2017, Vol. 33
2. 成都理工大学沉积地质研究院, 成都 610059;
3. 中国石油西南油气田分公司, 成都 610041;
4. 中国石油川庆钻探工程有限公司地球物理勘探公司, 成都 610213;
5. 成都理工大学地球物理学院, 成都 610059
, ZHOU Gang3, ZHENG RongCai1,2, PENG Cai4, ZHANG Bing5, XU WenLi2, ZHANG YuLu2, LUO LianChao2
2. Institute of Sedimentary Geology, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China;
3. Exploration and Development Research Institute of PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Chengdu 610041, China;
4. Sichuan Geophysical Company of CNPC Chuanqing Drilling Engineering Company Limited, Chengdu 610213, China;
5. School of Geophysics, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China
碳酸盐岩沉积环境，特别是礁、滩沉积控制了原始孔隙发育 (马永生等, 2007, 2010)，并影响到早期成岩作用，但碳酸盐岩由于对成岩作用具有敏感性 (黄思静等, 2009a)，很容易受到成岩作用不同程度地改造 (高林, 2008; 赵彦彦和郑永飞, 2011)，且这种改造在碳酸盐矿物刚形成就开始了 (Morse, 2003; Knauth and Kennedy, 2009)，考虑到成岩作用对沉积的继承性 (樊爱萍等, 2009)，将碳酸盐岩沉积作用和成岩作用纳入到统一的系统中研究此两种作用与储层在时空上的耦合关系显得尤为必要 (文华国等, 2011, 2012)。随着对沉积盆地地质作用系统的认识程度 (Perrodon and Masse, 1984; Allen and A1len, 1990; Dickinson, 1993; 李思田, 1995; Dickinson et al., 1997) 加深，国内外学者已先后意识到从盆地动力学整体去考察成岩系统过程和结果 (Horbury and Robinson, 1993; Dickinson et al., 1997; Morad et al., 2000; Taylor et al., 2004; 李忠, 1998; 李忠等, 2006a; 李忠和刘嘉庆, 2009)；成藏系统的研究也是从盆地动力学角度整体考虑各成藏基本要素 (生、储、盖、运、圈、保等) 和动力学条件在地质历史中的有机匹配 (Lubanzadio et al., 2006; 谢泰俊和朱俊章, 2011; 丁晓琪等, 2011; 徐洪和杨玉峰, 2014; 朱俊章等, 2015)；从成岩系统和成藏系统的划分主要基于流体-岩石相互作用 (蔡春芳, 1996; 李忠, 1998; 李忠等, 2006b; 解习农等, 2009; 郑荣才等, 2010) 和成藏流体动力学过程 (郝芳和董伟良, 2001; 郝芳等, 2002) 来看，无论是成岩系统还是成藏系统，盆地动力学过程中的流体活动均扮演了重要角色。近年来，在开江-梁平台棚东侧长兴组白云岩储层中已发现普光、黄龙场、五百梯等多个大中型气田，显示出巨大的天然气勘探潜力；前人针对研究区局部含气构造带围绕沉积相 (马永生等, 2007; 吴亚生等, 2015)、储层 (李志明等, 2010; 文华国等, 2010; 陈雪等, 2013) 及成藏机理 (陈丹, 2011; 冯冲等, 2013; 詹仲伦等, 2014; 余新亚等, 2015) 等方面开展了不同程度的研究并积累了较丰富的资料，但针对环开江-梁平台棚或两侧多个含气构造带连片开展长兴组沉积、储层及成藏特征的专题研究报道较少 (陈洪德等, 2009; 张建勇等, 2011; 文龙等, 2012; 周刚等, 2013; 徐安娜等, 2014)，本文尝试从系统论角度 (赵文智和何登发, 2000; 魏宏森和曾国屏, 2009) 出发，在沉积-成岩-成藏系统框架下，针对开江-梁平台棚东侧长兴组生物礁储层，从沉积微相入手研究成岩作用，为储层预测提供地质依据 (王瑞飞和宋子齐, 2009; 李忠和刘嘉庆, 2009; 刘宝珺, 2009)，从流体活动入手，研究长兴组生物礁储层成岩流体来源、性质、输导体系、流体运移路径与流体-岩石相互作用过程，及其在时间-空间上成岩-成藏作用的耦合匹配关系，进一步揭示长兴组生物礁沉积-成岩-成藏规律，为该地区下一步勘探目标优选提供地质依据。
1 生物礁沉积特征研究区位于川东北地区宣汉县、达州市和重庆开江县、开县、万州区等县市境内，区域上属于川东弧形褶皱带东北缘，包括普光、毛坝、七里北、黄龙场、五百梯、大猫坪、高峰场等含气构造带，均呈北东-南西向展布，面积近万平方千米 (图 1)。该地区上二叠统长兴组与下伏上二叠统龙潭组 (局部地区为吴家坪组)、上覆下三叠统飞仙关组都呈平行不整合接触。受峨眉“地裂运动”拉张作用影响，开江-梁平地区晚二叠世吴家坪期已开始发育台内陆棚，长兴期在开阔台地和台棚的过渡相带开始发育大规模的生物礁，开江-梁平台棚东侧台缘生物礁带长约150km，已发现众多礁、滩气藏，台棚最终消亡于早三叠世飞仙关晚期 (王一刚等, 1998; 黄仁春, 2014)。
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图 1 研究区晚二叠世礁滩带分布和地层综合柱状图 Fig. 1 Distribution of reef flat facies and stratigraphic framework column during Late Permian of the study area |
