四川盆地西北部二疊系棲霞組準(zhǔn)同生期砂糖狀 白云巖特征及成因

蘆飛凡，譚秀成，鐘原，羅冰，張本健，張亞， 李明隆，肖笛，王小芳，曾偉

（1. 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西南石油大學(xué)，成都 610500；2. 中國石油集團(tuán)碳酸鹽巖儲層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西南石油大學(xué)研究分室，成都 610500；3. 中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院，成都 610041；4. 中國 石油西南油氣田公司川西北氣礦，四川江油 621741；5. 表生地球化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023；6. 中國石油杭州地質(zhì)研究院，杭州 310023）

0 引言

古老地層中的白云巖成因是目前碳酸鹽巖沉積學(xué)研究的一個關(guān)鍵問題。由于白云巖在形成過程中及形成后經(jīng)受多期流體的疊加改造，使得現(xiàn)今所觀測到的白云巖巖石學(xué)和地球化學(xué)標(biāo)志都是一種“復(fù)合體”，白云巖所呈現(xiàn)出復(fù)雜地球化學(xué)信息不可避免的會出現(xiàn)多解性和模糊性[1-3]。在這一情況下，以扎實(shí)的巖石學(xué)研究為基礎(chǔ)，通過各類成巖組構(gòu)與白云巖的接觸關(guān)系約束白云石化作用發(fā)生的時間，隨后再輔以地球化學(xué)等巖礦分析手段進(jìn)一步識別成巖流體，不失為一種可行的研究思路。

四川盆地是中國西南地區(qū)的一個大型疊合含油氣盆地，其西北部下二疊統(tǒng)棲霞組在油氣勘探中揭示了一類較特殊的非均質(zhì)砂糖狀白云巖（sucrosic dolomite）儲集層，微觀上以他形—半自形中—粗晶（粒徑300～800 μm）白云石為特征[4-5]。該類白云巖為研究深埋古老白云巖成因提供了良好的實(shí)例[6]。目前，針對棲霞組砂糖狀白云巖成因的研究仍然存在較多爭議?，F(xiàn)已報(bào)道的觀點(diǎn)包括混合水白云石化[7-8]、埋藏白云石化[8-10]、“玄武巖淋濾”[11]、“熱次盆”[12]及構(gòu)造-熱液白云石化[4-6,13-15]等。目前以淺埋藏期發(fā)生的與熱液活動相關(guān)的白云石化模式占主導(dǎo)。如按此模式，白云巖應(yīng)沿東吳末期深大斷裂分布，但盆地內(nèi)的勘探實(shí)踐顯示白云巖并非完全沿?cái)嗔严到y(tǒng)分布。

近年來，隨著川西北地區(qū)鉆探和露頭資料日漸豐富，尤其是D6 井取心和何家梁剖面均揭示存在高頻海平面變化驅(qū)動的多期次早成巖期巖溶，使判識白云石化與早成巖期巖溶[16]的相對時間成為可能。鑒于此，本文從川西北地區(qū)棲霞組鉆井巖心和野外剖面宏觀與微觀特征入手，在分析白云巖巖類學(xué)的基礎(chǔ)上，通過深入剖析早成巖期巖溶的證據(jù)和垂向序列，確定早成巖期巖溶和白云巖的成巖相對時序，進(jìn)而討論白云石化發(fā)生的時間和白云巖成巖流體，提出砂糖狀白云石化模式，以期研究結(jié)果能為研究區(qū)棲霞組白云巖儲集層的分布預(yù)測提供地質(zhì)依據(jù)，為古老復(fù)雜的白云巖成因識別提供實(shí)例。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于四川盆地的西北部，處于上揚(yáng)子板塊的川西山前凹陷帶、龍門山褶皺帶和米倉山構(gòu)造帶等構(gòu)造帶的過渡區(qū)，經(jīng)歷了多期構(gòu)造變形的疊加，形成了現(xiàn)今復(fù)雜的構(gòu)造格局（見圖1a）。下二疊統(tǒng)自下而上依次為梁山組和棲霞組[17]。其中梁山組為濱岸-沼澤相砂泥巖沉積，其后隨著棲霞組早期海侵，演變?yōu)樘妓猁}臺地沉積體系，棲霞組中下部發(fā)育灰?guī)r、泥灰?guī)r韻律，中上部為泥?；?guī)r或粒泥灰?guī)r及層狀或斑狀白云巖[17-19]。具體來說，棲霞組沉積期研究區(qū)西部為沿北東—南西向展布的臺緣丘灘和半局限海沉積，西南部和東北部則為開闊海和臺內(nèi)灘，中東部的廣元—旺蒼一線以南發(fā)育臺內(nèi)洼地（見圖1b）。棲霞組一段（簡稱棲一段）沉積早期，區(qū)內(nèi)總體為海侵過程中形成的開闊環(huán)境[18]，棲一段沉積中晚期海平面相對下降，棲一段頂部普遍存在與高頻暴露面相關(guān)的溶溝、溶洞、角礫化等現(xiàn)象（見圖1c）[19]；棲霞組二段（簡稱棲二段）沉積初期短暫海侵后，海平面在相對較長的時間內(nèi)持續(xù)處于相對低位，至棲霞組沉積末期，研究區(qū)發(fā)生區(qū)域性暴露[19]。由此，可將川西北地區(qū)梁山組和棲霞組整體劃分為兩個完整的三級海侵-海退旋回（見圖1c）， 分別大致對應(yīng)梁山組至棲一段和棲二段，其中棲二段又可分為A、B 兩個亞段（見圖1c）。在這兩個海侵-海退旋回的高位體系域控制期間，出現(xiàn)較大面積的丘灘體、半局限海等環(huán)境（見圖1b），且由于丘灘體疊置遷移，可導(dǎo)致局部水體受限，因而具有準(zhǔn)同生期白云石化的地質(zhì)背景[19]。

