吴熙纯, 王权锋. (2010)碳酸盐岩白垩状结构成岩环境及成因[J]. 古地理学报, 12(1): 1-16
Wu Xichun, Wang Quanfeng, Sun Shaoqing. (2010)Chalky texture diagenetic environments and genesis of carbonate rocks[J]. Journal Of Palaeogeography, 12(1): 1-16. DOI:  
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碳酸盐岩白垩状结构成岩环境及成因
吴熙纯1, 王权锋2
1 成都理工大学能源学院,四川成都 610059
2 成都理工大学数学地质四川省高校重点实验室,四川成都 610059
3 C & C Reservoirs, Inc., Maidenhead, Berks, United Kingdom

第一作者简介:吴熙纯,男,1935年生,北京地质学院毕业,德国DAAD访问学者,教授,石油地质学者。

收稿日期:2009-07-29
摘要

白垩状结构碳酸盐岩是一种白色或淡色疏松、酥脆、多微孔的灰岩。狭义白垩状结构灰岩是指深水盆地、陆棚斜坡及内台地局限海(如潟湖)相中形成的白垩状微孔隙灰泥岩及粒泥岩。广义白垩状结构灰岩指盆地相和陆棚相中包括生物礁、滩的各种沉积体内各种沉积组构产生的白垩状灰岩,也包括白垩状去白云化灰岩及(真)白垩。综合各国学者的有关研究资料,建议将白垩状结构化定义为:“碳酸盐沉积物和碳酸盐岩中的镁方解石和文石在不同成岩阶段通过新生变形而转变成低镁方解石微晶和微亮晶格架,并在其中产生和保存晶间孔喉网络的作用;强化白垩状结构化是指微晶和微亮晶格架受到进一步溶蚀和淋滤,从而形成次生溶蚀孔隙网络的作用”。论述了世界各地的地史中不同成岩阶段白垩状结构碳酸盐岩成岩环境的例证和白垩状结构化成因。

关键词: 白垩状结构碳酸盐岩; 成岩环境; 白垩状结构化成因
中图分类号:P588.24+5 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2010)01-0001-16
Chalky texture diagenetic environments and genesis of carbonate rocks
Wu Xichun1, Wang Quanfeng2, Sun Shaoqing3
1 College of Energy Resources, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, Sichuan
2 Sichuan Province Key Laboratory of Mathematics Geology, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, Sichuan
3 C & C Reservoirs, Inc., Maidenhead, Berks, United Kingdom

About the first author:Wu Xichun, born in 1935, graduated from Beijing College of Geology,is a German DAAD visiting scholar and a professor of petroleum geology.

Abstract

Chalky texture carbonate is a kind of white-or light-colored, loose, friable and porous limestone. Chalky texture limestone in a narrow sense is referred to chalky microporous mudstone and wackestone formed in deep-water basin, shelf slope and intraplatform restricted marine(such as lagoonal)environment. Chalky texture limestone in a broad sense is referred to that formed of various sedimentary fabrics of every sedimentary unit, including reefs and banks, of shelf and basinal facies. The limestone includes chalky de-dolomitized limestone and(true)chalk. The authors have summarized relevant data studied by overseas scientists and suggested the definition of chalky texture formation as “Chalky texture formation refers to that magnesium calcite and aragonite are transformed into the framework of micrite and microspar of low-magnesium calcite via neomorphism, and result in and maintain intercrystalline pore and throat networks in it; enhanced chalky texture formation refers to that the micrite and microspar are successively subjected to dissolution and leaching, so that the secondary network of solution voids is formed”. We discussed diagenetic environment cases in point of chalky texture carbonates and geneses of chalky texture, formed in different diagenetic stages in some parts of the world in the geohistory.

Key words: chalky texture carbonates; diagenetic environment; genesis of chalky texture

在远东渐新世和中新世, 中东古近纪和中白垩世, 英格兰南部和美国海湾海岸中侏罗世及加拿大西北领地泥盆纪的生物礁— 滩组合、潟湖、潮坪、陆棚斜坡及盆地相中形成许多重要的白垩状碳酸盐岩油气储集层。许多小油田及新发现的油气田也属于白垩状结构碳酸盐岩储集层, 例如西班牙中新统、上白垩统和中侏罗统, 土耳其东南部的上白垩统至新近系, 摩洛哥上侏罗统, 亚玛逊地区新近系, 海湾海岸下白垩统的储集层等。中国南海早中新世东沙台地生物礁— 滩组合中的油气储集层是一种白垩状储集层(Wu Xichun and Li Peihua, 1997; 吴熙纯等, 1998)。新疆塔北下奥陶统存在白垩状微孔隙储集层(叶德胜, 1992)。

Wilson(1980)提及:“ 世界各类大油田的4.5%产量产自白垩状结构碳酸盐岩中” 。这一数字在近20多年来有很大增长, 白垩状结构碳酸盐岩及白垩状油气储集层值得引起注意。

1对于碳酸盐岩白垩状微孔隙及白垩状结构灰岩的理解

文献中有关碳酸盐岩中微孔隙的描述术语有基质微孔、基质孔隙、内微晶(intramicrite)孔隙(微晶晶间孔)、针尖孔隙(针孔)和白垩状孔隙等。关于微孔大小有不同定义:据Archie(1952)对于碳酸盐岩储集层分类, 白垩状结构是由10~30, μ m 大小的微孔形成; Choquette和Pray(1970)规定微孔的平均直径小于64 μ m; Pittman(1971)观察微孔(和微孔喉)经常呈板状, 最小1.0, μ m 以下; Coalson 等(1985)选择微孔上限是5 μ m; Moshier(1989a)认为, 具白垩状结构碳酸盐岩基质的晶间微孔一般为5~10 μ m, 次生微孔隙直径可达62 μ m; Lonoy(2006)限定灰泥岩中的微孔小于10 μ m。

Jodry(1969)认为, 白垩状微孔孔隙度常为15%, 渗透率常为0.1× 10-3μ m2~30× 10-3μ m2, 毛细管压力曲线显示孔喉大小分布一般是“ 分选好的” 和“ 细歪度的” 。Hassall 等(2004)区分出3类微孔隙:微孔, 孔喉直径小于0.5, μ m, 含有毛细管束缚水; 中孔, 孔喉直径0.5~5.0, μ m, 可以含烃类或流动水; 大孔, 孔喉直径大于5.0, μ m, 若其孔隙连通则有不同渗透率值。

白垩状结构灰岩的主要鉴定特征是:在宏观上, 岩石为白色或淡色松软、酥脆、多微孔的灰岩, 其比重较轻; 在微观上, 岩石具有低镁方解石微晶及微亮晶格架, 晶体大小1~10, μ m, 一般1~5, μ m, 岩石含亮晶胶结物甚少, 具有连通性晶间孔喉网络, 微孔和孔喉大小0.2~10, μ m, 其孔隙度可大于20%, 渗透率大于1× 10-3μ m2。经过溶蚀形成的次生微孔隙含有微铸模、微孔洞和微管道, 其孔隙直径可达64 μ m。

