塔里木盆地中央隆起區(qū)寒武—奧陶系白云巖結(jié)構(gòu)特征及成因探討

黃擎宇 張哨楠 孟祥豪 葉 寧

(1.成都理工大學能源學院 成都 610059;2.西南石油大學資源與環(huán)境學院 成都 610050;3.成都理工大學“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室 成都 610059)

0 引言

白云巖研究的關(guān)鍵在于對白云石化作用的理解，而巖石結(jié)構(gòu)作為白云石化作用分析的基礎(chǔ)，不僅對白云巖的成因具有指示意義還深刻地影響著白云巖儲層的質(zhì)量。前人針對塔里木盆地下古生界白云巖進行了大量研究，提出了多種白云石化機理［1，8］和儲層成因模型［9，13］，為該區(qū)白云巖儲層的評價和預測提供了必要的理論支撐。但由于“白云巖問題”的復雜性與特殊性，難免在一些基礎(chǔ)問題上存在爭議:如白云巖的分類命名方面，目前大部分分類以晶體大小或是宏觀組構(gòu)特征為依據(jù)進行區(qū)分［14，16］，缺乏對白云巖微觀結(jié)構(gòu)類型(如是否保留原始結(jié)構(gòu)、白云石晶體的大小、形狀、晶面特征以及晶體之間的組合關(guān)系等)更為詳細的描述，而這些結(jié)構(gòu)特征往往包含著解讀白云巖成因的重要信息;同時，塔里木盆地寒武系中分布著大量具有“殘余結(jié)構(gòu)”的白云巖，如何命名這類白云巖并合理解釋其成因也值得探索。此外，近年來關(guān)于白云巖的研究多集中在白云石化模式的建立上，而很少關(guān)注白云巖結(jié)構(gòu)與成因之間的相關(guān)關(guān)系。鑒于此，本文以塔里木盆地中央隆起區(qū)寒武—奧陶系白云巖為研究對象，利用該區(qū)近年來的探井資料，在巖芯觀察、薄片鑒定、陰極發(fā)光、掃描電鏡以及碳、氧、鍶同位素分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合國際上常用的分類術(shù)語，嘗試建立一套以結(jié)構(gòu)特征為依據(jù)的白云巖分類方案，并對不同結(jié)構(gòu)類型的白云巖所揭示的成因意義進行討論，以期加強對白云巖基礎(chǔ)理論的研究，增進對白云巖成因的理解和認識，并最終為白云巖油氣儲層的評價提供更多地質(zhì)依據(jù)。

1 白云巖結(jié)構(gòu)分類研究現(xiàn)狀

國際上對于白云巖的分類主要依據(jù)其結(jié)構(gòu)特征，較早認識到白云巖結(jié)構(gòu)重要性的有Friedman(1965)［17］，他借用巖漿巖和變質(zhì)巖中的分類術(shù)語對沉積巖中具有晶粒結(jié)構(gòu)的巖石進行了分類，并將白云石分為自形(euhedral)、半自形(subhedral)和他形(anhedral)三種基本結(jié)構(gòu)類型。隨后Gregg和Sibley(1984)［18］、Sibley 和 Gregg(1987)［19］在大量人工合成白云石實驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合晶體生長動力學理論，以晶體大小分布、形態(tài)和晶體邊界特征為依據(jù)，提出了更為詳細的白云巖結(jié)構(gòu)分類方案:首先根據(jù)晶體大小的分布將白云巖分為單峰或多峰等類型，然后依據(jù)晶體邊界形態(tài)和晶形特征進一步分為平面—自形(planar-e)、平面—半自形(planar-s)和曲面—他形晶(nonplanar-a)，這里的平面是指晶體具有平直邊界;而非平面/曲面則是指晶體具有彎曲的、葉片狀或階梯狀等各種不規(guī)則的邊界。平面和曲面白云石都可以以膠結(jié)物的形式存在。該分類方案特別強調(diào)了平面和曲面晶體之間的差別，并定義了一個由平面晶體向非平面晶體轉(zhuǎn)化的臨界溫度，即晶體他形生長的臨界溫度(大致為50℃～60℃左右)，低于該溫度時形成平面—自形或半自形白云石，而高于該溫度則形成曲面—他形白云石;Wright(2001)［20］之后又定義了一個平面—半自形到非平面—他形之間的過渡類型，對上述分類方案進行了補充。至此，該分類方案由于其簡單實用、易于描述又帶有一定成因啟示意義而在國際上備受推崇［21，24］。

