鄂西黄陵背斜周缘震旦系灯影组白云岩成因分析

图1 研究区灯影期沉积相及灯影组地层柱状图(据李文正等^[14]修改)

Fig.1 Lithofacies palaeogeographic map and stratigraphy of Dengying Formation in study area (modified from Li et al.^[14])

2 样品采集和实验方法

灯影组碳酸盐岩样品采自湖北省秭归县青林口剖面(24块)和长阳县佑溪剖面(14块)。样品分析测试在中国科学院西北生态环境资源研究院完成,利用MAT 253型分析设备依据《有机物和碳酸盐岩碳、氧同位素分析方法》(SY/T 5238—2008)开展了碳酸盐岩碳、氧同位素分析;利用岛津XRF-1800型荧光光谱仪依据《硅酸盐岩化学分析方法第28部份:16个主次成分测定》(GB/T 14506.28—2010)方法测定了常量元素;利用NU Instuments ATTOM型等离子体质谱仪依据《硅酸盐岩化学分析方法第30部份:44个元素量测定》(GB/T 14506.30—2010)方法测定了微量元素;利用日本理学Ultama IV X-射线衍射仪依据《沉积岩中粘土矿物和常见非粘土矿物X射线衍射分析方法》(SY/T 5163—2010)开展了全岩矿物分析和白云岩有序度测定;利用DM2500P型显微镜依据《岩石孔隙结构特征的测定图像分析法》(SY/T 6103—2004)开展了铸体薄片鉴定;利用CL8200 MK5-2型设备依据《岩石矿物学阴极发光鉴定方法》(SY/T 5916—2013)开展了阴极发光薄片鉴定;利用场发射扫描电镜Merlin Compact设备依据《岩石样品扫描电子显微镜分析方法》(ST/Y 5162—2014)对样品进行了测定。以上实验在室温25 ℃、湿度60%的条件下完成。

3 实验结果

3.1 白云岩镜下结构特征

从阴极发光镜下鉴定结果可以看出,本次测试样品大致可分为泥—粉晶白云岩、粉—细晶灰质白云岩两大类,其所含白云质均为结晶白云岩,个别样品的晶体粒度为泥晶,绝大多数样品为泥—粉晶和粉—细晶。QLK-23号样品为典型的泥—粉晶结构白云岩,阴极下白云石玫瑰红色为主,伴有少量蓝色呈星点状分布的长石;裂缝呈网状,缝内由橙红色、暗橙黄色方解石充填;孔隙以溶孔为主,不发育(图2a~c)。QLK-11号样品为典型的粉—细晶灰质云岩,样品结晶粒度比纯白云岩样品的结晶粒度略高(图2d~f),岩石成分以细晶、粉晶白云石为主,次为方解石;孔隙以溶孔为主;裂缝发育,方解石全充填。

图2

图2 灯影组白云岩岩相类型薄片特征

a—QLK-23号样品单偏光镜下照片;b—QLK-23号样品正交光镜下照片;c—QLK-23号样品阴极光镜下照片;d—QLK-11号样品单偏光镜下照片;e—QLK11号样品正交光镜下照片;f—QLK-11号样品阴极光镜下照片

Fig.2 Thin-section characteristics of dolomite lithofacies in Dengying Formation

a—micropohograph of sample No.QLK-23 under plane polarized light; b—micropohograph of sample No.QLK-23 under perpendicular polarized ligh; c—micropohograph of sample No.QLK-23 under cathode light; d—micropohograph of sample No.QLK-11 under plane polarized light; e—micropohograph of sample No.QLK-11 under perpendicular polarized ligh; f—micropohograph of sample No.QLK-11 under cathode light

场发射扫描电镜结果显示,泥—粉晶(图3a~c)白云岩和粉—细晶(图3d~f)白云岩镜下白云石晶体均以自形为主,可见菱面体形态,晶体间发育未充填的晶间孔,孔隙直径2~15 μm,且晶间孔形态受晶体解理控制。

图3

图3 灯影组白云岩场发射扫描电镜照片

a—QLK-23号样品全貌,白云石晶体以自形为主,晶间孔发育(×500);b—照片a局部放大,白云石以自形的菱面体为主,晶体间发育晶间孔(×1000);c—照片b局部放大,白云石晶间孔发育(×2000);d—QLK-11号样品全貌,白云石晶体以自形为主,晶间孔发育 (×500);e—照片d局部放大,白云石以自形的菱面体为主,晶体间发育晶间孔(×1000);f—照片e局部放大,白云石晶间孔发育(×2000)

Fig.3 Scanning electron microscope photo of dolomite in Dengying Formation

a—full view of Sample QLK-23 reveals euhedral calcite crystals with well-developed intercrystalline pores (×500); b—enlarged view of part (a) shows euhedral calcite crystals, predominantly rhombic dodecahedra, with well-developed intercrystalline pores (×1000); c—further enlargement of part (b) exhibits the presence of well-developed intercrystalline pores in calcite (×2000); d—full view of Sample QLK-11 displays euhedral calcite crystals with well-developed intercrystalline pores (×500); e—enlarged view of part (d) depicts euhedral calcite crystals, mainly rhombic dodecahedra, with well-developed intercrystalline pores (×1000); f—further enlargement of part (e) showcases the existence of well-developed intercrystalline pores in calcite at a higher magnification level(×2000)

