四川盆地中二叠统栖霞组滩相白云岩多重成因机理及叠加效应*

田景春 林小兵 张翔 彭顺风 杨辰雨 罗寿兵 徐亮

1.油气藏地质与开发工程国家重点实验室成都理工大学，成都 610059 2.中石油西南油气田分公司勘探开发研究院，成都 610059

1 引言

四川盆地经过半个多世纪的油气勘探，在下二叠统地层中已发现了50余个气田(或含气构造)，累计探明天然气超过800×108m3，具有良好的油气勘探潜力(王运生和金以钟，1997;徐世琦等，2005;石新等，2005)。尽管目前盆地内钻遇栖霞组的井已达1100余口，但总体来说，盆地内栖霞组的天然气勘探程度依然较低。前人对包括栖霞组在内的四川盆地下二叠统白云岩成因及其储集性进行了一系列研究，提出了多种白云岩成因类型，如混合水白云化作用(张荫本，1982;宋文海，1985;陈明启，1989)、埋藏云化局部叠加高温条件或特殊热事件影响云化(何幼斌和冯增昭，1996)、埋藏热液叠加混合水云化(王运生和金以钟，1997)、玄武岩淋滤白云石化(金振奎和冯增昭，1999)、混合水和埋藏白云化作用(蒋志斌等，2009)。

然而，以往对盆地内栖霞组白云岩的研究往往局限于盆地的某一个地区，较少从全盆地的角度开展整体性、统一性的研究和差异性分析。而不同地区白云岩成因机理的差异性，决定了不同地区白云岩储集性具有很大的差异性。因此，深入探讨栖霞组白云岩(尤其是滩相白云岩)的成因机理，进而分析滩相白云岩对油气的储集意义，可以为四川盆地栖霞组进一步的油气勘探提供科学依据和基础资料。

2 栖霞组地层、沉积背景

四川盆地二叠系栖霞组广泛发育，厚度主要分布范围为20～300m，平均稳定在100～150m之间(陈宗清，2009)，并进一步划分两段，自下而上为栖霞组一段(俗称栖一段)和栖霞组二段(俗称栖二段)。其中，栖一段岩性主要为深灰色红(绿)藻屑泥-粉晶灰岩、亮晶藻屑砂屑灰岩，夹泥质条纹、条带和燧石结核团块，局部夹薄层状粉晶-细晶云质灰岩。栖二段岩性主要为浅灰～褐灰色晶粒云岩、泥-亮晶生屑灰岩、亮晶藻屑或藻团粒灰岩、泥-粉晶灰岩、灰质云岩、云质灰岩，夹少量页岩。栖霞组化石含量丰富，主要为红绿藻、有孔虫，以及腹足、棘屑、腕足、介形虫等。

从区域沉积格局上看，四川盆地在栖霞期沉积环境变化不大(冯增昭，1996;胡明毅等，2010)，主体为开阔台地、台地边缘沉积，其中在台地上发育台内浅滩沉积，台地边缘发育台缘滩等亚相类型(图1)。根据旋回性，栖霞组可识别出两个旋回的海平面变化，分别对应栖一段和栖二段。在上述沉积演化过程中，栖霞组白云岩主要发育于栖二段，储集性能良好(陈宗清，2009)。

图1 四川盆地栖霞组岩相古地理及地层划分(a)-四川盆地栖霞组岩相古地理及资料点分布;(b)-栖霞组地层划分及展布特征Fig．1 The lithofacies paleogeography and stratigraphic division of Qixia Formation in the Sichuan Basin

表1 四川盆地二叠系栖霞组部分钻井白云岩厚度统计表Table 1 Dolomite thickness of Qixia Formation drillings in the Sichuan Basin

本研究充分利用采自于四川盆地西北部的龙17井、矿2井、矿3井、吴家1井和剑阁地区的长江沟剖面、四川盆地西南部的汉深1井和乐山地区的毛坪剖面及盆地东部地区的华蓥溪口剖面的栖霞组白云岩样品，通过对白云岩的岩石学、地球化学特征的研究，认识四川盆地二叠系栖霞组白云岩的成因机理及不同区域不同成因类型白云岩的叠加效应。

3 白云岩分布及类型

图2 栖霞组白云岩等厚图Fig．2 The isopach map of dolomite in the Qixia Formation

四川盆地栖霞组白云岩厚度统计结果显示(表1)，栖霞组白云岩的厚度变化较大，从不到1米至几十米不等;从区域分布上看，栖霞组白云岩主要发育于盆地西部，盆内其它地区零星分布(图2)。白云岩的分布情况显示，白云岩发育地区与沉积背景关系密切，分布于盆地西部的白云岩为台地边缘滩相沉积背景，而盆地内零星分布主要为台内滩沉积背景(图1)。

