四川盆地震旦系灯影组白云岩成岩作用研究

郝毅，王宇峰，杨迅，陈薇，李文正



四川盆地震旦系灯影组白云岩成岩作用研究

郝毅1.2，王宇峰3，杨迅3，陈薇1.2，李文正1.2

（1.中国石油杭州地质研究院，杭州 310023；2. 中国石油天然气集团公司碳酸盐岩储层重点实验室，杭州 310023；3.中国石油西南油气田公司川西北气矿，四川江油 621700）

四川盆地灯影组是中国最古老的海相碳酸盐岩地层，也是年代最为久远的含气储集层，其成岩作用较为复杂。根据钻井岩心及野外露头观察，结合取样实验分析对该白云岩进行系统研究，其成岩作用经历了胶结、交代、生物、白云石化、溶蚀、压实、压溶、硅化、新生变形等作用。其中，早期的白云石化作用、不同时期的溶蚀作用对灯影组的储层发育起到了建设性作用，而胶结作用、硅化作用是影响储层发育的关键因素。

灯影组；白云岩；成岩作用；四川盆地

四川盆地（图1）形状接近菱形，面积约19×104km2[1]。震旦系是中国南方上扬子台地的第一个沉积盖层，其同位素年龄大约为5.7～8.5亿年，属于上元古界地层[2]。其中上震旦统灯影组是我国最古老的海相碳酸盐岩含气储集层之一，从上世纪40年代至今，已有约70年的勘探历程，期间经历了1964年威远气田发现的辉煌[3]以及2011年高石梯构造的重大突破[4]，可谓勘探艰辛但成果颇丰。在学术研究方面，灯影组也一直属于地质学家们关注的层系。自上世纪80年代开始，前人就开始对四川盆地灯影组进行了大量的研究，主要涉及到岩石类型[5-6]、储层特征[7-9]、烃源岩[10]、成岩作用[11-13]及成藏特征[14-15]等方面。有些研究着重于各种成岩作用，忽视了成岩作用本身所处的环境，还可能忽略了灯影组不同层段所经历的成岩作用的区别。本研究主要以野外露头及岩心样品入手，从宏微观特征、显微镜下鉴定、微区多参数实验数据等方面入手，对灯影组不同层位的成岩作用进行系统的分析研究，并明确了各种成岩作用的主控因素及成岩环境。

表1 国内外主要的成岩阶段划分方案

图1 四川盆地灯影组主要露头及钻井地理位置图

1 灯影组成岩阶段划分以及成岩环境

成岩作用是指沉积物沉积后直到发生变质作用之前所经历的一系列物理、化学、生物及综合作用。成岩阶段是沉积物沉积后被渐进埋藏直至变质作用发生以前，或因构造抬升遭受表生成岩改造所经历的各种成岩变化的进程或阶段。成岩环境、成岩阶段、成岩作用像是一个有机整体，相同的成岩环境可能发生着不同的成岩作用，而不同的成岩阶段也可能发生相同的成岩作用。成岩阶段的划分是研究成岩作用的基础，成岩阶段划分的主要依据有岩石学特征、有机质演化特征、古地温特征以及镜质体反射率等等。目前国内外学者有着不同的成岩阶段划分方案（表1），且各具特色。参照方少仙等2013年成岩作用划分方案，即将灯影组碳酸盐岩

成岩阶段划分为三个阶段：①同生成岩阶段；②成岩阶段（早成岩、中成岩、晚成岩）；③表生成岩阶段。四川盆地灯影组岩石主要在正常海水环境、大气淡水环境、埋藏环境、表生环境经历了一系列的成岩作用，其经历的成岩阶段、成岩作用以及所处的成岩环境具有不可分割的关系（表2）。

表2 灯影组主要成岩作用以及所处的成岩环境和成岩阶段

2 灯影组主要成岩作用

2.1 压实、压溶作用

主要发生在同生期-成岩早期阶段，是导致岩石原生孔隙快速下降的主要原因。据前人研究，碳酸盐岩灰泥物质原生孔隙最大可达80%。在正常压实条件下，埋藏深度约3 000m时，孔隙基本消失殆尽。亮晶胶结颗粒原生孔隙度可达45%，在正常温压条件下，埋藏深度为5 000m时，可残存5%的孔隙。