近來國內(nèi)也有不少學者注意到了白云巖結(jié)構(gòu)與其成因之間的相關(guān)性，并進行了討論:如王丹等(2010)［25］以單個白云石晶體形態(tài)特征為依據(jù)對埋藏階段形成的白云巖進行了結(jié)構(gòu)—成因分類，并探討了不同類型白云石的形態(tài)與成巖環(huán)境之間的關(guān)系;黃思靜等(2011)［26］以四川盆地二疊—三疊系白云巖為研究對象，系統(tǒng)對比了不同類型白云巖/石之間的差異以及與白云石化作用之間的聯(lián)系。由于這些研究缺乏相應(yīng)的地球化學數(shù)據(jù)支撐，因而未能引起足夠重視。

2 寒武—奧陶系白云巖結(jié)構(gòu)類型

本次研究中，根據(jù)塔里木盆地寒武—奧陶系白云巖的實際情況，結(jié)合國際上常用的分類術(shù)語，嘗試提出以下分類方案。首先根據(jù)白云巖中原始結(jié)構(gòu)的保存狀況將其分為兩個大類:一類是保留(或殘余)原始沉積結(jié)構(gòu)的白云巖，另一類是原始結(jié)構(gòu)無法識別的白云巖(即晶粒白云巖)。對于原始結(jié)構(gòu)保存較好的白云巖我們可以根據(jù)其原有結(jié)構(gòu)類型來分類(如紋層狀泥—粉晶白云巖、顆粒白云巖等);對于那些原始結(jié)構(gòu)無法識別的白云巖我們可以根據(jù)白云石的晶體大小和晶體結(jié)構(gòu)特征(如晶體的形狀、邊界和晶間關(guān)系等)進行分類，其中晶體大小依據(jù)劉寶珺(1980)［27］的分類標準;晶體結(jié)構(gòu)特征以 Sibley和Gregg(1987)［19］的分類為基礎(chǔ)，并根據(jù)研究區(qū)實際情況進行適當調(diào)整和簡化，主要分為自形(平面—自形晶)、半自形(平面—半自形晶為主，少量曲面—他形晶)和他形(曲面—他形晶)三種類型。此外，由于白云石同樣可以以充填物的形式出現(xiàn)在孔隙和裂縫中，且對白云巖成因和儲層的形成具有重要指示意義(如鞍形白云石往往被認為與熱液改造有關(guān)［28］)，因此也將其列入分類表中。

根據(jù)上述分類標準，研究區(qū)寒武—奧陶系白云巖可分為以下幾類(表1):(一)保留(或殘余)原始結(jié)構(gòu)白云巖，包括(1)泥—粉晶白云巖，(2)(殘余)顆粒白云巖;(二)晶粒結(jié)構(gòu)白云巖，包括(3)細晶、自形白云巖，(4)細晶、半自形白云巖，(5)中—粗晶、他形白云巖;(三)白云石充填物:細晶、自形(半自形)白云石充填物和中—粗晶、鞍形白云石充填物。

2.1 保留(或殘余)原始結(jié)構(gòu)白云巖

(1)泥—粉晶白云巖

該類白云巖主要由泥晶到粉晶級(0.001～0.05 mm)的白云石組成(圖 1a)，晶體細小，晶形較差，多為半自形—他形晶，晶間可見泥質(zhì)或膏質(zhì)充填。該類白云巖多為淺灰—灰褐色，薄—中層狀，常與膏巖伴生并具明顯的層理構(gòu)造，如中寒武統(tǒng)中可見膏巖層與泥—粉晶白云巖呈薄互層狀產(chǎn)出(圖1b);此外，膏質(zhì)也可呈結(jié)核狀或針狀出現(xiàn)于泥—粉晶白云巖中;鏡下觀察還可見明暗相間的沉積顯微層理。陰極發(fā)光顯示該類白云巖發(fā)光性極差，基本不發(fā)光。

