江汉盆地潜江凹陷上始新统含盐岩系准原生白云岩的沉积学特征与形成机理

古地理学报

JOURNALOFPALAEOGEOGRAPHY

Vol18　No14

Nov1　2006

　　文章编号:1671-1505(2006)04-0441-13　

江汉盆地潜江凹陷上始新统含盐岩系准原生3

白云岩的沉积学特征与形成机理

张永生1,2

侯献华1,2

张海清3

杨玉卿4

1中国地质科学院矿产资源研究所,北京1000372中国地质科学院盐湖资源与环境研究重点开放实验室,北京100037

3中国石化石油勘探开发研究院,北京1000834中国海洋石油测井技术服务公司,北京101149

摘要江汉盆地是我国东部独具特色的古近纪盐湖盆地,其潜江凹陷上始新统含盐岩系中的泥晶白云岩

由泥晶白云石组成。泥晶白云石在阴极发光下呈红色、橙红色,与其伴生的矿物除原生钙芒硝、石盐、陆源泥质外,方解石没有或极少;X衍射分析结果表明,泥晶白云石的CaCO3摩尔含量平均为57130%,有序度平均为

0140,具高富钙、低有序的特征;与钙芒硝岩的紧密共生,说明泥晶白云岩沉积环境的水介质为高盐度的咸水

或淡卤水;根据氧同位素数据计算的沉积环境的水体温度平均为3015℃,与泥晶白云石伴生的原生钙芒硝晶体中的包裹体均一温度最低值为44℃,这两组温度数据基本接近,表明泥晶白云石沉淀时环境水体的温度大致在

3015～44℃之间。由此推断,潜江凹陷上始新统含盐岩系产出的泥晶白云岩是在具较高温度和盐度、高Mg/Ca

比值、常年性分层古盐湖水体中,由化学沉淀作用直接形成的准原生白云岩。

关键词

江汉盆地

上始新统

含盐岩系

化学沉淀作用

准原生白云岩

第一作者简介

张永生,男,1963年生,1995年获博士学位,现为中国地质科学院矿产资源研究所研究

员,博士生导师,主要从事盐类矿床和海相油气地质研究。E2mail:zys—601@126.com。

中图分类号:P588124+5　　文献标识码:A

Sedimentarycharacteristicsandformationmechanismof

peneprimarydolostoneintheUpperEocenesalt2bearing

intervalinQianjiangSag,JianghanBasin

ZhangYongsheng1,2

HouXianhua1,2

ZhangHaiqing3

YangYuqing4

1InstituteofMineralResources,ChineseAcademyofGeologicalSciences(CAGS),Beijing100037

2KeyLaboratoryofSalineLakeResourcesandEnvironment,CAGS,Beijing1000373PetroleumExplorationandProductionResearchInstituteofSINOPEC,Beijing100083

4Logging,Welltech2ChinaOilfieldServiceLtd1,CNOOC,Beijing101149

AbstractTheJianghanBasinisatypicalPaleogenesaltlakebasinineasternChina1Micro2crys2

tallinedolostoneintheUpperEocenesalt2bearingintervalintheQianjiangSag,JianghanBasiniscomposedofmud2sizedcrystallinedolomite,andthedolomiteisredandorange2redundercathodolu2

3国家自然科学基金重点项目(No.49833010)资助收稿日期:2006-04-26　　改回日期:2006-06-28

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minescence1Associatedmineralsareprimaryglauberite,haliteandterrigenousmud;whilecalciteisabsentorrare1TheX2raydiffractionanalysisshowsthatthemud2sizedcrystallinedolostonehasanav2erageCaCO3molecontentof57130%andanaveragedegreeoforderof0140,revealingthecharacter2isticsofhighercalciumcontentandlowerdegreeoforder1Itiscloselyintergrownwithglauberite,in2dicatingthattheaqueousmediuminthedepositionalenvironmentofmud2sizedcrystallinedolostonewashypersalinewaterordilutebrine1Thetemperatureofwaterinthedepositionalenvironmentcalculatedaccordingtotheoxygenisotopedataaveraged3015℃andtheminimumhomogenizationtemperatureofinclusionsinprimaryglauberitecrystalsassociatedwithmud2sizedcrystallinedolomitewas44℃1Thetwogroupsoftemperaturedataareclose,indicatingthatthetemperatureofthewaterinthepale2olakeenvironmentduringthedepositionofmud2sizedcrystallinedolostonerangedfrom3015℃to44℃.Thusitmaybeinferredthatthemud2sizedcrystallinedolostoneintheUpperEocenesalt2bear2ingintervalintheQianjiangsagispeneprimarydolostoneformeddirectlybychemicalprecipitationinahigh2temperature,high2salinity,highMg/Caratioandperenniallymeromicticsaltlake1

KeywordsJianghanBasin,UpperEocene,salt2bearinginterval,chemicalprecipitation,peneprimarydolostoneAboutthefirstauthor

ZhangYongsheng,bornin1963,obtainedhisdoctoraldegreein

19951NowheisaseniorresearcherattheInstituteofMineralResources,ChineseAcademyofGeo2logicalSciences,andisengagedinthestudyofsaltydepositsandmarinefaciesoilandgasgeology1E2mail:zys—601@126.com1

　　所谓“原生白云石”是指“从溶液中成核为晶体并像原生沉淀物那样堆积下来,或者以胶结物形式沉淀在大孔隙中的化学计量的白云石”(Land,1985),也就是分子式中阳离子Ca2+和Mg2+的摩尔含量相等,其化学式可表示为Ca50Mg50CO3。对于Ca2+摩尔含量大于50%的富钙

