川南地区震旦系灯影组白云岩地球化学特征及形成机制

周吉羚， 李国蓉,2， 高鱼伟， 雷和金， 符 浩

( 1. 成都理工大学 能源学院，四川 成都 610059； 2. 成都理工大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610059 )



川南地区震旦系灯影组白云岩地球化学特征及形成机制

周吉羚1， 李国蓉1,2， 高鱼伟1， 雷和金1， 符 浩1

( 1. 成都理工大学 能源学院，四川 成都 610059； 2. 成都理工大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610059 )

川南地区震旦系灯影组白云岩储层油气资源前景广阔，但勘探程度低.为认识研究区白云岩地球化学特征及形成机制，利用薄片观察、露头剖面，岩心样品的阴极发光，X线衍射有序度，以及碳、氧稳定同位素分析等方法，将灯影组白云石分为微晶白云石、粉—细晶它形脏白云石、细晶白云石、中—粗晶白云石、鞍状白云石5种类型.结果表明：不同类型白云石δ13C值相近，δ18O值依次减小，X线衍射有序度依次增大，前3类白云石阴极射线下几乎不发光，后2类白云石阴极射线下呈近红色光；白云石的形成机制分别为同生期蒸发泵白云石化、同生期渗透回流白云石化、浅埋藏白云石化、深埋藏白云石化及热液白云石化.该研究结论为研究区白云岩储层的空间分布和油气勘探提供参考.

白云岩； 地球化学特征； 形成机制； 灯影组； 川南地区

0 引言

四川盆地为大型含油富气叠合盆地，面积约为19×104km2，盆地沉积盖层完整、储层类型多样，川南地区震旦系灯影组广泛发育一套厚度稳定的白云岩储层，是盆地最重要储层之一[1].2011年，高石1井在灯二段、灯四段气层测试获得天然气日产量超过100×104m3的高产工业气流，该储层具有良好的勘探前景.人们研究储层白云石形成机制，翟永红等认为中扬子地台灯影组白云石可以划分为准同生白云石化、渗透回流白云石化、混合水白云石化、压溶白云石化和埋藏白云石化等5类成因[2]；雷怀彦、王兴志、方少仙等认为灯影组白云石主要为原生白云石[3-5]；王士峰等认为原生白云石重结晶产物为较纯的细晶白云石，且深埋藏作用的产物是细晶硅质白云石[6]；王勇认为细晶硅质白云岩形成于近地表的表生环境，与微生物活动密切相关[7]；梅冥相等认为浅水白云岩中各种藻生物沉积结构保存完好，至深水区变为泥晶白云石，表明震旦系白云岩为原生白云石沉淀的产物[8]；刘树根等认为灯影组白云石形成机制还包括深埋藏白云石化和热液白云石化机制[9].

由于震旦系灯影组时代老、演化程度高、构造作用改造强烈、成岩作用复杂等，同时在白云石地球化学特征分析方面较为薄弱，所以对白云石化机制的分析还存在疑问，对其成因机制缺乏统一认识.笔者分析研究区白云石的岩石学和矿物学特征，结合现代岩矿测试方法，研究灯影组白云岩形成的地球化学环境和形成机制，为川南地区灯影组白云岩储层的空间分布及油气勘探提供参考依据.

1 地质概况

四川盆地在印支期已具雏形，最终定型于喜马拉雅期强烈的构造变形后[10](见图1)，川南地区分布在四川盆地龙泉山断裂带和华蓥山断裂带之间.四川盆地震旦系灯影组在川南大部分地区上覆寒武系九老洞组地层，在川东南及贵州部分地区与牛蹄塘组不整合接触，下伏陡山沱组地层[11-12].

图1 研究区构造位置Fig.1 Diagram of tectonic location in the study area

研究区震旦系灯影期长期处于极浅水碳酸盐岩台地环境，台地碳酸盐岩长期均匀沉积沉降，具有陆表海台地的性质[13].灯影组地层继承陡山沱期台地西高东低、西浅东深的特点，继而发展为碳酸盐岩缓坡型台地背景沉积[14].

