0 引言

四川盆地寒武系发育良好，下寒武统烃源岩优良，远景资源量在下古生界占首位^[1-4]。该区中—上寒武统碳酸盐岩厚度达千米，局部井段孔洞层优质储集体发育，是四川盆地天然气勘探的重要后备领域^[5-6]。然而，近50年来，基本上以“加里东期古隆起有利于油气聚集”为勘探指导思想，在盆地内钻达寒武系的井已有百余口，却仅在威远构造的中寒武统龙王庙组、中—上寒武统冼象池群发现有十几口达工业油气流的气井。前人对寒武系的勘探仍处于低效勘探阶段，但对四川盆地寒武系的认识已有极大的进步，已经较深刻地认识到了乐山—龙女寺古隆起是油气富集的有利地带、古隆起核部地区是天然气最有利的富集地区，而斜坡部位和坳陷带则多产水。同时，在盆地边缘川东南地区(黔中古隆起北斜坡)中国石化(以震旦系为目的层)两口重点探井(2005年钻丁山1井、2007年钻林1井)中，下寒武统清虚洞组也仅见有沥青化的古油藏^[6]。寒武系气藏多为晚期调整气藏，寒武系发育优良的膏岩盖层。因此，在燕山期—喜马拉雅期全盆地寒武系保存条件均有一定程度破坏的情况下，是否具有优质储层，是制约勘探的重要因素^[3]。本文主要选取了2口井(金石构造的金石1井和磨溪构造的磨溪22井)，通过岩心薄片观测、晶洞内充填物的岩石学与地球化学详细分析，以川中南为重点，旨在对四川盆地寒武系储层特征及优质储层形成机理作更进一步探讨。白云岩化作用是形成四川盆地中南部寒武系优质储层的基础，其“减体积效应”所形成的晶间孔溶扩形成的晶间溶孔是最重要的储集空间类型之一。针对寒武系优质储层形成机理研究，目前还有待深入。

1 地质背景

四川盆地是一个面积约19×10⁴ km²的大型含气叠合盆地，在前震旦系变质岩和火成岩的基底上，沉积了厚达6 000~12 000 m的海、陆相地层。盆地的地质情况极其复杂，已发现的多为中小型气田，个数多、差别大。川中地区属于川中平缓褶皱带和川北低平褶皱带的南部，是四川盆地唯一的油、气并产地区^[7]。受桐湾运动的影响，震旦纪末地壳抬升，海水退出盆地，震旦系灯影组遭受风化剥蚀。寒武纪早期，海水从盆地东南方向侵入，开始了又一次大规模的海侵。晚寒武世地壳相对稳定，气候炎热干燥，蒸发作用强烈，该时期四川海盆继承了中寒武世晚期的沉积特点，为半封闭的沉积环境，沉积物以碳酸盐台地相-局限台地亚相为主(图 1、2)。

① 陈洪德.中国西部主要大型盆地碳酸盐岩油气勘探新领域及战略选区综合研究项目.成都:成都理工大学，2013.

区内油气藏类型十分复杂，不仅存在众多的构造型油气藏，还有许多非构造型油气藏，研究工作主要以金石和磨溪两个构造为主要对象。磨溪和金石构造区域构造位置处于川中南古隆平缓构造区南部，加里东古隆起的东端，即乐山—龙女寺古隆起轴部东南。区内构造从震旦纪以来，一直处在稳定隆起基底背景之上，虽经历数次构造作用，但其作用方式主要表现为以水平挤压、升降运动为主。古今构造的生成与发展具有很强的继承性，磨溪和金石构造格局于志留纪末加里东期定型，晚三叠世末的印支运动得到较大发展，到喜山三幕最终定型形成现今的构造格局^[6-7]。

2 样品和实验方法

样品取自研究区金石构造的金石1井和磨溪构造的磨溪22井2口钻井寒武系的新鲜岩心，所有样品均以显微镜下的岩石学鉴定分析为依据。地球化学样品采用美国产MicroMill型号微钻取样仪进行微区取样，尽量避开杂质和胶结物，以保证样品的纯度及其可靠性与代表性，所做的研究包括微量元素、稀土元素、碳氧同位素分析等。

