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  地质通报  2017, Vol. 36 Issue (4): 664-675  
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张静, 张宝民, 单秀琴. 中国中西部盆地海相白云岩主要形成机制与模式[J]. 地质通报, 2017, 36(4): 664-675.
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ZHANG Jing, ZHANG Baomin, SHAN Xiuqin. Major formation mechanisms and models of marine dolomite in middle and western basins of China[J]. Geological Bulletin of China, 2017, 36(4): 664-675.
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基金项目

国家科技重大专项项目《大型油气田及煤层气开发》(编号:2011ZX05004)

作者简介

张静 (1979-), 女, 博士, 高级工程师, 从事碳酸盐岩储层研究。E-mail:zj_1224@petrochina.com.cn

文章历史

收稿日期: 2016-10-18
修订日期: 2017-02-14
中国中西部盆地海相白云岩主要形成机制与模式
张静, 张宝民, 单秀琴    
中国石油勘探开发研究院, 北京 100083
摘要: 塔里木、四川及鄂尔多斯盆地是中国中西部海相白云岩的主要发育地区。三大盆地重点层系海相白云岩新近的成因研究表明,大规模准同生白云岩和埋藏成因白云岩的发育均与蒸发台地密切相关。蒸发台地中由海水浓缩形成的富Mg2+卤水一方面在准同生期,通过蒸发泵和下渗机制交代碳酸钙沉积物而形成与蒸发岩共生的准同生白云岩,另一方面作为富含Mg2+的地层孔隙水,在准同生-浅埋藏期乃至中、深埋藏期,通过侧向渗透、侧向与垂向压实排挤和垂向热对流机制与粗结构的碳酸钙沉积物发生交代反应,在蒸发岩系周边和上下形成广泛分布的埋藏成因白云岩。与热流体作用有关的白云石化主要依靠构造断裂、裂缝、不同级次的层序界面、孔洞层等输导体系发生,分布较局限。热流体云化常表现为对先期白云岩进行叠加改造而形成热水改造白云岩。热流体性质不一,可以是深埋藏混合热水、深部循环水、地幔深部的岩浆热液等。白云石(岩)的生物成因不仅表现为微生物作用导致白云石直接沉淀,还表现为生物的存在与活动为白云石化作用提供Mg2+和云化流体通道。由微生物和宏观藻释放出Mg2+,在埋藏期对方解石进行交代是各种富含藻类的灰岩中部分白云石的重要形成机制。生物扰动可明显改善岩石的孔渗性,从而显著促进白云石化作用的发生。
关键词: 海相白云岩    白云石化    云化机制    云化模式    
Major formation mechanisms and models of marine dolomite in middle and western basins of China
ZHANG Jing, ZHANG Baomin, SHAN Xiuqin     
Research Institute of Petroleum Exploration and Development, PetroChina, Beijing 100083, China
Abstract: Marine dolomite is mainly developed in Tarim, Sichuan and Ordos basins in middle and western China. Recent study of the dolomite origin in key strata shows that the formation of massive marine penecontemporaneous dolomite and burial dolomite was closely related to the carbonate evaporative platform. The brine in the evaporative platform was not only the dolomitizing fluid of the penecontemporaneous dolomite which often coexisted with the evaporite and was formed by evaporation pump and seepage reflux mechanism, but also the pore water with abundant Mg2+ which could induce further water-rock reaction with coarse limestone by lateral seepage, lateral and vertical compact mechanism and vertical thermal convection mechanism in penecontemporaneous to shallow burial and even medium to deep burial environment, resulting in widespread burial dolomitization around, above and below the evaporite. Hydrothermal dolomitization was often the reworking action on previous dolomite which was confined to the fractures, sequence boundaries, beddings and porous strata, with deep mixed hot water, deep circulation water and magmatic solution as the hydrothermal dolomitizing fluid. Besides microbial dolomitization by which microbe could induce dolomite precipitation, the organic matter might also provide Mg2+ to dolomitization, as reflected by the dolomitization of the algal limestone. The release of Mg2+ from the microorganism and macro-algae was an important factor for the formation of part of the dolomite in the algal limestone. Biotur-bation could facilitate dolomitization by enhancing the porosity and permeability of the rock which could provide space and channel for the dolomitizing fluid.
Key words: marine dolomite    dolomitization    dolomitization mechanism    dolomitization model    

白云岩占地壳沉积岩体积的20%,是一种重要的碳酸盐岩油气储渗体,同时也是许多有色金属硫化物矿产和其他一些矿产的宿主矿物。由于白云岩具有巨大的勘探价值,因此其成因一直是地质学界研究的热点,也是碳酸盐岩研究中最复杂、最难解决的问题之一。白云岩的成因涉及地质学、水文学、热力学、动力学、微生物化学等问题。白云石形成的物理、化学条件千差万别,不仅涉及到同生、准同生及埋藏期的环境条件,而且涉及成岩后期的复杂变化。不同种类、不同地区、不同时代的白云岩具有不同的成因和特点,甚至同一类型的白云岩也可能具有不同的形成模式。因此,白云岩成因问题是一个涉及面广、颇具难度的研究课题。尽管如此,时至今日,白云岩成因理论研究还是取得了重大进展与飞跃。目前认为,大多数白云岩都是交代成因的,即通过白云石化作用而形成[1-2]。20世纪五六十年代以来,随着技术的发展和对白云岩认识的不断深入,众多白云石化机制与相应模式相继出现,不同的观点也不断涌现。无论何种模式,其内涵都是一致的,即在特定的环境下,钙质碳酸盐岩和富Mg2+流体得以形成,且特定的水文条件使二者相互作用发生白云石化。其中,Mg2+的来源(云化流体性质)和云化流体的流动机制成为研究的核心内容与争论焦点。

