潘立銀，張建勇，胡安平，王小芳，韋東曉，王永生

（1 中國石油杭州地質(zhì)研究院；2 中國石油天然氣集團公司碳酸鹽巖儲層重點實驗 室）

四川盆地東部上二疊統(tǒng)長興組礁灘復(fù)合體是重要的天然氣儲集層［1-2］。在該套深埋地層中，孔隙的發(fā)育狀況與白云石化作用具有密切關(guān)系。我們知道，雖然孔隙多分布在白云巖中，但白云巖的原巖為礁蓋、礁頂、礁翼等部位的粒泥灰?guī)r和泥粒灰?guī)r；礁核部位的礁灰?guī)r缺乏大規(guī)模白云石化作用，盡管沉積時具有很高的孔隙度，但現(xiàn)今多為致密的非儲集層。基于這一原因，以前的研究多以白云巖樣品為對象，雖然近二十年間針對白云巖的成因也開展了大量工作，但仍未達到統(tǒng)一的認識［3］。礁灰?guī)r由于缺乏油氣地質(zhì)意義而很少得到關(guān)注，因此對礁灰?guī)r中缺乏白云石化作用的原因也尚未進行過系統(tǒng)的分析，僅在零星的研究中將其原因歸結(jié)為早成巖階段強烈的海水膠結(jié)作用造成孔隙被充填，致使后期流體無法進入巖石中發(fā)生作用［4-5］。然而，這種解釋僅僅為推測，并未得到驗證。

本文以長興組礁灰?guī)r樣品為研究對象，利用巖石學(xué)、地球化學(xué)、流體包裹體等手段，探討其孔隙充填期所處的的環(huán)境。在此基礎(chǔ)上，分析礁灰?guī)r中缺乏大規(guī)模白云石化作用的原因，以期對四川盆地東部長興組白云石化作用的探討有所啟示。

1 沉積背景與樣品

四川盆地在古生代—中生代早中三疊世時期屬于揚子克拉通盆地的一部分。中晚古生代泥盆紀—石炭紀，受古特提斯洋擴張及俯沖作用影響，四川盆地及鄰區(qū)出現(xiàn)裂陷海槽。到二疊紀，克拉通內(nèi)裂陷作用進一步加強，向盆地內(nèi)部延伸。至晚二疊世長興期，裂陷作用加劇，在構(gòu)造拉張背景下，形成了城口—鄂西海槽、開江—梁平海槽和南充—綿陽臺內(nèi)洼陷三個負向單元，以及奉節(jié)—鎮(zhèn)巴臺坪、石柱—儀隴臺坪和遂寧—磨溪臺坪三個古地貌高地為特征的“三隆三凹”的古地理格局，沿這些海槽邊緣的高能沉積相帶，發(fā)育了長興組礁灘復(fù)合體（圖1）［2，6］。

四川盆地東部已發(fā)現(xiàn)的長興組礁灘復(fù)合體主要分布于開江—梁平海槽西南與東北兩側(cè)，以及城口—鄂西海槽西南側(cè)的臺地邊緣相帶（圖1）。本次研究區(qū)域為龍崗地區(qū)，位于開江—梁平海槽西南側(cè)，該區(qū)長興組礁灘的沉積背景及巖石學(xué)特征與四川盆地東部其它地區(qū)相似，因而具有代表性。

圖1 四川盆地東部晚二疊世長興期巖相古地理與研究區(qū)位置圖（據(jù)文獻［6］，有修改）

礁灰?guī)r樣品來自龍崗A井和龍崗B井的長興組，同時為了進行對比研究，還從龍崗C井采集了少量白云巖樣品。取樣井的位置見圖1。

2 礁灰?guī)r的孔隙充填序列

巖心觀察與薄片鏡下鑒定表明，礁灰?guī)r的孔隙（格架孔、裂縫等）已被碳酸鹽膠結(jié)物及瀝青完全充填。碳酸鹽膠結(jié)物可分為3類：放射軸狀方解石、白云石和塊狀亮晶方解石（圖2a，2b）。其中，放射軸狀方解石和白云石沿格架孔分布，形成時間均早于瀝青（圖2b）；塊狀亮晶方解石沿格架孔（圖2c）和裂縫（圖2d）分布，有些早于瀝青（圖2b），有些晚于瀝青（圖2b），為了論述方便，這兩類方解石分別稱為瀝青充填前亮晶方解石和瀝青充填后亮晶方解石。