2 样品与实验

选取川西南乐山市范店剖面、贵州金沙县岩孔剖面、贵州松林剖面、贵州习水剖面露头样品，以及安平1井、丁山1井、林1井等取心样品进行岩心观察及显微镜下鉴定；挑选部分样品进行碳、氧稳定同位素，X线衍射有序度及阴极发光等地球化学分析.

碳、氧稳定同位素分析在中国石油西南油气田分公司勘探开发研究院地质实验室完成，选取46件样品，测试仪器为MAT-252型质谱仪，实验温度为22 ℃、湿度为50%，所得结果的千分差以PDB(美国南卡纳州白垩系皮狄组中的美洲拟箭石)标准计算，分析精度优于0.2‰；X线衍射有序度特征分析在成都理工大学完成，选取29件样品，检测环境温度为20 ℃，湿度为58%；阴极发光分析在成都理工大学完成，选取21件样品，抽真空后在额定电压为220 kV、曝光时长为10 s条件下，进行图像采集.

3 白云石类型及岩石学特征

根据岩石学、地球化学特征分析，结合工区沉积史、构造演化史，将川南地区震旦系灯影组白云石分为微晶白云石、粉—细晶它形脏白云石、细晶白云石、中—粗晶白云石、鞍状白云石等5种类型.

3.1 微晶白云石

微晶白云石主要生长于非生物成因的隐晶白云岩，在地层内大量产出.此类白云石晶体形状小，一般小于0.01 mm，晶体表面较脏，具微晶结构，颜色为浅灰—灰色，被缝合线和多期裂缝切割改造；岩石致密不利于储集层发育(见图2(a)).微晶白云石结晶速度快，且形成于水浅、低能和盐度较高的原始沉积环境，是准同生白云石化的重要标志[15].

3.2 粉—细晶它形脏白云石

粉—细晶它形脏白云石晶体表面较脏，晶粒较细，颜色为灰色—深灰色，块状构造，以它形晶为主，偶见半自形晶；镜下可见少量藻粘结残余结构；白云石化程度整体较好(见图2(b)).

图2 川南地区震旦系灯影组白云石类型Fig.2 The characteristic of Sinian Dengying formation dolomite types in south Sichuan area

3.3 细晶白云石

细晶白云石主要生长于溶蚀缝洞，沿缝洞壁生长.晶体间多为镶嵌状接触，并有晶间微孔、晶间溶孔及裂缝发育，总体上孔隙不发育；一般晶形较好，在显微镜下偶见洁净明亮的边缘和云雾状核心(见图2(c)).

3.4 中—粗晶白云石

溶洞中央常充填中—粗晶白云石，与自形白云石镶嵌共生，接触边缘平直，一般为后期动态结晶形成，矿物自形较好，呈菱形粒状，泥质和杂质成分较少，颗粒较干净，单偏光下无色，干涉色呈高级白，清晰可见两组菱形相交解理，沿解理方向对称消光，少见伴生矿物及副矿物(见图2(d)).

3.5 鞍状白云石

鞍状白云石是研究区最常见热液矿物，常与石英、方解石及其他重矿物共生，偶见有机质、热液破裂角砾[16].此类白云石主要发育于裂缝和溶蚀孔洞，晶体大小可达中—粗晶，表面较干净，晶面弯曲，正交光下波状消光明显[17].晶体破碎强烈，多发育裂纹，通常为局部构造应力所致，裂纹中充填泥质成分，为在后期动能较小环境中充填形成(见图2(e-f)).

4 地球化学特征

4.1 碳、氧稳定同位素

碳、氧稳定同位素特征分析在研究白云石的成因类型和成岩流体性质中具有重要作用[18].白云石的碳同位素组成主要受控于碳源，当白云石的碳同位素组成较低时，白云石化流体通常来自于有机流体或大气流体[19]；当白云石的碳同位素组成较高时，白云石化流体通常来自于海水或与海水有关的海源流体.白云石的氧同位素主要受控于成岩流体的氧同位素组成和成岩温度，其中以温度分馏效应控制为主[20].一般成岩矿物—水系统温度越高，成岩矿物的氧同位素值越小，成岩矿物—水之间的氧同位素分馏系数越小[21-22].