近年来,随着中国海相碳酸盐岩层系油气勘探取得重要进展和进一步深化的现实需要,白云岩的地位愈加明显,油气勘探不断获得突破,发现了若干与白云岩储层有关的大型、超大型气田,如鄂尔多斯盆地靖边气田、四川盆地元坝气田、普光气田等。中国海相白云岩时空分布广、成因类型多,主要发育在中西部地区的塔里木、四川及鄂尔多斯三大盆地(图 1)。其中,大规模含油气白云岩主要为准同生白云岩和埋藏成因白云岩,局部发育热水(改造)白云岩和与生物作用有关的白云石(岩)。前人针对其中一些白云岩的成因从矿物学、岩石学、同位素、元素地球化学等方面入手,结合沉积环境、构造演化、海平面变化、气候等因素,提出了多种白云岩形成机制,取得了一系列成果[1-3],但仍缺乏较全面系统的总结提升。此外,一些新的认识也随着研究的推进逐渐浮现。根据笔者近年来的相关研究工作,并参考前人新近的研究成果,选取塔里木、四川及鄂尔多斯盆地重点层系的白云岩为实例,根据成因类型对其进行划分,在此基础上探讨其形成机制并建立相应模式,以期为白云岩成因研究与储层分布预测提供参考借鉴,并在一定程度上拓宽研究思路。

图 1 塔里木、四川、鄂尔多斯盆地与部分大型白云岩油气田位置示意图 Fig.1 Location map of the Tarim, Sichuan and Ordos basins with some large scale dolomite oil and gas fields
1 准同生期自源白云石化机制与模式

准同生白云石化作用属于干热蒸发条件下、地表-近地表环境中准同生期超盐度富Mg2+卤水交代机制,由此形成的准同生白云岩是当前国内外研究和勘探程度最高的一类白云岩。其形成模式相对单一,着重强调蒸发作用的重要性,主要用于解释与蒸发岩伴生的潮坪和湖沉积物的白云石化作用。该云化机制属于自源云化。所谓“自源”,指云化流体来自对于原岩而言的同一沉积体系。准同生白云岩在中国三大盆地均有广泛分布,典型实例众多,常构成大型油气田的主力产层[4-8]。鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组、四川盆地石炭系黄龙组、三叠系飞仙关组、嘉陵江组和雷口坡组,以及塔里木盆地中寒武统等均发育经典的准同生白云岩,在鄂尔多斯盆地下奥陶统马家沟组含蒸发盐的碳酸盐岩层系中表现尤为突出。

鄂尔多斯盆地下奥陶统为向上变浅的陆表海碳酸盐沉积体系,总体上具有沉积基底起伏小、环境局限、水体浅、能量低、蒸发作用强烈、沉积作用单一的特点。马家沟组沉积期经历了4次海进和4次海退。其中,马一、马三、马五段沉积时气候干热,海平面下降。此时由于中央隆起和东部隆起的阻隔,鄂尔多斯盆地演化成与外海隔绝的闭塞盆地,海水浓缩,发育了膏盐盆和含钾盐盆。在此沉积背景下,蒸发台地中由强烈蒸发作用形成的盐度变高的富Mg2+浓缩海水(卤水)交代潮坪和泻湖环境中刚沉积不久的文石泥和/或泥晶高镁方解石,导致萨布哈准同生白云岩和湖准同生白云岩的广泛发育(图 2)。该过程中,云化流体源自与沉积物同一的沉积体系。马一、马三、马五段岩性特征相似,以发育泥晶、粉晶白云岩、硬石膏岩、石盐岩的蒸发岩组合为特征。白云岩成层性好,区域分布稳定。

图 2 准同生期自源云化模式(以鄂尔多斯盆地下奥陶统马家沟组(O3m)五段准同生白云岩为例) Fig.2 Penecontemporaneous autochthonous dolomitization model A—含膏云岩,发育结核状硬石膏,榆9井,2239.06m, 岩心照片;B—盐云岩,白云岩与盐岩渐变-突变接触,榆9井,2292.02-2304.65m, 岩心照片

