第一作者简介 钱一雄,男, 1962年生,博士,教授级高级工程师,现在中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所工作,研究方向为碳酸盐岩沉积与储集层研究。通讯地址: 江苏省无锡市滨湖区蠡湖大道 2060号;邮政编码: 214126。 E-mail: qyx9167@vip.sina.com。
“皮壳—葡萄状”白云岩是一种非常特殊结构的白云岩。文中报道了塔里木盆地西北缘东二沟及塔北星火 101井上震旦统奇格布拉克组中皮壳—葡萄状白云岩特征,并对其成因进行了探讨。皮壳状—葡萄状白云石中发育明、暗纤状白云石或纹层条带的含少量细晶的纤状—细粒状白云石以及肾状和葡萄状粉细晶白云石;由球形、杆形、孢子形等蓝细菌构成泡沫状结构;明暗、环带状橙红色光或中等橙红色光、核部发光较暗或不发光;与基质白云石相比,葡萄—皮壳状白云石
About the first author Qian Yixiong,born in 1962,Ph.D.,a senoir researcher at Wuxi Institute of Petroleum Exploration & Production Research Institute,SINOPEC. He is mainly engaged in carbonate rocks and reservoirs. Address: No.2060, Lihu Avenue,Binhu district,Wuxi,Jiangsu Province,214126. E-mail: qyx9167@vip.sina.com.
The botryoidal dolostone of a unusual textures features in Qigebulake Formation,in the Upper Sinian developed at Dong'ergou section and Well XH 101 of northern Tarim Basin,has been firstly reported. Constraining its origin based on lithology and geochemical data,the shell-comb or botryoidal dolostone,which consists of shrub fibrous cement,bladed radial as well as granular dolomite crystal with alternately dark and luminescent and zonation,the average of botryoidal dolostone of
皮壳、栉壳状或葡萄状白云岩, 是由直径大者8~10, cm和小者不到1, mm的玛瑙纹带或条带状构造、波状富含有机质的暗色层和纤柱状— 粒状亮晶白云石浅色层交替组成, 往往沿层面、裂隙或孔洞中呈“ 钙华” 状分布。前人对四川盆地及扬子地区的上震旦统灯影组的“ 皮壳— 栉壳状、雪花状或葡萄状白云岩的成因进行了详细的研究。主要认识有: (1)非叠层石生态系的兰细菌构成(张荫本, 1980; 方少仙等, 2003; 郝毅等, 2015; 牟传龙等, 2015), (2)大气水潜流带成因(刘怀仁等, 1991; 向芳等, 1998; 陈明等, 2002; 施泽进等, 2011), (3)多种成岩下产物(方少仙等, 2003; 张杰等, 2014)。虽对柯坪地区的下寒武统— 上震旦统发育的藻白云岩或微生物岩已有研究报道(王小林等, 2010; 宋金民等, 2012; 罗平等, 2013), 至今未曾见有关葡萄状白云岩的报道。本文报道了在阿克苏市西南约30, km的东二沟以及塔北星火101井的上震旦统奇格布拉克组中发现的葡萄状— 皮壳白云岩、少量含云质灰岩基本特征, 它可在早期海水中形成, 或在早期成岩或浅埋藏过程中孔隙内的残余海源流体中形成, 部分经历了较强的大气水作用改造。