從構(gòu)造背景來看，二疊紀(jì)中前期，由于勉略洋的打開和擴(kuò)張，靠近構(gòu)造結(jié)合帶的川西北地區(qū)更容易受到構(gòu)造拉張作用的影響[20]。隨著張裂運(yùn)動持續(xù)活躍，在現(xiàn)今龍門山褶皺帶和米倉山構(gòu)造帶位置均形成了近北東向和近東西向兩組被動大陸邊緣正斷層系統(tǒng)（見圖1a）[20-21]。板塊邊緣的張性斷裂系統(tǒng)不僅在宏觀上控制了該區(qū)地層充填和碳酸鹽巖沉積規(guī)律，還因斷裂系統(tǒng)活動，導(dǎo)致早—中二疊世川西北地區(qū)熱事件頻繁[19,22]，為與熱活動相關(guān)的白云石化作用[4-6,13-15]提供了流體 來源。

2 樣品與方法

本次工作基于研究區(qū)的何家梁、長江溝、車家壩等實(shí)測野外剖面及D6 井等取心井資料開展。野外剖面和取心井（見圖1b）均做系統(tǒng)觀測、描述和取樣，并磨制拋光薄片479 張。常規(guī)薄片以茜素紅染色，鑄體薄片采用藍(lán)色環(huán)氧化樹脂注入孔隙。陰極發(fā)光在西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院觀察，使用CL8200 MK5陰極發(fā)光顯微鏡，在7～10 kV 和400～500 mA 的工作條件下觀測。包裹體測試和碳氧同位素組成分析在中國石油集團(tuán)碳酸鹽巖儲集層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室西南石油大學(xué)研究分室完成。包裹體測試采用德國THMSG600 型冷熱臺，測溫范圍為-196～600 ℃，溫度精度為0.1 ℃，加熱/冷凍速率為0.1～150 ℃/min。碳氧同位素組成全巖樣品使用微鉆鉆取 1 g/件，在超凈實(shí)驗(yàn)室中使用MAT 253 Plus 穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀測試，分析方法如下：將裝有碳酸鹽巖粉末的密封反應(yīng)瓶用高純氦氣進(jìn)行排空處理，隨后注入6～8 滴無水磷酸恒溫70 ℃反應(yīng)1 h，過程中釋放出的CO2氣體由氦氣流帶入同位素質(zhì)譜儀進(jìn)行檢測。微量元素（含稀土）數(shù)據(jù)引自本團(tuán)隊(duì)前期成果[22]。為進(jìn)行白云巖發(fā)育層位的井間對比，本次針對何家梁、長江溝剖面棲霞組進(jìn)行了高精度露頭伽馬測量，測點(diǎn)間隔20 cm。

圖1 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)特征及下二疊統(tǒng)沉積相分布

3 白云巖巖石學(xué)與時空分布特征

川西北地區(qū)下二疊統(tǒng)棲霞組白云巖按晶粒級別和賦存狀態(tài)主要可分為粉—細(xì)晶白云巖、中—粗晶砂糖狀白云巖和巖溶系統(tǒng)充填白云巖3 種類型（見圖2、圖3）。其中前兩者為巖溶系統(tǒng)充填白云巖的基巖。此外，巖溶系統(tǒng)充填白云巖是砂糖狀白云巖遭受溶蝕的產(chǎn)物。

3.1 白云巖巖石學(xué)特征

3.1.1 粉—細(xì)晶白云巖（Md1）

宏觀為灰色-暗紅色條帶狀互層白云巖（見圖2a、圖2d），鏡下白云石多呈他形-半自形，粒徑一般為50～150 μm（見圖2b），晶粒多具溶蝕邊，晶粒間常見溶蝕變小的白云石粉屑（見圖2b、圖2e），可見潮坪中的韻律層理（見圖2d）及潮溝中的沖刷面構(gòu)造（見圖2e），陰極射線下粉—細(xì)晶白云巖不發(fā)光或發(fā)極暗紅光（見圖2c）。

粉—細(xì)晶白云巖在區(qū)內(nèi)發(fā)育頻率較低，縱向上主要發(fā)育于棲一段上部和棲二段底部。如D6 井棲一段頂—棲二段底各個向上變淺旋回頂部和何家梁剖面棲一段單旋回頂部常見粉—細(xì)晶白云巖（見圖4）。

3.1.2 中—粗晶砂糖狀白云巖（Md2）

該類白云巖宏觀上表現(xiàn)為淺灰色塊狀，斷口粗糙，局部針孔發(fā)育，因具有糖粒狀結(jié)構(gòu)而俗稱砂糖狀白云巖（見圖2g）。鏡下晶粒粗大，直徑一般為300～800 μm，晶粒呈他形鑲嵌狀或半自形，有時見霧心亮邊結(jié)構(gòu) （見圖2h），晶間（溶）孔發(fā)育，孔隙分布具有強(qiáng)的非均質(zhì)性（見圖2g）。陰極射線下，晶粒核心部分（霧 心）不發(fā)光或發(fā)極暗紅光，晶粒邊緣（亮邊）發(fā)紅光 （見圖2i）。該巖類又可表現(xiàn)為針孔狀云巖或殘余顆粒云巖等。

圖2 川西北地區(qū)棲霞組粉—細(xì)晶白云巖和中—粗晶砂糖狀白云巖的宏觀與微觀特征

砂糖狀白云巖在研究區(qū)西部臺緣帶的鉆井和野外剖面均有產(chǎn)出，發(fā)育層位為棲二段中下部和棲一段頂部，其中尤以何家梁剖面、D6 井等發(fā)育厚度最大（見圖4）。