萨布哈准同生白云岩发育于蒸发作用强烈的潮间坪上部和潮上带的萨布哈环境,属典型蒸发泵成因。沉积不久的表层沉积物(主要是文石)中的粒间水通过毛细管作用不断蒸发浓缩,导致蒸发盐矿物的沉淀和水体中Mg/Ca值不断增高,形成富Mg2+卤水,交代钙质沉积物而形成白云岩。这类白云岩规模较大,广泛分布在鄂尔多斯盆地的中部地区。白云岩主要为他形泥-粉晶结构,泥质含量较高,含有膏盐假晶,硬石膏呈薄夹层状产出,晶体为针状、板状、分散状。常见鸟眼、干裂、水平纹层及波纹,生物化石稀少。此外,还可见蒸发潮坪环境中典型的结核状、肠状与鸡笼状成岩构造(图 2-A)。与萨布哈准同生白云岩的形成环境不同,湖准同生白云岩形成于水体较深的湖环境中,在鄂尔多斯盆地主要分布于东部盐洼地区。在干热条件下,湖水体的不断蒸发一方面导致大量石膏、石盐发生沉淀,另一方面使富Mg2+卤水向下渗透,交代湖底部的碳酸钙沉积物,使之发生白云石化。白云石化作用和石膏或石盐的沉淀作用交替进行,导致白云岩常呈层状或透镜状夹于硬石膏或盐岩中(图 2-B)。与湖准同生白云岩共生的硬石膏常呈层状或较大的透镜体状。共生的盐岩厚度较大,常可达几十米甚至上百米,如镇钾1井岩心中连续的盐岩段厚度可达50~60m。白云岩常具水平纹层或变形纹层,无鸟眼、干裂等浅水暴露标志。

除鄂尔多斯盆地外,四川和塔里木盆地相关层系中准同生白云岩的发育也受控于干热的古气候背景,与蒸发台地环境密切相关。不同之处在于,后两者更多见萨布哈白云岩,且蒸发岩类型以硬石膏为主。

2 埋藏期自源/异源白云石化机制与模式

埋藏期白云石化作用发生在地下埋藏环境中,其概念立足于区别地表-近地表环境中发生的白云石化作用。相对于当前研究和勘探程度较高的准同生白云岩而言,埋藏成因白云岩的云化机制更复杂,模式更多样,争议也更大,其核心源于对埋藏云化流体性质和流动机制的认识不同。埋藏期的白云石化作用不发生在干热蒸发的高盐度沉积环境中,且很多埋藏成因白云岩发育的层段也没有蒸发岩或蒸发矿物,因此其形成过程难以直接用沉积时的超盐度富Mg2+海水交代机制解释。虽然混合水、泥岩压释水等曾一度在相当长的时期内成为解释这类白云岩云化流体性质的主流观点,但随后都不同程度地遭到质疑。

中国海相含油气白云岩中有相当一部分形成于埋藏环境,如四川盆地二叠系—三叠系长兴组—飞仙关组礁滩白云岩、鄂尔多斯盆地下奥陶统马家沟组马四段颗粒滩白云岩、塔里木盆地上寒武统—下奥陶统颗粒滩白云岩等。埋藏成因白云岩在油气勘探中的潜力日益凸显,如四川盆地罗家寨、普光、元坝等大型气田的主力产层均为礁滩相埋藏成因白云岩。近年来,随着塔里木、四川及鄂尔多斯盆地埋藏成因白云岩研究的不断深入,对其主要形成机制也有了新的认识。此类云化机制既包括自源云化,也包括异源云化。与前述“自源”相对,所谓“异源”,指云化流体来自对于原岩而言的不同沉积体系。

2.1 准同生-浅埋藏期侧向渗透与压实排挤流自源云化

埋藏期白云石化作用一个重要的、也是最早被人们所认识的机制,是压实排挤流云化机制。但其早期的核心思想是盆地泥岩受到压实产生富含Mg2+的流体,进入相邻的多孔碳酸盐岩中,对其进行交代而发生白云石化,主要强调的是Mg2+来源于泥岩中的粘土矿物或有机质,认为由该机制导致的白云石化作用一般发生在泥质灰岩或与泥岩互层的灰岩中。很多学者认为这种压实流体的量十分有限,由其交代形成的白云岩规模非常小,因此压实排挤流云化机制曾一度并不受重视。然而,发生在蒸发台地中的一些压实排挤流云化可能与上述情况不同。

蒸发台地中与低能蒸发沉积环境相邻的高能相带常发育颗粒滩。滩相颗粒灰岩沉积时水体能量较高、盐度正常,其白云石化作用难以直接用高盐度准同生云化机制解释。一直以来,这类白云岩云化流体的性质并不像准同生白云岩的那样明确,与蒸发岩的关系似乎也不甚密切。但新近的研究表明[9-17],蒸发台地中颗粒滩白云岩的云化流体很可能与准同生白云岩的相同或类似,主要为同期或近同期蒸发沉积环境中的卤水。其形成与卤水在准同生期发生侧向渗透,并在浅埋藏期通过侧向压实排挤机制对颗粒灰岩进行交代有关,即准同生至浅埋藏环境属于一个连续而完整的成岩系统,云化作用开始于准同生期,贯穿准同生至浅埋藏阶段(部分还可能在中-深埋藏阶段经历进一步的云化改造)。该过程的云化流体源自与原岩同一或近同一的沉积体系,属于自源云化范畴。由于蒸发台地中的卤水可以为白云石化作用提供充足的富Mg2+流体,因此可以导致较大规模白云岩的发育。此类成因的白云岩分布最广泛,典型实例较多,如四川盆地三叠系、石炭系和鄂尔多斯盆地奥陶系蒸发台地中的颗粒滩白云岩。

