四川盆地西部栖霞组热液白云岩中的自生非碳酸盐矿物

黄思静 李小宁 黄可可 兰叶芳 吕 杰 王春梅

（油气藏地质及开发工程国家重点实验室（成都理工大学），成都610059）

四川盆地西部中二叠统普遍存在白云岩，主要分布于栖霞组。在成分上，这些白云岩以石灰岩／白云岩之间的过渡类型为主，即所谓的灰斑云岩（或云斑灰岩），大多数手标本尺度的岩石样品中白云石的质量分数都在50%左右［1］。结构研究表明，平直晶面斑状晶、非平直晶面他形晶和以胶结物形式存在的非平直晶面鞍形晶是主要的结构类型，同时也发育平直晶面半自形—自形晶胶结物［1］。早期的研究趋向于四川盆地中二叠统白云岩为混合水白云化成因［2－4］；以后的研究者提出了不同的成因机制：如何幼斌和冯增昭（1996）认为这些白云岩是埋藏白云化作用的产物，局部存在高温条件或特殊热事件的影响［5］；王运生和金以钟（1997）认为中二叠统的白云岩为埋藏热液和混合水成因［6］；金振奎和冯增昭（1999）认为白云化流体为淋滤峨眉山玄武岩的大气降水，镁离子来自玄武岩中铁镁矿物的风化分解［7］；蒋志斌等（2009）认为川西中二叠统白云岩主要由混合水和埋藏白云化作用形成［8］。另外，许多研究者也研究并强调了川西中二叠统白云岩在烃类勘探中的经济价值［6，9，10］。黄思静等（2011）的研究表明，四川盆地西部栖霞组在浅埋藏环境中受到了与峨眉山玄武岩有关岩浆活动的热效应的影响，热液作用是这些白云岩的主要形成机制，外来热事件造成的温度升高克服了白云石沉淀的动力学屏障，尤其是相对低wMg／wCa比值条件下白云石沉淀的动力学屏障［1］。然而，峨眉山玄武岩热效应持续时间只有6Ma左右，即（257±3）～（263±5）Ma B.P.之间，地层中缺乏足够的镁离子，难以使体积上足够大的碳酸盐完全白云石化；同时，热作用停止后的温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，四川盆地西部栖霞组的白云石化是一种不彻底的和回头白云石化作用（另文讨论），这种白云石化作用形成了特殊构造的灰斑云岩或云斑灰岩（豹斑状白云岩／灰岩）。

四川盆地西部中二叠统白云岩地层中存在一些特殊的自生非碳酸盐矿物，主要有萤石、氟磷灰石、伊利石、重晶石、石英和黄铁矿，并有焦沥青发育，这些矿物和焦沥青的存在支持浅埋藏环境中的热液蚀变作用，本文的主要目的是公布这些矿物的赋存状态和鉴定依据，并分析其成因。

1 地层、沉积相、埋藏史、热史与样品采集和研究方法

四川盆地西部栖霞组的厚度大致在23～313 m 之间［11，12］，部分受到白云石化作用的影响，白云岩的厚度大都在数米至数十米之间，主要集中在栖霞组上部，如川西剑阁长江沟剖面中二叠统白云岩厚度约为40m，川西南ZG1井厚度约为50m。本文按金玉玕等（1999）和李国辉等（2005）对四川盆地海相二叠系三分方案，以及2008年的国际地层表（章森桂等，2009），将栖霞组和茅口组并入中二叠统［11－13］。

中二叠统栖霞组沉积时期，四川盆地西部处于碳酸盐台地环境［14］，次级沉积环境包括台地前缘斜坡、台地边缘浅滩和开阔台地，采集样品的长江沟剖面、HS1井和K2井的栖霞组都沉积于碳酸盐台地边缘浅滩环境（图1）。

图1 四川盆地西部中二叠世栖霞期岩相古地理简图Fig.1 Schematic diagram of palaeogeography of Permian Qixia Formation in the west of Sichuan Basin

图2 四川盆地西部HS1井埋藏史－古热流分布综合图（A）与四川盆地代表性钻井古热流值分布图（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）

