台地边缘滩相埋藏白云石化作用及其油气地质意义——论四川盆地西北部中二叠统栖霞组白云岩的成因

裴森奇 王兴志 李荣容 杨 迅 龙虹宇 胡 欣 汪晓星

1.西南石油大学地球科学与技术学院 2.中国石油西南油气田公司川西北气矿 3.中国石油西南油气田公司勘探事业部

0 引言

四川盆地西北部（以下简称川西北）ST1井在中二叠统栖霞组钻遇一套厚层白云岩，该井在井深7 100～7 300 m的白云岩中获得高产工业气流，栖霞组成为川西北天然气勘探的重点层位之一[1-2]，也成为众多学者的研究热点。

前人通过对露头及钻井资料的分析，对栖霞组的地层、沉积和储层等方面开展了大量研究，基本明确了栖霞组的地层特征、沉积相带和储层基本特征，认为栖霞组沉积期四川盆地已经发育成碳酸盐岩台地，盆地西北部位于台地边缘，发育台地边缘浅滩颗粒碳酸盐岩[3-7]；栖霞组发育低孔隙度、中—低渗透率的裂缝—孔隙（洞）型白云岩储层，非均质性较强[8-11]。但是，关于四川盆地栖霞组白云岩的成因则观点众多：有的学者认为是准同生阶段发生的白云石化作用；有的认为的混合水白云石化作用，也可能是玄武岩淋滤成因[12-19]；随着近期钻井资料的增加，还有学者提出了热液白云石化作用的成因[12]。目前对于栖霞组白云石化模式尚无统一的认识。笔者的研究认为，该套白云岩分布广、埋藏深、层系古老，其成因在不同地区有所差异，也可能具有多期性和复合性，是多种因素共同影响的产物。白云石化模式除了和沉积环境有关，还与白云岩的地球化学特征有关，例如，碳/氧同位素、主微量元素、稀土元素等方面。因此，笔者充分利用川西北露头、岩心及相关配套分析化验资料，以岩石学特征研究为基础，利用地球化学特征综合分析该区栖霞组白云岩的成因以及白云石化作用的储层意义，完善上扬子板块西北缘古海洋环境研究，以期为该区油气储层的预测提供地质依据。

1 区域地质背景

研究区位于四川盆地西北部，地理位置位于现今江油—广元境内，构造位置属于龙门山褶皱带北段，面积约2 000 km2（图1）。研究区西缘在志留纪末受到加里东运动影响，发育了天井山古隆起[4]，泥盆系、石炭系超覆在古隆起两侧。后来经过中二叠统梁山组碎屑岩沉积的“填平补齐”之后，研究区地势整体上趋于平坦，奠定了栖霞组沉积时的古地貌背景。二叠纪时期，巴颜喀拉海自西向东发生海侵，越过天井山古隆起淹没了大部分上扬子台地，形成了早二叠世的碳酸盐岩台地沉积环境[3]，研究区位于该碳酸盐岩台地西侧的台地边缘相，继承了南高北低的古地貌，水动力较强，发育石灰岩和白云岩，其中栖霞组岩性主要为石灰岩、白云岩、灰质云岩、云质灰岩和泥灰岩。

图1 研究区与剖面点位置、沉积相及地层综合柱状图

2 样品测试方法

为避开岩石风化蚀变和方解石脉，本次研究的样品来自新鲜露头和钻井（图1）。经岩石薄片鉴定、阴极发光分析后挑选出合格样品作为研究对象。

岩石薄片采用Olympus Microscope BH-2光学显微镜鉴定。阴极发光由CL8200-MK5阴极发光仪进行分析，其束电压为15 kV，束电流为350 µA，真空度为0.003 mBar。X射线衍射定量分析采用Bruker D2 PHASER X-Ray衍射仪开展，测试时管压为30 kV、管流为10 mA，扫描速度为2°/min，采样步宽为4.5°。主/微量元素和碳/氧同位素分析样品被粉碎研磨至200目以下，主量元素测试仪器为飞利浦PW2404X射线荧光光谱仪，微量元素测试仪器为Element XR电感耦合等离子ICP-MS质谱仪，测试温度为20 ℃，相对湿度为30%。碳/氧同位素分析采用Finnigan-MAT 252气体同位素质谱仪完成，采用McCrea正磷酸法，样品与无水磷酸在25 ℃的环境中反应24 h，采用VPDB标准，工作标样为《碳酸钙中碳、氧同位素标准物质：GBW04405》，分析误差为±0.1‰。

