川西棲霞組的熱液白云化作用及其后的倒退溶解
——不徹底的回頭白云化作用

黃思靜，潘小強(qiáng)，呂 杰，齊世超，黃可可，蘭葉芳，王春梅

（油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），成都 610059）

川西棲霞組的熱液白云化作用及其后的倒退溶解
——不徹底的回頭白云化作用

黃思靜，潘小強(qiáng)，呂 杰，齊世超，黃可可，蘭葉芳，王春梅

（油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），成都 610059）

熱液白云巖具有特殊的形成機(jī)制，相關(guān)研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。四川盆地西部中二疊統(tǒng)棲霞組白云巖以原始結(jié)構(gòu)不保存的結(jié)晶白云巖為主，形成于缺乏蒸發(fā)鹽的地層中，普遍發(fā)育非平直晶面他形晶和鞍形晶等在相對(duì)高溫環(huán)境中沉淀的白云石。113個(gè)不同結(jié)構(gòu)白云石的包裹體均一化溫度平均值為136℃，變化在平直晶面半自形晶的67℃到非平直晶面鞍形晶的243℃之間，主要溫度區(qū)間為80～180℃。結(jié)構(gòu)觀察表明，白云化作用發(fā)生在埋藏深度只有數(shù)百米的淺埋藏環(huán)境，地?zé)嵩鰷仉y以導(dǎo)致如此高的溫度，與峨眉山玄武巖有關(guān)的熱事件提供的熱源造成的溫度升高克服了低wMg／wCa比值條件下白云石沉淀的動(dòng)力學(xué)屏障。在礦物組成上，棲霞組缺乏白云石質(zhì)量分?jǐn)?shù)在90%以上的碳酸鹽巖，巖石中白云石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要集中在40%～60%的范圍內(nèi)，說(shuō)明白云化作用是一種不徹底的過(guò)程，這與峨眉山玄武巖熱效應(yīng)持續(xù)時(shí)間很短（257±3）～（263±5）Ma B.P.、難以使碳酸鹽巖完全白云化有關(guān)。結(jié)構(gòu)觀察還表明，川西棲霞組白云巖普遍經(jīng)歷了溶解作用和破碎作用，以形成溫度最高的非平直晶面鞍形晶白云石的溶解和破碎作用最為發(fā)育，由白云石溶解或破碎形成的孔洞縫中主要充填方解石。但這些方解石具有比其主晶白云石（尤其是鞍形白云石）低得多的包裹體均一化溫度

（主要分布在70～80℃之間），顯示鞍形白云石沉淀后至少經(jīng)歷了70℃（最大值達(dá)150℃）的溫度倒退。溫度倒退的物理效應(yīng)導(dǎo)致已沉淀白云石的破碎，化學(xué)效應(yīng)則導(dǎo)致白云石的溶解和方解石的重新沉淀（去白云化作用），因而四川盆地西部棲霞組的白云化也是一種回頭白云化作用。這種不徹底的和回頭白云化作用形成了具特殊構(gòu)造的豹斑狀白云巖或灰?guī)r（灰斑云巖或云斑灰?guī)r）。

