四川盆地東部石炭系黃龍組白云巖成因

劉詩宇，胡明毅，胡忠貴，戴危艷（1.長江大學油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室，武漢430100；2.長江大學地球科學學院，武漢430100）

四川盆地東部石炭系黃龍組白云巖成因

劉詩宇1，2，胡明毅1，2，胡忠貴1，2，戴危艷1，2
（1.長江大學油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室，武漢430100；2.長江大學地球科學學院，武漢430100）

四川盆地東部石炭系黃龍組是重要的天然氣產層，白云石化作用是優質儲層發育的必要條件，白云石化成因類型研究對該區油氣勘探具有重要意義。根據巖心和野外剖面觀察與描述，結合薄片資料，認為區內黃龍組主要發育以下幾種類型的白云巖：泥—微晶白云巖、粉—細晶白云巖和殘余顆粒粉—細晶白云巖等，以及充填于孔、洞或縫中的白云石膠結物。結合X射線衍射分析數據和穩定同位素δ13C與δ18Ο資料，發現該區不同類型的白云巖以及白云石膠結物的形成條件和物性特征各異，分別用不同的成因模式來解釋更為合理，在此基礎上總結了黃龍組具有如下4種白云巖成因模式：泥—微晶白云巖的蒸發泵白云石化成巖模式、（殘余顆粒）粉—細晶白云巖的埋藏壓實白云石化成巖模式、淡水白云巖的調整白云石化成巖模式和異形白云巖的構造熱液白云石化成巖模式。

白云巖；白云石化；成因模式；黃龍組；川東地區

0　引言

四川盆地東部（包括川東、渝東和渝北地區）石炭系自鉆獲工業氣流以來，其天然氣儲量和產量均居四川盆地各層系氣藏之首［1］。在四川盆地東部主力產層中，石炭系黃龍組對氣藏產量貢獻較大，是重要的勘探開發層系。白云巖儲層是現今四川盆地最重要的碳酸鹽巖儲集層。研究表明，白云石化作用對碳酸鹽巖優質儲層形成的影響最為顯著［2-6］。白云巖的成因問題是碳酸鹽巖巖石學研究中最為復雜的問題，白云巖的各種生成機理及解釋層出不窮，僅就四川盆地東部地區白云巖成因而言，我國石油地質工作者就先后提出了回流滲透白云石化、蒸發泵白云石化、混合水白云石化、埋藏白云石化和構造熱液白云石化等多種成因模式［1-6］。目前，對不同結構特征白云巖的成因解釋尚未達成共識。如郭一華［4］認為粉晶白云巖成層性好，且發育窗格孔和干裂縫等，因而判定為準同生白云巖；王蘭生等［5］將顆粒與晶粒白云巖中粉晶白云石的成因歸結為混合水白云石化；胡忠貴等［6］依據巖石結構、Sr含量和地球化學特征，將顆粒白云巖和粉—細晶白云巖解釋為埋藏白云石化作用的產物，因此加強四川盆地東部黃龍組白云巖成因研究顯得尤為重要。筆者在前人研究基礎上，通過對四川盆地東部石炭系黃龍組巖心和野外剖面進行觀察與描述，結合薄片資料和相關物性資料，從微觀角度對各類白云巖進行定量化標定，并結合X射線衍射分析和穩定同位素δ13C與δ18Ο的地球化學特征，對白云巖成因模式進行研究，以期為探討四川盆地東部的白云巖儲層形成條件以及儲層預測均提供依據。

1　地質概況

四川盆地東部北抵城口、南達涪陵、西至南充、東鄰巫山，面積約5.78萬km2［圖1（a）］。構造上隸屬于川東高陡弧形褶皺帶，北與大巴山古陸相連，南鄰滇正古陸，西鄰川中古陸，為三面環山的局限海灣潮坪環境。從研究區白云巖厚度圖［圖1（b）］可以看出，四川盆地東部廣泛發育白云巖，達州以南大部分地區白云巖厚度為20～50 m，局部地區厚度大于50 m。

