川西北中二疊統(tǒng)棲霞組豹斑灰?guī)r特征與成因

郝 毅 林良彪 周進(jìn)高 倪 超 張建勇 陳 薇

（1.中國(guó)石油 杭州地質(zhì)研究院，杭州310023；2.成都理工大學(xué) 沉積地質(zhì)研究院，成都610059）

川西北地區(qū)在構(gòu)造位置上處于上揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)北部邊緣的3個(gè)次級(jí)構(gòu)造帶的交匯部位［1］。棲霞組下部主要為深灰－黑灰色生屑灰?guī)r，含泥質(zhì)較重；上部主要為灰色生屑灰?guī)r，局部夾白云巖或硅質(zhì)結(jié)核，生物繁茂；總厚度一般為100～200m［2］，沉積環(huán)境屬于碳酸鹽臺(tái)地［3］或緩坡［4］。中二疊統(tǒng)棲霞組一直以來都是四川盆地重要的勘探領(lǐng)域［4－9］，也是研究的重點(diǎn)。棲霞組一般自下而上分為棲一段和棲二段，豹斑灰?guī)r主要發(fā)育在棲二段頂部，雖然厚度為2～37m不等［10］，但在川西北地區(qū)廣泛分布。豹斑灰?guī)r都位于一套較為優(yōu)質(zhì)的白云巖儲(chǔ)層之上（圖1），雖然這套白云巖儲(chǔ)層的研究程度較高［11－16］，但其上部的豹斑灰?guī)r卻被提及甚少；因此，本文嘗試對(duì)這套豹斑灰?guī)r的特征和成因進(jìn)行研究，以供探討。

1 豹斑灰?guī)r的特征

1.1 豹斑灰?guī)r的解釋

豹斑灰?guī)r又稱豹皮灰?guī)r，是一種特殊的石灰?guī)r。1949年之前，地質(zhì)學(xué)家在描述華北奧陶紀(jì)地層時(shí)，就運(yùn)用了豹皮灰?guī)r這個(gè)名稱，形象地描述了這種花斑狀的石灰?guī)r，后來一直為地質(zhì)工作者所沿用［17］。豹斑灰?guī)r的特征與成因也曾有一些學(xué)者做過研究［18－22］。豹斑灰?guī)r只是一個(gè)根據(jù)外觀上的形意定名，從巖石學(xué)的角度應(yīng)當(dāng)稱之為云化不均勻的“云斑狀灰?guī)r”。之所以不稱為云質(zhì)灰?guī)r，是因?yàn)閮烧哌€是有區(qū)別的，通常所說的云質(zhì)灰?guī)r中白云石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在25%～50%之間，且白云石在巖石中的分布一般較均勻。而在顯微下，研究區(qū)豹斑灰?guī)r中的白云巖部分是很純的，白云石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在95%以上，白云石化較為徹底；而且白云巖跟基質(zhì)生屑灰?guī)r的界線往往是比較清晰明顯的，只有少量白云石晶體生長(zhǎng)于基質(zhì)灰?guī)r中。因此，研究區(qū)的豹斑灰?guī)r其實(shí)就是經(jīng)歷了不均勻白云石化作用的“云斑狀灰?guī)r”。

1.2 豹斑灰?guī)r宏觀特征

圖1 川西北長(zhǎng)江溝剖面棲霞組巖性柱狀圖Fig.1 Lithological column of the Qixia Formation in Changjianggou outcrop，Northwest Sichuan

在野外露頭上，豹斑灰?guī)r的宏觀特征較明顯（圖2－A，B），整個(gè)巖石經(jīng)歷了不均勻的白云石化作用，灰白色的為泥晶生屑灰?guī)r，暗色的為白云巖或含泥質(zhì)白云巖。泥晶生屑灰?guī)r可以看作是白云巖的宿主或載體，白云巖主要沿著宿主灰?guī)r的裂縫或孔洞發(fā)育，兩者明暗相間，如同豹紋一般。此外，由于差異風(fēng)化作用，暗色白云巖部分往往略微突出一些。在個(gè)別巖心上也可以見到豹斑灰?guī)r的局部特征，與野外露頭類似，白云巖與灰?guī)r界線一般比較明顯（圖2－C，D）。

