海水胶结作用对碳酸盐岩石组构的影响：以四川盆地东北部三叠系飞仙关组为例

黄思静^{1, 2}，李小宁^{1, 2}，兰叶芳^{1, 2}，成欣怡^{1, 2}

(1. 成都理工大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都，610059；

2. 成都理工大学 沉积地质研究院，四川 成都，610059)

摘要：在薄片分析、阴极发光分析、全岩化学分析、不同组构电子探针分析和包裹体均一化温度分析的基础上，研究了四川盆地东北部三叠系飞仙关组鲕粒灰岩、在成分上介于灰岩和白云岩之间的亮晶鲕粒白云岩-灰岩(灰质白云岩或白云质灰岩)以及结晶白云岩的结构。研究表明：四川盆地东北部三叠系飞仙关组鲕粒碳酸盐岩的海水胶结作用发育，这些胶结物目前全由方解石组成，具有非常低的锰、铁含量，没有或只有极弱的阴极发光，缺乏可进行温度测量的气-液两相包裹体，显示近地表海水潜流环境的特征；鲕粒碳酸盐岩的海水胶结物具有大范围变化的锶含量，一部分分布在10^-4数量级，另一部分分布在10^-3数量级，说明它们是由不同的先驱CaCO₃矿物新生变形而来，低锶含量的方解石是镁方解石新生变形的产物，高锶含量的方解石是文石新生变形的产物；由低锶方解石胶结(先驱矿物是镁方解石)和由高锶方解石胶结(先驱矿物是文石)的鲕粒碳酸盐岩具有不同的胶结物结构和岩石结构，前者有极好的栉壳状胶结物结构，岩石的鲕粒结构保存较好，白云化后白云石晶体较小，不完全白云化时白云石仅分布在鲕粒中，后者缺乏良好的栉壳状胶结物结构，岩石的鲕粒结构保存差，白云化后白云石晶体较大，完全白云化时白云石可分布在鲕粒中，也可分布在胶结物中；原始胶结物为镁方解石的鲕粒碳酸盐岩和原始胶结物为文石的鲕粒碳酸盐岩相比，在相同的白云化环境中，前者因具有内部镁来源而可能使白云石的结晶速度更快，白云石的晶体相对较小，白云石的锰含量更低，阴极发光更弱，白云化作用不一定需要对海水开放的环境以提供镁的来源；后者因缺乏内部镁来源而可能使白云石的结晶速度较慢，白云石的晶体相对较大，白云石的锰含量相对较高，阴极发光相对较强，白云化作用需要对海水开放的环境以提供足够的镁来源；用以对比的鲕粒碳酸盐岩中的非海水胶结物的锰含量是海水胶结物的200倍以上，铁含量也高一个数量级，并具极强的阴极发光性，包裹体均一化温度在105.6~117.3 ℃之间，它们是深埋藏成岩环境中直接沉淀的方解石胶结物；文石质胶结物新生变形成方解石后仍然可以较好地保存原始矿物中的锶，残留锶含量仍可达10^-3数量级，但文石质鲕粒新生变形成方解石后其锶含量很难保存，通常只残留10^-3数量级的锶，这主要与鲕粒由小的碳酸盐质点构成，比胶结物晶体具有更大的表面积和较好的内部渗透率有关。

关键词：四川盆地东北部；三叠系飞仙关组；海水胶结作用；镁方解石-文石；碳酸盐岩的结构

中图分类号：P588.245          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)12-5007-12

Influences of marine cementation on carbonate textures:A case of feixianguan carbonates of Triassic, NE Sichuan Basin

HUANG Sijing^{1, 2}, LI Xiaoning^{1, 2}, LAN Yefang^{1, 2}, CHENG Xinyi^{1, 2}

(1. State Key Laboratory of Oil/Gas Reservoir Geology and Exploitation,Chengdu University of Technology, Chengdu, 610059, China;