图1 白垩及白垩状结构孔隙灰岩（1— 加拿大东部晚白垩世Nova Scotia 陆棚相白垩, SEM(扫描电镜)见颗石藻、微晶方解石及晶间孔(Ings, et al., 2005), 比例尺8, μ m; 2— 美国Florida南部晚始新世外缓坡相白垩状粒泥岩, SEM见颗石藻、微晶方解石、晶间孔及少量胶结物(Maliva et al., 2009), 比例尺1, μ m; 3— 法国南部早白垩世浅水台地相白垩状含厚壳蛤粒泥岩, SEM见微晶方解石晶间孔网络, 比例尺5, μ m; 4— 马来西亚中新世Luconia台地外陆棚相白垩状灰泥岩, 蓝色为微孔, × 100; 5— 美国Texas东部晚侏罗世缓坡鲕滩相白垩状鲕颗粒岩, SEM见鲕粒内微孔密集, 比例尺200, μ m; 6— 同上鲕粒内放大, SEM见微晶方解石晶间孔发育, 比例尺5, μ m; 7— 南海东沙早中新世流花礁后滩相白垩状有孔虫泥粒岩酸蚀铸体, SEM见微晶方解石格架组成的有孔虫粒缘孔, × 290; 8— 南海东沙早中新世流花礁油田底水段, 白垩化礁珊瑚层岩心）Fig.1 Chalk and chalky texture porous limestones

1.1 深海或远洋中沉积的(真)白垩

现代碳酸盐沉积物约有10%形成于浅海环境, 剩下的90%都和深海钙质浮游生物有关(Flü gel, 2004)。这种深海含超微浮游生物的钙质软泥石化以后就变成(真)白垩。(真)白垩主要是粒泥岩和灰泥岩, 其中的微孔隙产出在颗石球及颗石藻晶体板颗粒之间。Moshier(1989a)、Al-Aasm和Azmy(1996)等认为, (真)白垩是由具有丰富粒内和粒间微孔隙的、完整和破碎钙质超微化石介壳组成的深海洋沉积物。有人还指明这种(真)白垩的出现时代是白垩纪至新近纪。白垩纪的(真)白垩含浮游生物化石个体大, 储集层质量好, 古近纪至新近纪的(真)白垩含浮游生物化石个体小, 储集层质量较差(Lonoy, 2006)(图 1-1)。

1.2 狭义白垩状结构的灰岩

狭义白垩状结构的灰岩是指深水盆地、陆棚斜坡及内台地局限海(如潟湖)中形成的、具有白垩状微孔隙的灰泥岩及粒泥岩基质。某些学者认为它是成岩作用的产物, 不同于深海沉积的(真)白垩(图 1-2, 1-3, 1-4)。

1.3 广义白垩状结构的灰岩

一些学者通过广泛的研究认为, 在世界各地碳酸盐生物礁、丘、滩、潟湖、潮坪、台地斜坡、盆地及湖相碳酸盐岩中, 一旦成岩条件合适都有可能形成具有上述微孔隙的白垩状结构。各种生物礁— 滩组合容易产生白垩状结构化。白垩状结构碳酸盐岩组构包括:(1)灰泥支撑的白垩状基质及颗粒组构; (2)颗粒(如生屑、鲕粒、内碎屑等)支撑的白垩状结构(图 1-5, 1-6, 1-7); (3)白垩状的生物骨架组构、障积组构、粘结组构(图 1-8); (4)白垩状白云岩或去白云化灰岩(钙化白云岩)的多孔石灰质结构。

笔者认为, 广义白垩状结构的灰岩既包括狭义白垩状结构的灰岩, 也包括(真)白垩。广义白垩状结构的灰岩有两种基本特征:其一, 白垩状结构的形成不受沉积相带和沉积组构类型的限制; 其二, 各种白垩状微孔隙结构可以通过进一步经溶蚀、淋滤产生强化白垩状结构化, 使微孔扩大, 岩石变得更加疏松、酥脆、多孔(洞)。狭义白垩状结构灰岩的孔隙度高, 而渗透率甚低, 只有通过强化白垩状结构化才能改善其渗透性。

1.4 讨论

1)深海(真)白垩的概念存在的问题。对于新近纪后期, 如更新世的深海相碳酸盐软泥石化白垩, 一般可以肯定是真白垩。然而对于中新世及以前的, 尤其是白垩纪的(真)白垩, 难免具有不同时期成岩作用的印迹, 与狭义白垩状结构灰岩的界限不易分清, 容易引起争议。

2)狭义白垩状结构灰岩的概念存在的问题。1.2小节中的定义于上世纪70年代初产生, 是从石油勘探工作者发现深海或潟湖灰泥岩中居然有微孔隙储集层后提出的概念, 至今仍有影响。这个概念具有人为性和片面性, 只看到灰泥基质可以产生白垩状结构化, 没有注意到与基质共生的粗颗粒结构由于处于相同的成岩环境, 也能转变成白垩状结构。

3)广义白垩状结构灰岩的概念符合自然界的真实情况, 属于广义白垩状结构化的产物, 但是它与(古)岩溶作用及其产物的界限需要界定(详见第2节)。

2 碳酸盐岩白垩状结构化

由于白垩状结构化对于形成碳酸盐岩储集层具有重要意义, 1987年在美国召开的SEPM年中会议上专门组织了一次“ 关于碳酸盐岩中储集层的成岩作用及微孔与显孔网络的发育” 技术讨论会, 会议讨论的中心问题是白垩状结构碳酸盐岩储集层的形成机理问题。会后由Loucks和Moshier主编“ 1987 SEPM年中会议文集:储集层成岩作用” 。该次会议后至今各国学者陆续开展了对白垩状结构孔隙灰岩实例及其成因的研究。

2.1 碳酸盐岩白垩状结构化的定义

碳酸盐岩白垩状结构化(chalky texture formation, chalkification)概念的出现时间与狭义具有白垩状结构灰岩概念的出现时间基本一致。Chalkification(即白垩化)一词见于Pingitore(1976)、Moshier 和 Handford(1984)、James等(2005)等文献中。白垩状结构化是指形成碳酸盐岩白垩状结构的成岩作用, 是碳酸盐岩在不同成岩阶段形成白垩状结构的过程。

笔者综合各国学者的研究资料, 建议将白垩状结构化定义为:“ 碳酸盐沉积物和碳酸盐岩中的镁方解石和文石在不同成岩阶段通过新生变形而转变成低镁方解石微晶和微亮晶格架, 并在其中产生和保存晶间孔喉网络的作用; 强化白垩状结构化是指微晶和微亮晶格架受到进一步溶蚀和淋滤, 从而形成次生溶蚀孔隙网络的作用” 。Flü gel(2004)指出, 新生变形作用的含义包括矿物自身之间的转变, 如高镁方解石向低镁方解石的转化, 实际上是广义重结晶作用, 也包括矿物多相晶体之间的转变, 如文石转变为高镁方解石。

这是从白垩状结构化的内因下的定义, 在第3、4节将详细论述。定义前半部分说明任何白垩状结构基本上都是由低镁方解石微晶及微亮晶格架的孔隙网络形成的, 含亮晶胶结物很少, 这种白垩状结构只能在扫描电镜图像中看出, 格架的微晶和微亮晶是在成岩作用中直接从沉积物的原始成分高镁方解石和文石转变而成的(图 1-2, 1-3, 1-6, 1-7)。而(古)岩溶孔隙岩石格架的结构和成分复杂, 受原岩成分和渗流带输入的外来成分控制, 常保留原岩成分和组构、异化粒成分及组构和大量胶结物, 在宏观上(古)岩溶形成的岩石虽含有许多孔洞, 但其质地致密, 不显疏松、酥脆状。以上说明白垩状结构孔隙灰岩与(古)岩溶孔隙碳酸盐岩的差别和界限。

2.2碳酸盐岩白垩状结构及白垩状结构化的概念和成因存在争议的由来

白垩状结构及白垩状结构化的概念和成因尚存在一些争议和未深入揭示的问题, 在1987年的SEPM年中会议上, 这种争议已很激烈。争议的焦点是对于不同地区白垩状结构的成因及成岩阶段的认识差别, 争议的由来归于以下几点:

1)对于白垩及白垩状结构灰岩认识上的差异。

2)白垩状结构化成因的多样性。世界各地的碳酸盐沉积和碳酸盐岩成岩条件各异, 产生白垩状结构的成岩条件各异, 不能套用同一个白垩状结构化模式。

3)成岩早期白垩状结构遗迹常被后期成岩作用遗迹叠加或掩盖。如早期的白垩状结构常被后期的胶结作用、白垩状结构化和白云化等掩盖。

4)白垩状结构灰岩组构及成分分析测定的难度大。白垩状结构灰岩的颗粒、基质和胶结物常很细小, 使一些常用的标准分析方法无能为力。如微型取样器难以有效取出所需研究的显微结构, 使同位素、痕量元素等化学和物理化学分析失真。光学和阴极发光分析效果也较差。

5)自然界白垩状结构化成岩作用条件的复杂性。一个白垩状结构化成岩事件既要求在自然界存在理想的溶蚀造孔条件, 形成白垩状微晶及微亮晶晶间孔喉网络, 又要求有理想的保存条件, 使白垩状孔喉网络不致被胶结作用堵塞。

2.3 研究白垩状结构成因须探讨的问题

自上世纪70年代初以来, 研究无论哪一个地区, 哪一个时代和哪一个成岩作用阶段形成的白垩状结构都要回答以下问题, 即:(1)海相碳酸盐沉积物或碳酸盐岩中产生白垩状结构的原始碳酸盐矿物是什么?镁方解石?文石?(2)白垩状结构是在哪个成岩阶段形成的?有何证据?(3)原始碳酸盐矿物镁方解石或文石转变成具有晶间孔喉网络的低镁方解石微晶和微亮晶格架的成岩作用过程如何?有何证据?(4)晶间孔喉网络如何能长期保存而不致被胶结物或其他因素封死(指各国学者广泛讨论的白垩状微孔隙的稳定化问题)?

笔者认为, 研究白垩状结构成因须探讨的核心问题是白垩状孔隙网络的形成机理及稳定化作用。为了阐明世界各地地史中白垩状结构的成因, 以下按成岩阶段分别介绍白垩状结构成岩环境的典型例证, 并探讨白垩状结构化模式。

3碳酸盐岩白垩状结构成岩环境的典型例证

对于世界各地的碳酸盐岩白垩状结构成岩环境的认识常存在不同解释和争议。以下按年代从新到老的顺序论述世界典型地区白垩状结构成岩环境。

3.1成岩早期喀斯特带大气淡水白垩状结构化环境

1)现代碳酸盐土壤及浅层大气淡水带土壤

Pittman(1971)等学者把碳酸盐岩中白垩状次生微孔隙常解释为大气渗流环境中地表暴露产生的淋滤作用形成。据现代沉积学研究, 某些富碳酸盐的土壤和浅层渗流喀斯特产物, 如岩乳(或月乳mondmilch, moonmilk)、纤方解石(lublinite)、假微胞(pseudomicelliums)含有生物控制的白垩状碳酸盐沉淀, 这种沉积物因为不易保存, 只形成薄层。Friedman(1987)认为, 所有白垩状碳酸盐岩是在热带及亚热带潮湿土壤中原地形成的, 其沉积厚度达100 m。

表1 世界典型地区白垩状结构孔隙灰岩的沉积、成岩特征及碳、氧稳定同位素组成 Table1 Composition of stable carbon and oxygen isotopes and sedimentary and diagenetic characteristics of chalky texture porous limestones in typical areas of the world

2)澳大利亚Paratethys中新世生屑滩相Dullo(1983)报道, 澳大利亚 Paratethys 中新统松软白垩状灰岩, 是在淡水潜流环境含不饱和钙的水快速通过沉积物而形成。

3)美国Florida南部始新世缓坡生屑滩相

Maliva等(2009)研究了美国 Florida南部上始新统 Ocala 灰岩和中始新统 Avon Park 组上部在缓坡上发育的生屑灰泥岩、泥粒岩及颗粒岩, 这些白垩状灰岩的孔隙度为12%~45%, 主要孔隙度区间是35%~37%(图 1-2)。据同位素分析, 这些灰岩的平均δ 18O 为-0.4‰ ~0.23‰ , 平均δ 13C为1.62‰ ~2.00‰ 。与该区附近的大巴哈马滩现代碳酸盐沉积同位素组成(δ 18O 为-1.0‰ ~1.0‰ , δ 13C 为4‰ ~5‰ )相比, 差别不大, 仅δ 13C偏轻。表明该区岩石受成岩早期大气淡水的作用(表 1)。

以上组构形成的白垩状多孔微晶灰岩与其暴露于活跃的近地表环境有关, 但是尚未到达强烈化学压实和孔隙度降低的埋藏深度。Ocala灰岩和 Avon Park 组现在主要由比较稳定成岩的低镁方解石组成, 而且处于成岩静止的承压含水层内, 虽然经历了沉积期后与低水位环境有关的淡水冲刷, 其白垩状孔隙仍然得以保留。

4)中东海湾南部早白垩世开放陆棚相

下白垩统具白垩状结构的Thamama 灰岩层系是中东海湾南部地区的重要储集层。灰岩中发育自形和半自形微晶的晶间孔, 孔喉直径0.2~7, μ m, 一般0.2~1 μ m。Budd(1989)研究了海湾南部Dubai 滨岸的 Thamama 灰岩和Sharjah 滨岸的Kharaib 组及Shuaiba 组后, 认为白垩状孔隙是在成岩早期钙化作用时发育的, 与未经孔隙改造的重结晶作用有关。重结晶作用发生在地表暴露和喀斯特化环境形成的近地表含水层中, 含水层中的高流体速度使沉积物与围岩中的钙质隔离, 不致产生胶结作用, 从而使晶间孔得以保留。

Budd(1989)据白垩状结构灰岩的孔隙度与δ 18O 之间的关系认为, 白垩状结构化过程有两个成岩事件。第1个成岩事件形成沉积物与外界隔离的孔隙水循环系统, 引起Sr、Mg流失和18O 减少, 并完成沉积物的矿物学稳定化作用。在第2个成岩事件开始产生重结晶作用, 使孔隙再分配, 从而形成微菱形晶格架和微孔隙网络。

5)法国南部早白垩世低能陆棚潟湖相

Richard等(2007)研究了法国南部早白垩世Urgonian期 Jura-Bas Dauphiné 台地中低能陆棚潟湖相白垩状结构灰岩, 其总孔隙度17.9%~24.5%, 孔喉半径1.04~2.13, μ m, 封闭孔隙度51.4%~68.3%, 气渗透率161× 10-3μ m2~410× 10-3μ m2(图 1-3)。

据痕量元素研究, 该区白垩状结构灰岩的Sr浓度甚低(64× 10-6~88× 10-6), 比海水文石或(高镁)方解石沉淀的Sr浓度低得多。表明沉积物原始(海水)矿物相的溶蚀— 沉淀过程是在大气孔隙水中进行的。水和沉积物在大气孔隙水短期滞留中产生相互作用。