灯影组岩性有很大一部分是泥晶白云岩、泥质泥晶白云岩，因此压实作用对孔隙度保存的影响是非常大的，尤其是在灯一段以及灯四段。而对灯二段而言，很多地区都发育颗粒结构或藻（微生物）格架、藻粘结结构，在薄片中发现其机械压实作用并不很明显（图2）。因为震旦系蓝细菌、藻类在水沉积界面处即可快速大量地繁殖，并可能将碎屑颗粒粘结在一起，形成类似凝块石的粘结体，或在碎屑边缘形成泥晶套，保持了沉积物的稳定，避免过早的经历压实作用。抗压实作用的另外一个原因是快速的胶结作用，在藻云岩或颗粒白云岩边缘常见有形成于同生成岩期的纤状或叶片状白云石环边胶结物，这些因素都无疑对压实作用起到了一定的抑制作用。

图2 压实作用的影响在薄片中的反应

压溶作用多见于灰岩地层，因此对灯影组较纯的白云岩地层而言，化学压溶作用不甚明显，仅在细粒的不同组构粉晶白云岩纹层间见到微缝合线[11]。

2.2 胶结作用

主要见于颗粒白云岩和藻粘结白云岩中，是四川盆地灯影组原生孔隙降低的主要成岩作用之一，它存在于整个成岩作用阶段，不仅充填原生孔隙，而且对后期溶蚀作用和构造破裂作用产生的次生空间进行破坏，堵塞次生孔隙。以“葡萄花边”状白云岩为例[16]，“葡萄花边”单个纹层厚度约0.1～1mm，颜色可以为灰色、浅灰色、深灰色、黑灰色，或者几种颜色的纹层不规则互层出现，形成独特的玛瑙纹构造（图3A）。据研究表明，“葡萄花边”状纹层就是一种胶结物。当地层暴露，在表生期岩溶作用下形成缝洞系统，海平面再次上升时被大量的纤状白云石胶结物分期次胶结充填缝洞，地层被埋藏后，在深部流体的作用下继续胶结形成亮晶白云石。此类“葡萄花边”状白云岩往往可以看到三个世代胶结物（图3B），有的可能只发育二期甚至只有一期明显的胶结物。

第一世代多为纤状白云石胶结物。该类胶结物往往垂直于围岩呈纤状等厚环边生长，环边厚度多为0.03~0.06mm。第二世代胶结物一般为叶片状或等轴粒状白云石胶结物，是在第一世代胶结物的基础上对残余孔洞继续胶结充填的表现。“葡萄花边”纹层在显微镜下主要表现为这两种胶结物特征，但从扫描电镜分析来看，“葡萄花边”纹层并没有想象中的那么明显，甚至几乎无法识别（图3C），这可能与做样品时需要在表面喷金有一定的关系，第三世代胶结物为埋藏期形成的亮晶胶结物，是在前两个世代白云石胶结物的基础上继续向孔洞中心胶结生长的结果，且越向孔洞中心晶粒就会变得越大，多可以达到中晶-粗晶（图3B）。