(2)(殘余)顆粒白云巖

該類白云巖最大的特點就是保留或是殘余原始灰?guī)r的結(jié)構(gòu)特征，我們可以通過這些結(jié)構(gòu)特征來推斷原巖組構(gòu)并恢復其沉積環(huán)境［29］。不過由于這種殘余結(jié)構(gòu)所經(jīng)歷的交代強度不同，原始顆粒的可識別程度也具有很大差異，根據(jù)研究區(qū)所觀察到的現(xiàn)象大致可將其分為三類:一類是完整保留顆?；蚰z結(jié)物輪廓及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的白云巖，國外學者常稱之為擬晶或擬態(tài)交代(mimic/mimetic replacement)［30，31］，這類白云巖在寒武系中常見(圖1c)，部分與膏巖層伴生;第二類為只保留了原始顆粒的形狀或輪廓，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)已無法識別的白云巖，國內(nèi)有學者稱之為殘余粒形結(jié)構(gòu)白云巖［32］，研究區(qū)中較為常見的是由于鑄?？装l(fā)育而保留了原始顆粒輪廓的殘余顆粒白云巖(圖1d)，在中下奧陶統(tǒng)鷹山組有見;第三類則為原始顆?；蚰z結(jié)物的結(jié)構(gòu)已無法區(qū)分，僅僅能夠識別出殘留顆粒影像或幻影的白云巖，由于此類白云巖基本由細到中晶、半自形或他形白云石組成，因此歸屬于晶粒白云巖的范疇可能更為合理一些。

表1 研究區(qū)寒武—奧陶系白云巖結(jié)構(gòu)分類表Table 1 Classification of Cambrian-Ordovician dolomite textures in the study area

2.2 晶粒白云巖

(1)細晶、自形白云巖

主要分布在中下奧陶統(tǒng)中，特別是鷹山組中較常見，巖芯上以淺灰色或灰白色為主，呈中厚層狀或是塊狀產(chǎn)出(圖 2a);顯微鏡下，以細晶(0.05～0.25 mm)為主，少量粉晶，晶體自形程度高，具細砂糖狀特征，部分晶體邊緣見明亮的細環(huán)帶，晶體之間點或線接觸，晶粒支撐，晶間孔發(fā)育(圖2b)。掃描電鏡下，該類白云巖多由菱面體白云石組成，并具有平直的晶面邊界特征(圖2c)，一些晶體邊緣還可見極細的生長紋層。陰極發(fā)光下該類白云巖顯均勻的中等亮度紅色光到暗紅色光(圖2d)。

圖1 保留(或殘余)原始結(jié)構(gòu)白云巖特征Fig.1 Features of dolomite with well-preserved(or relict)precursor lithologic fabricsa.泥—粉晶白云巖，單偏光，古隆3井，鷹山組，6 237.2 m;b.條帶狀膏質(zhì)泥晶白云巖，石膏與白云巖呈互層狀產(chǎn)出，和田1井，阿瓦塔格組，6 436.0 m;c.顆粒白云巖(擬態(tài)交代)，原始顆粒及膠結(jié)物的輪廓和內(nèi)部結(jié)構(gòu)保存完好，單偏光，巴探5井，下丘里塔格組，4 741.4 m;d.殘余顆粒結(jié)構(gòu)白云巖，顆粒溶蝕后形成的鑄模孔被方解石膠結(jié)物(茜素紅染色)充填，單偏光，中19井，鷹山組，5 479.55 m。

圖2 細晶、自形白云巖特征Fig.2 Characteristics of finely crystalline，euhedral dolomitea.淺灰白色細晶、自形白云巖，中19井，鷹山組，5 526.0 m;b.細晶、自形白云巖鏡下特征，自形晶為主，晶間孔發(fā)育，鑄體薄片，中19井，鷹山組，5 526.0 m;c.細晶、自形白云巖掃描電鏡(SEM)特征，白云石多為菱面體，具有平直的晶面邊界特征，中19井，鷹山組，5 527.7 m;d.細晶、自形白云巖發(fā)均一的紅色光，陰極發(fā)光照片，中19井，鷹山組，5 527.7 m。

