四川盆地東部下寒武統(tǒng)龍王廟組白云巖類型及其成因

孫海濤,張玉銀,柳慧林,謝 瑞,楊雪琪，任 影

[1.中國石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院,北京 102249; 2.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083;3.河北省地球物理勘查院,河北 廊坊 065000]

寒武系龍王廟組碳酸鹽巖孔隙型儲層于2005年在威遠(yuǎn)構(gòu)造獲工業(yè)氣流之后[1],開始逐漸引起石油地質(zhì)學(xué)家的廣泛關(guān)注。2012年在川中磨溪-高石梯地區(qū)獲得突破,寒武系龍王廟組再次成為四川盆地川中地區(qū)天然氣勘探的重點層位之一[2-3]。

前人通過大量勘探資料分析,對龍王廟組的地層、沉積、儲層和油氣成藏等方面開展過大量研究[4-13],基本明確了龍王廟組的地層特征、沉積相帶和成藏模式,認(rèn)為龍王廟組沉積時期具有碳酸鹽巖潮坪或碳酸鹽巖緩坡沉積背景。與其他海相碳酸鹽巖儲層不同的是,龍王廟組各類沉積環(huán)境下白云巖中的原生孔隙和次生孔隙為主要的儲集空間,既包括粒間溶孔和粒內(nèi)溶孔,也包括晶間溶孔和晶間孔[11-12,14-16]。對于龍王廟組白云巖的成因,多數(shù)學(xué)者也認(rèn)為其與其他海相碳酸鹽巖儲層有所差異,但目前尚沒有一個關(guān)于四川盆地各地區(qū)龍王廟組白云巖化過程的統(tǒng)一認(rèn)識[17-22]。既有人認(rèn)為是準(zhǔn)同生白云石化作用,也有人認(rèn)為是混合水白云石化作用,還有人認(rèn)為是埋藏白云石化作用。另外,目前的研究成果和手段比較單一,多是通過白云巖的巖石學(xué)特征及其巖相古地理特征或比較少量的主微量元素及碳氧同位素分析測試結(jié)果推斷出模式。而且,研究區(qū)多集中在四川盆地中部和南部等地區(qū),對于四川盆地東部龍王廟組的研究較少[15,21-24],這可能是由于龍王廟組完整地層露頭較少。應(yīng)該說,白云石化作用是形成碳酸鹽巖儲層的一個關(guān)鍵而復(fù)雜的問題[25],不同類型的白云石化作用除了與沉積環(huán)境有關(guān)[11,18,26],還體現(xiàn)在白云巖的地球化學(xué)特征上,例如碳-氧同位素、主微量元素和稀土元素等方面[13,27-37]。

本次研究以四川盆地東部地區(qū)出露比較完整的板凳溝剖面中龍王廟組為研究對象,通過系統(tǒng)密集采集白云巖樣品,在巖石學(xué)特征研究的基礎(chǔ)上,從地球化學(xué)特征方面分析了不同類型白云巖的主微量元素、稀土元素和碳-氧同位素的差異,結(jié)合區(qū)域沉積背景和沉積演化,對研究區(qū)白云巖的成因以及白云石化作用意義進(jìn)行深入地探討。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于四川盆地東部地區(qū)(圖1),地理位置位于現(xiàn)今重慶-達(dá)州境內(nèi)。構(gòu)造位置屬于川東高陡構(gòu)造帶,北至大巴山,西至華鎣山,東至七躍山,南至南川-開隆一帶[38],面積約26 000 km2。

震旦紀(jì)末期,桐灣運動導(dǎo)致?lián)P子地臺抬升,之后揚子地臺沉降接受了寒武系沉積。早寒武世時期,整個揚子地臺的構(gòu)造活動趨于平靜,盆地的沉積充填也趨于穩(wěn)定,下寒武統(tǒng)筇竹寺組和滄浪鋪組各發(fā)育了一套淺海陸棚碎屑巖沉積。碎屑巖沉積的“填平補齊”之后,四川盆地的地勢整體上趨于平坦,此時的構(gòu)造格局為西北高、南東低[39],奠定了龍王廟組沉積時的古地貌背景。龍王廟組沉積時期,四川盆地處于溫暖-炎熱的亞熱帶氣候環(huán)境[40],局部地區(qū)發(fā)育蒸發(fā)環(huán)境,并且繼承了西高東低的古地貌,水動力條件較強,發(fā)育了不同類型的碳酸鹽巖沉積物[4]。其中包括白云巖和灰?guī)r兩大巖類,既有臺地相沉積,也有顆粒灘相沉積(圖1)。形成的主要巖石類型包括泥(微)晶白云巖、顆粒白云巖、云質(zhì)灰?guī)r、鮞粒灰?guī)r、砂屑灰?guī)r和泥晶灰?guī)r等,局部發(fā)育大套膏巖、云質(zhì)膏巖及碳酸鹽巖與碎屑巖的混合沉積。

2 樣品測試方法

本次研究的樣品均來自研究區(qū)內(nèi)的板凳溝剖面,該剖面位于重慶市石柱縣(圖1)。板凳溝的寒武系龍王廟組剖面厚度約為90m(圖2),本次研究中在板凳溝剖面,自下而上共采集碳酸鹽巖樣品83塊,采樣間隔為1.0～1.2m。

為了避開巖石明顯的風(fēng)化蝕變和方解石脈,所有樣品均采自新鮮露頭?；氐绞覂?nèi)挑選后,所有樣品都進(jìn)行了薄片鑒定、全巖X衍射分析和陰極發(fā)光分析,以準(zhǔn)確識別樣品的巖石類型并開展巖石學(xué)特征研究。為了在鏡下區(qū)分碳酸鹽礦物類型,所有普通薄片均經(jīng)茜素紅染色,使用Olympus Microscope BH-2光學(xué)顯微鏡進(jìn)行鑒定。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5163—2010,利用Bruker D2 PHASER X-射線衍射儀開展了全巖X-射線衍射定量分析,測試時管壓為30 kV、管流為10 mA,掃描速度為2°(2θ)/min,采樣步寬為4.5°(2θ)。陰極發(fā)光分析主要利用CL 8200-MK5陰極發(fā)光儀(配以Leica偏光顯微鏡)進(jìn)行,束電壓15 kV,束電流400 μA,真空度0.003 mBar,所有樣品均采用相同測試條件以進(jìn)行對比。