3.2 主量元素特征

青林口剖面和佑溪剖面样品特征表现较为一致,主量元素中以CaO占比最高,分布范围为19.56%~54.13%,平均38.75%;MgO含量其次,分布范围为0.63%~23.32%(表1)。38个样品中,有22个样品的CaO和MgO分子数比例为1∶1。需要指出的是,部分样品可能受后期风化、蚀变作用$\mathrm{CO}_{3}^{2-}$流失影响,导致CaO和MgO含量整体偏高,但其分子数比例仍为1∶1。另有15个样品的CaO含量较高,镜下鉴定为灰质白云岩,但其白云石晶体发育状态与纯净白云岩并无明显差别,可认为两种岩性经历了同样的成岩、改造过程。此外SiO₂占比为0.13%~29.55%,平均5.09%,Al₂O₃占比为0.05%~2.99%,平均0.34%,显示样品中含有少量石英和长石。

表1 鄂西地区佑溪、青林口剖面主量元素、微量元素和碳氧同位素数据

Table 1 Data of major elements, trace elements and carbon and oxygen isotopes of Youxi and Qinglinkou profiles in the western Hubei region

序号	样品编号	岩性	微量元素含量/10^-6						主量元素含量/%				碳氧同位素
序号	样品编号	岩性	Sr 光谱	Sr 质谱	Mn	Fe	w(Fe)/ w(Mn)	w(Mn)/ w(Sr)	SiO₂	Al₂O₃	CaO	MgO	δC¹³/ PDB,‰	δO¹⁸/ PDB,‰	古盐度指标(Z)	古海水温度T/℃	成岩温度T/℃
1	QLK-01	粉—泥晶白云岩	61.94	86.6	97.70	357.78	3.66	1.13	0.50	0.18	32.37	23.08	-2.29	-6.55	119.35	17.96	45.57
2	QLK-02	纹层状泥质泥晶白云岩	149.91	99.5	94.20	5374.44	57.05	0.95	6.82	1.81	27.51	20.80	1.89	-7.45	127.46	21.9	50.19
3	QLK-03	粉—泥晶硅质灰岩	479.53	43	190.10	62.22	0.33	4.42	13.29	0.06	26.33	20.03	3.54	-5.45	131.84	13.42	40
4	QLK-04	粒屑粉—泥晶灰岩	2683.77	1361	34.20	/	0.00	0.03	1.52	0.05	53.66	1.48	2.65	-6.3	129.59	16.9	44.29
5	QLK-05	泥—粉晶白云岩	2462.38	77.1	169.90	147.78	0.87	2.20	0.68	0.10	32.57	23.07	3.83	-6.65	131.83	18.39	46.08
6	QLK-06	细晶含灰白云岩	1994.75	67.1	216.80	132.22	0.61	3.23	0.72	0.09	32.64	22.74	5.03	-5.39	134.92	13.19	39.7
7	QLK-07	泥—粉晶白云岩	1090.57	90.5	166.90	482.22	2.89	1.84	0.30	0.11	32.68	20.55	3.89	-6.56	132	18	45.62
8	QLK-08	粉—细晶白云岩	2573.67	63.2	144.10	4106.67	28.50	2.28	5.58	1.58	27.91	18.56	3.81	-5.99	132.12	15.61	42.72
9	QLK-09	粉—细晶白云岩	1620.55	1528.4	/	38.89	/	/	0.45	0.08	54.03	1.38	3.77	-5.27	132.4	12.71	39.1
10	QLK-10	泥—粉晶云质灰岩	984.39	397.6	2.50	15.56	6.22	0.01	3.77	0.15	50.88	1.63	1.61	-8.22	126.5	25.44	54.2
11	QLK-11	粉—细晶灰质白云岩	1463.82	1149.4	19.40	/	0.00	0.02	2.23	0.08	54.13	0.63	3.68	-6.07	131.81	15.94	43.12
12	QLK-12	粉—细晶灰质白云岩	664.52	73.9	139.80	70.00	0.50	1.89	4.43	0.16	30.83	22.19	2.82	-7.95	129.12	24.18	52.79
13	QLK-13	粉—细晶白云质灰岩	1192.04	117.3	116.80	2107.78	18.05	1.00	1.28	0.34	32.33	19.40	3.07	-7.08	130.06	20.26	48.28
14	QLK-14	泥—粉晶白云岩	1308.22	684.5	337.10	124.44	0.37	0.49	2.51	0.21	39.91	14.44	1.03	-9.78	124.54	33.09	62.47
15	QLK-15	粉—细晶云质灰岩	861.54	2027.9	10.70	7.78	0.73	0.01	17.43	0.16	40.02	1.73	1.31	-9.7	125.15	32.68	62.04
16	QLK-16	粉晶含灰白云岩	1702.04	36.6	68.40	31.11	0.45	1.87	0.16	0.05	32.54	23.31	2.93	-6.95	129.84	19.68	47.61
17	QLK-17	粉—细晶白云岩	2327.16	2073.7	12.70	140.00	11.02	0.01	1.79	0.14	51.02	3.33	3.53	-6.08	131.5	15.98	43.18
