四川盆地高石梯－磨溪地区灯影组热液白云石化作用

蒋裕强，陶艳忠，谷一凡，王珏博，强子同，江娜，林刚，蒋婵（1. 四川省天然气地质重点实验室；2. 西南石油大学地球科学与技术学院；. 中国石油西南油气田公司勘探事业部）

四川盆地高石梯－磨溪地区灯影组热液白云石化作用

蒋裕强1, 2，陶艳忠1, 2，谷一凡1, 2，王珏博1, 2，强子同1, 2，江娜1, 2，林刚1, 2，蒋婵3
（1. 四川省天然气地质重点实验室；2. 西南石油大学地球科学与技术学院；3. 中国石油西南油气田公司勘探事业部）

摘要：基于四川盆地高石梯—磨溪地区基本地质条件、白云岩矿物组合及地球化学特征，研究该区震旦系灯影组热液白云石化作用形成条件、存在证据、具体改造方式及作用时期。高石梯—磨溪地区是四川盆地灯影组气藏的重要勘探目标，区域地质上具备发生构造控制热液白云石化作用的基本条件：①拉张性基底断裂活动；②深埋藏热液储库；③上覆地层的覆盖和封堵。通过对区内灯影组岩心样品开展岩相学研究和地球化学（微量元素，碳、氧、锶同位素，包裹体均一化温度等）测试分析，据密西西比谷型（MVT）矿物组合和地球化学特征，认为区内灯影组白云岩地层内存在构造控制热液白云石化作用。区内热液白云石化作用主要是指热液流体对基质白云岩的改造，包括3种具体改造方式：①溶蚀与充填作用；②重结晶和新生变形作用；③水力压裂作用。热液白云石化作用推测存在多期，即晚震旦世—早寒武世、晚泥盆世和晚二叠世。图12表4参27

关键词：热液白云石化作用；密西西比谷型矿物组合；地球化学特征；震旦系；灯影组；高石梯—磨溪地区；四川盆地

0　引言

沉积盆地中的热液活动不仅对盆地的温度、压力和化学条件产生重要影响，而且对盆地中流体-岩石相互作用及油气的生成、运移和聚集具有重要作用[1]。所谓热液是指输入或定位在主岩地层中的流体[2]，其温度明显高于围岩温度（至少5 ℃）。在北美地区关于沿构造线分布的热液白云岩储集岩的勘探研究已长达一百多年，而全球其他地区在最近25年才开始逐渐关注受构造控制的热液白云岩（HTD）储集岩，由此导致在许多沉积盆地中，需要重新对白云石化模型进行评估，以便改进勘探思路和提出新的勘探方针[2]。关于四川盆地震旦系灯影组热液白云岩的研究目前仅局限在川东南地区，且主要针对热液白云岩的地球化学及岩石学特征[3]。高石梯—磨溪地区是灯影组油气藏的重要勘探目标，但对该区热液白云石化机理及相关问题的研究极为匮乏，笔者基于高石梯—磨溪地区基本地质条件、白云岩矿物组合及地球化学特征，研究该区热液白云石化作用形成条件、存在证据、具体改造方式及作用时期。

1　研究区地质概况

高石梯—磨溪地区位于四川盆地川中平缓构造带中部、乐山—龙女寺古隆起轴部的东部。区内震旦系上统灯影组与下伏震旦系下统陡山沱组呈整合接触，与上覆下寒武统筇竹寺组泥页岩呈不整合接触。根据岩石的成分、结构、构造变化并结合电性特征，将灯影组自下而上划分为四段，除灯三段为泥质白云岩夹泥页岩外，灯一、灯二、灯四段均为白云岩，且主要为泥晶藻叠层云岩、泥晶藻颗粒云岩（见图1），区内沉积相对较厚，向龙女寺—广安地区逐渐减薄。

图1　研究区位置及地层柱状图

2　形成条件

受构造控制的热液白云石化作用和热液白云岩储集层的形成应具备3个基本条件：①拉张性基底断裂活动；②深埋藏热液储库；③上覆地层的覆盖和封堵[2]。基底断裂活动使底部深埋藏热液储库中的热液流体沿断层和裂缝向上运移，在上覆地层的封堵下，热液流体沿碳酸盐岩岩层中的孔隙-裂缝体系进行白云石化作用，而不是向上逸散，从而形成一定规模的热液白云岩。研究区具备以上地质条件（见图2）。