开江-梁平台棚东侧长兴组生物礁主要为海绵礁，含少量的苔藓虫、珊瑚和层孔虫等造礁生物，主要粘结生物为蓝绿藻、古石孔藻和管壳石等，礁体大多发育于长兴中期，消亡于长兴晚期；生物礁剖面纵向上发育礁基、礁核和礁坪/礁盖亚相，其中礁基和礁坪主要由生物碎屑组成，含少量砂屑、砾屑等；礁核亚相主要由粘结礁、障积礁、骨架礁和粘结骨架礁微相组成，礁坪/礁盖亚相生屑/砂屑灰岩和部分毗邻发育的骨架礁灰岩具有较高的原始孔隙度和渗透率，白云石化流体易于进入而发生强烈的白云石化作用而形成优质储层 (赵文智等, 2014)。已有钻井及地震剖面显示环开江-梁平台棚周缘发育陡坡和缓坡两种类型的台地边缘 (文龙等, 2012; 徐安娜等, 2014)，本文在前人沉积背景研究基础上，按照生物礁沉积特征、台缘生物礁建隆高度与前缘斜坡的坡角关系 (图 2) 和分布特征等，进一步将开江-梁平台棚东侧台地边缘带生物礁划分为陡坡近缘型、陡坡远缘型、缓坡近缘型和缓坡远缘型生物礁 (图 3)。
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图 2 开江-梁平台棚东侧长兴组台缘生物礁建隆高度与前缘斜坡坡角关系图 (a) 不同区块台缘斜坡坡度散点；(b) 坡度与生物礁厚度散点 Fig. 2 Relationship diagram between organic reef uplifting height and foreslope angle of Changxing Formation in the eastern of Kaijiang-Liangping platform-shelf (a) scatter plots of Foreslope angle in different block; (b) Scatter plots of slope angle versus organic reef thickness |
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图 3 开江-梁平台棚长兴组不同类型台地边缘带连井对比和沉积模式图 (剖面位置见图 1) Fig. 3 Different types of Changxing Formation platform margin facies connecting-well cross-section and sedimentary mode in Kaijiang-Liangping platform-shelf (section position as shown in Fig. 1) |
(1) 陡坡近缘型生物礁
指台缘带中最靠近台棚且礁滩体建隆高度与前缘斜坡之间坡度较陡的生物礁类型，坡度较大，部分区域甚至达到40°，地震剖面显示长兴组礁滩体沿台缘陡坡一侧生长，高陡坡折带发育特征明显，礁滩体呈山脊状，隆起幅度高、厚度大、横向展布窄，单个礁滩体延伸长度可达2~5km，宽1~2km，厚50~100m，礁滩体顶部和边部具披覆和上超现象，内部呈杂乱或空白地震反射特征，礁滩体以垂向加积生长为主，侧积作用不明显；钻井及野外露头资料表明陡坡近缘生物礁造礁生物含量高，礁体岩石类型以骨架岩、粘结骨架岩和障积岩为主，储层厚40~80m，孔隙度主要分布在2%~6%之间，平均4.8%，渗透率主要分布在0.01~1mD，储层总体表现为低孔、低渗特征；普光、毛坝、七里北、黄龙场、龙岗等含气构造带主要发育此类型生物礁。
(2) 陡坡远缘型生物礁
礁体发育于台棚边缘陡坡后侧的次一级坡折带上，由于靠近台棚一侧陡坡近缘礁的障壁作用，陡坡远缘型生物礁发育规模更小，形态呈丘状，造礁生物少。目前在台棚东侧钻遇这类生物礁井较少，以WQ3井为例，礁体主要发育于长兴早期，消亡于长兴早中期，礁体厚30m，以障积海绵礁灰岩为主，储层厚10m，孔隙度2%~6%之间，平均4.86%，渗透率0.001~0.01mD，表现为低孔、特低渗特征，温泉井含气构造带主要发育此类型生物礁。
(3) 缓坡近缘型生物礁和缓坡远缘型生物礁
礁滩体发育于台地边缘大型宽缓斜坡环境中，坡折带不发育，礁滩体呈宽缓的低丘，以单排或多排形式发育，沿宽缓斜坡坡折带平行或斜列式展布，地震剖面显示礁滩体顶部和边部具披覆和上超，内部多呈杂乱或平行反射特征，礁滩体以侧积为主，加积作用不明显。依据礁体发育位置，可将缓坡生物礁分为缓坡近缘型生物礁和缓坡远缘型生物礁两类，前者礁滩体呈山丘状，隆起幅度较高，厚度较大，横向展布宽，呈堤状、串珠状分布，单个礁滩体延伸长度可达2~5km，宽1~3km，厚50~80m，储层一般厚30~50m，也表现为低孔、低渗特征，五百梯含气构造带主要发育此类型生物礁；后者缓坡远缘型生物礁在地震剖面上表现为丘状、内部杂乱或平行反射特征，礁滩体顶部和边部具披覆和上超，内部空白反射、杂乱反射等生物礁异常特征，但有待钻井证实。
1.1.2 生物礁分布特征陡坡近缘型和陡坡远缘型生物礁主要分布在开江-梁平台棚东侧北段和中段局部地区，其中前者主要分布于最靠近台棚一侧最大坡折带上，呈带状分布，后者分布于前者往台内方向的次级坡折带上，受陡坡近缘型生物礁遮挡影响，陡坡远缘型生物礁呈零星的点状分布；缓坡近缘型和缓坡远缘型生物礁主要分布在开江-梁平台棚东侧南段，其中前者发育于斜坡带上小型坡折带处，呈带状、堤状分布，后者分布于前者往上斜坡方向的次级坡折带上，也呈带状、堤状展布。
1.2 生物礁发育控制因素(1) 古地貌格局控制了不同类型台缘生物礁的展布
现代生物礁研究成果表明坡度越大，越有利于生物礁的发育 (赵邦六和杜小弟, 2009)。开江-梁平台棚东侧长兴早期、晚期古地貌总体格局相似，表现为北高南低、东高西低和继承性发展演化特点，该地区长兴早、晚期古地貌明显控制了北部-中部长兴组陡坡近缘礁和陡坡远缘礁，以及南部长兴组缓坡近缘礁和缓坡远缘礁的发育位置。
(2) 古海平面的“升降”控制了生物礁形态及规模
