四川盆地東部石炭系黃龍組白云巖成因

劉詩(shī)宇，胡明毅，胡忠貴，戴危艷（1.長(zhǎng)江大學(xué)油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430100；2.長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，武漢430100）

四川盆地東部石炭系黃龍組白云巖成因

劉詩(shī)宇1，2，胡明毅1，2，胡忠貴1，2，戴危艷1，2
（1.長(zhǎng)江大學(xué)油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430100；2.長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，武漢430100）

四川盆地東部石炭系黃龍組是重要的天然氣產(chǎn)層，白云石化作用是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育的必要條件，白云石化成因類型研究對(duì)該區(qū)油氣勘探具有重要意義。根據(jù)巖心和野外剖面觀察與描述，結(jié)合薄片資料，認(rèn)為區(qū)內(nèi)黃龍組主要發(fā)育以下幾種類型的白云巖：泥—微晶白云巖、粉—細(xì)晶白云巖和殘余顆粒粉—細(xì)晶白云巖等，以及充填于孔、洞或縫中的白云石膠結(jié)物。結(jié)合X射線衍射分析數(shù)據(jù)和穩(wěn)定同位素δ13C與δ18Ο資料，發(fā)現(xiàn)該區(qū)不同類型的白云巖以及白云石膠結(jié)物的形成條件和物性特征各異，分別用不同的成因模式來(lái)解釋更為合理，在此基礎(chǔ)上總結(jié)了黃龍組具有如下4種白云巖成因模式：泥—微晶白云巖的蒸發(fā)泵白云石化成巖模式、（殘余顆粒）粉—細(xì)晶白云巖的埋藏壓實(shí)白云石化成巖模式、淡水白云巖的調(diào)整白云石化成巖模式和異形白云巖的構(gòu)造熱液白云石化成巖模式。

白云巖；白云石化；成因模式；黃龍組；川東地區(qū)

0　引言

四川盆地東部（包括川東、渝東和渝北地區(qū)）石炭系自鉆獲工業(yè)氣流以來(lái)，其天然氣儲(chǔ)量和產(chǎn)量均居四川盆地各層系氣藏之首［1］。在四川盆地東部主力產(chǎn)層中，石炭系黃龍組對(duì)氣藏產(chǎn)量貢獻(xiàn)較大，是重要的勘探開發(fā)層系。白云巖儲(chǔ)層是現(xiàn)今四川盆地最重要的碳酸鹽巖儲(chǔ)集層。研究表明，白云石化作用對(duì)碳酸鹽巖優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層形成的影響最為顯著［2-6］。白云巖的成因問(wèn)題是碳酸鹽巖巖石學(xué)研究中最為復(fù)雜的問(wèn)題，白云巖的各種生成機(jī)理及解釋層出不窮，僅就四川盆地東部地區(qū)白云巖成因而言，我國(guó)石油地質(zhì)工作者就先后提出了回流滲透白云石化、蒸發(fā)泵白云石化、混合水白云石化、埋藏白云石化和構(gòu)造熱液白云石化等多種成因模式［1-6］。目前，對(duì)不同結(jié)構(gòu)特征白云巖的成因解釋尚未達(dá)成共識(shí)。如郭一華［4］認(rèn)為粉晶白云巖成層性好，且發(fā)育窗格孔和干裂縫等，因而判定為準(zhǔn)同生白云巖；王蘭生等［5］將顆粒與晶粒白云巖中粉晶白云石的成因歸結(jié)為混合水白云石化；胡忠貴等［6］依據(jù)巖石結(jié)構(gòu)、Sr含量和地球化學(xué)特征，將顆粒白云巖和粉—細(xì)晶白云巖解釋為埋藏白云石化作用的產(chǎn)物，因此加強(qiáng)四川盆地東部黃龍組白云巖成因研究顯得尤為重要。筆者在前人研究基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)四川盆地東部石炭系黃龍組巖心和野外剖面進(jìn)行觀察與描述，結(jié)合薄片資料和相關(guān)物性資料，從微觀角度對(duì)各類白云巖進(jìn)行定量化標(biāo)定，并結(jié)合X射線衍射分析和穩(wěn)定同位素δ13C與δ18Ο的地球化學(xué)特征，對(duì)白云巖成因模式進(jìn)行研究，以期為探討四川盆地東部的白云巖儲(chǔ)層形成條件以及儲(chǔ)層預(yù)測(cè)均提供依據(jù)。