3 岩相学特征

3.1 显微组分特征

在偏光显微镜下，栖霞组白云岩发育中—粗晶他形镶嵌状白云石，晶体大小介于0.02～1.00 mm，以半自形—他形为主，高干涉色，原岩结构已经彻底消失（图2-a～c）。在阴极发光图像下，白云石发光程度不同。大部分白云石的边缘部分普遍发较明亮的橙红色，见环带结构，代表最晚期生长的白云石；橙红色环带包围的核心部分普遍发暗红色光（图2-d、e），代表早期生长的白云石。在阴极发光下，可隐约见原始灰岩沉积时的颗粒结构，因为发暗色光的核心部分有的为菱形（图2-d），有的为不规则形状（图2-e），整体都表现出较强的颗粒特征，推测白云石化作用前的原岩为颗粒灰岩。根据核部颗粒的晶体特征，认为发暗红色光的部分因灰质残余导致发光较暗；且白云石结晶速度缓慢时，可见核部的菱形晶体（图2-d），若结晶速度较快，在核部则只能见到不规则的晶体而见不到菱形晶体（图2-e）。当白云石石化作用较彻底时，核部和边缘的阴极发光图像整体都呈现橙色或橙红色（图2-f），原始石灰岩沉积时的结构基本不可见。

图2 栖霞组白云岩的偏光显微镜及阴极发光特征照片

3.2 白云石有序度特征

栖霞组白云岩样品的XRD测试结果表明，晶粒云岩的有序度普遍大于0.6（表1），代表了结晶速度较为缓慢、结晶程度较高的白云石化作用过程，或者是较高的白云石化结晶温度、较彻底的白云石化作用，才能形成更接近理想条件下的CaCO3层和MgCO3层的互层排列方式，导致有序度较高[20]。

表1 栖霞组白云石有序度数据表

3.3 白云石伴生矿物及产状特征

晶粒云岩成分比较均一，很少见伴生矿物。目前发现的伴生矿物主要是少量的石英、长石或云母等，并未见大量蒸发岩类矿物如石膏或硬石膏，包括鸟眼构造及石膏假晶；也未见到大量热液相关的矿物，如天青石、重晶石、萤石、石英、闪锌矿等[21-22]。

该地区白云岩在宏观上的产状具有较好的成层性和连续性，分布比较稳定（图3），没有沿断裂分布或者形成花状、蘑菇状分布的特点。微观上产状有两种：①镶嵌状排列的中—粗晶白云石，晶体呈自形—半自形；②呈分散状发育在残余的灰质成分之间的中晶白云石，晶体自形程度高，有的具雾心亮边结构特征（图2-c、d）。

图3 栖霞组白云岩宏观分布图

4 地球化学特征

4.1 包裹体温度特征

栖霞组露头和岩心样品中的晶粒云岩的包裹体很多，既有原生包裹体，在白云石内部及边缘形成，随机分布；也有次生的包裹体，在白云石破裂后的微裂缝中形成，具有定向性。其中，白云石内原生包裹体均一温度介于110～120 ℃（表2），代表了沉淀白云石的流体特征，表明白云石化作用持续到较高的埋藏温度。根据K2井埋藏史图，参考古地温梯度值2.8 ℃/100 m计算，推测白云石最晚的生长时间为中—晚三叠世（图4）。