Urgonian期海水方解石的标准δ 18O为-2.5‰ ~-2.0‰ , δ 13C 为2.0‰ ~3.0‰ , 相比之下白垩状结构灰岩的碳、氧同位素要贫化得多(表 1)。综合考虑白垩状结构灰岩的同位素组成及痕量元素浓度等因素认为, 该白垩状结构灰岩的晶间微孔是大气水输入的产物, 形成于以短的孔隙水滞留时间为特征的浅埋潜流环境。大气水引起碳酸盐沉积物中钙质点和文石针产生递进新生变形(Ostward 成熟化过程), 从而产生微晶及晶间微孔。缺乏机械压实表明递进新生变形发生于浅埋环境, 在缝合线发育的深埋环境之前。该区灰岩的白垩状结构形成于“ 方解石海” 的间断期、以微晶沉积占优势的成岩演化阶段。

6)美国Texas东部晚侏罗世缓坡鲕滩相

Ahr(1989)研究了美国 Texas东部Teague Townsite和Overton油田上侏罗统 Cotton Valley灰岩中一个不规则成熟缓坡上的鲕滩。含丰富白垩状孔隙的鲕及似球粒颗粒岩发育在海底古地貌高地的脊部, 属于构造高处向上变浅旋回, 而在高地外围则发育保存完好的未产生白垩状结构化的鲕颗粒岩(图 1-5, 1-6)。据痕量元素分析, 与未产生白垩状结构化的鲕颗粒岩对比, 白垩状多孔鲕颗粒岩的Sr、Mg、Na含量低, 而Fe、Mn、Zn含量高, 表明白垩状鲕颗粒岩受过淡水冲洗。据同位素分析, Delta1井非白垩状鲕颗粒岩比Exxon OGU13井白垩状多孔鲕颗粒岩的同位素组成较重(表 1), 表明白垩状鲕颗粒岩经受过贫稳定同位素的淡水成岩环境。较重的δ 13组成范围为1.65‰ ~2.76‰ 表明, 鲕颗粒岩的白垩状结构不是在成岩晚期富烃环境形成的, 而是在成岩早期大气淡水环境形成的, 处于钙质中度不饱和的淡水喀斯特补给区。

7)土耳其、利比亚、阿曼和委内瑞拉等地的白垩状结构白云岩或去白云化灰岩

土耳其南部古近系Midyat 组和上白垩统Mardin 组, 利比亚Jebal Nafusah 地区白垩系 Cenomanian 阶Ain Tobi 组和阿曼 Madam Mazam 油田侏罗系的白垩状结构白云岩储集层是重要勘探目标, 中粗晶白云岩和去白云化碳酸岩由于产生白垩状结构化, 其原始沉积组构已保存很少。这些白垩状结构白云岩层看来是与位于蒸发岩系之下或邻近部位的碳酸钙化有关, 是被低碳酸盐浓度的卤水腐蚀和/或被蕴含有限补给水的地表喀斯特系统腐蚀作用形成。然而, 在委内瑞拉Valencia 海湾的 Amposta “ 白垩” 和亚玛逊的 Amapa 组都是中新统白垩状白云岩, 看来是发育在成岩早期地表暴露时的强烈溶蚀和受限制的钙化过程中。解释为成岩早期大气淡水白垩状结构化环境的实例还有美国 Texas白垩系储集层, 阿联酋下白垩统等。

3.2成岩早期喀斯特带混合水白垩状结构化环境

1)Marshall群岛Enewetak更新世环礁后礁带浅水台地生屑滩相

Saller和Koepnick(1987)提出, 太平洋 Marshall 群岛的Enewetak 更新统白垩状生屑灰岩产在强烈潜流溶蚀和/或胶结作用带之下的5~10, m层段, 相当于缓慢移动的潜水透镜体较深和停滞的部分(其形成可能也受淡水与海水混合的影响)。

Saller 和Moore(1989)报道, Enewetak更新世环礁组合中的珊瑚和仙掌藻主要由文石组成, 是环礁组合的主要矿物成分。取心段深度10~80, m, 位于淡水透镜体之下的混合水带。取心段中文石珊瑚的平均δ 18O为-3.0‰ , 平均δ 13C为-1.5‰ , 同位素组成偏重, 反映原始沉积文石成分。而方解石化珊瑚、仙掌藻及少量方解石胶结物的平均δ 18O 为-7.1‰ ~-6.3‰ , 平均δ 13C为-5.1‰ ~-4.3‰ , 同位素组成偏轻, 反映白垩状结构化形成于混合水带(表 1)。礁组合中低镁方解石化文石和低镁方解石胶结物的氧同位素组成偏轻(δ 18O为-9‰ ~-5‰ ), 与该区现代雨水的氧同位素组成(δ 18O 为-5.5‰ ~-3.5‰ , SMOW)相似。方解石化文石和方解石胶结物的氧、碳同位素比值和镁浓度也相似, 表明其成岩环境相似或相同, 都处在大气水影响的混合带。渐新统粒泥岩产于环礁外较深水斜坡(水深930, m)。稳定同位素及痕量元素分析表明(表1), 白垩状低镁方解石微孔隙网络形成于高镁方解石不饱和、低镁方解石过饱和的深海水环境(可能接近海水与沉积物界面)。笔者认为, 这里所指的斜坡“ 深水环境” 可能是指深海底至海水潜流带。

2)加拿大西北领地中白垩世Kee Scarp礁— 滩组合相

Kaldi(1989)报道, 加拿大西北领地 Norman Wells 油田中白垩世 Kee Scarp 礁— 滩组合被称作“ 白礁” 。白垩状微孔隙储集层优选礁边缘和前斜坡碳酸盐砂相, 部分白垩状微孔隙在礁相内。微孔隙主要发育于细粒基质中, 在大化石中则少, 只有拟层孔虫有选择性地产生白垩状结构化。微孔隙产生于共轴胶结之前。白垩状微孔隙成因是浅海水/大气水混合带中的溶解沉淀反应。

Al-Aasm和Azmy(1996)认为, Kee Scarp 礁— 滩组合白垩状微孔隙的形成环境受沉积相带控制, 限于礁边缘、前斜坡和颗粒滩中。白垩状微孔隙(大小一般为4~8, μ m)属于拟层孔虫类、藻类和基质中形成的低镁方解石微孔隙, 这与世界其他某些地区白垩状微孔隙主要产于灰泥支撑的碳酸盐岩层系中不同。Al-Aasm和Azmy(1996)对于该区白垩状结构成因的观点与Kaldi(1989)的观点有所不同, 他们认为, 亚稳定的骨骼礁成分(指上述各相带沉淀的文石和高镁方解石)的稳定化和胶结作用形成的白垩状低镁方解石微晶晶间孔隙网络, 产生于以海水为主的成岩水环境。微孔隙的孔隙度在以后的埋藏环境由于温度增加和岩水相互作用而被改善。

3.3成岩早— 中期海水潜流带至孔隙海水埋藏带的白垩状结构化环境

1)印尼Sumatra岛北部中新世珊瑚藻礁相

Moshier(1989a)研究了印尼Sumatra 岛北部的H 油田和A 油田中新统Malacca 灰岩中珊瑚藻礁组合。H 油田的礁组合中含生屑似球粒的粒泥岩及灰泥岩基质不含白垩状微孔隙, 而A油田礁组合中类似的基质含有丰富的白垩状微孔隙。Moshier 认为A 油田的白垩状孔隙储集层不是大气淡水成因。通过与近代碳酸盐沉积对比, 如西印度群岛Barbados和美国Florida南部的更新统灰泥层, 在大气孔隙水作用下孔隙度降低25%, 至100, m 埋深沉积物已被胶结。巴哈马渐新统灰岩在暴露面之下的大气水环境因受淡水淋滤而使孔隙胶结封闭。据同位素分析(表 1), H油田的δ 18O 值与A 油田近似, 而δ 13C值明显偏轻, 表明H 油田礁组合中的基质受地表层大气淡水的作用, 有土壤气中 CO2(12C) 干扰。而A油田的δ 13C 偏重, 表明白垩状结构成岩化过程没有受大气淡水干扰。A 油田的白垩状孔隙储集层是在“ 海水— 埋藏” 成岩环境形成的。这就是Moshier 提出的“ 海水— 埋藏” 成岩环境。为了使其概念更加清晰, 笔者将“ 海水— 埋藏环境” 改为“ 孔隙海水埋藏环境” 。

