塔里木盆地寒武系鞍状白云石孔隙充填物差异与成因①

张军涛 胡文瑄 王小林

(1．中国石化石油勘探开发研究院构造与沉积储层实验室 北京 100083;2．南京大学地球科学系 南京 210093)

0 引言

碳酸盐岩沉积以后往往经历复杂的成岩作用，而鞍状白云石充填作用作为一种独特而又重要的成岩作用，其可能记录了流体作用的痕迹，近年来已成为研究的热点［1～6］。

塔里木盆地寒武系发育有一套厚达千米的白云岩层系，其中白云岩形成后经历了多期次、多种类型地质作用，对于鞍状白云石，虽然日益受到研究者的重视［7～10］，但对于其鞍状白云石差异性，目前研究相对较少。

本文从新的角度，即基于分析鞍状白云石的形貌特征、内部结构和地球化学特征，试图查明其成因，揭示白云岩储层成岩过程中的构造演化与流体活动之间的差异，并初步讨论其对储层物性的影响。

1 实验方法

白云岩样品采集于塔里木盆地塔河、塔中、巴楚等地区钻井和柯坪地区野外剖面的寒武系地层中。实验样品先在显微镜下鉴定，选取合适的鞍形白云石进行微区元素组成分析。

白云石的元素组成分析在南京大学内生金属矿床国家重点实验室JEOL 8100型电子探针上完成，工作条件:加速电压15 keV，电流强度20 nA，电子束斑直径＜1 μm。

以背散射电子(BSE)方式成像的电镜，所获得的图像通过原子序比较矿物的不同成分，利用背散射图像可分析充填白云石复杂的内部结构和成分差异。

部分样品还进行了碳氧同位素、锶同位素和包裹体均一温度分析，以进一步分析形成充填白云石的流体性质。

2 实验结果

通过大量样品的薄片和探针数据分析，将鞍状白云石充填物分为三种类型以区分其特征和成因:

2．1 去白云石化鞍状白云石

多见于上寒武统以及中寒武统底部的沉积层序中，发育于粉晶白云岩中［6］。与基质白云石界线清楚，差异明显。常为乳白色，多呈不规则团块型的鞍状白云石，晶面弯曲(图1A)，在正交光下波状消光。并有后期方解石发育［12］。

在背散射图像下，热水白云石晶体内部较为均一，边缘因发生去白云岩化作用，而表现为环带状(如图1B)，与因Fe、Mn含量不同而形成的环带有所不同。晶体内部富含不规则状方解石包裹体，大小由几微米到十几微米不等。而晶体边缘基本不含方解石包裹体。

其基质白云岩的Ca/Mg值在0．95～1．11之间，接近化学计量值白云岩。鞍状白云石的Ca/Mg值(0．97～1．28)要略高于基质白云石的 Ca/Mg 值(表 1)［12］。

图1 去白云石化鞍状白云石内部结构A．鞍状白云石，具有弯曲的晶面，蓬莱坝剖面，上寒武统，显微照片;B．鞍状白云石，具有去白云岩环带，蓬莱坝剖面，上寒武统，背散射照片Fig．1 The internal structure of dedolomitzation saddle dolomite

表1 鞍状白云石的Ca/Mg值和微量元素含量(μg/g)Table 1 The value of Mg/Ca and trace element content of saddle dolomite

表2 去白云石化鞍状白云石87Sr/86Sr数据Table 2 The value of87Sr/86Sr of dedolomitzation saddle dolomite

此类白云石充填物Fe含量在132～428 μg/g之间，仅有一个测点的Fe含量较高，为957 μg/g。基质白云石的Fe含量略低于白云石充填物，分布于54～373 μg/g之间。Mn在白云石充填物内为31～480 μg/g，基质白云石的Mn含量比鞍状白云石略低，范围在85～364 μg/g。而方解石中的Mn含量也相对较低，范围在 54～651 μg/g。

