摘 要

摘　要：川東—鄂西地區(qū)上二疊統(tǒng)長興組發(fā)育碳酸鹽臺地沉積體系，對該區(qū)生物礁白云巖的成因認(rèn)識還存在爭議。為此，以該區(qū)見天壩生物礁白云巖為例，采用巖石學(xué)、地球化學(xué)等綜合

摘　要：川東—鄂西地區(qū)上二疊統(tǒng)長興組發(fā)育碳酸鹽臺地沉積體系，對該區(qū)生物礁白云巖的成因認(rèn)識還存在爭議。為此，以該區(qū)見天壩生物礁白云巖為例，采用巖石學(xué)、地球化學(xué)等綜合分析方法，探討了生物礁白云巖的成因。巖石學(xué)特征研究結(jié)果表明，在白云巖與石灰?guī)r的過渡帶上，一些白云石晶體沿縫合線分布或覆蓋在縫合線上。通過測定礁白云巖、溶孔中鞍狀自云石、石灰?guī)r的微量元素與穩(wěn)定同位素含量、包裹體溫度，發(fā)現(xiàn)白云巖的穩(wěn)定同位素氧比海水的穩(wěn)定同位素氧數(shù)值明顯地偏負(fù)，白云巖中的Mn和Fe含量比被交代石灰?guī)r中的Mn和Fe含量要高，而Sr和Na含量則相對更低。結(jié)論認(rèn)為：①該區(qū)礁灰?guī)r的白云石化作用是在埋藏條件下發(fā)生的，具有埋藏白云石化的特征；②鞍狀白云石兩相流體包裹體的均一化溫度(Th)介于l90～210℃，高于長興組的地層溫度，這一異?，F(xiàn)象說明白云石化作用與下伏深盆地低溫?zé)嵋河嘘P(guān)，見天壩生物礁白云巖可能是熱液白云巖。

關(guān)鍵詞：川東—鄂西地區(qū)  晚二疊世  白云石化  生物礁  成巖作用  穩(wěn)定同位素  微量元素  包裹體測溫  熱液作用

Re-discussion on the genesis of bioherm dolomites in the Jiantianba area of western Hubei province，China

Abstract：Carbonate platform sedimentary systems are well developed in the Upper Permian Changqing Fm in the area from eastern Sichuan to western Hubei province．However，it is still controversial about the genesis of bioherm dolomites in this area．Taking the bioherm dolomites in the Jiantianba area as an example，we studied the genesis of bioherm dolomites by using petrological and geochemical methods．The study of the petrological features reveals that dolomite crystals grow along fissures or overlay the fissures in the transitional zone from dolomites to limestones．Measurements of trace elements and stable isotope content as well as inclusion temperatures of reef dolomites，saddle dolomites in dissolution pores and limestones show that the dolomites have a significantly lower stable isotope of oxygen than sea water，and a higher content of Mn and Fe but a lower content of Sr and Na than replacement limestones．Two conclusions were obtained．(1)The dolomitization of reef limestones occurred under burial conditions，thus show the features of burial dolomitization．(2)The homogenization temperature(Th)of two phase fluid inclusions in the saddle dolomites is in the range of 190-210℃，higher than the formation temperature of Changxing Fm，an abnormal phenomenon indicating that the dolomitization is related with the low temperature thermal fluid in the underlying deep basin．Therefore，it is believed that the bioherm dolomites in the study area are probably of thermal fluid dolomites in nature．

Keywords：eastern Sichuan western H ubei，Late Permian，dolomitization，reef，diagenesis，stable isotope，trace element，inclusion temperature，thermal fluid

1　地質(zhì)簡況

川東鄂西地區(qū)(含重慶)上二疊統(tǒng)長興組發(fā)育一套淺海臺地相碳酸鹽沉積體系。通常臺地和盆地過渡區(qū)臺地邊緣礁發(fā)育，見天壩長興組生物礁就處于臺地與鄂西海槽的過渡帶上^[1](圖1)。

 

自20世紀(jì)80年代在湖北省利川市見天壩發(fā)現(xiàn)上二疊統(tǒng)長興組生物礁以來，許多研究者對此礁的生物學(xué)^[2-4]和沉積學(xué)特征^[5-6]進(jìn)行過不同程度的研究。其后不久，又在川東地區(qū)長興組找到生物礁和礁型氣田，其中氣主要產(chǎn)于礁白云石化的白云巖中(如忠縣石寶寨1號井)^[7]。

