川西北下二疊統(tǒng)棲霞組斑馬狀白云巖地球化學特征及形成過程
——以ST18井為例

王利超，周 楊，胡林輝，張 亞，王柏智，喬艷萍

1.西南石油大學 地球科學與技術學院，成都 610500；2.中國石油 東方地球物理公司 西南物探分公司，成都 610213；3.中國石油 西南油氣田分公司 勘探開發(fā)研究院，成都 610041

四川盆地二疊系棲霞組白云巖儲層是天然氣勘探中的重點對象之一。近年來，川西北地區(qū)部署的多口井在棲霞組白云巖儲層中均獲高產(chǎn)工業(yè)氣流，引起了人們的廣泛關注[1-2]。前人針對川西北棲霞組白云巖的成因開展了大量研究工作，對棲霞組白云石化作用的解釋有多種，如淋濾玄武巖模式[3]、埋藏白云石化[4]、構造熱液白云石化[5]、熱對流模式[6]，以及多階段白云石化作用的疊加等[7]。其中，多數(shù)白云石化作用都與峨眉山大火成巖省(Emei Large Igneous Provinces，ELIP)活動有關[8]。

典型的熱液白云巖具有斑馬結構、水力壓裂角礫巖、鞍形白云石、黃鐵礦等巖石學特征[9]。斑馬結構是世界范圍內地質構造中常見的周期性結構，常與熱液成礦作用有關；在巖石中交替出現(xiàn)的粗粒淺色(亮帶)和細粒深色(暗帶)通常被稱為斑馬結構[10-11]。前人研究表明，斑馬狀白云巖暗帶的成因主要是交代宿主灰?guī)r形成，而對于斑馬狀白云巖亮帶的成因還存在分歧，目前主要有兩種主流觀點：(1)交代作用或重結晶作用；(2)直接沉淀，即在暗帶的白云巖中發(fā)生溶蝕作用形成開放空間，受到熱液流體脈沖式作用進而從流體中直接沉淀白云石形成[12]。

四川盆地棲霞組受峨眉山大火成巖省的影響，局部發(fā)育熱液白云巖[9]。川西南地區(qū)位于峨眉山超級地幔柱的“中帶”[12]，已有斑馬狀白云巖的發(fā)育報道[13]。而川西北地區(qū)位于峨眉山超級地幔柱的“外帶”[12,14]，相對于川西南地區(qū)而言受熱液的影響較小，斑馬狀白云巖的出露少見，因而研究甚少。鑒于此，本文針對川西北下二疊統(tǒng)棲霞組井下巖心中出現(xiàn)的斑馬狀白云巖，展開系統(tǒng)的巖石學觀察，在此基礎上針對斑馬結構中的亮帶和暗帶，分別取樣開展地球化學分析，以探討斑馬狀白云巖的形成過程。

1 區(qū)域地質概況

ST18井位于四川盆地西北部，在大地構造位置上屬于揚子板塊西北邊緣(圖1a)，且位于三個構造單元過渡帶(圖1b)。瓜德魯普統(tǒng)(Guadalupian)沉積晚期(約268 Ma)，由于峨眉山大火成巖省(ELIP)的強烈構造運動和古特提斯洋殼向揚子板塊的俯沖作用，整個揚子克拉通在構造上處于拉張環(huán)境[6]。峨眉山大火成巖省的活動，導致四川盆地在較長一段時間內處于異常高地溫中，盡管川西北地區(qū)遠離活動中心，但熱流值仍高達70 mW/m2[14]。

本次研究主要針對四川盆地西北部下二疊統(tǒng)棲霞組的斑馬狀白云巖，棲霞組下伏梁山組，上覆茅口組，與國際地層單位中的烏拉爾統(tǒng)空谷階(Kungurian)相對應，年齡約為283.5～272.95 Ma[17]。川西北地區(qū)的棲霞組主要發(fā)育灰色—淺灰色白云巖和灰色—深灰色灰?guī)r[18]。