圖3 細晶、半自形白云巖特征Fig.3 Characteristics of finely crystalline，subhedral dolomitea.深灰色細晶、半自形白云巖，中19井，鷹山組，5 546.8 m;b.細晶、半自形白云巖，半自形晶為主，少量他形晶，環(huán)帶或霧心亮邊特征常見，正交偏光，中12井，鷹山組，5 611.64 m;c.細晶、半自形白云巖，晶體仍以平直晶面為主，但許多晶體受生長空間所限致使晶形不完整(黃色箭頭)或是嵌入相鄰晶體中，白云石斷面處可見生長紋層或包殼(紅色箭頭)，背散射(BSE)照片，中19井，鷹山組，5 529.5 m;d.細晶、半自形白云巖發(fā)暗紅色光，溶孔處呈亮紅色(黃色箭頭)，陰極發(fā)光照片，中15井，鷹山組，5 571.9 m。

(2)細晶、半自形白云巖

該類白云巖也主要分布在下奧陶統(tǒng)中，巖芯上觀察其顏色略深，以深灰色或灰色為主(圖3a)，可與細晶、自形白云巖呈互層狀產(chǎn)出。鏡下觀察，仍以細晶(0.05～0.25 mm)為主，晶體自形程度較上一類白云巖有所降低，多為半自形到他形，大部分白云石晶體可見霧心亮邊或環(huán)帶結(jié)構(gòu)(圖3b);晶間接觸關(guān)系也轉(zhuǎn)變?yōu)榫€接觸為主，局部甚至呈鑲嵌狀接觸，晶間孔大幅減少。掃描電鏡下觀察白云石緊密堆積，雖然仍具有平直的晶面邊界，但許多晶體受生長空間所限晶形不完整或是嵌入到相鄰晶體中并堵塞原有孔隙空間(圖3c)，僅在面向孔隙中心方向具有完好的菱面體晶形;另外，白云石斷面處還可見多層生長紋層或包殼狀環(huán)帶(圖3c)。陰極發(fā)光下觀察，該類白云巖發(fā)光性與細晶、自形白云巖類似或稍弱，仍以均勻的暗紅色光為主，孔隙邊緣顯亮紅色環(huán)帶或斑點(圖3d)。

(3)中—粗晶、他形白云巖

該類白云巖主要有兩種產(chǎn)出方式:一種是不徹底的或是選擇性白云石化的產(chǎn)物，屬于灰?guī)r和白云巖之間的過渡類型，即灰質(zhì)或含灰白云巖，在鷹山組中下部云灰過渡段最為發(fā)育。通常在巖芯上呈現(xiàn)出深淺不一的斑點狀、斑塊狀或條帶狀外貌，且白云石斑塊多沿溶蝕縫或縫合線發(fā)育處富集(圖4a，b);另一種則是以淺黃灰色、灰色或深灰色、中厚層狀或塊狀產(chǎn)出的純白云巖，蓬萊壩組以及下丘里塔格組最為常見;部分巖芯上裂縫及溶蝕孔洞發(fā)育程度高，并伴隨有鞍形白云石、自生石英、螢石、重晶石等熱液礦物充填(圖4c)。鏡下觀察，細到粗晶均有出現(xiàn)，但以中—粗晶(0.25～2 mm)為主，白云石自形程度差，多為他形晶，晶粒之間呈凹凸甚至縫合線狀接觸，晶間孔匱乏(圖4b，d);部分樣品中白云石的粒度具有雙眾數(shù)分布特征，即粗大的白云石中殘留有較細小的白云石晶體(圖 4d);正交偏光下波狀消光特征明顯(圖4d);掃描電鏡照片中可清晰地觀察到其彎曲的、鋸齒狀或階梯狀的晶面邊界特征(圖 4e)。陰極發(fā)光下，該類白云巖整體顯極暗紅色光或基本不發(fā)光(圖4f)，局部可見暗紅色斑塊(圖5d)。