1　地質(zhì)概況

四川盆地東部北抵城口、南達(dá)涪陵、西至南充、東鄰巫山，面積約5.78萬(wàn)km2［圖1（a）］。構(gòu)造上隸屬于川東高陡弧形褶皺帶，北與大巴山古陸相連，南鄰滇正古陸，西鄰川中古陸，為三面環(huán)山的局限海灣潮坪環(huán)境。從研究區(qū)白云巖厚度圖［圖1（b）］可以看出，四川盆地東部廣泛發(fā)育白云巖，達(dá)州以南大部分地區(qū)白云巖厚度為20～50 m，局部地區(qū)厚度大于50 m。

圖1　四川盆地東部構(gòu)造分布（a）及白云巖厚度（b）Fig.1Distribution of construction（a）and isopach map of dolomite（b）in eastern Sichuan Basin

受海西運(yùn)動(dòng)的影響，四川盆地東部大部分地區(qū)僅殘存不完整的上石炭統(tǒng)黃龍組，其不整合超覆于中志留統(tǒng)韓家店組之上，頂部與下二疊統(tǒng)梁山組煤系地層不整合接觸。區(qū)內(nèi)黃龍組厚3.5～86.0 m，平均為28.2 m。通過(guò)對(duì)區(qū)內(nèi)40口取心井巖心的描述，結(jié)合野外剖面實(shí)測(cè)資料及顯微鏡下巖石薄片鑒定資料，黃龍組自下而上可分為3個(gè)巖性段［6］：一段（C2hl1）為深灰色或褐灰色去膏化、各種粒級(jí)的白云巖，可見去白云石化粉—細(xì)晶次生灰?guī)r與泥—微晶白云巖互層，厚度為0～20 m；二段（C2hl2）發(fā)育褐灰色泥—微晶白云巖、粉—細(xì)晶白云巖和顆粒白云巖，也可見白云質(zhì)巖溶角礫巖，巖性整體上以白云巖為主，為儲(chǔ)層相對(duì)較好的層位，厚度為0～50 m；三段（C2hl3）巖性主要為泥—微晶（少量粉晶）灰?guī)r，偶含少量有孔蟲等生物碎屑，也可見灰質(zhì)巖溶角礫巖，厚度為0～25.3 m。

2　白云巖類型劃分及其巖石學(xué)特征

從結(jié)構(gòu)類型上看，四川盆地東部石炭系黃龍組白云巖主要包括泥—微晶白云巖、粉—細(xì)晶白云巖（圖版Ⅰ-1）、殘余顆粒粉—細(xì)晶白云巖以及白云質(zhì)巖溶角礫巖（圖版Ⅰ-2～Ⅰ-4）等巖石類型，還有一部分中—粗晶白云石以及異形中—粗晶和巨晶白云石晶簇以充填物的形式出現(xiàn)在溶蝕孔、洞或縫中。

2.1泥—微晶白云巖

晚石炭世早期，泥—微晶白云巖為四川盆地石炭系黃龍組常見的白云巖類型。選取5張由泥—微晶白云巖制成的薄片，在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)，白云石晶體大小為3～4 um，呈他形粒狀結(jié)構(gòu)，晶間往往充填有有機(jī)質(zhì)和方解石等雜質(zhì)（圖版Ⅰ-5），缺乏生物活動(dòng)痕跡，偶見藻屑紋層結(jié)構(gòu)。5塊泥—微晶白云巖樣品的物性資料統(tǒng)計(jì)表明，其孔隙度為0.68%～2.42%，平均為1.15%，面孔率小于1%，屬于低孔、低滲型非儲(chǔ)層。