2 采樣及分析方法

針對ST18井棲霞組地層中的斑馬狀白云巖，自下而上共取巖心樣品10件，取樣深度介于7 636.47～7 639.47 m(圖1c)。本文在系統(tǒng)巖心觀察和描述的基礎上，對采集的巖心樣品磨制薄片。通過薄片鑒定、陰極發(fā)光和掃描電鏡分析，對白云巖的晶體結構、晶體大小、晶體類型等方面進行精細研究。薄片鑒定使用型號為Olympus BX53的偏光顯微鏡，陰極發(fā)光分析儀器型號為CL8200 MK5，掃描電鏡分析儀器型號為Quanta 650 FEG。以上實驗均在西南石油大學地球科學與技術學院實驗室完成。

圖1 川西北ST18井區(qū)域地質簡圖及地層柱狀圖

在上述巖石學系統(tǒng)觀察的基礎上，針對斑馬結構中的亮帶和暗帶分別取樣，進行巖石粉末(200目)磨制，并完成X-射線粉末衍射實驗和碳酸鹽巖碳、氧同位素(粉末樣品)測試。X-射線粉末衍射實驗在西南石油大學新能源與材料學院完成，儀器型號為DX-2700。利用CuKα輻射波長(λ=1.540 6 ?，1 ?=10-10m)記錄樣品的衍射譜圖，通過Jade軟件對衍射數(shù)據(jù)進行物相鑒定和定量分析，確定白云石樣品的礦物成分、晶胞參數(shù)、有序度及化學計量等信息。碳、氧同位素測試在中國科學院南京地質古生物研究所實驗技術中心同位素實驗室完成，同位素質譜儀主機型號為MAT-253，制樣系統(tǒng)為Kiel IV Carbonate Device，標樣為GBW-0440LC5。碳氧同位素值用‰表示(相對PDB標準)，δ13CPDB和δ18OPDB測定值標準偏差分別小于0.020‰和0.050‰。

3 巖石學特征

斑馬狀碳酸鹽巖的巖心觀察發(fā)現(xiàn)，其巖性主要為白云巖。在巖心觀察的基礎上，通過鏡下薄片鑒定，根據(jù)白云石的晶體大小、自形程度和晶體結構[19]，將ST18井中的斑馬狀白云巖分為斑馬狀白云巖暗帶(B)和斑馬狀白云巖亮帶(W)。

3.1 斑馬狀白云巖

斑馬狀白云巖由深灰黑色暗帶白云石和淺灰白色亮帶白云石組成，形成暗帶、亮帶交替出現(xiàn)的斑馬結構。斑馬結構的大小為厘米級，暗帶的寬度小于亮帶，暗帶條紋寬為0.5～1.0 cm，亮帶條紋寬為0.5～2.0 cm(圖2a)。單偏光下，斑馬狀白云巖中未見生物碎屑，原始結構不明顯(圖2b)。可見亮帶白云石和暗帶白云石交替出現(xiàn)的韻律旋回，且它們之間界限清晰(圖2b)。亮帶白云石(W)由中粗晶白云石和鞍形白云石組成，晶面潔凈，中粗晶白云石的晶面特征是以非平直晶面他形為主，其次為平直晶面自形，晶體粗大(圖2b)。鞍形白云石通常充填于亮帶的溶蝕孔洞或裂縫中(圖2c)，可見孔洞和裂縫周圍的非平直晶面他形晶向非平直晶面鞍形晶過渡的趨勢(圖2b紅色箭頭所指)。鞍形白云石晶面彎曲(圖2d藍色箭頭所指)，晶體大小通常在800 μm左右，正交偏光下呈明顯的波狀消光，可見亮帶白云石穿越亮暗帶邊界，且邊界兩側的光學性質相同(圖2e黃色箭頭所指)。暗帶白云石(B)主要由深色半自形—他形細晶白云石組成，晶粒較小，晶體間呈曲面接觸，晶面渾濁，表面可見殘余原始組構或其他黑色有機質(圖3a)。此外，可觀察到斑馬狀白云巖中縫合線截斷切穿白云石晶體(圖2f黃色箭頭所指)。

圖2 川西北ST18井棲霞組斑馬狀白云巖的巖石學特征

陰極發(fā)光下，亮帶和暗帶具有不同的陰極發(fā)光特征。亮帶里的中粗晶白云石發(fā)亮紅色光，暗帶里的中細晶白云石發(fā)暗紅色光(圖3b)。亮帶中的鞍形白云石的陰極發(fā)光特征表現(xiàn)為晶體核心發(fā)較弱的暗紅色光，晶體邊緣具有明顯的亮紅色環(huán)帶特征(圖3d)。

