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本文作者：彭軍1唐丹1張桂瑞2李斌1曹脊翔1作者單位：1西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院2中國(guó)石油安全環(huán)保技術(shù)研究院

巖石學(xué)特征

通過(guò)大量的薄片觀察和分析，發(fā)現(xiàn)川東北地區(qū)飛仙關(guān)組的白云石主要以兩種形態(tài)存在：泥—微晶白云石和細(xì)—中晶白云石。泥—微晶白云石晶粒晶體較細(xì)，均在微晶以下，主要以泥晶及微晶為主，組成的巖石有致密的泥—微晶白云巖、藻紋層白云巖、藻團(tuán)粒白云巖等，典型巖石結(jié)構(gòu)為他形粒狀泥—微晶結(jié)構(gòu)、藻紋層和藻團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，在這些白云巖中常見(jiàn)條帶狀、干裂、鈣結(jié)核等潮間—潮上帶標(biāo)志。此類白云巖主要分布于有強(qiáng)烈蒸發(fā)作用的瀉湖、潮坪等沉積環(huán)境，一般用準(zhǔn)同生（蒸發(fā)泵）白云石化模式解釋其成因[58]。在氣候干熱，蒸發(fā)作用強(qiáng)烈的地區(qū)，隨著蒸發(fā)作用的進(jìn)行，地表松散沉積物中的粒間水鹽度變大，其鎂鈣比率增高，這樣的粒間水不可避免地要與早期沉積的文石、方解石等接觸交代，形成泥—微晶白云巖。細(xì)—中晶白云石晶粒晶體一般呈半自形—自形，大小不等，以細(xì)—中晶為主，少數(shù)可達(dá)粗晶級(jí)別。大部分晶粒具有霧心亮邊結(jié)構(gòu)和重結(jié)晶現(xiàn)象。以細(xì)—中晶白云石組成為主的巖石類型主要有鮞粒白云巖、晶粒白云巖及有強(qiáng)烈構(gòu)造作用的碎裂化重結(jié)晶白云巖等，這種類型的白云巖是埋藏白云石化作用的產(chǎn)物，其特征有別于蒸發(fā)條件下形成的泥—微晶白云巖。而這幾類巖石也成為川東北地區(qū)飛仙關(guān)組優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的主要巖石類型。

有序度特征

白云巖的有序度是針對(duì)白云石晶胞的一個(gè)概念，指白云石晶體中各種離子的排列有序程度。有序度高低反映了白云石結(jié)晶時(shí)的速率，可以間接指示成巖環(huán)境。有序度低反映了白云石結(jié)晶速率快，如準(zhǔn)同生白云石化作用形成的白云石。地表干熱、蒸發(fā)環(huán)境使白云石快速結(jié)晶而處于一種欠穩(wěn)定狀態(tài)，該環(huán)境中形成的白云石MgCO3/CaCO3摩爾分?jǐn)?shù)比值較低，有序度很低。有序度高反映其形成于緩慢結(jié)晶的成巖環(huán)境，一般來(lái)說(shuō)，這樣的成巖環(huán)境與大氣淡水和稀釋的地下水有關(guān)，如大氣淡水成巖環(huán)境、混合水成巖環(huán)境和埋藏成巖環(huán)境，在這些環(huán)境中形成的白云石，MgCO3/CaCO3摩爾分?jǐn)?shù)比值較高，接近于化學(xué)計(jì)量級(jí)水平。從表1[8]的分析中可以得出這樣的結(jié)論：隨著晶粒的增大，白云巖有序度也增大，從準(zhǔn)同生泥—微晶白云巖的0.570增大到埋藏中—粗晶白云巖的0.728。白云巖的MgCO3/CaCO3摩爾分?jǐn)?shù)比值也隨著埋藏成巖作用的進(jìn)行而增大。與晚成巖階段構(gòu)造作用有關(guān)的重結(jié)晶白云巖有序度最大，MgCO3/CaCO3摩爾分?jǐn)?shù)比值也最接近化學(xué)計(jì)量白云石的標(biāo)準(zhǔn)。

