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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西南石油大學資源與環境學院2中國石油安全環保技術研究院

巖石學特征

通過大量的薄片觀察和分析，發現川東北地區飛仙關組的白云石主要以兩種形態存在：泥—微晶白云石和細—中晶白云石。泥—微晶白云石晶粒晶體較細，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、藻團粒白云巖等，典型巖石結構為他形粒狀泥—微晶結構、藻紋層和藻團粒結構，在這些白云巖中常見條帶狀、干裂、鈣結核等潮間—潮上帶標志。此類白云巖主要分布于有強烈蒸發作用的瀉湖、潮坪等沉積環境，一般用準同生（蒸發泵）白云石化模式解釋其成因[58]。在氣候干熱，蒸發作用強烈的地區，隨著蒸發作用的進行，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—中晶白云石晶粒晶體一般呈半自形—自形，大小不等，以細—中晶為主，少數可達粗晶級別。大部分晶粒具有霧心亮邊結構和重結晶現象。以細—中晶白云石組成為主的巖石類型主要有鮞粒白云巖、晶粒白云巖及有強烈構造作用的碎裂化重結晶白云巖等，這種類型的白云巖是埋藏白云石化作用的產物，其特征有別于蒸發條件下形成的泥—微晶白云巖。而這幾類巖石也成為川東北地區飛仙關組優質儲層的主要巖石類型。

有序度特征

白云巖的有序度是針對白云石晶胞的一個概念，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晶時的速率，可以間接指示成巖環境。有序度低反映了白云石結晶速率快，如準同生白云石化作用形成的白云石。地表干熱、蒸發環境使白云石快速結晶而處于一種欠穩定狀態，該環境中形成的白云石MgCO3/CaCO3摩爾分數比值較低，有序度很低。有序度高反映其形成于緩慢結晶的成巖環境，一般來說，這樣的成巖環境與大氣淡水和稀釋的地下水有關，如大氣淡水成巖環境、混合水成巖環境和埋藏成巖環境，在這些環境中形成的白云石，MgCO3/CaCO3摩爾分數比值較高，接近于化學計量級水平。從表1[8]的分析中可以得出這樣的結論：隨著晶粒的增大，白云巖有序度也增大，從準同生泥—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摩爾分數比值也隨著埋藏成巖作用的進行而增大。與晚成巖階段構造作用有關的重結晶白云巖有序度最大，MgCO3/CaCO3摩爾分數比值也最接近化學計量白云石的標準。

陰極發光特征

碳酸鹽礦物的陰極發光特征與其成分有關，尤其和鐵、錳等微量元素關系密切，鐵是碳酸鹽礦物陰極發光的猝滅劑，錳是活化劑。不少學者研究了陰極發光特征與鐵和錳元素含量的定量關系，但沒有形成統一的認識。不過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，不具有陰極發光性；而鐵/錳比值越高、越不利于碳酸鹽礦物陰極發光；但是鐵/錳比值小于1的碳酸鹽礦物一定具有陰極發光性；鐵或錳二者之一含量很少時不利于碳酸鹽礦物的陰極發光，即雖然分別作為猝滅劑和激活劑，但二者缺一不可[9]。根據碳酸鹽礦物微量元素含量對其陰極發光的影響反推微量元素富集情況，分析其與沉積環境的相關關系。研究區泥—微晶白云石陰極射線下從基本不發光到發弱光，這樣的發光特征反映了其形成于地表蒸發環境，該環境中鍶、鈉元素含量高，鐵、錳元素含量很低。細—中晶白云石在陰極射線下發暗紅色—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境，因為原始沉積的海相生物和海相碳酸鹽礦物都因貧鐵、錳而不具陰極發光，只有在經歷了成巖蝕變，鐵、錳元素進入后，才會導致碳酸鹽礦物具有陰極發光。鐵的低含量可能與該區地層水中H2S含量高導致FeS沉淀有關。