見天壩生物礁主要的造礁生物是海綿、水螅和藻(古石孔藻)；附礁生物豐富，有苔蘚、珊瑚、棘皮等。礁白云石化主要發(fā)育在礁核和礁翼的棘屑、介屑灘中。對川東鄂西地區(qū)二疊系生物礁白云石化的認(rèn)識還存在爭議，有潮坪模式、海水(咸水)—淡水混合模式以及埋藏白云石化模式^[8-11]。

鑒于此，筆者對見天壩生物礁白云巖的巖石學(xué)和地球化學(xué)特征進(jìn)行了研究，認(rèn)為見天壩礁白云石化作用是在埋藏條件下發(fā)生的，具有埋藏白云巖的特征。然而鞍狀白云石的存在及其均一化溫度(Th)測試結(jié)果卻表明，白云石化流體交代礁灰?guī)r時，存在異常高的地?zé)嵩鰷芈?，這種異?？赡苁苌钆璧爻练e低溫?zé)嵋鹤饔玫挠绊憽?span lang="EN-US">

2　白云巖的巖石學(xué)特征

見天壩生物礁白云巖通常出現(xiàn)在礁的核部，有時也出現(xiàn)在礁翼部的生物碎屑灘或海百合丘中。白云石為他形  半自形，泥粉晶一細(xì)晶。礁核比較細(xì)，礁翼比較粗。僅從白云石晶體的自形程度和晶體的大小是難以確定白云巖成因的，然而在白云巖與石灰?guī)r的過渡帶上卻留下礁白云巖成因的重要線索。

圖2為礁翼部的白云石化生物礁灰?guī)r，有縫合線和沿縫合線附近分布的分散白云石。不難看出，白云石沿縫合線分布，白云石可以覆蓋在縫合線上，這就表明白云石化作用發(fā)生在縫合作用過程中或縫合作用之后，似乎縫合線可以作為白云石化流體的通道。

 

白云石化不僅與縫合線關(guān)系密切，而且在礁自云巖中還可見白云石交代構(gòu)造裂縫和充填裂縫的亮晶方解石。圖3為染色薄片顯微照片，可清楚地看出有構(gòu)造裂縫和裂縫充填的亮晶方解石，白云石覆蓋在構(gòu)造裂縫上，也覆蓋在裂縫充填的亮晶方解石上。白云石對裂縫和裂縫充填亮晶方解石的交代現(xiàn)象十分明顯。

 

縫合線是埋藏環(huán)境成巖作用的鑒定標(biāo)志^[12-13]，構(gòu)造裂縫是埋藏后構(gòu)造作用的標(biāo)志。上述巖石學(xué)資料顯示出礁白云石化是在埋藏狀態(tài)下發(fā)生的。

白云巖形成后，在深埋藏條件下，還有微弱的去白云石化作用。從圖4中不難看出，白云石具有港灣形彎曲和被鐵方解石交代殘留的特征。去白云石化或方解石化的交代物為鐵方解石，顯示藍(lán)色或淺藍(lán)色(混合液鐵氰化鉀+茜素紅—S染色)，晶體為細(xì)粒狀集合體(圖4)。這與白云石化時交代裂縫方解石顏色(紅色)和結(jié)構(gòu)(粗品質(zhì))是不一樣的。白云石的方解石化顯然是在深埋藏條件下與流體成分變化有關(guān)，即還原條件下pH值變化(偏酸性)，流體富含Fe離子有關(guān)。

 

3　白云巖的地球化學(xué)特征

3．1　微量元素Sr和Na成分

礁白云巖和白云石化母巖——石灰?guī)r的Sr和Na的分析資料如表1所示?？梢钥闯觯航赴自茙r的Sr和Na含量分別為98～370mg／g和150～230mg／g；平均值分別為263.28／mg／g和188.28mg／g。白云石化母巖——石灰?guī)r的Sr和Na含量分別為275～480mg／g和380～745mg／g；平均值分別為454.50mg／g和631.50mg／g。

從礁白云巖、石灰?guī)r的Sr和Na關(guān)系圖上(圖5)不難看出，白云巖比被交代母質(zhì)石灰?guī)r具有較偏低的Sr和Na值，這種現(xiàn)象是怎么發(fā)生的呢?

