王利超，周 楊，胡林輝，張 亞，王柏智，喬艷萍

1.西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610500；2.中國(guó)石油 東方地球物理公司 西南物探分公司，成都 610213；3.中國(guó)石油 西南油氣田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，成都 610041

四川盆地二疊系棲霞組白云巖儲(chǔ)層是天然氣勘探中的重點(diǎn)對(duì)象之一。近年來(lái)，川西北地區(qū)部署的多口井在棲霞組白云巖儲(chǔ)層中均獲高產(chǎn)工業(yè)氣流，引起了人們的廣泛關(guān)注[1-2]。前人針對(duì)川西北棲霞組白云巖的成因開(kāi)展了大量研究工作，對(duì)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(gòu)造熱液白云石化[5]、熱對(duì)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(dòng)有關(guān)[8]。

典型的熱液白云巖具有斑馬結(jié)構(gòu)、水力壓裂角礫巖、鞍形白云石、黃鐵礦等巖石學(xué)特征[9]。斑馬結(jié)構(gòu)是世界范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造中常見(jiàn)的周期性結(jié)構(gòu)，常與熱液成礦作用有關(guān)；在巖石中交替出現(xiàn)的粗粒淺色(亮帶)和細(xì)粒深色(暗帶)通常被稱為斑馬結(jié)構(gòu)[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(duì)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(diǎn)：(1)交代作用或重結(jié)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(kāi)放空間，受到熱液流體脈沖式作用進(jìn)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(jí)地幔柱的“中帶”[12]，已有斑馬狀白云巖的發(fā)育報(bào)道[13]。而川西北地區(qū)位于峨眉山超級(jí)地幔柱的“外帶”[12,14]，相對(duì)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(jiàn)，因而研究甚少。鑒于此，本文針對(duì)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(kāi)系統(tǒng)的巖石學(xué)觀察，在此基礎(chǔ)上針對(duì)斑馬結(jié)構(gòu)中的亮帶和暗帶，分別取樣開(kāi)展地球化學(xué)分析，以探討斑馬狀白云巖的形成過(guò)程。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

ST18井位于四川盆地西北部，在大地構(gòu)造位置上屬于揚(yáng)子板塊西北邊緣(圖1a)，且位于三個(gè)構(gòu)造單元過(guò)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(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和古特提斯洋殼向揚(yáng)子板塊的俯沖作用，整個(gè)揚(yáng)子克拉通在構(gòu)造上處于拉張環(huán)境[6]。峨眉山大火成巖省的活動(dòng)，導(dǎo)致四川盆地在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)處于異常高地溫中，盡管川西北地區(qū)遠(yuǎn)離活動(dòng)中心，但熱流值仍高達(dá)70 mW/m2[14]。

本次研究主要針對(duì)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(guó)際地層單位中的烏拉爾統(tǒng)空谷階(Kungurian)相對(duì)應(yīng)，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(duì)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(chǔ)上，對(duì)采集的巖心樣品磨制薄片。通過(guò)薄片鑒定、陰極發(fā)光和掃描電鏡分析，對(duì)白云巖的晶體結(jié)構(gòu)、晶體大小、晶體類型等方面進(jìn)行精細(xì)研究。薄片鑒定使用型號(hào)為Olympus BX53的偏光顯微鏡，陰極發(fā)光分析儀器型號(hào)為CL8200 MK5，掃描電鏡分析儀器型號(hào)為Quanta 650 FEG。以上實(shí)驗(yàn)均在西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室完成。

圖1 川西北ST18井區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖及地層柱狀圖

在上述巖石學(xué)系統(tǒng)觀察的基礎(chǔ)上，針對(duì)斑馬結(jié)構(gòu)中的亮帶和暗帶分別取樣，進(jìn)行巖石粉末(200目)磨制，并完成X-射線粉末衍射實(shí)驗(yàn)和碳酸鹽巖碳、氧同位素(粉末樣品)測(cè)試。X-射線粉末衍射實(shí)驗(yàn)在西南石油大學(xué)新能源與材料學(xué)院完成，儀器型號(hào)為DX-2700。利用CuKα輻射波長(zhǎng)(λ=1.540 6 ?，1 ?=10-10m)記錄樣品的衍射譜圖，通過(guò)Jade軟件對(duì)衍射數(shù)據(jù)進(jìn)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(xué)計(jì)量等信息。碳、氧同位素測(cè)試在中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所實(shí)驗(yàn)技術(shù)中心同位素實(shí)驗(yàn)室完成，同位素質(zhì)譜儀主機(jī)型號(hào)為MAT-253，制樣系統(tǒng)為Kiel IV Carbonate Device，標(biāo)樣為GBW-0440LC5。碳氧同位素值用‰表示(相對(duì)PDB標(biāo)準(zhǔn))，δ13CPDB和δ18OPDB測(cè)定值標(biāo)準(zhǔn)偏差分別小于0.020‰和0.050‰。

