川东北长兴组中上部发育厚逾百米的生物礁和开阔台地相沉积, 并且都遭受了严重的白云石化改造, 变成了微晶— 中晶白云岩, 其中细— 中晶白云岩为主体, 微晶白云岩仅占次要地位, 并主要分布在该段下部。细— 中晶白云岩中由溶蚀作用形成的晶间溶孔高达30%以上(面孔率), 是主要的油气储集层。白云岩的空间分布受其形成机制控制, 对该套白云岩的成因前人做了大量的研究, 比较具代表性的成果有:埋藏期压实流体交代模式(雷卞军等, 1991, 1994)、混合水模式(王运生, 1996; 范嘉松和吴亚生, 2002; 牟传龙等, 2005)、准同生期成因说(马永生等, 2005)、埋藏期海源卤水交代模式(郑荣才等, 2007)、准同生期海源卤水交代模式(黄思静等, 2011)和蒸发回流交代模式(徐维胜, 2012)。由于细— 中晶白云岩是储集层的主体, 因此其成因尤其引人关注。关于细— 中晶白云岩的形成机制, 最主要的一种观点是细— 中晶白云岩是微晶白云岩经过埋藏期的多期重结晶改造形成的(郑荣才等, 2007; 党录瑞等, 2011)。

重结晶是古代白云岩中很普遍的成岩作用, 这一概念最初由Sorby在19世纪中晚期提出(Folk, 1965)。 Glossary of Geology(1987)将“ 重结晶” 定义为“ 岩石中固态条件下新矿物颗粒的形成, 也可能发生变化” 。当白云岩发生重结晶后, 其地球化学信息往往难以反映原始白云石的成因, 因此在对白云岩成因的研究中, 最困难的问题之一就是交代成因白云石的组构和组分特征反映的究竟是原始形成环境还是后期发生重结晶作用的环境(Machel, 1997)。文中主要通过对盘龙洞露头和龙岗地区2口井岩心的薄片阴极发光观察和成分分析, 探讨长兴组细— 中晶白云岩的形成机制, 以期为确定白云岩储集层的空间分布提供新的思路。

四川盆地东北部位于扬子准地台北部边缘, 属川东弧形隔挡式褶皱带与南大巴弧形隔挡式褶皱带的叠加、复合、干涉部位(张婷婷等, 2008; 党录瑞等, 2011), 晚二叠世长兴组沉积期主要发育盆地、缓坡、开阔台地及台缘礁滩等沉积相(图 1)。台缘礁滩相带主要分布在鄂西海盆西侧及开江— 梁平海槽两侧的台地边缘, 盘龙洞、开县红花及见天坝是鄂西海盆西侧的典型礁滩相出露区。开江— 梁平海槽东侧台缘礁滩相带从铁厂河林场、椒树塘延伸至毛坝、普光、黄龙、天东, 而西侧台缘的礁滩相带包括铁山坡、龙岗、元坝等(马永生等, 2007)。普光、元坝、龙岗等大型气田都发育在台缘礁滩相上(郭彤楼, 2011)。

图1

Fig.1

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	图1 川东北地区长兴组沉积相示意图(据马永生等, 2007; 有修改)Fig.1 Sketch map showing sedimentary facies of the Changxing Formation in northeastern Sichuan Basin (modified from Ma et al., 2007)

盘龙洞剖面是礁滩相带露头区的典型代表。龙岗气田龙岗2和龙岗001-6井为开江— 梁平海槽西侧覆盖区台缘相的典型代表。文中研究的样品来自盘龙洞剖面(图 2)和龙岗2、龙岗001-6这2口井长兴组白云岩的岩心。盘龙洞剖面长兴组主要由下部的生物礁与上部的开阔台地2个相带组成。龙岗2井取心段为白云石化的长兴组开阔台地沉积。龙岗001-6井取心段为局限台地沉积, 下部为细晶白云岩, 上部为砂屑泥粒岩。采样位置见图2。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 川东北盘龙洞长兴组岩性特征与探针分析样品采样位置Fig.2 Lithological characteristics of the Changxing Formation in Panlongdong section of northeastern Sichuan Basin and horizons of thin sections for microprobe analysis

