Genesis of dolomite reservoirs in the Middle Permian Maokou Formation of the Moxi-Longnvsi structure, central Sichuan Basin

  • Ting XU , 1 ,
  • Haifeng YUAN , 1 ,
  • Cong CHEN 2 ,
  • Xihua ZHANG 2 ,
  • Shujiao SHAN 2 ,
  • Mingzhi KUANG 1 ,
  • Chen CHEN 1 ,
  • Zixu YE 1 ,
  • Tianjun LI 2 ,
  • Cong YANG 3
Expand
  • 1. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China
  • 2. Research Institute of Exploration and Development,PetroChina Southwest Oil and Gas Field Company,Chengdu 610000,China
  • 3. Sichuan Baoshihua Xinsheng Oil & Gas Operation Service Company Ltd. ,PetroChina Southwest Oil and Gasfield Company,Chengdu 610056,China

Received date: 2023-04-23

  Revised date: 2023-08-21

  Online published: 2024-01-10

Supported by

The National Natural Science Foundation of China(41572133)

Abstract

Early oil and gas exploration in the Permian Maokou Formation in the Sichuan Basin mainly focused on karst fracture-cavity reservoirs in the Shunan region. In recent years, a number of drilled dolomite reservoirs in the Maokou Formation in the central Sichuan Basin have obtained high-yield industrial gas flow, demonstrating the great exploration potential. In this paper, we take the Moxi-Longnvsi area in central Sichuan Basin as the research object. Through the analysis of drilling and logging data, the genesis of dolomite reservoirs were discussed by means of core observation, thin section identification, cathodoluminescence, in-situ micro-elemental and chronology analysis and carbon and oxygen isotopes and other methods. Two main types of dolomite are present in the P2 m 2 section: the first type is matrix dolomite, mainly composed of gray fine-medium crystal dolomite and fine-medium crystal dolomite, with dark red light under the cathode ray, low Fe content, and similar rare-earth partitioning model to micrite. δ13C, δ18O isotopic values and 87Sr/86Sr values are within the Permian seawater range values, and the U-Pb age of the matrix dolomite is 263±15 Ma, indicating that the dolomitization time is symbiotic- perisogamy-early shallow burial period, and the dolomitization fluid is mainly the same period seawater in a more restricted environment during the P2 m 2 sedimentary period, which laid the foundation of the reservoir development in the P2 m 2 section. The second type is filled dolomite, mainly composed of medium crystal dolomite and saddle dolomite, with red light under the cathode ray, lower content than matrix dolomite, higher Mn content, lower Sr element content, high 87Sr/86Sr value and rare-positive Eu anomaly feature in earth partitioning model, indicating that the dolomitization fluid is mainly hydrothermal fluid in this period and the dolomitization time is buried period. The study concluded that the development of dolomite is mainly controlled by the P2 m 2 sedimentary facies zone, the dolomitization time is early, and the development of scale porosity is earlier than the oil and gas filling, and the achieved results can be used for reference to search for scale quality reservoirs and exploration deployment in the Maokou Formation.

Cite this article

Ting XU , Haifeng YUAN , Cong CHEN , Xihua ZHANG , Shujiao SHAN , Mingzhi KUANG , Chen CHEN , Zixu YE , Tianjun LI , Cong YANG . Genesis of dolomite reservoirs in the Middle Permian Maokou Formation of the Moxi-Longnvsi structure, central Sichuan Basin[J]. Natural Gas Geoscience, 2024 , 35(1) : 13 -29 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2023.08.014

