川西坳陷彭州地区雷四上亚段白云岩形成机理

2017-03-28段永明邓美洲高恒逸王启颖刘莉萍周凌芳

沉积与特提斯地质 2017年3期

李勇，段永明，赵爽，邓美洲，高恒逸，王启颖，刘莉萍，周凌芳，房煦

（1.中国石化西南油气分公司勘探开发研究院，四川成都 610081；2.中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所，江苏无锡 214126）

碳酸盐岩分布面积占全球沉积岩总面积的20%，所蕴藏的油气储量占世界总储量的52%，全球高达90%的油气储量发现于海相地层，新一轮的资源评价证实海相地层可采油气资源量约为6451×108t油当量，大型碳酸盐岩油气田中，其储层多数为白云岩储层［1-3］。白云岩中的各类次生孔隙被认为是潜在的油气有效储集空间［4］。白云岩的成因是碳酸盐岩沉积学研究领域中复杂而又经久不衰的课题，一直是地质学家关注的对象。较为经典的白云石化模式有渗透回流作用、蒸发泵作用和混合水作用等［5-6］。近年来，白云岩成因研究也在多个领域中取得了令人瞩目的成果，主要包括以下几个方面的内容：（1）微生物白云石化作用是新近提出且受到广泛关注的白云石化作用模式，其强调微生物新陈代谢活动在白云石沉淀过程中的主导作用，需要无氧或少氧的封闭系统，在解释高能富氧环境（如浅滩、生物礁）的白云岩、大规模的层状白云岩（封闭系统中，封存的海源孔隙流体只能提供少部分 Mg2＋来源）等方面存在缺陷［7-9］；（2）热液白云石化作为新的主流模式成为人们关注的热点［10］；（3）深埋藏条件下，封闭系统的白云石化作用受到关注，一些对油气储集空间和层控矿床有实际意义的白云石化作用主要是在相对封闭的条件下发生的［11］；（4）在常温下模拟海水（潟湖）细菌硫酸盐还原环境沉淀出具有序反射的白云石；（5）混合水白云石化模式受到质疑，人们重新研究了作为混合水白云石化典型地点的美国威斯康星弧碳酸盐的成岩作用［9-10］，认为与白云石化有关的水-岩相的相互作用是由温度升高的浓卤水导致的。四川盆地川西坳陷彭州地区的3口探井（PZ1、YaS1、YS1）揭示雷四上亚段发育一套稳定展布的白云岩，其累计厚度在60～82m，储层物性好，在这套白云岩储层中均获得了中-高产能，有望成为四川盆地的又一大型碳酸盐气田。本文从白云岩的产出特征、地球化学测试分析、扫描电镜、普通薄片及铸体薄片鉴定等分析手段，并结合沉积相研究，探讨该区优质白云岩的形成机理，对于指导本地区油气勘探开发及相似的碳酸盐岩地区储层研究具有重要意义。

1 地质背景

彭州雷口坡组气藏位于川西坳陷龙门山前带鸭子河-金马-石羊镇构造（图1），西北以关口隐伏断裂为界，南东以彭县断裂为界，构造带面积约1050km2。该构造带构造形成演化受区域内多期推覆作用影响，形成始于印支晚期，发展于燕山期，定型于喜山期。

图1 川西坳陷中段构造分区及取样井位置Fig.1 Tectonic division and sampling sites in the central part of the western Sichuan depression

中三叠世雷口坡期，川西地区的沉积环境主要为碳酸盐台地，由西向东依次为半深海盆地-斜坡-开阔台地及台地边缘-局限台地-蒸发台地沉积［12-14］。研究区雷四早期时，蒸发作用最为强烈，在川西坳陷一带形成了一个大膏盐湖，以膏盐沉积为主，夹部分深色微晶白云岩；雷四中期，蒸发作用逐渐减弱，海水逐渐淡化，以蒸发潮坪亚相沉积为主，由膏盐岩-微晶白云岩互层组合向上变化为微晶白云岩夹膏岩；雷四晚期，迎来了雷口坡期最后一次海侵，以局限潮坪、藻砂屑滩亚相沉积为主，为微晶白云岩、灰质白云岩、白云质灰岩、（藻）砂屑灰岩组合。

2 白云岩产出特征

岩心及薄片观察表明，研究区雷四上亚段白云石类型多样（图2），主要有6种：①组成藻粘结白云岩的基质泥-微晶白云石；②组成晶粒白云岩的基质粉-细晶白云石；③组成颗粒白云岩的泥-微晶白云石；④分散状或斑状分布的白云石；⑤沿缝合线、裂缝富集分布的白云石；⑥溶孔内胶结充填的环边或嵌晶白云石。其中组成藻粘结白云岩的泥-微晶白云石、组成晶粒白云岩的粉-细晶白云石（粉晶为主）和组成颗粒白云岩的泥-微晶白云石等3种类型在区内最为发育。

