川南地區(qū)震旦系燈影組白云巖地球化學特征及形成機制

周吉羚， 李國蓉,2， 高魚偉， 雷和金， 符 浩

( 1. 成都理工大學 能源學院，四川 成都 610059； 2. 成都理工大學 油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610059 )

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川南地區(qū)震旦系燈影組白云巖地球化學特征及形成機制

周吉羚1， 李國蓉1,2， 高魚偉1， 雷和金1， 符 浩1

( 1. 成都理工大學 能源學院，四川 成都 610059； 2. 成都理工大學 油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610059 )

川南地區(qū)震旦系燈影組白云巖儲層油氣資源前景廣闊，但勘探程度低.為認識研究區(qū)白云巖地球化學特征及形成機制，利用薄片觀察、露頭剖面，巖心樣品的陰極發(fā)光，X線衍射有序度，以及碳、氧穩(wěn)定同位素分析等方法，將燈影組白云石分為微晶白云石、粉—細晶它形臟白云石、細晶白云石、中—粗晶白云石、鞍狀白云石5種類型.結果表明：不同類型白云石δ13C值相近，δ18O值依次減小，X線衍射有序度依次增大，前3類白云石陰極射線下幾乎不發(fā)光，后2類白云石陰極射線下呈近紅色光；白云石的形成機制分別為同生期蒸發(fā)泵白云石化、同生期滲透回流白云石化、淺埋藏白云石化、深埋藏白云石化及熱液白云石化.該研究結論為研究區(qū)白云巖儲層的空間分布和油氣勘探提供參考.

白云巖； 地球化學特征； 形成機制； 燈影組； 川南地區(qū)

0 引言

四川盆地為大型含油富氣疊合盆地，面積約為19×104km2，盆地沉積蓋層完整、儲層類型多樣，川南地區(qū)震旦系燈影組廣泛發(fā)育一套厚度穩(wěn)定的白云巖儲層，是盆地最重要儲層之一[1].2011年，高石1井在燈二段、燈四段氣層測試獲得天然氣日產量超過100×104m3的高產工業(yè)氣流，該儲層具有良好的勘探前景.人們研究儲層白云石形成機制，翟永紅等認為中揚子地臺燈影組白云石可以劃分為準同生白云石化、滲透回流白云石化、混合水白云石化、壓溶白云石化和埋藏白云石化等5類成因[2]；雷懷彥、王興志、方少仙等認為燈影組白云石主要為原生白云石[3-5]；王士峰等認為原生白云石重結晶產物為較純的細晶白云石，且深埋藏作用的產物是細晶硅質白云石[6]；王勇認為細晶硅質白云巖形成于近地表的表生環(huán)境，與微生物活動密切相關[7]；梅冥相等認為淺水白云巖中各種藻生物沉積結構保存完好，至深水區(qū)變?yōu)槟嗑О自剖?，表明震旦系白云巖為原生白云石沉淀的產物[8]；劉樹根等認為燈影組白云石形成機制還包括深埋藏白云石化和熱液白云石化機制[9].

由于震旦系燈影組時代老、演化程度高、構造作用改造強烈、成巖作用復雜等，同時在白云石地球化學特征分析方面較為薄弱，所以對白云石化機制的分析還存在疑問，對其成因機制缺乏統(tǒng)一認識.筆者分析研究區(qū)白云石的巖石學和礦物學特征，結合現(xiàn)代巖礦測試方法，研究燈影組白云巖形成的地球化學環(huán)境和形成機制，為川南地區(qū)燈影組白云巖儲層的空間分布及油氣勘探提供參考依據(jù).

1 地質概況

四川盆地在印支期已具雛形，最終定型于喜馬拉雅期強烈的構造變形后[10](見圖1)，川南地區(qū)分布在四川盆地龍泉山斷裂帶和華鎣山斷裂帶之間.四川盆地震旦系燈影組在川南大部分地區(qū)上覆寒武系九老洞組地層，在川東南及貴州部分地區(qū)與牛蹄塘組不整合接觸，下伏陡山沱組地層[11-12].