微量元素分析在中国科学院海洋研究所完成，测试仪器为2000DV，检测限0.001%，误差0.002%，检测依据为Y/T05-1996《ICP广谱法测定》^[8]。稀土元素分析在成都市成华区东方矿产开发技术研究所完成，分析利用酸溶法将样品制备好后，在HR-ICP-MS Element仪器上进行测试。碳、氧同位素分析在中国科学院地质和地球物理研究所兰州油气资源中心地球化学测试部完成，采用Finnigan公司的MAT252气体同位素质谱仪检测(温度22 ℃, 湿度500%)，分析结果以%为单位，采用PDB标准，测试精度在0.1%以内。

3 岩相学特征

寒武系沉积格局决定不同时期沉积岩性。寒武系由下而上主要为一套泥页岩-粉砂质泥岩(夹泥质粉砂岩)-灰(泥)质白云岩-纯白云岩。储集层岩石类型主要有粗粉晶—细晶白云岩或灰岩、颗粒白云岩或灰岩、碎屑岩等3类岩石，但相对优质储集岩类主要为中—上寒武统冼象池组晶粒白云岩夹颗粒白云岩及龙王庙组细晶白云岩、粉晶白云岩、鲕粒白云岩和砂屑白云岩(图 3)。

粗粉晶—细晶白云岩：这类白云岩主要由粗粉晶—细晶白云石组成(图 3a, b, c, d, e, f)，有少量中晶白云石，以半自形为主，普遍具交代雾心结构，部分白云岩具交代残余颗粒结构等。

颗粒白云岩：包括鲕粒白云岩(图 3g, h, i)、砾屑白云岩和砂屑白云岩(图 3j, k, l)等。这类白云岩颗粒本身由泥晶白云石和粉晶白云石组成，胶结物多由粉晶白云石组成，原岩中颗粒和胶结物的结构特征保存完好。

4 分析结果与讨论 4.1 Fe、Mn、Sr微量元素地球化学特征

不同类型白云岩的Fe²⁺、Mn²⁺平均含量存在比较明显的差异(表 1)。对于全岩样品来说，这两种微量元素的丰度，既与成岩环境的氧化还原电位有关，也与白云岩的黏土矿物含量有关^[9]。白云石中Mn、Fe质量分数往往反映成岩强度和埋藏深度，埋藏越深，成岩强度越高，Mn、Fe的质量分数就越低；相反Mn、Fe的质量分数就越高。研究区Fe、Mn质量分数所反映的地球化学特征如下。

① 马永生.川东北长兴组飞仙关组天然气勘探成果与展望.北京：中国石油化工集团公司，2015.

② 黄思静.塔里木盆地塔河油田寒武奥陶系深埋岩溶的物质基础与埋藏成岩作用.成都：成都理工大学，2009.

无论是微晶白云岩、亮晶鲕粒白云岩、残余砂屑白云岩，还是各种样品的总体平均值，川中南部寒武系碳酸盐都具有比川东北长兴组飞仙关组高得多的铁和锰质量分数(表 1、图 4)。川东北长兴组飞仙关组碳酸盐岩中的铁质量分数平均只有556.43×10^-6，锰质量分数只有61.03×10^-6，而川中南部寒武系碳酸盐岩中的这两个数值平均分别为6 502.9×10^-6和468.3×10^-6，均比川东北长兴组飞仙关组高一个数量级，显示川中南部寒武系碳酸盐岩经历了与大气水有关的相对开放体系中的成岩作用。而川中南部寒武系碳酸盐岩具有与塔河油田奥陶系相近的微量元素组成，说明其经历了相似的成岩作用过程。表生岩溶作用是大气水改造碳酸盐岩最为重要的地质过程，发生在寒武系沉积期的古暴露喀斯特作用过程会造成不整合面附近碳酸盐岩地层具有相对较高的铁、锰质量分数(表 1)。