利用薄片鑒定和X-衍射分析結(jié)果,根據(jù)白云石含量大于50%,鎂鈣比大于0.125的標(biāo)準(zhǔn),篩選出22塊發(fā)生明顯白云石化的樣品(圖2)。采用微鉆技術(shù)對這22塊樣品的局部區(qū)域進(jìn)行微區(qū)取樣,保證微區(qū)樣品是白云石的同時將其粉碎研磨至200目以下,并分別開展主、微量元素和碳-氧同位素分析。主、微量元素分析在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試研究中心完成。主量元素測試儀器為飛利浦PW2404 X-射線熒光光譜儀,測試方法依據(jù)GB/T 14506.28—2010《硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法》X-射線熒光光譜儀法測定主、次量元素。微量元素及稀土元素測試儀器為Element XR電感耦合等離子ICP-MS質(zhì)譜儀,測試依據(jù)采用GB/T 14506.30—2010《硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法》第30部分：44個元素量測定,測試溫度為20 ℃,相對濕度30%。碳-氧同位素分析在中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室完成,采用McCrea正磷酸法,樣品與無水磷酸在25 ℃的環(huán)境中反應(yīng)24h,測試儀器為Finnigan-MAT 252氣體同位素質(zhì)譜儀,碳-氧同位素均采用VPDB標(biāo)準(zhǔn),工作標(biāo)樣為GBW04405,分析誤差為±0.1‰。

3 巖石學(xué)特征

根據(jù)茜素紅染色后的巖石薄片以及陰極發(fā)光薄片的鏡下特征,從巖相學(xué)的角度出發(fā),根據(jù)晶體大小識別出兩種類型的白云石,分別是泥-粉晶白云石和粉-細(xì)晶白云石,具體特征如下。

3.1 泥-粉晶白云石

這類白云石主要發(fā)育在比較純的泥晶白云巖或顆粒白云巖中(圖2a,b),粒度非常小,顯微鏡下的晶體大小普遍不超過0.01 mm(圖2d),偶見較大的粉晶白云石。有的樣品保留了原生的顆粒結(jié)構(gòu)(圖2e),顆粒內(nèi)部被泥晶白云石充填。該類白云石的陰極發(fā)光特征為不發(fā)光—發(fā)昏暗紅光,少數(shù)發(fā)暗紅光(圖2g),有些顆粒內(nèi)部的泥晶白云石也發(fā)紅光(圖2h)。此外,除了白云石外,該類巖石中還常常伴生少量(不超過10%)石英、長石或云母等碎屑礦物,露頭上也可見伴生的石膏及泥質(zhì)條帶。

3.2 粉-細(xì)晶白云石

這類白云石的分布比較廣泛,在顆粒白云巖或者灰質(zhì)白云巖中都有發(fā)育(圖2c,f)。主要為粉晶白云石,晶體大小約為0.01～0.1 mm,以自形-半自形為主；部分可達(dá)細(xì)晶甚至中晶級別,晶體大小介于0.1～0.4 mm(圖2k),呈自形-半自形。此類白云石的產(chǎn)狀有3種。第一種常發(fā)育縫合線附近,該縫合線也作為灰?guī)r和白云巖的巖性界面,界面一側(cè)為原始沉積的灰?guī)r,界面另一側(cè)為白云石化形成的白云巖(圖2i)；第二種是呈分散狀發(fā)育在殘余的灰質(zhì)成分之間的中晶白云石,晶體呈自形-半自形(圖2j,k)；第三種是形成在早期的泥晶白云石碎屑組成的顆粒周圍,呈半自形的細(xì)晶白云石,不規(guī)則的排列在顆粒周邊或者顆粒之間(圖2l)。粉-細(xì)晶白云石的晶體表面通常較臟(圖2k),少數(shù)細(xì)-中晶白云石略具霧心亮邊結(jié)構(gòu)特征,發(fā)暗紅光-紅光(圖2j)；白云石晶體之間常見亮晶方解石充填,發(fā)亮紅色-橘紅色光(圖2j—l)。

4 地球化學(xué)特征

4.1主量元素特征

對篩選后的白云巖樣品進(jìn)行碎樣并測定其全巖的主、微量元素,結(jié)果見表1。主量元素數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析結(jié)果表明(圖3),研究區(qū)泥-粉晶白云巖的CaO含量變化范圍是15.50%～38.74%,平均值為25.6%,而MgO含量為10.7%～19.8%,平均值為16.4%,CaO含量和MgO含量呈正相關(guān)；Mg/Ca比值較高,介于0.64～1.14,平均值為0.94。同時,泥-粉晶白云巖也具有高Al2O3含量(平均值為3.39%)和高SiO2含量(平均值為14.47%)的特征(表1)。相對而言,粉-細(xì)晶白云巖則含有較高的CaO含量(35.82%～42.62%,平均值為39.78%)和相對較低的MgO含量(10.56%～12.24%,平均值為13.19%),且二者具有負(fù)相性；Mg/Ca比值變化范圍小,為0.34～0.84,平均值為0.5。粉-細(xì)晶白云巖的Al2O3含量和SiO2含量不及泥-粉晶白云石的1/5。

4.2 微量元素特征

微量元素的含量是碳酸鹽巖成巖環(huán)境及成巖作用階段劃分的重要指標(biāo)之一。前人研究表明隨著埋藏深度增加,碳酸鹽巖中Fe,Mn含量逐漸增高[41]。

表1 四川盆地板凳溝剖面龍王廟組白云巖的主量元素和微量元素含量統(tǒng)計Table 1 Major and trace elements’ content of the dolomites in Longwangmiao Formation of Bandenggou outcrop

圖3 四川盆地板凳溝露頭龍王廟組白云巖MgO和CaO百分含量交會圖Fig.3 The percentage cross-plot of the dolomites’ MgO content and CaO content in Longwangmiao Formation of Bandenggou outcrop

