何文淵，云建兵，鐘建華

（1.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江大慶 163002；2.黑龍江省陸相頁巖油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶 163712；3.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探事業(yè)部，黑龍江大慶 163712；4.東北大學(xué)秦皇島分校海洋油氣勘探國家研究分中心，河北秦皇島 066004；5.中國石油大學(xué)（華東），山東青島 266528）

0 引言

1995—2000 年，在四川盆地東北部地區(qū)先后發(fā)現(xiàn)了渡口河、羅家寨、鐵山坡飛仙關(guān)組鮞灘氣藏，2003 年發(fā)現(xiàn)了普光長興組—飛仙關(guān)組臺緣礁灘相大型氣田，其后又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了元壩、龍崗等長興組—飛仙關(guān)組大型臺緣礁灘相氣藏。圍繞“廣旺—開江—梁平陸棚”兩側(cè)長興組—飛仙關(guān)組臺緣礁灘相油氣勘探正在快速展開。元壩地區(qū)是中國石化繼普光氣田后在川東北地區(qū)臺地邊緣超深層又一個取得重大突破的區(qū)塊。近幾年，隨著勘探的不斷深入，在四川盆地東北部晚二疊統(tǒng)的長興組碳酸鹽巖中又發(fā)現(xiàn)了渡口河、普光、元壩、龍崗等氣田。主流觀點(diǎn)認(rèn)為長興組生物礁是主要的儲集層，如王一剛等［1-2］認(rèn)為川東北形成了開江—梁平碳酸鹽海槽，并在陸棚邊緣帶和深部緩坡帶分別發(fā)育了陸棚邊緣礁和點(diǎn)礁等優(yōu)質(zhì)儲層；徐強(qiáng)等［3］、牟傳龍等［4］、王瑞華等［5］、洪海濤等［6］認(rèn)為沉積控制了生物礁的分布，成巖作用對后期生物礁儲層進(jìn)行了改造；夏明軍等［7］、文華國等［8］、曾大乾等［9］、Li 等［10］詳細(xì)闡述了生物礁儲層特征。

生物礁是多種礦藏資源的有利富集場所，尤其是油氣資源儲集的“天堂”。20 世紀(jì)初，在墨西哥黃金帶內(nèi)的阿蘇爾4號井日產(chǎn)原油高達(dá)3.562×104t，更加激發(fā)了人們對生物礁研究的熱情，因此，20 世紀(jì)是生物礁研究發(fā)展最快的時期［11］。生物礁是一種在水中形成的生物沉積建造，在漫長的地質(zhì)歷史中，如果把疊層石也叫生物礁的話，那么生物礁就是地球上最早的生物建造：從太古代的微生物藻礁到現(xiàn)代的珊瑚和珊瑚藻礁，可以說生物礁是地球上最早的生命作用的產(chǎn)物。海洋條件的變化，如海平面、海域面積以及海水鹽度的變化，均對生物礁的生長、膠結(jié)作用和微生物的成巖作用產(chǎn)生重要影響，同時對生物礁生成非常重要的CaCO3沉淀也會產(chǎn)生影響［12-13］。這些因素以及造礁生物在地質(zhì)歷史時期中的進(jìn)化和滅絕事件都會影響生物礁的生長和演化。生物礁是造礁生物在一定的氣候環(huán)境、海水溫度、養(yǎng)分供給、海底地形、盆地沉積速率等因素影響下，經(jīng)歷特殊成巖作用沉積而成的一種特殊的碳酸鹽巖，其主要形成條件有：①適合的氣候條件。造礁生物一般在水溫23～27 ℃的環(huán)境里生長較好，在更高和更低的溫度下，將逐漸失去捕獲食物的能力而難以生存下去。研究認(rèn)為，四川盆地在晚二疊世長興期處于赤道附近的熱帶海洋環(huán)境，這是盆地生物礁能夠發(fā)育的必要條件。②海水清潔度。地質(zhì)研究表明長興期持續(xù)的海侵導(dǎo)致川東北地區(qū)水體加深，海岸遠(yuǎn)離該區(qū)，海水逐漸變得清潔起來。③高能的環(huán)境。在這種環(huán)境中海水中含有充足的氧氣和豐富的營養(yǎng)成分，為生物礁的生長發(fā)育提供了良好的生長條件，這些高能的環(huán)境往往是處于海底地形發(fā)生變化使海流方向發(fā)生改變或者易于形成波浪的地方。如陸棚邊緣、臺地邊緣、海岸帶及其他原因造成的地形隆起，都有利于生物礁的發(fā)育。④長期海侵。根據(jù)古代和現(xiàn)代生物礁的研究，鐘建華等［11］認(rèn)為長期的海侵是生物礁形成的先決條件之一，這主要是由于生物礁生長需要充足的陽光，因此需要適宜的水深，較快的礁生長可以抵消因海平面不斷上升而增加的水深，使生物礁生長基底較長時間保持在一定水深條件之中。

四川盆地東北部是中國南方海相天然氣勘探最具活力和潛力的地區(qū)，北鄰米倉山隆起，北東方向是大巴山造山帶，南東方向與川東構(gòu)造相接，處于多個構(gòu)造的交接地帶，具有構(gòu)造復(fù)合疊加的典型特征。在羅家寨發(fā)現(xiàn)大型氣田后，普光地區(qū)又發(fā)了現(xiàn)特大型氣田，各石油公司均在川東北長興組的碳酸鹽巖中都獲得了巨大的天然氣儲量。通過綜述學(xué)者們的最新研究成果，并對產(chǎn)氣井的原始錄井、鉆井資料進(jìn)行精細(xì)分析，提出這些大氣田的主力產(chǎn)氣儲集層為純白云巖，含少量優(yōu)質(zhì)礁灘相白云巖儲層［14］，這一觀點(diǎn)與眾多學(xué)者關(guān)于研究區(qū)為生物礁灰?guī)r儲層的認(rèn)識有所不同，以期對四川盆地長興組的油氣勘探提供地質(zhì)依據(jù)和新的勘探思路。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)川東北包括四川境內(nèi)的閬中、儀隴、營山、萬源、宣漢、達(dá)縣、開江、梁平、城口、南江、旺蒼和廣元，面積約4.38×104km2（圖1）。研究區(qū)在構(gòu)造區(qū)劃上位于上揚(yáng)子地臺的北東部，現(xiàn)今構(gòu)造格局主要受北西向的米倉山—大巴山巨型構(gòu)造山系逆沖推覆作用控制，經(jīng)歷了中、新生代復(fù)雜的構(gòu)造演化過程，具有被3 個構(gòu)造系夾持的復(fù)雜區(qū)域構(gòu)造復(fù)合體系。北西向與松潘—甘孜褶皺系（龍門山逆沖退覆帶）相鄰，北東臨秦嶺—大巴山構(gòu)造帶，南東臨川東構(gòu)造帶，地理上屬于四川盆地東北部和部分渝北地區(qū)的山區(qū)。

圖1 川東北二疊系長興組區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造Fig.1 Regional geological structure of Permian Changxing Formation in northeastern Sichuan Basin

四川盆地地層發(fā)育齊全、厚度大，具有多層系、多旋回的特點(diǎn)。盆地邊緣主要分布元古界和古生界，大涼山、龍門山、米倉山還出露中酸性和基性、超基性巖漿巖；在華鎣山背斜核部局部出露古生界；中生界遍及盆地內(nèi)部；新生界主要分布在成都平原及現(xiàn)代河流的兩岸。盆地基底為前震旦系，局部地區(qū)還包括下震旦統(tǒng)，主要由一套變質(zhì)巖及巖漿巖組成，厚度達(dá)萬米級，屬中上元古代。基底上覆沉積蓋層在盆地內(nèi)均有發(fā)育，總厚度為6～12 km。震旦系到中三疊統(tǒng)為海相沉積，以碳酸鹽巖為主，厚度為4～7 km；下震旦統(tǒng)在盆地內(nèi)缺失，只在川東北、川東南等凹地有沉積；上震旦統(tǒng)在全區(qū)發(fā)育良好，巖性變化小，分布穩(wěn)定；寒武系、奧陶系及志留系在盆地內(nèi)分布范圍廣，后期受加里東運(yùn)動影響，中、上寒武統(tǒng)和奧陶系在成都以南局部地區(qū)遭受剝蝕，奧陶系僅殘留了桐梓組，厚度僅為53 m；志留系剝失范圍更大，在川東北地區(qū)幾乎缺失，僅在城口廟壩的雙河鎮(zhèn)和中壩的文采村偶有發(fā)育，巖性為變質(zhì)碎屑巖。

在泥盆、石炭系沉積期，以四川、黔北為主體的上揚(yáng)子古陸始終保持上升狀態(tài)，該套地層在四川盆地內(nèi)部大面積缺失，僅在盆地邊緣發(fā)育。二疊系沉積遍及全區(qū)，為一套淺海相—半深海相（陸棚相或海槽相）沉積。川西底部沉積了梁山組含煤巖系，為一套黑色—灰黑色泥頁巖，夾煤線、粉砂巖、灰?guī)r和泥灰?guī)r，厚度為16 m，發(fā)育最好的地層剖面位于城口廟壩雙河鄉(xiāng)；在梁山煤系之上沉積了棲霞組，為一套含硅質(zhì)的泥晶灰?guī)r和生屑灰?guī)r及云質(zhì)灰?guī)r，其中發(fā)育了一個不整合面，厚度為107 m。棲霞組之上為茅口組，為一套灰色—灰黑色的泥晶灰?guī)r和生屑灰?guī)r，含燧石結(jié)核，偶見薄層硅質(zhì)巖，發(fā)育了單層或多層溶洞，厚度為227 m。在川西南沿斷裂帶有大量玄武巖噴發(fā)（四川峨眉山玄武巖噴發(fā)，東吳運(yùn)動），茅口期后期沉積了一套龍?zhí)督M的含煤巖系，巖性主要為含煤碎屑巖夾灰?guī)r，在海槽區(qū)為以灰?guī)r沉積為主的吳家坪組，龍?zhí)督M厚度約133 m。在龍?zhí)督M煤系地層之上發(fā)育長興組，為灰?guī)r/白云巖生物礁沉積，可見溶洞，厚度為33 m，在川東北長興組厚度多為200～300 m。中、下三疊統(tǒng)發(fā)育一套淺海相沉積，在研究區(qū)廣泛分布，直到中三疊世末的早印支運(yùn)動，上揚(yáng)子板塊整體抬升，盆地內(nèi)部遭受不同程度的剝蝕，大規(guī)模海侵結(jié)束。上三疊統(tǒng)沉積地層的發(fā)育情況反映了全區(qū)由淺海轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)陸湖盆的全過程，是一套海陸過渡相沉積，厚度為250～3 000 m。侏羅系至古、新近系均沉積陸相地層，主要為碎屑巖，厚2 000～5 000 m，在該階段的喜山運(yùn)動后期，四川盆地基本定型。第四系為沖積、洪積層，由疏松泥沙及礫石組成，一般厚度為0～100 m。川東北二疊系—三疊系構(gòu)造分區(qū)和沉積環(huán)境分異很大，地層發(fā)育差異也很大，在茅口組、龍?zhí)督M和長興組均因相變而有另外的組名（圖2）?！霸苹蓛Α笔侵赴自剖饔眯纬傻陌自茙r儲層，該過程需要滿足以下2 個基本條件：一是巖性必須是白云巖（包括云灰?guī)r和灰云巖一系列過渡巖石類型）；二是必須達(dá)到儲層物性下限，但這個條件是變化的，與盆地和儲層等因素有關(guān)，存在大概的儲層物性區(qū)間，在川東北地區(qū)白云巖必須達(dá)到Ⅲ類儲層以上（含Ⅲ類儲層）。該類儲層孔隙度一般大于2%，滲透率一般大于0.002 mD。由于白云巖的成因復(fù)雜，云化成儲存在很大的不確定性：既可以是沉積時形成的白云巖，也可以是成巖階段形成的白云巖，還可以是在成巖階段由熱液交代形成的白云巖，甚至還可以是褶皺隆起后風(fēng)化剝蝕階段喀斯特巖溶過程形成的白云巖。

