潘立银, 刘占国, 李昌, 寿建峰, 张建勇, 张杰, 沈安江, 周进高, 郑兴平. (2012)四川盆地东部下三叠统飞仙关组白云岩化作用及其与储集层发育的关系* [J]. 古地理学报, 14(2): 176-186
Pan Liyin, Liu Zhanguo, Li Chang, Shou Jianfeng, Zhang Jianyong, Zhang Jie, Shen Anjiang, Zhou Jingao, Zheng Xingping. (2012)Dolomitization and its relationship with reservoir developmentof the Lower Triassic Feixianguan Formation in eastern Sichuan Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 14(2): 176-186. DOI:  
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四川盆地东部下三叠统飞仙关组白云岩化作用及其与储集层发育的关系*
潘立银1,2, 刘占国1, 李昌1, 寿建峰1,2, 张建勇1,2, 张杰1,2, 沈安江1,2, 周进高1,2, 郑兴平1,2
1 中国石油杭州地质研究院,浙江杭州 310023
2 中国石油天然气集团公司碳酸盐岩储层重点实验室,浙江杭州 310023

第一作者简介 潘立银,男,1981年生,2006年毕业于南京大学,获硕士学位。现为中国石油杭州地质研究院工程师,从事碳酸盐岩岩石学和地球化学研究工作。E-mail: panly_hz@petroChina.com.cn。

收稿日期:2011-09-10
基金:*国家科技重大专项(编号:2011ZX05004-002)资助
摘要

四川盆地东部下三叠统飞仙关组鲕滩相储集层多为白云岩,主要分布于环开江—梁平盆地的台地边缘相带。岩石学和地球化学特征表明,飞仙关组鲕滩相储集层经历了多期白云岩化作用,其中最重要的一期发生于成岩早期近地表环境,由蒸发海水回流引起,形成的粉晶交代白云石构成了现今白云岩的主体。飞仙关组早期白云岩经历了不同程度的埋藏重结晶作用,形成了不同的岩石结构类型。飞仙关组白云岩的孔隙多为原岩中继承而来,白云岩化作用对储集层发育的意义并非创造孔隙,而是保存已有的孔隙。由于白云岩化作用发生的时间早以及白云岩的抗压溶性质,原生(鲕)粒间孔以及早期大气淡水溶蚀作用形成的鲕模孔 /粒内溶孔可以在很大程度上保存下来,构成了现今鲕滩相储集层的主要储集空间。

关键词: 四川盆地; 飞仙关组; 鲕滩相储集层; 白云岩化作用
中图分类号:P618.230.2+1 文献标志码:文章编号:1671-1505 (2012) 02-0176-11 文章编号:1671-1505(2012)02-0176-11
Dolomitization and its relationship with reservoir developmentof the Lower Triassic Feixianguan Formation in eastern Sichuan Basin
Pan Liyin1,2, Liu Zhanguo1, Li Chang1, Shou Jianfeng1,2, Zhang Jianyong1,2, Zhang Jie1,2, Shen Anjiang1,2, Zhou Jingao1,2, Zheng Xingping1,2
1 PetroChina Hangzhou Research Institute of Geology,Hangzhou 310023,Zhejiang
2 Key Laboratory of Carbonate Reservoir,CNPC, Hangzhou 310023,Zhejiang

About the first author Pan Liyin,born in 1981,received his M.S.degree from Nanjing University in 2006.Now he is an engineer of PetroChina Hangzhou Research Institute of Geology and is mainly engaged in carbonate petrography and geochemistry.

