白云岩形成原因浅析

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本文作者：彭军1唐丹1张桂瑞2李斌1曹脊翔1作者单位：1西南石油大学资源与环境学院2中国石油安全环保技术研究院

岩石学特征

通过大量的薄片观察和分析，发现川东北地区飞仙关组的白云石主要以两种形态存在：泥—微晶白云石和细—中晶白云石。泥—微晶白云石晶粒晶体较细，均在微晶以下，主要以泥晶及微晶为主，组成的岩石有致密的泥—微晶白云岩、藻纹层白云岩、藻团粒白云岩等，典型岩石结构为他形粒状泥—微晶结构、藻纹层和藻团粒结构，在这些白云岩中常见条带状、干裂、钙结核等潮间—潮上带标志。此类白云岩主要分布于有强烈蒸发作用的瀉湖、潮坪等沉积环境，一般用准同生（蒸发泵）白云石化模式解释其成因[58]。在气候干热，蒸发作用强烈的地区，随着蒸发作用的进行，地表松散沉积物中的粒间水盐度变大，其镁钙比率增高，这样的粒间水不可避免地要与早期沉积的文石、方解石等接触交代，形成泥—微晶白云岩。细—中晶白云石晶粒晶体一般呈半自形—自形，大小不等，以细—中晶为主，少数可达粗晶级别。大部分晶粒具有雾心亮边结构和重结晶现象。以细—中晶白云石组成为主的岩石类型主要有鲕粒白云岩、晶粒白云岩及有强烈构造作用的碎裂化重结晶白云岩等，这种类型的白云岩是埋藏白云石化作用的产物，其特征有别于蒸发条件下形成的泥—微晶白云岩。而这几类岩石也成为川东北地区飞仙关组优质储层的主要岩石类型。

有序度特征

白云岩的有序度是针对白云石晶胞的一个概念，指白云石晶体中各种离子的排列有序程度。有序度高低反映了白云石结晶时的速率，可以间接指示成岩环境。有序度低反映了白云石结晶速率快，如准同生白云石化作用形成的白云石。地表干热、蒸发环境使白云石快速结晶而处于一种欠稳定状态，该环境中形成的白云石MgCO3/CaCO3摩尔分数比值较低，有序度很低。有序度高反映其形成于缓慢结晶的成岩环境，一般来说，这样的成岩环境与大气淡水和稀释的地下水有关，如大气淡水成岩环境、混合水成岩环境和埋藏成岩环境，在这些环境中形成的白云石，MgCO3/CaCO3摩尔分数比值较高，接近于化学计量级水平。从表1[8]的分析中可以得出这样的结论：随着晶粒的增大，白云岩有序度也增大，从准同生泥—微晶白云岩的0.570增大到埋藏中—粗晶白云岩的0.728。白云岩的MgCO3/CaCO3摩尔分数比值也随着埋藏成岩作用的进行而增大。与晚成岩阶段构造作用有关的重结晶白云岩有序度最大，MgCO3/CaCO3摩尔分数比值也最接近化学计量白云石的标准。

阴极发光特征

碳酸盐矿物的阴极发光特征与其成分有关，尤其和铁、锰等微量元素关系密切，铁是碳酸盐矿物阴极发光的猝灭剂，锰是活化剂。不少学者研究了阴极发光特征与铁和锰元素含量的定量关系，但没有形成统一的认识。不过可以肯定的是碳酸盐矿物在铁含量高于猝灭下限或锰含量低于激活下限时，不具有阴极发光性；而铁/锰比值越高、越不利于碳酸盐矿物阴极发光；但是铁/锰比值小于1的碳酸盐矿物一定具有阴极发光性；铁或锰二者之一含量很少时不利于碳酸盐矿物的阴极发光，即虽然分别作为猝灭剂和激活剂，但二者缺一不可[9]。根据碳酸盐矿物微量元素含量对其阴极发光的影响反推微量元素富集情况，分析其与沉积环境的相关关系。研究区泥—微晶白云石阴极射线下从基本不发光到发弱光，这样的发光特征反映了其形成于地表蒸发环境，该环境中锶、钠元素含量高，铁、锰元素含量很低。细—中晶白云石在阴极射线下发暗红色—亮红色光，铁含量低而锰含量高。这样的白云石形成于埋藏环境，因为原始沉积的海相生物和海相碳酸盐矿物都因贫铁、锰而不具阴极发光，只有在经历了成岩蚀变，铁、锰元素进入后，才会导致碳酸盐矿物具有阴极发光。铁的低含量可能与该区地层水中H2S含量高导致FeS沉淀有关。

