四川盆地西部棲霞組熱液白云巖中的自生非碳酸鹽礦物

黃思靜 李小寧 黃可可 蘭葉芳 呂 杰 王春梅

（油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室（成都理工大學），成都610059）

四川盆地西部中二疊統普遍存在白云巖，主要分布于棲霞組。在成分上，這些白云巖以石灰巖／白云巖之間的過渡類型為主，即所謂的灰斑云巖（或云斑灰巖），大多數手標本尺度的巖石樣品中白云石的質量分數都在50%左右［1］。結構研究表明，平直晶面斑狀晶、非平直晶面他形晶和以膠結物形式存在的非平直晶面鞍形晶是主要的結構類型，同時也發育平直晶面半自形—自形晶膠結物［1］。早期的研究趨向于四川盆地中二疊統白云巖為混合水白云化成因［2－4］；以后的研究者提出了不同的成因機制：如何幼斌和馮增昭（1996）認為這些白云巖是埋藏白云化作用的產物，局部存在高溫條件或特殊熱事件的影響［5］；王運生和金以鐘（1997）認為中二疊統的白云巖為埋藏熱液和混合水成因［6］；金振奎和馮增昭（1999）認為白云化流體為淋濾峨眉山玄武巖的大氣降水，鎂離子來自玄武巖中鐵鎂礦物的風化分解［7］；蔣志斌等（2009）認為川西中二疊統白云巖主要由混合水和埋藏白云化作用形成［8］。另外，許多研究者也研究并強調了川西中二疊統白云巖在烴類勘探中的經濟價值［6，9，10］。黃思靜等（2011）的研究表明，四川盆地西部棲霞組在淺埋藏環境中受到了與峨眉山玄武巖有關巖漿活動的熱效應的影響，熱液作用是這些白云巖的主要形成機制，外來熱事件造成的溫度升高克服了白云石沉淀的動力學屏障，尤其是相對低wMg／wCa比值條件下白云石沉淀的動力學屏障［1］。然而，峨眉山玄武巖熱效應持續時間只有6Ma左右，即（257±3）～（263±5）Ma B.P.之間，地層中缺乏足夠的鎂離子，難以使體積上足夠大的碳酸鹽完全白云石化；同時，熱作用停止后的溫度倒退造成了已沉淀白云石的破碎、溶解和方解石的重新沉淀（去白云石化作用）。因此，四川盆地西部棲霞組的白云石化是一種不徹底的和回頭白云石化作用（另文討論），這種白云石化作用形成了特殊構造的灰斑云巖或云斑灰巖（豹斑狀白云巖／灰巖）。

四川盆地西部中二疊統白云巖地層中存在一些特殊的自生非碳酸鹽礦物，主要有螢石、氟磷灰石、伊利石、重晶石、石英和黃鐵礦，并有焦瀝青發育，這些礦物和焦瀝青的存在支持淺埋藏環境中的熱液蝕變作用，本文的主要目的是公布這些礦物的賦存狀態和鑒定依據，并分析其成因。

1 地層、沉積相、埋藏史、熱史與樣品采集和研究方法

四川盆地西部棲霞組的厚度大致在23～313 m 之間［11，12］，部分受到白云石化作用的影響，白云巖的厚度大都在數米至數十米之間，主要集中在棲霞組上部，如川西劍閣長江溝剖面中二疊統白云巖厚度約為40m，川西南ZG1井厚度約為50m。本文按金玉玕等（1999）和李國輝等（2005）對四川盆地海相二疊系三分方案，以及2008年的國際地層表（章森桂等，2009），將棲霞組和茅口組并入中二疊統［11－13］。

中二疊統棲霞組沉積時期，四川盆地西部處于碳酸鹽臺地環境［14］，次級沉積環境包括臺地前緣斜坡、臺地邊緣淺灘和開闊臺地，采集樣品的長江溝剖面、HS1井和K2井的棲霞組都沉積于碳酸鹽臺地邊緣淺灘環境（圖1）。