1.3 豹斑灰?guī)r微觀特征

野外露頭及巖心的薄片樣品在鏡下觀察可見（圖3），豹斑灰?guī)r中的白云巖部分為含泥白云巖或較純的白云巖。白云石晶體主要為細(xì)－中晶，晶形較好，以自形晶為主，局部可見殘留的生屑結(jié)構(gòu)（圖3－A箭頭所示），大部分白云石晶體霧心亮邊現(xiàn)象明顯，主要為交代成因?；?guī)r部分為泥晶生屑灰?guī)r，生屑含量高，局部含少量白云石晶粒。白云巖與宿主生屑灰?guī)r界線明顯（圖3－B）或呈漸變過渡關(guān)系（圖3－E）。在白云巖中偶爾可以見到?jīng)]有被云化的宿主灰?guī)r“俘虜體”，類似巖漿巖中的圍巖“俘虜體”。這至少說明白云石化形成時(shí)，宿主灰?guī)r早已固結(jié)成巖且較為致密，因此未受到白云石化流體的影響。另外局部可見極粗晶的白云石晶粒（圖3－D），應(yīng)該是在有孔隙空間的情況下自由生長(zhǎng)的結(jié)果，因此其生長(zhǎng)的地方原本可能是一個(gè)較大的孔洞。

2 成因分析

對(duì)豹斑形態(tài)的成因目前有幾種不同的解釋，有的學(xué)者認(rèn)為云斑狀白云巖可能屬于灰?guī)r中的白云質(zhì)粒屑，是由異地搬運(yùn)而來［18］；有的學(xué)者認(rèn)為豹斑灰?guī)r其實(shí)是一種碳酸鹽糜棱巖［19］。要想解釋清楚豹斑灰?guī)r的成因，需要解決2個(gè)問題。第一個(gè)是豹斑灰?guī)r特殊分布形態(tài)的原因；第二是白云石化的成因。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，豹斑灰?guī)r的分布形態(tài)是與生物活動(dòng)有關(guān)的［20－22］，掘穴生物在半固結(jié)的碳酸鹽沉積物中活動(dòng)造成潛穴，為后期的白云石化流體提供了通道和存儲(chǔ)空間，也就是說豹斑的分布形態(tài)基本就是生物潛穴的形態(tài)。筆者認(rèn)為，在不同地區(qū)的不同層位中，類似的現(xiàn)象可能確實(shí)存在不同的合理解釋（前面所述的例子主要來自華北地區(qū)，層位主要是寒武系和奧陶系，無論從地區(qū)上及層位上跟本文研究區(qū)還是有很大差別的）。就本研究區(qū)的目的層而言，豹斑灰?guī)r分布形態(tài)很可能是與棲霞末期的暴露溶蝕作用有關(guān)的。野外剖面上可以看到，白云石斑塊的形態(tài)與各種小型溶溝、溶斗、溶洞的形態(tài)類似（圖2－A），這些孔洞可能被垮塌物充填或者半充填后埋藏，為后期的白云石化流體提供了通道和空間；另外，在巖心中也看到過這種溶蝕垮塌現(xiàn)象的直接證據(jù)（圖4）。

對(duì)于白云石化成因問題的看法和認(rèn)識(shí)也比較多，主要有混合水模式［10］、埋藏模式［20，21］、滲透回流模式［21］、大氣淡水影響［22］等。筆者針對(duì)研究區(qū)棲霞組豹斑灰?guī)r進(jìn)行了一些樣品分析，從白云石有序度的研究中我們可以發(fā)現(xiàn)（表1），除了豹斑灰?guī)r外，3口鉆井的棲霞組上部白云巖的白云石有序度都是很高的，為0.8～0.95，平均可達(dá)0.85；而豹斑灰?guī)r中云斑的白云石有序度平均僅有0.49。白云石有序度較低是白云石快速形成的標(biāo)志。前面已經(jīng)提到，研究區(qū)豹斑灰?guī)r的云斑中可以見到宿主灰?guī)r的“俘虜體”，因此，白云石肯定不是在潮坪環(huán)境下同生或準(zhǔn)同生時(shí)期形成的，至少形成于宿主灰?guī)r固結(jié)之后。碳氧同位素分析數(shù)據(jù)也支持豹斑灰?guī)r的形成未受到早期大氣淡水作用的影響（δ13C平均為2.57‰，δ18O 平均為－4.567‰）。而如果埋藏太深的話，地溫較高，加上地層、孔隙流體參與，Mg2＋會(huì)不斷置換Ca2＋，白云石晶體結(jié)構(gòu)不斷進(jìn)行調(diào)整，其有序度也會(huì)不斷增高［23］。因此，可以推斷研究區(qū)豹斑灰?guī)r的云斑應(yīng)該是在淺埋藏時(shí)期形成的。

