川西—北地区中二叠统白云岩热液作用研究

李辉 张文 朱永源

（1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室·成都理工大学，四川 成都 610059；2.中国石油华北油田采油二厂，河北 任丘 062550；3.四川省核工业地质局282大队，四川 德阳 618000）

川西—北地区中二叠统白云岩热液作用研究

李辉1张文2朱永源3

（1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室·成都理工大学，四川 成都 610059；2.中国石油华北油田采油二厂，河北 任丘 062550；3.四川省核工业地质局282大队，四川 德阳 618000）

川西—北地区中二叠统白云岩内广泛发育热液成因的岩石组构和热液矿物。地球化学分析显示，鞍状白云石具有较高的包裹体均一化温度，主要在96～250℃之间，平均值为156℃，明显高于研究区中二叠统地层所经历的最高温度；同时测得鞍状白云石包裹体盐度是同时期海水盐度的两倍左右。中二叠统白云石δ13C值与微晶灰岩δ13C值背景值非常接近，细—中晶白云石与鞍状白云石的δ18O值偏负，综合分析得出细—中晶半自形—它形脏白云石以及鞍状白云石都是在高温、高盐度的热液流体条件下形成的。中二叠统白云石87Sr/86Sr值变化范围较大，揭示热液流体来源具有多样性。热液作用受峨眉山地幔柱的影响，热液作用促使白云岩孔隙、孔洞及裂缝的发育，为油气聚集提供良好的储集空间，可形成优质白云岩储层。

川西—北地区 中二叠统 白云岩 热液作用 地球化学特征 储层

0 引言

四川盆地中二叠统的油气勘探已经半个多世纪了，钻探显示川西—北地区中二叠统白云岩储层具有较好的勘探前景。Graham R.Davies等人对构造控制热液白云石进行了全面系统的研究和总结，此类白云石在平面上的分布通常受控于断裂系统，包裹体均一化温度以及盐度均较高，δ18O值明显偏负，锶同位素值分布广泛，部分明显富集放射性锶，最终建立了受断裂控制的流体流动及热液白云石化的一般模式［1］。不少学者对川西—北地区中二叠统白云岩成因模式进行了相当深入的研究，但看法不一。该套白云岩储层在纵向上分布不稳定，横向上难以大范围追踪对比，直到目前为止关于其成因机制仍存在争议，热液作用的识别标志还需进一步的确定落实。为此，笔者以四川盆地西—北地区中二叠统热液作用为研究核心，探讨白云岩储层形成机制和模式，进而对该地区中二叠统白云岩储层进行储层预测评价，为后续整个四川盆地中二叠统的油气勘探提供一定的依据。

1 区域地质背景

四川盆地位于我国西部地区东缘中段，盆地西高东低，四川盆地外围四周皆为高山环绕，海拔高度在1 000～3 000 m之间，西北为龙门山推覆体；北边是米仓山以及大巴山；东南边是大凉山与大娄山；西南边是峨眉山和瓦山断裂带［2］。

中二叠统包括栖霞组和茅口组。栖霞组与下伏梁山组及上覆茅口组均呈整合接触，茅口组与上二叠统呈假整合接触。栖霞组主要岩性是中—厚层甚至块状（含）生屑灰岩，局部富含泥质条带或燧石结核。茅口组主要为一套深灰色、灰色的厚层状到块状的泥晶生屑灰岩和泥晶灰岩。

龙门山断裂与峨眉—瓦山断裂是川西—北地区最为主要的断裂系统，华蓥山断裂是川中地区最为主要的断裂带，它们对川西—北地区中二叠统热液白云岩的分布有着非常明显的控制作用。在地质历史过程中对研究区中二叠统影响最为深远的构造运动是海西旋回中的东吴运动，其发生于中、晚二叠世之间，表现为地壳的张裂活动，同时伴有大量

峨眉山玄武岩的喷出［3-4］。

2 热液作用岩石学和矿物学证据

2.1 热液作用岩石学证据

热液白云岩化过程中常常会形成一些与热液白云岩共生的岩石组构，例如热液破裂缝、构造角砾岩、片状晶洞及斑马状构造。

1）热液破裂缝。研究区内可见到大量不规则的热液破裂缝，主要是由于张性破裂作用所形成。该类岩石组构既可以在白云岩中发育，也可以在灰质云岩或云质灰岩中发育（图1a）。