陰極發(fā)光特征

碳酸鹽礦物的陰極發(fā)光特征與其成分有關(guān)，尤其和鐵、錳等微量元素關(guān)系密切，鐵是碳酸鹽礦物陰極發(fā)光的猝滅劑，錳是活化劑。不少學(xué)者研究了陰極發(fā)光特征與鐵和錳元素含量的定量關(guān)系，但沒(méi)有形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。不過(guò)可以肯定的是碳酸鹽礦物在鐵含量高于猝滅下限或錳含量低于激活下限時(shí)，不具有陰極發(fā)光性；而鐵/錳比值越高、越不利于碳酸鹽礦物陰極發(fā)光；但是鐵/錳比值小于1的碳酸鹽礦物一定具有陰極發(fā)光性；鐵或錳二者之一含量很少時(shí)不利于碳酸鹽礦物的陰極發(fā)光，即雖然分別作為猝滅劑和激活劑，但二者缺一不可[9]。根據(jù)碳酸鹽礦物微量元素含量對(duì)其陰極發(fā)光的影響反推微量元素富集情況，分析其與沉積環(huán)境的相關(guān)關(guān)系。研究區(qū)泥—微晶白云石陰極射線下從基本不發(fā)光到發(fā)弱光，這樣的發(fā)光特征反映了其形成于地表蒸發(fā)環(huán)境，該環(huán)境中鍶、鈉元素含量高，鐵、錳元素含量很低。細(xì)—中晶白云石在陰極射線下發(fā)暗紅色—亮紅色光，鐵含量低而錳含量高。這樣的白云石形成于埋藏環(huán)境，因?yàn)樵汲练e的海相生物和海相碳酸鹽礦物都因貧鐵、錳而不具陰極發(fā)光，只有在經(jīng)歷了成巖蝕變，鐵、錳元素進(jìn)入后，才會(huì)導(dǎo)致碳酸鹽礦物具有陰極發(fā)光。鐵的低含量可能與該區(qū)地層水中H2S含量高導(dǎo)致FeS沉淀有關(guān)。