 

自然界中碳酸鹽礦物的種類繁多，但是在現(xiàn)代碳酸鹽沉積物和碳酸鹽巖中，碳酸鹽礦物是有限的，即鎂方解石、方解石、文石和白云石，這些礦物差不多都沒有理想的成分。嚴(yán)格地講，它們或多或少都混進(jìn)一些微量元素，例如含Mg方解石、含Sr文石以及含鐵白云石等。這些微量元素取代方解石、文石和白云石的主要元素Ca或Mg，能否取代或取代的程度與該元素的地球化學(xué)性質(zhì)、溶液的離子濃度、溫度、壓力以及pH值和氧化還原電位(Eh)值有關(guān)^[14-15]。沉積環(huán)境中碳酸鹽沉積物在近地表環(huán)境下，方解石含有相應(yīng)的微量元素。但從近地表環(huán)境轉(zhuǎn)入埋藏環(huán)境后，溫度、壓力、pH值和Eh值，溶液(流體)中離子濃度等因素會發(fā)生變化，所以成巖礦物(膠結(jié)物和交代物)的微量元素也會發(fā)生變化。

Sr和Na元素，從地球化學(xué)性質(zhì)上講，均是一種活動性強(qiáng)的離子，在淺海碳酸鹽沉積物進(jìn)行沉積作用時，Sr和Na以取代主要元素Ca的方式進(jìn)入到方解石和文石的晶格中，礁灰?guī)r可含有一定量的Sr和Na。在埋藏條件下，當(dāng)礁灰?guī)r發(fā)生白云石化作用時，由于Sr和Na元素具有極強(qiáng)活動性的地球化學(xué)特征，有一部分的Sr和Na要流失到交代的溶液中。因此，發(fā)生交代作用后的白云巖相對于被交代的石灰?guī)r，其Sr和Na含量較低，從圖5中不難看出這種關(guān)系。

3．2　微量元素Mn和Fe成分

礁白云巖、白云石化母巖——石灰?guī)r的Mn和Fe的分析資料見表2。白云石化母巖石灰?guī)r的Mn和Fe含量分別為85～390mg／g和50～815mg／g；平均值分別為248.57和447.42mg／g。白云巖的Mn和Fe含量分別為1050～1702mg／g和915～3101mg／g，平均值分別為1348.28mg／g和1398.57mg／g。

 

從圖6不難看出，礁白云巖比白云石化作用的母巖——石灰?guī)r含有相對高的Mn和Fe。要正確解釋這種現(xiàn)象，正如上面討論微量元素Sr和Na一樣，還必須要從微量元素Mn和Fe的地球化學(xué)性質(zhì)和外部條件，即白云石化作用的流體性質(zhì)、溫度、壓力變化等因素去討論和回答這個問題。從Mn和Fe的地球化學(xué)性質(zhì)上講，Mn和Fe是一種變價元素，在近地表條件下淺水碳酸鹽沉積物沉積時，沉積環(huán)境處于一個氧化作用環(huán)境，海水中的Mn和Fe離子通常是以高價狀態(tài)出現(xiàn)，高價Mn和Fe離子不能夠取代方解石中Ca²⁺，這就會造成石灰?guī)r的方解石中含有較低的Mn和Fe。然而，在埋藏狀態(tài)下，當(dāng)石灰?guī)r被白云石化流體交代時，交代環(huán)境處于還原狀態(tài)下，溫度相對近地表環(huán)境要高(大于60℃)，壓力要大(大于l個大氣壓)。Mn和Fe處于二價狀態(tài)，有利于進(jìn)入到白云石的晶體格架中。這樣，礁白云巖就會具有比被交代石灰?guī)r更高的Mn和Fe含量。事實(shí)上白云巖比被交代石灰?guī)r具有更高的Mn和Fe已成為埋藏條件白云石化作用和埋藏白云巖的一個重要標(biāo)志^[16]。

 

3．3　礁白云巖的碳氧穩(wěn)定同位素

見天壩生物礁白云巖的碳氧穩(wěn)定同位素分析資料見表3?？梢钥闯觯赴自茙r的穩(wěn)定同位素值(PI)B標(biāo)準(zhǔn)，下同)為d¹⁸O＝5.69‰～-7.20‰；d¹³C＝+2.22‰～+4.54‰；平均值分別是-6.43‰(d¹⁸O)和+3.54‰(d¹³C)。要正確了解礁白云巖的這些穩(wěn)定同位素值在白云石化作用中的含義，還需要把其放在海水的穩(wěn)定同位素值中進(jìn)行對比，因為海水的穩(wěn)定同位素碳和氧值是白云石成因解釋的基礎(chǔ)(圖7)。

 

 

