川东北元坝地区飞仙关组碳酸盐岩的岩石类型及成岩作用

周瑞琦，傅 恒，徐国盛，丁圣斌

（油气藏地质及开发工程国家重点实验室（成都理工大学），成都610059）

自20世纪70年代起，石油地质学家就已经将成岩作用作为碳酸盐岩研究的重要内容[1－6]，直至现今仍在不断开拓新的研究思路及方法[7－12]。成岩作用的研究不但有利于阐明储层成因机制，还可为油气勘探区的储层建模、评价和预测提供关键性参数。

1995年在川东北飞仙关组（T1f）鲕粒溶孔白云岩储层中获工业性气流，从此国内石油地质学家对该层位开展了研究[13－21]。针对元坝地区飞仙关组储层，前人亦做了许多研究工作[22－32]。

截至目前，虽然针对川东北飞仙关组成岩作用的研究众多，但针对元坝地区的研究却很少，其主要原因是人们都将注意力放在了元坝地区长兴组礁滩相储层，认为飞仙关组储集性远低于长兴组[29，33]。而近年来在 YB27井和 YB204井飞仙关组获得工业气流[32]，说明有必要全面探讨飞仙关组岩石类型、特征及重点储层段（飞二段）的成岩作用，为勘探开发提供支持。

1 区域构造及沉积背景

研究区位于四川省苍溪县境内，南部为川中低缓构造带北缘（《中国石油地质志》，1989），北部与九龙山背斜构造带相接，北东部邻于通南巴背斜构造带，属于多构造交汇区，但构造变形弱，断层不发育（图1）。

自印支运动以来，川东北地区分别经历了早中印支期的推覆挤压阶段、晚印支－早喜马拉雅期北东向挤压阶段和晚喜马拉雅期逆冲推覆叠加阶段[28]。晚二叠世－早三叠世川东北处于陆表海沉积区，开江－梁平地区存在陆棚（或海槽），对该陆棚（或海槽）的研究前人已经做了许多工作[34－36]，本文就不再赘述。元坝地区位于陆棚西侧（图1），下三叠统基本上继承了上二叠统的沉积格局。

图1 研究区位置图Fig.1 Location map of the study area

图2 台地相区－陆棚相区沉积对比图Fig.2 Comparison of platform facies－shelf facies sedimentary

飞仙关组下伏长兴组（P3c）碳酸盐岩、上覆嘉陵江组（T1j）碳酸盐岩，飞仙关组自下而上分为4段（图2）：飞一段（T1f1）沉积期，海平面较长兴末期有所上升，由长兴期的台地边缘礁滩及局限潮坪－浅水陆棚沉积转为早飞仙关期的开阔台地（台坪）－深水陆棚沉积，主要岩性为灰色－深灰色微晶灰岩和深灰色含泥微晶灰岩，局部层位见颗粒微晶灰岩；飞二段（T1f2）沉积期，海平面下降，陆棚开始被填平补齐，主要发育开阔台地（台内滩）－台地边缘（台缘滩）沉积，主要岩性为灰色亮晶鲕粒灰岩和含泥微晶灰岩，偶夹颗粒微晶灰岩和含泥微晶灰岩；飞三段（T1f3）沉积期，海平面上升，陆棚完全被填平补齐，发育开阔台地（台坪）沉积，以灰、深灰、紫红色泥灰岩为主，偶夹泥岩、含泥微晶灰岩及含泥微晶白云岩；飞四段（T1f4）沉积期，海平面下降，古气候也变得干热，元坝地区过渡为蒸发台地沉积，以深灰色白云岩、膏质灰岩和硬石膏岩为主，偶夹含泥微晶灰岩和微晶灰岩。