四川盆地；中二疊統(tǒng)棲霞組；熱液白云巖；不徹底的回頭白云化作用；豹斑狀白云巖／灰?guī)r

白云化（白云石化或白云巖化，全文相同）作用和白云巖成因研究是一個(gè)長(zhǎng)期令無(wú)數(shù)地質(zhì)學(xué)家為之著迷且經(jīng)久不衰的命題。從基礎(chǔ)理論角度來(lái)說(shuō)，白云巖成因一直是碳酸鹽沉積學(xué)研究的難點(diǎn)與前沿，現(xiàn)在仍有很多問(wèn)題沒(méi)有圓滿解決，有關(guān)領(lǐng)域涉及沉積學(xué)、礦物學(xué)、巖石學(xué)、地球化學(xué)、化學(xué)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)，以及與之有關(guān)的水文學(xué)、地層學(xué)和構(gòu)造地質(zhì)學(xué)等眾多學(xué)科，因而備受地質(zhì)學(xué)家關(guān)注。在礦床學(xué)領(lǐng)域，著名的密西西比河谷型（MVT）鉛鋅礦床與白云化作用直接相關(guān)，這使得白云化和成礦作用之間的關(guān)系成為礦床地質(zhì)學(xué)家長(zhǎng)期研究的重要課題。在石油地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域，碳酸鹽巖大致占據(jù)了油氣儲(chǔ)層的半壁江山，但白云巖儲(chǔ)層顯著多于石灰?guī)r，尤其是深埋地層中，白云巖儲(chǔ)層的比例更大，物性更好。雖然人們用白云化過(guò)程中的體積收縮效應(yīng)來(lái)解釋白云巖儲(chǔ)層中多余孔隙的成因，但并非所有的白云化都有多余孔隙空間形成，有的白云巖甚至是良好的油氣蓋層，因而與儲(chǔ)層有關(guān)的白云化作用機(jī)理仍然是一個(gè)沒(méi)有圓滿解決的問(wèn)題，并長(zhǎng)期為地質(zhì)學(xué)家高度關(guān)注。近年來(lái)，一些多年來(lái)被我們接受的傳統(tǒng)的經(jīng)典白云化理論不斷被更新或受到挑戰(zhàn)，這里也包括對(duì)混合水白云化模式的置疑。在白云石礦物學(xué)方面，Wright和Wacey在地表?xiàng)l件下通過(guò)實(shí)驗(yàn)從庫(kù)隆潟湖水中沉淀出了白云石［1］，實(shí)驗(yàn)表明與細(xì)菌硫酸鹽還原作用有關(guān)的微生物地球化學(xué)條件是沉淀出白云石的基本要素，這在近100年人工合成白云石實(shí)驗(yàn)研究中具有里程碑的意義；Zhang等重新建立了白云石d104值與MgCO3含量關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)曲線［2］，該曲線可用于無(wú)序白云石固溶體系列，因而可幫助我們確定天然無(wú)序白云石MgCO3的含量，并為白云巖成因研究提供有價(jià)值的礦物學(xué)資料。在白云化作用數(shù)值模擬方面，Whitaker和Xiao對(duì)臺(tái)地碳酸鹽早埋藏白云化的反應(yīng)遷移模擬證明正常海水的地?zé)釋?duì)流可以形成100%的白云化巖體，其所需要的時(shí)間從幾到幾十個(gè)百萬(wàn)年［3］。在熱液白云巖方面，除AAPG于2006年11月以“碳酸鹽儲(chǔ)層熱液改造的構(gòu)造控制”為主題出版的專輯外［4－10］，近年來(lái)值得我們進(jìn)一步關(guān)注的還有Wendte等對(duì)加拿大不列顛哥倫比亞?wèn)|北Redknife組Jean Marie段與熱液白云巖伴生裂縫對(duì)儲(chǔ)層孔隙度和滲透率控制作用的研究［11］以及Diehl等對(duì)美國(guó)內(nèi)華達(dá)大盆地斑馬條紋狀熱液白云巖及其與古生代地層學(xué)、構(gòu)造和礦床關(guān)系的研究［12］等。

中國(guó)有關(guān)熱液白云巖的報(bào)道較少，研究也不系統(tǒng)，已報(bào)道的如廣西石炭系［13］、塔里木盆地下古生界［14］和鄂爾多斯盆地西南緣奧陶系［15］等。在本文中，我們?cè)噲D從白云巖／石的結(jié)構(gòu)、不同結(jié)構(gòu)白云石及伴生方解石的包裹體均一化溫度、碳酸鹽巖中白云石／方解石相對(duì)含量分布特征出發(fā)，結(jié)合已有的埋藏史和熱史研究，提供一個(gè)熱液白云化作用以及白云化作用以后因溫度降低產(chǎn)生倒退溶解作用的實(shí)例，該實(shí)例來(lái)自四川盆地西部中二疊統(tǒng)棲霞組。

不少學(xué)者對(duì)四川盆地及周緣中二疊統(tǒng)白云巖的成因進(jìn)行了相當(dāng)深入的有價(jià)值的探索，有些成果在一定程度上代表了中國(guó)當(dāng)時(shí)在白云巖成因領(lǐng)域的學(xué)術(shù)水平。從形成機(jī)制上說(shuō)，較早的研究趨向于混合水白云化作用［16－18］；以后的研究者提出了不同的成因機(jī)制，包括埋藏白云化作用以及埋藏?zé)嵋汉突旌纤梢虻龋?9－22］。尤其值得借鑒的是何幼斌和馮增昭在20世紀(jì)90年代就注意到這些白云巖局部存在高溫條件或特殊熱事件的影響［19］，金振奎和馮增昭［21］也考慮到白云化流體與遭受淋濾的峨眉山玄武巖的關(guān)系，并認(rèn)為鎂離子來(lái)自玄武巖中鐵鎂礦物的風(fēng)化分解。2011年，黃思靜等人進(jìn)一步研究了四川盆地西部中二疊統(tǒng)白云巖／石的主要結(jié)構(gòu)類型，并與川東北上二疊統(tǒng)—三疊系白云巖／石進(jìn)行了對(duì)比［23］，并在2012年報(bào)道了中二疊統(tǒng)棲霞組白云巖中的螢石、氟磷灰石、重晶石、伊利石等各種熱液蝕變礦物［24］。另外，一些研究者還研究了中二疊統(tǒng)白云巖在油氣勘探中的潛在經(jīng)濟(jì)價(jià)值［20，25，26］。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于四川盆地西部（圖1），樣品主要采自劍閣縣長(zhǎng)江溝剖面，以及HS1井和K2井的二疊系中。本文根據(jù)金玉玕等［27］和李國(guó)輝等［28］對(duì)四川盆地海相二疊系的對(duì)比研究，以及2008年的國(guó)際地層表［29］，采用三分方案將棲霞組和茅口組并入中二疊統(tǒng)。四川盆地西部棲霞組的厚度大致在23～313 m之間［27，28］，并部分白云化而形成了本文所研究白云巖。前人的研究［30］表明，四川盆地西部中二疊統(tǒng)棲霞組沉積時(shí)期主要發(fā)育臺(tái)地相碳酸鹽沉積，并可進(jìn)一步劃分為臺(tái)地前緣斜坡、臺(tái)地邊緣淺灘和開闊臺(tái)地相（圖1），本文涉及的采樣剖面和鉆井（長(zhǎng)江溝剖面、HS1井和K2井）的棲霞組都沉積于碳酸鹽臺(tái)地邊緣淺灘環(huán)境。