坪发现与文石生长在一起的白云石没有交代作用

的痕迹;Mitchell等(1987)报道了牙买加发现湾附近裙礁中的高镁方解石—白云石的关系,即白云石在高镁方解石胶结物上生长,呈大致等厚的裙边,那里的白云石晶体常在粒间空隙或骨骸内孔洞中沿颗粒或骨骸边缘生长,表明为直接沉淀的胶结物。国内也有这样的例子,如夏文杰等(1986)在我国青海小柴旦盐湖的硼矿石中发现了菌藻成因的原生白云石;最近人们开始关注“非叠层石生态系蓝细菌白云岩”,在四川盆地上震旦统灯影组白云岩地层中,除发育有浅色的叠层石生态系蓝细菌白云岩外,还发育有黑色的非叠层石生态系蓝细菌白云岩(方少仙等,2003),有些学者支持将其算作是原生白云岩的例子。本文涉及的江汉盆地潜江凹陷上始新统含盐岩系中分布的泥晶白云岩可能是古近系准原生白云岩的一个实例。　　

原生白云石,本文暂且称之为“准原生白云石”,由这种“准原生白云石”组成的白云岩称之为“准原生白云岩”。本文提出的“准原生白云岩”和“准原生白云石”的术语妥当与否,请同行专家批评指正。　　

正因为原生白云石在常温常压条件下的实验室中至今仍未得到真正意义上的合成,以至许多学者认为在地表条件下不能直接沉淀白云石。因此,白云岩的成因问题,主要是白云石的形成机理,一直是碳酸盐岩岩石学中研究的热点和争论的焦点。自上世纪60年代以来,在现代碳酸盐潮坪及其他一些环境中陆续发现了直接沉淀的原生白云石胶结物:Gebelein等(1980)在巴哈马安得罗斯全新世白云岩和碳酸盐沉积物中发现文石—白云石的关系,并被解释为白云石在空隙中作为胶结物直接沉淀的证据;Mckenzie(1981)在波斯湾现代潮

1　含盐岩系沉积序列与泥晶白云岩分布

江汉盆地是我国东部古近纪和新近纪陆相含油盐湖盆地中的典型实例,潜江凹陷是该盆地中

第8卷　第4期张永生等:江汉盆地潜江凹陷上始新统含盐岩系准原生白云岩的沉积学特征与形成机理443　

下降最深的汇水凹陷。晚白垩世至古近纪期间,潜江凹陷沉积了两大套含盐岩系,即第一含盐岩

表1

Table1

系新近系

统中新统中上渐新统下渐新统

组广华寺组荆河镇组

潜一段潜二段上始新统古近系

中始新统

荆沙组

下始新统古新统

白垩系

新沟嘴组沙市组潜江组

段

系和第二含盐岩系(表1),相当于两个Ⅰ级盐韵律。

潜江凹陷古近系地层简表

StratigraphyofthePaleogeneinQianjiangSag

主要岩性

杂色粘土岩夹松散砂岩和砾岩

厚度/m

300～9000～100

含盐岩系

灰、深灰色泥岩、泥膏盐、石盐岩夹砂岩、泥岩发育盐韵律,由石盐岩、白云岩、油浸钙芒硝岩组成,局部发育粉细砂岩和泥岩发育盐韵律,由灰—深灰色泥岩、粉砂岩、泥灰岩、白云岩和钙芒硝岩组成

由灰—深灰色泥岩夹粉细砂岩及盐韵律组成灰、深灰色泥岩、含膏泥岩、石盐岩和碳酸盐岩棕、紫红色泥岩、含膏泥岩夹粉砂岩紫红色、灰色泥岩、泥膏盐、膏质粉砂岩

深灰色及棕红色泥岩、石盐岩、膏岩、含膏泥岩夹粉砂岩

紫红色泥岩、泥膏盐、石盐岩、粉砂岩、红色砂质泥岩夹砾岩

120～450

110～700

潜三段潜四上段潜四下段

150～0

100～700173～2218600～1900600～2000

第二含盐岩系

200～1900

上　统渔洋组120～2800

第

一含盐岩系

　　王典敷等(1998)将潜江组Ⅰ级盐韵律划分出7个Ⅱ级盐韵律和160余个Ⅲ级盐韵律(图1)。张永生等(2005)在前人划分3个级次盐韵律的基础上,进一步划分出9种类型的Ⅳ级盐韵律。根据Ⅲ级、Ⅳ级盐韵律的综合研究,以泥岩为标志层,将盐层间沉积分为盐上段、盐下段和过渡段三部分(图2)。盐上段(即石盐岩层之上至含云泥岩层之下的

整的淡化—咸化序列和盐类矿物的析出顺序(图2)。王国力等(2004)将组成上始新统的含盐岩系概括为7个微相系列和17种典型的微相类型,其中泥晶白云岩主要分布在与较强烈至强烈蒸发作用有关的、半咸水—卤水环境下的碳酸盐、硫酸盐沉积微相系列中。

潜江凹陷上始新统含盐岩系中的白云岩,按成分—结构分类法可分为4类:泥晶白云岩、含颗粒泥晶白云岩、颗粒白云岩和晶粒白云岩。每一类又可根据泥质物和钙芒硝含量的不等进一步细分为若干亚类,其中以泥晶白云岩和含颗粒泥晶白云岩为主,颗粒白云岩少见,晶粒白云岩为重结晶或交代成因。以下着重描述泥晶白云岩和含颗粒泥晶白云岩的沉积学特征,并进一步探讨其形成机理。　

岩性段)代表水体由卤水→咸水的淡化沉积过程,沉积序次为石盐岩→含云泥质钙芒硝岩→泥质泥晶

白云岩→含云泥岩;过渡段(含云泥岩)代表水体盐度相对最淡时的、以陆源泥质为主的沉积;盐下段(即含云泥岩层之上至石盐岩层之下的岩性段)代表水体由咸水→卤水的咸化沉积过程,沉积序次为含云泥岩→泥质泥晶白云岩→含钙芒硝泥质泥晶白云岩→石盐岩。两个盐层之间的沉积特征,反映了完