圖4 中—粗晶、它形白云巖特征Fig.4 Characteristics of coarsely crystalline and anhedral dolomite a.斑狀灰質(zhì)白云巖，中13井，鷹山組，5 721.7 m;b.灰質(zhì)中—細晶、他形白云巖，白云巖沿縫合線發(fā)育，單偏光，中12井，鷹山組，5 579.3 m;c.淺黃灰色中—粗晶、他形白云巖，裂縫發(fā)育，見硅質(zhì)充填孔洞(箭頭)，YB1-2井，蓬萊壩組，5 136.8 m;d.中—粗晶、他形白云巖，他形晶，具波狀消光，部分晶體發(fā)育環(huán)帶，正交偏光，中4井，下丘里塔格組，5 813.55 m;e.中—粗晶、他形白云巖，晶體邊界不規(guī)則，呈階梯狀或彎曲狀(箭頭)，掃描電鏡(SEM)照片，古隆1井，蓬萊壩組，6 533.34 m;f.中—粗晶、他形白云巖基本不發(fā)光或極暗的紅色光，僅縫洞充填物發(fā)亮紅色光，陰極發(fā)光照片，中3井，蓬萊壩組，3 938.3 m。

2.3 白云石充填物

這里的充填物主要是指圍繞孔洞或裂縫內(nèi)壁生長的白云石，對于這類白云石我們很難判斷其成因是由膠結(jié)作用還是交代作用所致，因此用“充填物”而非“膠結(jié)物”這個術(shù)語可能更合適一些。雖然這類白云石含量很少，但其存在對成巖流體性質(zhì)、孔洞形成機理的理解具有重要意義。在研究區(qū)白云巖地層中發(fā)育有兩類白云石充填物:

(1)細晶、自形(半自形)白云石充填物

這類白云石通常作為孔洞或裂縫的首期充填物附著其內(nèi)壁生長，以細晶為主，少量粉晶或中晶，面向孔洞或裂縫中心方向晶體自形程度變好，發(fā)育平直的晶面邊界，晶體清澈明亮，含較少的包裹體和雜質(zhì)(圖5a);陰極發(fā)光測試表明其發(fā)光性較差，以暗紅色光為主，局部見發(fā)光環(huán)帶，總體上顯示出與細晶、半自形白云巖類似的發(fā)光性。

圖5 白云石充填物特征Fig.5 Characteristics of void-filling dolomitea.細—中晶、自形白云石充填物，單偏光，中12井，鷹山組，5 578.8 m;b.中—粗晶、鞍形白云石充填裂縫，顯波狀消光特征，正交偏光，中4井，下丘里塔格組，5 813.55 m;c.溶蝕孔洞中的鞍形白云石充填物，晶面彎曲呈階梯狀(黃色箭頭)，背散射(BSE)照片，中3井，鷹山組，3 938.3 m;d.中—粗晶、他形白云巖顯斑狀暗紅色光，裂縫中充填的鞍形白云石具有暗紅色的核心和明暗相間的環(huán)帶(黃色箭頭)，陰極發(fā)光照片，古隆1井，蓬萊壩組，6 544.34 m。

(2)中—粗晶、鞍形白云石充填物

充填溶孔和裂縫的鞍形白云石一般都比較粗大，巖芯上觀察以乳白色為主，既可圍繞洞壁生長成一個殼層也能完全充填孔洞。單偏光下晶面較污濁，可見大量固相或液相包裹體，晶體內(nèi)微裂縫及解理發(fā)育，晶體邊界彎曲似鐮刀狀，正交偏光下具有明顯的波狀消光特征(圖5b);掃描電鏡下觀察可見晶體向孔洞內(nèi)部生長時發(fā)生扭曲甚至小的錯斷，形成鋸齒狀或階梯狀的形態(tài)(圖5c);陰極發(fā)光以發(fā)暗紅色光為主，部分樣品邊緣可見明暗相間的環(huán)帶(圖5d)。