圖2 川東北巖性地層綜合柱狀圖Fig.2 Stratigraphic column of northeastern Sichuan Basin

2 長興組生物礁與氣藏

2.1 露頭生物礁與礁蓋白云巖

中國南方二疊系生物礁比較發(fā)育［15-16］，川東北長興組生物礁是其中之一，也是本次研究的重點(diǎn)。在川東北長興組生物礁露頭發(fā)育較好，最好的剖面位于宣漢盤龍洞一帶。長興組生物礁大致可分為下部灰?guī)r段（礁灰?guī)r段）和上部白云巖段，厚度為25～400 m。臺地邊緣的普光5 井區(qū)長興組地層厚度達(dá)520 m，但沒有發(fā)育生物礁。天然氣僅發(fā)育在長興組上部的白云巖和溶洞中。臺地邊緣的毛壩3 井區(qū)長興組地層厚度達(dá)500 m，可能是受北東向生長斷層的控制。長興組下段為灰—淺灰色、深灰色中厚層至塊狀泥微晶灰?guī)r，含砂屑泥晶灰?guī)r、砂屑灰?guī)r、條帶狀灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r、硅質(zhì)白云巖，局部發(fā)育硅質(zhì)白云巖團(tuán)塊。在研究區(qū)的盤龍洞（圖3a—3d）和羊鼓洞（圖3e—3i）地層剖面中，長興組下部發(fā)育生物礁灰?guī)r和生屑灰?guī)r，造礁生物以海綿類和藻類為主，附礁生物包括棘屑、蜓類、腕足類等。長興組上段厚度為100～200 m，主要為灰色、灰白色中厚層至塊狀礁云（灰）巖、礫屑白云巖、泥微晶白云巖和晶粒白云巖，該段地層富含生物化石，造礁生物與附礁生物發(fā)育，且多見瀝青（圖3f—3h），白云石化作用強(qiáng)烈，主要對骨架礁、粘結(jié)骨架礁和部分生屑灘相灰?guī)r白云石化，并形成大量的溶蝕孔洞，且充填方解石、白云石、瀝青等（圖3i）?？傊L興組在川東北的巖性及其沉積厚度變化較大，揭示其沉積環(huán)境在區(qū)域內(nèi)變化較大。

圖3 川東北宣漢盤龍洞、陽鼓洞及雞唱村長興組生物礁野外照片F(xiàn)ig.3 Field photos of reefs of Changxing Formation in Panlongdong，Yanggudong and Jichangcun of Xuanhan area in northeastern Sichuan Basin

吳熙純等［17］、馬永生等［18-21］、周剛等［22-23］、李小燕等［24］、黃仁春等［25］均對川東北長興組生物礁進(jìn)行了研究，但對生物礁頂部的白云巖的關(guān)注較少。在宣漢雞唱村—盤龍洞—羊鼓洞生物礁剖面上可見礁核的上部和頂部均發(fā)育一套白云巖，且具如下特點(diǎn)：①礁頂白云巖與礁核呈不整合接觸，礁核內(nèi)部也存在不整合接觸面（圖4a，4b），在不整合接觸面上可見礫石和明顯的接觸“縫”，是流體的良好運(yùn)移通道和儲集空間；②礁頂白云巖發(fā)育多尺度溶孔，偶見直徑達(dá)2 m 的大型溶洞，為良好的儲集空間；③部分礁頂白云巖內(nèi)發(fā)育白云巖礫石（圖4c，4d），粒徑多為數(shù)厘米，揭示白云巖層在形成過程中可能發(fā)生垮塌或被流水搬運(yùn)；④礁頂白云巖的厚度為零到數(shù)十米不等，揭示其受底形和微相控制，也進(jìn)一步揭示礁頂白云巖儲層在空間上變化劇烈，甚至在一些地區(qū)不發(fā)育。

圖4 川東北宣漢雞唱村—盤龍洞—羊鼓洞二疊系長興組生物礁白云巖礁蓋Fig.4 Dolomitic reef cap of Permian Changxing Formation in Jichangcun，Panlongdong and Yanggudong of Xuanhan area in northeastern Sichuan Basin

宣漢長興組生物礁露頭及其相鄰地層顯示，生物礁中可見的開放性孔洞不多，大部分孔洞被巨晶方解石和瀝青充填，而礁蓋白云巖中則發(fā)育很多開發(fā)性溶蝕孔洞，揭示白云巖礁蓋比生物礁具有更好的儲集能力。野外地質(zhì)調(diào)查證實(shí)龍崗和普光氣田的主力儲氣層為礁頂白云巖，此次研究對象為礁頂白云巖。

2.2 長興組白云巖儲集空間

2.2.1 溶蝕孔

溶蝕孔是長興組白云巖中最常見的孔縫類型（圖5）。盤龍洞礁核的粉晶鮞粒白云巖礁蓋中的鮞粒和其他碎屑被溶蝕，形成了幻影，發(fā)育明顯的示底構(gòu)造（圖5a），表明其形成條件為表生［26］；鮞粒中的文石被淋濾形成鮞粒溶孔，面孔率為30%～40%，在地表鮞?？變?nèi)接受白云石沉淀，在鮞?？椎南虏堪l(fā)育晶形很好的粗晶白云石（直徑為0.05～0.35 mm），形成漂亮的示底構(gòu)造。這種類型的孔隙被認(rèn)為由大氣淡水溶蝕作用而成，以鮞?？诪橹?，含少量鮞粒內(nèi)溶孔溶洞，鮞?？装l(fā)育示頂、底構(gòu)造［20］。

圖5 川東北二疊系長興組白云巖顯微照片F(xiàn)ig.5 Micrographs of dolomite of Permian Changxing Formation in northeastern Sichuan Basin

2.2.2 晶間殘留孔或粒間殘留孔

晶間殘留孔或粒間殘留孔在研究區(qū)占比很大，面孔率為10%～40%（剔除方解石膠結(jié)物和瀝青），白云石粒徑為0.01～0.05 mm，自形、半自形或他形，部分白云石晶粒邊緣圓化，推測是被搬運(yùn)磨圓（圖5b—5h）。其中，晶間孔非常發(fā)育，面孔率為20%～30%（圖5b），孔隙被瀝青充填，部分白云石顆粒（晶粒）的邊緣平整，表明未受到溶蝕（或磨蝕），顆粒（晶粒）間的孔不是溶蝕孔，而是殘留孔。在大的白云石晶粒組合團(tuán)塊周緣的粉晶白云石晶粒形態(tài)完好，晶面平整，未見溶蝕跡象（圖6），少量有微弱的“霧心白邊”結(jié)構(gòu)（霧心系方解石或高鎂方解石，白邊系白云石）［27］，揭示白云石可能是通過方解石云化而成或者是白云石在不斷地完善晶體，未見生物碎屑，表明是純蒸發(fā)臺地，而非生物礁灘和鮞灘，推測為純沉積成因。川東北二疊系長興組白云巖多為微晶—粉晶結(jié)構(gòu)，推測其沉積成因的可能性比較大，因?yàn)楝F(xiàn)代沉積白云石基本為微晶狀，因此，認(rèn)為晶間的殘留孔是沉積時形成并保存下來的。通常后期形成的白云石比沉積而成的白云石晶粒更粗大［28-29］。

圖6 川東北二疊系長興組白云巖顯微照片F(xiàn)ig.6 Micrographs of dolomite of Permian Changxing Formation in northeastern Sichuan Basin

2.2.3 晶間自生孔和晶間自生縫

方解石在白云巖化過程中，巖石體積縮小，Weyl［30］認(rèn)為體積減小12%～13%；黃成剛等［31］通過精密物理推算和實(shí)測驗(yàn)證后認(rèn)為理想狀態(tài)下方解石轉(zhuǎn)化為白云石體積會減小11.78%～13.36%，且該數(shù)值隨著白云石中含鐵量的不同而存在小幅波動。白云巖化過程中，白云石與方解石之間會形成一系列自生縫或自生孔，沉積形成的白云巖往往不純，含有灰質(zhì)或有機(jī)質(zhì)。在成巖過程中方解石、灰質(zhì)白云石和含有機(jī)質(zhì)的白云石等會不斷地轉(zhuǎn)變成純白云石，導(dǎo)致體積縮小，形成晶間孔（圖7a）和晶間縫（圖7b—7d），方解石轉(zhuǎn)變?yōu)榘自剖瘯r發(fā)生緊密堆積，這種收縮率對碳酸鹽巖、尤其是對深部碳酸鹽巖的儲集能力產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。收縮縫的寬度為0.001～0.010 mm，長度（不考慮不同晶體之間的聯(lián)結(jié)）多為0.01～0.05 mm，與一個晶體的長寬相同（圖7e），收縮縫總體寬度較均勻，局部存在差異，甚至與溶蝕孔聯(lián)結(jié)（圖7a，7b的白色箭頭所指）。白云石晶體的成巖收縮縫作為最末級的儲集空間，其單縫的儲集能力有限，但數(shù)量很多，散布于各個白云石晶體之間，而且彼此連通成孔縫網(wǎng)絡(luò)（圖7f，7g），對于改善滲透能力極為有用。在川東北羅家寨2 井的飛仙關(guān)鮞粒云巖中可見明顯的收縮孔縫，不排除有的收縮縫受到溶蝕而擴(kuò)展，但這種縫首先是因?yàn)槌蓭r收縮而產(chǎn)生的。史建南等［32］認(rèn)為川東北長興組白云巖主要是成巖過程中形成的；鄭榮才等［14］根據(jù)原始物質(zhì)和結(jié)構(gòu)保存狀況、白云石晶體大小、晶形、結(jié)晶程度和充填物等特征，將長興組白云巖儲層的埋藏白云巖化過程劃分為3 個成巖階段和6 個期次，此次研究在研究區(qū)內(nèi)觀察到3 個期次的白云石。