0 引言

二叠系茅口组是四川盆地内油气勘探开发的重要层系,具有较长的勘探历史。20世纪50年代开始,四川盆地二叠系勘探主要集中在蜀南地区,主要为“东吴运动”造成的表生期岩溶及其相关储层,发现了荷包场、自流井等气田,但气藏规模较小、非均质性强1-2。此后,在对整个四川盆地中二叠统茅口组的预探过程中,在川西北矿山梁构造发现厚层白云岩储层,在九龙山构造获得工业性气流,并逐渐意识到其在油气勘探方面的潜力。这些发现和认识的逐步积累,为后续的白云岩储层研究提供了基础3-7
近年来随着勘探程度的逐渐深入,川中地区二叠系茅口组在角探1井、磨溪145井、磨溪39井、磨溪53井、南充1井及南充7井等陆续勘探发现了白云岩储层,并获得高产工业气流,说明四川盆地二叠系茅口组白云岩具备良好的天然气勘探开发潜力8,关于该区二叠系茅口组白云岩储层成因机制、控制因素及分布规律的研究报道则相对较少,前人针对二叠系白云岩储层的研究报道多为栖霞组白云岩储层和川东地区白云岩储层,川中磨溪龙女寺—川北地区白云岩储层的研究相对较少。
由于白云岩储层的形成受多种因素影响,不同因素和成岩作用过程的差异造成了白云岩储层的多样性9。所以对于茅口组白云岩的成因,主要观点认为茅口组白云岩可能存在多种云化机制。早期学者们对中二叠统白云岩成因有以下几种认识:宋文海10、张荫本11、石新等12、LUCIA等13认为暴露在海平面的生屑滩受同生—准同生期大气淡水和混合水的成岩改造发生混合水白云石化作用;廖小漫等14、何幼斌等15认为埋藏深度的增加使温度升高加上深部热液的对流容易导致白云石化的发生;金振奎等16认为玄武岩高山形成的高差使淋滤玄武岩的大气降水携带Mg2+向下渗流,使下伏石灰岩发生白云石化;韩月卿等17认为海平面变化使地貌高地频繁暴露,引起海水咸化,这种海水在重力和盐度的驱使下向物性较好的滩相沉积物运移发生回流渗透白云石化。目前关于四川盆地川中地区茅口组白云石化成因的认识主要有2种:汪华等18、李毅等19认为在一定拉张背景下断裂附近的石灰岩受热异常影响发生热水白云石化;李双建等20、黎霆等21、蒋裕强等22、陈轩等23认为在峨眉地裂运动期间,深部热液流体沿断裂上涌发生构造热液白云石化。这2种观点缺乏足够的岩相学和地球化学证据,导致对川中地区茅口组白云岩储层特征及形成机理认识较为有限,在一定程度上制约了茅口组的油气勘探部署。
本文以川中磨溪—龙女寺构造二叠系茅口组为研究对象,结合四川盆地沉积背景分析,梳理和分析了川中地区茅口组沉积相的平面展布和演化规律,归纳了白云岩储层的分布特征。结合研究区茅口组钻录井、野外剖面资料,在岩心、岩屑薄片鉴定的基础上分析岩石学特征和储集空间特征。利用阴极发光分析和地球化学等方法,对川中白云岩储层的云化机制进行了探讨,分析其发育主控因素并建立相应的白云石化模式,以期为川中地区二叠系茅口组滩相白云岩储层勘探提供借鉴。

1 地质背景

四川盆地处于扬子板块西缘,经历了多期次的构造运动,是典型的多旋回性克拉通盆地。加里东旋回晚期挤压隆升—海西中晚期裂陷运动对四川盆地中二叠统油气成藏具有重要的控制作用24-25。海西旋回主要包括泥盆纪—二叠纪,盆地总体以海侵和扩张为主。中二叠世栖霞期沉积整体受加里东期古地貌影响,自盆地东西两侧向川中地区海侵。茅口期继承了栖霞期的沉积格局,茅口初期沉积地貌相对稳定;茅口中晚期为克拉通内的裂陷盆地演化阶段,岩浆上拱,川中至川北地区开始出现台内裂陷,裂陷周缘发育台地边缘至台地相。茅口末期,地幔柱隆升,火山活动,沉积演化暂时停滞,中上扬子区整体隆升至海平面以上,地层出露水面造成区域侵蚀,形成中上二叠统之间的平行不整合面26。在加里东和海西构造运动的控制下,中二叠统自下而上发育了栖霞组、茅口组及峨眉山玄武岩组3个重要勘探目的层。
研究区属于四川盆地中部,龙女寺—武胜—广安—南充一带。川中地区中二叠统茅口组的区域构造位置隶属“川中低缓构造带”,与“川东高陡构造带”相邻,分布于华蓥山断裂的西侧27,紧邻乐山—龙女寺古隆起[图1(a)],主要研究层位为中二叠统茅口组。
图1 磨溪—龙女寺—广安地区茅口组白云岩厚度(a)及茅口组地层柱状图(b)

Fig.1 Thickness map (a) and stratigraphic column (b) of the Maokou Formation dolomite in the Moxi-Longnvsi- Guang’an areas

茅口组(P2 m)与下伏栖霞组(P2 q)呈整合接触,受东吴运动构造运动影响,与上覆龙潭组煤系地层不整合接触,茅口组遭受剥蚀,造成地层残余厚度变化较大。尤其是茅四段,在研究区已基本剥蚀殆尽,目前仅残留茅三段及以下地层。研究区内茅口组厚约185~254 m,依据薄片照片、岩心资料、测井及地震等资料,自下而上可分为茅一段、茅二段和茅三段[图1(b)]。
研究认为四川盆地中二叠统为一套海侵背景下的碳酸盐岩沉积28。茅口早期开始大规模海侵,是二叠纪最大海侵期29,茅一段主要为外缓坡沉积背景,研究区内岩性多为泥晶灰岩及泥质泥晶灰岩30。茅二期开始海退直到茅三晚期,此次海退是茅口期的最大海退期31,沉积水体的能量逐渐加强。茅二下亚段为中缓坡颗粒滩相,在川中磨溪—龙女寺构造发育颗粒灰岩、残余颗粒白云岩和细—中晶白云岩。茅二上亚段整体为台洼相间的沉积格局(图2),滩体主要分布在关基井—八角场、广安—卧龙河,岩性以灰质白云岩、颗粒白云岩、颗粒灰岩为主。茅三期继承了茅二上亚段的沉积格局,南充7井区茅二上晚期发育的台洼区域已被充填,滩体主要分布在川北元坝地区,岩性主要为泥晶生屑灰岩、亮晶砂屑灰岩,主要为台地边缘滩相32
图2 磨溪145井—磨溪149井—磨溪39井—南充7井—广探2井—二崖剖面—成20井地层对比剖面