3.1.3 巖溶系統(tǒng)充填白云巖（Kfd）

巖溶系統(tǒng)充填白云巖是砂糖狀白云巖的一類伴生巖石，宏觀上表現(xiàn)為砂糖狀白云巖中發(fā)育深灰色或黑灰色的巖溶充填段或較小規(guī)模的溶溝充填物（見圖3a、圖3c—圖3d、圖3f）。可見形態(tài)特征多樣的角礫化現(xiàn)象，一些為巖溶優(yōu)勢通道切割形成的近原地角礫化（見圖3a—圖3b），一些云巖角礫具有搬運(yùn)和磨圓特征（見 圖3c、圖3e），另一些角礫具塑性和棱角狀（見圖3d）。鏡下構(gòu)成巖溶系統(tǒng)充填物的白云石晶粒普遍具泥晶化和晶粒溶蝕變小特征，并由半自形-自形的粉—粗晶白云石組成，粒徑一般為30～800 μm（見圖3b、圖3e、圖3g）。一些白云石具霧心亮邊特征，且亮邊邊緣具一定程度的巖溶組構(gòu)和充填物切割特征（見圖3g）。陰極射線下，該類白云巖往往由發(fā)暗紅色光的核心和發(fā)紅色、亮紅色光的環(huán)邊及晶間膠結(jié)充填物組成（見圖3h）。

該巖類是砂糖狀白云巖遭受溶蝕的產(chǎn)物，在研究區(qū)西部臺緣相區(qū)棲二段B 亞段常見，棲一段頂部偶見，尤其以D2 井、D6 井、何家梁等剖面厚度較大（見圖4）。

3.2 白云巖時空分布特征

圖3 川西北地區(qū)棲霞組巖溶系統(tǒng)充填白云巖的宏觀與微觀特征

圖4 川西北地區(qū)棲霞組白云巖縱橫向分布特征（剖面位置見圖1）

根據(jù)區(qū)內(nèi)野外露頭、取心和測錄井資料統(tǒng)計(jì)，棲 霞組白云巖的時空分布存在如下特征：①砂糖狀白云巖在小區(qū)域內(nèi)發(fā)育層位較為穩(wěn)定，如圖4 中D6 井—D3 井一帶的各鉆井中砂糖狀白云巖主要發(fā)育在棲二段B 亞段，而劍閣以北的D2 井、長江溝等鉆井和露頭剖面中，砂糖狀白云巖則多發(fā)育于棲二段B 亞段頂部及棲二段A 亞段底部；②總體上，砂糖狀白云巖自南西向北東具有發(fā)育層位抬升趨勢；③各類白云巖總厚度一般為10～30 m，少數(shù)鉆井的白云巖發(fā)育較早，且厚度巨大，例如D6 井白云巖發(fā)育于棲一段頂部至棲二段B 亞段下部，累計(jì)厚度達(dá)39 m，何家梁剖面棲霞組完全白云石化，白云巖累計(jì)厚度達(dá)112 m（見圖4）。

從圖4 中還可以看出，棲霞組沉積早期地層總體具有向北東超覆的趨勢，由于地層超覆和多級海平面升降的影響，加上區(qū)內(nèi)沉積期地貌總體變化較小，共同控制了不同層位的丘灘體疊置遷移頻繁[21]。而在高頻海退期，因丘灘體遷移導(dǎo)致局部受限，沉積微地貌高地和局限位置變化，高頻海退末期的暴露可能僅僅導(dǎo)致局部高地接受溶蝕。這可能最終造成了暴露巖溶發(fā)育層位不穩(wěn)定，且早期白云石化的層位性不明顯。

4 白云石化時間的巖石學(xué)證據(jù)

關(guān)于棲霞組臺緣區(qū)砂糖狀白云巖的白云石化時間長期以來存在爭議。部分學(xué)者認(rèn)為棲霞組沉積期不存在蒸發(fā)濃縮—回流滲透白云石化的局限環(huán)境[11]，白云石化發(fā)生在埋藏成巖期[9]。陳軒等[14]和劉宏等[23]通過分析白云巖孔洞中的瀝青、硅質(zhì)等充填物的形成時間，認(rèn)為中—下二疊統(tǒng)白云巖的形成時間早于侏羅紀(jì)，最早可能發(fā)生在二疊系沉積結(jié)束前；He 等[24]使用U-Pb定年等手段，推測峨眉山玄武巖熱效應(yīng)持續(xù)時間為距今（257±3）～（263±5）Ma，黃思靜等[4]則進(jìn)一步指出棲霞組的白云石化發(fā)生在該時間段內(nèi)；朱傳慶等[25]和江青春等[9]通過Ro值、包裹體測溫等數(shù)據(jù)進(jìn)行了古地溫梯度恢復(fù)，并由此推測中二疊統(tǒng)白云石化發(fā)生在中二疊世末至晚二疊世初期（距今約259 Ma）。這些觀點(diǎn)認(rèn)為棲霞組的白云石化與東吳運(yùn)動及同期的熱活動有關(guān)，并由此認(rèn)為棲霞組白云石化發(fā)生在東吳運(yùn)動高峰期及其后一段時間[4-6,13-15]。但前述的對白云石化時間的研究主要依賴于對孔洞中膠結(jié)充填物形成時間的測定和判斷，因而存在多解性和模糊性。而宏、微觀成巖組構(gòu)直接的交叉切割特征則是識別相對地質(zhì)事件時間的最直接證據(jù)[26]。下面著重論述棲霞組白云巖中發(fā)育的海平面高頻波動形成的早成巖期巖溶的證據(jù)、垂向序列以及組構(gòu)特征，并且利用這種高頻暴露巖溶組構(gòu)與白云石晶粒的切割關(guān)系厘定白云石化發(fā)生的相對時間。