同位素特征

碳酸盐沉积物的碳、氧同位素组成视成岩作用类型和发育程度而异。不同的成岩环境下，碳酸盐中的碳、氧同位素组成明显不同，据此能将大气淡水、混合水、海水和埋藏成岩环境有效地区分开来。大气淡水成岩环境：该环境位于地下水面以上，孔隙被水和空气充填，水体作垂向渗流运动。由于成岩组构的δ18O、δ13C取决于介质的温度和同位素组成，而大气淡水又贫18O、富12C，因此大气淡水成岩环境的δ18O、δ13C均有向高负值滑移的趋势。正常海水成岩环境：对应于正常海洋沉积环境，粒间多为海水占据，δ13C、δ18O值都较大气淡水环境值要大。混合水成岩环境为大气淡水和正常海水的混合，其δ13C、δ18O值介于正常海水成岩环境值和大气淡水成岩环境值之间。埋藏成岩环境：该环境位于地下一定深度，δ13C值主要取决于13C来源，若为淡水来源则值偏小，而海水来源则值偏大；δ18O受温度和压力的影响较大，一般是随着埋深加大而减小[10]。白云岩的碳氧同位素组成取决于白云石化时介质的碳氧同位素组成，并受介质温度和盐度的控制。介质咸化时，因16O、12C随着蒸发作用的逸失而使白云岩的δ18O、δ13C值增高。在有大气淡水参与成岩作用时，各类沉积物的δ13C应表现为明显负值，而从表2[11]中数据δ18CPDB均为正值可排除混合水白云岩化模式。泥晶白云岩δ13C分布在1.0‰～2.4‰，平均值为1.8‰，δ18O分布在–4.4‰～–3.7‰，平均值为–3.7‰，这与三叠系海相碳酸盐原始氧碳同位素值较为接近，表明它们的白云石化流体为准同生期海水，也恰与海水成岩环境δ13C为接近于零的正值、δ18O为低负值这一特征相符。埋藏成岩环境氧碳同位素值分布范围较大，其δ13C值可以从低负值到较高正值范围内变化，δ18O在浅埋藏成岩环境为低负值，深埋藏成岩环境为高负值，且埋深越大，数值越小，表中数据也恰与此特征一致。碳酸盐岩的成岩埋藏过程中，从文石向方解石转化、继而向白云石的转化是一个Sr的总体含量随着介质盐度的降低而降低的过程[12]。Sr稳定同位素有84Sr、86Sr、87Sr和88Sr，其中87Sr是放射的，和古老地壳中的铷元素有关，86Sr是非放射性的，一般用87Sr/86Sr比值来表示Sr同位素组成[13]。87Sr/86Sr比值在古老硅铝岩石中最高，在年轻玄武岩中最低，并在沉积过程中，不受相分离、化学状态、蒸发作用或同化作用这些过程的分馏影响，比值变化是由于不同来源Sr的混合造成的。在白云岩的成岩过程中87Sr/86Sr比值随着埋深的加大而不断增大。这是因为87Sr半径小于86Sr，白云岩在埋藏过程中的金属元素与同位素组成再分配是符合大半径离子含量逐渐减少、小半径离子含量逐渐升高这一规律的[14]，由于86Sr半径较大，埋藏压实过程中优先被取代，导致Sr同位素比值变高。从表3[8]中可以看出准同生泥—微晶白云岩的Sr含量很高，符合三叠纪早期全球处于以沉积文石为主的富Sr海相状态，其平均含量0.0200%，接近超盐度海水沉淀白云石的0.0250%[7]。该时期正常海相灰岩的Sr含量为0.0470%，可见准同生白云石化作用发生在一开放的成岩环境中，Sr总量逐渐减少，而从早成岩阶段的微—粉晶白云岩到中成岩阶段的细—中晶白云岩、中—粗晶白云岩Sr平均含量由0.0130%逐渐升至0.0195%，由此推测其成岩流体处于一个封闭环境，否则开放体系下中成岩阶段的细—中晶白云岩的Sr含量应低于早成岩阶段的微—粉晶白云岩，因Sr总含量应随着地层孔隙水盐度降低（被外来地层水或深部流体稀释）而逐渐降低，但在研究区不降反升，可见地层中流体并未与外部沟通，故认为该埋藏成岩环境为一封闭环境。按照这种机理，封闭体系中，Sr在晶体中被其他元素取代而进入孔隙水，在孔隙水中逐渐富集，再由富Sr孔隙水交代或沉淀的矿物就具有很高的Sr含量。本次研究中的中、晚成岩阶段充填溶孔的热液方解石就具有Sr含量异常高这一特点，流体若在开放条件下进行了交换是不会有如此高Sr含量的方解石沉淀，这也进一步证明了埋藏成岩作用发生在封闭体系中。因此，该区白云石化模式可再次排除开放条件下的混合水和回流渗透模式。