此类白云石的氧同位素值远低于基质白云石的δ18O 值，在－12．3‰ ～ －10．1‰之间(仅有一个值为－7．7‰)，基质白云石的 δ18O 值在－7．8‰～ －6．1‰之间。鞍状白云石和基质白云石的δ13C差别不大，前者的值在－1．2‰～ －0．3‰之间，后者的值在－1．4‰～－0．5‰之间。包裹体的均一温度主要分布在87℃～140℃之间，多数集中于 90℃ ～130℃［12］。鞍状白云石87Sr/86Sr值在 0．708 979～0．709 038 之间，远低于基质白云石的87Sr/86Sr值，在 0．709 403～0．709 438之间(表2)。

2．2 富铁鞍状白云石

在上寒武统丘里塔格下亚群中较为常见，也被广泛报道［7～10］，多发育在中—粗晶白云岩中。颜色多为乳白色或青灰色，呈齿状产出于白云岩的裂隙和溶孔中(图2A)。晶体一般为粗晶，甚至可达到巨晶。具有弯曲的晶面，在正交光下波状消光，呈现出鞍状白云石的特征。晶体一般具有“雾心亮边”结构，且发育一个加大边，与晶体内部迥异。

此类白云石的内部结构非常复杂，又可细分为内核、环带和外缘三部分(图2B)。在电子探针背散射图像中，三部分具有较大的差异。但也有部分白云石晶体发育得并不完整［9］。

晶体内核颜色较暗，富集白色方解石包裹体，呈星点状散布，形状不规则，大小不等，粒径一般约几微米左右。晶体环带又可分为内环带和外环带。内外环带的差别主要体现在方解石包裹体含量上。内环带富含方解石包裹体，由暗色与亮色条纹相间而成。外环带则基本不含方解石包裹体，而夹有亮色细条纹的暗色层。外环带内的条纹结构较复杂，界线明显，且发育溶蚀边(图2B)。外缘是鞍状白云石晶体的最外层，无环带结构。内部较为均一，但也有部分外缘含方解石包裹体(图2B)。

通过电子探针的点分析和线分析显示，此类白云石的 Ca/Mg 值(0．99～1．38)，内核的值在 0．99～1．33间，环带的值在1．02～1．38间。晶体内部的亮环带主要是由于较高的Fe含量引起的，最高可达44 886 μg/g，而Mn含量相对与其他增加值并不明显，最高值为 1 216 μg/g(表 1)［9］。此类白云石的氧同位素值在－9‰～－5‰(VPDB)之间，相较于基质白云石(－7‰～－4．5‰ VPDB)略微偏负，并结合包裹体均一温度分布于100℃～150℃之间。鞍状白云石的锶同位素有很大的差异，87Sr/86Sr值在(0．708 824～0．709 391)低于基质白云岩，高于同期海水［6］。

2．3 富铁富锰鞍状白云石

此类白云石可见于塔里木盆地北部的寒武系中，多发育在角砾状的中—粗晶白云岩中，与断层关系密切。颜色多为肉红色，呈齿状产出于白云岩的裂隙和以及裂缝扩大溶孔中。

在显微镜下，此类白云石也呈现出鞍状白云石的特征:弯曲的晶面，在正交光下波状消光，明显的雾心亮边结构，且与基质白云石有明显的界线(图3A)。基质白云石类型多样，既可为粉晶，又可为中粗晶。

电子探针背散射照片(图4)下显示，此类白云石晶体内部结构较前一种更为复杂。其中发育有多期多类型的条纹，呈现出“玫瑰花”状，可将其简单地分为内环带和外环带两部分。内环带含有少量的方解石包裹体，环带颜色较淡，条纹多且细，界线模糊不清，含方解石包裹体;而外环带，环带颜色较亮，条纹少且粗，往往只含有一条较粗的亮条纹，且亮暗界线明显。

图2 富铁鞍状白云石内部结构A．鞍状白云石，具有弯曲的晶面，同1井，上寒武统，显微照片;B．鞍状白云石，具有富铁环带，同1井，上寒武统，背散射照片。Fig．2 The internal structure of Fe-rich saddle dolomite