根据白云岩在地层中的产出的宏观特征上看，栖霞组白云岩(或白云石)的类型主要包括三种:白云岩化不彻底的豹斑状(云质)灰岩、沿缝合线发育晶型较好的具有雾心亮边特征的白云岩(或白云石)和晶粒白云岩。从微观结构特征上看，按照黄思静等(2011)的分类，又可将结晶白云岩划分为平直晶面半自形晶-非平直晶面他形晶、非平直晶面鞍形晶、平直晶面斑状晶等结构类型。

4 栖霞组滩相白云岩成因机理

上述不同类型和晶体结构的白云岩，代表了不同的成因机理。通过显微薄片鉴定及测试分析化验资料综合分析，认为四川盆地栖霞组滩相白云岩的成因机理主要有以下三种类型。

4.1 混合水白云岩化成因类型

混合水白云岩化成因的白云岩在栖霞组白云岩中并不占优势地位。但基于栖霞组台缘、台内滩较为发育的沉积背景，认为在滩相沉积中具有发育大气淡水成岩环境的有利条件，并发育混合水白云石化。据野外露头和岩心的观察，此类白云岩宏观上看呈豹斑状，微观上看白云石晶体呈分散状分布，晶型较好(图3)，为平直晶面斑状晶，主要呈选择性地交代颗粒和泥晶基质(原始成分为文石或高镁方解石)。由于低温条件下的白云化作用趋向于原始结构保存(黄思静等，2011)，因此，该类白云石是相对低温下白云石化的产物。

从碳氧同位素上看(表2)，表现为氧同位素偏负值，碳同位素偏正值，反应了早期淡水参与的白云石化的特征。

表2 栖霞组豹斑状云质灰岩或灰质云岩碳氧同位素值Table 2 The values of carbon and oxygen isotopes of leopard dolomitic limestone or gray dolomite

图3 栖霞组混合水白云岩化所形成的白云石特征(a)-台缘滩亮晶砂屑生屑灰岩，发育大气淡水成因渗滤粉砂，龙17井，5856.20m，栖霞组，单偏光;(b)-混合水白云岩化形成的云石呈分散状零星分布于亮晶砂屑灰岩，龙17井，5869.60m，栖霞组，单偏光Fig．3 Features of dolomite formed by mixed water dolomitization in Qixia Formation

图4 栖霞组埋藏白云岩化所形成的白云岩特征(a)-具有雾心亮边的灰质云岩，矿3井，栖霞组，单偏光;(b)-具有雾心亮边的云质灰岩，华蓥溪口剖面，栖霞组，单偏光Fig．4 The features of dolomite formed by burial dolomitization in Qixia Formation

4.2 埋藏白云岩化成因类型

由埋藏白云岩化所形成的白云岩(或白云石)宏观上看成呈斑块状沿缝合线发育，晶型较好，多呈平直晶面半自形晶，镜下可观察到部分晶体具有雾心亮边特征(图4)。同时，该类白云石的阴极发光特征表现为具有相对较强的环带状阴极发光，而未云化部分包括生物或灰泥基质通常不具阴极发光，或者仅仅有非常弱的阴极发光(黄思静等，2011)。从阴极发光特征来看，生物或灰泥基质较好地保存了原始海水特征，具有较低的铁锰值，相比而言，白云石铁、锰含量较高且存在明显变化。

4.3 热液白云岩化成因类型

热液白云岩化所形成的白云岩是四川盆地中二叠统栖霞组白云岩中最主要的类型。其产出状态往往呈厚层状、大规模分布。镜下观察该类云岩晶体也较为粗大，经常是粗晶甚至极粗晶，晶体结构主要为非平直晶面他形晶和非平直晶面鞍形晶(马鞍状白云石)。其中马鞍状白云石是最具典型结构特征的白云石类型，主要以胶结物形式充填在孔隙(洞)中，部分马鞍状白云石晶面呈镰刀状弧形(图5)，具波状消光。

图5 栖霞组热液成因白云石特征(a)-晶面呈镰刀状弧形的马鞍状白云石，汉深1井，4971.05m，蓝色铸体薄片单偏光;(b)-波状消光的马鞍状白云石，汉深1井，4978.80m，蓝色铸体薄片正交偏光Fig．5 The features of dolomite formed by hydrothermal dolomitization in Qixia Formation

除了晶体形态以外，热液白云岩化在栖霞组白云岩中还有多种响应特征，包括:与热液作用有关的特殊矿物共生组合，阴极发光，同位素，包体测温等方面。这些响应特征具体表现如下:

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(1)热液矿物组合的响应

与晶型粗大的马鞍状白云石组成的白云岩共生的热液矿物组合主要包括:自生石英、萤石、磷灰石等(图6)。

此前对于四川盆地栖霞组白云岩中自生萤石的报道很少(黄思静等，2012)。本文在薄片尺度的显微镜观察中，观察到萤石的产出方式和赋存状态主要有两种:①赋存于白云石晶内的自生萤石，为交代鞍形白云石的产物，单个晶体大小主要为0.06～0.1mm(图6c，萤石交代云石);②赋存于白云石晶间孔中的自生萤石，单个萤石晶体大小主要在沿着白云石基底向孔隙空间生长，单个晶体大小主要为0.2～0.4mm，晶体形态受控于孔隙空间，部分萤石晶面平直，局部与平直白云石晶面平行相交(图6c，自生萤石)。自生萤石的发育在缺乏蒸发盐的栖霞组沉积条件下，可以认为是热液成因。

石英(图6a，b)和磷灰石(图6d)是四川盆地栖霞组白云岩中普遍发育的自生矿物，主要充填在白云石晶间孔内，晶体多呈自形，但晶体都很小，粒径主要分布在几微米至20微米的范围内。

(2)热液作用导致白云石的重结晶响应

热液活动导致白云石重结晶，白云石晶体呈细-中晶大小，部分可为粗-极粗晶，重结晶晶体界面不规则，晶体表面呈云雾状，可以见到晶间孔残余(图6e)。

(3)热液溶蚀作用

热液活动过程中不仅导致白云石的重结晶，同时导致白云石发生溶蚀作用，形成溶孔(图6f)。

(4)流体包裹体均一化温度

栖霞组马鞍状白云石的流体包裹体与同层的方解石相比，具有较高的均一化温度，通常都高于100℃，在110～190℃之间(表3)。较高的均一化温度留下了热液活动的证据。

(5)碳、氧同位素特征

图6 热液白云岩化的组合响应特征(b、d据黄思静等，2012)(a)-自生石英，毛坪剖面，栖霞组，正交偏光;(b)-自生石英，矿2井，2414.07m，栖二段，扫描电镜照片;(c)-自生萤石，汉深1井，4971.05m，蓝色铸体薄片单偏光;(d)-自生磷灰石，长江沟剖面，60m，栖二段，扫描电镜照片;(e)-白云石重结晶，汉深1井，4969.10m，单偏光;(f)-白云岩热液溶蚀作用，汉深1井，岩心照片Fig．6 The response characteristics of hydrothermal dolomitization(b and d after Huang et al．，2012)

据Davies and Smiths(2006)对全球白云石碳氧同位素分析数据统计，与热液有关的马鞍状白云石δ13C(PDB)大多数在－3‰～5‰之间，δ18O(PDB)最常见的在－12‰～ －5‰的范围。四川盆地有关地区栖霞组碳氧同位素数据与全球的马鞍状白云石碳氧同位素吻合性很好(表4);而且马鞍状白云石氧同位素值较全球统计白云岩具有较高负偏移，这是热分馏的结果，表明了热液活动的存在。

5 白云岩发育条件与白云岩化作用的叠加效应

5.1 白云岩发育条件

(1)高能生屑滩是白云岩化作用发育的有利背景

通过对现代及地质历史时期生物(屑)滩微相研究表明，滩相沉积一般发育于正常浪基面以上，水体较浅，海水通畅，水动力条件强。在这种环境下堆积形成的栖霞组滩体，一般生物(屑)含量较高，以亮晶方解石胶结为主，灰泥组分不多(图3)，沉积体规模亦较大(图1)。这种高能滩沉积一方面自身具有良好的原始渗滤能力(后期胶结作用之前);另一方面，因为滩体古地貌高，容易暴露而发生溶蚀作用，产生次生孔隙，为后期混合水白云岩化创造了条件。

表3 栖霞组马鞍状白云石的流体包裹体均一化温度Table 3 The homogenization temperatures of fluid inclusions of saddle dolomite in Qixia Formation

表4 栖霞组马鞍状白云石碳氧同位素值Table 4 The values of carbon and oxygen isotope of saddle dolomite in Qixia Formation

(2)裂缝的发育为白云岩化创造了条件

在不同白云石化作用叠加过程中，裂缝的作用至关重要。栖霞组早期滩相沉积随着压实作用和胶结作用的进行，原生孔隙逐渐缩减甚至于致密化。在后期热液白云石化作用叠加改造的过程中，裂缝成为云化流体的主要输送通道。因此，在镜下观察到的结果是，栖霞组马鞍状白云石，首先充填在裂缝中，随着距离裂缝的远去，云化程度快速减弱以至于没有白云石化(图7)。