(a)研究区沉积相剖面图;(b)研究区茅二上亚段沉积相平面图

Fig.2 Stratigraphic comparison profile of Wells Moxi145-Moxi149-Moxi39-Nanchong7-Guangtan2-Er’ya profile-Well Cheng20

2 样品分析与测试

本文茅口组实验样品取自川中地区广探2、广参2、磨溪39、华涞1、磨溪147等井和二崖剖面,灰岩和白云岩2种岩性的岩心、岩屑样品。白云岩样品取自茅二段,磨溪—龙女寺地区的样品取自茅二下亚段,处于缓坡颗粒滩相带,广安地区样品取自茅二上亚段,处于台缘滩(图2),所有样品精选后制成多功能薄片,并使其便于阴极发光、原位微区元素、U-Pb年代学、同位素等分析。薄片观察所用到的偏光显微镜系统为徕卡DM2500P,该实验在成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室完成。选取白云岩发育层段及泥晶灰岩样品薄片,利用西南石油大学实验室仪器CL8200 MK5型阴极发光仪完成岩石薄片的阴极发光分析。
根据薄片观察及阴极发光结果,预先选好实验测试点(图3)对研究区不同类型白云岩及灰岩样品开展主微量元素、稀土元素和87Sr/86Sr同位素测试。在武汉上谱分析科技有限责任公司实验室进行,实验室的室温为26 ℃,湿度为50%,利用193 nm准分子激光剥蚀系统(GeoLas-PRO)和安捷伦7900电感耦合离子质谱仪(ICP-MS)测定,仪器相对标准偏差RSD<4%。
图3 研究区灰岩、白云岩样品测试点位置

(a)泥亮晶生屑灰岩,4号泥晶基质和1-3号方解石胶结物,磨溪39井,4 384 m,茅二上亚段;(b)细—中晶白云岩,2号白云石雾心和1号白云石亮边,磨溪39井,4 421 m,茅二下亚段;(c)残余生屑白云岩,1号残余颗粒白云石和2号细晶白云石和3号鞍形白云石,磨溪39井,4 419 m,茅二下亚段;(d)残余生屑白云岩,4号细—中晶白云石和5号鞍形白云石,磨溪39井,4 419 m,茅二下亚段

Fig.3 Location of test points for limestone and dolomite samples in the study area

碳酸盐矿物U-Pb定年在四川创源微谱科技有限公司利用LA-ICP-MS完成。LA-ICP-MS由Resolution LR 193nm ArF准分子激光剥蚀系统和Thermo iCAP TQ组成,碳酸盐矿物U-Pb定年方法采取分步校正法。激光剥蚀所用斑束直径为120 μm,频率为15 Hz,能量密度约为3 J/cm2

3 岩石学特征

3.1 白云岩特征

通过对磨溪—龙女寺—广安地区广探2井、广参2井、磨溪56井等及华蓥二崖野外剖面岩心、岩屑、实测资料开展薄片观察和阴极发光分析,精细解剖了茅口组岩性特征。研究区茅口组白云岩厚度介于4.0~24.88 m之间[图1(a)],主要发育在磨溪—龙女寺地区茅二下亚段和广安地区茅二上亚段,根据其岩石结构、宏微观特征、空间产状等将茅口组白云岩划分为细—中晶白云岩、灰质细—中晶白云岩和热液白云岩(图4)。
图4 磨溪—龙女寺—广安地区磨溪147井综合柱状图

Fig.4 Comprehensive histogram of Well Moxi 147 in the Moxi-Longnvsi-Guang’an areas

3.1.1 细—中晶白云岩

该岩相是川中地区最为常见的白云岩类型,晶粒主要为细—中晶,由自形—半自形晶、他形晶白云石组成,晶体大小,自形—半自形晶白云石间发育晶间孔和晶间溶孔[图5(b),图5(d)],他形白云石晶粒堆积相对紧密[图5(a)],孔隙欠发育。灰岩中的生屑颗粒及泥晶方解石基质被准同生期自形—半自形细晶白云石交代,镜下常见生屑颗粒结构幻影[图5(e)],见白云石晶体沿裂缝和缝合线发育。细—中晶白云岩主要分布在茅二段,发育在缓坡滩和台缘滩相环境中,如磨溪147井茅二下亚段镜下常见雾心亮边,指示了原岩为亮晶生屑灰岩,沉积水体能量较高。
图5 磨溪—龙女寺—广安地区二叠系茅口组显微特征