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育程度而異。不同的成巖環境下，碳酸鹽中的碳、氧同位素組成明顯不同，據此能將大氣淡水、混合水、海水和埋藏成巖環境有效地區分開來。大氣淡水成巖環境：該環境位于地下水面以上，孔隙被水和空氣充填，水體作垂向滲流運動。由于成巖組構的δ18O、δ13C取決于介質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境的δ18O、δ13C均有向高負值滑移的趨勢。正常海水成巖環境：對應于正常海洋沉積環境，粒間多為海水占據，δ13C、δ18O值都較大氣淡水環境值要大。混合水成巖環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境值和大氣淡水成巖環境值之間。埋藏成巖環境：該環境位于地下一定深度，δ13C值主要取決于13C來源，若為淡水來源則值偏小，而海水來源則值偏大；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介質的碳氧同位素組成，并受介質溫度和鹽度的控制。介質咸化時，因16O、12C隨著蒸發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，各類沉積物的δ13C應表現為明顯負值，而從表2[11]中數據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同生期海水，也恰與海水成巖環境δ13C為接近于零的正值、δ18O為低負值這一特征相符。埋藏成巖環境氧碳同位素值分布范圍較大，其δ13C值可以從低負值到較高正值范圍內變化，δ18O在淺埋藏成巖環境為低負值，深埋藏成巖環境為高負值，且埋深越大，數值越小，表中數據也恰與此特征一致。碳酸鹽巖的成巖埋藏過程中，從文石向方解石轉化、繼而向白云石的轉化是一個Sr的總體含量隨著介質鹽度的降低而降低的過程[12]。Sr穩定同位素有84Sr、86Sr、87Sr和88Sr，其中87Sr是放射的，和古老地殼中的銣元素有關，86Sr是非放射性的，一般用87Sr/86Sr比值來表示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，并在沉積過程中，不受相分離、化學狀態、蒸發作用或同化作用這些過程的分餾影響，比值變化是由于不同來源Sr的混合造成的。在白云巖的成巖過程中87Sr/86Sr比值隨著埋深的加大而不斷增大。這是因為87Sr半徑小于86Sr，白云巖在埋藏過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律的[14]，由于86Sr半徑較大，埋藏壓實過程中優先被取代，導致Sr同位素比值變高。從表3[8]中可以看出準同生泥—微晶白云巖的Sr含量很高，符合三疊紀早期全球處于以沉積文石為主的富Sr海相狀態，其平均含量0.0200%，接近超鹽度海水沉淀白云石的0.0250%[7]。該時期正常海相灰巖的Sr含量為0.0470%，可見準同生白云石化作用發生在一開放的成巖環境中，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—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%，由此推測其成巖流體處于一個封閉環境，否則開放體系下中成巖階段的細—中晶白云巖的Sr含量應低于早成巖階段的微—粉晶白云巖，因Sr總含量應隨著地層孔隙水鹽度降低（被外來地層水或深部流體稀釋）而逐漸降低，但在研究區不降反升，可見地層中流體并未與外部溝通，故認為該埋藏成巖環境為一封閉環境。按照這種機理，封閉體系中，Sr在晶體中被其他元素取代而進入孔隙水，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，流體若在開放條件下進行了交換是不會有如此高Sr含量的方解石沉淀，這也進一步證明了埋藏成巖作用發生在封閉體系中。因此，該區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，它是在礦物結晶生長過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是包裹體發育在封閉體系中，與其形成時的流體具有相同的物理、化學特征。常溫常壓下見到的流體包裹體往往是氣、液兩相流體。在冷熱臺上升溫加熱，顯微鏡下可見到兩相流體轉化為單相流體，這時記錄的溫度為均一溫度。一般認為均一溫度代表包裹體形成溫度的下限[15]。川東北地區飛仙關組細—中晶白云石包裹體均一溫度在70～148℃，主要分布在90～130℃。假設地表平均溫度為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到的，因此，再次證明該區細—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、氧同位素值來計算古鹽度的原理，并認為其值隨著鹽度的增加而增加。Keith和Weber（1964）推導出如下公式來計算古鹽度，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]。通過對研究區白云巖碳氧同位素值進行分析計算，得出該區古鹽度z值分布在124.312～132.830，主要分布在127.467～130.700。由此說明該區白云巖的成因均與海水有關，沒有淡水參與的痕跡。

結論

（1）川東北地區飛仙關組白云巖主要由泥—微晶白云石、細—中晶白云石組成。其中泥—微晶白云石為準同生白云石化作用形成，屬于潮坪等強烈蒸發環境的產物，反映了當時炎熱干旱的氣候條件；細—中晶白云石為埋藏白云石化作用形成。（2）準同生白云石化作用生成的白云巖的各項特征接近于當時的海相灰巖，而主要由埋藏白云石化作用生成的白云巖由于發生了成巖蝕變，其特征與準同生白云巖存在差異，但是白云石化流體與準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）通過成巖流體溫度、古鹽度、微量元素及同位素分析等，認為該區白云巖形成的過程中未見淡水參與成巖作用的痕跡，不存在以往認為的混合水白云石化作用和回流滲透白云石化作用，該區只有準同生白云石化作用和封閉體系中的埋藏白云石化作用。