圖2 四川盆地東部長興組生物礁灰?guī)r中孔隙與膠結(jié)物的特征

根據(jù)上述充填物的相互關(guān)系，建立了礁灰?guī)r的孔隙充填物序列，它們由早到晚依次為：放射軸狀方解石、白云石、瀝青充填前亮晶方解石、瀝青、瀝青充填后亮晶方解石。

3 膠結(jié)物的形成環(huán)境

多期多類膠結(jié)物和瀝青的存在表明，長興組礁灰?guī)r經(jīng)歷了復(fù)雜的成巖作用，孔隙徹底喪失的原因是長期經(jīng)歷成巖演化所致。為更好地揭示礁灰?guī)r的孔隙演化過程，需要對主要膠結(jié)物的形成環(huán)境進行分析。

據(jù)觀察，長興組礁灰?guī)r樣品中，孔隙充填物以放射軸狀方解石和塊狀亮晶方解石最為普遍。雖然放射軸狀方解石在生長結(jié)束后，有少量的小孔隙被完全充填，但礁灰?guī)r中仍殘留大量孔隙；而塊狀亮晶方解石是礁灰?guī)r中數(shù)量最大的膠結(jié)物，在其形成后，礁灰?guī)r中的孔隙則幾乎喪失殆盡。

由于白云石和瀝青僅在部分樣品中發(fā)育，且數(shù)量小于1%，故本文對其不做專門分析。

3.1 放射軸狀方解石

放射軸狀方解石是古代生物礁和灰泥丘中常見的膠結(jié)物，曾被視為纖狀文石重結(jié)晶作用的產(chǎn)物［7-9］。Kendall［10］對澳大利亞Canning盆地上泥盆統(tǒng)研究后，將該類方解石解釋為海水中沉淀的高鎂方解石膠結(jié)物。

在長興組礁灰?guī)r的孔隙充填物中，放射軸狀方解石形成最早，它們沿格架孔和生物體腔孔呈等厚環(huán)邊分布（圖2a，2b），在有些較大的格架孔中可發(fā)育多層（單層厚度為1～3 mm）。從鏡下看，該類方解石雙晶面彎曲并向遠端收斂，具波狀消光。

在地球化學(xué)方面，長興組礁灰?guī)r中的放射軸狀方解石與海水中沉積的灰泥具有類似的C、O、Sr同位素組成（圖3a，3b），且δ13C和87Sr/86Sr值位于長興期海水背景值范圍內(nèi)［11-12］（圖3b）；長興組礁灰?guī)r中放射軸狀方解石的Sr濃度為250～415 μg/g（圖3c），這跟海水沉積灰泥以及Saller［13］報道的北太平洋Enewetak環(huán)礁中的中新統(tǒng)放射軸狀方解石膠結(jié)物的Sr濃度（290～370 μg/g）類似；此外，放射軸狀方解石的Fe和Mn濃度也同樣較低（圖3d）。

圖3 四川盆地東部長興組生物礁灰?guī)r中不同結(jié)構(gòu)組分的碳氧鍶同位素以及微量元素交匯圖

以上這些參數(shù)均為海水膠結(jié)物的典型特征，指示了放射軸狀方解石膠結(jié)物形成于早期海水成巖環(huán)境。

3.2 塊狀亮晶方解石

塊狀亮晶方解石是古代灰?guī)r中常見的膠結(jié)物，可形成于多種成巖環(huán)境，例如早期近地表大氣淡水環(huán)境［14］、不同深度的埋藏環(huán)境［15-17］、表生期喀斯特環(huán)境［18］等。據(jù)巖石學(xué)、地球化學(xué)、流體包裹體等證據(jù)顯示，長興組礁灰?guī)r中的塊狀亮晶方解石形成時間較晚，為埋藏成巖環(huán)境的產(chǎn)物，其特征主要表現(xiàn)在：