圖1 研究區(qū)構造位置Fig.1 Diagram of tectonic location in the study area

研究區(qū)震旦系燈影期長期處于極淺水碳酸鹽巖臺地環(huán)境，臺地碳酸鹽巖長期均勻沉積沉降，具有陸表海臺地的性質[13].燈影組地層繼承陡山沱期臺地西高東低、西淺東深的特點，繼而發(fā)展為碳酸鹽巖緩坡型臺地背景沉積[14].

2 樣品與實驗

選取川西南樂山市范店剖面、貴州金沙縣巖孔剖面、貴州松林剖面、貴州習水剖面露頭樣品，以及安平1井、丁山1井、林1井等取心樣品進行巖心觀察及顯微鏡下鑒定；挑選部分樣品進行碳、氧穩(wěn)定同位素，X線衍射有序度及陰極發(fā)光等地球化學分析.

碳、氧穩(wěn)定同位素分析在中國石油西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院地質實驗室完成，選取46件樣品，測試儀器為MAT-252型質譜儀，實驗溫度為22 ℃、濕度為50%，所得結果的千分差以PDB(美國南卡納州白堊系皮狄組中的美洲擬箭石)標準計算，分析精度優(yōu)于0.2‰；X線衍射有序度特征分析在成都理工大學完成，選取29件樣品，檢測環(huán)境溫度為20 ℃，濕度為58%；陰極發(fā)光分析在成都理工大學完成，選取21件樣品，抽真空后在額定電壓為220 kV、曝光時長為10 s條件下，進行圖像采集.

3 白云石類型及巖石學特征

根據(jù)巖石學、地球化學特征分析，結合工區(qū)沉積史、構造演化史，將川南地區(qū)震旦系燈影組白云石分為微晶白云石、粉—細晶它形臟白云石、細晶白云石、中—粗晶白云石、鞍狀白云石等5種類型.

3.1 微晶白云石

微晶白云石主要生長于非生物成因的隱晶白云巖，在地層內大量產出.此類白云石晶體形狀小，一般小于0.01 mm，晶體表面較臟，具微晶結構，顏色為淺灰—灰色，被縫合線和多期裂縫切割改造；巖石致密不利于儲集層發(fā)育(見圖2(a)).微晶白云石結晶速度快，且形成于水淺、低能和鹽度較高的原始沉積環(huán)境，是準同生白云石化的重要標志[15].

3.2 粉—細晶它形臟白云石

粉—細晶它形臟白云石晶體表面較臟，晶粒較細，顏色為灰色—深灰色，塊狀構造，以它形晶為主，偶見半自形晶；鏡下可見少量藻粘結殘余結構；白云石化程度整體較好(見圖2(b)).

圖2 川南地區(qū)震旦系燈影組白云石類型Fig.2 The characteristic of Sinian Dengying formation dolomite types in south Sichuan area

3.3 細晶白云石

細晶白云石主要生長于溶蝕縫洞，沿縫洞壁生長.晶體間多為鑲嵌狀接觸，并有晶間微孔、晶間溶孔及裂縫發(fā)育，總體上孔隙不發(fā)育；一般晶形較好，在顯微鏡下偶見潔凈明亮的邊緣和云霧狀核心(見圖2(c)).

3.4 中—粗晶白云石

溶洞中央常充填中—粗晶白云石，與自形白云石鑲嵌共生，接觸邊緣平直，一般為后期動態(tài)結晶形成，礦物自形較好，呈菱形粒狀，泥質和雜質成分較少，顆粒較干凈，單偏光下無色，干涉色呈高級白，清晰可見兩組菱形相交解理，沿解理方向對稱消光，少見伴生礦物及副礦物(見圖2(d)).

