裴森奇 王興志 李榮容 楊 迅 龍虹宇 胡 欣 汪曉星

1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2.中國石油西南油氣田公司川西北氣礦 3.中國石油西南油氣田公司勘探事業(yè)部

0 引言

四川盆地西北部（以下簡稱川西北）ST1井在中二疊統(tǒng)棲霞組鉆遇一套厚層白云巖，該井在井深7 100～7 300 m的白云巖中獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流，棲霞組成為川西北天然氣勘探的重點層位之一[1-2]，也成為眾多學(xué)者的研究熱點。

前人通過對露頭及鉆井資料的分析，對棲霞組的地層、沉積和儲層等方面開展了大量研究，基本明確了棲霞組的地層特征、沉積相帶和儲層基本特征，認(rèn)為棲霞組沉積期四川盆地已經(jīng)發(fā)育成碳酸鹽巖臺地，盆地西北部位于臺地邊緣，發(fā)育臺地邊緣淺灘顆粒碳酸鹽巖[3-7]；棲霞組發(fā)育低孔隙度、中—低滲透率的裂縫—孔隙（洞）型白云巖儲層，非均質(zhì)性較強[8-11]。但是，關(guān)于四川盆地棲霞組白云巖的成因則觀點眾多：有的學(xué)者認(rèn)為是準(zhǔn)同生階段發(fā)生的白云石化作用；有的認(rèn)為的混合水白云石化作用，也可能是玄武巖淋濾成因[12-19]；隨著近期鉆井資料的增加，還有學(xué)者提出了熱液白云石化作用的成因[12]。目前對于棲霞組白云石化模式尚無統(tǒng)一的認(rèn)識。筆者的研究認(rèn)為，該套白云巖分布廣、埋藏深、層系古老，其成因在不同地區(qū)有所差異，也可能具有多期性和復(fù)合性，是多種因素共同影響的產(chǎn)物。白云石化模式除了和沉積環(huán)境有關(guān)，還與白云巖的地球化學(xué)特征有關(guān)，例如，碳/氧同位素、主微量元素、稀土元素等方面。因此，筆者充分利用川西北露頭、巖心及相關(guān)配套分析化驗資料，以巖石學(xué)特征研究為基礎(chǔ)，利用地球化學(xué)特征綜合分析該區(qū)棲霞組白云巖的成因以及白云石化作用的儲層意義，完善上揚子板塊西北緣古海洋環(huán)境研究，以期為該區(qū)油氣儲層的預(yù)測提供地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于四川盆地西北部，地理位置位于現(xiàn)今江油—廣元境內(nèi)，構(gòu)造位置屬于龍門山褶皺帶北段，面積約2 000 km2（圖1）。研究區(qū)西緣在志留紀(jì)末受到加里東運動影響，發(fā)育了天井山古隆起[4]，泥盆系、石炭系超覆在古隆起兩側(cè)。后來經(jīng)過中二疊統(tǒng)梁山組碎屑巖沉積的“填平補齊”之后，研究區(qū)地勢整體上趨于平坦，奠定了棲霞組沉積時的古地貌背景。二疊紀(jì)時期，巴顏喀拉海自西向東發(fā)生海侵，越過天井山古隆起淹沒了大部分上揚子臺地，形成了早二疊世的碳酸鹽巖臺地沉積環(huán)境[3]，研究區(qū)位于該碳酸鹽巖臺地西側(cè)的臺地邊緣相，繼承了南高北低的古地貌，水動力較強，發(fā)育石灰?guī)r和白云巖，其中棲霞組巖性主要為石灰?guī)r、白云巖、灰質(zhì)云巖、云質(zhì)灰?guī)r和泥灰?guī)r。

圖1 研究區(qū)與剖面點位置、沉積相及地層綜合柱狀圖

2 樣品測試方法

為避開巖石風(fēng)化蝕變和方解石脈，本次研究的樣品來自新鮮露頭和鉆井（圖1）。經(jīng)巖石薄片鑒定、陰極發(fā)光分析后挑選出合格樣品作為研究對象。