华南二叠纪末为广泛海侵期，生物礁的发育是在海侵大背景下受局部构造影响形成的 (殷鸿福等, 1994)，开江-梁平地区长兴期发育一个完整的三级层序，低位体系域、海侵体系域和高位体系域分别对应长兴早期、中期和晚期，长兴早中期以海侵为主，长兴晚期有海平面下降现象 (吴亚生等, 2003, 2006; 周刚等, 2013)；长兴早期，海平面位置较低，在开江-梁平台棚东侧远离陆源碎屑、高地貌的坡折带处可形成早期陡坡近缘礁和缓坡近缘礁；长兴中期大范围的海水快速入侵，开江-梁平台棚周缘早期近缘礁大部分被淹死，少部分往水浅、干净、清洁、古地貌更高的方向退积生长，形成陡坡远缘礁和缓坡远缘礁；直到长兴晚期相对海平面下降，生物礁向台棚方向迁移，长兴早期曾发育生物礁的区域又开始适宜礁体生长，形成规模较大的陡坡近缘礁和缓坡近缘礁，随着近缘礁隆起幅度加大引起的遮挡作用，造成远缘礁比近缘礁发育程度更低、规模更小、储层发育相对更差。
2 岩石学特征 2.1 白云岩成因类型开江-梁平台棚东侧长兴组生物礁储层往往与白云石化作用关系密切，不同成岩阶段的白云岩结构特征不同，显示白云石化作用具多期次和多成因特点，根据刘宝珺 (1980)的白云岩结构-成因分类方案以及白云石晶体大小及分布状况 (Amthor et al., 1993)，可从研究区长兴组白云岩中识别出如下5种类型：① 准同生期泥-微晶白云岩 (Rd1)；② 早成岩期埋藏白云岩 (Rd2)；③ 中成岩期埋藏白云岩 (Rd3)；④ 晚成岩A期晶粒白云岩 (Rd4)；⑤ 晚成岩B期碎裂化白云岩 (Bd)。除此之外，在Rd3白云岩、Rd4白云岩和Bd白云岩的孔、洞、缝中还充填有自生方解石 (Vc)，由于其成岩流体性质的特殊性，本文作为单独的组构类型一并纳入讨论。
(1) Rd1白云岩
岩性主要为泥-微晶白云岩和含膏质泥-微晶白云岩 (图 4a)，具他形-半自形泥-微晶结构，发育藻纹层、鸟眼、石膏假晶等潮汐和暴露成因标志，白云石晶体小于0.01mm，MgCO3(mol%)/CaCO3(mol%) 比值和有序度分别为0.86和0.535(表 1)，白云石Mg (mol%)/Ca (mol%) 比值和有序度低。此类白云岩的成因没有争议，即在干旱炎热的气候条件下，在礁、滩顶部或受障壁的泻湖-潮坪环境，由蒸发浓缩的高镁卤水交代灰泥所引起的准同生蒸发泵白云石化作用而形成。
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图 4 开江-梁平台棚东侧长兴组碳酸盐岩常见的岩石组构 (a) 微晶白云岩，发育缝合线构造 (黄色箭头)，PG6井，块号：5(38/101)，显微照片 (-)；(b) 原始结构保存完整的海绵礁白云岩，海绵的粒内孔隙中充填亮晶方解石 (黄色箭头)，PG6井，块号：10(78/137)，茜素红染色，显微照片 (-)；(c) 富有机质微晶生物屑白云岩，少量生物屑被溶后形成铸模孔 (黄色箭头)，TD021-3井，4278.47m，显微照片 (-)；(d) 细晶白云岩，半自形白云石晶体大多数具有雾心亮边结构，晶间孔非常发育，TD10井，3782.55m，显微照片 (-)；(e) 溶孔粉-细晶白云岩，白云石晶体表面见溶蚀现象，F003-2井，4484.07m，SEM照片；(f) 溶孔状粉-细晶白云岩，白云石晶间溶孔及溶洞发育，TD21井，4337.21m，显微照片 (-)；(g) 灰质中晶白云岩，白云石晶间充填沥青 (黄色箭头) 和连晶方解石 (白色箭头)，部分白云石见去云化现象 (蓝色箭头)，TD002-11井，4329.08m，茜素红染色，显微照片 (-)；(h) 白云石晶间溶孔内充填油滴状沥青 (黄色箭头) 和薄膜状沥青 (红色箭头)，TD021-3，块号：2-23/90，SEM照片；(i) 残余棘屑中-粗晶白云岩，晶间溶孔部分被方解石 (黄色箭头) 充填，HL4井，块号：1-23，茜素红染色，显微照片 (-)；(j) 白云石晶间孔隙中见薄膜状沥青 (黄色箭头) 和自生石英 (红色箭头) 充填，TD21，4337.21m，SEM照片；(k) 碎裂化细晶白云岩，破裂缝内充填有粗晶白云石 (黄色箭头)，TD10井，3782.55m，显微照片 (-)；(l) 碎裂化-重结晶的不等晶白云岩，含自生石英 (黄色箭头) 和连晶方解石 (蓝色箭头)，PG6井，块号：5(33/101)，茜素红染色，显微照片 (-) Fig. 4 Common petrofabric of Changxing Formation carbonatite in the eastern of Kaijiang-Liangping platform-shelf |
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表 1 长兴组各类碳酸盐岩样品元素和同位素地球化学分析结果 Table 1 Element and isotope geochemistry analysis results of Changxing Formation carbonatite |
(2) Rd2白云岩
岩性主要为礁灰岩和生屑灰岩白云石化作用形成的礁白云岩和生屑白云岩，其中礁白云岩骨架结构主要由造礁海绵组成，海绵体腔孔充填亮晶方解石 (图 4b)，生屑白云岩中见生物屑被溶后形成铸模孔 (图 4c)，Rd2白云岩主要由微晶和少量粉晶白云石晶体组成，白云石Mg (mol%)/Ca (mol%) 比值和有序度分别为0.91和0.65(表 1)，由于此类白云岩以白云石化后仍保存较好的方解石颗粒和造礁生物的原始结构为特征，可能与早成岩阶段浅埋藏环境选择性白云石化作用有关 (Hu et al., 2013)。
(3) Rd3白云岩
岩性主要为原始结构被不同程度破坏的残余颗粒或残余礁结构粉-细晶白云岩, 由半自形-他形粉晶白云石和半自形细晶白云石组成，大多具雾心亮边结构 (图 4d)，白云石Mg (mol%)/Ca (mol%) 比值和有序度分别为0.96和0.76(表 1)，Rd3白云岩中晶间孔和晶间溶孔较发育 (图 4d, e)，局部发育超大溶孔 (洞)(图 4f)，孔隙内一般不含外来的其它物质。由于此类白云岩以大多数生屑和造礁生物的原始结构不同程度消失为特征，反映可能与中成岩阶段浅-中深埋藏环境白云石化流体的强烈白云石化和重结晶作用有关。
