川西地区中二叠统栖霞组中—粗晶白云岩成因

孟森，周进高，杨 柳，郝毅，娄 雪，3

（1中国石油勘探开发研究院；2中国石油杭州地质研究院；3中国石油大学（北京））

川西地区中二叠统栖霞组中—粗晶白云岩成因

孟森1，2，周进高2，杨 柳2，郝毅2，娄 雪2，3

（1中国石油勘探开发研究院；2中国石油杭州地质研究院；3中国石油大学（北京））

通过野外剖面、岩心、薄片的观察及地球化学分析等手段，对川西地区栖霞组中—粗晶白云岩成因进行了研究。结果表明，中—粗晶白云石晶形呈自形、半自形及他形，可见残余生物(碎屑)幻影，裂缝发育，白云石被缝合线切割，储集空间以溶蚀孔洞和晶间孔为主，孔洞内充填有自形白云石及鞍状白云石。中—粗晶白云岩的碳同位素值处于二叠系海相碳酸盐岩的范围；川西的南部地区中—粗晶白云岩氧同位素相对于川西的北部地区更偏负；川西的北部中—粗晶白云岩锶同位素比值处于二叠系海相碳酸盐岩的范围，而川西的南部则高于此范围；稀土元素配分模式显示白云岩基本继承了石灰岩特点；白云岩Ce显示正异常，Eu无明显正异常，川西的南部地区具有较明显的La负异常。综合研究得出：颗粒滩相是白云石化作用发生的有利相带，浅埋藏阶段的海水白云石化作用是中—粗晶白云岩的主要成因，后期局部遭受热液改造作用,孔洞内充填的自形白云石也为浅埋藏阶段的海水白云石化作用所形成，而鞍状白云石为后期热液成因。

中—粗晶白云岩；白云石化；颗粒滩；栖霞组；四川盆地

四川盆地的油气勘探已有半个多世纪，勘探实践表明，中二叠统是重要的天然气产层，至今在中二叠统已发现气藏325个。近年来，双探1井等多口井在栖霞组白云岩储层中获得了高产气流［1］，其中，又以中—粗晶白云岩的储集性能最好［2］。已发现的白云岩储层大多分布在川西地区，在盆地其他地区则零星分布。前人对川西地区白云岩成因的认识，存在诸多观点，主要有混合水白云石化作用［2-3］、玄武岩淋滤白云石化作用［4］、埋藏白云石化作用［5-9］、热液白云石化作用［10-14］或多种白云石化作用混合［15-17］。 本文在前人研究的基础上，通过川西地区野外剖面踏勘、钻井岩心观察、镜下薄片鉴定，以及地球化学分析等手段，对川西地区栖霞组中—粗晶白云岩成因进行了深入研究，以期为今后优质白云岩储层的预测提供依据。

1 地质背景

川西地区位于四川盆地西部（图1a），构造上隶属于龙门山山前带，北起米仓山褶皱带，南抵峨眉—瓦山断隆带，西临松潘—甘孜褶皱带，东与川中古陆隆起带相接，面积约8400km2［8］。区内栖霞组厚90～130m［18］。依据大量的测井相、地震相和岩心、岩屑录井资料，中二叠统栖霞组可划分为海侵域和高位域［1］（图1b）。在海侵域主要发育开阔台地相，西南部为浅水开阔台地，东北部为较深水开阔台地，岩性以深灰色或黑色中—厚层泥粉晶生物（碎屑）灰岩夹泥质灰岩和薄层黑色页岩为主；经海侵域填平补齐，高位域演化为台地边缘颗粒滩相，岩性为浅灰色和灰色微—亮晶生物（碎屑）灰岩、结晶白云岩、残余颗粒白云岩、豹斑状白云质灰岩，以及孔洞中充填的中—粗晶自形白云石和鞍状白云石，溶蚀孔洞较发育，台缘带外侧为斜坡—盆地相（图1）。其中，中—粗晶白云岩主要发育于栖霞组中上部高位域的台地边缘颗粒滩相带，分布在川西的北部绵阳—剑阁—广元一带及南部雅安—峨眉—眉山一带，厚度从1米到几十米不等，如周公1井在栖霞组3 470～3 509m段钻遇中—粗晶白云岩约40m、汉深1井在栖霞组4965～4990m段钻遇约25m［11］、矿2井在2410～2454.6m段钻遇约44m［19］。