(a)细—中晶白云岩,晶间孔发育,磨溪147井,4 738 m,茅二下亚段,单偏光;(b)细—中晶白云岩,白云石雾心亮边,南充1井,5 098 m;茅二下亚段,单偏光;(c)灰质细晶白云岩,发育溶蚀孔洞,染色部分为方解石,南充7井,4 435 m,茅二下亚段,单偏光;(d)细晶白云岩,红色为方解石,蓝色为晶间孔、晶间溶孔,磨溪56井,4 572.76 m,茅二下亚段,单偏光;(e)残余颗粒云岩,可见残余颗粒幻影,广参2井,4 592.7 m,茅二上亚段,单偏光;(f)鞍形中—粗晶白云岩,晶面弯曲,见晶间孔,广参2井,4 595.32 m,茅二上亚段,正交偏光;(g)泥亮晶生屑灰岩,磨溪39井,茅二上亚段,4 384 m,泥晶基质发不发光,方解石胶结物发橘黄光;(h)细—中白云岩,华涞1井,茅二下亚段,4 560 m,晶白云石整体发暗红光;(i)细—中晶白云岩,可见裂缝间中晶白云石和鞍形白云石充填,广探2井,茅二上亚段,4 705.1 m,基岩发暗红光,鞍形白云石发红光

Fig.5 Microscopic characteristics of the Permian Maokou Formation in the Moxi-Longnvsi-Guang’an areas

3.1.2 灰质细—中晶白云岩

该岩相常见于茅二下亚段,如南充7井、华涞1井晶体自形程度高,以半自形—他形晶为主[图5(c)],晶体大小在100~300 μm之间,灰质成分为未被交代的泥晶基质和生物碎屑,表面较污浊。

3.1.3 热液白云岩

该岩相主要分布在茅二上亚段中上部,通常与断裂和裂缝系统相伴生,其形成多与热液活动中作用有关33。基岩为细—中晶白云岩,主要以裂缝中充填中晶白云石和粗晶白云石为主,多呈棱角状或次棱角状,部分晶间或裂缝未被完全充填,形成粗晶白云石晶洞。粗晶白云石晶体表面洁净,晶体大小在400 μm左右,偏光显微镜下观察到晶面发生明显的弯曲变形,正交光下可见波状消光[图5(f)],属于典型的“鞍状白云石”。

3.2 阴极发光特征

针对研究区茅二段重点白云岩样品薄片进行阴极发光测试分析,同时选取部分泥晶灰岩样品薄片和方解石胶结物薄片进行对比。阴极发光测试分析显示,代表海水成岩流体的泥晶灰岩在阴极射线下不发光,方解石胶结物在阴极射线下发橘黄光[图5(g)],灰质细—中晶白云岩和细—中晶白云岩中,细—中晶白云石的阴极发光强度中等主要发暗红光[图5(h),图5(i)],裂缝中充填的鞍形白云石和中晶白云石发光性强于基岩,阴极射线下发红光且具有环边特征[图5(i)]。

3.3 成岩序列

通过对研究区岩石薄片观察,基于前述阴极发光,识别出不同类型白云石与方解石胶结物,鉴别出不同类型白云石和方解石胶结物的形成时间及发育期次,并建立研究区白云岩的成岩序列34-35
第一世代为方解石胶结物,在泥晶灰岩中粒间孔和生屑体腔孔被粒状细晶方解石充填[图6(a)],破坏了孔隙空间,在阴极射线下发橘黄光,表明其形成时间仅晚于泥晶灰岩;第二世代为细—中晶白云石,白云石交代灰岩中的生屑颗粒[图6(b)],发生第一期白云石化,形成灰质细—中晶白云石,随着白云石化程度不断加深,白云石完全交代颗粒形成细—中晶白云石,白云石的阴极发光为暗红色,表明其继承了部分泥晶灰岩特征,成岩流体为同生—准同生期海水,下文将灰质细—中晶白云石和细—中晶白云石简称为基质白云石[图6(c)];第三世代为充填白云石,主要为中晶白云石和鞍形白云石[图6(d)],充填在第一期白云石化后形成的粒间孔和裂缝中,形成时间晚于方解石胶结物和基质白云石,在阴极射线下发红光,其成岩流体受热液影响。
图6 磨溪—龙女寺—广安地区白云岩演化模式

Fig.6 Dolomite evolution model diagram in the Moxi-Longnvsi-Guang’an areas

交代基质的白云石和充填白云石具有不同的阴极发光特征,指示其成岩流体具有不同的性质36-41。在此基础上,针对不同阴极发光特征的白云石,进行原位微区激光实验,分别对其微量元素、稀土元素、87Sr/86Sr同位素和碳氧同位素进行测试分析,并选取部分泥晶灰岩和方解石胶结物作为对照组。具体分析结果见第4部分,并根据测试分析结果进行白云石化流体和白云石化模式的分析。

4 地球化学分析结果

白云石的形成是元素、同位素迁移和重新组合的过程,在不同成岩阶段或不同成岩条件下,其迁移特征会发生不同程度的变化42。弄清白云石的形成时期,可以更好地解释不同成岩阶段白云石的物质来源、演化和形成机制,本文研究采用了原位微区元素及年代学分析和碳氧同位素等方法进行研究。