研究區(qū)泥-粉晶白云巖中的Fe,Mn含量較高且分布范圍較廣,Fe含量為(3 973.80～38 399.50)×10-6,平均值為12 662.63×10-6,Mn含量為(108.40～851.90)×10-6,平均值為242.10×10-6(表1)。然而,粉-細(xì)晶白云巖的Fe,Mn含量相對較低,Fe含量為(3 148.9～24 666.6)×10-6,平均值為9 521.8×10-6,Mn含量為(100.7～759.0)×10-6,平均值為286.6×10-6(表1)。

對白云巖Sr含量的測定也有助于了解白云石化流體的原始特征,在白云石化及后期的成巖過程中會伴隨有Mg的帶入以及Sr的帶出,從而使得白云巖中的Sr含量明顯降低。板凳溝剖面中兩種類型白云石中Sr含量特征也不相同,泥-粉晶白云石Sr含量值為(59.00～146.00)×10-6,平均為92.88×10-6；粉-細(xì)晶白云巖的Sr含量略高,為(96.70～164.00)×10-6,平均值為134.43×10-6。

4.3 碳-氧同位素特征

板凳溝剖面龍王廟組白云巖的δ13C(VPDB)分布范圍雖然較廣,分布范圍為-2.478‰～ 1.462‰,平均值為-0.719‰(圖4;表2)。研究區(qū)不同類型白云巖的δ18O同位素的分布范圍差異較大,泥-粉晶白云巖的δ18O同位素值較高,平均值為-6.24‰；而粉-細(xì)晶白云巖δ18O同位素值略低,為-12.23‰～-7.94‰。

圖4 四川盆地板凳溝露頭龍王廟組白云巖δ18O與δ13C值交會圖(腕足類化石數(shù)據(jù)參考Jiang等,2016和Veizer等,1999)Fig.4 The δ18O and δ13C value cross-plot of dolomites in Longwangmiao Formation of Bandenggou outcrop (referring to the brachiopodous fossils’ data of Jiang et al.,2016 & Veizeret al.,1999)

根據(jù)Jiang 等(2016)和Veizer 等(1999)對早寒武統(tǒng)研究得出同時期海相腕足類化石的δ13C(VPDB)和δ18O(VPDB)同位素值分別為-2.5‰～ 1.5‰與-10.0‰～-7.0‰[42-43](圖4)。板凳溝剖面白云巖的δ13C同位素值均在同期海水腕足類化石的δ13C同位素分布區(qū)間之內(nèi)。Land(1980)和Mckenizie(1981)指出從同種流體中沉淀出的白云石的δ18O同位素值比灰?guī)r的δ18O同位素值約高2‰～3‰[44-45],因此推算出與早寒武統(tǒng)與灰?guī)r同源流體形成的白云石的δ18O同位素值約-8‰～-4‰,如圖所示,大部分泥-粉晶白云巖的δ18O落在海水成因的白云石δ18O同位素值范圍內(nèi),而粉-細(xì)晶白云巖的δ18O同位素值低于此范圍,認(rèn)為是由其他來源的流體所形成。

根據(jù)Keith and Webber (1964)的鹽度指數(shù)計算公式：Z(鹽度指數(shù))=2.048(δ13C+50)+0.498(δ18O+50)[46],計算出板凳溝剖面白云巖的鹽度指數(shù)整體較大,高于120。其中泥-粉晶白云巖的Z值高,平均值為123.0；而粉-細(xì)晶白云巖的鹽度指數(shù)略低,平均為122.9。此外,根據(jù)白云巖δ18O同位素值可以計算白云巖的形成溫度[46],其計算公式為T=13.85-4.54δ18O+0.04(δ18O)2,計算出泥-粉晶白云巖的成巖溫度為24.1～70.7 ℃,平均值為43.9 ℃,溫度范圍波動較大；粉-細(xì)晶白云巖的成巖溫度為52.4～75.3 ℃,平均值為63.9 ℃,明顯高于泥-粉晶白云巖的形成溫度,且溫度范圍波動較小(表2)。

4.4 稀土元素特征

表2 四川盆地板凳溝剖面龍王廟組白云巖碳、氧同位素含量Table 2 The δ18O and δ13C content of the dolomite in Longwangmiao Formation of Bandenggou outcrop

表3 四川盆地板凳溝剖面龍王廟組白云巖的稀土元素含量及計算結(jié)果Table 3 REE content of the dolomite in Longwangmiao Formation of Bandenggou outcrop

圖5 四川盆地板凳溝露頭龍王廟組白云巖稀土元素太古宙頁巖(PAAS)標(biāo)準(zhǔn)化配分模式Fig.5 PAAS-normalized REE patterns of diverse dolomites in Longwangmiao Formation of Bandenggou outcrop

與正常海相碳酸鹽巖的ΣREE+Y含量(1～50)×10-6相比,龍王廟組白云巖的總稀土元素含量相對較高(表3),結(jié)合巖石學(xué)及微量元素特征認(rèn)為,應(yīng)歸因于陸源碎屑供給較為充足。研究區(qū)的ΣREE+Y稀土元素含量變化范圍較大,分布在(10.29～103.57)×10-6,其中泥-粉晶白云石的ΣREE+Y含量平均值為49.43×10-6,明顯高于粉-細(xì)晶白云石的平均值15.30×10-6,與正常海相碳酸鹽巖的ΣREE+Y含量(1～50)×10-6相比,泥-粉晶白云石的總稀土元素含量相對較高,而粉-細(xì)晶白云石稀土元素含量落在海水范圍內(nèi),結(jié)合巖石學(xué)及微量元素特征認(rèn)為,泥晶白云含量高應(yīng)歸因于受到陸源碎屑輸入的影響。

將稀土元素數(shù)據(jù)用Gromet(1984)發(fā)表的后太古宙頁巖進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[47],稀土元素配分模式如圖5所示,整體上表現(xiàn)為平緩略向左傾的模式。此外,泥-粉晶白云石的δCe介于0.727～0.830,平均值0.777；δEu介于0.610～1.291,平均值為0.835。粉-細(xì)晶白云石的δCe介于0.699～0.792,平均值約0.759；δEu介于0.564～1.084,平均值為0.748。兩種白云石都具有明顯的δEu負(fù)異常和δCe負(fù)異常的特征,表明大部分白云石化流體與海水成因的碳酸鹽巖特征相符[48-49],少量白云石受到后期流體的影響表現(xiàn)出Eu正異常。