海洋碳酸鹽沉積物和巖石的白云石化流體是從海水演化出來的。大氣淡水是海水蒸發(fā)形成的大氣水，超鹽度的鹵水是海水蒸發(fā)作用殘留的含鹽度高的海水。大氣淡水、海水、超鹽度海水以及大氣水  海水混合水都是白云石化的重要流體。然而地質(zhì)歷史中海水穩(wěn)定同位素碳和氧是有變化的。據(jù)一些學(xué)者的研究結(jié)果，這種變化與全球性造山運(yùn)動和全球性海平面變化(一級層序海平面變化)有關(guān)^[17-18]?，F(xiàn)代海水的穩(wěn)定同位素碳和氧可以直接測定，地質(zhì)歷史中海水的穩(wěn)定同位素碳和氧卻不能直接進(jìn)行測定，但可通過間接方法進(jìn)行估算^[19-20]。通常是通過測定變化最少的無脊椎動物化石和海水膠結(jié)物的碳和氧的同位素進(jìn)行估算。因為無脊椎動物是從海水中吸取CaCO3的，海水膠結(jié)物是從海水中沉淀CaCO3的，兩者均在一定程度代表海水的穩(wěn)定同位素碳和氧的值。然而，無脊椎動物吸取海水中的CaCO3是一種生物化學(xué)作用，海水膠結(jié)物沉淀則是一種化學(xué)作用。生物化學(xué)作用和化學(xué)作用存在同位素的分餾作用，它們與真實(shí)的海水同位素還存在一定的差值，但由于分餾差值很小，可以忽略不計。據(jù)Allan和Wiggins^[20]計算，二疊世海水的d¹⁸O＝-2.8‰～2.2‰，d¹³C＝4.1‰～5.3‰，平均值分別為-0.30‰(d¹⁸O)和4.7‰(d¹³C)。

在貴州地區(qū)上二疊統(tǒng)長興組紫云生物礁中，骨架中早期纖狀方解石膠結(jié)物和放射軸狀方解石膠結(jié)物廣泛分布。激光顯微同位素分析測定的纖狀方解石膠結(jié)物的d¹⁸O＝-2.14‰，d¹³C＝1.47‰，海綿的d¹⁸O＝-2.52‰，d¹³C＝0.126‰。該值落在Allan和Wiggins(1993)測定的海水變化范圍內(nèi)(圖7)。從圖中不難看出，紫云生物礁測定的海水同位素值中，d¹³C值比Allan和Wiggins(1993)測定的海水的d¹³C要偏負(fù)。怎么解釋這種現(xiàn)象呢?從巖石學(xué)的觀察可以看出紫云生物中的纖狀和放射軸狀方解石在埋藏成巖作用中存在明顯的重結(jié)晶作用現(xiàn)象，它并不是變化最少的膠結(jié)物，重結(jié)晶作用過程中存在有機(jī)碳的混入。這種現(xiàn)象在其他地區(qū)也出現(xiàn)過^[20]。

二疊世海水C、O同位素的取值依據(jù)Allan和Wiggins^[20]提出的標(biāo)準(zhǔn)。紫云生物礁測定海水C、O同位素值落在Allan和Wiggins(1993)測定的范圍內(nèi)。紫云生物測定d¹³C值比Allan和Wiggins測定的海水的d¹³C要偏負(fù)，這是由于重結(jié)晶作用過程中有機(jī)碳污染的結(jié)果。

把見天壩生物礁白云石測定的穩(wěn)定同位素氧值和碳值投影在Allan和Wiggins^[20]的海水C、O同位素圖版上(圖7)。從圖中不難看出，礁白云巖的d¹⁸O值比海水的d¹⁸O明顯偏負(fù)。根據(jù)同位素地球化學(xué)的原理，海水蒸發(fā)作用下，輕的海水蒸發(fā)，留下同位素偏重的海水，所以蒸發(fā)回流白云石化作用形成的白云石的C、O同位素要比海水同位素值偏正，這是蒸發(fā)效應(yīng)引起的。見天壩礁白云巖的d¹⁸O值比海水的d¹⁸O明顯偏負(fù)，是另一種同位素分餾效應(yīng)引起的，即熱作用，或者說溫度效應(yīng)，這是埋藏條件下熱作用的結(jié)果。由于溫度的增加，相對偏負(fù)的氧進(jìn)入到白云石中，相對偏正的氧進(jìn)入到流體中^[20]。見天壩礁白云巖的d¹⁸O值明顯比海水偏負(fù)，表明白云石化作用是在埋藏條件下發(fā)生，這與其巖石學(xué)特征一致。