Abstract

Gas reservoirs of the Lower Triassic Feixianguan Formation in eastern Sichuan Basin are mostly dolostones,which are distributed in the platform margin around Kaijiang-Liangping Basin. Petrographic and geochemical evidences indicate multiple dolomitization events,and the most significant one of which was triggered penecontemporaneously by reflux of evaporative seawater. Dolostones formed in early periods had undergone various degree of recrystallization during burial,which resulted in the complex rock textures. Pore of the Feixianguan Formation dolostones is predominantly intergranular and/or oomoldic(or intragranular),which is inherited from the precursor limestones rather than creating during dolomitization.These kinds of pore are well preserved in dolostones,owing to early dolomitization and the resistance of dolomites to compaction.

Key words: Sichuan Basin; Feixianguan Formation; oolitic shoal reservoir; dolomitization

随着四川盆地渡口河、铁山坡、罗家寨、普光和龙岗等气田的发现(图 1), 作为这些气田主要储集层的三叠系飞仙关组鲕滩相碳酸盐岩已成为关注的热点。已有的研究和勘探成果表明, 飞仙关组鲕滩相储集层主要为环开江— 梁平盆地分布的白云岩(Wang et al., 2008; 张建勇等, 2011)。近年来围绕该套储集层已经进行了大量的沉积学、岩石学和地球化学工作, 但对其成因仍无统一的认识。例如, 根据白云岩阴极发光弱、δ 13C值偏正、δ 18O值偏负、δ 13C值和 δ 18O 值之间存在正相关关系、 白云石低Sr低Na、纵向上灰岩与白云岩频繁交替出现等特征, 认为白云岩化作用是在频繁的海平面升降背景下, 由于海水— 大气淡水的混合而发生(魏国齐等, 2005; 何莹等, 2007)。但罗平等(2006)利用激光微区取样技术所得到的碳同位素测试结果不支持白云岩化流体中存在大气淡水这一结论, 而氧同位素的空间变化规律明显, 即靠近潟湖区 δ 18O 值相对较高, 远离潟湖区 δ 18O 值逐渐降低, 认为这是渗透— 回流白云岩化作用的表现。郑荣才等(2008)和王一等(2009)根据白云石具有高Sr、高Fe、δ 18O值偏负、δ 13C值与δ 18O值无正相关关系、流体包裹体均一温度高等特征, 认为该白云岩形成于埋藏高温环境。

图1 四川盆地东部长兴组— 飞仙关组沉积相及气田位置(据张建勇等, 2011, 有修改)Fig.1 Sedimentary facies of the Changxing-Feixianguan Formations and location of gas fields in eastern Sichuan Basin(Modified from Zhang et al., 2011)

通过已有的研究可以看出, 关于飞仙关组白云岩成因的观点很多, 反映了“ 白云岩(石)问题(dolomite problem)” 的复杂性; 同时, 不同学者得到的地球化学数据也不尽相同甚至是矛盾的, 这可能反映了飞仙关组白云岩形成的多期性, 而如果仅仅分析某一期次或某种类型, 容易得到片面的认识。另外, 前人研究关注的多为白云岩化作用模式, 很少论述白云岩化作用与孔隙发育的关系, 对孔隙的成因还存在不同的认识(曾伟等, 2006; 曾德铭等, 2007; 王恕一等, 2010)。

本研究在了解飞仙关组白云岩储集空间分布的基础上, 采用岩石学和地球化学相结合的方法, 探讨飞仙关组白云岩化作用机制、孔隙成因及其与白云岩化作用的关系。

1 沉积背景及白云岩分布

四川盆地东部在飞仙关组沉积时期主要发育蒸发台地、混积台地、开阔台地、台地边缘、斜坡以及盆地6种沉积相(张建勇等, 2011; 图1)。飞仙关组总体上表现为向上变浅的沉积序列(张建勇等, 2011), 由飞一段底部的暗色泥页岩、泥晶灰岩开始, 经历飞一段中上部— 飞三段的粒屑灰岩(主要为鲕粒灰岩, 其次为内碎屑灰岩、球粒灰岩), 最后演变为飞四段的泥晶白云岩、蒸发岩(图 2)。