圖1　四川盆地東部構造分布（a）及白云巖厚度（b）Fig.1Distribution of construction（a）and isopach map of dolomite（b）in eastern Sichuan Basin

受海西運動的影響，四川盆地東部大部分地區僅殘存不完整的上石炭統黃龍組，其不整合超覆于中志留統韓家店組之上，頂部與下二疊統梁山組煤系地層不整合接觸。區內黃龍組厚3.5～86.0 m，平均為28.2 m。通過對區內40口取心井巖心的描述，結合野外剖面實測資料及顯微鏡下巖石薄片鑒定資料，黃龍組自下而上可分為3個巖性段［6］：一段（C2hl1）為深灰色或褐灰色去膏化、各種粒級的白云巖，可見去白云石化粉—細晶次生灰巖與泥—微晶白云巖互層，厚度為0～20 m；二段（C2hl2）發育褐灰色泥—微晶白云巖、粉—細晶白云巖和顆粒白云巖，也可見白云質巖溶角礫巖，巖性整體上以白云巖為主，為儲層相對較好的層位，厚度為0～50 m；三段（C2hl3）巖性主要為泥—微晶（少量粉晶）灰巖，偶含少量有孔蟲等生物碎屑，也可見灰質巖溶角礫巖，厚度為0～25.3 m。

2　白云巖類型劃分及其巖石學特征

從結構類型上看，四川盆地東部石炭系黃龍組白云巖主要包括泥—微晶白云巖、粉—細晶白云巖（圖版Ⅰ-1）、殘余顆粒粉—細晶白云巖以及白云質巖溶角礫巖（圖版Ⅰ-2～Ⅰ-4）等巖石類型，還有一部分中—粗晶白云石以及異形中—粗晶和巨晶白云石晶簇以充填物的形式出現在溶蝕孔、洞或縫中。

2.1泥—微晶白云巖

晚石炭世早期，泥—微晶白云巖為四川盆地石炭系黃龍組常見的白云巖類型。選取5張由泥—微晶白云巖制成的薄片，在顯微鏡下發現，白云石晶體大小為3～4 um，呈他形粒狀結構，晶間往往充填有有機質和方解石等雜質（圖版Ⅰ-5），缺乏生物活動痕跡，偶見藻屑紋層結構。5塊泥—微晶白云巖樣品的物性資料統計表明，其孔隙度為0.68%～2.42%，平均為1.15%，面孔率小于1%，屬于低孔、低滲型非儲層。

2.2（殘余顆粒）粉—細晶白云巖

晚石炭世中晚期，白云巖儲層主要由粉—細晶白云巖（圖版Ⅰ-6）和殘余顆粒粉—細晶白云巖組成。同樣選取5塊該類白云巖樣品制成薄片，在顯微鏡下觀察發現，白云石晶體大小為40～160 μm，以半自形晶和自形晶為主。該類白云石重結晶作用明顯，具有典型的“亮邊霧心”結構。粉—細晶白云巖和殘余顆粒粉—細晶白云巖的孔隙類型主要為晶間孔和晶間溶孔，部分晶間孔充填有淡水方解石或瀝青。10塊該類白云巖的物性資料統計表明，其孔隙度為8%～12%，平均為10%，面孔率普遍大于5%，屬于高孔、高滲型儲層。

2.3白云石膠結物

研究區的白云石膠結物通常以2種方式存在：①巖溶角礫巖中常見的充填于孔、洞或縫中的白云石膠結物。在顯微鏡下，該類白云石干凈且明亮，以自形晶為主（圖版Ⅰ-7），其溶蝕邊界清晰，常與淡水方解石共生，為淡水白云石。②以沿古巖溶孔、洞或縫中充填物的形式出現的白云石（圖版Ⅰ-8），常呈條帶狀沿裂縫產出。在顯微鏡下以晶體粗大、具有波狀消光為顯著特征。

