川西北下二叠统栖霞组斑马状白云岩地球化学特征及形成过程——以ST18井为例

王利超，周 杨，胡林辉，张 亚，王柏智，乔艳萍

1.西南石油大学 地球科学与技术学院，成都 610500；2.中国石油 东方地球物理公司 西南物探分公司，成都 610213；3.中国石油 西南油气田分公司 勘探开发研究院，成都 610041

四川盆地二叠系栖霞组白云岩储层是天然气勘探中的重点对象之一。近年来，川西北地区部署的多口井在栖霞组白云岩储层中均获高产工业气流，引起了人们的广泛关注[1-2]。前人针对川西北栖霞组白云岩的成因开展了大量研究工作，对栖霞组白云石化作用的解释有多种，如淋滤玄武岩模式[3]、埋藏白云石化[4]、构造热液白云石化[5]、热对流模式[6]，以及多阶段白云石化作用的叠加等[7]。其中，多数白云石化作用都与峨眉山大火成岩省(Emei Large Igneous Provinces，ELIP)活动有关[8]。

典型的热液白云岩具有斑马结构、水力压裂角砾岩、鞍形白云石、黄铁矿等岩石学特征[9]。斑马结构是世界范围内地质构造中常见的周期性结构，常与热液成矿作用有关；在岩石中交替出现的粗粒浅色(亮带)和细粒深色(暗带)通常被称为斑马结构[10-11]。前人研究表明，斑马状白云岩暗带的成因主要是交代宿主灰岩形成，而对于斑马状白云岩亮带的成因还存在分歧，目前主要有两种主流观点：(1)交代作用或重结晶作用；(2)直接沉淀，即在暗带的白云岩中发生溶蚀作用形成开放空间，受到热液流体脉冲式作用进而从流体中直接沉淀白云石形成[12]。

四川盆地栖霞组受峨眉山大火成岩省的影响，局部发育热液白云岩[9]。川西南地区位于峨眉山超级地幔柱的“中带”[12]，已有斑马状白云岩的发育报道[13]。而川西北地区位于峨眉山超级地幔柱的“外带”[12,14]，相对于川西南地区而言受热液的影响较小，斑马状白云岩的出露少见，因而研究甚少。鉴于此，本文针对川西北下二叠统栖霞组井下岩心中出现的斑马状白云岩，展开系统的岩石学观察，在此基础上针对斑马结构中的亮带和暗带，分别取样开展地球化学分析，以探讨斑马状白云岩的形成过程。

1 区域地质概况

ST18井位于四川盆地西北部，在大地构造位置上属于扬子板块西北边缘(图1a)，且位于三个构造单元过渡带(图1b)。瓜德鲁普统(Guadalupian)沉积晚期(约268 Ma)，由于峨眉山大火成岩省(ELIP)的强烈构造运动和古特提斯洋壳向扬子板块的俯冲作用，整个扬子克拉通在构造上处于拉张环境[6]。峨眉山大火成岩省的活动，导致四川盆地在较长一段时间内处于异常高地温中，尽管川西北地区远离活动中心，但热流值仍高达70 mW/m2[14]。

本次研究主要针对四川盆地西北部下二叠统栖霞组的斑马状白云岩，栖霞组下伏梁山组，上覆茅口组，与国际地层单位中的乌拉尔统空谷阶(Kungurian)相对应，年龄约为283.5～272.95 Ma[17]。川西北地区的栖霞组主要发育灰色—浅灰色白云岩和灰色—深灰色灰岩[18]。

2 采样及分析方法

针对ST18井栖霞组地层中的斑马状白云岩，自下而上共取岩心样品10件，取样深度介于7 636.47～7 639.47 m(图1c)。本文在系统岩心观察和描述的基础上，对采集的岩心样品磨制薄片。通过薄片鉴定、阴极发光和扫描电镜分析，对白云岩的晶体结构、晶体大小、晶体类型等方面进行精细研究。薄片鉴定使用型号为Olympus BX53的偏光显微镜，阴极发光分析仪器型号为CL8200 MK5，扫描电镜分析仪器型号为Quanta 650 FEG。以上实验均在西南石油大学地球科学与技术学院实验室完成。

图1 川西北ST18井区域地质简图及地层柱状图

在上述岩石学系统观察的基础上，针对斑马结构中的亮带和暗带分别取样，进行岩石粉末(200目)磨制，并完成X-射线粉末衍射实验和碳酸盐岩碳、氧同位素(粉末样品)测试。X-射线粉末衍射实验在西南石油大学新能源与材料学院完成，仪器型号为DX-2700。利用CuKα辐射波长(λ=1.540 6 Å，1 Å=10-10m)记录样品的衍射谱图，通过Jade软件对衍射数据进行物相鉴定和定量分析，确定白云石样品的矿物成分、晶胞参数、有序度及化学计量等信息。碳、氧同位素测试在中国科学院南京地质古生物研究所实验技术中心同位素实验室完成，同位素质谱仪主机型号为MAT-253，制样系统为Kiel IV Carbonate Device，标样为GBW-0440LC5。碳氧同位素值用‰表示(相对PDB标准)，δ13CPDB和δ18OPDB测定值标准偏差分别小于0.020‰和0.050‰。