参照Chilingar等(1967)和王丹等(2010)的方案, 将长兴组交代白云石分为3类, 分别是:(1)微晶、直面、半自形— 自形、漂浮状白云石:粒径为0.0076~0.019 mm, 晶体棕黄色或污浊, 自形— 半自形, 呈漂浮状, 很可能是由泥晶晶核生长而来, 应属准同生— 早成岩期产物(Moore, 1989; 潘正莆和李菊英, 1990; 吴亚生等, 2003; 姜红霞和吴亚生, 2007; 余宽宏等, 2011), 以拟晶和“ 非拟晶但保存组构” 式交代为主, 主要见于部分白云岩化的层位, 表明交代作用发生在低温环境(Moore and Druckman, 1981; Gregg and Sibley, 1984; Sibley and Gregg, 1987; Ian et al., 1991; Alex and Brian, 2003; Mario, 2003; Machel, 2004; 梅冥相, 2012); (2)细— 中晶、直面、自形— 半自形白云石:粒径为0.05~0.47 mm, 晶体棕黄色或半透明, 自形— 半自形, 通常具“ 雾心亮边” 或生长环带, 其中微— 细晶的过渡关系、细— 中晶核心部位的微晶残骸均表明这种白云石是由第1种微晶白云石演变而来的(Mazzullo, 1992; Muhsin et al., 2007), 即当第1种白云石形成后, 白云石化流体继续供给, 微晶继续增生, 最终形成细— 中晶级的晶群; (3)中晶、曲面、他形白云石:粒径为0.25~0.47 mm, 晶体棕黄色, 晶面污浊, 他形, 晶体之间曲线接触, 这是第2类白云石继续演变的产物, 即当温度升高至晶体他形生长的临界温度时, 白云石化流体继续供给, 由于晶体竞争性生长和晶面的曲面化, 最终造成第2类白云石形成晶间曲面接触的镶嵌结构。

除了对盘龙洞剖面长兴组进行了细致的岩石学研究外, 文中还对龙岗地区10口井长兴组取心段地层进行了薄片研究。薄片观察表明, 盘龙洞、龙岗地区长兴组白云石的粒径、晶形、交代特征、过渡关系几乎完全相同, 阴极发光特征与电子探针数据也一致, 因而推测川东北长兴组白云岩是一个成因统一的岩石体。由于取心段都是长兴组的局部, 所以以盘龙洞露头剖面作为川东北礁滩相带的代表。

依据其原岩类型, 将长兴组白云岩分为中部的礁白云岩与上部的开阔台地相白云岩。以盘龙洞剖面为例, 礁相地层厚度超过100 m。礁白云岩的白云石化程度较强, 白云石含量达90%以上。受原始岩石结构控制, 礁白云岩为等晶或不等晶结构, 前者可进一步分为微晶、细晶和中晶(图 3-1, 3-2), 而后者为微— 中晶白云石的混合物, 以微晶为主, 少量细— 中晶隐没在大量的微晶之中, 没有截然的界限。海胆、海百合、有孔虫等生物以及纤状海底胶结物均被拟晶交代(图 3-6)。

图3

Fig.3

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	图3 川东北长兴组白云石特征Fig.3 Characteristics of dolomites from the Changxing Formation in northeastern Sichuan Basin

开阔台地相白云岩按晶体大小可分为细晶、中晶、粗晶白云岩等, 其白云岩化程度明显高于礁相地层, 岩石的原始结构保存较少或完全消失, 多呈砂糖状(图 3-5)。盘龙洞地区开阔台地相白云岩中白云石以污浊的半自形— 他形细— 中晶为主, 接触面呈镶嵌状。龙岗地区开阔台地相细— 中晶白云岩中残留少量微晶白云石, 且自形细— 中晶白云石核心可见微晶残骸(图 3-4)。岩石孔隙以晶间溶孔为主, 面孔率为2%~30%。部分白云岩见不同程度的去白云石化现象, 去白云石化形成的方解石具有白云石的晶形, 方解石从表面向内部交代白云石, 白云石边缘被溶蚀交代成港湾状、不规则状。此外, 少量白云岩具石英硅化现象, 石英具白云石假晶, 局部有微弱溶蚀。