4.1 早成巖期巖溶的證據(jù)

高頻海平面變化驅(qū)動的早期暴露巖溶，也稱為準(zhǔn)同生期暴露巖溶或早表生暴露巖溶[16]，也有學(xué)者將處于早成巖期的沉積巖暴露巖溶合稱為早成巖期巖溶[27]。本文將高頻海平面變化驅(qū)動的這類早期巖溶定義為早成巖期巖溶（eogenetic karst）。其主要指潮坪、顆粒灘、生物礁丘等淺水碳酸鹽沉積物在向上變淺沉積旋回中，由于相對海平面周期性下降，旋回頂部暴露于海平面之上接受淡水淋濾和風(fēng)化剝蝕[28-29]。早成巖期巖溶的過程自一個旋回頂部暴露開始，直至下一旋回初始海泛結(jié)束。由于成巖早期受改造的巖石結(jié)構(gòu)疏松、巖石內(nèi)部孔滲非均質(zhì)性強(qiáng)、巖溶水流動受優(yōu)勢通道控制，導(dǎo)致這種成巖早期的巖溶特征與經(jīng)典的晚表生巖溶作用具有明顯的差異[16]?？偨Y(jié)前人大量研究可知，早成巖期巖溶具有如下識別標(biāo)志：①溶蝕體具有蜂窩狀、海綿狀、花斑狀等溶蝕形態(tài)；②溶蝕充填物中富含離解的基巖顆粒、生物碎屑、滲流碳酸鹽巖泥砂等，溶蝕離解、破碎、白堊化碎屑組分鏡下多呈泥晶和微亮晶等特征，溶蝕孔洞與圍巖界面模糊；③早期軟巖石（soft rock）巖溶普遍具備的相控、層控特征；④多旋回的高頻疊置[29-30]。

研究區(qū)內(nèi)棲一段中上部和棲二段中常常可見多旋回發(fā)育的暴露面（見圖5a），暴露面之上覆蓋后期海侵初期充填的綠灰色粉—細(xì)晶白云巖，并具有向兩側(cè)微高地超覆的典型特征（見圖5b）。暴露面之下發(fā)育厘米級風(fēng)化殼，風(fēng)化殼一般厚2～10 cm 不等，呈土黃色、褐紅色（見圖5a、圖5c），并可識別出黏土質(zhì)、白云石粉屑和鐵質(zhì)殘積物為主的風(fēng)化層，溶溝交叉切割基巖形成的原地角礫為主的半風(fēng)化層，以及其下的基巖帶（見圖5c—圖5e）；基巖中零星發(fā)育毫米級溶蝕，并為粉—細(xì)粒白云石滲流粉屑半充填—全充填（見圖5e）。充填的巖溶通道周緣，可見清晰的淡水淋濾、泥晶化（尤其是白云巖角礫的泥晶化）和砂糖狀白云巖中的晶粒溶蝕變小現(xiàn)象（見圖3e、圖5d、圖5h）。野外剖面和巖心中均可見到砂糖狀白云巖中存在囊狀溶洞，以及蜂窩狀、海綿狀、花斑狀溶蝕等特征（見圖5f、圖5g），甚至優(yōu)勢巖溶通道切割形成假角礫化（見圖5f）。此外，近水平溶洞和洞穴角礫也在各井區(qū)極為常見，如D6 井、D2 井和何家梁剖面（見圖3c—圖3d）?？傮w來說，早成巖期巖溶現(xiàn)象具有受高頻海平面變化約束的特征，各類巖溶現(xiàn)象和單旋回末期的暴露面緊密相關(guān)，并基本發(fā)育在高頻海退期沉積物當(dāng)中，存在明顯的“相控性”。

4.2 早成巖期巖溶的垂向序列

研究表明，碳酸鹽臺地內(nèi)高頻海平面變化對于早成巖期巖溶的發(fā)育具有明顯控制作用[30]，其海平面相對升降周期多表現(xiàn)為一個快速海侵和隨后緩慢海退的過程[30-31]。研究區(qū)棲霞組中常見顆粒灘和潮坪兩種頂部具暴露面的向上變淺序列，并在垂向上疊覆出現(xiàn)，反映了海平面頻繁的震蕩變化與高頻暴露。下面選取D6 井第7 次取心段（井深7 753.50～7 759.86 m）的顆粒灘向上變淺序列和第5 次取心段（井深7 744.87～ 7 746.20 m）的潮坪向上變淺序列為例說明（見圖6、圖7）。

如圖6 所示，在D6 井棲霞組7 754.35～7 758.40 m取心段的顆粒灘向上變淺序列中，由下至上巖性依次為粒泥灰?guī)r-砂糖狀白云巖-含炭質(zhì)顆?；?guī)r的巖性組合，沉積環(huán)境依次對應(yīng)向上變淺的半局限海-顆粒灘-沼澤序列（見圖6 中b—i），砂糖狀白云巖對應(yīng)顆粒灘位置。7 754.35 m 之上一段則為下一沉積旋回的半局限海-顆粒灘（見圖6 中a）沉積序列。巖心中整體呈現(xiàn)出相對低能的灰?guī)r類和白云石化的顆粒巖類互層的沉積特征。單旋回由海侵初期至顆粒灘頂部暴露，向上沉積水體能量明顯升高。取心段中可以明顯地識別出大量巖溶組構(gòu)，如溶溝、溶洞、角礫等（見圖6 中b—h），從巖溶序列來看，底部灰?guī)r段僅發(fā)育小規(guī)模溶溝、溶縫（見圖6 中i），但相對致密的灰?guī)r段作為隔水層控制了其上高滲層的巖溶特征。砂糖狀白云巖底部的巖溶現(xiàn)象呈現(xiàn)出明顯的順層狀巖溶特征（見圖6中g(shù)、h），中部以溶斑、溶溝等滲流巖溶特征為主（見圖6 中e、f），頂部暴露面之下可見優(yōu)勢通道切割形成的近原地角礫化現(xiàn)象（見圖6 中b—d，j，k）。總體來 說，D6 井顆粒灘向上變淺旋回中的早成巖期巖溶存在明顯的相控性。類似的相控早期巖溶現(xiàn)象在美國佛羅里達(dá)新近系、中國鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組和四川盆地南部地區(qū)二疊系茅口組均曾見諸報(bào)道[29-31]。