18	QLK-18	粉晶白云岩	1841.99	64.3	87.50	248.89	2.84	1.36	0.13	0.06	32.92	22.77	2.95	-6.81	129.95	19.08	46.89
19	QLK-19	粉—泥晶白云岩	62.49	1687.1	19.50	7.78	0.40	0.01	14.35	0.11	41.48	2.47	2.48	-7.81	128.49	23.54	52.06
20	QLK-20	粉—泥晶白云岩	57.44	95.8	99.90	132.22	1.32	1.04	0.31	0.16	33.45	22.37	1.23	-8.04	125.82	24.6	53.26
21	QLK-21	泥—粉晶白云岩	63.87	857.5	204.50	4876.67	23.85	0.24	16.56	2.99	32.59	4.55	2.16	-7.86	127.81	23.77	52.32
22	QLK-22	泥—粉晶白云岩	81.86	1029.4	106.40	1796.67	16.89	0.10	6.73	1.03	45.38	2.38	2.35	-7.8	128.23	23.49	52.01
23	QLK-23	泥—粉晶白云岩	60.23	173.1	154.50	248.89	1.61	0.89	1.23	0.21	32.77	22.10	0.87	-7.57	125.31	22.44	50.81
24	QLK-24	泥—粉晶白云岩	102.88	73.9	101.40	256.67	2.53	1.37	0.27	0.12	32.74	23.12	1.18	-7.04	126.21	20.08	48.08
25	YX-01	泥—粉晶白云岩	54.88	100.1	207.80	7.78	0.04	2.08	0.75	0.06	32.89	22.87	3.35	-6.25	131.05	16.69	44.04
26	YX-02	泥—粉晶白云岩	42.51	936.3	24.50	116.67	4.76	0.03	2.41	0.14	52.39	1.25	1.97	-6.85	127.92	19.25	47.1
27	YX-03	泥—粉晶白云岩	87.58	283.7	7.10	/	0.00	0.03	1.24	0.05	54.06	1.28	1.55	-4.17	128.4	8.54	33.64
28	YX-04	粉—泥晶白云岩	82.75	92.1	76.70	132.22	1.72	0.83	0.67	0.10	32.61	23.06	1.95	-8.34	127.14	26.01	54.83
29	YX-05	粉—泥晶白云岩	64.72	46.4	178.70	85.56	0.48	3.85	25.64	0.06	20.82	17.36	-1.28	-8.6	120.4	27.25	56.2
30	YX-06	粉—泥晶白云岩	57.01	39.1	140.90	225.56	1.60	3.60	0.29	0.06	32.36	23.23	1.96	-8.06	127.3	24.69	53.36
31	YX-07	粉—泥晶含硅白云岩	37.75	49.2	256.60	70.00	0.27	5.22	0.63	0.05	32.56	22.62	/	/	/	/	/
32	YX-08	粉—泥晶白云岩	36.41	82.8	73.10	342.22	4.68	0.88	29.55	0.12	19.56	16.47	3	-8.83	129.05	28.36	57.41
33	YX-09	粉—泥晶白云岩	43.43	79.2	154.20	85.56	0.55	1.95	1.09	0.05	32.08	22.28	2.65	-8.41	128.54	26.34	55.2
34	YX-10	泥—粉晶白云岩	61.82	1128.6	12.20	303.33	24.86	0.01	24.17	0.24	31.96	4.81	3.38	-7.98	130.25	24.32	52.95
35	YX-11	粉—泥晶白云岩	67.23	76.2	201.30	70.00	0.35	2.64	8.10	0.08	28.51	21.23	1.74	-8.1	126.83	24.88	53.57
36	YX-12	粒屑粉—泥晶白云岩	71.48	1354.8	0.80	85.56	106.94	0.00	6.29	0.12	46.72	3.24	2.29	-7.72	128.15	23.13	51.59
37	YX-13	含粒屑粉—泥晶白云岩	32.58	787.3	55.90	93.33	1.67	0.07	0.95	0.11	54.04	1.37	0.73	-7.31	125.15	21.27	49.47
38	YX-14	粉—细晶白云岩	79.11	9.5	9.50	202.22	21.29	1.00	3.76	0.21	50.34	1.78	2.91	-8.27	129.14	25.68	54.46

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3.3 微量元素特征

碳酸盐岩中Sr含量常被作为研究白云石化作用的重要指标。本次测试中XDR荧光光谱法和等离子体质谱法均对样品的Sr含量进行了测定,其中XDR荧光光谱法测得Sr含量为(32.58~2 683.77)×10^-6,平均为702.92×10^-6;等离子体质谱法测得Sr含量为(9.5~2 073.7)×10^-6,平均为500.62×10^-6(表1)。