微晶白云石δ18O值在-1.29‰～-4.52‰ PDB之间，平均为-2.95‰ PDB；δ13C值在1.95‰～7.82‰ PDB之间，平均为4.98‰ PDB.此类白云石的碳、氧同位素较富集，是在高盐度海水环境及蒸发泵模式下，经由海水蒸发浓缩并发生白云石化作用而快速结晶形成.

粉—细晶白云石δ18O值相对较低，在-4.94‰～-8.51‰ PDB之间，平均为-6.74‰ PDB；δ13C值在0.83‰～5.36‰ PDB之间，平均为3.23‰ PDB.与微晶白云石相比，此类白云石的氧同位素亏损，碳同位素较为富集.在微晶白云石重结晶或灰岩白云石化过程中，由于海水渗透回流补给，海水中13C优先进入矿物，使碳同位素富集；在白云石化过程中，由于温度升高，16O优先进入白云石，导致氧同位素亏损.

细晶白云石δ18O值在-10.17‰～-11.95‰ PDB之间，平均为-10.98‰ PDB；δ13C值在0.45‰～4.43‰ PDB之间，平均为2.15‰ PDB.与微晶白云石和细晶白云石相比，此类白云石表现为更低的δ18O值和较低的δ13C值，原因是岩石处于浅埋藏成岩环境下，几乎没有外来流体介入，导致碳同位素亏损、但较为稳定；埋深引起温度升高，16O优于18O进入矿物，使16O相对富集、δ18O值减小.在重结晶过程中，伴随白云石的溶解和沉淀作用，白云石晶体逐步增大，δ18O值呈下降趋势，促使白云石化作用进行，形成浅埋藏成因的细晶白云石.

中—粗晶白云石δ18O值在-8.95‰～-13.32‰ PDB之间，平均为-11.56‰ PDB；δ13C值在1.61‰～4.96‰ PDB之间，平均为2.73‰ PDB.此类白云石表现为18O亏损及13C相对稳定，原因是埋深增加，使δ18O值更小；同时深埋藏成岩环境下几乎没有外来流体介入，使δ13C值趋于稳定.

鞍状白云石δ18O值在-12.48‰～-15.12‰ PDB之间，平均为-13.53‰ PDB；δ13C值在-3.89‰～4.47‰ PDB之间，平均为1.98‰ PDB.此类白云石中的碳、氧同位素特征反映，在热液流体作用下，高温导致18O亏损，受有机质热成岩作用的轻的碳输入使13C也发生亏损.

由研究区灯影组白云石中碳、氧稳定同位素交汇图(见图3)可见，各类白云石δ18O值差异明显，δ13C值较为相近，而鞍形白云石δ13C值多小于零.根据白云石中碳、氧稳定同位素在交汇图中位置，可划分为4个区域：区域Ⅰ中的δ18O值相对较高，主要为微晶白云石，通常为与海水有关的流体作用结果；区域Ⅱ中的δ18O值略低于微晶白云石的，主要为粉—细晶白云石，通常与渗透回流白云石化作用相关；区域Ⅲ中的δ18O值偏低，主要为细晶白云石和溶缝、溶洞内中—粗晶白云石，通常与埋藏作用相关；区域Ⅳ中的δ18O和δ13C值明显较低，主要为鞍状白云石，通常与热液流体相关作用.

图3 川南地区灯影组白云石碳、氧稳定同位素交汇图

4.2 X线衍射有序度

白云石的X线衍射有序度是白云石的石化程度、结晶程度、结晶温度，以及白云石形成机制等方面信息的综合反映，可利用它研究白云石形成机制[23].由研究区X线衍射有序度分布特征(见图4)可以看出：(1)虽然各类白云石的分布具有一定离散性，但随着白云石晶径的增大，X线衍射有序度总体增大趋势明显；(2)不同类型白云石的X线衍射有序度具有明显差异；(3)白云石的X线衍射有序度与结晶温度相关，温度越高X线衍射有序度更高.

微晶白云石的X线衍射有序度较低，在0.52～0.68之间，平均为0.58，表明它在高盐度环境条件下快速形成，且为同生期产物.