图1 川西地区中二叠统栖霞组高位域沉积相图（据文献［1］修改）及层序地层柱状图

2 中—粗晶白云岩特征

2.1 岩石学特征

通过对矿2井、周公1井和汉深1井（井位见图1a）这三口井的岩心观察后发现，中—粗晶白云岩颜色以浅灰色—灰色为主，岩心上可见溶蚀孔洞较发育（图2a），部分孔洞被亮晶方解石、鞍状白云石、自形白云石（图2b）、石英、沥青等矿物半充填—充填。此外，还发育大量裂缝（图2a），以构造缝、溶解缝和压溶缝合线为主。早期形成的裂缝大多已被充填，现今能看到的裂缝则为少量的缝合线和喜马拉雅期的高角度构造缝［2］。

镜下对取自3口井的45块中—粗晶白云岩薄片鉴定后发现，白云石晶形主要呈现平直晶面的半自形—自形晶、非平直晶面的他形晶（图2c），晶粒直径在0.25～1mm之间。晶体较脏，部分白云石可观察到具有残余生物（碎屑）结构（图2d），如有孔虫、藻类、棘屑等，但是保存较差，表明此系生物（碎屑）颗粒灰岩经过白云石化所形成，反映水动力条件较强。亦常见白云石被缝合线切割（图2e）。正交光下，少量中—粗晶白云石可见波状消光现象（图2f）。

2.2 储集空间特征

研究区内中—粗晶白云岩的储集空间以晶间孔和溶蚀孔洞为主（图2a，2c）。

（1）晶间孔主要位于平直晶面的半自形—自形晶白云石之间，大小主要为0.001～0.5mm，部分晶间孔被泥质或沥青半充填—充填。这类白云岩的面孔率为1%～2%，局部可达5%。非平直晶面的他形晶白云石主要呈镶嵌接触，较为致密，晶间孔几乎不发育。此外，在孔洞充填物间也可见少量晶间孔。

（2）溶蚀孔洞，又可分为晶间溶孔和溶洞。晶间溶孔是在前期晶间孔发育的基础上，经后期溶蚀作用而形成，边缘处有明显的溶蚀痕迹，大小主要为0.5～2mm，这类白云岩的面孔率要高于晶间孔型的面孔率，一般为2%～5%，局部可达5%以上。溶洞是在晶间孔、晶间溶孔的基础上，经进一步溶蚀作用而扩大至2mm以上的孔隙，研究区的中—粗晶白云岩溶洞大小一般为2mm～3 cm，最大可达10 cm以上，从岩心上可以明显看到溶洞具有自上而下逐渐减小的纵向分布规律，而且，在野外剖面及岩心中均可见溶洞被中—粗晶白云石、方解石、石英及沥青等半充填—充填。

以上两类孔隙是川西地区栖霞组中—粗晶白云岩最主要的储集空间。据石新等［2］研究，也认为中—粗晶白云岩储集物性最好，平均孔隙度可达5.38%，平均渗透率1.46×10-3μm2。此外，研究区栖霞组中—粗晶白云岩普遍发育裂缝，但早期的裂缝大部分已经被充填，现今能看到的裂缝以构造缝和少量缝合线为主。这些裂缝虽然具有一定的储集空间，但更重要的是起到了连通白云岩储层各类孔隙、作为油气运移通道的作用，它们对储集性能的影响十分重要。

图2 川西地区中二叠统栖霞组中—粗晶白云岩特征

3 中—粗晶白云岩地球化学特征

本次地球化学分析样品共32件（表1），其中石灰岩3件，中—粗晶白云岩25件，孔洞充填的自形白云石2件、鞍状白云石2件。样品中有4件中—粗晶白云岩取自汉深1井栖霞组4971.18～4988.81m，其余样品取自矿2井栖霞组2413.83～2461.32m（表1），全部由中国石油集团杭州地质研究所实验中心测试分析，样品测试结果准确可靠，精度能满足研究要求。此外，笔者还搜集了前人［11，13，20］的一些地球化学测试数据用于对比分析（表1）。

3.1 碳、氧同位素

碳氧同位素可以用于识别成岩事件中成岩流体的类型，并将成岩事件同特定的成岩环境联系在一起。一般来说，碳稳定同位素变化与温度关系不大，主要取决于生物分馏作用、水体中碳稳定同位素成分、有机质的分界和从植物或土壤中获取CO2的可能性。大气淡水成岩环境的产物具有明显偏负的δ13C值（-7‰PDB），海水成岩环境产物的δ13C值为低正值，即在（0～4）‰PDB之间。对于氧同位素来说，温度升高会导致碳酸盐沉淀物的δ18O值更偏负，大气淡水中沉淀的碳酸盐岩也会具有较为偏负的δ18O值［21］。

