臺(tái)地邊緣灘相埋藏白云石化作用及其油氣地質(zhì)意義
——論四川盆地西北部中二疊統(tǒng)棲霞組白云巖的成因

裴森奇 王興志 李榮容 楊 迅 龍虹宇 胡 欣 汪曉星

1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2.中國(guó)石油西南油氣田公司川西北氣礦 3.中國(guó)石油西南油氣田公司勘探事業(yè)部

0 引言

四川盆地西北部（以下簡(jiǎn)稱川西北）ST1井在中二疊統(tǒng)棲霞組鉆遇一套厚層白云巖，該井在井深7 100～7 300 m的白云巖中獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流，棲霞組成為川西北天然氣勘探的重點(diǎn)層位之一[1-2]，也成為眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

前人通過(guò)對(duì)露頭及鉆井資料的分析，對(duì)棲霞組的地層、沉積和儲(chǔ)層等方面開(kāi)展了大量研究，基本明確了棲霞組的地層特征、沉積相帶和儲(chǔ)層基本特征，認(rèn)為棲霞組沉積期四川盆地已經(jīng)發(fā)育成碳酸鹽巖臺(tái)地，盆地西北部位于臺(tái)地邊緣，發(fā)育臺(tái)地邊緣淺灘顆粒碳酸鹽巖[3-7]；棲霞組發(fā)育低孔隙度、中—低滲透率的裂縫—孔隙（洞）型白云巖儲(chǔ)層，非均質(zhì)性較強(qiáng)[8-11]。但是，關(guān)于四川盆地棲霞組白云巖的成因則觀點(diǎn)眾多：有的學(xué)者認(rèn)為是準(zhǔn)同生階段發(fā)生的白云石化作用；有的認(rèn)為的混合水白云石化作用，也可能是玄武巖淋濾成因[12-19]；隨著近期鉆井資料的增加，還有學(xué)者提出了熱液白云石化作用的成因[12]。目前對(duì)于棲霞組白云石化模式尚無(wú)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。筆者的研究認(rèn)為，該套白云巖分布廣、埋藏深、層系古老，其成因在不同地區(qū)有所差異，也可能具有多期性和復(fù)合性，是多種因素共同影響的產(chǎn)物。白云石化模式除了和沉積環(huán)境有關(guān)，還與白云巖的地球化學(xué)特征有關(guān)，例如，碳/氧同位素、主微量元素、稀土元素等方面。因此，筆者充分利用川西北露頭、巖心及相關(guān)配套分析化驗(yàn)資料，以巖石學(xué)特征研究為基礎(chǔ)，利用地球化學(xué)特征綜合分析該區(qū)棲霞組白云巖的成因以及白云石化作用的儲(chǔ)層意義，完善上揚(yáng)子板塊西北緣古海洋環(huán)境研究，以期為該區(qū)油氣儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)提供地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于四川盆地西北部，地理位置位于現(xiàn)今江油—廣元境內(nèi)，構(gòu)造位置屬于龍門(mén)山褶皺帶北段，面積約2 000 km2（圖1）。研究區(qū)西緣在志留紀(jì)末受到加里東運(yùn)動(dòng)影響，發(fā)育了天井山古隆起[4]，泥盆系、石炭系超覆在古隆起兩側(cè)。后來(lái)經(jīng)過(guò)中二疊統(tǒng)梁山組碎屑巖沉積的“填平補(bǔ)齊”之后，研究區(qū)地勢(shì)整體上趨于平坦，奠定了棲霞組沉積時(shí)的古地貌背景。二疊紀(jì)時(shí)期，巴顏喀拉海自西向東發(fā)生海侵，越過(guò)天井山古隆起淹沒(méi)了大部分上揚(yáng)子臺(tái)地，形成了早二疊世的碳酸鹽巖臺(tái)地沉積環(huán)境[3]，研究區(qū)位于該碳酸鹽巖臺(tái)地西側(cè)的臺(tái)地邊緣相，繼承了南高北低的古地貌，水動(dòng)力較強(qiáng)，發(fā)育石灰?guī)r和白云巖，其中棲霞組巖性主要為石灰?guī)r、白云巖、灰質(zhì)云巖、云質(zhì)灰?guī)r和泥灰?guī)r。