Fe和Mn因其在海水中富集程度远远低于地层水,因此常用作判断成岩环境的指标。试验结果表明,样品中Fe含量为(7.78~5 374.44)×10^-6,平均为733.70×10^-6,且仅有5个样品Fe含量大于1 000×10^-6,其余样品平均值为150×10^-6。样品中Mn含量为(0.8~337.1)×10^-6,平均值为94.1×10^-6。

3.4 碳氧同位素特征

3.4.1 数据有效性

碳酸盐岩的蚀变作用是影响数据有效性的重要因素。相对碳同位素而言,碳酸盐岩中氧同位素组成更易受蚀变作用的影响。前人认为当δ¹⁸O值小于-10‰(或-11‰)时,样品受蚀变影响不能使用^[21];此外,如果碳、氧同位素存在明显相关性,则说明其在成岩过程中同步发生变化,即受到了蚀变作用影响。白云岩中Mn和Sr的含量比值也可反映蚀变作用程度,且呈正相关性,w(Mn)/w(Sr)>1.5则可能受蚀变作用影响,w(Mn)/w(Sr)>3则说明经历了强烈的成岩改造^[22]。

本次测试及引用的δ¹⁸O值均大于-10‰,且碳氧同位素之间均未呈相关性,证明数据可用性高;青林口剖面QLK-03、QLK-06号样品和佑溪剖面YX-05、YX-06 、YX-07号样品的w(Mn)/w(Sr)>3,在主量元素和微量元素的讨论中予以剔除;另有6个样品的w(Mn)/w(Sr)>1.5,但碳氧同位素未显示明显差异,数据予以保留(表1)。总体看,样品受到蚀变作用的影响较弱,实验结果可靠。

3.4.2 碳氧同位素特征

两个剖面的碳同位素δ¹³C分布范围略大,为1.5‰~5.0‰,平均值为2.3‰,与同期海水接近(表1)。氧同位素δ¹⁸O值则显著降低,一般在-8.5‰~-6‰,平均值为-7.28‰,但均未低于-10‰,表明其经历了地温逐步升高的过程,且未受热液影响。

3.5 全岩矿物与白云石有序度特征

青林口和佑溪剖面共测得28个有效白云石有序度数据,数据分布范围0.61~0.99,平均高达0.81,频率峰值分布于0.8~0.9之间。碳酸盐岩中白云石含量在一定程度上反映了母岩白云石化的程度,样品矿物组成中白云石含量为68%~100%,平均达到91.34%。此外含有少量的方解石、石英和长石(表2)。

表2 矿物含量与白云石有序度数据

Table 2 Mineral content and dolomite ordering data

序号	样品编号	矿物含量/%					白云石有序度
序号	样品编号	方解石	白云石	石英	钾长石	斜长石	白云石有序度
1	QLK-01	14	86	/	/	/	0.67
2	QLK-02	/	68	24	8	/	0.61
3	QLK-03	/	99	1	/	/	0.99
4	QLK-04	3	90	5	/	2	/
5	QLK-05	/	99	/	/	1	/
6	QLK-06	10	86	4	/	/	/
7	QLK-07	/	90	10	/	/	0.82
8	QLK-08	/	87	13	/	/	0.74
9	QLK-09	17	83	/	/	/	0.74
10	QLK-10	/	97	/	2	1	/
11	QLK-11	6	93	/	/	1	/
12	QLK-12	/	86	11	3	/	0.57
13	QLK-13	/	93	/	7	/	/
14	QLK-14	14	86	/	/	/	0.76
15	QLK-15	/	85	/	15	/	0.77
16	QLK-16	/	96	4	/	/	/
17	QLK-17	/	89	11	/	/	/
18	QLK-18	/	85	10	/	5	/
19	QLK-19	/	85	15	/	/	0.82
20	QLK-20	/	92	/	8	/	0.78
21	QLK-21	/	98	/	1	1	0.9
22	QLK-22	/	96	4	/	/	0.85
23	QLK-23	/	93	6	1	/	0.81
24	QLK-24	/	95	4	1	/	0.85
25	YX-01	/	100	/	/	/	0.9
26	YX-02	/	99	1	/	/	0.96
27	YX-03	/	89	1	/	10	/
28	YX-04	/	96	4	/	/	0.85
29	YX-05	/	96	2	2	/	0.83
30	YX-06	2	93	/	5	/	0.8
31	YX-07	/	90	10	/	/	0.84
32	YX-08	6	80	10	4	/	0.79
33	YX-09	/	91	5	3	1	0.82
34	YX-10	/	94	5	1	/	0.83
35	YX-11	/	94	/	5	1	0.84
36	YX-12	/	93	2	5	/	0.88
37	YX-13	/	99	/	1	/	0.97
38	YX-14	/	100	/	/	/	0.94

