湖相熱液白云巖成因機(jī)理
——以準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷二疊系風(fēng)城組為例

王劍，周路，劉金，馬聰，卞保力，李嘯，張寶真

1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610500

2.中國(guó)石油新疆油田分公司實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院，新疆克拉瑪依 834000

3.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610500

4.中國(guó)石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆克拉瑪依 834000

5.中國(guó)石油新疆油田分公司風(fēng)城作業(yè)區(qū)，新疆克拉瑪依 834000

0 引言

白云巖是重要的油氣儲(chǔ)集層。關(guān)于白云巖的成因，海相白云巖研究較為完善，如蒸發(fā)白云石化作用，混合水模式和熱對(duì)流模式等[1-4]。白云巖雖形成模式眾多，均需解釋清楚的基本問(wèn)題是形成溫度、鹽度、水體性質(zhì)，尤其是Mg 離子的來(lái)源。相較于海相白云巖，湖相白云巖的成因研究則較晚，研究程度較為薄弱。楊威等[5]提出蒸發(fā)作用—準(zhǔn)同生白云化作用，認(rèn)為在強(qiáng)蒸發(fā)環(huán)境中湖泊水體最先沉淀出石膏晶體，導(dǎo)致Mg2+/Ca2+比值增高，沉淀物中方解石或文石發(fā)生白云化作用。李得立等[6]通過(guò)對(duì)東營(yíng)凹陷的白云巖夾層成因研究，認(rèn)為毛細(xì)管濃縮作用或蒸發(fā)泵作用形成高M(jìn)g2+/Ca2+的孔隙水會(huì)引起表層碳酸鈣沉積物發(fā)生準(zhǔn)同生白云巖化。李紅等[7]、柳益群等[8]、文華國(guó)等[9]提出熱液白云巖化作用，即深部熱液沿?cái)嗔淹ǖ肋\(yùn)移至碳酸鹽巖地層中，使白云巖發(fā)生重結(jié)晶和過(guò)度白云巖化，或使灰?guī)r發(fā)生白云化，并形成大量交代成因和膠結(jié)型白云巖。

相較于其他模式，湖相熱液成因白云巖是近些年沉積學(xué)研究的熱點(diǎn)。但存在的問(wèn)題在于湖相白云巖礦物組成復(fù)雜，有白云質(zhì)泥巖、白云質(zhì)粉砂巖、凝灰質(zhì)白云巖和泥質(zhì)白云巖等，白云石的產(chǎn)出狀態(tài)多樣，有層狀分布、雜散狀分布、團(tuán)塊狀分布等。因此熱液是如何作用形成白云巖有待進(jìn)一步細(xì)化研究。準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷二疊系風(fēng)城組白云巖儲(chǔ)層發(fā)育，是風(fēng)城組油藏最重要的儲(chǔ)集巖類[10-11]。風(fēng)城組白云石產(chǎn)出狀態(tài)復(fù)雜，為湖相白云巖成因研究提供了良好的基礎(chǔ)。研究采用巖心觀察描述、巖石薄片鑒定、碳氧同位素、稀土元素、XRF元素分析，對(duì)白云巖分布、產(chǎn)狀及形成環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)研究，探討了湖相白云巖的形成機(jī)理及模式，以期為湖相白云巖沉積學(xué)進(jìn)一步深入研究提供實(shí)例和基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地西北緣瑪湖凹陷。早二疊世該區(qū)處于前陸盆地短期伸展階段，火山活動(dòng)具有間歇性和幕式活動(dòng)特征。瑪湖凹陷風(fēng)城組總體為向凹陷內(nèi)傾斜，西北厚、東南薄的地層楔形地質(zhì)體，是早二疊世前陸盆地構(gòu)造背景上發(fā)育的一套湖相沉積[12-13]（圖1a），風(fēng)城組地層厚800～1 800 m，從下至上劃分為三段，風(fēng)一段（P1f1）厚400～500 m、風(fēng)二段（P1f2）厚300～450 m、風(fēng)三段（P1f3）厚250～300 m。風(fēng)一段下段為火山巖夾火山碎屑巖沉積，上段為湖進(jìn)期白云巖及富有機(jī)質(zhì)泥巖；風(fēng)二段沉積期陸源碎屑輸入受限，主要發(fā)育富有機(jī)質(zhì)泥巖和白云巖，湖盆中心還發(fā)育碳酸氫鈉石、石鹽等指示高鹽度沉積水體的礦物，表明沉積環(huán)境為強(qiáng)蒸發(fā)高鹽度環(huán)境；風(fēng)三段沉積期水體鹽度有所降低，巖性與風(fēng)一段上段類似（圖1b）。