2.1拉张性基底断裂活动

三维地震资料表明高石梯—磨溪地区存在前震旦系裂谷，并发育深达基底的深大断裂[4]。也有研究者认为晚震旦世至早寒武世的“兴凯运动”和中泥盆世至中三叠世的“峨眉地裂运动”均以拉张性为主[5‐8]，是重要的构造-热液事件[1]。此外，拉张性大地构造活动也可以表现为火山作用，区内沉积地层中以夹层方式发育的火山碎屑岩（包括凝灰岩）就是火山作用的具体表现，如震旦系下部的火山碎屑岩、寒武系的凝灰岩、二叠系的玄武岩。以上构造运动的叠加，有利于基底断裂活动，为热液白云石化作用的形成创造了一个有利的大地构造条件。

2.2深埋藏热液储库

最新地震资料表明：四川盆地大部分地区震旦系灯影组之下还发育巨厚的沉积岩，从地震剖面上来看主要为砂—砾质碎屑岩，厚度在3 000～5 000 m，主要属于南华系澄江组，也包括部分陡山沱组等层系[9]。这些碎屑岩层可以作为灯影组白云岩构造-热液作用的热液流体的储库，在拉张性大地构造环境下，深大断裂活动时，其中储存的热液流体可沿断层及裂缝向上运移。

图2　高石梯－磨溪地区灯影组热液白云石化模式图

2.3上覆地层的覆盖和封堵

寒武系筇竹寺组沉积一套致密黑色页岩，与灯影组顶部呈平行不整合接触，致密的页岩对于热液流体是理想的封闭层，可以有效封堵热液流体，使其长时间停留在碳酸盐岩层内部进行热液白云石化作用，而不是继续向上运移而散失。

3　存在证据

3.1MVT型矿物组合证据

基底断裂作用引起沉积低温热液活动可以形成热液白云岩及密西西比谷型（MVT）的铅锌硫化物矿化作用，主要指以热液白云岩为母岩的矿化作用，是形成MVT铅锌矿床的主要因素，其中最常见的矿物是鞍状白云石（SD）、闪锌矿（Sp）、方铅矿（Gn）、黄铁矿（Py）、重晶石（Brt）、萤石（Fl）、长石（Fsp）、方解石（Cal）以及石英（Qtz）。这些热液矿物通常以特殊的矿物组合形式出现，由于这些矿物既有热液成因也有非热液成因，必须从矿物组合的角度才能比较可靠地说明一个地区是否有热液流体的活动[10-11]，如塔里木盆地发现的与热液活动相关的矿物组合主要有石英-萤石、闪锌矿-方解石-绿泥石等[12]。研究区灯影组基质白云岩（MD，Matrix dolostones）中，热液矿物主要充填在孔洞或裂缝中（见图3），MVT型热液矿物组合主要有鞍状白云石-石英-硬石膏、鞍状白云石-黄铁矿-石英、鞍状白云石-方铅矿-萤石、鞍状白云石-石英-闪锌矿等。根据岩相学观察，依照接触关系（见图4），认为典型的热液矿物存在一定的结晶次序，即石英—萤石—黄铁矿—方铅矿—闪锌矿。