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4 白云石成因分析

一般认为白云石按成因主要分为沉积成因(多与生物活动相关)的原生白云石,及在白云石化作用中交代形成的次生白云石。近年随着“准同生白云岩”概念的提出,部分早期被认为是原生白云岩的岩层也可以被划为准同生白云岩的范畴。埋藏白云石化作用长期被认为是典型的交代作用之一,其发生在具有一定孔隙度和渗透率的灰岩地层中,如颗粒灰岩和结晶灰岩等,所以该模式下形成的白云岩多为颗粒白云岩和粉—粗晶白云岩。埋藏作用形成的白云石有序度一般都较高,δ¹⁸O一般为负值,Sr 和Na 含量也比较低^[23]。在本研究中,来自两个剖面的白云岩样品同时呈现了准同生作用和埋藏作用的特征。

4.1 准同生白云石特征

4.1.1 CaO和MgO含量

准同生白云石在开放环境下由大气CO₂溶于水提供$\mathrm{CO}_{3}^{2-}$,与高盐海水中以1∶1的比例混合的Mg²⁺ 和CaCO₃结合形成^[24],其主量元素中CaO和MgO含量理论上呈正相关性,而如果呈负相关性则可认为是交代成因^[25-29]。由白云石化学式CaMg(CO₃)₂可知,理想白云石中CaO和MgO所占比重分别为30.43%和21.74%。

而在典型的交代白云石化作用过程中,方解石、文石等碳酸盐岩矿物中的Ca²⁺被Mg²⁺置换,其主量元素中CaO和MgO含量理论上呈负相关性。由于理想方解石(或文石)中CaO和MgO所占比重分别为56%和0%,因此其逐渐向理想白云石转化的过程中CaO比重逐渐由56%降至为30.43%,MgO比重由0%升至21.74%。

本次38个样品中,有22个样品的CaO和MgO分子数比例为1∶1,反映了准同生白云岩的成岩过程中部分样品可能受后期风化、蚀变作用$\mathrm{CO}_{3}^{2-}$流失影响导致CaO和MgO含量整体偏高,但其分子数比例仍为1∶1,笔者认为这正好反映了准同生白云岩作用(图4)。另有15个样品的CaO含量较高,镜下鉴定为灰质白云岩、白云质灰岩,但其白云石晶体发育状态与纯净白云岩并无明显差别,可认为两种岩性经历了同样的成岩、改造过程。

图4

图4 CaO和MgO含量关系

Fig.4 Relationship between CaO and MgO contents

4.1.2 Sr含量

碳酸盐岩中Sr元素含量常被作为研究白云石化作用的重要指标。由于Sr²⁺离子半径更大,其更易取代碳酸盐矿物中的Ca²⁺而难于取代Mg²⁺,这导致Sr²⁺在白云石中的分配系数只有在方解石中的一半,更远远低于文石。准同生作用形成的白云石中Sr含量一般小于200×10^-6,而文石或以文石为母岩重新成岩的方解石中Sr含量往往在几千ppm^[24,30]。

在两种测试方法中,38个测试样品中均有22个样品的Sr含量小于200×10^-6,且其余样品Sr含量最高不超过3 000×10^-6(图5),说明本地区白云石是以准同生作用形成的白云石为主,但掺有少量的文石或以文石为母岩的方解石。

图5

图5 Sr元素含量分布直方图

Fig.5 Histogram of Sr elemental content distribution

4.2 准同生白云岩形成环境

4.2.1 Fe、Mn含量

Fe和Mn因其在海水中富集程度远远低于地层水,因此常用作判断成岩环境的指标。而在碳酸盐岩埋藏过程中的Fe²⁺和Mn²⁺在还原环境下更容易替代矿物中的Ca²⁺和Mg²⁺,因此一般认为埋藏成因白云岩中Fe和Mn含量较高^[27,31]。试验结果表明,样品中Fe含量为(7.78~5 374.44)×10^-6,平均为733.70×10^-6,且仅有5个样品Fe含量大于1 000×10^-6,其余样品平均值为150×10^-6。样品中Mn含量为(0.8~337.1)×10^-6,平均值为94.1×10^-6(表1)。总体看,白云石形成于Fe、Mn含量较低的海水中,反映了准同生白云岩的形成环境。

4.2.2 古水体环境

前人研究表明,碳酸盐岩碳氧同位素组成随水体盐度和温度的变化而变化,现今利用经验公式:古盐度Z=2.048(δ¹³C+50)+0.498(δ¹⁸O+50)、古流体温度T=16.9-4.2($\delta^{18} \mathrm{O}_{\mathrm{CaCO}_{3} \text { 校正 }}$+0.22)+0.13($\delta^{18} \mathrm{O}_{\mathrm{CaCO}_{3} \text { 校正 }}$+0.22)²和成岩温度T=13.85-4.58δ¹⁸O+0.04(δ¹⁸O)²判识古海水与淡水碳酸盐成岩环境的方法较为成熟^[32]。其中古流体温度需要利用第四纪海相碳酸盐岩的δ¹⁸O平均值-1.2‰为标准进行年代校正,本文灯影组δ¹⁸O平均值为-7.28‰,二者差值Δδ¹⁸O=-6.08‰ 。用实测值与年代校正中Δδ¹⁸O 值相减,即可得到公式中CaCO₃校正值δ¹⁸O,最后根据公式计算出古海水温度。