从本次碳同位素特征来看，矿2井、周公1井、汉深1井、广元峡沟煤矿剖面、峨眉张村剖面的中—粗晶白云岩与矿2井石灰岩类似(图3a)，其δ13C值范围在（1.01～4.03）‰PDB之间，平均值为2.68‰PDB，都为低正值，且基本都处于黄思静［22］建立的上扬子地台区二叠系同期海相碳酸盐岩δ13C值的变化范围内,即在（2.0～4.3）‰PDB之间，表明白云石化流体具有海水特征，并和石灰岩属于同一期流体的产物。

从氧同位素特征(图3a)来看，川西的北部矿2井和峡沟剖面的中—粗晶白云岩δ18O值呈中等负值，范围在（-7.46～-5.95）‰PDB之间，平均-6.91‰PDB；川西的南部汉深1井、周公1井、张村剖面的中—粗晶白云岩δ18O值范围在 （-12.25～-10.60）‰PDB之间，平均-11.48‰PDB，相比于矿2井更偏负。由碳同位素结果可排除大气淡水的影响，说明川西的南部和北部地区的中—粗晶白云岩遭受到了热事件的影响，且南部受到的影响更大。

表1 川西地区栖霞组碳酸盐岩碳、氧、锶同位素数据表

图3 川西地区栖霞组碳酸盐岩地球化学数据分布图

此外，可发现矿2井孔洞中充填的自形白云石碳氧同位素特征与中—粗晶白云岩围岩类似（图3b），说明两者属于同一期白云石化流体产物；而矿2井孔洞中充填的鞍状白云石δ18O值明显偏负 （平均值为-15.27‰PDB）（图3b），推断应为后期热液充填的产物。由于孔洞充填物的形成必然晚于孔洞的形成时间，由此判断孔洞形成于白云石化之前，海水可能通过这些孔洞进行运移，源源不断地为白云石化作用提供镁离子。

3.2 锶同位素比值

从锶同位素比值(图3c，3d)来看，川西北部矿2井的石灰岩、中—粗晶白云岩、孔洞内充填的自形白云石的87Sr/86Sr值都处于黄思静［22］建立的上扬子地台区二叠系海相碳酸盐岩范围（0.7066～0.7082）‰PDB，说明白云石化流体主要为海水，几乎没受到外界影响。而川西的南部汉深1井和周公1井的中晶白云岩、矿2井孔洞内鞍状白云石的87Sr/86Sr值（图3c，3d）高于二叠系海相碳酸盐岩范围，前人的实验结果也显示出此特点。海水的锶同位素组成主要受壳源和幔源两个来源锶的控制：壳源锶主要由大陆古老岩石的风化所提供，87Sr/86Sr的全球平均值为0.7119［23］；幔源锶主要由洋中脊热液系统提供，87Sr/86Sr平均值为0.703 5［24］。综合氧同位素值来看，笔者认为中—粗晶白云岩受到了深部高温地层水的改造，断裂为深部流体的上涌提供了有利通道［11］。深部高温地层水在向上运移的过程中，渗滤栖霞组下伏多套碎屑岩地层，使其富含了壳源锶。由于川西的南部地区更靠近晚二叠世—早三叠世峨眉地裂运动［25］的中心，其地下深部的高温地层水相对更加活跃，因而造成川西南地区的87Sr/86Sr值略高、δ18O值更低。

3.3 稀土元素

不同的成岩流体具有不同的REE配分特征，而处于不同氧化还原环境的流体又具有不同的Ce和Eu异常。本次研究利用汉深1井、矿2井栖霞组的25个中—粗晶白云岩样品、3个石灰岩样品的稀土元素值（表2）建立了REE配分模式（图3e,数据经过页岩标准化）及δCe-δPr关系图(图3f)。REE配分模式显示，白云岩基本继承了石灰岩的特征，呈现轻稀土元素（La-Eu）亏损，说明白云岩成岩流体主要为海水，并无其他流体加入，或受其他流体的影响不显著；大部分白云石样品的Ce显示正异常，表明白云石形成于还原环境［26］，与埋藏条件下缺氧特征相符；矿2井中大部分样品的La显示弱的正异常，汉深1井2个白云石样品的La显示负异常，而海水具有弱的La正异常［27］，结合岩石学特征及氧、锶同位素特征分析，La的负异常应为热液作用的影响；白云岩Eu相比于石灰岩显示无明显正异常，而热液成因的白云岩具有明显的Eu正异常［11］，这表明热液并不是中—粗晶白云岩主要成因。综上判断，白云石化作用发生于埋藏环境，海水应为白云石化流体的主要成分，热液流体对中—粗晶白云岩的作用体现在后期改造，且川西南部地区的后期改造相对显著。

