四川盆地東北部飛仙關(guān)組白云巖的類型及分布

1川東北飛仙關(guān)組的白砂糖化模式巖屑巖的形成和白色云巖的形成（白云巖或白云石化，全文相同）是碳酸鹽巖沉積學(xué)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的一個(gè)永恒主題。同時(shí)，白云巖作為最重要的儲(chǔ)層，也是mvt鉛鋅礦床的主要巖質(zhì)材料。石油數(shù)學(xué)和礦床力學(xué)的中心對(duì)象。大量的白云化模式被用來解釋交代白云巖的成因(Reinhold,1998),如滲透回流作用(AdamsandRhodes,1960)、蒸發(fā)泵作用(FriedmanandSanders,1967)和混合水作用(Badiozamani,1973)等。近年來,白云巖成因研究也在多個(gè)領(lǐng)域中取得了令人矚目的成果:主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容:①在常溫下模擬海水(瀉湖)細(xì)菌硫酸鹽還原環(huán)境沉淀出具有序反射的白云石(Wright,2004);②熱液白云化作為新的主流模式成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)(Davies,2006);③深埋藏條件下封閉系統(tǒng)的白云化作用受到關(guān)注(黃思靜等,2007),一些對(duì)油氣儲(chǔ)集空間和層控礦床有實(shí)際意義的白云化作用主要是在相對(duì)封閉的條件下發(fā)生的;④混合水白云化模式受到置疑(Luczaj,2006),人們重新研究了作為混合水白云化典型地點(diǎn)的美國(guó)威斯康星弧碳酸鹽的成巖作用,認(rèn)為與白云化有關(guān)的水-巖相互作用是與溫度升高有關(guān)的濃鹵水導(dǎo)致的。四川盆地東北部是中國(guó)近年來油氣的重點(diǎn)勘探地區(qū)之一(冉隆輝等,2002;王一剛等,2004)。并相繼發(fā)現(xiàn)了渡口河、鐵山坡、羅家寨、普光等大型氣田(圖1),累計(jì)探明儲(chǔ)量已超過5000×108m3(王一剛等,2008),川東北飛仙關(guān)組不僅天然氣儲(chǔ)量規(guī)模很大,同時(shí)儲(chǔ)層質(zhì)量也很好。從沉積學(xué)的角度來說,形成這些優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層必須有兩個(gè)基本的條件:①必須是灘壩(如鮞粒灘)高能環(huán)境沉積物;②必須是白云巖,如果巖石沒有發(fā)生白云化,即使是儲(chǔ)層,質(zhì)量也較差。因此,川東北飛仙關(guān)組碳酸鹽白云化機(jī)制成為近年來最為熱點(diǎn)的研究領(lǐng)域之一,眾多學(xué)者進(jìn)行了卓有成效的研究,并提出了不同的機(jī)制,如混合水白云化和深埋藏溶解模式(王一剛等,2002),混合水、滲透回流和埋藏白云化模式(陳更生等,2005;蘇立萍等,2004),混合水白云化模式(魏國(guó)齊等,2005),埋藏條件下海源流體的白云化模式(黃思靜等,2006;2007)等,并試圖為川東北優(yōu)質(zhì)白云巖儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)提供必要的理論支持。本文以川東北羅家寨構(gòu)造飛仙關(guān)組第二段白云巖為主要研究對(duì)象,討論了不同白云巖類型的結(jié)構(gòu)特征,并提出了飛仙關(guān)組白云巖的命名方案,在此基礎(chǔ)上,根據(jù)不同類型白云巖氧、碳同位素分析結(jié)果,結(jié)合已有的鍶同位素和鐵、錳、鍶等元素組成特征和前人的包裹體分析結(jié)果,嘗試更深入討論川東北飛仙關(guān)組不同結(jié)構(gòu)白云巖的白云化(或白云石沉淀)溫度、沉淀流體的氧同位素組成和白云石氧同位素組成的關(guān)系,使人們更深刻理解川東北飛仙關(guān)組不同白云巖形成的地質(zhì)環(huán)境,為建立相應(yīng)的白云化模式提供重要的參數(shù)。