2)东南亚马来西亚中新世滨外Sarawak盆地中央Luconia台地相及外陆棚相

Luconia地区台地相及外陆棚相灰泥岩及泥粒岩, 在无淡水侵入和碳酸钙源被隔离的孔隙海水埋藏带, 受卤水作用产生白垩状微孔隙灰岩, 孔隙度10%~20%, 渗透率为5× 10-3μ m2至50× 10-3μ m2以上(图 1-4)。Epting(1980)研究认为, 在该区台缘礁的前礁及礁坪相以及礁后潟湖和点礁相中, 灰泥支撑粒泥岩和灰泥岩的白垩状结构化则是受大气淡水淋滤溶蚀形成的。

3)埃及西北部(西部沙漠)晚白垩世深海相

Holail和Lohmann (1994)研究了埃及西北部(西部沙漠)晚白垩世 Santonian期至Maastrichtian 期深海相沉积。在Bahariya Oasis 地区深海边部白垩状孔隙灰泥岩具有贫同位素组成(δ 18O为-8.9‰ , δ 13C 为-5.0‰ )(表 1)和低痕量元素Sr和Na浓度。Abu Roash 地区位于Bahariya Oasis 地区附近, 接近深海沉积中心, 为白垩状粒泥岩, 含大量保存好的浮游有孔虫, 具有相对较重的同位素组成(δ 18O为-4‰ , δ 13C 为1.0‰ ), 其Sr、Na、Fe、 Zn的浓度也显著增加。

据以上数据分析认为, Bahariya Oasis 地区因位于深海边部埋深不大, 其白垩状结构化受白垩纪末不整合事件引起的表生成岩作用影响, 其同位素组成偏轻, Sr和Na浓度低。而Abu Roash地区因接近深海沉积中心, 具有明显孔隙海水埋藏带白垩状结构化特征, 岩石有较重的同位素组成和较高的Sr 、Na等痕量元素浓度, 但是尚不具备北海Ekofisk油田地区深埋超压流体白垩状结构化的条件。

4)阿尔巴尼亚中部晚白垩世Ionian盆地深海浊流相

Dewever 等(2007)研究了阿尔巴尼亚中部晚白垩世Ionian盆地具有白垩状结构的深海浊流沉积。该区自晚白垩世直至渐新世全部沉积深海碳酸盐, 其中未发现暴露面, 可见白垩状结构化排除了成岩早期大气淡水作用影响。据同位素分析, δ 18O为-2.1‰ ~0.7‰ , δ 13C为1‰ ~3‰ (表 1), 这种同位素组成反映白垩状结构化是由海水起源的孔隙水改造引起(指白垩状结构化产生于孔隙海水埋藏带)。阿尔巴尼亚的深海白垩状结构化模式是研究意大利、克罗地亚和希腊等地Ionian盆地及特提斯晚白垩世深海盆地中储集岩形成机理的线索。

5)中东阿联酋东部早白垩世开放陆棚相

Moshier(1989b)研究了中东阿联酋东部Sajaa 油田下白垩统Thamama 群Shuaiba组开放陆棚相白垩状含生屑似球粒灰泥岩及粒泥岩, 认为是一种含超微化石的真白垩, 他得出与Budd(1989)的论述(见3.1小节)完全不同的结论。Moshier 认为, 这些层位的白垩状微孔隙与后沉积暴露无关。他研究了Sharjah滨岸Sajaa 油田Shuaiba 组上部白垩状孔隙基质的痕量元素和稳定同位素组成(表 1), Shuaiba组白垩状孔隙储集层基质的δ 18O为-5‰ ~-4‰ , δ 13C为3.4‰ ~4‰ , 反映成岩作用是在埋深500~800, m(40~50℃)的中埋环境中进行的, 碳酸钙泥母质不断转变成钙质微菱形晶是在海水成分的液体中逐渐埋藏阶段(指成岩中期孔隙海水埋藏阶段)形成的, 其孔隙度达30%~50%。

3.4 成岩晚期深埋带白垩状结构化环境

Lambert等(2006)研究了中东伊拉克上白垩统Cenomanian阶Mishrif组和Abu Dhabi油田上侏罗统Kimmeridgian-Tithonian阶Kharaib组中, 由交代高镁方解石而形成的低镁方解石微菱形晶孔隙储集层。优质储集层由埋藏成岩环境的溶蚀作用形成的白垩状圆形微菱形晶组成。劣质储集层是因硅铝质黏土作为压溶和压实的催化剂, 促进微菱形晶的晶间孔隙胶结, 使孔渗性变差。

Perkins(1989)及其他学者认为, 美国Texas 的Stuart 市附近白垩系白垩状微孔隙是深埋环境中相对热的海洋卤水作用的产物。

Feazel 等(1985)及其他学者报道, 北海Ekofish油田白垩系具白垩状结构的层系中超高压流体抑制了孔隙因机械压实而减少, 防止了化学重结晶作用, 是深埋超压流体白垩状结构化的典型例证。Maliva 和Dickson(1992)及其他学者指出, 北海白垩系烃类储集层中的孔隙保存程度是白垩含量、超压历史和烃类运移时间的函数。

Dravis(1989)研究了美国Texas东部Salt盆地附近上侏罗统Hayneswille 组缓坡鲕滩的白垩状结构化机理后认为, 鲕滩中白垩状孔隙形成于完全与地表暴露无关的缝合线化及后缝合线化深埋环境。其证据是:在宏观上, 该区鲕滩与其上覆深水Bossier页岩呈水淹不整合, 其间未发现低水位及暴露面。在微观上鲕颗粒岩中没有发现成岩早期大气淡水孔隙组构及压实前的淡水胶结物; 颗粒遭受广泛压溶; 储集层中微孔隙发育在裂缝形成和胶结之后, 压溶缝附近微孔隙极发育; 微孔隙发育在矿物学稳定的钙质颗粒内; 白垩状孔隙产生在沥青充填世代之后。同位素分析结果δ 18O为-10.5‰ ~-3.6‰ , δ 13C为0.0‰ ~4.2‰ , 属于氧同位素高度贫化、而碳同位素正常的特征, 指示高埋藏温度。鲕颗粒岩中稳定的碳酸钙颗粒及牡蛎化石以及粒间孔都遭受溶蚀, 表明岩石普遍受上涌埋藏溶液溶蚀。

英格兰南部、西班牙南部、摩洛哥西部的侏罗系白垩状结构鲕颗粒岩也具有上述类似组构和成因(Sellwood et al., 1987)。

总之, 在各种碳酸盐岩中, 深埋腐蚀流体能够产生成岩晚期强化溶蚀的白垩状微孔隙。

3.5 表生期喀斯特带白垩状结构化环境

在阿曼西北部中白垩统白垩状厚壳蛤屑灰岩层, 美国Louisiana州白垩系白垩状孔隙灰岩, 都与表生期大气喀斯特水作用有关。Moshier于1987年在其博士论文中写道, (在表生期)与不整合有关的(喀斯特)过程产生强化溶解使微孔隙扩大, 影响数百英尺的碳酸盐岩剖面。在表生期受强化溶蚀形成的微孔隙是与地表暴露和大气喀斯特水作用有关, 某些流体可能与地下各种成因的热卤水产生多种混合, 使白垩状结构化强化。怀疑表生期白垩状结构化机理的观点是, 古侵蚀面之下的地表暴露形成的白垩状结构灰岩只限于钙结岩薄层, 不可能形成厚的白垩状层系。