4 讨 论

（1）颗粒滩相是白云石化作用发生的有利相带

川西地区栖霞组高位域沉积时水体较浅且畅通，气候较暖，阳光和养料充足，有利于生物的大量繁殖，如绿藻、有孔虫、介形虫及棘屑等。由于水动力作用强，生物易被打碎，灰泥基质被带到滩体后水动力弱的地区沉积，形成了以亮晶生物（碎屑）灰岩为主的高能颗粒滩体，它富含大量生物碎屑颗粒，生物体腔孔和粒间孔较发育，这就使得滩体具有良好的原始渗滤能力。同时，因为滩体往往发育于古地貌高点，易在海平面频繁的升降作用下，发生暴露溶蚀，从而形成大量孔隙。这些孔隙可以作为白云石化流体贮存和流动的场所，为白云石化作用的发生创造了条件。因此，川西地区栖霞组中上部高位域沉积的颗粒滩相是白云石化作用发生的有利相带，中—粗晶白云岩由生物（碎屑）灰岩发生白云石化作用而形成。

（2）浅埋藏阶段的海水白云石化作用是中—粗晶白云岩主要成因，后期局部遭受热液改造

岩石学特征显示，在缝合线发育的位置，常见白云石被缝合线切割，而缝合线一般形成于600～1000m深度［28］，因此，中—粗晶白云岩的形成不会晚于浅埋藏时期（深度＜1000m）。从野外剖面及岩心资料中，可发现溶蚀孔洞中半充填—充填石英、鞍状白云石、沥青等矿物。Davies等［29］研究认为，石英、鞍状白云石、沥青等是典型的热液矿物标志。通过薄片观察，也可发现局部中—粗晶白云岩具有明显的波状消光特征，也说明曾受到了热事件的影响。

地球化学分析结果表明，孔洞内充填的自形白云石与中—粗晶白云岩围岩的同位素特征相似，说明两者为同一期白云石化流体的产物，白云石化作用发生于孔洞形成之后；碳同位素、REE配分模式、Ce特征显示白云石化流体主要成分为海水，白云石化作用发生于埋藏阶段。由此推断，如果白云石形成于埋藏深度较大的环境，那么由于孔洞形成于白云石化作用前，在压实作用下，未被白云石化的孔洞将难以保留，而缺少孔洞的发育将难以使海水渗滤通过地层与发生大规模白云石化，并且海水在深埋藏环境下极有可能会受到深部地层热液等的强烈改造，这与上述证据的显示相矛盾。因此，栖霞组中—粗晶白云岩的形成不会晚于浅埋藏时期，白云石化

流体主要为海水，这与岩石学特征的显示相符。

表2 川西地区栖霞组碳酸盐岩稀土元素数据表

氧同位素值显示,孔洞内充填的鞍状白云石偏负程度最大，川西的南部栖霞组中—粗晶白云岩次之，北部栖霞组中—粗晶白云岩偏负程度最小；锶同位素比值显示，孔洞内充填的鞍状白云石最高，川西的南部栖霞组中—粗晶白云岩次之，北部栖霞组中—粗晶白云岩最低；Eu特征显示中—粗晶白云岩并非热液成因，川西的南部La显示较明显负异常。由于稳定的氧同位素值更可能反映的是重结晶流体的性质，而不是白云石化时成岩流体的成分［21］，结合岩石学特征及地质背景，认为热液作用体现在对局部中—粗晶白云岩的后期改造，但并不是中—粗晶白云岩的主要成因，孔洞内的鞍状白云石为后期热液成因。在川西的南部地区，由于更靠近晚二叠世—早三叠世峨眉地裂运动的中心，其地下深部的高温地层水相对更加活跃［25］，在上涌的过程中渗滤栖霞组下伏多套碎屑岩地层，使其富含了壳源锶，因此造成川西南部地区后期热液改造作用相对较强,氧同位素值更偏负，锶同位素比值略高，La的负异常相对显著。