圖7 川東北二疊系長興組碳酸鹽巖顯微照片及成巖過程中的云化成儲示意Fig.7 Micrographs of carbonate rocks and reservoir-forming of dolomitization in diagenetic process of Permian Changxing Formation in northeastern Sichuan Basin

晶間縫的體積在巖石中占比不大，如果完全由石灰?guī)r轉(zhuǎn)變?yōu)榘自茙r，理論上的體積最大減少量超過13%［31］，對碳酸鹽巖來說這是一個非常大的理論增量。表生沉積白云巖孔隙不如石灰?guī)r在成巖作用過程中轉(zhuǎn)變?yōu)榘自茙r孔隙的增量；成巖作用對白云巖的孔隙度和滲透率增量不如石灰?guī)r，這一點(diǎn)在以往研究中較少被關(guān)注。在埋藏成巖過程中只要具備形成白云巖的條件就會產(chǎn)生新的儲集空間，盡管收縮縫和收縮孔體積不大，但由于收縮縫和收縮孔在空間交織成網(wǎng)絡(luò)狀，對于提高白云巖的滲透性具有重要作用。

2.2.3 晶內(nèi)自生孔、溶蝕孔和殘留孔

章宇路等［33］對北鐵山—雙家壩地區(qū)的長興組白云巖進(jìn)行了研究，認(rèn)為自形程度差的白云石由表生沉積形成，通過掃描電鏡觀察到微晶白云巖中白云石為典型的他形結(jié)構(gòu)，X 射線衍射測試結(jié)果顯示，微晶白云巖有序度為0.29～0.74，平均為0.52，說明微晶白云石結(jié)晶速度較快，有序度低，成巖環(huán)境為相對封閉且強(qiáng)烈蒸發(fā)的臺緣礁后局限海盆，一般被認(rèn)為形成于準(zhǔn)同生成巖階段［34］，微晶他形白云石由表生階段形成，在有序與無序白云石之間存在1.3 kJ/mol 的能差（25 ℃和一個大氣壓條件下），為表生沉積白云巖在成巖過程中發(fā)生劇烈變化提供了空間，使得原生白云石在成巖過程中發(fā)生巨變，在結(jié)晶空間不足的情況下也能發(fā)生強(qiáng)烈的重結(jié)晶而形成他形白云石。也有人認(rèn)為白云石不會發(fā)生重結(jié)晶，但Kaczmarek 等［35］用實(shí)驗(yàn)證明了白云石可以發(fā)生重結(jié)晶，白云石的重結(jié)晶反應(yīng)均為溶解-再沉淀反應(yīng)。

川東北元壩氣田8 口井二疊系長興組不同巖性的平均孔隙度對比分析顯示，白云巖的孔隙度明顯好于灰?guī)r，孔隙度與云化巖的含量成正比（圖8）。深度小于1 707 m 的灰?guī)r比白云巖孔隙度大，深度為1 707 m 時灰?guī)r與白云巖的孔隙度相同，深度大于1 707 m 的白云巖比灰?guī)r孔隙度大。圖9 中紅色虛線為本次研究下延線。元壩氣田的井深多為6～7 km，在深度6 km 左右的白云巖的孔隙度為6%～7%，而灰?guī)r的孔隙度在3%左右，有確鑿的證據(jù)表明在川東北長興組的白云巖是重要的儲層，而灰?guī)r則不是。

圖8 川東北元壩氣田二疊系長興組白云巖與灰?guī)r的孔隙度對比［10］Fig.8 Comparison of porosity between dolomite and limestone of Permian Changxing Formation in Yuanba gas field，northeastern Sichuan Basin

圖9 白云巖與灰?guī)r的深度與孔隙度關(guān)系（據(jù)文獻(xiàn)［36］修改）Fig.9 Relationship between depth and porosity of dolomite and limestone

3 云化機(jī)理及成儲機(jī)制

3.1 云化機(jī)理及主控因素

學(xué)者們在170 多年前已經(jīng)開始了對白云巖的研究，但至今仍有許多問題懸而未決，白云巖（白云石）的成因至今未能達(dá)成共識，沒有一種模式或機(jī)理能夠解釋塊狀灰?guī)r的白云巖化。在對云化機(jī)理進(jìn)行討論時，首先要涉及白云石的成因：第1種是交代方解石形成白云石，即白云石是通過“方解石橋”形成的，為次生形成；第2 種是以白云石膠結(jié)物沉淀的白云巖（沉積）；第3 種是從咸水溶液中直接沉淀形成的，稱之為“原生白云巖”。膠結(jié)白云巖和熱液白云巖都不能歸于白云巖化，因此所有的白云巖最終可以分為2 類：一類是同生白云巖；另一類是后沉積白云巖?？傊?，從目前的現(xiàn)狀看，白云巖化的概念仍存在爭議。白云巖是一種最好的碳酸鹽巖儲層［36］，白云石化導(dǎo)致獨(dú)特的儲層幾何形狀直接影響勘探部署與油田開發(fā)，因此研究白云巖化過程具有重要意義。

白云石是一種亞穩(wěn)定的礦物，可以在沉積過程中形成，也可以在成巖過程中形成，還可以在熱變質(zhì)過程中形成，甚至在地表風(fēng)化過程中也能形成白云石，因此白云石的形成機(jī)理非常復(fù)雜［37-40］。白云石的形成需要一定的滲透性和促使流體運(yùn)動的動力及足夠的鎂離子供應(yīng)。每一種新的白云石的形成都是通過部分溶解或完全溶解實(shí)現(xiàn)的。本次研究認(rèn)為川東北長興組礁蓋（包括礁間）白云巖主要在沉積階段和成巖階段形成，因此重點(diǎn)討論沉積白云巖和成巖白云巖。沉積白云巖的成因也很復(fù)雜，Land 等［41-42］提出了5 種與海相沉積有關(guān)的白云巖形成模式，有學(xué)者甚至提出了10 種白云巖的形成模式，多種模式區(qū)分度不高。

3.1.1 暴露淡水淋濾與蒸發(fā)泵流作用

暴露淡水淋濾與蒸發(fā)泵流白云巖化模式誕生較早［38，43-44］，屬于表生條件下的沉積白云巖形成機(jī)理范疇，與Sabkha 白云巖比較相似，位于蒸發(fā)臺地的潮坪內(nèi)［45］。這是川東北長興組最主要的碳酸鹽巖（云化）成儲機(jī)理——直接形成白云巖。海平面的波動有利于形成（堆疊）塊狀白云巖［46-47］，白云石化與沉積耦合有利于形成（厚層）白云巖。在川東北長興期后期三級層序高位域海平面在頻繁波動條件下發(fā)生微幅海侵，在海面較低時發(fā)生了2 個作用，一是淡水（雨水）淋濾碳酸鹽巖（包括白云巖），形成了大量的淋蝕孔或管，淋蝕孔又為海水的蒸發(fā)創(chuàng)造了條件；二是蒸發(fā)泵流作用，海水通過毛細(xì)作用沿著淋蝕孔向上運(yùn)移至鈣質(zhì)碳酸鹽巖（包括白云巖）表面而不斷被蒸發(fā)，Mg2+濃度不斷升高，為形成白云石創(chuàng)造了先決的物質(zhì)條件。僅有雨水淋濾不能形成白云巖，還必須配合泵流的Mg2+濃縮作用。暴露淋濾是形成微孔的關(guān)鍵，而微孔又是形成泵流的關(guān)鍵，提供了高效的“毛細(xì)動力機(jī)”。理論研究表明，當(dāng)Mg/Ca 摩爾比≥0.67時有利于白云石的形成［28］，現(xiàn)代海水的Mg/Ca 摩爾比≥5.2。由于Ca2+比Mg2+密度大，在蒸發(fā)濃縮過程中Ca2+往下沉，而Mg2+往上浮，在蒸發(fā)泵流作用下，Mg2+向表層富集，Ca2+往下富集，表層容易沉積純白云巖，而底部沉積出灰?guī)r。因此，從海水中沉積純白云巖是完全可能的，甚至還可以是原先沉積出的灰質(zhì)碳酸鹽巖白云巖化，可知淡水淋濾-泵流模式形成白云巖是完全可能的。

理論上講，泵流作用可以從現(xiàn)代海洋沉積出白云巖，但實(shí)際情況并非如此，現(xiàn)代海洋的白云巖并不發(fā)育，已發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)代白云巖都是準(zhǔn)同生的，呈斑點(diǎn)薄層狀（厚度為1～2 m）和微晶狀，并非大規(guī)模的厚層沉積。目前有學(xué)者認(rèn)為大多數(shù)白云巖的沉積與微生物的介導(dǎo)有關(guān)，在表生條件下形成的白云巖可能還與生物和生物化學(xué)成因有關(guān)［48-53］。有學(xué)者認(rèn)為生物化學(xué)作用是一種多糖催化成核（羧甲基纖維素，CMC）可以降低能量壁壘，解鎖水分子對Mg2+的局部鍵合，促進(jìn)Mg2+與方解石的結(jié)合而形成白云石。羧甲基纖維素（CMC）是一種纖維素的衍生物，在潮坪的堿性環(huán)境中很容易形成。在潮坪內(nèi)一般都有微生物席發(fā)育（如元壩2 井發(fā)育了藻云巖，參見圖6c），存在纖維素，在潮坪堿性環(huán)境下很容易由微生物降解形成羧酸。因此，潮坪生物介導(dǎo)可能是一個普遍存在的地質(zhì)現(xiàn)象［49］，在門頭溝中、晚元古代的巨厚塊狀白云巖中缺失很多疊層石和核形石（圖10），疊層石大者直徑超過1 m，充分顯示了微生物在白云巖沉積過程中的作用。在表生條件下沉積白云巖無疑是一個自然沉積過程。

圖10 北京門頭溝中、晚元古代白云巖中的核形石和疊層石Fig.10 Oncolites and stromatolites in dolomite of Middle and Late Proterozoic in Mentougou，Beijing

微生物席的發(fā)育與降雨有關(guān)，推測降雨越多越有利于生物席發(fā)育，因此在潮坪內(nèi)蒸發(fā)與降雨2 種作用交叉并行發(fā)生。較高的孔隙度主要發(fā)生在海拔相對下降和大氣降水淋溶作用最強(qiáng)烈的臺地高部位的不整合面之下，高孔隙度碳酸鹽巖儲層主要位于高水位的層序界面之下，而下伏的海侵臺地相對致密［54］。川東北長興組頂部的白云巖發(fā)育在長興期三級和四級層序的高水位域，在長興組頂部不整合面以下，白云石晶體多呈微（細(xì)）晶狀。在剖面上分布不均勻，時有時無，時厚時薄，分叉尖滅頻繁，在龍崗順臺緣方向連通性很好，在垂直臺緣方向自然尖滅。川岳84 井在長興組底部發(fā)育一套薄層砂巖，是否為風(fēng)成砂暫不能確定，因此，認(rèn)為川東北長興組頂部（包括中上部白云巖夾層，如龍崗1井等）的白云巖主要是沉積形成的。

