四川盆地东部石炭系黄龙组白云岩成因

刘诗宇，胡明毅，胡忠贵，戴危艳（1.长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室，武汉430100；2.长江大学地球科学学院，武汉430100）

四川盆地东部石炭系黄龙组白云岩成因

刘诗宇1，2，胡明毅1，2，胡忠贵1，2，戴危艳1，2
（1.长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室，武汉430100；2.长江大学地球科学学院，武汉430100）

四川盆地东部石炭系黄龙组是重要的天然气产层，白云石化作用是优质储层发育的必要条件，白云石化成因类型研究对该区油气勘探具有重要意义。根据岩心和野外剖面观察与描述，结合薄片资料，认为区内黄龙组主要发育以下几种类型的白云岩：泥—微晶白云岩、粉—细晶白云岩和残余颗粒粉—细晶白云岩等，以及充填于孔、洞或缝中的白云石胶结物。结合X射线衍射分析数据和稳定同位素δ13C与δ18Ο资料，发现该区不同类型的白云岩以及白云石胶结物的形成条件和物性特征各异，分别用不同的成因模式来解释更为合理，在此基础上总结了黄龙组具有如下4种白云岩成因模式：泥—微晶白云岩的蒸发泵白云石化成岩模式、（残余颗粒）粉—细晶白云岩的埋藏压实白云石化成岩模式、淡水白云岩的调整白云石化成岩模式和异形白云岩的构造热液白云石化成岩模式。

白云岩；白云石化；成因模式；黄龙组；川东地区

0　引言

四川盆地东部（包括川东、渝东和渝北地区）石炭系自钻获工业气流以来，其天然气储量和产量均居四川盆地各层系气藏之首［1］。在四川盆地东部主力产层中，石炭系黄龙组对气藏产量贡献较大，是重要的勘探开发层系。白云岩储层是现今四川盆地最重要的碳酸盐岩储集层。研究表明，白云石化作用对碳酸盐岩优质储层形成的影响最为显著［2-6］。白云岩的成因问题是碳酸盐岩岩石学研究中最为复杂的问题，白云岩的各种生成机理及解释层出不穷，仅就四川盆地东部地区白云岩成因而言，我国石油地质工作者就先后提出了回流渗透白云石化、蒸发泵白云石化、混合水白云石化、埋藏白云石化和构造热液白云石化等多种成因模式［1-6］。目前，对不同结构特征白云岩的成因解释尚未达成共识。如郭一华［4］认为粉晶白云岩成层性好，且发育窗格孔和干裂缝等，因而判定为准同生白云岩；王兰生等［5］将颗粒与晶粒白云岩中粉晶白云石的成因归结为混合水白云石化；胡忠贵等［6］依据岩石结构、Sr含量和地球化学特征，将颗粒白云岩和粉—细晶白云岩解释为埋藏白云石化作用的产物，因此加强四川盆地东部黄龙组白云岩成因研究显得尤为重要。笔者在前人研究基础上，通过对四川盆地东部石炭系黄龙组岩心和野外剖面进行观察与描述，结合薄片资料和相关物性资料，从微观角度对各类白云岩进行定量化标定，并结合X射线衍射分析和稳定同位素δ13C与δ18Ο的地球化学特征，对白云岩成因模式进行研究，以期为探讨四川盆地东部的白云岩储层形成条件以及储层预测均提供依据。

1　地质概况

四川盆地东部北抵城口、南达涪陵、西至南充、东邻巫山，面积约5.78万km2［图1（a）］。构造上隶属于川东高陡弧形褶皱带，北与大巴山古陆相连，南邻滇正古陆，西邻川中古陆，为三面环山的局限海湾潮坪环境。从研究区白云岩厚度图［图1（b）］可以看出，四川盆地东部广泛发育白云岩，达州以南大部分地区白云岩厚度为20～50 m，局部地区厚度大于50 m。

图1　四川盆地东部构造分布（a）及白云岩厚度（b）Fig.1Distribution of construction（a）and isopach map of dolomite（b）in eastern Sichuan Basin

受海西运动的影响，四川盆地东部大部分地区仅残存不完整的上石炭统黄龙组，其不整合超覆于中志留统韩家店组之上，顶部与下二叠统梁山组煤系地层不整合接触。区内黄龙组厚3.5～86.0 m，平均为28.2 m。通过对区内40口取心井岩心的描述，结合野外剖面实测资料及显微镜下岩石薄片鉴定资料，黄龙组自下而上可分为3个岩性段［6］：一段（C2hl1）为深灰色或褐灰色去膏化、各种粒级的白云岩，可见去白云石化粉—细晶次生灰岩与泥—微晶白云岩互层，厚度为0～20 m；二段（C2hl2）发育褐灰色泥—微晶白云岩、粉—细晶白云岩和颗粒白云岩，也可见白云质岩溶角砾岩，岩性整体上以白云岩为主，为储层相对较好的层位，厚度为0～50 m；三段（C2hl3）岩性主要为泥—微晶（少量粉晶）灰岩，偶含少量有孔虫等生物碎屑，也可见灰质岩溶角砾岩，厚度为0～25.3 m。