4 白垩状结构化的成因探讨

以下按不同成岩阶段分别探讨有关白垩状结构成因的一些关键性问题及白垩状结构化模式。

4.1准同生期至成岩早期海底及海水潜流带白垩状结构化模式

现代太平洋Bikini环礁内的珊瑚、软体动物介壳和藻类等生物屑被细菌破坏成白垩状粉末, 是准同生白垩状结构化的产物。海相碳酸盐沉积的白垩状结构化可以追溯到准同生期的海底及海水潜流带, 准同生白垩状结构化问题值得探讨。地史中深海海底碳酸盐软泥转变成(真)白垩的过程是由于准同生白垩状结构化形成的。

1)海相碳酸盐沉积物中(镁)方解石和文石是白垩状结构化的物质基础

表2 世界地史中陆棚及盆地含(镁)方解石和/或文石的主要沉积组构 Table2 Most of sedimentary fabrics, containing (magnesium) calcite and/or aragonite on shelfs and in basins

海相碳酸盐沉积物中(镁)方解石和文石的含量与海底沉积组构的类型(指海底生物和沉积物类型)有关(表 2)。海底生物组织是否能直接由低镁方解石沉淀的问题值得进一步研究, 也许低镁方解石是在生物组构生长期由(高)镁方解石快速转变而成。海相碳酸盐沉积物中(镁)方解石和文石的含量与海水深度和温度有关。在深水低温环境以低镁方解石和高镁方解石为主。海相碳酸盐沉积物中(镁)方解石和文石的含量与地球纬度有关。在中纬度非热带浅海以高镁方解石为主, 文石次之。在高纬度低温环境以高镁方解石和低镁方解石为主。

2)在海底及海水潜流带镁方解石和文石转变成低镁方解石的作用

在海洋环境的台地边缘、大陆斜坡或深海海底通过胶结作用(形成低镁方解石胶结物)或高镁方解石快速转化而形成低镁方解石(Schlager and James, 1978)。对于文石骨粒在浅海海底(Palmer et al., 1988)和超盐度海水中(Sun, 1992)的溶解仍能找到一些证据。深海软泥中镁方解石和文石在始成岩阶段向低镁方解石的转变如果产生在文石补偿深度之上, 则有机质氧化作用创造的低pH微环境, 乃是其驱动力(Jahnke et al., 1994)。准同生期的海底沉积物中有机质分解形成有机酸产生的CO2或海底火山形成的无机CO2使海水潜流带中的动态孔隙水变为弱酸性, 促进了镁方解石和文石向低镁方解石的转变及准同生白垩状结构化造孔作用的发生(详见4.2小节)。

3)海水潜流带产生白垩状结构化的流体作用空间问题

在准同生期的海底和海水潜流带, 无论是碳酸盐灰泥沉积, 还是造礁和居礁生物的骨骼都是疏松多孔的, 为产生白垩状结构化的流体提供了畅通的作用空间。例如全新统未固结碳酸盐沉积物的孔隙体积可以超过沉积微粒体积, 钙质砂和灰泥沉积的平均孔隙度可达40%~80%(Flü gel, 2004)。海底沉积物渗透率大小因沉积组构类型而异, 沉积颗粒越粗, 渗透率越高。只有灰泥沉积的渗透率低, 平均0.87× 10-3μ m2, 但是由于沉积物未被压实固结, 尚未变为不渗透的。

4)海底及海水潜流带沉积物的早期胶结作用对于准同生白垩状结构化的干扰

有些学者报道, 牙买加、洪都拉斯、红海、百慕大群岛等地准同生期海底及海水潜流带中生物礁— 滩组合及其他沉积相带已经产生广泛的早期胶结作用及石化作用。早期胶结作用及石化作用会招致碳酸盐体的固结, 堵塞成岩溶液的通道和作用空间。准同生白垩状结构化须产生在广泛胶结作用和石化作用之前, 或者在准同生期(包括成岩早期)存在抑制广泛胶结作用和石化作用的成岩机制(详见4.2小节)。

总之, 准同生期形成微晶及微亮晶格架及晶间孔喉网络的机制, 特别是其稳定化机制还研究甚少。准同生期白垩状结构化遗迹不易分辨, 可能被以后的胶结作用、白云化作用或白垩状结构化掩盖。

4.2成岩早期大气淡水及混合水白垩状结构化模式

1)成岩早期大气淡水及混合水白垩状结构化的机理

成岩早期白垩状结构化已有许多学者论述, 其中论及大气淡水白垩状结构化的学者较多。笔者认为, 大气淡水渗流带由于穿过渗流通道的渗流水和渗流沉积物分布的不均一性以及渗流带的不稳定性, 难以在层系中普遍均匀造孔。看来白垩状结构化主要产生在大气淡水潜流带的碳酸钙不饱和带。潜流带中未充分固结的碳酸盐沉积物的造孔作用主要为弱酸性大气水的溶解作用形成, 弱酸性水主要由CO2溶于水形成:

CaCO3+CO2+H2O→Ca2++2HCO3-

大气水中的有机CO2来自地表有机质的分解, 无机CO2可能来自早期暴露前后的海底火山、地表火山及地下熔岩。不饱和带的流动潜水经常使孔隙水更新, 保持碳酸钙不饱和, 从而抑制了胶结作用的进行。

混合水白垩状结构化机制只有少数学者论及, 咸水和淡水的混合有助于滨岸碳酸盐岩的溶解(Sanford and Konikow, 1989a, 1989b), 可见混合水带有促进镁方解石和文石溶解、产生白垩状结构化的作用。关于镁方解石和文石在成岩早期转变成低镁方解石并发育晶间孔喉网络的作用, 具有重要意义。

2)镁方解石转变为低镁方解石并发育孔喉网络的机制

高镁方解石在地质历史中很少有记录, 如果镁方解石暴露在大气中, 就会发生溶解, 且最终被稳定的低镁方解石交代, 这个过程可在很短的地质历史, 如几十万年内即可完成(Friedman, 1964; Richter, 1979)。Saller和Moore(1989)发现Marshall群岛Enewetak更新世环礁组合钻井岩心中由高镁方解石组成的珊瑚藻、大有孔虫、棘屑及微晶沉积已全部转化成低镁方解石, 认为这种转化是通过分子大小的薄膜进行的(Friedman, 1964)。但是Saller等人认为, Enewetak更新世珊瑚藻环礁由高镁方解石转化成低镁方解石的过程不产生白垩状微孔隙。这与Wu Xichun和Li Peihua(1997)、吴熙纯等(1998)研究的南海东沙早中新世流花礁— 滩组合的珊瑚藻礁中广泛发育大气淡水白垩状结构化形成孔喉网络的情况不同。有的学者推测, 白垩状灰泥岩由高镁方解石转化而来, 这种观点忽视了灰泥沉积中文石质点对于白垩状结构化的贡献。