4.1 微量元素

黄思静43研究认为碳酸盐矿物的阴极发光强度与矿物的Mn元素含量和Fe元素含量相关。经典理论认为海水是低Fe、Mn含量的环境,随着白云石化作用的发生,Mn元素含量逐渐增加,可以利用Fe、Mn元素的含量变化分析白云石化的成岩环境44。泥晶灰岩的Fe含量为(99.43~166.53)×10-6,平均值为131.5×10-6;方解石胶结物的Fe含量为(72.18~110.75)×10-6,平均值为86.9×10-6;基质白云石的Fe含量为(42.6~148)×10-6,平均值为75.77×10-6;充填白云石的Fe含量为(39.3~52.5)×10-6,平均值为49.07×10-6表1)。
表1 磨溪—龙女寺—广安地区茅口组微量元素数据

Table 1 Trace element data sheet of the Maokou Formation in the Moxi-Longnvsi-Guang’an areas

井号 层位 深度/m 岩性 发光特征 Fe/10-6 Mn/10-6 Sr/10-6 (Na+K)/10-6
磨溪39 茅二上亚段 4 384 泥晶灰岩 不发光—暗红光 166.53 90.56 242.68 89.1
磨溪56 茅三段 4 512.21 泥晶灰岩 不发光 128.67 17.17 482.48 96.93
磨溪56 茅三段 4 511.25 泥晶灰岩 不发光 99.43 13.1 159.65 42.48
磨溪39 茅二上亚段 4 384 方解石胶结物 橘黄光 83.16 241 366.27 11.4
磨溪39 茅二上亚段 4 384 方解石胶结物 橘黄光 72.18 258.57 217.77 2.72
磨溪39 茅二上亚段 4 384 方解石胶结物 橘黄光 110.75 183.9 189.14 30.97
磨溪56 茅三段 4 511.87 方解石胶结物 橘黄光 75.93 117.62 250.15 5.18
磨溪56 茅三段 4 511.25 方解石胶结物 橘黄光 229.02 105.66 259.03 16.74
磨溪56 茅三段 4 511.25 方解石胶结物 橘黄光 92.49 113.29 43.23 10.75
广探2 茅二上亚段 4 706.5 基质白云石 暗红光 69.8 49.8 65.3 285.05
广探2 茅二上亚段 4 705.65 基质白云石 暗红光 63 86.4 76.5 371.06
广探2 茅二上亚段 4 705.1 基质白云石 暗红光 58 44.9 61.4 323.73
磨溪39 茅二下亚段 4 411 基质白云石 暗红光 91.5 123 60.3 448.91
磨溪39 茅二下亚段 4 419 基质白云石 暗红光 148 73.6 78.9 507.45
磨溪39 茅二下亚段 4 419 基质白云石 暗红光 49.1 85.7 85.8 317.45
磨溪39 茅二下亚段 4 421 基质白云石 暗红光 58.9 35.1 60.7 373
磨溪39 茅二下亚段 4 421 基质白云石 暗红光 42.6 28 66.4 439.53
华涞1 茅二下亚段 4 560 基质白云石 暗红光 118 116 71.3 343.31
华涞1 茅二下亚段 4 560 基质白云石 暗红光 58.8 54.8 70.8 390.49
广探2 茅二上亚段 4 704.65 充填白云石 暗红光—红光 51.5 92.1 92 228.46
广探2 茅二上亚段 4 705.1 充填白云石 红光 52.2 228 60 90.45
广探2 茅二上亚段 4 706.65 充填白云石 红光 52.5 119 105 227.13
广探2 茅二上亚段 4 718.6 充填白云石 红光 52.2 164 75.3 144.74
磨溪39 茅二下亚段 4 419 充填白云石 红光 46.7 83.6 51.9 186.48
磨溪39 茅二下亚段 4 421 充填白云石 红光 39.3 103 92 144.01
泥晶灰岩的Mn含量为(13.1~90.56)×10-6,平均值为40.28×10-6;方解石胶结物的Mn含量为(105.66~258.57)×10-6,平均值为182.88×10-6;基质白云石的Mn含量为(28~123)×10-6,平均值为69.73×10-6;充填白云石的Mn含量为(83.6~228)×10-6,平均值为131.62×10-6
基质白云石具有较低的Fe、Mn含量与泥晶灰岩相似,同时具有与泥晶灰岩相似的阴极发光特征,指示基质白云石的云化流体可能与泥晶灰岩存在继承性。充填白云石较基质白云岩和泥晶灰岩具有更高的Mn含量和更低的Fe含量[图7(a),图7(b)],与方解石胶结物的结果相似,充填白云石和方解石胶结物形成时间相近并且形成过程中存在Fe的流失和Mn的富集,与基质白云石的成因流体存在差异45-46
图7 磨溪—龙女寺—广安地区二叠系茅口组微量元素含量直方图

Fig.7 Histogram of trace element content of the Maokou Formation in the Moxi-Longnvsi-Guang’an areas