圖5 川西北地區(qū)棲霞組早成巖期風(fēng)化暴露面及地層超覆特征

D6 井棲霞組7 744.87～7 746.20 m 巖心段中的3個高頻海平面升降旋回，則以具殘余顆粒結(jié)構(gòu)的砂糖狀白云巖開始，代表潮間帶下部的云坪沉積；巖心中向上過渡為暗紅色、淺灰色泥云坪或藻云坪粉—細(xì)晶白云巖，宏觀可見藻紋層、韻律層理發(fā)育（見圖7）。該序列向上水體能量變低，并呈現(xiàn)出云質(zhì)潮坪的沉積特征。受海平面頻繁周期性相對下降的影響，潮坪沉積序列頂部出露海面，發(fā)生沉積間斷并遭受大氣淡水淋濾改造，發(fā)育暴露侵蝕面、滲流充填物、角礫化等一系列典型的早成巖期巖溶標(biāo)志（見圖7），潮坪序列頂部巖溶現(xiàn)象最為顯著，至中下部巖溶現(xiàn)象呈迅速減少趨勢。潮坪序列中巖溶組構(gòu)以滲流帶產(chǎn)物為主，潛流帶不發(fā)育。

同位素組成地球化學(xué)分析較好地與前述巖石學(xué)推斷相印證。本次選取上述D6 井顆粒灘沉積序列，對其中白云巖進(jìn)行碳氧同位素組成密集取樣分析。結(jié)果顯示，在顆粒灘沉積序列中碳氧同位素組成的協(xié)同變化特征較好。位于暴露侵蝕面之下一定范圍內(nèi)，受強(qiáng)烈?guī)r溶改造影響的丘灘體δ13C 值和δ18O 值均發(fā)生一定程度的負(fù)偏移，且自上而下隨著離暴露面距離的增加， 其負(fù)偏移程度逐漸減弱，呈現(xiàn)出明顯的旋回性（見圖6）。這反映了棲霞組存在多期由上而下的大氣淡水滲流溶蝕作用，與早成巖期高頻暴露特征相吻合。

綜上所述，可以認(rèn)為川西北地區(qū)棲霞組在早成巖期即發(fā)育了多期次的巖溶作用和白云石化作用，而且白云石化作用在時間上明顯早于早成巖期與高頻暴露密切相關(guān)的巖溶作用。

4.3 白云巖與高頻暴露巖溶組構(gòu)的相互關(guān)系

根據(jù)野外剖面和巖心觀察以及巖石薄片的顯微鏡下鑒定，川西北地區(qū)棲霞組白云巖與高頻暴露巖溶組構(gòu)的相互關(guān)系具有如下特征：①宏觀上，高頻暴露面及暴露面之下的灰綠色溶溝充填物切割了早期形成的暗紅色白云巖，暗示白云巖形成于高頻暴露巖溶之前，且溶溝充填物與其上的基質(zhì)白云巖漸變過渡，可能與暴露后的下一旋回海侵充填相關(guān)（見圖8a、圖8b）；②微觀上，灰綠色溶溝和溶洞充填物主要由溶蝕變小的白云石晶粒、滲流物或黏土組成（見圖5d、圖5h），表明溶溝、溶洞形成之前白云石化已經(jīng)完成；③暴露面之下的霧心亮邊砂糖狀中—粗晶白云石間也可見后期初始海侵沉積的黏土充填，且部分白云石具有溶蝕后再充填特征（見圖8c、圖8f—圖8h）；④晶粒白云巖受漫流影響時，巖溶較強(qiáng)區(qū)域白云石泥粉晶化或形成白云石滲流砂（見圖5h），并由于優(yōu)勢通道的切割而角礫化，從而形成具溶蝕邊、晶粒相對粗大的砂礫屑白云巖，部分位置存在去白云石化現(xiàn)象（見圖8d）；⑤早期洞穴為白云巖碎屑和黏土混合充填，且中粗晶白云石構(gòu)成的砂礫屑具明顯磨圓（見圖8e）。

綜上，大量的成巖組構(gòu)證據(jù)表明：川西北地區(qū)棲霞組相對規(guī)模性分布的砂糖狀白云巖被高頻暴露成因的巖溶組構(gòu)所切割，且?guī)r溶系統(tǒng)充填物為具溶蝕邊的 白云巖碎屑和白云石粉屑充填特征，表明在早成巖期巖溶之前，偶具霧心亮邊特征的中—粗晶白云巖已經(jīng)形成。這是確定棲霞組規(guī)模性白云石化時間最直接的證據(jù)，因而可以明確厘定棲霞組的相對規(guī)模中粗晶白云巖形成于準(zhǔn)同生期，而非傳統(tǒng)認(rèn)為的埋藏期。

5 準(zhǔn)同生期砂糖狀白云巖成因及意義

綜合前述論證表明，棲霞組砂糖狀白云巖形成于準(zhǔn)同生期。但準(zhǔn)同生期如何形成偶具霧心亮邊的中粗晶白云石，顯然僅用單一的準(zhǔn)同生白云石化模式難以解釋。