微晶残骸的存在说明细— 中晶白云石是微晶白云石重结晶的产物, 随着重结晶程度增强, 白云石粒径也变大。统计结果显示, 盘龙洞剖面上部厚约45.3 m的开阔台地相地层中, 细— 中晶白云石含量为100%; 下部厚达115.2 m的礁相地层中, 细— 中晶白云石含量为40%~70%; 至底部几乎不含白云石; 细— 中晶白云石晶径自上而下呈减小趋势, 顶部晶径为350~440 μ m, 下部晶径为160~237 μ m。

对盘龙洞剖面4个长兴组薄片中的微— 中晶白云岩薄片进行了阴极发光观察, 并选取飞仙关组顶部公认的准同生成因的泥微晶白云岩薄片作参照。飞仙关组顶部泥微晶白云岩几乎全部由自形— 半自形的泥微晶白云石组成, 具鸟眼构造, 被认为是潮上萨布哈蒸发环境形成的(陈琪等, 2012)。阴极发光下观察到, 盘龙洞剖面所有长兴组微— 中晶白云石阴极发光特征完全相同, 且与飞仙关组顶部泥微晶白云岩相似(图 4), 发光极其黯淡或不发光, 也不显示环带现象, 指示成岩流体成分缺乏变化以及后生化学成分改造程度较弱(Veizer et al., 1999; Walter et al., 2000; 黄思静等, 2003, 2008)。

图4

Fig.4

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	图4 川东北盘龙洞剖面长兴组及飞仙关组白云石阴极发光照片Fig.4 Cathodoluminescence photos of dolomites from the Changxing and Feixianguan Formations in Panlongdong section, northeastern Sichuan Basin

前人对白云石的成分进行了大量电子探针分析, 并取得了丰硕成果(表 1)。从表1中可以得出如下规律:(1)早期高镁卤水(如海水)形成的白云石在埋深加大过程中会重结晶加大, 形成雾心亮边结构, 该过程中Mg、Sr等元素含量变化不大, Fe、Mn含量均呈升高趋势, FeO含量升高幅度可达0.1%~2%、甚至更高, MnO升高幅度较小、约0.05%, 白云石边缘会随之表现出发光性差异; (2)白云石中MgO含量的变化幅度会随流体的复杂程度而提高, 海水形成的早期白云石中MgO含量稳定在19%~22%之间, 波动幅度约3%, 而埋藏期或混合水形成的白云石中MgO含量约为10%~20%, 即下限明显降低, 波动幅度可高达5%~10%; (3)白云石中Na₂O含量随流体盐度呈明显变化, 海水成因白云石中Na₂O含量为0.02%~0.1%以上, 混合水成因白云石中变化很大、幅度为0.01%~0.1%, 埋藏环境中含量很低; (4)热液白云石中各元素含量变化很大, 如Na₂O、FeO含量的变化幅度常超过0.1%; (5)当白云石晶体中不同点位的MgO、Na₂O、FeO、MnO、SrO含量变化幅度分别小于3%、0.1%、0.06%、0.04%、0.02%时, 认为这些点位所代表区域是在同种白云石化流体中形成的, 但这一标准不适用于热液或成分复杂流体形成的白云石, 仅对海水成因白云石比较适用。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 不同成因白云石电子探针分析结果 Table 1 Electron microprobe analytical results for dolomites of different causes

表1 不同成因白云石电子探针分析结果 Table 1 Electron microprobe analytical results for dolomites of different causes

本次研究对象为5个长兴组薄片和1个飞仙关组薄片的12个白云石晶体, 共测试了32个点的Mg、Ca、Na、Fe、Mn、Sr、Ba的氧化物含量(图 5; 表2)。通过测试2个微晶晶体(点号46、47), 确定飞仙关组顶部微晶白云石是准同生成因。长兴组白云石中各元素含量与表中数据对比结果及其意义总结如下:

图5

Fig.5

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	图5 川东北长兴组微— 中晶白云石和飞仙关组泥微晶白云石电子探针分析测试点位置Fig.5 Photos showing microprobe analysis points on powder to medium dolomites of the Changxing Formation and micritic dolomites of Feixianguan Formation in northeastern Sichuan Basin

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 川东北长兴组微— 中晶白云石与飞仙关组泥微晶白云石微区电子探针分析结果 Table 2 Microprobe analytical results of powder to medium dolomites of the Changxing Formation and micritic dolomites of Feixianguan Formation in northeastern Sichuan Basin 样品号 地层 测试晶体 编号 大小 测点位置 测点编号 MgO/% CaO/% Na2O/% SrO/% FeO/% MnO/% BaO/% L2-1 长兴组 中晶 ↓ 边缘核心 24 21.42 31.58 0.05 0.01 0.00 0.00 0.00 25 20.57 30.16 0.12 0.03 0.01 0.00 0.00 26 21.51 30.96 0.02 0.01 0.01 0.01 0.00 27 21.61 30.69 0.05 0.00 0.00 0.00 0.00 28 21.38 30.98 0.02 0.00 0.01 0.00 0.01 L-6-1 长兴组 No.1 细晶 ↓ 边缘核心 29 20.80 32.06 0.13 0.06 0.00 0.00 0.02 30 20.48 31.47 0.07 0.05 0.00 0.00 0.01 31 20.05 31.69 0.15 0.02 0.00 0.00 0.03 32 20.85 31.55 0.07 0.01 0.00 0.00 0.00 33 20.56 31.76 0.03 0.00 0.02 0.00 0.01 34 16.65 37.45 0.07 0.08 0.02 0.01 0.00 No.2 细晶 ↓ 边缘核心 35 20.52 31.30 0.10 0.02 0.01 0.00 0.00 36 20.45 31.13 0.09 0.04 0.00 0.00 0.02 37 20.85 31.19 0.08 0.06 0.00 0.00 0.01 38 20.37 30.98 0.11 0.05 0.00 0.00 0.00 39 20.29 31.71 0.10 0.02 0.00 0.00 0.00 40 19.32 32.91 0.14 0.04 0.02 0.00 0.00 No.3 中晶 ↓ 边缘核心 41 19.98 33.03 0.04 0.04 0.01 0.00 0.00 42 20.49 31.96 0.08 0.00 0.00 0.00 0.00 43 20.52 31.70 0.11 0.04 0.03 0.00 0.02 44 20.99 31.13 0.09 0.00 0.01 0.00 0.00 45 21.62 32.14 0.11 0.01 0.01 0.00 0.00 F1 飞仙关组 No.1 微晶 46 21.01 31.19 0.09 0.10 0.01 0.00 0.00 No.2 微晶 47 20.91 31.05 0.05 0.02 0.00 0.00 0.00 P2 长兴组 No.1 细晶 核心 48 20.77 30.16 0.29 0.00 0.03 0.00 0.00 边缘 49 20.73 30.15 0.64 0.03 0.01 0.00 0.00 No.2 细晶 核心 50 20.86 31.02 0.20 0.03 0.00 0.00 0.00 边缘 51 20.65 30.82 0.18 0.01 0.00 0.00 0.00 P7 长兴组 中晶 ↓ 边缘核心 52 21.42 30.77 0.01 0.05 0.00 0.00 0.00 53 21.81 30.61 0.03 0.00 0.00 0.00 0.00 54 21.23 31.15 0.03 0.01 0.03 0.03 0.00 P4 长兴组 微晶 55 20.94 30.91 0.18 0.24 0.03 0.00 0.00 微晶 56 21.07 30.77 0.23 0.17 0.02 0.00 0.00

表2 川东北长兴组微— 中晶白云石与飞仙关组泥微晶白云石微区电子探针分析结果 Table 2 Microprobe analytical results of powder to medium dolomites of the Changxing Formation and micritic dolomites of Feixianguan Formation in northeastern Sichuan Basin

