川西北中二疊統棲霞組豹斑灰巖特征與成因

郝 毅 林良彪 周進高 倪 超 張建勇 陳 薇

（1.中國石油 杭州地質研究院，杭州310023；2.成都理工大學 沉積地質研究院，成都610059）

川西北地區在構造位置上處于上揚子準地臺北部邊緣的3個次級構造帶的交匯部位［1］。棲霞組下部主要為深灰－黑灰色生屑灰巖，含泥質較重；上部主要為灰色生屑灰巖，局部夾白云巖或硅質結核，生物繁茂；總厚度一般為100～200m［2］，沉積環境屬于碳酸鹽臺地［3］或緩坡［4］。中二疊統棲霞組一直以來都是四川盆地重要的勘探領域［4－9］，也是研究的重點。棲霞組一般自下而上分為棲一段和棲二段，豹斑灰巖主要發育在棲二段頂部，雖然厚度為2～37m不等［10］，但在川西北地區廣泛分布。豹斑灰巖都位于一套較為優質的白云巖儲層之上（圖1），雖然這套白云巖儲層的研究程度較高［11－16］，但其上部的豹斑灰巖卻被提及甚少；因此，本文嘗試對這套豹斑灰巖的特征和成因進行研究，以供探討。

1 豹斑灰巖的特征

1.1 豹斑灰巖的解釋

豹斑灰巖又稱豹皮灰巖，是一種特殊的石灰巖。1949年之前，地質學家在描述華北奧陶紀地層時，就運用了豹皮灰巖這個名稱，形象地描述了這種花斑狀的石灰巖，后來一直為地質工作者所沿用［17］。豹斑灰巖的特征與成因也曾有一些學者做過研究［18－22］。豹斑灰巖只是一個根據外觀上的形意定名，從巖石學的角度應當稱之為云化不均勻的“云斑狀灰巖”。之所以不稱為云質灰巖，是因為兩者還是有區別的，通常所說的云質灰巖中白云石的質量分數在25%～50%之間，且白云石在巖石中的分布一般較均勻。而在顯微下，研究區豹斑灰巖中的白云巖部分是很純的，白云石的質量分數在95%以上，白云石化較為徹底；而且白云巖跟基質生屑灰巖的界線往往是比較清晰明顯的，只有少量白云石晶體生長于基質灰巖中。因此，研究區的豹斑灰巖其實就是經歷了不均勻白云石化作用的“云斑狀灰巖”。

1.2 豹斑灰巖宏觀特征

圖1 川西北長江溝剖面棲霞組巖性柱狀圖Fig.1 Lithological column of the Qixia Formation in Changjianggou outcrop，Northwest Sichuan

在野外露頭上，豹斑灰巖的宏觀特征較明顯（圖2－A，B），整個巖石經歷了不均勻的白云石化作用，灰白色的為泥晶生屑灰巖，暗色的為白云巖或含泥質白云巖。泥晶生屑灰巖可以看作是白云巖的宿主或載體，白云巖主要沿著宿主灰巖的裂縫或孔洞發育，兩者明暗相間，如同豹紋一般。此外，由于差異風化作用，暗色白云巖部分往往略微突出一些。在個別巖心上也可以見到豹斑灰巖的局部特征，與野外露頭類似，白云巖與灰巖界線一般比較明顯（圖2－C，D）。

1.3 豹斑灰巖微觀特征

野外露頭及巖心的薄片樣品在鏡下觀察可見（圖3），豹斑灰巖中的白云巖部分為含泥白云巖或較純的白云巖。白云石晶體主要為細－中晶，晶形較好，以自形晶為主，局部可見殘留的生屑結構（圖3－A箭頭所示），大部分白云石晶體霧心亮邊現象明顯，主要為交代成因。灰巖部分為泥晶生屑灰巖，生屑含量高，局部含少量白云石晶粒。白云巖與宿主生屑灰巖界線明顯（圖3－B）或呈漸變過渡關系（圖3－E）。在白云巖中偶爾可以見到沒有被云化的宿主灰巖“俘虜體”，類似巖漿巖中的圍巖“俘虜體”。這至少說明白云石化形成時，宿主灰巖早已固結成巖且較為致密，因此未受到白云石化流體的影響。另外局部可見極粗晶的白云石晶粒（圖3－D），應該是在有孔隙空間的情況下自由生長的結果，因此其生長的地方原本可能是一個較大的孔洞。