2. Institute of Sedimentary Geology, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)

Abstract: Based on the thin section observation under microscope and cathodoluminoscope, electron microprobe and whole rock chemical analysis of different fabrics, and inclusion homogenization temperature analysis, the textures of oolitic limestone, sparry oolitic dolomite-limestone (with the transition composition between limestone and dolomite) and crystalline dolomite were studied. The results show that: Marine cementation is well developed in oolitic carbonates of Triassic Feixianguan Formation in NE Sichuan Basin. All these marine cements are composed of calcite with very low manganese and iron, without cathodoluminescene or dull cathodoluminescene, and are in lack of two-phase inclusions that can be used to measure temperature, representing the characteristics of marine phreatic zone near surface. The strontium content of marine cements in oolitic carbonates varies in a large range, with one distributing in several hundreds of 10^-6 and the other in several thousands for 10^-6, which indicates that these marine cements are generated by different precursor minerals of CaCO₃ through neomorphism, that is, the calcite with low strontium is generated by Mg-calcite and the calcite with high strontium by aragonite through neomorphism. Oolitic carbonates cemented by calcite with low strontium (Mg-calcite as precursor mineral) has excellent pectinate fabric cement, well preserved oolitic texture and small dolomite crystals after dolomitization. In case of incomplete dolomization, the dolomite is constrained in the oolite. On the other hand, oolitic carbonates cemented by calcite with high strontium (aragonite as precursor mineral) is lack of pectinate calcite cement, with oolitic texture poorly preserved. The dolomite crystal is relatively large after dolomitization, and the oolite is frequently cut by dolomite crystals. The oolitic carbonates cemented by original Mg-calcite may have faster dolomitization rate due to the internal source of magnesium, resulting in smaller dolomite crystal size, lower manganese content, and duller cathodoluminescence, and the dolomitization may happen in an environment closed to seawater which provides magnesium. On the other hand, the oolitic carbonates cemented by original aragonite cement may have slower dolomitization rate due to lack of internal source of magnesium, resulting in larger dolomite crystal size, higher manganese content, and brighter cathodoluminescence. The dolomitization environment should be open to seawater which provide enough magnesium. The manganese content of non-marine cements (for comparison) in oolitic limestoone is more than 200 times higher than that in marine cements, while the iron content is an order of magnitude higher than that in marine cements. These non-marine cements can lead to very bright cathodoluminescence. The homogenization temperature of 105.6 to 117.3 ℃ of their fluid inclusions shows that these non-marine cements are calcite cements directly precipitated in deep burial diagenetic environments. After aragonitic cements are transformed to calcites by neomorphism, the strontium in the original mineral still can be well preserved and the residual strontium may reach several thousands of 10^-6. However, after aragonitic oolites are transformed to calcites by neomorphism, it is difficult to preserve the strontium; with only hundreds of 10^-6 of strontium left. The main reason is that the oolite, constituted by small carbonate particles, has larger surface area and higher inner permeability than those of cements.

Key words: NE sichuan basin; feixianguan formation of triassic; marine cementation; Mg-calcite-aragonite; textures of carbonates

海水环境的成岩作用是所有海相碳酸盐岩所必须经历的成岩过程，由于海水对CaCO₃是过饱和的，因而海水中碳酸盐的胶结作用十分发育，一些碳酸盐岩在海底就已胶结成岩。就矿物成分而论，海水胶结物包括镁方解石和文石，对于古代石灰岩或白云岩来说，这些胶结物都已新生变形为方解石或为白云石所交代，但海水胶结物的矿物类型可以显著影响石灰岩甚至白云岩最终的结构，如Ehrenberg^[1]报道的波斯湾滨外Khuff沉积层序顶部的鲕粒灰岩所具有的孔隙颠倒结构的成因就显著与胶结物和鲕粒之间矿物成分的差别及组构选择性溶解有关。基于此，人们总是不遗余力地去恢复原始碳酸盐胶结物的矿物组成^[2-10]，而胶结物的结构研究是人们最常采用的方法。在大多数情况下，由于文石集合体常成柱状、针状或纤维状晶簇，因而人们总是认为那些生长于颗粒边缘的栉壳状方解石是文石新生变形的产物，而那些近等轴的具镶嵌状或晶粒状结构的胶结物是所谓的淡水或埋藏环境的胶结物，但更深入的研究表明，那些原始结构保存较好的生长于颗粒边缘的栉壳状方解石更多的可能是镁方解石新生变形的，而文石新生变形后其原始的栉壳状结构保存较差，这个问题最早由Sandberg^[4]提出，但长期为国内研究者所忽略。本文作者根据四川盆地东北部三叠系飞仙关组鲕粒碳酸盐岩胶结物的微量元素组成，尤其是锰、铁、锶的含量、胶结物的阴极发光性以及包裹体均一化温度分析，研究了古代胶结物，尤其是海水胶结物的结构与原始碳酸盐矿物组成的关系及其对白云化过程和白云岩结构的更进一步影响。