研究区二叠系埋藏史曲线如图2－A所示。可以看出，二叠系沉积以来，海西期（东吴运动）经历了一次隆升，因为峨眉山玄武岩喷发前岩浆上涌形成穹隆，造成当时已沉积的茅口组遭受了不同程度的剥蚀（被剥蚀厚度与距离峨眉山火成岩省的距离有关）［15］。印支期经历了先沉降后隆升的局面，至燕山早期再次发生沉降，直至喜马拉雅期隆升至今。结合前人对分布在四川盆地内钻井的研究（朱传庆等，2009），整个四川盆地西部的二叠系所经历过的最大埋藏深度大致在7km左右（图2－A）［16］。

朱传庆等（2010）的研究表明，在距今259Ma左右（中二叠世末），四川盆地西部古热流达到最大值（图2－B），多数钻井的最高古热流在60～80 mW／m2之间，少数钻井经历的最高古热流超过了100mW／m2。热流特征的变化反映了东吴运动期间峨眉山玄武岩喷发时岩浆活动的热效应，该过程对当时处于浅埋藏环境的栖霞组的成岩作用造成了显著的影响［17］。

本文样品主要采自四川盆地西部剑阁县的长江沟剖面、HS1井、K2井和WJ1井（图1）。样品主要分布于栖霞组，个别样品采自茅口组底部。

碳酸盐岩的成分、结构和自生非碳酸盐矿物的研究主要借助于偏光显微镜，一些自生矿物首先是在偏光显微镜下识别的，这也有利于其赋存状态的观察和分析。在此基础上，借助于扫描电子显微镜进一步观察其超微形态、结构及其与其他矿物的共生占位关系，并通过能谱分析进一步确认其元素组成和含量。分析采用的是成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室的FEI Quanta 250FEG环境扫描电子显微镜，并在作为电镜附件的Oxford INCAx－max 20能谱仪上进行成分分析。

2 研究结果

四川盆地西部中二叠统白云岩地层中的自生非碳酸盐矿物的主要类型有伊利石、萤石、氟磷灰石、石英、重晶石和黄铁矿（也包括作为碳酸盐矿物的菱铁矿）等。另外，为了讨论上的方便，本文将焦沥青列入到了自生矿物中。川西中二叠统白云岩地层中的萤石、氟磷灰石和重晶石等矿物都是本文首次报道。魏国齐等（2006）在研究川西地区中二叠统栖霞组沉积体系－储层成因及展布时报道了白云石晶间伊利石的存在［18］。图3是部分自生矿物的能谱曲线，表1列出了从能谱分析获得的这些自生非碳酸盐矿物（包括菱铁矿）的元素组成和相应的原子百分比。图4～图9是这些矿物（含焦沥青）在薄片下或扫描电镜下的形态特征及赋存方式。下面我们将分别讨论自生矿物的主要类型的特征、赋存状态、鉴定依据以及与伴生矿物间的结构关系。

图3 四川盆地西部中二叠统栖霞组自生非碳酸盐矿物能谱曲线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 四川盆地西部中二叠统自生非碳酸盐矿物（含菱铁矿）的元素组成和相应的原子百分比（能谱分析结果）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

薄片尺度下即可以识别出自生伊利石（图4－A，B），并在扫描电子显微镜下通过能谱对其存在进行了进一步确认（图4－C，D；图3－A；表1）。我们在四川盆地西部地表剖面和井下样品的中二叠统栖霞组的白云岩中都见到了自生伊利石，说明自生伊利石在川西栖霞组白云岩中是普遍存在的。岩石结构分析表明，自生伊利石赋存于白云石的晶间孔中。由于一些伊利石充填的晶间孔中存在具有与白云石主晶干涉色一致的白云石碎屑（图4－B），说明这些白云石晶间孔叠加了溶解作用，扫描电子显微镜观察中的自生伊利石与大量的不明碎屑物质（可能是细小的溶解残余物，有的可能是不溶残余物质，图4－C，D）伴生，同样说明自生伊利石赋存的一部分空间存在白云石的溶解作用。