2 成因分析

對豹斑形態的成因目前有幾種不同的解釋，有的學者認為云斑狀白云巖可能屬于灰巖中的白云質粒屑，是由異地搬運而來［18］；有的學者認為豹斑灰巖其實是一種碳酸鹽糜棱巖［19］。要想解釋清楚豹斑灰巖的成因，需要解決2個問題。第一個是豹斑灰巖特殊分布形態的原因；第二是白云石化的成因。大多數學者認為，豹斑灰巖的分布形態是與生物活動有關的［20－22］，掘穴生物在半固結的碳酸鹽沉積物中活動造成潛穴，為后期的白云石化流體提供了通道和存儲空間，也就是說豹斑的分布形態基本就是生物潛穴的形態。筆者認為，在不同地區的不同層位中，類似的現象可能確實存在不同的合理解釋（前面所述的例子主要來自華北地區，層位主要是寒武系和奧陶系，無論從地區上及層位上跟本文研究區還是有很大差別的）。就本研究區的目的層而言，豹斑灰巖分布形態很可能是與棲霞末期的暴露溶蝕作用有關的。野外剖面上可以看到，白云石斑塊的形態與各種小型溶溝、溶斗、溶洞的形態類似（圖2－A），這些孔洞可能被垮塌物充填或者半充填后埋藏，為后期的白云石化流體提供了通道和空間；另外，在巖心中也看到過這種溶蝕垮塌現象的直接證據（圖4）。

對于白云石化成因問題的看法和認識也比較多，主要有混合水模式［10］、埋藏模式［20，21］、滲透回流模式［21］、大氣淡水影響［22］等。筆者針對研究區棲霞組豹斑灰巖進行了一些樣品分析，從白云石有序度的研究中我們可以發現（表1），除了豹斑灰巖外，3口鉆井的棲霞組上部白云巖的白云石有序度都是很高的，為0.8～0.95，平均可達0.85；而豹斑灰巖中云斑的白云石有序度平均僅有0.49。白云石有序度較低是白云石快速形成的標志。前面已經提到，研究區豹斑灰巖的云斑中可以見到宿主灰巖的“俘虜體”，因此，白云石肯定不是在潮坪環境下同生或準同生時期形成的，至少形成于宿主灰巖固結之后。碳氧同位素分析數據也支持豹斑灰巖的形成未受到早期大氣淡水作用的影響（δ13C平均為2.57‰，δ18O 平均為－4.567‰）。而如果埋藏太深的話，地溫較高，加上地層、孔隙流體參與，Mg2＋會不斷置換Ca2＋，白云石晶體結構不斷進行調整，其有序度也會不斷增高［23］。因此，可以推斷研究區豹斑灰巖的云斑應該是在淺埋藏時期形成的。

圖2 豹斑灰巖在野外露頭及巖心的宏觀特征Fig.2 Macroscopic features of leopard limestone in outcrops and drilling cores

表1 棲霞組白云石有序度分析Table 1 Ordering degree analysis of dolomite from Qixia Formation

白云石化流體的運移方向很可能是自下而上的。據前所述，豹斑灰巖中的白云石形成于成巖之后的淺埋藏期，從縱向剖面來看（圖1），地層由下至上是一個純白云巖到豹斑灰巖的變化，富Mg2＋流體由下而上運移也是合理的。薄片下也可以看到白云石化流體具有一定的方向性，有較大的生屑或方解石脈阻擋的時候，白云巖與宿主灰巖之間的界線清晰，否則往往呈過渡狀（圖3－B，E）；而其上覆的茅口組底部往往都是海侵形成的泥質巖或灰質泥巖，具有一定的封堵能力。陰極發光和掃描電鏡顯示，白云石化流體先對前期縫洞系統中垮塌的生屑灰巖進行交代作用，陰極發光實驗中發暗光（圖3－F，H）；后沿顆粒邊緣向著自形晶形態（菱形）生長，陰極發光實驗中發亮紅色光（圖3－F，H）；在白云石形成之后，局部還有一期亮晶方解石的膠結作用（圖3－G），陰極發光實驗中幾乎不發光（圖3－H）。掃描電鏡可以明顯地看到，豹斑灰巖局部發育溶蝕孔洞，說明白云石化流體有可能還伴隨著強烈的溶蝕作用（圖3－I）。另外，在豹斑灰巖之下的白云巖地層中見到了一些熱液白云石的證據（圖5），如鞍狀白云石、斑馬紋狀白云石等，從側面說明白云石化流體來源與埋藏熱液可能有著一定的關系。

圖3 豹斑灰巖的微觀特征Fig.3 Microscopic features of leopard limestone

圖4 巖溶角礫巖Fig.4 Karst breccia

3 認識

圖5 熱液白云石證據Fig.5 The evidences of hydrothermal dolomite

本文嘗試對川西北中二疊統棲霞組頂部豹斑灰巖的特征和成因做出分析，并得出以下初步認識：（1）豹斑灰巖分布形態很可能與棲霞末期的暴露溶蝕作用有關，溶蝕作用產生的縫洞系統控制了豹斑灰巖的分布形態；（2）白云石化作用形成的時間應該是成巖之后的淺埋藏時期；（3）白云石化流體可能與深部熱液有關，運移方向是由下而上的，由于流體供應有限加上茅口組底部泥質巖封堵等原因，白云石化作用在棲霞組頂部結束；（4）白云石化流體除了可以形成白云石外，可能還伴隨著一定的溶蝕作用。

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