白云巖的形成是多種有利的地質(zhì)因素“共振”的結(jié)果。生物礁發(fā)育在開江—梁平海槽東部形成負(fù)反饋，長興早期，海域開闊，海水對流暢通，氣候溫暖，在臺緣（包括臺內(nèi)）開始發(fā)育點(diǎn)礁，礁后的瀉湖水質(zhì)與外海基本一樣，但水動力能量較弱，沉積了灰泥（還有疊層石、核形石等）（圖11a）；至早長興期末期生物礁快速生長，側(cè)向開始連接成線礁（圖11b），瀉湖水流受到限制，由于氣候干旱炎熱，瀉湖水體開始咸化，以灰泥沉積為主，偶爾沉積白云質(zhì)；至長興組中后期生物礁繼續(xù)發(fā)育，側(cè)向連接成完整的線礁，使瀉湖水體與外海幾乎完全隔斷，加上氣候轉(zhuǎn)向干旱炎熱，瀉湖水體極度咸化和毒化（圖11c），生物礁生長中止。在特大潮期和雨季，瀉湖水得到補(bǔ)充，但由于密度小，主要分布在上部。由于水體咸度高導(dǎo)致密度加大，并且出現(xiàn)密度分層，瀉湖底部的水密度大于頂部，所以瀉湖水會向生物礁下部或底部滲透，尤其是Mg2+會向生物礁擴(kuò)散，導(dǎo)致白云石（巖）化。與此同時，咸化和毒化的瀉湖水向生物礁和外海擴(kuò)散，導(dǎo)致生物礁“死亡”，于是生物沉積終止，代之而起的是純化學(xué)沉積，因此白云巖便成了生物礁蓋。

圖11 川東北二疊系長興組臺緣生物礁與礁后瀉湖沉積相演化平面模式Fig.11 Evolution models of sedimentary facies of platform margin reef and rear reef lagoon of Permian Changxing Formation in northeastern Sichuan Basin

白云石化發(fā)育在沉積或?qū)有蛐氐捻敳浚總€沉積旋回的頂部均處于潮間、潮上的沉積環(huán)境。在長興組頂部為三級和四級旋回的高位域，瀉湖被填滿，普遍出現(xiàn)潮上和潮間環(huán)境。在這種情況下，沉積旋回邊界可以統(tǒng)稱為白云石化窗口，而在其他情況下，如海水白云石化，旋回邊界標(biāo)志著同生白云石化的終止［47］。章宇路等［33］指出，長興組微晶白云巖的白云巖化作用發(fā)生在原始沉積環(huán)境為相對封閉且強(qiáng)烈蒸發(fā)的臺緣礁后局限海盆（應(yīng)該是瀉湖）中，與此次研究建立的模式相同（圖12）。

圖12 川東北龍崗1 井—龍崗11 井剖面二疊系長興組沉積晚期白云巖成儲成藏模式Fig.12 Reservoir forming and accumulation model of dolomite of the late stage of Permian Changxing Formation across wells Longgang 1 and Longgang 11 in northeastern Sichuan Basin

關(guān)于表生條件下白云質(zhì)沉積（白云巖）一直存在爭論，Sànchez-Romàn［49］認(rèn)為在微生物的介導(dǎo)條件下才能形成白云石沉積；Wright 等［54-56］認(rèn)為在硫酸鹽還原細(xì)菌的作用下可以直接沉積白云巖。過去20 年的大量現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室研究表明，微生物在低溫（25.0～60.8 ℃）地質(zhì)環(huán)境中催化白云石的成核和生長［52］，但也有人認(rèn)為在沒有生物介導(dǎo)的條件下也能沉積白云巖［39］。在表生條件下可以直接沉積白云巖應(yīng)該是確定的，在暴露區(qū)以蒸發(fā)泵流作用為主要動力，白云質(zhì)物質(zhì)源源不斷地在海平面以上交代，形成了一種高出海面的臺地（圖13a）。元壩地區(qū)長興組發(fā)育了具有鳥眼構(gòu)造和藻席的白云巖，顯然是表生條件下沉積形成的，其中還發(fā)育了大量直徑數(shù)毫米到2 cm 的溶蝕孔。藻席和鳥眼都是潮坪存在的重要標(biāo)志，也是Sabdha 存在的重要標(biāo)志，Li等［10］指出，在元壩地區(qū)長興組末發(fā)育潮坪等白云巖。對現(xiàn)代鹽湖蒸發(fā)巖的實(shí)際觀察表明，當(dāng)蒸發(fā)巖的沉積面高于水面后，泵流作用會使化學(xué)物質(zhì)沉積高出水面：一方面是通過微孔的毛細(xì)作用力把鹽水源源不斷地向表面輸運(yùn)，在陽光照射或干燥空氣中發(fā)生蒸發(fā)，其中的化學(xué)物質(zhì)被沉淀出來；另一方面，為了維持這種毛細(xì)和蒸發(fā)作用，沉積出的蒸發(fā)巖層又不斷形成和完善微孔網(wǎng)絡(luò)，為蒸發(fā)泵流（包括混合水交代）創(chuàng)造條件。觀察表明，現(xiàn)代鹽殼表面的化學(xué)沉積是在毛細(xì)力的作用下沿著某個鹽膜兩壁進(jìn)行的，因此，蒸發(fā)泵流沉積始終可以維持多孔狀的沉積表面，是形成水面以上化學(xué)沉積層具有多孔特征的主要機(jī)理。蒸發(fā)泵流的動力是毛細(xì)力，在咸化湖邊或海邊蒸發(fā)巖的沉積是反重力的。因此，根據(jù)現(xiàn)代蒸發(fā)巖的沉積環(huán)境、內(nèi)部結(jié)構(gòu)可推測古代蒸發(fā)泵流形成的白云巖也具有相同的形成機(jī)理。蒸發(fā)泵流的動力為毛細(xì)力，為了獲得最大毛細(xì)力和面狀，在白云質(zhì)沉積內(nèi)部會形成直立管柱狀孔隙，據(jù)青海大柴旦現(xiàn)代鹽湖的觀察結(jié)果，管柱狀孔隙的直徑多為毫米級，而高度達(dá)數(shù)厘米（圖13b），在新疆羅布泊（圖13c，13d）和卡塔爾的現(xiàn)代薩布哈也能見到這種現(xiàn)象（圖13e）。在川東北長興組白云巖薄片中普遍可見2 個世代的白云石，第1 個世代為微晶或粉晶顆粒狀白云石，顆粒直徑多為0.001 0～0.002 5 mm，以自形晶為主，顆粒支撐，晶間孔發(fā)育，但多被方解石充填；第2 種為中粗晶白云石，晶粒直徑多為0.005～0.050 mm，以他形晶為主，多為線接觸，顏色較淺，一般為乳黃色，表面較干凈，多組合成團(tuán)塊狀或不規(guī)則條帶狀，直徑多為0.2～2.0 mm，最大高度可達(dá)3.0 mm。與第1 代白云石鑲嵌接觸的第1 代白云石晶形和晶面大多完好，未見溶蝕現(xiàn)象，表明這種大的白云石不是在溶蝕孔中形成的，而是在一種原生孔洞中形成，此次研究把這種孔洞解釋成蒸發(fā)孔或蒸發(fā)管（圖14）。

圖13 現(xiàn)代鹽湖蒸發(fā)泵流形成的鹽殼Fig.13 Salt crust formed by evaporation pumping in modern salt lake

圖14 白云質(zhì)、砂層及泥層成巖壓實(shí)后的厚度變化（未嚴(yán)格按深度及壓實(shí)率比例）Fig.14 Thickness variation of dolomitic deposits，sand and mud beds after diagenetic compaction

Sun 等［53］認(rèn)為表生超咸水條件下形成的碳酸鹽巖儲層孔隙是通過溶蝕形成的。筆者認(rèn)為，蒸發(fā)巖孔隙除了受淡水淋濾作用形成的“淋濾管”外，還有受蒸發(fā)-毛細(xì)-泵流作用形成的垂直管，文中稱之為“蒸發(fā)管”。在卡塔爾的現(xiàn)代薩博哈的碳酸鹽巖軟泥中可見大量的這種溶蝕孔［26］，在美國下二疊統(tǒng)鹽層中也發(fā)育了這種洪水期被河水溶解形成的溶解管，但后期被鹽晶體充填［57］。潮坪蒸發(fā)環(huán)境發(fā)育大的溶蝕孔，直徑為1～3 mm或1～2 cm，部分發(fā)育鳥眼構(gòu)造［10］，很明顯是表生條件下沉積形成的，也有人認(rèn)為同時期混合水形成的白云巖孔隙不太發(fā)育［58］。同樣是白云巖，在水面以上通過蒸發(fā)泵流形成的比水下形成的孔隙度要大得多，前者可以是優(yōu)質(zhì)儲層，而后者則是劣質(zhì)儲層，甚至為致密的隔夾層或蓋層。

在表生條件下，蒸發(fā)泵流作用使蒸發(fā)巖在水面之上完成了化學(xué)膠結(jié)而變得的十分堅(jiān)硬，在埋藏成巖階段可以抵抗壓實(shí)而最大限度地保存孔隙。圖14定性地展示了3種不同的沉積物經(jīng)埋藏壓實(shí)后的厚度變化，可見白云質(zhì)沉積的厚度變化最小（Δh1），在深度為1 km 左右時，70%～80%的孔隙能夠保留下來；沉積初期的砂層，孔隙度大（30%～35%），埋藏壓實(shí)后的砂巖厚度大幅減?。é2），孔隙大部分損失；沉積初期的泥層，孔隙度極大（50%～60%），含水量極高，經(jīng)埋藏壓實(shí)后的泥巖厚度大幅減?。é3），原生孔隙基本消失。

與泥巖層和灰?guī)r相比，白云巖的孔隙度在成巖（壓實(shí)）過程中損失更小，這主要是因?yàn)榘自茙r是在表生條件下形成的一種蒸發(fā)巖，在地表已經(jīng)部分完成了（化學(xué)）膠結(jié)而變得異常堅(jiān)硬，經(jīng)成巖壓實(shí)后，原生孔隙也不會減小太多，這是形成白云巖優(yōu)質(zhì)儲層的關(guān)鍵。因此，川東北長興期礁蓋白云巖可以是優(yōu)質(zhì)儲層。

