李 勇，段永明，趙 爽，鄧美洲，高恒逸，王啟穎，劉莉萍，周凌芳，房 煦

（1.中國石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院，四川 成都 610081；2.中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126）

碳酸鹽巖分布面積占全球沉積巖總面積的20%，所蘊(yùn)藏的油氣儲量占世界總儲量的52%，全球高達(dá)90%的油氣儲量發(fā)現(xiàn)于海相地層，新一輪的資源評價(jià)證實(shí)海相地層可采油氣資源量約為6451×108t油當(dāng)量，大型碳酸鹽巖油氣田中，其儲層多數(shù)為白云巖儲層［1-3］。白云巖中的各類次生孔隙被認(rèn)為是潛在的油氣有效儲集空間［4］。白云巖的成因是碳酸鹽巖沉積學(xué)研究領(lǐng)域中復(fù)雜而又經(jīng)久不衰的課題，一直是地質(zhì)學(xué)家關(guān)注的對象。較為經(jīng)典的白云石化模式有滲透回流作用、蒸發(fā)泵作用和混合水作用等［5-6］。近年來，白云巖成因研究也在多個(gè)領(lǐng)域中取得了令人矚目的成果，主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：（1）微生物白云石化作用是新近提出且受到廣泛關(guān)注的白云石化作用模式，其強(qiáng)調(diào)微生物新陳代謝活動(dòng)在白云石沉淀過程中的主導(dǎo)作用，需要無氧或少氧的封閉系統(tǒng)，在解釋高能富氧環(huán)境（如淺灘、生物礁）的白云巖、大規(guī)模的層狀白云巖（封閉系統(tǒng)中，封存的海源孔隙流體只能提供少部分 Mg2＋來源）等方面存在缺陷［7-9］；（2）熱液白云石化作為新的主流模式成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)［10］；（3）深埋藏條件下，封閉系統(tǒng)的白云石化作用受到關(guān)注，一些對油氣儲集空間和層控礦床有實(shí)際意義的白云石化作用主要是在相對封閉的條件下發(fā)生的［11］；（4）在常溫下模擬海水（潟湖）細(xì)菌硫酸鹽還原環(huán)境沉淀出具有序反射的白云石；（5）混合水白云石化模式受到質(zhì)疑，人們重新研究了作為混合水白云石化典型地點(diǎn)的美國威斯康星弧碳酸鹽的成巖作用［9-10］，認(rèn)為與白云石化有關(guān)的水-巖相的相互作用是由溫度升高的濃鹵水導(dǎo)致的。四川盆地川西坳陷彭州地區(qū)的3口探井（PZ1、YaS1、YS1）揭示雷四上亞段發(fā)育一套穩(wěn)定展布的白云巖，其累計(jì)厚度在60～82m，儲層物性好，在這套白云巖儲層中均獲得了中-高產(chǎn)能，有望成為四川盆地的又一大型碳酸鹽氣田。本文從白云巖的產(chǎn)出特征、地球化學(xué)測試分析、掃描電鏡、普通薄片及鑄體薄片鑒定等分析手段，并結(jié)合沉積相研究，探討該區(qū)優(yōu)質(zhì)白云巖的形成機(jī)理，對于指導(dǎo)本地區(qū)油氣勘探開發(fā)及相似的碳酸鹽巖地區(qū)儲層研究具有重要意義。

1 地質(zhì)背景

彭州雷口坡組氣藏位于川西坳陷龍門山前帶鴨子河-金馬-石羊鎮(zhèn)構(gòu)造（圖1），西北以關(guān)口隱伏斷裂為界，南東以彭縣斷裂為界，構(gòu)造帶面積約1050km2。該構(gòu)造帶構(gòu)造形成演化受區(qū)域內(nèi)多期推覆作用影響，形成始于印支晚期，發(fā)展于燕山期，定型于喜山期。

圖1 川西坳陷中段構(gòu)造分區(qū)及取樣井位置Fig.1 Tectonic division and sampling sites in the central part of the western Sichuan depression

