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川西地区中二叠统栖霞组白云岩成因分析

梁茹 苏中堂 马慧 方继瑶 林良彪

梁茹, 苏中堂, 马慧, 方继瑶, 林良彪. 川西地区中二叠统栖霞组白云岩成因分析[J]. 沉积学报, 2021, 39(6): 1506-1516. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.074
引用本文: 梁茹, 苏中堂, 马慧, 方继瑶, 林良彪. 川西地区中二叠统栖霞组白云岩成因分析[J]. 沉积学报, 2021, 39(6): 1506-1516. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.074
LIANG Ru, SU ZhongTang, MA Hui, FANG JiYao, LIN LiangBiao. Analysis of the Origin of Dolomites in the Middle Permian Qixia Formation, Western Sichuan[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2021, 39(6): 1506-1516. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.074
Citation: LIANG Ru, SU ZhongTang, MA Hui, FANG JiYao, LIN LiangBiao. Analysis of the Origin of Dolomites in the Middle Permian Qixia Formation, Western Sichuan[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2021, 39(6): 1506-1516. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.074

川西地区中二叠统栖霞组白云岩成因分析

doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.074
基金项目: 

国家自然科学基金 41872115

详细信息

Analysis of the Origin of Dolomites in the Middle Permian Qixia Formation, Western Sichuan

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 41872115

  • 摘要: 川西地区栖霞组白云岩成因及其与峨眉山玄武岩喷发热事件关系颇有争论。在野外剖面、岩心观察基础上,通过岩石学、全岩及矿物微区地球化学分析方法对其研究,结果表明川西地区栖霞组白云岩(石)可分为残余砂屑白云岩、晶粒白云岩以及鞍状白云石、脉体充填白云石四类。残余砂屑白云岩与晶粒白云岩均呈块状,阴极发光较暗,稀土配分模式与泥微晶灰岩相似,δ13C、87Sr/86Sr多处于同期海水范围内,δ18O略偏负,Ce负异常,残余砂屑白云岩Eu呈负异常,而晶粒白云岩Eu多为正异常。微区δ13C、δ18O分析显示,残余砂屑白云岩的白云石雾心与亮边内δ13C均处于同期海水范围内,δ18O亮边较雾心偏负;晶粒白云岩中不同大小的晶粒白云石微区δ13C、δ18O显示相近特征,表明这两类白云岩均为海水浅埋藏成因,但受到后期热流体叠加改造。曲面他形粗晶鞍状白云石充填于裂隙与溶蚀孔洞内,镜下具波状消光特征,发亮红色光,δ13C与二叠纪海水相近,δ18O明显负偏,Eu呈正异常,指示鞍状白云石为热液成因。脉体白云石岩石学与地球化学特征表明其为晚期埋藏成因。川西地区栖霞组白云岩主体为浅埋藏成因,峨眉山玄武岩喷发期热液对其叠加改造,仅西南地区充填裂隙与溶洞的鞍形白云石为热液成因。
  • 图  1  研究区位置及地层柱状图(据文献[21,26]修改)

    Figure  1.  Location and stratigraphic histogram of the study area (modified from references[21,26])

    图  2  川西地区栖霞组白云岩微观特征

    A1.岩心壁较粗糙,发育不均匀分布孔隙 汉深1⁃12, 4 977.46 m;B1.裂隙较发育,局部可见溶蚀孔洞 矿2⁃16, 2 440.99 m;C1.白色粗晶,充填于岩石裂隙内,呈斑马纹构造 张村;D1.充填于灰岩、云质灰岩和晶粒云岩中裂隙内,双探9⁃10, 7 746.70 m;A2.残余砂屑白云岩 西北乡7 栖霞组,打点位置分别为1方解石、2白云石雾心、3白云石亮边;B2.晶粒白云岩 矿2⁃16, 2 439.7 m 栖霞组,打点位置分别为1粉晶白云石、2细晶白云石、3粗晶白云石;C2.鞍状白云石 张村8 栖霞组,打点位置分别为1⁃2基岩白云石、3方解石、4鞍状白云石;D2.脉体白云石 双探9⁃10, 7 746.7 m 栖霞组,打点位置分别为1基岩白云石、2脉体充填(裂隙内)白云石;A3.晶间残余方解石,白云石具有雾心亮边结构 西北乡;B3.白云石晶粒大小不均,晶粒有环带或雾心亮边结构 矿2⁃16;C3.鞍状白云石具明显环带结构 张村8;D3.脉体白云石具环状构造 双探9⁃10;A4.发暗红色光,晶体边缘相对明亮 西北乡;B4.不同晶粒发光相同 矿2⁃16;C4.发亮红色光与基岩白云石暗红色光不同 张村8;D4.脉体充填白云石发光较基岩明亮 双探9⁃10

    Figure  2.  Micrographs of Qixia Formation dolomite rocks in western Sichuan

    图  3  川西地区栖霞组白云岩稀土元素特征

    (a)栖霞组白云岩稀土元素分配模式图;(b)栖霞组白云岩Eu⁃Ce异常散点图

    Figure  3.  REEs in Qixia Formation dolomites in western Sichuan

    (a) distribution; (b) Eu⁃Ce anomaly scattergram

    图  4  川西地区栖霞组各类白云石δ 13C⁃δ 18O散点图(图中蓝色区域为同期海水范围)