關(guān)于蒸發(fā)巖（白云巖）與砂或泥的壓實(shí)孔隙損失問題，由現(xiàn)代沉積實(shí)例可知，即便沉積初期的蒸發(fā)沉積地層也是異常堅(jiān)硬的，因此可以假設(shè)，在地表蒸發(fā)形成的白云質(zhì)沉積是一種與白云巖力學(xué)性質(zhì)接近的巖石，由于其發(fā)育了大量孔隙，可推算其彈性模量只有白云巖的一半。已知白云巖的彈性模量約為76 GPa，地表白云質(zhì)沉積的彈性模量約為38 GPa，地表軟黏土的彈性模量為0.002～0.005 GPa，松砂的彈性模量為0.010～0.025 GPa，表生白云質(zhì)沉積的彈性模量分別是黏土和松砂的7 600～19 000倍和1 520～3 800 倍。表生白云質(zhì)沉積在同樣的應(yīng)力作用下變形幅度較小，據(jù)此推測在同樣埋藏深度下表生白云質(zhì)沉積的減孔率也較小，進(jìn)而推測其物性保存較好，考慮到在埋藏階段沉積物會發(fā)生膠結(jié)作用，孔隙度會減小。Saller 等［59］指出，North Riley ClearFork 的大多數(shù)碳酸鹽巖在埋藏過程中，經(jīng)機(jī)械壓實(shí)和化學(xué)膠結(jié)作用，其孔隙度隨埋藏深度的增加而減小到2%或以下，但白云巖的減孔率較小。

有研究表明現(xiàn)代沉積形成的白云巖中發(fā)育很多孔洞［56］，在四川大足遂寧組的紅色泥巖中發(fā)育了多層灰綠色—灰白色薄層灰質(zhì)和泥質(zhì)粉晶云巖，其中發(fā)育了大量毫米級到厘米級溶蝕孔洞（圖15）。這些白云巖厚度多為5～10 cm，最大厚度可達(dá)30 cm，夾細(xì)小泥團(tuán)塊，同層和鄰層中可以見到一些蟲跡，偶見泥裂。這種白云巖是在淺水、極淺水湖泊蒸發(fā)條件下形成的，由于湖水被強(qiáng)烈蒸發(fā)而咸化，沉積白云巖并發(fā)育溶蝕孔，因此，蒸發(fā)泵流白云巖可以在一種非海相和非灘緣的沉積環(huán)境中形成。

圖15 四川盆地大足遂寧組泥質(zhì)白云巖與灰質(zhì)白云巖照片F(xiàn)ig.15 Photos of argillaceous dolomite and calcareous calcite dolomite of Suining Formation in Dazu，Sichuan Basin

在表生沉積階段的蒸發(fā)-泵流作用下形成的白云巖發(fā)育大量孔洞，但這些孔洞能否在成巖過程中得以保存下來并成為有效的儲集空間是至關(guān)重要的。壓實(shí)作用是沉積物損失孔隙的最主要原因，與碎屑巖相比，沉積白云巖具有更強(qiáng)的抗壓能力。白云巖比灰?guī)r抗膠結(jié)、抗重結(jié)晶和抗壓實(shí)的能力均更強(qiáng)，因此在灘緣的成巖條件下白云巖的減孔率小于灰?guī)r。已有研究表明，與灰?guī)r相比白云巖的減孔率隨著埋藏深度的減小而明顯降低，如在南Florida 盆地，埋藏在1 707 m 之上的灰?guī)r孔隙度大于白云巖，在1 707 m 之下的白云巖孔隙度比灰?guī)r大。楊俊杰等［60］通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M證實(shí)在2 000 m 之下的白云巖孔隙度大于灰?guī)r，且白云巖儲層比灰?guī)r更發(fā)育；但3 658 m 之下的灰?guī)r孔隙度下降到10%，而白云巖還可以保持在15%以上；埋深在4 573 m 之下灰?guī)r孔隙度小于5%，而白云巖的孔隙度還能保持在10%左右；埋深在5 488 m 之下的灰?guī)r孔隙度在2%左右，已經(jīng)成了非儲層，而白云巖還可以保持在8%以上［36］，可達(dá)Ⅱ類儲層的孔隙度標(biāo)準(zhǔn)。顯然，白云巖的油氣埋藏深度大于灰?guī)r，可以推測，隨著深度的增加，深層和超深層碳酸鹽巖儲層以白云巖儲層為主，灰?guī)r儲層則會漸趨消失，因此深層和超深層碳酸鹽巖因白云巖化而具有儲集能力。無論從哪種角度看，川東北長興組的白云巖與灰?guī)r相比都是較好的儲層，因此，長興組的天然氣發(fā)育在礁核之上的白云巖中也是可能的。

3.1.2 滲透回流或鹽水回流臺地的交代

滲透回流最早是由Adams 和Rhodes 提出的：“超咸水的密度大到可以置換原來的水，向下滲入瀉湖底的碳酸鹽中。”。這種模式與蒸發(fā)泵流在某些方面相似，蒸發(fā)作用導(dǎo)致鹽水的密度加大，變成超濃的鹽水，在密度的驅(qū)動下向下滲透，發(fā)生回流。在臺緣（或潮坪）與海水接觸的地方，方解石與超咸水接觸，Ca2+被Mg2+置換，方解石轉(zhuǎn)變?yōu)榘自茙r，這也是一種重要的白云巖形成機(jī)理［61］，（臺緣）生物礁的白云巖化也屬于這種機(jī)理［62］。海水的不停流動帶來新的Mg2+，使海水中的Mg2+不至于因發(fā)生白云巖化而減少，為白云石的形成源源不斷地供應(yīng)Mg2+。白云巖的成因與海水之間有著隱性的聯(lián)系［63］，在臺緣帶靠下側(cè)的潮間帶主要發(fā)生了滲透回流交代作用，形成了白云巖。Warren［28］指出，晶間孔隙發(fā)育的白云巖是優(yōu)良的油氣儲層，該類儲層大多與蒸發(fā)巖有關(guān)，表明鹽水回流臺地、濱岸與盆地中心蒸發(fā)巖存在形成白云巖的可能性，以及蒸發(fā)巖對滲透層形成有效密封作用。當(dāng)微晶結(jié)構(gòu)與潮上蒸發(fā)巖結(jié)合時，通常指示早期近地表白云石化［36］，目前世界上大規(guī)模的白云巖都是通過這種方式形成的。

3.1.3 成巖過程中的白云巖化

實(shí)驗(yàn)揭示，只有在25 ℃時方解石和白云石的組成最穩(wěn)定，在其他溫度條件下，白云石中會混有方解石，呈現(xiàn)不穩(wěn)定或亞穩(wěn)定狀態(tài)。碳酸鹽巖進(jìn)入埋藏后為了適應(yīng)新的成巖環(huán)境，方解石有可能向白云石轉(zhuǎn)化，原生灰質(zhì)碳酸鹽（石灰?guī)r）會轉(zhuǎn)化成云質(zhì)碳酸鹽巖（白云巖）［64］。方解石被白云石交代時，溶蝕形成的孔洞部分被沉淀充填，形成溶洞和晶間孔隙［54］。古生代碳酸鹽巖在深埋藏條件下白云巖的儲集性能好于灰?guī)r［65］，這就是成巖云化成儲的結(jié)果，灰?guī)r在成巖白云巖化后，儲集性能得到改善，是云化成儲的重要過程和機(jī)理。

不考慮壓實(shí)及膠結(jié)，原生沉積的灰質(zhì)碳酸鹽（石灰?guī)r）完全轉(zhuǎn)變成云質(zhì)碳酸鹽巖（白云巖），理論上收縮產(chǎn)生的孔隙度最大可達(dá)13.6%［31］，可達(dá)Ⅰ—Ⅱ類碳酸鹽巖儲層的孔隙度標(biāo)準(zhǔn)，說明了原生沉積形成的灰質(zhì)碳酸鹽（石灰?guī)r）經(jīng)過成巖云化后可能轉(zhuǎn)變?yōu)楹芎玫膬?。對于云灰質(zhì)或灰云質(zhì)沉積，成巖云化孔隙度有所增加，增量主要來自于方解石轉(zhuǎn)變?yōu)榘自剖捏w積縮小，也有少量源于原生白云石（Ca/Mg 摩爾比為0.55～0.60，有序性極差）轉(zhuǎn)變?yōu)榘自剖捏w積減小量；而對于原生沉積的云質(zhì)碳酸鹽（原生白云石），成巖云化后晶間孔隙微量增大，但壓實(shí)和膠結(jié)后孔隙度又會降低（圖16）。假設(shè)成巖云化體系是開放的，情況可能有所不同，實(shí)驗(yàn)顯示，隨著實(shí)驗(yàn)?zāi)M的反應(yīng)時間延長，白云石陽離子的有序性逐漸增加［65］，揭示隨成巖作用加強(qiáng)，白云石晶體一直在發(fā)生變化，推測這種變化有可能會引起孔隙的微量增加。

圖16 成巖白云巖化對沉積石灰?guī)r和白云巖儲層孔隙的影響Fig.16 Influence of diagenetic dolomitization on pores in sedimentary limestone and dolomite reservoirs

沉積和早期成巖階段方解石的膠結(jié)對沉積白云巖的減孔效應(yīng)十分明顯，但由于方解石很容易經(jīng)交代轉(zhuǎn)變成白云石而非發(fā)生緊密堆積，交代作用使白云石體積縮小而產(chǎn)生新的收縮縫和收縮孔，從而優(yōu)化儲層。白云石是一種亞穩(wěn)定礦物，早期形成的原生白云石晶體可被后期更穩(wěn)定的晶體所取代，在埋藏和變質(zhì)過程中這種取代物反復(fù)出現(xiàn)多次［28，41］，因此，即便是沉積階段形成的云質(zhì)原生白云石也會在成巖過程中發(fā)生變化，形成結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的白云石。薄片觀察可見，早期的粉晶白云石經(jīng)過成巖作用后轉(zhuǎn)變成晶粒粗大的重結(jié)晶白云石。野外露頭和薄片觀察均可見，凡有白云石的地方就有明顯的孔洞或?yàn)r青，且白云石（團(tuán)塊）越大孔洞就越大，瀝青也越多。一般認(rèn)為后期形成的白云石比沉積白云石更粗大，但也有學(xué)者認(rèn)為在地下數(shù)百米到數(shù)千米不會發(fā)生白云石重結(jié)晶［66］。由于在地下成巖過程中白云巖通過溶解和再沉淀的方式演化，白云巖沉積在一定程度上保持了原有儲集性能，其埋藏深度和溫度都比石灰?guī)r層要高得多。白云石化也會產(chǎn)生新的晶體，不穩(wěn)定的原生白云石溶解后形成新的菱形白云石晶體。白云石在重結(jié)晶過程中完全膠結(jié)，隨著埋藏深度增大而多次產(chǎn)生晶間孔隙，提升了白云巖的孔隙度和滲透率。隨著年代增加白云石的有序度逐漸增加［52］，白云石的穩(wěn)定性會隨著地層變老而增強(qiáng)，白云石的收縮率也會逐漸增加，老的白云巖會具有更好的孔滲特征。鏡下觀察可見，白云巖比灰?guī)r抗重結(jié)晶的能力更強(qiáng)，表生形成的微晶、泥晶或細(xì)晶白云石在成巖過程中很少發(fā)生重結(jié)晶，較大的白云石都是由方解石交代形成的。碳酸鹽巖的孔隙度受原始沉積環(huán)境影響，中新世的碳酸鹽巖實(shí)例說明了古氣候和古海洋對孔隙有重要影響，碳酸鹽巖儲層的性質(zhì)主要受表生環(huán)境的成巖作用影響和控制［67］。在成巖過程中白云巖的增孔率主要與沉積原巖有關(guān)，致密的灰質(zhì)碳酸鹽巖經(jīng)成巖作用后更容易轉(zhuǎn)變?yōu)榫ЯＯ鄬^粗大的白云巖，與微晶和泥晶的沉積（原）白云巖相比，灰質(zhì)碳酸鹽巖更容易形成孔隙，儲層物性相對更好。