白云岩中Sr的含量可以分析其形成环境47,茅口组泥晶灰岩中Sr含量为(159.65~482.48)×10-6,平均值为294.94×10-6;方解石胶结物中Sr含量为(43.23~366.27)×10-6,平均值为213.31×10-6;基质白云石中Sr含量为(60.63~85.8)×10-6,平均值为69.74×10-6;充填白云石中Sr含量为(51.9~105)×10-6,平均值为79.36×10-6。由此可见,灰岩相对于白云岩具有更高的Sr含量,且充填白云石的Sr含量略高于基质白云石[图7(c)],Sr含量越低47,白云石化作用越强,说明2类白云岩的形成流体或期次相差较大。
基质白云石和充填白云石Na+K含量明显大于泥晶灰岩和方解石胶结物,而基质白云石Na+K含量略大于充填白云石[图7(d)],指示了该类白云石云化流体主要为同生—准同生期海源流体,在浅埋藏期受较弱的外源流体或地层卤水改造,引起Mn含量的轻微偏高,揭示该类白云石受外源流体改造作用较强。

4.2 稀土元素

茅口组泥晶灰岩、方解石胶结物和白云石样品的总稀土含量(∑REE+Y)均较低。为消除元素的奇偶效应,更直观地表示稀土元素的含量和分馏特征,研究所用样品REE数据均经澳大利亚后太古宙页岩(PAAS)48-50标准化。
不同性质流体的稀土元素配分模式是不同的。Ce和Eu是典型的变价元素,不同的氧化还原环境流体常具有不同的Ce、Eu特征;与热液有关的沉积物表现为显著的正Eu异常,与海源流体相关的碳酸盐岩表现为不同程度的负Ce异常45-4651
海水具有较低的稀土总量,页岩标准化的配分模式具有轻稀土亏损、Ce负异常、Y正异常、轻微的正La异常特征52。通过对茅口组样品稀土元素特征的分析,茅口组不同类型的白云石稀土分配模式较为相似,且茅口组泥晶灰岩与各类白云石具相似的稀土元素配分模式,泥晶灰岩和白云石均具有明显Ce负异常和Y正异常特征(图8),反映了各类白云石均继承了海源流体特征;基质白云石具有Ce负异常、Eu负异常和Y正异常特征,指示了基质白云石主要继承海源流体特征;充填白云石具有Eu正异常特征,随着温度升高,Eu容易被氧化,形成难被溶解的Eu4+,使得Eu富集并出现正异常53,是热液流体影响的成岩响应。综上所述,基质白云石主要受到同生期—准同生期海源流体云化作用影响,而充填白云石还受到浅埋藏期外源热液流体作用影响。
图8 磨溪—龙女寺—广安地区二叠系茅口组稀土元素和Y配分模式

(a)泥晶灰岩;(b)方解石胶结物;(c)基质白云石;(d)充填白云石

Fig.8 Rare earth element and Y distribution pattern of the Maokou Formation in the Moxi-Longnvsi-Guang’an areas

4.3  87Sr/86Sr值

87Sr/86Sr值的变化主要受两方面的控制:一是陆源碎屑和中酸性岩浆岩通常含有富放射性成因的87Sr;二是由洋中脊热液系统向海水提供的相对贫放射性成因的86Sr,两者共同控制87Sr/86Sr值含量404654-55。二叠纪,海水 87Sr/86Sr 值先是迅速下降,达到最小值之后逐渐上升。上扬子地区二叠系海相碳酸盐岩 87Sr/86Sr 值介于0.706 62~0.707 74之间(图9)。
图9 磨溪—龙女寺—广安地区二叠系茅口组不同类型白云石的87Sr/86Sr分布

Fig.9 87Sr/86Sr distribution of different types of dolomite in the Maokou Formation of the Moxi-Longnvsi-Guang’an areas

研究区泥晶灰岩的87Sr/86Sr值为0.707 034~0.707 338,平均值为0.707 154;方解石胶结物 87Sr/86Sr值介于0.707 281~0.708 129之间,平均值为0.707 758;基质白云石87Sr/86Sr值介于0.707 689~0.708 87之间,平均值为0.708 037;充填白云石 87Sr/86Sr值数据引用自陈轩等23,分布在0.709 286~0.709 453之间(表2)。刘建强等56测出样品87Sr/86Sr值与本文结果相似,表明二者有可对比性。泥晶灰岩的87Sr/86Sr值与同期海水相当,因此泥晶灰岩的地球化学特征可近似代表同期海水的特征,基质白云石87Sr/86Sr值与同期海水87Sr/86Sr值有重叠,但部分高于同期海水(图9),指示了基质白云石以海源流体云化作用为主导,受浅埋藏期的外源流体影响。方解石胶结物和充填白云石,87Sr/86Sr值明显高于同期海水87Sr/86Sr值,体现出浅埋藏期的外源热液流体的云化作用57
表2 磨溪—龙女寺—广安地区茅口组87Sr/86Sr 值数据

Table 2 Data table of 87Sr/86Sr values for the Maokou Formation in the Moxi-Longnvsi-Guang’an areas