圖1 研究區(qū)與剖面點(diǎn)位置、沉積相及地層綜合柱狀圖

2 樣品測(cè)試方法

為避開(kāi)巖石風(fēng)化蝕變和方解石脈，本次研究的樣品來(lái)自新鮮露頭和鉆井（圖1）。經(jīng)巖石薄片鑒定、陰極發(fā)光分析后挑選出合格樣品作為研究對(duì)象。

巖石薄片采用Olympus Microscope BH-2光學(xué)顯微鏡鑒定。陰極發(fā)光由CL8200-MK5陰極發(fā)光儀進(jìn)行分析，其束電壓為15 kV，束電流為350 μA，真空度為0.003 mBar。X射線衍射定量分析采用Bruker D2 PHASER X-Ray衍射儀開(kāi)展，測(cè)試時(shí)管壓為30 kV、管流為10 mA，掃描速度為2°/min，采樣步寬為4.5°。主/微量元素和碳/氧同位素分析樣品被粉碎研磨至200目以下，主量元素測(cè)試儀器為飛利浦PW2404X射線熒光光譜儀，微量元素測(cè)試儀器為Element XR電感耦合等離子ICP-MS質(zhì)譜儀，測(cè)試溫度為20 ℃，相對(duì)濕度為30%。碳/氧同位素分析采用Finnigan-MAT 252氣體同位素質(zhì)譜儀完成，采用McCrea正磷酸法，樣品與無(wú)水磷酸在25 ℃的環(huán)境中反應(yīng)24 h，采用VPDB標(biāo)準(zhǔn)，工作標(biāo)樣為《碳酸鈣中碳、氧同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：GBW04405》，分析誤差為±0.1‰。

3 巖相學(xué)特征

3.1 顯微組分特征

在偏光顯微鏡下，棲霞組白云巖發(fā)育中—粗晶他形鑲嵌狀白云石，晶體大小介于0.02～1.00 mm，以半自形—他形為主，高干涉色，原巖結(jié)構(gòu)已經(jīng)徹底消失（圖2-a～c）。在陰極發(fā)光圖像下，白云石發(fā)光程度不同。大部分白云石的邊緣部分普遍發(fā)較明亮的橙紅色，見(jiàn)環(huán)帶結(jié)構(gòu)，代表最晚期生長(zhǎng)的白云石；橙紅色環(huán)帶包圍的核心部分普遍發(fā)暗紅色光（圖2-d、e），代表早期生長(zhǎng)的白云石。在陰極發(fā)光下，可隱約見(jiàn)原始灰?guī)r沉積時(shí)的顆粒結(jié)構(gòu)，因?yàn)榘l(fā)暗色光的核心部分有的為菱形（圖2-d），有的為不規(guī)則形狀（圖2-e），整體都表現(xiàn)出較強(qiáng)的顆粒特征，推測(cè)白云石化作用前的原巖為顆粒灰?guī)r。根據(jù)核部顆粒的晶體特征，認(rèn)為發(fā)暗紅色光的部分因灰質(zhì)殘余導(dǎo)致發(fā)光較暗；且白云石結(jié)晶速度緩慢時(shí)，可見(jiàn)核部的菱形晶體（圖2-d），若結(jié)晶速度較快，在核部則只能見(jiàn)到不規(guī)則的晶體而見(jiàn)不到菱形晶體（圖2-e）。當(dāng)白云石石化作用較徹底時(shí)，核部和邊緣的陰極發(fā)光圖像整體都呈現(xiàn)橙色或橙紅色（圖2-f），原始石灰?guī)r沉積時(shí)的結(jié)構(gòu)基本不可見(jiàn)。

圖2 棲霞組白云巖的偏光顯微鏡及陰極發(fā)光特征照片

3.2 白云石有序度特征

棲霞組白云巖樣品的XRD測(cè)試結(jié)果表明，晶粒云巖的有序度普遍大于0.6（表1），代表了結(jié)晶速度較為緩慢、結(jié)晶程度較高的白云石化作用過(guò)程，或者是較高的白云石化結(jié)晶溫度、較徹底的白云石化作用，才能形成更接近理想條件下的CaCO3層和MgCO3層的互層排列方式，導(dǎo)致有序度較高[20]。