1  样品采集和研究方法

本文涉及的样品分布于华蓥山帚状褶皱带的L2井、L6井和中梁山剖面(图1)，地理位置均属于现今的四川盆地东北部。沉积相大致可划分为开江梁平海槽以东的孤立碳酸盐台地，开江梁平海槽以西的与大陆毗邻的碳酸盐台地。所有样品都采自三叠系飞仙关组1~3段。白云岩样品采自L2井，沉积相属于孤立碳酸盐台地边缘浅滩相；在成分上介于灰岩与白云岩之间的样品(亮晶鲕粒白云岩-灰岩)采自L6井，沉积相也属于孤立碳酸盐台地边缘浅滩相，但比L2井更靠近前缘斜坡相；灰岩样品全部采自中梁山剖面，沉积相属于开江梁平海槽以西的与大陆毗邻的碳酸盐台地边缘浅滩相，所有样品都具粒屑结构或残余粒屑结构，鲕粒是最为重要的粒屑类型，本文将其称为鲕粒碳酸盐岩(鲕粒灰岩、结晶白云岩或成分上介于灰岩和白云岩之间的亮晶鲕粒白云岩-灰岩)。

开江梁平海槽对于控制四川盆地东北部三叠系飞仙关期沉积相具有非常重要的意义，其存在时间包括整个晚二叠世和早三叠世的印度阶，岩石地层涵盖川东北的整个上二叠统吴家坪组、长兴组和下三叠统的飞仙关组^[12-14]。本文讨论的粒屑碳酸盐岩在海槽两侧的台地边缘都有分布，但经历强烈白云化后所形成的储层质量较好的结晶白云岩仅仅分布在海槽以东的孤立碳酸盐台地边缘，显示开江梁平海槽不仅控制了四川盆地东北部沉积相的分布方式，同时也进一步控制了包括白云化作用在内的碳酸盐岩的成岩作用。

图1  样品采集剖面和钻井的位置，底图源自四川省1/1000000地质图(四川省地质矿产局，1991)^[11]

Fig. 1  Geological map showing sampling sections and wells

本文涉及的主要研究方法包括岩石薄片分析，全岩化学分析、电子探针分析、阴极发光分析和包裹体均一化温度分析等。在薄片观察的基础上，挑选岩石样品进行全岩化学分析。具体方法是首先将挑选后的样品粉碎至74 μm，缩分成2份，一份留作备用，另一份用作化学分析(Ca，Mg，Mn，Sr，Fe)。在薄片观察和全岩地球化学分析的基础上，对一些重要组构进行电子探针分析。Ca，Mg，Mn，Sr和Fe含量分析由四川省地矿局华阳检测中心完成，Ca和Mg含量由常规化学分析方法测试，检测限0.1%，相对误差2%；Fe含量由比色法测试，检测限0.01%，相对误差＜8%；Mn和Sr含量由原子吸收光度法测试，检测限分别为5×10^-6和42×10^-6，相对误差分别为13%和14%。阴极发光分析由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，测试仪器为剑桥仪器公司CL8200MK5阴极发光仪(配以Leica偏光显微镜)，典型测试条件为束电压10 kV、束电流300 μA。电子探针分析由成都地质矿产研究所完成，分析仪器为JCXA-733超级电子探针仪，测试条件为束电压15 kV、束电流20 nA，元素定量检测限为5×10^-4~ 1×10^-5。流体包裹体测温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，试验仪器为英国的LINKAM THMS600 冷热台，测温范围为-196~600 ℃，精度为±0.1 ℃。

2  结果

2.1  岩石结构与元素构成

2.1.1  亮晶鲕粒白云岩-灰岩

这类岩石在成分上介于石灰岩和白云岩之间，主要特征如图2所示，样品的MgO含量在10.7%~11.9%之间，白云石含量在49.7%~53.6%之间(表1)，可以大致认为岩石中方解石和白云石大致各一半，因而在本文中将其称为亮晶鲕粒白云岩-灰岩，白云化作用前的先驱岩石都是亮晶鲕粒灰岩。