2.2（殘余顆粒）粉—細(xì)晶白云巖

晚石炭世中晚期，白云巖儲(chǔ)層主要由粉—細(xì)晶白云巖（圖版Ⅰ-6）和殘余顆粒粉—細(xì)晶白云巖組成。同樣選取5塊該類白云巖樣品制成薄片，在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，白云石晶體大小為40～160 μm，以半自形晶和自形晶為主。該類白云石重結(jié)晶作用明顯，具有典型的“亮邊霧心”結(jié)構(gòu)。粉—細(xì)晶白云巖和殘余顆粒粉—細(xì)晶白云巖的孔隙類型主要為晶間孔和晶間溶孔，部分晶間孔充填有淡水方解石或?yàn)r青。10塊該類白云巖的物性資料統(tǒng)計(jì)表明，其孔隙度為8%～12%，平均為10%，面孔率普遍大于5%，屬于高孔、高滲型儲(chǔ)層。

2.3白云石膠結(jié)物

研究區(qū)的白云石膠結(jié)物通常以2種方式存在：①巖溶角礫巖中常見的充填于孔、洞或縫中的白云石膠結(jié)物。在顯微鏡下，該類白云石干凈且明亮，以自形晶為主（圖版Ⅰ-7），其溶蝕邊界清晰，常與淡水方解石共生，為淡水白云石。②以沿古巖溶孔、洞或縫中充填物的形式出現(xiàn)的白云石（圖版Ⅰ-8），常呈條帶狀沿裂縫產(chǎn)出。在顯微鏡下以晶體粗大、具有波狀消光為顯著特征。

表1　四川盆地東部黃龍組白云巖（石）樣品X射線衍射分析數(shù)據(jù)Table 1X ray diffraction analysis of dolomite samples of Huanglong Formation in eastern Sichuan Basin

3　白云巖地球化學(xué)特征

3.1X射線衍射

X射線衍射分析在白云石中主要用于確定白云石的有序度和Mg/Ca。通常高的白云石有序度和高的Mg/Ca均反映白云石化速度慢而徹底，而低的白云石有序度和低的Mg/Ca均反映白云石化速度快而不徹底［7］。X射線衍射實(shí)驗(yàn)是在D/MAX-Ⅲ型射線衍射儀下完成的。先取白云巖樣品5 g左右，研磨至粒徑為74 μm的顆粒，置于燒杯中，加入適量稀鹽酸；5 min后，用蒸餾水洗凈再烘干，送入X射線衍射儀進(jìn)行測(cè)定［8］。X射線衍射的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)為JCPDSICDD。在研究區(qū)選取了25塊白云巖樣品進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（表1）發(fā)現(xiàn)，各類成因的白云石的有序度為0.68～1.00，平均為0.85。選取了5塊泥—微晶白云巖樣品進(jìn)行測(cè)試，觀察發(fā)現(xiàn)該類樣品中白云石的有序度和Mg/Ca均較低，指示成巖流體具有高鹽度鹵水特征，表明該時(shí)期可能暴露于海平面之上，準(zhǔn)同生白云石化快而不徹底，被認(rèn)為是薩勃哈環(huán)境準(zhǔn)同生階段的產(chǎn)物［9］。筆者選取了15塊（殘余顆粒）粉—細(xì)晶白云巖樣品進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)表明該類樣品中白云石的有序度和Mg/Ca均為中等。常見粉晶白云質(zhì)角礫巖中的淡水白云石膠結(jié)物的有序度最高，而Mg/Ca中等。中—粗晶異形白云石膠結(jié)物的有序度中等偏低，而Mg/Ca最高?？傮w上，白云石的有序度較高，接近化學(xué)計(jì)量白云石。從準(zhǔn)同生期到表生期，隨著成巖作用加強(qiáng)，白云石的有序度逐漸增高，白云石晶體的結(jié)晶程度呈現(xiàn)出逐漸增高的演化趨勢(shì)。