2白云巖地球化學(xué)特征研究區(qū)位于四川盆地東北部的重慶市開縣境內(nèi)(圖1)。下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組總體上為碳酸鹽臺(tái)地沉積,前人(倪新鋒等,2007)的研究表明,由于受古斷裂控制,在川東北碳酸鹽臺(tái)地的總體背景下,寬廣的臺(tái)地被切割成臺(tái)隆與臺(tái)盆的沉積格局。對(duì)于研究區(qū)而言,則在開江-梁平臺(tái)盆的兩側(cè)發(fā)育了較為對(duì)稱的類似于威爾遜相模式的碳酸鹽巖沉積體系,但陸棚斜坡相不甚發(fā)育,臺(tái)盆的深度可能較小,并可能缺乏典型的碳酸鹽斜坡沉積(圖1)。碳酸鹽臺(tái)隆內(nèi)部,則包括位于臺(tái)隆邊緣的高能淺灘相、臺(tái)隆內(nèi)部的瀉湖潮坪相和可在臺(tái)隆前緣和臺(tái)盆連接處發(fā)育的斜坡相,羅2井飛仙關(guān)組二段縱向上則基本顯示了臺(tái)隆內(nèi)部沉積相的這種縱向變化特征(圖2)。本研究共涉及39個(gè)白云巖樣品,其中31個(gè)分布于羅2井(樣品在剖面上的分布參見圖2),其余8個(gè)分布于渡5井(表1)。對(duì)所有樣品都進(jìn)行了薄片鑒定(包括茜素紅/鐵氰化鉀染色分析和鑄體薄片分析)和陰極發(fā)光分析(結(jié)果已另文討論(黃思靜等,2008a));在雙目鏡下對(duì)用于化學(xué)分析和同位素分析的樣品進(jìn)行了細(xì)致的分揀,盡可能回避了方解石脈,樣品經(jīng)挑選后粉碎至200目,縮分成三份,分別用作氧、碳同位素分析,Mg、Mn、Sr、Fe含量分析和87Sr/86Sr比值測(cè)試。氧、碳同位素分析由中國(guó)石油西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院同位素分析室完成,MAT252氣體同位素質(zhì)譜儀,100%的磷酸溶樣,對(duì)GBW04406標(biāo)樣的分析誤差為0.01%。鍶同位素分析由中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所完成。取70mg左右粉碎至200目的樣品,用0.8mO]/L的HCl于Teflon杯中溶樣(2h),離心后清液通過AG50W×8(H+)陽(yáng)離子交換柱,以HCI作淋洗劑,分離出純凈的鍶,鍶同位素測(cè)量在VG354固體同位素質(zhì)譜計(jì)上進(jìn)行。全流程空白本底約為2×10-10～5×10-10g,誤差以2σ(±)表示。Mg、Mn、Sr、Fe含量分析由四川省地礦局華陽(yáng)檢測(cè)中心完成。Mg含量由常規(guī)化學(xué)分析方法測(cè)試,分析結(jié)果以氧化物表示(表1中進(jìn)行了必要的換算(也包括Fe2O3)),檢測(cè)限0.1%,誤差2%o;Fe含量由比色法測(cè)試,分析結(jié)果以氧化物(Fe2O3)表示,檢測(cè)限0.01%,誤差<8%;Mn、Sr含量由原子吸收光度法測(cè)試,檢測(cè)限分別為5×10-6和42×10-6,誤差分別為13%和14%。川東北羅家寨構(gòu)造主要類型白云巖的氧、碳、鍶同位素和元素分析結(jié)果列于表1中,大部分樣品的鍶同位素和元素分析結(jié)果已由黃思靜等(黃思靜等,2006)公布,考慮到分析結(jié)果的完整性,系統(tǒng)性和本文討論的方便,表1中同時(shí)列出了這些數(shù)據(jù),樣品的氧、碳同位素分析結(jié)果由本文測(cè)試并首次公布,也是本文討論的主要內(nèi)容。