圖3 川西北ST18井棲霞組斑馬狀白云巖薄片觀察及陰極發(fā)光特征

3.2 熱液礦物

巖心觀察時發(fā)現(xiàn)，ST18井棲霞組斑馬狀白云巖的裂縫中有金屬礦物充填(圖4a，黃色箭頭所指)。薄片鑒定可見不透明礦物分布在裂縫或白云石晶體中，且通常與鞍形白云石伴生(圖4b)。反射光下，礦物發(fā)亮黃色金屬光澤(圖4c)。通過掃描電鏡能譜分析，確定其礦物成分為黃鐵礦(圖4d)。綜上所述，黃鐵礦呈點狀分布的八面體型，主要發(fā)育在溶蝕孔洞附近，或與鞍形白云石伴生。

圖4 川西北ST18井棲霞組熱液礦物特征

4 地球化學特征

4.1 白云石晶體結構特征

本次研究通過X-射線粉末衍射實驗(X-Ray Powder Diffraction，XRPD)，研究白云石晶體的晶胞參數(shù)、化學計量和有序度等特征。

白云石屬于三方晶系，晶胞參數(shù)用a、b、c來表示，其中a=b≠c。理想白云石的標準晶胞參數(shù)是a=4.806 9 ?，c=16.003 4 ?[20]。以a值為橫坐標，c值為縱坐標，建立晶胞參數(shù)分布圖(圖5a)。以理想白云石的晶胞參數(shù)為基準，亮帶和暗帶白云石晶胞參數(shù)位于理想白云石的右上方(圖5a)。斑馬狀結構亮帶中，中粗晶白云石的晶胞參數(shù)a值范圍為4.807 2～4.810 0 ?，平均值為4.809 0 ?，c值范圍為16.008 8～16.018 7 ?，平均值為16.014 5 ?；鞍形白云石的晶胞參數(shù)a值范圍為4.809 3～4.824 5 ?，平均值為4.8147?，c值范圍為16.0171～16.0240?，平均值為16.019 7 ?。斑馬狀結構中暗帶白云石的晶胞參數(shù)a值范圍為4.810 9～4.811 8 ?，平均值為4.811 3 ?；c值范圍為16.013 2～16.022 8 ?，平均值為16.015 5 ?。

XRPD分析表明，白云石為主要礦物，且不含方解石。用計算公式：x(MgCO3)=1 011.99-333.33d(104)(d(104)是以?為單位的峰值位置[21])計算得出MgCO3摩爾分數(shù)。樣品中的白云石具有接近化學計量比的成分[x(MgCO3)=49%～54%，平均值50%]，從而確定了白云巖樣品由一種理想的白云石組成(Mg/Ca=1)。對ST18井中不同類型白云石的MgCO3摩爾分數(shù)進行投點(圖5b)。斑馬結構亮帶中，中粗晶白云石的MgCO3摩爾分數(shù)范圍為49.40%～50.37%，平均值為49.65%；鞍形白云石的MgCO3摩爾分數(shù)范圍為49.47%～53.63%，平均值為51.11%。斑馬結構中暗帶白云石的MgCO3摩爾分數(shù)范圍為48.60%～49.37%，平均值為49.15%。

白云石的有序度通過d(015)∶d(110)反射峰的比值半定量測定，其中有序度σ=I(015)/I(110)[22]，I(015)和I(110)分別為對應反射峰的強度。對ST18井中不同類型白云石的有序度進行投點(圖5c)發(fā)現(xiàn)，斑馬結構亮暗帶白云石的有序度均較高。斑馬結構亮帶中，中粗晶白云石的有序度變化范圍是0.79～0.83，平均值是0.82；鞍形白云石的有序度變化范圍是0.77～0.97，平均值是0.85。斑馬結構中暗帶白云石的有序度變化范圍較大，在0.63～0.89之間，平均值是0.70。