通过电子探针的元素含量分析显示，该类白云石有一个显著特征:具有较高的Fe和Mn含量(表1)，测点中位于晶体的外环带亮条纹上Fe含量的最高值可达 124 172 μg/g，大部分测点范围在 19 950～38 057 μg/g，而内环带 Fe 含量在 6 907～ 25 091 μg/g;Mn含量最高值可达5 056 μg/g，位于晶体的外环带亮条纹上，外环带的含量范围在2 893～5 056 μg/g，Fe、Mn也均为三种白云石充填物中的最高值。而电子探针线分析(图5)也显示出，这种成分分布在晶体内部的差异性，最高的Fe和Mn含量集中分布于晶体的外环带的亮条纹中，而内环带则普遍具有相对较高的Fe含量，而Mn含量与晶体内部并无太大区别，与基质基本一致。而基质白云石以及白云石充填物边缘的Fe和Mn含量都很低。

图3 富铁富锰鞍状白云石显微特征A．孔隙内的鞍状白云石，具有雾心亮边结构，寒武系，大古1井;B．孔隙内的鞍状白云石，具有雾心亮边结构，寒武系，大古1井。Fig．3 The micro-feature of Fe-rich and Mn-rich saddle dolomite

图4 富铁富锰鞍状白云石内部结构特征A．大古1井上寒武统中的鞍状白云石;B．星火2井寒武系中的鞍状白云石。Fig．4 The internal structure of Fe-rich and Mn-rich saddle dolomite

3 讨论

3．1 形成温度

鞍状白云石多形成于较高的温度环境中，一般认为其形成温度要高于80℃［3］。富铁环带白云石和无铁环带白云石的包裹体测得的均一温度均在87℃～150℃之间;测定的鞍状白云石的氧同位素多具有较基质白云石偏负，也说明其形成温度相对较低;另外，较高的铁和锰含量也说明其形成温度相对较高，因为Fe和Mn只有在较高的温度和还原条件下才容易进入晶体晶格。

富铁富锰环带白云石充填物具有较为典型的鞍状白云石结构，说明其形成温度应高于80℃。同时，异常高的铁和锰含量(图6)也可能反映了其形成于更高温度下的还原环境中。

3．2 流体来源

热流体的来源，目前有多种认识，可能是岩浆热液，也可能是深循环的大气降水，封存的地层水等等［3］。本区鞍状白云石内部结构的差异，也显示其形成的流体来源和流体的活动方式具有多样性。通过前期的研究发现，富铁环带白云石流体来源于穿越了中寒武层系的深部热流体［6］，而无铁环带白云石可能为寒武系封存的地层水，并可能有经深循环后的大气降水掺入［4］。而富铁富锰环带白云石充填物具有较其他类型更高的铁和锰含量［8，9］，特别是含有异常高的锰含量(图6)，说明其流体来源要与其他两种类型的白云石充填物有所差异。

根据碳氧同位素和流体包裹体分析也显示，流体来源于地层水和经深循环大气降水，同时Sr同位素分析数据显示，无铁锰白云石与与富铁白云石的值相似，但是氧同位素值有细微的差异，铁锰含量有明显的差异，反映其流体都属于热流体，但其形成环境、来源和温度也有一定差异性，无铁锰白云石其内部结构较为均一，反映了其形成过程中流体的性质变化较小，形成的环境较为稳定;而富铁环带内部结构较为复杂，反映了其形成过程的复杂性，其与断层活动关系密切，其中环带Fe含量的变化反映了断裂活动的脉动性。

图5 富铁富锰鞍状白云石线分析图A，B鞍状白云石充填物，大古1井，寒武系，塔北地区。Fig．5 The line analysis of Fe-rich and Mn-rich saddle dolomite

在内部结构更为复杂，说明其流体的变化更为变化、特殊。其内环带中的铁和锰含量以及Ca/Mg比值与富铁环带白云石的较为相似，说明其流体来源可能相似，都可能受到了断裂的影响;但是外环带较高的铁和锰含量与其他类型的白云石有很大的差异，可能流体性质发生明显的变化，其来源深度可能更深。

4 结语

(1)鞍状白云石形成于较高的温度中，可将鞍状白云石分为三种类型:去白云石环带白云石、富铁环带白云石和富铁富锰环带白云石等。

(2)三类白云石形成于不同的环境中，其形成流体的性质也存在很大的差异。去白云石化鞍状白云石可能与寒武系层内流体有一定关系，富铁环带和富铁锰环带白云石都受到了与断裂相关流体的影响，而富铁锰环带的形成流体深度可能更深。