3)文石转变为低镁方解石并发育孔喉网络的机制

海相文石通过新生变形转化为低镁方解石的作用非常重要, 但了解甚少。文石化石的骨粒易被低镁方解石交代, 交代的方解石晶体比文石大一倍或几倍。在浅海碳酸盐中可见文石骨粒被广泛溶解, 通常认为是在近地表受大气作用的结果(James and Choquette, 1983)。文石的转化有两种结局, 或者被溶解而形成铸模, 然后被胶结物充填, 或者能发育晶间孔喉网络。有关学者重点关注自然界抑制胶结作用并发育孔喉网络的条件。Saller和Moore(1989)认为, 文石转变为低镁方解石并发育孔喉网络的过程明显具有两个阶段:在第1阶段中, 成岩早期混合水带处于周期性大气补给和CO2脱气带, 成为文石和方解石的未饱和区(Plummer, 1975), 能够使文石组构内部组分溶失, 形成文石针微孔筛网, 而不致沉淀方解石胶结物或方解石化文石; 在第2阶段中, 文石颗粒(指文石针)的低镁方解石化是通过在文石内部产生许多低镁方解石的原子核, 以及在大气中通过由较粗的低镁方解石晶体沉淀在残余文石之上而实现的, 而不是通过薄膜之间的新生变形而实现的。

Saller(1992)进一步研究了Enewetak、巴哈马及Yucatan等地更新统灰岩中文石的方解石化作用。认为更新统大多数文石的的方解石化作用明显是“ 在大气中通过文石的溶解(白垩化)(chalkification)而形成, 通过薄膜之间的新生变形而产生的方解石化作用看来甚少或不存在” 。

Maliva和Dickson(1992)研究了英格兰南部上侏罗统至下白垩统上Purbeck组中双壳类文石的新生变形机制, 并与美国Florida南部更新统Key Largo灰岩中珊瑚类及腹足类文石进行对比(Maliva, 1998), 研究结果则与Saller等人的研究结果不同。据骨骼文石在新生变形方解石中的包裹体和幻影表明, 骨骼文石向低镁方解石的转变是通过沿溶液薄膜或沿部分文石溶解带(即白垩化带)(Maliva, 1998)的交代作用而产生的(Bathurst, 1964; Friedman, 1964; Folk, 1965; James, 1974)。

由于新生变形的低镁方解石沉淀, 引起文石骨骼内孔隙水中碳酸钙离子活度积(ion activity product)降低, 导致孔隙水中的钙不饱和, 从而在文石与沉淀低镁方解石的接触带产生了文石的溶解(即白垩化作用)。抑制胶结作用堵塞因文石溶解而形成孔喉网络的机制取决于“ 新生变形前沿” (指上述溶液薄膜或文石溶解带, 即白垩化带)的性质。文石转变为低镁方解石是通过介于其间的溶液膜同步产生相应体积的文石溶解和方解石沉淀而实现的。据SEM观察, 溶液膜的厚度小于10 nm, 具有抑制离子扩散的作用, 将薄膜以内由文石转化形成的低镁方解石孔喉网络与薄膜以外大量含钙离子的流动水隔离, 从而使孔喉网络不致被胶结作用堵塞。在骨骼文石产生新生变形时, 新生变形前沿薄膜水和薄膜之外大量流动孔隙水之间的传递数量, 主要取决于溶液膜和骨骼内孔隙网络之间(束缚水)的扩散系数。

4.3成岩早— 中期海水潜流带至孔隙海水埋藏带白垩状结构化模式

如3.3节所述, 这是未经成岩早期暴露的深水相碳酸盐沉积的白垩状结构化模式。白垩状结构化过程实际上连续经历了准同生期深海底成岩环境、准同生期至成岩早期海水潜流带环境及成岩中期孔隙海水埋藏带环境。在这个白垩状结构化环境系列中值得探讨的问题是深海底镁方解石及文石的补偿深度问题, Moshier(1989b)提出的“ 白垩状结构化形成于封闭的高岩/水比系统” 问题以及微亮晶的成因机理问题。

1)深海底镁方解石的补偿深度和文石的补偿深度对于深海白垩状结构化的影响

深海底镁方解石补偿深度(所谓方解石海)及文石的补偿深度(所谓文石海)对于深海白垩状结构化的影响已有一些学者述及(Munnecke et al., 1997; Dewever et al., 2007; Richard et al., 2007)。所谓方解石海时期, 相当于大洋中脊具有高扩展速度、地球上具有高含大气PCO2的温室条件和温暖气候、海洋水具有高Mg/Ca比的时期, 从而造成方解石补偿深度上升。所谓文石海时期相当于和上述条件相反的情况, 造成文石补偿深度上升。深海底镁方解石和文石补偿深度变浅对于促进镁方解石和文石溶解和白垩状结构化有利, 尤其与深海(真)白垩的形成有关。

Dewever等(2007)论及台地周边(指台地外)深海碳酸盐中镁方解石和文石通过新生变形趋于稳定化, 从而形成白垩状低镁方解石格架和孔喉网络的过程, 这一过程可以产生在文石补偿深度之上或之下, 如果产生于文石补偿深度之上, 则因海水中有机质氧化产生有机酸, 使海水偏酸性, 可以促进白垩状结构化。

2)白垩状结构化是否形成于封闭高岩/水比系统的问题

Moshier(1989b)论述了在阿联酋北部上白垩统Shuaiba组一个单井中, 如果岩石基质的δ 13C组成变化范围狭窄, 而δ 18O为负值 (表 1), 则反映基质中灰泥的稳定化作用(指向低镁方解石转变)是在与外界碳酸钙源隔绝的高岩/水比地球化学系统中进行的。唯有在这种条件下才隔绝了外来碳酸钙源, 使白垩状孔喉网络不致被胶结物堵塞。

Maliva(1998)研究了文石转化成低镁方解石的过程中, 由水/岩比形成的隔离系统问题。由稳定同位素和痕量元素确定的水/岩比(或岩/水比)值经过灵敏度分析检验后, 认为水/岩比的精确绝对值难以测定和保证。此外, 该区由文石新生变形转化成的低镁方解石与原始骨骼文石相比, 显著富Mg、Mn和Fe, 贫Sr, 文石介壳的新生变形引起了Sr浓度从5100× 10-6降低到500× 10-6, 反映大气淡水的地球化学性质。表明新生变形反应带在地球化学性质上并不是与大量流动孔隙水充分隔离, 表明新生变形前具有极高的水/岩比值(即极低的岩/水比值)。由此可见白垩状结构化形成于封闭的高岩/水比系统的模式值得商榷。

3)微亮晶的成因机理

由于白垩状结构灰岩具有低镁方解石微晶和微亮晶的晶间孔喉网络, 镁方解石和文石转变成微亮晶的机理值得探讨和关注。Folk(1965, 1974)认为, 文石转变成低镁方解石微亮晶是在大气淡水中进行的, 其转变过程分两个阶段:第1阶段是文石通过Mg2+离子流失形成低镁方解石“ 微晶幕” ; 第2阶段是微晶通过重结晶(新生变形)转变成微亮晶。Folk认为微晶与微亮晶的大小之间具有3~4, μ m的缺口。Lasemi和Sandberg(1984)研究了美国Florida南部和大巴哈马滩上新统至更新统的灰泥微晶, 得出的看法与Folk不同, 认为微亮晶是由含文石为主的灰泥通过大气成岩作用直接形成的低镁方解石胶结物, 是软泥中文石针被微亮晶吞没而形成的。Munnecke等(1997)研究了志留纪台地周缘环境微亮晶的形成过程, 进一步阐述了灰泥中文石直接转变成微亮晶的过程。认为文石向微亮晶的转变形成于海水埋藏(指孔隙海水埋藏)环境成岩作用的早期, 既不需要大气水影响, 又不需要压实作用的环境。Baker等(1982)指出, 在海相环境无淡水参与的条件下有机酸与文石相互作用也能形成微亮晶。此外, Duringer和Vecsel(1998)报道, 粉砂级碳酸盐颗粒重结晶可以形成微亮晶。Honjo(1969)指出, 中生代微晶灰岩丰度大, 而古生代微亮晶灰岩则很常见。

