Origins of Dolomitization Fluids within Middle Permian Coarse Dolomite, SW Sichuan Basin

近年来，四川盆地中二叠统天然气勘探连获突破，双探1井、南充1井和泰来6井先后在中二叠统白云岩储层钻遇高产工业气流，揭示了四川盆地中二叠统白云岩储层的巨大勘探潜力。

在西南地区，中二叠统地层发生了较高程度的白云岩化，目前的研究大多认为川西南地区的白云岩成因与峨眉山大火成岩省的活动有关，为热液白云岩化^[1-4]。但是在本次的研究过程中发现，川西南地区中二叠统地层除了热液白云岩化形成的中粗晶白云岩以外，早期白云石也占有很大比例。因此，对整个白云岩储层进行详细的岩石学特征研究，识别出不同类型的白云石并确立其成岩序列，研究热液相关白云岩的成岩流体性质，对于后续研究其相应的成因机理有着十分重要的作用，对整个川西南地区中二叠白云岩储层勘探也有着重要的意义。本文在野外剖面、钻井岩芯观察描述以及详细的薄片岩石学研究的基础上，结合地球化学、包裹体、阴极发光和扫描电镜等分析测试手段，确立了川西南地区中二叠统白云岩储层的成岩序列，并对热液相关白云岩的成岩流体性质进行了分析。

四川盆地位于上扬子克拉通西部，是一个经历了包括铜湾运动、东吴运动、印支运动、燕山运动和喜马拉雅运动等多期次构造运动的叠合盆地^[5-7]（图 1a）。由于多期次的构造运动，四川盆地及周缘发育了大量的基底断裂^[8]（图 1b）。

Figure 1.  Research location and geological profile

四川盆地中二叠统可以划分为下部的栖霞组（P₂q）和上部的茅口组（P₂m）。根据周进高等研究，在栖霞组沉积期，主要的沉积环境为开放的碳酸盐台地环境，高位域演化成镶边台地^[9]。茅口组海侵域为陆棚环境，高位域演化为镶边台地^[9]。川西南地区主要处于浅水碳酸盐岩台地沉积环境^[9]（图 1c）。川西南地区栖霞组和茅口组总厚度约为270~363 m。栖霞组可以划分为栖一段和栖二段（图 1d）。栖一段和栖二段主要由层状的粉细晶白云岩和中粗晶白云岩组成，少量泥晶灰岩在栖二段顶部发育。茅口组可以划分为茅一段、茅二段、茅三段和茅四段四个段。茅一段主要由泥晶灰岩和泥质灰岩组成，指示了一个相对深水的沉积环境。茅二段和茅三段主要由生屑灰岩组成，部分白云岩化，茅二段顶部的白云岩中保存了原始的沉积结构，指示了海平面的高频变化，在此时期以颗粒滩相的灰岩沉积为主。茅四段主要以生屑泥晶灰岩和生屑灰岩为主，可见燧石结核发育，指示了海平面的相对升高。

粉晶白云岩在宏观上呈层状发育，主要发育于栖霞组底部和茅二段（图 2a）。中粗晶白云石在宏观上呈砂糖状，在新基姑野外剖面栖霞组地层中可见中粗晶白云岩中溶蚀孔洞发育（图 2b）。在张村剖面中粗晶白云岩发育斑马纹状结构，大量裂缝中充填白色的鞍形白云石胶结物（图 2c）。汉深1井栖霞组岩芯样品中，可见中粗晶白云石中溶蚀孔洞和裂缝发育并充填鞍形白云石胶结物（图 2d~f）。

Figure 2.  Macroscopic characteristics of the Middle Permian dolomite in the southwestern Sichuan Basin

粉晶白云石主要发育在栖一段底部和茅二段，晶形较小，一般小于50 μm，晶粒结构主要为半自形晶—它形晶，显示了较快的结晶过程，在部分样品中存在纹层状结构（图 2a），主要发育在蒸发条件下的潮坪—潟湖环境。粉晶白云石中保留了部分原始的沉积结构，包括了纹层状结构和原始的颗粒结构，颗粒间早期溶蚀较为发育，可作为较好的储集空间（图 3b）。在扫描电镜下也可见粉晶白云石中残留原始生屑颗粒幻影结构（图 3f）。

Figure 3.  Petrological characteristics of the Middle Permian powdered and fine-grained dolomites

