塔里木盆地寒武系鞍狀白云石孔隙充填物差異與成因①

張軍濤 胡文瑄 王小林

(1．中國石化石油勘探開發研究院構造與沉積儲層實驗室 北京 100083;2．南京大學地球科學系 南京 210093)

0 引言

碳酸鹽巖沉積以后往往經歷復雜的成巖作用，而鞍狀白云石充填作用作為一種獨特而又重要的成巖作用，其可能記錄了流體作用的痕跡，近年來已成為研究的熱點［1～6］。

塔里木盆地寒武系發育有一套厚達千米的白云巖層系，其中白云巖形成后經歷了多期次、多種類型地質作用，對于鞍狀白云石，雖然日益受到研究者的重視［7～10］，但對于其鞍狀白云石差異性，目前研究相對較少。

本文從新的角度，即基于分析鞍狀白云石的形貌特征、內部結構和地球化學特征，試圖查明其成因，揭示白云巖儲層成巖過程中的構造演化與流體活動之間的差異，并初步討論其對儲層物性的影響。

1 實驗方法

白云巖樣品采集于塔里木盆地塔河、塔中、巴楚等地區鉆井和柯坪地區野外剖面的寒武系地層中。實驗樣品先在顯微鏡下鑒定，選取合適的鞍形白云石進行微區元素組成分析。

白云石的元素組成分析在南京大學內生金屬礦床國家重點實驗室JEOL 8100型電子探針上完成，工作條件:加速電壓15 keV，電流強度20 nA，電子束斑直徑＜1 μm。

以背散射電子(BSE)方式成像的電鏡，所獲得的圖像通過原子序比較礦物的不同成分，利用背散射圖像可分析充填白云石復雜的內部結構和成分差異。

部分樣品還進行了碳氧同位素、鍶同位素和包裹體均一溫度分析，以進一步分析形成充填白云石的流體性質。

2 實驗結果

通過大量樣品的薄片和探針數據分析，將鞍狀白云石充填物分為三種類型以區分其特征和成因:

2．1 去白云石化鞍狀白云石

多見于上寒武統以及中寒武統底部的沉積層序中，發育于粉晶白云巖中［6］。與基質白云石界線清楚，差異明顯。常為乳白色，多呈不規則團塊型的鞍狀白云石，晶面彎曲(圖1A)，在正交光下波狀消光。并有后期方解石發育［12］。

在背散射圖像下，熱水白云石晶體內部較為均一，邊緣因發生去白云巖化作用，而表現為環帶狀(如圖1B)，與因Fe、Mn含量不同而形成的環帶有所不同。晶體內部富含不規則狀方解石包裹體，大小由幾微米到十幾微米不等。而晶體邊緣基本不含方解石包裹體。

其基質白云巖的Ca/Mg值在0．95～1．11之間，接近化學計量值白云巖。鞍狀白云石的Ca/Mg值(0．97～1．28)要略高于基質白云石的 Ca/Mg 值(表 1)［12］。

圖1 去白云石化鞍狀白云石內部結構A．鞍狀白云石，具有彎曲的晶面，蓬萊壩剖面，上寒武統，顯微照片;B．鞍狀白云石，具有去白云巖環帶，蓬萊壩剖面，上寒武統，背散射照片Fig．1 The internal structure of dedolomitzation saddle dolomite

表1 鞍狀白云石的Ca/Mg值和微量元素含量(μg/g)Table 1 The value of Mg/Ca and trace element content of saddle dolomite

表2 去白云石化鞍狀白云石87Sr/86Sr數據Table 2 The value of87Sr/86Sr of dedolomitzation saddle dolomite

此類白云石充填物Fe含量在132～428 μg/g之間，僅有一個測點的Fe含量較高，為957 μg/g。基質白云石的Fe含量略低于白云石充填物，分布于54～373 μg/g之間。Mn在白云石充填物內為31～480 μg/g，基質白云石的Mn含量比鞍狀白云石略低，范圍在85～364 μg/g。而方解石中的Mn含量也相對較低，范圍在 54～651 μg/g。