通过上述分析，认为该中—粗晶白云岩的主要成因为浅埋藏阶段的海水白云石化作用。Saller［30］在研究太平洋Enewetak等环礁时提出，当海水与沉积物内部孔隙水发生温度或盐度差异时，冷的海水进入沉积物中，当处于碳酸钙的补偿深度时，海水对方解石不饱和而对白云石过饱和，这样的海水可使碳酸盐沉积物发生白云石化。川西地区栖霞组高位域时，属台地边缘颗粒滩相，形成的滩体具有良好的原始孔渗性，加上海平面频繁的升降作用，也使得颗粒滩易发生暴露溶蚀形成大量孔隙；此外，据埋藏史和热史显示［14，31］，中二叠世末发生了峨眉山玄武岩喷发事件，该事件的热效应使得川西地区古热流值出现极大的上涨，而此时，栖霞组处于深度小于500m的浅埋藏环境。由此分析认为川西地区栖霞组在浅埋藏时期，高的古热流值造成台地内海水和孔隙中海水的温度相对台地外斜坡—盆地沉积环境中的海水较高，满足海水白云石化作用发生所需要的温度差，同时，良好的孔渗性保证了海水可以通畅地进入地层进行循环，使沉积物发生白云石化作用。

5 结 论

（1）颗粒滩相是白云石化作用发生的有利相带，在该沉积背景下形成的生物（碎屑）滩体具备良好的原始渗滤能力，同时由于处在地貌高点，易发生暴露溶蚀作用，形成大量孔隙，为白云石化作用的发生创造了条件。

（2）岩石学特征及地球化学特征显示，川西地区栖霞组中—粗晶白云岩主要成因是浅埋藏阶段的海水白云石化作用，后期局部遭受到热液改造作用，川西的南部地区相较于北部地区受到的热液改造作用更强。孔洞内充填的自形白云石也为浅埋藏阶段的海水白云石化作用所形成，而鞍状白云石为后期热液成因。

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编辑：黄革萍

Genesis of Medium-Coarse Crystalline Dolomite of Middle Permian Qixia Form ation,Western Sichuan

Meng Sen,Zhou Jin′gao,Yang Liu,Hao Yi,Lou Xue

The genesis ofmedium-coarse crystalline dolomites of Middle Permian Qixia Formation in western Sichuan Basin is researched based on the geochemicalmethods and observation of outcrops,cores and thin-sections.The results showed that crystalline dolom ites can be divided into three types:idiomorphic,hypidiomorphic,and xenomorphic.The residual bioclastic structure can be seen in moderately to coarsely crystalline dolom ites.Fractures are well developed, and some crystalline dolomites are cut by stylolites.The pore spacemainly consists of intercrystalline solution pores, solution vugs and intercrystalline pores.The solution pores are usually filled by idiomorphic dolostones and sadd le dolostones.Theδ13C values of themedium-coarse crystalline dolomites are in a range ofmarine carbonate rocks of the Perm ian strata,and theδ18O values in the north ofW estern Sichuan are higher than those in the south.87Sr/86Sr values of dolom ites in the north of Western Sichuan are also in a range ofmarine carbonate rocks of the Permian strata,and those in the south are higher than this range.The REE pattern model shows that the dolom ites inherit characteristics of limestones.Ce of the dolom ites shows positive anomalies,but Eu shows not obviously.La of the dolom ites in the south of W estern Sichuan shows relatively obvious negative anomalies.The study concluded that the grain beach face is positive for dolomitization,and the seawater dolomitization is themain genesis ofmedium-coarse crystalline dolomites during shallow burial stage,and at the late diagenetic stage they were suffering from hydrothermalmodification in local areas.Seawater dolom itization in shallow burial stage is also the genesis of idiomorphic dolostones filled in solution vugs,but sadd le dolostones are the products of later hydrotherm.

Crystalline dolomite;Dolom itization;Grain beach face;Qixia Formation;Sichuan Basin

TE122.2+3

：A

10.3969/j.issn.1672-9854.2017.01.010

1672-9854(2017)-01-0075-09

2016-07-24；改回日期：2016-12-05

本文受国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”（编号：2016ZX05004-002）和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）”联合资助

孟森：1992年生，在读硕士研究生，沉积储层研究方向。通讯地址：100083北京市海淀区学院路20号；E-mail：mengsen1992@foxmail.com

M eng Sen：Master degree in progress at PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration&Development. Add:20 Xueyuan Rd.,Haidian District,Beijing,100083,China