3 各類白云巖/石成因探討

3.1 保留(或殘余)原始結(jié)構(gòu)白云巖成因

該類白云巖在結(jié)構(gòu)上有兩個特點，一是組成巖石的白云石晶粒極為細小(泥晶為主)，二是原始結(jié)構(gòu)保存完好。細小的白云石晶粒通常被認為是典型的近地表、低溫、高鹽度條件下白云化的產(chǎn)物［33］，而且這些極細的白云石很可能是交代未固結(jié)或半固結(jié)的灰泥而來(因為細小的顆粒相對它們的體積而言具有更大的表面區(qū)域，有利于白云石成核作用的快速進行［21，34］);另外，陰極發(fā)光下基本不發(fā)光或是發(fā)均勻的極暗紅色光也反映了錳含量很低的海水成巖環(huán)境特征［35］，亦說明這類白云巖形成時間較早。能夠完好保留原生灰?guī)r組構(gòu)的特點可能與擬晶交代作用［31］以及較低的成巖溫度［24］有關(guān)，這種交代作用通常需要高密度的白云石晶核，以確保碳酸鈣質(zhì)顆粒及膠結(jié)物復雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)得以保存下來［31］;而高密度的成核點又與高度可溶的反應(yīng)物(如高鎂方解石相比低鎂方解石具有更高的溶解度，由高鎂方解石組成的生屑顆粒通常會優(yōu)先被白云石交代，并能夠完好的保留原始組構(gòu)特征［36］)以及高度過飽和的白云石化流體有關(guān)，特別是后者能夠促使白云石成核點的大量生成，極為有利于原始沉積物組構(gòu)的完好保存。

研究區(qū)泥—粉晶白云巖以及顆粒白云巖多分布在中下寒武統(tǒng)與蒸發(fā)巖伴生的地層中，說明當時海水鹽度高、Mg/Ca比值大，具備形成高度過飽和的白云化流體的條件;地球化學數(shù)據(jù)同樣支持這種觀點:其Sr同位素比值(0.708 170～0.708 402)和C同位素值(-1.0‰～-0.2‰)(表2)均接近當時的海水值(分別為0.708 0～0.709 0，-1.5‰～0.5‰)［37，39］，而 O 同位素明顯偏重(圖 6，7)，暗示其成因與高鹽度流體(如蒸發(fā)海水)有關(guān)［23，40，41］。

綜上，研究區(qū)原始結(jié)構(gòu)保存完好的白云巖，其白云石化過程有以下共性:如云化時間早、形成溫度低、白云化流體飽和度高以及被交代的礦物以未發(fā)生新生變形的高鎂方解石為主等特征;因此認為該類白云巖屬于同生或準同生成巖階段、與蒸發(fā)海水有關(guān)的擬晶白云石化作用的產(chǎn)物，大量過飽和白云石化流體的快速通過以及較低的成巖溫度均有利于原始結(jié)構(gòu)的保存，其中分布于蒸發(fā)臺地相中的泥—粉晶白云巖可用蒸發(fā)泵模式解釋，而分布于局限臺地內(nèi)的(殘余)顆粒白云巖則主要由高鹽度蒸發(fā)海水交代所致。

3.2 晶粒白云巖成因

(1)細晶、自形白云巖

平直的晶面結(jié)構(gòu)、呈砂糖狀松散堆積的晶體、均一的紅—暗紅色陰極發(fā)光以及缺乏縫合線等特征均說明該類白云巖形成于強烈的壓實、壓溶作用之前，屬于早成巖階段低溫白云石化的產(chǎn)物;且這種結(jié)構(gòu)類型也與經(jīng)典的、由高鹽度蒸發(fā)海水回流形成的白云巖極為類似［42，43］。但研究區(qū)該類白云巖所發(fā)育的區(qū)域(塔中地區(qū)下奧陶統(tǒng))缺乏大面積膏巖層，說明當時的海水鹽度并不是很高，更可能是一種半咸水或輕度蒸發(fā)的海水(未達到膏巖沉淀的鹽度)，因此很難用傳統(tǒng)意義上的超咸水回流模式來解釋。然而越來越多的研究表明，中等鹽度的海水(penesaline seawater)或輕微蒸發(fā)的海水同樣具備白云石化作用的潛力［44，46］;

地化方面，該類白云巖略重的O同位素組成(圖6)以及與當時海水值相似的Sr同位素值(圖7)也說明其成因與輕微蒸發(fā)的海水有關(guān)。從另一角度理解，這類飽和度或鹽度不是很高的白云石化流體還可以防止過度白云石化(overdolomitization)作用的發(fā)生，有利于晶間孔的大量保存。因此，這類具有平直晶面的白云巖應(yīng)形成于成巖早期溫度不高的環(huán)境中，淺埋藏階段輕微蒸發(fā)的海水發(fā)生回流或下滲擴散可能是一種主要的云化模式，而且這種“適度的”云化對于晶間孔隙的發(fā)育和保存極為有利。

