用的潛力：(1)開江—梁平臺棚以東的(半)孤立碳酸鹽臺地具有陡峻的邊緣，溫度較高的臺地水和大洋水之間存在側(cè)向的溫度差(圖7)，從而導(dǎo)致臺地內(nèi)部流體的熱對流；而且(半)孤立臺地兩側(cè)同時發(fā)生的海水對流更有利于白云化作用的發(fā)生。開江—梁平臺棚以西鑲邊陸棚內(nèi)部海水的對流作用相對較弱，因而白云化作用的強(qiáng)度也有限。(2)開江—梁平臺棚以東的(半)孤立碳酸鹽臺地在飛仙關(guān)組就存在厚層蒸發(fā)鹽，蒸發(fā)鹽發(fā)育程度顯著高于臺棚以西的鑲邊陸棚(圖6)。蒸發(fā)鹽具有比碳酸鹽更高的熱導(dǎo)率，從而造成縱向熱導(dǎo)率的差異并加強(qiáng)臺地內(nèi)部流體的熱對流。(3)臺地邊緣具有原始孔隙度較高的鮞粒巖，使得溫度較低的大洋水從臺地邊緣向臺地內(nèi)補(bǔ)充并造成臺地內(nèi)部流體的熱對流。

我們對該模式和相應(yīng)的白云化機(jī)制作如下進(jìn)一步的解釋。

a.由于高滲透率的鮞粒巖僅分布在臺地邊緣，因而海水進(jìn)入臺地內(nèi)之后難以長距離向臺地內(nèi)作水平對流，臺地內(nèi)垂向?qū)α鞔笥谒綄α?圖8-A)。這限制了由這種對流方式形成的結(jié)晶白云巖的分布樣式，白云巖主要分布在臺地邊緣，同時也分布在臺地的中下部位置；對飛仙關(guān)組來說，更多地分布在飛1段和飛2段的位置，飛3段鮞粒沒有足夠時間完成白云化，因而白云巖的體積向上變小(圖8-B)。

b.開江—梁平臺棚以東(半)孤立碳酸鹽臺地邊緣的結(jié)晶白云巖的形成溫度大致在40～60℃之間，因而熱對流的熱源可以主要靠地?zé)嵩鰷貋韺崿F(xiàn)。但臺地內(nèi)部一部分低溫海水也可以通過臺地下部邊緣具滲透性的長興組的礁巖進(jìn)入臺地，而這些海水時間上也應(yīng)晚于飛1段和飛2段，海水被加溫后也不會>60 ℃很多，因為這些海水不會在臺地消失、嘉陵江組完全沉積后才進(jìn)入臺地內(nèi)部。

c.與開江—梁平臺棚以東(半)孤立碳酸鹽臺地不同的是，臺棚以西是缺乏陡峻邊緣的鑲邊陸棚，也可能是缺乏顯著地貌起伏的廣闊陸表海，碳酸鹽地層只在臺地頂部存在海水的供給和交換，通過這種開放形式的熱對流形成的白云化作用規(guī)模很有限。

d.已有的研究表明，在巖石具有足夠滲透率的前提下，溫度的升高可提高對流通量[32]。因而存在深部熱流體時，熱對流的力度將特別大，這可能導(dǎo)致迅速而廣泛的白云化。有關(guān)的實例如意大利Alps的三疊系Latemar 礁白云巖[33]和四川盆地西部二疊系的白云巖，白云化過程中海水可能被加熱到了200℃以上。川東北飛仙關(guān)組的結(jié)晶白云巖的結(jié)構(gòu)、氧同位素組成和包裹體均一化溫度不支持具有顯著高溫的熱流體的存在，但開江—梁平臺棚以東的(半)孤立碳酸鹽臺地在長興期就已存在并已發(fā)育陡峻的臺地邊緣，因而時間上晚于飛1段和飛2段的低溫海水可能通過臺地邊緣具滲透性的長興組的礁巖進(jìn)入臺地，這些海水被加熱到60℃左右的較高溫度(高于從飛1段—飛2段鮞粒巖進(jìn)入臺地的海水的溫度)，這在一定程度上也有利于增大熱對流的通量和白云化作用的效率。

e.開江—梁平臺棚以東的(半)孤立碳酸鹽臺地消失以后，四川盆地東北部成為缺乏顯著地貌起伏的廣闊陸表海，開放的熱對流轉(zhuǎn)化為封閉的熱對流。此時鎂的來源一方面依賴于囚禁的海水，另一方面來自鎂方解石的新生變形。由文石膠結(jié)的鮞粒巖因鎂的濃度相對較低導(dǎo)致白云石具有更大的晶體，同時因較慢的結(jié)晶速率而具有更高的錳含量和稍強(qiáng)的陰極發(fā)光強(qiáng)度。

