四川盆地北部栖霞组-茅口组热液白云岩特征与成因

张军涛¹ 龙胜祥¹ 李国蓉² 李宏涛¹ 吴世祥1

（1.中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083；2.成都理工大学，成都 610059）

摘 要 热液白云岩形成机制及其油气储层地质研究是当前白云岩研究领域的重要科学问题。本文以四川盆地北部的广元峡沟煤矿剖面白云岩为研究对象。该剖面由下部地层向上，白云岩化程度逐渐增强，颜色由深到浅，岩性由生屑灰岩逐渐过渡到斑状白云岩，然后再到中粗晶白云岩，上部覆盖茅口组泥灰（云）岩。中粗晶白云岩，发育于栖霞组顶部和茅口组底部，由中晶到粗晶的半自形-自形白云石组成，其中可见鞍状白云石。岩石中溶蚀孔洞发育，孔隙内有沥青充填。微晶灰岩的δ¹³C_VPDB值为3.23‰，δ¹⁸O_VPDB值为-5.03‰；白云石样品的碳氧同位素具有一定的差异，但明显低于灰岩样品值，δ¹³C_VPDB值为3.29‰～4.14‰，δ¹⁸O_VPDB值为-6.07‰～-6.75‰。流体来源可能为经历了深循环的大气降水。在断裂活动时，深部热液流体沿断裂向上运移，当运移到栖霞组和茅口组时，由于有吴家坪组泥灰岩和泥云岩的封堵，流体的运移被减缓甚至停滞，促使围岩发生白云岩化，溶蚀作用也同时发生，产生溶蚀孔隙。由此在栖霞组顶部和茅口组底部可能形成热液白云岩储层，具有一定的储集意义。

关键词 热液白云岩 形成机理 储集意义 中二叠统 四川盆地

Characteristics and Origin of Hydrothermal Dolomite of the QixiaFormation and Maokou Formation in northern Sichuan Basin

ZHANG Juntao¹，LONG Shengxiang¹，LI Guorong²，LI Hongtao¹，WU Shixiang¹（1.SINOPEC Exploration ＆ Production Research Institute，Beijing 100083，China；2.Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

Abstract The forming mechanism of hydrothermal dolomite reservoir is a scientific problem in geology.In this paper the dolomite from Xiagou Coal Mine in Guangyuan，northern Sichuan Basin was studied，which dolomitization degree enhanced gradually，color changed from shallow to deep while from down to up.Coarse dolomite developed both in the top of Qixia Formation and the bottom of Maokou Formation，which is composited by coarse-euhedral dolomite，and a little saddle dolomite.Caverns and asphalt filling are developed in the rock.δ¹³C_vPDB of microcrystalline limestone is 3.23‰，δ¹⁸ O_VPDB is -5.03‰，the carbon and oxygen isotopes of different dolomite samples have certain difference，but are significantly lower than the limestone samples，δ¹³ C_VPDB are3.29‰～4.14‰，δ¹⁸ O_VPDB are -6.07‰～ -6.75‰ .A fluid source may be magmatic hydrothermal fluid，or experienced a deep circulating meteoric.When the faults activited，deep hydrothermal fluid migrated up along faults.When they migrated to Qixia Formation and Maokou Formation，because of resisting of Wujiaping Formation，the migration of fluid flow is slow down even stopped，which caused the rock dolomitization，and dissolution also occurred atthe same time，then pores were produced.Thus hydrothermal dolomite reservoir may be formed in the top of Qixia Formation and the bottom of Maokou Formation.