    Figure  4.  Scattergram of δ 13C⁃δ 18O for Qixia Formation dolomite rocks in western Sichuan (blue area = range of seawater during the same period)

    图  5  川西地区栖霞组各类白云岩87Sr/86Sr散点图(图中蓝色区域为同期海水范围)

    Figure  5.  Scattergram of 87Sr/86Sr for Qixia Formation dolomite rocks in western Sichuan (blue area = range for seawater during the same period)

    图  6  川西地区栖霞组白云岩成因模式图

    (a)浅埋藏阶段发生白云岩化作用;(b)基底断裂,热液流体沿断裂向两侧侵入

    Figure  6.  Genetic model of Qixia Formation dolomite rocks in western Sichuan

    (a) dolomitization at shallow burial stage; (b) fluid intrusion along both sides of basement fracture

    表  1  川西地区栖霞组白云岩(石)稀土元素含量

    注:标准化值采用NASC标准值,其中δCe=2CeN/(LaN+PrN),δEu=2EuN/(SmN+GdN)。

    Table  1.   REE contents for Qixia Formation dolomite rocks in western Sichuan

    岩性 样品数量 La/×10-6 Ce/×10-6 Pr/×10-6 Nd/×10-6 Sm/×10-6 Eu/×10-6 Gd/×10-6 Tb/×10-6 Dy/×10-6 Ho/×10-6 Er/×10-6 Tm/×10-6 Yb/×10-6 Lu/×10-6 δCe δEu
    残余砂屑白云岩 12 最大值 0.017 0.019 0.022 0.027 0.024 0.025 0.025 0.027 0.022 0.032 0.028 0.037 0.035 0.041 1.016 1.360
    最小值 0.007 0.006 0.006 0.007 0.007 0.001 0.007 0.010 0.007 0.011 0.008 0.010 0.009 0.009 0.854 0.128
    平均值 0.012 0.011 0.012 0.014 0.013 0.013 0.014 0.017 0.014 0.017 0.016 0.018 0.017 0.019 0.923 0.947
    晶粒白云岩 14 最大值 0.059 0.033 0.052 0.052 0.044 0.043 0.060 0.063 0.060 0.068 0.067 0.066 0.067 0.069 1.144 1.860
    最小值 0.006 0.006 0.006 0.005 0.006 0.005 0.006 0.007 0.006 0.006 0.006 0.006 0.005 0.006 0.461 0.674
    平均值 0.016 0.013 0.015 0.016 0.015 0.018 0.019 0.020 0.016 0.020 0.019 0.020 0.020 0.022 0.872 1.075
    鞍状白云石 5 最大值 0.028 0.026 0.018 0.025 0.018 0.025 0.022 0.022 0.032 0.029 0.043 0.059 0.052 0.035 1.601 1.274
    最小值 0.009 0.008 0.007 0.002 0.004 0.009 0.012 0.006 0.006 0.014 0.014 0.005 0.015 0.005 0.972 0.778
    平均值 0.020 0.021 0.014 0.015 0.011 0.016 0.019 0.015 0.018 0.021 0.026 0.022 0.027 0.016 1.194 1.073
    脉体充填白云石 3 最大值 0.019 0.016 0.018 0.020 0.017 0.017 0.023 0.022 0.017 0.017 0.015 0.017 0.017 0.016 0.940 1.079
    最小值 0.015 0.014 0.016 0.018 0.014 0.013 0.010 0.013 0.012 0.012 0.013 0.013 0.011 0.012 0.807 0.862
    平均值 0.017 0.015 0.017 0.019 0.016 0.015 0.016 0.018 0.015 0.015 0.014 0.014 0.013 0.014 0.887 0.959
    泥微晶灰岩 1 0.014 0.009 0.012 0.014 0.013 0.010 0.020 0.018 0.013 0.018 0.018 0.020 0.017 0.022 0.680 0.652
    NASC 31.500 66.500 7.900 27.000 5.900 1.180 5.200 0.790 5.800 1.040 3.400 0.500 2.940 0.440
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    表  2  川西地区栖霞组碳酸盐岩碳氧同位素含量

    Table  2.   C and O isotopes in carbonate rocks in the Qixia Formation, western Sichuan