钻井揭示，彭州地区雷四上亚段发育两套储层即上储层段、下储层段（两套储层之间有一稳定的隔板层，厚度在25～29m）。白云岩展布稳定，累积厚度在60～82m（图3，表1），主要发育于下储层段。白云岩呈现成层性的特征，储层呈薄互层状（其中I类储层的孔隙度为于10%，II类储层的孔隙度在5%～10%之间，III类储层的孔隙度在2%-5%之间），单层厚度薄（0.2～4.4m），层数多（储层15～27层，夹层7～12层），纵向非均质性强。这套白云岩经过同生期形成的晶间孔及后期多期次的溶蚀作用，形成较好的储层，为主力产层，有效储层（孔隙度＞2%）厚度在38～46m。

3 白云岩形成机理

白云岩的成因研究是沉积学中一个重要的理论和实际问题，其成因研究对白云岩储集层的分布预测有重要的意义。不同成因类型白云岩通常具有不同的地球化学特征，因此，白云岩的地球化学特征是判别其成因的重要手段之一。白云岩成因机理的研究，一般是在研究沉积背景和岩石学特征的基础上，结合地球化学方法进行；其中主要的地球化学方法包括 Na、Ca、Mg、Fe、Mn、K 等微量元素研究和C、O同位素研究［15-16］，以及Sr同位素特征也应用到了白云岩成因研究中［12，17-19］。本次对白云岩的成因探讨也采用这种综合性的方法。

图2 彭州气田雷四上亚段白云石类型Fig.2 Dolomite types in the Pengzhou gas field in the upper part of the fourth member of the Leikoupo Formation

图3 彭州气田雷四上亚储层对比图Fig.3 Correlation of the dolostone reservoirs in the Pengzhou gas field in the upper part of the fourth member of the Leikoupo Formation

表1 彭州气田雷四上亚段白云岩厚度统计表Table 1 Statistics of the dolostone thickness in the Pengzhou gas field in the upper part of the fourth member of the Leikoupo Formation

3.1 白云岩的地球化学特征

一般来说，引起白云石化作用和白云石生成的流体可以是正常海水、蒸发浓缩的海水、大气水与海水形成的混合地层水及深部的热液等，经交代后形成的白云岩，必然或多或少地留下相应的地球化学烙印，尤其是稳定同位素和某些微量元素等。这是根据白云岩的地球化学特征解释其成因的理论基础。

3.1.1 碳、氧稳定同位素

（1）碳、氧稳定同位素特征

本次碳、氧同位素测定采用磷酸法测定，研究区54件样品测定的结果以δ18OPDB（‰）为横坐标、以δ13CPDB（‰）为纵坐标作交会图（图4a），绝大部分落在第二象限，从图可以看出，研究区δ13C同位素在-4.8‰～3‰之间，平均1.92‰，呈现低正值的特征；δ18O同位素在-8.1‰ ～0.6‰之间，平均-5.04‰，呈现中负值的特征。这种特征与混合水白云石特征存在明显的差异（多分布于第三象限）。现代开放性淡水湖泊中的原生碳酸盐岩的δ18OPDB（‰）和 δ13CPDB（‰）均为负值［20-21］，如海南岛儋县近代潮间带礁坪上混合水白云石的δ13CPDB值为-3.47‰～5.54‰［20-21］。对比分析可见，研究区白云岩的δ13CPDB值比混合水白云岩的δ13CPDB值高得多。相比鄂尔多斯盆地马家沟组块状白云岩［22-23］及塔里木盆地寒武系—下奥陶统白云岩的δ13C、δ18O同位素特征［24-25］，热液白云岩δ13CPDB值均匀分布在第二、第三象限，即δ13CPDB值稳定在零值附近或接近于0的正值。对比本区碳、氧同位素的特征值表明，本区白云岩的形成具备同生-准同生白云石化及埋藏白云石化的特征，明显不具备热液白云石化和混合水白云石化的特征。