3.2碳、氧同位素

穩(wěn)定同位素碳和氧均是確定白云石成因的重要地球化學(xué)標(biāo)志［10］。甲烷的生成造成δ13C偏正，有機(jī)質(zhì)氧化造成δ13C偏負(fù)［11-12］。氧同位素組成受溫度、大氣水稀釋和蒸發(fā)作用的影響，溫度的增高和大氣水稀釋均造成δ18Ο值偏負(fù)，溫度降低和蒸發(fā)作用均造成δ18Ο值偏正。

碳、氧同位素的測(cè)定是在MAT252氣體同位素質(zhì)譜儀上完成的。本次實(shí)驗(yàn)選取的樣品均為新鮮的巖心，其中各類白云巖樣品均為全巖樣品，共計(jì)20塊，白云石膠結(jié)物為單礦物樣品，共計(jì)5塊。分別將各個(gè)樣品研磨至粒徑為74 μm的顆粒，烘干后稱重400mg，在50℃條件下烘制12h后，再送入質(zhì)譜儀進(jìn)行測(cè)定［13］。工作標(biāo)準(zhǔn)為TTB-2，實(shí)驗(yàn)在溫度為20℃、相對(duì)濕度為44%的條件下進(jìn)行。測(cè)試數(shù)據(jù)按PDB標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，測(cè)試精度為0.1%，能夠滿足研究要求。碳、氧同位素的分析結(jié)果如表2所列。通過(guò)做散點(diǎn)圖（圖2）對(duì)樣品的碳、氧同位素值進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)不同類型的白云巖（白云石）分別位于相對(duì)集中的區(qū)域。整體上，隨著成巖作用強(qiáng)度的加大，δ13C和δ18Ο均呈現(xiàn)出明顯的負(fù)偏移的變化趨勢(shì)，其中δ13C負(fù)偏移變化范圍較小，而δ18Ο負(fù)偏移變化范圍較大。泥—微晶白云巖具有高的δ13C和δ18Ο值，平均值分別為0.333%和-0.127%，為準(zhǔn)同生期高鹽度鹵水的同位素組成特征；（殘余顆粒）粉—細(xì)晶白云巖的δ13C與δ18Ο值均居中，平均值分別為0.084%和-0.443%，為早成巖階段埋藏交代成因特征；淡水白云石具有更低的δ13C和δ18Ο，平均值分別為0.082%和-0.756%，為表生期成巖環(huán)境相對(duì)開放，膠結(jié)物中的碳、氧同位素更多來(lái)自于富輕碳、氧同位素的大氣源特征。異形白云石可認(rèn)為是深源熱液溶蝕白云質(zhì)基質(zhì)巖后的沉淀物，白云石的CO32-主要來(lái)自于以微晶白云巖為主的地層中［14］，因此，在δ13C與δ18Ο交會(huì)圖中，其主要位于泥—微晶白云巖區(qū)（圖2）。

表2　四川盆地東部黃龍組白云巖（石）碳、氧同位素?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 2Data of oxygen and carbon isotope of dolomite of Huanglong Formation in eastern Sichuan Basin

圖2　四川盆地東部黃龍組白云巖（白云石）δ13C與δ18Ο交會(huì)圖Fig.2Crossplot of δ13C-δ18Ο isotope of dolomite of Huanglong Formation in eastern Sichuan Basin

4　白云巖的成因模式及其對(duì)儲(chǔ)層發(fā)育的影響

四川盆地東部黃龍組白云巖的成因一直是研究的熱點(diǎn)。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，綜合上述不同類型的白云巖和白云石膠結(jié)物的地球化學(xué)特征以及沉積背景和構(gòu)造演化特征，認(rèn)為其存在以下幾種成因模式。