各类白云岩Sr的质量分数变化范围为53×10^-6~92×10^-6(表 1)，平均值74.0×10^-6，小于川东北长兴组飞仙关组白云岩平均值，与塔里木盆地塔河奥陶系白云岩的Sr同位素值相当，说明川中南部地区寒武系白云化流体与塔河油田白云化流体相近。整体Sr质量分数值小于Derry等^[10]提出的能较好代表均一化海水样品的Sr质量分数下限值(200×10^-6)，显示出大气淡水对海相碳酸盐岩影响较大的特征。

由于理论上Sr在白云石中的分配系数只有方解石的一半，因而方解石(或文石)的白云石化过程是一个Sr的丢失过程^[11-12]。残余颗粒白云岩(包括残余砂屑白云岩和亮晶假鲕白云岩)具有比微晶白云岩相对低的Sr平均质量分数，以及所有白云岩样品中最高的Mn质量分数平均值(656.3×10^-6)，说明残余颗粒白云岩可能接受低Sr大气水淋滤作用。

4.2 氧、碳同位素地球化学特征

海相碳酸盐中的¹³C、¹⁸O丰度主要受海平面升降、有机碳来源及埋藏速率、沉积-成岩环境的氧化-还原条件等因素影响^[13]，如碳酸盐胶结物的化学沉淀、溶蚀、重结晶及交代作用都会使原岩的C、O同位素发生变化。碳酸盐的氧同位素组成与流体氧同位素组成和沉淀时的温度有关。流体氧同位素组成较轻(如大气降水)或者具有较高的温度, 所形成的方解石通常会具有较轻的氧同位素组成^[14]。

对本研究区白云岩样品的碳、氧同位素结果(表 2) 进行分析可知，四川盆地中南部寒武系碳酸盐岩δ¹³C_VPDB和δ¹⁸O_VPDB平均值分别为-2.38‰和-7.74‰，显著低于川东北长兴组飞仙关组的2.20‰和-4.72‰，而与塔河油田奥陶系的碳(-1.32‰)、氧同位素值(-8.84‰)接近，说明四川盆地中南部寒武系具有与塔河油田奥陶系碳酸盐岩相似的成岩流体。四川盆地中南部寒武系碳酸盐岩相对于代表Moscovian阶原始海水^[15]的碳酸盐岩具有更低的δ¹³C和δ¹⁸O值，表明在成岩过程中可能有¹²C和¹⁶O的流体注入影响，这一地球化学异常主要与古表生期研究区寒武系碳酸盐岩地层接受广泛的大气水淋滤作用有关。

① 马永生.川东北长兴组飞仙关组天然气勘探成果与展望.北京：中国石油化工集团公司，2015.

② 黄思静.塔里木盆地塔河油田寒武奥陶系深埋岩溶的物质基础与埋藏成岩作用.成都：成都理工大学，2009.

碳、氧同位素地球化学资料的研究表明，充填于晶洞中的流体应当是外来流体。从碳同位素特征来看，晶洞中所充填的白云石既有δ¹³C高于围岩者，也有低于围岩者，但围岩与晶洞充填物间碳同位素差异明显(表 2)。晶洞充填物的氧同位素明显的亏损，表现为晶洞充填物氧同位素值比围岩基质偏低(图 5)，说明可能存在外来高温热流体的侵入。

4.3 稀土元素地球化学特征

据四川盆地中南部寒武系7件样品稀土元素分析结果(表 3) 显示，各成岩阶段REE特征如下。

稀土元素PAAS标准化配分模式图(图 6) 显示，各类样品均表现为轻稀土元素(LREE)略富集型，并具有各自相似的配分模式，反映出样品选取和分类是可靠的。微晶白云岩相比具溶孔的细晶残余砂屑白云岩具有更高的ΣREE值(平均为36.81× 10^-6)，细晶残余砂屑白云岩样品均为分布范围较集中的低值(平均为6.73×10^-6)(表 3)，显示成岩流体对REE的迁移作用较活跃，是成岩流体与原岩的稀土元素发生重新分配、平衡的结果。

Ce的负异常程度是水体氧化程度和热水流体的反映^[16-17]，残余砂屑白云岩δCe平均值(2.63) 和δEu平均值(0.05) 相比微晶白云岩δCe平均值(15.30) 和δEu平均值(0.29) 均明显偏低，反映成岩流体具有温度增高、氧化性增强的特点。