2）角砾岩组构。它们类型不一，主要为溶蚀垮塌角砾岩及棱角状热液膨胀角砾岩。溶蚀垮塌角砾岩形态呈次椭圆—椭圆状，角砾分布杂乱，角砾之间充填的为浅色中—粗晶鞍状白云石，溶孔发育（图1b）；棱角状热液膨胀角砾岩角砾大小不一，呈棱角状，成分主要为白云岩，鞍形白云石在角砾之间充填，显斑杂状（图1c）。

3）片状晶洞。在热液白云岩中广泛发育片状晶洞，尤其以张村剖面近于水平的片状晶洞最为典型，往往可见鞍形白云石半充填于晶洞内（图1d）；Davies等人研究认为大部分片状晶洞是由裂缝以及溶解作用共同控制［1］1672。

4）斑马状构造。研究区内中二叠统洪雅张村剖面可见到斑马状构造，其明暗条纹相间，明条纹由白色粗晶—极粗晶鞍状白云石所组成，呈阶梯状，条纹之间近于水平，局部有剩余空间未充填，暗色条纹则由灰色或灰黑色细—中晶白云岩组成，对应于中二叠统原岩（图1e）。

2.2 热液作用矿物学证据

川西—北地区发现许多与热流体作用有关的热液矿物，如自生石英、黄铁矿、萤石、伊利石、沥青、磷灰石及重晶石等，它们在一定程度上可以作为热液作用发生的标志［5-6］。

1）自生石英。局部缝洞内可见自生石英半充填，石英成分纯净；晶体为六方柱状，晶形较自形，并有溶蚀现象（图1f）；金之钧研究认为自生石英的沉淀说明热液流体温度较高，而且是酸性的，因为只有这样的热液才能携带较多的SiO2，从而在进入围岩裂隙后沉淀出较多的自形石英晶体［5］247。

2）萤石。研究区内中二叠统地层中萤石发育广泛，其晶体形态不规则，表面粗糙，正交光下全消光。经结构分析表明，萤石主要赋存于鞍状白云石溶解后的晶内孔中（图1g），说明鞍状白云石的溶解作用与萤石之间关系密切。马红强研究认为大部分萤石都具有较高的结晶温度，因此区内自生萤石的普遍存在可以指示高温成岩环境［7］。

3）黄铁矿。主要产于孔隙及裂缝中，以热液破裂缝内鞍状白云石充填及鞍状白云石晶体表面黄铁矿呈斑块状富集组合产出最为典型（图1h），与鞍状白云石组合产出说明它们形成于同一种热液流体。

4）伊利石。其主要发育于白云石的晶间孔中（图1i），并且认为这些伊利石生长的孔隙中发生过白云石的溶解作用。黄思静等人认为自生伊利石的存在表明成岩环境温度较高，说明其也是热液成因矿物［8-10］。

图1 川西—北地区中二叠统白云岩热液作用岩石学和矿物学证据图

3 热液白云岩的地球化学特征

3.1 流体包裹体

通过对研究区中二叠统鞍状白云石流体包裹体进行均一温度测试，结果显示鞍状白云石具有较高的包裹体均一化温度，主要在90～250℃之间变化（图2），平均值为156℃（n＝94），就其210～250℃之间，倘若按照地表温度为20℃，地温梯度为30℃/km计算，250℃所对应的地下埋藏深度大约为7 700 m，其

明显高于中二叠统地层多对应的最大埋深，说明了研究区中二叠统白云岩化作用肯定有地层外部的高温热液流体加入，因此鞍状白云石包裹体的均一化温度可以作为川西-北地区热液白云岩化作用最为直接有力的证据。