風(fēng)一段總體上發(fā)育扇三角洲前緣、深湖—半深湖亞相和凝灰?guī)r類沉積物，此時(shí)的白云巖分布范圍最小，主要分布于半深湖相。風(fēng)二段沉積期湖泊面積最大，仍然發(fā)育扇三角洲前緣和深湖—半深湖和濱淺湖，僅在局部發(fā)育凝灰?guī)r類沉積物，此時(shí)的白云巖分布范圍也明顯增大，主要分布于深湖—半深湖和濱淺湖，在湖盆邊緣白云巖厚度有所減薄，在凝灰?guī)r沉積區(qū)也發(fā)育了厚度不等的白云巖；風(fēng)三段湖盆面積略微減小，對(duì)應(yīng)白云巖分布范圍明顯萎縮，扇三角洲區(qū)基本沒(méi)有發(fā)育白云巖，僅在濱淺湖和凝灰?guī)r沉積區(qū)發(fā)育了厚度不等的白云巖。

2 云質(zhì)巖礦物學(xué)特征

白云巖在風(fēng)二段、風(fēng)三段非常發(fā)育，在風(fēng)一段局限于上段發(fā)育。文中所提到的白云巖是指碳酸鹽端元的泥頁(yè)巖，碳酸鹽礦物以白云石為主，故也稱云質(zhì)泥頁(yè)巖，包括白云質(zhì)泥巖、白云質(zhì)粉砂巖、凝灰質(zhì)白云巖和泥質(zhì)白云巖。根據(jù)白云石的聚集程度分為分散型、紋層型、條帶—團(tuán)塊集合體型。

2.1 分散型白云石

泥巖中白云石主要分散在泥質(zhì)基質(zhì)中，砂巖中白云石主要分散在砂巖膠結(jié)物中（圖2a），白云石大小與石英、長(zhǎng)石等顆粒大小相當(dāng)，可占全巖礦物含量的50%以上。分散型白云石大小不一，從泥晶白云石（＜0.01 mm）到細(xì)晶白云石（0.1～0.25 mm）均存在，但單個(gè)樣品的白云石大小往往較為一致，晶型以半自形為主，呈次菱角狀（圖2b）。細(xì)晶白云石晶型普遍較好，達(dá)自形態(tài)。分散狀白云石富集部位，可見粉砂級(jí)長(zhǎng)石和石英呈漂浮狀分散在白云石基質(zhì)中。不同晶體大小的分散狀白云石陰極發(fā)光特征不同，泥晶級(jí)白云石晶體則呈暗紅色發(fā)光，粒徑略粗者可見環(huán)帶。粉晶白云石（0.01～0.1 mm）的陰極發(fā)光具有分層現(xiàn)象，包含一個(gè)亮紅色核、黑色內(nèi)環(huán)和暗紅色外環(huán)，代表粉晶白云石經(jīng)過(guò)多期結(jié)晶而成，最后一期結(jié)晶使部分白云石呈自形。細(xì)晶白云石（＞1 mm）不發(fā)光，或者部分僅含一個(gè)暗紅色晶核，晶核大小約占細(xì)晶白云石的四分之一。