2 岩石类型及特征

2.1 灰岩

2.1.1 微晶灰岩

根据颜色－结构特征可在飞仙关组微晶灰岩中识别出6种类型。

①灰白色微晶灰岩：微晶结构，纹层或块状构造。纹层厚0.05～1.5mm，基本上不含黏土、粉砂及生屑，仅含少量硅化薄壳介形虫，偶见腹足类及介屑。形成于较安静的水体，是飞仙关组最主要的岩石类型，但在飞二段内呈薄夹层产出。②膏化微晶灰岩：硬石膏呈斑晶或他形粒状微－细晶集合体赋存在微晶灰岩中（图3－A），主要产于蒸发台地相区。③生屑微晶灰岩：岩石具生屑微晶结构，半定向及块状构造（图3－B），生屑含量（面积分数）为3%～35%，多为介屑、介形虫和有孔虫等。④鲕粒微晶灰岩：鲕粒特征与鲕粒灰岩中鲕粒特征基本一致，鲕粒的面积分数＜50%，鲕粒晶粒化现象易见（图3－C），仅在飞二段内产出。⑤晶粒化颗粒微晶灰岩：岩石具颗粒（已晶粒化），微晶结构，块状构造。颗粒的面积分数达到5%～30%，颗粒直径为0.1～0.2mm，颗粒外貌呈圆状、次圆状、椭圆状，分选性好－中等，在微晶灰岩中呈漂浮状分布（图3－D）。晶粒化颗粒微晶灰岩在飞二段的下部大量产出。

2.1.2 藻灰岩类

以藻球粒灰岩为主，偶见藻黏结钙质细碎屑组成的藻黏结灰岩，呈斑块状或条带状夹于鲕粒灰岩或微晶灰岩内（图4－A）。

2.1.3 颗粒灰岩类

图3 飞仙关组各类微晶灰岩显微特征Fig.3 Microscopic features of all kinds of the microcrystalline limestone in Feixianguan Formation

图4 飞二段藻灰岩及各类颗粒灰岩显微特征Fig.4 Microscopic characteristics of the algal limestone and all kinds of the granular limestone in Member 2of Feixianguan Formation

将颗粒面积分数＞50%的灰岩定义为颗粒灰岩，根据不同成因－颗粒类型划分出4类。①砂屑灰岩：砂屑是由灰泥沉积物机械破碎后形成2～0.1mm砂级粒碎屑，砂屑磨圆度、分选性较好（图4－B）。②鲕粒灰岩：具微晶鲕粒结构、粒状亮晶鲕粒结构及栉壳状亮晶鲕粒结构（图4－C）。鲕粒直径以0.25～0.6mm为主，伴生组分有豆粒、复鲕及介屑泥微晶灰岩、砂、砾屑。鲕核以泥微晶灰岩砂屑为主，偶见以介屑为核心。真鲕为主，薄皮鲕少量。一般情况下以泥微晶灰岩为核心的鲕粒多为正常鲕（圆形），以介屑为核心的鲕粒多为异形鲕。鲕粒灰岩是飞二段储层的重要岩石类型。③豆粒灰岩：岩石具微晶豆粒、亮晶豆粒结构或藻黏结豆粒结构，块状构造。豆粒同心圈层的显微特征表明，豆粒同心圈层由蓝绿藻在动荡浅水环境下形成的核心石，其粒径＞2mm。与化学－机械方式及生物化学方式形成的鲕粒在形状、结构上不难区分（图4－D）。豆粒灰岩主要分布在飞二段内。④ 生屑灰岩：指生屑的面积分数＞50%，填隙物与粒间孔隙＜50%的灰岩。本地区根据生屑类型可划分为介屑灰岩和有孔虫屑灰岩2类。介屑灰岩具介屑结构，半定向构造，介屑类型由双壳类介屑构成，介屑的质量分数＞50%，介屑间填隙物为亮晶或灰泥，呈薄层或条带赋存在微晶灰岩或颗粒灰岩内。在高能环境下还可形成颗粒介屑灰岩（图4－E），根据伴生颗粒类型可细分为砂屑介屑灰岩与鲕粒介屑灰岩，砂屑介屑灰岩具亮晶砂屑介屑结构，鲕粒介屑灰岩具亮晶鲕粒介屑结构。有孔虫屑灰岩具微亮晶有孔虫屑结构，块状构造，有孔虫为沙盘虫（图4－F）。粒径长轴为0.1～0.2mm，有孔虫屑灰岩形成于浅海环境。本类灰岩主要在飞二段产出。

2.2 白云岩

飞仙关组白云岩主要发育在飞四段，根据硬石膏的有无和所含颗粒类型，可划分为微晶白云岩、膏化微晶白云岩、粪球粒微晶白云岩，这些白云岩孔隙度并不高；飞一段－飞三段中所产出的白云岩非主要岩石类型，其形成机理异于飞四段白云岩，后文将有详细介绍。