四川盆地东北部开江—梁平海槽地区飞仙关组广泛发育的颗粒滩白云岩是该地区目前最重要的天然气储集体。下三叠统飞仙关组沉积期发育典型的萨布哈沉积环境,蒸发作用强烈。飞四段蒸发岩最发育,主要由膏质云岩和膏盐岩构成。飞三段和飞二段颗粒滩沉积较发育,后期发生白云石化,形成大规模的鲕粒云岩和晶粒云岩,大量岩石学和地球化学分析表明,其白云石化作用主要发生在埋藏成岩环境[9-10]。进一步分析发现,台内湖沉积物表现为过度云化,临近湖区域的鲕粒滩的云化强度适中,向远离湖的方向,云化强度逐渐减弱。距离湖由近及远,白云石的δ18OPDB值由重变轻,晶形逐渐变好,晶体也逐渐变大[11]。这些特征暗示,云化流体可能来源于湖环境中的卤水,即越远离湖区,高盐度卤水的供应量越小,导致云化强度变弱、白云石的δ18OPDB值逐渐偏负、晶体的发育也更充分。同时说明,鲕粒的云化在准同生期开始发生,一直持续到埋藏阶段。此外,白云岩的87Sr/86Sr值反映云化流体与飞仙关期的海水有明显的亲缘关系,二者在成因上具有连续性[12]。由此推断,云化流体主要来源于飞仙关组萨布哈环境中的浓缩海源孔隙水[9-10]。由于鲕滩沉积物具有良好的原始孔渗性,因此是成岩流体理想的输导体和聚集场所。飞四段巨厚蒸发岩系中大量富Mg2+卤水在鲕滩沉积物沉积不久侧向渗透其中,随后在浅埋藏阶段发生侧向压实排挤,在这一过程中持续对蒸发台地周缘的鲕滩沉积物进行交代,形成大规模的鲕粒云岩(图 3)。

图 3 准同生-浅埋藏期侧向渗透与压实排挤流自源云化模式(以四川盆地飞仙关组蒸发台地白云岩为例) Fig.3 Penecontemporaneous seepage and burial lateral compact autochthonous dolomitization model A—残余粗鲕白云岩,渡2井,4376.31m, 单偏光,(粉色)铸体薄片;B—含硬石膏微晶白云岩,渡5井,4775.67m, 单偏光,(粉色)铸体薄片

与飞仙关组类似,石炭系黄龙组在沉积早期也属于萨布哈环境,黄一段广泛发育蒸发岩和准同生白云岩。黄二段则发育大量颗粒云岩和晶粒云岩,是滩相沉积物在早—中成岩期发生交代作用的产物,构成黄龙组储层的主要发育层段。其地球化学特征与该区准同生白云岩相似,表明2类白云岩具有同源的、继承性的云化流体。由此推断,云化流体主要来源于地层中的萨布哈卤水[13-14]。富Mg2+卤水在准同生期侧向渗透并在浅埋藏期受到上覆地层压实后,侧向排挤进入黄二段颗粒灰岩中并与之发生交代反应。鉴于相似的沉积背景和沉积类型,推断三叠系雷口坡组和嘉陵江组中的同类白云岩(如雷三段和嘉二段的砂屑云岩)有类似的形成机制,均与准同生期-浅埋藏期卤水的侧向渗透与压实排挤交代有关。

在鄂尔多斯盆地也存在同样的情况。奥陶系马家沟组除发育马五段与蒸发岩共生的准同生白云岩外,还发育由高能沉积环境中的沉积物形成的白云岩,如马四段颗粒云岩和晶粒云岩。马四沉积期发生了较大规模的海侵,此时在鄂尔多斯盆地中央古隆起与伊盟隆起的鞍部发育大量颗粒滩,后期经白云石化作用形成广泛分布的厚层白云岩。白云岩中常见生活于正常盐度海水环境下的古生物化石,如腹足、腕足、棘屑、海绵、角石等。白云岩的地球化学特征也反映白云石化作用主要发生在相对高温、还原的埋藏环境中。与该区准同生白云岩相似的δ13C同位素分布区间及稀土元素配分模式说明,2类白云岩的云化流体具有同源性[15-16]。由于马四颗粒滩紧邻马五膏盐湖的西侧分布,综合判断该套白云岩的云化流体主要来源于其东部膏盐湖中的卤水。马五段蒸发湖中的富Mg2+卤水在准同生期发生侧向渗透,随着上覆沉积物的不断增加,受到压实后不断地侧向排出,对分布于其周边的马四段多孔颗粒灰岩进行交代而发生白云石化[16]