圖2 準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷風(fēng)城組云質(zhì)巖產(chǎn)狀特征（a）均勻分布的白云石巖心，風(fēng)4井，3 082.05 m；（b）均勻分布的白云石，單偏光，烏351井，3 304.10 m；（c）集合體狀結(jié)構(gòu)的白云石巖心，風(fēng)城011井，3 861.10 m；（d）集合體狀結(jié)構(gòu)的白云石，單偏光，風(fēng)4井，3 082.00 m；（e）不規(guī)則層狀白云石巖心，風(fēng)5井，3 476.60 m；（f）不規(guī)則層狀白云石，正交偏光，風(fēng)南4井，4 258.60 mFig.2 Occurrence characteristics of dolomitic rocks in the Fengcheng Formation of the Mahu Sag,Junggar Basin(a) uniformly distributed dolomite,core,well Feng4,3 082.05 m;(b) uniformly distributed dolomite,plane-polarized light,well Wu351,3 304.10 m;(c) dolomite with aggregate structure,core,well Fengcheng011,3 861.10 m;(d) dolomite with aggregate structure,plane-polarized light,well Feng4,3 082.00 m;(e) irregular stratified dolomite,core,well Feng5,3 476.60 m;(f) irregular stratified dolomite,cross-polarized light,well Fengnan4,4 258.60 m

2.2 紋層狀白云石

富含紋層狀白云石的樣品亦富有機(jī)質(zhì)和硅硼鈉石，有機(jī)質(zhì)主要以藻紋層的形式出現(xiàn)，硅硼鈉石呈蝴蝶狀、葉片狀、花狀等。紋層主要由富白云石層和富長(zhǎng)石層組成，其中富白云石層中含有一定量的長(zhǎng)石，含量少于白云石，而富長(zhǎng)石以長(zhǎng)石為主。紋層狀白云石呈他形或者半自形，以粉晶狀（20～80 μm）為主。與分散狀白云石不同，紋層狀白云石常常與相似大小的鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石混合在一起（圖2e，f）。白云石既可以分散在藻紋層中，也可分散在非藻紋層中。硅硼鈉石亦分散在紋層中，擠壓藻紋層，卻并不擠壓白云石和長(zhǎng)石紋層。說(shuō)明硅硼鈉石礦物生長(zhǎng)過(guò)程中，直接交代了白云石和鈉長(zhǎng)石，將難溶的有機(jī)質(zhì)推擠到硅硼鈉石礦物前緣。

2.3 條帶—團(tuán)塊集合體白云石

風(fēng)城組白云石集合體的形狀多樣，以風(fēng)城011井、風(fēng)4井為例，包括不規(guī)則的三角錐、斑點(diǎn)、團(tuán)塊、蟲孔、條帶狀、楔狀、透鏡狀等（圖2c，d）。富含白云石集合體的樣品，亦可含有大量分散狀白云石。集合體中白云石大小變化較大，從泥晶到細(xì)晶均存在，但整體較分散狀和紋層狀白云石晶體大，晶型好。在陰極光照射下，白云石集合體并非以純白云石為主，含有大量基質(zhì)物質(zhì)，泥晶白云石和細(xì)粉晶白云石以暗紅色為主，細(xì)晶白云石主體部分以黃綠色光為主，包含暗紅色環(huán)帶，黃綠色部分顯示出極好的菱形晶。晶型更大的集合體白云石，除少數(shù)包含有較小的暗紅色核外，大部分白云石不發(fā)光，說(shuō)明集合體中細(xì)晶白云石的形成既可以在原始泥晶和粉晶白云石基礎(chǔ)上重結(jié)晶形成，也可以直接結(jié)晶而成。

3 白云巖形成環(huán)境

3.1 碳氧同位素及鍶同位素特征

氧同位素主要與其形成溫度及水體性質(zhì)有關(guān)，形成溫度越高，氧同位素值越負(fù)，而碳同位素主要取決于水體鹽度和碳元素的來(lái)源，鹽度越高碳同位素值越正。此外，熱液作用與大氣水淋濾作用將導(dǎo)致白云巖中的氧同位素偏低[13]。研究區(qū)風(fēng)城組白云巖δ13CPDB介于1.0‰～7.1‰，平均為4.33‰，δ18Odol總體負(fù)偏嚴(yán)重，介于-15.1‰～4.4‰，平均為-2.94‰。風(fēng)城組白云巖巖石薄片中未見大氣水淋濾的證據(jù)，因此深部熱液作用應(yīng)是造成氧同位素嚴(yán)重負(fù)偏的原因。而δ13CPDB同位素值整體偏正，說(shuō)明形成環(huán)境中的水體鹽度較高。研究區(qū)風(fēng)城組白云巖中的δ13CPDB和δ18Odol值具有正相關(guān)性，表明白云巖受后期熱流體交代作用影響較強(qiáng)（圖3）。風(fēng)一段—風(fēng)三段，氧同位素先嚴(yán)重負(fù)偏，然后負(fù)偏程度減弱，碳同位素逐漸偏正再偏負(fù)，以風(fēng)二段最高，表明流體溫度和鹽度升高再逐漸降低，在風(fēng)二段熱液活動(dòng)最強(qiáng)烈。