上震旦统奇格布拉克组(Z2s)是张太荣(张师本等, 2003)所厘定的, 包括原苏盖特布拉克组上部和肖尔布拉克组下部。高振家等(1985)重新厘定了涵义, 仅包括了肖尔布拉克组下部的白云岩, 厚度141~195, m, 为一套滨海— 浅海相的沉积。东二沟剖面位于阿克苏西南约30, km, 地理坐标为北纬40° 59.29'19″; 东经80° 00'2.22″; 而星火101井位于新和县西南约35, km沙西凸起上(图 1), 肖尔布拉克剖面上的奇格布拉克组中上段均有叠层石发育, 以纹层状组构为主、凝块状组构和隐微生物岩次之。主要为侧向断续的水平、波状、半椭球和半球形的由蓝细菌组成的微生物席, 呈丘状、杂乱状、角砾状, 指示潮下带低水动力— 能量相对高的潮间至潮上带的浅水环境(钱一雄等, 2014)。
东二沟奇格布拉克组的顶部中厚层藻纹层云岩及叠层石中, 不规则形的皮壳状、葡萄状白云石中, 发育了大小为1.5~2.5, cm不规则缝洞, 充填了不同期次的白云石及粗巨晶方解石, 有以下2类组合: (1)边缘为栉壳状— 皮壳状白云石, 由2~3层的明、暗互层的纤状白云石, 中心为粒状中粗晶方解石; (2)呈纹层条带的灰白— 白色细晶— 中粗晶白云石(图 2-a, 2-b)。而星火101井中奇格布拉克组中上部发育了呈皮壳状、肾状和葡萄状粉细晶白云石集合体, 直径为0.5~1.0, mm(图2-c)。
本次室内研究包括以下的主要采样及分析测试项目及批次: (1)阿克苏东二沟12件、星火101井14件, 共计薄片和铸体26件; (2)阴极发光共6件; (3)选送白云岩及缝洞白云石有序度6件; (4)全岩及缝洞充填物的碳氧同位素共41件(包括微区件), 其中, 阿克苏东二沟29件、星火101井22件; (5)锶同位素21件, 其中, 东二沟11件、星火101井10件; (6)常量、微量及稀土元素地球化学分析共10件, 其中, 阿克苏东二沟8件、星火101井2件。白云石有序度分析由成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室完成, 使用仪器为D/max-2500型X射线衍射仪。阴极发光鉴定是在中国石化石油勘探开发研究院构造与沉积储集层实验室完成、所用仪器为BLM-3RX型阴极发光仪。
碳氧稳定同位素是由国家地质实验测试中心矿床所完成, 采用McCrea(1950)100%正磷酸法和Finngan-MAT252气体质谱仪, 分析精度± 0.2‰ 。 首先将样品置温箱中烘干, 然后在真空中与 100%的正磷酸反应, 平衡温度50, ℃, 平衡时间24 h。CO2气体的碳、 氧同位素测定由质谱计MAT251EM; 国际标准V-SMOW, 分析精度为± 0.2‰ ; 根据δ PDB=0.97δ V-SMOW-30.0换算, 分析精度优于± 0.10%。微区碳氧同位素分析采用牙钻钻头直径为1, mm, 并标定为对应(原位)阴极发光图像、将钻取的样品再研磨至小于200目, 方法同上, 由中国科学院地质与地球物理研究所完成。锶同位素是由核工业地质研究院测试中心完成。采用仪器为ISOPROBET热电离质谱仪, 测量精度优于3× 10-6。
岩石化学是由中国地质科学研究院地球物理地球化学研究完成。样品在研磨成粉末前用去离子水清洗; 清洗后, 研磨至200目以下。常量元素中的Ca采用X射线荧光光谱法(XRF)(本次分析中未测SiO2); Hg和As为原子荧光光谱法(CV-AFS); 其他常量、微量元素和稀土元素用等离子体质谱法(ICP-MS)和等离子体光谱法(ICP-OES)测定。 采用标样为GSD-5、GSD-6、GSD-13, 常量元素分析误差小于0.1%; 微量元素的分析误差(包括稀土)在± 1× 10-6。