2　白云岩类型划分及其岩石学特征

从结构类型上看，四川盆地东部石炭系黄龙组白云岩主要包括泥—微晶白云岩、粉—细晶白云岩（图版Ⅰ-1）、残余颗粒粉—细晶白云岩以及白云质岩溶角砾岩（图版Ⅰ-2～Ⅰ-4）等岩石类型，还有一部分中—粗晶白云石以及异形中—粗晶和巨晶白云石晶簇以充填物的形式出现在溶蚀孔、洞或缝中。

2.1泥—微晶白云岩

晚石炭世早期，泥—微晶白云岩为四川盆地石炭系黄龙组常见的白云岩类型。选取5张由泥—微晶白云岩制成的薄片，在显微镜下发现，白云石晶体大小为3～4 um，呈他形粒状结构，晶间往往充填有有机质和方解石等杂质（图版Ⅰ-5），缺乏生物活动痕迹，偶见藻屑纹层结构。5块泥—微晶白云岩样品的物性资料统计表明，其孔隙度为0.68%～2.42%，平均为1.15%，面孔率小于1%，属于低孔、低渗型非储层。

2.2（残余颗粒）粉—细晶白云岩

晚石炭世中晚期，白云岩储层主要由粉—细晶白云岩（图版Ⅰ-6）和残余颗粒粉—细晶白云岩组成。同样选取5块该类白云岩样品制成薄片，在显微镜下观察发现，白云石晶体大小为40～160 μm，以半自形晶和自形晶为主。该类白云石重结晶作用明显，具有典型的“亮边雾心”结构。粉—细晶白云岩和残余颗粒粉—细晶白云岩的孔隙类型主要为晶间孔和晶间溶孔，部分晶间孔充填有淡水方解石或沥青。10块该类白云岩的物性资料统计表明，其孔隙度为8%～12%，平均为10%，面孔率普遍大于5%，属于高孔、高渗型储层。

2.3白云石胶结物

研究区的白云石胶结物通常以2种方式存在：①岩溶角砾岩中常见的充填于孔、洞或缝中的白云石胶结物。在显微镜下，该类白云石干净且明亮，以自形晶为主（图版Ⅰ-7），其溶蚀边界清晰，常与淡水方解石共生，为淡水白云石。②以沿古岩溶孔、洞或缝中充填物的形式出现的白云石（图版Ⅰ-8），常呈条带状沿裂缝产出。在显微镜下以晶体粗大、具有波状消光为显著特征。

表1　四川盆地东部黄龙组白云岩（石）样品X射线衍射分析数据Table 1X ray diffraction analysis of dolomite samples of Huanglong Formation in eastern Sichuan Basin

3　白云岩地球化学特征

3.1X射线衍射

X射线衍射分析在白云石中主要用于确定白云石的有序度和Mg/Ca。通常高的白云石有序度和高的Mg/Ca均反映白云石化速度慢而彻底，而低的白云石有序度和低的Mg/Ca均反映白云石化速度快而不彻底［7］。X射线衍射实验是在D/MAX-Ⅲ型射线衍射仪下完成的。先取白云岩样品5 g左右，研磨至粒径为74 μm的颗粒，置于烧杯中，加入适量稀盐酸；5 min后，用蒸馏水洗净再烘干，送入X射线衍射仪进行测定［8］。X射线衍射的测定标准为JCPDSICDD。在研究区选取了25块白云岩样品进行测试，数据统计（表1）发现，各类成因的白云石的有序度为0.68～1.00，平均为0.85。选取了5块泥—微晶白云岩样品进行测试，观察发现该类样品中白云石的有序度和Mg/Ca均较低，指示成岩流体具有高盐度卤水特征，表明该时期可能暴露于海平面之上，准同生白云石化快而不彻底，被认为是萨勃哈环境准同生阶段的产物［9］。笔者选取了15块（残余颗粒）粉—细晶白云岩样品进行测试，实验表明该类样品中白云石的有序度和Mg/Ca均为中等。常见粉晶白云质角砾岩中的淡水白云石胶结物的有序度最高，而Mg/Ca中等。中—粗晶异形白云石胶结物的有序度中等偏低，而Mg/Ca最高。总体上，白云石的有序度较高，接近化学计量白云石。从准同生期到表生期，随着成岩作用加强，白云石的有序度逐渐增高，白云石晶体的结晶程度呈现出逐渐增高的演化趋势。