3 岩石学特征

斑马状碳酸盐岩的岩心观察发现，其岩性主要为白云岩。在岩心观察的基础上，通过镜下薄片鉴定，根据白云石的晶体大小、自形程度和晶体结构[19]，将ST18井中的斑马状白云岩分为斑马状白云岩暗带(B)和斑马状白云岩亮带(W)。

3.1 斑马状白云岩

斑马状白云岩由深灰黑色暗带白云石和浅灰白色亮带白云石组成，形成暗带、亮带交替出现的斑马结构。斑马结构的大小为厘米级，暗带的宽度小于亮带，暗带条纹宽为0.5～1.0 cm，亮带条纹宽为0.5～2.0 cm(图2a)。单偏光下，斑马状白云岩中未见生物碎屑，原始结构不明显(图2b)。可见亮带白云石和暗带白云石交替出现的韵律旋回，且它们之间界限清晰(图2b)。亮带白云石(W)由中粗晶白云石和鞍形白云石组成，晶面洁净，中粗晶白云石的晶面特征是以非平直晶面他形为主，其次为平直晶面自形，晶体粗大(图2b)。鞍形白云石通常充填于亮带的溶蚀孔洞或裂缝中(图2c)，可见孔洞和裂缝周围的非平直晶面他形晶向非平直晶面鞍形晶过渡的趋势(图2b红色箭头所指)。鞍形白云石晶面弯曲(图2d蓝色箭头所指)，晶体大小通常在800 μm左右，正交偏光下呈明显的波状消光，可见亮带白云石穿越亮暗带边界，且边界两侧的光学性质相同(图2e黄色箭头所指)。暗带白云石(B)主要由深色半自形—他形细晶白云石组成，晶粒较小，晶体间呈曲面接触，晶面浑浊，表面可见残余原始组构或其他黑色有机质(图3a)。此外，可观察到斑马状白云岩中缝合线截断切穿白云石晶体(图2f黄色箭头所指)。

图2 川西北ST18井栖霞组斑马状白云岩的岩石学特征

阴极发光下，亮带和暗带具有不同的阴极发光特征。亮带里的中粗晶白云石发亮红色光，暗带里的中细晶白云石发暗红色光(图3b)。亮带中的鞍形白云石的阴极发光特征表现为晶体核心发较弱的暗红色光，晶体边缘具有明显的亮红色环带特征(图3d)。

图3 川西北ST18井栖霞组斑马状白云岩薄片观察及阴极发光特征

3.2 热液矿物

岩心观察时发现，ST18井栖霞组斑马状白云岩的裂缝中有金属矿物充填(图4a，黄色箭头所指)。薄片鉴定可见不透明矿物分布在裂缝或白云石晶体中，且通常与鞍形白云石伴生(图4b)。反射光下，矿物发亮黄色金属光泽(图4c)。通过扫描电镜能谱分析，确定其矿物成分为黄铁矿(图4d)。综上所述，黄铁矿呈点状分布的八面体型，主要发育在溶蚀孔洞附近，或与鞍形白云石伴生。

图4 川西北ST18井栖霞组热液矿物特征

4 地球化学特征

4.1 白云石晶体结构特征

本次研究通过X-射线粉末衍射实验(X-Ray Powder Diffraction，XRPD)，研究白云石晶体的晶胞参数、化学计量和有序度等特征。

白云石属于三方晶系，晶胞参数用a、b、c来表示，其中a=b≠c。理想白云石的标准晶胞参数是a=4.806 9 Å，c=16.003 4 Å[20]。以a值为横坐标，c值为纵坐标，建立晶胞参数分布图(图5a)。以理想白云石的晶胞参数为基准，亮带和暗带白云石晶胞参数位于理想白云石的右上方(图5a)。斑马状结构亮带中，中粗晶白云石的晶胞参数a值范围为4.807 2～4.810 0 Å，平均值为4.809 0 Å，c值范围为16.008 8～16.018 7 Å，平均值为16.014 5 Å；鞍形白云石的晶胞参数a值范围为4.809 3～4.824 5 Å，平均值为4.8147Å，c值范围为16.0171～16.0240Å，平均值为16.019 7 Å。斑马状结构中暗带白云石的晶胞参数a值范围为4.810 9～4.811 8 Å，平均值为4.811 3 Å；c值范围为16.013 2～16.022 8 Å，平均值为16.015 5 Å。