(4) Rd4白云岩
岩性主要为原始岩石结构都消失的中晶和中-粗晶白云岩，中晶白云石晶形好 (图 4g)，部分具雾心亮边结构，粗晶异形白云石常见环带结构和马鞍状晶面，白云石Mg (mol%)/Ca (mol%) 比值 (0.97) 与中成岩埋藏白云石接近而有序度 (0.973) 大幅加大。强烈重结晶作用和溶蚀作用形成的白云石晶间孔和孔径较大的晶间溶孔与超大溶孔发育，部分孔隙中充填碳化沥青 (图 4g, h) 和连晶方解石 (图 4i), 且连晶方解石往往发育在有机酸充注和沥青充填之后 (图 4g)，可能与晚成岩期亮晶方解石胶结有关 (潘立银等, 2015; Pan et al., 2016)，部分孔隙中还充填自生石英晶体 (图 4j)，据充填溶孔的自生石英ESR测年数据并结合埋藏史确定该期次白云岩发生在6000~6500m的晚成岩A期阶段深埋藏环境下深度范围内 (郑荣才等, 2007)。
(5) Bd白云岩
该类岩石以白云岩发生构造碎裂化和重结晶作用为主，也伴随有强烈的溶蚀作用，岩石被密集的网状裂缝分割成大小不均匀的碎块并沿裂缝被强烈溶蚀 (图 4k, l)，以溶裂缝和超大溶孔非常发育、溶孔中充填有连晶方解石晶体和自生石英 (图 4l) 为特征，白云石Mg (mol%)/Ca (mol%) 比值和有序度分别为0.91和0.725(表 1)。
(6) Vc方解石
在Rd3、Rd4和Bd白云岩中的溶蚀孔、洞、缝内部发育少量的体积较大、晶体自形程度高的连晶方解石晶粒 (图 4g, l)，由于这些方解石晶体被认为充填于早期形成的孔隙中，暗示其成岩流体来源于晚期中-深埋藏环境白云石化流体和钙质沉淀流体 (Hu et al., 2013)，其CaCO3主要来源于埋藏环境下围岩或邻近灰岩的化学压实作用 (Pan et al., 2016)。
2.2 成岩环境划分和成岩作用类型参照国家碳酸盐岩成岩阶段划分标准 (国家经济贸易委员会, 2003)，可将研究区长兴组白云岩成岩演化划分为连续的5个成岩阶段和与之对应的5个成岩环境：① 准同生阶段海水成岩环境；② 早成岩阶段浅埋藏成岩环境；③ 中成岩阶段中-深埋藏成岩环境；④ 晚成岩阶段深埋藏成岩环境；⑤ 晚期构造隆升阶段抬升成岩环境 (图 5)。不同成岩阶段具有不同的成岩环境、成岩流体性质、成岩作用组合类型和孔隙形成演化过程；按成岩作用与储层发育关系，认为胶结作用、压实和压溶作用对储层的破坏性最大，而对储层发育起建设性作用的有埋藏白云石化作用、埋藏溶蚀作用和构造破裂作用。
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图 5 开江-梁平台棚东侧长兴组埋藏史和成岩演化模式 Fig. 5 Burial-thermal curve and diagenetic evolution curve of Changxing Formation in the eastern of Kaijiang-Liangping platform-shelf |
系统的测试分析样品取自研究区7个含气构造46件钻井岩心样品，其中地化样品用微钻取自新鲜钻井岩心，经镜下薄片检测和去杂质、去有机质处理，以保证按结构-成因分类的样品可靠性与代表性，样品在玛瑙研钵中研磨，过200目筛，用透明绘图纸包装备用，分别用作铁、锰、锶微量元素分析，碳、氧同位素分析和锶同位素比值测试，分析结果见表 1。
Fe、Mn、Sr微量元素分析在中国地质科学院成都矿产综合利用研究所完成，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》；
C和O同位素分析在中石油西南油气田分公司勘探开发研究院完成，测试仪器为Finigan MAT252气体同位素质谱仪，GBW04406标样的分析误差为0.01%；
Sr同位素由成都理工大学同位素实验室尹观教授分析，测试仪器为MAT252气体同位素质谱仪，实验条件为温度22℃，湿度50%，检测标准为美国国家标准局标准样品NBS987。
流体包裹体分析在中国石油大学 (北京) 油气资源与探测国家重点实验室完成，测试仪器为英国Linkam公司生产的THMSG-600型冷热台系统，测量温度范围-196~600℃，均一温度重现误差＜2℃，冰点温度重现误差＜0.2℃。
另外，本文还引用了已公开发表的涉及本研究区长兴组样品地球化学分析数据87个，一并罗列于表 1所示。
3.2 Sr、Mn、Fe微量元素特征长兴组Rd1、Rd2、Rd3、Rd4白云岩Sr平均含量分别为148×10-6、164×10-6、179×10-6和188×10-6，Bd白云岩Sr平均含量为132×10-6(表 1)，不同类型白云岩Sr平均含量普遍小于200×10-6，且具有一定的相似性 (图 6a)；孔洞充填的Vc方解石Sr平均含量高达611×10-6(表 1)，由于Sr含量和白云岩的结构不相关，而与白云石的晶体化学相关，白云岩Sr分配系数明显小于 (理论上只有一半) 方解石的Sr的分配系数 (Vahrenkamp and Swart, 1990)，因此，白云岩中没有很高的Sr含量 (Azmy et al., 2001; 黄思静等, 2006, 2009b; Hartig et al., 2011)。
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图 6 长兴组白云岩Sr、Mn、Fe微量元素直方图 Fig. 6 The histograms of the average values of Sr, Mn and Fe contents from the Permian Changxing Formation dolomites |