3.2地球化学证据

3.2.1碳、氧稳定同位素特征

将白云岩样品按照岩相学特征分为4种基本组构，即泥晶基质白云石、基质重结晶白云石、充填孔缝的鞍状白云石以及泥晶白云石角砾，分别进行了取样分析。测试结果（见表1）表明：泥晶基质白云石δ13C值分布较集中，为-0.46‰～1.99‰，平均值为0.32‰；δ18O值分布范围较宽，为-5.37‰～0.89‰，平均值为-2.44‰。基质重结晶白云石δ13C值分布范围为-1.93‰～0.84‰，平均值为-0.025‰；δ18O值分布范围为-13.84‰～-5.92‰，平均值为-10.10‰。孔缝中充填的鞍状白云石δ13C平均值为0.1‰；δ18O平均值为-13.42‰。有研究者认为震旦系沉积期海水的δ13C值为4‰～6‰，δ18O值为-0.50‰（取陡山沱组沉积期最偏正的值），也有人认为晚元古代海水的δ13C值为4.43‰，δ18O值为-0.62‰[13-14]，两组数据差异较小，因此将前者作为该时期海水同位素组成标准值。相较于标准值，充填孔缝的鞍状白云石的碳氧同位素值明显偏负，说明其并非在与海水有关的白云石化流体作用下形成；而泥晶基质白云石碳氧同位素值与标准值差异较小，表明其白云石化流体属于调整海水（Modified seawater）；基质重结晶白云石的碳、氧同位素值也显著偏负，解释为泥晶基质白云石在热液流体的改造作用下发生重结晶，在高温热液环境下，氧同位素发生热分馏，使得进入白云石晶体中的18O急剧减少，而16O相对增多（见图5）。

图3　高石梯—磨溪地区灯影组热液矿物组合微观及宏观特征

3.2.2锶同位素

三峡地区的资料表明，震旦系灰岩的87Sr/86Sr值为0.708 45～0.708 55，平均值为0.708 48，而灯影组泥晶基质白云石的87Sr/86Sr值为0.708 90～0.708 92，平均值为0.708 91[13-14]。因此，震旦系原生灰岩的87Sr/86Sr值较泥晶基质白云石略低，更为接近晚古生代海水值（平均为0.708 30）[15]；而灯影组基质重结晶白云石和鞍状白云石的87Sr/86Sr值为0.709 7～0.713 2[3]，明显高于泥晶基质白云石的87Sr/86Sr值（见图6），表明其形成流体属于外来的富87Sr热液流体，在热液白云石化作用中有放射性87Sr的参与。

3.2.3流体包裹体均一化温度和盐度特征

流体包裹体是对原始流体的直接记录，均一化温度（Th）可以反映鞍状白云石结晶时的温度[16]。MX9井和GS16井鞍状白云石包裹体的测试结果表明：Th值为136～214 ℃（见图7），平均值为170 ℃；根据该地区古地热梯度（22.6～24.4 ℃/km）[17]及恒温层温度（11 ℃）[18]，当热液流体对基质白云岩进行改造时，灯影组的正常地层温度远低于鞍状白云石的Th值（见表2）。包裹体盐度测试表明流体盐度为8.0%～16.99%[19]，是正常海水盐度（3.5%）的2～5倍。以上测试结果表明，形成鞍状白云石的流体为高温卤水。

图4　典型热液矿物的接触关系示意图

表1　灯四段白云岩样品碳、氧同位素值

图5　灯影组白云岩样品碳、氧同位素组成交会图

图6　锶同位素变化示意图

图7　流体包裹体均一化温度分布直方图

表2　热液作用时期灯影组正常地层温度

3.2.4微量元素特征

利用白云石中Fe、Mn含量区分白云石化作用环境比利用Sr、Na含量更有效[20]，Fe、Mn含量不同的白云石形成于不同的流体环境。充填缝洞的鞍状白云石中Fe、Mn含量相较其他白云岩组构明显偏高，分别为351×10-6～1 882×10-6（平均值973×10-6）和579×10-6～852×10-6（平均值732×10-6）；泥晶基质白云石中的Fe、Mn含量最低，平均值分别为73×10-6和152×10-6；基质重结晶白云石的Fe、Mn含量介于上述两种白云岩组构之间，平均值分别为449×10-6和696×10-6。测试结果表明（见表3），形成泥晶基质白云石的流体与形成鞍状白云石的流体存在显著差异，后者具有极高的Fe、Mn含量，符合热液白云石化流体的基本特征；而基质重结晶白云石的Fe、Mn含量介于上述两者之间（见图8），表明其是在泥晶基质白云石的基础上，受到热液流体重结晶、新生变形作用改造而形成的；泥晶白云石角砾的Fe、Mn含量与泥晶基质白云石相当，而碳、氧同位素组成与泥晶基质白云石差异明显，笔者认为，其原因在于：热液流体改造后，白云岩角砾内部发生了元素的热分馏作用，即元素总体含量没有改变，但具体原子种类因分馏作用而发生变化，因此微量元素含量仍保留原始特征，但同位素特征已发生显著变化，即角砾成分属于受热液流体改造的泥晶基质白云石。