3.5 鞍狀白云石

鞍狀白云石是研究區(qū)最常見熱液礦物，常與石英、方解石及其他重礦物共生，偶見有機質、熱液破裂角礫[16].此類白云石主要發(fā)育于裂縫和溶蝕孔洞，晶體大小可達中—粗晶，表面較干凈，晶面彎曲，正交光下波狀消光明顯[17].晶體破碎強烈，多發(fā)育裂紋，通常為局部構造應力所致，裂紋中充填泥質成分，為在后期動能較小環(huán)境中充填形成(見圖2(e-f)).

4 地球化學特征

4.1 碳、氧穩(wěn)定同位素

碳、氧穩(wěn)定同位素特征分析在研究白云石的成因類型和成巖流體性質中具有重要作用[18].白云石的碳同位素組成主要受控于碳源，當白云石的碳同位素組成較低時，白云石化流體通常來自于有機流體或大氣流體[19]；當白云石的碳同位素組成較高時，白云石化流體通常來自于海水或與海水有關的海源流體.白云石的氧同位素主要受控于成巖流體的氧同位素組成和成巖溫度，其中以溫度分餾效應控制為主[20].一般成巖礦物—水系統(tǒng)溫度越高，成巖礦物的氧同位素值越小，成巖礦物—水之間的氧同位素分餾系數(shù)越小[21-22].

微晶白云石δ18O值在-1.29‰～-4.52‰ PDB之間，平均為-2.95‰ PDB；δ13C值在1.95‰～7.82‰ PDB之間，平均為4.98‰ PDB.此類白云石的碳、氧同位素較富集，是在高鹽度海水環(huán)境及蒸發(fā)泵模式下，經(jīng)由海水蒸發(fā)濃縮并發(fā)生白云石化作用而快速結晶形成.

粉—細晶白云石δ18O值相對較低，在-4.94‰～-8.51‰ PDB之間，平均為-6.74‰ PDB；δ13C值在0.83‰～5.36‰ PDB之間，平均為3.23‰ PDB.與微晶白云石相比，此類白云石的氧同位素虧損，碳同位素較為富集.在微晶白云石重結晶或灰?guī)r白云石化過程中，由于海水滲透回流補給，海水中13C優(yōu)先進入礦物，使碳同位素富集；在白云石化過程中，由于溫度升高，16O優(yōu)先進入白云石，導致氧同位素虧損.

細晶白云石δ18O值在-10.17‰～-11.95‰ PDB之間，平均為-10.98‰ PDB；δ13C值在0.45‰～4.43‰ PDB之間，平均為2.15‰ PDB.與微晶白云石和細晶白云石相比，此類白云石表現(xiàn)為更低的δ18O值和較低的δ13C值，原因是巖石處于淺埋藏成巖環(huán)境下，幾乎沒有外來流體介入，導致碳同位素虧損、但較為穩(wěn)定；埋深引起溫度升高，16O優(yōu)于18O進入礦物，使16O相對富集、δ18O值減小.在重結晶過程中，伴隨白云石的溶解和沉淀作用，白云石晶體逐步增大，δ18O值呈下降趨勢，促使白云石化作用進行，形成淺埋藏成因的細晶白云石.

中—粗晶白云石δ18O值在-8.95‰～-13.32‰ PDB之間，平均為-11.56‰ PDB；δ13C值在1.61‰～4.96‰ PDB之間，平均為2.73‰ PDB.此類白云石表現(xiàn)為18O虧損及13C相對穩(wěn)定，原因是埋深增加，使δ18O值更?。煌瑫r深埋藏成巖環(huán)境下幾乎沒有外來流體介入，使δ13C值趨于穩(wěn)定.