（1）塊狀亮晶方解石形成于放射軸狀方解石和白云石膠結(jié)物之后，甚至有一部分晚于瀝青，為較晚的成巖礦物（圖2b）；

（2）塊狀亮晶方解石包裹放射軸狀方解石和圍巖的碎塊（圖2c，2d），有些沿裂縫分布（圖2d），明顯形成于壓實作用之后；

（3）塊狀亮晶方解石粒度大（0.2～1 mm，最大可達10 mm），由孔壁向孔隙中心晶體粒度具有變大的趨勢（圖2c），顯示了埋藏成巖環(huán)境的特點；

（4）塊狀亮晶方解石的δ18O值低于放射軸狀方解石，暗示其形成溫度高于后者（圖3a）；

（5）部分塊狀亮晶方解石具很高的Sr含量，最高可達5376μg/g（圖3c），顯示了封閉成巖體系的特點；

（6）亮晶方解石中流體包裹體的均一溫度全部高于100 ℃（圖4）。

圖4 四川盆地東部長興組礁灰?guī)r中塊狀亮晶方解石膠結(jié)物的流體包裹體均一溫度分布圖

4 礁灰?guī)r缺乏大規(guī)模白云石化作用的原因分析

眾所周知，發(fā)生大規(guī)模白云石化作用需要滿足三個基本條件［19］：①存在充足的白云石化流體；②存在使白云石化流體從源區(qū)進入先驅(qū)物的機制；③先驅(qū)物具有一定的孔隙以利于白云石化流體的作用。

前面對膠結(jié)物形成環(huán)境的分析表明，長興組礁灰?guī)r的孔隙在早期海水成巖作用期間因放射軸狀方解石的形成而發(fā)生一定程度的損失；在早期海水成巖作用結(jié)束后，尚殘留有大量孔隙，直至深埋階段（4600～5700m）孔隙才被完全充填——這意味著滿足上述所說的大規(guī)模白云石化作用所需的第③個條件（本區(qū)礁灰?guī)r缺乏大規(guī)模白云石化作用的現(xiàn)象，無法用早期海水膠結(jié)作用造成孔隙被完全充填來解釋）。另外，部分礁灰?guī)r樣品中發(fā)育少量白云石，說明存在使白云石化流體進入先驅(qū)物的機制，即滿足第②個條件。

如此看來，長興組礁灰?guī)r中缺乏大規(guī)模的白云石化作用可能與白云石化流體供應(yīng)不足有關(guān)。前已述及，長興組白云巖多分布于礁蓋、礁頂、礁翼，而很少分布于礁核，白云石化作用表現(xiàn)出的這種相帶選擇性暗示了它受成巖早期的沉積環(huán)境控制。從沉積環(huán)境上看，礁核（礁灰?guī)r）發(fā)育在臺地邊緣靠近海槽的高能區(qū)域，成巖流體為活躍循環(huán)的正常海水（放射軸狀方解石為典型產(chǎn)物），不具備白云石化作用的潛力；而礁蓋、礁頂、礁翼等部位處于相對低能、局限環(huán)境，海水循環(huán)慢，同時蒸發(fā)作用可使海水輕度咸化、密度變大。輕度咸化海水的滲透回流可以引發(fā)白云石化作用，這在美國二疊盆地［20］、地中海［21］等地區(qū)有過報道。

受成巖早期沉積環(huán)境控制的白云石化作用不僅能解釋礁灰?guī)r中缺乏大規(guī)模白云石化作用這一現(xiàn)象，而且也得到了白云巖巖石學(xué)和地球化學(xué)數(shù)據(jù)的支持：（1）在有些白云巖中，生物碎屑結(jié)構(gòu)保存完好（圖5），表明白云石化作用發(fā)生在較低溫度下（一般認為小于50 ℃）［22］；（2）白云巖的δ13C和87Sr/86Sr值位于同一時期海水背景值范圍內(nèi)（圖3a，3b），反映了白云石化流體與海水或受過蒸發(fā)改造的海水有關(guān)。

圖5 四川盆地東部長興組白云巖中的生物碎屑結(jié)構(gòu)特征

5 結(jié) 論

（1）四川盆地東部長興組礁灰?guī)r具有很高的沉積孔隙度，但絕大多數(shù)已在成巖作用過程中被膠結(jié)物所充填。礁灰?guī)r中的放射軸狀方解石和塊狀亮晶方解石為兩類最重要的膠結(jié)物，其中后者對孔隙的最終喪失起決定性作用。基于巖石學(xué)和地球化學(xué)分析認為：放射軸狀方解石為早期正常海水成巖作用的產(chǎn)物，塊狀亮晶方解石為埋藏成巖作用的產(chǎn)物。

（2）早期海水膠結(jié)作用結(jié)束后，直至深埋階段，礁灰?guī)r中仍存在有效孔隙及流體活動的空間。因此，本區(qū)長興組礁灰?guī)r缺乏大規(guī)模白云石化作用的現(xiàn)象，無法用早期海水膠結(jié)作用造成孔隙被完全充填來解釋，本研究提出的受成巖早期沉積環(huán)境控制的輕度咸化海水滲透回流的機制對此作了很好的解釋，并得到了白云巖的巖石學(xué)和地球化學(xué)數(shù)據(jù)支持。

［1］陳宗清.四川盆地長興組生物礁氣藏及天然氣勘探［J］.石油勘探與開發(fā)，2008，35(2):148-156.