圖3 準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷風(fēng)城組白云巖類碳、氧同位素投點(diǎn)圖Fig.3 Carbon and oxygen isotope drop map of dolomites in the Fengcheng Formation of the Mahu Sag,Junggar Basin

二疊紀(jì)全球碳酸鹽的鍶同位素87Sr/86Sr比值介于0.706 7～0.708 5，陸源輸入通常使湖水的Sr 同位素比值增加，而幔源熱液的輸入可使湖水的87Sr/86Sr比值降低[14]。研究區(qū)白云巖類87Sr/86Sr 比值介于0.706 281～0.707 028（表1），明顯低于二疊紀(jì)全球碳酸鹽的Sr 同位素，證實(shí)了風(fēng)城組沉積—成巖時(shí)期的流體來(lái)源受深部熱液影響。

表1 準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷風(fēng)城組白云巖Sr同位素比值特征Table 1 Sr isotope ratio characteristics of dolomites in the Fengcheng Formation of the Mahu Sag,Junggar Basin

3.2 稀土元素及微量元素特征

稀土元素不易受白云巖化后成巖作用的改變，對(duì)于指示白云巖化流體來(lái)源效果較好。稀土元素分析結(jié)果顯示，風(fēng)城組ΣREE 為（1.46～270.62）×10-6，平均為80×10-6，LREE 為（0.88～192.30）×10-6，平均為56.02×10-6，HREE 為（0.45～83.78）×10-6，平均為14.64×10-6。風(fēng)一段—風(fēng)三段白云巖稀土配分均表現(xiàn)為左高右低的右傾型曲線，重稀土曲線平緩（圖4），為輕稀土明顯富集，重稀土相對(duì)虧損的配分模式特征，指示了不同時(shí)期相同流體在各地區(qū)呈脈動(dòng)性噴流的特征，這在稀土元素含量的供給上也有不同程度的體現(xiàn)。

圖4 準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷風(fēng)城組白云巖REE 球粒隕石配分模式圖（a）風(fēng)二段（P1f2）；（b）風(fēng)三段（P1f3）Fig.4 Rare earth element (REE) chondrite distribution model of dolomite in the Fengcheng Formation of the Mahu Sag,Junggar Basin

風(fēng)城組無(wú)機(jī)地球化學(xué)特征也指示高鹽度、強(qiáng)還原和受熱液影響的典型堿湖地球化學(xué)特征。Y/Ho比值介于26～28指示為正常的陸源碎屑，而研究區(qū)65%以上的樣品Y/Ho＞28，指示海侵影響或沉積水體鹽度與海水相當(dāng)，符合堿湖高鹽度的特征（圖5a）。Eu負(fù)異常指示沉積環(huán)境缺氧，研究區(qū)風(fēng)一段—風(fēng)三段的稀土元素配分模式均表現(xiàn)為明顯負(fù)Eu異常的“V”型曲線，代表沉積環(huán)境為還原環(huán)境。湖相沉積物的Ce表現(xiàn)為正異常，Ce/Ce*＞1 代表堿性、碳酸鹽豐富和缺氧的水體環(huán)境[15]。風(fēng)城組超過(guò)65%的樣品Ce/Ce*＞1，表現(xiàn)出弱負(fù)異常的特點(diǎn)，主體處于堿性、碳酸鹽豐富的缺氧環(huán)境中（圖5b）。微量元素U、V、Ni等常用于評(píng)價(jià)水體的氧化還原環(huán)境，如U/Th＞1.25、1.25＞U/Th＞0.75、U/Th＜0.75分別指示缺氧環(huán)境、貧氧環(huán)境和氧化環(huán)境[13]，研究區(qū)主要樣品的U/Th＞1.25、V/（V+Ni）＞0.54、V/Cr＞2，表明風(fēng)城組沉積環(huán)境主體屬于還原環(huán)境（圖5c，d）。