    样品数量 δ 13C/(‰,VPDB) δ 18O/(‰,VPDB) 87Sr/86Sr
    全岩数据
    残余砂屑白云岩 12 最大值 3.850 -4.759 0.709 547 72
    最小值 1.949 -9.416 0.706 135 71
    平均值 3.468 -8.106 0.708 311 15
    晶粒白云岩 13 最大值 3.570 -4.856 0.710 357 28
    最小值 0.302 -8.931 0.707 958 21
    平均值 2.574 -6.021 0.708 791 72
    脉体充填白云石 3 最大值 3.670 -8.155 0.712 548 29
    最小值 0.881 -9.028 0.710 971 98
    平均值 2.567 -8.510 0.711 676 23
    泥微晶灰岩 1 取值 3.870 -5.535 0.707 204 69
    微区数据
    方解石 1 取值 -1.733 -11.612
    雾心 4.238 -7.985
    亮边 2.772 -9.284
    粗晶 3 最大值 2.964 -6.467
    最小值 0.218 -7.774
    平均值 1.265 -6.987
    细晶 最大值 2.957 -6.340
    最小值 0.083 -7.397
    平均值 1.970 -6.863
    粉晶 最大值 3.234 -6.968
    最小值 1.698 -8.012
    平均值 2.642 -7.490
    鞍状白云石 3 最大值 3.316 -9.678
    最小值 0.011 -11.818
    平均值 1.968 -10.764
    基岩白云石 最大值 4.282 -8.931
    最小值 0.208 -11.978
    平均值 2.637 -10.707
    脉体充填白云石 3 最大值 3.776 -5.916
    最小值 0.942 -10.697
    平均值 2.038 -8.323
    基岩白云石 最大值 2.374 -5.935
    最小值 1.453 -10.070
    平均值 1.924 -7.052
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-01-14
  • 修回日期:  2021-05-20
  • 刊出日期:  2021-12-10

目录

    川西地区中二叠统栖霞组白云岩成因分析

    doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.074
      基金项目:

      国家自然科学基金 41872115

      作者简介:

      梁茹,女,1997年出生,硕士研究生,沉积学,E-mail: liangr129@lenovo.com

      通讯作者: 苏中堂,男,副教授,E-mail: suzhongtang2012@cdut.edu.cn
    • 中图分类号: P618.13

    摘要: 川西地区栖霞组白云岩成因及其与峨眉山玄武岩喷发热事件关系颇有争论。在野外剖面、岩心观察基础上,通过岩石学、全岩及矿物微区地球化学分析方法对其研究,结果表明川西地区栖霞组白云岩(石)可分为残余砂屑白云岩、晶粒白云岩以及鞍状白云石、脉体充填白云石四类。残余砂屑白云岩与晶粒白云岩均呈块状,阴极发光较暗,稀土配分模式与泥微晶灰岩相似,δ13C、87Sr/86Sr多处于同期海水范围内,δ18O略偏负,Ce负异常,残余砂屑白云岩Eu呈负异常,而晶粒白云岩Eu多为正异常。微区δ13C、δ18O分析显示,残余砂屑白云岩的白云石雾心与亮边内δ13C均处于同期海水范围内,δ18O亮边较雾心偏负;晶粒白云岩中不同大小的晶粒白云石微区δ13C、δ18O显示相近特征,表明这两类白云岩均为海水浅埋藏成因,但受到后期热流体叠加改造。曲面他形粗晶鞍状白云石充填于裂隙与溶蚀孔洞内,镜下具波状消光特征,发亮红色光,δ13C与二叠纪海水相近,δ18O明显负偏,Eu呈正异常,指示鞍状白云石为热液成因。脉体白云石岩石学与地球化学特征表明其为晚期埋藏成因。川西地区栖霞组白云岩主体为浅埋藏成因,峨眉山玄武岩喷发期热液对其叠加改造,仅西南地区充填裂隙与溶洞的鞍形白云石为热液成因。

    English Abstract

    梁茹, 苏中堂, 马慧, 方继瑶, 林良彪. 川西地区中二叠统栖霞组白云岩成因分析[J]. 沉积学报, 2021, 39(6): 1506-1516. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.074
    引用本文: 梁茹, 苏中堂, 马慧, 方继瑶, 林良彪. 川西地区中二叠统栖霞组白云岩成因分析[J]. 沉积学报, 2021, 39(6): 1506-1516. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.074
    LIANG Ru, SU ZhongTang, MA Hui, FANG JiYao, LIN LiangBiao. Analysis of the Origin of Dolomites in the Middle Permian Qixia Formation, Western Sichuan[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2021, 39(6): 1506-1516. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.074
    Citation: LIANG Ru, SU ZhongTang, MA Hui, FANG JiYao, LIN LiangBiao. Analysis of the Origin of Dolomites in the Middle Permian Qixia Formation, Western Sichuan[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2021, 39(6): 1506-1516. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.074
      • 白云岩储层在碳酸盐岩油气勘探中占据重要地位,因此,白云岩成因一直以来都是沉积学研究中的重要问题之一[1-6]。四川盆地中二叠统栖霞组白云岩储层的天然气勘探是近几年广受关注的领域之一,而白云岩成因众说纷纭,有混合水白云岩化[7-10]、埋藏白云岩化[11-14]、玄武岩淋滤白云岩化[15]、热液白云岩化[16-18]等模式。近年来,多数学者认为川西地区中二叠统 白云岩成因与峨眉山大火成岩省有关,如何幼斌等[12]认为川西中二叠统白云岩形成于埋藏环境下,可能受到了局部高温条件或特殊热事件的影响。舒晓辉等[17]认为中二叠统白云岩是在热液白云岩化作用下形成的,可能为岩浆热液或大气降水经历深循环改造而成。韩晓涛等[19]认为川西南中二叠统栖霞组白云石化流体是一种混入部分海水的异地高温热液流体。周吉羚等[20]认为四川盆地存在两种白云岩化作用,一种为准同生期的渗透回流白云岩化作用,另一种为随峨眉地裂运动发生的构造热液白云岩化作用。孟森等[21]认为川西地区中二叠统栖霞组白云岩主要形成于滩相暴露状态下,受到浅埋藏阶段海水白云石化作用,后期部分白云岩受到热液改造作用。董翼昕[22]认为川西北中二叠统白云岩为准同生期渗透回流白云岩化和热对流白云石化作用形成,热对流成因的白云岩可能经过了热液改造作用,但其并不是主导因素,两种白云岩化作用均形成于浅埋藏时期,成岩流体为海水。