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图1江汉盆地潜江凹陷潜江组Ⅱ—Ⅲ级盐韵律划分综合分析图(据王典敷和王仕忠,1998,略有修改)

Mapshowingsalinerhythm(Ⅱ2Ⅲorder)divisionforQianjiangFormationofQianjiangSag,

JianghanBasin(modifiedfromWangDianfuandWangShizhong,1998)

Fig11

第8卷　第4期张永生等:江汉盆地潜江凹陷上始新统含盐岩系准原生白云岩的沉积学特征与形成机理445　

颗粒含量小于泥晶基质含量,一般以毫米级的条带

状、透镜状、薄纹层状产出。含颗粒泥晶白云岩是在局部较强水动力作用下,半固结至准固结的泥晶白云石沉积物遭受破碎后原地或经短距离搬运和簸选再沉积形成的。

212镜下鉴定特征

1)泥晶白云岩。白云石为泥晶结构(图3-1),含量大于80%,半自形至他形,晶形

差,常含有数量不等的陆源粉砂,泥质约5%～10%,黄铁矿015%～4%,钙芒硝1%～5%,以及少量次生石膏和硬石膏。白云石晶体表面多被有机质污染、无环带,偶见硅质交代白云石(图3-3),阴极发光呈红色、橘红色(图3-2)。

对含钙芒硝含泥泥晶白云岩及含泥(泥质)泥晶白云岩等复成分的泥晶白云岩来说,白云石亦为泥晶结构,含量大于50%,半自形至他形。钙芒硝含量1%～25%,泥质物含量5%～25%,硅质1%～5%。粘土矿物与泥晶白云石共积,构成基

质;钙芒硝呈细—粗晶结构,半自形—自形菱板状晶形,或呈星散状分布于泥晶基质中,或呈钙芒硝质条带或透镜体产出。在阴极发光下,钙芒硝一般呈蓝色(图3-4),有时呈褐色或灰色。

2)含颗粒泥晶白云岩。主要由颗粒和泥晶组

图2

王平1井潜二段22韵律沉积特征综合分析图

Fig12

Histogramsedimentarycharacteristicsoftherhythm22ofMember2ofQianjiangFormationinWellWangping1

成,颗粒为粉屑和极细砂屑,少量砂屑,呈圆—椭圆形及压实变形的蝌蚪状(图3-5),成分均为泥晶白云石,具半自形—它形结构(图3-6)。此外,还含有少量陆屑、泥质、钙芒硝等,陆屑多发生白云化。阴极发光下,泥晶白云石呈红色和橙红色,粒屑呈橙红色。

在潜江凹陷上始新统含盐岩系的两类主要白云岩中,与泥晶白云石伴生的矿物没有或极少见方解石,也不见灰泥的交代残余痕迹。由此可以推断,该含盐岩系中的泥晶白云岩应由直接的化学沉淀作用形成。

2

211

岩石与矿物特征

宏观岩性描述

1)泥晶白云岩。灰色至深灰色为主,部分为

灰黑色,质较纯,呈薄纹层状、条带状、薄层状或块状产出,生物化石缺乏,在剖面上分布较为稳定,但所占比例不大,一般不超过10%～15%。

剖面中实际所见主要为含钙芒硝含泥泥晶白云岩和含泥(或泥质)泥晶白云岩等复成分泥晶白云岩,呈灰色至深褐灰色,泥晶白云石与泥质混积构成基质,粉—细晶钙芒硝晶体或散布于基质中,或形成条带、透镜体和薄夹层。此类复成分泥晶白云岩在剖面中分布最为广泛。

2)含颗粒泥晶白云岩。常呈灰色至深灰色,

3

311

地球化学特征

微量元素特征

沉积岩中元素的分布是沉积分异与地球化学演

化的结果。在沉积物搬运、沉积及成岩过程中元素的类型、丰度、组合及赋存状态是不断变化的,这种变化是元素在地壳各部分不同物理化学条件下不

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图3

Fig13

潜江组泥晶白云岩、含颗粒(含钙芒硝)泥晶白云岩显微照片

mud2sizedcrystallinedolostoneintheQianjiangFormation

Microphotographsofmicro2crystallinedolostone,grain2bearing(glauberite2bearing)

1—含泥泥晶白云岩,白云石具泥晶结构,致密镶嵌接触,白色颗粒为陆源细粉屑石英,黑色为少量受沥青质浸染的粉砂级内碎屑颗粒,王平1井,潜三段1501144m,单偏光,×32;　　2—泥晶白云岩,在阴极发光下呈橘红色,王云10-6井,潜三段,1494179m,阴极发光,

×32;　　3—含颗粒泥晶白云岩,白云石具泥晶结构,内碎屑主要为砂屑和粉屑级,由泥晶白云石组成,受沥青质浸染为黑色,呈压扁拉长状;白色颗粒为陆源细粉屑石英,王平1井,潜三段,1501144m,单偏光,×32;　　4—泥晶白云岩,夹中—粗晶钙芒硝岩条带;白云石泥晶结构,钙芒硝晶体呈长菱板状,半自形为主;在阴极发光下,泥晶白云石呈深红色,钙芒硝晶体呈深蓝色;王云10-6井,潜二段,

1191183m;阴极发光,×32;　　5,6—泥晶白云石,粒径2～3μm,半自形—它形,晶体之间以面状接触为主,扫描电镜照片

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断迁移集散的表现。因而可以根据沉积岩中元素的分布来判断古水介质的物理、化学性质、古气候及物源区性质。