圖8 四川盆地東北部飛仙關(guān)組(半)孤立碳酸鹽臺地內(nèi)海水的熱對流模式及白云巖的分布樣式Fig.8 Model for thermal convection of fluids in the platform and the distribution pattern of dolomites(A)海水從臺地下部兩側(cè)進(jìn)入，被加熱后主要沿垂直方向(實線箭頭)對流，溫度從臺地下部往上逐漸降低，虛線代表等溫線；(B)作為儲層的結(jié)晶白云巖的分布樣式，下部白云巖體的體積較大。參考了文獻(xiàn)[34]的有關(guān)圖件，但本文作了實質(zhì)性修改并賦予了不同的含義

f.除熱對流以外，川東北同時存在主要作為差儲層或非儲層的回流白云巖，并可能同時存在活躍回流和隱伏回流，活躍回流發(fā)生在臺地淹沒之前。由于鮞灘障壁的存在，與鮞粒巖近同期的位于臺地頂部的表層水的循環(huán)嚴(yán)格受限，從而導(dǎo)致蒸發(fā)作用和向陸方向的鹽度梯度，Mg/Ca比值已經(jīng)提高的蒸發(fā)水由于密度增加向下流抵臺地或向海流經(jīng)臺地沉積物(即回流作用)，并使得被高M(jìn)g/Ca比值鹵水滲透的沉積物發(fā)生白云化。在一次相對海平面下降所構(gòu)成的向上變淺旋回中，回流白云巖分布在旋回上部，也可以認(rèn)為是分布在臺地更靠近上部的位置，它們主要是原始結(jié)構(gòu)保存的粒屑白云巖(圖5)。在圖7中，我們在臺地頂部標(biāo)注的是飛4段的高鹽度鹵水，但也包括了在飛1—飛3段中，一次相對海平面下降所構(gòu)成的向上變淺旋回中的高鹽度鹵水，飛4段蒸發(fā)鹽的存在代表了更長周期的層序級別。

g.川東北三疊系在一些局部的地方存在深部來源的富鍶流體，與北西—南東向的垂直裂隙伴生。這些裂隙中充填有包裹體均一化溫度在80～280℃之間的鞍形白云石(圖9)、天青石、螢石和方解石，伴隨圍巖的天青石礦化作用并在局部地方形成了天青石礦床(另文討論)，發(fā)現(xiàn)地點包括圖9所示的合川三疊系，也見于川東北的元壩地區(qū)三疊系[35]。圖7作為一個綜合的模式給出沿可滲透斷層向上運動的富鍶流體，但這些深部熱流體沒有顯示出對結(jié)晶白云巖和原始結(jié)構(gòu)保存白云巖等主流白云巖白云化過程的顯著影響。雖然深部熱流體的存在會顯著提高臺地內(nèi)部埋藏環(huán)境熱對流的效率并使得白云巖具有更大的規(guī)模，但與天青石礦床有關(guān)的熱鹵水發(fā)生的時間及其與飛仙關(guān)組結(jié)晶白云巖之間的關(guān)系仍然不清楚。

h.基于前邊的討論，我們可以認(rèn)為結(jié)晶白云巖和原始結(jié)構(gòu)保存的粒屑白云巖具有不同的白云化機(jī)制。雖然白云化作用的鎂離子都主要來自海水，但其對大氣水環(huán)境的開放程度可能不同。結(jié)晶白云巖是在不對大氣水環(huán)境開放，但對非同期海水開放的條件下進(jìn)行的。白云化反應(yīng)[34]按

2 CaCO3(固相)+Mg2+(水溶液)?

CaMg(CO3)2(固相)+Ca2+(水溶液)

(反應(yīng)1)

進(jìn)行。原始結(jié)構(gòu)保存的粒屑白云巖是在對大氣水環(huán)境相對開放的條件下進(jìn)行的，白云化反應(yīng)按

CaCO3(固相)+Mg2+(水溶液)+

(反應(yīng)2)

進(jìn)行。如果按白云化反應(yīng)的通式

(2-x)CaCO3(固相)+Mg2+(水溶液)+

(1-x)Ca2+(水溶液)

(反應(yīng)3)

圖9 川東北三疊系嘉陵江組白云巖中的近垂直裂縫及充填的鞍形白云石Fig.9 The nearly vertical fracture and the saddle-dolomite fillings in the 4th member of Jialingjiang Formation, NE Sichuan(A)嘉陵江組白云巖中的近垂直裂縫，合川剖面嘉陵江組第四段；(B)裂縫及充填的鞍形白云石，注意白云石的波狀消光，正交偏光