微晶白云岩：具泥微晶结构，纹层构造及块状构造，是咸化潟湖—潮坪环境下形成的原生白云岩。膏化微晶白云岩：具有微晶结构，纹层或块状构造，微晶白云岩内含不同晶粒大小、不同自形程度、不同产状、不同含量的硬石膏，是潟湖咸化程度已达到硬石膏析出的成盐阶段的产物。粪球粒微晶白云岩：粪球粒特征是灰黑色泥晶结构，外形为圆状、椭圆状、长条状，最大直径0.1mm左右，在浅灰色微晶白云岩内杂乱分布。

3 成岩作用类型及特征

飞仙关组成岩作用有泥晶化作用、压实－压溶作用、胶结作用、重结晶作用、交代作用（硅化、天青石化、褐铁矿化、白云石化等）、溶蚀作用、充填作用、破裂作用等。本文介绍5种主要的成岩作用。

3.1 压实－压溶作用

压实作用在本区表现为中等偏强，常有以下3点显著特征：①鲕粒不同程度破裂，包括鲕皮破裂成缺口或鲕粒整体错位等（图5－A），此现象是压实作用在灰岩颗粒上的最重要表现；②介屑呈定向、半定向排列（图5－B）；③内碎屑压扁呈扁平、蝌蚪状（图5－C）。

飞仙关组压溶作用程度中等偏强，岩石中缝合线、微裂缝较发育，缝合线类型、缝合线组合类型繁多（图5－D）。缝合线类型主要为尖峰状，还可见低峰、丘状、柱状、不规则状等。缝合线组合类型有网状交织缝合线、纹层状缝合线以及马尾状缝合线等。

3.2 胶结作用

飞二段鲕粒灰岩内胶结物多为方解石，可根据胶结物的外形、透明度等识别出3类方解石胶结物（图6－A，B）。a类为亮晶方解石呈栉壳状、纤状、马牙状或叶片状，以垂直颗粒边缘呈等厚环边生长为特征，环带厚为0.02～0.05mm；b类具短柱状或粒状，属于半自形－自形干净明亮晶体，紧贴第一类方解石外围呈环带状生长；c类属于中－粗粒亮晶方解石，是鲕粒间主要胶结物，也可见白云石充填。

3.3 重结晶作用

飞仙关组灰岩重结晶作用表现为颗粒灰岩经晶粒化后形成颗粒幻影晶粒灰岩，原始颗粒类型沉积构造完全消失（图6－C，D）。重结晶作用破坏颗粒或颗粒间的孔隙，造成孔隙度进一步下降。

3.4 白云石化作用

飞四段沉积期海平面下降、气候干热，蒸发作用导致富镁离子卤水沿着高渗透沉积体下渗交代灰岩形成渗透回流白云石化；飞一段－飞三段主要为埋藏白云石化和热液白云石化。

3.4.1 埋藏白云石化

埋藏期灰岩能在压溶作用及一定的温压条件下释放镁离子；但如果溶解作用有限，镁离子只能在溶解区域附近集合。所以在本区碳酸盐岩内常见分散的自形－半自形粉晶白云石沿缝合线、裂缝边缘及颗粒内部分布（图7－A）。

图5 飞二段压实－压溶作用标志Fig.5 Signs of the compaction－pressure dissolution of Member 2of Feixianguan Formation

图6 飞仙关组胶结作用和重结晶作用Fig.6 Cementation and recrystallization of Feixianguan Formation

图7 飞二段白云石化及溶蚀作用Fig.7 Dolomitization and dissolution of Member 2of Feixianguan Formation

3.4.2 热液白云石化

深部热流体沿通道（断层、裂缝等）向上运移，在途经灰岩层段后可发生交代作用成异形白云石，通常都伴生一系列热液矿物组合。飞仙关组热液矿物组合类型有：异形白云石＋萤石、萤石＋天青石、萤石＋方解石等（图7－B）。异形白云石多交代基质部分，也不同程度交代鲕粒，多以斑点状、条带状产出。热液矿物晶间孔隙易见，说明热液对飞仙关组储层具有建设性改造作用。