图3 灯影组白云石“葡萄花边”状胶结物特征

在四川南江杨坝剖面系统采样，分别对围岩、“葡萄花边”胶结物、亮晶白云石胶结物三种不同结构组分进行了微区取样，并做了碳、氧、锶同位素分析。因为围岩（泥晶白云岩）是正常海水环境下的沉积产物，其碳、氧、锶同位素数值可以作为一个基准来对其他组构的同位素进行成岩环境的判别。从碳、氧同位素数据做成的图版（图4）可以明显的看到，围岩和“葡萄花边”的δ18O值较为接近，反映了成岩流体的盐度和形成温度都较为相似；而粗晶白云石δ18O明显较低，反映了其形成的盐度较低，且成岩时间较晚、成岩温度较高。三种组分δ13C比较接近，而数值相对最低的是“葡萄花边”，表明成岩过程中有少量大气淡水的参与。锶同位素研究认为，壳源锶的87Sr /86Sr要大于幔源锶（黄思静 2001）。从实验分析数据来看（图5），除一个围岩样品数据出现异常外，围岩和“葡萄花边”样品的87Sr /86Sr值较为接近，应受到同时期海水幔源锶的影响，整体偏低。而粗晶白云中石的87Sr /86Sr值则明显偏高，正反映了成岩流体来自深部而受到更为古老的地壳沉积物所影响（研究区灯影组下部存在较厚的古老碎屑岩沉积层-南沱组及观音崖组），因此87Sr /86Sr值偏高。综上分析来看，纤状胶结物、叶片状胶结物为表生期岩溶作用形成缝洞之后，海水再次上升，在与围岩形成时相似的正常海水环境下的成岩作用产物，而中-粗晶白云石胶结物则为埋藏环境热液流体作用下的成岩作用产物。

图4 碳、氧同位素分析图版[16]

图5 锶同位素87Sr /86Sr分析图版[16]

2.3 白云石化作用

众多学者对白云岩的生成机制已提出了诸多假设模式，大家比较熟悉和认知的主要有四种：毛细管浓缩（蒸发泵）、渗透回流、混合水及埋藏白云石化作用。但无论那种模式都很难对整个中国南方这么大范围内厚度可达数百上千米较纯白云岩的成因作出解释，因此很有可能是多种白云石化模式多阶段反复作用的结果。值得注意的是，当时的海水成分跟现今是有很大区别的，因此在准同生时期甚至岩石还未固结就很有可能发生了较为广泛的白云石化作用。当然，前面提到的一般孔洞中最后一期中-粗晶白云石有数据支持是埋藏中晚期形成的，由于鞍状白云石的存在，其形成可能与热液活动有一定的关系。

2.4 硅化作用

是发育在研究区的一种破坏储层的交代成岩作用，其中灯四段硅化作用尤为普遍。灯影组硅化作用主要可以分为两种类型：第一类为选择性硅化作用，主要发育在灯四段。硅质可以选择性交代菌藻类及其他碳酸盐岩颗粒，或者对藻凝块、藻纹层等格架孔进行有规律的充填，原岩多为菌藻类白云岩（图6AB），野外观察硅质产状多为纹层状。此类硅化作用形成时间较早，很可能是海水环境中形成的。此时可能由于深部物质的大量喷发，海水中富含硅质，因此在准同生期便形成此类硅化作用；第二种是非选择性硅化作用，硅质主要对各类孔洞进行充填或者发生交代作用，主要发育在灯二段。镜下可见硅质多为较大的自形石英晶体，甚至呈自形状态生长在碳酸盐原岩之中（图6C），其成因可能与热液有关，成岩作用可能发生在埋藏环境。硅化作用对灯影组白云岩储层无疑起着很大的破坏性作用，不但使岩石结构变得致密，更为重要的则是减少了储集空间并且阻碍了储层之间的连通性。

2.5 其他非硅质矿物的交代作用

灯影组内常见的主要有黄铁矿。黄铁矿一般呈草莓球状或细分散立方体状、粒状、结核状交代碳酸盐岩颗粒、基质或早期胶结物（图7A），此外还可以见到闪锌矿、方铅矿等热液矿物，这几种矿物的交代作用在灯二段及灯四段都可以看到。这些都说明了此类矿物交代作用主要发生在埋藏阶段，由热液流体经过时发生了矿物的沉淀、交代等作用。

图6 灯影组硅化作用特征

2.6 重结晶作用

四川盆地灯影组白云岩重结晶现象普遍发育，白云岩中灰白色砂屑白云岩、颗粒白云岩和泥晶白云岩，由于菌藻类、有机质及泥质含量少，很容易发生重结晶作用，常形成具有颗粒幻影或颗粒残留结构的粉-晶、中晶白云岩。重结晶作用一般不会使原岩的孔隙度增加，但却能使晶粒增大趋于自行，而将原岩的微孔隙调整为较大的晶间孔隙（图7B），吼道也相对变得比较平直，从而提高了岩石的渗透率。灯影组的重结晶作用发育在埋藏环境，主要在中-深埋藏成岩作用阶段。