此類白云石的氧同位素值遠低于基質白云石的δ18O 值，在－12．3‰ ～ －10．1‰之間(僅有一個值為－7．7‰)，基質白云石的 δ18O 值在－7．8‰～ －6．1‰之間。鞍狀白云石和基質白云石的δ13C差別不大，前者的值在－1．2‰～ －0．3‰之間，后者的值在－1．4‰～－0．5‰之間。包裹體的均一溫度主要分布在87℃～140℃之間，多數集中于 90℃ ～130℃［12］。鞍狀白云石87Sr/86Sr值在 0．708 979～0．709 038 之間，遠低于基質白云石的87Sr/86Sr值，在 0．709 403～0．709 438之間(表2)。

2．2 富鐵鞍狀白云石

在上寒武統丘里塔格下亞群中較為常見，也被廣泛報道［7～10］，多發育在中—粗晶白云巖中。顏色多為乳白色或青灰色，呈齒狀產出于白云巖的裂隙和溶孔中(圖2A)。晶體一般為粗晶，甚至可達到巨晶。具有彎曲的晶面，在正交光下波狀消光，呈現出鞍狀白云石的特征。晶體一般具有“霧心亮邊”結構，且發育一個加大邊，與晶體內部迥異。

此類白云石的內部結構非常復雜，又可細分為內核、環帶和外緣三部分(圖2B)。在電子探針背散射圖像中，三部分具有較大的差異。但也有部分白云石晶體發育得并不完整［9］。

晶體內核顏色較暗，富集白色方解石包裹體，呈星點狀散布，形狀不規則，大小不等，粒徑一般約幾微米左右。晶體環帶又可分為內環帶和外環帶。內外環帶的差別主要體現在方解石包裹體含量上。內環帶富含方解石包裹體，由暗色與亮色條紋相間而成。外環帶則基本不含方解石包裹體，而夾有亮色細條紋的暗色層。外環帶內的條紋結構較復雜，界線明顯，且發育溶蝕邊(圖2B)。外緣是鞍狀白云石晶體的最外層，無環帶結構。內部較為均一，但也有部分外緣含方解石包裹體(圖2B)。

通過電子探針的點分析和線分析顯示，此類白云石的 Ca/Mg 值(0．99～1．38)，內核的值在 0．99～1．33間，環帶的值在1．02～1．38間。晶體內部的亮環帶主要是由于較高的Fe含量引起的，最高可達44 886 μg/g，而Mn含量相對與其他增加值并不明顯，最高值為 1 216 μg/g(表 1)［9］。此類白云石的氧同位素值在－9‰～－5‰(VPDB)之間，相較于基質白云石(－7‰～－4．5‰ VPDB)略微偏負，并結合包裹體均一溫度分布于100℃～150℃之間。鞍狀白云石的鍶同位素有很大的差異，87Sr/86Sr值在(0．708 824～0．709 391)低于基質白云巖，高于同期海水［6］。

2．3 富鐵富錳鞍狀白云石

此類白云石可見于塔里木盆地北部的寒武系中，多發育在角礫狀的中—粗晶白云巖中，與斷層關系密切。顏色多為肉紅色，呈齒狀產出于白云巖的裂隙和以及裂縫擴大溶孔中。

在顯微鏡下，此類白云石也呈現出鞍狀白云石的特征:彎曲的晶面，在正交光下波狀消光，明顯的霧心亮邊結構，且與基質白云石有明顯的界線(圖3A)。基質白云石類型多樣，既可為粉晶，又可為中粗晶。

電子探針背散射照片(圖4)下顯示，此類白云石晶體內部結構較前一種更為復雜。其中發育有多期多類型的條紋，呈現出“玫瑰花”狀，可將其簡單地分為內環帶和外環帶兩部分。內環帶含有少量的方解石包裹體，環帶顏色較淡，條紋多且細，界線模糊不清，含方解石包裹體;而外環帶，環帶顏色較亮，條紋少且粗，往往只含有一條較粗的亮條紋，且亮暗界線明顯。

圖2 富鐵鞍狀白云石內部結構A．鞍狀白云石，具有彎曲的晶面，同1井，上寒武統，顯微照片;B．鞍狀白云石，具有富鐵環帶，同1井，上寒武統，背散射照片。Fig．2 The internal structure of Fe-rich saddle dolomite