图2 四川盆地东部长兴组— 飞仙关组层序地层综合柱状图(据张建勇等, 2011)Fig.2 Comprehensive column of sequence stratigraphy of Changxing-Feixianguan Formations in eastern Sichuan Basin(After Zhang et al., 2011)

垂向上, 白云岩主要分布于飞一段和飞二段(图 2)。平面上, 在开江— 梁平盆地西侧的开阔台地, 白云岩主要分布于台地边缘, 单层厚度小; 在开江— 梁平盆地东侧的蒸发台地, 白云岩在台地内部和台地边缘均有发育, 单层厚度较大。

本次研究采用的样品取自龙岗气田的龙岗X井和罗家寨气田的罗家X井(图1), 层位上属于飞二段。

2 岩石学特征

飞仙关组白云岩从结构上可分为2种端元类型, 分别是原岩结构保存的白云岩(图 3-a, 3-d)和原岩结构破坏的白云岩(图 3-e)。前者可进一步分为2个亚类:第1亚类的颗粒被粉晶白云石交代后仍保存有完好的外形, 孔隙主要为残余粒间孔(图 3-a, 3-b; 图4-a, 4-b); 第2亚类白云岩原岩的颗粒曾遭受过不同程度的溶蚀, 残留下来的部分(溶蚀后的颗粒、等厚环边状胶结物、粒间灰泥等)被粉晶白云石交代, 孔隙主要为鲕模孔和/或粒内孔, 有的还残留少量粒间孔(图 3-c, 3-d; 图4-b, 4-c)。原岩结构破坏的白云岩多由中晶— 细晶自形白云石组成, 颗粒结构已遭到破坏, 仅见颗粒幻影, 孔隙类型主要为晶间孔(图 3-e); 该种白云岩数量少, 主要呈透镜状、夹层状分布于前一种白云岩之中。除2种端元类型外, 飞仙关组白云岩更多的是原岩结构遭到不同程度破坏的中间类型。

图3 四川盆地东部下三叠统飞仙关组白云岩储集层的主要结构类型Fig.3 Variable textures of dolostones reservoir of the Lower Triassic Feixianguan Formation in eastern Sichuan Basin

图4 四川盆地东部下三叠统飞仙关组白云岩不同类型孔隙的扫描电镜照片Fig.4 SEM microphotographs showing characteristics of different types of pore of the Lower Triassic Feixianguan Formation in eastern Sichuan Basin

飞仙关组白云岩由3类白云石组成:第1类为交代原岩的、占岩石体积绝大多数的粉晶白云石(粒度一般为30~80, μ m)(图 5), 该类白云石优先交代颗粒, 常见拟晶白云岩化作用(“ mimetic dolomitization” ; Sibley, 1991; Zempolich and Baker, 1993)现象(图 5-f); 第2类为细晶(粒度一般为100~200, μ m, 少量可达中晶)、自形白云石, 有些由粉晶白云石次生加大而形成、具“ 雾心— 亮边” 结构(图 5-a, 5-b), 有些以胶结物的形式存在(图 5-c, 5-d); 第3类为中晶— 粗晶鞍状白云石胶结物(图 5-e), 沿孔洞或裂缝分布。

图5 四川盆地东部下三叠统飞仙关组主要白云石类型的微观照片Fig.5 Microphotographs showing major types of dolostones of the Lower Triassic Feixianguan Formation in eastern Sichuan Basin

3 地球化学特征
3.1 化学组成

采用电子探针对飞仙关组白云岩所做的分析表明(图 6), 组成飞仙关组白云岩主体的粉晶白云石中CaCO3含量平均为49.98, mol/%(79个测点, 为化学计量), 但CaCO3含量分布离散, 有 近1/3的 样品大于51, mol/%。在同一样品中, 不同白云石晶粒之间CaCO3含量也存在明显差别(图 6-c)。与粉晶白云石不同, 亮边和/或孔洞中充填的细晶白云石中CaCO3含量明显要低(图 6-b)。