2.2 埋藏期垂向压实排挤流与热对流异源云化

与上述实例不同,还有一类大规模发育的埋藏成因白云岩,其所在层系没有蒸发台地和蒸发岩发育,其形成更难以与蒸发环境建立关联。研究发现[17-20],这类白云岩主要是在中-深埋藏环境中由相邻层系蒸发台地中的卤水发生垂向运动、交代其上覆或下伏灰岩而形成的。该类机制的云化流体源自与原岩不同的沉积体系,为较典型的异源云化。这类作用机制的实例包括四川盆地东北部地区上二叠统长兴组礁白云岩、鄂尔多斯盆地中—上寒武统张夏组—三山子组颗粒云岩、塔里木盆地中—西部地区下寒武统白云岩和上寒武统—下奥陶统结晶云岩、颗粒云岩。

2.2.1 埋藏期垂向压实排挤流异源云化

四川盆地东北部地区上二叠统长兴组主要为开阔台地相,长二段广泛发育生物礁,且普遍发生埋藏白云石化。长兴组与飞仙关组白云岩的地球化学特征具有高度的相似性,表明二者的云化流体具有同源性[17]。此外,长兴组白云岩的分布范围与飞仙关组蒸发台地的范围基本一致,且顶部白云石化作用最强,向下逐渐变弱,暗示云化流体来自上覆地层。由此推断,长兴组埋藏云化流体主要来源于上覆飞仙关组中封存的来自萨布哈沉积环境中的浓缩海源孔隙水[17]。飞仙关组沉积期,萨布哈环境广泛发育形成大量富Mg2+卤水,其中一部分成为飞仙关组蒸发台地中白云岩的准同生云化流体,另一部分则作为埋藏孔隙水,受到上覆地层压实后,向下渗透进入孔渗性良好的长兴组生物礁灰岩地层中,为其埋藏白云石化作用提供了充足的云化流体。

由于流体的垂向压实排挤是这类埋藏白云石化作用的直接诱因,因此,位于蒸发岩下部的盐下白云岩是该机制作用的产物,在鄂尔多斯盆地和塔里木盆地都能找到相关实例。鄂尔多斯盆地寒武纪没有蒸发台地发育。上寒武统三山子组发育台内颗粒滩沉积,普遍见残余颗粒云岩,局部见竹叶状粒屑云岩。白云岩中还常见海百合茎、三叶虫碎片、藻类等。中寒武统张夏组则为典型的鲕粒云岩。原岩沉积物类型和窄盐度生物的存在,充分说明这些白云岩所在层位的原始沉积环境水体能量较高、盐度正常,白云石化作用主要发生在埋藏期。由于其上覆地层是发育巨厚蒸发岩的奥陶系马家沟组,且白云岩的分布范围与马家沟组膏盐湖的范围较一致,由此推断,该套白云岩的成因很可能与马家沟组蒸发台地中的富Mg2+卤水经压实发生垂向渗透,并在埋藏期交代下伏灰岩有关(图 4)。塔里木盆地中—西部地区下寒武统盐下白云岩的形成具有与三山子组相似的机制。中—西部地区在中寒武世为蒸发台地环境,发育面积超过2×105km2的膏岩湖沉积,后期形成巨厚的膏岩层发育段。下寒武统为一套盐下白云岩,有迹象表明其原始沉积环境并不都具备发生准同生白云石化的条件,例如下寒武统肖尔布拉克组也发育颗粒滩和窄盐度生物,而C-O同位素、Sr同位素和微量元素特征均反映白云岩形成于超盐度水体中[18],说明埋藏期封存在地层中的中寒武统蒸发台地中的卤水可能是下寒武统大规模埋藏成因白云岩发育的主因。

图 4 埋藏期垂向压实排挤流异源云化模式(以鄂尔多斯盆地马家沟、三山子组白云岩为例) Fig.4 Burial vertical compact allochthonous dolomitization model A—下奥陶统马家沟组含泥膏质泥晶云岩,龙探1井,3214.94m, 单偏光,普通薄片;B—上寒武统三山子组残余砂屑细晶云岩,龙探1井,3387.3m, 单偏光,(蓝色)铸体薄片
2.2.2 埋藏期垂向热对流异源云化

埋藏期的云化流体除来自侧向和上覆地层外,在特定条件下,还可能由下伏地层提供。目前认为,塔里木盆地中—西部台地相区上寒武统—下奥陶统的白云石化作用是该机制的一个实例。

前已述及,塔里木盆地中—西部地区在中寒武世为膏岩湖发育的蒸发台地环境。从晚寒武世起,海平面逐渐上升,蒸发台地消失,开始出现颗粒滩沉积。上寒武统—下奥陶统经埋藏白云石化作用广泛发育结晶云岩和颗粒云岩。白云岩的产状与地球化学特征均不支持云化流体来自粘土矿物的可能性,白云岩地球化学特征显示,云化流体主要由海源流体构成,且与寒武纪海水存在较明确的亲缘关系[18-20]