5 結(jié) 論

a.四川盆地東北部三疊系飛仙關(guān)組結(jié)晶白云巖或多或少地保留有被白云化先驅(qū)巖石的鮞粒結(jié)構(gòu)，由平直晶面半自形—自形晶白云石構(gòu)成，缺乏非平直晶面的他形晶，白云石晶體較小，缺乏可進(jìn)行均一化溫度分析的氣-液兩相包裹體，顯示低溫白云化作用的特征。

b.飛仙關(guān)組的結(jié)晶白云巖具有較低的錳、鐵含量和較高的鍶含量，顯示海水或海源流體在白云化過程中的控制作用。

c.根據(jù)飛仙關(guān)組結(jié)晶白云巖氧同位素組成，從白云巖的結(jié)構(gòu)和包裹體分析假定的40～60℃白云化溫度，可知結(jié)晶白云巖的白云化流體的氧同位素組成在早三疊世海水的范圍內(nèi)，因而早三疊世的海水是結(jié)晶白云巖的白云化流體。

d.結(jié)晶白云巖的碳、氧、鍶同位素組成說明先驅(qū)鮞?；?guī)r的碳是其主要碳源，白云化流體主要是早三疊世印度階晚期海水，其次是奧倫尼克階海水，白云化作用發(fā)生時鮞?；?guī)r處于埋藏深度<1 km的埋藏階段，40～60℃的溫度主要由地?zé)嵩鰷靥峁?/p>

e.臺地內(nèi)部埋藏環(huán)境的熱對流模式可以較好地解釋川東北飛仙關(guān)組的結(jié)晶白云巖的形成機(jī)制，開江—梁平臺棚以東的(半)孤立碳酸鹽臺地內(nèi)部的熱對流具有如下幾方面顯著的白云化作用的潛力：(1)具陡峻的臺地邊緣，溫度較高的臺地水和大洋水之間存在側(cè)向的溫度差，孤立臺地兩側(cè)同時發(fā)生的海水對流更有利于白云化作用的發(fā)生，低溫大洋水主要從飛1段—飛2段的鮞粒巖，其次從長興組的礁巖進(jìn)入臺地并被加溫。(2)開江—梁平臺棚以東的(半)孤立碳酸鹽臺地在飛仙關(guān)組就存在厚層蒸發(fā)鹽，蒸發(fā)鹽具有比碳酸鹽更高的熱導(dǎo)率，從而造成縱向熱導(dǎo)率的差異并加強(qiáng)臺地內(nèi)部流體的熱對流。(3)臺地邊緣具有原始孔隙度較高的鮞粒巖，使得溫度較低的大洋水從臺地邊緣向臺地內(nèi)補(bǔ)充并造成臺地內(nèi)部流體的熱對流。(4)開江—梁平臺棚以東鮞粒巖分布層位較低(飛1段—飛2段)，臺地消失前白云化作用有較為充足的時間以維持開放熱對流作用的進(jìn)行，臺地消失后封閉的熱對流作用相對次要。

f.由于高滲透率的鮞粒巖僅分布在臺地邊緣，海水進(jìn)入臺內(nèi)后難于長距離向臺地內(nèi)作水平對流，臺地內(nèi)垂向?qū)α鞔笥谒綄α?，這限制了結(jié)晶白云巖的分布樣式。白云巖只分布在臺地邊緣，同時也分布在臺地的中下部位置，飛3段鮞粒沒有足夠時間完成白云化，結(jié)晶白云巖的體積向上變小。

g.川東北飛仙關(guān)組還存在的回流白云化作用和塞卜哈白云化作用，由此形成的白云巖主要分布在臺地的上部或頂部，保留有很好的原始粒屑灰?guī)r與泥—微晶灰?guī)r的結(jié)構(gòu)，白云化流體主要是同期海水，白云化系統(tǒng)相對開放，白云化流體鹽度高于同期海水。

i.開江—梁平臺棚以西鑲邊陸棚的飛仙關(guān)組雖然也發(fā)育高能環(huán)境的鮞粒灰?guī)r或其他高能環(huán)境的粒屑灰?guī)r，但形成結(jié)晶白云巖的條件差于臺棚以東。

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Forming mechanism and dolomitization model of Triassic crystalline dolomite in Northeast Sichuan Basin, China

HUANG Ke-ke, HU Zuo-wei, LI Xiao-ning, LAN Ye-fang, LYU Jie, HUANG Si-jing

StateKeyLaboratoryofOil/GasReservoirGeologyandExploitation,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China

Sichuan Basin; Feixianguan Formation; dolomite reservoir; sea water dolomitization; thermal convection

10.3969/j.issn.1671-9727.2014.05.11

1671-9727(2014)05-0612-13

2013-05-02 [基金項目] 國家自然科學(xué)基金資助項目(41272130； 40839908)

黃可可(1983-)，女，博士，講師，從事沉積地球化學(xué)專業(yè)的教學(xué)與科研工作, E-mail:h-k-k@yeah.net。

P588.245

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