图6 四川盆地东部下三叠统飞仙关组白云岩CaCO3含量分布Fig.6 CaCO3 content of dolostone of the Lower Triassic Feixianguan Formation in eastern Sichuan Basin

3.2 锶同位素

本研究所测试的飞仙关组白云岩的87Sr/86Sr值为0.70713~0.70812, 平均值为0.70759, 除1个值(0.70812)明显偏高外, 其他结果(0.70713~0.70787)与黄思静等(2008b)报道的四川盆地飞仙关组沉积时期海水的87Sr/86Sr值范围(0.707085~0.707711)以及全球飞仙关组沉积时期海水的 87Sr/86Sr值范围(Korte et al., 2003)基本一致(图 7)。

图7 四川盆地东部下三叠统飞仙关组碳酸盐岩87Sr/86Sr分布(底图来自Korte等, 2003; 略有修改)Fig.7 87Sr/86Sr values of carbonate rocks of the Lower Triassic Feixianguan Formation in eastern Sichuan Basin (Base map is modified from Korte et al., 2003)

3.3 碳氧同位素

飞仙关组白云岩的 δ13CPDB值为+1.04‰ ~+2.76‰ (图 8-a), 位于早三叠世海水的范围内(-1.9‰ ~+4.3‰ ; Korte et al., 2005), 除具有鲕模孔的鲕粒白云岩(图 3-c, 3-d)的δ 13C值显著较低(图 8)外, 其他类型白云岩δ 13C值在同一地区呈集中分布。 δ18OPDB值为-3.35‰ ~-5.56‰ (图 8-a), 低于早三叠世海水的δ 18O值(-0.8‰ ~-4.4‰ , Korte et al., 2005), 且δ 18O值分布较离散, 随着白云岩粒度的增加呈现降低的趋势(图 8-b)。δ 13C值和 δ 18O 值之间不存在明显的相关性。

图8 四川盆地东部下三叠统飞仙关组白云岩δ 13C-δ 18O分布Fig.8 δ 13C-δ 18O cross plots of dolostone of the Lower Triassic Feixianguan Formation in eastern Sichuan Basin

4 讨论
4.1 白云岩(石)形成环境

飞仙关组已被白云岩化的颗粒呈松散堆积(图 5-f), 因此白云岩化作用发生在明显的压实之前, 同时“ 拟晶白云岩化作用” (图 5-f)通常也被认为是早期成岩作用的结果(Sibley, 1991; Zempolich and Baker, 1993)。另外, 飞仙关组白云岩所具有的微弱的阴极发光性和低Fe、Mn含量(黄思静等, 2008a), 表明白云岩化作用是在开放体系(偏氧化环境)中发生的; 而白云岩87Sr/86Sr值与同时期海水相似(图 7)以及白云岩中存在富Ca白云石的事实(图 6), 均反映了早期蒸发海水白云岩化作用特征(Gaines, 1977; Reeder, 1983)。以上特征表明, 占飞仙关组白云岩主体的粉晶白云石多数为早期近地表环境中由蒸发海水交代形成的。

对于沿孔洞或裂缝分布的细晶白云石和鞍状白云石, 根据其中的流体包裹体具有高的均一温度(90~130, ℃, Zhao et al., 2005)以及前者Ca含量低(图 6), 推断其形成于埋藏环境。

4.2 白云岩化作用机理

岩石学和地球化学特征表明, 飞仙关组白云岩多形成于成岩早期, 白云岩化流体与蒸发海水有关。结合白云岩的空间分布, 认为受相对海平面变化控制的蒸发海水回流作用是引起飞仙关组白云岩化的主要原因:在海平面下降过程中, 鲕滩暴露出海面, 接受大气淡水成岩作用改造, 此时鲕滩之后的地区为局限环境, 蒸发作用使此处海水密度变高而向盆地(台地边缘)方向回流, 引发了台地边缘鲕滩的白云岩化, 这可能为飞仙关组白云岩沿台地边缘分布的原因之一。频繁的相对海平面变化可以造成周期性的白云岩化作用, 因此白云岩在垂向上呈多层分布(图 2)。