鞍狀白云石δ18O值在-12.48‰～-15.12‰ PDB之間，平均為-13.53‰ PDB；δ13C值在-3.89‰～4.47‰ PDB之間，平均為1.98‰ PDB.此類白云石中的碳、氧同位素特征反映，在熱液流體作用下，高溫導致18O虧損，受有機質熱成巖作用的輕的碳輸入使13C也發(fā)生虧損.

由研究區(qū)燈影組白云石中碳、氧穩(wěn)定同位素交匯圖(見圖3)可見，各類白云石δ18O值差異明顯，δ13C值較為相近，而鞍形白云石δ13C值多小于零.根據(jù)白云石中碳、氧穩(wěn)定同位素在交匯圖中位置，可劃分為4個區(qū)域：區(qū)域Ⅰ中的δ18O值相對較高，主要為微晶白云石，通常為與海水有關的流體作用結果；區(qū)域Ⅱ中的δ18O值略低于微晶白云石的，主要為粉—細晶白云石，通常與滲透回流白云石化作用相關；區(qū)域Ⅲ中的δ18O值偏低，主要為細晶白云石和溶縫、溶洞內中—粗晶白云石，通常與埋藏作用相關；區(qū)域Ⅳ中的δ18O和δ13C值明顯較低，主要為鞍狀白云石，通常與熱液流體相關作用.

圖3 川南地區(qū)燈影組白云石碳、氧穩(wěn)定同位素交匯圖

4.2 X線衍射有序度

白云石的X線衍射有序度是白云石的石化程度、結晶程度、結晶溫度，以及白云石形成機制等方面信息的綜合反映，可利用它研究白云石形成機制[23].由研究區(qū)X線衍射有序度分布特征(見圖4)可以看出：(1)雖然各類白云石的分布具有一定離散性，但隨著白云石晶徑的增大，X線衍射有序度總體增大趨勢明顯；(2)不同類型白云石的X線衍射有序度具有明顯差異；(3)白云石的X線衍射有序度與結晶溫度相關，溫度越高X線衍射有序度更高.

微晶白云石的X線衍射有序度較低，在0.52～0.68之間，平均為0.58，表明它在高鹽度環(huán)境條件下快速形成，且為同生期產物.

圖4 川南地區(qū)燈影組白云石X衍射有序度分布特征Fig.4 The order degree of X diffraction distribution characteristics of the Dengying formation dolomite in south Sichuan area

粉—細晶它形臟白云石的X線衍射有序度較微晶白云石的明顯提高，主要在0.38～1.00之間，平均為0.65，通常由同生期海水滲透回流形成.較低的X線衍射有序度表明,它是在高Mg2+/Ca2+等高離子濃度環(huán)境下快速結晶形成的.

縫洞內細晶白云石的X線衍射有序度主要在0.60～0.75之間，平均為0.67.X線衍射有序度偏低表明，它是在同一時期白云石化過程中沒有受到外來流體改造而直接快速結晶形成的.淺埋藏成因的細晶白云石的X線衍射有序度比同生期的微晶白云石的偏高，說明細晶白云石的白云石化作用徹底，形成于相對鹽度較高的環(huán)境.

中—粗晶白云石的X線衍射有序度較高，主要在0.50～1.00之間，平均為0.80.此類白云石形成于深埋藏條件，形成過程中結晶速度緩慢.埋藏過程中，由于埋深和地溫增大，以及受到地層孔隙流體影響，X線衍射有序度較高[24].

鞍狀白云石的X線衍射有序度主要在0.57～1.00之間，平均為0.83.熱液巖漿流體的高溫使其結晶溫度升高.此類白云石結晶良好、晶形較粗大，由于埋深增加，其X線衍射有序度最高.