长兴组Rd1、Rd2、Rd3、Rd4白云岩Mn平均含量分别为169×10-6、165×10-6、97×10-6和82×10-6(图 6b)，Fe平均含量分别为2038×10-6、2411×10-6、1023×10-6和860×10-6(图 6c)，依次呈现出逐渐递减趋势，Bd白云岩Mn、Fe平均含量分别为81×10-6、1290×10-6，孔洞充填方解石Mn、Fe平均含量分别低至12×10-6、238×10-6。不同类型的白云岩的Mn、Fe含量普遍偏低，比上覆飞仙关组晶粒白云岩Mn、Fe平均含量高 (分别为19.6×10-6、353×10-6)(黄思静等, 2006, 2009b)，也明显低于世界上许多地方白云岩，如美国Bravo Dome CO2气田二叠纪粗晶白云岩的Mn、Fe平均含量高达5200×10-6、41400×10-6(Hartig et al., 2011; Hu et al., 2013)。
3.3 C、O同位素特征长兴组Rd1、Rd2、Rd3和Rd4白云岩的δ13C平均值分别为2.19‰、2.57‰、2.3‰和3.2‰，Bd白云石的δ13C为2.57‰(VPDB)，孔洞充填方解石δ13C平均值为-0.87‰(VPDB)；不同类型的白云岩δ13C平均值基本一致，主要介于2.3‰~3.2‰之间 (表 1、图 7a)，碳同位素值范围与二叠纪长兴期海水基本一致 (1.5‰~3.5‰)(Korte et al., 2004; Korte and Kozur, 2010)。
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图 7 长兴组白云岩C、O、Sr同位素直方图 Fig. 7 The histograms of the average values of C, O and Sr isotopes from the Permian Changxing Formation dolomites |
长兴组Rd1、Rd2、Rd3和Rd4白云岩的δ18O平均值分别为-4.51‰、-4.97‰、-5.07‰和-5.30‰，Bd白云石的δ18O平均值为-4.93‰(VPDB)，可以看出不同类型的白云岩δ18O平均值也十分相似 (图 7b)；孔洞充填Vc方解石δ18O平均值为-7.03‰(VPDB)，比白云岩少2‰左右，考虑到白云石/方解石与流体之间的氧同位素分馏作用影响，相差约2‰的δ18O值并不能简单的认为是具有不同δ18O值的流体来源 (Land, 1980; Hu et al., 2013)。氧同位素组成具有随成岩强度加大而负偏值加大的变化趋势，以准同生白云岩负偏值最小，晚期的Vc方解石负偏值和变化范围最大。
3.4 Sr同位素特征长兴组Rd1、Rd2、Rd3和Rd4白云岩的87Sr/86Sr平均值分别为0.70930、0.70873、0.70799、0.70766，Bd白云岩的87Sr/86Sr平均值为0.70744，不同类型白云岩87Sr/86Sr平均值差异较大，呈现出依次递减的变化趋势 (表 1、图 7c)，孔洞充填方解石87Sr/86Sr平均值为0.70829(表 1)。基于二叠纪-三叠纪长兴期海水Sr同位素曲线 (Veizer et al., 1999)，白云岩和孔洞充填方解石87Sr/86Sr值主要范围 (0.7076~0.7080) 明显高于长兴期海水 (0.7070~0.7073)(Veizer et al., 1999; Korte et al., 2003, 2006)，与早-中二叠世和三叠纪的海水或海源流体的87Sr/86Sr值变化范围基本一致。
3.5 流体包裹体特征根据对10件异形白云石和孔洞充填Vc方解石样品流体包裹体测温结果 (图 8) 显示，异形中-粗晶白云石均一温度和盐度变化范围分别为127~159℃和0.35%~11.93% NaCleqv，平均值分别为143℃和6.8% NaCleqv；Vc方解石均一温度和盐度变化范围分别为139~203.8℃和1.23%~15.67% NaCleqv，平均值分别为172℃和8.2% NaCleqv, 包裹体测温显示方解石具有比白云石更高的均一温度和盐度。
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图 8 长兴组白云石和方解石流体包裹体均一温度与盐度关系图 Fig. 8 Temperature and salinity cross plot of Changxing Formation dolomite and calcite |
长兴组不同类型白云岩的Mn、Fe含量的正相关性 (图 9a) 以及均具低Mn含量、相对较低的Fe含量特征，表明Mn、Fe的元素具有相似的流体来源 (Hu et al., 2013) 且不同类型白云岩具有相同或继承性的白云石化流体来源；δ13C值范围与二叠纪长兴期海水基本一致，以及准同生阶段Rd1白云岩所反映的近地表同生蒸发浓缩的高盐度卤水性质表明，长兴期同时代海水是研究区白云石化流体来源之一；前已叙及，白云岩和孔洞充填方解石87Sr/86Sr平均值明显高于长兴期海水，且87Sr/86Sr比值与Sr、Mn含量之间没有明显的相关性 (图 9b, c)，即在白云石化过程中87Sr/86Sr比值不随Sr含量增加而增加，因此含有比同时代海水更多放射性Sr的白云石化流体可能是控制白云岩87Sr/86Sr比值的主要原因，但不同类型白云岩所具有的低Mn含量、相对较低Fe含量、较高13C值、发育晚成岩阶段高Sr含量亮晶方解石胶结物 (Pan et al., 2016)，以及异形白云石和孔洞充填方解石高达120~200℃的均一温度所反映的高温成岩流体环境的特点综合推测本研究区富含高放射性壳源锶的大气水流体不可能参与到白云石化作用过程中 (郑荣才等, 2007; Hu et al., 2013)，也进一步说明白云石化作用发生在相对封闭的埋藏成岩环境中 (赵文智等, 2014)，但大气水是否参与到后期储层成岩改造，如表生岩溶作用 (黎虹玮等, 2015)，还有待更多证据支撑；另外，基于来自流经深埋藏碎屑岩的流体中高放射性壳源锶的富集会大幅提高87Sr/86Sr比值 (胡作维等, 2009) 和导致Mn、Fe含量升高 (Azmy et al., 2001) 与本研究区不符的反证，也排除了白云石化流体为深埋藏碎屑岩迁移流体和孔隙流体混合的可能性。