XRPD分析表明，白云石为主要矿物，且不含方解石。用计算公式：x(MgCO3)=1 011.99-333.33d(104)(d(104)是以Å为单位的峰值位置[21])计算得出MgCO3摩尔分数。样品中的白云石具有接近化学计量比的成分[x(MgCO3)=49%～54%，平均值50%]，从而确定了白云岩样品由一种理想的白云石组成(Mg/Ca=1)。对ST18井中不同类型白云石的MgCO3摩尔分数进行投点(图5b)。斑马结构亮带中，中粗晶白云石的MgCO3摩尔分数范围为49.40%～50.37%，平均值为49.65%；鞍形白云石的MgCO3摩尔分数范围为49.47%～53.63%，平均值为51.11%。斑马结构中暗带白云石的MgCO3摩尔分数范围为48.60%～49.37%，平均值为49.15%。

白云石的有序度通过d(015)∶d(110)反射峰的比值半定量测定，其中有序度σ=I(015)/I(110)[22]，I(015)和I(110)分别为对应反射峰的强度。对ST18井中不同类型白云石的有序度进行投点(图5c)发现，斑马结构亮暗带白云石的有序度均较高。斑马结构亮带中，中粗晶白云石的有序度变化范围是0.79～0.83，平均值是0.82；鞍形白云石的有序度变化范围是0.77～0.97，平均值是0.85。斑马结构中暗带白云石的有序度变化范围较大，在0.63～0.89之间，平均值是0.70。

4.2 碳氧同位素特征

二叠纪海水的碳氧同位素值范围分别是0～5.5‰和-5‰～-0.5‰[23]。从斑马状白云岩亮暗带碳氧同位素值投点(图5d)发现，样品的δ13C值在同时期海水δ13C值范围内，样品的δ18O值都较同时期海水的δ18O值偏负。斑马结构亮带中中粗晶白云石的δ13CPDB值变化范围为1.54‰～2.38‰，平均值是2.01‰，δ18OPDB值变化范围为-7.97‰～-5.97‰，平均值是-6.68‰；鞍形白云石δ13CPDB值变化范围为0.97‰～1.36‰，平均值是1.21‰，δ18OPDB值变化范围为-8.18‰～-7.89‰，平均值是-8.07‰。暗带中白云石的δ13CPDB值变化范围为1.26‰～2.18‰，平均值是1.99‰，δ18OPDB值变化范围为-7.93‰～-5.06‰，平均值是-6.08‰。

图5 川西北ST18井栖霞组斑马状白云岩地球化学特征

5 讨论

5.1 白云石化流体性质

斑马状白云岩由深灰色细粒(暗带)和浅灰白色粗粒(亮带)白云石组成，呈平行或网状分布(图2a)。显微观察发现，斑马结构中暗带由中—细晶白云石组成，白云石晶体为平直面半自形晶，晶粒较小，晶面浑浊，表面可见残余原始组构或其他黑色有机质。阴极发光下暗带白云石晶体主要发暗红色光(图3b)，指示其白云石化流体来源于海水[19]。同时，暗带白云石的δ13C值(平均值是1.99‰)落在同期海水δ13C范围内(图5d)，亦表明暗带白云石的白云石化流体来源于海水。由此可见，暗带白云石的岩石学特征和地球化学特征都表明其白云石化流体来源于海水。斑马结构中亮带由中—粗晶白云石和鞍形白云石组成，晶体具有非平直面他形—非平直面鞍形晶及波状消光的特征，说明亮带白云石是在高温作用下快速结晶形成的[10]。亮带白云石的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范围内(图5d)，表明亮带白云石的白云石化流体也可能来源于海水。前人对川西北栖霞组白云岩进行碳氧稳定同位素和锶同位素相关分析后认为，基质白云岩的白云石化流体是海水[6,24]，这和我们通过碳同位素研究得出的认识是一致的。此外，可见斑马状白云岩中发育缝合线，并且缝合线切穿白云石晶体(图2f)。由于在碳酸盐岩中缝合线形成的深度约为500 m[25]，因此，斑马状白云岩的白云石化流体主要来源于浅埋藏地层中的海水。

斑马状白云岩中暗带和亮带白云石的δ18O值变化范围相似，与同时期海水的δ18O值比均较为偏负(图5d)。因此，来源于海水的白云石化流体受到了热的影响，使得氧同位素发生分馏。其中，亮带白云石的δ18O值(中粗晶白云石平均值为-6.68‰；鞍形白云石的平均值为-8.07‰)比暗带白云石(平均值为-6.08‰)更偏负，表明在亮带形成过程中造成氧同位素分馏的热效应更强。