表1　四川盆地東部黃龍組白云巖（石）樣品X射線衍射分析數據Table 1X ray diffraction analysis of dolomite samples of Huanglong Formation in eastern Sichuan Basin

3　白云巖地球化學特征

3.1X射線衍射

X射線衍射分析在白云石中主要用于確定白云石的有序度和Mg/Ca。通常高的白云石有序度和高的Mg/Ca均反映白云石化速度慢而徹底，而低的白云石有序度和低的Mg/Ca均反映白云石化速度快而不徹底［7］。X射線衍射實驗是在D/MAX-Ⅲ型射線衍射儀下完成的。先取白云巖樣品5 g左右，研磨至粒徑為74 μm的顆粒，置于燒杯中，加入適量稀鹽酸；5 min后，用蒸餾水洗凈再烘干，送入X射線衍射儀進行測定［8］。X射線衍射的測定標準為JCPDSICDD。在研究區選取了25塊白云巖樣品進行測試，數據統計（表1）發現，各類成因的白云石的有序度為0.68～1.00，平均為0.85。選取了5塊泥—微晶白云巖樣品進行測試，觀察發現該類樣品中白云石的有序度和Mg/Ca均較低，指示成巖流體具有高鹽度鹵水特征，表明該時期可能暴露于海平面之上，準同生白云石化快而不徹底，被認為是薩勃哈環境準同生階段的產物［9］。筆者選取了15塊（殘余顆粒）粉—細晶白云巖樣品進行測試，實驗表明該類樣品中白云石的有序度和Mg/Ca均為中等。常見粉晶白云質角礫巖中的淡水白云石膠結物的有序度最高，而Mg/Ca中等。中—粗晶異形白云石膠結物的有序度中等偏低，而Mg/Ca最高。總體上，白云石的有序度較高，接近化學計量白云石。從準同生期到表生期，隨著成巖作用加強，白云石的有序度逐漸增高，白云石晶體的結晶程度呈現出逐漸增高的演化趨勢。

3.2碳、氧同位素

穩定同位素碳和氧均是確定白云石成因的重要地球化學標志［10］。甲烷的生成造成δ13C偏正，有機質氧化造成δ13C偏負［11-12］。氧同位素組成受溫度、大氣水稀釋和蒸發作用的影響，溫度的增高和大氣水稀釋均造成δ18Ο值偏負，溫度降低和蒸發作用均造成δ18Ο值偏正。

碳、氧同位素的測定是在MAT252氣體同位素質譜儀上完成的。本次實驗選取的樣品均為新鮮的巖心，其中各類白云巖樣品均為全巖樣品，共計20塊，白云石膠結物為單礦物樣品，共計5塊。分別將各個樣品研磨至粒徑為74 μm的顆粒，烘干后稱重400mg，在50℃條件下烘制12h后，再送入質譜儀進行測定［13］。工作標準為TTB-2，實驗在溫度為20℃、相對濕度為44%的條件下進行。測試數據按PDB標準計算，測試精度為0.1%，能夠滿足研究要求。碳、氧同位素的分析結果如表2所列。通過做散點圖（圖2）對樣品的碳、氧同位素值進行了分析，發現不同類型的白云巖（白云石）分別位于相對集中的區域。整體上，隨著成巖作用強度的加大，δ13C和δ18Ο均呈現出明顯的負偏移的變化趨勢，其中δ13C負偏移變化范圍較小，而δ18Ο負偏移變化范圍較大。泥—微晶白云巖具有高的δ13C和δ18Ο值，平均值分別為0.333%和-0.127%，為準同生期高鹽度鹵水的同位素組成特征；（殘余顆粒）粉—細晶白云巖的δ13C與δ18Ο值均居中，平均值分別為0.084%和-0.443%，為早成巖階段埋藏交代成因特征；淡水白云石具有更低的δ13C和δ18Ο，平均值分別為0.082%和-0.756%，為表生期成巖環境相對開放，膠結物中的碳、氧同位素更多來自于富輕碳、氧同位素的大氣源特征。異形白云石可認為是深源熱液溶蝕白云質基質巖后的沉淀物，白云石的CO32-主要來自于以微晶白云巖為主的地層中［14］，因此，在δ13C與δ18Ο交會圖中，其主要位于泥—微晶白云巖區（圖2）。