细晶白云石主要分布在栖一段上部、栖二段和茅二段。细晶白云石晶形主要为自形—半自形，晶粒大小为50~250 μm之间，单偏光下可见雾心亮边结构（图 3d）。原始的沉积结构在细晶白云石中基本没有保留，表明了其经过了一定程度的埋藏改造，晶形较好的细晶白云石出现在粉晶白云石周围，揭示了细晶白云石是由于埋藏深度和孔隙压力的加大，由粉晶白云石重结晶而成（图 3c）。在阴极发光下，细晶白云石整体发光较弱，但晶体边缘可见相对较亮的橙红色发光（图 3e）。细晶白云石整体晶形较好，晶间孔较为发育，可以作为较好的储集空间，扫描电镜下可见晶体的自形程度较高（图 3g~i）。

中粗晶白云石主要发育在栖霞组栖一段和栖二段，茅二段上部有少量发育，宏观上表现为砂糖状粗晶白云岩，发育较多的溶蚀孔洞（图 2b）。中粗晶白云石晶体较为粗大，晶体大小为250 µm~2 mm，主要为非平直晶面它形晶，部分样品中晶间孔发育，可见石英充填和沥青（图 4a）。中粗晶白云石的晶面较为弯曲，在阴极发光下可见较强的橙红色发光，表明其成岩流体相对于海水来说具有一定差异，较高的Mn含量激活了阴极发光，这可能是成岩流体经过了较为强烈的成岩蚀变所致（图 4e，f）。

Figure 4.  Petrological characteristics of coarse-grained dolomite and dolomite cement from the Middle Permian

白云石胶结物主要发育在栖霞组栖一段和栖二段，在宏观下表现为裂缝或溶蚀孔洞里的白色充填物，部分样品中充填于裂缝当中，与黑色围岩呈黑白相间呈斑马纹状发育（图 2c，d）。白云石胶结物主要为鞍形白云石，晶体大小变化较大，晶面弯曲，在正交光下可见波状消光（图 4d）。白云石胶结物作为衬里紧挨着中粗晶白云石分布（图 4d）。

本研究中四种类型白云石（包括粉晶白云石、细晶白云石、中粗晶白云石和白云石胶结物）、相应的矿物（包括石英胶结物、方解石胶结物和沥青）以及相关成岩作用（包括早期溶蚀作用、晚期溶蚀作用以及构造破裂作用）之间的成岩序列主要由其晶体特征、分布及相互切割关系确认。

细晶白云石主要由粉晶白云石重结晶而成，可以推测细晶白云石的形成晚于粉晶白云石（图 3c）。部分粉晶白云岩中可见残余的早期溶蚀孔（图 3b）。中粗晶白云石和白云石胶结物则形成于稍晚的成岩阶段。在部分样品中，从中心到边缘可见细晶白云石、中粗晶白云石和白云石胶结物依次连续排列（图 4b），也可以推测细晶白云石的形成时间早于中粗晶白云石和白云石胶结物。白云石胶结物作为裂缝中的衬里出现，也表明其形成时间晚于裂缝（图 2c、图 4b）。相应的中粗晶白云石—裂缝—白云石胶结物依次形成的成岩序列在世界范围内已经被广泛报告，大量裂缝的形成可能与该地区频繁的构造活动和较高的孔隙流体压力有关^[10-13]。石英作为胶结物充填在中粗晶白云石的晶间孔中，说明形成时间晚于中粗晶白云石（图 4a）。充填在裂缝中的方解石胶结物切割中粗晶白云石和石英胶结物，说明其形成于稍晚的成岩过程（图 4c）。更晚时期形成的缝合线同时切割了方解石脉、中粗晶白云石以及石英胶结物，并被晚期的溶蚀作用扩溶，也可见后期的沥青充填（图 4c）。

在以上矿物分布和切割关系的基础上，作出了四川盆地西南地区中二叠统白云岩储层的成岩演化序列图（图 5），建立了中二叠统白云岩储层中主要矿物及相应成岩作用序列。即从成岩早期到晚期，依次形成（或发生成岩作用）了粉晶白云石、早期溶蚀作用、细晶白云石、中粗晶白云石、裂缝、白云石胶结物、石英、方解石脉、缝合线、晚期溶蚀和沥青充填。

Figure 5.  Diagenetic sequence diagram of the Middle Permian dolomite reservoir in the southwestern Sichuan Basin

并在此基础上做出了相应的成岩模式示意图（图 6），进一步阐明了该地区白云岩储层中的矿物和成岩作用之间的空间和时间关系。

Figure 6.  Diagenesis pattern of the Middle Permian dolomite reservoir in the southwestern Sichuan Basin