同位素特征

碳酸鹽沉積物的碳、氧同位素組成視成巖作用類型和發(fā)育程度而異。不同的成巖環(huán)境下，碳酸鹽中的碳、氧同位素組成明顯不同，據(jù)此能將大氣淡水、混合水、海水和埋藏成巖環(huán)境有效地區(qū)分開來(lái)。大氣淡水成巖環(huán)境：該環(huán)境位于地下水面以上，孔隙被水和空氣充填，水體作垂向滲流運(yùn)動(dòng)。由于成巖組構(gòu)的δ18O、δ13C取決于介質(zhì)的溫度和同位素組成，而大氣淡水又貧18O、富12C，因此大氣淡水成巖環(huán)境的δ18O、δ13C均有向高負(fù)值滑移的趨勢(shì)。正常海水成巖環(huán)境：對(duì)應(yīng)于正常海洋沉積環(huán)境，粒間多為海水占據(jù)，δ13C、δ18O值都較大氣淡水環(huán)境值要大?；旌纤蓭r環(huán)境為大氣淡水和正常海水的混合，其δ13C、δ18O值介于正常海水成巖環(huán)境值和大氣淡水成巖環(huán)境值之間。埋藏成巖環(huán)境：該環(huán)境位于地下一定深度，δ13C值主要取決于13C來(lái)源，若為淡水來(lái)源則值偏小，而海水來(lái)源則值偏大；δ18O受溫度和壓力的影響較大，一般是隨著埋深加大而減小[10]。白云巖的碳氧同位素組成取決于白云石化時(shí)介質(zhì)的碳氧同位素組成，并受介質(zhì)溫度和鹽度的控制。介質(zhì)咸化時(shí)，因16O、12C隨著蒸發(fā)作用的逸失而使白云巖的δ18O、δ13C值增高。在有大氣淡水參與成巖作用時(shí)，各類沉積物的δ13C應(yīng)表現(xiàn)為明顯負(fù)值，而從表2[11]中數(shù)據(jù)δ18CPDB均為正值可排除混合水白云巖化模式。泥晶白云巖δ13C分布在1.0‰～2.4‰，平均值為1.8‰，δ18O分布在–4.4‰～–3.7‰，平均值為–3.7‰，這與三疊系海相碳酸鹽原始氧碳同位素值較為接近，表明它們的白云石化流體為準(zhǔn)同生期海水，也恰與海水成巖環(huán)境δ13C為接近于零的正值、δ18O為低負(fù)值這一特征相符。埋藏成巖環(huán)境氧碳同位素值分布范圍較大，其δ13C值可以從低負(fù)值到較高正值范圍內(nèi)變化，δ18O在淺埋藏成巖環(huán)境為低負(fù)值，深埋藏成巖環(huán)境為高負(fù)值，且埋深越大，數(shù)值越小，表中數(shù)據(jù)也恰與此特征一致。碳酸鹽巖的成巖埋藏過(guò)程中，從文石向方解石轉(zhuǎn)化、繼而向白云石的轉(zhuǎn)化是一個(gè)Sr的總體含量隨著介質(zhì)鹽度的降低而降低的過(guò)程[12]。Sr穩(wěn)定同位素有84Sr、86Sr、87Sr和88Sr，其中87Sr是放射的，和古老地殼中的銣元素有關(guān)，86Sr是非放射性的，一般用87Sr/86Sr比值來(lái)表示Sr同位素組成[13]。87Sr/86Sr比值在古老硅鋁巖石中最高，在年輕玄武巖中最低，并在沉積過(guò)程中，不受相分離、化學(xué)狀態(tài)、蒸發(fā)作用或同化作用這些過(guò)程的分餾影響，比值變化是由于不同來(lái)源Sr的混合造成的。在白云巖的成巖過(guò)程中87Sr/86Sr比值隨著埋深的加大而不斷增大。這是因?yàn)?7Sr半徑小于86Sr，白云巖在埋藏過(guò)程中的金屬元素與同位素組成再分配是符合大半徑離子含量逐漸減少、小半徑離子含量逐漸升高這一規(guī)律的[14]，由于86Sr半徑較大，埋藏壓實(shí)過(guò)程中優(yōu)先被取代，導(dǎo)致Sr同位素比值變高。從表3[8]中可以看出準(zhǔn)同生泥—微晶白云巖的Sr含量很高，符合三疊紀(jì)早期全球處于以沉積文石為主的富Sr海相狀態(tài)，其平均含量0.0200%，接近超鹽度海水沉淀白云石的0.0250%[7]。該時(shí)期正常海相灰?guī)r的Sr含量為0.0470%，可見(jiàn)準(zhǔn)同生白云石化作用發(fā)生在一開放的成巖環(huán)境中，Sr總量逐漸減少，而從早成巖階段的微—粉晶白云巖到中成巖階段的細(xì)—中晶白云巖、中—粗晶白云巖Sr平均含量由0.0130%逐漸升至0.0195%，由此推測(cè)其成巖流體處于一個(gè)封閉環(huán)境，否則開放體系下中成巖階段的細(xì)—中晶白云巖的Sr含量應(yīng)低于早成巖階段的微—粉晶白云巖，因Sr總含量應(yīng)隨著地層孔隙水鹽度降低（被外來(lái)地層水或深部流體稀釋）而逐漸降低，但在研究區(qū)不降反升，可見(jiàn)地層中流體并未與外部溝通，故認(rèn)為該埋藏成巖環(huán)境為一封閉環(huán)境。按照這種機(jī)理，封閉體系中，Sr在晶體中被其他元素取代而進(jìn)入孔隙水，在孔隙水中逐漸富集，再由富Sr孔隙水交代或沉淀的礦物就具有很高的Sr含量。本次研究中的中、晚成巖階段充填溶孔的熱液方解石就具有Sr含量異常高這一特點(diǎn)，流體若在開放條件下進(jìn)行了交換是不會(huì)有如此高Sr含量的方解石沉淀，這也進(jìn)一步證明了埋藏成巖作用發(fā)生在封閉體系中。因此，該區(qū)白云石化模式可再次排除開放條件下的混合水和回流滲透模式。