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图 9 长兴组白云岩Mn含量与Fe含量 (a)、Sr含量倒数与87Sr/86Sr比值 (b) 及Mn含量与87Sr/86Sr比值 (c) 散点交会图 Fig. 9 Crossplots of Mn contents vs. Fe contents (a), the reciprocal of Sr contents vs. 87Sr/86Sr ratios (b) and Mn contents vs. 87Sr/86Sr ratios (c) of the Permian Changxing Formation dolomites |
如果将白云岩87Sr/86Sr比值视为白云石化流体的示踪剂，并结合盆地内中-下三叠统广泛发育蒸发岩的地质事实 (四川省地矿局, 1997)，以及下三叠统嘉陵江组和中三叠统雷口坡组地层中发现大规模富钾和富硼的地下卤水 (林耀庭等, 2004) 和飞仙关组地层提供长兴组白云石化流体来源的论证 (郑荣才等, 2007, 2008; 党录瑞等, 2011; Zhang et al., 2012)，有理由推测广泛分布的早-中三叠世蒸发岩溶解产生的具低Mn含量、较低Fe含量、高Sr含量、较高δ13C值、较高87Sr/86Sr比值特点的高盐度埋藏循环海源孔隙水作为主要流体来源参与研究区长兴组白云石化作用，但值得注意的是，在多期次同步演化的白云石化过程中，伴随埋藏深度和成岩强度加大和构造隆升与断裂作用的发生，可能有不同性质的深部异源热液 (如有机酸热液) 进入流体系统而引起成岩流体性质的变化。
4.2 成岩系统划分基于成岩作用与流体之间存在的密切关系，综合上述各成岩阶段白云岩的岩石结构与铁、锰、锶微量元素和碳、氧、锶稳定同位素及流体包裹体等地球化学特征所反映的成岩环境、成岩方式、成岩序列和成岩流体性质，从盆地大尺度的成岩作用研究角度出发 (李忠, 1998)，按“水文体制”与相对应的地质作用过程及产物，以流体性质和来源作为划分成岩系统的依据 (李忠等, 2006a)，可将开江-梁平台棚东侧长兴组白云岩成岩系统划分为4类：① 海源同生卤水成岩系统；② 地层封存卤水成岩系统；③ 混源热卤水成岩系统；④ 深源混合热液成岩系统。每一个成岩系统具有各自相对独立的流体来源和流体性质、物理-化学环境和水-岩反应序列，以及相对应的成岩组合，呈现出继承性发展演化特点。
(1) 海源同生卤水成岩系统
该成岩系统以赋存准同生阶段近地表同生的蒸发浓缩的高盐度卤水为特征，发育在礁、滩顶部或受障壁保护的泻湖-潮坪环境下先期沉积的未经压实的灰泥被蒸发浓缩形成的同生高盐度卤水交代改造为白云石，由于此类环境海水蒸发和具较高的温度，可克服白云石化过程的动力学障碍 (梅冥相, 2012)，高Mg/Ca比的富Mg流体以提供反应离子，可促使此类准同生蒸发白云石化作用顺利进行 (赫云兰等, 2010; 杨冰等, 2014)，另外，海平面变化对此类白云石化具有重要驱动作用 (Whitaker and Xiao, 2010)，往往形成含石膏和石盐的泥-微晶白云岩 (Rd1白云岩)，其87Sr/86Sr比值明显高于各成岩期埋藏白云岩，为所有样品最大值，而δ13C值均低于各成岩期埋藏白云岩，为所有样品最小值，白云石化流体和成岩环境具有同生成因和低温高盐度性质，类同阿布扎比现代萨勃哈极端干旱炎热气候条件和准同生白云石化环境 (Müller et al., 1990; Zhang et al., 2012)。
(2) 地层封存热卤水成岩子系统
该成岩系统以赋存早成岩阶段浅埋藏环境下的地层封存热卤水为特征，发育在台地边缘的礁、滩微相的生物礁灰岩和生屑灰岩等，随着埋藏深度加大，一般达到2000~3000m，处于较高温度和压力条件下，颗粒灰岩自身也具有一定的孔隙度和渗透率，有利于被地层封存热卤水交代发生早成岩阶段浅埋藏白云石化作用 (张永生, 2000; Wierzbicki et al., 2006; 黄正良等, 2011; 孟万斌等, 2014)，形成原始沉积结构保存良好的粉晶颗粒或生物礁白云岩 (Rd2白云岩)，其铁、锰、锶微量元素和碳、氧、锶同位素地球化学特征类同准同生白云岩 (Rd1白云岩)，说明两者成岩流体具有很强亲缘性 (郑荣才等, 2008; Zhang et al., 2012)，白云石化流体主要来源于封存地层的高盐度埋藏循环海源孔隙卤水，可能部分来源于长兴组的同生高盐度卤水。
(3) 混源热卤水成岩系统
该成岩系统以赋存来自中-深埋藏环境的地层封存高盐度埋藏循环海源孔隙水为主，并与来自深部烃源岩释放的有机酸热液混合形成混源热卤水为特征，成岩方式主要表现为中成岩阶段浅-中深埋藏环境下以逐步增强的弥漫性热液白云石化和重结晶作用，热液的标准是流体温度要高于环境温度5℃以上 (White, 1957)，埋藏深度一般大于3500m (赫云兰等, 2010)，同时伴随有较强烈的溶蚀作用，以形成具残余颗粒或残余礁结构粉-细晶白云岩 (Rd3白云岩)，由于受早-中三叠世蒸发岩溶解产生的具低Mn含量、较低Fe含量、高Sr含量、较高87Sr/86Sr比值特点的高盐度埋藏循环海源孔隙水影响，此类白云岩相比Rd1、Rd2白云岩具有明显低的Fe、Mn含量和较高的Sr含量；随着埋藏深度加大，进入晚成岩阶段A期深埋藏环境下 (深度达5000~6000m)，进一步发生热液白云石化和重结晶作用，形成原始岩石结构都消失的中晶和中-粗晶白云岩 (Rd4白云岩)，具有较高的Sr含量和较低的Mn、Fe含量，显示出成岩流体具有较强还原性和缺乏大陆淡水影响的特征，孔洞充填Vc方解石高Sr含量说明白云石化作用是在缺乏大气水参与 (Pan et al., 2016) 的相对封闭埋藏成岩过程中发生 (郑荣才等, 2007)。孔、洞、缝普遍充填有渣状碳化沥青，是油气运移期深部载烃热液参与成岩作用的重要证据，但受深部贫87Sr有机酸热液的混入影响以及水-岩反应能缓冲成岩流体对岩石87Sr/86Sr值的影响 (Tobin et al., 1997)，Rd3、Rd4白云岩相比Rd1、Rd2白云岩87Sr/86Sr值呈递减趋势。