3.5 溶蚀作用

飞仙关组主要经历过3类溶蚀作用的改造，包括同生期溶蚀、浅埋藏期溶蚀和深埋藏期溶蚀，其中第一种溶蚀作用是最重要的。

同生期溶蚀作用：可见正地貌的鲕粒滩遭受淡水溶蚀现象，如铸模孔、粒内溶孔等（图7－C）。

而浅埋藏期溶蚀作用所形成的溶蚀，如缝合线或构造缝附近的溶蚀较少；深埋藏的溶蚀，如热液溶蚀的贡献也很少（图7－D）。

4 飞二段成岩序列

飞仙关组第二段是本区重要的储层段，本文在详细的岩石类型和成岩作用研究的基础上，判断成岩作用发生的先后顺序，建立飞二段成岩序列（图8）。

详细的岩石学观察发现本区胶结作用主要分为3期（图6－A，B），第一期为栉壳状方解石，垂直鲕粒边以栉壳状等厚环边生长，形成于海底成岩环境；第二期为细粒－小柱状方解石沿第一期胶结物外缘生长，并与之呈胶结不整合接触，能谱扫描电镜分析其晶体化学成分单一，无Sr、Fe、Mn、Mg、Na、K，属大气淡水成岩环境（图9－A，B）；第三期为中－粗晶方解石充填剩余孔隙，晶体明亮粗大，以单晶或多晶形式充填剩余粒间孔，这期胶结作用发生在中－深埋藏成岩环境。

图8 飞仙关组第二段鲕粒灰岩成岩序列Fig.8 Diagenetic sequence of the oolitic limestone in Member 2of Feixianguan Formation

溶蚀作用有3期：早期为大气淡水溶蚀，可在鲕滩中见铸模孔等选择性溶蚀现象，其暴露溶蚀的依据有：①鲕粒褐铁矿化（表1）；②淡水方解石胶结（图9－A，B）；③还可见渗流成因的黏土矿物及溶蚀灰泥残余物（图9－C，D）。中、晚期为埋藏期的非选择性溶蚀，即主要溶蚀晶粒方解石。

除上述成岩作用外，还有泥晶化作用、充填作用及破裂作用等。

根据上述分析结果，将飞二段成岩环境分为：海底成岩环境、大气淡水成岩环境、浅－中埋藏成岩环境和深埋藏成岩环境。其中浅埋藏阶段和中埋藏阶段不易区分，所以将其合并。从图8中可看出沥青／热液矿物充填作用最强，胶结作用和压实－压溶作用次之，泥晶化、溶蚀、重结晶及破裂作用较弱，白云石化作用最弱。成岩演化结果分析表明，对于飞二段孔隙而言破坏性成岩作用的强度大于建设性成岩作用的强度。

5 结论

a.飞二段的大气淡水溶蚀作用强度中等，非选择性溶蚀不强烈，与此同时胶结作用却很强烈。鲕粒灰岩经历淡水溶蚀后形成粒间孔，岩石孔隙度大幅上升，但很快遭遇强烈胶结作用，使孔隙度大幅降低。飞二段灰岩胶结作用通常可分为3期，第一期为海底胶结，第二期为淡水胶结，第三期为中－深埋藏胶结。能谱分析表明淡水胶结物的成分单一，仅含C、O和Ca元素。

图9 飞二段淡水胶结及淡水溶蚀证据Fig.9 Evidences of the fresh water cementation and fresh water dissolution in Member 2of Feixianguan Formation

表1 飞仙关组第二段鲕粒褐铁矿化电子探针成分分析（w／%）Table1 Components of the oolitic ferritization in Member 2of Feixianguan Formation analyzed with EMP

b.本区的充填作用较强烈，一些粒间溶孔、粒内溶孔、溶洞和裂缝经过石英、萤石、黏土、沥青、多期方解石、白云石等充填后，储集空间进一步减小，储集性降低。

c.虽然此次研究显示飞二段中建设性成岩作用的贡献并不大，如溶蚀作用并不强烈，但这个结果也仅代表个别单井的情况。笔者认为倘若局部地区受到较强的建设性成岩作用改造，如热液白云石化、破裂作用等，就易形成较好储集空间，所以今后应加强构造活动部位的研究和探索。

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