图4 K2井埋藏史图

表2 栖霞组白云岩包裹体均一温度数据表

4.2 同位素特征

川西北栖霞组白云岩的δ13C值分布范围较大，介于0.32‰～3.19‰，平均值为2.21‰（图5、表3）。δ18O值分布范围也较大，介于－8.83‰～－6.54‰，平均值为－7.79‰（图5、表3）。根据Jiang等[25]、Veizer等[26]对早二叠世研究得出的同时期海相腕足类化石的δ13C值和δ18O值分别介于0～4.8‰与－10.0‰～－5.0‰（图5）。川西北栖霞组白云石中δ13C值和δ13O值与中二叠世海水相似，说明白云石化流体属于封存于岩石孔隙中的原始沉积水体。

图5 四川盆地不同地区栖霞组白云岩δ18O与δ13C交会图

表3 川西北栖霞组白云岩的δ18O值与δ13C值统计表

同时，根据Keith等[27]的盐度指数（Z）计算公式：Z=2.048（δ13C＋50）＋0.498（δ18O＋50），计算出栖霞组白云岩的盐度指数整体较大，高于120。此外，根据白云岩δ18O值可以计算白云岩的形成温度（T），其计算公式为T=13.85－ 4.54δ18O ＋ 0.04（δ18O）2，计算出泥—粉晶云岩的成岩温度介于45.05～57.27℃，平均值为51.65 ℃，温度范围波动较小（表2）。

4.3 主微量元素特征

对筛选后的白云岩样品进行碎样并测定其全岩的主、微量元素。川西北栖霞组白云岩的CaO含量相对较高，介于27.77%～48.20%，平均值为35.13%，而MgO含量较低，介于2.11%～9.70%，平均值为7.80%，CaO含量和MgO含量呈负相关（图6）；Mg/Ca比值较低，介于0.04～0.34，平均值为0.24。同时，栖霞组白云岩也具有低Al2O3含量（平均值为0.39%）和低SiO2含量（平均值为0.01%）的特征。

图6 栖霞组白云岩MgO和CaO含量的交会图

5 白云岩成因及油气储层意义

分析白云岩成因，应该综合宏观和微观、岩相与地球化学数据等多维度证据，既不能仅靠岩相学特征，也不能仅靠地球化学数据。笔者既考虑了川西北栖霞组白云岩的岩相学特征和地球化学特征，又采取反证法排除了其他成因，综合分析了研究对象的成因，并进一步讨论其储层意义。

5.1 栖霞组白云岩未表现准同生阶段白云石化的特征

首先，从岩相学特征来看，川西北栖霞组白云岩并未伴生大量泥晶云岩和膏岩，不具有蒸发环境下的特征；另外，在准同生阶段白云石化作用形成的白云岩，由于快速结晶导致晶体较小，不会形成中—粗晶云岩；而且准同生阶段形成的白云岩，自下而上会形成多个白云石化程度逐渐增强的旋回，而笔者本次研究的白云岩垂向上没有这种特征。

其次，从地球化学数据来看，虽然栖霞组白云岩的δ13C值和δ18O值与同期海水成因的石灰岩特征相近，但是，只有MgO/CaO值接近白云岩的化学计量组成，且CaO含量与MgO含量呈正相关的白云岩才可能为准同生期白云石化作用下形成的，而本区的白云岩元素分析结果与之不同，CaO含量与MgO含量呈负相关（图6），反映交代成因。同时，准同生阶段形成的白云石有序度普遍较低，与现今白云岩的特征不符。值得注意的是，利用白云岩碳/氧同位素数计算得到的盐度指数平均值为128、成岩温度平均值为51.65 ℃，反映出高盐度、高温度的成岩环境，后文笔者会深入讨论该数据。

5.2 栖霞组白云岩未表现暴露后混合水白云石化作用的特征

该观点主要是根据岩相学特征。因为混合水白云化作用是在滩体暴露条件下，颗粒灰岩受到大气淡水淋滤会选择性溶蚀形成大量铸模孔，生屑及砂屑会发生选择性云化，也会伴生石膏胶结或膏岩层，而研究区所有白云岩并不符合这一特点。另外，如果出现滩体暴露，δ13C值和δ18O值会因为大气淡水的注入发生剧烈波动，不可能表现为与同期海水成因的同位素特征。

