北京下葦?shù)槠拭鎻埾慕M鮞粒特征及其白云化機制

郭芪恒，金振奎，朱小二，王金藝

(中國石油大學(北京) 地球科學學院，北京 102249)

0 引 言

鮞粒是碳酸鹽巖中極其常見的顆粒類型，是由鈣質(zhì)紋層圍繞單個核心而形成的圓形或者橢圓形包覆顆粒，直徑一般小于2 mm。由于國內(nèi)外學者對鮞粒成因這個最基本的問題的爭議較大，研究的重點主要集中在鮞粒的成因上[1-6]，對鮞粒的成巖作用的研究比較少且不夠深入，只有少數(shù)學者對鮞?；?guī)r的成巖作用進行過系統(tǒng)的論述[7-8]。鮞?；?guī)r之所以能夠成為碳酸鹽巖中的一類優(yōu)良的儲集層，就是因為后期受到成巖作用的改造，形成高孔高滲的優(yōu)質(zhì)儲集體[9-13],白云化作用就是鮞?；?guī)r的一種極為重要的建設(shè)性作用[12,14]，四川盆地普光氣田就發(fā)育這種鮞粒白云巖儲集層[9,15-16]。筆者通過對北京西山下葦?shù)槠拭娴难芯堪l(fā)現(xiàn)，寒武系張夏組鮞?；?guī)r也發(fā)生過一定的白云化作用，與四川普光氣田不同的是，其白云化程度極弱，并且只發(fā)生在顆粒中；顆粒類型及其充填基質(zhì)決定了其白云化程度的差異，這種差異說明其與普光氣田鮞?；?guī)r的白云化成因具有很大不同。在充分調(diào)研前人的研究成果的基礎(chǔ)上，筆者通過實地勘查、薄片鏡下觀察和XRD測試，并運用統(tǒng)計學的知識，對下葦?shù)槠拭婧湎祻埾慕M鮞粒類型的特征進行描述，并對其選擇性白云化影響因素及機制進行初步的探討。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

下葦?shù)槠拭嫖挥诒本┪魃介T頭溝區(qū)妙峰山鎮(zhèn)，寒武系地層出露完整，是研究華北寒武系地層沉積特征的典型剖面(圖1)。華北板塊在古生代位于赤道附近的低緯度地區(qū)[18]，長期處于陸表海沉積環(huán)境，有利于碳酸鹽巖的沉積[19]，發(fā)育了大套的碳酸鹽巖地層。很多學者對該剖面進行了系統(tǒng)的研究[20-25]，其中寒武系張夏組以發(fā)育大套的鮞?；?guī)r為主要特征，代表了一種相對高能的淺灘環(huán)境[25]。前人對下葦?shù)閺埾慕M鮞粒灰?guī)r的研究主要集中在沉積環(huán)境方面[21,24-25]，尚未有學者對張夏組鮞粒的成巖作用進行研究，尤其是白云化作用，本文將對此進行分析。

圖1 北京下葦?shù)榈貐^(qū)地質(zhì)概況(據(jù)景宇軒等改繪，2015[17])Fig.1 Geological sketch map of Xiaxiangdian area in Beijing

2 研究方法

本文的研究中，主要對下葦?shù)槠拭婧湎祻埾慕M進行了觀察和實測，共采集標本63塊，其中鮞?；?guī)r標本37塊。薄片由北京日月石礦業(yè)技術(shù)開發(fā)有限公司制作。薄片觀察和XRD測試在中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室完成，其中顯微鏡為Nikon100-Pol，X射線衍射分析儀為德國Bruker AXS D2 PHASER。利用偏光顯微鏡對不同的鮞粒類型及白云化特征進行了描述和總結(jié)。除此之外，還對樣品選擇性地進行了全巖X衍射分析測試，得到了巖石的化學組成，對鮞粒的白云化程度進行了分析比較。運用得到的分析資料，結(jié)合前人的研究成果，對鮞粒白云化的機制進行探討。