表1  全岩样品的化学成分¹⁾

Table 1  Chemical composition of whole rock

2.1.1.1  岩石结构

可以把这种成分上介于灰岩和白云岩之间的亮晶鲕粒白云岩-灰岩分为2种主要的岩石结构类型，这2种类型可能对应着不同的原始胶结物的矿物组成，如图2所示。第1类岩石的原始鲕粒结构保存很好，白云化作用严格被限制在鲕粒中，鲕粒全部白云化，但白云石晶体较小，主要分布在0.06~0.15 mm(按Bissell和Chilingar的晶体大小划分方案，属细晶范围)，粒间存在两个世代的方解石胶结物，垂直颗粒表面生长的栉壳状胶结物大致占了胶结物总量的60%，胶结物的原始晶体形态和排列方式保存很好；第2类岩石的原始鲕粒结构保存较差，白云化作用并非严格限制在鲕粒中，鲕粒没有全部白云化，但方解石胶结物亦有白云化现象，白云石晶体较大，主要分布0.2~0.4 mm(按Bissell和Chilingar^[15]的晶体大小划分方案^[15]，属中晶范围)，虽然方解石胶结物也具有世代性，但世代结构远不如第一类结构清楚，垂直颗粒表面生长的栉壳状胶结物的原始晶体形态和排列方式保存较差。

2.1.1.2  微量元素构成

全岩锰、铁、锶微量元素含量。这种亮晶鲕粒白云岩-灰岩具有非常低的锰、铁含量和大范围变化的锶含量：表1所列样品的锰含量为8×10^-6~14×10^-6，平均值为10×10^-6；铁含量为45×10^-6~129×10^-6，平均值为77×10^-6；2种不同结构的岩石具有完全不同的全岩锶含量，原始粒屑结构保存较好、白云石晶体较小，垂直颗粒表面生长的栉壳状胶结物原始晶体形态和排列方式保存很好的岩石的锶含量较低(2个样品的锶含量分别为200×10^-6和230×10^-6)，显示白云石和方解石胶结物都具有较低的锶含量；与之不同的是，原始粒屑结构保存较差、白云石晶体较大，垂直颗粒表面生长的栉壳状胶结物的原始晶体形态和排列方式保存较差的样品具有高的锶含量(1 420×10^-6)，由于白云石的锶含量在很大程度上受分配系数控制，因而可以推测，后一类岩石的方解石胶结物应该具有非常高的锶含量，根据岩石中方解石和白云石的相对含量(50.35%和49.65%，表1)，假定白云石的锶含量为250×10^-6，那么，方解石胶结物锶含量的平均值为2 600×10^-6左右(后面的组构电子探针分析将进一步讨论这一问题)。

不同组构的元素构成。这种亮晶鲕粒白云岩-灰岩存在3种类型的主要结构组分：(1) 白云石(主要构成粒屑，少量分布于胶结物中)；(2) 栉壳状方解石胶结物；(3) 粒间粒状胶结物。各种组分的锰含量都在检测限以下，结果见表2，这与全岩分析样品的锰含量为8×10^-6~14×10^-6一致；铁含量也很低，从低于检测限到288×10^-6，这也与全岩分析中样品的铁含量为45×10^-6~129×10^-6一致。在原始粒屑结构保存较好、白云石晶体较小，垂直颗粒表面生长的栉壳状胶结物原始晶体形态和排列方式保存很好的岩石样品中(58号样品，表2)，没有检测到锶含量特别高的组构，各种组构的锶含量为110×10^-6~300×10^-6，这与全岩分析锶含量为200×10^-6~230×10^-6一致；然而，在原始粒屑结构保存较差、白云石晶体较大、垂直颗粒表面生长的栉壳状胶结物的原始晶体形态和排列方式保存较差的样品中(62号样品，表2)，方解石和白云石之间的锶含量表现出巨大的差别，栉壳状环边胶结物和粒间方解石胶结物锶含量分别高达2 342×10^-6和 3 154×10^-6，而白云石的锶含量为144×10^-6，这也与全岩分析锶含量为1 420×10^-6一致。由于文石具有比方解石高得多的锶含量，方解石的锶含量是判断其原始矿物是方解石还是文石的重要方法，因而这种分析结果表明：2类亮晶鲕粒白云岩-灰岩的方解石胶物的先驱矿物不同，那些保存非常精美栉壳状方解石胶结物(图2(a)，2(b))的先驱矿物是镁方解石，而那些栉壳状结构保存较差的主要具晶粒状结构的方解石胶结物(图2(c)和2(d))的先驱矿物反而是文石。