国家科技部基础研究发展规划（973）项目《下古生界碳酸盐岩优质储层形成与分布预测》（编号2012CB214802）国家科技重大专项《海相碳酸盐岩层系优质储层分布与保存条件评价》（编号2011ZX05005002）资助成果

Key words hydrothermal dolomite；forming mechanism；reservoir；Qixia Formation and MaokouFormation；Sichuan Basin

热液白云岩作为一种特殊的白云岩类型，备受关注^［1］，又因其形成过程中通常伴有热水溶蚀发生^［2］，可形成优质油气储层，近来也成为石油地质学研究的一个热点^［3］。

中二叠统在四川盆地部分区域发育有一定规模的白云岩化，川西地区中二叠统钻遇白云岩有4口井，其中获工业气井、小气井和气测异常井各1口，另一口无异常。川中女基井栖霞组钻有中-粗晶白云岩11.5m，并获工业气流。前人对其成因已有了初步探索：峨眉、汉旺及宝兴一带白云岩形成于海水、淡水混合作用，继后又受地壳升降、褶皱、火山等影响，是多种、多期成岩作用叠加的产物^［4］；华蓥山灰岩中的透镜状、团块状白云岩是来自玄武岩风化所产生的富Mg水及岩浆残余水经构造活动，对周围石灰岩交代或结晶的产物^［5］；盆地及其周缘地区发育的细晶至粗晶白云岩和白云质灰岩主要是由埋藏白云石化作用形成的^{［6 ］}；川西南一带次生白云岩属埋藏热液成因，而在其以东的广大地区则以混合水成因为主^［7］；滇东—川西地区有块状白云岩和斑状白云岩两种类型，都形成于玄武岩淋滤白云化，即白云岩是在埋藏环境中较高温度条件下形成的，白云化流体来自淋滤峨眉山玄武岩的大气降水，Mg来自玄武岩中铁镁矿物的风化分解^［8］。前人研究表明，四川盆地中二叠统白云岩可能形成于埋藏期热液作用，但白云岩化流体性质与白云岩化模式仍存在争议，其储集意义仍缺乏充分研究。因而，研究四川盆地中二叠统发育的白云岩，可以为热液白云岩这一研究热点与难点提供新的制约，并可探索其在四川盆地的储集意义。

1 岩石学特征

研究对象为四川盆地北部广元峡沟煤矿剖面的栖霞组与茅口组（图1）。野外产状上，由下部地层向上，白云岩化程度逐渐增强（图2），颜色由深到浅，从深灰色到灰色，岩性由生屑灰岩（图3A）逐渐过渡到斑状白云岩（图3B），然后再到中粗晶白云岩（图3C），白云岩纵向上厚度在100m左右，横向展布受现今的峡沟控制，范围未知，上部覆盖茅口组泥灰（云）岩，其中见有一套辉绿岩侵入体（图3D）。

生物碎屑灰岩：是栖霞组中原始未经蚀变的基质岩石。深灰色，中厚层，生物碎屑发育，富含腹足类、头足类、有孔虫、棘皮类和珊瑚等生物化石，生屑多为亮晶方解石，粒间为泥晶胶结，未见白云岩化，但常见有泥质夹层，各种孔隙均不发育（图4A）。

斑状云灰岩：是灰岩和白云岩的过渡岩类，发育于栖霞组中上部和茅口组的底部，表现为灰岩中白云石呈花斑状产出，手标本中晶体较粗的白云石与泥晶方解石差异明显，界线分明，其中斑块内的白云石多为半自形—自形中晶—粗晶，可见有少量的鞍状白云石。生屑灰岩原岩中泥晶胶结物易于白云岩化，而生屑较难白云岩化，呈残余产出。晶间孔、溶孔、裂隙、缝合线发育。白云石晶间可见有灰岩的残余（图4B）。

图1 四川盆地北部地质简图

图2 峡沟煤矿栖霞组-茅口组岩性剖面简图

图3 川北中二叠统热液白云岩的野外特征

中粗晶白云岩：发育于栖霞组顶部，由中晶到粗晶的半自形—自形白云石组成，多为镶嵌接触，并可见鞍状白云石，鞍状白云石表现为粗大的晶体，弯曲的晶面，雾心亮边，正交光下波状消光，基本不见灰岩残余，溶孔发育（图4C）。