成巖流體溫度

成巖流體溫度可以利用礦物流體包裹體來(lái)確定。礦物流體包裹體研究是近20年才興起的，它是在礦物結(jié)晶生長(zhǎng)過(guò)程中被包裹在礦物晶體缺陷中的流體。解釋流體包裹體的基本假設(shè)是包裹體發(fā)育在封閉體系中，與其形成時(shí)的流體具有相同的物理、化學(xué)特征。常溫常壓下見(jiàn)到的流體包裹體往往是氣、液兩相流體。在冷熱臺(tái)上升溫加熱，顯微鏡下可見(jiàn)到兩相流體轉(zhuǎn)化為單相流體，這時(shí)記錄的溫度為均一溫度。一般認(rèn)為均一溫度代表包裹體形成溫度的下限[15]。川東北地區(qū)飛仙關(guān)組細(xì)—中晶白云石包裹體均一溫度在70～148℃，主要分布在90～130℃。假設(shè)地表平均溫度為10～13℃，古地溫梯度為3℃/100m，則白云石形成的最淺深度為2000m左右，大部分形成于2700m深度以下。顯然這樣的成巖深度不是回流滲透模式或混合水模式可以達(dá)到的，因此，再次證明該區(qū)細(xì)—中晶白云石為埋藏白云石化作用形成。

古鹽度分析

Epstein和Mayeda于1959年建立了用碳、氧同位素值來(lái)計(jì)算古鹽度的原理，并認(rèn)為其值隨著鹽度的增加而增加。Keith和Weber（1964）推導(dǎo)出如下公式來(lái)計(jì)算古鹽度，即z=2.048（δ13C+50）+0.498（δ18O+50）式中，δ13C—碳同位素值；δ18O—氧同位素值。z值在120以上的碳酸鹽巖為海水成因，z值在120以下的碳酸鹽巖為淡水成因，而值在120附近的碳酸鹽巖其成因可能為大氣淡水和正常海水的混合成因[16]。通過(guò)對(duì)研究區(qū)白云巖碳氧同位素值進(jìn)行分析計(jì)算，得出該區(qū)古鹽度z值分布在124.312～132.830，主要分布在127.467～130.700。由此說(shuō)明該區(qū)白云巖的成因均與海水有關(guān)，沒(méi)有淡水參與的痕跡。

結(jié)論

（1）川東北地區(qū)飛仙關(guān)組白云巖主要由泥—微晶白云石、細(xì)—中晶白云石組成。其中泥—微晶白云石為準(zhǔn)同生白云石化作用形成，屬于潮坪等強(qiáng)烈蒸發(fā)環(huán)境的產(chǎn)物，反映了當(dāng)時(shí)炎熱干旱的氣候條件；細(xì)—中晶白云石為埋藏白云石化作用形成。（2）準(zhǔn)同生白云石化作用生成的白云巖的各項(xiàng)特征接近于當(dāng)時(shí)的海相灰?guī)r，而主要由埋藏白云石化作用生成的白云巖由于發(fā)生了成巖蝕變，其特征與準(zhǔn)同生白云巖存在差異，但是白云石化流體與準(zhǔn)同生期孔隙水具有相似性與同源性，均具備早三疊世全球處于以沉積文石為主的富Sr特征。（3）通過(guò)成巖流體溫度、古鹽度、微量元素及同位素分析等，認(rèn)為該區(qū)白云巖形成的過(guò)程中未見(jiàn)淡水參與成巖作用的痕跡，不存在以往認(rèn)為的混合水白云石化作用和回流滲透白云石化作用，該區(qū)只有準(zhǔn)同生白云石化作用和封閉體系中的埋藏白云石化作用。