川中下寒武统龙王庙组白云岩阴极发光特征与成岩流体

李北康，胡作维，李　云，赵异华，梁　峰，孙豪飞

(1.成都理工大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·沉积地质研究院，四川成都 610059；2.中国石油西南油气田分公司川中油气矿)

川中下寒武统龙王庙组白云岩阴极发光特征与成岩流体

李北康1，胡作维1，李云1，赵异华2，梁峰2，孙豪飞2

(1.成都理工大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·沉积地质研究院，四川成都 610059；2.中国石油西南油气田分公司川中油气矿)

摘要：四川盆地中部地区寒武系龙王庙组是我国近年发现的重要天然气储层，对川中地区龙王庙组的46个白云岩岩心样品进行阴极发光分析，结合Mn、Fe元素分析发现：龙王庙组白云岩普遍具有较弱的阴极发光性，与其较低的Mn含量有关；不同结构类型的白云岩具有不同的阴极发光性，Fe/Mn值对其起主要控制作用；早成岩阶段的大气水作用，中成岩阶段的地下流体作用和表生作用阶段的大气水作用等对龙王庙组白云岩的阴极发光特征起主要的控制作用。

关键词：川中地区；龙王庙组；阴极发光；微量元素；成岩流体

乐山-龙女寺古隆起发现于20世纪70年代，西起乐山，东至龙女寺，面积约为6.25×104km2[1-2]。2011年开始，川中地区下组合的勘探取得重大突破[3]，截至2013年底，高石梯-磨溪地区龙王庙组已探明天然气地质储量约4 400×108m3，是中国迄今为止单体规模最大的整装气田[4]。

文中以钻井岩心为基础，以阴极发光为主要研究手段[5-6]，结合Mn、Fe元素分析，讨论川中地区龙王庙组白云岩经历的成岩作用流体性质，为龙王庙组白云岩的成岩作用研究提供参考。

1样品及实验方法

样品取自研究区11口钻井取心段46个样品，结合曾允孚[7]的划分方案，按照碳酸盐岩结构划分为粉-细晶残余砂屑白云岩和粉-细晶白云岩两类。

粉-细晶白云岩：以粉-细晶白云石为主要成分，局部致密排列，发育缝合线；大部分经重结晶作用形成较大的结晶白云石，发育晶间孔。常见岩石被顺层溶蚀形成超大溶孔或溶洞，其中部分充填亮晶白云石或自生石英，溶孔、洞边缘多充填沥青。部分样品溶蚀孔、洞极为发育，局部面孔率可达15%左右。

粉-细晶残余砂屑白云岩：残余砂屑结构、砂屑形态不明显，在正交偏光或阴极发光下可识别。砂屑由较脏的细-极细晶或泥晶白云石组成，局部重结晶成亮晶白云石，粒间为重结晶亮晶白云石胶结。局部可见残余鲕粒幻影，鲕粒圈层不明显，内部由较脏泥晶质组成，沿圈层被溶蚀，充填有机质或沥青。整体发育粒间溶孔、晶间孔、粒内溶孔及铸模孔。

在铸体薄片鉴定的基础上，利用成都理工大学沉积地质研究院实验室CL8200-MK5型阴极发光仪(配以Leica偏光显微镜)进行阴极发光分析，束电压15 kV，束电流400 μA，并对所有样品采用相同测试条件以进行对比。Mn、Fe元素分析数据测试由四川省地质矿产勘查开发局区域地质调查队完成，使用仪器为ICP全谱直读光谱仪，检测方法为全谱直读光谱法(DZG93-05)。

2阴极发光性

阴极发光分析结果表明：川中地区龙王庙组白云岩的阴极发光从基本不发光的暗褐红色光到极强的明亮鲜红色光都有分布。为了描述方便，结合黄思静等[8]提出的描述方案，根据样品的实际发光情况，将阴极发光强度分为极弱、弱、较弱、中等和较强五个级别。不同类型的白云岩阴极发光特征如下：结晶白云岩一般具有弱-极弱的褐红色阴极发光(图1-a、b)；较为特殊的是：溶蚀孔、洞较发育的结晶白云岩一般为鲜红色中等发光，少部分为鲜红色强发光，与较致密结晶白云岩发光强度有很大差别，故将富溶孔结晶白云岩另分为一类(图1-c)；残余砂屑白云岩发较弱褐红色光，砂屑边缘亮晶胶结物一般为较强发光(图1-d、e)。

图1　川中地区寒武系龙王庙组不同类型白云岩及部分阴极发光照片a．结晶白云岩，X39井，4 906.49 m，标尺长500 μm；b.a的阴极发光照片，发极弱暗红色光；c.富溶孔白云岩发中等鲜红色光，溶孔充填白云岩发较强橘红色光，X23井，4 808.83 m，标尺长1 mm；d.残余砂屑白云岩粒屑边缘充填亮晶白云岩，Z1井，5 670.28 m，标尺长1 mm；e.d的阴极发光照片，基质发弱褐红色光，粒屑边缘白云岩比基质发光性较强，发较弱鲜红色光；f.嵌晶结构，X41井，4 779.6 m，标尺长1 mm；g.f的阴极发光照片，填隙物白云岩向孔隙中心方向粒径加大，阴极发光强度较基质部分强；h.结晶白云岩，孔隙发育，Y23井，4 663.6 m，标尺长200 μm；i.h的阴极发光照片，孔隙边缘出现明暗变化条带，开放环境大气水作用的结果[11-13]。