表3　灯影组白云岩样品微量元素测试数据

4　具体改造方式

热液白云石化作用的具体改造方式、横向展布范围和最终形成的岩石结构通常取决于石灰岩基质的相特征，包括石灰岩的原始沉积相和成岩相特征。热液作用时，对岩石组构的选择性较强，优先作用于矿物相不稳定的组构，如加拿大克拉克湖Slave point组热液白云岩[2]。

图8　灯影组白云岩样品Fe、Mn微量元素含量交会图

然而与全球其他地区的热液白云石化作用不同的是，本区灯影组在经历热液白云石化作用之前，就已经形成了基质白云岩，即热液白云石化作用是在基质白云岩基础之上进行的，这类白云岩不存在矿物稳定性差异，其大多为泥晶藻云岩，孔渗极低。因此热液白云石化流体只能以构造断裂形成的裂缝体系为主要流动通道。岩心上清晰可见的宏观裂缝和镜下可见的微裂缝在区内灯影组基质白云岩中都较为发育。这些裂缝一般成群成组地呈网状出现，为典型的构造成因标志。裂缝宽度变化范围较大，从不到一毫米到几毫米不等。裂缝边缘平直或呈一定角度（见图9），反映出构造应力成因特征。部分裂缝由于受热液流体溶蚀扩大，形成不规则的溶蚀边缘（见图9c），后期从热液流体中直接沉淀出的鞍状白云石或热液矿物（如方铅矿）部分或完全充填裂缝，未被完全充填的裂缝仍可以作为油气运移的有效通道，特别是在区内广泛发育的微裂缝（见图9b）。

图9　灯影组白云岩裂缝特征

此外，桐湾期表生岩溶作用形成的缝洞体系也可以成为热液流体的流动通道，但只在灯二段和灯四段顶部大量发育。

热液白云石化流体对基质白云岩的改造作用可以细分为以下3种作用方式（见图10）。

图10　灯影组热液白云石化作用具体作用方式微观特征

4.1溶蚀作用与充填作用

热液流体对基质白云岩进行的建设性改造主要表现为溶解基质白云岩后形成大量非选择性溶蚀孔洞，其内部常见MVT型热液矿物，如粗晶鞍状白云石、石英、方铅矿、黄铁矿等；热液的充填作用对储集空间具有破坏性作用，主要表现为从热液流体中直接沉淀出的鞍状白云石或热液矿物直接充填构造缝（见图9a）、溶蚀孔缝及表生岩溶形成的储渗空间（见图10a、10b），以中—粗晶鞍状白云石（SD）的充填作用为主，对孔、洞、缝完全或未完全充填，未完全充填的孔、洞、缝中仍保留残余晶间孔（RIP），仍是有效储集空间（见图10b、10c）。两种成岩作用既可以共生（见图10a），也可以独立存在（见图10b）。从接触关系上看，热液溶蚀作用略早于热液充填作用，在镜下和岩心上都可观察到两种成岩作用的基本特征。

4.2重结晶和新生变形作用

基质白云石以泥晶为主，被热液流体改造后，晶粒增大到50～300 μm，形成细—中晶白云岩甚至是鞍状白云石，晶粒的增大可以产生大量的晶间孔、晶间溶孔（见图10d—10f），有利于形成良好的储集层。同时，随着重结晶作用的进行，基质白云石的晶格内部也发生变化，早期基质白云石属于一种有序度相对较低（0.64）的白云石（见表4），化学计量数上表现为富Ca、稳定性较差。在热液流体的改造作用下，变成了有序度较高（0.96）（见表4）、接近化学计量数、较稳定的白云石，因此这一改造过程必然也包含新生变形作用。