海水與大氣水混合，在近地表條件下混合水白云巖也可具有比海水相對偏負(fù)的穩(wěn)定同位素值。然而，從同位素分餾的原理上看，混合水白云石化的d¹³C和d¹⁸O值變化范圍較大，d¹³C值和d¹⁸O值變化應(yīng)當(dāng)呈正的線性相關(guān)分布^[20]。從圖6中不難看出，見天壩礁白云巖的d¹³C和d¹⁸O缺乏這樣的分布。從巖相的資料分析中可以看出長興期該地區(qū)處于熱帶海洋環(huán)境，并無長期暴露在大氣水環(huán)境中的證據(jù)。

3．4　白云石有序度

從天壩生物礁白云巖X射線分析資料(表4)中不難看出，礁白云巖的3個樣品白云石晶體的粒度為0.03～0.25mm，晶形為半自形一自形晶，有序度分別為0.95、0.82和0.91，具有高的有序度。

 

白云巖孔隙充填的鞍狀白云石，晶粒的粒度分別為1～3mm和0.7～1.5mm，自形晶，有序度分別為0.72和0.77，具有中一高的有序度。包裹體均一化溫度(Th)測定，其溫度的變化范圍為190～210℃。白云石化作用時溫度較高(大于60℃)，白云石有序度較高，表明白云石化作用是在埋藏環(huán)境中發(fā)生的。

3．5　鞍狀白云石膠結(jié)物

見天壩生物礁白云巖中存在許多鞍狀白云石膠結(jié)物，其通常出現(xiàn)在次生孔隙中，以孔隙充填方式出現(xiàn)，并和基質(zhì)白云石共生。這些鞍狀白云石晶體粗，白形程度高(自形一半自形)，通常具有解理，有時含有固體包裹體，單偏光下呈溶蝕狀，正交光下具有明顯的波狀消光(圖8)。

 

鞍狀白云石的碳氧穩(wěn)定同位素分析資料見表5。不難看出，鞍狀白云石的d¹⁸O＝-5.89‰～-6.67‰，d¹³C＝3.21‰～4.32‰，平均值分別為-6.26‰(d¹⁸O)和3.92‰(d¹³C)。

 

這些資料顯示出，鞍狀白云石的碳氧穩(wěn)定同位素值接近于基質(zhì)白云石的碳氧穩(wěn)定同位素值，兩者大致分布在同一分布范圍(圖7)。從巖石學(xué)特征上看，其通常是共生關(guān)系，這表明交代石灰?guī)r流體和沉淀鞍狀白云石流體的應(yīng)該是同一流體，只是形成方式不同：一個是交代，一個是從流體中沉淀。有關(guān)鞍狀白云石和交代的基質(zhì)白云石的形成問題，Davies和Smith^[21]作過相關(guān)論述：“交代基質(zhì)白云石和鞍狀白云石是接近準(zhǔn)同時在同一個流體和同樣環(huán)境狀態(tài)下形成的”。

見天壩生物礁中鞍狀白云石膠結(jié)物通常都含有兩相流體包裹體。包裹體的均一化溫度介于190～210℃(Th)。據(jù)一些研究者的資料，世界各地的鞍狀白云石的均一化溫度都大于80℃，溫度變化介于80～235℃ ^[21]。見天壩生物礁中鞍狀白云石膠結(jié)物的均一化溫度也分布在這個范圍內(nèi)。

4　結(jié)論

巖石學(xué)和地球化學(xué)資料表明，礁灰?guī)r的白云石化作用是在埋藏條件下發(fā)生的，具有埋藏白云石化的特征。如果以平均地?zé)嵩鰷芈?span lang="EN-US">30℃／1000m計，那么上二疊統(tǒng)長興組之上的沉積覆蓋層在7000m左右，這與該地區(qū)長興組之上蓋層小于5000m的事實(shí)不相符合，說明交代礁灰?guī)r的白云石化流體的溫度比長興組流體所具有的溫度要高。換言之，礁白云石化流體不是長興組地層的流體，而是來自下伏深盆地沉積低溫?zé)嵋阂驑?gòu)造活動向上移動的結(jié)果。與鞍狀白云石共生的成巖礦物有石英、黃鐵礦、硬石膏等礦物。礁白云石很有可能是一種熱液白云巖，有關(guān)問題有待進(jìn)一步研究和討論。

 

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本文作者：陶艷忠  蔣裕強(qiáng)  強(qiáng)子同  范嘉松  朱訊  王玨博

作者單位：西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

  西南石油大學(xué)天然氣地質(zhì)四川省重點(diǎn)實(shí)驗室

  中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所