4.1蒸發(fā)泵白云石化模式

蒸發(fā)泵白云石化模式［15］適用于解釋研究區(qū)與蒸發(fā)作用相關(guān)的泥—微晶白云巖的成因［圖3（a）］。在晚石炭世早期，氣候炎熱干燥，該區(qū)環(huán)境相對(duì)封閉且局限，由蒸發(fā)濃縮作用形成的高鎂鹵水交代灰泥而形成白云石。在研究區(qū)，準(zhǔn)同生白云巖主要發(fā)育于黃龍組一段沉積時(shí)期，常與灰?guī)r呈薄互層產(chǎn)出。此類白云巖很致密，不利于儲(chǔ)層發(fā)育。

4.2埋藏壓實(shí)白云石化模式

埋藏壓實(shí)白云石化模式［16］的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自于兩方面，一是深海沉積的泥巖在高溫條件下的壓實(shí)作用，二是富Mg2+的流體對(duì)臺(tái)地邊緣的石灰?guī)r的侵入作用。該模式可用于解釋研究區(qū)黃龍組粉—細(xì)晶白云巖和顆粒白云巖的成因［圖3（b）］，是研究區(qū)最主要的白云石化模式。在晚石炭世晚期，隨著海平面的上升，沉積物不斷堆積加厚，使下伏巖石處于相對(duì)封閉的埋藏環(huán)境。在壓實(shí)作用下，成巖流體向下流動(dòng)并交代灰?guī)r，造成了區(qū)域性的埋藏白云石化。成巖流體主要為早期薩勃哈環(huán)境下的封存鹵水，深循環(huán)的大氣淡水也參與到了埋藏白云石化作用中［8］。盡管壓實(shí)作用和進(jìn)一步的膠結(jié)作用在一定程度上均造成了原生孔隙被破壞和充填，但該期埋藏白云石化作用有利于孔隙發(fā)育，因而形成了黃龍組廣泛發(fā)育的白云巖儲(chǔ)層。

圖3　四川盆地東部黃龍組白云巖（白云石）主要成因模式（據(jù)文獻(xiàn)［6］修改）Fig.3The main genetic models of dolomite of Huanglong Formation in eastern Sichuan Basin

4.3調(diào)整白云石化模式

調(diào)整白云石化模式［17］可用于解釋古表生期淋濾溶蝕狀白云巖、白云質(zhì)角礫巖以及后期淡水白云石膠結(jié)物的成因［圖3（c）］。黃龍組沉積晚期，云南運(yùn)動(dòng)使研究區(qū)再次隆升為陸，原生沉積的不穩(wěn)定碳酸鹽礦物被抬升暴露，在大氣淡水的作用下，造成了基質(zhì)白云巖的強(qiáng)烈溶蝕，有利于改善儲(chǔ)集物性。后期淡水白云石對(duì)溶蝕孔、洞或縫的充填作用及對(duì)巖溶角礫的膠結(jié)作用均屬于破壞性成巖作用，對(duì)白云巖和白云質(zhì)巖溶角礫儲(chǔ)層發(fā)育均不利。

4.4構(gòu)造熱液白云石化模式

Anderson等［18］于1987年提出了構(gòu)造熱液白云石化的概念，其主要觀點(diǎn)是地層深部的富Mg2+熱液流經(jīng)上覆灰?guī)r地層，并對(duì)其進(jìn)行白云石化改造。該模式可用于解釋異形白云石的成因［圖3（d）］。在黃龍組中—晚成巖階段，隨著埋藏深度加大和地層溫度增高，除深部熱液繼承性溶蝕、交代和重結(jié)晶等作用外，后期的構(gòu)造破裂作用對(duì)異形白云石的形成也起到至關(guān)重要的作用。東吳運(yùn)動(dòng)期存在的古斷裂拉張和玄武巖噴發(fā)活動(dòng)，為研究區(qū)石炭系地層中的中—粗晶，甚至巨晶異形白云石的形成提供了熱液來(lái)源［19］。在該時(shí)期，構(gòu)造疊加的破裂作用，使巖石受應(yīng)力作用而產(chǎn)生大量裂縫，因而改善了儲(chǔ)層的物性。