3 鮞粒類型和特征

鮞粒的類型和特征對白云化具有不同的響應(yīng)結(jié)果。對下葦?shù)槠拭鎻埾慕M進行密集采樣，從剖面底部至頂部共獲得37塊鮞?；?guī)r樣品。通過鏡下觀察統(tǒng)計，張夏組內(nèi)鮞粒類型豐富，主要包括放射鮞、同心-放射鮞、復鮞、單晶/多晶鮞、藻鮞等。

3.1 放射鮞

放射鮞主要是原始的文石或方解石圍繞核心呈放射狀生長形成，一般代表相對低能穩(wěn)定的沉積環(huán)境。放射鮞在下葦?shù)閺埾慕M整個剖面分布廣泛，但主要集中在剖面下部。粒徑主要分布在0.4～0.7 mm之間，核心以灰泥顆粒為主(圖2(a))，生屑核心鮞粒也有發(fā)育，但極少；受核心形態(tài)的影響，鮞粒為規(guī)則的圓形-橢圓形，但以圓形為主。放射鮞不穩(wěn)定，重結(jié)晶往往形成多個楔形方解石單晶圍繞核心呈輻射狀分布，在正交光下顯示明顯的十字消光。部分學者認為這種放射結(jié)構(gòu)多是鮞粒重結(jié)晶的產(chǎn)物[26]。國外學者曾對受成巖作用改造較弱的鮞粒進行掃描電鏡觀察，在鮞粒中發(fā)現(xiàn)了徑向生長的方解石晶體和切線生長的方解石晶體[27]；實驗?zāi)M也表明在低能環(huán)境中文石呈放射狀生長,從而說明這種放射結(jié)構(gòu)是原生的[6]。

3.2 同心鮞

同心鮞主要分布在張夏組頂部，粒徑多在1.0～1.4 mm之間，在鏡下主要為多晶白云石顆粒核心(圖2(b))，生屑核心和單晶方解石核心，以亮晶方解石膠結(jié)為主，局部灰泥充填。在粒間發(fā)現(xiàn)三葉蟲碎屑，部分破碎鮞，說明其主要形成于水體循環(huán)良好、鹽度正常的海域，且水動力較強，位于正常浪基面之上。值得注意的是，同心鮞的白云化核心粒徑與粒間分布的完全白云化鮞粒的粒徑相近。

3.3 同心-放射鮞

同心-放射鮞的特征是一個鮞粒同時發(fā)育的垂直核心呈放射狀徑向生長的方解石或文石和切線生長的同心圈層，一般來說這種鮞粒內(nèi)部以發(fā)育放射狀圈層為主，外部發(fā)育同心圈層。這種鮞粒粒徑多在0.6～1.0 mm之間，內(nèi)部放射圈層重結(jié)晶現(xiàn)象嚴重(圖2(c))，生屑常見，且主要為三葉蟲和瓣鰓類。早期形成于正常浪基面之下的相對低能帶，以徑向生長的文石或方解石晶體為主，在未被固結(jié)成巖之前搬運到正常浪基面之上的高能帶或相對海平面下降的沉積環(huán)境，由低能變?yōu)楦吣苌L/切線生長的同心層所致。這種鮞粒在本區(qū)張夏組廣泛分布，且普遍被亮晶方解石膠結(jié)，部分鮞粒甚至發(fā)生破碎，并且在鮞?；?guī)r中可見較多的灰泥礫屑，也是其水動力強的證據(jù)。

3.4 復鮞

復鮞是幾個鮞粒被大的包殼包裹而形成，其包裹層多為同心圈層，在下葦?shù)槠拭鎱^(qū)張夏組見到被同心圈層包裹的三個鮞粒(圖2(d))，均為亮晶方解石膠結(jié)，說明其主要沉積于正常浪基面之上的持續(xù)高能帶。