图4 栖霞组白云岩晶间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 萤石

萤石也是四川盆地西部中二叠统栖霞组中广泛存在的自生非碳酸盐矿物，但由于晶体很小而一直没有被人们发现和报道。实际上，在薄片尺度下我们即可以识别出自生萤石（图5），同时也只有在薄片尺度的显微镜观察中才能研究这些自生萤石的产出方式与赋存状态。在薄片观察的基础上，通过扫描电子显微镜和能谱分析进一步确认了自生萤石的存在（图3－B；表1），并通过二次电子背散射图像研究了萤石的赋存状态（图5－D）。结构分析表明，自生萤石主要赋存于白云石溶解后的晶内孔中（图5），这些晶内孔可以小到无法在薄片尺度下识别；但大的也可以在0.2 mm以上。赋存萤石的白云石的晶内孔主要是胶结物的晶内孔，尤其是鞍形晶胶结物的晶内孔（图5－A，B）。单个萤石晶体的大小主要在10～200 μm之间（图5），在扫描电子显微镜尺度下的能谱面扫描图像（图5－D）中，可以见到自生萤石晶体包裹被交代的白云石残晶的现象，显示萤石的存在和白云石溶解间的密切关系，多数萤石为交代鞍形白云石的产物。

2.3 磷灰石

磷灰石也是川西中二叠统栖霞组白云岩中较为普遍的自生矿物，地表剖面和井下样品中都有发现（表1）。磷灰石呈自形的粒状晶体且晶体很小，粒径主要分布在几微米至20μm的范围内（图6），但仍然显示出自生成因。一些磷灰石和自生伊利石伴生（图6－B），说明其形成机制与自生伊利石之间的密切关系。能谱分析（图3－C；表1）表明，这些磷灰石均为氟磷灰石。

2.4 其他自生非碳酸盐矿物

其他的自生非碳酸盐矿物还有石英、重晶石和黄铁矿等（一些样品中还见到作为碳酸盐矿物的菱铁矿），亦主要分布在白云石晶间，包括与溶解作用有关的晶间孔隙（如图7中的自生石英），电镜下见重晶石分布于白云石晶体表面（图8）。图3－D和图3－E分别给出自生石英和重晶石的能谱曲线。除自生石英和黄铁矿晶体较大，且可以在薄片尺度下识别以外，其他各种矿物的晶体大小都在几微米至20μm的粒度级别内。自生石英的产出方式在很大程度上与自生伊利石类似，同时也有与自生伊利石共生的现象（图7－C），其所分布的空间经常有较多的未知碎屑矿物，可能是溶解物质或溶解残余物质（图7－A，B）。

图5 鞍形白云石胶结物的溶解及溶解孔洞中萤石的沉淀Fig.5 The dissolution of saddle dolomite cements and the precipitation of fluorite in the dissolved pores（arrows）

图6 栖霞组白云石晶间的自生氟磷灰石Fig.6 Authigenic fluorapatite in intercrystalline pores of Qixia Formation dolomite

图7 栖霞组白云石晶间以六方柱自形晶方式存在的自生石英，晶间孔隙中有不溶残余物堆积Fig.7 Hexagonalprism－shaped authigenic quartz in intercrystalline pores of Qixia Formation dolomite，and impurities accumulated in intercrystalline pores

图8 栖霞组白云石晶间孔中的重晶石Fig.8 Barite in the intercrystalline pores of Qixia Formation dolomite

2.5 焦沥青

为了讨论上的方便，本文将焦沥青列入到了自生矿物中。我们在WJ1井深度为4 041.22m的栖霞组见到了焦沥青，能谱分析表明其碳原子的数量均在94%左右，同时存在少量的硫（图3－F；表1）。这些焦沥青均分布在平直晶面自形晶白云石胶结物的晶间孔中（图9），样品没有显示白云石的明显溶解，一些样品中的焦沥青限制了白云石的生长，因而这些碳化沥青的形成可能与这些白云石胶结物是同时的。如果是这样，焦沥青可能主要是在浅埋藏环境中形成。虽然以后的深埋藏条件也会有沥青形成，但这些沥青经常是乳滴状。这种乳滴状的沥青经常见于川东北长兴组中。

图9 栖霞组白云石晶间的焦沥青Fig.9 Pyrobitumen in intercrystalline pores of Qixia Formation dolomite（arrows）

3 讨论

四川盆地西部中二叠统栖霞组各种自生非碳酸盐矿物赋存于白云石的晶间／晶内孔中或白云石溶解形成的各种孔隙中。已有研究表明，川西中二叠统栖霞组不同结构白云石的包裹体均一化温度主要分布在80～180℃之间，平均值为136℃，非平直晶面鞍形晶可达243℃。距今259 Ma左右（中二叠世末），四川盆地西部经历了与峨眉山玄武岩有关的热事件，古热流达60～80 mW／m2（少数钻井＞100mW／m2），外来热事件造成的温度升高克服了白云石沉淀的动力学屏障，尤其是相对低wMg／wCa比值条件下白云石沉淀的动力学屏障，热液作用是这些白云岩的主要形成机制。热液作用发生在埋藏深度＜500m的浅埋藏环境，热液作用结束后，温度降低造成的倒退溶解使得白云石、尤其是形成温度很高的鞍形白云石溶解，因而，四川盆地西部中二叠统栖霞组的白云石化作用也是一种不彻底的回头白云石化作用。基于此，我们可以认为，川西中二叠统与白云石共生的自生非碳酸盐矿物也主要是热液蚀变成因的。

