北京下苇甸剖面张夏组鲕粒特征及其白云化机制

郭芪恒，金振奎，朱小二，王金艺

(中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京 102249)

0 引 言

鲕粒是碳酸盐岩中极其常见的颗粒类型，是由钙质纹层围绕单个核心而形成的圆形或者椭圆形包覆颗粒，直径一般小于2 mm。由于国内外学者对鲕粒成因这个最基本的问题的争议较大，研究的重点主要集中在鲕粒的成因上[1-6]，对鲕粒的成岩作用的研究比较少且不够深入，只有少数学者对鲕粒灰岩的成岩作用进行过系统的论述[7-8]。鲕粒灰岩之所以能够成为碳酸盐岩中的一类优良的储集层，就是因为后期受到成岩作用的改造，形成高孔高渗的优质储集体[9-13],白云化作用就是鲕粒灰岩的一种极为重要的建设性作用[12,14]，四川盆地普光气田就发育这种鲕粒白云岩储集层[9,15-16]。笔者通过对北京西山下苇甸剖面的研究发现，寒武系张夏组鲕粒灰岩也发生过一定的白云化作用，与四川普光气田不同的是，其白云化程度极弱，并且只发生在颗粒中；颗粒类型及其充填基质决定了其白云化程度的差异，这种差异说明其与普光气田鲕粒灰岩的白云化成因具有很大不同。在充分调研前人的研究成果的基础上，笔者通过实地勘查、薄片镜下观察和XRD测试，并运用统计学的知识，对下苇甸剖面寒武系张夏组鲕粒类型的特征进行描述，并对其选择性白云化影响因素及机制进行初步的探讨。

1 区域地质背景

下苇甸剖面位于北京西山门头沟区妙峰山镇，寒武系地层出露完整，是研究华北寒武系地层沉积特征的典型剖面(图1)。华北板块在古生代位于赤道附近的低纬度地区[18]，长期处于陆表海沉积环境，有利于碳酸盐岩的沉积[19]，发育了大套的碳酸盐岩地层。很多学者对该剖面进行了系统的研究[20-25]，其中寒武系张夏组以发育大套的鲕粒灰岩为主要特征，代表了一种相对高能的浅滩环境[25]。前人对下苇甸张夏组鲕粒灰岩的研究主要集中在沉积环境方面[21,24-25]，尚未有学者对张夏组鲕粒的成岩作用进行研究，尤其是白云化作用，本文将对此进行分析。

图1 北京下苇甸地区地质概况(据景宇轩等改绘，2015[17])Fig.1 Geological sketch map of Xiaxiangdian area in Beijing

2 研究方法

本文的研究中，主要对下苇甸剖面寒武系张夏组进行了观察和实测，共采集标本63块，其中鲕粒灰岩标本37块。薄片由北京日月石矿业技术开发有限公司制作。薄片观察和XRD测试在中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室完成，其中显微镜为Nikon100-Pol，X射线衍射分析仪为德国Bruker AXS D2 PHASER。利用偏光显微镜对不同的鲕粒类型及白云化特征进行了描述和总结。除此之外，还对样品选择性地进行了全岩X衍射分析测试，得到了岩石的化学组成，对鲕粒的白云化程度进行了分析比较。运用得到的分析资料，结合前人的研究成果，对鲕粒白云化的机制进行探讨。

3 鲕粒类型和特征

鲕粒的类型和特征对白云化具有不同的响应结果。对下苇甸剖面张夏组进行密集采样，从剖面底部至顶部共获得37块鲕粒灰岩样品。通过镜下观察统计，张夏组内鲕粒类型丰富，主要包括放射鲕、同心-放射鲕、复鲕、单晶/多晶鲕、藻鲕等。