3 巖石學(xué)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(chǔ)上，通過(guò)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(jié)構(gòu)[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(jié)構(gòu)。斑馬結(jié)構(gòu)的大小為厘米級(jí)，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(jiàn)生物碎屑，原始結(jié)構(gòu)不明顯(圖2b)?？梢?jiàn)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(jiàn)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(guò)渡的趨勢(shì)(圖2b紅色箭頭所指)。鞍形白云石晶面彎曲(圖2d藍(lán)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(jiàn)亮帶白云石穿越亮暗帶邊界，且邊界兩側(cè)的光學(xué)性質(zhì)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(xì)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(jiàn)殘余原始組構(gòu)或其他黑色有機(jī)質(zhì)(圖3a)。此外，可觀察到斑馬狀白云巖中縫合線截?cái)嗲写┌自剖w(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(xué)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(xì)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(shí)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(jiàn)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(guò)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(diǎn)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(xué)特征

4.1 白云石晶體結(jié)構(gòu)特征

本次研究通過(guò)X-射線粉末衍射實(shí)驗(yàn)(X-Ray Powder Diffraction，XRPD)，研究白云石晶體的晶胞參數(shù)、化學(xué)計(jì)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(lái)表示，其中a=b≠c。理想白云石的標(biāo)準(zhǔn)晶胞參數(shù)是a=4.806 9 ?，c=16.003 4 ?[20]。以a值為橫坐標(biāo)，c值為縱坐標(biāo)，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(zhǔn)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jì)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(jì)算得出MgCO3摩爾分?jǐn)?shù)。樣品中的白云石具有接近化學(xué)計(jì)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(duì)ST18井中不同類型白云石的MgCO3摩爾分?jǐn)?shù)進(jìn)行投點(diǎn)(圖5b)。斑馬結(jié)構(gòu)亮帶中，中粗晶白云石的MgCO3摩爾分?jǐn)?shù)范圍為49.40%～50.37%，平均值為49.65%；鞍形白云石的MgCO3摩爾分?jǐn)?shù)范圍為49.47%～53.63%，平均值為51.11%。斑馬結(jié)構(gòu)中暗帶白云石的MgCO3摩爾分?jǐn)?shù)范圍為48.60%～49.37%，平均值為49.15%。

白云石的有序度通過(guò)d(015)∶d(110)反射峰的比值半定量測(cè)定，其中有序度σ=I(015)/I(110)[22]，I(015)和I(110)分別為對(duì)應(yīng)反射峰的強(qiáng)度。對(duì)ST18井中不同類型白云石的有序度進(jìn)行投點(diǎn)(圖5c)發(fā)現(xiàn)，斑馬結(jié)構(gòu)亮暗帶白云石的有序度均較高。斑馬結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jì)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(diǎn)(圖5d)發(fā)現(xiàn)，樣品的δ13C值在同時(shí)期海水δ13C值范圍內(nèi)，樣品的δ18O值都較同時(shí)期海水的δ18O值偏負(fù)。斑馬結(jié)構(gòu)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(xué)特征

5 討論

5.1 白云石化流體性質(zhì)

斑馬狀白云巖由深灰色細(xì)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(jié)構(gòu)中暗帶由中—細(xì)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(jiàn)殘余原始組構(gòu)或其他黑色有機(jī)質(zhì)。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(lái)源于海水[19]。同時(shí)，暗帶白云石的δ13C值(平均值是1.99‰)落在同期海水δ13C范圍內(nèi)(圖5d)，亦表明暗帶白云石的白云石化流體來(lái)源于海水。由此可見(jiàn)，暗帶白云石的巖石學(xué)特征和地球化學(xué)特征都表明其白云石化流體來(lái)源于海水。斑馬結(jié)構(gòu)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(shuō)明亮帶白云石是在高溫作用下快速結(jié)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(nèi)(圖5d)，表明亮帶白云石的白云石化流體也可能來(lái)源于海水。前人對(duì)川西北棲霞組白云巖進(jìn)行碳氧穩(wěn)定同位素和鍶同位素相關(guān)分析后認(rèn)為，基質(zhì)白云巖的白云石化流體是海水[6,24]，這和我們通過(guò)碳同位素研究得出的認(rèn)識(shí)是一致的。此外，可見(jiàn)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(lái)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(shí)期海水的δ18O值比均較為偏負(fù)(圖5d)。因此，來(lái)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(fù)，表明在亮帶形成過(guò)程中造成氧同位素分餾的熱效應(yīng)更強(qiáng)。

