穩(wěn)定碳、氧同位素地球化學特征與成巖環(huán)境分析
——以川東北地區(qū)上二疊統(tǒng)長興組白云巖為例

劉文棟，胡忠貴,2＊，張 瑋，秦 鵬,2，韓 杰，張友浩，楊 焱長江大學地球科學學院，湖北 武漢

2長江大學沉積盆地研究中心，湖北 武漢

穩(wěn)定碳、氧同位素地球化學特征與成巖環(huán)境分析
——以川東北地區(qū)上二疊統(tǒng)長興組白云巖為例

劉文棟1，胡忠貴1,2＊，張 瑋1，秦 鵬1,2，韓 杰1，張友浩1，楊 焱11長江大學地球科學學院，湖北 武漢

2長江大學沉積盆地研究中心，湖北 武漢

四川盆地東北部上二疊統(tǒng)長興組白云巖為重要的優(yōu)質(zhì)儲層，近年來，長興組白云巖成巖環(huán)境或成因問題成為研究者討論的熱點話題。在巖石學研究的基礎上，運用穩(wěn)定碳、氧同位素，對研究區(qū)長興組白云巖進行綜合研究表明，白云石化具有多期次的特點，按照成巖環(huán)境劃分為蒸發(fā)環(huán)境下的準同生白云巖和埋藏條件下的早、中、晚期成巖白云巖。并劃分為早、中、晚成巖階段，結合碳、氧同位素分析結果進一步表明晚成巖階段白云巖是構造熱液白云石化的結果。

碳、氧同位素，白云巖，上二疊統(tǒng)長興組，白云石化

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Carbon and Oxygen Isotope, Dolostone, Changxing Formation of Upper Permian, Dolomitization

1. 引言

在碳酸鹽巖的孔隙演化中，白云石化作用是影響其孔隙發(fā)育的重要因素。地質(zhì)學家在研究白云石化作用時，對白云巖形成機制做了很多探討和總結，白云巖成因問題一直在沉積學界引起廣泛關注，成為延續(xù)時間較長的討論話題。在我國，白云巖從古生代至新生代都有發(fā)育，尤其是在西部地區(qū)，為白云巖研究提供了良好的地質(zhì)條件[1]。四川盆地東部近年來成為油氣勘探重點地區(qū)，迄今為止，川東地區(qū)碳酸鹽巖層位所發(fā)育的較好油氣儲集層大多為顆粒白云巖或生物礁云巖，其中包括白云石化程度較高的上二疊統(tǒng)長興組白云巖儲層。多期次白云石化作用的疊加，對長興組白云巖儲層起到了極其重要的控制作用[2]。針對該區(qū)白云石化作用多期次性和成因機理的復雜性，結合白云石化多期次的發(fā)育情況，研究認為泥–微晶白云巖形成機理與蒸發(fā)泵作用有關，即準同生白云石化作用的產(chǎn)物[3]，其余各類白云巖，如顆粒白云巖、晶粒白云巖和生物礁白云巖皆為多期次埋藏白云石化作用的產(chǎn)物。以前人研究為基礎，筆者擬從地質(zhì)綜合研究角度出發(fā)，以巖石學為基礎，結合研究區(qū)構造和沉積相特征，主要是利用穩(wěn)定碳、氧同位素等地球化學測試數(shù)據(jù)，試對研究區(qū)各種類型白云巖進行全面的成巖環(huán)境分析，增加對川東北長興組白云巖形成環(huán)境的認識，希望能夠為盆地白云巖儲層預測提供地球化學上的依據(jù)。

2. 區(qū)域地質(zhì)背景

四川盆地已經(jīng)成為我國重要的天然氣富集盆地之一，盆地東北部上廣泛發(fā)育的碳酸鹽巖地層具有巨大的勘探潛力。四川盆地經(jīng)過復雜的構造演化，不同階段、不同性質(zhì)的構造疊加，形成了四川盆地東部具有構造疊加性質(zhì)的川東弧形褶皺帶(圖 1)。中二疊世發(fā)生的“峨眉地裂運動”，使川東地區(qū)形成了張性斷塊，其原有的古構造基底格局被徹底改變。隨后，中二疊世茅口期和龍?zhí)镀谥g的東吳運動，使四川盆地整體抬升，在川東北地區(qū)形成了一個北東向的古斜坡。構造格局的改變，使西部的峨嵋山和康滇古陸一帶為陸源剝蝕區(qū)。自龍?zhí)镀?，沉積古地理格局自西向東依次為海陸交互相、淺海相和深海相。至長興期，川東地區(qū)便以廣闊的碳酸鹽臺地沉積為主，并伴有深海相“臺盆”，即“開江–梁平”海槽和“城口–鄂西”海槽[4]。研究區(qū)即位于開江–梁平海槽東段(圖2)，在區(qū)域構造上，開江–梁平海槽位于川東弧形褶皺帶的東北緣，川東弧形褶皺帶的空間展布與形成演化對研究區(qū)的構造演化具有極其重要影響，進而控制了該區(qū)的沉積[5]。研究區(qū)上二疊統(tǒng)長興組主要為一套海相碳酸鹽巖沉積，其中白云巖構成主要的儲集巖類。