本次对18个白云岩样品的B、Ga、Sr、Ba、Ni、V、Mn等微量元素进行了定量分析(表2)。测试方法为等离子光谱法,B元素采用的是1m光栅分析法。测试单位认为,用该方法测出的B元素值可能会偏低些。

从表2看,B含量由18mg/L到288mg/L,平均为119mg/L,Ga含量由小于5mg/L到

1619mg/L,平均值618mg/L,B/Ga比值平均为18167;Sr含量由27818mg/L到21mg/L,平

均值1529mg/L,Ba含量由3617mg/L到62712mg/L,平均值20014mg/L,Sr/Ba比值平均为8105;V含量由1613mg/L到7416mg/L,平均值4015mg/L,Ni含量由419mg/L到2711mg/L,平均值1216mg/L,V/Ni比值平均为3158。

这些数据表明,无论是B、Sr、V单项值,还是B/Ga、V/Ni、Sr/Ba三项比值,均反映了沉积环境水体具有较高盐度的特征。表2　泥晶白云岩微量元素含量(mg/L)分析结果Table2

层位样号

S100S96

Analysisdataoftraceelementscontent(mg/L)ofmud2sizedcrytallinedolostone岩　性含Gb泥云岩含Gb泥云岩泥质白云岩泥质白云岩含Gb泥云岩云质泥岩含Gb泥云岩泥质白云岩泥质白云岩

B4710010021010028810074100270100240100170100361003610018100921001081004410044100110100341001201009010067100119100

Ga<5<5<57110<5<5141306160<5<5<57150<5<5<510190<516190<561906180

Sr467150173310401150278180100621170811128621618019091255815120693110213510742124617120149619461529

Ba9113029711012518014510069140241180447110202150627120741902301301491702121101521101411401671102921403617096110198120200140

Ni619061601417015140419016140221401215061306150510021180811071701111022180141402711081701217012160

V2712025170191806012016130331706818036100201402714044190681303412027180401106111074160190301404419040150

Mn3211401881904001004221507514016119020812021003411403031202481501291905271003461701911301170511130352170151190299140276170

V/NiB/GaSr/Ba3194

9140

5112

井深/m1179125118616211861111119015212041521210105

31121805183113210031193191401561192313314180141502106100910531071617831823108271206120312441228198

71201317571203160

81888129

潜二段

S95-1S95S94S84S79

平均值

S72S65S50S48-1

148217514851591498180149911500187150114415081941511194151315615141031517126

含Gb泥质白云岩含Gb泥质白云岩泥质白云岩泥质白云岩含Gb泥质白云岩含Gb泥质白云岩泥质白云岩泥质白云岩含Gb泥质白云岩

3113121278138412221160318431613161

8180

4156

潜三段

S46-1S46S34-1S28S25-1S24S12

818015110

216810109614351182139

6180

7126

711016182

3149181001515741071011391903158181678105

平均值总平均值

312氧碳同位素特征

白云岩的氧碳同位素组成取决于白云化介质的则随埋深增大、温度升高而负值绝对值增大。因

18

此,计算古温度主要依据δO值。环境水介质的盐度一般以Z值加以表征,本文采用的Z值(采用PDB标准)计算公式为:

1318

Z=21048(δC+50)+01498(δO+50)

氧碳同位素组成,并主要受介质的盐度与温度的控制和影响。因而,在咸化介质中形成的白云石具较

1318

高的δC和δO,大气淡水的参与将使岩石中的

131813δδC和δO值下降。C值主要取决于初始沉积

环境介质的性质。海水环境中的沉积物及深埋藏成

1318

岩环境中的产物,其δC值多为正值,而δO值

判断环境温度(采用SMOW标准)计算公式:

2

t=1619-412(δC-δW)+0113(δC-δW)

18δδOSMOWC=10125+111025×

448　

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18

δW=4017(当δOH2O=0时)

1818

δOSMOW=(δOPDB×1103)+2915

本次主要对王平1井、王云10-6井两口井潜

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两批分别送往中国科学院地质研究所和青海盐湖研究所测试,测试结果分别见表3和表4。此外,还特别挑出一些质较纯的泥晶白云岩送往中国科学院地质研究所由陈锦石研究员处理分析,结果见表5。

二段和潜三段的岩样进行了氧碳同位素组成分析。为了便于验证测试结果的可靠性,将所采的样品分

表3　泥晶白云岩的氧碳同位素分析结果

Table3　Analysisdataofoxygenandcarbonisotopeofmud2sizedcrystallinedolostone层位

井　号

井深/m

1210172120019411114118811186162117912511861381186133

岩　性

含Gb泥质泥晶白云岩泥质泥晶白云岩泥质泥晶白云岩泥质泥晶白云岩含Gb泥质泥晶白云岩含Gb泥质泥晶白云岩泥质泥晶白云岩含泥含粉屑泥晶白云岩

PDB标准PDB标准18δO/‰δC/‰

-6190-3103-3199-2196-3190-3185-3119-2173-3182

13Z值t/℃

-01510102-2116-3109-2173-2194-3132-4135-2139-2177-0161-5112-3101-3114-3157-4116-1111-3140-3115-1173-21

113121118120118118119120118118117113118108117114113117118119116

2210191630123510391134133613421131163313221616341635133617411024193618351428103411

王平1井

潜

二段

王云10-6井

平均值

1482175148515914991150114415081941511194151410315141241492199

王平1井

潜三段

王云10-6井14931691494179

泥质泥晶白云岩含泥泥晶白云岩含Gb泥质泥晶白云岩泥质泥晶白云岩含Gb泥质泥晶白云岩含Gb泥质泥晶白云岩泥质泥晶白云岩泥质泥晶白云岩含粉屑泥晶白云岩含粉屑泥晶白云岩含Gb泥质泥晶白云岩