表1 棲霞組白云石有序度數(shù)據(jù)表

3.3 白云石伴生礦物及產(chǎn)狀特征

晶粒云巖成分比較均一，很少見(jiàn)伴生礦物。目前發(fā)現(xiàn)的伴生礦物主要是少量的石英、長(zhǎng)石或云母等，并未見(jiàn)大量蒸發(fā)巖類(lèi)礦物如石膏或硬石膏，包括鳥(niǎo)眼構(gòu)造及石膏假晶；也未見(jiàn)到大量熱液相關(guān)的礦物，如天青石、重晶石、螢石、石英、閃鋅礦等[21-22]。

該地區(qū)白云巖在宏觀上的產(chǎn)狀具有較好的成層性和連續(xù)性，分布比較穩(wěn)定（圖3），沒(méi)有沿?cái)嗔逊植蓟蛘咝纬苫?、蘑菇狀分布的特點(diǎn)。微觀上產(chǎn)狀有兩種：①鑲嵌狀排列的中—粗晶白云石，晶體呈自形—半自形；②呈分散狀發(fā)育在殘余的灰質(zhì)成分之間的中晶白云石，晶體自形程度高，有的具霧心亮邊結(jié)構(gòu)特征（圖2-c、d）。

圖3 棲霞組白云巖宏觀分布圖

4 地球化學(xué)特征

4.1 包裹體溫度特征

棲霞組露頭和巖心樣品中的晶粒云巖的包裹體很多，既有原生包裹體，在白云石內(nèi)部及邊緣形成，隨機(jī)分布；也有次生的包裹體，在白云石破裂后的微裂縫中形成，具有定向性。其中，白云石內(nèi)原生包裹體均一溫度介于110～120 ℃（表2），代表了沉淀白云石的流體特征，表明白云石化作用持續(xù)到較高的埋藏溫度。根據(jù)K2井埋藏史圖，參考古地溫梯度值2.8 ℃/100 m計(jì)算，推測(cè)白云石最晚的生長(zhǎng)時(shí)間為中—晚三疊世（圖4）。

圖4 K2井埋藏史圖

表2 棲霞組白云巖包裹體均一溫度數(shù)據(jù)表

4.2 同位素特征

川西北棲霞組白云巖的δ13C值分布范圍較大，介于0.32‰～3.19‰，平均值為2.21‰（圖5、表3）。δ18O值分布范圍也較大，介于－8.83‰～－6.54‰，平均值為－7.79‰（圖5、表3）。根據(jù)Jiang等[25]、Veizer等[26]對(duì)早二疊世研究得出的同時(shí)期海相腕足類(lèi)化石的δ13C值和δ18O值分別介于0～4.8‰與－10.0‰～－5.0‰（圖5）。川西北棲霞組白云石中δ13C值和δ13O值與中二疊世海水相似，說(shuō)明白云石化流體屬于封存于巖石孔隙中的原始沉積水體。

圖5 四川盆地不同地區(qū)棲霞組白云巖δ18O與δ13C交會(huì)圖

表3 川西北棲霞組白云巖的δ18O值與δ13C值統(tǒng)計(jì)表

同時(shí)，根據(jù)Keith等[27]的鹽度指數(shù)（Z）計(jì)算公式：Z=2.048（δ13C＋50）＋0.498（δ18O＋50），計(jì)算出棲霞組白云巖的鹽度指數(shù)整體較大，高于120。此外，根據(jù)白云巖δ18O值可以計(jì)算白云巖的形成溫度（T），其計(jì)算公式為T(mén)=13.85－ 4.54δ18O ＋ 0.04（δ18O）2，計(jì)算出泥—粉晶云巖的成巖溫度介于45.05～57.27℃，平均值為51.65 ℃，溫度范圍波動(dòng)較小（表2）。

4.3 主微量元素特征

對(duì)篩選后的白云巖樣品進(jìn)行碎樣并測(cè)定其全巖的主、微量元素。川西北棲霞組白云巖的CaO含量相對(duì)較高，介于27.77%～48.20%，平均值為35.13%，而MgO含量較低，介于2.11%～9.70%，平均值為7.80%，CaO含量和MgO含量呈負(fù)相關(guān)（圖6）；Mg/Ca比值較低，介于0.04～0.34，平均值為0.24。同時(shí)，棲霞組白云巖也具有低Al2O3含量（平均值為0.39%）和低SiO2含量（平均值為0.01%）的特征。