成巖白云石的儲集空間分為2 種：一種是溶蝕（大）孔；另一種為白云石交代而成的白云石晶間縫和晶間孔，包括少量晶內(nèi)孔（圖17）。白云石邊緣發(fā)育的孔隙可能是成巖收縮和溶蝕疊加的結(jié)果；白云石晶體之間收縮縫很發(fā)育，是良好的儲集空間和滲流通道。

圖17 川東北二疊系長興組白云石儲集空間特征Fig.17 Reservoir space characteristics of dolomite of Permian Changxing Formation in northeastern Sichuan Basin

通過鏡下觀察，可區(qū)分出3 代白云石（圖18）：第1 代同生或準(zhǔn)同生，他形粒狀為主，可能與溶蝕或搬運(yùn)磨蝕有關(guān)，主要以單個白云石顆粒為主，少量由3～5 個白云石顆粒組成的短棒，粒間孔較發(fā)育（紅色箭頭）。第2 代白云石，他形晶粒，晶體呈顆粒狀或由3～5 個白云石顆粒組成的短棒狀（0.005 mm×0.015 mm），偶見長棒狀晶體。白云石“顆?！狈浅頂D，巖性致密，孔隙不發(fā)育可見6 個較大的殘留孔（紅色箭頭），被方解石充填，可能是未被完全交代的方解石殘余。成巖改造主要受原生沉積控制，只有蒸發(fā)泵流作用下形成的白云質(zhì)沉積才能在成巖過程中繼續(xù)保持良好的物性且形成新的儲集空間。第3 代白云石晶體粗大，以細(xì)晶—中晶為主，半自形—他形，粒徑為0.15～0.50 mm。

圖18 川東北二疊系長興組白云石及其儲集空間發(fā)育情況Fig.18 Dolomite and its reservoir space development of Permian Changxing Formation in northeastern Sichuan Basin

白云巖的成巖孔隙類型多樣，不同性質(zhì)的成巖作用形成的孔隙差異很大。當(dāng)以重結(jié)晶為主、而缺乏溶蝕作用時孔隙不太發(fā)育（圖19a），孔隙度低；發(fā)生弱溶蝕作用時形成少量的晶間孔，晶間孔直徑多為0.1～0.2 mm（圖19b）；溶蝕作用較強(qiáng)時晶間孔較發(fā)育，孔徑多為0.1～0.3 mm，最大超過0.5 mm，晶體的邊緣大多參差不齊，面孔率為30%～35%（圖19c）；溶蝕作用很強(qiáng)時晶間孔非常發(fā)育，孔隙直徑多為0.1～0.2 mm，最大超過0.5 mm，面孔率為35%～40%，晶體的邊緣大多因溶蝕而參差不齊，大部分白云石晶體呈圓形或橢圓形的顆粒狀（圖19d）。成巖條件或成巖環(huán)境對白云巖的儲集性能影響很大，超級孔隙的形成需要開放的強(qiáng)酸環(huán)境，很可能與成巖過程中的硫酸鹽流體或巖漿熱液活動有關(guān)，而孔隙不發(fā)育的白云巖沉積可能與成巖環(huán)境比較封閉和流體酸性不強(qiáng)有關(guān)。

圖19 川東北二疊系長興組不同成巖作用形成的白云巖及其儲集空間類型Fig.19 Dolomite formed by different diagenesis and its reservoir space types of Permian Changxing Formation in northeastern Sichuan Basin

復(fù)雜的成巖作用控制了碳酸鹽巖的孔隙演化、儲層形態(tài)［54］，白云巖化是碳酸鹽巖演化的終極階段，通常在深層（深度≥6 km）或超深層（深度≥8 km）的白云巖儲層為單一有效儲層。高溫模擬實(shí)驗(yàn)揭示，方解石交代形成白云石可以分為4 個階段：誘導(dǎo)期（不形成白云石）、交代期（形成97%的白云石），原生重結(jié)晶期（形成100%的白云石）和次生重結(jié)晶期（離子的有序性增加）［67］。方解石交代形成白云石的成巖過程可持續(xù)進(jìn)行，隨著埋藏深度、溫度和時間的增加，白云巖儲層可不斷發(fā)生變化，這些變化有利于優(yōu)化或保持儲層物性（參見圖17）。薄片觀察可知，①從方解石交代形成白云石似乎更容易，而微晶白云石重結(jié)晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)晶白云石似乎更難，也就是說第二階段（交代期）很容易發(fā)生，而第三階段（重結(jié)晶期）難以發(fā)生；②方解石轉(zhuǎn)變?yōu)榘自剖瘯r形成大量孔洞（云化成儲），揭示了方解石轉(zhuǎn)變成白云石是在有流體的情況下發(fā)生的，而不是干燥條件下發(fā)生的；③白云石儲層中孔洞可能是收縮孔和溶蝕孔疊加復(fù)合而成。

隨著地層溫度的升高，方解石逐漸被溶解，而白云石被保留下來，因此，隨成巖深度增加石灰?guī)r便逐漸被白云巖代替。由于方解石轉(zhuǎn)變?yōu)榘自剖且粋€緊密堆積、體積減小及形成孔隙的過程，因此在深部碳酸鹽巖轉(zhuǎn)變成白云巖，且具有一定儲集能力，在其他成藏條件具備時便有可能形成油氣藏，不受埋藏深度限制。

成巖過程中，云化成儲的關(guān)鍵是要具備形成白云石所需的物質(zhì)、溫度和壓力等條件，物質(zhì)條件主要指Ca2+，Mg2+和CO32-。對于碳酸鹽臺地來說，Ca2+和CO32-是充足的，而Mg2+則相對不足，只有在咸化或泵流過程中才會富集，達(dá)到形成白云石需要的濃度。在白云石沉積時通常已經(jīng)具備云化成巖的物質(zhì)條件，因?yàn)槌练e過程中部分白云石和孔隙流體中具有較豐富的Mg2+。由于長興組的白云巖層頂、底均為致密的灰?guī)r，孔隙度大多小于2%，滲透率也多小于0.001 0 mD，甚至為0.000 1 mD 或更低，是一種很好的隔層。此外，長興組上部的飛一段發(fā)育一套以泥灰?guī)r和泥晶灰?guī)r為主的致密巖層，可以阻隔流體的垂向運(yùn)移，為形成長興組封閉的成巖物理、化學(xué)條件奠定了有利的物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，白云巖層能夠形成一個封閉體系，維持沉積時的高M(jìn)g2+濃度狀態(tài)，使得白云巖化得以在層內(nèi)進(jìn)行。交代方解石形成白云石的過程一直很平順，形成的白云石晶體邊緣平整、棱角尖銳，表明白云石未發(fā)生過溶蝕，是一種利于白云石形成的單向成巖過程，否則，成巖時流體的垂向運(yùn)移會攜帶大量的CaCO3進(jìn)入到長興組，形成方解石膠結(jié)充填，破壞長興組白云巖的形成和儲集空間。白云石的形成要求巖石具有一定的滲透性、流體動力及充足的Mg2+供應(yīng)［28］。成巖階段的Mg2+來源非常復(fù)雜，可以來源于沉積時孔隙水中殘留的Mg2+，也可以來自于蒙脫石轉(zhuǎn)化成伊利石時產(chǎn)生的Mg2+。坡縷石是提供Mg2+的重要黏土礦物，可以由風(fēng)搬運(yùn)到海洋中。晚二疊世川東北已經(jīng)進(jìn)入干旱期，在旺蒼縣鹿渡剖面可見龍?zhí)睹合抵邪l(fā)育棕紅色的黏土巖，據(jù)此可以推測周緣可能發(fā)育了風(fēng)成砂等干旱沉積，風(fēng)可以將黏土等細(xì)粒物質(zhì)帶入到海中沉積下來，其中可能有包括坡縷石等大量細(xì)粒物質(zhì)?；鹕交抑幸埠蠱g2+，深部（巖漿）熱液也可以帶來豐富的Mg2+。筆者認(rèn)為川東北長興組白云石化過程中的Mg2+主要來源于沉積作用，但不排除普光地區(qū)有（巖漿）熱液形成的白云巖。

總之，白云石是一種復(fù)雜的礦物，它在埋藏后的成巖過程中不斷演化，通過一系列溶解-再沉淀反應(yīng)保留晶間孔隙，因此，它通常是碳?xì)浠衔锏牧己脙樱?8］。成巖過程中方解石的白云石化會導(dǎo)致體積縮小12%～13%，因此白云巖層的物性將發(fā)生變化，這一點(diǎn)與方解石成巖存在較大差異。鄭榮才等［14］認(rèn)為只有埋藏白云巖化作用才能形成有效白云巖儲層，準(zhǔn)同生白云巖不具備形成儲層的能力。有學(xué)者把成巖過程中的白云巖化與生、排烴聯(lián)系起來［68］，但這2 個復(fù)雜的地質(zhì)過程是通過何種關(guān)系耦合的目前尚不明確。

此外，形成白云石晶體的過程中白云石體積縮小，加上白云巖層頂、底致密灰?guī)r的封閉，可推測在白云巖層中壓力會有所減小而形成一個相對的負(fù)壓區(qū)，有利于天然氣充注形成氣藏。白云巖氣藏的另一個重要特點(diǎn)是頂、底、甚至四周都是致密灰?guī)r的圈閉，如美國東北部特倫頓-黑河的上奧陶統(tǒng)白云巖氣藏（一側(cè)被斷層封堵）［69-70］。川東北長興組白云巖和溶洞之上覆蓋的致密飛一段泥灰?guī)r（泥巖）阻隔了成巖流體縱向?qū)α?，把膠結(jié)物帶入長興組頂部的白云巖中形成方解石膠結(jié)，使沉積時形成的孔洞得以保存，最終成為優(yōu)質(zhì)的儲層，為形成氣藏奠定了良好基礎(chǔ)。