图4 川南地区灯影组白云石X衍射有序度分布特征Fig.4 The order degree of X diffraction distribution characteristics of the Dengying formation dolomite in south Sichuan area

粉—细晶它形脏白云石的X线衍射有序度较微晶白云石的明显提高，主要在0.38～1.00之间，平均为0.65，通常由同生期海水渗透回流形成.较低的X线衍射有序度表明,它是在高Mg2+/Ca2+等高离子浓度环境下快速结晶形成的.

缝洞内细晶白云石的X线衍射有序度主要在0.60～0.75之间，平均为0.67.X线衍射有序度偏低表明，它是在同一时期白云石化过程中没有受到外来流体改造而直接快速结晶形成的.浅埋藏成因的细晶白云石的X线衍射有序度比同生期的微晶白云石的偏高，说明细晶白云石的白云石化作用彻底，形成于相对盐度较高的环境.

中—粗晶白云石的X线衍射有序度较高，主要在0.50～1.00之间，平均为0.80.此类白云石形成于深埋藏条件，形成过程中结晶速度缓慢.埋藏过程中，由于埋深和地温增大，以及受到地层孔隙流体影响，X线衍射有序度较高[24].

鞍状白云石的X线衍射有序度主要在0.57～1.00之间，平均为0.83.热液岩浆流体的高温使其结晶温度升高.此类白云石结晶良好、晶形较粗大，由于埋深增加，其X线衍射有序度最高.

4.3 阴极发光

碳酸盐岩矿物的阴极发光特征主要受控于碳酸盐矿物中的Mn2+和Fe2+的含量，前者激活阴极发光，后者猝灭阴极发光[25].发光特征可分为不发光、暗淡发光和明亮发光3种类型.不发光是因为氧化环境中Mn2+和Fe2+为高价态，通常近地表成岩环境中胶结物缺少Mn2+；明亮发光是因为Mn2+含量高、Fe2+含量低，形成于弱氧化—还原条件，是渗透回流或埋藏环境的产物；暗淡发光是因为含有较多的Fe2+和Mn2+，形成于深埋藏条件[26].

低能环境导致微晶白云石具有低的Fe2+和Mn2+含量，阴极射线下呈暗红色光(见图5(a-b))；粉—细晶它形脏白云石在阴极射线下呈红色光(见图5(c-d))；溶蚀缝洞内的细晶白云石在阴极射线下呈不发光—暗红色光；中—粗晶白云石在阴极射线下呈橙红—亮红色光(见图5(e-f))；鞍状白云石在阴极射线下呈红色—暗红色光(见图5(g-h)).分析碳、氧稳定同位素和X线衍射有序度特征，认为川南地区灯影组5类白云石的形成机制分别为同生期蒸发泵白云石化、同生期渗透回流白云石化、浅埋藏白云石化、深埋藏白云石化及热液白云石化.

图5 川南地区震旦系灯影组不同类型白云石阴极发光特征Fig.5 The cathodoluminescence's characteristic of the different types of Sinian Dengying formation dolomite types in south Sichuan area

5 白云岩形成机制

5.1 蒸发泵白云石化

四川盆地早震旦世陡山沱期古气候由寒转暖、持续海侵，至晚震旦世灯影期泸定古陆被淹没，使盆地主体处于局限环境，并伴生高温气候，根据δ18O值计算得出海水温度达40.8 ℃[27-28]，强烈的蒸发泵白云石化作用使全区大面积发育微晶白云石.微晶白云石的X线衍射有序度平均仅为0.58，碳、氧稳定同位素富集，阴极射线下呈不发光—暗红色光，表明它形成于浓缩的高盐度海水环境、地表或近地表条件，白云石化结晶快速(见图6(a)).

5.2 渗透回流白云石化

粉—细晶它形脏白云石的X线衍射有序度平均为0.65，碳、氧稳定同位素值与微晶白云石的相近，δ18O值较高，阴极射线下呈红光，说明它形成于盐度较高或正常、地表或近地表地温条件，形成过程快速结晶.由于受到毛细管浓缩或蒸发泵作用，使高镁盐水“向上”运动，当相对密度较大的高镁盐水在地表受到阻碍时，向下渗透回流，即发生“向下”的运动；当下伏的碳酸钙沉积物或灰岩与这种“向下”的高镁盐水发生白云石作用后，形成粉—细晶它形脏白云石[25](见图6(b)).