5.1 棲霞組沉積期海域存在相控的封隔受限條件

研究區(qū)臺緣帶粉—細(xì)晶白云巖普遍發(fā)育于潮坪序列頂部，常見潮間—潮上環(huán)境中特有的韻律層理等沉積構(gòu)造和鮮艷氧化色（見圖2a、圖2d、圖8a），結(jié)合暗淡的陰極發(fā)光特征（見圖2c），說明其可能形成于咸化海水等Mn2+/Fe2+較低的高鹽度地表流體中[32]。但區(qū)內(nèi)棲霞組白云巖皆未與蒸發(fā)巖和蒸發(fā)礦物伴生。前人研究顯示，早期白云巖并不一定與膏鹽巖伴生，這可能與海水雖具有較高的Mg/Ca 值，但鹽度尚未到達(dá)可使石膏沉淀的程度有關(guān)。由這類海源流體促發(fā)的白云石化應(yīng)屬“半咸水白云石化”或“中等鹽度鹵水回流白云石化”[33-34]。這一成因模式已為匈牙利Dachstein臺地上三疊統(tǒng)白云巖[34]、地中海西部Peritidal 地區(qū)下侏羅統(tǒng)白云巖[35]、四川盆地中部地區(qū)下寒武統(tǒng)龍王廟組白云巖[36]所證實(shí)。

另一方面，碳氧同位素組成分析顯示，同期灰?guī)r的 δ13C 值為 1.12‰～4.80‰，δ18O 值為-7.25‰～-3.02‰，碳氧同位素組成均值分別為 2.70‰與-5.14‰；而粉—細(xì)晶白云巖的 δ13C 值為 3.51‰～4.11‰，δ18O 值為-2.99‰～-0.70‰，碳氧同位素組成均值為3.79‰與-1.59‰（見圖9）。一般認(rèn)為，白云巖碳氧同位素組成較同期海水碳氧同位素組成明顯正偏移，指示白云巖形成于具蒸發(fā)背景的局限水體當(dāng)中[37]。粉—細(xì)晶白云巖較同期海水[37]及灰?guī)r具有明顯的碳氧同位素組成正偏移特征，且投在基于分餾方程[38]計(jì)算得到的同時期海水沉淀的白云石氧同位素組成分布范圍，表明區(qū)內(nèi)棲霞組沉積期臺緣帶存在局部蒸發(fā)受限的古地理背景。

圖9 川西北地區(qū)棲霞組白云巖及灰?guī)r碳氧同位素組成交會圖

進(jìn)一步結(jié)合沉積背景來看，棲霞組沉積期以高頻向上變淺丘灘序列建造為特征，且地層、沉積具有向地貌高地超覆的特征（見圖4），向上變淺沉積序列的生長可引起丘灘疊置遷移，導(dǎo)致局部海域封隔受限， 從而具備準(zhǔn)同生期蒸發(fā)濃縮和回流滲透白云石化的古環(huán)境基礎(chǔ)。由丘灘體疊置遷移導(dǎo)致的封隔受限引起相關(guān)的白云石化，必然存在發(fā)育層位不穩(wěn)定的特征，這也合理解釋了目前鉆探揭示的白云巖發(fā)育層位不穩(wěn)定的顯著特征（見圖4）。

5.2 棲霞組沉積期砂糖狀白云巖的成巖環(huán)境

如前述，研究區(qū)棲霞組砂糖狀白云巖形成于高頻暴露巖溶之前。但該類白云石微觀偶見霧心亮邊，在陰極射線下晶粒邊緣存在亮色環(huán)帶（見圖2h、圖2i），這暗示白云石的最終形成與準(zhǔn)同生期的多期次流體的交代與膠結(jié)作用有關(guān)[32]，而傳統(tǒng)的白云石化模式無法解釋這一點(diǎn)。本次研究在早成巖期巖溶組構(gòu)切割的砂糖狀中—粗晶白云石中找到了17 個原生氣液兩相包裹體（見圖2f、圖10a），在溶孔、裂縫中的馬鞍形白云石等膠結(jié)充填物也找到了24 個原生氣液兩相包裹體。這些原生包裹體具有不同形狀（拉長或不規(guī)則），直徑一般為2～10 μm，氣相體積約占到包裹體體積的5%～15%。包裹體均一化溫度測試結(jié)果顯示：巖溶組構(gòu)切割的中—粗晶白云石的包裹體均一溫度為96～124 ℃，平均值為107 ℃（見圖10a、圖10c），屬于高溫成因白云石范疇；白云石膠結(jié)充填物的包裹體均一溫度為137～194 ℃，平均值為162 ℃（見圖10b、圖10c），也屬于高溫白云石范疇。中—粗晶白云石包裹體均一溫度均顯著高于沉積期正常海水溫度，但低于高溫環(huán)境下形成的白云石膠結(jié)物[4]的包裹體溫度區(qū)間。這說明這兩類白云石均形成于高溫成巖環(huán)境。中—粗晶白云巖的流體δ18O 值計(jì)算范圍為-0.4‰～8.5‰（SMOW）[4]，高于早二疊世海水背景值[38]，與白云石膠結(jié)物的流體δ18O 值區(qū)間-4.0‰～8.3‰（SMOW）相似（見圖10d）。這一結(jié)果表明巖溶組構(gòu)切割的偶具霧心亮邊的中—粗晶砂糖狀白云巖形成時，受到同期高溫流體的疊加影響；同時，后期孔洞充填的白云石膠結(jié)物的包裹體溫 度也說明其受多期熱液疊合影響（見圖6）。準(zhǔn)同生期和后期埋藏?zé)嵋旱拇嬖?，表明棲霞組沉積期張裂活動已初始活躍，且其后存在多幕式熱液的疊合改造。