4.4 白云石有序度

矿物的有序度是其结晶程度好坏的标志，也是矿物形成时环境的物理、化学等条件和结晶速度的反映^[18]。白云石有序度反映白云石晶格中阳离子Mg²⁺、Ca²⁺与CO₃^2-之间排列的有序程度，其有序度高低取决于温度、盐度、Mg²⁺/Ca²⁺值及后生变化。一般来说，高盐度、高温度和高Mg²⁺/Ca²⁺值条件下白云石有序度低；在大气淡水作用下，具有低的Mg²⁺/Ca²⁺值，致使Mg²⁺、Ca²⁺与CO₃^2-作有序排列和缓慢结晶，白云石有序度就高。

研究区微晶白云岩中白云石有序度为0.61~0.87，平均值为0.75(表 4)；残余颗粒白云岩中白云石有序度较高(0.70~1.04)，平均值为0.88(表 4)。微晶白云岩属准同生期白云岩，相比同生期白云石有序度(一般小于0.70) 要高，但残余颗粒白云岩由于形成于开放的成岩环境，白云石结晶速度慢，有序度大大高于准同生成岩阶段的微晶白云岩。

4.5 白云化机制探讨

四川盆地南部中—上寒武统储层主要是潮坪环境下的晶粒白云岩和高能环境下的颗粒白云岩。震旦纪末，桐湾运动使地壳上升，盆地西部龙门山一带以康定、宝兴等杂岩体为核心向上隆起，使台地沉积基底东倾，地势呈西高东低的古地貌特征，导致寒武系抬升剥蚀，接受大气淡水作用的改造。

白云化流体性质是白云化作用的核心问题。通过对比研究得出，川东北长兴组飞仙关组白云岩的白云化流体更接近于海水，为海源流体的埋藏白云化作用^[19]。而川中南部寒武系白云化流体与塔河油田奥陶系具有相似的流体性质，其微量元素、碳氧同位素组成上更接近于大气淡水环境，为开放的成岩环境。因此，研究区可能为准同生白云石化或大气水和海水混合流体的白云石化作用。

方解石的白云石化作用，即白云石对方解石的交代作用可用如下两个反应方程^[20]表达:

反应(1) 和反应(2) 所代表的实际上是可能参加反应物质化学计量数的两个端元值，就一般而论，白云化的反应可写成：

因此，反应(3) 是一个方解石白云化反应的通式，它包括了反应(1) 和反应(2)，如果X=0, 那么反应(3) 就变成了反应(1)，如果X=1，(3) 式就变成了(2) 式。在反应(1) 的情况下，必须要有镁离子的输入和钙离子的输出；反应(2) 的情况没有钙离子的输出。X的取值介于0~1，其化学计量数的范围代表了介于反应(1) 和反应(2) 的中间反应^[21]。

本研究区寒武系碳酸盐储层在构造抬升过程中接受大气淡水淋滤作用，成岩流体处于相对开放的成岩环境中，与白云化有关的反应具有较大的化学计量数X(反应(3))。主要依据包括：1) 与同期海水相比，白云化流体具有较低的δ¹³C和δ¹⁸O值，因而流体中存在较多大气水信息，并具较低的盐度；2) 白云岩具较高的锰、铁含量，较低的锶含量，同样反映有较多的大气水参与，同时也说明白云化作用发生于相对开放的成岩环境中。

5 结论

1) 四川盆地中南部寒武系白云岩具有较高的铁(平均6 502.9×10^-6)和锰值(平均468.3×10^-6)、较低的锶质量分数(平均值为74.0×10^-6)、较低的碳氧同位素值，以及较强的阴极发光特征，说明川中南部地区寒武系白云岩经历了不同程度的大气淡水淋滤作用，其白云化流体与开放系统的大气淡水有关，为准同生白云石化作用和混合水白云石化成因。

2) 震旦纪末，桐湾运动使地壳上升，盆地西部龙门山一带以康定、宝兴等杂岩体为核心向上隆起，使台地沉积基底东倾，地势呈西高东低的古地貌特征，导致寒武系抬升剥蚀，接受大气淡水作用的改造，发生混合水白云石化作用。