圖1 四川盆地西部中二疊世棲霞期巖相古地理簡圖Fig.1 Schematic diagram of palaeogeography of Permian Qixia Formation in the west of Sichuan Basin

圖2 四川盆地西部HS1井埋藏史－古熱流分布綜合圖（A）與四川盆地代表性鉆井古熱流值分布圖（B）Fig.2 The synthetic map of burial history－paleoheat flow distribution for Well HS1in the west of Sichuan Basin（A）and the paleoheat flow values distribution map for representative wells in Sichuan Basin（B）

研究區二疊系埋藏史曲線如圖2－A所示。可以看出，二疊系沉積以來，海西期（東吳運動）經歷了一次隆升，因為峨眉山玄武巖噴發前巖漿上涌形成穹隆，造成當時已沉積的茅口組遭受了不同程度的剝蝕（被剝蝕厚度與距離峨眉山火成巖省的距離有關）［15］。印支期經歷了先沉降后隆升的局面，至燕山早期再次發生沉降，直至喜馬拉雅期隆升至今。結合前人對分布在四川盆地內鉆井的研究（朱傳慶等，2009），整個四川盆地西部的二疊系所經歷過的最大埋藏深度大致在7km左右（圖2－A）［16］。

朱傳慶等（2010）的研究表明，在距今259Ma左右（中二疊世末），四川盆地西部古熱流達到最大值（圖2－B），多數鉆井的最高古熱流在60～80 mW／m2之間，少數鉆井經歷的最高古熱流超過了100mW／m2。熱流特征的變化反映了東吳運動期間峨眉山玄武巖噴發時巖漿活動的熱效應，該過程對當時處于淺埋藏環境的棲霞組的成巖作用造成了顯著的影響［17］。

本文樣品主要采自四川盆地西部劍閣縣的長江溝剖面、HS1井、K2井和WJ1井（圖1）。樣品主要分布于棲霞組，個別樣品采自茅口組底部。

碳酸鹽巖的成分、結構和自生非碳酸鹽礦物的研究主要借助于偏光顯微鏡，一些自生礦物首先是在偏光顯微鏡下識別的，這也有利于其賦存狀態的觀察和分析。在此基礎上，借助于掃描電子顯微鏡進一步觀察其超微形態、結構及其與其他礦物的共生占位關系，并通過能譜分析進一步確認其元素組成和含量。分析采用的是成都理工大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室的FEI Quanta 250FEG環境掃描電子顯微鏡，并在作為電鏡附件的Oxford INCAx－max 20能譜儀上進行成分分析。

2 研究結果

四川盆地西部中二疊統白云巖地層中的自生非碳酸鹽礦物的主要類型有伊利石、螢石、氟磷灰石、石英、重晶石和黃鐵礦（也包括作為碳酸鹽礦物的菱鐵礦）等。另外，為了討論上的方便，本文將焦瀝青列入到了自生礦物中。川西中二疊統白云巖地層中的螢石、氟磷灰石和重晶石等礦物都是本文首次報道。魏國齊等（2006）在研究川西地區中二疊統棲霞組沉積體系－儲層成因及展布時報道了白云石晶間伊利石的存在［18］。圖3是部分自生礦物的能譜曲線，表1列出了從能譜分析獲得的這些自生非碳酸鹽礦物（包括菱鐵礦）的元素組成和相應的原子百分比。圖4～圖9是這些礦物（含焦瀝青）在薄片下或掃描電鏡下的形態特征及賦存方式。下面我們將分別討論自生礦物的主要類型的特征、賦存狀態、鑒定依據以及與伴生礦物間的結構關系。

圖3 四川盆地西部中二疊統棲霞組自生非碳酸鹽礦物能譜曲線Fig.3 Energy dispersion X－ray analysis curves of authigenic noncarbonate minerals from Qixia Formation of Middle Permian in the west of Sichuan Basin

表1 四川盆地西部中二疊統自生非碳酸鹽礦物（含菱鐵礦）的元素組成和相應的原子百分比（能譜分析結果）Table 1 Elementary composition and corresponding atomic percentage of authigenic noncarbonate minerals（including siderite）in Middle Permian on the west of Sichuan Basin（Energy dispersive X－ray analysis）