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(fù)，表明亮帶白云石的形成是在海水來(lái)源的基礎(chǔ)上疊加了熱液。

5.2 斑馬狀白云巖的形成過(guò)程

斑馬結(jié)構(gòu)中暗帶白云石與亮帶白云石的巖石學(xué)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(jiàn)白云石晶體穿過(guò)亮帶白云石和暗帶白云石的邊界(圖2e)，且在邊界兩側(cè)白云石的消光性質(zhì)一致，表明亮帶白云石是生長(zhǎng)在暗帶白云石上的膠結(jié)物[11]。與此同時(shí)，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(jìng)爭(zhēng)結(jié)晶的過(guò)程中逐步結(jié)晶形成的[27-28]。暗帶中白云石晶面混濁，包含了大量來(lái)自沉積先驅(qū)體的包裹體，因此暗帶白云石是交代成因。作為對(duì)照，亮帶白云石晶體中沒(méi)有大量的包裹體而顯現(xiàn)出淺色的外觀，進(jìn)一步表明它是直接沉淀形成的。

斑馬結(jié)構(gòu)的形成是由兩個(gè)密切發(fā)生的過(guò)程造成的：一是礦物交代，二是溶解和開(kāi)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(yīng)時(shí)間約為290～260 Ma[12]。在此期間川西北地區(qū)棲霞組對(duì)應(yīng)的地層沉積物處于淺埋藏階段，且位于臺(tái)地邊緣[6]，在側(cè)向上對(duì)外開(kāi)放。由于ELIP提供的異常地?zé)釋?duì)地層中的孔隙水或鹵水加熱，形成與外側(cè)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(huì)加強(qiáng)。此外，臺(tái)地邊緣灘相較高的滲透性以及在白云石交代方解石的過(guò)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(shí)進(jìn)行的過(guò)程中導(dǎo)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(qiáng)。交代和溶解原始基巖的同時(shí)產(chǎn)生了新的裂縫和開(kāi)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(huì)越小[32]，形成了樣品中亮帶寬度大于暗帶的斑馬結(jié)構(gòu)(圖2a)。當(dāng)白云石化流體注入斷層或裂縫，順層溶解原始基巖形成開(kāi)放空間，交代原始基巖形成暗帶白云石?？拷_(kāi)放空間的暗帶白云石的結(jié)晶力大于自身的抗張強(qiáng)度，從而產(chǎn)生新的裂縫。當(dāng)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(fù)，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(yùn)動(dòng)期間，伴隨著ELIP巖漿活動(dòng)增強(qiáng)，巖漿或熱液隨著斷層或裂縫向上運(yùn)移且順層流動(dòng)，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(jié)果可能會(huì)增強(qiáng)方解石的溶解[33]，從而進(jìn)一步增加白云石化流體的流通，導(dǎo)致白云石化的速率和白云石化程度加強(qiáng)。較高的地溫條件促進(jìn)了白云石化流體在地層中的循環(huán)流動(dòng)，從而導(dǎo)致鞍形白云石膠結(jié)物在斑馬狀白云巖的溶蝕孔洞、裂縫中沉淀充填。高溫?zé)嵋毫黧w中沉淀的鞍形白云石由于結(jié)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(xué)計(jì)量(MgCO3摩爾分?jǐn)?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(diào)整，進(jìn)而更加有序[34]。

6 結(jié)論

(1)ST18井中斑馬狀白云巖暗帶和亮帶白云石巖石學(xué)特征差異明顯。暗帶由中細(xì)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(shí)期海水δ13C值范圍內(nèi)，且δ18O值較同期海水偏負(fù)，說(shuō)明白云石化流體來(lái)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(guò)程概括如下：加熱的海源流體沿著斷層或裂縫重復(fù)—持續(xù)脈沖運(yùn)移至高孔高滲地層，并在溶蝕—交代方解石的過(guò)程中形成暗帶白云石，與此同時(shí)形成開(kāi)放空間；海源流體疊加熱液的混入，在開(kāi)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(diào)整，形成有序度較高的斑馬狀白云巖。