5 白云巖成因討論

MgO含量和CaO的含量的變化與白云石化作用類型有關(guān)。準(zhǔn)同生期白云石化形成的白云巖,MgO/CaO比值接近白云巖化學(xué)計量組成,且CaO含量與MgO含量同時增加；而埋藏交代成因的白云巖,MgO含量則隨著Mg2+替換Ca2程度的增加而升高,故CaO含量隨MgO增加而減少[50-51]。因此,從主量元素含量特征出發(fā),結(jié)合巖石學(xué)特征及其他地球化學(xué)數(shù)據(jù),認(rèn)為研究區(qū)泥-粉晶白云巖和粉-細(xì)晶白云巖具有不同的白云石化作用過程。

5.1 泥-粉晶白云巖是準(zhǔn)同生白云石化作用的結(jié)果

研究區(qū)龍王廟組的泥-粉晶白云巖中,MgO含量和CaO含量的平均值更接近于理想白云石的含量(21.4% CaO和20.7% MgO),且具有明顯的正相關(guān)性,說明研究區(qū)泥-粉晶白云巖可能是準(zhǔn)同生期白云石化成因。而且,研究區(qū)泥-粉晶白云巖的δ13C值和δ18O值與同期海水成因的白云巖特征相近,稀土元素配分模式等與陳松等(2013)所測得寒武紀(jì)泥-粉晶灰?guī)r特征也相近[48],因此推斷形成研究區(qū)泥-粉晶白云巖的流體應(yīng)該為同期的寒武紀(jì)海水。

利用這類白云巖碳-氧同位素數(shù)值計算得到的鹽度指數(shù)較高,平均值為123,計算的成巖溫度平均值為43.9 ℃,且范圍波動較大(24.1～70.7 ℃),說明形成環(huán)境溫度接近海水蒸發(fā)溫度,且晝夜溫差大,反映溫暖-炎熱的氣候環(huán)境。而且,巖石露頭中伴生石膏/硬石膏,也指示研究區(qū)泥-粉晶白云巖形成的時期,海水蒸發(fā)濃縮作用較強。因此,推斷這類白云巖的流體來源是同期海水,蒸發(fā)環(huán)境引起海水濃縮提高了Mg/Ca比值,在較淺位置的泥晶方解石發(fā)生毛細(xì)管濃縮作用而白云石化,而較深位置的方解石接受海水滲透回流作用而白云石化,兩種白云石化作用均為準(zhǔn)同生期白云石化作用。

其次,這種低水位時期,從陸源間歇輸入的碎屑礦物對白云巖的巖石學(xué)和地球化學(xué)特征造成了一定的影響。雖然研究區(qū)泥-粉晶白云巖中的Fe含量和Mn含量相關(guān)性較強,但這并非一定是在埋藏成巖過程中Fe2+，Mn2+進(jìn)入到礦物晶格中導(dǎo)致其含量增加的,因為陸源碎屑的混入也能為白云巖沉積提供較高含量的Fe,Mn元素,而前文巖石學(xué)特征部分已經(jīng)明確提出研究區(qū)泥-粉晶白云巖中混有陸源碎屑礦物。研究區(qū)泥-粉晶白云巖還具有較高的Al2O3含量和SiO2含量,以及較高的稀土元素含量,都說明在沉積過程中受到陸源碎屑的影響。

因此,結(jié)合沉積背景、巖石學(xué)特征和地球化學(xué)特征認(rèn)為,泥-粉晶白云巖是準(zhǔn)同生期白云石化作用的結(jié)果,此時水體較淺,水動力較強,蒸發(fā)作用強,且受到少量陸源碎屑礦物的混入。

5.2 粉-細(xì)晶白云巖是埋藏白云石化作用的結(jié)果

首先,根據(jù)粉-細(xì)晶白云巖在顯微鏡下晶體較粗、表面較臟、且略具霧心亮邊的結(jié)構(gòu)特征,陰極發(fā)光下發(fā)暗紅光-紅光的特征,初步判斷該白云石化作用形成在埋藏環(huán)境中。而且,這類白云石常呈分散狀與方解石共生,說明這類白云石化作用并不是十分全面和徹底,保留了殘余灰質(zhì)成分。而且,粉-細(xì)晶白云巖通常沿縫合線富集成斑塊狀,說明白云石化流體可能是沿著縫合線進(jìn)入灰?guī)r中,形成了鮮明的灰?guī)r和白云巖的界面,這說明此時沉積物已經(jīng)進(jìn)入埋藏成巖階段。同時,此類白云巖中未見明顯的馬鞍狀白云石,可以排除熱液成因。

其次,研究區(qū)粉-細(xì)晶白云巖的地球化學(xué)結(jié)果也顯示埋藏白云石化作用的響應(yīng)特征。從巖石學(xué)特征上可以看出粉-細(xì)晶白云巖中無陸源碎屑物加入,但其Fe和Mn元素含量也呈正相關(guān)性,這種Fe,Mn元素的富集也與埋藏成巖作用有關(guān)。利用同位素數(shù)值計算的粉-細(xì)晶白云巖的形成溫度平均為63.9℃,溫度較高,且波動范圍不大,表明溫度受季節(jié)和晝夜影響較小,可能為埋藏環(huán)境。前人研究表明四川盆地下寒武統(tǒng)地層的古地溫梯度約為30～35 ℃/km[49],若地層表面的溫度為25 ℃,計算粉-細(xì)晶白云巖發(fā)生白云巖化的深度約為1 150～1 350 m,已經(jīng)進(jìn)入淺埋藏階段。溫度升高也影響到了粉-細(xì)晶白云巖的δ18O同位素值,遠(yuǎn)低于同期海水(圖4),其數(shù)據(jù)分布與同期塔里木盆地?zé)嵋喊自剖臄?shù)據(jù)特點也不一樣[51],也可以排除熱液成因。