2.1 伊利石

薄片尺度下即可以識別出自生伊利石（圖4－A，B），并在掃描電子顯微鏡下通過能譜對其存在進行了進一步確認（圖4－C，D；圖3－A；表1）。我們在四川盆地西部地表剖面和井下樣品的中二疊統棲霞組的白云巖中都見到了自生伊利石，說明自生伊利石在川西棲霞組白云巖中是普遍存在的。巖石結構分析表明，自生伊利石賦存于白云石的晶間孔中。由于一些伊利石充填的晶間孔中存在具有與白云石主晶干涉色一致的白云石碎屑（圖4－B），說明這些白云石晶間孔疊加了溶解作用，掃描電子顯微鏡觀察中的自生伊利石與大量的不明碎屑物質（可能是細小的溶解殘余物，有的可能是不溶殘余物質，圖4－C，D）伴生，同樣說明自生伊利石賦存的一部分空間存在白云石的溶解作用。

圖4 棲霞組白云巖晶間溶孔中充填的自生伊利石Fig.4 Authigenic illites filled in the intercrystalline dissolution pores of Qixia Formation dolomites

2.2 螢石

螢石也是四川盆地西部中二疊統棲霞組中廣泛存在的自生非碳酸鹽礦物，但由于晶體很小而一直沒有被人們發現和報道。實際上，在薄片尺度下我們即可以識別出自生螢石（圖5），同時也只有在薄片尺度的顯微鏡觀察中才能研究這些自生螢石的產出方式與賦存狀態。在薄片觀察的基礎上，通過掃描電子顯微鏡和能譜分析進一步確認了自生螢石的存在（圖3－B；表1），并通過二次電子背散射圖像研究了螢石的賦存狀態（圖5－D）。結構分析表明，自生螢石主要賦存于白云石溶解后的晶內孔中（圖5），這些晶內孔可以小到無法在薄片尺度下識別；但大的也可以在0.2 mm以上。賦存螢石的白云石的晶內孔主要是膠結物的晶內孔，尤其是鞍形晶膠結物的晶內孔（圖5－A，B）。單個螢石晶體的大小主要在10～200 μm之間（圖5），在掃描電子顯微鏡尺度下的能譜面掃描圖像（圖5－D）中，可以見到自生螢石晶體包裹被交代的白云石殘晶的現象，顯示螢石的存在和白云石溶解間的密切關系，多數螢石為交代鞍形白云石的產物。

2.3 磷灰石

磷灰石也是川西中二疊統棲霞組白云巖中較為普遍的自生礦物，地表剖面和井下樣品中都有發現（表1）。磷灰石呈自形的粒狀晶體且晶體很小，粒徑主要分布在幾微米至20μm的范圍內（圖6），但仍然顯示出自生成因。一些磷灰石和自生伊利石伴生（圖6－B），說明其形成機制與自生伊利石之間的密切關系。能譜分析（圖3－C；表1）表明，這些磷灰石均為氟磷灰石。

2.4 其他自生非碳酸鹽礦物

其他的自生非碳酸鹽礦物還有石英、重晶石和黃鐵礦等（一些樣品中還見到作為碳酸鹽礦物的菱鐵礦），亦主要分布在白云石晶間，包括與溶解作用有關的晶間孔隙（如圖7中的自生石英），電鏡下見重晶石分布于白云石晶體表面（圖8）。圖3－D和圖3－E分別給出自生石英和重晶石的能譜曲線。除自生石英和黃鐵礦晶體較大，且可以在薄片尺度下識別以外，其他各種礦物的晶體大小都在幾微米至20μm的粒度級別內。自生石英的產出方式在很大程度上與自生伊利石類似，同時也有與自生伊利石共生的現象（圖7－C），其所分布的空間經常有較多的未知碎屑礦物，可能是溶解物質或溶解殘余物質（圖7－A，B）。

