川西北中二叠统栖霞组豹斑灰岩特征与成因

2012-08-01林良彪周进高张建勇

成都理工大学学报（自然科学版） 2012年6期

郝毅林良彪周进高倪超张建勇陈薇

（1.中国石油杭州地质研究院，杭州310023；2.成都理工大学沉积地质研究院，成都610059）

川西北地区在构造位置上处于上扬子准地台北部边缘的3个次级构造带的交汇部位［1］。栖霞组下部主要为深灰－黑灰色生屑灰岩，含泥质较重；上部主要为灰色生屑灰岩，局部夹白云岩或硅质结核，生物繁茂；总厚度一般为100～200m［2］，沉积环境属于碳酸盐台地［3］或缓坡［4］。中二叠统栖霞组一直以来都是四川盆地重要的勘探领域［4－9］，也是研究的重点。栖霞组一般自下而上分为栖一段和栖二段，豹斑灰岩主要发育在栖二段顶部，虽然厚度为2～37m不等［10］，但在川西北地区广泛分布。豹斑灰岩都位于一套较为优质的白云岩储层之上（图1），虽然这套白云岩储层的研究程度较高［11－16］，但其上部的豹斑灰岩却被提及甚少；因此，本文尝试对这套豹斑灰岩的特征和成因进行研究，以供探讨。

1 豹斑灰岩的特征

1.1 豹斑灰岩的解释

豹斑灰岩又称豹皮灰岩，是一种特殊的石灰岩。1949年之前，地质学家在描述华北奥陶纪地层时，就运用了豹皮灰岩这个名称，形象地描述了这种花斑状的石灰岩，后来一直为地质工作者所沿用［17］。豹斑灰岩的特征与成因也曾有一些学者做过研究［18－22］。豹斑灰岩只是一个根据外观上的形意定名，从岩石学的角度应当称之为云化不均匀的“云斑状灰岩”。之所以不称为云质灰岩，是因为两者还是有区别的，通常所说的云质灰岩中白云石的质量分数在25%～50%之间，且白云石在岩石中的分布一般较均匀。而在显微下，研究区豹斑灰岩中的白云岩部分是很纯的，白云石的质量分数在95%以上，白云石化较为彻底；而且白云岩跟基质生屑灰岩的界线往往是比较清晰明显的，只有少量白云石晶体生长于基质灰岩中。因此，研究区的豹斑灰岩其实就是经历了不均匀白云石化作用的“云斑状灰岩”。

1.2 豹斑灰岩宏观特征

图1 川西北长江沟剖面栖霞组岩性柱状图Fig.1 Lithological column of the Qixia Formation in Changjianggou outcrop，Northwest Sichuan

在野外露头上，豹斑灰岩的宏观特征较明显（图2－A，B），整个岩石经历了不均匀的白云石化作用，灰白色的为泥晶生屑灰岩，暗色的为白云岩或含泥质白云岩。泥晶生屑灰岩可以看作是白云岩的宿主或载体，白云岩主要沿着宿主灰岩的裂缝或孔洞发育，两者明暗相间，如同豹纹一般。此外，由于差异风化作用，暗色白云岩部分往往略微突出一些。在个别岩心上也可以见到豹斑灰岩的局部特征，与野外露头类似，白云岩与灰岩界线一般比较明显（图2－C，D）。

1.3 豹斑灰岩微观特征

野外露头及岩心的薄片样品在镜下观察可见（图3），豹斑灰岩中的白云岩部分为含泥白云岩或较纯的白云岩。白云石晶体主要为细－中晶，晶形较好，以自形晶为主，局部可见残留的生屑结构（图3－A箭头所示），大部分白云石晶体雾心亮边现象明显，主要为交代成因。灰岩部分为泥晶生屑灰岩，生屑含量高，局部含少量白云石晶粒。白云岩与宿主生屑灰岩界线明显（图3－B）或呈渐变过渡关系（图3－E）。在白云岩中偶尔可以见到没有被云化的宿主灰岩“俘虏体”，类似岩浆岩中的围岩“俘虏体”。这至少说明白云石化形成时，宿主灰岩早已固结成岩且较为致密，因此未受到白云石化流体的影响。另外局部可见极粗晶的白云石晶粒（图3－D），应该是在有孔隙空间的情况下自由生长的结果，因此其生长的地方原本可能是一个较大的孔洞。