6　結(jié)論

（1）四川盆地東部石炭系黃龍組發(fā)育各粒級(jí)的白云巖和白云石膠結(jié)物，主要包括泥—微晶白云巖、粉—細(xì)晶白云巖、顆粒白云巖和白云質(zhì)巖溶角礫巖等巖石類型及淡水白云石和異形白云石膠結(jié)物。

（2）隨著成巖作用加強(qiáng)，白云石有序度和白云石晶體結(jié)晶程度均呈現(xiàn)出逐漸增高的特征。高δ13C和δ18Ο值均代表準(zhǔn)同生期成巖流體為高鹽度鹵水；中等δ13C與δ18Ο值均代表早成巖階段淺埋藏白云石化作用，反映了其成巖環(huán)境相對(duì)開放；淡水白云石膠結(jié)物的δ13C和δ18Ο值均偏低，反映了其碳、氧同位素更多來(lái)自于富輕碳、氧同位素的大氣源特征。

（3）四川盆地東部石炭系黃龍組主要存在4種白云巖（白云石）成因模式：蒸發(fā)泵白云石化成巖模式、埋藏壓實(shí)白云石化成巖模式、調(diào)整白云石化成巖模式和構(gòu)造熱液白云石化成巖模式。

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圖版Ⅰ

（本文編輯：李在光）

Dolomite genesis of Carboniferous Huanglong Formation in eastern Sichuan Basin

Liu Shiyu1，2，Hu Mingyi1，2，Hu Zhonggui1，2，Dai Weiyan1，2
（1.Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources，Ministry of Education，Yangtze University，Wuhan 430100，China；2.School of Geosciences，Yangtze University，Wuhan 430100，China）

The Carboniferous Huanglong Formation in eastern Sichuan Basin is an important producing formation for natural gas.Dolomitization is a requirement for the development of high quality reservoir，and the research of genetic types for dolomite has important meaning for oil and gas exploration.Based on core observation and outcrop description，combined with thin section analysis data，it is considered that Huanglong Formation mainly developed the following types of dolomite：mud-microcrystalline dolomite，powder to fine-grained dolomite and residual particles powder to fine-grained dolomite as well as dolomite cement filling in pores，holes and cracks.On the basis of the data of X ray diffraction analysis and geochemical characteristics of stable isotopeδ13C and δ18Ο，it is found that formation conditions and physical characteristics of different types of dolomite in the study area exhibit different characteristics，and it's more reasonable to use different origin types for the explanation.Four kinds of genetic model of dolomite of Huanglong Formation were summarized，including：diagenetic dolomitization evaporation pump model for mud-microcrystalline dolomite，burial diagenetic dolomitization compaction model for（residual particles）powder to fine-grained dolomite，diagenetic adjustment dolomitization model for freshwater dolomite and construction hydrothermal dolomitization diagenetic model for abnormal morphology dolomite.

dolomite；dolomization；genetic model；HuanglongFormation；eastern Sichuan Basin

TE122.2

A

1673-8926（2015）04-040-07

2014-11-27；

2015-02-09

國(guó)家重大科技專項(xiàng)“中國(guó)大型氣田形成條件、富集規(guī)律及目標(biāo)評(píng)價(jià)”（編號(hào)：2011ZX05007-002）資助

劉詩(shī)宇（1991-），男，長(zhǎng)江大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)閮?chǔ)層地質(zhì)和層序地層學(xué)。地址：（430100）湖北省武漢市蔡甸區(qū)大學(xué)路特1號(hào)長(zhǎng)江大學(xué)武漢校區(qū)。E-mail：1205762144@qq.com

胡明毅（1965-），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事沉積學(xué)和層序地層學(xué)方面的教學(xué)與科研工作。E-mail：humingyi65@163.com。