3.2碳、氧同位素

稳定同位素碳和氧均是确定白云石成因的重要地球化学标志［10］。甲烷的生成造成δ13C偏正，有机质氧化造成δ13C偏负［11-12］。氧同位素组成受温度、大气水稀释和蒸发作用的影响，温度的增高和大气水稀释均造成δ18Ο值偏负，温度降低和蒸发作用均造成δ18Ο值偏正。

碳、氧同位素的测定是在MAT252气体同位素质谱仪上完成的。本次实验选取的样品均为新鲜的岩心，其中各类白云岩样品均为全岩样品，共计20块，白云石胶结物为单矿物样品，共计5块。分别将各个样品研磨至粒径为74 μm的颗粒，烘干后称重400mg，在50℃条件下烘制12h后，再送入质谱仪进行测定［13］。工作标准为TTB-2，实验在温度为20℃、相对湿度为44%的条件下进行。测试数据按PDB标准计算，测试精度为0.1%，能够满足研究要求。碳、氧同位素的分析结果如表2所列。通过做散点图（图2）对样品的碳、氧同位素值进行了分析，发现不同类型的白云岩（白云石）分别位于相对集中的区域。整体上，随着成岩作用强度的加大，δ13C和δ18Ο均呈现出明显的负偏移的变化趋势，其中δ13C负偏移变化范围较小，而δ18Ο负偏移变化范围较大。泥—微晶白云岩具有高的δ13C和δ18Ο值，平均值分别为0.333%和-0.127%，为准同生期高盐度卤水的同位素组成特征；（残余颗粒）粉—细晶白云岩的δ13C与δ18Ο值均居中，平均值分别为0.084%和-0.443%，为早成岩阶段埋藏交代成因特征；淡水白云石具有更低的δ13C和δ18Ο，平均值分别为0.082%和-0.756%，为表生期成岩环境相对开放，胶结物中的碳、氧同位素更多来自于富轻碳、氧同位素的大气源特征。异形白云石可认为是深源热液溶蚀白云质基质岩后的沉淀物，白云石的CO32-主要来自于以微晶白云岩为主的地层中［14］，因此，在δ13C与δ18Ο交会图中，其主要位于泥—微晶白云岩区（图2）。

表2　四川盆地东部黄龙组白云岩（石）碳、氧同位素数据统计表Table 2Data of oxygen and carbon isotope of dolomite of Huanglong Formation in eastern Sichuan Basin

图2　四川盆地东部黄龙组白云岩（白云石）δ13C与δ18Ο交会图Fig.2Crossplot of δ13C-δ18Ο isotope of dolomite of Huanglong Formation in eastern Sichuan Basin

4　白云岩的成因模式及其对储层发育的影响

四川盆地东部黄龙组白云岩的成因一直是研究的热点。笔者在前人研究的基础上，综合上述不同类型的白云岩和白云石胶结物的地球化学特征以及沉积背景和构造演化特征，认为其存在以下几种成因模式。

4.1蒸发泵白云石化模式

蒸发泵白云石化模式［15］适用于解释研究区与蒸发作用相关的泥—微晶白云岩的成因［图3（a）］。在晚石炭世早期，气候炎热干燥，该区环境相对封闭且局限，由蒸发浓缩作用形成的高镁卤水交代灰泥而形成白云石。在研究区，准同生白云岩主要发育于黄龙组一段沉积时期，常与灰岩呈薄互层产出。此类白云岩很致密，不利于储层发育。

4.2埋藏压实白云石化模式

埋藏压实白云石化模式［16］的驱动力来自于两方面，一是深海沉积的泥岩在高温条件下的压实作用，二是富Mg2+的流体对台地边缘的石灰岩的侵入作用。该模式可用于解释研究区黄龙组粉—细晶白云岩和颗粒白云岩的成因［图3（b）］，是研究区最主要的白云石化模式。在晚石炭世晚期，随着海平面的上升，沉积物不断堆积加厚，使下伏岩石处于相对封闭的埋藏环境。在压实作用下，成岩流体向下流动并交代灰岩，造成了区域性的埋藏白云石化。成岩流体主要为早期萨勃哈环境下的封存卤水，深循环的大气淡水也参与到了埋藏白云石化作用中［8］。尽管压实作用和进一步的胶结作用在一定程度上均造成了原生孔隙被破坏和充填，但该期埋藏白云石化作用有利于孔隙发育，因而形成了黄龙组广泛发育的白云岩储层。

图3　四川盆地东部黄龙组白云岩（白云石）主要成因模式（据文献［6］修改）Fig.3The main genetic models of dolomite of Huanglong Formation in eastern Sichuan Basin