图2  亮晶鲕粒白云岩-灰岩

Fig. 2  Sparry oolitic dolomite-limestone

表2  碳酸盐岩中不同组构的电子探针分析结果

Table 2  Electron microprobe analysis results of different fabrics of carbonate samples

2.1.2  鲕粒灰岩

本文列举了3个较为典型的鲕粒灰岩样品(40，32和22号样品)，样品的CaO含量分别为50.3%，56.3%和56.0%，方解石含量为97%~99%(表1)，3个样品均为粒屑结构，鲕粒是最为主要的粒屑类型，一些样品含有软体动物碎片，如图3所示。

2.1.2.1  岩石结构

虽然3个样品都具有鲕粒结构，但仍然存在差别，40号样品具典型的亮晶鲕粒结构，鲕粒由泥晶-结晶圈层交替构成(图3(a))，存在2~3个世代的胶结物，第1世代为原始结构保存很好的刀刃状方解石胶结物(图3(b))，显示可能是镁方解石新生变形的产物，第2世代为粒状胶结物(或缺失)，第3世代为斑块状的粗晶胶结物；32号样品具粒屑结构(图3(c))，除鲕粒外，存在一些软体类生物，鲕粒圈层结构不发育，胶结物以晶粒结构的方解石为主，与40号样品相比，世代结构保存较差，软体动物壳具晶粒结构，他们应该是文石新生变形的产物；22号样品经历了显著的重结晶作用(图3(d))，鲕粒(一部分可能是腹足动物)为结晶方解石所充填。

2.1.2.2  微量元素构成

全岩锰、铁、锶微量元素含量。表1所列举的22，32和40号样品(图3)均采自重庆中梁山剖面不到100 m的厚度范围的飞仙关组2~3段的地层中，但具有非常大范围的全岩锰、铁、锶元素的含量变化：3个样品的锰含量为10×10^-6~3 482×10^-6，铁含量为504×10^-6~6 914×10^-6，锶含量为442×10^-6~2 089×10^-6，显示它们经历了非常复杂的成岩作用，具有多变的成岩流体性质和体系的开放和封闭条件。22号样品(图3(d))的主要特征是具有非常高的全岩锰、铁含量，分别为3 482×10^-6和6 914×10^-6，结构观察表明岩石经历了显著的高锰、铁流体的改造和重结晶作用；40和32号样品(图3(a)~(c))都具有较低的全岩锰、铁含量，但2个样品全岩锶含量差别很大，分别为690×10^-6和2 089×10^-6，说明非海源流体对这2个样品的影响有限，但可能具不同的初始矿物(文石或镁方解石)组成。

不同组构的元素构成。这些鲕粒灰岩不同组构的元素构成具有如下主要特征：(1) 全岩锶含量很高的32号样品(图3(c))的锶主要分布于具晶粒结构的方解石胶结物中，包括具晶粒结构的粒间胶结物和软体壳的具晶粒结构的方解石中，其锶含量高达3 408×10^-6，这种晶粒结构显然是一种次生结构，其先驱矿物是文石，但该全岩锶含量很高的样品中的鲕粒(部分可能是球粒)并不具有很高的锶含量(其锶含量为600×10^-6，表2)；(2) 全岩锶含量很低的40号样品(图3(a)和(b))的各种组构都具有较低的锶含量，包括垂直颗粒表面生长的刀刃状方解石胶结物，这种刀刃状结构可能是镁方解石的原生结构；鲕粒虽然较好地保存了多层同心圈层结构，但除个别泥晶纹层的锶含量达到1 568×10^-6以外，鲕粒的其他部分的锶含量都只有10^-4数量级或低于检测限，说明成岩过程中鲕粒对其锶含量的保存能力显著低于文石质海水胶结物或文石质的生物；(3) 具有非常高的全岩锰、铁含量的22号样品(图3(d))的所有组构都具有很高的全岩锰、铁含量，这些组构包括交代鲕粒或其他粒屑的结晶方解石，也包括岩石中具泥微晶结构的组分。