Figure 1. Construction location map of the study area圖1. 研究區(qū)構造位置圖

Figure 2. Schematic diagram of tectonic-palaeogeographic pattern of Changxing Formation in the eastern section of Kaijiang-Liangping trench圖2. 開江–梁平海槽東段長興組構造–古地理格局示意圖

3. 白云巖巖石學特征

四川盆地東北部上二疊統(tǒng)長興組白云巖分布較為廣泛，巖石類型復雜多樣。筆者在研究過程中，將原巖沉積特征和白云巖結構特征以及所具有的特殊構造為主要依據(jù)，將研究區(qū)長興組白云巖分為泥–微晶白云巖、粉晶白云巖、細晶白云巖、中-粗晶白云巖和構造碎裂化白云巖等5種類型，各類型白云巖巖石學特征如下。

3.1. 泥–微晶白云巖

泥-微晶白云巖以具有泥-微晶結構為主要特征，晶體形態(tài)以他形為主，晶體之間接觸緊密呈鑲嵌狀(圖3(a))。常具有泥質(zhì)條帶、鳥眼和石膏假晶等潮汐和暴露成因標志。該類白云巖一般認為與準同生白云石化作用有關，即蒸發(fā)條件下的潟湖–潮坪環(huán)境中，高Mg/Ca比的鹵水交代灰泥形成。

3.2. 粉晶白云巖

該類白云巖的原始沉積構造保存較為完整，有兩種主要巖石類型：灰質(zhì)粉晶顆?；蚪赴自茙r(圖3(b))和粉-細晶顆?；蚪赴自茙r(圖3(c))；顆粒組分以生物碎屑為主，前者晶體形態(tài)以半自形為主，少數(shù)他形，粉晶結構，白云石的晶面較臟，顆粒和礁結構皆保存較為完好；后者在晶體大小和形態(tài)上與前者較為一致，顆?；蛏锝附Y構少量破壞，且?guī)缀醪缓瑲堄嗷屹|(zhì)組分。該類白云巖應與生物碎屑或造礁生物被優(yōu)先白云石化有關。根據(jù)其結構特征，表明該類白云巖為埋藏階段早期白云石化作用的產(chǎn)物。

3.3. 細晶白云巖

該類白云巖晶體大小在0.05～0.25 mm之間，部分為中晶級(0.25～0.5 mm)，白云石晶面較臟，晶形較好，且多見霧心亮邊結構，白云石化不均勻并伴有強烈的重結晶作用。在該類白云巖的某些巖石類型中，如具不明顯殘余結構的粉–細晶顆粒白云巖(圖 3(d))或礁白云巖或部分中–細晶白云巖(圖 3(e))，礁白云巖中的晶間孔和晶間溶孔十分發(fā)育，在較大的溶孔內(nèi)往往有白云石晶簇分布，除局部充填有少量瀝青外，一般不含其他的外來物質(zhì)，此為深部溶解作用的典型標志，并確定為該類白云巖為埋藏階段中期白云石化作用形成。

3.4. 中–粗晶白云巖

該類白云巖中晶體大小以中晶級(0.25～0.5 mm)為主，部分為粗晶級(0.5～1.0 mm)，晶形較好，部分白云石具有霧心亮邊結構(圖 3(f)、圖 3(g))。值得注意的是，在粗晶白云石中常見晶體呈馬鞍狀結構特征。與之相應的是研究區(qū)長興組分布在臺內(nèi)海槽的東段，表明構造活動相伴生的熱液流體對長興組白云巖具有一定影響，該類具馬鞍狀結構的白云石屬于埋藏階段晚期構造熱液活動成因[6] [7] [8]，下文會利用地球化學數(shù)據(jù)進一步分析論證。

3.5. 構造碎裂化白云巖

該類白云巖以發(fā)生構造碎裂化作用為特征(圖 3(h)、圖 3(i))，伴隨有強烈的溶蝕現(xiàn)象，發(fā)育呈網(wǎng)狀分布的裂縫，導致巖石的原始結構完全消失，溶蝕作用沿裂縫表現(xiàn)較為強烈，孔、洞、縫連通性好并在其內(nèi)充填有炭質(zhì)瀝青。該類白云巖一般認為是成巖階段晚期白云巖發(fā)生碎裂化作用所導致的。