通過電子探針的元素含量分析顯示，該類白云石有一個顯著特征:具有較高的Fe和Mn含量(表1)，測點中位于晶體的外環帶亮條紋上Fe含量的最高值可達 124 172 μg/g，大部分測點范圍在 19 950～38 057 μg/g，而內環帶 Fe 含量在 6 907～ 25 091 μg/g;Mn含量最高值可達5 056 μg/g，位于晶體的外環帶亮條紋上，外環帶的含量范圍在2 893～5 056 μg/g，Fe、Mn也均為三種白云石充填物中的最高值。而電子探針線分析(圖5)也顯示出，這種成分分布在晶體內部的差異性，最高的Fe和Mn含量集中分布于晶體的外環帶的亮條紋中，而內環帶則普遍具有相對較高的Fe含量，而Mn含量與晶體內部并無太大區別，與基質基本一致。而基質白云石以及白云石充填物邊緣的Fe和Mn含量都很低。

圖3 富鐵富錳鞍狀白云石顯微特征A．孔隙內的鞍狀白云石，具有霧心亮邊結構，寒武系，大古1井;B．孔隙內的鞍狀白云石，具有霧心亮邊結構，寒武系，大古1井。Fig．3 The micro-feature of Fe-rich and Mn-rich saddle dolomite

圖4 富鐵富錳鞍狀白云石內部結構特征A．大古1井上寒武統中的鞍狀白云石;B．星火2井寒武系中的鞍狀白云石。Fig．4 The internal structure of Fe-rich and Mn-rich saddle dolomite

3 討論

3．1 形成溫度

鞍狀白云石多形成于較高的溫度環境中，一般認為其形成溫度要高于80℃［3］。富鐵環帶白云石和無鐵環帶白云石的包裹體測得的均一溫度均在87℃～150℃之間;測定的鞍狀白云石的氧同位素多具有較基質白云石偏負，也說明其形成溫度相對較低;另外，較高的鐵和錳含量也說明其形成溫度相對較高，因為Fe和Mn只有在較高的溫度和還原條件下才容易進入晶體晶格。

富鐵富錳環帶白云石充填物具有較為典型的鞍狀白云石結構，說明其形成溫度應高于80℃。同時，異常高的鐵和錳含量(圖6)也可能反映了其形成于更高溫度下的還原環境中。

3．2 流體來源

熱流體的來源，目前有多種認識，可能是巖漿熱液，也可能是深循環的大氣降水，封存的地層水等等［3］。本區鞍狀白云石內部結構的差異，也顯示其形成的流體來源和流體的活動方式具有多樣性。通過前期的研究發現，富鐵環帶白云石流體來源于穿越了中寒武層系的深部熱流體［6］，而無鐵環帶白云石可能為寒武系封存的地層水，并可能有經深循環后的大氣降水摻入［4］。而富鐵富錳環帶白云石充填物具有較其他類型更高的鐵和錳含量［8，9］，特別是含有異常高的錳含量(圖6)，說明其流體來源要與其他兩種類型的白云石充填物有所差異。

根據碳氧同位素和流體包裹體分析也顯示，流體來源于地層水和經深循環大氣降水，同時Sr同位素分析數據顯示，無鐵錳白云石與與富鐵白云石的值相似，但是氧同位素值有細微的差異，鐵錳含量有明顯的差異，反映其流體都屬于熱流體，但其形成環境、來源和溫度也有一定差異性，無鐵錳白云石其內部結構較為均一，反映了其形成過程中流體的性質變化較小，形成的環境較為穩定;而富鐵環帶內部結構較為復雜，反映了其形成過程的復雜性，其與斷層活動關系密切，其中環帶Fe含量的變化反映了斷裂活動的脈動性。

圖5 富鐵富錳鞍狀白云石線分析圖A，B鞍狀白云石充填物，大古1井，寒武系，塔北地區。Fig．5 The line analysis of Fe-rich and Mn-rich saddle dolomite

在內部結構更為復雜，說明其流體的變化更為變化、特殊。其內環帶中的鐵和錳含量以及Ca/Mg比值與富鐵環帶白云石的較為相似，說明其流體來源可能相似，都可能受到了斷裂的影響;但是外環帶較高的鐵和錳含量與其他類型的白云石有很大的差異，可能流體性質發生明顯的變化，其來源深度可能更深。

4 結語

(1)鞍狀白云石形成于較高的溫度中，可將鞍狀白云石分為三種類型:去白云石環帶白云石、富鐵環帶白云石和富鐵富錳環帶白云石等。

(2)三類白云石形成于不同的環境中，其形成流體的性質也存在很大的差異。去白云石化鞍狀白云石可能與寒武系層內流體有一定關系，富鐵環帶和富鐵錳環帶白云石都受到了與斷裂相關流體的影響，而富鐵錳環帶的形成流體深度可能更深。