西加拿大沉积盆地与热液有关的白云岩储层也存在形态和产出方式与川西中二叠统白云岩中类似的自生伊利石。Davies（2004）在研究这种白云岩储层形成机制的时候，将自生伊利石作为重要的热液矿物，其形成还伴随了浅埋藏环境中与热液作用有关的有机质强迫成熟，因而代表相对高温的伊利石指示了外来热液作用的存在［19］。

由于四川盆地西部中二叠统中的自生萤石晶体很小，我们没有在包裹体薄片中识别出萤石，因而也没有获得相应的包裹体均一化温度；但赋存萤石的鞍形白云石主晶的包裹体均一化温度主要分布在110～180℃，最高可达240℃。虽然萤石充填在因温度下降导致白云石溶解形成的晶内孔中，但可以推算这些自生萤石的沉淀温度也应在100℃以上。从形成机制来说，内生地质作用广泛存在热液成因的萤石，包括萤石矿床，沉积岩中的萤石主要形成于高盐度的蒸发环境，与石膏等蒸发矿物共生，这与缺乏蒸发盐的川西栖霞组沉积条件不一致。

Zeeh（1995）报道过奥地利Carinthia Range侏罗系 Wetterstein组热液白云岩中的萤石，其形成机制与本文描述的萤石具有类似的产出方式和成因，萤石与鞍形白云石共生，作为交代鞍形白云石的产物，萤石晶体包含大量的白云石包体。作者认为白云石被萤石交代指示了原始白云石化流体的改变［20］。我们认为萤石的沉淀可能也与热液作用结束后温度降低和Mg离子的消耗有关，温度的降低和Mg离子的消耗恢复了白云石沉淀的动力学屏障，并导致了白云石的溶解（尤其是作为高温条件下沉淀的鞍形白云石的溶解）和萤石、氟磷灰石等以Ca作为阳离子（实际上也包括方解石）的自生矿物的沉淀；重晶石、石英和黄铁矿可能也主要是与热液蚀变有关的矿物。

川西中二叠统栖霞组白云岩中的焦沥青的存在也可能指示了一种热蚀变环境，这些焦沥青在形态上完全不同于川东北长兴组乳滴状沥青，可能与Davies（2004）在研究西加拿大沉积盆地与热液有关的白云岩储层形成机制的时候提到的焦沥青类似，他认为这种焦沥青可能是沥青的热液蚀变残余物，是原始围岩灰岩中的少量干酪根在高温流体进入时被强迫成熟的。我们同意Davies（2004）的观点，四川盆地西部中二叠统白云岩中的焦沥青形成于埋藏深度＜500m的浅埋藏条件下，地热增温不支持这种焦沥青的形成，它们应该是与外来热事件有关的有机质强迫成熟的结果。值得注意的是黄第藩和王兰生（2008）曾讨论过本文采集样品的川西北矿山梁地区沥青脉的地球化学特征，认为这些沥青脉不是生物降解成因，其热成熟度偏高，并认为与深埋地下经长期热蚀变和扩散作用有关［21］。我们相信与峨眉山玄武岩有关的热事件对这些焦沥青的地球化学特征具有强烈的影响。

4 结论

a.四川盆地西部中二叠统白云岩中发育有萤石、氟磷灰石、伊利石、重晶石、石英和黄铁矿等自生非碳酸盐矿物和代表有机质过成熟的焦沥青，各种矿物主要赋存于白云石晶间／晶内孔和溶孔中，尤其是由鞍形白云石溶解形成的晶内孔隙中，一些自生矿物（如萤石）有交代主晶鞍形白云石的现象。

b.考虑到赋存这些自生非碳酸盐矿物的白云石是在浅埋藏环境中形成的，其包裹体均一化温度主要分布在80～180℃之间，结合距今259 Ma左右四川盆地西部所经历的与峨眉山玄武岩有关的热事件（该过程导致了栖霞组碳酸盐岩成岩历史中最大古热流值），可以认为这些自生非碳酸盐矿物的形成与热事件有关，它们是热液蚀变矿物。