5.3 部分準(zhǔn)同生白云石化作用的白云巖疊加了淺埋藏白云石化作用

根據(jù)前面對兩類白云巖巖石學(xué)特征的討論,可以發(fā)現(xiàn),有個別顆粒白云巖中既有較細(xì)的泥晶白云石,也有較粗的粉-細(xì)晶白云石(圖2l),從巖石學(xué)角度解釋認(rèn)為其早期經(jīng)歷準(zhǔn)同生白云石化作用,顆粒內(nèi)充滿了泥晶白云石,進(jìn)而埋藏過程中疊加了淺埋藏白云石化作用,在粒間及顆粒邊緣形成了粉晶和細(xì)晶白云石。

這種疊加作用也體現(xiàn)在稀土元素特征上,因為所有白云巖的稀土元素配分模式及稀土元素總量與同期海水沉積灰?guī)r相似[48],指示這些白云石化流體都保存了同期早寒武世的海水特征,也就是都經(jīng)歷了海水的影響。而且,疊加作用還導(dǎo)致了白云巖樣品的碳-氧同位素數(shù)據(jù)出現(xiàn)了分區(qū)現(xiàn)象(圖4)。從圖中可以看出,本區(qū)淺埋藏白云石化形成的粉-細(xì)晶白云石的δ18O同位素值范圍是-12.23‰～-7.94‰,δ13C同位素值都比較大,這些數(shù)據(jù)主要落在圖中Ⅱ區(qū)。而準(zhǔn)同生期白云石化作用形成的泥-粉晶白云石的δ18O同位素值范圍較廣,從-10‰～-2.1‰都有分布,且δ13C同位素值分布也范圍廣,從-2.478‰～ 1.462‰都有分布,我們認(rèn)為這樣的分布特征與兩期白云石化作用的疊加有關(guān)?？梢钥闯?泥-粉晶白云石樣品可以分為Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)兩部分,落在Ⅰ區(qū)的數(shù)據(jù)只經(jīng)歷了準(zhǔn)同生期白云石化作用,落在Ⅲ區(qū)的數(shù)據(jù)后期疊加了淺埋藏白云石化作用,這一數(shù)據(jù)特征與前人研究過得川中準(zhǔn)同生白云石的數(shù)據(jù)區(qū)間是一致的(圖4),川中準(zhǔn)同生白云石也經(jīng)歷過淺埋藏白云石化作用的疊加,其δ13C和δ18O同位素值與本區(qū)疊加作用形成的δ13C和δ18O同位素值相似[9]。

因此,結(jié)合本區(qū)白云巖樣品的碳-氧同位素數(shù)據(jù)分布的分區(qū)性,以及兩期白云石化作用過程,認(rèn)為準(zhǔn)同生期白云石化作用形成的白云巖,其δ13C同位素值在同期正常海水形成白云石的區(qū)間內(nèi),δ18O同位素值均略高于同期正常海水形成白云石的區(qū)間或在區(qū)間上右上部,即Ⅰ區(qū)；而淺埋藏白云石化作用形成的白云巖,其δ13C同位素值在同期正常海水形成白云石的區(qū)間內(nèi),δ18O同位素值均小于同期正常海水形成白云石的區(qū)間,即Ⅱ區(qū)；而兩期白云石化作用疊加形成的白云巖,受到埋藏白云石化流體的改造,其δ13C和δ18O同位素值均落在同期正常海水形成白云石的區(qū)間左下部或略小于該區(qū)間,即Ⅲ區(qū)。

6 結(jié)論

1) 根據(jù)茜素紅染色后的巖石薄片以及陰極發(fā)光薄片的鏡下特征,將板凳溝剖面寒武系龍王廟組白云石分為兩種類型,分別是泥-粉晶白云石和粉-細(xì)晶白云石。泥-粉晶白云石分布在泥晶白云巖或顆粒白云巖中,粒度小,保留了原生的顆粒結(jié)構(gòu),伴生陸源碎屑礦物和石膏,陰極發(fā)光特征為不發(fā)光-發(fā)昏暗紅光,少數(shù)發(fā)暗紅光。粉-細(xì)晶白云石分布在顆粒白云巖或者灰質(zhì)白云巖,晶體呈自形-半自形,具有3種產(chǎn)狀,少數(shù)細(xì)-中晶白云石略具霧心亮邊結(jié)構(gòu)特征,發(fā)暗紅光-紅光。

2) 研究區(qū)的泥-粉細(xì)晶白云石有序度低,具有正相關(guān)的MgO和CaO含量,Mg/Ca值總體較高,且低Sr含量,高Fe和Mn含量,ΣREE+Y含量高,δEu和δCe負(fù)異常明顯,δ13C與δ18O同位素值與同期海水形成的灰?guī)r特征一致。這類白云石受到蒸發(fā)環(huán)境下薩布哈白云石化作用和回流滲透白云石化作用的影響,也受到陸源碎屑混入的影響,是準(zhǔn)同生白云石化作用的結(jié)果。

3) 研究區(qū)粉-細(xì)晶白云石的MgO含量和CaO含量呈負(fù)相關(guān),具有低Mg/Ca比值,高Sr、Fe、Mn含量,低ΣREE+Y含量,也同樣具δEu與δCe負(fù)異常以及同期正常海水形成的灰?guī)r的δ13C同位素值,但δ18O同位素值略微低于同期海水形成的灰?guī)r特征。這類白云巖是晚期淺埋藏白云石化作用的結(jié)果。研究區(qū)個別樣品具有兩期白云石化作用疊加的結(jié)果,表現(xiàn)出的碳-氧同位素數(shù)據(jù)分布的分區(qū)性。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 馬永生.威遠(yuǎn)氣田老井復(fù)查取得突破[J].石油與天然氣地質(zhì)，2005，26(3):360.

Ma Yongsheng.The breakthrough in the old well of the Weiyuan gas field [J].Oil & Gas Geology,2005,26(3):360.

[2] 杜金虎,鄒才能,徐春春,等.川中古隆起龍王廟組特大型氣田戰(zhàn)略發(fā)現(xiàn)與理論技術(shù)創(chuàng)新[J].石油勘探與開發(fā),2014,41(3):268-277.

Du Jinhu,Zou Caineng,Xu Chunchun,et al.Theoretical and technical innovations in strategic discovery of a giant gas field in Cambrian Longwangmiao Formation of central Sichuan paleo-uplift,Sichuan Basin [J].Petroleum exploration and Development,2014,41(3):268-277.