岩心观察和显微扫描观察到的黄铁矿(图4a，c)，是川西北栖霞组热液白云岩中典型热液矿物之一[26]。亮带中的鞍形白云石与热液矿物黄铁矿相伴生，且鞍形白云石δ18O值(平均值为-8.07‰)偏负，表明亮带白云石的形成是在海水来源的基础上叠加了热液。

5.2 斑马状白云岩的形成过程

斑马结构中暗带白云石与亮带白云石的岩石学特征(白云石晶体大小和白云石阴极发光特征等)不同，且晶面混浊的暗带白云石与晶面洁净的亮带白云石之间具有非常清晰的边界(图2e)，暗示其成因可能不同。在正交偏光下，可见白云石晶体穿过亮带白云石和暗带白云石的边界(图2e)，且在边界两侧白云石的消光性质一致，表明亮带白云石是生长在暗带白云石上的胶结物[11]。与此同时，亮带白云石晶体大小从边界处向亮带中心处逐渐变大(图2b红色箭头所示)，亦表明亮带白云石是在晶体竞争结晶的过程中逐步结晶形成的[27-28]。暗带中白云石晶面混浊，包含了大量来自沉积先驱体的包裹体，因此暗带白云石是交代成因。作为对照，亮带白云石晶体中没有大量的包裹体而显现出浅色的外观，进一步表明它是直接沉淀形成的。

斑马结构的形成是由两个密切发生的过程造成的：一是矿物交代，二是溶解和开放空间的产生[11]。ELIP喷发使得地层温度升高，其增温效应时间约为290～260 Ma[12]。在此期间川西北地区栖霞组对应的地层沉积物处于浅埋藏阶段，且位于台地边缘[6]，在侧向上对外开放。由于ELIP提供的异常地热对地层中的孔隙水或卤水加热，形成与外侧海水之间的温度差，从而产生密度差异，寒冷的海水就能向地层源源不断地输入Mg2+[6]。随着地层温度的升高，白云石化作用也会加强。此外，台地边缘滩相较高的渗透性以及在白云石交代方解石的过程中，特别是在方解石—白云石置换的早期阶段，方解石的快速溶解和白云石的缓慢沉淀同时进行的过程中导致摩尔体积的损失，从而造成孔隙度增加[29-31]，这也有利于白云石化流体的流通及白云石化作用的增强。交代和溶解原始基岩的同时产生了新的裂缝和开放空间，而且白云石化流体的饱和度越高，产生的裂缝间距就会越小[32]，形成了样品中亮带宽度大于暗带的斑马结构(图2a)。当白云石化流体注入断层或裂缝，顺层溶解原始基岩形成开放空间，交代原始基岩形成暗带白云石。靠近开放空间的暗带白云石的结晶力大于自身的抗张强度，从而产生新的裂缝。当暗带白云石稳定后，裂缝中的富镁流体沉淀出亮带白云石。如此反复，形成了亮带白云石与暗带白云石交替出现的斑马状白云岩。

东吴运动期间，伴随着ELIP岩浆活动增强，岩浆或热液随着断层或裂缝向上运移且顺层流动，从而与地层中的海水混合形成白云石化流体，流体混合的结果可能会增强方解石的溶解[33]，从而进一步增加白云石化流体的流通，导致白云石化的速率和白云石化程度加强。较高的地温条件促进了白云石化流体在地层中的循环流动，从而导致鞍形白云石胶结物在斑马状白云岩的溶蚀孔洞、裂缝中沉淀充填。高温热液流体中沉淀的鞍形白云石由于结晶速度较快，有序度较低[13]。此次研究中的鞍形白云石有序度较高(平均值0.85)，且接近化学计量(MgCO3摩尔分数平均值为51.11%)，表明鞍形白云石在快速沉淀之后经历的埋藏成岩作用使得白云石发生调整，进而更加有序[34]。

6 结论

(1)ST18井中斑马状白云岩暗带和亮带白云石岩石学特征差异明显。暗带由中细晶白云石组成，阴极发光呈暗红色，为交代作用形成；亮带由中粗晶及鞍形白云石组成，阴极发光呈亮红色，从流体中直接沉淀形成。

(2)暗带和亮带白云石的δ13C值落在同时期海水δ13C值范围内，且δ18O值较同期海水偏负，说明白云石化流体来源于海水，且热的作用使得氧同位素发生了分馏。黄铁矿与亮带中鞍形白云石的伴生，表明亮带白云石除受到热能量影响之外，还有热液流体的加入。

(3)ST18井斑马状白云岩的形成过程概括如下：加热的海源流体沿着断层或裂缝重复—持续脉冲运移至高孔高渗地层，并在溶蚀—交代方解石的过程中形成暗带白云石，与此同时形成开放空间；海源流体叠加热液的混入，在开放空间中依次沉淀中粗晶白云石和鞍形白云石，形成亮带；深埋藏环境下亮暗带白云石均发生调整，形成有序度较高的斑马状白云岩。