表4　研究区灯四段白云石样品有序度测试结果

4.3水力压裂作用

当岩层受突然的应力作用而发生断裂时，周围流体压力急剧下降，在低渗透性基质白云岩中孔隙流体压力远大于周围流体压力的地方，会产生“爆炸式破裂”，即水力压裂作用（膨胀）[22‐23]，随后热液流体沉淀出的鞍状白云石将产生的微裂隙或孔洞快速充填，形成斑马状结构和膨胀角砾结构。

4.3.1斑马状结构

常见于断层附近，且越靠近断层出现频率越高；此外，还常见于剪切断层之间，尤其是处于拉张环境的断层下盘。该结构记录了瞬间的剪切应力和孔隙流体压力的释放，可见于构造热液活动有关的低渗透性基质白云岩中，形成的雁列式裂隙被鞍状白云石充填后形成深色、白色相间的条纹即是斑马状结构[2]（见图10g）。

4.3.2膨胀角砾结构

形成机理与斑马状结构相同，但形成的角砾明显较前者大得多，角砾成分一般为低渗透性基质白云岩，呈棱角状“飘浮”在鞍状白云石充填物之间，通常具有可以“拼接成一体”的效果（见图10h、10i）。水力压裂作用对于储渗空间的形成都是有利的，但其形成后大多被鞍状白云石所充填。未被完全充填的角砾间裂隙还可以保留有残余砾间孔洞，可以作为良好的储集空间。

5　热液白云石化作用的发育时期

可以从两方面来确定热液白云石化作用时期：①四川盆地内部及周缘发育以灯影组白云岩为赋矿层的MVT型铅锌矿床，如会东大梁子铅锌矿床[24]、会泽铅锌矿床[25]、会理天宝山铅锌矿床[26]等，考虑到形成这些矿床的MVT型矿化作用与热液白云石化作用的密切关系，其成矿时代可以代表热液白云石化作用的大致时期。其中闪锌矿Rb-Sr法测定会泽铅锌矿床的成矿时代为距今（225.6±3.1）Ma[27]，而闪锌矿Sr同位素法测定大梁子铅锌矿床成矿时代为距今（366.3±7.7）Ma[19]，两次成矿时代分别对应晚二叠世和晚泥盆世，与Davies提到的中国西南部MVT型热液活动时期一致[2]；②镜下观察到灯影组晶粒白云岩中存在含海绵骨针泥质角砾（见图11），呈棱角状，岩性单一，与周围晶粒白云岩差异显著。震旦系不发育含骨针泥质岩，推测为震旦系沉积以后的拉张性断裂活动引起上部沉积物以角砾的形式掉落到灯影组中。晚震旦世—早寒武世发生的“兴凯地裂运动”，可能使得早寒武世还没完全固结的沉积物形成角砾掉块。综上，推测认为区内热液白云石化作用存在多期，即晚震旦世—早寒武世、晚泥盆世和晚二叠世。

图11　海绵骨针显微照片（GS1井，4 956.0 m）

6　热液流体对储集层的影响

地球化学特征揭示，灯影组未受热液改造的基质岩性主要为泥晶藻云岩，其孔渗性较差，孔隙度一般为0.9%～2.3%。热液活动时，拉张性应力作用总体上形成了大规模的网状构造缝，局部由于水力压裂作用产生微裂缝，这些裂缝系统既为热液流体提供了流动通道，又增加了基质白云岩的孔渗性。基于95个岩心样品的数据统计，热液流体导致的重结晶作用形成大量晶间（溶）孔等，使泥晶基质白云石的孔隙度增加1%～5%，平均增加1.2%；溶蚀作用形成大量溶蚀孔洞或溶缝，使孔隙度增加2%～10%；热液矿物和鞍状白云石的充填作用使得孔隙度下降约5%，由此，热液改造作用使基质白云岩的孔隙度平均增加2%（见图12）。