3.5 單晶鮞/多晶鮞

單晶鮞/多晶鮞主要發(fā)育在張夏組剖面底部，其粒徑多分布在0.4～0.7 mm 之間(圖2(e))。有些單晶鮞核心可見，為生屑核心和灰泥礫屑核心，與單晶鮞共生的鮞粒多為放射鮞，因此其粒徑分布范圍與放射鮞相似。通過觀察發(fā)現(xiàn)，放射鮞由于同心圈層的缺失，在同生沉積階段更加容易遭受淡水淋濾從而重結(jié)晶。張秀蓮[8]通過研究表明，單晶鮞/多晶鮞多是在成巖初期或者準同生期，鮞粒在受到淡水淋濾時非常容易被溶解，從而把鮞內(nèi)溶空形成負鮞，當鮞粒灘再度下降重新置于淺海時，負鮞孔內(nèi)必然滲入海水而結(jié)晶出亮晶方解石，形成多晶鮞和單晶鮞，這也是負鮞較為罕見的原因[8]。因此這種鮞粒多是原始鮞粒先期被溶解后期再被充填的產(chǎn)物。

圖2 北京下葦?shù)槠拭婧湎祻埾慕M鮞粒類型Fig.2 Oolitic types in the Cambrian Zhangxia Formation at Xiaweidian outcrop in Beijing(a)放射鮞，單偏；(b)同心鮞，單偏；(c)同心-放射鮞，單偏；(d)復鮞，單偏；(e)單晶鮞/多晶鮞，單偏；(f)復鮞，單偏

3.6 藻鮞

藻鮞是由藻類包殼形成的鮞粒。這些藻絕大多數(shù)可能為藍藻，也有人稱其為藍細菌，因此也有人稱其為菌鮞。在本區(qū)張夏組中上部為發(fā)育少量灰泥核心的藻鮞(圖2(f))，與同心鮞的區(qū)別在于其外部圈層呈花瓣狀，不平直，粒間亮晶方解石充填，藻類穿孔現(xiàn)象明顯，與其共生的其它鮞粒為同心-放射鮞，且還發(fā)現(xiàn)了部分破碎鮞，說明這種藻鮞也主要形成于正常浪基面之上的高能帶。

本區(qū)張夏組剖面主要觀察到以上幾種類型的鮞粒，其中張夏組下部以灰泥充填的單晶鮞/多晶鮞和放射鮞為主，中上部主要發(fā)育以亮晶膠結(jié)為主的同心-放射鮞，頂部發(fā)育同心鮞。且從下到上鮞粒粒徑不斷增大，含量不斷增多(圖4(b)和(d))，也代表其水動力不斷增大。

4 鮞粒白云化特征

通過對不同鮞粒白云化現(xiàn)象的觀察，發(fā)現(xiàn)鮞粒白云化主要受控于鮞粒自身結(jié)構(gòu)類型和填隙物的影響。

4.1 填隙物和顆粒選擇性白云化

所有薄片中鮞?；?guī)r不同程度地發(fā)生白云化，填隙物卻沒有白云化，甚至部分鮞粒完全被晶粒狀的白云石所充填，填隙物無論是灰泥還是亮晶方解石膠結(jié)物均未白云化(圖3)。由圖3(b)可知，鮞粒白云化與鮞粒的原始礦物成分是沒有關(guān)系的，因為與鮞粒共生的灰泥礫屑也發(fā)生了白云化。這種現(xiàn)象說明顆粒和填隙物是不同時期形成的，這種選擇性白云化主要形成于準同生成巖階段或成巖早期[7-8,28]，先期形成的鮞粒在未被充填時發(fā)生白云化，后期由于沉積環(huán)境的改變被充填；因此鮞粒白云化嚴重，而填隙物基本沒有白云化[29]。