3.1.4 熱液白云巖化

熱液云化成儲是另一種重要的碳酸鹽巖云化成儲機(jī)制，在過去25 年中構(gòu)造控制的熱液白云巖儲層已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)［71］，美國東北部特倫頓-黑河上奧陶統(tǒng)的碳酸鹽巖油氣就被認(rèn)為是產(chǎn)自一套熱液云化成儲的（斷控?zé)嵋海┌自茙r［69］。熱液白云巖化是一種受到廣泛關(guān)注的白云巖化現(xiàn)象［72-75］，這種白云巖化往往受斷層控制。矽卡巖化也會形成白云巖［76］，美國東北部特倫頓-黑河上奧陶統(tǒng)的碳酸鹽巖油氣就是產(chǎn)自一套側(cè)向不連續(xù)的白云巖，受北北西—南南東向的Green 走滑斷層和其他鄰近斷層控制，該油田已經(jīng)生產(chǎn)了一百多年，是世界上最大的油氣田［69］，也是一個典型的熱液白云巖油氣田。自1986 年以來，全球范圍內(nèi)相繼發(fā)現(xiàn)了二十多個熱液白云巖油氣田，可見這種類型的油田成藏條件極好，規(guī)模非常大，熱液白云巖化的重要性不可低估。川東北開江—梁平海槽兩側(cè)的長興組生物礁也受基底斷層的控制，在元壩的長興組可見天青石+菱鍶礦+異形白云石和螢石+自生石英+異形白云石等，表明長興組受到了熱液白云石化作用［77］，川東北長興組碳酸鹽巖儲層的云化機(jī)理是否與美國東北部特倫頓-黑河上奧陶統(tǒng)的碳酸鹽巖云化機(jī)理相同，有待進(jìn)一步研究。Kaczmarek 等［35］做了6個模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在218 ℃的高溫條件下可以形成白云石，但需經(jīng)過4 個階段。此外，在川東北開江—梁平海槽的東岸，目前探明的幾個大氣田也是斷控的，如普光、毛壩、渡口河和羅家寨等均受北東向走滑斷層控制，這些氣層是否為熱液成巖的側(cè)向不連續(xù)白云巖，值得今后深入研究。

3.1.5 風(fēng)化交代白云石化

白云巖化與孔隙的演化存在3 種機(jī)理：①分子與分子的交代；②白云巖化后在云灰?guī)r或灰云巖中的方解石溶解；③白云巖化后期白云石的過剩溶液。白云巖化不僅能夠增加孔隙，而且可以擴(kuò)大孔喉直徑，因此白云巖化成儲對油氣成藏是非常重要的。優(yōu)質(zhì)的儲層需具備2 個重要特征，即高孔隙度和高滲透率。蒸發(fā)巖（白云巖）與沉積巖（灰?guī)r）造孔的方式不同，主要表現(xiàn)在：①前者以蒸發(fā)-毛細(xì)-泵流為動力，形成蒸發(fā)孔隙，而后者以搬運(yùn)-分選-沉積為動力，形成沉積孔隙（粒間孔）；②蒸發(fā)孔隙可以抵抗成巖早期的成巖壓實(shí)作用，而沉積孔隙抗壓實(shí)能力弱。

川東北長興期末發(fā)生了廣泛的大幅海退，在臺地中形成喀斯特巖溶和不整合面，與此同時發(fā)生了強(qiáng)烈地的白云巖化作用，形成了以溶洞和溶蝕白云巖為主的優(yōu)質(zhì)儲層。

以上討論了川東北二疊系長興組白云巖化的5種成因，且以前2 種為主。韓定坤等［58］認(rèn)為川東北長興組的白云巖有4 種成因（交代、混合水、成巖和熱液），體現(xiàn)了川東北長興組白云巖的成因的復(fù)雜性，本文提出的云化成儲側(cè)重于表生和成巖，未涉及熱液，但不排除存在這種云化作用的可能。由于川東北范圍很大，加上表生和早期成巖白云巖受沉積微相影響和控制，因此在不同區(qū)域發(fā)育不同成因的白云巖。此外，常在川東北生物礁（生物礁頂部）觀察到白云巖化作用［78］，生物礁白云巖化后巖層的儲集性能得到提高。

3.2 儲層形成條件

3.2.1 有利的（穩(wěn)定）構(gòu)造背景

由于川東北晚古生代處于西北和東北方向均被海洋包圍的環(huán)境，導(dǎo)致川東北地殼基底處于應(yīng)力松弛狀態(tài)，呈現(xiàn)大陸邊緣環(huán)境。被動大陸邊緣是油氣田發(fā)育的最佳場所［79］。川東北晚古生代位于被動大陸邊緣，構(gòu)造運(yùn)動以拉張沉降為主，容易形成深水裂谷型斷陷，有利于烴源巖發(fā)育，為油氣形成提供了充足的物質(zhì)保障。由于構(gòu)造動力處于（應(yīng)力）松弛狀態(tài)，盆地基底主要以重力均衡作用為主，因此，從晚古生代開始到早、中三疊世，構(gòu)造運(yùn)動基本上是以緩慢的垂直沉降為主，沒有側(cè)向擠壓和褶皺運(yùn)動。沉積物的負(fù)載導(dǎo)致盆地基底在均衡應(yīng)力作用下緩慢沉降，與沉積物的沉積速率保持很好地耦合，古地理和古沉積環(huán)境長期保持穩(wěn)定?？偟膩碚f，川東北長興期處于較穩(wěn)定的構(gòu)造環(huán)境［10］。

3.2.2 有利的古地理環(huán)境

更為重要的是，由于以和緩的垂直沉降為主，沉積區(qū)域地層之間的相對關(guān)系長期不變，碳酸鹽巖臺地始終保持半島（元壩-儀隴-營山臺地）和全島（宣漢-萬源-鎮(zhèn)巴臺地）的狀態(tài)，陸源碎屑不足，形成“饑餓”狀態(tài)，開江—梁平海槽一直處于深水條件，得以長期沉積含有機(jī)質(zhì)的細(xì)粒沉積物，為烴源巖的發(fā)育奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。與此同時，由于碎屑注入受限，廣大海域的海水清潔，碳酸鹽巖臺地也得以保持清潔，有利于沉積碳酸鹽和白云質(zhì)地層。

3.2.3 有利的（清潔）沉積環(huán)境

沉積環(huán)境是一個很廣的概念，包括物理、化學(xué)和生物三大類，有的與地理?xiàng)l件重疊，本節(jié)討論僅涉及物源和海水清潔2 個部分。從石炭紀(jì)開始直到早、中三疊世，川東北均處于臺地和槽臺相間的淺海及半深海環(huán)境，水深、水流、物源等均非常穩(wěn)定，陸源碎屑的隔斷導(dǎo)致海水長期保持清潔，有利于沉積碳酸鹽巖，因此，川東北從晚古生代到早、中三疊世均以沉積碳酸鹽巖為主，少見碎屑巖，即使是在海退的梁山期和龍?zhí)镀谒樾紟r也很少，導(dǎo)致煤系很薄，且發(fā)育大量碳酸鹽巖。碎屑物源的缺乏使得長興期得以沉積成分很純的碳酸鹽巖，尤其是沉積了對水質(zhì)清潔度要求很高的生物礁，礁頂?shù)陌自茙r也應(yīng)該是清潔水質(zhì)的產(chǎn)物。因碎屑物源的缺乏，潮坪和瀉湖才能以化學(xué)沉積為主。

3.2.4 有利的干旱炎熱氣候

沉積期的氣候條件對油氣藏的形成產(chǎn)生重要影響，氣候決定了大氣濕度、降雨量、水的性質(zhì)以及水體（河流、湖泊和陸表海）的鹽度和水循環(huán)情況，甚至是碎屑物的注入。干旱炎熱氣候下的水體具有更高的鹽度，水的循環(huán)性較差，而潮濕氣候則相反，氣候的差異影響了碳酸鹽沉積物的類型、產(chǎn)率、穩(wěn)定性和早期成巖的方向。在干旱氣候和水體循環(huán)較局限的條件下，濱淺海、瀉湖、潮上坪等環(huán)境會沉積白云巖、石膏、甚至鹽巖等蒸發(fā)巖類，在長興組生物礁之上沉積的白云巖是氣候趨于干旱和溫度升高的產(chǎn)物。川東北長興期淡水淋濾與蒸發(fā)泵流作用發(fā)生時，溫度較高。據(jù)實(shí)測現(xiàn)代中國新疆羅布泊地區(qū)中午地表空氣溫度超過70 ℃，現(xiàn)代伊朗Dasht-e Lut 沙漠的溫度也高達(dá)70 ℃［80］。川東北長興組白云石包裹體測溫數(shù)據(jù)顯示，白云石的鹽水溶液包裹體均一溫度為70～260 ℃，主要集中在70～120 ℃及170～230 ℃等2 個溫度段，說明白云石化過程發(fā)生了中—深埋藏和淺埋藏2 個期次，大規(guī)模的白云石化交代過程主要發(fā)生在淺埋藏期。據(jù)此可推測70 ℃（包括略高于此溫度）的包裹體均一溫度很可能是沉積白云巖形成時最高溫度。美國二疊系Nippewalla 組Cedar Hills 砂巖（季節(jié)性湖泊形成）中的鹽巖包裹體最高均一溫度可達(dá)73.1 ℃［81-82］。美國二疊系主要出露地區(qū)的緯度與川東北地區(qū)較為接近［83］，川東北在二疊世接近赤道［84］。晚二疊世PTB 的δ18O 值下降2‰，表明全球氣候顯著變暖［85］，推測在夏季中午和下午碳酸鹽蒸發(fā)臺地靠近及露出水面的極端高溫可能達(dá)到70 ℃，甚至70 ℃以上。因此，可以推測川東北長興期瀉湖內(nèi)的溫度可能很高（60～70 ℃），生物礁頂部靠近和暴露在海面以上的表面溫度也會很高；在生物礁前的外海水體溫度也可能會很高（40～50 ℃），因?yàn)榇|北長興期臺緣斜坡緩，淺水海域?qū)掗?，海水循環(huán)不暢，在陽光暴曬下溫度會急劇升高。在這種高溫環(huán)境中生物礁附近生物難以存活，生物礁停止生長，代之而起的沉積是白云巖。在這種高溫水體中形成的白云石包裹體的均一溫度為50～60 ℃（肯定會更高，但很難測到最高溫度形成的包裹體），據(jù)此推測古代白云石的包裹體均一溫度為50～60 ℃時并不能確定是經(jīng)熱液作用形成的。干旱炎熱的地區(qū)，水體表面的溫度很高，在水體與沉積物表面會形成一個高溫化學(xué)反應(yīng)界面，很多平時不能發(fā)生的沉積此時均可能發(fā)生，如果沉積時間足夠長，可能發(fā)育厚度很大的非常規(guī)（正常氣候）沉積層。因此，在探討白云巖的形成條件時，不能簡單地套用地表平均溫度25 ℃這個概念來代替當(dāng)時的沉積界面溫度，這個問題很容易被忽略。