圖5 鞍形白云石膠結物的溶解及溶解孔洞中螢石的沉淀Fig.5 The dissolution of saddle dolomite cements and the precipitation of fluorite in the dissolved pores（arrows）

圖6 棲霞組白云石晶間的自生氟磷灰石Fig.6 Authigenic fluorapatite in intercrystalline pores of Qixia Formation dolomite

圖7 棲霞組白云石晶間以六方柱自形晶方式存在的自生石英，晶間孔隙中有不溶殘余物堆積Fig.7 Hexagonalprism－shaped authigenic quartz in intercrystalline pores of Qixia Formation dolomite，and impurities accumulated in intercrystalline pores

圖8 棲霞組白云石晶間孔中的重晶石Fig.8 Barite in the intercrystalline pores of Qixia Formation dolomite

2.5 焦瀝青

為了討論上的方便，本文將焦瀝青列入到了自生礦物中。我們在WJ1井深度為4 041.22m的棲霞組見到了焦瀝青，能譜分析表明其碳原子的數量均在94%左右，同時存在少量的硫（圖3－F；表1）。這些焦瀝青均分布在平直晶面自形晶白云石膠結物的晶間孔中（圖9），樣品沒有顯示白云石的明顯溶解，一些樣品中的焦瀝青限制了白云石的生長，因而這些碳化瀝青的形成可能與這些白云石膠結物是同時的。如果是這樣，焦瀝青可能主要是在淺埋藏環境中形成。雖然以后的深埋藏條件也會有瀝青形成，但這些瀝青經常是乳滴狀。這種乳滴狀的瀝青經常見于川東北長興組中。

圖9 棲霞組白云石晶間的焦瀝青Fig.9 Pyrobitumen in intercrystalline pores of Qixia Formation dolomite（arrows）

3 討論

四川盆地西部中二疊統棲霞組各種自生非碳酸鹽礦物賦存于白云石的晶間／晶內孔中或白云石溶解形成的各種孔隙中。已有研究表明，川西中二疊統棲霞組不同結構白云石的包裹體均一化溫度主要分布在80～180℃之間，平均值為136℃，非平直晶面鞍形晶可達243℃。距今259 Ma左右（中二疊世末），四川盆地西部經歷了與峨眉山玄武巖有關的熱事件，古熱流達60～80 mW／m2（少數鉆井＞100mW／m2），外來熱事件造成的溫度升高克服了白云石沉淀的動力學屏障，尤其是相對低wMg／wCa比值條件下白云石沉淀的動力學屏障，熱液作用是這些白云巖的主要形成機制。熱液作用發生在埋藏深度＜500m的淺埋藏環境，熱液作用結束后，溫度降低造成的倒退溶解使得白云石、尤其是形成溫度很高的鞍形白云石溶解，因而，四川盆地西部中二疊統棲霞組的白云石化作用也是一種不徹底的回頭白云石化作用。基于此，我們可以認為，川西中二疊統與白云石共生的自生非碳酸鹽礦物也主要是熱液蝕變成因的。

西加拿大沉積盆地與熱液有關的白云巖儲層也存在形態和產出方式與川西中二疊統白云巖中類似的自生伊利石。Davies（2004）在研究這種白云巖儲層形成機制的時候，將自生伊利石作為重要的熱液礦物，其形成還伴隨了淺埋藏環境中與熱液作用有關的有機質強迫成熟，因而代表相對高溫的伊利石指示了外來熱液作用的存在［19］。

由于四川盆地西部中二疊統中的自生螢石晶體很小，我們沒有在包裹體薄片中識別出螢石，因而也沒有獲得相應的包裹體均一化溫度；但賦存螢石的鞍形白云石主晶的包裹體均一化溫度主要分布在110～180℃，最高可達240℃。雖然螢石充填在因溫度下降導致白云石溶解形成的晶內孔中，但可以推算這些自生螢石的沉淀溫度也應在100℃以上。從形成機制來說，內生地質作用廣泛存在熱液成因的螢石，包括螢石礦床，沉積巖中的螢石主要形成于高鹽度的蒸發環境，與石膏等蒸發礦物共生，這與缺乏蒸發鹽的川西棲霞組沉積條件不一致。