3.1 放射鲕

放射鲕主要是原始的文石或方解石围绕核心呈放射状生长形成，一般代表相对低能稳定的沉积环境。放射鲕在下苇甸张夏组整个剖面分布广泛，但主要集中在剖面下部。粒径主要分布在0.4～0.7 mm之间，核心以灰泥颗粒为主(图2(a))，生屑核心鲕粒也有发育，但极少；受核心形态的影响，鲕粒为规则的圆形-椭圆形，但以圆形为主。放射鲕不稳定，重结晶往往形成多个楔形方解石单晶围绕核心呈辐射状分布，在正交光下显示明显的十字消光。部分学者认为这种放射结构多是鲕粒重结晶的产物[26]。国外学者曾对受成岩作用改造较弱的鲕粒进行扫描电镜观察，在鲕粒中发现了径向生长的方解石晶体和切线生长的方解石晶体[27]；实验模拟也表明在低能环境中文石呈放射状生长,从而说明这种放射结构是原生的[6]。

3.2 同心鲕

同心鲕主要分布在张夏组顶部，粒径多在1.0～1.4 mm之间，在镜下主要为多晶白云石颗粒核心(图2(b))，生屑核心和单晶方解石核心，以亮晶方解石胶结为主，局部灰泥充填。在粒间发现三叶虫碎屑，部分破碎鲕，说明其主要形成于水体循环良好、盐度正常的海域，且水动力较强，位于正常浪基面之上。值得注意的是，同心鲕的白云化核心粒径与粒间分布的完全白云化鲕粒的粒径相近。

3.3 同心-放射鲕

同心-放射鲕的特征是一个鲕粒同时发育的垂直核心呈放射状径向生长的方解石或文石和切线生长的同心圈层，一般来说这种鲕粒内部以发育放射状圈层为主，外部发育同心圈层。这种鲕粒粒径多在0.6～1.0 mm之间，内部放射圈层重结晶现象严重(图2(c))，生屑常见，且主要为三叶虫和瓣鳃类。早期形成于正常浪基面之下的相对低能带，以径向生长的文石或方解石晶体为主，在未被固结成岩之前搬运到正常浪基面之上的高能带或相对海平面下降的沉积环境，由低能变为高能生长/切线生长的同心层所致。这种鲕粒在本区张夏组广泛分布，且普遍被亮晶方解石胶结，部分鲕粒甚至发生破碎，并且在鲕粒灰岩中可见较多的灰泥砾屑，也是其水动力强的证据。

3.4 复鲕

复鲕是几个鲕粒被大的包壳包裹而形成，其包裹层多为同心圈层，在下苇甸剖面区张夏组见到被同心圈层包裹的三个鲕粒(图2(d))，均为亮晶方解石胶结，说明其主要沉积于正常浪基面之上的持续高能带。

3.5 单晶鲕/多晶鲕

单晶鲕/多晶鲕主要发育在张夏组剖面底部，其粒径多分布在0.4～0.7 mm 之间(图2(e))。有些单晶鲕核心可见，为生屑核心和灰泥砾屑核心，与单晶鲕共生的鲕粒多为放射鲕，因此其粒径分布范围与放射鲕相似。通过观察发现，放射鲕由于同心圈层的缺失，在同生沉积阶段更加容易遭受淡水淋滤从而重结晶。张秀莲[8]通过研究表明，单晶鲕/多晶鲕多是在成岩初期或者准同生期，鲕粒在受到淡水淋滤时非常容易被溶解，从而把鲕内溶空形成负鲕，当鲕粒滩再度下降重新置于浅海时，负鲕孔内必然渗入海水而结晶出亮晶方解石，形成多晶鲕和单晶鲕，这也是负鲕较为罕见的原因[8]。因此这种鲕粒多是原始鲕粒先期被溶解后期再被充填的产物。

图2 北京下苇甸剖面寒武系张夏组鲕粒类型Fig.2 Oolitic types in the Cambrian Zhangxia Formation at Xiaweidian outcrop in Beijing(a)放射鲕，单偏；(b)同心鲕，单偏；(c)同心-放射鲕，单偏；(d)复鲕，单偏；(e)单晶鲕/多晶鲕，单偏；(f)复鲕，单偏

3.6 藻鲕

藻鲕是由藻类包壳形成的鲕粒。这些藻绝大多数可能为蓝藻，也有人称其为蓝细菌，因此也有人称其为菌鲕。在本区张夏组中上部为发育少量灰泥核心的藻鲕(图2(f))，与同心鲕的区别在于其外部圈层呈花瓣状，不平直，粒间亮晶方解石充填，藻类穿孔现象明显，与其共生的其它鲕粒为同心-放射鲕，且还发现了部分破碎鲕，说明这种藻鲕也主要形成于正常浪基面之上的高能带。