早二叠世末,受北侧古天山褶皱带形成与南缘古特提斯洋俯冲活动的影响,塔里木盆地发生伸展作用,处于大陆裂谷型的构造环境中,导致盆地中部、西部及北部地区出现最强烈的一次大范围岩浆侵入与火山喷发活动,在台地相区构成一个强大的深部热源,成为有效的地层流体驱动力。同时,中寒武统蒸发台地中形成的大量富含Mg2+的卤水是一种理想的云化流体,在准同生期交代中寒武统碳酸钙沉积物后,以埋藏孔隙水的形式残留下来,并在火山热作用的驱动下产生向上运移的趋势。滩相颗粒灰岩良好的原始孔渗性及其受控于高频界面早期溶蚀形成的孔洞、各类断裂、裂缝、不整合面等都为地层中埋藏流体的活动创造了条件,有利于水-岩反应的发生。从白云岩的产状看,上寒武统全部由白云岩构成,下奥陶统蓬莱坝组开始出现灰岩,到鹰山组白云岩逐渐消失,最后过渡为纯灰岩,反映交代作用向上逐渐减弱。综合推断,盆地中—西部地区中寒武统蒸发台地中封存的埋藏卤水受到二叠纪火山作用的热驱动,通过各类孔洞层、裂缝系统等通道向上发生热对流,对其上覆的滩相颗粒灰岩进行交代,导致了蒸发岩系之上的上寒武统—下奥陶统大规模白云石化的发生(图 5)。

图 5 埋藏期垂向热对流异源云化模式(以塔里木盆地中寒武统—下奥陶统白云岩为例) Fig.5 Burial convection allochthonous dolomitization model A—下奥陶统蓬莱坝组砂屑云岩,山1井,4005m, 单偏光,(蓝色)铸体薄片;B—中寒武统含膏云岩,牙哈10井,6210.76m, 单偏光,(粉色)铸体薄片

前人研究也表明,热对流可以发生在相对封闭的系统中。如果碳酸盐岩地层有足够的厚度、地层水有足够高的温度梯度,同时岩石又具有良好的渗透性且受隔水层干扰小,那么就有可能在埋藏环境中形成热对流,当其中含有足够的Mg2+时,便可导致周围地层发生白云石化[2]

3 埋藏期构造热流体垂/侧向异源白云石化机制与模式

含油气盆地作为古代和现今地球表面上重要的地热异常区之一,热流体作用在所难免,甚至广泛分布。中国小克拉通受后期构造活动改造强烈,海相碳酸盐岩具有年代古老、处于叠合盆地下组合、经历的构造运动多、成岩事件复杂等特点,因此热流体作用普遍存在。与热流体交代作用有关的热水(改造)白云岩在三大盆地均有发育。此类白云岩由富Mg2+热流体在温度、压力升高的埋藏环境中沿断层或断裂系统上升,遇到隔档层后侧向侵入到渗透性较好的围岩中,并交代围岩而形成。这一作用过程的云化流体源自与原岩不同的沉积体系,为典型的异源云化。

热流体白云石化作用与埋藏白云石化作用最关键的区别是前者的云化流体温度高于周围环境至少5℃[21],而后者的云化流体温度与周围环境相当。其与上述热对流云化机制的不同之处在于,构造活动和由此产生的构造断裂是前者发生的先决条件和云化流体流动的主要通道,云化过程多为具脉冲性质的幕式活动,流体与围岩存在明显温差。对于后者而言,由构造活动产生的构造断裂并非必要条件,云化流体可以通过很多方式实现流动运移,且云化过程相对缓慢和渐进,流体温度与围岩温度相当。热流体白云石化作用的围岩既可以是灰岩,也可以是先期已经形成的白云岩。前者是真正意义上的热水白云岩,后者更确切地讲应称为热水改造白云岩。由于构造断裂是这类白云岩发育的基础和主控因素,因此热水(改造)白云岩沿断裂带呈墙状产出,或在横向上受渗透层形态和展布的控制,形成层状、似层状、透镜状或脉状体,导致其分布具有较大的局限性,规模发育者并不多见。

塔里木盆地的构造-热流体活动比较活跃,热水(改造)白云石化作用在下古生界碳酸盐岩中较常见。热水改造白云岩在塔东地区最典型,目前主要见于米兰-英东-罗西构造带上寒武统突尔沙克塔格组。该组白云岩主要为一套粉-细晶云岩,夹中-粗晶云岩和藻纹层云岩,主体为准同生云化和埋藏云化作用的产物[22]。寒武纪—中奥陶世,塔东地区发育了兴地、孔雀河等大量一级同沉积深断裂。受其影响,区内形成了大量二级、三级断裂。随后,沿着这些断裂发生了强烈的热水喷流活动,为该区上寒武统的热流体云化作用提供了热动力学条件。这些断裂为深部热流体向浅层的运移提供了通道,富Mg2+热流体在运移过程中与围岩发生水-岩反应,叠加在先期已形成的准同生白云岩和埋藏成因白云岩之上,最终形成热水改造白云岩,主要表现为中粗晶云岩(图 6)。白云石在正交偏光下普遍具波状消光特征,其分布明显受断裂控制,主要位于台地边缘与车尔臣断裂附近。