5.3 浅埋藏白云石化

缝洞内细晶白云石的X线衍射有序度平均为0.67，碳、氧稳定同位素值比微晶和粉—细晶它形脏两类同生期形成的白云石的略低，阴极射线下呈不发光或暗红色光，说明它形成于流体性质与正常海水相近或盐度稍高、埋藏较浅环境，在渗透回流白云石化连续过程中，结晶速度相对较慢，形成于浅埋藏条件.浅埋藏早期属于半开放环境，海水对成岩作用影响较大，随着埋深加大，环境由半开放变为封闭，流体也由海水变为地层水[29].

5.4 深埋藏白云石化

中深埋藏流体作用早期，在地层水流体作用下，大的缝洞中央沉积中—粗晶白云石，晶粒粗大、自形程度高、埋深较大，地球化学特征表现为平均X线衍射有序度高、δ18O值低，在阴极射线下呈橙红—亮红色光.在深埋藏环境下，孔隙流体的化学性质不再受地表或近地表成岩过程控制，而受控于地下成岩过程，白云化流体包括孔隙水、吸附水和地层流体等，温度和压力较高，有利于白云石化作用的进行[30].深埋藏白云石化常与热液活动相关.随着埋深加大，孔隙水的离子浓度逐渐增加，由于受到低温梯度作用，孔隙水产生循环对流作用，中—粗晶白云石即为白云石化作用进一步进行并重新结晶的产物[31-32].

图7 川南地区灯影组热液白云石化作用模式Fig.7 The mode of hydrothermal dolomitization of Dengying formation in south Sichuan area

5.5 热液白云石化

在深埋藏条件下，温度大于5 ℃、压力略高于围岩的高盐度流体参与发生的白云石化，称为热液白云石化[33].鞍状白云石是热液白云石化的一个主要产物[34].鞍状白云石的地球化学特征表现为X线衍射有序度最高，碳、氧稳定同位素亏损最明显，阴极射线下呈红色—暗红色光.鞍状白云石形成于加里东运动末期到峨眉地裂早期、从挤压作用转向拉张作用的过程，应力的释放使地下岩浆体上涌侵入，由于灯影组顶部存在致密的微晶白云岩，使得热液流体被封隔在灯影组缝洞内活动，导致热液矿物大面积发育.

6 结论

(1)通过对川南地区震旦系灯影组岩心及薄片观察，并结合沉积和构造演化史，认为白云石化作用是研究区碳酸盐岩中最常见的成岩现象，根据白云石的晶体大小、自形程度等，将研究区白云石分为微晶白云石、粉—细晶它形脏白云石、细晶白云石、中—粗晶白云石和鞍状白云石等5种类型.

(2)川南地区灯影组白云石的地球化学特征表现为：在碳、氧稳定同位素特征上，δ13C值较为相似，仅鞍状白云石δ13C值多小于零；δ18O值具有明显差异，由高到低分别为微晶白云石、粉—细晶它形脏白云石、细晶白云石、中—粗晶白云石和鞍状白云石.在X线衍射有序度特征上，随着白云石的晶径增大，X线衍射有序度总体增大趋势明显；白云石的X线衍射有序度与结晶温度相关，高温条件下X线衍射有序度更高；白云石的X线衍射有序度由大到小为鞍状白云石、中—粗晶白云石、细晶白云石、粉—细晶白云石和微晶白云石.在阴极发光特征上，微晶白云石呈暗红色光—不发光；粉—细晶白云石呈红色光；溶蚀缝洞内的细晶白云石呈不发光—暗红色光；中—粗晶白云石呈橙红—亮红色光；鞍状白云石呈红色—暗红色光.

(3)川南地区灯影组5类白云石的形成机制分别为同生期蒸发泵白云石化、同生期渗透回流白云石化、浅埋藏白云石化、深埋藏白云石化及热液白云石化.

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2015-04-01；编辑：张兆虹

国家自然科学基金项目(41272150)；国家科技重大专项(2011ZX05005)

周吉羚(1991-)，女，硕士研究生，主要从事储层地质学与地球化学等方面的研究.

李国蓉,E-mail: liguorong@cdut.cn

P588.3

A

2095-4107(2015)03-0067-09

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.03.009