本区张夏组剖面主要观察到以上几种类型的鲕粒，其中张夏组下部以灰泥充填的单晶鲕/多晶鲕和放射鲕为主，中上部主要发育以亮晶胶结为主的同心-放射鲕，顶部发育同心鲕。且从下到上鲕粒粒径不断增大，含量不断增多(图4(b)和(d))，也代表其水动力不断增大。

4 鲕粒白云化特征

通过对不同鲕粒白云化现象的观察，发现鲕粒白云化主要受控于鲕粒自身结构类型和填隙物的影响。

4.1 填隙物和颗粒选择性白云化

所有薄片中鲕粒灰岩不同程度地发生白云化，填隙物却没有白云化，甚至部分鲕粒完全被晶粒状的白云石所充填，填隙物无论是灰泥还是亮晶方解石胶结物均未白云化(图3)。由图3(b)可知，鲕粒白云化与鲕粒的原始矿物成分是没有关系的，因为与鲕粒共生的灰泥砾屑也发生了白云化。这种现象说明颗粒和填隙物是不同时期形成的，这种选择性白云化主要形成于准同生成岩阶段或成岩早期[7-8,28]，先期形成的鲕粒在未被充填时发生白云化，后期由于沉积环境的改变被充填；因此鲕粒白云化严重，而填隙物基本没有白云化[29]。

4.2 填隙物类型对白云化的影响

颗粒石灰岩中的填隙物主要分为两类：一类是灰泥基质，一类是亮晶方解石胶结物。其中，灰泥基质多代表相对低能的沉积环境，亮晶方解石多形成于水体持续高能的环境[19,26]。下苇甸剖面张夏组主要的鲕粒灰岩类型为灰泥鲕粒石灰岩和亮晶鲕粒石灰岩。通过对比发现，亮晶鲕粒石灰岩中鲕粒白云化程度普遍高，灰泥鲕粒石灰岩中鲕粒白云化程度普遍较低或者未发生白云化(图3)。鲕粒石灰岩中的填隙物类型是其沉积环境的反映，灰泥鲕粒石灰岩主要形成于正常浪基面附近或之下的相对低能的沉积环境，亮晶鲕粒石灰岩主要形成于正常浪基面之上的持续高能的沉积环境中[19,30-31]，这说明张夏组鲕粒白云化与其沉积环境密切相关，正常浪基面之上持续高能的沉积环境有利于鲕粒白云化的发生。

4.3 鲕粒圈层对白云化的影响

鲕粒圈层结构有两种：一种是切线状纹层结构，一种是放射状纹层结构。下苇甸剖面张夏组以放射鲕和同心-放射鲕为主。通过对张夏组鲕粒的观察，发现放射纹层比切线纹层更易发生白云化，且切线纹层白云石颗粒一般围绕核心呈同心圈分布(图3(c)和(d))。由于高镁流体在同心圈层中流动困难，因此同心鲕白云化程度比放射鲕弱(图3(a)和(g))。放射纹层白云石一般围绕核心呈放射状分布，且放射鲕一般更加容易白云化(图3(e))，主要是高镁流体在放射鲕中沿放射纹层间隙流通通畅，因此放射鲕白云化程度一般均较高，或者整个颗粒都被白云石充填(图3(a))。这种差异性在同心-放射鲕中表现非常明显，其内部放射核心已经全部白云化，但外部同心圈层只是微弱白云化(图3(c)和(d))。

图3 北京下苇甸剖面寒武系张夏组鲕粒白云化特征Fig.3 Oolitic dolomitization characteristics in the Cambrian Zhangxia Formation at Xiaweidian outcrop in Beijing(a)白云化鲕粒，原始鲕粒为放射鲕，单偏；(b)灰泥砾屑和鲕粒均发生白云化，单偏；(c)、(d)、(f)同心-放射鲕白云化特征，单偏；(e)放射鲕白云化特征，围绕核心呈放射状分布，单偏；(g)同心鲕核心白云化明显，单偏；(h)、(i)单晶鲕/多晶鲕白云化特征，单偏