图2 川西—北地区中二叠统鞍状白云石流体包裹体均一温度分布直方图

此外，挑选了张村剖面的缝洞3个鞍状白云石中包裹体进行了盐度测试，可见鞍状白云石中的包裹体的盐度分别为6.6%NaCl、7.9%NaCl以及11.2% NaCl，平均值为8.6%NaCl，由于二叠系海水的盐度平均值大概为4.4%NaCl［11］，因此可以非常明显地看出鞍状白云石中的包裹体盐度是同时期海水盐度的两倍左右，同时也说明了鞍状白云石是在高盐度条件下所形成的。

3.2 C、O同位素

本次研究一共选送了14个白云石样品及1个微晶灰岩样品进行碳氧稳定同位素分析。结果显示，区内白云石的δ13C值均普遍较高，与同时期的正常海相微晶灰岩δ13C值背景值非常接近。揭示白云石的碳源主要来自于同时期的海水或者高盐度海水，或者来源于中二叠统地层本身，缺乏有机质氧化产生的CO2的加入，同时也缺乏大气淡水作用的加入。中二叠统白云石δ18O值主要在-8.89‰PDB～-2.39‰PDB范围内变化，平均值为-6.66‰PDB，与中二叠统微晶灰岩δ18O背景值-6.38‰PDB非常相近。但是，不同类型白云石的δ18O值之间存在差异，其中粉—细晶它形脏白云石δ18O值较高，平均值为-2.39‰PDB，远高于同时期微晶灰岩的背景值，反映了此类白云石是在高盐度环境下所形成的。

细—中晶白云石与鞍状白云石的碳氧稳定同位素组成极为相似，两者处在同一个区域范围内（图3）。由此说明，研究区细—中晶白云石与鞍状白云石应该是形成于相同的热液流体来源，它们的碳氧稳定同位素组成与全球范围内寒武系—白垩系热液白云岩的碳氧稳定同位素组成非常相似，δ18O值均主要在-12‰PDB～-5‰PDB范围内变化［12］，猜测可能是由于高温条件造成它们的δ18O值偏负。

图3 川西—北地区中二叠统白云石碳氧稳定同位素组成图

3.3 Sr同位素

对川西—北地区中二叠统白云石和微晶灰岩样品进行Sr同位素分析，结果显示（图4）：粉—细晶它形脏白云石样品的87Sr/86Sr比值为0.714左右，远高于所测微晶灰岩背景值，反映了形成粉—细晶它形脏白云石的白云化流体盐度较高。鞍状白云石的87Sr/86Sr比值与细—中晶白云石的87Sr/86Sr比值变化范围非常类似，均高于微晶灰岩的87Sr/86Sr比值平均值。可以清楚地反映出，它们应该是在同一期热液白云石化作用下所形成的。同时，它们的87Sr/86Sr比值均变化范围较大，说明此期热液白云石化作用的热液流体来源具有多样性。87Sr/86Sr比值低于0.706的白云石样品，揭示它们的形成应该是受到深部热液流体的改造；87Sr/86Sr比值介于0.706～0.710之间的白云石样品，说明此类白云石是在与中二叠统相似的地层水环境中形成的；87Sr/86Sr比值大于0.710的白云岩样品，表明其形成经过盆地内部碎屑岩地层热液流体的改造。

4 热液作用的机制与模式

志留纪末—晚三叠世期间，四川盆地西部都处在张性状态，发生了峨眉山地裂运动，在该区可能形成了台地—斜坡—台槽的构造格局［3］84。中二叠世晚期至晚二叠世初期，为峨眉地裂运动的高峰期，此时张性断裂活动表现最强，同时伴随着大范围峨眉山玄武岩的喷发，研究区古热流值达到最高峰，与岩浆活动有关的热液流体沿着张性断裂体系

进入到中二叠统栖霞组与茅口组地层中，由于地层内部茅口组泥灰岩与上部吴家坪组底部泥灰岩及泥云岩的封堵、或者茅口组泥灰岩与上覆峨眉山玄武岩的封堵，热液流体的运移被减缓，发生侧向运移，从而促使目的层灰岩发生热液白云石化作用，热液溶蚀作用也同时发生，产生溶蚀孔洞，形成白云岩溶蚀孔洞型储层［13］。为此，提出川西—北地区中二叠统热液白云岩化作用的模式（图5）。