井号 层位 深度/m 岩性 87Sr/86Sr
磨溪39 茅二上亚段 4 384 泥晶灰岩 0.707 034
磨溪39 茅一段 4 475 泥晶灰岩 0.707 091
南充3 茅三段 6 022.7 泥晶灰岩 0.707 338
磨溪56 茅三段 4 511.87 方解石胶结物 0.707 281
磨溪53 茅二下亚段 4 776 方解石胶结物 0.707 733
磨溪53 茅二下亚段 4 788 方解石胶结物 0.708 129
磨溪53 茅二下亚段 4 792 方解石胶结物 0.707 889
磨溪39 茅二下亚段 4 412 基质白云石 0.708 145
磨溪39 茅二下亚段 4 414 基质白云石 0.707 976
磨溪39 茅二下亚段 4 416 基质白云石 0.708 013
磨溪39 茅二下亚段 4 418 基质白云石 0.707 832
磨溪39 茅二下亚段 4 420 基质白云石 0.707 689
磨溪39 茅二下亚段 4 422 基质白云石 0.707 761
磨溪39 茅二下亚段 4 426 基质白云石 0.707 840
华涞1 茅二下亚段 4 552 基质白云石 0.708 578
华涞1 茅二下亚段 4 556 基质白云石 0.708 87
华涞1 茅二下亚段 4 560 基质白云石 0.708 67
广参2 茅二上亚段 4 600 充填白云石 0.709 286
广参2 茅二上亚段 4 612 充填白云石 0.709 453

4.4 碳氧同位素

碳氧同位素的综合研究是区分不同成因白云岩的有效手段。碳酸盐岩形成之后,其δ13C值比较稳定,可以反映原始沉积环境的变化58,δ18O受分馏作用、成岩过程中受温度效应影响大,温度越高,δ18O值负偏越严重。磨溪147井样品碳、氧同位素测试结果(按PDB标准化)表明:茅口组泥晶灰岩和基质白云石δ13C值较为接近,δ18O组成为低负值(-8.6‰~-7.4‰),碳酸盐岩的δ13C分馏效应变化不大,在碳酸盐岩沉积过程中,δ13C只发生较小的变化。
茅口组泥晶灰岩δ13C平均值为3.185‰,基质白云石δ13C平均值为3.490‰(图10),表明白云岩和灰岩具有相同的碳源,而结合前文所述泥晶灰岩与沉积期海水类比关系,侧面证实了基质白云石的云化流体以海源流体为主,客观反映了海水碳同位素组成特征59。泥晶灰岩δ18O平均值为-6.566‰,基质白云石δ18O平均值为-7.887‰。灰岩和白云岩的δ18O值相差不大,显示经历了相同的氧同位素热分馏过程,但白云石保留了原始灰岩的部分特征,说明具有同源性且沉淀流体均为二叠系同期海水。
图10 磨溪—龙女寺—广安地区茅口组样品碳、氧同位素交会图

Fig.10 Carbon and oxygen isotope rendezvous of the Maokou Formation samples in the Moxi-Longnvsi-Guang’an areas

川中地区茅口组二段的基质白云石样品(MX149-4577)激光U⁃Pb同位素定年实验得到的结果为263±15 Ma(图11),结合茅二段岩心样品地球化学数据,认为川中地区茅口组白云岩形成于同生—准同生期—浅埋藏早期。
图11 磨溪149井茅二下亚段基质白云石样品U-Pb定年

Fig.11 U-Pb dating of matrix dolomite samples from the lower member of P2 m 2 in Well Moxi 149

5 白云岩成因讨论及白云石化模式

5.1 白云石化流体

研究区共存在2期白云石,分别为基质白云石和充填白云石。基质白云石主要形成在同生—准同生期,白云石化流体主要为同生—准同生期的局限浓缩海水,海水蒸发浓缩形成富Mg2+高盐度海水,Mg2+侧向移动就会对周围围岩产生影响,Mg2+交代Ca2+使滩后洼地两侧颗粒灰岩转变为白云岩(图2)。证据如下:①基质白云石的U-Pb年龄在263±15 Ma,对应同生—准同生期;②基质白云石的稀土元素特征与泥晶灰岩的稀土元素特征相似,存在明显的Ce元素负异常和Y元素正异常特征,同时基质白云石和泥晶灰岩的碳氧同位素值范围均在二叠纪海水的碳氧同位素范围之中,显示基质白云石形成时间较早,基质白云石的云化流体和泥晶灰岩的成岩流体都主要为氧化海水,符合同生期成岩环境;③泥晶灰岩的87Sr/86Sr值与同期海水相当,因此泥晶灰岩的地球化学特征可近似代表同期海水的特征,基质白云石87Sr/86Sr值与同期海水87Sr/86Sr值有重叠,但部分高于同期海水(图9),指示了基质白云石以海源流体云化作用为主导,可能受浅埋藏期的外源流体影响;④基质白云石具有较低的Fe、Mn含量与泥晶灰岩相似,同时具有与泥晶灰岩相似的阴极发光特征,指示基质白云石的云化流体可能与泥晶灰岩存在继承性,基质白云石的云化流体为浓缩海水,海水在蒸发浓缩的过程中,Mg2+富集,同时浓缩海水的盐度也会相应的上升,表现在基质白云石较泥晶灰岩具有更高的Na+K含量。基质白云石与泥晶灰岩相似的稀土元素配分模式,基质白云石较低的Sr元素含量,较高的87Sr/86Sr值,碳氧同位素较泥晶灰岩负偏的特征,均说明基质白云石的云化时间较早。
充填白云石较基质白云石具有更高的Mn元素含量,较低的Fe元素含量,所以其阴极发光强度更高,主要为红光。充填白云石较基质白云石的晶型更好,以自形晶为主,说明充填白云石的云化程度更高。充填白云石受热液流体影响的证据如下:①充填白云石充填在基质白云石的裂缝中,表明充填白云石晚于基质白云石,充填白云石主要为自形晶,符合埋藏期白云石化的晶型特征;②充填白云石的87Sr/86Sr值远高于二叠纪海水的87Sr/86Sr值,并且高于基质白云石的87Sr/86Sr值,最高87Sr/86Sr值排除了充填白云石是基质白云石溶蚀后重现沉淀充填形成,应该是来源于其他流体;③充填白云石具有明显的δEu正异常和MREE富集的特征,与赵彦彦等60总结的热液流体的稀土元素特征相似,说明充填白云石的云化流体存在热液流体来源;④热液流体穿过目的层下部碎屑岩地层的过程中碎屑岩放射性Sr元素会进入热液流体中61,使得热液成岩的白云石从而具有较高的87Sr/86Sr值。虽然穿过碎屑岩层使得热液流体富集放射性Sr元素,但是Sr元素含量则较低,同时Mn元素含量也会在这个过程中富集。充填白云石最高的Mn元素含量,较低的Sr元素含量,高87Sr/86Sr值和稀土配分模式中Eu正异常特征,表明云化流体主要为热液流体,云化时间为埋藏期。