可见微亮晶既可形成于成岩早期大气淡水环境, 又可形成于成岩中期海水埋藏环境。古生界灰岩中微亮晶多, 与长期成岩演化有关。文石能直接转化成微亮晶的论据进一步证实了文石通过白垩状结构化形成微晶和微亮晶晶间孔喉网络的成因机理。

4.4成岩晚期深埋带及表生期喀斯特带白垩状结构化模式

1)成岩晚期深埋带白垩状结构化模式

由3.4小节可见, 据世界某些地区处于成岩晚期深埋环境的碳酸盐岩中缝合线期次、构造期次及沥青充填期次等因素判断, 确实存在成岩晚期深埋带白垩状结构化机制。

美国Texas东部上侏罗统Haynesville组鲕颗粒岩的微孔隙是在强烈压溶和金属硫化物沉淀之后的深埋环境形成(Dravis, 1987)。笔者认为, 上述地区白垩状鲕颗粒岩储集层中有一部分可能是经成岩晚期深埋或热液白云化后形成的去白云化白垩状孔隙灰岩的范例(与3.1小节对比)。据扫描电镜图像观察, 储集岩中有许多去白云化菱形晶遭受强烈溶蚀。

南海东沙下中新统流花生物礁— 滩组合的油田底水浸泡段, 由于不存在黑色油污, 松散的强白垩状结构化珊瑚骨架岩非常明显(Wu Xichun and Li Peihua, 1997; 吴熙纯等, 1998), 这种油田底水浸泡段白垩状结构化实例已得到大多数人认可(图 1-8)。该区油田底水井段白垩状结构化是成岩晚期深埋带白垩状结构化模式的例证。

深埋带白垩状结构化是一种弱酸性低温热液白垩状结构化机制。地下卤水或油田水中NaHCO3型水较多, 由于脱硫作用使水中S O42-减少至流失, 卤水含H2SO4及HCl非常少, 所以深埋带溶蚀水的弱酸性主要由于水中含HC O3-, 来源于深埋带中的CO2(参考4.2小节)。油田水溶有各种有机酸, 以环烷酸为主, 还有脂肪酸(即蚁酸、醋酸), 羧酸在高温下易分解成CH4和CO2。油田水中CO2的积累主要靠有机质的厌氧氧化作用。深埋带的无机CO2来自地下熔岩。所以, 即或是高封闭的CaCl2型油田水中, 也有存在CO2的条件。深埋带的强化白垩状结构化, 归因于含HC O3-的地温热水对于围岩的溶蚀和淋滤作用。穿透白垩状层系的流动地下水受构造运动等因素引起的水压梯度变化控制, 流动水不断带走溶蚀水中的Ca2+和HC O3-, 保持孔隙水中钙质不饱和, 避免了碳酸钙胶结。

但是, 成岩晚期深埋带白垩状结构化机制存在的问题是, 自然界必须存在自准同生期以来直至成岩晚期深埋带长期抑制胶结作用和石化作用的机制。这一机制在自然界难以实现。由成矿作用借鉴, 如果碳酸盐岩孔隙地层在进入深埋带以前早已被胶结物封死引起石化固结, 即或是高温热液也只能沿裂缝运行, 矿化范围只限于裂缝壁附近的接触矿化带, 不可能引起整个地层的全面矿化, 何况在深埋带促进产生白垩状结构化的溶液仅仅是弱酸性的低温热液, 不可能在致密地层中全面造孔。

因此, 成岩晚期深埋带发现的白垩状结构化成岩印迹, 可能掩盖了当地自准同生期以来的早期白垩状结构化。一个地区存在成岩早期白垩状结构化造孔和多期继承性白垩状结构化的可能性甚大。据笔者研究, 南海东沙早中新世流花礁— 滩组合的白垩状结构化是经历了自成岩早期以来多期继承性强化白垩状结构化的结果。

在深埋带, 进入白垩状储集层的烃类排代了孔隙水, 杜绝了孔隙胶结作用, 储集层超高压抑制了化学压溶和压实, 对于白垩状孔喉网络的保存有利(Moshier, 1989a), 在油气田开采中降低储集层的有效压力(超高压)也可以抑制埋藏成岩作用(Maliva et al., 2009), 这是深埋带白垩状储集层能够保持高孔隙度的原因。

2)表生期喀斯特带白垩状结构化模式

表生期喀斯特带白垩状结构化模式与表生期古侵蚀面以下的喀斯特化模式或古岩溶模式的成岩期、成岩环境及成岩机理具有一致性。所不同的是, 表生期的白垩状结构化模式是继承自成岩晚期深埋带的强化白垩状结构化所形成的白垩状孔隙带而进行的。由于在成岩晚期深埋带提供了先期的白垩状次生溶蚀孔隙网络, 则使表生期的强化白垩状结构化更加有效, 可以形成优质白垩状孔洞储集层。而如果单纯的表生期古岩溶模式产生之前不存在先期深埋带强化白垩状结构化机制, 其全面造孔效果和形成古岩溶孔洞储集层的效果远不如前者。

5 结论

1)各国学者论证的白垩状结构化成因主要有4种:碳酸盐岩地层中存在高岩/水比地球化学条件, 对于高含钙离子孔隙水具有隔绝和封闭作用, 避免了白垩状孔隙被胶结作用堵塞; 白垩状结构化由两个阶段完成, 第1阶段使碳酸盐沉积中的文石通过新生变形转变成文石针的孔隙网络, 第2阶段使文石针转变成低镁方解石, 由于产生轻度胶结作用而形成稳固的低镁方解石孔隙格架; 文石通过溶液薄膜产生新生变形而转化成低镁方解石, 由于溶液薄膜之间孔隙水扩散系数的差异, 隔离了大量含钙离子的孔隙水, 避免了新生变形的孔隙带被胶结作用堵塞; 含碳酸钙的不饱和水快速通过碳酸盐沉积物, 促进沉积物新生变形, 同时抑制了胶结作用的进行。

2)世界各地侏罗系至新近系更新统白垩状孔隙灰岩较发育, 在志留系、泥盆系等层系中也有所发现。据报道塔北下奥陶统上丘里塔格群具有白垩状孔隙灰岩, 可以形成储集层。世界上白垩状孔隙储集层主要见于侏罗系至新近系中新统, 有关学者分析其原因是:成岩作用时间短, 保存了白垩状孔隙; 白垩纪至新近纪处于亚潮湿气候, 溶滤作用强, 抑制了广泛的胶结作用。笔者认为, 另一种可能原因是, 白垩纪至新近纪岩石圈下部含游离CO2较多, CO2也许来自地下熔岩, 使沉积物中残留的海水偏酸性。

3)世界各时代碳酸盐岩油气储集层按成岩作用划分主要有4大类:白垩状孔隙储集层、白云化孔隙储集层、古岩溶孔洞储集层和裂缝储集层。这4种储集层及其形成过程可以相互伴随, 相互影响。白垩状储集层与古岩溶储集层关系紧密, 常有复合作用。白垩状结构化与白云化也有关系, 单纯的去白云化作用常堵塞孔隙, 然而去白云化作用如果伴随白垩状结构化, 则形成去白云化孔隙储集层。白垩状结构化为白云化储集层和古岩溶储集层的形成提供成岩溶液作用空间及通道。

作者声明没有竞争性利益冲突.

作者声明没有竞争性利益冲突.

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