[3] 魏國齊,杜金虎,徐春春,等.四川盆地高石梯—磨溪地區(qū)震旦系—寒武系大型氣藏特征與聚集模式[J].石油學(xué)報,2015,36(1):1-12.

Wei Guoqi,Du Jinhu,Xu Chunchun,et al.Characteristics and accumulation modes of large gas reservoirs in Sinian-Cambrian of Gaoshiti-Moxi region,Sichuan Basin [J].Acta Petrolei Sinica,2015,36(1):1-12.

[4] 黃福喜,陳洪德,侯明才,等.中上揚子克拉通加里東期(寒武-志留紀(jì))沉積層序充填過程與演化模式[J].巖石學(xué)報,2011,27(8):2299-2317.

Huang Fuxi,Chen Hongde,Hou Mingcai,et al.Filling process and evolutionary model of sedimentary sequence of Middle-Upper Yangtze cration in Caledonian (Cambrian-Silurian) [J].Acta Petrologica Sinica,2011,27(8):2299-2317.

[5] 李皎,何登發(fā).四川盆地及鄰區(qū)寒武紀(jì)古地理與構(gòu)造一沉積環(huán)境演化[J].古地理學(xué)報,2014,15(4):441-460.

Li Jiao,He Dengfa.Paleogeography and tectonic-depositional environment evolution of the Cambrian in Sichuan Basin and adjacent areas[J].Journal of Paleogeography,2014.16(4):441-460.

[6] 李曉清,汪澤成,張興為,等.四川盆地古隆起特征及對天然氣的控制作用[J].石油與天然氣地質(zhì),2001,22(4):347-351.

Li Xiaoqing,Wang Zecheng,Zhang Xingwei,et al.Characteristics of paleo-uplifts in Sichuan Basin and their control action on natural gases[J].Oil & Gas Geology,2001,22(4):347-351.

[7] 馬永生,陳洪德,王國力.中國南方層序地層與古地理[M].科學(xué)出版社,2009:480.

Ma Yongsheng,Chen Hongde,Wang Guoli.Sequence stratigraphy and palaeogeography in southern China [M].Beijing:Science Press,2009,224-266.

[8] 梅冥相,張叢,張海,等.上揚子區(qū)下寒武統(tǒng)的層序地層格架及其形成的古地理背景[J].現(xiàn)代地質(zhì).2006,20(2):328-342.

Mei Mingxiang,Zhang Cong,Zhang Hai,et al.Sequence-stratigraphic framework and their forming backgrounds of Paleogeography for the Lower Cambrian of the Upper-Yangtze Region[J].Geoscience,2006,20(2):328-342.

[9] 田艷紅,劉樹根,趙異華,等.四川盆地中部龍王廟組儲層成巖作用[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(自科版),2014(6):671-683.

Tian Yanhong,Liu Shugen,Zhao Yihua,et al.Diagenesis of Lower Cambrian Longwangmiao Formation reservoirs in central area of Sichuan Basin,China[J].Journal of Chengdu University of Technology (Science & Technology Edition),2014，41(6):671-683.

[10] 徐美娥,張榮強,彭勇民,等.四川盆地東南部中、下寒武統(tǒng)膏巖蓋層分布特征及封蓋有效性[J].石油與天然氣地質(zhì),2013,34(3):301-306.

Xu Mei′e,Zhang Rongqiang,Peng Yongmin,et al.Distribution and sealing effectiveness of Middle-Lower Cambrian evaporite cap rocks in the southeastern Sichuan Basin[J].Oil & Gas Geology,2013,34(3):301-306.

[11] 姚根順,周進(jìn)高,鄒偉宏,等.四川盆地下寒武統(tǒng)龍王廟組顆粒灘特征及分布規(guī)律[J].海相油氣地質(zhì),2013,18(4):1-8.

Yao Genshun,Zhou Jingao,Zou Caineng,et al.Characteristics and distribution rule of Lower Cambrian Longwangmiao grain beach in Sichuan Basin[J] Marine Origin Petroleum Geology,2013,18(4):1-8.

[12] 鄭和榮.中國前中生代構(gòu)造層序-巖相古地理圖集[M].地質(zhì)出版社,2010.

Zheng Herong.Tectonic and lithofacies paleogeographic atlats of pre-Mesozoic in China [M].Beijing:Geological Publishing House,2010.

[13] Fuxi H,Hongde C,Mingcai H,et al.Filling process and evolutionary model of sedimentary sequence of Middle-Upper Yangtze craton in Caledonian(Cambrian-Silurian)[J].Acta Petrologica Sinica.2011,27(08):2299-2317.

[14] 黃文明,劉樹根,張長俊,等.四川盆地寒武系儲層特征及優(yōu)質(zhì)儲層形成機理[J].石油與天然氣地質(zhì),2009,30(5):566-575.

Huang Wenming,Liu Shugen,Zhang Changjun,et al.Reservoir characteristics and formation mechanism of the high quality Cambrian reservoirs in Sichuan Basin[J].Oil & Gas Geology,2009.30(5):566-575.

[15] 朱光有,張水昌,梁英波.四川盆地深部海相優(yōu)質(zhì)儲集層的形成機理及其分布預(yù)測[J].石油勘探與開發(fā),2006,33(2):161-166.

Zhu Guangyou,Zhang Yongchang,Liang Yingbo.Formation mechanism and distribution prediction of high-quality marine reservoir in deeper Sichuan Basin[J] Petroleum exploration and Development,2006,33(2):161-166.

[16] 任影,鐘大康,高崇龍,等.川東及其周緣地區(qū)下寒武統(tǒng)龍王廟組儲集層特征與控制因素[J].古地理學(xué)報,2015,17(6):829-840.

Ren Ying,Zhong Dakang,Gao Chonlong,et al.Sedimentary facies of the lower Cambrian Longwangmiao Formation in Eastern Sichuan Basin and its adjacent areas[J].Journal of Paleogeography,2015,17(3):335-346.

[17] 李天生.四川盆地寒武系沉積成巖特征與油氣儲集性[J].礦物巖石,1992(3):66-73.