4.3调整白云石化模式

调整白云石化模式［17］可用于解释古表生期淋滤溶蚀状白云岩、白云质角砾岩以及后期淡水白云石胶结物的成因［图3（c）］。黄龙组沉积晚期，云南运动使研究区再次隆升为陆，原生沉积的不稳定碳酸盐矿物被抬升暴露，在大气淡水的作用下，造成了基质白云岩的强烈溶蚀，有利于改善储集物性。后期淡水白云石对溶蚀孔、洞或缝的充填作用及对岩溶角砾的胶结作用均属于破坏性成岩作用，对白云岩和白云质岩溶角砾储层发育均不利。

4.4构造热液白云石化模式

Anderson等［18］于1987年提出了构造热液白云石化的概念，其主要观点是地层深部的富Mg2+热液流经上覆灰岩地层，并对其进行白云石化改造。该模式可用于解释异形白云石的成因［图3（d）］。在黄龙组中—晚成岩阶段，随着埋藏深度加大和地层温度增高，除深部热液继承性溶蚀、交代和重结晶等作用外，后期的构造破裂作用对异形白云石的形成也起到至关重要的作用。东吴运动期存在的古断裂拉张和玄武岩喷发活动，为研究区石炭系地层中的中—粗晶，甚至巨晶异形白云石的形成提供了热液来源［19］。在该时期，构造叠加的破裂作用，使岩石受应力作用而产生大量裂缝，因而改善了储层的物性。

6　结论

（1）四川盆地东部石炭系黄龙组发育各粒级的白云岩和白云石胶结物，主要包括泥—微晶白云岩、粉—细晶白云岩、颗粒白云岩和白云质岩溶角砾岩等岩石类型及淡水白云石和异形白云石胶结物。

（2）随着成岩作用加强，白云石有序度和白云石晶体结晶程度均呈现出逐渐增高的特征。高δ13C和δ18Ο值均代表准同生期成岩流体为高盐度卤水；中等δ13C与δ18Ο值均代表早成岩阶段浅埋藏白云石化作用，反映了其成岩环境相对开放；淡水白云石胶结物的δ13C和δ18Ο值均偏低，反映了其碳、氧同位素更多来自于富轻碳、氧同位素的大气源特征。

（3）四川盆地东部石炭系黄龙组主要存在4种白云岩（白云石）成因模式：蒸发泵白云石化成岩模式、埋藏压实白云石化成岩模式、调整白云石化成岩模式和构造热液白云石化成岩模式。

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图版Ⅰ

（本文编辑：李在光）

Dolomite genesis of Carboniferous Huanglong Formation in eastern Sichuan Basin

Liu Shiyu1，2，Hu Mingyi1，2，Hu Zhonggui1，2，Dai Weiyan1，2
（1.Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources，Ministry of Education，Yangtze University，Wuhan 430100，China；2.School of Geosciences，Yangtze University，Wuhan 430100，China）

The Carboniferous Huanglong Formation in eastern Sichuan Basin is an important producing formation for natural gas.Dolomitization is a requirement for the development of high quality reservoir，and the research of genetic types for dolomite has important meaning for oil and gas exploration.Based on core observation and outcrop description，combined with thin section analysis data，it is considered that Huanglong Formation mainly developed the following types of dolomite：mud-microcrystalline dolomite，powder to fine-grained dolomite and residual particles powder to fine-grained dolomite as well as dolomite cement filling in pores，holes and cracks.On the basis of the data of X ray diffraction analysis and geochemical characteristics of stable isotopeδ13C and δ18Ο，it is found that formation conditions and physical characteristics of different types of dolomite in the study area exhibit different characteristics，and it's more reasonable to use different origin types for the explanation.Four kinds of genetic model of dolomite of Huanglong Formation were summarized，including：diagenetic dolomitization evaporation pump model for mud-microcrystalline dolomite，burial diagenetic dolomitization compaction model for（residual particles）powder to fine-grained dolomite，diagenetic adjustment dolomitization model for freshwater dolomite and construction hydrothermal dolomitization diagenetic model for abnormal morphology dolomite.

dolomite；dolomization；genetic model；HuanglongFormation；eastern Sichuan Basin

TE122.2

A

1673-8926（2015）04-040-07

2014-11-27；

2015-02-09

国家重大科技专项“中国大型气田形成条件、富集规律及目标评价”（编号：2011ZX05007-002）资助

刘诗宇（1991-），男，长江大学在读硕士研究生，研究方向为储层地质和层序地层学。地址：（430100）湖北省武汉市蔡甸区大学路特1号长江大学武汉校区。E-mail：1205762144@qq.com

胡明毅（1965-），男，博士，教授，博士生导师，主要从事沉积学和层序地层学方面的教学与科研工作。E-mail：humingyi65@163.com。