        这些观点对受热事件影响的认识基本趋于一致,均以浅埋藏白云岩化与热液白云石化模式占主导,无疑易将中二叠统白云岩与峨眉山玄武岩喷发事件相联系。但白云岩与玄武岩喷发事件是否存在关系,以及热事件对白云岩化作用的贡献均尚不清晰。本文结合研究区沉积和构造演化背景,根据已有的岩心资料,充分应用岩石矿物鉴定、阴极发光分析及微量元素、碳氧同位素、包裹体测温等地球化学手段,研究白云岩成因,以讨论白云岩化作用与热液活动的关系,为栖霞组白云岩成因提供地质资料。

      • 研究区位于四川盆地西部,构造上位于上扬子地台的龙门山山前带,西部与松潘—甘孜褶皱带相接,北部与米仓山褶皱带衔接,南部为峨眉—瓦山断隆带[11]。该区为典型的多旋回性克拉通盆地,经历了多期次的构造运动[23],其中印支运动是影响该地区沉积和成岩作用的主要构造运动[19]。四川盆地在中—晚二叠世发生峨眉地裂运动,峨眉山玄武岩沿断裂带大规模喷发[24]。中二叠统白云岩主要呈带状分布于龙门山断裂带及峨眉—瓦山断褶带附近[25]。研究发现,白云岩分布与构造密切相关,白云石化的程度会随着距离增加而减少[26]。栖霞组地层沉积后随即快速埋藏,在中—晚二叠世因东吴运动有小幅构造抬升[19]

        研究区地层自下而上发育下二叠统梁山组、中二叠统栖霞组和茅口组(图1)。其中,栖霞组地层在川西地区总厚度70~130 m,由北向南逐渐增厚,内部地层从上自下可分为栖二段、栖一段[27]。中二叠统栖霞组主要发育灰白色白云岩,深灰色中厚层泥质粉晶灰岩及浅灰色中薄层生屑泥晶灰岩。

        图  1  研究区位置及地层柱状图(据文献[21,26]修改)

        Figure 1.  Location and stratigraphic histogram of the study area (modified from references[21,26])

      • 本次研究选取了汉深1井、矿2井、双探8井、双探9井、洪雅张村剖面和广元西北乡剖面(图1)的共36件样品,采用全岩分析和微区分析的方法针对不同组构白云岩进行实验分析,所做的实验包括薄片镜下观察、阴极发光分析、微量元素、C、O、Sr同位素。实验中薄片镜下观察鉴定完成于成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,所观察的薄片均用茜素红染色,在Nikon E600 Pol+偏光显微镜下观察。阴极发光鉴定完成于中国地质调查局成都地质调查中心,所使用的仪器为BLM-3RX型阴极发光仪。选取均质性好、薄片鉴定结构相同的岩石磨制地球化学全岩样品,用牙钻采集鞍状白云石与脉体充填白云石样品。全岩样品用玛瑙研钵磨制成200目以下的粉末,然后分成四等份,一份备用,其他三份分别用于微量元素、C、O同位素和Sr同位素分析。微量元素测试在武汉上谱分析测试实验室完成,测试仪器为电感耦合等离子体质谱仪(Agilent 7700e)。C、O同位素测试在澳实(广州)分析检测有限公司完成,测试仪器为Thermo Fisher Scientific MAT253同位素质谱仪,碳酸盐矿物在72°C 条件下磷酸消解析出CO2δ 13C以V-PDB为标准、δ 18O以V-SMOW为标准(后换算为以V-PDB为标准),RSD<0.05%。Sr同位素测定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,在进行测试前,先在化学前处理超净实验室里对样品进行化学分离和纯化,用由德国Thermo Fisher Scientific公司制造的Triton puls型质谱仪进行87Sr/86Sr值测试,精度为Sr内精度≤5×10-6(1RSE),Sr外精度≤5×10-6(1RSD),质量色散可达17%,质量数检测范围3~310,动态范围50 V。