圖6 棲霞組白云巖MgO和CaO含量的交會(huì)圖

5 白云巖成因及油氣儲(chǔ)層意義

分析白云巖成因，應(yīng)該綜合宏觀和微觀、巖相與地球化學(xué)數(shù)據(jù)等多維度證據(jù)，既不能僅靠巖相學(xué)特征，也不能僅靠地球化學(xué)數(shù)據(jù)。筆者既考慮了川西北棲霞組白云巖的巖相學(xué)特征和地球化學(xué)特征，又采取反證法排除了其他成因，綜合分析了研究對(duì)象的成因，并進(jìn)一步討論其儲(chǔ)層意義。

5.1 棲霞組白云巖未表現(xiàn)準(zhǔn)同生階段白云石化的特征

首先，從巖相學(xué)特征來(lái)看，川西北棲霞組白云巖并未伴生大量泥晶云巖和膏巖，不具有蒸發(fā)環(huán)境下的特征；另外，在準(zhǔn)同生階段白云石化作用形成的白云巖，由于快速結(jié)晶導(dǎo)致晶體較小，不會(huì)形成中—粗晶云巖；而且準(zhǔn)同生階段形成的白云巖，自下而上會(huì)形成多個(gè)白云石化程度逐漸增強(qiáng)的旋回，而筆者本次研究的白云巖垂向上沒(méi)有這種特征。

其次，從地球化學(xué)數(shù)據(jù)來(lái)看，雖然棲霞組白云巖的δ13C值和δ18O值與同期海水成因的石灰?guī)r特征相近，但是，只有MgO/CaO值接近白云巖的化學(xué)計(jì)量組成，且CaO含量與MgO含量呈正相關(guān)的白云巖才可能為準(zhǔn)同生期白云石化作用下形成的，而本區(qū)的白云巖元素分析結(jié)果與之不同，CaO含量與MgO含量呈負(fù)相關(guān)（圖6），反映交代成因。同時(shí)，準(zhǔn)同生階段形成的白云石有序度普遍較低，與現(xiàn)今白云巖的特征不符。值得注意的是，利用白云巖碳/氧同位素?cái)?shù)計(jì)算得到的鹽度指數(shù)平均值為128、成巖溫度平均值為51.65 ℃，反映出高鹽度、高溫度的成巖環(huán)境，后文筆者會(huì)深入討論該數(shù)據(jù)。

5.2 棲霞組白云巖未表現(xiàn)暴露后混合水白云石化作用的特征

該觀點(diǎn)主要是根據(jù)巖相學(xué)特征。因?yàn)榛旌纤自苹饔檬窃跒w暴露條件下，顆粒灰?guī)r受到大氣淡水淋濾會(huì)選擇性溶蝕形成大量鑄?？?，生屑及砂屑會(huì)發(fā)生選擇性云化，也會(huì)伴生石膏膠結(jié)或膏巖層，而研究區(qū)所有白云巖并不符合這一特點(diǎn)。另外，如果出現(xiàn)灘體暴露，δ13C值和δ18O值會(huì)因?yàn)榇髿獾淖⑷氚l(fā)生劇烈波動(dòng)，不可能表現(xiàn)為與同期海水成因的同位素特征。

5.3 棲霞組白云巖未表現(xiàn)大規(guī)模高溫?zé)嵋喊自剖饔玫奶卣?/h3>

熱液白云石化作用也發(fā)生在埋藏階段，其形成的白云巖大多數(shù)情況下會(huì)具有特殊的產(chǎn)狀，往往沿著形成熱液通道的深大斷裂分布，且垂向上會(huì)形成花狀、蘑菇狀等不均一和不規(guī)則的產(chǎn)狀。微觀上，由于熱液來(lái)源復(fù)雜，因此常會(huì)形成特殊熱液礦物，例如天青石、重晶石、螢石、石英、閃鋅礦等，然而，研究區(qū)白云巖中并未發(fā)現(xiàn)大量此類(lèi)熱液礦物，只是在個(gè)別樣品中存在晶體較粗的馬鞍狀白云石，此種白云石的出現(xiàn)可能代表熱液白云石化，也可能代表較高的形成溫度，因此，不能作為大規(guī)模熱液白云石化的充分證據(jù)。筆者認(rèn)為棲霞組白云巖受到過(guò)小規(guī)模高溫?zé)嵋旱挠绊懀⒉荒茏C明熱液白云石化模式是棲霞組白云巖形成的主要白云石化模式。