關(guān)于白云石的模擬實(shí)驗(yàn)很多，Arvidson 等［27］實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在室溫下無法形成白云石，但溫度升高到100～200 ℃，經(jīng)過數(shù)天后便可以形成很好的白云石；Katz 等［84］認(rèn)為要在252～295 ℃高溫時才開始形成可以計量的白云石；Gaines［85］則觀察到在220～250 ℃才開始沉積MgCO3。按照后2 種實(shí)驗(yàn)溫度去考量自然條件下的白云巖沉積，原生白云巖就不可能形成，川東北長興組的白云巖也不可能形成，因此，室內(nèi)模擬的結(jié)果只能作為有限的參考。

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)溫度與速度的關(guān)系，每提高10 ℃化學(xué)反應(yīng)速度則提高10倍，因此從室溫25 ℃提高到75 ℃（干旱沙漠水體表面溫度），化學(xué)反應(yīng)速度會提高5 個數(shù)量級，在短期內(nèi)（數(shù)月）形成白云石沉積是完全有可能的。從活化能的角度分析白云石和方解石之間的關(guān)系顯示，相對于方解石而言，溫度的輕微升高會顯著增加白云石的沉淀速率，特別是在方解石低飽和或欠飽和的情況下。Land［42］在25 ℃條件下持續(xù)進(jìn)行白云石沉積試驗(yàn)，32年未能觀察到任何沉淀產(chǎn)生。50 ℃難以發(fā)生白云石沉積，熱帶干旱炎熱的氣候條件下沉積物表面的溫度超過50 ℃，不排除可以達(dá)到75 ℃的可能，推測將實(shí)驗(yàn)溫度提高到75 ℃時，很可能在實(shí)驗(yàn)時間尺度上可以檢測到的白云石沉淀物。自然條件下，溫度雖不及實(shí)驗(yàn)室高，但在足夠長的時間尺度上，熱帶Sabkha 海岸沉積出白云巖還是可能的，再考慮生物介導(dǎo)［86］因素，發(fā)生自然的白云巖沉積是很正常的。龍崗地區(qū)臺緣礁蓋白云巖整體的連片性也從另一個側(cè)面間接反映了白云巖的沉積成因。綜上所述，在川東北長興期發(fā)育沉積白云巖得益于當(dāng)時的高溫、干旱氣候，因此，在討論碳酸鹽巖成儲成藏問題時絕對不能忽略氣候、尤其是溫度的影響。蒸發(fā)巖極易受大氣降雨的影響，一旦蒸發(fā)巖暴露于水面之上受到雨水淋濾時便會發(fā)生溶蝕，形成溶蝕孔洞，使白云巖發(fā)育溶孔（包括針孔）、甚至溶洞（直徑大于5 cm 的溶蝕孔洞）和溶蝕管。蒸發(fā)巖暴露地表的時間長短、降雨量、雨水化學(xué)性質(zhì)等影響和決定了白云巖類碳酸鹽巖的溶蝕孔發(fā)育程度，進(jìn)而決定白云巖儲層的儲集性能。Sun等［53］發(fā)現(xiàn)碳酸鹽巖（白云巖）儲層主要發(fā)育在蒸發(fā)環(huán)境，蒸發(fā)環(huán)境屬干旱（炎熱）氣候；Warren［28］指出，晶間孔發(fā)育的白云巖是很好的烴類儲層，該類儲層大多與蒸發(fā)巖關(guān)系極為密切。盆地內(nèi)的白云巖儲層往往保存在上覆鹽層形成的封閉之下，干旱氣候是川東北白云巖儲層發(fā)育的主控因素。下?lián)P子地區(qū)長興期的氣候不如川東北那樣干旱炎熱，蒸發(fā)泵流作用不發(fā)育，所以盡管碳酸鹽巖發(fā)育，但沒有出現(xiàn)此類白云巖儲層，未發(fā)現(xiàn)天然氣。潘吉亞泛大陸從石炭紀(jì)開始形成，二疊紀(jì)末期向赤道靠近［83］，氣候變得干旱［87］。早三疊世隨著潘加亞大陸向北移動，整個潘加亞泛大陸對稱分布于赤道兩側(cè)［88］，直到三疊紀(jì)赤道地區(qū)和中緯度大陸內(nèi)部的季節(jié)性變得更加分明，且氣候更加干燥甚至極熱，地表和沉積界面的溫度可能在70 ℃以上。川東北地區(qū)從石炭紀(jì)開始直到二疊世末一直位于赤道上，三疊世—侏羅紀(jì)位于赤道附近。二疊紀(jì)氣溫很高，古特提斯被多個大陸包圍，成為一個陸內(nèi)海洋（古特提斯），氣候干旱、極熱［89］、蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，加上開江—梁平海槽東南端封閉，水體循環(huán)較差，導(dǎo)致海水鹽度升高，在地勢較高部位沉積了白云巖，尤其是在三級和四級層序的高位域出現(xiàn)振蕩性海退，導(dǎo)致碳酸鹽巖廣泛暴露，接受淋濾，甚至被風(fēng)化剝蝕而發(fā)育溶洞，在野外和巖心中經(jīng)常可以看到溶洞和溶孔。中國西部廣大地區(qū)晚二疊世均開始出現(xiàn)干旱炎熱氣候，形成了紅色巖系（從上石盒子組開始），澳大利亞和美國二疊紀(jì)處在干旱炎熱的氣候中［59］，可見當(dāng)時的潘吉亞聯(lián)合大陸是一個超級的干旱炎熱“桶”?？赏茰y川東北長興期因干旱炎熱氣候而發(fā)育白云巖，從而富集了長興組油氣資源。

總之，川東北長興組溶蝕白云巖儲層是由多因素“共振”而成，甚至還可能包括四川峨眉山玄武巖噴發(fā)形成的Mg2+濃度升高使海水富含Mg2+。這些有利的成儲成藏條件是四川盆地長興組發(fā)育豐富的天然氣藏的保證，而中、下?lián)P子地區(qū)不具備這些有利成儲成藏條件，因此到目前為止沒有在同時代的地層中找到類似的油氣資源。

二疊紀(jì)末期的海平面變化一直是爭論的焦點(diǎn)，長興組表生巖溶的發(fā)現(xiàn)揭示二疊紀(jì)末期大規(guī)模的海退事件發(fā)生在長興階頂部地層內(nèi)，突破了以往認(rèn)為的主要發(fā)生在二疊系—三疊系界線上的認(rèn)識，表明二疊紀(jì)末期的海平面升降過程較為復(fù)雜，必然會引起地學(xué)界對二疊紀(jì)末期海平面變化研究的重新審視。以往對長興組的油氣勘探主要針對臺地邊緣和臺內(nèi)礁灘儲集層，本次研究表明，二疊紀(jì)末期為大規(guī)模的海退事件，臺地邊緣和臺內(nèi)地區(qū)古地貌較高，長興組廣泛發(fā)生暴露，具有發(fā)生表生巖溶的地質(zhì)條件，除形成礁灘儲集層外，臺內(nèi)礁灘間泥晶灰?guī)r具有形成不整合巖溶儲集層的條件，同時，臺地前緣斜坡發(fā)育碳酸鹽巖建隆沉積的古地貌隆起，也具有形成不整合巖溶儲集層的地質(zhì)條件。因此，表生巖溶的發(fā)現(xiàn)拓展了整個四川盆地長興組油氣勘探領(lǐng)域。

4 結(jié)論

（1）川東北二疊系長興組地層中大多數(shù)沒有生物礁的多孔白云巖是很好的儲層，少量云化的生物礁，還有極少量鮞灘云巖。因此認(rèn)為長興組生物礁并不是天然氣的主要儲集層，主要儲集體是礁蓋之上的（溶蝕）白云巖及少量礁間白云巖。該類白云巖儲層主要由蒸發(fā)泵流加上淋濾作用形成，疊加了一些成巖作用，優(yōu)化了儲集性。

（2）川東北二疊系長興組白云巖儲層的巖石學(xué)特征是以沉積自形微—細(xì)晶、溶蝕白云巖及溶洞為主。儲集空間主要為晶間溶蝕孔、晶間收縮縫及晶間收縮孔，與成巖過程中白云石晶體內(nèi)部的徹底云化而形成的“收縮”有關(guān)；其次為晶間殘留孔、晶間溶蝕孔、晶內(nèi)溶蝕孔和（喀斯特）溶洞。從廣義角度，川東北長興組的天然氣也是一種（縫）溶洞型氣藏，而非簡單沉積形成的生物礁，生物礁只有云化后才能成為有效儲層。生物礁在第一次排烴成藏時被液態(tài)烴完全充注，形成了古油藏（198 Ma），然后在氣化過程中則轉(zhuǎn)變?yōu)闉r青充填生物礁中的孔洞，使得生物礁失去了儲集能力。生物礁中的古油藏氣化形成的天然氣向上運(yùn)移（103～156 Ma），充注在長興組頂部的白云巖中，使得長興組的氣藏主要發(fā)育在礁蓋或礁頂?shù)陌自茙r中。

（3）川東北二疊系長興組溶蝕白云巖儲層的形成與有利的古構(gòu)造條件、古氣候條件、古地理?xiàng)l件和古沉積環(huán)境密切相關(guān)。長期穩(wěn)定的構(gòu)造環(huán)境及以垂直振蕩為主的構(gòu)造運(yùn)動特點(diǎn)為長興組溶蝕白云巖的形成提供了先決有利條件，為三級和四級層序高位域振蕩性海退創(chuàng)造了有利條件，尤其是長興期末的隆起剝蝕喀斯特化則更是長興組碳酸鹽巖成儲的重要保證。強(qiáng)烈的干旱氣候?yàn)檎舭l(fā)濃縮、富鎂形成白云巖創(chuàng)造了基本條件，穩(wěn)定的古地理環(huán)境、尤其是孤島（東部臺地）和連陸半島（西部臺地）阻斷了陸源碎屑的注入，為溶蝕白云巖的形成提供了清潔的沉積環(huán)境。干旱炎熱的氣候?qū)π纬纱|北長興組白云巖儲層具有非常重要的意義。

（4）川東北二疊系長興組臺緣生物礁和臺內(nèi)生物礁是有利的天然氣成藏部位，生物礁中的古油藏是優(yōu)質(zhì)的天然氣源，生物礁的上凸形態(tài)有利于蒸發(fā)泵流和淡水淋濾形成白云巖。長興組頂部（包括中部等層位）白云巖氣藏的發(fā)現(xiàn)揭示了長興組巨大的勘探潛力，據(jù)此推測川東北開江—梁平海槽臺緣之外（包括平昌海槽）的廣大區(qū)域也可能是長興組天然氣勘探的有利區(qū)。