        对于无法用牙钻取样的白云石,采用薄片微区分析方法更进一步来约束白云岩的成因。其中残余砂屑白云岩微区样品3件,分别在白云石的“雾心”及“亮边”处打点。但由于本次实验微区C、O同位素的仪器激光点取点范围过大从而限制了亮边的取点,因此仅获取一组微区C、O同位素数据,打点位置如图2A2;晶粒白云岩微区样品3件,分别在粗晶白云石、细晶白云石和粉晶白云石处打点,打点位置如图2B2;鞍状白云岩微区样品3件,分别在鞍状白云石和基岩白云石处打点,打点位置如图2C2;脉体充填白云石微区样品3件,分别在脉体充填(裂隙内)白云石和基岩白云石处打点,打点位置如图2D2。激光微区原位碳氧同位素完成于中国石油杭州地质研究院测试实验室,测试仪器为赛默飞世尔的Delta V Advantage和声光调Q连续YAG激光器(西南技术物理研究所制造)。

        图  2  川西地区栖霞组白云岩微观特征

        Figure 2.  Micrographs of Qixia Formation dolomite rocks in western Sichuan

      • 根据白云石产状将研究对象分为基质白云岩和胶结物白云石两类,基质白云岩依据结构分为残余砂屑白云岩和晶粒白云岩;胶结物白云石分为鞍状白云石和脉体充填白云石。

      • (1) 残余砂屑白云岩:宏观上呈灰—灰白色,块状,岩心壁较粗糙,发育分布不均匀孔隙(图2A1)。显微镜下隐约可见残余颗粒,白云石为细—中晶,表面较脏,具雾心亮边结构,多为平直晶面半自形—自形晶,发育不规则分布的粒间孔或粒间溶孔(图2A2)。阴极发光鉴定下发暗红色光,晶体边缘相对明亮,部分晶体可见环带结构(图2A3、A4)。

        (2) 晶粒白云岩:宏观上呈灰色,块状,岩心壁相对光滑,裂隙较发育,裂隙周边岩石相对疏松,局部可见溶蚀孔洞(图2B1)。显微镜下晶体大小不均,以粉—中晶为主,晶体多呈平直晶面自形晶,局部发育晶间孔、晶间溶孔,约有6.5%的有机质充填,可见少量的溶缝(图2B2)。阴极发光鉴定下,不同晶粒发光基本相同,粗晶晶体中心发暗红色光,边缘发明亮桔红色光(图2B3、B4)。

      • (1) 鞍状白云石:宏观上呈白色,粗晶,充填于岩石裂隙内,具斑马纹构造(图2C1)。显微镜下粗晶为主,多为曲晶面他形晶,可见波状消光(图2C2)。阴极发光鉴定下,鞍状白云石发亮红色光,区别于基岩白云石的暗红色光(图2C3、C4)。

        (2) 脉体充填白云石:宏观上呈白色,充填于灰岩、云质灰岩和晶粒云岩中的裂隙内,沿缝壁向内生长,在岩石断面中易于剥落(图2D1)。显微镜下白云石为粉—细晶,半自形—他形为主,若基岩为白云岩,脉体充填白云石晶体大于基岩白云石(图2D2)。阴极发光鉴定下,脉体充填白云石阴极发光较基岩明亮,为亮红色光,通常可见环带构造(图2D3,D4)。

      • 稀土元素有良好的流体示踪能力[28],川西地区白云岩稀土元素含量见表1。利用NASC(北美页岩)对栖霞组白云岩稀土元素标准化,各类白云岩(石)配分模式如图3a,稀土元素配分模式图显示各类白云岩(石)的稀土元素配分模式均与泥微晶灰岩相似。残余砂屑白云岩δCe值为(0.854~1.016)×10-6,平均值为0.923×10-6,略显负异常;δEu值在(0.128~1.36)×10-6之间,平均值为0.947×10-6,表现出弱负异常。晶粒白云岩δCe值为(0.461~1.144)×10-6,平均值为0.872×10-6,为负异常;δEu值在(0.674~1.860)×10-6之间,平均值为1.075×10-6,略呈正异常。鞍状白云石δCe值为(0.972~1.601)×10-6,平均值1.194×10-6,为正异常;鞍状白云石δEu值在(0.778~1.274)×10-6之间,平均值为1.073×10-6,为正异常。脉体充填白云石δCe值范围为(0.807~0.940)×10-6,平均值为0.887×10-6,为负异常;δEu值在(0.862~1.079)×10-6之间,平均值为0.959×10-6,表现为弱负异常(图3b)。