中三疊世雷口坡期，川西地區(qū)的沉積環(huán)境主要為碳酸鹽臺地，由西向東依次為半深海盆地-斜坡-開闊臺地及臺地邊緣-局限臺地-蒸發(fā)臺地沉積［12-14］。研究區(qū)雷四早期時(shí)，蒸發(fā)作用最為強(qiáng)烈，在川西坳陷一帶形成了一個(gè)大膏鹽湖，以膏鹽沉積為主，夾部分深色微晶白云巖；雷四中期，蒸發(fā)作用逐漸減弱，海水逐漸淡化，以蒸發(fā)潮坪亞相沉積為主，由膏鹽巖-微晶白云巖互層組合向上變化為微晶白云巖夾膏巖；雷四晚期，迎來了雷口坡期最后一次海侵，以局限潮坪、藻砂屑灘亞相沉積為主，為微晶白云巖、灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、（藻）砂屑灰?guī)r組合。

2 白云巖產(chǎn)出特征

巖心及薄片觀察表明，研究區(qū)雷四上亞段白云石類型多樣（圖2），主要有6種：①組成藻粘結(jié)白云巖的基質(zhì)泥-微晶白云石；②組成晶粒白云巖的基質(zhì)粉-細(xì)晶白云石；③組成顆粒白云巖的泥-微晶白云石；④分散狀或斑狀分布的白云石；⑤沿縫合線、裂縫富集分布的白云石；⑥溶孔內(nèi)膠結(jié)充填的環(huán)邊或嵌晶白云石。其中組成藻粘結(jié)白云巖的泥-微晶白云石、組成晶粒白云巖的粉-細(xì)晶白云石（粉晶為主）和組成顆粒白云巖的泥-微晶白云石等3種類型在區(qū)內(nèi)最為發(fā)育。

鉆井揭示，彭州地區(qū)雷四上亞段發(fā)育兩套儲層即上儲層段、下儲層段（兩套儲層之間有一穩(wěn)定的隔板層，厚度在25～29m）。白云巖展布穩(wěn)定，累積厚度在60～82m（圖3，表1），主要發(fā)育于下儲層段。白云巖呈現(xiàn)成層性的特征，儲層呈薄互層狀（其中I類儲層的孔隙度為于10%，II類儲層的孔隙度在5%～10%之間，III類儲層的孔隙度在2%-5%之間），單層厚度?。?.2～4.4m），層數(shù)多（儲層15～27層，夾層7～12層），縱向非均質(zhì)性強(qiáng)。這套白云巖經(jīng)過同生期形成的晶間孔及后期多期次的溶蝕作用，形成較好的儲層，為主力產(chǎn)層，有效儲層（孔隙度＞2%）厚度在38～46m。

3 白云巖形成機(jī)理

白云巖的成因研究是沉積學(xué)中一個(gè)重要的理論和實(shí)際問題，其成因研究對白云巖儲集層的分布預(yù)測有重要的意義。不同成因類型白云巖通常具有不同的地球化學(xué)特征，因此，白云巖的地球化學(xué)特征是判別其成因的重要手段之一。白云巖成因機(jī)理的研究，一般是在研究沉積背景和巖石學(xué)特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合地球化學(xué)方法進(jìn)行；其中主要的地球化學(xué)方法包括 Na、Ca、Mg、Fe、Mn、K 等微量元素研究和C、O同位素研究［15-16］，以及Sr同位素特征也應(yīng)用到了白云巖成因研究中［12，17-19］。本次對白云巖的成因探討也采用這種綜合性的方法。

圖2 彭州氣田雷四上亞段白云石類型Fig.2 Dolomite types in the Pengzhou gas field in the upper part of the fourth member of the Leikoupo Formation

圖3 彭州氣田雷四上亞儲層對比圖Fig.3 Correlation of the dolostone reservoirs in the Pengzhou gas field in the upper part of the fourth member of the Leikoupo Formation

表1 彭州氣田雷四上亞段白云巖厚度統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of the dolostone thickness in the Pengzhou gas field in the upper part of the fourth member of the Leikoupo Formation

3.1 白云巖的地球化學(xué)特征

一般來說，引起白云石化作用和白云石生成的流體可以是正常海水、蒸發(fā)濃縮的海水、大氣水與海水形成的混合地層水及深部的熱液等，經(jīng)交代后形成的白云巖，必然或多或少地留下相應(yīng)的地球化學(xué)烙印，尤其是穩(wěn)定同位素和某些微量元素等。這是根據(jù)白云巖的地球化學(xué)特征解釋其成因的理論基礎(chǔ)。