4.3 陰極發(fā)光

碳酸鹽巖礦物的陰極發(fā)光特征主要受控于碳酸鹽礦物中的Mn2+和Fe2+的含量，前者激活陰極發(fā)光，后者猝滅陰極發(fā)光[25].發(fā)光特征可分為不發(fā)光、暗淡發(fā)光和明亮發(fā)光3種類型.不發(fā)光是因為氧化環(huán)境中Mn2+和Fe2+為高價態(tài)，通常近地表成巖環(huán)境中膠結物缺少Mn2+；明亮發(fā)光是因為Mn2+含量高、Fe2+含量低，形成于弱氧化—還原條件，是滲透回流或埋藏環(huán)境的產物；暗淡發(fā)光是因為含有較多的Fe2+和Mn2+，形成于深埋藏條件[26].

低能環(huán)境導致微晶白云石具有低的Fe2+和Mn2+含量，陰極射線下呈暗紅色光(見圖5(a-b))；粉—細晶它形臟白云石在陰極射線下呈紅色光(見圖5(c-d))；溶蝕縫洞內的細晶白云石在陰極射線下呈不發(fā)光—暗紅色光；中—粗晶白云石在陰極射線下呈橙紅—亮紅色光(見圖5(e-f))；鞍狀白云石在陰極射線下呈紅色—暗紅色光(見圖5(g-h)).分析碳、氧穩(wěn)定同位素和X線衍射有序度特征，認為川南地區(qū)燈影組5類白云石的形成機制分別為同生期蒸發(fā)泵白云石化、同生期滲透回流白云石化、淺埋藏白云石化、深埋藏白云石化及熱液白云石化.

圖5 川南地區(qū)震旦系燈影組不同類型白云石陰極發(fā)光特征Fig.5 The cathodoluminescence's characteristic of the different types of Sinian Dengying formation dolomite types in south Sichuan area

5 白云巖形成機制

5.1 蒸發(fā)泵白云石化

四川盆地早震旦世陡山沱期古氣候由寒轉暖、持續(xù)海侵，至晚震旦世燈影期瀘定古陸被淹沒，使盆地主體處于局限環(huán)境，并伴生高溫氣候，根據(jù)δ18O值計算得出海水溫度達40.8 ℃[27-28]，強烈的蒸發(fā)泵白云石化作用使全區(qū)大面積發(fā)育微晶白云石.微晶白云石的X線衍射有序度平均僅為0.58，碳、氧穩(wěn)定同位素富集，陰極射線下呈不發(fā)光—暗紅色光，表明它形成于濃縮的高鹽度海水環(huán)境、地表或近地表條件，白云石化結晶快速(見圖6(a)).

5.2 滲透回流白云石化

粉—細晶它形臟白云石的X線衍射有序度平均為0.65，碳、氧穩(wěn)定同位素值與微晶白云石的相近，δ18O值較高，陰極射線下呈紅光，說明它形成于鹽度較高或正常、地表或近地表地溫條件，形成過程快速結晶.由于受到毛細管濃縮或蒸發(fā)泵作用，使高鎂鹽水“向上”運動，當相對密度較大的高鎂鹽水在地表受到阻礙時，向下滲透回流，即發(fā)生“向下”的運動；當下伏的碳酸鈣沉積物或灰?guī)r與這種“向下”的高鎂鹽水發(fā)生白云石作用后，形成粉—細晶它形臟白云石[25](見圖6(b)).

5.3 淺埋藏白云石化

縫洞內細晶白云石的X線衍射有序度平均為0.67，碳、氧穩(wěn)定同位素值比微晶和粉—細晶它形臟兩類同生期形成的白云石的略低，陰極射線下呈不發(fā)光或暗紅色光，說明它形成于流體性質與正常海水相近或鹽度稍高、埋藏較淺環(huán)境，在滲透回流白云石化連續(xù)過程中，結晶速度相對較慢，形成于淺埋藏條件.淺埋藏早期屬于半開放環(huán)境，海水對成巖作用影響較大，隨著埋深加大，環(huán)境由半開放變?yōu)榉忾]，流體也由海水變?yōu)榈貙铀甗29].