c.在各种自生矿物中，萤石、氟磷灰石（也包括一些方解石）等以Ca作为阳离子的矿物的形成指示了热液白云石沉淀后温度的降低（可能从＞200℃的热液温度最终降至浅埋藏的地层温度附近）、Mg离子的消耗、白云石沉淀动力学屏障的建立所造成的白云石溶解和流体性质的改变。

d.伊利石的形成代表了热作用造成的黏土矿物的沉淀或与黏土矿物的强迫演化有关的非正常热演化过程，白云石晶间焦沥青的存在代表了有机质因热蚀变而发生的强迫成熟、过成熟和有机质的非正常热演化过程。

中国石油勘探开发研究院的池英柳高级工程师、杨晓萍高级工程师、薄冬梅博士、江青春博士和川西北矿区张豫高级工程师参加了野外工作，成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室冯明石老师参加了扫描电镜和能谱分析工作，作者在此向他们表示衷心感谢。

［1］黄思静，吕杰，兰叶芳，等.四川盆地西部中二叠统白云岩／石的主要结构类型——兼论其与川东北上二叠统—三叠系白云岩／石的差异［J］.岩石学报，2011，27（8）：2253－2262.

［2］张荫本.四川盆地二叠系中的白云岩化［J］.石油学报，1982，3（1）：29－33.

［3］宋文海.四川盆地二叠统白云岩的分布及天然气勘探［J］.天然气工业，1985，5（4）：16－23.

［4］陈明启.川西南下二叠阳新统白云岩成因探讨［J］.沉积学报，1989，7（2）：45－50.

［5］何幼斌，冯增昭.四川盆地及其周缘下二叠统细—粗晶白云岩成因探讨［J］.江汉石油学院学报，1996，18（4）：15－20.

［6］王运生，金以钟.四川盆地下二叠统白云岩及古岩溶的形成与峨眉地裂运动的关系［J］.成都理工学院学报：自然科学版，1997，24（1）：8－16.

［7］金振奎，冯增昭.滇东—川西下二叠统白云岩的形成机理——玄武岩淋滤白云化［J］.沉积学报，1999，17（3）：383－389.

［8］蒋志斌，王兴志，曾德铭，等.川西北下二叠统栖霞组有利成岩作用与孔隙演化［J］.中国地质，2009，36（1）：101－109.

［9］徐世琦，周建文，曾庆，等.龙门山北段二叠系栖霞组二段白云岩储层特征［J］.天然气工业，2005，25（增刊A）：59－61.

［10］石新，王兴志，张帆，等.川西北地区栖霞组白云岩储集层研究［J］.西南石油学院学报，2005，27（2）：13－16.

［11］金玉玕，王向东，尚庆华，等.中国二叠纪年代地层划分和对比［J］.地质学报，1999，73（2）：97－108.

［12］李国辉，李翔，宋蜀筠，等.四川盆地二叠系三分及其意义［J］.天然气勘探与开发，2005，28（3）：20－25.

［13］章森桂，张允白，严惠君.“国际地层表”（2008）简介［J］.地层学杂志，2009，33（1）：1－10.

［14］魏国齐，杨威，李跃纲，等.川西地区下二叠统栖霞组沉积体系－储层成因及展布［C］／／第二届中国石油地质年会：中国油气勘探潜力及可持续发展论文集.北京：石油工业出版社，2006：1－6.

［15］何斌，徐义刚，王雅玫，等.用沉积记录来估计峨眉山玄武岩喷发前段地壳抬升幅度［J］.大地构造与成矿学，2005，29（3）：316－320.

［16］朱传庆，徐明，单竞男，等.利用古温标恢复四川盆地主要构造运动时期的剥蚀量［J］.中国地质，2009，36（6）：1268－1277.

［17］朱传庆，徐明，袁玉松，等.峨眉山玄武岩喷发在四川盆地的地热学响应［J］.科学通报，2010，55（6）：474－482.

［18］魏国齐，杨威，朱永刚，等.川西地区中二叠统栖霞组沉积体系［J］.石油与天然气地质，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］黄第藩，王兰生.川西北矿山梁地区沥青脉地球化学特征及其意义［J］.石油学报，2008，29（1）：23－28.