圖5 準(zhǔn)噶爾盆地風(fēng)城組微量元素與稀土元素沉積環(huán)境判別圖Fig.5 Sedimentary environment discrimination map of trace elements and REEs in the Fengcheng Formation,Junggar Basin

3.3 流體包裹體特征

研究區(qū)風(fēng)城組白云巖化熱液流體具有中—高鹽度、中—低溫度、H2O-NaCl 體系，富含CH4氣體特征。白云石礦物生長(zhǎng)環(huán)帶中富液相兩相鹽水包裹體和長(zhǎng)愈合裂紋中富液相兩相鹽水包裹體的均一溫度和鹽度分析顯示，風(fēng)一段均一溫度峰值區(qū)主要集中在80 ℃～90 ℃和90 ℃～100 ℃，風(fēng)二段均一溫度峰值區(qū)主要集中在90 ℃～100 ℃，風(fēng)三段均一溫度峰值區(qū)主要集中在70 ℃～80 ℃。風(fēng)一段鹽度范圍為15.9～20.2wt.%NaCl，平均為17.4wt.%NaCl，風(fēng)二段鹽度范圍為17.6～23.8wt.%NaCl，平均為20.8wt.%NaCl，風(fēng)三段鹽度范圍為15.4～17.6wt.%NaCl，平均為16.2wt.%NaCl（圖6）。從風(fēng)一段到風(fēng)三段流體鹽度、溫度呈現(xiàn)升高再降低的趨勢(shì)，指示了熱液活動(dòng)強(qiáng)度和頻率由弱變強(qiáng)，再變?nèi)醯内厔?shì)，這與白云巖累計(jì)厚度在縱向上呈現(xiàn)自風(fēng)二段至風(fēng)三段減薄的變化趨勢(shì)相吻合。

圖6 準(zhǔn)噶爾盆地風(fēng)城組白云石流體包裹體均一溫度及鹽度（wt.%NaCl）直方圖（a）風(fēng)一段（P1 f1）；（b）風(fēng)二段（P1 f2）；（c）風(fēng)三段（P1 f3）；（d）鹽度Fig.6 Histogram of homogenization temperature and salinity (wt.%NaCl) of dolomite fluid inclusions in the Fengcheng Formation,Junggar Basin

3.4 基于XRF分析的元素分布特征

利用手持XRF 對(duì)瑪頁(yè)1 井進(jìn)行觀察，采集200 396個(gè)元素?cái)?shù)據(jù)，對(duì)研究區(qū)風(fēng)城組垂向環(huán)境變化進(jìn)行研究。鍶鋇比值常用來(lái)判斷水體的咸度，大于1.0 是咸水，介于0.6～1.0 為半咸水，小于0.6 為微咸水[15]?，旐?yè)1 井風(fēng)城組鍶鋇比值整體大于1.0，表明主要為咸水環(huán)境，其中風(fēng)二段鹽度最高（圖7）。鍶與（鍶+銅）比值常用來(lái)判斷水體所處氣候環(huán)境，大于0.9為干熱環(huán)境，瑪頁(yè)1井風(fēng)城組鍶與（鍶+銅）比值整體大于0.9，主要為干熱環(huán)境（圖7）。釩/（釩+鎳）比值常用來(lái)判斷水體的氧化還原程度，大于0.84 為還原環(huán)境，介于0.54～0.84為半氧化環(huán)境，小于0.54為氧化環(huán)境，風(fēng)城組主體為還原環(huán)境[13]（圖7）。整體上，風(fēng)城組沉積環(huán)境為干熱、還原的咸水環(huán)境。

圖7 基于XRF 元素分析的瑪頁(yè)1 井沉積水體氧化還原特征Fig.7 Redox characteristic distribution of sedimentary water in well Maye1 based on X-ray fluorescence (XRF) element analysis

4 白云巖成因機(jī)理

根據(jù)白云巖產(chǎn)狀、空間分布、碳氧同位素分析、微量元素分析、流體包裹體分析和XRF元素分析，熱液—蒸發(fā)沉積和埋藏—熱液交代是研究區(qū)風(fēng)城組湖相白云巖形成的主要作用機(jī)制，白云巖集中分布于火山噴發(fā)或逆沖斷裂活動(dòng)形成的古地貌斜坡帶與濱淺湖地帶。

