四川盆地西北部地區(qū)中二疊統(tǒng)棲霞組肉紅色白云巖成因淺析

郝 毅 王宇峰 李榮容 湯興宇 裴森奇 王永生

1.中國(guó)石油杭州地質(zhì)研究院 2. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司碳酸鹽巖儲(chǔ)層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3.中國(guó)石油西南油氣田公司川西北氣礦

0 引言

川西北地區(qū)處于上揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)北部邊緣的三個(gè)次級(jí)構(gòu)造帶的交匯部位，靠近盆地邊緣斷裂復(fù)雜。二疊系棲霞組是川西北地區(qū)天然氣重點(diǎn)勘探層位，自野外露頭及礦山梁構(gòu)造礦2井發(fā)現(xiàn)厚層白云巖以來(lái)[1]，對(duì)于該地區(qū)棲霞組白云巖領(lǐng)域的勘探便從未停止過(guò)，但無(wú)論是川西南還是川西北地區(qū)，由于地處川西龍門山斷裂帶附近，保存條件相對(duì)較差，即使有較好的白云巖儲(chǔ)層但測(cè)試都產(chǎn)水。終于在2014年雙魚(yú)石構(gòu)造ST1井首次獲得重大突破[1]，隨后該地區(qū)陸續(xù)獲得數(shù)口天然氣測(cè)試30 104m3/d以上的高產(chǎn)井。特別在近年利用新工藝鉆進(jìn)的水平井，測(cè)試天然氣日產(chǎn)量可達(dá)140 104m3以上[2]，揭示了該地區(qū)棲霞組白云巖的巨大勘探潛力。前人對(duì)四川盆地棲霞組的巖石類型[3-4]、沉積環(huán)境[5]、古地理背景[6-11]、儲(chǔ)層及其成因[12-17]等方面都進(jìn)行過(guò)研究，但對(duì)于近期在川西北地區(qū)發(fā)現(xiàn)的棲霞組肉紅色白云巖鮮有報(bào)道。本次研究從巖心及野外露頭樣品的宏觀、微觀特征以及實(shí)驗(yàn)分析等方面入手，詳細(xì)描述了這套肉紅色白云巖的巖石學(xué)特征，并初步分析了其形成原因及地質(zhì)意義。

1 地層概況

四川盆地二疊系棲霞組總體來(lái)說(shuō)巖石類型相對(duì)簡(jiǎn)單，古生物化石種類繁多，主要為藻、珊瑚、腕足、雙殼、棘皮類以及有孔蟲(chóng)等，地層總厚度一般為100～200 m[6]。棲霞組自下而上可按巖性特征劃分為兩段，下段巖性主要為深灰色生屑灰?guī)r或含生屑泥晶灰?guī)r，泥質(zhì)含量相對(duì)較多，局部地區(qū)發(fā)育“眼球眼皮”狀結(jié)構(gòu)，測(cè)井GR值一般為30～60 API。上段主要為灰色生屑灰?guī)r，灰質(zhì)白云巖以及較純的白云巖，測(cè)井GR值一般為0～30 API。其中川西北地區(qū)棲霞組白云巖厚度在50 m以上，與盆地其他地區(qū)相比是最厚的，一般呈灰色或淺灰色，鏡下白云石晶粒呈自形、半自形及他形，粒度可達(dá)細(xì)—中晶以上[12]。近期在川西北地區(qū)葛底壩剖面、何家梁剖面以及St9井巖心的研究中（圖1），觀察到棲霞組厚層白云巖儲(chǔ)層中存在一種特殊的肉紅色白云巖，該現(xiàn)象較為少見(jiàn)，其成因可能與伴生的優(yōu)質(zhì)白云巖儲(chǔ)層形成有一定的相關(guān)性，具有研究?jī)r(jià)值。