4.2 填隙物類型對白云化的影響

顆粒石灰?guī)r中的填隙物主要分為兩類：一類是灰泥基質(zhì)，一類是亮晶方解石膠結(jié)物。其中，灰泥基質(zhì)多代表相對低能的沉積環(huán)境，亮晶方解石多形成于水體持續(xù)高能的環(huán)境[19,26]。下葦?shù)槠拭鎻埾慕M主要的鮞?；?guī)r類型為灰泥鮞粒石灰?guī)r和亮晶鮞粒石灰?guī)r。通過對比發(fā)現(xiàn)，亮晶鮞粒石灰?guī)r中鮞粒白云化程度普遍高，灰泥鮞粒石灰?guī)r中鮞粒白云化程度普遍較低或者未發(fā)生白云化(圖3)。鮞粒石灰?guī)r中的填隙物類型是其沉積環(huán)境的反映，灰泥鮞粒石灰?guī)r主要形成于正常浪基面附近或之下的相對低能的沉積環(huán)境，亮晶鮞粒石灰?guī)r主要形成于正常浪基面之上的持續(xù)高能的沉積環(huán)境中[19,30-31]，這說明張夏組鮞粒白云化與其沉積環(huán)境密切相關(guān)，正常浪基面之上持續(xù)高能的沉積環(huán)境有利于鮞粒白云化的發(fā)生。

4.3 鮞粒圈層對白云化的影響

鮞粒圈層結(jié)構(gòu)有兩種：一種是切線狀紋層結(jié)構(gòu)，一種是放射狀紋層結(jié)構(gòu)。下葦?shù)槠拭鎻埾慕M以放射鮞和同心-放射鮞為主。通過對張夏組鮞粒的觀察，發(fā)現(xiàn)放射紋層比切線紋層更易發(fā)生白云化，且切線紋層白云石顆粒一般圍繞核心呈同心圈分布(圖3(c)和(d))。由于高鎂流體在同心圈層中流動困難，因此同心鮞白云化程度比放射鮞弱(圖3(a)和(g))。放射紋層白云石一般圍繞核心呈放射狀分布，且放射鮞一般更加容易白云化(圖3(e))，主要是高鎂流體在放射鮞中沿放射紋層間隙流通通暢，因此放射鮞白云化程度一般均較高，或者整個顆粒都被白云石充填(圖3(a))。這種差異性在同心-放射鮞中表現(xiàn)非常明顯，其內(nèi)部放射核心已經(jīng)全部白云化，但外部同心圈層只是微弱白云化(圖3(c)和(d))。

圖3 北京下葦?shù)槠拭婧湎祻埾慕M鮞粒白云化特征Fig.3 Oolitic dolomitization characteristics in the Cambrian Zhangxia Formation at Xiaweidian outcrop in Beijing(a)白云化鮞粒，原始鮞粒為放射鮞，單偏；(b)灰泥礫屑和鮞粒均發(fā)生白云化，單偏；(c)、(d)、(f)同心-放射鮞白云化特征，單偏；(e)放射鮞白云化特征，圍繞核心呈放射狀分布，單偏；(g)同心鮞核心白云化明顯，單偏；(h)、(i)單晶鮞/多晶鮞白云化特征，單偏

圖4 北京下葦?shù)槠拭婧湎祻埾慕M鮞粒特征變化Fig.4 Changes in oolitic characteristics of the Cambrian Zhangxia Formation at Xiaweidian outcrop in Beijing

4.4 重結(jié)晶對鮞粒白云化的影響

單晶鮞和多晶鮞是鮞粒溶蝕后再充填重結(jié)晶形成的產(chǎn)物[32-33]，對比單晶鮞和多晶鮞發(fā)現(xiàn)，多晶鮞比單晶鮞更加容易發(fā)生白云化(圖3(i))。主要原因是多晶鮞方解石晶粒之間存在一定的孔隙(圖3(h))，有利于高鎂流體的滲流，因此多晶鮞相比其同期的單晶鮞，白云化程度普遍較高，而且單晶鮞白云化從外部向內(nèi)部進行，從而外部白云化程度較高，內(nèi)部還有部分未發(fā)生白云化的方解石，呈現(xiàn)出霧心亮邊結(jié)構(gòu)。