4.2 碳氧同位素特征

二疊紀海水的碳氧同位素值范圍分別是0～5.5‰和-5‰～-0.5‰[23]。從斑馬狀白云巖亮暗帶碳氧同位素值投點(圖5d)發(fā)現(xiàn)，樣品的δ13C值在同時期海水δ13C值范圍內，樣品的δ18O值都較同時期海水的δ18O值偏負。斑馬結構亮帶中中粗晶白云石的δ13CPDB值變化范圍為1.54‰～2.38‰，平均值是2.01‰，δ18OPDB值變化范圍為-7.97‰～-5.97‰，平均值是-6.68‰；鞍形白云石δ13CPDB值變化范圍為0.97‰～1.36‰，平均值是1.21‰，δ18OPDB值變化范圍為-8.18‰～-7.89‰，平均值是-8.07‰。暗帶中白云石的δ13CPDB值變化范圍為1.26‰～2.18‰，平均值是1.99‰，δ18OPDB值變化范圍為-7.93‰～-5.06‰，平均值是-6.08‰。

圖5 川西北ST18井棲霞組斑馬狀白云巖地球化學特征

5 討論

5.1 白云石化流體性質

斑馬狀白云巖由深灰色細粒(暗帶)和淺灰白色粗粒(亮帶)白云石組成，呈平行或網(wǎng)狀分布(圖2a)。顯微觀察發(fā)現(xiàn)，斑馬結構中暗帶由中—細晶白云石組成，白云石晶體為平直面半自形晶，晶粒較小，晶面渾濁，表面可見殘余原始組構或其他黑色有機質。陰極發(fā)光下暗帶白云石晶體主要發(fā)暗紅色光(圖3b)，指示其白云石化流體來源于海水[19]。同時，暗帶白云石的δ13C值(平均值是1.99‰)落在同期海水δ13C范圍內(圖5d)，亦表明暗帶白云石的白云石化流體來源于海水。由此可見，暗帶白云石的巖石學特征和地球化學特征都表明其白云石化流體來源于海水。斑馬結構中亮帶由中—粗晶白云石和鞍形白云石組成，晶體具有非平直面他形—非平直面鞍形晶及波狀消光的特征，說明亮帶白云石是在高溫作用下快速結晶形成的[10]。亮帶白云石的δ13C值(中粗晶白云石的平均值是2.01‰；鞍形白云石的平均值是1.21‰)亦落在同期海水δ13C范圍內(圖5d)，表明亮帶白云石的白云石化流體也可能來源于海水。前人對川西北棲霞組白云巖進行碳氧穩(wěn)定同位素和鍶同位素相關分析后認為，基質白云巖的白云石化流體是海水[6,24]，這和我們通過碳同位素研究得出的認識是一致的。此外，可見斑馬狀白云巖中發(fā)育縫合線，并且縫合線切穿白云石晶體(圖2f)。由于在碳酸鹽巖中縫合線形成的深度約為500 m[25]，因此，斑馬狀白云巖的白云石化流體主要來源于淺埋藏地層中的海水。

斑馬狀白云巖中暗帶和亮帶白云石的δ18O值變化范圍相似，與同時期海水的δ18O值比均較為偏負(圖5d)。因此，來源于海水的白云石化流體受到了熱的影響，使得氧同位素發(fā)生分餾。其中，亮帶白云石的δ18O值(中粗晶白云石平均值為-6.68‰；鞍形白云石的平均值為-8.07‰)比暗帶白云石(平均值為-6.08‰)更偏負，表明在亮帶形成過程中造成氧同位素分餾的熱效應更強。

巖心觀察和顯微掃描觀察到的黃鐵礦(圖4a，c)，是川西北棲霞組熱液白云巖中典型熱液礦物之一[26]。亮帶中的鞍形白云石與熱液礦物黃鐵礦相伴生，且鞍形白云石δ18O值(平均值為-8.07‰)偏負，表明亮帶白云石的形成是在海水來源的基礎上疊加了熱液。

5.2 斑馬狀白云巖的形成過程

斑馬結構中暗帶白云石與亮帶白云石的巖石學特征(白云石晶體大小和白云石陰極發(fā)光特征等)不同，且晶面混濁的暗帶白云石與晶面潔凈的亮帶白云石之間具有非常清晰的邊界(圖2e)，暗示其成因可能不同。在正交偏光下，可見白云石晶體穿過亮帶白云石和暗帶白云石的邊界(圖2e)，且在邊界兩側白云石的消光性質一致，表明亮帶白云石是生長在暗帶白云石上的膠結物[11]。與此同時，亮帶白云石晶體大小從邊界處向亮帶中心處逐漸變大(圖2b紅色箭頭所示)，亦表明亮帶白云石是在晶體競爭結晶的過程中逐步結晶形成的[27-28]。暗帶中白云石晶面混濁，包含了大量來自沉積先驅體的包裹體，因此暗帶白云石是交代成因。作為對照，亮帶白云石晶體中沒有大量的包裹體而顯現(xiàn)出淺色的外觀，進一步表明它是直接沉淀形成的。