圖1 川西北二疊系棲霞組主要露頭及鉆井分布圖

2 巖石學(xué)特征

2.1 宏觀特征

川西北地區(qū)二疊系棲霞組的肉紅色白云巖與正常白云巖共生（圖2）。肉紅色白云巖主體成層狀分布，局部呈角礫狀，角礫間孔洞發(fā)育但多被白云石膠結(jié)物充填。已發(fā)現(xiàn)的肉紅色白云巖厚度介于0.5～2.0 m，厚度并不大，可以見(jiàn)到巖層間發(fā)育分散狀黃鐵礦，應(yīng)該是鐵、硫元素在埋藏還原環(huán)境下富集形成（圖2c）。目前棲霞組已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的肉紅色白云巖的鄰層一定發(fā)育厚層高能灘相晶粒狀白云巖，且孔隙、孔洞發(fā)育，正是棲霞組屢獲天然氣高產(chǎn)的儲(chǔ)集巖層。以St9井為例（圖3），棲霞組取心長(zhǎng)度60 m，白云巖共計(jì)40 m，單層白云巖厚度最大約30 m，而肉紅色白云巖正處在這套約30 m的白云巖中間，厚度約0.6 m。值得注意的是，剛出心時(shí)顏色很鮮艷，而巖心放置2 d之后紅色逐漸褪去，可能與地表氧化環(huán)境有關(guān)。這也意味著肉紅色白云巖可能是大面積分布的，野外由于暴露時(shí)間長(zhǎng)、氧化作用強(qiáng)，故而很少能見(jiàn)到。而巖心即使取到這套肉紅色白云巖，沒(méi)有及時(shí)記錄觀察的話，這種特殊顏色也會(huì)由于暴露在地表隨著時(shí)間流逝而慢慢消退。

圖2 棲霞組肉紅色白云巖野外露頭及巖心宏觀特征圖

圖3 St9井棲霞組巖心綜合柱狀圖

2.2 微觀特征

肉紅色白云巖鏡下晶粒結(jié)構(gòu)明顯，晶粒直徑為80～500 μm不等，以粉細(xì)晶結(jié)構(gòu)為主，局部可以達(dá)到中粗晶，晶粒間一般充填瀝青及少量黃鐵礦。古生物并不發(fā)育，可能是成巖作用較強(qiáng)導(dǎo)致原巖結(jié)構(gòu)不明顯。白云石晶體可見(jiàn)明顯的霧心亮邊結(jié)構(gòu)。紅色物質(zhì)在鏡下顯示為褐色，一般出現(xiàn)在白云石晶粒的核心部位，呈菱形或不規(guī)則形狀（圖4a、c），褐色物質(zhì)由核心向外逐漸減少。從陰極發(fā)光照片來(lái)看（圖4b、d），褐色物質(zhì)發(fā)光較弱或不發(fā)光，而白云石晶體外部的亮晶膠結(jié)物發(fā)橙紅色亮光。上述微觀特征側(cè)面反映了這種特殊物質(zhì)的形成時(shí)間相對(duì)較早，至少早于亮晶白云石膠結(jié)物的形成。

圖4 棲霞組肉紅色白云巖鏡下微觀特征及陰極發(fā)光特征圖

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 全巖X衍射分析

從所采集樣品的全巖礦物X衍射分析數(shù)據(jù)（表1）可以看到，灰色、淺灰色白云巖的主要礦物成分為白云石，個(gè)別樣品含有少量的方解石及黏土礦物。而肉紅色白云巖除了上述礦物外，都含有與鐵質(zhì)有關(guān)的礦物，其中葛底壩剖面肉紅色白云巖樣品含有2.4%的赤鐵礦，而St9井巖心樣品中含有黃鐵礦，含量從3.8%～7.8%不等。因此，棲霞組這套白云巖呈現(xiàn)明顯的肉紅色顯然與鐵質(zhì)的出現(xiàn)及侵染有關(guān)。至于鐵元素的來(lái)源可能為棲霞組下部的泥盆系—石炭系，在區(qū)調(diào)報(bào)告及石油地質(zhì)志等資料中可以看到[3]，在中泥盆統(tǒng)金寶石組以及整個(gè)石炭系中存在大量的鮞狀赤鐵礦。而川西北地區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，并發(fā)育北東向長(zhǎng)條形加里東期古隆起[6]，局部富鐵地層抬升暴露并遭受風(fēng)化剝蝕，大量鐵元素可在附近碳酸鹽巖地層中富集并參與成巖作用。在泥盆系觀霧山組中也常?？梢砸?jiàn)到紫紅色、肉紅色白云巖[18]，其鐵質(zhì)來(lái)源可能相似。