        表 1  川西地区栖霞组白云岩(石)稀土元素含量

        Table 1.  REE contents for Qixia Formation dolomite rocks in western Sichuan

        岩性 样品数量 La/×10-6 Ce/×10-6 Pr/×10-6 Nd/×10-6 Sm/×10-6 Eu/×10-6 Gd/×10-6 Tb/×10-6 Dy/×10-6 Ho/×10-6 Er/×10-6 Tm/×10-6 Yb/×10-6 Lu/×10-6 δCe δEu
        残余砂屑白云岩 12 最大值 0.017 0.019 0.022 0.027 0.024 0.025 0.025 0.027 0.022 0.032 0.028 0.037 0.035 0.041 1.016 1.360
        最小值 0.007 0.006 0.006 0.007 0.007 0.001 0.007 0.010 0.007 0.011 0.008 0.010 0.009 0.009 0.854 0.128
        平均值 0.012 0.011 0.012 0.014 0.013 0.013 0.014 0.017 0.014 0.017 0.016 0.018 0.017 0.019 0.923 0.947
        晶粒白云岩 14 最大值 0.059 0.033 0.052 0.052 0.044 0.043 0.060 0.063 0.060 0.068 0.067 0.066 0.067 0.069 1.144 1.860
        最小值 0.006 0.006 0.006 0.005 0.006 0.005 0.006 0.007 0.006 0.006 0.006 0.006 0.005 0.006 0.461 0.674
        平均值 0.016 0.013 0.015 0.016 0.015 0.018 0.019 0.020 0.016 0.020 0.019 0.020 0.020 0.022 0.872 1.075
        鞍状白云石 5 最大值 0.028 0.026 0.018 0.025 0.018 0.025 0.022 0.022 0.032 0.029 0.043 0.059 0.052 0.035 1.601 1.274
        最小值 0.009 0.008 0.007 0.002 0.004 0.009 0.012 0.006 0.006 0.014 0.014 0.005 0.015 0.005 0.972 0.778
        平均值 0.020 0.021 0.014 0.015 0.011 0.016 0.019 0.015 0.018 0.021 0.026 0.022 0.027 0.016 1.194 1.073
        脉体充填白云石 3 最大值 0.019 0.016 0.018 0.020 0.017 0.017 0.023 0.022 0.017 0.017 0.015 0.017 0.017 0.016 0.940 1.079
        最小值 0.015 0.014 0.016 0.018 0.014 0.013 0.010 0.013 0.012 0.012 0.013 0.013 0.011 0.012 0.807 0.862
        平均值 0.017 0.015 0.017 0.019 0.016 0.015 0.016 0.018 0.015 0.015 0.014 0.014 0.013 0.014 0.887 0.959
        泥微晶灰岩 1 0.014 0.009 0.012 0.014 0.013 0.010 0.020 0.018 0.013 0.018 0.018 0.020 0.017 0.022 0.680 0.652
        NASC 31.500 66.500 7.900 27.000 5.900 1.180 5.200 0.790 5.800 1.040 3.400 0.500 2.940 0.440

        图  3  川西地区栖霞组白云岩稀土元素特征

        Figure 3.  REEs in Qixia Formation dolomites in western Sichuan

      • 碳、氧同位素常用来反演碳酸盐岩成岩流体性质,推测成岩环境。全岩样品测试结果显示:残余砂屑白云岩δ 13C值范围为1.949‰~3.850‰,平均值为3.468‰;δ 18O值范围为-9.416‰~-4.759‰,平均值为-8.106‰;晶粒白云岩δ 13C值范围为0.302‰~3.570‰,平均值为2.574‰;δ 18O值范围为-8.931‰~ -4.856‰,平均值为-6.021‰;脉体充填白云石δ 13C值范围为0.881‰~3.670‰,平均值为2.567‰;δ 18O值范围为-9.028‰~-8.155‰,平均值为-8.510‰。白云岩δ 13C-δ 18O散点图(图4)显示残余砂屑白云岩C同位素均落在海水范围内(二叠系海水δ 13C值范围为1‰~6‰;δ 18O值范围为0~-6‰[29]),δ 18O变化较大(多偏负);晶粒白云岩C、O同位素多落在同期海水范围内,脉体充填白云石C同位素基本在海水范围内,δ 18O明显负偏。

        图  4  川西地区栖霞组各类白云石δ 13C⁃δ 18O散点图(图中蓝色区域为同期海水范围)

        Figure 4.  Scattergram of δ 13C⁃δ 18O for Qixia Formation dolomite rocks in western Sichuan (blue area = range of seawater during the same period)

        各类白云岩(石)微区分析显示,残余砂屑白云岩中白云石雾心、亮边(图4A)的C同位素均落在海水范围内,亮边的O同位素较雾心更负。晶粒白云岩中粉、细、中晶白云石(图4B)的C同位素基本落在海水范围内,其O同位素较同期海水偏负,但不同晶粒白云石O同位素分布范围相似。鞍状白云石(图4C)和脉体充填白云石(图4D)的C同位素大部分在海水范围内,其相对应的O同位素较各自的基岩白云岩均更偏负。川西地区栖霞组各类白云岩(石)碳氧同位素结果详见表2

        表 2  川西地区栖霞组碳酸盐岩碳氧同位素含量

        Table 2.  C and O isotopes in carbonate rocks in the Qixia Formation, western Sichuan