两个剖面仅有一个样品的古盐度(Z)值低于120,其余绝大部分在125~130之间,平均达到128.41。同时,计算形成时期的流体温度为8.5~33.1 ℃,平均温度21.32 ℃,主频分布在16~27 ℃,说明当时该区主要为温暖或炎热的亚热带气候。计算结果也表明成岩温度为33.64~62.47 ℃,平均为49.36 ℃,满足准同生白云岩的形成环境。

4.3 白云石埋藏改造作用

一般认为泥晶白云岩是在强烈蒸发环境下高Mg²⁺离子浓度水体中白云石迅速结晶形成,以形成速度快、白云石有序度低为主要特征^[6]。在埋藏压实过程中,低有序度的泥晶白云石发生重结晶作用, 逐渐向粉晶、细晶白云石转化,同时白云石有序度也会升高,并逐渐趋于完全有序^[33-34]。本地区发育的高白云石有序度的泥晶—粉晶白云岩具备这种经过埋藏压实重结晶改造的特征。

4.3.1 碳氧同位素特征

碳氧同位素是判断白云岩成因的重要手段^[35-36]。一般认为蒸发环境中形成的白云岩δ¹⁸O 和δ¹³C 值相对较高;而埋藏成因形成的白云岩δ¹⁸O 值相对较低,如果受热液影响,其δ¹⁸O 值一般小于-10.0‰。

不同成因白云岩δ¹³C 值主要受形成时海水中碳同位素影响^[37],受后期改造因素影响较小,多呈原岩特征。王宗哲等^[20]的研究结果表明,扬子台地震旦系灯影期海水碳同位素δ¹³C为较平稳的正值,一般在2.0‰~3.4‰,且波动较小。两个剖面的碳同位素δ¹³C分布范围略大,为1.5‰~5.0‰,平均值为2.3‰,与同期海水接近(表1)。但本次测试的氧同位素δ¹⁸O值为-8.5‰~-6‰,平均值为-7.28‰,显著低于灯影期海水氧同位素δ¹⁸O(-6.5‰~-2.0‰),但均未低于-10‰,表明其经历了地温逐步升高的埋藏过程,但未受热液影响,具备埋藏成因白云石的特征。

4.3.2 全岩矿物与白云石有序度特征

白云石有序度一般用于反映白云石的形成机制和结晶程度,有序度越高意味着结晶程度越高。天然白云石有序度一般介于0~1之间, 如Mg²⁺、Ca²⁺和$\mathrm{CO}_{3}^{2-}$3种离子在晶格组成上呈完全有序排列,有序度为1;如果晶体中任何一点找到这3种离子的概率完全相同,则其有序度为0^[23,38-39]。统计结果表明,准同生和渗透回流作用形成的白云石有序度最低,混合白云石化形成的白云石有序度中等,埋藏成因白云石的有序度最高^[40]。

青林口和佑溪剖面共测得28个有效白云石有序度数据,数据分布范围0.61~0.99,平均值高达0.81(图6),反映了埋藏成因白云岩的特征,频率峰值分布于0.8~0.9之间,更接近于深埋藏白云岩。

图6

图6 白云石有序度分布直方图(n=28)

Fig.6 Histogram of dolomite orderliness distribution(n=28)

碳酸盐岩中白云石含量在一定程度上反映了母岩白云石化的程度,样品矿物组成中白云石含量为68%~100%,平均值达到91.34%,此外含有少量的方解石、石英和长石(表2)。但从白云石含量与有序度关系上看,两者呈正相关性,且在白云石有序度>0.7的样品中这种正相关的关系更明显(图7),反映了在埋藏改造过程中白云石化程度越高,白云石有序度也越高。

图7

图7 白云石含量与白云石有序度关系

Fig.7 Relationship between dolomite content and dolomite orderliness

5 白云岩成因模式

准同生作用发生于岩石最初形成的时期,而埋藏改造作用则可发生于成岩作用之后,由于两者作用机制发生于不同阶段,因此并不矛盾。前人已利用地温热年代学技术方法开展了黄陵背斜及周缘中新生代地层热史、构造隆升和地层剥蚀研究,结果表明黄陵隆起中新生代200 Ma以来主要经历了4个演化阶段,包括2个缓慢冷却阶段(相对地温稳定阶段)和2个快速冷却阶段(快速隆升剥蚀阶段)^[41]。而利用古温标镜质体反射率法对黄陵隆起秭地1井和秭地2井的埋藏史恢复结果表明,该地区在震旦纪—古生代—早中三叠世( 距今约800~ 240 Ma) 为稳定的构造沉降沉积时期,晚三叠世至早—中侏罗世(距今约240~165 Ma) 为快速构造沉降沉积时期,使得震旦系陡山沱组和下寒武统牛蹄塘组页岩层系埋深最大可达7 000 m,因此灯影期准同生白云岩在形成后又经历了长达635 Ma的沉降时期,并达到7 000 m的最大埋深,具备长期埋藏改造白云岩的地质条件。