5.2 白云岩化作用的叠加效应

由于白云岩化过程的多阶段性(Machel and Anderson，1989)，因此，四川盆地栖霞组白云岩几种成因类型，对整个白云石化进程具有明显不同的影响，现今无论是在野外剖面还是钻井岩心中所看到的白云岩其实为多种白云岩化作用叠加后的最终结果。叠加效应主要表现在以下几方面:

(1)白云岩规模叠加效应

白云岩发育的规模，除了受控于不同的沉积背景和构造条件，还受控于不同白云石化作用的叠加改造。总体表现为在构造裂缝发育的川西南部地区，在大气淡水云化基础上发育大规模热液改造，导致白云岩呈厚层状发育;在川西北部地区，热液改造范围有限，仅在裂缝两侧有限范围内发育热液云化，因此，白云岩主要呈薄层、斑块状发育;在川东-川南地区，主要发育大气淡水云化，白云石规模较小，呈零星分布(图2)。

(2)白云石晶体形态的叠加效应

栖霞组白云岩的晶体形态，既有原始结构保存良好的，也有重结晶和马鞍状白云石，但总体以不具原始结构或者原始结构保存较差的白云石为主。说明了滩相沉积的白云石化叠加过程:首先经历了低温条件下的白云化作用，从而形成了具良好原始结构的白云石，后期在构造作用下产生裂缝，热液顺裂缝流动的过程中，早期的灰岩、云质灰岩(包括具良好原始结构的白云石)被热液叠加改造，从而导致白云石重结晶和弯曲晶面白云石的形成。并且，从粗-极粗晶等较大的白云石晶体尺寸可以看出，热液叠加改造过程中镁离子浓度较低(黄思静等，2011)，并且随着热液镁离子浓度的进一步降低，在孔洞中充填巨晶马鞍状白云石。现今的白云岩，主要是热液改造的结果，占到了云岩的主要比例。

(3)白云石地球化学特征的叠加效应

碳氧同位素特征的叠加效应:碳氧同位素特征对不同白云石作用叠加的响应，体现为规律性的偏差。栖霞组白云石的碳同位素值介于1‰～5‰，总体特征偏正;氧同位素值介于－12‰～－2‰，变化幅度较大。这些相对混乱的数值说明了白云岩化流体的多源性(如淡水和热液)和叠加效应。

流体包裹体温度的叠加效应:四川盆地栖霞组白云石的流体包裹体温度，跨度从60°到200°以上。这种温度变化范围，说明了白云石化作用过程中，温度的梯级升高。相对较低的温度，对应于混合水条件下形成的较好原始结构的白云石;而较高的温度，一方面体现了热液的参与，同时，总体较高的温度为栖霞组白云石化作用克服了白云石化作用的动力学屏障，为叠加白云石化作用提供了有利条件。

图7 云质亮晶砂屑灰岩(龙17井，5870.50m，染色片，拼版照片)Fig．7 The dolomitic sparite dolarenite limestone(Long17 well，5870.50m，Staining)

6 结论

(1)四川盆地栖霞组白云岩的规模变化较大，从不到一米至几十米不等，主要发育于盆地西部，盆内其它地区零星分布。白云岩的发育与沉积背景关系密切，分布于盆地西部的白云岩为台地边缘滩相沉积背景，而盆地内零星分布主要为台内滩沉积背景。

(2)栖霞组白云岩有三种成因类型:包括(1)混合水白云岩化所形成的白云岩(或白云石)，白云石晶体呈分散状分布，晶型较好，具良好的原始结构，为平直晶面斑状晶;(2)埋藏白云石化成因的白云岩(或白云石)，呈斑块状沿缝合线发育，晶型较好，多呈平直晶面半自形晶，部分晶体具有雾心亮边特征;(3)热液白云石化成因的白云岩，厚层状，晶体主要是粗晶甚至极粗晶，晶体结构主要为非平直晶面他形晶和非平直晶面鞍形晶(马鞍状白云石)，同时发育与热液作用有关的特殊矿物共生组合。

(3)栖霞组白云岩为多种白云岩化作用叠加形成的，这种叠加效应在白云岩规模、晶体形态、同位素特征和流体包裹体温度等方面均有体现。总之，滩相沉积是白云岩化的基础;不同类型的白云岩化作用是关键;裂缝的发育为白云岩化创造了条件。

致谢 文中的显微观察及矿物流体包裹体测试分析利用油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，英国Renishaw invia系列新型激光共焦显微拉曼光谱仪完成，在此表示感谢。

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