2 成因分析

对豹斑形态的成因目前有几种不同的解释，有的学者认为云斑状白云岩可能属于灰岩中的白云质粒屑，是由异地搬运而来［18］；有的学者认为豹斑灰岩其实是一种碳酸盐糜棱岩［19］。要想解释清楚豹斑灰岩的成因，需要解决2个问题。第一个是豹斑灰岩特殊分布形态的原因；第二是白云石化的成因。大多数学者认为，豹斑灰岩的分布形态是与生物活动有关的［20－22］，掘穴生物在半固结的碳酸盐沉积物中活动造成潜穴，为后期的白云石化流体提供了通道和存储空间，也就是说豹斑的分布形态基本就是生物潜穴的形态。笔者认为，在不同地区的不同层位中，类似的现象可能确实存在不同的合理解释（前面所述的例子主要来自华北地区，层位主要是寒武系和奥陶系，无论从地区上及层位上跟本文研究区还是有很大差别的）。就本研究区的目的层而言，豹斑灰岩分布形态很可能是与栖霞末期的暴露溶蚀作用有关的。野外剖面上可以看到，白云石斑块的形态与各种小型溶沟、溶斗、溶洞的形态类似（图2－A），这些孔洞可能被垮塌物充填或者半充填后埋藏，为后期的白云石化流体提供了通道和空间；另外，在岩心中也看到过这种溶蚀垮塌现象的直接证据（图4）。

对于白云石化成因问题的看法和认识也比较多，主要有混合水模式［10］、埋藏模式［20，21］、渗透回流模式［21］、大气淡水影响［22］等。笔者针对研究区栖霞组豹斑灰岩进行了一些样品分析，从白云石有序度的研究中我们可以发现（表1），除了豹斑灰岩外，3口钻井的栖霞组上部白云岩的白云石有序度都是很高的，为0.8～0.95，平均可达0.85；而豹斑灰岩中云斑的白云石有序度平均仅有0.49。白云石有序度较低是白云石快速形成的标志。前面已经提到，研究区豹斑灰岩的云斑中可以见到宿主灰岩的“俘虏体”，因此，白云石肯定不是在潮坪环境下同生或准同生时期形成的，至少形成于宿主灰岩固结之后。碳氧同位素分析数据也支持豹斑灰岩的形成未受到早期大气淡水作用的影响（δ13C平均为2.57‰，δ18O 平均为－4.567‰）。而如果埋藏太深的话，地温较高，加上地层、孔隙流体参与，Mg2＋会不断置换Ca2＋，白云石晶体结构不断进行调整，其有序度也会不断增高［23］。因此，可以推断研究区豹斑灰岩的云斑应该是在浅埋藏时期形成的。

图2 豹斑灰岩在野外露头及岩心的宏观特征Fig.2 Macroscopic features of leopard limestone in outcrops and drilling cores

表1 栖霞组白云石有序度分析Table 1 Ordering degree analysis of dolomite from Qixia Formation

白云石化流体的运移方向很可能是自下而上的。据前所述，豹斑灰岩中的白云石形成于成岩之后的浅埋藏期，从纵向剖面来看（图1），地层由下至上是一个纯白云岩到豹斑灰岩的变化，富Mg2＋流体由下而上运移也是合理的。薄片下也可以看到白云石化流体具有一定的方向性，有较大的生屑或方解石脉阻挡的时候，白云岩与宿主灰岩之间的界线清晰，否则往往呈过渡状（图3－B，E）；而其上覆的茅口组底部往往都是海侵形成的泥质岩或灰质泥岩，具有一定的封堵能力。阴极发光和扫描电镜显示，白云石化流体先对前期缝洞系统中垮塌的生屑灰岩进行交代作用，阴极发光实验中发暗光（图3－F，H）；后沿颗粒边缘向着自形晶形态（菱形）生长，阴极发光实验中发亮红色光（图3－F，H）；在白云石形成之后，局部还有一期亮晶方解石的胶结作用（图3－G），阴极发光实验中几乎不发光（图3－H）。扫描电镜可以明显地看到，豹斑灰岩局部发育溶蚀孔洞，说明白云石化流体有可能还伴随着强烈的溶蚀作用（图3－I）。另外，在豹斑灰岩之下的白云岩地层中见到了一些热液白云石的证据（图5），如鞍状白云石、斑马纹状白云石等，从侧面说明白云石化流体来源与埋藏热液可能有着一定的关系。

图3 豹斑灰岩的微观特征Fig.3 Microscopic features of leopard limestone

图4 岩溶角砾岩Fig.4 Karst breccia

3 认识

图5 热液白云石证据Fig.5 The evidences of hydrothermal dolomite

本文尝试对川西北中二叠统栖霞组顶部豹斑灰岩的特征和成因做出分析，并得出以下初步认识：（1）豹斑灰岩分布形态很可能与栖霞末期的暴露溶蚀作用有关，溶蚀作用产生的缝洞系统控制了豹斑灰岩的分布形态；（2）白云石化作用形成的时间应该是成岩之后的浅埋藏时期；（3）白云石化流体可能与深部热液有关，运移方向是由下而上的，由于流体供应有限加上茅口组底部泥质岩封堵等原因，白云石化作用在栖霞组顶部结束；（4）白云石化流体除了可以形成白云石外，可能还伴随着一定的溶蚀作用。

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