4.1 深部熱液特征

與白云石伴生的硅硼鈉石、碳酸鈉鈣石、碳酸氫石、碳鈉鎂石、氯碳鈉鎂石、霓石，絲硅鎂石、淡鋇鈦石等特殊礦物等被證實(shí)主要是熱液流體的產(chǎn)物[16-17]（圖8a～f）。如碳酸鈉鈣石人工合成實(shí)驗(yàn)顯示其形成的溫度不低于50 ℃[18]，碳?xì)溻c石溶解度較天然堿大，穩(wěn)定溫度介于69.5 ℃～191.5 ℃[19-20]。這些礦物在地表堿性蒸發(fā)鹽湖環(huán)境中很難形成。

圖8 準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷風(fēng)城組熱液礦物特征（a）熱液沿裂縫侵入，形成硅硼鈉石、石英和白云石環(huán)帶，電子探針背散射圖像，瑪頁(yè)1井，4 737.64 m；（b）白云石及4期生長(zhǎng)環(huán)帶，亮色環(huán)帶富Fe，暗色環(huán)帶富Mg，電子探針背散射圖像，瑪頁(yè)1井，4 832.43 m；（c）氯碳鈉鎂石，掃描電鏡，瑪頁(yè)2井，4 155.30 m；（d）碳酸鈉鈣石（三級(jí)翠綠—三級(jí)藍(lán)色干涉色），放射狀霓石，正交偏光，克207井，4 853.46 m；（e）碳酸氫鈉石，正交偏光，瑪湖52井，5 282.00 m；（f）板柱狀硅硼鈉石（一級(jí)灰白—一級(jí)白干涉色），正交偏光，瑪頁(yè)1井，4 697.90 mFig.8 Hydrothermal mineral characteristics of the Fengcheng Formation in the Mahu Sag,Junggar Basin(a) hydrothermal intrusion along the fracture resulted in the formation of boronite,quartz and dolomite ring,backscattered electron image,well Maye1,4 737.64 m;(b) dolomite and four phase growth bands,bright bands rich in Fe,dark bands rich in Mg,backscattered electron image,well Maye1,4 832.43 m;(c) northupite,scanning electron microscopy (SEM),well Maye2,4 155.30 m;(d) Shortite with tertiary green to blue interference colors,Radial aegirine,cross-polarized light,well Ke207,4 853.46 m;(e) wegscheiderite,cross-polarized light,well Mahu52,5 282.00 m;(f) prismatic tabular reedmergnerite,first grade gray to white interference colors,cross-polarized light,well Maye1,4 697.90 m

從形成的礦物角度來(lái)看，侵入風(fēng)城組的熱液流體進(jìn)入地層后，形成硅硼鈉石、碳酸鈉鈣石、淡鋇鈦石、霓石等。熱液流體富集硅、鈉、鈣、鐵、鎂、硼、碳酸根、碳酸氫根等離子，具有中—高鹽度、中—低溫，堿性—還原及深部來(lái)源特征[21]，此外白云石的多期環(huán)帶代表熱液活動(dòng)存在多期次性（圖8b）。風(fēng)城組熱液中富含Mg2+離子，富Mg2+流體可能來(lái)自深部富Mg2+巖石（如基性—超基性巖漿巖、白云巖等）變質(zhì)過(guò)程中脫水和溶解形成的流體，準(zhǔn)噶爾盆地西北緣大地構(gòu)造上處于板塊縫合帶，深大斷裂發(fā)育，活躍的深大斷裂可為熱液流體活動(dòng)提供運(yùn)移通道（圖8a）。