巖石薄片采用Olympus Microscope BH-2光學(xué)顯微鏡鑒定。陰極發(fā)光由CL8200-MK5陰極發(fā)光儀進行分析，其束電壓為15 kV，束電流為350 μA，真空度為0.003 mBar。X射線衍射定量分析采用Bruker D2 PHASER X-Ray衍射儀開展，測試時管壓為30 kV、管流為10 mA，掃描速度為2°/min，采樣步寬為4.5°。主/微量元素和碳/氧同位素分析樣品被粉碎研磨至200目以下，主量元素測試儀器為飛利浦PW2404X射線熒光光譜儀，微量元素測試儀器為Element XR電感耦合等離子ICP-MS質(zhì)譜儀，測試溫度為20 ℃，相對濕度為30%。碳/氧同位素分析采用Finnigan-MAT 252氣體同位素質(zhì)譜儀完成，采用McCrea正磷酸法，樣品與無水磷酸在25 ℃的環(huán)境中反應(yīng)24 h，采用VPDB標(biāo)準(zhǔn)，工作標(biāo)樣為《碳酸鈣中碳、氧同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：GBW04405》，分析誤差為±0.1‰。

3 巖相學(xué)特征

3.1 顯微組分特征

在偏光顯微鏡下，棲霞組白云巖發(fā)育中—粗晶他形鑲嵌狀白云石，晶體大小介于0.02～1.00 mm，以半自形—他形為主，高干涉色，原巖結(jié)構(gòu)已經(jīng)徹底消失（圖2-a～c）。在陰極發(fā)光圖像下，白云石發(fā)光程度不同。大部分白云石的邊緣部分普遍發(fā)較明亮的橙紅色，見環(huán)帶結(jié)構(gòu)，代表最晚期生長的白云石；橙紅色環(huán)帶包圍的核心部分普遍發(fā)暗紅色光（圖2-d、e），代表早期生長的白云石。在陰極發(fā)光下，可隱約見原始灰?guī)r沉積時的顆粒結(jié)構(gòu)，因為發(fā)暗色光的核心部分有的為菱形（圖2-d），有的為不規(guī)則形狀（圖2-e），整體都表現(xiàn)出較強的顆粒特征，推測白云石化作用前的原巖為顆?；?guī)r。根據(jù)核部顆粒的晶體特征，認(rèn)為發(fā)暗紅色光的部分因灰質(zhì)殘余導(dǎo)致發(fā)光較暗；且白云石結(jié)晶速度緩慢時，可見核部的菱形晶體（圖2-d），若結(jié)晶速度較快，在核部則只能見到不規(guī)則的晶體而見不到菱形晶體（圖2-e）。當(dāng)白云石石化作用較徹底時，核部和邊緣的陰極發(fā)光圖像整體都呈現(xiàn)橙色或橙紅色（圖2-f），原始石灰?guī)r沉積時的結(jié)構(gòu)基本不可見。

圖2 棲霞組白云巖的偏光顯微鏡及陰極發(fā)光特征照片

3.2 白云石有序度特征

棲霞組白云巖樣品的XRD測試結(jié)果表明，晶粒云巖的有序度普遍大于0.6（表1），代表了結(jié)晶速度較為緩慢、結(jié)晶程度較高的白云石化作用過程，或者是較高的白云石化結(jié)晶溫度、較徹底的白云石化作用，才能形成更接近理想條件下的CaCO3層和MgCO3層的互層排列方式，導(dǎo)致有序度較高[20]。

表1 棲霞組白云石有序度數(shù)據(jù)表

3.3 白云石伴生礦物及產(chǎn)狀特征

晶粒云巖成分比較均一，很少見伴生礦物。目前發(fā)現(xiàn)的伴生礦物主要是少量的石英、長石或云母等，并未見大量蒸發(fā)巖類礦物如石膏或硬石膏，包括鳥眼構(gòu)造及石膏假晶；也未見到大量熱液相關(guān)的礦物，如天青石、重晶石、螢石、石英、閃鋅礦等[21-22]。