圖1 四川盆地西部中二疊世棲霞期巖相古地理簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic lithofacies-paleogeographical map of Middle Permian Qixia Formation in West Sichuan

研究區(qū)所在揚(yáng)子地臺(tái)西緣分布有大面積的晚古生代玄武巖，即峨眉山玄武巖，出露總面積約0.3×106km2；如果包括四川盆地大量的隱伏玄武巖及哀牢山—紅河斷裂帶以西的大規(guī)模側(cè)向擠出的部分在內(nèi)，總的初始覆蓋面積超過(guò)0.5×106km2［31］：因而與峨眉山玄武巖有關(guān)熱事件在棲霞組白云巖形成中的作用是我們需要考慮的問(wèn)題。埋藏歷史（圖2-A）的研究表明，峨眉山玄武巖噴發(fā)前巖漿上涌形成穹?。?2］，造成當(dāng)時(shí)已沉積的茅口組遭受了不同程度的剝蝕（被剝蝕厚度與距離峨眉山火成巖省的距離有關(guān)），并導(dǎo)致了二疊系沉積以來(lái)，海西期（東吳運(yùn)動(dòng)）經(jīng)歷了一次隆升；印支期經(jīng)歷了先沉降—后隆升的局面，至燕山期早期再次發(fā)生沉降，直至喜馬拉雅期隆升至今?？偟恼f(shuō)來(lái)，四川盆地西部二疊系沉積后以持續(xù)埋藏為主［33，34］，最大埋藏深度大致在7 km左右，出現(xiàn)在古近紀(jì)—新近紀(jì)（圖2-A）；但二疊系沉積期后四川盆地西部古熱流最大值出現(xiàn)在259 Ma B.P.左右，多數(shù)鉆井的最高古熱流在60～80 m W／m2之間，川西南的H1井超過(guò)了120 m W／m2（圖2-B）。該熱流特征反映了與中二疊世末峨眉山大火成巖省玄武巖噴發(fā)時(shí)巖漿活動(dòng)的熱效應(yīng)［34］。需要注意的是，該熱事件發(fā)生時(shí)，棲霞組處于埋藏深度＜500 m的淺埋藏環(huán)境（圖2-A），巖石沒(méi)有完全固結(jié)并具有較高的水／巖比，熱事件對(duì)碳酸鹽成巖作用和相應(yīng)的水-巖反應(yīng)機(jī)制的影響不可忽視。

圖2 埋藏史與古熱流分布圖Fig.2 Burial history and paleo-heat flow in West Sichuan

2 樣品與實(shí)驗(yàn)方法

與本文有關(guān)的絕大多數(shù)樣品都采自四川盆地西部劍閣縣的長(zhǎng)江溝剖面，少數(shù)采自HS1井和K2井。詳細(xì)的采樣剖面和鉆井位置見圖1。樣品主要分布于棲霞組，個(gè)別樣品采自茅口組底部。樣品的巖石類型主要包括白云質(zhì)灰?guī)r和灰質(zhì)白云巖。

普通薄片、鑄體薄片觀察，陰極發(fā)光、掃描電鏡和包裹體均一溫度分析都在成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。薄片觀察前對(duì)部分薄片進(jìn)行了茜素紅溶液染色；陰極發(fā)光分析采用CL8200 MK5陰極發(fā)光儀（配以Leica偏光顯微鏡）；掃描電鏡分析由美國(guó)FEI公司制造的Quanta250 FEG場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電鏡（配Oxford INCAx-max20能譜儀）完成；包裹體均一溫度分析使用英國(guó)Linkam THMSG600型冷熱臺(tái)及相應(yīng)的控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)完成，測(cè)試溫度誤差為±1℃。