镜下及阴极发光观察发现: 沿壁发育了成层性或放射状的暗色纹层、纤维状泥粉晶白云石、环沟壁对称向心生长, 中心或中部为粉细晶亮晶白云石(图 3-a, 3-b, 3-c)。泥粉细晶基岩(matrix)白云石中发育了球形、似球形、杆形、蘑菇形、孢子形或瘤状等蓝细菌; 可单列向上生长的串珠状、螺旋状, 或树杈状或棒状群体或由孢子构成的镶嵌状(图 3-d)。可能反映了沉积或早成岩期的蓝细菌的生态; 受成岩作用影响, 仅在近中心部位残留了不发光的富含有机质的蓝细菌外形, 构成微观上的“ 葡萄石” (图 3-a, 3-e); 而在颗粒之间或包绕白云岩碎屑颗粒向四周发育了数量较多的球形、水滴形、杆形、孢子形等, 由于亮晶胶结物淀速度慢, 颗粒外的兰细菌薄膜较厚, 包绕碎屑颗粒生长形成团块状的“ 葡萄状” 白云石组构、总体呈泡沫状结构(foam texture)、而“ 雾心亮边” 中大部分颗粒核部不发光、菱柱形或不规则形白云石(原为蓝细菌)、边部发亮橙黄色; 同时还存在呈不发光的斑点或斑块, 类似于较为生物膜或、不规则聚集体的原地钙化斑状物(凝块)或生物层孔状构造遗迹, 推测为球状蓝细菌微生物占优势的微生物群落所形成(Flü gel, 2004; Gerdes, 2007, 2010)。沿纹层环沟壁对称向中心生长的亮晶白云石可能是表生大气水作用下的产物(图 3-a, 3-d)。
阴极发光有以下4类情形: 基质的泥粉晶云岩, 发暗色橙红色光; 层纹— 条带状的“ 纤状与树枝状” 粉细晶白云石, 具明显的明暗发光及环带状亮橙红色; 刃状(BCD-bladed cement)— 细晶(粒)白云石, 发中等橙红色光; 核部为中粗晶方解石(RCD: Rhomb cement dolomite)或中细晶白云石, 发光较暗或不发光(图 3-c, 3-f)。
对基质、葡萄状以及缝洞中不同充填物不同结构类型白云石可划分为: 泥粉晶(D00)或葡萄状泥粉晶白云石及含云质灰岩(D01); 可细分纹层与栉壳带边缘的纤状— 刃状白云石(D010)、外壳或环带中粉细晶白云石(D011); 粉细晶白云岩(D2)、中细晶白云岩(D3)、中粗晶云岩(D40)或孔洞中的中细晶白云石(D41)、巨粗晶白云石(D50)、孔洞中的中粗晶白云石及含云的方解石(D51)、裂缝的中粗晶— 巨晶白云石(D6)和缝洞中的中粗晶— 巨晶方解石(C7)。白云岩有序度分析表明: 基质中的粉细晶白云岩D1的δ 值为0.63~0.78, 平均为0.72(n=5); 而葡萄石状白云岩D01中的δ 值为0.79, 比前者稍高。
按上述2个剖面中的不同白云岩(化)及缝洞充填物的不同成岩矿物同位素对比( 表 1)不难看出: (1)东二沟中基岩中
若按白云石成岩序列的碳氧同位素值为(表 2): (1)D00(泥粉晶)及D1-D2(粉细晶):
从东二沟及星火101井奇格布拉克组葡萄状白云岩及云质灰岩中的微区碳氧同位素变化(图 5)可见:
1)从皮壳状边缘或暗色不发光的核部(蓝细菌)至边缘, 两者的氧同位素均显示出强烈负漂移, 但基线值不同, 东二沟中
2)星火101井葡萄状白云岩的
3)葡萄状、皮壳状的水平纹层、明暗条带的粉晶云岩中的
一般认为, 海相碳酸盐岩中的Fe, Mn含量相对较低、而Sr、Sr/Ba、Na+K相对较高; Sr/Ba(> 1.0), 仅有深海与滞留浅海环境或非海相碳酸盐岩Sr/Ba< l; 同样, 海水成岩的方解石Sr以及Sr/Ba含量更接近于海水平均值; 而埋藏成岩的方解石或白云石中的Fe、Mn、Sr/Ba相对较高; 而在热水成因碳酸盐岩矿物则具有更高的Si, Sr、F, B、亲铜和亲铁元素等; 而较低的MgO、Fe2O3、Sr、Ba、Na+K等主要反映了碳酸盐岩的淡水淋滤作用(Nicholls, 1967; Cicero and Lohmann, 2001; 钱一雄等, 2009)。