(4) 深源混合热卤水成岩系统
该成岩系统以混源热卤水为主、掺合有深部热流体混入的深源混合热卤水流体为特征，成岩方式主要表现为晚成岩阶段B期深埋藏环境下，在受喜山早期晚时的构造隆升与断裂活动影响，深源混合热卤水沿断裂活动带发育强烈构造碎裂化、重结晶、硅化和硫酸盐热化学反应 (TSR)，以及与硫酸盐热化学反应相关的热液溶蚀和次生矿物沉淀等作用 (朱光有等, 2005)，形成原始岩石结构完全消失的碎裂化晶粒白云岩，并充填有连晶方解石晶体和渣状沥青。
5 油气性质与来源分析 5.1 长兴组温压系统特定的温压环境及其形成演化特征决定着含油气盆地内流体特有的流动机制与流动样式, 控制着流体的流动方向和富集区域 (Bethke, 1988; 郝芳等, 2000)。统计开江-梁平台棚东侧各构造带钻井实测温压资料，表明普光、渡口河、黄龙场、五百梯等构造带的长兴组现今地温梯度整体偏低 (1.9~2.18℃/100m)；压力系数具有分带性，普光、罗家寨、黄龙场、温泉井、大猫坪构造带现今地层为常压系统 (压力系数介于0.61~1.2)，七里北、五百梯、高峰场构造带属高压-常压区 (压力系数介于1.1~1.7)，其中QL101井、TD10井、F003-2井为高压气井。按现今地温梯度和压力系数的正演模拟与计算对比分析，认为二叠纪开始的玄武岩喷发和火山活动所导致的高地温热异常加速了上二叠统烃源岩 (龙潭组和长兴组的暗色泥岩和泥灰岩) 的成熟过程，使得生烃母质早期快速进入了生、排烃门限 (早侏罗世，约200Ma前)，之后生烃增热所保持的持续地温高值加速了流体的流动速率和古油藏的裂解速率 (早白垩世，约140Ma前)，同时产生的体积膨胀效应直接导致了研究区强超压的发育 (史建南等, 2009)。因此，有理由相信，较高的地温背景为地层封存热卤水的埋藏白云石化作用创造有利条件，之后，伴随早期异常高温演化和生烃过程的进行，产生大量有机酸的溶蚀作用是储层次生孔隙发育的根本保障，而后在高温背景下发生的TSR作用对储层的增容效应及其酸性产物的溶蚀改造效应亦是形成优质储层的有利因素；燕山期的超压发育与地温演化和油气充注有着良好的耦合关系，而且超压引起的最大流体势能差控制了流体的流动方向及其聚集区域。
5.2 油气源特征从开江-梁平台棚东侧长兴组气藏天然气组分来看，CH4含量介于80%~96%，平均为91%，CH4/总烃大于99%，C2+/总烃小于1%，N2含量除YA012-X7、HL004-X4等个别井大于1.0%外，大多低于1.0%，相应的干燥系数大多在0.99以上，属典型干气，且还是古油藏高温裂解成因气 (赵文智等, 2006)；按高温演化固体沥青的δ13C值一般高于烃源岩干酪根1‰~2‰的质量系数关系 (Machel et al., 1995)，长兴组储层沥青碳同位素转化后的数据 (-26‰~-30‰, PDB) 与上二叠统 (龙潭组和长兴组) 暗色泥质岩与灰岩干酪根碳同位素值 (-27‰~-29‰, PDB) 具有很好的可对比性，推测长兴组气藏气源主要来自上二叠统烃源岩。从气体成因和碳同位素角度，分析长兴组气藏的油/气源对比结果与前人的认识也是相一致的 (Machel et al., 1995; 王顺玉和王廷栋, 1990; 刘划一等, 2001)。
5.3 油气充注期次据长兴组白云岩储层有机流体包裹体174个测温数据统计显示，具有如下特点：① 荧光镜下长兴组含烃气体包裹体多发蓝白色荧光 (图 10a)，少量油包裹体发黄色荧光 (图 10b)；② 长兴组气液两相包裹体气/液比一般大于10%，以有机包裹体为主；③ 由均一温度直方图显示长兴组油气充注为三期 (图 10c)；④ 采用ESR测年技术测定各成岩期次自生石英的绝对年龄有 (96.5~110.1)±10Ma、96.5±9Ma、23.2±2.3Ma~13.8±1.3Ma三期 (雷卞军等, 1994)，分别对应于中成岩阶段晚期，晚成岩阶段A期和相当晚成岩阶段B期的构造碎裂期白云石化和溶蚀期次，与均一温度显示的长兴组三个油气充注期次相一致。以上储层流体包裹体的相态、均一温度与各成岩阶段白云石化和溶蚀期次相当的对比结果，显示长兴组储层多期次的白云石化作用和油气充注成藏过程，在时间-空间上具有基本同步的耦合匹配关系，推测与成岩-成藏作用发生在同一成岩-成藏系统中，并受到同一输导体系控制有关。
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图 10 长兴组含烃包裹体荧光特征与均一温度直方图 Fig. 10 Histogram of fluorescence features and homogenization temperature of Changxing Formation hydrocarbon bearing inclusion |
流体输导体系是成岩期埋藏白云石化和成藏期油气运移、聚集的重要地质要素，亦是流体“源-藏”的桥梁纽带 (张卫海等, 2003)。众多研究成果表明开江-梁平台棚东侧普光、罗家寨、渡口河、黄龙场、五百梯和高峰场等构造带长兴组气藏主要存在断裂 (断层+裂缝)、不整合和礁滩相白云岩储层三种类型的通道 (王一刚等, 1997; 魏国齐等, 2005; 赵文智等, 2006; 马永生和蔡勋育, 2006; 马永生, 2007)，构成如下几种输导体系组合样式：① 受多期不同方向构造应力的叠加作用，开江-梁平台棚东侧形成了前燕山期的NE向和喜山期的NW向两组挤压逆断层叠合 (童崇光, 2000)，而前燕山期活动的NE向逆断层与油气充注期匹配关系较好，可作为白云石化流体和油气运移的垂向通道，可在野外露头和钻井岩心中于该期断裂/裂隙内见到大量的沥青充填物为证据 (牟传龙等, 2005)，无庸置疑，断裂是沟通长兴组储层与龙潭组烃源岩的必要输导体，也是研究区一切输导体系组合类型的必备要素；② 受海平面下降及地层暴露影响而发育的T/P不整合面，构成了研究区油气侧向运移的重要输导体，不仅可作为埋藏白云石化热卤水多期次交代和溶蚀作用的输导通道，同时也是多期次油气侧向充注的有利输导通道；③ 成岩埋藏期热卤水交代灰岩形成的高孔渗白云岩储层，厚度可达50m~250m，分布范围广，侧向连通性好，更是后期溶蚀作用及油气侧向运移充注的优选输导体。通过上述长兴组输导体的发育演化特征及其与龙潭组主力烃源岩生排烃和油气藏充注期次的时空匹配关系分析，可知开江-梁平台棚东侧各构造带长兴组气藏 (尤其是裂缝-溶孔型油气藏) 流体的输导通道主要为通源断裂、T/P不整合面和礁相白云岩输导体共同构成的阶梯状或网状输导体系，属于同一流体输导体系控制的同一“成岩-成藏”系统。