3.1.1 碳、氧穩(wěn)定同位素

（1）碳、氧穩(wěn)定同位素特征

本次碳、氧同位素測定采用磷酸法測定，研究區(qū)54件樣品測定的結(jié)果以δ18OPDB（‰）為橫坐標(biāo)、以δ13CPDB（‰）為縱坐標(biāo)作交會圖（圖4a），絕大部分落在第二象限，從圖可以看出，研究區(qū)δ13C同位素在-4.8‰～3‰之間，平均1.92‰，呈現(xiàn)低正值的特征；δ18O同位素在-8.1‰ ～0.6‰之間，平均-5.04‰，呈現(xiàn)中負(fù)值的特征。這種特征與混合水白云石特征存在明顯的差異（多分布于第三象限）?，F(xiàn)代開放性淡水湖泊中的原生碳酸鹽巖的δ18OPDB（‰）和 δ13CPDB（‰）均為負(fù)值［20-21］，如海南島儋縣近代潮間帶礁坪上混合水白云石的δ13CPDB值為-3.47‰～5.54‰［20-21］。對比分析可見，研究區(qū)白云巖的δ13CPDB值比混合水白云巖的δ13CPDB值高得多。相比鄂爾多斯盆地馬家溝組塊狀白云巖［22-23］及塔里木盆地寒武系—下奧陶統(tǒng)白云巖的δ13C、δ18O同位素特征［24-25］，熱液白云巖δ13CPDB值均勻分布在第二、第三象限，即δ13CPDB值穩(wěn)定在零值附近或接近于0的正值。對比本區(qū)碳、氧同位素的特征值表明，本區(qū)白云巖的形成具備同生-準(zhǔn)同生白云石化及埋藏白云石化的特征，明顯不具備熱液白云石化和混合水白云石化的特征。

（2）碳、氧穩(wěn)定同位素計(jì)算古海水鹽度及溫度

碳酸鹽巖中的碳、氧同位素可以用來定量的恢復(fù)沉積環(huán)境的古鹽度和古水溫［26-28］，白云巖的碳、氧同位素組成主要受沉積介質(zhì)鹽度和溫度的影響。

碳同位素對沉積介質(zhì)的變化比較敏感，隨著鹽度的增加，δ13C 值增加，Keith 和 Webber（1964）提出用“Z”值區(qū)分淡水碳酸鹽巖和海相碳酸鹽巖的經(jīng)典公式［26］，即 Z ＝ 2.048 （δ13CPDB＋ 50）＋ 0.498（δ18OPDB＋50）（PDB標(biāo)準(zhǔn)），由于古碳酸鹽形成后，因碳同位素難以交換而使δ13C較穩(wěn)定，故仍可用“Z”值表示其古鹽度。經(jīng)過計(jì)算，彭州地區(qū)雷四上亞段碳酸鹽巖沉積時(shí)的Z值為123.3～132.5，平均值為129，均在120以上，說明本區(qū)碳酸鹽巖為海相沉積，且指示水體具有較高的鹽度。

當(dāng)水體的鹽度不變時(shí)，溫度也是控制碳酸鹽巖氧同位素的重要因素。因此，可以利用氧同位素值計(jì)算白云巖形成的環(huán)境溫度，其經(jīng)驗(yàn)公式［26］（Shackleton，1974）為 T ＝ 13.85-4.548δ18OPDB＋0.048（δ18OPDB）2，經(jīng)過計(jì)算，彭州地區(qū)雷四期古地溫為11.1～53.25oC，平均38oC，遠(yuǎn)高于現(xiàn)代海洋的平均水溫（太平洋最高，為19.1℃；印度洋次之，為17.0℃；大西洋最低，為16.9℃）17.4℃，這指示了研究區(qū)雷口坡期沉積環(huán)境水體淺，且光照強(qiáng)烈、有強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用，這與雷口坡期的古地理高度吻合。

3.1.2 鍶同位素

海洋中的鍶主要有3種不同來源：殼源物質(zhì)化學(xué)風(fēng)化形成、原有的海相碳酸鹽巖溶解析出、海底火山活動(dòng)或海底擴(kuò)張作用產(chǎn)生。一般來說，當(dāng)海平面下降，陸地面積增大時(shí)，陸殼物質(zhì)風(fēng)化并搬運(yùn)到海洋中的殼源鍶增加，必然導(dǎo)致所形成的海相碳酸鹽巖87Sr／86Sr比值升高；反之亦然。因此，87Sr／86Sr值的升降與海平面的升降關(guān)系呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系［24］。