对东二沟及星火101井奇格布拉克组葡萄状白云石及缝洞充填物常量元素分析(表 3); 泥粉晶云岩D00、皮壳状、葡萄状云岩及云质灰岩D01、粉细晶云岩D1及孔洞中的中粗晶白云石或含方解石或孔洞中的粗巨晶方解石的常量元素组成对比发现, 有以下现象:(1)Al2O3含量按D01< D00< D1、Fe2O3按D01< D00< D1、MnO按D01< D1< D00、Na2O+K2O之和D00< D01< D1、P2O5含量按D00< D1< D01依次增加; (2)无论是孔洞中的中粗晶白云石或含方解石或孔洞中的粗巨晶方解石中, 除MnO稍高于上述包括泥粉晶云岩、皮壳状、葡萄状云岩等基岩的对应值外, 其他常量元素含量均大大低于基岩。 因此, 皮壳状、葡萄状白云岩中陆屑或残余孔隙流体中的不混溶组分Al2O3以及沉积环境的Fe2O3、MnO含量均低于基质泥粉晶云岩、但反映盐度Na2O+K2O、有机体的P2O5均高于基质泥粉晶云岩的对应值, 与细晶云岩以及孔洞中的中粗晶白云石等有显著的差别, 反映了它主要受海水沉积或早期海水成岩作用控制(表3和图6)。
类似地, 主要的微量元素或元素比值对比发现, 有以下现象:(1)V含量按D00< D01< D1、Ba按D00< D01< D1、Sr按D00< D1< D01、Sr/Ba 按D1< D00< D01、Sr/Mn按D00< D1< D01、Fe/Mn按D00< D01< D1依次增加; (2)无论是孔洞中的中粗晶白云石或含方解石或孔洞中的粗巨晶方解石中的V含量均低于基岩对应值, 而Ba含量均高于基岩对应值, 溶洞中的方解石的Sr、Sr/Mn高于基岩对应值或比值; 但Sr/Ba、Fe/Mn值相对较低或最低; 而溶洞中的白云石的Sr、Sr/Mn、 Fe/Mn、均低于基岩对应值或比值。
因此, 皮壳状、葡萄状白云岩中Sr、Sr/Ba、Sr/Mn以及低温时活跃的Hg、Cu金属的含量或比值较高, 反映了它受海源流体的影响较为明显, 而随着白云石(结构)化程度的提高, 总体呈现出Sr/Ba、Fe/Mn等减小, Cu略有增加、Hg急剧下降(表3和图6)。
稀土元素分析及分配模式(表 3, 图7)研究表明: (1)泥粉晶云岩D00: 稀土总量为20.94, μ g/g, LREE/HREE 为1.92, δ Eu为0.71(0.75~1.06), δ Ce为0.30; 总体为轻重稀土分异不明显、负铈异常明显; (2)粉晶云岩D1(星火1井): 稀土总量为1.96~2.70, μ g/g, LREE/HREE=1.32~1.54、δ Eu=0.72~0.86、δ Ce=0.71~0.84, 为总量最低、与澳大利亚太古代后页岩(PAAS)(Mcl ennan, 1989)“ 帽型” 配分模式相似; 细晶云岩D2(东二沟)稀土总量25.52, μ g/g, LREE/HREE为0.82, δ Eu为0.76, δ Ce为0.44, 为重稀土富集、负铈异常; (3)皮壳状、葡萄状白云岩及云质灰岩中的D01: 稀土平均总量为12.98, μ g/g, 分布范围10.21~15.75, μ g/g、LREE/HREE平均为0.61(0.53~0.69), δ Eu平均为0.73(0.71~0.74); δ Ce平均为0.44(0.12~0.76); 为重稀土富集、分别呈高(灰云质)和中等的负铈异常(云质); 强烈负铈异常指示了相对还原环境; (4)孔洞中中粗晶白云石及一个含云的方解石D51: 平均稀土总量为26.43, μ g/g, 分布范围13.26~35.39, μ g/g, LREE/HREE平均为0.85(0.70~0.94), δ Eu平均为0.85(0.75~0.91); δ Ce平均为0.35(0.24~0.43), 与D2相类似, 推断是D2经历了重结晶作用形成; (5)孔洞中的粗巨晶方解石C7: 稀土总量为29.50, μ g/g, LREE/HREE为0.43, δ Eu平均为0.92; δ Ce为0.43。