該地區(qū)白云巖在宏觀上的產(chǎn)狀具有較好的成層性和連續(xù)性，分布比較穩(wěn)定（圖3），沒有沿斷裂分布或者形成花狀、蘑菇狀分布的特點。微觀上產(chǎn)狀有兩種：①鑲嵌狀排列的中—粗晶白云石，晶體呈自形—半自形；②呈分散狀發(fā)育在殘余的灰質(zhì)成分之間的中晶白云石，晶體自形程度高，有的具霧心亮邊結(jié)構(gòu)特征（圖2-c、d）。

圖3 棲霞組白云巖宏觀分布圖

4 地球化學(xué)特征

4.1 包裹體溫度特征

棲霞組露頭和巖心樣品中的晶粒云巖的包裹體很多，既有原生包裹體，在白云石內(nèi)部及邊緣形成，隨機分布；也有次生的包裹體，在白云石破裂后的微裂縫中形成，具有定向性。其中，白云石內(nèi)原生包裹體均一溫度介于110～120 ℃（表2），代表了沉淀白云石的流體特征，表明白云石化作用持續(xù)到較高的埋藏溫度。根據(jù)K2井埋藏史圖，參考古地溫梯度值2.8 ℃/100 m計算，推測白云石最晚的生長時間為中—晚三疊世（圖4）。

圖4 K2井埋藏史圖

表2 棲霞組白云巖包裹體均一溫度數(shù)據(jù)表

4.2 同位素特征

川西北棲霞組白云巖的δ13C值分布范圍較大，介于0.32‰～3.19‰，平均值為2.21‰（圖5、表3）。δ18O值分布范圍也較大，介于－8.83‰～－6.54‰，平均值為－7.79‰（圖5、表3）。根據(jù)Jiang等[25]、Veizer等[26]對早二疊世研究得出的同時期海相腕足類化石的δ13C值和δ18O值分別介于0～4.8‰與－10.0‰～－5.0‰（圖5）。川西北棲霞組白云石中δ13C值和δ13O值與中二疊世海水相似，說明白云石化流體屬于封存于巖石孔隙中的原始沉積水體。

圖5 四川盆地不同地區(qū)棲霞組白云巖δ18O與δ13C交會圖

表3 川西北棲霞組白云巖的δ18O值與δ13C值統(tǒng)計表

同時，根據(jù)Keith等[27]的鹽度指數(shù)（Z）計算公式：Z=2.048（δ13C＋50）＋0.498（δ18O＋50），計算出棲霞組白云巖的鹽度指數(shù)整體較大，高于120。此外，根據(jù)白云巖δ18O值可以計算白云巖的形成溫度（T），其計算公式為T=13.85－ 4.54δ18O ＋ 0.04（δ18O）2，計算出泥—粉晶云巖的成巖溫度介于45.05～57.27℃，平均值為51.65 ℃，溫度范圍波動較?。ū?）。

4.3 主微量元素特征

對篩選后的白云巖樣品進行碎樣并測定其全巖的主、微量元素。川西北棲霞組白云巖的CaO含量相對較高，介于27.77%～48.20%，平均值為35.13%，而MgO含量較低，介于2.11%～9.70%，平均值為7.80%，CaO含量和MgO含量呈負(fù)相關(guān)（圖6）；Mg/Ca比值較低，介于0.04～0.34，平均值為0.24。同時，棲霞組白云巖也具有低Al2O3含量（平均值為0.39%）和低SiO2含量（平均值為0.01%）的特征。