5.3 栖霞组白云岩未表现大规模高温热液白云石化作用的特征

热液白云石化作用也发生在埋藏阶段，其形成的白云岩大多数情况下会具有特殊的产状，往往沿着形成热液通道的深大断裂分布，且垂向上会形成花状、蘑菇状等不均一和不规则的产状。微观上，由于热液来源复杂，因此常会形成特殊热液矿物，例如天青石、重晶石、萤石、石英、闪锌矿等，然而，研究区白云岩中并未发现大量此类热液矿物，只是在个别样品中存在晶体较粗的马鞍状白云石，此种白云石的出现可能代表热液白云石化，也可能代表较高的形成温度，因此，不能作为大规模热液白云石化的充分证据。笔者认为栖霞组白云岩受到过小规模高温热液的影响，但并不能证明热液白云石化模式是栖霞组白云岩形成的主要白云石化模式。

5.4 栖霞组白云岩是同期海水流体在浅—中等埋藏深度多期埋藏白云石化作用的结果

首先，研究区栖霞组白云岩的δ13C值和δ18O值与同期海水腕足类化石的δ13C和δ18O同位素分布区间相似，说明白云石化流体性质与同期海水性质相同。

其次，研究区栖霞组白云岩的白云石晶体较粗，表面较脏，略显雾心亮边，阴极发光图像中呈现暗红光—红光，初步判断是埋藏环境中发生白云石化作用。而且白云岩中CaO含量随MgO增加而减少，表明MgO含量是随着Mg2+替换Ca2+程度的增加而升高的，这也是典型的埋藏交代白云石化作用的结果。

第三，白云石化作用在埋藏阶段持续发生，多期叠加形成了现在的中—粗晶晶粒云岩。利用同位素数值计算的白云岩形成盐度指数大于120，平均温度为51.65 ℃，温度波动范围小，表明温度受季节和昼夜影响较小，可能为低纬度干旱炎热地区或为较浅的埋藏环境（此温度计算的埋藏深度约为951 m，属于浅埋藏深度）。粗晶白云石包裹体的均一温度较高，介于110～120 ℃，推测白云石最晚形成时间为中—晚三叠世，埋藏深度约为3 000 m，已经达到中等埋藏深度。因此，研究区浅—中等埋藏深度下，白云石化作用持续进行的。

综上所述，通过岩相学特征排除其他成因后，综合微观岩相特征及地球化学数据特征，栖霞组白云岩是由同期海水流体在埋藏阶段，因温度升高及方解石沉淀导致流体盐度及Mg/Ca值增加后发生的多期白云石化作用叠加的产物。

5.5 栖霞组白云岩的储层意义

前人研究表明，白云石化作用的增孔或减孔效应尚存在争议，但有学者认为白云石化作用对于颗粒滩相沉积物来说具有保存孔隙的作用[28-29]。勘探实践也表明，研究区栖霞组的石灰岩不发育孔隙，而储集空间多发育在白云岩层段。白云岩的储集空间多为晶间孔和晶间溶孔，岩心样品测试的平均孔隙度为4.22%，最大孔隙度为7.59%。结合岩心及薄片鉴定结果分析认为，白云岩储集空间是在白云石化过程中方解石大量溶蚀后形成的。因此，白云石化作用较彻底、厚度较大、分布广泛的白云岩段是有利储集层，对川西北栖霞组天然气藏勘探具有重要的意义。

6 结论

1）栖霞组白云岩发育中—粗晶他形镶嵌状白云石，晶体以自形—半自形为主，白云石化作用彻底，原岩结构已经彻底消失，具有晚期的白云石化作用的岩相学特征。

2）栖霞组白云岩中的白云石有序度较高，MgO含量与CaO含量负相关，Mg/Ca值总体较低，δ13C值与δ18O值与同期海水形成的石灰岩特征一致。这类白云石是同期海水流体在埋藏阶段，因温度升高及方解石沉淀导致流体盐度及Mg/Ca值增加后发生的多期白云石化作用叠加的产物。

3）该白云岩可以作为川西北栖霞组的优质储层，对该地区的天然气勘探具有重要的意义。