6 沉积-成岩-成藏系统的耦合关系研究区长兴组白云岩储层发育主要受沉积微相分布及成岩系统控制，沉积-成岩系统与储层在时空上具有良好的耦合关系；从流体-岩石相互作用及流体成藏动力学角度出发 (蔡春芳, 1996; 郝芳等, 2002; 李忠等, 2006b)，长兴组各成岩阶段以热卤水交代为特征的埋藏白云石化过程，与后期溶蚀孔/洞发育过程及油气充注成藏具有继承性发展演化的特点。因此，在确定长兴组白云岩储层成岩系统的基础上，进一步研究在沉积-成岩-成藏系统内油气性质、油气来源、油气成藏机理与孔隙演化和储层形成的耦合关系，有效地印证了开江-梁平台棚东侧长兴组白云石化与油气充注成藏过程受同一流体输导体系控制的特点。
(1) 开江-梁平台棚东侧古地貌格局控制了不同类型台缘生物礁的展布，古海平面的“升降”控制了生物礁形态及规模，台缘礁坪/礁盖滩微相及部分毗邻发育的骨架礁相带由于更易于发生白云石化作用而控制了储层发育位置和空间展布规律；
(2) 不同成岩系统中：① 海源同生卤水成岩系统内发育的泥微晶白云岩致密，孔隙度平均值＜2%，连通性极差，不利储层发育；② 封存地层卤水成岩系统内，在有利的礁、滩相带，尽管早期的方解石胶结作用和压实作用使得部分原生孔隙遭到破坏 (Pan et al., 2016)，但广泛的浅埋藏白云石化作用可增加成岩后期原生孔隙的保存能力而有利储层发育，因此，该成岩系统下的白云石化作用奠定了早期白云岩储层的发育基础；③ 混源热卤水成岩系统内，伴随该阶段埋藏白云石化而开始普遍出现气、液二相有机包裹体，表明该阶段同时已进入第一期次的液态烃初始充注成藏期，因此，成藏后的成岩流体实质上已原地转化为油田热卤水，具有强烈的热液白云石化、重结晶和溶蚀作用，晶间孔和各类溶蚀孔、洞发育，且充填物较少；至深埋藏环境的晚成岩阶段A期，成岩流体仍以原地转化而成的复合源油田热卤水为主，以形成原始结构基本上消失的中-粗晶白云岩为主，晶间孔和各类溶蚀孔、洞更发育，溶孔中充填有异形白云石、亮晶方解石、石英和渣状碳化沥青，并进入第二期次的液态烃大规模充注成藏期，因此，该成岩系统中-深埋藏白云石化和溶蚀作用扩大了储层分布范围，是提高储层质量的关键；④ 深源混合热卤水成岩系统内，岩石的原始结构因强烈碎裂化和重结晶作用而完全消失，而各类与TSR事件有关的溶蚀孔、洞、缝更加发育 (朱光有等, 2005)，被溶扩的孔、洞、缝除充填有连晶方解石、大量渣状碳化沥青、偶见晶簇状石英，显示该阶段也为原生油藏被高温裂解改造，重新发生气态烃运移、充注、聚集和调整成藏，即第三期充注成藏期的关键时期。因此，该成岩系统的破裂和溶蚀作用进一步改善储层质量；
(3) 根据长兴组埋藏白云石化流体性质和来源剖析，结合礁相溶孔型白云岩储层流体非均质性分析，以埋藏白云石化期次划分和油气充注历史为基础，以流体-岩石相互作用及其输导体系为重点，认为开江-梁平台棚东侧长兴组存在同一流体输导体系控制的埋藏白云石化作用与油气充注成藏的统一“成岩-成藏”系统 (图 11)，其成岩-成藏经历了如下过程：① 白云石化流体、有机酸和深部热液等流体先后沿先期存在的断裂/裂隙和T/P不整合面对长兴组台缘礁坪/礁盖滩微相及部分毗邻发育的骨架礁微相灰岩进行多期次叠加改造，包括埋藏白云石化作用、重结晶作用和溶蚀作用等，形成沿断裂/裂隙和T/P不整合面分布的礁、滩相优质白云岩储层；② 龙潭组烃源岩生/排烃，油气通过通源断裂/裂隙、T/P不整合面和礁滩相白云岩输导层进入长兴组生物礁储层聚集成藏。
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图 11 开江-梁平台棚东侧长兴组白云岩成岩-成藏模式 Fig. 11 Diagenetic-accumulation pattern of Changxing Formation in the eastern of Kaijiang-Liangping platform-shelf |
(1) 古地貌格局控制了开江-梁平台棚东侧不同类型台缘生物礁的展布，古海平面的“升降”控制了生物礁形态及规模，台缘礁坪/礁盖滩微相及部分毗邻发育的骨架礁相带控制了优质储层发育位置和空间展布规律；
(2) 长兴组白云岩可划分为准同生白云岩和埋藏白云岩两种成因类型，优质的礁、滩相白云岩储层仅与多期次埋藏白云石化作用有关，推测成岩流体主要来源于封存地层中的早-中三叠世蒸发岩溶解产生的高盐度埋藏循环海源孔隙水，并有长兴期同生卤水和深部有机酸热液混入，按水文体制，将长兴组白云岩成岩系统划分为继承性发展但又相对独立的4类：海源同生卤水、封存卤水、混源热卤水和深源混合热卤水，其中混源热卤水成岩系统埋藏白云石化和溶蚀作用是提高储层质量的关键；
(3) 开江-梁平台棚东侧长兴组存在同一流体输导体系控制的埋藏白云石化作用与油气充注成藏的统一“成岩-成藏”系统，成岩作用与油气充注成藏作用在该系统中具有继承性发展演化的时空耦合关系。
致谢 加拿大里贾纳大学Hairuo Qing教授、审稿专家和编委提供了建设性意见，特此致谢。| [] | Allen PA, A1len JR. 1990. Basin Analysis: Principles and Applications. Cambridge: Blackwell Scientific Publications: 263-308. |
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