图7A mx9井灯二段白云岩中见黄铁矿4×（-）

图7B mx9井灯四段粉晶白云岩晶间孔发育1.25×（-）

2.7 表生岩溶作用

溶蚀作用无论在哪个地区、哪个层位的地层中，都是有效改善碳酸盐岩储层的主要因素之一。在灯影组中溶蚀作用主要经历了三个阶段：准同生期大气淡水溶蚀作用阶段、表生成岩环境的岩溶作用阶段和埋藏期溶蚀作用阶段。其中表生成岩环境形成的岩溶作用是对灯影组储层最为有利的一种成岩作用。

四川盆地震旦纪发生两期主要的构造运动，即桐湾Ⅰ幕和桐湾Ⅱ幕，分别发生在灯二末期和灯四末期，此外灯二段早中期由于气候原因造成了海平面频繁升降，岩层频繁暴露并接受溶蚀作用。灯影组的表生岩溶作用主要就是发育在这三个阶段。其中灯二段的表生岩溶作用在很大程度上对有利相带中形成的孔洞给予了强烈改造、溶蚀扩大，形成了规模的缝洞系统，“葡萄花边构造”就是在表生岩溶作用下形成的产物。而灯四末期的岩溶作用则主要形成了大规模的溶洞，这在钻井的放空、井漏数据及成像测井中均可以明显的看到。

3 结论

灯影组白云岩年代古老且埋藏较深，经历了复杂的成岩作用演化过程，其主要成岩序列如下：碳酸盐岩沉积物—正常海水环境（胶结作用、交代作用、生物作用、白云石化作用等）—早期暴露大气淡水环境（胶结作用、溶蚀作用、新生变形作用等）—埋藏环境（压实作用、压溶作用、胶结作用、交代作用、白云石化作用、硅化作用、埋藏溶蚀作用、新生变形作用、重结晶作用、其他矿物沉淀充填作用等）—构造抬升表生环境（风化作用、岩溶作用等）—海平面再次上升的正常海水环境（胶结作用、交代作用等）—地层被再次埋藏（压实作用、压溶作用等）。

相同的成岩环境可能同时存在不同的成岩作用，而不同的成岩环境也可能发育相同的成岩作用。在众多的成岩作用中，早期的白云石化作用、不同时期的溶蚀作用、破裂作用对灯影组的储层发育起到了积极的建设性作用，而胶结作用、硅化作用则是影响储层发育的关键因素。

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On Diagenesis of Dolostone of the Sinian Dengying Formation, in the Sichuan Basin

HAO Yi1，2WANG Yu-feng3YANG Xun3CHEN Wei1LI Wen-zheng1

（1-Hangzhou Institute of Petroleum Geology, PetroChina, Hangzhou 310023; 2-Key Laboratory of Carbonate Reservoir, CNPC, Hangzhou 310023; 3-Northwest Sichuan Division of Southwest Oil & Gas Field Company, PetroChina, Jiangyou, Sichuan 621700）

The Dengying Formation is the oldest marine carbonate formation and gas reservoir in the Sichuan Basin and is characterized by complicated diagenesis. A systematic diagenesis research indicates that main diagenesis for dolostone in the Dengying Formation includes cementation, metasomatism, biological action, dolomitization, dissolution, compaction, pressure solution, silicification, neomorphism and so on. From all these diagenesis, Early dolomitization and dissolutions in different stages would have constructive significance for the dolomite reservoir, while cementation and silicification would be key factors which had an influence on the development of the reservoir.

Sinian; Dengying Formation; dolostone; Diagenesis; Sichuan Basin

P581

A

1006-0995（2016）03-0367-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2016.03.002

2015-04-27

国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”（编号：2016ZX05004-002）；中国石油天然气股份有限公司重大科技专项“深层油气勘探开发关键技术研究” （编号:2014E-32-02）

郝毅（1981-），男，山西平遥人，硕士，工程师，从事沉积储层方面研究工作