3治療變淺旋回內(nèi)的白云巖從結(jié)構(gòu)角度,本文將川東北飛仙關(guān)組的白云巖分為三種主要的端元類型(表1、表2),分別是微晶白云巖(包括泥晶白云巖,全文相同)、具原始結(jié)構(gòu)的粒屑白云巖和結(jié)晶白云巖。微晶白云巖和具原始結(jié)構(gòu)的粒屑白云巖都很好地具有原始結(jié)構(gòu),原始結(jié)構(gòu)中的微晶或泥晶部分在白云化以后都基本上保留了微晶或泥晶結(jié)構(gòu)。雖然結(jié)晶白云巖也可以具有殘余粒屑結(jié)構(gòu),但構(gòu)成巖石的白云石基本上都是結(jié)晶白云石(細(xì)-粗晶)。對(duì)川東北飛仙關(guān)組來說,這三類白云巖分別具有如下主要特征:(1)微晶白云巖(圖3a)。具泥晶和/或微晶結(jié)構(gòu)(白云石晶體大小在微晶以下),巖石中白云石含量通常在90%以上,幾乎沒有可利用的孔隙度,水平層理是最常見的原生沉積構(gòu)造,另外,我們沒有在飛仙關(guān)組第二段和第三段的微晶白云巖中見到在體積上有意義的石膏沉積。在縱向上,這類巖石主要分布于向上變淺旋回頂部的瀉湖潮坪環(huán)境中(圖2)。(2)具原始結(jié)構(gòu)的粒屑白云巖(圖2b)。巖石具粒屑結(jié)構(gòu),粒屑主要由凝塊石、葉狀藻、團(tuán)粒、鮞粒構(gòu)成(部分巖石以鮞粒為主,并構(gòu)成具原始結(jié)構(gòu)的鮞粒白云巖(圖3c))。填隙物可以是微晶基質(zhì),也可以是亮晶,局部有不均一分布的斑塊狀亮晶白云石(可能是殘余窗孔組構(gòu)中的亮晶方解石白云化的結(jié)果)。巖石幾乎完全白云化(白云石含量90%以上),粒屑或基質(zhì)可以由微晶甚至泥晶級(jí)的白云石構(gòu)成(在這一點(diǎn)上不同于結(jié)晶白云巖),亮晶(如果能識(shí)別出亮晶)則由它形的不等晶白云石構(gòu)成,川東北飛仙關(guān)組的這類白云巖中常有示底構(gòu)造(圖3c)。雖然這類巖石中存在生物碎屑,但生物門類非常單調(diào)(缺乏多樣性),以藻成因生物碎屑為主,尤其缺乏窄鹽度生物,反映非正常的海水鹽度環(huán)境。部分巖石具有一定數(shù)量的孔隙度,主要為溶解成因的孔隙(如鮞粒內(nèi)部的示底孔隙(圖3c、d))。在縱向上,這類白云巖主要分布于向上變淺旋回的上部,或臺(tái)隆邊緣淺灘相上部靠近瀉湖潮坪相的部位(圖2)。(3)結(jié)晶白云巖(圖3e、f、g、h)。巖石具有結(jié)晶結(jié)構(gòu),白云石晶體大小通常為細(xì)晶-粗晶(在這一點(diǎn)上結(jié)晶白云巖不同于原始結(jié)構(gòu)保存的粒屑白云巖),因此,該類巖石的亞類可以有細(xì)晶白云巖、中晶白云巖和粗晶白云巖等。白云石以半自形-自形晶為主(相當(dāng)于Machel(2004)補(bǔ)充過渡類型后重新繪制的白云石結(jié)構(gòu)分類圖中的平直晶面-自形和平直晶面-半自形,即planar-e和planar-s),部分有霧心亮邊(圖3h)。一些結(jié)晶白云巖具明顯的殘余粒屑結(jié)構(gòu)(圖2f、h)和溶蝕現(xiàn)象(圖3g),殘余粒屑呈球形,大小近于相等,因而原始顆粒以鮞粒為主。巖石也幾乎完全白云化(白云石含量90%以上)。巖石有較多孔隙,包括晶間孔、殘余粒間孔和粒間溶孔等(圖3e、f、g)。在縱向上,這類白云巖主要分布于向上變淺旋回的中部,臺(tái)隆邊緣淺灘相的核心部位,即臺(tái)隆邊緣淺灘相的中部(圖2)。由于這類白云石具較高的包裹體均一化溫度(見后面討論),可能說明原始結(jié)構(gòu)缺乏或保存較少的白云巖與高溫白云化作用有關(guān),前人(Machel,2004)也有類似的研究結(jié)果。