图 6 埋藏期构造热流体垂/侧向异源云化模式(以塔里木盆地塔东地区上寒武统热水白云岩为例) Fig.6 Structurally controlled hydrothermal vertical/lateral allochthonous dolomitization model (右下照片为灰白色中晶云岩,米兰1井,9-8/19块,突尔沙克塔格组,岩心照片)

除断层、断裂及裂缝是热流体最主要的纵向运移通道外,不同级次的层序界面(如不整合面)、孔洞层等可以成为热流体的侧向输导体系,导致白云石化作用常沿这些界面和岩层发生。受影响的岩层原始孔渗性较好,如礁滩相沉积物。塔里木盆地柯坪野外露头就可见典型的滩相热水(改造)白云岩沿地层走向呈条带状或断续的团块状产出。由于滩相沉积物上粗下细的反旋回结构,白云岩的发育也呈现出相应的晶体上粗下细的特征。在华南泥盆系—石炭系野外露头上,与断裂活动有关的热水白云岩同样沿地层走向呈巨大的脉体展布,影响的地层厚度可达几十米至上百米。这类层状白云岩的中心部位为中-粗晶结构,原岩组构已不可辨。向上、下地层,云化程度逐渐减弱,白云石晶体变小,原岩组构逐渐恢复,直至变为未云化的灰岩地层。

除塔里木盆地外,四川盆地古生界和中生界白云岩、鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组白云岩也都存在被热流体叠加改造的情况。这些白云岩的发育模式相似,只是在云化流体的性质上可能有所差异。如热流体在塔里木盆地塔东地区上寒武统主要为深埋藏混合热水,可能的组成包括岩浆活动后期释放的深部热水、区域循环热(盐)水,以及孔隙-孔洞、断裂带-裂缝中封存的埋藏海水等。在鄂尔多斯盆地马家沟组主要为构造运动加热的深部循环水[23],在四川盆地栖霞组—茅口组主要为地幔深部的岩浆热液[24]

4 与生物作用有关的自源/异源白云石化机制与模式

随着近年来微生物碳酸盐岩研究的兴起,有机物在白云石形成过程中的作用逐渐引起关注,生物成因白云石(岩)成为热点议题,主要强调微生物活动能够克服白云石形成的动力学障碍,可以直接导致白云石沉淀。其核心观点是微生物参与的硫酸盐还原反应、甲烷生成和厌氧氧化反应,以及有氧呼吸作用过程中在细菌细胞壁外形成的胞外聚合物(EPS)可以吸附溶液中的金属阳离子,使大量HCO3-和Mg2+、Ca2+聚集在细胞周围,从而形成有利于白云石沉淀的微环境[25]。四川盆地震旦系灯影组白云岩中就存在这类微生物成因的原生白云石。通过扫描电镜与能谱的观察,灯影组微晶白云岩中发现了与细菌有关的富有机碳白云石和富硫白云石,以及后期硅化的产物,而且白云石中残存了细菌的铸型[26]

除上述微生物作用导致白云石直接沉淀形成原生白云石外,与生物作用有关的白云石(岩)的形成还表现为生物体本身为白云石化作用提供Mg2+,以及生物活动在岩石内部为白云石化作用提供流体通道,由此导致次生交代白云石(岩)的形成。

中国“九五”攻关研究发现,沉积有机质在埋藏环境中遭受降解时,尤其是在低熟-成熟阶段,会导致长链有机物发生断裂并释放出Mg2+,从而形成富Mg2+流体,与周围的灰质沉积物发生交代反应而使其白云石化。镁是微生物、藻类和高等植物(叶绿素)生命体中的核心原子,其在藻类生命活动过程中的重要作用不言而喻。地史时期,种类繁多的藻类生物普遍存在,一般生活在温暖清澈的浅水区或深水区的表层水中,特别是在浅水碳酸盐岩沉积区尤为繁盛。这些藻类被海底沉积物埋藏后,可以向原生孔隙封存的残留海水中缓慢释放Mg2+,导致原生孔隙中的残留海水咸化富Mg2+,从而在封闭体系中交代其周围的方解石而发生白云石化(图 7)。由于Mg2+来自沉积物中的藻类,因此属于自源云化过程。

对塔里木盆地塔中地区奥陶系的宏观藻进行显微镜观察发现,宏观藻叶片上分布很多白云石晶体(图 7-A)。对四川盆地小水剖面石牛栏组云质藻纹层灰岩的观察发现,白云石密集分布在富藻层,而在富屑层则明显减少(图 7-B)。这种现象在鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组也常见,一些富含藻类的灰泥丘相灰岩中白云石的发育明显受控于藻类的分布。这些均说明白云石的成因与宏观藻释放出的Mg2+密切相关。因此,富含藻类的灰岩的白云石化作用在一定程度上与该机制有关,包括藻粘结灰岩、藻纹层灰岩、叠层石灰岩、富藻的微晶凝块灰岩、凝块石灰岩等岩石类型的白云石化。