表1 川西北部分地區(qū)二疊系棲霞組全巖礦物X衍射分析數(shù)據(jù)表

3.2 地球化學(xué)特征分析

本次選取了葛底壩剖面及St9巖心棲霞組不同顏色的灰?guī)r及白云巖樣品進(jìn)行了碳氧同位素和稀土元素測(cè)試分析。20塊樣品的δ13C數(shù)值范圍為0.81‰～3.63‰，平均值為2.46‰。δ18O數(shù)值范圍為-8.45‰～-1.15‰，平均值為-6.39‰。從碳氧同位素交互圖（圖5）可以看到，兩塊被鐵質(zhì)侵染的肉紅色白云巖明顯具有一定的特殊性，其δ13C數(shù)值雖然與大多數(shù)正常白云巖及石灰?guī)r的數(shù)值分布范圍相似，但δ18O數(shù)值卻異常偏重，與正常石灰?guī)r及白云巖有明顯差別，已經(jīng)超出了正常海水的δ18O數(shù)值范圍[19]。δ18O數(shù)值主要與鹽度及溫度兩個(gè)因素有關(guān)。肉紅色白云巖本身厚度較薄，成巖過(guò)程中理應(yīng)與鄰層碳酸鹽巖的溫度系統(tǒng)相同，因此，成巖時(shí)的水體鹽度較高可能是造成δ18O數(shù)值偏重的主要原因。也就是說(shuō)這種肉紅色白云巖在形成時(shí)期可能處于相對(duì)局限的環(huán)境，并伴有一定的蒸發(fā)作用從而導(dǎo)致鹽度增高，氧同位素分餾使δ18O偏重。此外，本次研究還針對(duì)葛底壩剖面幾種不同顏色碳酸鹽巖樣品進(jìn)行了稀土元素測(cè)試（圖6），雖然稀土元素總量有所差別，但是肉紅色白云巖與其他類型巖石稀土元素配分模式比較相近，尤其是與代表原始沉積物的灰?guī)r樣品稀土元素總量十分相近，分配模式也幾乎相同。此外，這些樣品中具有環(huán)境指示意義的Ce、Eu元素都呈現(xiàn)負(fù)異常，側(cè)面反映了幾種類型的成巖流體性質(zhì)一致，都是沉積期海水為主，而在埋藏期并未經(jīng)歷過(guò)其他外源流體的大規(guī)模改造。

圖5 棲霞組不同類型樣品碳氧同位素交會(huì)圖

圖6 葛底壩剖面不同類型樣品稀土元素配分模式圖（PAAS標(biāo)準(zhǔn)化）

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)川西北地區(qū)二疊系棲霞組肉紅色白云巖的宏微觀巖石學(xué)特征研究，以及通過(guò)巖石礦物分析和地球化學(xué)測(cè)試等方法與其他類型巖石進(jìn)行了對(duì)比分析，初步得出以下結(jié)論：

1）棲霞組白云巖中的肉紅色是一種被侵染的次生色，其形成與鐵元素含量較高有關(guān)，而鐵元素可能來(lái)自于附近由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)暴露風(fēng)化的泥盆—石炭系富鐵地層。

2）僅白云石核部變色明顯，說(shuō)明該現(xiàn)象形成時(shí)間相對(duì)較早，可能是沉積期正常碳酸鹽巖被富含鐵元素的水體浸泡侵染形成，因此脫離該沉積環(huán)境后，成巖作用所形成白云石膠結(jié)物并未被染色。

3）肉紅色白云巖可見(jiàn)角礫狀并伴有巖溶現(xiàn)象，說(shuō)明其形成于古地貌相對(duì)較高的位置，巖石容易發(fā)生巖溶作用并角礫化。

4）肉紅色白云巖稀土元素與同期海水?dāng)?shù)值相似，而δ18O數(shù)值卻異常偏重，表明成巖流體為同期海水，但沉積期處于局限蒸發(fā)環(huán)境，海水鹽度高。

5）肉紅色白云巖形成環(huán)境特殊，且鄰層往往伴有較厚的孔洞型白云巖儲(chǔ)層，因此在棲霞組白云巖勘探中可以將其作為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的指向標(biāo)志，在錄取新鮮巖屑的過(guò)程中可以格外留意。