4結(jié)果與討論4.1巖石學(xué)和礦物學(xué)特征依據(jù)于白云石的晶體化學(xué)和巖雖然表1中我們列出了不同結(jié)構(gòu)類型白云巖的鍶含量,但川東北飛仙關(guān)組白云巖的鍶含量實(shí)際上是受巖石的白云化程度控制的,這與鍶在白云石中的分配系數(shù)顯著小于在方解石中的分配系數(shù)有關(guān),前人對(duì)此已有討論(黃思靜等,2007;2008b)。在表1中,對(duì)于白云化作用較為徹底的樣品(巖石白云石含量大于95%),無(wú)論具何種結(jié)構(gòu),其鍶含量都大致變化在100×10-6～200×10-6之間,個(gè)別鍶含量較高的樣品(如渡5井4807.6m)是因?yàn)閹r石中存在較多高鍶亮晶方解石所致,因而控制白云石鍶含量的眾多因素中,晶體化學(xué)因素是最為重要的,流體因素反而相對(duì)次要,對(duì)于飛仙關(guān)組這樣的古代白云石來說則更是如此。圖4表明,兩種具有原始結(jié)構(gòu)的白云巖(微晶白云巖和具原始結(jié)構(gòu)的粒屑白云巖)具有類似的氧、碳同位素組成、類似的錳含量和類似的鍶同位素組成,顯示這兩種白云化環(huán)境具有類似的地球化學(xué)條件,主要表現(xiàn)為較高的δ18O值、較低的δ13C值、較高的錳含量、較低且接近海水(略高于同期海水)的鍶同位素組成以及變化范圍較大的鐵含量等特征;不同晶體大小的結(jié)晶白云巖也具有類似的氧、碳同位素組成、類似的錳含量和類似的鍶同位素組成,因而結(jié)晶白云巖的白云化作用發(fā)生于另一種不同的地球化學(xué)條件,主要表現(xiàn)為較低的δ18O值、較高且與海水類似的δ13C值、很低的錳含量、相對(duì)富含放射性成因鍶、高于同期海水的鍶同位素組成(大致與嘉陵江期或雷口坡期海水相當(dāng))以及較低的鐵含量等特征。4.2未固結(jié)白云巖的包裹體溫度演化本文沒有對(duì)川東北羅家寨構(gòu)造不同類型白云巖進(jìn)行包裹體均一化溫度的測(cè)定,但前人在該地區(qū)作過大量的這方面工作(如穆曙光等,1994;蘇立萍等,2004;Zhaoeial.,2005),其中有的分析樣品(蘇立萍等,2004;Zhaoetal.,2005)來自與本文相同的鉆井和井段。這些分析結(jié)果表明,結(jié)晶白云巖的包裹體均一化溫度變化在70～170℃之間,其中超過85%的樣品集中在100～130℃的溫度范圍內(nèi)(圖5);微晶白云巖和原始結(jié)構(gòu)保存的白云巖的白云石晶體很小,很難有可以利用的包裹體,穆曙光等(1994)所測(cè)試的三個(gè)樣品的包裹體均一化溫度在40～42℃之間。4.3泥晶或微晶白云石白云化流體性質(zhì)是白云化作用的核心問題。我們想知道的是川東北具不同結(jié)構(gòu)的白云巖的白云化流體在氧同位素組成上是類似于海水、類似于大氣水還是大氣水和海水的混合流體,從而為海源流體的埋藏白云化作用、或準(zhǔn)同生白云化作用、或大氣水和海水混合流體的白云化作用等模式的建立提供依據(jù)。我們知道,當(dāng)?shù)V物從水中沉淀出來并在同位素上達(dá)到平衡時(shí),礦物的氧同位素是溫度和流體性質(zhì)的函數(shù),對(duì)于白云石來說,按張理剛(1985)的公式,可以有:那么,我們可以獲得在具有不同氧同位素組成的水中,與水的氧同位素組成平衡時(shí)白云石氧同位素組成和其形成溫度的關(guān)系曲線(圖6)。