圖10 川西北地區(qū)棲霞組白云巖流體包裹體特征

5.3 棲霞組沉積期砂糖狀白云巖的成巖流體

碳氧同位素組成分析顯示（見圖9），棲霞組中—粗晶砂糖狀白云巖的δ13C 值為0.92‰～3.81‰，δ18O值為-8.68‰～-3.43‰，碳氧同位素組成均值分別為2.42‰與-6.50‰；白云石膠結(jié)物的δ13C 值為0.03‰～1.68‰，δ18O 值為-16.35‰～-9.03‰，碳氧同位素組成均值分別為0.89‰與-12.20‰。中—粗晶砂糖狀白云巖的碳同位素組成分布基本和灰?guī)r一致，氧同位素組成呈現(xiàn)弱負(fù)偏移?？傮w來說碳氧同位素組成均遠(yuǎn)小于幔源熱液沉淀[4]的白云石膠結(jié)物（見圖9）。這說明了砂糖狀白云巖的成巖流體并非幔源熱液，而與海源流體具有親緣性。其δ18O 值呈現(xiàn)的弱負(fù)偏移則可能與淡水流體對基質(zhì)白云巖的微弱影響有關(guān)，這剛好與巖石學(xué)上呈現(xiàn)出的巖溶特征吻合。

微量和稀土元素的分析[22]顯示，砂糖狀中—粗晶白云巖總體繼承了灰?guī)r的稀土元素配分形態(tài)，Ce 元素也呈現(xiàn)了和灰?guī)r類似的微弱負(fù)偏移特征（見圖11），說明了該類白云巖形成于含氧量相對較高的近地表成巖環(huán)境當(dāng)中。白云石膠結(jié)物稀土元素配分形態(tài)則明顯有別于砂糖狀中—粗晶白云巖，存在Ce 正異常和極為顯著的Eu 正異常（見圖11），說明其成巖流體為封閉還原條件下的幔源熱液。而砂糖狀白云巖δEu 平均值為0.964，大于灰?guī)r（δEu 平均值為0.820），但遠(yuǎn)小于白云石膠結(jié)物（δEu 平均值為6.217）（見表1），這表明白云石化流體中可能混入了參與過深部循環(huán)的流體或少量熱液，導(dǎo)致δEu 值微弱升高，暗示了砂糖狀白云巖形成于熱活動時期。但另一方面，砂糖狀白云巖的Mn/Sr 值平均僅為0.71，顯著小于2.0，說明了白云石化過程更多保留了原始海水的信息，而微量元素Ba 的平均含量為13.31×10-6，低于20×10-6，也說明熱液并非白云巖最主要的成巖流體（見表1）。再結(jié)合類似灰?guī)r的稀土元素配分形態(tài)，可推斷準(zhǔn)同生期海水為該類白云巖最主要的成巖流體，提供了白云石化過程所需的 Mg2+?？紤]到準(zhǔn)同生期海水的溫度很難突破白云石形成的動力學(xué)屏障，因而熱活動提供的升溫作用可能是海源流體主導(dǎo)的白云石化得以正向進(jìn)行的關(guān)鍵[4,22]。

圖11 川西北棲霞組砂糖狀白云巖、灰?guī)r及白云石膠結(jié)物PAAS 標(biāo)準(zhǔn)化REE+Y 配分模式圖

表1 川西北棲霞組砂糖狀白云巖、灰?guī)r及白云石膠結(jié)充填物的稀土元素和微量元素分析結(jié)果

5.4 棲霞組沉積期砂糖狀白云石化模式

結(jié)合區(qū)域背景可知，東吳運(yùn)動初始張裂活動形成的多級張性塊斷活動造成了竹園壩—礦山梁、通口—雙魚石兩帶北東—南西向高地的存在（見圖1b）。隆坳起伏的地貌造成臺緣帶位置在棲二段沉積時期相對海退的過程中海域出現(xiàn)封隔、圍限，形成相對鹽度較高的缺氧環(huán)境[19]。在高頻海退過程中，由于可容性空間有限，灘體在原有地貌基礎(chǔ)上疊置遷移，這一過程使得海水在海退周期中進(jìn)一步受限和咸化，因重鹵水蒸發(fā)濃縮和回流滲透導(dǎo)致了丘灘沉積體發(fā)生白云石化，初步形成了發(fā)育層位不穩(wěn)定的臺緣帶粉—細(xì)晶白云巖（見圖12a）。但準(zhǔn)同生期蒸發(fā)濃縮和回流滲透白云巖仍保留大量的粒間孔、格架孔和晶間微孔，且這一時期形成的白云石在高溫或埋藏條件下處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)[40-42]，因而極易發(fā)生成巖蝕變。此時由于東吳運(yùn)動初始張裂活動的影響，研究區(qū)上地殼表層熱流值異常升高[25]。張裂活動在棲霞組沉積期使地殼初步張開，川西臺緣帶海水沿?cái)嗔严聺B并為地溫加熱，成為高溫孔隙水，并在密度梯度控制下上升。這進(jìn)一步加速了臺緣帶地形坡折之外的深海低溫海水被補(bǔ)償性吸入臺緣帶孔滲層下部，使這一循環(huán)得以持續(xù)[3,43]。這類海水循環(huán)加熱的高溫流體上升進(jìn)入近地表孔滲層后，疊合改造先期準(zhǔn)同生期白云巖，導(dǎo)致棲霞組先期粉—細(xì)晶白云石形成生長亮邊或重結(jié)晶，最終形成偶具霧心亮邊的砂糖狀白云石（見圖12b）。總而言之，東吳期構(gòu)造活動造成的地溫異常為白云石化提供了克服動力學(xué)障礙所需的升溫條件，而持續(xù)源源不斷循環(huán)補(bǔ)給的大洋海水則提供了Mg2+來源，因此這一白云石化模式可以被稱為“準(zhǔn)同生期海水循環(huán)熱液疊加白云石化模式”。