        样品数量 δ 13C/(‰,VPDB) δ 18O/(‰,VPDB) 87Sr/86Sr
        全岩数据
        残余砂屑白云岩 12 最大值 3.850 -4.759 0.709 547 72
        最小值 1.949 -9.416 0.706 135 71
        平均值 3.468 -8.106 0.708 311 15
        晶粒白云岩 13 最大值 3.570 -4.856 0.710 357 28
        最小值 0.302 -8.931 0.707 958 21
        平均值 2.574 -6.021 0.708 791 72
        脉体充填白云石 3 最大值 3.670 -8.155 0.712 548 29
        最小值 0.881 -9.028 0.710 971 98
        平均值 2.567 -8.510 0.711 676 23
        泥微晶灰岩 1 取值 3.870 -5.535 0.707 204 69
        微区数据
        方解石 1 取值 -1.733 -11.612
        雾心 4.238 -7.985
        亮边 2.772 -9.284
        粗晶 3 最大值 2.964 -6.467
        最小值 0.218 -7.774
        平均值 1.265 -6.987
        细晶 最大值 2.957 -6.340
        最小值 0.083 -7.397
        平均值 1.970 -6.863
        粉晶 最大值 3.234 -6.968
        最小值 1.698 -8.012
        平均值 2.642 -7.490
        鞍状白云石 3 最大值 3.316 -9.678
        最小值 0.011 -11.818
        平均值 1.968 -10.764
        基岩白云石 最大值 4.282 -8.931
        最小值 0.208 -11.978
        平均值 2.637 -10.707
        脉体充填白云石 3 最大值 3.776 -5.916
        最小值 0.942 -10.697
        平均值 2.038 -8.323
        基岩白云石 最大值 2.374 -5.935
        最小值 1.453 -10.070
        平均值 1.924 -7.052
      • 锶同位素值能很好的示踪白云岩化流体来源[27]。研究区泥微晶灰岩87Sr/86Sr值为0.707 204(表2),与同期海水值一致[二叠系海水(0.706 6~0.708 2)[30-31]];残余砂屑白云石87Sr/86Sr值介于0.706 14~0.709 55,多数落在海水范围内,部分略高于同期海水;晶粒白云岩87Sr/86Sr值介于0.707 96~0.710 36,多高于同期海水;脉体充填白云石87Sr/86Sr值为0.710 97~0.712 55,高于同期海水(图5)。

        图  5  川西地区栖霞组各类白云岩87Sr/86Sr散点图(图中蓝色区域为同期海水范围)

        Figure 5.  Scattergram of 87Sr/86Sr for Qixia Formation dolomite rocks in western Sichuan (blue area = range for seawater during the same period)

      • 据野外剖面、钻井岩心观察该类白云岩呈厚层块状,孔隙分布不均匀,镜下鉴定多具有残余砂屑结构,白云石晶体主要为平直晶面半自形晶(图2A),指示该类白云岩形成于低温环境,低温条件下形成的白云岩原岩结构易于保存[32],晶体多呈平直晶面[32]。阴极发光较暗指示白云岩化流体具海源特征,稀土元素配分模式、C同位素与Sr同位素特征也证实其白云岩化流体为海源流体;微区分析显示白云石雾心与亮边C同位素亦在海水范围内,且二者同位素值相近,说明流体具有继承特征。据岩石学特征和地球化学属性,我们认为该类白云岩是滩相灰岩在浅埋藏条件下发生白云岩化作用形成,在栖霞组沉积的中二叠统期,潜伏的玄武岩已使盆地西南、东北地区出现高热流值[24],这种温差可促使浅埋藏阶段大量海源孔隙水与滩相基岩反应发生白云岩化作用,此时白云岩化环境处于相对还原条件下,Ce负异常证实了我们的推测。该类白云岩的O同位素偏负,C同位素在海水范围内,我们推测为玄武岩喷发期沿深大断裂运移的热流体的叠加改造效应。白云岩Eu异常大部分为负异常,仅少量表现为正异常,微区分析亮边O同位素值较雾心更负,说明了热流体的叠加改造,使白云石再生长形成了亮边结构。残余砂屑云岩白云石晶体雾心内未发现包裹体,但亮边内存在大量109 ℃~138 ℃的包裹体(未发表数据),也说明高温流体改造原始白云岩进而形成了亮边结构。

      • 野外剖面上晶粒白云岩呈灰白色,相对致密,岩心观察多为致密块状,不规则分布的断裂附近发育的晶粒白云石具良好孔隙,后期往往被黑色有机质充填,这些发育孔隙的白云岩多具团簇发育特征,裂隙带内可见溶洞,被有机质或自形粗粒方解石或粗晶白云石半充填(图2B),中—粗晶白云岩原岩恢复显示残余颗粒特征[21]。阴极发光下白云石晶体主体发光较暗,粉晶发亮红色光。岩石学特征表明晶粒白云岩可能形成于海源流体的低温环境中,但裂隙附近的白云石可能受到晚期热液溶蚀改造。晶粒白云岩稀土配分模式与泥微晶灰岩相似(图3a)以及C同位素落在同期海水范围证实其为海源流体白云岩化特征。Ce负异常表明其形成于还原环境,结合前述岩石学特征及同位素、稀土配分模式属性,我们认为这类晶粒白云岩亦为浅埋藏期海水白云岩化,与残余砂屑云岩成因相似,只是这种白云岩化作用优先在颗粒灰岩中进行,而后向两侧延伸。这一认识与我们在剖面(广元西北乡)、岩心观察中看到晶粒白云岩、云质灰岩、含云灰岩在空间分布规律相符。