表2 研究區(qū)各類碳酸鹽巖樣品碳、氧、鍶同位素組成Table 2 C，O and Sr isotope data of the different carbonate rocks in the study area

圖6 研究區(qū)各類碳酸鹽巖的碳、氧同位素交匯圖Fig.6 Cross-plot showing δ18O vs.δ13C of different carbonate rocks in the study area

圖7 研究區(qū)各類碳酸鹽巖的鍶、氧同位素交匯圖Fig.7 Cross-plot showing87Sr/86Sr vs.δ13C of different carbonate rocks in the study area

(2)細晶、半自形白云巖

該類白云巖與上述細晶、自形白云巖具有相似的陰極發(fā)光性和Sr同位素值(圖7)，說明兩者的成巖環(huán)境和云化流體性質(zhì)差別不大，仍以淺埋藏階段的海源流體為主;而相對較輕的O同位素組成(表 2、圖6)則與其形成時的埋深增加、溫度略有升高有關(guān)。埋藏過程中云化流體的持續(xù)供給以及逐漸增加的成巖溫度可使白云石在交代方解石之后又繼續(xù)膠結(jié)增生，發(fā)生過度白云石化:過度白云石化作用使新的白云石圍繞早期形成的白云石再生長，形成多層加大邊或包殼狀環(huán)帶(圖3b，c)，從而導致白云石由自形晶向半自形晶轉(zhuǎn)變，晶間孔隙也不斷減少。由于該類白云石仍發(fā)育相對平直的晶面邊界，說明其形成時的溫度未達到晶體曲面化的臨界溫度，因此推斷其形成階段為淺埋藏晚期?？傮w上，細晶、半自形白云巖和細晶、自形白云巖的成因具有相似性和繼承性，埋藏過程中的過度白云石化可能是導致晶體自形程度變差的主要原因。

(3)中—粗晶、他形白云巖

該類白云巖主要由非平面/曲面—他形白云石組成，與前幾類晶粒白云巖的結(jié)構(gòu)差別明顯。已有研究表明，彎曲的晶面特征與較高的形成溫度［18，19］、高度過飽和的白云石化流體［47］以及晶體為爭奪生長空間而產(chǎn)生的競爭性生長［48］等因素有關(guān)。對于研究區(qū)這類白云巖而言，相對較粗的晶粒、波狀消光以及與壓溶縫合線相伴生的現(xiàn)象均說明其形成于溫度不斷升高的中或深埋藏成巖環(huán)境中［49，51］。

地化方面，該類白云巖的δ18O值明顯偏負(較上述幾類白云巖低1.9‰～3.5‰左右)，而碳同位素變化不明顯(可排除大氣淡水的影響)，亦說明其成因與高溫有關(guān)(圖6)。特別地，少量87Sr/86Sr值明顯低于當時海水值的樣品(圖7)指示了貧87Sr的幔源鍶的存在［52，53］，說明幔源熱流體參與到了白云石化過程中;而部分放射性成因87Sr明顯增加的樣品，可能與埋藏過程中的成巖蝕變有關(guān)［54］，或是幔源貧87Sr的熱流體流經(jīng)前寒武系碎屑巖輸導層后吸附了大量放射性成因87Sr而導致87Sr/86Sr值變高所致［28］，前人對塔里木盆地下古生界熱液白云巖的研究中也顯示出類似的特征［55］。顯然，中—粗晶、他形白云巖在形成過程中有大量高溫或熱液流體的參與，這也與巖芯上觀察到的裂縫或溶孔局部富集并伴隨熱液礦物充填的現(xiàn)象相吻合。

在形成方式上，除了直接交代灰?guī)r之外，該類白云巖也可由早期形成的細晶白云巖經(jīng)重結(jié)晶而來［56，58］，從而使部分中—粗晶、他形白云巖中呈現(xiàn)雙峰態(tài)分布的粒度特征(圖4d)以及斑狀陰極發(fā)光現(xiàn)象(圖5d)。另外，許多晶粒白云巖的δ18O值和87Sr/86Sr值具有不同程度的重疊，很可能是早期形成的白云巖(如細晶、自形/半自形白云巖)受后期白云石化流體(形成中—粗晶、他形白云巖的流體)影響而發(fā)生重結(jié)晶作用的結(jié)果。