（2）碳、氧稳定同位素计算古海水盐度及温度

碳酸盐岩中的碳、氧同位素可以用来定量的恢复沉积环境的古盐度和古水温［26-28］，白云岩的碳、氧同位素组成主要受沉积介质盐度和温度的影响。

碳同位素对沉积介质的变化比较敏感，随着盐度的增加，δ13C 值增加，Keith 和 Webber（1964）提出用“Z”值区分淡水碳酸盐岩和海相碳酸盐岩的经典公式［26］，即 Z ＝ 2.048 （δ13CPDB＋ 50）＋ 0.498（δ18OPDB＋50）（PDB标准），由于古碳酸盐形成后，因碳同位素难以交换而使δ13C较稳定，故仍可用“Z”值表示其古盐度。经过计算，彭州地区雷四上亚段碳酸盐岩沉积时的Z值为123.3～132.5，平均值为129，均在120以上，说明本区碳酸盐岩为海相沉积，且指示水体具有较高的盐度。

当水体的盐度不变时，温度也是控制碳酸盐岩氧同位素的重要因素。因此，可以利用氧同位素值计算白云岩形成的环境温度，其经验公式［26］（Shackleton，1974）为 T ＝ 13.85-4.548δ18OPDB＋0.048（δ18OPDB）2，经过计算，彭州地区雷四期古地温为11.1～53.25oC，平均38oC，远高于现代海洋的平均水温（太平洋最高，为19.1℃；印度洋次之，为17.0℃；大西洋最低，为16.9℃）17.4℃，这指示了研究区雷口坡期沉积环境水体浅，且光照强烈、有强烈的蒸发作用，这与雷口坡期的古地理高度吻合。

3.1.2 锶同位素

海洋中的锶主要有3种不同来源：壳源物质化学风化形成、原有的海相碳酸盐岩溶解析出、海底火山活动或海底扩张作用产生。一般来说，当海平面下降，陆地面积增大时，陆壳物质风化并搬运到海洋中的壳源锶增加，必然导致所形成的海相碳酸盐岩87Sr／86Sr比值升高；反之亦然。因此，87Sr／86Sr值的升降与海平面的升降关系呈负相关的关系［24］。

本次锶同位素测定所用仪器为Phoenix热表面电离质谱仪。彭州地区雷四上亚段19件样品中的锶同位素比值在0.7077～0.7087之间，平均为0.7081。近地表蒸发海水成因白云岩的锶同位素比值在0.7073～0.7092之间变化，平均为0.70827；混合水白云石化成因的白云岩在相对低海平面时期受到了富壳源放射性87Sr的陆上淡水的影响，一般具有较高的87Sr／86Sr值（一般认为0.7100以上）。研究区白云岩的87Sr／86Sr比值刚好落在这个区间（图4b），也反映了彭州地区雷四上亚段的白云岩具有近地表蒸发海水成因。

3.1.3 全岩分析

由于引起白云石化作用的流体性质与成分、温压、被交代的灰岩类型等环境条件的不同，必然造成所形成的不同类型的白云岩具有可鉴别的矿物含量指标。

（1）MgO-CaO 关系

在MgO-CaO关系图上（图4c），有两类明显的趋势：一类呈现线性正相关，结合镜下观察、X射线衍射分析这类白云岩具有结晶程度低、有序度低的特征（图版Ia、b），为快速结晶的产物，反映这类型的白云石是沉积成因而非交代成因；一类呈现线性负相关，呈现结晶程度和有序度（普遍大于0.7）中等的特征（图版Ic、d、h），反映这类白云岩是交代而非沉积成因的，可能与埋藏白云石化有关。

（2）铁、锰、钾和钠

彭州地区雷四上亚段30件样品的全岩分析结果显示，雷四上亚段大部分具有高Fe、Na、K和低Mn含量的特征（图5），由于Fe是阴极发光的淬灭剂，Mn是激活剂，所以阴极发光特征呈不发光或暗色发光（图版 I-a、b）。少量具有高 Na、Mn，低 Fe含量的特征，导致阴极发光呈明亮发光或棕-橘红色发光（图版 Ic、d）。

图4 川西坳陷彭州地区雷四上亚段不同类型白云石地球化学特征Fig.4 Diagrams showing the geochemical signatures of the dolostones in the upper part of the fourth member of the Leikoupo Formation in the Pengzhou region

3.1.4 阴极发光与X射线衍射分析

（1）阴极发光特征

前文已论述，阴极发光的亮度、颜色主要与白云石的微量元素含量密切相关，尤其是Fe2＋、Sr2＋、Mn2＋。研究区白云岩在阴极发光显微镜下多发均匀的暗红色、暗紫色光（图版I-a、b），少量高有序度的细晶白云岩发亮橘红色光（图版I-c、d），这类可能与后期的埋藏白云石化有一定关系。