        晶粒白云岩形成后受到后期热流体改造,因此在岩心上,裂隙周围分布的白云岩手感相对较粗,薄片以细—中晶为主,岩心上、薄片内孔隙发育均较好。白云岩O同位素略负偏以及Eu略呈正异常证实了白云岩在一定程度上受到热液改造。洪雅张村剖面鞍形白云石发育的基质晶粒白云岩中O同位素明显负偏也证明了这类白云石受到热液的改造。对晶粒白云岩不同晶体微区C、O同位素分析结果表明各晶体显示出相似的同位素特征,说明这些不同大小的晶体形成于同样环境中,只是后期改造发生了不同程度的重结晶,形成了不等晶白云岩,这种改造甚至使残余颗粒云岩结构消失,形成孔隙不均匀分布的中粗晶白云岩[21]。综上所述,我们认为晶粒白云岩为浅埋藏成因,受到后期热液的叠加改造。

      • 鞍状白云石见于斑马构造裂隙内(图2C)以及汉深1井裂隙及溶孔内,镜下多为曲面他形粗晶,表明该类白云石为晚期高温成因。O同位素明显偏负与Eu正异常证实了鞍状白云石高温流体成因。鞍状白云石C同位素未见负偏且与二叠纪海水相近,排除了大气淡水成因,曲面他形具波状消光的岩石学特征也指示非大气淡水成因。岩石学特征与地球化学性质表明鞍状白云石为高温热液成因,我们推测白云岩化流体为峨眉山玄武岩喷发过程中沿断裂体系运移的溶有碳酸盐岩的热液,这些流体穿过了下伏硅酸盐地层,Sr同位素明显高于同期海水应为这一过程的记录。因此,我们认为分布于川西南地区的鞍状白云石应为峨眉山玄武岩喷发过程中热液成因的白云石。

      • 这类白云石分布于岩石裂隙内(图2D),晶体呈半自形他形,阴极发光稍亮,指示其晚期埋藏成因。其C同位素基本在二叠纪海水范围内,O同位素偏负说明该类白云石可能为埋藏期孔隙囚禁卤水沿裂隙形成脉体充填白云石。Ce负异常指示了脉体充填白云石形成于还原环境,与埋藏条件相符;Eu没有呈现出正异常,说明白云岩化流体非热液流体,其O同位素的负偏应为埋藏条件温度效应的反映。

        前述各类白云岩成因分析表明,川西地区栖霞组白云岩主体为浅埋藏成因,残余砂屑白云岩与晶粒白云岩均受到后期热流体叠加改造,脉体充填白云石为晚期埋藏成因。西南地区充填裂隙与溶洞的鞍形白云石为热液成因。

      • 根据白云岩的岩石学及地球化学特征分析得出研究区主要存在两期白云岩,分别为分布较为广泛的残余砂屑白云岩和晶粒白云岩,以及充填在裂缝中的鞍状白云石和脉体充填白云石。白云岩的形成分为两个阶段,在中二叠世栖霞期发育碳酸盐岩台地形成颗粒滩及滩间等微相,浅埋藏阶段发生滩相灰岩发生白云岩化作用形成残余砂屑白云岩和晶粒白云岩(图6a);而后峨眉山玄武岩喷发,基底断裂活化,岩浆热液及其加热的地层流体沿深大断裂向两侧侵入,叠加改造残余砂屑白云岩和晶粒白云岩,并沿裂缝、孔隙充填形成鞍状白云石,埋藏期孔隙囚禁卤水沿裂隙发生白云岩化作用形成脉体充填白云石(图6b)。区域上白云岩沿深大断裂不均匀分布,且多与滩相重合,证实了栖霞组白云岩成因机制。

        图  6  川西地区栖霞组白云岩成因模式图

        Figure 6.  Genetic model of Qixia Formation dolomite rocks in western Sichuan

      • (1) 川西地区栖霞组白云岩(石)可分为残余砂屑白云岩、晶粒白云岩以及鞍状白云石、脉体充填白云石四种类型。其中残余砂屑白云岩呈厚层块状,隐约见残余颗粒,具雾心亮边结构,以平直晶面半自形晶为主;晶粒白云岩呈致密块状,晶体大小不均,平直晶面自形晶为主;鞍状白云石充填于裂隙与溶蚀孔洞内,多为曲面他形粗晶,具波状消光特征;脉体白云石沿缝壁向内生长,半自形—他形为主。

        (2) 研究区白云岩样品碳同位素均在同期海水范围内,REE配分模式与泥微晶灰岩相似,部分白云岩87Sr/86Sr值因穿过硅酸盐地层而明显偏高,表明白云岩化流体主要为海水来源。

        (3) 川西地区中二叠统栖霞组白云岩主体为浅埋藏成因。由于峨眉山大火成岩省造成的异常高温使残余砂屑白云岩受高温流体叠加改造,晶粒白云岩经高温流体改造而重结晶;鞍状白云石为热液成因,推测为峨眉山玄武岩喷发期间热液活动产物;脉体充填白云石为晚期埋藏成因。火山岩浆活动使地层发生隆升及张裂,热流体沿深大断裂向两侧侵入,充填裂缝形成鞍状白云石,埋藏期孔隙囚禁卤水沿裂隙形成脉体充填白云石。

    参考文献 (32)

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