四川盆地西北部地区中二叠统栖霞组肉红色白云岩成因浅析

郝 毅 王宇峰 李荣容 汤兴宇 裴森奇 王永生

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

0 引言

川西北地区处于上扬子准地台北部边缘的三个次级构造带的交汇部位，靠近盆地边缘断裂复杂。二叠系栖霞组是川西北地区天然气重点勘探层位，自野外露头及矿山梁构造矿2井发现厚层白云岩以来[1]，对于该地区栖霞组白云岩领域的勘探便从未停止过，但无论是川西南还是川西北地区，由于地处川西龙门山断裂带附近，保存条件相对较差，即使有较好的白云岩储层但测试都产水。终于在2014年双鱼石构造ST1井首次获得重大突破[1]，随后该地区陆续获得数口天然气测试30 104m3/d以上的高产井。特别在近年利用新工艺钻进的水平井，测试天然气日产量可达140 104m3以上[2]，揭示了该地区栖霞组白云岩的巨大勘探潜力。前人对四川盆地栖霞组的岩石类型[3-4]、沉积环境[5]、古地理背景[6-11]、储层及其成因[12-17]等方面都进行过研究，但对于近期在川西北地区发现的栖霞组肉红色白云岩鲜有报道。本次研究从岩心及野外露头样品的宏观、微观特征以及实验分析等方面入手，详细描述了这套肉红色白云岩的岩石学特征，并初步分析了其形成原因及地质意义。

1 地层概况

四川盆地二叠系栖霞组总体来说岩石类型相对简单，古生物化石种类繁多，主要为藻、珊瑚、腕足、双壳、棘皮类以及有孔虫等，地层总厚度一般为100～200 m[6]。栖霞组自下而上可按岩性特征划分为两段，下段岩性主要为深灰色生屑灰岩或含生屑泥晶灰岩，泥质含量相对较多，局部地区发育“眼球眼皮”状结构，测井GR值一般为30～60 API。上段主要为灰色生屑灰岩，灰质白云岩以及较纯的白云岩，测井GR值一般为0～30 API。其中川西北地区栖霞组白云岩厚度在50 m以上，与盆地其他地区相比是最厚的，一般呈灰色或浅灰色，镜下白云石晶粒呈自形、半自形及他形，粒度可达细—中晶以上[12]。近期在川西北地区葛底坝剖面、何家梁剖面以及St9井岩心的研究中（图1），观察到栖霞组厚层白云岩储层中存在一种特殊的肉红色白云岩，该现象较为少见，其成因可能与伴生的优质白云岩储层形成有一定的相关性，具有研究价值。

图1 川西北二叠系栖霞组主要露头及钻井分布图

2 岩石学特征

2.1 宏观特征

川西北地区二叠系栖霞组的肉红色白云岩与正常白云岩共生（图2）。肉红色白云岩主体成层状分布，局部呈角砾状，角砾间孔洞发育但多被白云石胶结物充填。已发现的肉红色白云岩厚度介于0.5～2.0 m，厚度并不大，可以见到岩层间发育分散状黄铁矿，应该是铁、硫元素在埋藏还原环境下富集形成（图2c）。目前栖霞组已经发现的肉红色白云岩的邻层一定发育厚层高能滩相晶粒状白云岩，且孔隙、孔洞发育，正是栖霞组屡获天然气高产的储集岩层。以St9井为例（图3），栖霞组取心长度60 m，白云岩共计40 m，单层白云岩厚度最大约30 m，而肉红色白云岩正处在这套约30 m的白云岩中间，厚度约0.6 m。值得注意的是，刚出心时颜色很鲜艳，而岩心放置2 d之后红色逐渐褪去，可能与地表氧化环境有关。这也意味着肉红色白云岩可能是大面积分布的，野外由于暴露时间长、氧化作用强，故而很少能见到。而岩心即使取到这套肉红色白云岩，没有及时记录观察的话，这种特殊颜色也会由于暴露在地表随着时间流逝而慢慢消退。

图2 栖霞组肉红色白云岩野外露头及岩心宏观特征图

图3 St9井栖霞组岩心综合柱状图

2.2 微观特征

肉红色白云岩镜下晶粒结构明显，晶粒直径为80～500 μm不等，以粉细晶结构为主，局部可以达到中粗晶，晶粒间一般充填沥青及少量黄铁矿。古生物并不发育，可能是成岩作用较强导致原岩结构不明显。白云石晶体可见明显的雾心亮边结构。红色物质在镜下显示为褐色，一般出现在白云石晶粒的核心部位，呈菱形或不规则形状（图4a、c），褐色物质由核心向外逐渐减少。从阴极发光照片来看（图4b、d），褐色物质发光较弱或不发光，而白云石晶体外部的亮晶胶结物发橙红色亮光。上述微观特征侧面反映了这种特殊物质的形成时间相对较早，至少早于亮晶白云石胶结物的形成。