5.2 白云石化模式

根据上述白云岩的岩石学结构特征、产状特征和地球化学特征,结合白云石化不同时期的影响因素,研究认为川中地区茅口组白云岩主要存在2期白云石化:第一期白云石化发生在准同生期—浅埋藏早期,形成细—中晶白云岩;第二期白云石化则发生在埋藏期,形成热液白云岩。
茅一段—茅二下亚段沉积期,川中—川北地区整体为缓坡沉积体系,沉积水动力相对较弱,以眼皮眼球特征的纹层状泥晶灰岩、含生屑泥晶灰岩为主,乐山—龙女寺古隆起在一定程度上控制了沉积格局[图12(a)]。茅二下亚段沉积初期,磨溪—龙女寺地区受古隆起影响,处于浅缓坡沉积相带,利于缓坡生屑滩相的发育。
图12 磨溪—龙女寺—广安地区二叠系茅二段白云石化模式

Fig.12 Dolomitization pattern of the P2 m 2 in the Moxi-Longnvsi-Guang’an areas

茅二下亚段晚期—茅二上亚段沉积早期,磨溪地区可容纳空间逐渐减小,随着茅二下亚段沉积晚期海退过程发生,缓坡沉积体系整体逐渐向北迁移,高能浅缓坡相带分布在广安地区,在滩体迁移和建造的协同作用下,逐渐形成广安地区以南半局限性质的滩间洼地[图12(b)],在局部蒸发作用下,滩间洼地内的海源流体对先存滩相储层进行云化作用,形成了川中地区茅二下亚段上部的灰质白云岩,响应了前文所述海源云化流体的地球化学特征。
茅二上亚段沉积早期,在海侵过程中滩间洼地由半局限环境逐渐演化成开阔环境,广海营养物质的供应,使得滩间洼地利于生物聚集,具有较高的碳酸盐岩建造速率,进而使得滩间洼地填平补齐[图12(c)]。茅二上亚段沉积晚期,川中地区受东吴运动影响,形成台槽分异的沉积格局,在广参2等井的茅二上亚段上部或茅三段底部,均能见到硅质岩,构造运动结合早期茅二下亚段滩相迁移和建造过程,川中磨溪—广安地区缓坡地貌特征逐渐向缓坡型台地演化,结合成20井、水深1井岩相和测井特征,广安地区以北为深水斜坡—陆棚沉积体系,在广安地区形成缓坡台缘滩相沉积,该沉积期与东吴运动持续活动时间大致对应,可能存在热液活动,沿滩体内部的构造裂缝形成充填白云石,此外,热液流体对同生期—准同生期的白云石有一定的叠加作用。

6 结论

(1)四川盆地中部磨溪—龙女寺广安地区二叠系茅口组的岩性以灰岩和白云岩为主,缝洞、孔隙型白云岩储层较为发育。白云岩主要以细—中晶白云岩和残余颗粒白云岩为主,而灰质白云岩、硅质云岩分布较为局限。
(2)茅口组基质白云石阴极射线下发具有较高的Na+K含量,稀土元素配分模式与泥晶灰岩相似,碳氧同位素值和87Sr/86Sr值均在二叠纪海水范围值之内,基质白云石的U-Pb年龄分析结果也表明白云石的云化时间主要为同生—准同生—浅埋藏期,云化流体主要为同期海水。
(3)茅二段白云岩的发育受沉积相带控制,在滩体迁移和建造的协同作用下,滩间洼地内形成的高盐度局限海水渗流交代高能相带沉积的颗粒灰岩,形成残余颗粒白云岩和细—中晶白云岩,规模云化时间早于油气充注,具有良好的勘探潜力。
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Outlines

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