本次鍶同位素測定所用儀器為Phoenix熱表面電離質(zhì)譜儀。彭州地區(qū)雷四上亞段19件樣品中的鍶同位素比值在0.7077～0.7087之間，平均為0.7081。近地表蒸發(fā)海水成因白云巖的鍶同位素比值在0.7073～0.7092之間變化，平均為0.70827；混合水白云石化成因的白云巖在相對低海平面時(shí)期受到了富殼源放射性87Sr的陸上淡水的影響，一般具有較高的87Sr／86Sr值（一般認(rèn)為0.7100以上）。研究區(qū)白云巖的87Sr／86Sr比值剛好落在這個(gè)區(qū)間（圖4b），也反映了彭州地區(qū)雷四上亞段的白云巖具有近地表蒸發(fā)海水成因。

3.1.3 全巖分析

由于引起白云石化作用的流體性質(zhì)與成分、溫壓、被交代的灰?guī)r類型等環(huán)境條件的不同，必然造成所形成的不同類型的白云巖具有可鑒別的礦物含量指標(biāo)。

（1）MgO-CaO 關(guān)系

在MgO-CaO關(guān)系圖上（圖4c），有兩類明顯的趨勢：一類呈現(xiàn)線性正相關(guān)，結(jié)合鏡下觀察、X射線衍射分析這類白云巖具有結(jié)晶程度低、有序度低的特征（圖版Ia、b），為快速結(jié)晶的產(chǎn)物，反映這類型的白云石是沉積成因而非交代成因；一類呈現(xiàn)線性負(fù)相關(guān)，呈現(xiàn)結(jié)晶程度和有序度（普遍大于0.7）中等的特征（圖版Ic、d、h），反映這類白云巖是交代而非沉積成因的，可能與埋藏白云石化有關(guān)。

（2）鐵、錳、鉀和鈉

彭州地區(qū)雷四上亞段30件樣品的全巖分析結(jié)果顯示，雷四上亞段大部分具有高Fe、Na、K和低Mn含量的特征（圖5），由于Fe是陰極發(fā)光的淬滅劑，Mn是激活劑，所以陰極發(fā)光特征呈不發(fā)光或暗色發(fā)光（圖版 I-a、b）。少量具有高 Na、Mn，低 Fe含量的特征，導(dǎo)致陰極發(fā)光呈明亮發(fā)光或棕-橘紅色發(fā)光（圖版 Ic、d）。

圖4 川西坳陷彭州地區(qū)雷四上亞段不同類型白云石地球化學(xué)特征Fig.4 Diagrams showing the geochemical signatures of the dolostones in the upper part of the fourth member of the Leikoupo Formation in the Pengzhou region

3.1.4 陰極發(fā)光與X射線衍射分析

（1）陰極發(fā)光特征

前文已論述，陰極發(fā)光的亮度、顏色主要與白云石的微量元素含量密切相關(guān)，尤其是Fe2＋、Sr2＋、Mn2＋。研究區(qū)白云巖在陰極發(fā)光顯微鏡下多發(fā)均勻的暗紅色、暗紫色光（圖版I-a、b），少量高有序度的細(xì)晶白云巖發(fā)亮橘紅色光（圖版I-c、d），這類可能與后期的埋藏白云石化有一定關(guān)系。

（2）X射線衍射分析

X射線衍射分析目的在于確定白云石的有序度。白云石的有序度是用白云石的（015）和（110）兩個(gè)衍射的峰強(qiáng)比 I105／I110近似的反映。I105／I110越大，表明有序度相對越高，當(dāng)比值為1時(shí)，為理想狀態(tài)下的完全有序［24、29］。

X射線衍射分析數(shù)據(jù)表明，雷四上亞段這套白云石有序度值分布于0.40～0.88，平均為0.61，僅6件樣品超過0.7（圖4d）。一般來說，同生-準(zhǔn)同生-淺埋藏階段形成的白云石有序度一般小于0.7，深埋藏或熱液成因的白云巖有序度一般大于0.7［11，13，27］?？傮w上，白云石的有序度值不高，結(jié)合前文所述的地球化學(xué)特征，以及白云石以微粉晶為主、少量中細(xì)晶的產(chǎn)出特征，認(rèn)為這套白云巖主要為同生-準(zhǔn)同生成因，其次為埋藏白云石化成因。

圖5 川西坳陷彭州地區(qū)雷四上亞段白云石Na、K、Fe、Mn含量Fig.5 Na，K，F(xiàn)e and Mn contents in the upper part of the fourth member of the Leikoupo Formation in the Pengzhou region