圖5 北京下葦?shù)槠拭婧湎祻埾慕M鮞粒回流滲透白云化模式圖Fig.5 Oolitic reflue permeation dolomitization model of the Cambrian Zhangxia Formation at Xiaweidian outcrop in Beijing

5 鮞粒白云化機制

在下葦?shù)槠拭婧湎祻埾慕M上部，每一套鮞?；?guī)r沉積間斷的頂部都普遍發(fā)育一微薄層的黃色云質(zhì)條帶與灰泥石灰?guī)r互層，而鮞粒白云化也主要發(fā)育在剖面上部。通過鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)鮞粒灰?guī)r離黃色云質(zhì)條帶越近，其白云化程度往往也越高。這種黃色云質(zhì)條帶是由于海平面下降，鮞粒灘露出水面，由蒸發(fā)泵成因形成的泥粉晶白云巖。XRD測試結(jié)果也顯示在云灰?guī)r互層，甚至有些鮞?；?guī)r中，也存在一定量的石膏，其含量雖少，但足以說明鮞粒灘在暴露之后蒸發(fā)作用強烈，在鮞粒灘的頂部形成蒸發(fā)泵成因的云質(zhì)條帶，而蒸發(fā)作用形成的高鎂鹵水由于重力作用驅(qū)動[26,34]，穿過下伏的未被充填的鮞粒灘，從而使鮞粒發(fā)生白云化。進一步通過作圖發(fā)現(xiàn)，含有石膏的巖石周圍，其白云化程度也往往越高(圖4(a))，即鮞粒白云化程度與石膏含量呈正比關(guān)系；石膏屬于蒸發(fā)巖，進一步驗證了由蒸發(fā)作用形成的高鎂鹵水回流作用才是下葦?shù)槠拭鎻埾慕M鮞粒白云化的主要成因。

高鎂鹵水在下伏鮞粒灘內(nèi)流動時，往往經(jīng)過的時間較長，從而一般形成中細晶的、相對自形程度比較高的白云石顆粒，從上而下白云化程度相對減弱，這也是回流滲透白云化的主要特征[34-36]?；夷圊b粒石灰?guī)r一般所處的沉積水體較深，隨著海平面的相對下降，其上部一般被亮晶鮞?；?guī)r覆蓋，縱向上的巖石疊置關(guān)系決定了亮晶鮞?；?guī)r先接收高鎂鹵水的淋濾，從而優(yōu)先白云化，這也決定了亮晶方解石膠結(jié)的鮞粒普遍比灰泥充填的鮞粒白云化程度更高。根據(jù)其縱向分布關(guān)系，建立了本區(qū)鮞粒白云化模式，如圖5所示。

6 結(jié) 論

(1)下葦?shù)槠拭鎻埾慕M鮞粒主要為放射鮞、同心-放射鮞、單晶鮞/多晶鮞，還有少量的同心鮞、復鮞及藻鮞。

(2)下葦?shù)槠拭鎻埾慕M鮞粒白云化主要發(fā)生在同生/準同生期未被充填時，回流滲透白云化作用是鮞粒白云化的主要成因。灰泥鮞粒石灰?guī)r與亮晶鮞粒石灰?guī)r縱向上的疊置關(guān)系決定了亮晶膠結(jié)的鮞粒一般白云化作用較強。

(3)鮞粒圈層類型決定了鮞粒白云化的程度和方式。在同一沉積環(huán)境中，放射鮞白云化顆粒圍繞核心呈放射狀，同心鮞白云化顆粒圍繞核心呈同心層分布，且放射鮞比同心鮞更加容易發(fā)生白云化。