辉绿岩：见于茅口组中，呈岩体产出。镜下具有明显的辉绿结构，即辉石的平均粒径大于斜长石平均长度，表现为板条状斜长石组成的格架内填充一粒或几粒与其大小相当的辉石。辉绿岩是典型的浅成侵入岩（图4D）。

2 岩石储集空间

在川北广元峡沟煤矿的野外剖面中，热液白云岩中孔隙非常发育，其中主要的孔隙类型有溶孔溶洞、晶间孔隙和裂缝三大类。

溶孔溶洞：集中于栖霞组的顶部，在中粗晶白云岩中尤为发育，最大的溶洞直径可达十几厘米，呈椭圆形，孔隙边缘充填有少量的鞍状白云石、方解石以及沥青等，是本区热液白云岩中最重要的储集空间。

晶间孔隙：发育在中粗晶白云岩和花斑状白云岩中，在一些中粗晶白云岩中一些晶间孔隙由于沥青的充填而呈花斑状。其常与溶孔、裂缝相伴生，其中多有沥青充填，是本区重要的储集空间。

裂缝：发育在峡沟煤矿栖霞组的各类岩石中，特别是在溶孔发育的部位，呈网状发育，其中多为沥青充填，也有部分为方解石充填。

图4 川北中二叠统岩石显微特征

3 形成条件分析

3.1 沉积环境

四川盆地中二叠统属于开阔台地碳酸盐岩沉积。王宓君等（1989）认为其主要为开阔台地-广海陆棚沉积环境，广元—万县—黔江一带、贵州遵义一带发育广海陆棚相带；而据马永生、陈洪德等（2009）发现，这一时期发育的碳酸盐岩台地规模巨大，涉及整个中上扬子区域，这一台地由中央向四周，由局限台地→开阔台地→斜坡盆地过渡。中二叠统时期，海水由南、东南、北、西北多方向入侵四川地区，古陆范围显著缩小，陆源物质供给作用弱，围绕古陆缺乏陆相或陆源碎屑岩沉积相带，四川地区主要为浅水台地碳酸盐岩沉积，仅在四川盆地以南贵州遵义一带，以东万县—利川一带及巫溪—兴山一带有陆棚沉积，浅水台地规模宏大，具有陆表海台地性质，同时，中二叠统普遍发育珊瑚、苔藓虫、腕足、

油气成藏理论与勘探开发技术：中国石化石油勘探开发研究院2011年博士后学术论坛文集.4

3.2 白云岩化作用

川北地区栖霞组沉积时期的沉积环境不具备发生大规模白云岩化的条件，同时，白云岩的岩石学特征也显示本区的白云岩并非是在同生或准同生期形成的，其很可能形成于埋藏条件下的热液环境中。

本区白云岩的主要组成矿物为中-粗晶白云石（图4B，C），不同于准同生期白云岩的粉细晶白云石，反映其形成于埋藏环境下，或者早期形成后经历了后期的重结晶作用改造。另外，云灰岩呈花斑状白云岩化，并呈现出泥晶胶结物白云岩化、生屑未白云岩化的选择性白云岩化特征（图4C），这是埋藏期白云岩化的典型特征。

另外，鞍状白云石的存在，也是埋藏条件下热液白云岩化的标志之一。鞍状白云石在本区多以孔隙充填物的形式存在（图5），也常见于白云岩基质中（图4C）。鞍状白云石晶体巨大，一般为粗晶，甚至巨晶，晶面弯曲，呈马鞍状，常具有雾心亮边，在正交光下呈波状消光。一般认为鞍状白云石多形成于80～160℃、高盐度的流体中，为低温热液矿物，其特殊的晶体形态是快速结晶的结果。