3 白云巖／白云石的結(jié)構(gòu)

3.1 白云巖／白云石的主要結(jié)構(gòu)類型

按黃思靜白云巖的分類方案［36］，以及Gregg和Sibley、Sibley和Gregg對(duì)白云巖／石結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步微觀描述［37，38］（相應(yīng)的中文名稱按黃思靜（2010）［36］），四川盆地西部中二疊統(tǒng)棲霞組白云巖的主流類型為結(jié)晶白云巖［23］，白云石晶體大小在細(xì)晶到巨晶之間；進(jìn)一步劃分的結(jié)構(gòu)類型還包括平直晶面斑狀晶、平直晶面自形晶—半自形晶、非平直晶面他形晶和非平直晶面鞍形晶（白云巖／石的部分結(jié)構(gòu)類型如圖3～圖5）。已有論文對(duì)川西北中二疊統(tǒng)白云巖的結(jié)構(gòu)及其在白云巖形成機(jī)制中的意義作過(guò)詳細(xì)討論，作者從川西北中二疊統(tǒng)總體上缺乏原始結(jié)構(gòu)保存的白云巖、結(jié)晶白云巖中發(fā)育非平直晶面白云石，尤其是非平直晶面鞍形白云石，同時(shí)晶體較大等特征出發(fā)，認(rèn)為川西北棲霞組白云石具有顯著較高的結(jié)晶溫度和較低的流體wMg／wCa比值［23］。

3.2 白云巖／石的溶解和破碎結(jié)構(gòu)

四川盆地西部棲霞組的白云巖／石普遍發(fā)育特征的溶解和破碎結(jié)構(gòu)（圖3～圖5）。雖然一些溶解空間仍然保存（圖3），但更多的情況是伴生方解石的沉淀（圖4，圖5），也包括其他一些自生非碳酸鹽礦物的沉淀（如螢石、氟磷灰石、自生伊利石和重晶石等，另文討論）。如果從白云石的溶解和方解石（也包括其他自生礦物）的沉淀作用來(lái)說(shuō)，也可以認(rèn)為該過(guò)程是一種去白云化作用。被溶解的白云石主要是非平直晶面鞍形白云石膠結(jié)物（圖5），其次是平直晶面自形晶膠結(jié)物（圖4）和一些其他白云石（如非平直晶面他形晶，圖3）。染色分析（圖4和圖5-A，B）、陰極發(fā)光分析（圖5-C）和能譜面分析（圖5-D）都顯示出清楚的白云石溶解和方解石沉淀的特征。白云石溶解后產(chǎn)生的孔隙基本沒(méi)有保存，由亮晶方解石充填，表明該流體僅僅對(duì)白云石不飽和而對(duì)方解石過(guò)飽和。從各種結(jié)構(gòu)所顯示的占位關(guān)系來(lái)說(shuō)，非平直晶面鞍形晶白云石膠結(jié)物是最晚形成的白云石，并代表了最高的沉淀溫度，其后是溫度的降低和方解石的沉淀。陰極發(fā)光分析表明，白云石具有較強(qiáng)的桔紅色陰極發(fā)光，而交代白云石的方解石（即沉淀于白云石溶解孔洞中的方解石）則基本不具有陰極發(fā)光。前者存在更多的非海相流體特征，而后者具有很多海相流體組分，說(shuō)明四川盆地西部中二疊統(tǒng)白云石的流體存在非海相外來(lái)流體的摻和。

圖3平直晶面半自形 非平直晶面他形晶白云石及其溶解現(xiàn)象Fig.3 Photomicrographs showing the dissolution of the planar-S to non-planar-A dolomites

圖4 平直晶面自形晶白云石的溶解和溶解孔隙中方解石的沉淀Fig.4 Photomicrographs showing the dissolution of the planar-E dolomites and the precipitation of the calcites

圖5 非平直晶面鞍形晶白云石膠結(jié)物的溶解和溶解孔隙中方解石的沉淀Fig.5 Photomicrographs showing the dissolution of the saddle dolomites and the precipitation of the calcites

四川盆地西部棲霞組白云巖中普遍發(fā)育白云石的破碎結(jié)構(gòu)（圖5-A，B）。破碎結(jié)構(gòu)主要在薄片尺度下識(shí)別，被破碎的礦物僅限于白云石，而不發(fā)生在方解石中，而且被破碎的白云石主要是鞍形白云石。鞍形白云石膠結(jié)物破碎后波狀消光和彎曲晶面仍然可以分辨，破碎后的大量的細(xì)小白云石可通過(guò)染色薄片識(shí)別（圖5-A），白云石破碎后再由方解石重新膠結(jié)（圖5-A，B）。