成岩流体温度

成岩流体温度可以利用矿物流体包裹体来确定。矿物流体包裹体研究是近20年才兴起的，它是在矿物结晶生长过程中被包裹在矿物晶体缺陷中的流体。解释流体包裹体的基本假设是包裹体发育在封闭体系中，与其形成时的流体具有相同的物理、化学特征。常温常压下见到的流体包裹体往往是气、液两相流体。在冷热台上升温加热，显微镜下可见到两相流体转化为单相流体，这时记录的温度为均一温度。一般认为均一温度代表包裹体形成温度的下限[15]。川东北地区飞仙关组细—中晶白云石包裹体均一温度在70～148℃，主要分布在90～130℃。假设地表平均温度为10～13℃，古地温梯度为3℃/100m，则白云石形成的最浅深度为2000m左右，大部分形成于2700m深度以下。显然这样的成岩深度不是回流渗透模式或混合水模式可以达到的，因此，再次证明该区细—中晶白云石为埋藏白云石化作用形成。

古盐度分析

Epstein和Mayeda于1959年建立了用碳、氧同位素值来计算古盐度的原理，并认为其值随着盐度的增加而增加。Keith和Weber（1964）推导出如下公式来计算古盐度，即z=2.048（δ13C+50）+0.498（δ18O+50）式中，δ13C—碳同位素值；δ18O—氧同位素值。z值在120以上的碳酸盐岩为海水成因，z值在120以下的碳酸盐岩为淡水成因，而值在120附近的碳酸盐岩其成因可能为大气淡水和正常海水的混合成因[16]。通过对研究区白云岩碳氧同位素值进行分析计算，得出该区古盐度z值分布在124.312～132.830，主要分布在127.467～130.700。由此说明该区白云岩的成因均与海水有关，没有淡水参与的痕迹。

结论

（1）川东北地区飞仙关组白云岩主要由泥—微晶白云石、细—中晶白云石组成。其中泥—微晶白云石为准同生白云石化作用形成，属于潮坪等强烈蒸发环境的产物，反映了当时炎热干旱的气候条件；细—中晶白云石为埋藏白云石化作用形成。（2）准同生白云石化作用生成的白云岩的各项特征接近于当时的海相灰岩，而主要由埋藏白云石化作用生成的白云岩由于发生了成岩蚀变，其特征与准同生白云岩存在差异，但是白云石化流体与准同生期孔隙水具有相似性与同源性，均具备早三叠世全球处于以沉积文石为主的富Sr特征。（3）通过成岩流体温度、古盐度、微量元素及同位素分析等，认为该区白云岩形成的过程中未见淡水参与成岩作用的痕迹，不存在以往认为的混合水白云石化作用和回流渗透白云石化作用，该区只有准同生白云石化作用和封闭体系中的埋藏白云石化作用。