表2　四川盆地東部黃龍組白云巖（石）碳、氧同位素數據統計表Table 2Data of oxygen and carbon isotope of dolomite of Huanglong Formation in eastern Sichuan Basin

圖2　四川盆地東部黃龍組白云巖（白云石）δ13C與δ18Ο交會圖Fig.2Crossplot of δ13C-δ18Ο isotope of dolomite of Huanglong Formation in eastern Sichuan Basin

4　白云巖的成因模式及其對儲層發育的影響

四川盆地東部黃龍組白云巖的成因一直是研究的熱點。筆者在前人研究的基礎上，綜合上述不同類型的白云巖和白云石膠結物的地球化學特征以及沉積背景和構造演化特征，認為其存在以下幾種成因模式。

4.1蒸發泵白云石化模式

蒸發泵白云石化模式［15］適用于解釋研究區與蒸發作用相關的泥—微晶白云巖的成因［圖3（a）］。在晚石炭世早期，氣候炎熱干燥，該區環境相對封閉且局限，由蒸發濃縮作用形成的高鎂鹵水交代灰泥而形成白云石。在研究區，準同生白云巖主要發育于黃龍組一段沉積時期，常與灰巖呈薄互層產出。此類白云巖很致密，不利于儲層發育。

4.2埋藏壓實白云石化模式

埋藏壓實白云石化模式［16］的驅動力來自于兩方面，一是深海沉積的泥巖在高溫條件下的壓實作用，二是富Mg2+的流體對臺地邊緣的石灰巖的侵入作用。該模式可用于解釋研究區黃龍組粉—細晶白云巖和顆粒白云巖的成因［圖3（b）］，是研究區最主要的白云石化模式。在晚石炭世晚期，隨著海平面的上升，沉積物不斷堆積加厚，使下伏巖石處于相對封閉的埋藏環境。在壓實作用下，成巖流體向下流動并交代灰巖，造成了區域性的埋藏白云石化。成巖流體主要為早期薩勃哈環境下的封存鹵水，深循環的大氣淡水也參與到了埋藏白云石化作用中［8］。盡管壓實作用和進一步的膠結作用在一定程度上均造成了原生孔隙被破壞和充填，但該期埋藏白云石化作用有利于孔隙發育，因而形成了黃龍組廣泛發育的白云巖儲層。

圖3　四川盆地東部黃龍組白云巖（白云石）主要成因模式（據文獻［6］修改）Fig.3The main genetic models of dolomite of Huanglong Formation in eastern Sichuan Basin

4.3調整白云石化模式

調整白云石化模式［17］可用于解釋古表生期淋濾溶蝕狀白云巖、白云質角礫巖以及后期淡水白云石膠結物的成因［圖3（c）］。黃龍組沉積晚期，云南運動使研究區再次隆升為陸，原生沉積的不穩定碳酸鹽礦物被抬升暴露，在大氣淡水的作用下，造成了基質白云巖的強烈溶蝕，有利于改善儲集物性。后期淡水白云石對溶蝕孔、洞或縫的充填作用及對巖溶角礫的膠結作用均屬于破壞性成巖作用，對白云巖和白云質巖溶角礫儲層發育均不利。