Figure 3. Photomicrographs for familiar dolostones of in Changxing Formation of study area圖3. 研究區(qū)長興組常見的白云巖類型圖譜

4. 碳、氧同位素地球化學特征及成因解釋

對研究區(qū)上二疊統(tǒng)長興組多種類型的白云巖樣品和灰?guī)r類樣品進行了碳、氧同位素分析(表1)，并對數(shù)據(jù)結果進行了統(tǒng)計(表2，圖4)，分析結果表明：

1) 長興組白云巖 δ13C 分布在 0‰～4.581‰(PDB)，僅一個樣品為負值(?0.647‰)；δ18O 分布在?7.205‰～?2.979‰(PDB)。

2) 與長興組海相灰?guī)r類δ18O(為?5.019‰)相比，泥–微晶白云巖的δ18O(為?4.405‰)偏大一些，較富集重同位素。根據(jù)同位素分餾作用原理，相對較輕的同位素由于蒸發(fā)作用散失掉，而使得重同位素水相對富集，這種同位素分餾的動力學原理解釋了在蒸發(fā)海水環(huán)境下形成的泥–微晶白云巖自然要比正常海相灰?guī)r類穩(wěn)定同位素要偏正一些[9]。結合巖石學特征，反映了該類白云巖的形成與超濃縮高Mg/Ca粒間水或蒸發(fā)作用有關。但值得注意的是，該類白云巖δ13C平均為1.979‰，δ18O平均為?4.405‰，與理想的準同生白云巖δ13C、δ18O (δ13C平均為2‰ PDB，δ18O平均為3.8‰ PDB)相比，該類白云巖δ13C與理想的準同生白云巖δ13C十分符合，同樣表明長興組白云巖碳穩(wěn)定同位素幾乎不受成巖過程改造[10]；而δ18O則明顯偏負，這并不影響對該類白云巖的成因解釋，晚二疊世，研究區(qū)較大的一次海退事件，使臺地邊緣隆起帶暴露并遭到強烈剝蝕，同期海水中混入了大量陸源淡水，由此奠定了準同生白云巖的低δ18O，同時反映了該高鹽度的白云巖流體來源于上覆下三疊統(tǒng)飛仙關組地層所囚禁準同生海源孔隙水[11]。

3) 除準同生白云巖以外，其他各類白云巖的δ18O都較海相灰?guī)r類偏負(表2)，具有典型的埋藏特征。這種比同期海水偏負的現(xiàn)象一般認為是“溫度效應”以及準同生白云石在埋藏條件下的“轉化作用”所致。準同生白云巖中的欠穩(wěn)定、有序度低的白云石，從地表環(huán)境進入埋藏環(huán)境時，會經(jīng)歷轉化過程，主要表現(xiàn)為重結晶和新生變形，此過程會使得白云石的δ18O在原來基礎上向負值偏移，但是這種偏負效應不會“穿越”，即跨過同期海水的δ18O到達埋藏白云石的δ18O [12]，該類白云巖的δ18O皆比海水的δ18O(?5.019‰)還要偏負，經(jīng)過分析，可以排除該類白云巖的轉化成因。而在埋藏條件下，由于溫度升高，相對較輕的同位素氧優(yōu)先進入到了白云石晶格中，在交代流體中相對富集重氧同位素，因此，埋藏條件下形成的該類白云巖自然具有比同期海水還要偏負的δ18O。

Table 1. Carbon and oxygen isotopic compositions of carbonate samples in Changxing Formation of the study area表1. 研究區(qū)長興組碳酸鹽巖樣品碳、氧同位素組成

Table 2. The analysis results of carbon and oxygen stable isotope of various types of carbonate rocks in Changxing Formation of the study area表2. 研究區(qū)長興組各類碳酸鹽巖碳、氧穩(wěn)定同位素分析結果

Figure 4. Relationship between δ13C and δ18O of various carbonate rocks and cements圖4. 各類碳酸鹽巖和膠結物的δ13C與δ18O關系圖

4) 對長興組各類白云巖的δ18O進行對比分析，并結合巖石學特征，泥–微晶白云巖 → 粉晶白云巖→ 細晶白云巖 → 中–粗晶白云巖的δ18O具有隨成巖強度加強而同步負增長的特點，以泥–微晶白云巖(準同生白云巖)負偏值最小，晚期方解石負偏值最大，其他類型白云巖介于兩者之間。隨著成巖作用的加強，相對重同位素氧吸附于先期交代的白云巖而逐漸消耗，因而表現(xiàn)出隨成巖作用加強其δ18O逐漸降低。進一步表明了粉晶白云巖、細晶白云巖、中–粗晶白云巖皆為埋藏條件下交代成因[13] [14]。