斑馬結構的形成是由兩個密切發(fā)生的過程造成的：一是礦物交代，二是溶解和開放空間的產(chǎn)生[11]。ELIP噴發(fā)使得地層溫度升高，其增溫效應時間約為290～260 Ma[12]。在此期間川西北地區(qū)棲霞組對應的地層沉積物處于淺埋藏階段，且位于臺地邊緣[6]，在側向上對外開放。由于ELIP提供的異常地熱對地層中的孔隙水或鹵水加熱，形成與外側海水之間的溫度差，從而產(chǎn)生密度差異，寒冷的海水就能向地層源源不斷地輸入Mg2+[6]。隨著地層溫度的升高，白云石化作用也會加強。此外，臺地邊緣灘相較高的滲透性以及在白云石交代方解石的過程中，特別是在方解石—白云石置換的早期階段，方解石的快速溶解和白云石的緩慢沉淀同時進行的過程中導致摩爾體積的損失，從而造成孔隙度增加[29-31]，這也有利于白云石化流體的流通及白云石化作用的增強。交代和溶解原始基巖的同時產(chǎn)生了新的裂縫和開放空間，而且白云石化流體的飽和度越高，產(chǎn)生的裂縫間距就會越小[32]，形成了樣品中亮帶寬度大于暗帶的斑馬結構(圖2a)。當白云石化流體注入斷層或裂縫，順層溶解原始基巖形成開放空間，交代原始基巖形成暗帶白云石。靠近開放空間的暗帶白云石的結晶力大于自身的抗張強度，從而產(chǎn)生新的裂縫。當暗帶白云石穩(wěn)定后，裂縫中的富鎂流體沉淀出亮帶白云石。如此反復，形成了亮帶白云石與暗帶白云石交替出現(xiàn)的斑馬狀白云巖。

東吳運動期間，伴隨著ELIP巖漿活動增強，巖漿或熱液隨著斷層或裂縫向上運移且順層流動，從而與地層中的海水混合形成白云石化流體，流體混合的結果可能會增強方解石的溶解[33]，從而進一步增加白云石化流體的流通，導致白云石化的速率和白云石化程度加強。較高的地溫條件促進了白云石化流體在地層中的循環(huán)流動，從而導致鞍形白云石膠結物在斑馬狀白云巖的溶蝕孔洞、裂縫中沉淀充填。高溫熱液流體中沉淀的鞍形白云石由于結晶速度較快，有序度較低[13]。此次研究中的鞍形白云石有序度較高(平均值0.85)，且接近化學計量(MgCO3摩爾分數(shù)平均值為51.11%)，表明鞍形白云石在快速沉淀之后經(jīng)歷的埋藏成巖作用使得白云石發(fā)生調整，進而更加有序[34]。

6 結論

(1)ST18井中斑馬狀白云巖暗帶和亮帶白云石巖石學特征差異明顯。暗帶由中細晶白云石組成，陰極發(fā)光呈暗紅色，為交代作用形成；亮帶由中粗晶及鞍形白云石組成，陰極發(fā)光呈亮紅色，從流體中直接沉淀形成。

(2)暗帶和亮帶白云石的δ13C值落在同時期海水δ13C值范圍內，且δ18O值較同期海水偏負，說明白云石化流體來源于海水，且熱的作用使得氧同位素發(fā)生了分餾。黃鐵礦與亮帶中鞍形白云石的伴生，表明亮帶白云石除受到熱能量影響之外，還有熱液流體的加入。

(3)ST18井斑馬狀白云巖的形成過程概括如下：加熱的海源流體沿著斷層或裂縫重復—持續(xù)脈沖運移至高孔高滲地層，并在溶蝕—交代方解石的過程中形成暗帶白云石，與此同時形成開放空間；海源流體疊加熱液的混入，在開放空間中依次沉淀中粗晶白云石和鞍形白云石，形成亮帶；深埋藏環(huán)境下亮暗帶白云石均發(fā)生調整，形成有序度較高的斑馬狀白云巖。