-4102-4183-5157-3160-8162-3195-5141-6182-4113-31-3139-4191

平均值

　　注:样品为混样;分析单位:中国科学院地质研究所

表4

Table4

层位

井号

泥晶白云岩的氧碳同位素分析结果

Analysisdataofoxygenandcarbonisotopeofmud2sizedcrystallinedolostone井深/m

117110117310117810

岩性云质泥岩

泥质白云岩泥质白云岩泥质白云岩云质泥岩泥质白云岩云质泥岩云质泥岩云质泥岩泥质白云岩

1318

PDB标准δC/‰PDB标准δO/‰Z值t/℃

-4162-4126-4172-3144-5165-3100-3148-5118-4129-2175-5113-3194

-1102-1186-0174-1146-31140184-1170-1108-1127-0108-2147-1128

117118118120114122119116118122116119

2415281623112615351415192718241725182010311772519

潜二段

王平1井

118710120010120015120410120710

平　均　值

潜

三段

王平1井

151310151315

平　均　值

　　注:样品为混样;分析单位:中国科学院青海盐湖研究所

第8卷　第4期张永生等:江汉盆地潜江凹陷上始新统含盐岩系准原生白云岩的沉积学特征与形成机理

表5

Table5

449　

泥晶白云岩的氧碳同位素分析结果

Analysisdataofoxygenandcarbonisotopeofmud2sizedcrystallinedolostone井深/m

111141186133

层位井号王平1井王云10-6井

岩　性泥质泥晶白云岩含粉屑泥晶白云岩

PDB标准PDB标准

18

δO/‰

δC/‰

-3198-3150-3174

13

Z值t/℃

潜

二段

-1159-2118-11-2138-2152-2170-215311811911815116115117116

2713301328183113321033103211

平均值

王平1井王云10-6井

151315615001461493170

含泥泥晶白云岩含泥泥晶白云岩含粉屑泥晶白云岩

-5116-5130-4133-4193

潜三段

平均值

　　分析单位:中国科学院地质研究所;

分析人:陈锦石13　　从表3看出,潜三段泥晶白云岩的δC值由-3139‰至-8162‰,平均为-4191‰(按PDB标

18准,以下均同);δO值由-0161‰至-5112‰,平

于同一区域,无明显区别。

均为-21‰;Z值由108至119,平均为116;计算水温由2215℃至4616℃,平均为3411℃。

13

潜二段泥晶白云岩的δC值由-2173‰至

18

-6190‰,平均为-3182‰;δO值由0102‰至-4135‰,平均为-2139‰;Z值由113至121,平均为118;计算水温由1916℃至4211℃,平均

1318

为3116℃。总体表现为δC值为中负值,δO

13

为中低负值,从潜三段至潜二段,δC和Z值由

18

低变高,δO变化不大,反映环境水体的盐度相对增加,而水体温度则呈降低的趋势。Z值均在120附近波动,反映了较高的水体盐度特征。

图4

Fig14

泥晶白云岩氧碳同位素组成散点图

18

ScattergramofcompositionofδOversus

从表4看出,潜三段泥晶白云岩的δC值由

18

-2175‰至-5113‰,平均为-3194‰;δO值由0108‰至-2147‰,平均-1128‰;Z值由116

13

至122,平均为119。潜二段δC值由-3100‰至

18

-5165‰,平均为-4129‰;δO值由0184‰至-3114‰,平均为-1127‰;Z值由114至122;

13平均为118。这套数据总体表现为δC值亦为中

18

负值(同表3),但δO值为接近于0的低负值,较表3所反映的略高。反映的沉积环境水介质的性质

13

13δCofmud2sizedcrystallinedolostone

313白云石的晶体化学特征

有序度及CaCO3摩尔含量是白云石晶体化学的

两项主要参数,可以通过X—射线衍射分析来确定。白云石晶体的有序度及CaCO3摩尔含量,与其形成时环境的盐度、温度、Mg2+/Ca2+比值、介质的性质及晶体生长的速度等因素密切相关。白云石的有序度是用其(015)和(110)两个晶面衍射峰的峰强度比I015/I110或峰高比h015/h110来表征,一般以峰强比近似地反映,比值越接近于1表明有序度越高,反之有序度越低,当比值为1时则为理想状态的有序白云石。

CaCO3的摩尔含量是通过白云石最强衍射峰的

同上。由中国科学院地质研究所陈锦石研究员测得的数据(见表5)所反映的氧碳同位素组成与张福松所分析的结果(见表3)也基本相同。根据表3、表4和表5可作出氧碳同位素分布散点图(图4)。从图4中可以看出,散点均落在第Ⅲ象限偏左下方的双负值区域,且3个单位的测试数据点基本集中落

面网间距值d104来确定的,获得d104以后,可按下

450　

古　地　理　学　报

2006年11月

式计算CaCO3的克分子含量:

NCaCO3=333133d104-911111

式中NCaCO3为白云石晶格中的CaCO3摩尔含

表6

Table6

层位

井号

井深/m

量,d为样品的d104值。

6个泥晶白云岩样品X衍射分析所获取的矿物组成及晶体化学参数分别见表6和表7。

泥晶白云岩X—衍射分析结果

X2raydiffractionanalysisresultsofmud2sizedcrystallinedolostone样号

岩性含泥泥晶

白云岩含泥泥晶白云岩含泥泥晶白云岩含泥泥晶白云岩

矿物种类和含量/%

石英斜长石方解石白云石烧石膏黄铁矿石膏粘土矿物

石盐钙芒硝总量/%

014715

1186133Y313161148711E43100138510013512

潜王云10-6井二段

1197192E4-140198310317810

E4-6310315

1120195617

115014

791983187614

210015

216118017

316019

612617910

平均值

王云10-6井潜三段

王平1井

1493169

Y9S25-1

含泥泥晶白云岩泥质泥晶白云岩

712

1513156811717

614616

318119

67117118

113017

019018

310115

914912

平均值

表7

Table7

层位

井　号王云10-6井潜

二段

王云10-6井王云10-6井王云10-6井

井深/m

1186133119719211971921197192

泥晶白云石晶体化学参数

Crystalchemicalparametersofmud2sizedcrystallinedolomite样号

Y31E4E4E4

岩　性含泥泥晶白云岩含泥泥晶白云岩含泥泥晶白云岩含泥泥晶白云岩含泥泥晶白云岩泥质泥晶白云岩

CaCO3摩尔含量/%

5614156140571365710456180

有序度

面积比I015/I110

013801400137013801390138014301400140

峰高比h015/h110

012401250123012501240124013201280126

平均值

潜

三段

王云10-6井王平1井

14931691513156

Y9S25-1

57163571955717957130

平均值总平均值

　　从表6中看出,岩石为含陆源物泥晶白云岩,陆源物中粘土矿物含量平均为810%,石英+斜长石平均占914%,主要矿物为泥晶白云石,其含量平均为7718%。岩样中方解石的含量无或很少,6个样品中4个样未见方解石,其含量平均仅占112%。其他矿物如钙芒硝、石盐、石膏含量较少,偶见烧石膏(CaSO4・1/2H2O)。

从潜三段到潜二段,这类较纯的泥晶白云岩中白云石的含量平均值由7118%增至8318%,陆源

物的总含量(包括粘土和石英、长石细碎屑)由2315%降至11115%,这说明从潜三段到潜二段,

即时代由老到新,此类白云岩的纯度呈升高趋势,而陆源物的混入呈下降趋势。

从表7来看,这类泥晶白云石的CaCO3摩尔含

第8卷　第4期张永生等:江汉盆地潜江凹陷上始新统含盐岩系准原生白云岩的沉积学特征与形成机理451　

量由56140%到57195%,平均为57130%。反映白云石有序度的面积比(I015/I110)由0137至0143,平均值为0140,显示这类泥晶白云石具有高富钙、低有序的晶体化学特征。

沉积矿物中的原生包裹体,对其进行温度和气液相成分的测定,则可更直接地反映沉积环境水介质的温度、盐度和成分组成。31411

沉积环境水介质的包裹体温度指标

314包裹体地球化学特征

针对潜江组盐间段白云岩的特点,泥晶白云石晶粒中难以直接找出有效的包裹体。但与泥晶白云石共生的粉晶—中粗晶钙芒硝晶体却含有大量的原生和次生包裹体,对其中的原生包裹体及裂隙包裹体做了均一法测温(表8)。由于氧同位素在进入埋藏成岩作用的过程中,仍将进一步分馏,故根据氧同位素推算的古温度值是沉积和成岩作用叠加的结果。包裹体研究则正好可以弥补此方面的不足,如果找到沉积古环境原始

表8

Table8

层位

样号

S100S94S78

原生钙芒硝晶体中各类包裹体均一温度Homogenizationtemperatureofvariousinclusionsinprimaryglauberitecrystals

井深/m11791251190152121017211871181188156

主矿物钙芒硝钙芒硝钙芒硝钙芒硝钙芒硝钙芒硝钙芒硝钙芒硝钙芒硝钙芒硝钙芒硝钙芒硝钙芒硝钙芒硝钙芒硝

大小/μm

5～304～183～135～205～25

气液比/%

510010～205～155～205～15

不同测次均一温度/℃

48、44、58、70180、202、169、1、167131、146、159、138170、187、203、215、212146、158、186、173、160

6911～1291912118～127179814～14811

潜二段

Y30Y29JH203JH201JH16S51-1S47

14971601500176151616015191601492129

3～224～175～185～185～15

5～155～105～205～205～10

148、159、130、138、178

203、212

136、140、151、100、138、148、167136、140、151、100、138、148、167

123、171、136、157

6817～1381912919～152

潜三段

S14S5Y11JH62JH49

　　从表8中可以看出,钙芒硝晶体中的包裹体单个个体均较小,一般只有5～20μm,气液比在5%～20%之间,变化较大。由于次生裂隙包裹体显然与裂隙形成有关,是次生成因包裹体,不能作为衡量沉积环境水体温度的尺度,而原生钙芒硝是在沉积环境中形成的原生硫酸盐矿物,晶体中的原生包裹体的地球化学指标应能反映沉积环境介质的性质。本次对15个样品进行了多测次(每样不少于4次)的均一测温,中国地质大学(北京)包裹体实验室检测10样,江汉油田研究院检测5样。均一温度最低值小于70℃的只有三个样,它们是S100、

JH203、JH62,最低均一温度值分别为44℃、6911℃、6817℃,其他大都在100℃以上,显示

出异常高温现象。31412

包裹体异常高温的解释

从所测样品来看,最低均一温度高于100℃的占总样品数的80%,且温度范围一般在100～200℃之间。首先,这种异常高的温度值与本区较

低的地温梯度和低原油成熟度不相称;其次对于一个具有良好积温效果的天然分层盐湖来说,其底部卤温可以接近或达到100℃,如匈牙利的迈达夫湖在夏末水深1132m处水温已达70℃,死海海岸水