该模式在开江— 梁平盆地东侧已得到证实。一方面该地区在飞仙关组沉积时期为蒸发台地(王一刚等, 2005), 发育大规模的膏盐岩沉积, 具备渗透-回流白云岩化作用发生的条件; 另一方面, 罗平等(2006)的研究表明, 距离潟湖较近的白云岩 δ 18O 值较高、白云石晶体较小, 而远离潟湖区, 白云岩 δ 18O 值逐渐变低、白云石晶粒逐渐变大, 具有渗透-回流白云岩化作用的特征。而开江— 梁平盆地西侧蒸发作用比东侧弱, 目前未发现大规模的蒸发岩分布, 用该模式来解释似乎是个问题, 然而越来越多的研究表明, 遭受轻度蒸发的海水(未达到石膏饱和)亦具备白云岩化作用的潜力(Sun, 1994; Qing et al., 2001)。

4.3 白云岩的埋藏重结晶作用

形成于蒸发海水中的白云石最初多为无序的、非化学计量的不稳定白云石, 其在后来持续的埋藏成岩过程中普遍发生重结晶作用(Durocher and Al-Aasm, 1997; Fu et al., 2006)。根据岩石学和地球化学特征, 笔者认为飞仙关组白云岩同样经历过埋藏期重结晶作用。

飞仙关组白云岩具有从原岩组构保存至原岩组构破坏等一系列完整的结构, 并且随着原岩组构破坏程度的加剧, 白云石晶粒逐渐变大, 目前尚无证据表明这种变化是因为原岩结构的不均一造成的。某些白云岩中白云石的粒度呈双峰态分布, 且晶粒较粗者具有雾心— 亮边(图 4-a, 图4-b), 这是重结晶白云岩的特征之一(Mazzulo, 1992)。飞仙关组白云岩的2种端元结构类型可能形成于不同的时间和环境下:原岩组构保存的白云岩形成于准同生期, 原岩组构破坏的白云岩为前者埋藏重结晶作用的产物, 该白云岩中存在颗粒幻影(图 3-e)可作为证据之一。

飞仙关组白云岩与同沉积时期海水具有类似的87Sr/86Sr值, 反映了重结晶作用可能与地层中封存的同沉积期海水有关。而白云岩明显偏低的 δ 18O 值、δ 18O值随粒度增加而逐渐降低的现象指示了重结晶作用发生在持续的埋藏升温过程中。

4.4 孔隙成因及其与白云岩化作用的关系

飞仙关组储集层多分布于白云岩中, 而石灰岩多为非储集层(Ma et al., 2007; 寿建峰等, 2011), 显示了白云岩化作用与孔隙发育的密切关系。另外, 飞仙关组白云岩储集空间以粒间孔和铸模孔/粒内孔为主, 而晶间孔相对较少(图 3-b, 3-d), 表明白云岩化过程以等体积交代为主, 很少产生因体积收缩而形成的晶间孔(王一刚等, 2007)。因此, 以往对飞仙关组白云岩储集层成因的研究中强调了埋藏溶蚀作用的重要性(曾伟等, 2006; 曾德铭等, 2007; 王恕一等, 2010)。