圖6 鞍狀白云石充填物Fe-Mn含量圖注:圖中原點附近矩形區域(綠色圓點)為去白云巖環帶鞍狀白云石;斜線矩形區域(紫色圓圈)為富鐵環帶鞍狀白云石，其余(紅色圓圈)為富鐵富錳鞍狀白云石。Fig．6 The Fe and Mn content of saddle dolomite

References)

1 Warren J．Dolomite:occurrence，evolution and economically important associations［J］．Earth-Science Reviews，2000，52:1-81

2 Machel H G．Concepts and models of dolomitization:A critical reappraisal［J］．Geological Society，London，Special Publications，2004，235:7-63

3 Davies G R，Smith Jr L B．Structurally controlled hydrothermal dolomite reservoir facies:An overview［J］．AAPG Bulletin，2006，90(11):1641-1690

4 Al-Aasm I S，Lonnee J，Clarke J．Multiple fluid flow events and the formation of saddle dolomite:examples from Middle Devonian carbonates of the Western Canada Sedimentary Basin［J］．Journal of Geochemical Exploration，2000，69-70:11-15

5 Al-Aasm I S，Lonnee J，Clarke J．Multiple fluid flow events and the formation of saddle dolomite:case stdudies from Middle Devonian carbonates of the western Canada sedimentary basin［J］．Marine and Petroleum Geology，2002，19:209-217

6 Zhang Juntao，Hu Wenxuan，Qian Yixiong，et al．Formation of saddle dolomites in Upper Cambrian carbonates，western Tarim Basin(northwest China):Implications for fault-related fluid flow［J］．Marine and Petroleum Geology，2009，26:1428-1440

7 王丹，王旭，陳代釗，等．塔里木盆地塔北、塔中地區寒武系—奧陶系碳酸鹽巖中鞍形白云石膠結物特征［J］．地質科學，2010，45(2):580-594［Wang Dan，Wang Xu，Chen Daizhao，et al．Characteristics of saddle dolomite cements in the Cambrian-Ordovician carbonates in Tabei and Tazhong area of Tarim Basin［J］．China Journal of Geology，2010，45(2):580-594］

8 卿海若，陳代釗．非熱液成因的鞍形白云石:來自加拿大薩斯喀徹溫省東南部奧陶系Yeoman組的巖石學和地球化學證據［J］．沉積學報，2010，28(5):980-986［Qing Hairuo，Chen Daizhao．Non-hydrothermal saddle dolomite:Petrological and geochemical evidence from the Ordovician Yeoman Formation，southeastern Saskatchewan，Canada［J］．Acta Sedimentologica Sinica，2010，28(5):980-986］

9 張軍濤，胡文瑄，錢一雄，等．塔里木盆地中央隆起區上寒武統—下奧陶統白云巖儲層中兩類白云石充填物:特征與成因［J］．沉積學報，2008，26(6):77-86［Zhang Juntao，Hu Wenxuan，Qian Yixiong，et al．Feature and origin of dolomite filling in the Upper Cambrian-Lower Ordovician dolostone of the central uplift，Tarim Basin［J］．Acta Sedimentologica Sinica，2008，26(6):77-86］

10 焦存禮，何治亮，邢秀娟，等．塔里木盆地構造熱液白云巖及其儲層意義［J］．巖石學報，2011，27(1):277-284［Jiao Cunli，He Zhiliang，Xing Xiujuan，et al．Tectonic hydrothermal dolomite and its significance of reservoirs in Tarim Basin［J］．Acta Petrologica Sinica，2011，27(1):277-284］

11 Gasparrini M，Bechstadt T，Boni M．Massive hydrothermal dolomites in the southwestern Cantabrian Zone(Spain)and their relation to the Late Variscan evolution［J］．Marine and Petroleum Geology，2006，23:543-568］

12 張軍濤，胡文瑄，王小林，等．塔里木盆地西北緣寒武系中熱水白云石團塊特征及成因研究［J］．地質學報，2011，85(2):234-245［Zhang Juntao，Hu Wenxuan，Wang Xiaolin，et al．Character and origin of Cambrian hydrothermal dolomite conglomeration in the northwestern margin of Tarim Basin［J］．Acta Geologica Sinica，2011，85(2):234-245］