MgO:细— 中晶白云石自晶体中心至边缘MgO含量变化没有规律, 范围为19.3%~21.8%, 与表1中地表或近地表海水成因白云石(MgO含量为19.0%~22.1%)非常相似, 且晶体不同区域MgO含量最大变动幅度(2.5%)小于海水成因白云石的变化幅度(3%)。白云岩中MgO含量与有序度、形成条件有明显关系, 通常与蒸发盐伴生的细晶白云岩中Mg含量高于不与蒸发盐伴生的细晶白云岩(李鹏春等, 2011), 长兴组细— 中晶白云石与飞仙关组潮坪相泥微晶白云石中MgO含量最大差值为2%, 与表中数据对比可知该值小于因流体性质变化导致的含量差异(3%~4%), 微晶白云石中MgO含量为20.94%~21.07%, 与飞仙关组泥微晶白云石(20.9%~21.0%)重合。上文中提到, 白云石中MgO含量的变化幅度会随流体的复杂程度而提高, 且不同成因白云石的MgO含量也不相同, 这表明MgO值可以作为白云石成因的指示参数之一, 综合Na、Fe、Mn等其他元素的证据, 认为此次研究中, MgO含量的相似性表明长兴组白云石与飞仙关组泥微晶白云石形成条件很可能相似。

CaO/MgO:通常埋藏期漫长的重结晶作用会使白云石有序度增大(Land, 1980, 1985), 从而使白云石中Ca/Mg值趋于1(马锋等, 2009)。以图5-1中细— 中晶白云石为例, 自核心至边缘5个点位的CaO/MgO值分别为1.47、1.47、1.44、1.42和1.45, 而微晶CaO/MgO值范围为1.46~1.48, 可见CaO/MgO值没有随重结晶作用而发生变化。

Na₂O:通常认为Na含量反映成岩流体的盐度(Sass and Katz, 1982; 何凯等, 2013), 高盐度环境下形成的白云石Na含量很高, 而埋藏成因白云石的Na含量很低, 这可能与埋藏期重结晶作用会造成白云石丢失Na有关(李鹏春等, 2011)。细— 中晶白云石自晶体中心至边缘Na₂O含量变化没有规律, 范围为0.025%~0.15%, 与表1中渗透回流成因微— 中晶白云石(0.02%~0.14%)几乎重合, 且变化幅度相同; 微晶白云石中Na₂O含量为0.18%~0.64%, 较细— 中晶白云石高0.03%以上, 说明自微晶发育至细— 中晶过程中, 流体逐渐淡化; 微晶白云石Na含量不但比表1中其他地区白云石要高, 而且较飞仙关组泥微晶白云石(0.05%~0.09%)高出0.09%, 这表明长兴组白云石化流体盐度很高, 与飞仙关组白云石化流体性质差异较大。

FeO与MnO:Fe、Mn含量可指示成岩环境与成岩强度(吴仕强等, 2008), 且与阴极发光特征直接相关, 其中Mn含量还受淡水影响(周波等, 2012)。细— 中晶白云石自晶体中心至边缘FeO含量变化没有规律, 范围为0%~0.08%, 与飞仙关组泥微晶白云石(0.02%~0.1%)、表1中渗透回流白云石(0.03%~0.05%)、地表海水成因白云石(0.017%~0.079%)和浅埋藏稀释卤水成因白云石(0.04%左右)相似, 反映其形成环境为地表或近地表。细— 中晶白云石中MnO含量变化也没有规律(0%~0.03%), 与飞仙关组泥微晶白云石(0.02%~0.03%)、浅埋藏期白云石(0.03%)相似; 经典理论认为由沉积到成岩改造是一个Mn含量增加的过程, 微晶白云石中MnO含量为0.02%~0.03%, 随重结晶作用增强Mn含量变化不明显, 这反映重结晶受到了海源流体的改造(海水贫Mn)(黄思静等, 2006)。

SrO:Sr含量可作为成岩环境盐度高低的指标(吴仕强等, 2008), 而白云石化是一个丢失Sr的过程。长兴组白云石中SrO含量几乎为0, 个别点位值为0.01%~0.03%, 这与表1中超— 中盐度海水成因白云石(0%~0.02%)相似。