4 包裹體均一化溫度

對(duì)四川盆地西部中二疊統(tǒng)棲霞組不同結(jié)構(gòu)的白云石以及分布于白云石溶解孔洞中的132個(gè)包裹體進(jìn)行了均一化溫度測(cè)試，結(jié)果表明白云石的大多數(shù)結(jié)構(gòu)類型都具有比沉淀于其溶解孔洞中方解石高得多的均一化溫度（表1）。各種結(jié)構(gòu)的白云石的包裹體均一化溫度平均值為136℃，變化在平直晶面半自形晶的67℃到非平直晶面鞍形晶的243℃之間，主要溫度區(qū)間分布在80～180℃（圖6-A）。沉淀于白云石溶解孔洞中方解石包裹體均一化溫度的平均值為78℃，變化在54℃到93℃之間，近一半的包裹體的均一化溫度分布在70～80℃（圖6-B）。

在白云石的不同結(jié)構(gòu)類型中，非平直晶面鞍形晶具有最高的均一化溫度，平均值為151℃；非平直晶面他形晶均一化溫度平均值為140℃；各種具平直晶面的白云石具有較低的包裹體均一化溫度，尤其以平直晶面斑狀晶的均一化溫度最低（表1），平均值只有89℃；其余2種具平直晶面白云石的均一溫度平均值分別為103℃（自形晶）和109℃（半自形晶）。圖7列舉了白云石結(jié)構(gòu)演變與結(jié)晶溫度的關(guān)系。

表1 川西棲霞組各種結(jié)構(gòu)組分的白云石和方解石的包裹體均一化溫度測(cè)試結(jié)果Table 1 Homogenization temperature values of fluid inclusions in the dolomite with different fabrics and the calcite in Middle Permian Qixia Formation of West Sichuan

圖6 川西棲霞組白云石和方解石包裹體均一化溫度分布直方圖Fig.6 Histograms showing the distribution of homogenization temperatures of fluid inclusions in dolomite with different textures and calcite precipitated in dolomite dissolved pores in Middle Permian Qixia Formation of West Sichuan

結(jié)構(gòu)觀察（圖5，并參閱黃思靜等（2011）［23］）表明，在四川盆地西部棲霞組的各種主流白云巖類型中，非平直晶面鞍形晶膠結(jié)物是白云石序列中最晚形成的礦物，平直晶面斑狀晶白云石是最早形成的礦物；而充填于白云石溶解孔洞中的方解石則是在所有白云石形成后才沉淀的，其很低的包裹體均一化溫度使得地?zé)嵩鰷嘏c自生礦物沉淀順序／沉淀溫度之間表現(xiàn)出矛盾關(guān)系，溫度的變化無(wú)法用圖2-A的埋藏史來(lái)解釋（后面的討論將對(duì)此作進(jìn)一步的解釋）。

在圖7中，我們還可以看出：各種不同結(jié)構(gòu)的白云石是在溫度升高過(guò)程中沉淀的，顯示溫度升高在克服白云石沉淀動(dòng)力學(xué)屏障中的作用。當(dāng)白云石的結(jié)構(gòu)演變至具有最高包裹體均一化溫度的非平直晶面鞍形晶之后，熱液作用停止，白云石沉淀的動(dòng)力學(xué)屏障重新建立；同時(shí)因溫度降低和鎂離子消耗導(dǎo)致流體對(duì)白云石的不飽和，繼之以代表很低沉淀溫度的方解石沉淀。圖7還顯示了方解石和白云石占位關(guān)系、結(jié)晶順序與地?zé)嵩鰷刂g的矛盾過(guò)程，相對(duì)晚期沉淀的礦物（方解石）的結(jié)晶溫度低于相對(duì)早期的礦物（白云石）。

5 討論

圖7 川西棲霞組白云石／方解石結(jié)構(gòu)、賦存方式、形成相對(duì)時(shí)間和包裹體均一化溫度綜合關(guān)系Fig.7 Combined relationship of the texture，occurrence，relatively forming time and the homogenization temperatures of the fluid inclusions for the dolomite／calcite in Middle Permian Qixia Formation，West Sichuan

根據(jù)四川盆地西部中二疊統(tǒng)白云巖／白云石的結(jié)構(gòu)，以及不同結(jié)構(gòu)白云石的包裹體均一化溫度，結(jié)合埋藏史及熱史，我們可以基本肯定四川盆地中二疊統(tǒng)（主要分布于棲霞組）白云巖主流類型的形成機(jī)制和峨眉山玄武巖伴生的熱事件有關(guān)，白云化作用是一種不完全、不徹底的白云化，也是一種回頭白云化，主要依據(jù)有以下幾個(gè)方面。

a.在四川盆地西部中二疊統(tǒng)碳酸鹽巖的白云石含量分布模式中，白云石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要集中在40%～60%（圖8）。這不同于一般非熱液白云化巖石中的方解石和白云石相對(duì)含量的分布模式，也不同于四川盆地東北部上二疊統(tǒng)長(zhǎng)興組—三疊系碳酸鹽巖中的白云石含量的分布模式［23］。在一般的非熱液經(jīng)典白云化中，具有這類方解石／白云石相對(duì)含量的碳酸鹽巖是幾乎沒(méi)有的，白云石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要么在10%以下，要么在90%以上或全部由白云石組成［36，39，40］，這說(shuō)明四川盆地西部中二疊統(tǒng)白云巖形成機(jī)制不同于經(jīng)典海源流體白云石。