图12　受热液改造的基质白云岩孔隙度演化示意图

7　结论

高石梯—磨溪地区震旦系灯影组具有发生构造控制热液白云石化作用的所有地质条件，即：①拉张性基底断裂活动；②深埋藏热液储库；③上覆地层的覆盖和封堵。

据MVT矿物组合证据（鞍状白云石‐石英‐硬石膏、鞍状白云石‐黄铁矿‐石英等）以及地球化学证据（流体为高温卤水），区内白云岩中存在热液白云石化作用。这种热液白云石化作用主要是指热液流体对基质白云岩的改造作用，可分为以下3种具体改造方式：①溶蚀与充填作用；②重结晶及新生变形作用；③水力压裂作用。其中溶蚀作用、重结晶及新生变形作用和水力压裂作用对于储渗空间的形成是有利的，而充填作用则反之。

MVT型矿化作用与热液白云石化流体的活动密切相关，MVT型矿物的成矿年代及含骨针泥岩角砾的微观特征表明热液白云石化作用存在多期，即晚震旦世—早寒武世、晚泥盆世和晚二叠世。

致谢：本文涉及的样品分析测试由西南石油大学中国石油碳酸盐岩重点实验室沉积-成藏研究室、化学化工实验教学中心完成，在此表示感谢。

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联系作者：陶艳忠（1961‐），女，云南腾冲人，西南石油大学地球科学与技术学院实验中心高级实验师，主要从事岩石矿物学及储集层沉积学方面的研究工作。地址：四川省成都市新都区，西南石油大学地球科学与技术学院，邮政编码：610500。E‐mail: 871021531@qq.com

（编辑张朝军）

Hydrothermal dolomitization in Sinian Dengying Formation, Gaoshiti-Moxi area, Sichuan Basin, SW China

JIANG Yuqiang1, 2, TAO Yanzhong1, 2, GU Yifan1, 2, WANG Juebo1, 2, QIANG Zitong1, 2, JIANG Na1, 2, LIN Gang1, 2, JIANG Chan3
(1. Key Laboratory of Natural Gas Geology, Chengdu 610500, China; 2. School of Geosciences and Technology, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; 3. Exploration Division of PetroChina Southwest Oil and Gas Field Company, Chengdu 610041, China)

Abstract:The formation conditions, existence evidence, modification modes and timing of hydrothermal dolomitization in the Sinian Dengying Formation are studied based on the basic geological conditions, mineral assemblages in dolomites, and geochemical features of the Gaoshiti-Moxi area in the Sichuan Basin. The Gaoshiti-Moxi area is a significant exploration target of the Sinian Dengying Formation in the Sichuan Basin and has the basic conditions of regional geology for the occurrence of structurally controlled hydrothermal dolomitization: (1) activity of extensional basement-fault; (2) deep-burial hydrothermal reservoirs; (3) the overlying seal strata. Based on the petrographic analysis and geochemical tests (trace elements (Fe and Mn), stable isotopes (C, O, and Sr), homogenization temperature of fluid inclusions, etc.) of the core samples of the Dengying Formation in the study area, combing with the MVT mineral assemblages and geochemical characteristics, the study demonstrates that structurally controlled hydrothermal dolomitization exists in the Dengying Formation of the study area. This type of hydrothermal dolomitization refers to transformation of matrix dolomites by hydrothermal fluids and it consists of three modes: (1) dissolution and cementation; (2) recrystallization and neomorphism; (3) hydrofracturing. It is inferred that there exists multi period of hydrothermal dolomitization, namely, Late Sinian to Early Cambrian, Late Devonian and Late Permian.

Key words:hydrothermal dolomitization; MVT mineral assemblages; geochemical features; Sinian; Dengying Formation; Gaoshiti-Moxi area; Sichuan Basin

中图分类号：TE122.2

文献标识码：A

文章编号：1000-0747(2016)01-0051-10

DOI:10.11698/PED.2016.01.06

第一作者简介：蒋裕强（1963‐），男，四川安岳人，硕士，西南石油大学地球科学与技术学院教授，主要从事非常规油气地质及复杂碳酸盐岩储集层地质方面的研究工作。地址：四川省成都市新都区，西南石油大学地球科学与技术学院，邮政编码：610500。E‐mail: xnsyjyq3055@126.com

收稿日期：2015‐08‐14修回日期：2015-12‐09