图5 热液白云岩中的鞍状白云石

本区白云岩的地球化学特征也显示其形成于热液环境中。通过碳氧同位素分析可以初步确定白云岩化流体的性质。一个栖霞组微晶灰岩的δ¹³C_VPDB值为3.23‰，δ¹⁸O_VPDB值为-5.03‰（表1；图6）；白云石样品的碳氧同位素具有一定的差异，但明显低于灰岩样品，δ¹³C_VPDB值为3.29‰～4.14‰，δ¹⁸O_VPDB值为-6.07‰～-6.75‰（表1；图6）。两者间碳同位素值相近，反映其具有相似的碳来源，应该为交代作用形成的；白云岩中偏负的氧同位素值，说明其形成于高温流体中，但差异并非十分迥异，因此应该不是岩浆热液，很可能是经历了深循环的大气降水，在循环过程与围岩发生了充分的分馏，使得具有了相近的碳氧同位素特征。而后期方解石充填物的碳氧同位素变化较大，δ¹³C_VPDB值从0.43‰到5.17‰，δ¹⁸O_VPDB值从-10.72‰到-1.95‰（表1；图6），这些差异反映了流体来源的多样性，既有早期海水胶结的产物，与灰岩值相近，又有与白云岩同源的流体，与白云岩值相近，也存在有后期大气降水的产物，具有极低的氧同位素值。

图6 川北中二叠统白云岩碳氧同位素交会图

表1 川北中二叠统白云岩碳氧同位素数据

本区白云岩的有序度也相对较低，花斑状云灰岩中白云石最低值仅为0.50，在细晶白云岩中最高为0.78（表2），且晶体越粗有序度越低，说明白云岩形成时，结晶速度较快。反映了白云岩为热液环境的产物，是典型的热液白云岩。

表2 川北中二叠统白云岩有序度数据

综合分析认为，白云岩为热液白云岩化作用形成，但热液可能并不是岩浆热液，很可能来源于深层的热卤水或深循环的大气降水。

4 白云岩储层形成模式

热液白云岩以较大溶蚀孔隙（一般可见溶蚀扩大缝）、中粗晶白云岩以及溶蚀孔内有少量的鞍状白云石充填物为特征。对于其形成模式国内外已有了较为详尽的阐述，一般受断层控制，溶蚀发生在断裂破碎强烈处或流体运移遇到堵塞的区域。除了热液白云岩化外，断裂和封盖层是其形成的另外两个条件（图7）（Esteban and Taberner，2003）。

图7 热液溶蚀改造模型

热液溶蚀并非越热越溶解。白云石在水中的溶解度极小，而H₂S和CO₂可能是碳酸盐最为重要的溶解介质（黄思静等，2008）。但是H₂S和CO₂都是中性气体，如果不溶解于水，其化学反应能力很弱，且这两种气体在水中的溶解度都是随温度的增加而降低的，因而H₂S和CO₂在深埋藏的高温条件下都更趋向于以气体形式存在；在相对低温条件下，H₂S和CO₂对碳酸盐矿物的溶解能力反而较强，这就是所谓的低温倒退溶解模式，即冷却水溶蚀模式。碳酸盐溶解需要热流体冷却的过程，造成这种冷却的一个重要的地质过程就是断裂活动引起热流体的向上运移。

断裂活动是发生热溶蚀作用的关键，以断裂为通道的热流体可以通过冷却、混合等多种方式对白云岩进行溶蚀，形成溶蚀孔隙，在中二叠统沉积以后，四川盆地经历了多期次的构造活动，为热液白云岩的形成提供了条件。结合川北的地质背景，可以建立起储层形成模式：在断裂活动中，深部热液流体沿断裂向上运移，当运移到栖霞组顶部时，由于茅口组和吴家坪组泥灰岩和泥云岩的封堵，流体的运移被减缓甚至停滞，促使围岩发生白云岩化，溶蚀作用也同时发生，产生溶蚀孔隙，在栖霞组顶部和茅口组底部形成热液白云岩储层。因此在四川盆地中二叠统中可能发育有此类热液白云岩储层，具有一定的勘探前景。

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