圖8 碳酸鹽巖中白云石的相對(duì)含量分布直方圖Fig.8 Histograms showing the distribution of dolomite contents in the carbonate rocks from North America and Middle Permian in West Sichuan

b.白云石的結(jié)構(gòu)類型中存在相對(duì)高溫環(huán)境中更為常見的非平直晶面鞍形晶和非平直晶面他形晶，各種結(jié)構(gòu)的白云石都具有較高的包裹體均一化溫度，白云石形成的主要溫度區(qū)間在80～180℃，其中非平直晶面鞍形晶在110～180℃，最高值可達(dá)243℃。這些溫度值顯著高于四川盆地東北部二疊系長(zhǎng)興組—下、中三疊統(tǒng)的白云石。

c.白云石與縫合線或其他裂縫之間的組構(gòu)關(guān)系說(shuō)明，觀察到的不同期次的縫合線都穿過(guò)白云石晶體（圖9），包括一些低幅縫合線，說(shuō)明作為白云石主流類型的平直晶面半自形晶—非平直晶面他形晶都沉淀于縫合線形成之前的埋藏環(huán)境。雖然小于600～1000 m埋藏深度［36］只是縫合線形成的最小深度，但我們不能認(rèn)為全部縫合線都是在深埋藏環(huán)境形成的，因而由地?zé)嵩鰷禺a(chǎn)生的溫度與各種白云石形成溫度相差甚遠(yuǎn)。

d.即使按圖2-A中根據(jù)埋藏歷史得出的7 km左右的最大埋藏深度，地?zé)嵩鰷匾搽y以產(chǎn)生243℃的溫度，更何況這些白云石完全不可能正好在最大埋藏深度時(shí)形成。此時(shí)巖石已非常致密，水／巖比已非常低，這不可能產(chǎn)生在體積上有意義的白云巖。

e.礦物組構(gòu)之間的占位關(guān)系和形成溫度之間顯示出倒置關(guān)系，通過(guò)組構(gòu)間占位關(guān)系判斷的在較早成巖階段形成的白云石的包裹體均一化溫度顯著高于形成時(shí)間比其晚的孔洞充填的方解石膠結(jié)物，二者之間溫度平均值的差值在70℃以上，最大值的差值則高達(dá)150℃（表1，圖7），埋藏史（圖2-A）所顯示的與沉積期后抬升也不可能產(chǎn)生如此高的溫度降。

圖9 白云巖中的縫合線和裂縫Fig.9 Photographs showing the fractures or stylolites cutting across the dolomitized fabrics in Middle Permian Qixia Formation of West Sichuan

根據(jù)以上的討論，我們對(duì)四川盆地西部棲霞組白云化機(jī)制作如下總結(jié)。

a.二疊系棲霞組沉積期后四川盆地西部古熱流演化過(guò)程中的最大熱流值出現(xiàn)在259 Ma B.P.左右的中二疊世末，代表了與峨眉山大火成巖省玄武巖噴發(fā)時(shí)巖漿活動(dòng)的熱效應(yīng)［34］。熱事件發(fā)生時(shí)棲霞組處于埋藏深度＜500 m的淺埋藏環(huán)境（圖2），巖石沒(méi)有完全固結(jié)并具有較高的水／巖比，溫度的升高克服了白云石沉淀的動(dòng)力學(xué)屏障，尤其是缺乏蒸發(fā)鹽的二疊系中相對(duì)低wMg／wCa比值條件下白云石沉淀的動(dòng)力學(xué)屏障。

b.該熱事件持續(xù)時(shí)間大致在（257±3）～（263±5）Ma B.P.之間［41］，該時(shí)間不足以形成數(shù)量和體積較大的白云巖。具體的定量研究需要進(jìn)行必要的數(shù)值模擬（有關(guān)變量還包括wMg／wCa比值、巖石孔隙度與滲透率、水／巖比、流體通量和溫度等）。因而地層中白云石質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)75%的白云巖非常少，云斑灰?guī)r或灰斑云巖（所謂的豹斑灰?guī)r）是主要的巖石類型，這可能會(huì)造成白云巖的物性較差。