4.4構造熱液白云石化模式

Anderson等［18］于1987年提出了構造熱液白云石化的概念，其主要觀點是地層深部的富Mg2+熱液流經上覆灰巖地層，并對其進行白云石化改造。該模式可用于解釋異形白云石的成因［圖3（d）］。在黃龍組中—晚成巖階段，隨著埋藏深度加大和地層溫度增高，除深部熱液繼承性溶蝕、交代和重結晶等作用外，后期的構造破裂作用對異形白云石的形成也起到至關重要的作用。東吳運動期存在的古斷裂拉張和玄武巖噴發活動，為研究區石炭系地層中的中—粗晶，甚至巨晶異形白云石的形成提供了熱液來源［19］。在該時期，構造疊加的破裂作用，使巖石受應力作用而產生大量裂縫，因而改善了儲層的物性。

6　結論

（1）四川盆地東部石炭系黃龍組發育各粒級的白云巖和白云石膠結物，主要包括泥—微晶白云巖、粉—細晶白云巖、顆粒白云巖和白云質巖溶角礫巖等巖石類型及淡水白云石和異形白云石膠結物。

（2）隨著成巖作用加強，白云石有序度和白云石晶體結晶程度均呈現出逐漸增高的特征。高δ13C和δ18Ο值均代表準同生期成巖流體為高鹽度鹵水；中等δ13C與δ18Ο值均代表早成巖階段淺埋藏白云石化作用，反映了其成巖環境相對開放；淡水白云石膠結物的δ13C和δ18Ο值均偏低，反映了其碳、氧同位素更多來自于富輕碳、氧同位素的大氣源特征。

（3）四川盆地東部石炭系黃龍組主要存在4種白云巖（白云石）成因模式：蒸發泵白云石化成巖模式、埋藏壓實白云石化成巖模式、調整白云石化成巖模式和構造熱液白云石化成巖模式。

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圖版Ⅰ

（本文編輯：李在光）

Dolomite genesis of Carboniferous Huanglong Formation in eastern Sichuan Basin

Liu Shiyu1，2，Hu Mingyi1，2，Hu Zhonggui1，2，Dai Weiyan1，2
（1.Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources，Ministry of Education，Yangtze University，Wuhan 430100，China；2.School of Geosciences，Yangtze University，Wuhan 430100，China）

The Carboniferous Huanglong Formation in eastern Sichuan Basin is an important producing formation for natural gas.Dolomitization is a requirement for the development of high quality reservoir，and the research of genetic types for dolomite has important meaning for oil and gas exploration.Based on core observation and outcrop description，combined with thin section analysis data，it is considered that Huanglong Formation mainly developed the following types of dolomite：mud-microcrystalline dolomite，powder to fine-grained dolomite and residual particles powder to fine-grained dolomite as well as dolomite cement filling in pores，holes and cracks.On the basis of the data of X ray diffraction analysis and geochemical characteristics of stable isotopeδ13C and δ18Ο，it is found that formation conditions and physical characteristics of different types of dolomite in the study area exhibit different characteristics，and it's more reasonable to use different origin types for the explanation.Four kinds of genetic model of dolomite of Huanglong Formation were summarized，including：diagenetic dolomitization evaporation pump model for mud-microcrystalline dolomite，burial diagenetic dolomitization compaction model for（residual particles）powder to fine-grained dolomite，diagenetic adjustment dolomitization model for freshwater dolomite and construction hydrothermal dolomitization diagenetic model for abnormal morphology dolomite.

dolomite；dolomization；genetic model；HuanglongFormation；eastern Sichuan Basin

TE122.2

A

1673-8926（2015）04-040-07

2014-11-27；

2015-02-09

國家重大科技專項“中國大型氣田形成條件、富集規律及目標評價”（編號：2011ZX05007-002）資助

劉詩宇（1991-），男，長江大學在讀碩士研究生，研究方向為儲層地質和層序地層學。地址：（430100）湖北省武漢市蔡甸區大學路特1號長江大學武漢校區。E-mail：1205762144@qq.com

胡明毅（1965-），男，博士，教授，博士生導師，主要從事沉積學和層序地層學方面的教學與科研工作。E-mail：humingyi65@163.com。