图4 栖霞组肉红色白云岩镜下微观特征及阴极发光特征图

3 实验分析

3.1 全岩X衍射分析

从所采集样品的全岩矿物X衍射分析数据（表1）可以看到，灰色、浅灰色白云岩的主要矿物成分为白云石，个别样品含有少量的方解石及黏土矿物。而肉红色白云岩除了上述矿物外，都含有与铁质有关的矿物，其中葛底坝剖面肉红色白云岩样品含有2.4%的赤铁矿，而St9井岩心样品中含有黄铁矿，含量从3.8%～7.8%不等。因此，栖霞组这套白云岩呈现明显的肉红色显然与铁质的出现及侵染有关。至于铁元素的来源可能为栖霞组下部的泥盆系—石炭系，在区调报告及石油地质志等资料中可以看到[3]，在中泥盆统金宝石组以及整个石炭系中存在大量的鲕状赤铁矿。而川西北地区构造复杂，并发育北东向长条形加里东期古隆起[6]，局部富铁地层抬升暴露并遭受风化剥蚀，大量铁元素可在附近碳酸盐岩地层中富集并参与成岩作用。在泥盆系观雾山组中也常常可以见到紫红色、肉红色白云岩[18]，其铁质来源可能相似。

表1 川西北部分地区二叠系栖霞组全岩矿物X衍射分析数据表

3.2 地球化学特征分析

本次选取了葛底坝剖面及St9岩心栖霞组不同颜色的灰岩及白云岩样品进行了碳氧同位素和稀土元素测试分析。20块样品的δ13C数值范围为0.81‰～3.63‰，平均值为2.46‰。δ18O数值范围为-8.45‰～-1.15‰，平均值为-6.39‰。从碳氧同位素交互图（图5）可以看到，两块被铁质侵染的肉红色白云岩明显具有一定的特殊性，其δ13C数值虽然与大多数正常白云岩及石灰岩的数值分布范围相似，但δ18O数值却异常偏重，与正常石灰岩及白云岩有明显差别，已经超出了正常海水的δ18O数值范围[19]。δ18O数值主要与盐度及温度两个因素有关。肉红色白云岩本身厚度较薄，成岩过程中理应与邻层碳酸盐岩的温度系统相同，因此，成岩时的水体盐度较高可能是造成δ18O数值偏重的主要原因。也就是说这种肉红色白云岩在形成时期可能处于相对局限的环境，并伴有一定的蒸发作用从而导致盐度增高，氧同位素分馏使δ18O偏重。此外，本次研究还针对葛底坝剖面几种不同颜色碳酸盐岩样品进行了稀土元素测试（图6），虽然稀土元素总量有所差别，但是肉红色白云岩与其他类型岩石稀土元素配分模式比较相近，尤其是与代表原始沉积物的灰岩样品稀土元素总量十分相近，分配模式也几乎相同。此外，这些样品中具有环境指示意义的Ce、Eu元素都呈现负异常，侧面反映了几种类型的成岩流体性质一致，都是沉积期海水为主，而在埋藏期并未经历过其他外源流体的大规模改造。

图5 栖霞组不同类型样品碳氧同位素交会图

图6 葛底坝剖面不同类型样品稀土元素配分模式图（PAAS标准化）

4 结论

通过对川西北地区二叠系栖霞组肉红色白云岩的宏微观岩石学特征研究，以及通过岩石矿物分析和地球化学测试等方法与其他类型岩石进行了对比分析，初步得出以下结论：

1）栖霞组白云岩中的肉红色是一种被侵染的次生色，其形成与铁元素含量较高有关，而铁元素可能来自于附近由于构造运动暴露风化的泥盆—石炭系富铁地层。

2）仅白云石核部变色明显，说明该现象形成时间相对较早，可能是沉积期正常碳酸盐岩被富含铁元素的水体浸泡侵染形成，因此脱离该沉积环境后，成岩作用所形成白云石胶结物并未被染色。

3）肉红色白云岩可见角砾状并伴有岩溶现象，说明其形成于古地貌相对较高的位置，岩石容易发生岩溶作用并角砾化。

4）肉红色白云岩稀土元素与同期海水数值相似，而δ18O数值却异常偏重，表明成岩流体为同期海水，但沉积期处于局限蒸发环境，海水盐度高。

5）肉红色白云岩形成环境特殊，且邻层往往伴有较厚的孔洞型白云岩储层，因此在栖霞组白云岩勘探中可以将其作为优质储层的指向标志，在录取新鲜岩屑的过程中可以格外留意。