452　

古　地　理　学　报

2006年11月

深018m处水温高达90℃。

那么,造成这种异常高温的原因是什么?笔者认为这很可能是由于温度降低的过程中,原生包裹体发生“卡勃子”式的(见图5)形成的物理成因准同生或准同生后异常包裹体的结果。后的异常包裹体一般具有形态不规则、大小不等的个体、相差较大的气液比,尤其表现在同一晶体中所测温度波动幅度较大,实验中检测的多数包裹体正好表现出这些特征(表8),而异常包裹体的温度值往往比实际温度值更高得多,如石笋和钟乳石中异常包裹体的爆裂温度高达350～380℃(何知礼,1982),远远超过了正常气温值。悬浮的碳酸盐沉积物和湖底沉积物中,方解石与白云石形影相随,只是镁方解石/白云石比值在悬浮物中由1/1变到100/1,而在湖底沉积物中,这一比值低达1/4(Bathurst,1971)。此外,在波斯湾的萨布哈环境中,与泥晶白云石伴生的矿物有文石、石膏、菱镁矿、硬石膏等,当文石含量下降时,白云石(和硬石膏)的含量就增加,即这里的白云石是靠交代文石形成的。关于伴有灰泥残余或石灰岩残斑的古代云坪湖型准同生泥晶—泥粉晶白云岩及准同生后砂糖状白云岩,无疑都属于交代作用形成。　　就本区上始新统含盐岩系泥晶白云岩而言,泥晶白云石的伴生矿物除钙芒硝、石盐、少量陆源细屑外,关键的伴生矿物方解石没有或很少见(见表6)。出现这种情况有两种可能:一是白云石交代方

解石彻底,二是所形成的碳酸盐矿物主要就是白云石。根据上面的讨论,本区泥晶白云石属后一种可能性更大些。因为任何形式白云化作用形成的交代白云石均会与方解石相伴出现,至少应见到程度不同的方解石交代残余痕迹。而这一基本的交代白云化特征在本区上始新统含盐岩系中基本未见。

412

图5

Fig15

形成环境水体的温度

环境水体的温度可通过岩石的氧同位素组成和

卡脖子包裹体的形成过程示意图

(据何知礼,1982)

包裹体测温两方面加以表征:一方面,由2个测试单位3个不同实验人员所测出的3套氧同位素数据所计算出的环境水体温度值为2518～3411℃,平均为3015℃(表3、表4和表5);另一方面,由与泥晶白云石伴生的原生钙芒硝晶体中的包裹体均一法测温结果来看,其中3个样品的最低温度值分别为44℃(北京)、6911℃和6817℃(江汉)(见表8),其平均值为6016℃,此值正好高出用氧同位素计算温度值近1倍,若采用最低温度值44℃,则二者处于同一个温度段内。

温度是促进白云石形成的关键动力因素之一。Sass(1965)做的关于直接沉淀白云石的热力学基础的理论计算和证实性实验表明,正常海水在16℃以上对方解石是过饱和的,在28℃以上对白

Sketchmapshowingformingprocessofstranglehold

inclusions(fromHeZhili,1982)

包裹体在T5下为均质的,由于卡脖子的结果,

(a)包裹体要在高于T5的温度下才能均一化;(b)在T3与T4间均一化;(c)包裹体在T2与T3间均一化

根据以上讨论,本文谨以所测均一温度最低值

(44℃)作为反映沉积古环境水体温度的指标。

4

411

成因讨论

与泥晶白云石伴生的矿物

白云石的伴生矿物可以两种型式存在:一是与

白云石同时形成并保存下来,另一是白云石的交代残余矿物。伴生矿物的面貌可从另一侧面反映白云石的形成过程。

首先从现代白云石来看,被视为最具代表性的原生白云石实例的澳大利亚库隆湖中呈乳状间歇

云石是过饱和的,当温度上升到22℃以上就会产生白云石沉淀。因为温度高于临界值后会提高水体中Mg2+的活度,有利于白云石的稳定沉淀。

Donahue等(1968)将溶解有高浓度CaCO3和

第8卷　第4期张永生等:江汉盆地潜江凹陷上始新统含盐岩系准原生白云岩的沉积学特征与形成机理453　

MgCO3的溶液在1MPa、36～38℃的条件下合成了Ca55Mg45的、与方解石和菱铁矿共生的非理想白云

嘴组中,大量石膏层发育为湖盆水体中Mg2+/Ca2+比值的增加提供了早先的物质准备。因此,在潜江组沉积时期,湖盆日益浓缩的水体具备了原生白云石直接沉淀的关键动力因素之二———较高的Mg2+/Ca2+比值。

石。

这两个实验表明,在具有足够高的Mg2+/Ca2+

比值的水体中,当温度升至22～38℃时,就会有非理想的原白云石(Ca55Mg45)从水体中直接沉淀出来。澳大利亚库隆地区蒸发湖泊和湖中原白云石形成的水温范围在1015～28℃之间(Bathurst,1971)。由上讨论可知,潜江凹陷上始新统含盐岩

414形成环境水介质的盐度

系形成时古盐湖环境中的水体温度至少在3015～44℃之间,即具备了非理想的原生白云石直接沉从表9来看,侧重反映沉积环境水体盐度的微量元素比值B/Ga、Sr/Ba在本区均远高于其他几个已知的古代咸水湖相和海相的相应比值,说明潜江凹陷在潜二、三段白云岩形成时湖盆水体为盐度更高的咸化水体。