5.4 棲霞組白云巖是同期海水流體在淺—中等埋藏深度多期埋藏白云石化作用的結(jié)果

首先，研究區(qū)棲霞組白云巖的δ13C值和δ18O值與同期海水腕足類(lèi)化石的δ13C和δ18O同位素分布區(qū)間相似，說(shuō)明白云石化流體性質(zhì)與同期海水性質(zhì)相同。

其次，研究區(qū)棲霞組白云巖的白云石晶體較粗，表面較臟，略顯霧心亮邊，陰極發(fā)光圖像中呈現(xiàn)暗紅光—紅光，初步判斷是埋藏環(huán)境中發(fā)生白云石化作用。而且白云巖中CaO含量隨MgO增加而減少，表明MgO含量是隨著Mg2+替換Ca2+程度的增加而升高的，這也是典型的埋藏交代白云石化作用的結(jié)果。

第三，白云石化作用在埋藏階段持續(xù)發(fā)生，多期疊加形成了現(xiàn)在的中—粗晶晶粒云巖。利用同位素?cái)?shù)值計(jì)算的白云巖形成鹽度指數(shù)大于120，平均溫度為51.65 ℃，溫度波動(dòng)范圍小，表明溫度受季節(jié)和晝夜影響較小，可能為低緯度干旱炎熱地區(qū)或?yàn)檩^淺的埋藏環(huán)境（此溫度計(jì)算的埋藏深度約為951 m，屬于淺埋藏深度）。粗晶白云石包裹體的均一溫度較高，介于110～120 ℃，推測(cè)白云石最晚形成時(shí)間為中—晚三疊世，埋藏深度約為3 000 m，已經(jīng)達(dá)到中等埋藏深度。因此，研究區(qū)淺—中等埋藏深度下，白云石化作用持續(xù)進(jìn)行的。

綜上所述，通過(guò)巖相學(xué)特征排除其他成因后，綜合微觀巖相特征及地球化學(xué)數(shù)據(jù)特征，棲霞組白云巖是由同期海水流體在埋藏階段，因溫度升高及方解石沉淀導(dǎo)致流體鹽度及Mg/Ca值增加后發(fā)生的多期白云石化作用疊加的產(chǎn)物。

5.5 棲霞組白云巖的儲(chǔ)層意義

前人研究表明，白云石化作用的增孔或減孔效應(yīng)尚存在爭(zhēng)議，但有學(xué)者認(rèn)為白云石化作用對(duì)于顆粒灘相沉積物來(lái)說(shuō)具有保存孔隙的作用[28-29]?？碧綄?shí)踐也表明，研究區(qū)棲霞組的石灰?guī)r不發(fā)育孔隙，而儲(chǔ)集空間多發(fā)育在白云巖層段。白云巖的儲(chǔ)集空間多為晶間孔和晶間溶孔，巖心樣品測(cè)試的平均孔隙度為4.22%，最大孔隙度為7.59%。結(jié)合巖心及薄片鑒定結(jié)果分析認(rèn)為，白云巖儲(chǔ)集空間是在白云石化過(guò)程中方解石大量溶蝕后形成的。因此，白云石化作用較徹底、厚度較大、分布廣泛的白云巖段是有利儲(chǔ)集層，對(duì)川西北棲霞組天然氣藏勘探具有重要的意義。

6 結(jié)論

1）棲霞組白云巖發(fā)育中—粗晶他形鑲嵌狀白云石，晶體以自形—半自形為主，白云石化作用徹底，原巖結(jié)構(gòu)已經(jīng)徹底消失，具有晚期的白云石化作用的巖相學(xué)特征。

2）棲霞組白云巖中的白云石有序度較高，MgO含量與CaO含量負(fù)相關(guān)，Mg/Ca值總體較低，δ13C值與δ18O值與同期海水形成的石灰?guī)r特征一致。這類(lèi)白云石是同期海水流體在埋藏階段，因溫度升高及方解石沉淀導(dǎo)致流體鹽度及Mg/Ca值增加后發(fā)生的多期白云石化作用疊加的產(chǎn)物。

3）該白云巖可以作為川西北棲霞組的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，對(duì)該地區(qū)的天然氣勘探具有重要的意義。