［2］鄒才能，徐春春，汪澤成，等.四川盆地臺緣帶礁灘大氣區(qū)地質(zhì)特征與形成條件［J］.石油勘探與開發(fā)，2011，38(6):641-651.

［3］劉樹根，黃文明，張長俊，等.四川盆地白云巖成因的研究現(xiàn)狀及存在問題［J］.巖性油氣藏，2008，20 (2): 6-15.

［4］吳熙純，劉效曾，楊仲倫，等.川東上二疊統(tǒng)長興組生物礁控儲層的形成［J］.石油與天然氣地質(zhì)，1990，11(3): 283-297.

［5］雷卞軍，強子同，陳季高.川東上二疊統(tǒng)生物礁成巖作用與孔隙演化［J］.石油與天然氣地質(zhì)，1991，12(4):364-375.

［6］張建勇，周進高，郝毅，等.四川盆地環(huán)開江—梁平海槽長興組—飛仙關(guān)組沉積模式［J］.海相油氣地質(zhì)，2011，16(3):45-54.

［7］Bathurst R G C.The cavernous structure of some Mississippian Stromatactis reefs in Lancashire,England［J］.Journal of Geology,1959,67(5): 506-521.

［8］Bathurst R G C.Carbonate sediments and their diagenesis［M］//Developments in Sedimentology:12.2nd ed.Amsterdam: Elsevier,1975: 475-516.

［9］Kendall A C，Tucker M E.Radiaxial fibrous calcite as a replacement after syn-sedimentary cement［J］.Nature (Physical Science),1971，232(29): 62-63.

［10］Kendall A C.Radiaxial fibrous calcite: A reappraisal［C］//Schneidermann N,Harris P M.Carbonate cements.Tulsa:SEPM Special Publication,1985: 59-77.

［11］Veizer J，Ala D，Azmy K,et al.87Sr/86Sr，δ13C and δ18O evolution of Phanerozoic seawater［J］.Chemical Geology，1999，161(1):59-88.

［12］Korte C,Kozur H W,Bruckschen P,et al.Strontium isotope evolution of Late Permian and Triassic seawater［J］.Geochimica et Cosmochimica Acta,2003,67(1): 47-62.

［13］Saller A H.Radiaxial calcite in Lower Miocene Strata,subsurface Enewetak Atoll［J］.Journal of Sedimentary Petrology,1986,56(6): 743-762.

［14］Bourque P A,Savard M M,Chi G,et al.Diagenesis and porosity evolution of the Upper Silurian-lowermost Devonian West Point reef limestone,eastern Gaspé Belt,Québec Appalachians ［J］.Bulletin of Canadian Petroleum Geology,2001,49(2): 299-326.

［15］Choquette P W，James N P.Diagenesis in limestones 3:The deep burial environment［J］.Geoscience Canada，1987，14(1): 3-35.

［16］Tobin K J,Walker K R,Goldberg S G.Burial diagenesis of middle Ordovician carbonate buildups (Alabama,USA): Documentation of the dominance of shallow burial conditions［J］.Sedimentary Geology，1997，114(1/4): 223-236.

［17］Machel H G.Investigations of burial diagenesis in carbonate hydrocarbon reservoir rocks［J］.Geoscience Canada，2005，32(3): 103-128.

［18］劉麗紅，黃思靜，王春連，等.碳酸鹽巖中方解石膠結(jié)物的陰極發(fā)光環(huán)帶與微量元素構(gòu)成的關(guān)系——以塔河油田奧陶系碳酸鹽巖為例［J］.海相油氣地質(zhì)，2010，15(1): 55-60.

［19］Machel H G.Concepts and models of dolomitization: A critical reappraisal［C］// Braithwaite C J R,Rizzi G,Darke G.The geometry and petrogenesis of dolomite hydrocarbon reservoirs.London: Geological Society，2004: 7-63.

［20］Melim L A,Scholle P A.Dolomitization of the Capitan Formation forereef facies (Permian,west Texas and New Mexico): Seepage reflux revisited［J］.Sedimentology，2002，49(6): 1207-1227.

［21］Qing Hairuo,Bosence D W J,Rose E P F.Dolomitization by penesaline sea water in Early Jurassic peritidal platform carbonates,Gibraltar,western Mediterranean［J］.Sedimentology,2001,48(1):153-163.

［22］Sibley D F,Gregg J M.Classification of dolomite rock textures［J］.Journal of Sedimentary Petrology，1987，57(6): 967-975.