c.白云化作用發(fā)生時(shí)，棲霞組（主要是棲二段）埋藏深度很淺，其上只有茅口組，上覆地層厚度大致在300～500 m之間，巖石尚未完全壓實(shí)，相信仍具有一定的孔隙度?？紫吨兄饕呛Ｋ蚋淖儾淮蟮暮Ｔ戳黧w，因而與白云化（或白云石沉淀）作用有關(guān)的流體的主體仍然是海水。鎂也應(yīng)該主要來(lái)源于海水，包括鎂方解石在早成巖階段新生變形析出的鎂。但地層中缺乏蒸發(fā)鹽說(shuō)明該海源流體具有較低的wMg／wCa比值。熱作用克服了白云化或白云石沉淀的動(dòng)力學(xué)屏障。隨著熱作用的進(jìn)行，外來(lái)離子的加入是肯定的，包括有限的鎂離子的加入；但碳同位素表明早二疊世海水中的碳仍然是主要的（結(jié)晶白云巖δ13C值變化在2.24%～3.44‰之間，平均值為2.77‰，另文討論）。

d.與東吳運(yùn)動(dòng)有關(guān)的熱作用結(jié)束時(shí)，地層溫度急劇降低，地層中的鎂離子因白云化作用而消耗（本身就有限的外來(lái)鎂離子的供給也停止），白云石形成的動(dòng)力學(xué)屏障（較低的溫度和較低的wMg／wCa比值）重新建立，白云化作用停止。同時(shí)，這種低溫度和Mg消耗的流體對(duì)白云石是不飽和的（倒退溶解模式和 Mg消耗兩個(gè)因素［42，43］），因而白云石溶解作用發(fā)生，被溶解的是形成溫度最高而最不穩(wěn)定的非平直晶面鞍形白云石膠結(jié)物（包括一些在高溫條件下形成的非平直晶面他形晶和平直晶面自形晶膠結(jié)物）。溫度降低的原因除了與東吳運(yùn)動(dòng)有關(guān)的熱作用停止以外，可能還存在相應(yīng)的地層抬升（但幅度有限，與熱事件造成的溫度變化相比可忽略不計(jì)）。

e.導(dǎo)致白云石溶解的流體是一種Mg消耗的流體，其對(duì)方解石等以鈣作為陽(yáng)離子的礦物是過(guò)飽和的，因而發(fā)生方解石（也包括螢石、氟磷灰石等以鈣作為陽(yáng)離子的礦物，另文討論）沉淀，這與地層中鈣離子的富集有關(guān)。

f.與東吳運(yùn)動(dòng)有關(guān)的熱作用結(jié)束所導(dǎo)致的地層溫度急劇降低同時(shí)導(dǎo)致了白云石具特征的破碎結(jié)構(gòu)。對(duì)于大多數(shù)非平直晶面鞍形晶白云石而言，溫度的降低幅度可能在100℃以上。這種溫度所導(dǎo)致的機(jī)械應(yīng)力（并伴生與化學(xué)溶解有關(guān)的破壞作用）足以使白云石破碎。非平直晶面鞍形晶因具有最高的結(jié)晶溫度和最大的溫度差而成為被破壞的主要對(duì)象，因而破碎結(jié)構(gòu)主要發(fā)生于鞍形白云石中。

6 結(jié)論

a.四川盆地西部棲霞組白云巖以原始結(jié)構(gòu)不保存的結(jié)晶白云巖為主，結(jié)構(gòu)上普遍發(fā)育非平直晶面他形晶和非平直晶面鞍形晶等在相對(duì)高溫環(huán)境中沉淀的白云石。

b.四川盆地西部棲霞組白云石具有很高的形成溫度，包裹體均一化溫度平均值為136℃，變化在平直晶面半自形晶的67℃到非平直晶面鞍形晶的243℃之間，主要分布在80～180℃之間。埋藏歷史表明，地?zé)嵩鰷仉y以提供如此高的溫度。

c.由于中二疊世末四川盆地西部與峨眉山玄武巖有關(guān)的熱事件發(fā)生時(shí)，棲霞組處于埋藏深度＜500 m的淺埋藏環(huán)境，巖石沒(méi)有完全固結(jié)并具有較高的水／巖比，因而可以認(rèn)為是溫度的升高克服了白云石沉淀的動(dòng)力學(xué)屏障，尤其是缺乏蒸發(fā)鹽的二疊系中相對(duì)低wMg／wCa比值條件下白云石沉淀的動(dòng)力學(xué)屏障。

d.在礦物組成上，四川盆地西部中二疊統(tǒng)棲霞組缺乏白云石質(zhì)量分?jǐn)?shù)在90%以上的碳酸鹽巖，巖石中白云石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要集中在40%～60%的范圍內(nèi)，說(shuō)明白云化作用是一種不徹底的過(guò)程，這與峨眉山玄武巖熱效應(yīng)持續(xù)時(shí)間只有約6 Ma〔（257±3）～（263±5）Ma B.P.〕、地層中缺乏足夠的鎂離子難以使在體積上足夠大的碳酸鹽完全白云化有關(guān)。