笔者不否认埋藏溶蚀作用存在的可能性, 但本次研究中未发现大规模埋藏溶蚀的证据。对飞仙关组白云岩的粒间孔、鲕模孔/粒内孔进行的扫描电镜观察表明, 沿孔隙分布的粉晶交代白云石形态完好, 也未在孔隙壁上发现残留的其他矿物(图 4), 表明大部分孔隙在白云岩化作用发生之前即已存在。白云岩的2种主要孔隙类型可能反映了原始矿物成分的差异, 飞仙关组沉积时期为古生代向中生代的过渡期, 海水沉积的鲕粒在成分上具有文石和方解石2种类型(Sandberg, 1983)。铸模孔型白云岩(图 3-c, 3-d)的原始颗粒成分可能为文石, 孔隙为大气淡水对文石的选择性溶蚀造成, 表现为该类岩石具有相对较高的Sr含量(可以作为原始矿物为文石的证据之一, 另撰文讨论)和相对较低的δ 13C值(图 7), 同时, 该类岩石分布于向上变浅旋回的上部(黄思静等, 2009), 具备大气淡水溶蚀作用发生的条件; 文石溶蚀期间产生的CaCO3可以在颗粒表面重新沉淀形成刀鞘状等厚环边方解石胶结物, 原生粒间孔因此遭到不同程度的破坏(图 3-d)。粒间孔型白云岩(图 3-a, 3-b)的原始颗粒成分可能为方解石(Sr含量相对较低, 另撰文讨论), 大气淡水对其无明显影响, δ 13C值较高(图7), 因此不发育鲕模孔和刀鞘状等厚环边胶结物, 原生粒间孔可以保留下来。

白云岩化作用虽然未能以形成大量晶间孔的形式使飞仙关组的孔隙度显著增加, 但其对储集层的进一步成岩作用和孔隙演化具有重要影响。因为石灰岩发生白云岩化后, 岩石的物理和化学性质发生了变化, 导致白云岩在渗透率、抗压性及溶蚀特征上与石灰岩具有显著差别, 进而影响进一步的成岩作用和孔隙演化。与石灰岩相比, 白云岩具有更强的抗压溶性质(Mountjoy and Amthor, 1994; Duggan et al., 2001), 而压溶作用过程中产生的碳酸盐矿物通常为埋藏胶结物的主要来源(Hudson, 1975; Heydari, 2000, 2003), 因此白云岩化作用的发生对已有孔隙的保存具有重要的意义。由此可见, 正是由于飞仙关组白云岩化作用发生的时间早以及白云岩的抗压溶性质, 使得在石灰岩中早已存在的粒间孔、鲕模孔/粒内孔在埋藏阶段大部分可以保留下来, 这是白云岩化作用对飞仙关组储集层发育的主要意义。从飞仙关组岩心上看, 石灰岩段缝合线的发育程度明显比白云岩段高, 佐证了此认识(张学丰等, 2010)。

5 结论

飞仙关组白云岩具有2种端元结构:原岩结构保存的白云岩和原岩组构破坏的白云岩。白云岩由3类(期)白云石组成, 即:粉晶交代白云石、粉晶白云石次生加大或充填孔隙的细晶白云石、中晶— 粗晶鞍状白云石胶结物。其中占岩石体积绝大多数的粉晶交代白云石为早期蒸发海水的回流作用形成, 其他两类形成于埋藏期。

岩石学和地球化学特征表明, 飞仙关组白云岩发生过不同程度的埋藏重结晶作用, 从而造成了白云岩具有多种结构类型。

白云岩化作用对飞仙关组储集层发育的主要意义不是创造孔隙, 而是保存孔隙。正是由于早期白云岩化作用的存在、以及白云岩的抗压溶性, 在白云岩化作用发生之前即已存在的原生粒间孔、鲕模孔和粒内孔在埋藏过程中可以很大程度上保存下来, 构成了飞仙关组现今鲕滩相储集层的主要储集空间。

致谢 美国科罗拉多矿业学院Clyde H.Moore教授、英国剑桥大学Tony Dickson教授参与了部分工作;在研究过程中得到了西南油气田分公司勘探开发研究院王一刚、文应初等专家的指导和帮助。强子同教授、杨承运教授等审阅了初稿,并提出了宝贵的修改意见。在此表示衷心的感谢!

作者声明没有竞争性利益冲突.

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