與此同期，持續(xù)的幕式張裂活動驅(qū)動的高頻海退導(dǎo)致臺緣帶高地遭受暴露和溶蝕，早成巖期巖溶組構(gòu)切割近同期形成的白云巖，從而出現(xiàn)溶溝、溶縫、溶洞、花斑狀溶蝕及白云石泥晶化和晶粒變小等特征，尤其是局部巖溶組構(gòu)可切割先期霧心亮邊白云石（見圖3g、圖5h）。當(dāng)下一次高頻海侵時，初始海侵沉積物可灌入先期巖溶系統(tǒng)，從而形成中—粗晶白云石晶粒間充填的海侵期黏土（見圖8f—圖8h）等，這是埋藏期熱液白云石化難以解釋的現(xiàn)象。需要注意的是，棲霞組沉積后東吳運(yùn)動主幕的張裂活動可能已斷開地殼，這導(dǎo)致棲霞組繼續(xù)受多幕式幔源熱液活動的持續(xù)影響，但體現(xiàn)為馬鞍形白云石等膠結(jié)物充填孔洞，因而具有更高的包裹體溫度和顯著的幔源流體地球化學(xué)特征。

這一準(zhǔn)同生期海水循環(huán)熱液疊合白云石化模式的提出，解釋了棲霞組準(zhǔn)同生期砂糖狀白云巖的成因，是對現(xiàn)有砂糖狀白云巖成因理論的拓展，同時也說明前人提出的多期次、長時間的回流滲透模式造成的白云石過度生長[3]并不適用于解釋棲霞組的砂糖狀白云巖成因。

圖12 川西北棲霞組準(zhǔn)同生期砂糖狀白云巖成因模式圖

5.5 油氣儲集意義

孔洞型砂糖狀白云巖是一類優(yōu)質(zhì)的碳酸鹽巖油氣儲集層[6]，而棲霞組白云巖儲集層的優(yōu)越儲集能力也已為勘探所證實(shí)[6,9,13-14,19]。雙魚石氣田的勘探突破和產(chǎn)能建設(shè)表明這類白云巖儲集層具有不穩(wěn)定的沿臺緣呈帶狀分布的特征，此外按此規(guī)律部署的川西地區(qū)平探1井、樂山1 井棲霞組在2020 年均鉆遇厚約20 m 的孔洞白云巖儲集層，其中平探1 井獲氣66.86×104m3/d，再次證實(shí)這類白云巖儲集層具有沿盆地西部邊緣呈帶狀規(guī)模性分布的特點(diǎn)。若按早期的熱液白云石化的主流觀點(diǎn)解釋，白云巖儲集層應(yīng)沿基底斷裂等熱液通道及其附近區(qū)域分布，但鉆探結(jié)果不完全是這樣。這是由于準(zhǔn)同生期海水循環(huán)熱液疊加模型除了需要張裂活動提供的熱源外，對淺灘疊置遷移形成的相對局限環(huán)境、臺緣等適宜冷熱海水循環(huán)補(bǔ)給的地形坡折帶、利于準(zhǔn)同生期成巖流體輸導(dǎo)的丘灘體先期孔滲層等要素更加依賴。據(jù)此可知，充分滿足上述條件的川西臺緣帶區(qū)域，包括龍門山山前帶及其南緣皆可能存在這類白云巖儲集層；而上揚(yáng)子臺內(nèi)區(qū)域若存在可導(dǎo)致丘灘體疊置遷移的相對坡折帶，如高石梯—磨溪地區(qū)，也可能存在薄層帶狀分布的白云巖儲集層。

另一方面，這一發(fā)現(xiàn)也證實(shí)了棲霞組沉積期存在斷至地殼的張裂活動和海水循環(huán)熱液，從側(cè)面揭示了東吳期張裂活動第一幕始于棲一段沉積晚期，研究區(qū)北部勉略洋的開啟很可能始于這一時期。而棲霞組沉積期在廣元—旺蒼一線的臺內(nèi)洼地沉積則可能是勉略洋初始開啟的沉積響應(yīng)（見圖1b）。按此規(guī)律，繼承性的沉積-構(gòu)造持續(xù)分異也使臺洼邊緣的坡折帶有潛力成為中—下二疊統(tǒng)有利的勘探區(qū)帶。

6 結(jié)論

川西北地區(qū)下二疊統(tǒng)棲霞組以偶具霧心亮邊的砂糖狀中—粗晶白云巖發(fā)育為特征，次為粉—細(xì)晶白云巖和巖溶系統(tǒng)充填白云巖，其呈層位和厚度規(guī)模不穩(wěn)定的帶狀分布，且向北東具有層位逐漸抬升的趨勢。白云巖中可識別多期高頻暴露巖溶的向上變淺序列，且可見大量早成巖期巖溶特征，這些早期巖溶組構(gòu)切割了先期形成的砂糖狀中—粗晶白云巖，說明棲霞組砂糖狀白云巖形成于準(zhǔn)同生期。在臺緣帶丘灘體疊置遷移形成的受限環(huán)境中，因蒸發(fā)濃縮-回流滲透而形成了準(zhǔn)同生期粉—細(xì)晶白云巖，受近同期東吳運(yùn)動初始張裂活動和海水沿?cái)嗔蜒h(huán)熱液疊加作用，最終形成了中—粗晶砂糖狀白云巖。在此基礎(chǔ)上建立了準(zhǔn)同生期海水循環(huán)熱液疊合白云石化模式。該模式為川西地區(qū)存在層位不穩(wěn)定的帶狀展布的白云巖提供了合理解釋，拓寬了勘探領(lǐng)域。