（2）X射线衍射分析

X射线衍射分析目的在于确定白云石的有序度。白云石的有序度是用白云石的（015）和（110）两个衍射的峰强比 I105／I110近似的反映。I105／I110越大，表明有序度相对越高，当比值为1时，为理想状态下的完全有序［24、29］。

X射线衍射分析数据表明，雷四上亚段这套白云石有序度值分布于0.40～0.88，平均为0.61，仅6件样品超过0.7（图4d）。一般来说，同生-准同生-浅埋藏阶段形成的白云石有序度一般小于0.7，深埋藏或热液成因的白云岩有序度一般大于0.7［11，13，27］。总体上，白云石的有序度值不高，结合前文所述的地球化学特征，以及白云石以微粉晶为主、少量中细晶的产出特征，认为这套白云岩主要为同生-准同生成因，其次为埋藏白云石化成因。

图5 川西坳陷彭州地区雷四上亚段白云石Na、K、Fe、Mn含量Fig.5 Na，K，Fe and Mn contents in the upper part of the fourth member of the Leikoupo Formation in the Pengzhou region

3.2 白云岩的形成环境

川西地区雷四上亚段属局限台地相潮坪沉积环境，属于台缘障壁-潟湖-潮坪沉积体系，彭州地区为潮坪相（潮下带、潮间带、潮上带）。可见典型的潮坪相标志：潮上带的鸟眼构造、含膏云岩、膏质结核、膏质团块等暴露标志，潮间带的藻层叠构造、藻粘结构造、（藻）砂屑云岩，以及纹层状构造云岩，也可见（藻砂屑）云质灰岩等（图3、图版 I-e、f、g），沉积介质中藻发育，主要为蓝绿藻，以藻纹层、藻团块、藻球粒等多种形式出现，具有较强的富镁能力。有一定的成层性分布的特征，潮汐作用的周期性、频繁升降造成沉积物的成层性。

3.3 白云石的成因模式

研究区的白云岩类型繁多，大部分以泥微晶为主，有序度低，底部与膏岩相伴生，无明显的混合水白云石化作用。雷四期沉积介质水温高、盐度强，为局限-蒸发较浅水体的古地理环境。现在海洋沉积研究表明，海水中的蓝绿藻具有较强的富镁能力，其可以使水介质镁离子浓度提高4～5倍。高盐度的水体，强烈的蒸发作用及丰富的蓝绿藻为白云石的形成奠定了得天独厚的条件。由于蒸发作用，高镁的粒间盐水在“向上”运动过程中与早期沉积的文石颗粒接触，使文石被交代而转化为白云石；在潮上-潮间带上部形成的高镁粒间盐水，在交代表层沉积物的同时，由于其密度较大，在重力作用下，“向下”渗透回流，交代下伏的碳酸盐岩沉积物而形成白云石（图6）。白云岩层位稳定、成层性好也是同生-准同生白云岩的重要特征之一。少量白云岩为粉-细晶，较高的有序度，其碳、氧同位素特征、全岩分析及阴极发光特征与泥微晶白云石对比存在差异，为埋藏白云石化，其所需的Mg2＋来自于黏土矿物的脱水作用（图版I-h）。综上所述，研究区的白云岩主要是沉积成因，为潮坪相潮间-潮上带的同生-准同生白云石化，其次为埋藏白云石化成因。

4 结论

（1）雷四上亚段储层白云岩类型多样，且分布连续广泛、成层连续。

图6 彭州地区雷四上亚段蒸发泵-渗透回流白云石化模式图Fig 6 Genetic model of evaporative pump-seepage reflux for the dolomitization in the upper part of the fourth member of the Leikoupo Formation in the Pengzhou region

（2）这套晶粒较细、有序度较低且稳定展布的白云岩主要是沉积成因，为潮坪相潮间-潮上带的同生-准同生白云岩，其次为埋藏白云石化成因。

（3）白云石化所需的Mg2＋物质基础主要来自于有强烈蒸发作用的水体介质中，富含的蓝绿藻也具有较高的富镁能力，埋藏白云石化成因所需的Mg2＋来自于埋藏压实过程中黏土矿物的脱水作用等。

致谢：论文完成过程中受到中石化石油勘探开发研究院无锡地质研究所钱一雄教授级高级工程师的热情指导，跟本单位何颖高工进行许多有益的讨论，帮我开拓了思路，对他们的帮助表示衷心感谢！感谢匿名审稿专家对论文的评审和所提出的建设性意见。

图版I 彭州地区雷四上亚段白云岩照片Plate I Dolostones from the upper part of the Fourth member of the Leikoupo Formation in the Pengzhou region

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