BaO:在长兴组白云石中BaO值含量多为0, 个别点位值为0.01%~0.03%, 这与海水几乎不含Ba的特征相吻合(Sarah, 2008)。

综上, 细— 中晶白云石自核心至边缘所有点位的主、微量元素含量均非常相似(变化无规律, 且变化幅度远低于不同流体造成的差异), 表明由微晶发展至中晶的重结晶作用是在同种流体中进行的, 而非多期次、分阶段的过程。细— 中晶核心部位与微晶白云石的各元素含量几乎一致, 说明较粗粒白云石的重结晶核心可能是微晶。通过与成因已知白云石中元素含量的对比, 长兴组白云石化流体很可能为高盐度海水, 且白云石形成于地表或近地表环境。

岩石学与地球化学证据表明, 长兴组白云岩的形成包含2个重要事件:(1)白云石化流体交代碳酸钙沉积物形成微晶白云石; (2)在充沛的白云石化流体作用下, 大部分微晶白云石随即发生重结晶, 形成晶径较粗的白云石晶体。两次事件没有明显的时间间隔, 且均在地表或近地表海水环境中发生。

伯利兹地区全新世白云岩的组构和地球化学证据表明, 该地区白云石的重结晶作用始于成岩早期的海水环境中。白云石在萨布哈环境中形成后即可随后发生重结晶(Al-Aasm, 1999)。研究区在长兴组沉积晚期处于特提斯东部边缘。大量的研究认为, 二叠纪末期中国南方浅海环境发生大幅度的海平面下降, 造成生物礁或开阔台地相沉积物进入潮坪蒸发环境(吴亚生等, 2003; 王海峰等, 2012)。高Mg蒸发海水首先交代台缘礁滩相沉积物中的泥晶基质、高镁方解石质生屑, 形成大量微晶白云石。由于白云石化流体充沛且源源不断从沉积物顶部下渗, 随即以微晶白云石为核心发生重结晶, 重结晶的程度受流体分布与原始组构控制。由于蒸发海水自沉积物顶部下渗, 向下充沛程度减小, 故重结晶程度自上而下减弱。

白云岩的“ 不等晶” 与“ 等晶” 结构都受原始组构控制:当孔渗性差、泥晶基质多时, 仅少数微晶可重结晶为菱形细— 中晶, 表现为不同粒径晶体混杂; 当孔渗性良好时, 所有微晶均能重结晶为自形的细— 中晶白云石, 出现白云石粒径均一、自形程度高的现象。这种晶体大小受控于基质含量及孔渗性的现象也见于巴哈马滩晚新生代礁相地层的白云石化(Dawans and Swart, 1988; Vahrenkamp and Swart, 1994)。

川东北长兴组白云岩包括微晶、细晶、中晶白云岩, 且以细— 中晶白云岩为主。阴极发光观察和晶体微区探针分析揭示, 长兴组微晶白云岩与飞仙关组准同生期潮坪蒸发作用相关的泥微晶白云岩具有一致的阴极发光特征和Mg、Ca、Na、Fe、Mn、Sr、Ba组成, 因而被认为具有同样的成因。长兴组细— 中晶白云岩在阴极发光下不显示环带现象, 不发光或发光极其黯淡, 探针揭示的Mg、Ca、Na、Fe、Mn、Sr、Ba含量从晶体核部到边缘没有变化, 含量范围与飞仙关组潮坪准同生成因的泥微晶白云岩一致, 故表明细— 中晶白云石是由微晶白云石重结晶形成的, 并且重结晶作用发生在准同生期, 与微晶白云石的形成为几乎连续的作用, 没有流体性质的改变, 也没有时间上的间断。本次研究的阴极发光和微区探针分析结果都不支持前人的埋藏期多阶段重结晶的认识。

细— 中晶白云岩是川东北长兴组储集层的主要组成岩石, 对其成因认识上的修正, 势必会影响对储集层空间分布的认识和勘探开发战略。