在中粗晶白云石和鞍形白云石胶结物中发现大量的流体包裹体（图 7），通过对流体包裹体进行分析发现，中粗晶白云石和鞍形白云石都具有较高的均一温度和盐度（图 8）。其中，中粗晶白云石的包裹体均一温度为148.6 ℃~248.3 ℃，平均为198.8 ℃，盐度为（9.0~24.6）wt.% NaCl.eqv，平均为16.6 wt.%NaCl.eqv；鞍形白云石中包裹体均一温度为154.2 ℃~ 255.3 ℃，平均为203.3 ℃，盐度为（7.9~24.8）wt.% NaCl.eqv，平均为14.3 wt.% NaCl.eqv。中粗晶白云石和鞍形白云石的氧同位素值也具有明显偏负的特征，处于高温白云石分布的区间（图 9、表 1）^[14]。

Figure 7.  Inclusions in medium coarse crystal and saddle dolomites

Figure 8.  Homogenization temperature and salinity scatter plots of fluid inclusions in medium coarse crystal and saddle dolomites

Figure 9.  Carbon and oxygen isotope characteristics of medium coarse crystal and saddle dolomites

尽管较高的包裹体均一温度和偏负的氧同位素值说明中粗晶白云石和鞍形白云石成岩流体具有较高的温度，但仍不能确定其流体为热液来源。根据Machel^[15]等的观点，判断一种白云石成岩流体是否为热液的依据是其流体温度是否明显高于围岩。在薄片观察中发现大量缝合线切割中粗晶白云石和鞍形白云石（图 4b，c），说明其形成时间应早于大量缝合线形成，形成深度应早于大量缝合线形成的深度（600~900 m）^[16]。如果按地表温度25 ℃，地温梯度40 ℃/km估算，此时的埋藏温度应小于65 ℃，远远低于中粗晶白云石和鞍形白云石的成岩流体温度。因此，中粗晶白云石和鞍形白云石的成岩流体最大的可能性是来自于热液流体。造成这种现象主要有两种可能：一是异常高的地温梯度，即外在热源的影响导致成岩流体和围岩温度同时升高；二是热液流体的作用，即相对高温的热液流体进入相对低温的围岩，发生反应形成中粗晶白云石和鞍形白云石。

另一方面，根据前人研究，四川盆地中二叠统地层中热液流体活动可能与峨眉山大火成岩省有关（ELIP）^[17-18]。四川盆地热流值在峨眉地裂初期（约290 Ma）超过80 mW/m²；在中期（中二叠世末—晚二叠世初，约259 Ma）超过100 mW/m²；盆地中部、北部及东北部低者也达60~80 mW/m²；晚二叠世后热流值持续降低，伴随峨眉地裂运动结束，晚二叠世—晚三叠世热流值快速下降，晚三叠世至今缓慢降低^[17-18]。因此在整个中二叠时期，四川盆地都具有异常高的地温梯度，古地温梯度可达65 ℃/km^[17-18]。但是这种程度的异常高地温梯度下中二叠统地层在中粗晶白云石和鞍形白云石形成时的埋藏温度最高也仅为110 ℃，仍然远远低于中粗晶白云石和鞍形白云石中包裹体均一温度。因此，与川西南地区中二叠统地层中粗晶白云石和鞍形白云石形成有关的流体为热液流体，由峨眉山大火成岩活动引起的异常地温梯度可能有一定的贡献，但不是造成成岩流体具有如此高形成温度的主要因素。

与此同时，中粗晶白云石和鞍形白云石都具有较高的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr，明显大于灰岩和同期海水（图 10、表 1），这表明中粗晶白云石和鞍形白云石的成岩流体来自于非同期封存的海水。高的锶同位素值可能有两种可能性，一是来自大气淡水；二是来自于深部地层，流体在沿断裂向上运移过程中曾与下伏含黏土或长石等硅铝质碎屑岩或与基底岩石之间相互作用而获得放射性的锶^[15]。上文已经讨论，与中粗晶白云石和鞍形白云石有关成岩流体的高温不是受到火山热事件的影响，因此不可能是来自于大气淡水。这样的高温高盐度热液流体应该是来自于深部，至于该热液流体是来自于幔源还是下伏地层中的高盐度卤水还需要进一步的研究去探讨。

Figure 10.  Sr isotope characteristics of medium coarse crystal and saddle dolomites

（1）在四川盆地西南地区中二叠统白云岩储层中，识别出了粉晶白云石、细晶白云石、中粗晶白云石和白云石胶结物等四种类型的白云石。

（2）在矿物分布和切割关系的基础上，确立了川西南地区中二叠统白云岩储层的成岩序列，即从成岩早期到晚期，依次形成（或发生成岩作用）了粉晶白云石、早期溶蚀作用、细晶白云石、中粗晶白云石、裂缝、白云石胶结物、石英、方解石脉、缝合线、晚期溶蚀和沥青充填。

（3）来自于深部的非海源性热液流体造成了早期白云石的重结晶作用，形成中粗晶白云石，并在裂缝和溶蚀孔洞中沉淀了鞍形白云石胶结物。