4.2 熱液—蒸發(fā)沉積成因

風(fēng)城組火成巖來(lái)源于上地幔巖漿，充分證明了該時(shí)期研究區(qū)發(fā)育的大斷裂溝通地殼深部與上地幔。深部熱液沿著斷裂及裂縫上升并突破噴流口引起湖盆底部的熱鹵水沸騰爆炸，熱液涌入湖盆，帶來(lái)豐富的Mg2+、Fe2+、CO2和CH4氣體[22-23]，使得水中碳酸根和重碳酸根離子含量升高。早二疊世晚期，研究區(qū)氣候由半干旱向干旱轉(zhuǎn)變，蒸發(fā)作用由較強(qiáng)變?yōu)闃O強(qiáng)[15]。在干旱環(huán)境下，極強(qiáng)的蒸發(fā)作用和極少的淡水補(bǔ)給導(dǎo)致湖盆鹽度偏高，形成較高M(jìn)g/Ca、較高pH值、高鹽度的湖水，在高鹽度的湖水中，潮坪相易發(fā)生白云巖化作用形成泥晶或粉晶白云石，由于白云巖化較徹底，推斷交代的物質(zhì)可能為高鎂方解石，并與陸源供給的細(xì)粒碎屑混合形成泥質(zhì)白云巖、白云質(zhì)泥巖，與火山灰混合形成凝灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)凝灰?guī)r等一系列紋層狀白云巖類（圖9）。此外熱液的注入導(dǎo)致湖盆水體分層，湖盆底部高鹽度的鹵水為埋藏白云巖化提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。熱液注入還會(huì)使湖盆微生物活動(dòng)更加強(qiáng)烈，這對(duì)白云石的飽和、沉淀具有催化作用，有利于克服離子間的活化能，促成了白云石的形成。

圖9 準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷風(fēng)城組白云巖成因模式Fig.9 Genetic model of dolomite in the Fengcheng Formation of the Mahu Sag,Junggar Basin

總體而言，干旱的氣候環(huán)境決定了蒸發(fā)作用強(qiáng)，湖盆高M(jìn)g/Ca、高PH值、高鹽度的熱鹵水提供了云化作用的物質(zhì)。潮坪相受蒸發(fā)作用影響最強(qiáng)，熱液—蒸發(fā)沉積成因白云巖最發(fā)育。

4.3 埋藏—熱液交代成因

湖盆中央泄水通道中的集合體狀白云石、裂縫充填白云石以及均勻分布的白云石為保存較為完整的粗大晶體，常見明顯的交代結(jié)構(gòu)特征。當(dāng)處于堿性、還原條件并伴隨深盆熱液的影響，硅酸鹽類礦物并不穩(wěn)定，易被碳酸鹽類礦物交代。侵入風(fēng)城組的熱液能夠大量溶解并萃取、、Cl-、F-和Ca2+、Mg2+、Fe2+等常量元素和絡(luò)陰離子，這種熱液沿?cái)嗔焉仙?、侵入地層，提升了地層水中的Ca2+、Mg2+、Fe2+離子，在相對(duì)封閉的成巖體系中形成白云石環(huán)帶或交代硅酸鹽礦物形成一系列條帶—團(tuán)塊的湖相熱液交代白云巖（圖9），此外熱液的注入，導(dǎo)致湖盆水體分層，湖盆底部高M(jìn)g/Ca、高pH 值、高鹽度的鹵水隨著沉積物的埋藏在孔隙中形成孔隙水，在成巖演化過(guò)程中，水的損耗，也將進(jìn)一步提升Mg/Ca，為白云巖化提供物質(zhì)基礎(chǔ)。從烏爾禾地區(qū)風(fēng)城組二段白云巖的平面分布來(lái)看，單井的白云巖比例介于0～32.5%，埋藏—熱液交代成因白云巖多沿?cái)嗔鸭皵嗔褍蓚?cè)分布，也證實(shí)了這類白云巖的形成主要受斷裂分布控制（圖10）。研究區(qū)白云巖的分布特征無(wú)論是縱向上還是平面上，都表現(xiàn)為自深湖—半深湖向?yàn)I淺湖逐漸減薄的特點(diǎn)，顯示埋藏—熱液交代成因白云巖規(guī)模大于熱液—蒸發(fā)沉積成因。

圖10 準(zhǔn)噶爾盆地烏爾禾地區(qū)風(fēng)城組二段埋藏—熱液交代成因白云巖平面分布Fig.10 The plane distribution of burial-hydrothermal metasomatic dolomite from the Second member of the Fengcheng Formation in the Wuerhe area,Junggar Basin