图6 鞍状白云石充填物Fe-Mn含量图注:图中原点附近矩形区域(绿色圆点)为去白云岩环带鞍状白云石;斜线矩形区域(紫色圆圈)为富铁环带鞍状白云石，其余(红色圆圈)为富铁富锰鞍状白云石。Fig．6 The Fe and Mn content of saddle dolomite

References)

1 Warren J．Dolomite:occurrence，evolution and economically important associations［J］．Earth-Science Reviews，2000，52:1-81

2 Machel H G．Concepts and models of dolomitization:A critical reappraisal［J］．Geological Society，London，Special Publications，2004，235:7-63

3 Davies G R，Smith Jr L B．Structurally controlled hydrothermal dolomite reservoir facies:An overview［J］．AAPG Bulletin，2006，90(11):1641-1690

4 Al-Aasm I S，Lonnee J，Clarke J．Multiple fluid flow events and the formation of saddle dolomite:examples from Middle Devonian carbonates of the Western Canada Sedimentary Basin［J］．Journal of Geochemical Exploration，2000，69-70:11-15

5 Al-Aasm I S，Lonnee J，Clarke J．Multiple fluid flow events and the formation of saddle dolomite:case stdudies from Middle Devonian carbonates of the western Canada sedimentary basin［J］．Marine and Petroleum Geology，2002，19:209-217

6 Zhang Juntao，Hu Wenxuan，Qian Yixiong，et al．Formation of saddle dolomites in Upper Cambrian carbonates，western Tarim Basin(northwest China):Implications for fault-related fluid flow［J］．Marine and Petroleum Geology，2009，26:1428-1440

7 王丹，王旭，陈代钊，等．塔里木盆地塔北、塔中地区寒武系—奥陶系碳酸盐岩中鞍形白云石胶结物特征［J］．地质科学，2010，45(2):580-594［Wang Dan，Wang Xu，Chen Daizhao，et al．Characteristics of saddle dolomite cements in the Cambrian-Ordovician carbonates in Tabei and Tazhong area of Tarim Basin［J］．China Journal of Geology，2010，45(2):580-594］

8 卿海若，陈代钊．非热液成因的鞍形白云石:来自加拿大萨斯喀彻温省东南部奥陶系Yeoman组的岩石学和地球化学证据［J］．沉积学报，2010，28(5):980-986［Qing Hairuo，Chen Daizhao．Non-hydrothermal saddle dolomite:Petrological and geochemical evidence from the Ordovician Yeoman Formation，southeastern Saskatchewan，Canada［J］．Acta Sedimentologica Sinica，2010，28(5):980-986］

9 张军涛，胡文瑄，钱一雄，等．塔里木盆地中央隆起区上寒武统—下奥陶统白云岩储层中两类白云石充填物:特征与成因［J］．沉积学报，2008，26(6):77-86［Zhang Juntao，Hu Wenxuan，Qian Yixiong，et al．Feature and origin of dolomite filling in the Upper Cambrian-Lower Ordovician dolostone of the central uplift，Tarim Basin［J］．Acta Sedimentologica Sinica，2008，26(6):77-86］

10 焦存礼，何治亮，邢秀娟，等．塔里木盆地构造热液白云岩及其储层意义［J］．岩石学报，2011，27(1):277-284［Jiao Cunli，He Zhiliang，Xing Xiujuan，et al．Tectonic hydrothermal dolomite and its significance of reservoirs in Tarim Basin［J］．Acta Petrologica Sinica，2011，27(1):277-284］

11 Gasparrini M，Bechstadt T，Boni M．Massive hydrothermal dolomites in the southwestern Cantabrian Zone(Spain)and their relation to the Late Variscan evolution［J］．Marine and Petroleum Geology，2006，23:543-568］

12 张军涛，胡文瑄，王小林，等．塔里木盆地西北缘寒武系中热水白云石团块特征及成因研究［J］．地质学报，2011，85(2):234-245［Zhang Juntao，Hu Wenxuan，Wang Xiaolin，et al．Character and origin of Cambrian hydrothermal dolomite conglomeration in the northwestern margin of Tarim Basin［J］．Acta Geologica Sinica，2011，85(2):234-245］