综上所述, 皮壳状、葡萄状白云岩及云质灰岩中的稀土总量介于基质与粉细晶云岩之间, 其LREE/HREE相对较低, δ Eu与基岩相似, δ Ce相对较低, 比泥粉晶白云岩对应值高, 但与粉细晶值相似; 总体呈现出海源流体的特征。
1)在上震旦统的奇格布拉克组顶部白云岩中, 皮壳状、葡萄状白云石有以下3种不同矿物序列: (1)栉壳状— 皮壳状、马牙状的2~3层的明、暗的纤状粉细晶白云石; (2)呈纹层条带的灰白— 白色纤状— 放射状及粒状粉细晶白云石; (3)皮壳状、肾状和葡萄状粉细晶白云石; 其中, 纤状或放射状矿物形态指示了原可能为文石;
2)藻云岩基质与皮壳状、葡萄石状白云石残留了数量较多的球形、杆形、孢子形等蓝细菌, 包绕颗粒生长呈团块状的“ 葡萄状” 或泡沫状结构; 阴极发光有3种: (1)泥粉晶云岩, 发暗色橙红色光; (2)层纹— 条带状的纤状、皮壳状、葡萄石白云石发明暗或环带状橙红色光; (3)细晶白云石, 发中等橙红色光; 中细晶白云石或中粗晶方解石, 较暗或不发光;
3)皮壳状、葡萄石状白云石的暗色(蓝细菌)边缘至核部或中心微区碳氧同位素变化表明, 环带内
4)与基质白云石相比, 葡萄状、皮壳状白云石
5)皮壳状、葡萄石状白云石的韵律纹层或条带内的
6)皮壳状、葡萄状白云岩Al2O3 、Fe2O3 、MnO含量均低于基质泥粉晶云岩对应值、但反映盐度Na2O+K2O、有机体的P2O5或指示海相或海水深度的Sr、Sr/Ba、Sr/Mn值以及低温时活跃的Hg、Cu金属的含量或比值均高于基质泥粉晶云岩的对应值; 反映了受海水影响较为明显; 且随着白云石(结构)化程度的提高, 总体呈现出MnO含量增加; Al2O3 、Fe2O3、Na2O+K2O、P2O5、Sr/Ba、Fe/Mn等值递减;
7)皮壳状、葡萄状白云岩或云质灰岩中的稀土总量介于基质泥粉晶云岩与粉细晶云岩之间, LREE/HREE相对较低, 强烈负铈异常、δ Ce相对较低; 重稀土富集及Y/HO; δ Eu与基岩相似, 上述的轻稀土亏损常指示未经充分分异、保存的海水(Garrison et al., 2013)δ Ce相对较低, 比泥粉晶白云岩对应值高, 但与粉细晶值相似; 而δ Ce相对较低, 比泥粉晶白云岩对应值高, 一般指示了弱还原的沉积环境, 但负铈异常有多种原因, 如硅质陆屑、铁氧化物、含磷等影响(Garrison et al., 2013; Susanne et al., 2013)δ Eu弱负异常, 未指示热液流体的影响(亏损的LREE、正δ Eu及Y异常), 反映出主要形成于弱还原下保存较好的海水条件中(Maree Corkeron et al., 2012)。
综上所述, 皮壳状、葡萄状白云石形成于稳定的温度条件、弱还原条件海水中、或在成岩早期或浅埋藏残余孔隙(海水)中, 推断在间冰期, 大量营养物注入海洋, 促进了光合作用以及大气的氧化过程(Hardie, 2003; Hood et al., 2011; Grant, 2013)。但东二沟皮壳状、葡萄状白云石还经历了与构造抬升有关的大气水作用的强烈的叠加改造。
作者声明没有竞争性利益冲突.
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