5 討論

一般認(rèn)為典型的熱液白云石為鞍狀白云石。鞍狀白云石晶粒粗大，晶面呈彎曲刃狀，見波狀消光，多充填于裂隙，常見典型的“斑馬狀構(gòu)造”。鞍狀白云石形成于含Mg，溫度大于80 ℃的熱流體，由于快速結(jié)晶導(dǎo)致白云石晶體晶格大量缺陷并形成彎曲馬鞍狀晶面，被認(rèn)為是熱液作用的標(biāo)志性礦物之一[24]，如四川盆地中二疊統(tǒng)棲霞組、上震旦統(tǒng)燈影組的熱液成因鞍狀白云石[25-26]。鞍狀白云巖整體具有“高M(jìn)n 低Sr、δ18O 偏負(fù)、87Sr/86Sr 偏正”的地球化學(xué)特征[27]，鞍狀白云石的δ18O 可在-2.5‰到-18‰之間變化，但大部分介于-5‰～-12‰，相對(duì)比較負(fù)的δ18O值主要與氧同位素的熱分餾有關(guān)。碳同位素值變化范圍比較大，介于-17‰～6‰，但大部分介于-3‰～5‰[28]。

雖然鞍狀白云石被認(rèn)為是熱液成因的關(guān)鍵性標(biāo)志，但非鞍狀白云石并非一定不是熱液成因或與熱液無(wú)關(guān)[25,29]，需要綜合考慮白云巖的產(chǎn)狀、含量和礦物共生組合以及地質(zhì)背景等因素。瑪湖凹陷風(fēng)城組湖相白云巖中白云石晶體呈典型的菱面體狀，顯示結(jié)晶速度相對(duì)較慢，結(jié)晶程度相對(duì)較好的特征。熱液—蒸發(fā)白云巖沉積成因模式中湖泊水體與深部熱液混合[30]，一方面熱液為白云巖的形成提供了必要的物質(zhì)，特別是Mg2+離子，另一方面使得湖泊水體鹽度進(jìn)一步增大，在潮坪蒸發(fā)環(huán)境中形成高鎂方解石，并進(jìn)一步白云巖化。這種成因的白云巖受沉積相帶控制，主要發(fā)育在湖盆邊緣。埋藏—熱液交代成因白云巖中，熱液除帶來(lái)豐富的Mg2+離子外，熱液的高溫打破了白云石形成的動(dòng)力學(xué)障礙。間斷性的高溫?zé)嵋涸谇秩脒^(guò)程中，孔隙水中Mg2+升高。隨著流體降溫，白云石沉淀結(jié)晶或改造原始白云石形成環(huán)帶，暗色環(huán)帶富Mg、Mn，亮色環(huán)帶貧Mg、富Fe，熱液流體中Mg、Mn 和Fe 元素含量的周期性變化在白云石晶體的生長(zhǎng)環(huán)帶中得到直接響應(yīng)。由于受熱液流體影響程度不一，這類白云石δ18O 值變化范圍相對(duì)較大，埋藏—熱液交代成因白云巖的形成與深大斷裂密切相關(guān)。

6 結(jié)論

（1）瑪湖凹陷風(fēng)城組白云巖主要發(fā)育在風(fēng)城組二段和三段，平面上主要集中在深湖—半深湖相區(qū)，向著濱淺湖略有減薄，以分散型、紋層型、條帶—團(tuán)塊集合體型產(chǎn)出。

（2）白云石形成于高鹽度、強(qiáng)還原和受熱液控制的典型堿湖環(huán)境，深部熱液侵入為湖盆提供了豐富的Mg、Fe等離子，為白云巖的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

（3）湖相熱液白云巖存在兩種成因：一是熱液—蒸發(fā)沉積成因，在干旱氣候環(huán)境和強(qiáng)蒸發(fā)作用及熱液侵入下，湖盆高M(jìn)g/Ca、高pH 值、高鹽度的水體為云化作用提供了介質(zhì)，形成不規(guī)則紋層狀白云巖類。二是埋藏—熱液交代成因，深部熱流沿?cái)嗔焉仙秩氲貙樱龠M(jìn)埋藏白云巖化，形成集合體狀、均勻分布、裂縫充填狀的白云石。