綜上，中—粗晶、他形白云巖是中或深埋藏成巖階段高溫/熱液白云石化或重結(jié)晶作用的產(chǎn)物，較高的形成溫度是導致白云石晶體發(fā)生曲面化的主要原因。

3.3 白云石充填物

細晶、自形(半自形)白云石充填物通常作為縫洞首期充填物緊貼孔洞和裂縫壁生長，由于其晶體結(jié)構(gòu)特征和陰極發(fā)光性與細晶、自形白云巖或半自形白云巖類似，因此兩者具有相似的成巖環(huán)境或白云石化流體來源。

鞍形白云石獨特的晶體結(jié)構(gòu)預示其生長環(huán)境的特殊性，結(jié)晶學和地球化學特征表明這種晶體是在高溫過飽和溶液中快速形成的［59］，但也有少量鞍形白云石可能與埋藏壓實過程中宿主白云巖的自調(diào)節(jié)作用［60］以及熱化學硫酸鹽還原作用有關(guān)［61，62］。與北美地區(qū)鞍形白云石多以灰?guī)r為宿主巖層所不同的是，塔里木盆地這類白云石往往分布于白云巖地層中，雖然較高的均一溫度以及高于海水5～8倍的鹽度值均表明其形成與深部熱鹵水有關(guān)［63］，但其形成方式更可能是對先存基質(zhì)白云石的重結(jié)晶或是直接從熱流體中沉淀，而非交代灰?guī)r而來;其氧、鍶同位素組成與中—粗晶、他形白云巖具有明顯相似性(圖6，7)也說明這種白云石化流體具有親緣性和繼承性的特點。無論其形成方式如何，這些充填溶蝕孔洞的鞍形白云石的出現(xiàn)均表明研究區(qū)寒武—奧陶系碳酸鹽巖經(jīng)歷了熱液流體改造，而且部分鞍形白云石中明暗相間的陰極發(fā)光環(huán)帶似乎暗示著多期熱液活動的影響(圖5d)，這對于深埋藏條件下碳酸鹽巖中次生孔隙的形成具有重要意義，同時也為白云巖地層的油氣勘探提供了新思路。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)國際上對白云巖研究的通用術(shù)語，結(jié)合研究區(qū)實際情況，嘗試提出了塔里木盆地中央隆起區(qū)寒武—奧陶系白云巖的結(jié)構(gòu)分類方案。首先根據(jù)原始結(jié)構(gòu)保存情況將白云巖分為保留(或殘余)原始沉積結(jié)構(gòu)的白云巖和原始結(jié)構(gòu)無法識別的晶粒白云巖。保留(或殘余)原始結(jié)構(gòu)的白云巖包括了泥—粉晶白云巖和(殘余)顆粒白云巖;而晶粒白云巖則由細晶、自形白云巖、細晶、半自形白云巖和中—粗晶、他形白云巖組成。另外研究區(qū)還發(fā)育兩類白云石充填物:細晶、自形(半自形)白云石充填物和中—粗晶、鞍形白云石充填物。

(2)保留(或殘余)原始結(jié)構(gòu)的白云巖屬同生或準同生期、與蒸發(fā)海水有關(guān)的擬晶白云石化作用的產(chǎn)物，大量高度過飽和白云石化流體的通過有利于原始結(jié)構(gòu)的保存。

(3)晶粒白云巖中，細晶、自形白云巖和細晶、半自形白云巖與淺埋藏成巖階段的低溫白云石化作用有關(guān)，半咸海水的回流或下滲擴散可能是一種主要的云化模式，適度的白云石化作用有利于孔隙的形成和保存，而過度白云石化則導致晶體由自形向半自形轉(zhuǎn)化，并逐步堵塞孔隙空間。中—粗晶、他形白云巖多與中或深埋藏成巖階段的高溫/熱液白云石化及重結(jié)晶作用有關(guān)，較高的形成溫度使晶體發(fā)生曲面化。

(4)細晶、自形(半自形)白云石充填物形成于淺埋藏階段;中—粗晶、鞍形白云石充填物則屬于熱液活動的產(chǎn)物，其形成方式以重結(jié)晶或是從熱流體中直接沉淀為主。

致謝 感謝兩位審稿人提出的寶貴意見。

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