5.4 深埋藏白云石化

中深埋藏流體作用早期，在地層水流體作用下，大的縫洞中央沉積中—粗晶白云石，晶粒粗大、自形程度高、埋深較大，地球化學特征表現(xiàn)為平均X線衍射有序度高、δ18O值低，在陰極射線下呈橙紅—亮紅色光.在深埋藏環(huán)境下，孔隙流體的化學性質不再受地表或近地表成巖過程控制，而受控于地下成巖過程，白云化流體包括孔隙水、吸附水和地層流體等，溫度和壓力較高，有利于白云石化作用的進行[30].深埋藏白云石化常與熱液活動相關.隨著埋深加大，孔隙水的離子濃度逐漸增加，由于受到低溫梯度作用，孔隙水產生循環(huán)對流作用，中—粗晶白云石即為白云石化作用進一步進行并重新結晶的產物[31-32].

圖7 川南地區(qū)燈影組熱液白云石化作用模式Fig.7 The mode of hydrothermal dolomitization of Dengying formation in south Sichuan area

5.5 熱液白云石化

在深埋藏條件下，溫度大于5 ℃、壓力略高于圍巖的高鹽度流體參與發(fā)生的白云石化，稱為熱液白云石化[33].鞍狀白云石是熱液白云石化的一個主要產物[34].鞍狀白云石的地球化學特征表現(xiàn)為X線衍射有序度最高，碳、氧穩(wěn)定同位素虧損最明顯，陰極射線下呈紅色—暗紅色光.鞍狀白云石形成于加里東運動末期到峨眉地裂早期、從擠壓作用轉向拉張作用的過程，應力的釋放使地下巖漿體上涌侵入，由于燈影組頂部存在致密的微晶白云巖，使得熱液流體被封隔在燈影組縫洞內活動，導致熱液礦物大面積發(fā)育.

6 結論

(1)通過對川南地區(qū)震旦系燈影組巖心及薄片觀察，并結合沉積和構造演化史，認為白云石化作用是研究區(qū)碳酸鹽巖中最常見的成巖現(xiàn)象，根據(jù)白云石的晶體大小、自形程度等，將研究區(qū)白云石分為微晶白云石、粉—細晶它形臟白云石、細晶白云石、中—粗晶白云石和鞍狀白云石等5種類型.

(2)川南地區(qū)燈影組白云石的地球化學特征表現(xiàn)為：在碳、氧穩(wěn)定同位素特征上，δ13C值較為相似，僅鞍狀白云石δ13C值多小于零；δ18O值具有明顯差異，由高到低分別為微晶白云石、粉—細晶它形臟白云石、細晶白云石、中—粗晶白云石和鞍狀白云石.在X線衍射有序度特征上，隨著白云石的晶徑增大，X線衍射有序度總體增大趨勢明顯；白云石的X線衍射有序度與結晶溫度相關，高溫條件下X線衍射有序度更高；白云石的X線衍射有序度由大到小為鞍狀白云石、中—粗晶白云石、細晶白云石、粉—細晶白云石和微晶白云石.在陰極發(fā)光特征上，微晶白云石呈暗紅色光—不發(fā)光；粉—細晶白云石呈紅色光；溶蝕縫洞內的細晶白云石呈不發(fā)光—暗紅色光；中—粗晶白云石呈橙紅—亮紅色光；鞍狀白云石呈紅色—暗紅色光.

(3)川南地區(qū)燈影組5類白云石的形成機制分別為同生期蒸發(fā)泵白云石化、同生期滲透回流白云石化、淺埋藏白云石化、深埋藏白云石化及熱液白云石化.

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2015-04-01；編輯：張兆虹

國家自然科學基金項目(41272150)；國家科技重大專項(2011ZX05005)

周吉羚(1991-)，女，碩士研究生，主要從事儲層地質學與地球化學等方面的研究.

李國蓉,E-mail: liguorong@cdut.cn

P588.3

A

2095-4107(2015)03-0067-09

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.03.009