圖6 棲霞組白云巖MgO和CaO含量的交會圖

5 白云巖成因及油氣儲層意義

分析白云巖成因，應(yīng)該綜合宏觀和微觀、巖相與地球化學(xué)數(shù)據(jù)等多維度證據(jù)，既不能僅靠巖相學(xué)特征，也不能僅靠地球化學(xué)數(shù)據(jù)。筆者既考慮了川西北棲霞組白云巖的巖相學(xué)特征和地球化學(xué)特征，又采取反證法排除了其他成因，綜合分析了研究對象的成因，并進一步討論其儲層意義。

5.1 棲霞組白云巖未表現(xiàn)準(zhǔn)同生階段白云石化的特征

首先，從巖相學(xué)特征來看，川西北棲霞組白云巖并未伴生大量泥晶云巖和膏巖，不具有蒸發(fā)環(huán)境下的特征；另外，在準(zhǔn)同生階段白云石化作用形成的白云巖，由于快速結(jié)晶導(dǎo)致晶體較小，不會形成中—粗晶云巖；而且準(zhǔn)同生階段形成的白云巖，自下而上會形成多個白云石化程度逐漸增強的旋回，而筆者本次研究的白云巖垂向上沒有這種特征。

其次，從地球化學(xué)數(shù)據(jù)來看，雖然棲霞組白云巖的δ13C值和δ18O值與同期海水成因的石灰?guī)r特征相近，但是，只有MgO/CaO值接近白云巖的化學(xué)計量組成，且CaO含量與MgO含量呈正相關(guān)的白云巖才可能為準(zhǔn)同生期白云石化作用下形成的，而本區(qū)的白云巖元素分析結(jié)果與之不同，CaO含量與MgO含量呈負(fù)相關(guān)（圖6），反映交代成因。同時，準(zhǔn)同生階段形成的白云石有序度普遍較低，與現(xiàn)今白云巖的特征不符。值得注意的是，利用白云巖碳/氧同位素數(shù)計算得到的鹽度指數(shù)平均值為128、成巖溫度平均值為51.65 ℃，反映出高鹽度、高溫度的成巖環(huán)境，后文筆者會深入討論該數(shù)據(jù)。

5.2 棲霞組白云巖未表現(xiàn)暴露后混合水白云石化作用的特征

該觀點主要是根據(jù)巖相學(xué)特征。因為混合水白云化作用是在灘體暴露條件下，顆?；?guī)r受到大氣淡水淋濾會選擇性溶蝕形成大量鑄模孔，生屑及砂屑會發(fā)生選擇性云化，也會伴生石膏膠結(jié)或膏巖層，而研究區(qū)所有白云巖并不符合這一特點。另外，如果出現(xiàn)灘體暴露，δ13C值和δ18O值會因為大氣淡水的注入發(fā)生劇烈波動，不可能表現(xiàn)為與同期海水成因的同位素特征。

5.3 棲霞組白云巖未表現(xiàn)大規(guī)模高溫?zé)嵋喊自剖饔玫奶卣?/h3>

熱液白云石化作用也發(fā)生在埋藏階段，其形成的白云巖大多數(shù)情況下會具有特殊的產(chǎn)狀，往往沿著形成熱液通道的深大斷裂分布，且垂向上會形成花狀、蘑菇狀等不均一和不規(guī)則的產(chǎn)狀。微觀上，由于熱液來源復(fù)雜，因此常會形成特殊熱液礦物，例如天青石、重晶石、螢石、石英、閃鋅礦等，然而，研究區(qū)白云巖中并未發(fā)現(xiàn)大量此類熱液礦物，只是在個別樣品中存在晶體較粗的馬鞍狀白云石，此種白云石的出現(xiàn)可能代表熱液白云石化，也可能代表較高的形成溫度，因此，不能作為大規(guī)模熱液白云石化的充分證據(jù)。筆者認(rèn)為棲霞組白云巖受到過小規(guī)模高溫?zé)嵋旱挠绊?，但并不能證明熱液白云石化模式是棲霞組白云巖形成的主要白云石化模式。