图4 川西—北地区中二叠统白云石Sr同位素组成图

图5 川西—北地区中二叠统的热液白云岩化作用模式图

5 结论

1）从岩石学和矿物学观察鉴定得出，白云岩内广泛发育热液破裂缝、构造角砾岩、片状晶洞及斑马状构造等岩石组构。白云岩内常见自生石英、黄铁矿、沥青、伊利石、萤石、磷灰石及重晶石等热液矿物。

2）对研究区域内的白云石和围岩做了一系列的地球化学分析，结果表明该细—中晶自形—半自形白云石、细—中晶半自形—它形脏白云石以及鞍状白云石都是在高温、高盐度的热液流体条件下形成的，它们的87Sr/86Sr比值均变化范围较大，热液白云石化作用的热液流体来源具有多样性。

3）热液作用受峨眉山地幔柱的影响，与岩浆活动有关的热液流体沿着张性断裂体系进入到中二叠统栖霞组与茅口组地层中，从而促使目的层灰岩发生热液白云石化作用，热液溶蚀作用及交代作用等热液改造作用，促使白云岩孔隙、孔洞及裂缝的发育，为油气聚集提供良好的储集空间，形成优质白云岩储层，为此提出川西—北地区中二叠统热液白云岩化作用的模式。

［1］Davies，G.R.，Smith L B.Structurally controlled hydro⁃thermaldolomitereservoirfacies：Anoverview［J］. AAPG Bulletin，2006，90（11）：1 641-1 690.

［2］解发川.四川盆地西—北部中二叠统热液作用及对储层影响［D］.成都：成都理工大学，2009.

［3］刘树根，罗志立，庞家黎，等.四川盆地西部的峨眉地裂运动及找气新领域［J］.成都地质学院学报，1991，18（1）：83-90.

［4］何斌，徐义刚，王雅玫，等.用沉积记录来估计峨眉山玄武岩喷发前的地壳抬升幅度［J］.大地构造与成矿学，2005（29）：316-320.

［5］金之钧，朱东亚，胡文瑄，等.塔里木盆地热液活动地质地球化学特征及其对储层影响［J］.地质学报，2006，80（2）：245-253.

［6］尚久靖，李国蓉，吕艳萍，等.塔河盐下地区奥陶系孔洞成因分析［J］.天然气技术与经济，2011，5（2）：10-13.

［7］马红强，陈强路，陈红汉.盐水包裹体在成岩作用研究中的应用：以塔河油田下奥陶统碳酸盐岩为例［J］.石油实验地质，2003，25（增刊）：601-606.

［8］黄思静，张雪花，刘丽红，等.碳酸盐成岩作用研究现状与前瞻［J］.地学前缘，2009，16（5）：219-231.

［9］郭维.四川盆地西南部二叠系栖霞组沉积相及储层特征［D］.成都：成都理工大学，2012.

［10］Davies，G.R.T.Boreen and L.Smith.Hydrothermal dolo⁃miteandleachedlimestonereservoirs：Representative core fabrics and facies（abs.）：AAPG Annual Meeting Program，2005，v.14，p.A32，and extended abstract.

［11］陈轩，赵宗举，高阳，等.四川盆地北部中二叠统茅口组碳酸盐岩斜坡沉积及其油气勘探意义［J］.海相油气地质，2013，18（4）：9-14.

［12］Lavoie D，Morin C.Hydrothermal dolomitization in the Lower Silurian Sayabec Formation in north Gaspe-Mata⁃pedia（Quebec）：Constraint on timing of porosity and regional significance for hydrocarbon reservoirs［J］.Bul⁃letin of Canadian Petroleum Geology，2004，52（3）：256-269.

［13］石新，王兴志，张帆，等.川西北地区栖霞组白云岩储集层研究［J］.西南石油学院学报，2005，27（2）：13-16.

（编辑：卢栎羽）

B

2095-1132（2014）06-0012-04

10.3969/j.issn.2095-1132.2014.06.004

修订回稿日期：2014-11-14

国家科技重大专项（编号2011ZX05005）；国家自然科学基金资助项目（41272150）。

李辉（1988-），硕士研究生，研究方向为储层地层地质学与储层地球化学。E-mail：251154185@qq.com。