Li Tiansheng.The characteristics of sedimentary rock and reservoir of oil and gas of Cambrian system in Sichuan Basin[J].Journal of Mineralogy and Petrology,1992,12(3):66-73.

[18] 劉樹根,宋金民,趙異華,等.四川盆地龍王廟組優(yōu)質(zhì)儲層形成與分布的主控因素[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014(6):657-671.

Liu Shugen,Song Jinmin,Zhao Yihua,et al.Controlling factors of formation and distribution of lower Cambrian Longwangmiao Formation high-quality reservoir in Sichuan Basin,China[J].Journal of Chengdu University of Technology (Since & Technology Edition),2014,41(6):657-671.

[19] 孟憲武,朱蘭,王海軍,等.川西南地區(qū)下寒武統(tǒng)龍王廟組儲層特征[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2015(2):180-187.

Meng Xianwu,Zhu Lan,Wang Haijun,et al.Characteristics of Lower Cambrian Longwangmiao Formation reservoir in Southwest Sichuan,China Journal of Chengdu University of technology (Since & Technology Edition),2015,42(2):180-187.

[20] 楊威,謝武仁,魏國齊,等.四川盆地寒武紀(jì)—奧陶紀(jì)層序巖相古地理、有利儲層展布與勘探區(qū)帶[J].石油學(xué)報,2012,33(s2):21-34.

Yang Wei,Xie Wuren,Wei Guoi,et al.Sequence lithofacies paleogeography,favorable reservoir distribution and exploration zones of the Cambrian and Ordovician in Sichuan Basin,China [J].Acta Petrolei Sinica,2010,33(2):21-34.

[21] 楊雪飛,楊躍明,李興彥,等.川中地區(qū)下寒武統(tǒng)龍王廟組白云巖儲層成巖作用[J].地質(zhì)科技情報,2015,34(1):35-41.

Yang Xuefei,Wang Xingzhi,Yang Yueming,et al.Diagenesis of dolomite reservoir in Lower Cambrian Longwangmiao Formation reservoirs in central Sichuan Basin [J].Geological Science and Technology Information,2015,34(1):35-41.

[22] 周進(jìn)高,徐春春,姚根順,等.四川盆地下寒武統(tǒng)龍王廟組儲集層形成與演化[J].石油勘探與開發(fā),2015,42(2):158-166.

Zhou Jingao,Xu Chunchun,Yao Genshun,et al.Genesis and evolution of Lower Cambrian Longwangmiao Formation reservoirs,Sichuan Basin [J] .Petroleum Exploration and Development,2015,42(2):158-166.

[23] 黃亮.川東南坳褶帶清虛洞組優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育主控因素分析[J].天然氣地球科學(xué),2012,23(3):508-513.

Huang Liang.Major controlling factors of Cambrian Qingxudong Formation high-quality reservoir in downwarp-fold belt of southeast Sichuan Basin[J].Natural Gas Geoscience,2012,23(3):508-513.

[24] 李亞林,巫芙蓉,劉定錦,等.樂山—龍女寺古隆起龍王廟組儲層分布規(guī)律及勘探前景[J].天然氣工業(yè),2014,34(3):61-66.

Li Yalin,Wu Furong,Liu Dingjin,et al.Distribution rule and exploration prospect of the Longwangmiao Formation reservoirs in the Leshan-Longnusi paleouplift,Sichuan Basin[J].Natural Gas Industry,2014,34(3):61-66.

[25] 赫云蘭,劉波,秦善.白云石化機理與白云巖成因問題研究[J].北京大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,46(6):1010-1020.

He Yunlan,Liu Bo,Qin Shan.Study on the dolomitization and dolostone Genesis [J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis,2010,46(6):1010-1020.

[26] 張學(xué)豐,李曉鋒,李宗杰,等.白云巖的殘余結(jié)構(gòu)及其沉積相的意義——以塔中地區(qū)中-下奧陶統(tǒng)為例[J].石油與天然氣地質(zhì),2017,38(4):722-728.

Zhang Xuefeng,Li Xiaofeng,Li Zongjie,et al.Relict texture of dolostones and its significance to sedimentary facies:A case study from the Middle-Lower Ordovician in Tazhong area,Tarim Basin[J].Oil & Gas Geology,2017,38(4):722-728.

[27] Gregg J M,Bish D L,Kaczmarek S E,et al.Mineralogy,nucleation and growth of dolomite in the laboratory and sedimentary environment:A review[J].Sedimentology,2015,62(6):1749-1769.

[28] Li R.Petrography and geochemistry of the Permian-Triassic boundary interval,Yangou section,South China:Implications for early Griesbachian seawater δ13C DIC gradient with depth[J].Sedimentary Geology,2017,351.

[29] Nader F H,Swennen R,Ellam R.Reflux stratabound dolostone and hydrothermal volcanism-associated dolostone:a two-stage dolomitization model (Jurassic,Lebanon)[J].Sedimentology,2004,51(2):339-360.

[30] Olanipekun B J,Azmy K.In situ characterization of dolomite crystals:Evaluation of dolomitization process and its effect on zoning[J].Sedimentology,2017.

[31] Rahimpour-Bonab H,Esrafili-Dizaji B,Tavakoli V.Dolomitization and anhydrite precipitation in permo-triassic carbonates at the south pars gasfield,offshore iran:Controls on reservoir quality[J].Journal of Petroleum Geology,2010,33(1):43-66.

[32] 賀訓(xùn)云,壽建峰,沈安江,等.白云巖地球化學(xué)特征及成因——以鄂爾多斯盆地靖西馬五段中組合為例[J].石油勘探與開發(fā),2014,41(3):375-384.

He Xunyun,Shou Jianfeng,Shen Anjiang,et al.Geochemical characteristics and origin of the dolomite:A case study from the middle assemblage of Majiagou Formation Member 5thof the west of Jinbian Gas Field,Ordos Basin,North China[J] .Petroleum exploration and Development,2014,41(3):375-384.

[33] 胡文瑄,陳琪,王小林,等.白云巖儲層形成演化過程中不同流體作用的稀土元素判別模式[J].石油與天然氣地質(zhì),2010,31(6):810-818.

Hu Wenxuan,Chen Qi,Wang Xiaolin,et al.REE models for the discrimination of fluids in the formation and evolution of dolomite reservoirs [J].Oil & Gas Geology,2010,31(6):810-818.