图 7 与藻类有关的自源云化模式(以塔里木盆地、四川盆地与藻类共生的白云石为例) Fig.7 Algae related autochthonous dolomitization model A—塔里木盆地塔中地区上奥陶统宏观藻,叶片上白云石零星分布;B—四川盆地小水剖面石牛栏组一段藻纹层云岩

在塔里木、四川和鄂尔多斯盆地,与生物作用有关的白云石化除表现为微生物和宏观藻为云化作用提供Mg2+外,由生物活动导致的生物扰动促进白云石化作用的现象也非常普遍。在寒武系—奥陶系,具体腔蠕形动物(多为多毛纲)的造粒与成孔作用表现得尤为突出且典型。无论是颗粒岩、泥粒岩,还是粒泥岩,都可能发育强烈的生物扰动构造。有些环节动物每年能翻动大量泥土或碳酸盐灰泥,如现代浅海沙质底质常见埋栖多毛纲Arenic-ola(沙躅)建造的潜穴[27]。这种掘穴活动自石炭纪以来就有化石记录,推测在元古宙已开始出现,可在沉积物内形成大量的生物潜穴孔。管栖多毛纲还可溶解周围环境中的碳酸钙,并将其转化为自身的钙质栖管[28],虫体腐烂后在沉积物内部形成生物体腔孔。此外,生物活动过程中常形成大量粪球粒,从而发育球粒团粒粒间孔。

前已述及,除Mg2+的来源外,云化流体的流动机制是白云石化作用的另一个核心问题。在生物扰动岩石中,受到扰动的部位由于孔渗性得到改善,为成岩流体的活动提供了空间和通道,能够促进水-岩反应的发生,因此在富Mg2+流体存在的前提下,比未受到扰动的部位更易于发生白云石化。这种不均匀的白云石化作用使岩石呈明显的花斑状、云雾状,常构成豹斑灰岩。这类白云石化作用一般发生在埋藏期。云化作用初期,受搅动的斑块优先被云化,如果云化进一步加强,则表现为斑块内部的白云石晶体较周围未受扰动区域的粗(图 8)。在鄂尔多斯盆地马家沟组、三山子组、川西北中二叠统栖霞组等,无论是野外露头还是钻井岩心,这种由生物扰动造成的不均匀云化现象十分普遍和强烈,不容忽视。由此可见,生物扰动可以在很大程度上促进埋藏期白云石化作用的发生。根据云化流体来源和性质的不同,与该机制有关的白云石化既可能是自源云化,又可能是异源云化。

图 8 生物扰动促进埋藏期云化作用模式(以鄂尔多斯盆地生物扰动云岩为例) Fig.8 Model of bioturbation effect in burial dolomitization A—豹斑状云质灰岩,生物扰动处密集发育白云石晶体,未受扰动处为泥晶灰岩,定探2井,4154.05~4163.73m, 马家沟组,普通薄片照片;B—生物扰动云岩,生物扰动处白云石晶体明显大于未受扰动处的白云石晶体,苏345井,3983.08m, 马家沟组,(红色)铸体薄片照片(图B据长庆油田研究院)
5 结论

(1)塔里木、四川及鄂尔多斯盆地海相白云岩主要通过白云石化作用形成于准同生成岩阶段和埋藏成岩阶段。

(2)大规模发育的准同生白云岩和埋藏成因白云岩的云化流体具有同源性和继承性,主要源于海水,由蒸发台地环境中的富Mg2+卤水构成。卤水在准同生期通过蒸发泵和卤水下渗对沉积不久的碳酸钙沉积物进行交代,分别形成萨布哈环境和湖环境中的准同生白云岩。在准同生-浅埋藏期至中、深埋藏期,孔隙水通过侧向渗透、侧向与垂向压实排挤和垂向热对流机制交代粗结构的碳酸钙沉积物或已固结成岩的灰岩,分别形成蒸发岩系周边、下伏和上覆埋藏成因白云岩。其中前者主要为自源云化,后两者为异源云化。

(3)热流体对白云岩发育的影响主要表现为对先期形成的各类白云岩的叠加改造,形成热水改造白云岩。其发育与分布主要受控于构造断裂,一般局限在断裂、沉积界面、孔洞层等流体输导体系附近。热流体性质多样,包括深埋藏混合热水、深部循环水、地幔深部的岩浆热液等。作用过程为典型的异源云化。

(4)微生物作用除可以导致白云石直接沉淀而形成原生白云石外,生物的存在与活动还有利于次生交代白云石(岩)的形成。生物体可能为白云石化作用提供Mg2+。富含藻类的灰岩中部分白云石的形成与微生物和宏观藻在埋藏期释放出的Mg2+密切相关,该过程为自源云化。生物扰动可以提高岩石局部的孔渗性,从而显著促进埋藏期白云石化作用的发生。该过程属于自源或异源云化取决于云化流体的性质。

致谢: 研究和成文过程中,得到中国石油勘探开发研究院石油地质实验研究中心碳酸盐岩与海相研究室的大力支持,在此深表感谢。

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