e.四川盆地西部的白云巖普遍經(jīng)歷了破碎作用和溶解作用，以非平直晶面鞍形晶白云石最為發(fā)育，破碎和溶解形成的孔洞縫主要由沉淀溫度至少低于白云石主晶70℃的方解石充填，顯示白云石沉淀后至少經(jīng)歷了70℃（最大值的達(dá)150℃）的溫度倒退。溫度倒退的物理效應(yīng)導(dǎo)致已沉淀白云石的破碎，化學(xué)效應(yīng)則導(dǎo)致白云石的溶解和方解石的重新沉淀（去白云化作用），因而四川盆地西部棲霞組的白云化也是一種回頭白云化作用。

f.廣泛分布于四川盆地西部（可能還包括受峨眉山玄武巖影響的其他地方）的豹斑狀白云巖（灰斑云巖或云斑灰?guī)r）的形成機(jī)制與低wMg／wCa比值條件下的不徹底的熱液白云化作用有關(guān)，也與白云石形成后的倒退溶解和去白云化作用（即回頭白云化作用）有關(guān)。

中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院的池英柳和楊曉萍高級(jí)工程師、薄冬梅和江青春博士、川西北礦區(qū)張?jiān)ジ呒?jí)工程師、成都理工大學(xué)研究生成新怡和李小寧參加了野外工作，油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室馮明石老師在百忙中和我們一起進(jìn)行掃描電鏡和能譜分析，在此向他們表示衷心感謝。

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Hydrothermal dolomitization and subsequent retrograde dissolution in Qixia Formation，West Sichuan：a case study of incomplete and halfway-back dolomitization

HUANG Si-jing，PAN Xiao-qiang，LYU Jie，QI Shi-chao，HUANG Ke-ke，LAN Ye-fang，WANG Chun-mei

State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China

The study of hydrothermal dolomite is significant theoretically and practically because of its particular mechanism.The Middle Permian Qixia dolomites in West Sichuan are essentially the fabricdestructive crystalline dolomites，including the non-planar anhedral and saddle dolomites that are related to the elevated precipitating temperatures.113 fluid inclusions in different dolomite phases have an average homogenization temperature of 136℃，varying from 67℃（planar subhedral dolomite）to 243℃（non-planar saddle dolomite）.Most of the temperatures cover the range between 80℃and 180℃.The analysis of burial history indicates that the geotherm could not provide such a high temperature range.The related thermal event forming the Emeishan basalt developed in West Sichuan at 259 Ma B.P.（late middle Permian）and had the paleo-heat flow of 60 to 80 m W／m2（higher than 100 mW／m2for few drills），suggesting that the Qixia Formation in West Sichuan was influenced by the magmatism related to thermal effects during its shallow burial stage.Therefore，the hydrothermal process was the dominant dolomitizing mechanism in Qixia Formation of West Sichuan.The elevated temperature was caused by the extraneous thermal events，and overcame the kinetic obstacle for dolomite precipitations，especially under the conditions of low Mg／Ca ratios.The Qixia Formation in West Sichuan is mineralogically lack of carbonate rocks with dolomite content of more than 90%.And the dolomite content is essentially between 40%and 60%in rock samples，suggesting that the process of dolomitization was incomplete.The insufficiency of completely dolomitized bulks is the result of short duration of the related thermal event forming the Emeishan basalt（6 Ma，between 257±3 Ma B.P.and 263±5 Ma B.P.）and of the shortage of magnesium ions in strata.Based on the textural observation，the dissolutions and fragmentations are commonly found in Qixia dolomites in West Sichuan，especially in the saddle dolomite.Most of the dissolved pores in dolomites are filled by sparry calcite of lower homogenization temperatures（mainly between 70℃to 80℃），suggesting that the saddle dolomites，after its precipitation，have experienced the temperature retrogression of 70℃at least（and 150℃at most）.The fragmentation and dissolution of dolomites and the re-precipitation of calcites（i.e.dedolomitization）were caused by temperature retrogression and Mg-depletion.Therefore，the dolomitization in Qixia Formation of West Sichuan is a halfway-back process and produces the limy dolomites or dolomitic limestones.

West Sichuan；Middle Permian Qixia Formation；hydrothermal dolomite；incomplete and halfway-back dolomitization；leopard dolomite／limestone

P588.245

A

10.3969／j.issn.1671-9727.2013.03.09

1671-9727（2013）03-0288-13

2012-11-22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（40839908；41172099）

黃思靜（1949－），男，教授，博士生導(dǎo)師，從事沉積學(xué)的教學(xué)與科研工作，E-mail：hsj＠cdut.edu.cn。