Zeeh（1995）報道過奧地利Carinthia Range侏羅系 Wetterstein組熱液白云巖中的螢石，其形成機制與本文描述的螢石具有類似的產出方式和成因，螢石與鞍形白云石共生，作為交代鞍形白云石的產物，螢石晶體包含大量的白云石包體。作者認為白云石被螢石交代指示了原始白云石化流體的改變［20］。我們認為螢石的沉淀可能也與熱液作用結束后溫度降低和Mg離子的消耗有關，溫度的降低和Mg離子的消耗恢復了白云石沉淀的動力學屏障，并導致了白云石的溶解（尤其是作為高溫條件下沉淀的鞍形白云石的溶解）和螢石、氟磷灰石等以Ca作為陽離子（實際上也包括方解石）的自生礦物的沉淀；重晶石、石英和黃鐵礦可能也主要是與熱液蝕變有關的礦物。

川西中二疊統棲霞組白云巖中的焦瀝青的存在也可能指示了一種熱蝕變環境，這些焦瀝青在形態上完全不同于川東北長興組乳滴狀瀝青，可能與Davies（2004）在研究西加拿大沉積盆地與熱液有關的白云巖儲層形成機制的時候提到的焦瀝青類似，他認為這種焦瀝青可能是瀝青的熱液蝕變殘余物，是原始圍巖灰巖中的少量干酪根在高溫流體進入時被強迫成熟的。我們同意Davies（2004）的觀點，四川盆地西部中二疊統白云巖中的焦瀝青形成于埋藏深度＜500m的淺埋藏條件下，地熱增溫不支持這種焦瀝青的形成，它們應該是與外來熱事件有關的有機質強迫成熟的結果。值得注意的是黃第藩和王蘭生（2008）曾討論過本文采集樣品的川西北礦山梁地區瀝青脈的地球化學特征，認為這些瀝青脈不是生物降解成因，其熱成熟度偏高，并認為與深埋地下經長期熱蝕變和擴散作用有關［21］。我們相信與峨眉山玄武巖有關的熱事件對這些焦瀝青的地球化學特征具有強烈的影響。

4 結論

a.四川盆地西部中二疊統白云巖中發育有螢石、氟磷灰石、伊利石、重晶石、石英和黃鐵礦等自生非碳酸鹽礦物和代表有機質過成熟的焦瀝青，各種礦物主要賦存于白云石晶間／晶內孔和溶孔中，尤其是由鞍形白云石溶解形成的晶內孔隙中，一些自生礦物（如螢石）有交代主晶鞍形白云石的現象。

b.考慮到賦存這些自生非碳酸鹽礦物的白云石是在淺埋藏環境中形成的，其包裹體均一化溫度主要分布在80～180℃之間，結合距今259 Ma左右四川盆地西部所經歷的與峨眉山玄武巖有關的熱事件（該過程導致了棲霞組碳酸鹽巖成巖歷史中最大古熱流值），可以認為這些自生非碳酸鹽礦物的形成與熱事件有關，它們是熱液蝕變礦物。

c.在各種自生礦物中，螢石、氟磷灰石（也包括一些方解石）等以Ca作為陽離子的礦物的形成指示了熱液白云石沉淀后溫度的降低（可能從＞200℃的熱液溫度最終降至淺埋藏的地層溫度附近）、Mg離子的消耗、白云石沉淀動力學屏障的建立所造成的白云石溶解和流體性質的改變。

d.伊利石的形成代表了熱作用造成的黏土礦物的沉淀或與黏土礦物的強迫演化有關的非正常熱演化過程，白云石晶間焦瀝青的存在代表了有機質因熱蝕變而發生的強迫成熟、過成熟和有機質的非正常熱演化過程。

中國石油勘探開發研究院的池英柳高級工程師、楊曉萍高級工程師、薄冬梅博士、江青春博士和川西北礦區張豫高級工程師參加了野外工作，成都理工大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室馮明石老師參加了掃描電鏡和能譜分析工作，作者在此向他們表示衷心感謝。

［1］黃思靜，呂杰，蘭葉芳，等.四川盆地西部中二疊統白云巖／石的主要結構類型——兼論其與川東北上二疊統—三疊系白云巖／石的差異［J］.巖石學報，2011，27（8）：2253－2262.