[34] 江文劍,侯明才,邢鳳存,等.川東南地區(qū)婁山關(guān)群白云巖稀土元素特征及其意義[J].石油與天然氣地質(zhì),2016,37(4):473-482.

Jiang Wenjian,Hou Mingcai,Xing Fengcun,et al.Characteristics and indications of rare earth elements in dolomite of the Cambrian Loushanguan Group,SE Sichuan Basin [J].Oil & Gas Geology,2016,37(4):473-482.

[35] 王利超,胡文瑄,王小林,等.白云巖化過程中鍶含量變化及鍶同位素分餾特征與意義[J].石油與天然氣地質(zhì),2016,37(4):464-472.

Wang Lichao,Hu Wenxuan,Wang Xiaolin,et al.Variation of Sr content and 87Sr/86Sr isotope fractionation during dolomitization and their implications [J].Oil & Gas Geology,2016,37(4):464-472.

[36] 曾理,萬茂霞,彭英.白云石有序度及其在石油地質(zhì)中的應(yīng)用[J].天然氣勘探與開發(fā),2004,27(4):64-66.

Zeng Li,Wan Maoxia,Peng Ying.Dolomite sequentiality and its application to petroleum geology[J].Gas Exploration and Development,2004,27(4):64-66.

[37] 強子同,曾德銘,王興志,等.川東北下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組鮞粒灘白云巖同位素地球化學(xué)特征[J].古地理學(xué)報,2012,14(1):13-20.

Qiang Zitong,Zeng Deming,Wang Xingzhi,et al.Isotopic geochemical characteristics of oolitic bank dolostones in the Lower Triassic Feixianguan Formation in northeastern Sichuan Province [J].Journal of Paleogeography,2012,14(1):13-20.

[38] 胡光燦,謝姚祥.中國四川東部高陡構(gòu)造石炭系氣田[M].北京：石油工業(yè)出版社,1997.

Hu Guangcan,Xie Yaoxiang.The Carboniferous gas fields in steep strueture region of eastern Sichuan [M].Beijing:Petroleum Industry Press,1997.

[39] 四川油氣區(qū)石油地質(zhì)志編寫組.中國石油地質(zhì)志.卷十,四川油氣區(qū)[M].石油工業(yè)出版社,1989.

Compiling group of petroleum geology in Sichuan petroliferous region.Petroleum geology of China-the region of Sichuan Basin[M].Beijing,Petroleum Industry Press,1989,96-108.

[40] 孟昊,任影,鐘大康,等.四川盆地東部寒武系龍王廟組地球化學(xué)特征及其古環(huán)境意義[J].天然氣地球科學(xué).2016,27(7):1299-1311.

Meng Hao,Ren Ying,Zhong Dakang,et al.Geochemical characteristics and its paleoenvironmental implication of Cambrain Longwangmiao Formation in eastern Sichuan Basin,China[J].Natural Gas Geoscience,2016.27(7)：1299-1311.

[41] Allan J R,Wiggins W D.Dolomite Reservoirs:Geochemical Techniques for Evaluating Origin and Distribution[J].Journal of Petroleum Science & Engineering,1993,14(S3-4):262-263.

[42] Jiang L,Cai C,Worden R H,et al.Multiphase dolomitization of deeply buried Cambrian petroleum reservoirs,Tarim Basin,north‐west China[J].Sedimentology,2016,63(7).

[43] Veizer J,Ala D,Azmy K,et al.87Sr/86Sr ,δ13C and δ18O evolution of Phanerozoic seawater[J].Chemical Geology,1999,161(1):1586.

[44] Land L S.The isotopic and trace element geochemistry of dolomite:the state of the art[J].International Journal of Modern Physics A,1980,19(5):459-477.

[45] Mckenzie J A.Holocene dolomitization of calcium carbonate sediments from the coastal sabkhas of Abu Dhabi,U.A.E.:A stable isotope study[J].Journal of Geology,1981,89(2):185-198.

[46] Keith M L,Weber J N.Carbon and oxygen isotopic composition of selected limestones and fossils [J].Geochimica Et Cosmochimica Acta,1964,28(10-11):1787-1816.

[47] Gromet L P,Haskin L A,Korotev R L,et al.The “North American shale composite”:Its compilation,major and trace element characteristics[J].Geochimica Et Cosmochimica Acta,1984,48(12):2469-2482.

[48] 陳松,傅雪海,孫林華,等.皖北新元古代-寒武紀(jì)界線灰?guī)r稀土元素地球化學(xué)特征[J].中國稀土學(xué)報,2013,31(1):108-118.

Chen Song,Fu Xuehai,Sun Linhua,et al.Geochemical characteristics of REE in limestone across Neoproterozoic-Cambrian Transition on northern Anhui Province [J].Journal of the Chinese Society of Rare Earths,2013,31(1):108-118.

[49] 周秦,田輝,王艷飛,等.川中古隆起下寒武統(tǒng)烴源巖生烴演化特征[J].天然氣地球科學(xué),2015,26(10):1883-1892.

Zhou Tai,Tian Hui,Wang Yanfei,et al.The generation and evolution characteristic of the Lower Cambrian shale in the central Sichuan Paleo-uplift [J].Natural Gas Geoscience,2015,26(10):1883-1892.

[50] 鄭劍鋒,沈安江,劉永福,等.多參數(shù)綜合識別塔里木盆地下古生界白云巖成因[J].石油學(xué)報.2012,33(s2):145-153.

Zheng Jianfeng,Shen Anjiang,Liu Yongfu,et al.Multi-parameter comprehensive identification of the genesis of Lower Paleozoic dolomite in Tarim Basin,China[J].Acta Petrolei sinica,2012,33(2):145-153.

[51] 焦存禮,何治亮,邢秀娟,等.塔里木盆地構(gòu)造熱液白云巖及其儲層意義[J].巖石學(xué)報,2011,27(1):277-284.

Jiao Cunli,He Zhiliang,Xing Xijuuan ,et al .Tectonic hydorthermal dolomite and its significant of reservoirs in Tarim Basin[J].Acta Petorlogica Sinica,2011,27(1):277-284.