图4 北京下苇甸剖面寒武系张夏组鲕粒特征变化Fig.4 Changes in oolitic characteristics of the Cambrian Zhangxia Formation at Xiaweidian outcrop in Beijing

4.4 重结晶对鲕粒白云化的影响

单晶鲕和多晶鲕是鲕粒溶蚀后再充填重结晶形成的产物[32-33]，对比单晶鲕和多晶鲕发现，多晶鲕比单晶鲕更加容易发生白云化(图3(i))。主要原因是多晶鲕方解石晶粒之间存在一定的孔隙(图3(h))，有利于高镁流体的渗流，因此多晶鲕相比其同期的单晶鲕，白云化程度普遍较高，而且单晶鲕白云化从外部向内部进行，从而外部白云化程度较高，内部还有部分未发生白云化的方解石，呈现出雾心亮边结构。

图5 北京下苇甸剖面寒武系张夏组鲕粒回流渗透白云化模式图Fig.5 Oolitic reflue permeation dolomitization model of the Cambrian Zhangxia Formation at Xiaweidian outcrop in Beijing

5 鲕粒白云化机制

在下苇甸剖面寒武系张夏组上部，每一套鲕粒灰岩沉积间断的顶部都普遍发育一微薄层的黄色云质条带与灰泥石灰岩互层，而鲕粒白云化也主要发育在剖面上部。通过镜下观察，发现鲕粒灰岩离黄色云质条带越近，其白云化程度往往也越高。这种黄色云质条带是由于海平面下降，鲕粒滩露出水面，由蒸发泵成因形成的泥粉晶白云岩。XRD测试结果也显示在云灰岩互层，甚至有些鲕粒灰岩中，也存在一定量的石膏，其含量虽少，但足以说明鲕粒滩在暴露之后蒸发作用强烈，在鲕粒滩的顶部形成蒸发泵成因的云质条带，而蒸发作用形成的高镁卤水由于重力作用驱动[26,34]，穿过下伏的未被充填的鲕粒滩，从而使鲕粒发生白云化。进一步通过作图发现，含有石膏的岩石周围，其白云化程度也往往越高(图4(a))，即鲕粒白云化程度与石膏含量呈正比关系；石膏属于蒸发岩，进一步验证了由蒸发作用形成的高镁卤水回流作用才是下苇甸剖面张夏组鲕粒白云化的主要成因。

高镁卤水在下伏鲕粒滩内流动时，往往经过的时间较长，从而一般形成中细晶的、相对自形程度比较高的白云石颗粒，从上而下白云化程度相对减弱，这也是回流渗透白云化的主要特征[34-36]。灰泥鲕粒石灰岩一般所处的沉积水体较深，随着海平面的相对下降，其上部一般被亮晶鲕粒灰岩覆盖，纵向上的岩石叠置关系决定了亮晶鲕粒灰岩先接收高镁卤水的淋滤，从而优先白云化，这也决定了亮晶方解石胶结的鲕粒普遍比灰泥充填的鲕粒白云化程度更高。根据其纵向分布关系，建立了本区鲕粒白云化模式，如图5所示。

6 结 论

(1)下苇甸剖面张夏组鲕粒主要为放射鲕、同心-放射鲕、单晶鲕/多晶鲕，还有少量的同心鲕、复鲕及藻鲕。

(2)下苇甸剖面张夏组鲕粒白云化主要发生在同生/准同生期未被充填时，回流渗透白云化作用是鲕粒白云化的主要成因。灰泥鲕粒石灰岩与亮晶鲕粒石灰岩纵向上的叠置关系决定了亮晶胶结的鲕粒一般白云化作用较强。

(3)鲕粒圈层类型决定了鲕粒白云化的程度和方式。在同一沉积环境中，放射鲕白云化颗粒围绕核心呈放射状，同心鲕白云化颗粒围绕核心呈同心层分布，且放射鲕比同心鲕更加容易发生白云化。