圖2 豹斑灰?guī)r在野外露頭及巖心的宏觀特征Fig.2 Macroscopic features of leopard limestone in outcrops and drilling cores

表1 棲霞組白云石有序度分析Table 1 Ordering degree analysis of dolomite from Qixia Formation

白云石化流體的運(yùn)移方向很可能是自下而上的。據(jù)前所述，豹斑灰?guī)r中的白云石形成于成巖之后的淺埋藏期，從縱向剖面來看（圖1），地層由下至上是一個(gè)純白云巖到豹斑灰?guī)r的變化，富Mg2＋流體由下而上運(yùn)移也是合理的。薄片下也可以看到白云石化流體具有一定的方向性，有較大的生屑或方解石脈阻擋的時(shí)候，白云巖與宿主灰?guī)r之間的界線清晰，否則往往呈過渡狀（圖3－B，E）；而其上覆的茅口組底部往往都是海侵形成的泥質(zhì)巖或灰質(zhì)泥巖，具有一定的封堵能力。陰極發(fā)光和掃描電鏡顯示，白云石化流體先對(duì)前期縫洞系統(tǒng)中垮塌的生屑灰?guī)r進(jìn)行交代作用，陰極發(fā)光實(shí)驗(yàn)中發(fā)暗光（圖3－F，H）；后沿顆粒邊緣向著自形晶形態(tài)（菱形）生長(zhǎng)，陰極發(fā)光實(shí)驗(yàn)中發(fā)亮紅色光（圖3－F，H）；在白云石形成之后，局部還有一期亮晶方解石的膠結(jié)作用（圖3－G），陰極發(fā)光實(shí)驗(yàn)中幾乎不發(fā)光（圖3－H）。掃描電鏡可以明顯地看到，豹斑灰?guī)r局部發(fā)育溶蝕孔洞，說明白云石化流體有可能還伴隨著強(qiáng)烈的溶蝕作用（圖3－I）。另外，在豹斑灰?guī)r之下的白云巖地層中見到了一些熱液白云石的證據(jù)（圖5），如鞍狀白云石、斑馬紋狀白云石等，從側(cè)面說明白云石化流體來源與埋藏?zé)嵋嚎赡苡兄欢ǖ年P(guān)系。

圖3 豹斑灰?guī)r的微觀特征Fig.3 Microscopic features of leopard limestone

圖4 巖溶角礫巖Fig.4 Karst breccia

3 認(rèn)識(shí)

圖5 熱液白云石證據(jù)Fig.5 The evidences of hydrothermal dolomite

本文嘗試對(duì)川西北中二疊統(tǒng)棲霞組頂部豹斑灰?guī)r的特征和成因做出分析，并得出以下初步認(rèn)識(shí)：（1）豹斑灰?guī)r分布形態(tài)很可能與棲霞末期的暴露溶蝕作用有關(guān)，溶蝕作用產(chǎn)生的縫洞系統(tǒng)控制了豹斑灰?guī)r的分布形態(tài)；（2）白云石化作用形成的時(shí)間應(yīng)該是成巖之后的淺埋藏時(shí)期；（3）白云石化流體可能與深部熱液有關(guān)，運(yùn)移方向是由下而上的，由于流體供應(yīng)有限加上茅口組底部泥質(zhì)巖封堵等原因，白云石化作用在棲霞組頂部結(jié)束；（4）白云石化流體除了可以形成白云石外，可能還伴隨著一定的溶蝕作用。

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