3元素特征及与阴极发光的关系

对样品进行Fe、Mn元素分析如下：

前人研究认为：碳酸盐矿物的阴极发光特征主要受到其晶格中Mn、Fe含量的控制，Mn是主要的激发剂，Fe是主要的猝灭剂[8]。当Fe质量分数大于10 000×10-6时，碳酸盐矿物不发生阴极发光，Fe在(5 000～10 000)×10-6的较高含量范围内时，会对阴极发光强度起主导影响；当Mn质量分数大于(15～80)×10-6时，会激发碳酸盐岩的阴极发光，Mn在40×10-6以下的较低含量范围内，对阴极发光强度起主导影响；在其他含量区间内，阴极发光强度主要受到Fe/Mn值的控制[9-12]。

研究中绝大多数样品的Fe含量都在(300～5 000)×10-6，同时Mn在100×10-6以上，均在影响阴极发光的含量范围内，所以其阴极发光受到Fe、Mn元素的共同控制。图2a显示：随发光强度的逐渐增强，Fe的质量分数呈递减趋势，与Fe作为主要猝灭剂的理论一致；同时，从图2b可以看出：发光强度从极弱到强，Mn质量分数从126×10-6递增到428×10-6，这与Mn是碳酸盐岩阴极发光主要激发剂的理论相吻合；图2a与2b比较来看：Mn的变化趋势与发光强度的变化趋势更加相符，可以认为Mn对阴极发光强度的控制作用比Fe更强。通过图3可以看出：阴极发光强度受到Fe/Mn的严格控制，随发光强度的增强，Fe/Mn值逐级减小，两者呈密切的负相关。

4阴极发光与成岩流体

现代海水具有极低的Fe、Mn含量[8，13]，故海相白云岩具有很低的Fe、Mn含量；而成岩流体通常具有较高的Fe、Mn含量，且Fe、Mn元素易于取代白云岩中的Ca，所以成岩作用过程中，白云岩可以获得更高含量的Fe和Mn，同时也就具备了阴极发光的激活剂条件。

表1　川中地区龙王庙组白云岩Mn、Fe含量及阴极发光强度

表2　不同类型白云岩的元素特征及阴极发光性统计

图2　阴极发光强度与Fe、Mn含量关系

因此可以认为，川中地区下寒武统龙王庙组白云岩经历的成岩流体具有如下特征：

(1)研究样品中，孔隙边缘普遍具有等轴粒状亮晶白云石胶结物，其晶粒向孔隙中心方向增大，部分样品可见嵌晶结构(图1-f、图1-g)，胶结物通常具有比基质部分亮的较强橘红色阴极发光，并出现亮暗变化的阴极发光环带(图1-h、图1-i)，经历了相对开放的大气淡水成岩作用是形成此类阴极发光特征的主要控制因素[9]。综合分析可以得出：龙王庙组白云岩经历了早成岩作用阶段的大气淡水作用。

图3　阴极发光强度与Fe/Mn关系

(2)结晶白云岩有着较强的成岩蚀变性，同时却有着弱-较弱的阴极发光性，较高的Fe/Mn值是决定结晶白云岩较弱阴极发光强度的关键。与残余砂屑白云岩对比，两者的Mn含量相当，而前者的Fe是后者的两倍，由此可以做出以下推测：中期成岩作用阶段经历地下流体作用可能是造成结晶白云岩Fe含量较高的主要因素，较高的Fe和较弱的阴极发光强度是推测的主要依据。地下水常处于还原状态，其中的Fe趋向于与碳酸盐岩矿物结合[11]，而由于其中Mn的缺乏，导致碳酸盐岩矿物无法获取阴极发光的主要激发剂。

(3)溶蚀孔、洞发育的结晶白云岩相对致密结晶白云岩有着极强的阴极发光，这与其较高的Mn含量和较小的Fe/Mn值有关。较为发育的溶蚀孔、洞和较强的阴极发光以及相对较高的Mn含量说明淡水作用强烈。结合构造背景，龙王庙组地层受加里东运动影响抬升，加里东末期抬升至近地表甚至暴露地表[18]，此后阶段经历大气水溶蚀作用是造成此类白云岩较强阴极发光强度的原因。

(4)对于龙王庙组样品Mn含量整体较低和阴极发光强度整体较弱来讲，经历了远离大气水的流体作用可能是造成这一结果的主要原因。

5结论

(1)川中龙王庙组白云岩整体具有较弱的阴极发光强度，与其整体较低的Mn含量有关。

(2)川中地区龙王庙组不同结构类型的白云岩具有不同的阴极发光强度，与其Mn含量及Fe/Mn值相对应，其中Fe/Mn值对阴极发光强度起主要的控制作用。

(3)龙王庙组地层整体经历了多期流体作用，早期成岩作用阶段的大气水作用，中期成岩阶段的地下流体作用和表生作用阶段的大气水作用对龙王庙组白云岩阴极发光特征现状的形成有重要的控制作用。

参考文献

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编辑：吴官生

文章编号：1673-8217(2016)02-0028-04

收稿日期：2015-12-07

作者简介：李北康，1991年生，在读硕士研究生，主要从事沉积岩石学和沉积地球化学方面的研究。

基金项目：国家自然科学基金“川西北地区中三叠统天井山组的锶同位素地层学研究”(41372113)和“四川江油地区下三叠统飞仙关组锶同位素示踪研究”(41372113)资助。

中图法分类号：P581

文献标识码：A