［2］張蔭本.四川盆地二疊系中的白云巖化［J］.石油學報，1982，3（1）：29－33.

［3］宋文海.四川盆地二疊統白云巖的分布及天然氣勘探［J］.天然氣工業，1985，5（4）：16－23.

［4］陳明啟.川西南下二疊陽新統白云巖成因探討［J］.沉積學報，1989，7（2）：45－50.

［5］何幼斌，馮增昭.四川盆地及其周緣下二疊統細—粗晶白云巖成因探討［J］.江漢石油學院學報，1996，18（4）：15－20.

［6］王運生，金以鐘.四川盆地下二疊統白云巖及古巖溶的形成與峨眉地裂運動的關系［J］.成都理工學院學報：自然科學版，1997，24（1）：8－16.

［7］金振奎，馮增昭.滇東—川西下二疊統白云巖的形成機理——玄武巖淋濾白云化［J］.沉積學報，1999，17（3）：383－389.

［8］蔣志斌，王興志，曾德銘，等.川西北下二疊統棲霞組有利成巖作用與孔隙演化［J］.中國地質，2009，36（1）：101－109.

［9］徐世琦，周建文，曾慶，等.龍門山北段二疊系棲霞組二段白云巖儲層特征［J］.天然氣工業，2005，25（增刊A）：59－61.

［10］石新，王興志，張帆，等.川西北地區棲霞組白云巖儲集層研究［J］.西南石油學院學報，2005，27（2）：13－16.

［11］金玉玕，王向東，尚慶華，等.中國二疊紀年代地層劃分和對比［J］.地質學報，1999，73（2）：97－108.

［12］李國輝，李翔，宋蜀筠，等.四川盆地二疊系三分及其意義［J］.天然氣勘探與開發，2005，28（3）：20－25.

［13］章森桂，張允白，嚴惠君.“國際地層表”（2008）簡介［J］.地層學雜志，2009，33（1）：1－10.

［14］魏國齊，楊威，李躍綱，等.川西地區下二疊統棲霞組沉積體系－儲層成因及展布［C］／／第二屆中國石油地質年會：中國油氣勘探潛力及可持續發展論文集.北京：石油工業出版社，2006：1－6.

［15］何斌，徐義剛，王雅玫，等.用沉積記錄來估計峨眉山玄武巖噴發前段地殼抬升幅度［J］.大地構造與成礦學，2005，29（3）：316－320.

［16］朱傳慶，徐明，單競男，等.利用古溫標恢復四川盆地主要構造運動時期的剝蝕量［J］.中國地質，2009，36（6）：1268－1277.

［17］朱傳慶，徐明，袁玉松，等.峨眉山玄武巖噴發在四川盆地的地熱學響應［J］.科學通報，2010，55（6）：474－482.

［18］魏國齊，楊威，朱永剛，等.川西地區中二疊統棲霞組沉積體系［J］.石油與天然氣地質，2010，31（4）：442－448.

［19］Davies G R.Hydrothermal（thermobaric）dolomitization：Rock fabrics and organic petrology［C］／／Dolomites－The spectrum：Mechanisms，models，reservoir development，Canadian Society of Petroleum Geologists，Seminar and Core Conference.Calgary，Extended Abstracts，CD format，2004：1－20.

［20］Zeeh S.Complex replacement of saddle dolomite by fluorite within zebra dolomites［J］.Mineralium Deposita，1995，30：469－475.

［21］黃第藩，王蘭生.川西北礦山梁地區瀝青脈地球化學特征及其意義［J］.石油學報，2008，29（1）：23－28.