因此,对于这种同时表现出准同生作用和埋藏作用特征的白云岩成因来说,较为合理的解释是在该地区灯影期强烈蒸发环境下,由高盐海水中的Mg²⁺和CaCO₃结合形成,且白云石迅速结晶沉淀,生成有序度低的泥晶白云岩(图8a)。在此后直至侏罗纪晚期漫长的埋藏压实过程中,低有序度的泥晶白云石发生重结晶作用, 逐渐向粉晶、细晶白云石转化,同时白云石有序度也会升高,并逐渐趋于完全有序,形成现今兼具准同生成因和埋藏改造成因特征的白云岩(图8b)。之后随着黄陵背斜逐渐抬升,灯影组白云岩开始逐步接受改造作用,可能在部分地区受到更强烈的岩溶改造,形成溶洞等常规油气储集空间(图8c)。

图8

图8 黄陵背斜周缘震旦系灯影组白云岩成因模式

a—震旦纪末期灯影组强烈蒸发条件下的高盐海水环境下,白云石迅速结晶生成低有序度的泥晶白云石;b—侏罗纪末期灯影组埋深达到最大,白云石经过深埋改造、重结晶作用形成高有序度的粉晶白云岩;c—抬升过程中灯影组出露地表,接受改造作用

Fig.8 Genetic model of dolomite in the Sinian Dengying Formation on the periphery of Huangling anticline

a—under the environment of high-salinity seawater under intense evaporation conditions during the Sinian Dengying Stage, dolomite rapidly crystallized to form micritic dolomite with a low degree of order;b—at the end of the Jurassic, the burial depth of the Dengying Formation reached its maximum, the dolomite underwent deep burial transformation and recrystallization to form silt-crystalline dolomite with a high degree of order;c—during the uplifting process, the Dengying Formation was exposed on the earth's surface and underwent transformation

有文献阐述埋藏作用对白云石自由生长具有抑制作用,即随着埋藏深度加深,白云石晶体自形程度逐渐变差^[40],但本研究中灯影组白云石晶体多为自形菱面体形态,自形程度与埋深的关系不明显。亦有文献指出四川盆地上震旦统灯影组交代白云岩晶形为半自形—他形,有序度同样很高^[8]。这不但说明白云石有序度与晶形之间没有必然联系,而且也说明准同生白云岩和交代白云岩在经过埋藏作用改造后,其有序度均可能升高并逐渐趋于完全有序。

6 结论

1)黄陵背斜周缘灯影组白云岩CaO和MgO含量呈正相关趋势,Sr含量也较低,反映了沉积成因的准同生白云岩特征。灯影期该地区海水Fe、Mn含量较低,古盐度(Z)平均值为128.41,海水平均温度21.32 ℃,主要为温暖或炎热的亚热带气候,均反映了准同生白云岩的形成环境,白云石成岩平均温度为49.36 ℃,经历准同生白云石化作用成岩后CaO和MgO分子数的比例为1∶1。

2)黄陵背斜周缘灯影组白云岩氧同位素δ¹⁸O值为-8.5‰~-6‰,平均值为-7.28‰,显著低于灯影期海水氧同位素δ¹⁸O(-6.5‰~-2.0‰),表明其经历了地温逐步升高的埋藏改造过程。白云石有序度平均高达0.81,频率峰值分布于0.8~0.9之间,证明其已被改造为深埋藏白云岩。因此,黄陵背斜周缘灯影组白云岩成因为早期准同生白云石化作用形成,后经长期埋藏改造作用,最终形成现今的准同生——埋藏改造成因白云岩。

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2011年以来，在四川盆地川中古隆起磨溪—高石梯地区发现震旦系、寒武系特大型气田，主力含气层系包括震旦系灯影组灯二段、灯四段及寒武系龙王庙组，地质储量规模超过万亿立方米。在简要回顾川中古隆起大气区战略发现历程的基础上，系统阐述川中古隆起龙王庙组特大型气田的形成条件及油气富集规律，指出大型古隆起背景、大型网状供烃系统、规模化的颗粒滩储集层以及区域性的储盖组合是特大型气田形成的重要条件；针对龙王庙组超深、高温、高压等复杂地层条件，分别在测井、地震、钻井、储集层改造等方面进行了技术攻关，并形成了相应的配套成果，应用效果良好，展示了四川盆地震旦系—寒武系巨大的油气勘探潜力。图13参13