5) 對全球寒武系至白堊系巖石中鞍狀白云石，Allen [15]曾做過統(tǒng)計，統(tǒng)計結果顯示氧同位素變化范圍為?18‰～?2.5‰，其中在?12‰～?5‰范圍內(nèi)最為常見，其均一化溫度范圍大致為80℃～230℃，這些資料表明鞍狀白云石具有熱液成因[16]性質(zhì)。Allen同時對早期低溫白云石 δ18O統(tǒng)計顯示，其變化范圍為?9.0‰～?6.5‰，疊合在高溫δ18O區(qū)間內(nèi)。長興組中–粗晶白云巖δ18O平均值為?6.022‰，結合巖石學特征其常見鞍狀白云石晶體，反映了該類白云巖形成于相對高溫流體中。而粉晶白云巖和細晶白云巖形成于相對低溫流體中。

6) 研究區(qū)熱液白云巖明顯受構造控制，長興組優(yōu)質(zhì)儲層圍繞廣–旺海槽分布，即在拉張性斷層控制下，盆地深部熱液沿斷層向上運移并交代碳酸鹽巖巖層，由此形成熱液白云巖，該類白云巖可以作為油氣的儲集相(HTD) [16]。

5. 結論

1) 根據(jù)以上碳、氧穩(wěn)定同位素分析，結合巖石學特征，表明泥–微晶白云巖為蒸發(fā)作用下形成的準同生白云巖，其他各類白云巖為埋藏成因，又δ18O逐漸偏負，成巖作用逐漸加強，粉晶白云巖為低溫流體中早成巖階段的產(chǎn)物，細晶白云巖形成于低溫流體條件下中成巖階段，而中–粗晶白云巖和構造碎裂化白云巖則為晚成巖階段高溫流體交代形成。

2) 結合中–粗晶白云石巖石學特征和碳、氧同位素分析結果，反映了該類白云巖成巖溫度較高，在埋藏過程中，隨上覆飛仙關組沉積物不斷增多，長興組碳酸鹽巖埋深不斷增加，溫度逐漸升高，并在上覆沉積物壓實作用下，熱液流體沿斷層向上運移從而使白云石化繼續(xù)進行，有利于形成較好儲集層。

3) 不同成巖環(huán)境下的白云巖，有各自的巖石學和碳、氧穩(wěn)定同位素地球化學特征，因而對其巖石學和碳、氧同位素做綜合研究，能夠更加客觀地反映白云巖的成巖環(huán)境。

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[編輯]宋換新

The Geochemical Characteristics of Stable Carbon and Oxygen Isotope and Analysis of Diagenetic Environment——A Case Study of Upper Permian Changxing Formation Dolostone in Northeast of Sichuan

Wendong Liu1, Zhonggui Hu1,2*, Wei Zhang1, Peng Qin1,2, Jie Han1,Youhao Zhang1, Yan Yang11Earth Science Institute, Yangtze University, Wuhan Hubei
2Sedimentary Basin Research Center, Yangtze University, Wuhan Hubei

Dec. 18th, 2016; accepted: Feb. 16th, 2017; published: Jun. 15th, 2017

The dolostones in Changxing Formation of the Upper Permian in the northeastern Sichuan Basin is an important high quality reservoir. In recent years, the diagenetic environment or cause of dolostones in Changxing Formation has become a hot topic for researchers to discuss. Based on the analysis of petrology and stable isotopes of carbon and oxygen, this paper comprehensively studies the formation mechanism of dolostone of Changxing Formation. The results of study show that dolomitization has muti-period characteristic. According to the analyses of diagenetic environment, the dolostones have been divided into penecontemporaneous dolostone related to evaporation environment and the early, middle and late diagenetic dolostone in the burial environment. The diagenetic stages have been further divided into early, middle and late diagenetic stage.Combined with analysis results of carbon and oxygen isotope, it indicates that the late diagenetic stage dolostone is the result of hydrothermal dolomitization.

劉文棟(1994-)，男，碩士研究生，主要從事資源勘查方面的學習。

2016年12月18日；錄用日期：2017年2月16日；發(fā)布日期：2017年6月15日

國家自然科學基金項目(41402090)；2016年大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(2016014)。

?通信作者。

文章引用:劉文棟, 胡忠貴, 張瑋, 秦鵬, 韓杰, 張友浩, 楊焱. 穩(wěn)定碳、氧同位素地球化學特征與成巖環(huán)境分析[J].石油天然氣學報, 2017, 39(3): 13-20. https://doi.org/10.12677/jogt.2017.393023