表9

本区与其他盆地微量元素B/Ga、Sr/Ba对比

ComparisonoftraceelementB/Ga、Sr/Baratiobetweenthisareaandotherbasins地区

潜江凹陷(泥晶白云岩)渤海湾盆地古近系和新近系较咸水湖相苏北盆地始新统较咸水湖相东营盆地沙四段较咸水湖相

B/GaSr/Ba18175～7512

1194811

淀的关键动力因素之一—高于临界的温度条件。413

形成环境水体中的Mg2+/Ca2+比值

自潜江组潜四上段沉积开始,在汇水而不外泄

Table9

的潜江凹陷里,湖盆中的背景水体已浓缩为对NaCl过饱和的卤水,开始形成大规模的石盐沉淀。

资料来源本文邓宏文等,1990邓宏文等,1990邓宏文等,1990

伴随着雨季的来临或暂时性潮湿气候期,地表径流将以陆源物细碎屑为主,洪水事件时粗、细碎屑均有带入湖中,形成化学沉淀与碎屑沉积共存的局面。由于淡水的流入,湖盆中的卤水被稀释,相对淡化,暂时形成对NaCl不饱和而对钙芒硝过饱和的卤水体系,化学沉淀由石盐转变为钙芒硝。随着

-+Ca2+与SO2细中晶钙4、Na结合集中形成泥晶—

415

白云石晶体化学参数与氧碳同位素组

成对比

芒硝[Na2Ca(SO4)2]条带、透镜体或薄夹层,水体中的Mg2+/Ca2+比得以快速提高到有利于白云石形成的稳定的高值范围。此外,在沙市组、新沟

表10中列出了不同地区不同成因类型白云岩的晶体化学参数及氧碳同位素组成。图6和图7是根据表10做出的不同成因白云石有序度和CaCO3摩尔含量(NCaCO3)对比直方图。从表10和图6的

图6不同成因类型白云岩有序度对比直方图

Histogramshowingdegreeoforderofdolostoneswithvariousorigins

Fig17

Fig16

图7

CaCO3摩尔含量对比直方图

ContrastivehistogramofCaCO3molecontent

4　

古　地　理　学　报

2006年11月

有序度对比来看,鄂尔多斯奥陶系的云坪型准同生白云岩和深埋藏热水交代白云岩分别为0159(9样平均)和0185(67样平均),而本区的泥晶白云岩的有序度仅为0140(<015),较之由白云化作用形成

的准同生白云岩的有序度低得多,实为无序的非理想富钙原生白云石,即本文开始所提的“准原生白云石”。泥晶白云石的紧密堆积和无序性,反映了白云石形成时的快速成核堆积特征。

Table10

表10白云石晶体化学参数与氧、碳同位素组成对比

Contrastofcrystalchemicalparameterandcompositionofoxygenandcarbonisotopeofdolomites

有序度

014(6样)0159(9样)

NCaCO

PDB标准

13δC/‰

18

δO/‰3

地　区本　区

鄂尔多斯奥陶系云坪型准同白云岩威斯康星米夫林段混合水白云岩特鲁西尔西岸现代萨布哈准同生白云岩南澳大利亚盐湖的白云石鄂尔多斯奥陶系深埋藏热水白云岩

资料来源本　文

FengZengzhao,etal1,1998

Badiozamani,1973Kinsman,1974

57130(6样)5114(9样)

-4138(34样)-018(10样)-210

-2121(34样)-219(10样)

5510

-5180

0185(67样)

50102(67样)

0166(67样)

-0190-7123(67样)

王英华,1987张永生,2000

　　从表10和图7的CaCO3摩尔含量对比来看,本区泥晶白云石的富钙程度大大高于鄂尔多斯奥陶系白云化成因的准同生白云岩和深埋藏热水交代白云岩,其NCaCO3值(5713%)甚至高于波斯湾特鲁西尔西岸现代萨布哈准同生白云岩的NCaCO3值(55%)(Kinsman,1974)。

416形成机理探讨

由上述讨论可知,王平1井、王云10-6井两

井中组成潜二、三段盐间白云岩(常含钙芒硝)中的泥晶白云石是在具有较高盐度的常年性分层古盐湖水体中、在较高温度和高Mg2+/Ca2+比值的双重动力因素驱动下直接沉淀形成的高富钙、低有序原白云石,是沉积环境中原生沉淀的非理想准原生白云石。其形成机理可用下列三式加以概括:　

-Ca2++SO2→CaSO4↓4

盐岩、钙芒硝岩、泥晶白云岩、泥岩及其过渡的混

积岩组成。含盐岩系中的泥晶白云岩具泥晶结构,其组成矿物泥晶白云石的CaCO3摩尔含量高,晶体有序度低,其伴生矿物中方解石没有或极少,但却与原生钙芒硝紧密共生;其形成环境为常年性分层盐湖,沉积环境的水体温度范围大致在3015～44℃之间。根据这些特征可以推断,潜江凹陷上始新统含盐岩系产出的泥晶白云岩,是在具有较高温度、盐度以及高Mg/Ca比值的古盐湖水体中,由化学沉淀作用直接形成的。这种高Mg/Ca比值的泥晶白云岩是化学沉淀作用直接形成的,不同于由准同生交代作用形成的准同生白云岩;这种泥晶白云岩具有地层学意义,不同于不具地层学意义的原白云石(protodolomite);故本文称其为“准原生白云岩”。参加部分野外研究工作的还有中石化股份有限公司江汉油田分公司勘探开发研究院的漆智先高工、中国地质科学院矿产资源研究所的袁鹤然副研究员以及中海油油田服务股份有限公司油田技术事业部的乔悦东高工等。特此致谢!

谨以此文祝贺导师冯增昭先生八十华诞!

参　考　文　献

邓宏文,钱凯.1990.深湖相泥岩的成因类型和组合演化[J].沉积学

(1)

-2Na++Ca2++2SO2Na2SO4・CaSO4↓(2)4→-Mg2++Ca2++2CO23

3015～44℃

CaMg(CO3)2↓

(3)

5结语

江汉盆地潜江凹陷上始新统含盐岩系主要由石

第8卷　第4期

报,8(3):1-19.

张永生等:江汉盆地潜江凹陷上始新统含盐岩系准原生白云岩的沉积学特征与形成机理

-50.

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(责任编辑郑秀娟)