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近年来四川盆地及邻区震旦系灯影组天然气及陡山沱组页岩气勘探均取得重大突破,但对陡山沱组的沉积背景条件缺乏系统研究。利用大量露头资料,结合少量钻井、地震资料,分析了中—上扬子地区陡山沱组沉积期岩相古地理格局、沉积环境、沉积演化及烃源岩分布。研究表明：①中—上扬子地区陡山沱组沉积期沉积充填序列及地层分布受古隆起和边缘凹陷控制。古隆起区陡山沱组超覆沉积,厚度薄,发育滨岸相、混积陆棚相、非典型碳酸盐台地相;边缘凹陷地层齐全、厚度大,发育深水陆棚相和局限海盆相。②陡山沱组沉积序列总体表现为“海侵-高位-海退”的一个完整沉积旋回。陡山沱组一段为海侵初期的非典型碳酸盐缓坡沉积,陡山沱组二段为广泛海侵期的滨岸—混积陆棚沉积,陡山沱组三段为海侵高位阶段的非典型局限—开阔海台地沉积。③陡山沱组二段发育富有机质黑色页岩,分布稳定、厚度大,是重要的烃源岩发育层段和页岩气主力层段;陡山沱组三段以微生物碳酸盐岩为特征,有较好的储集条件,有利于天然气及磷等矿产资源成藏（矿）富集,为值得重视的新领域。秦岭海槽、鄂西海槽是天然气（包括页岩气）及磷矿、锰矿等矿产资源勘查的有利区。图10表2参29

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利用野外露头、钻井资料结合震旦系—寒武系展布与岩相组合特征，提出鄂西—渝东地区发育“城口—巴东—五峰”克拉通内裂陷：①裂陷呈“沙漏”状近南北向展布，东西宽为60~280 km，南北长约为400 km；②裂陷形成于震旦纪陡山沱期，灯影期裂陷继承性发育，早寒武世早期为裂陷发育的鼎盛期，衰退于早寒武世中晚期，消亡于中寒武世；③受裂陷演化控制，裂陷内发育陡山陀组、筇竹寺组厚层优质烃源岩，其两侧发育灯影组、龙王庙组优质丘滩相及颗粒滩相白云岩储层，其中灯影组储层厚55~100 m，龙王庙组储层厚22~57 m。指出巫溪—奉节地区位于灯影组、龙王庙组丘滩相储集体叠合发育区，毗邻生烃中心，易形成旁生侧储、下生上储的有效成藏组合，应作为川东地区下步勘探的靶区。

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塔里木盆地西部克拉通台地区寒武系中寒武统发育大量泥晶白云岩红层。钻孔岩芯观察及岩石学分析表明，该白云岩以岩芯呈暗红色、显微镜下呈泥粉晶结构、并伴随有纤状石膏假晶与陆源石英碎屑为主要特征，指示了该白云岩形成于潮上带蒸发环境。地球化学分析结果表明，该白云岩具有固有属性的CaO％，MgO％含量正相关特征, 因此，塔里木盆地中寒武统泥晶白云岩红层属于典型的潮上带Sabkha型沉积的“原白云石”。泥晶白云岩红层U，Mo含量亏损，指示了该白云岩形成于氧化环境，与色泽较红相一致；稀土元素特征上，该泥晶白云岩红层稀土元素配分模式呈右倾特征，但是在陆源碎屑的影响下，常出现中稀土元素富集的“帽”型特征；碳氧同位素分析表明，泥晶白云岩红层碳同位素变化没有规律性，多数δ18OPDB值变化在-7‰~-4.4‰之间，与潮上带蒸发沉积的Sabkha特征一致；英买7井白云岩红层δ18OPDB值较低（＜-10‰），可能为成岩作用过程中热液改造的结果；由于泥质矿物的存在，潮上带白云岩87Sr/86Sr比值一般比同期海水值偏高。

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通过主微量元素、稀土元素及碳、氧、锶同位素特征分析，系统研究鄂尔多斯盆地靖边气田西侧奥陶系马家沟组马五段中组合白云岩地球化学特征及成因。样品分析结果表明：中组合白云岩MgO和CaO含量呈负相关性，Mg/Ca值总体较高；总体具有高Fe、较高Mn和低Sr、Na含量特征，部分白云岩Fe、Mn含量相对较低，Na含量相对较高；稀土元素含量总体很低，且具相似稀土元素配分模式，轻稀土元素富集，重稀土元素亏损，具明显Eu负异常和弱Ce负异常；δ13C值与同期海水值一致，多数白云岩δ18O值较同期海水值偏负；少数87Sr/86Sr值与同期海水值接近，多数显著偏正。结合区域地质背景及上述特征，认为马五段中组合白云岩很可能主要为渗透回流白云石化成因，同时在后期广泛叠加了埋藏白云石化作用。靖西东部地区为有利储集层发育区且可向东大范围拓展。图11表3参35

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对鄂尔多斯盆地中部气田马五段白云岩的岩石学、矿物学和沉积地球化学特征进行了研究,讨论了白云岩成因,并建立了本地区白云岩的形成模式。区内马五期沉积环境为陆表海潮下—潮间坪碳酸盐沉积,白云岩产状呈透镜体状,具有穿层、爬坡特征,岩性以微晶、粉晶白云岩为主;微量元素表现为低锰、低锶、低钠;碳、氧同位素特征为:δ13C值在零值附近,而δ18O值偏负。该地区的白云岩成因为潮间—潮下环境下的准同生期—成岩早期海水—淡水混合白云岩化作用形成的结果。

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