5.4 棲霞組白云巖是同期海水流體在淺—中等埋藏深度多期埋藏白云石化作用的結(jié)果

首先，研究區(qū)棲霞組白云巖的δ13C值和δ18O值與同期海水腕足類化石的δ13C和δ18O同位素分布區(qū)間相似，說明白云石化流體性質(zhì)與同期海水性質(zhì)相同。

其次，研究區(qū)棲霞組白云巖的白云石晶體較粗，表面較臟，略顯霧心亮邊，陰極發(fā)光圖像中呈現(xiàn)暗紅光—紅光，初步判斷是埋藏環(huán)境中發(fā)生白云石化作用。而且白云巖中CaO含量隨MgO增加而減少，表明MgO含量是隨著Mg2+替換Ca2+程度的增加而升高的，這也是典型的埋藏交代白云石化作用的結(jié)果。

第三，白云石化作用在埋藏階段持續(xù)發(fā)生，多期疊加形成了現(xiàn)在的中—粗晶晶粒云巖。利用同位素數(shù)值計算的白云巖形成鹽度指數(shù)大于120，平均溫度為51.65 ℃，溫度波動范圍小，表明溫度受季節(jié)和晝夜影響較小，可能為低緯度干旱炎熱地區(qū)或為較淺的埋藏環(huán)境（此溫度計算的埋藏深度約為951 m，屬于淺埋藏深度）。粗晶白云石包裹體的均一溫度較高，介于110～120 ℃，推測白云石最晚形成時間為中—晚三疊世，埋藏深度約為3 000 m，已經(jīng)達到中等埋藏深度。因此，研究區(qū)淺—中等埋藏深度下，白云石化作用持續(xù)進行的。

綜上所述，通過巖相學(xué)特征排除其他成因后，綜合微觀巖相特征及地球化學(xué)數(shù)據(jù)特征，棲霞組白云巖是由同期海水流體在埋藏階段，因溫度升高及方解石沉淀導(dǎo)致流體鹽度及Mg/Ca值增加后發(fā)生的多期白云石化作用疊加的產(chǎn)物。

5.5 棲霞組白云巖的儲層意義

前人研究表明，白云石化作用的增孔或減孔效應(yīng)尚存在爭議，但有學(xué)者認(rèn)為白云石化作用對于顆粒灘相沉積物來說具有保存孔隙的作用[28-29]?？碧綄嵺`也表明，研究區(qū)棲霞組的石灰?guī)r不發(fā)育孔隙，而儲集空間多發(fā)育在白云巖層段。白云巖的儲集空間多為晶間孔和晶間溶孔，巖心樣品測試的平均孔隙度為4.22%，最大孔隙度為7.59%。結(jié)合巖心及薄片鑒定結(jié)果分析認(rèn)為，白云巖儲集空間是在白云石化過程中方解石大量溶蝕后形成的。因此，白云石化作用較徹底、厚度較大、分布廣泛的白云巖段是有利儲集層，對川西北棲霞組天然氣藏勘探具有重要的意義。

6 結(jié)論

1）棲霞組白云巖發(fā)育中—粗晶他形鑲嵌狀白云石，晶體以自形—半自形為主，白云石化作用徹底，原巖結(jié)構(gòu)已經(jīng)徹底消失，具有晚期的白云石化作用的巖相學(xué)特征。

2）棲霞組白云巖中的白云石有序度較高，MgO含量與CaO含量負(fù)相關(guān)，Mg/Ca值總體較低，δ13C值與δ18O值與同期海水形成的石灰?guī)r特征一致。這類白云石是同期海水流體在埋藏階段，因溫度升高及方解石沉淀導(dǎo)致流體鹽度及Mg/Ca值增加后發(fā)生的多期白云石化作用疊加的產(chǎn)物。

3）該白云巖可以作為川西北棲霞組的優(yōu)質(zhì)儲層，對該地區(qū)的天然氣勘探具有重要的意義。