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)我們測(cè)試的川東北羅家寨構(gòu)造不同結(jié)構(gòu)類型白云巖δ180值的分布范圍(表1),以及前人對(duì)川東北不同結(jié)構(gòu)白云巖中白云石包裹體均一化溫度的分布范圍(穆曙光等,1994;蘇立萍等,2004;Zhaoetal.,2005),可以將不同結(jié)構(gòu)類型白云巖投在圖6中,遺憾的是,到目前為止,我們還沒有獲得具原始結(jié)構(gòu)的粒屑白云巖中微晶、或泥晶白云石的包裹體均一化溫度,這與這些白云石晶體細(xì)小,尋找包裹體困難有關(guān),同時(shí)也與這些白云石中包裹體不發(fā)育有關(guān),當(dāng)然包裹體不發(fā)育也可以在某種程度上說明這些泥晶或微晶白云石的結(jié)晶溫度較低,如果按泥晶或微晶白云石的結(jié)晶溫度,根據(jù)本文的氧同位素分析結(jié)果,圖6中給出了具原始結(jié)構(gòu)的粒屑白云巖白云化流體的δ18O值可能的分布范圍。圖6說明,川東北飛仙關(guān)組結(jié)晶白云巖的白云化流體(水)的δl8O值顯著高于早三疊世飛仙關(guān)期海水,羅家寨飛仙關(guān)組這類白云巖的白云化流體(水)的δ18O值大致變化在3‰～8‰之間,顯然是一種高鹽度、高溫埋藏流體。結(jié)合其87Sr/86Sr高于海水(大致與嘉陵江期或雷口坡期海水相當(dāng)(黃思靜等,2006))、δ13C值接近同期海水以及這類白云巖具很低錳含量等特征,我們可以推測(cè)結(jié)晶白云巖的白云化流體是一種在組成上遠(yuǎn)離大氣水、且鹽度顯著高于海水的海源流體,同時(shí)這種白云化流體在循環(huán)過程中也沒有經(jīng)過鋁硅酸鹽地層(很低的錳含量和接近海水的鍶同位素組成),白云化環(huán)境具有深埋藏的相對(duì)封閉體系的特征。但這種海源流體是如何封存在飛仙關(guān)組深埋藏地層中的,是變質(zhì)的飛仙關(guān)期囚禁海水,還是其它深埋藏流體,它們是不是通過熱化學(xué)硫酸鹽還原作用與蒸發(fā)鹽交換并獲得高鹽度海源流體地球化學(xué)信息的,這些蒸發(fā)鹽是飛仙關(guān)組地層中分散的蒸發(fā)鹽(這可能更有利于熱化學(xué)硫酸鹽還原作用發(fā)生)還是其上覆嘉陵江組或雷口坡組地層中的厚層蒸發(fā)鹽(或與之有關(guān)的流體),我們目前難于回答這些問題,這還需要今后更為精細(xì)的地球化學(xué)綜合研究以建立相應(yīng)的白云化模式。圖6還說明,川東北飛仙關(guān)組微晶白云巖(可能還包括具原始結(jié)構(gòu)的粒屑白云巖)的白云化流體(水)的δ18O值顯著稍低于早三疊世飛仙關(guān)期海水,羅家寨構(gòu)造飛仙關(guān)組微晶白云巖白云化流體(水)的δ18O值大致變化在-2‰～-5‰之間,具有大氣水和海水混合流體的特征,結(jié)合這兩類具原始結(jié)構(gòu)白云巖所具有的較低的δ13C值,較高的錳含量和分布于向上變淺的剖面旋回上部等特征,我們認(rèn)為用蒸發(fā)泵作用解釋微晶白云巖成因、用混合水白云化作用解釋具原始結(jié)構(gòu)的粒屑白云巖的成因是較為合理的,因?yàn)檫@兩種環(huán)境的白云化作用都可能發(fā)生于海水與淡水混合的沉積-成巖環(huán)境。這兩類白云巖所具有的與同期海水類似的鍶同位素組成并不能說明這些流體中沒有大氣水的參與,這與大氣水具有比海水低得多的鍶含量有關(guān),比如:就算我們加入77%的淡水(由77%的淡水和23%的海水組成的混合水),也只能將三疊系飛仙關(guān)期海水的87Sr/86Sr從0.70735左右增加到0.70750左右(黃思靜等,2006)。這里要說明的是,Luczaj(2006)在重新研究威斯康星弧碳酸鹽成巖作用時(shí)對(duì)混合水白云化作用提出了質(zhì)疑,主要是基于這些白云巖在分布上不沿構(gòu)造高地發(fā)育、具有較高的包裹體均一化溫度(82℃到100℃之間)以及δ18O并不具有混合水特征等多種理由(同時(shí)參閱黃思靜等,2009)。與之不同的是:飛仙關(guān)組具原始結(jié)構(gòu)的粒屑白云巖相關(guān)流體的氧同位素值介于淡水和海水之間,并缺乏氣液兩相流體包裹體和具有較高的錳含量,同時(shí)考慮到作為其原巖的粒