3.2 白云巖的形成環(huán)境

川西地區(qū)雷四上亞段屬局限臺地相潮坪沉積環(huán)境，屬于臺緣障壁-潟湖-潮坪沉積體系，彭州地區(qū)為潮坪相（潮下帶、潮間帶、潮上帶）?？梢姷湫偷某逼合鄻?biāo)志：潮上帶的鳥眼構(gòu)造、含膏云巖、膏質(zhì)結(jié)核、膏質(zhì)團(tuán)塊等暴露標(biāo)志，潮間帶的藻層疊構(gòu)造、藻粘結(jié)構(gòu)造、（藻）砂屑云巖，以及紋層狀構(gòu)造云巖，也可見（藻砂屑）云質(zhì)灰?guī)r等（圖3、圖版 I-e、f、g），沉積介質(zhì)中藻發(fā)育，主要為藍(lán)綠藻，以藻紋層、藻團(tuán)塊、藻球粒等多種形式出現(xiàn)，具有較強(qiáng)的富鎂能力。有一定的成層性分布的特征，潮汐作用的周期性、頻繁升降造成沉積物的成層性。

3.3 白云石的成因模式

研究區(qū)的白云巖類型繁多，大部分以泥微晶為主，有序度低，底部與膏巖相伴生，無明顯的混合水白云石化作用。雷四期沉積介質(zhì)水溫高、鹽度強(qiáng)，為局限-蒸發(fā)較淺水體的古地理環(huán)境?，F(xiàn)在海洋沉積研究表明，海水中的藍(lán)綠藻具有較強(qiáng)的富鎂能力，其可以使水介質(zhì)鎂離子濃度提高4～5倍。高鹽度的水體，強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用及豐富的藍(lán)綠藻為白云石的形成奠定了得天獨(dú)厚的條件。由于蒸發(fā)作用，高鎂的粒間鹽水在“向上”運(yùn)動(dòng)過程中與早期沉積的文石顆粒接觸，使文石被交代而轉(zhuǎn)化為白云石；在潮上-潮間帶上部形成的高鎂粒間鹽水，在交代表層沉積物的同時(shí)，由于其密度較大，在重力作用下，“向下”滲透回流，交代下伏的碳酸鹽巖沉積物而形成白云石（圖6）。白云巖層位穩(wěn)定、成層性好也是同生-準(zhǔn)同生白云巖的重要特征之一。少量白云巖為粉-細(xì)晶，較高的有序度，其碳、氧同位素特征、全巖分析及陰極發(fā)光特征與泥微晶白云石對比存在差異，為埋藏白云石化，其所需的Mg2＋來自于黏土礦物的脫水作用（圖版I-h）。綜上所述，研究區(qū)的白云巖主要是沉積成因，為潮坪相潮間-潮上帶的同生-準(zhǔn)同生白云石化，其次為埋藏白云石化成因。

4 結(jié)論

（1）雷四上亞段儲層白云巖類型多樣，且分布連續(xù)廣泛、成層連續(xù)。

圖6 彭州地區(qū)雷四上亞段蒸發(fā)泵-滲透回流白云石化模式圖Fig 6 Genetic model of evaporative pump-seepage reflux for the dolomitization in the upper part of the fourth member of the Leikoupo Formation in the Pengzhou region

（2）這套晶粒較細(xì)、有序度較低且穩(wěn)定展布的白云巖主要是沉積成因，為潮坪相潮間-潮上帶的同生-準(zhǔn)同生白云巖，其次為埋藏白云石化成因。

（3）白云石化所需的Mg2＋物質(zhì)基礎(chǔ)主要來自于有強(qiáng)烈蒸發(fā)作用的水體介質(zhì)中，富含的藍(lán)綠藻也具有較高的富鎂能力，埋藏白云石化成因所需的Mg2＋來自于埋藏壓實(shí)過程中黏土礦物的脫水作用等。

致謝：論文完成過程中受到中石化石油勘探開發(fā)研究院無錫地質(zhì)研究所錢一雄教授級高級工程師的熱情指導(dǎo)，跟本單位何穎高工進(jìn)行許多有益的討論，幫我開拓了思路，對他們的幫助表示衷心感謝！感謝匿名審稿專家對論文的評審和所提出的建設(shè)性意見。

圖版I 彭州地區(qū)雷四上亞段白云巖照片Plate I Dolostones from the upper part of the Fourth member of the Leikoupo Formation in the Pengzhou region

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