图3  鲕粒灰岩的结构

Fig. 3  Textures of oolitic limestone

2.2  岩石的阴极发光性

在表1所列举的样品中，除22号鲕粒灰岩(图4(d))样品以外，其余样品都不具阴极发光或只有非常弱的阴极发光，这与除22号以外的所有样品都具有非常低的锰含量(8×10^-6~29×10^-6)是一致的，22号样品较强的阴极发光性主要是由于其高达3 482×10^-6的锰含量造成的。需要进一步说明的是，阴极发光性的观察描述是在束电压10 kV、束电流300 μA典型测试条件下进行，增加束电压和束电流，一些不具阴极发光的岩石或组构将不同程度地具有阴极发光。图4列举了部分样品的阴极发光照片，不同样品和组构的阴极发光特征如下：

(1) 亮晶鲕粒白云岩-灰岩(58和62号样品)的方解石胶结物(无论是其先驱矿物是方解石还是文石)都不具有阴极发光，显示海水胶结物的特征，当然也与这些方解石胶结物很低的锰含量有关。然而白云石的阴极发光性存在差别：原始鲕粒结构保存很好、白云石晶体较小、胶结物的原始晶体形态和排列方式保存很好的岩石(图2(a)，(b))中的白云石完全没有阴极发光(图4(a))；原始鲕粒结构保存较差，白云石晶体较大、胶结物的原始晶体形态和排列方式保存较差的岩石(图2(c)和(d))中的白云石具弱的阴极发光(图4(b))。

(2) 作为亮晶鲕粒灰岩的40号样品总体上具有非常弱的阴极发光(图4(c))，这与其全岩锰、铁含量分别为10×10^-6和504×10^-6一致，但岩石的发光具有不均一性，鲕粒的不同圈层具有明暗交替的阴极发光性，垂直颗粒表面生长的具刀刃状结构的方解石胶结物完全没有阴极发光，也显示其海水胶结物的特征。

(3) 另一个鲕粒灰岩(22号样品)具有非常高的全岩锰、铁含量(3 482×10^-6和6 914×10^-6)，整个岩石都具强的阴极发光，铁含量虽然高至6 914×10^-6，但并不能猝灭由锰所激活的阴极发光，该样品的阴极发光性较为均一，无论是粒屑、胶结物，还是岩石中没有重结晶的组分，都具有较强的阴极发光(图4(d))，显示岩石经历了显著的高锰、铁流体的改造和重结晶作用。

图4  鲕粒碳酸盐样品的阴极发光照片

Fig. 4  Cathodoluminescence photomicrograph of oolitic carbonates

(4) 图4中没有列举结晶白云岩的阴极发光照片，这些白云岩全都没有阴极发光，与其全岩锰、铁含量分别为17×10^-6~19×10^-6和126×10^-6~455×10^-6一致，在后面的讨论中将进一步涉及这些白云岩。

2.3  包裹体均一化温度

对本文涉及的所有的成岩组分都进行了包裹体均一化温度分析，仅在22号样品鲕粒内部的结晶方解石(图3(d)，图4(d))中找到可进行均一化温度分析的气-液两相包裹体(图5)，包裹体均一化温度分析结果列于表3。获得的5个可供测温的包裹体的尺寸变化在4.2~7.5 μm之间，包裹体均一化温度在105.6~117.3 ℃的一个较小的范围内变动，平均值为113.1 ℃，这种高铁、高锰的具较强阴极发光性的方解石可能是在深埋藏成岩环境中沉淀的，但也可能是在浅埋藏环境经历了热液的改造。其余的各种组构，包括以不同方式存在的白云石(图2)、亮晶鲕粒白云岩-灰岩的不同世代的方解石胶结物(图2)、鲕粒灰岩(图3(a)~(c))中的的不同世代的方解石胶结物中都没有可供进行均一化温度分析的气-液两相包裹体，包括将样品冷冻处理后，前人的研究表明，若样品经冷冻后依然只有液相包裹体，则这些白云石中包裹体捕获温度应为50 ℃左右^[16-17]甚至更低，因而它们是在近常温常压的过表环境或浅埋藏环境中形成的，这些环境包括海水潜流环境或淡水潜流环境中沉淀的胶结物。

图5 鲕粒灰岩(22号样品)鲕粒内部的结晶方解石的包裹体显微照片

Fig. 5  Microphotos of inclusions in the crystalline calcite in the internal oolite (sample of 22)

表3  鲕粒灰岩(22号样品)鲕粒内部的结晶方解石的包裹体均一化温度

Table 3  Inclusion homogenization temperature of crystalline calcite in internal oolite of grainstone for sample 22

3  讨论

3.1  海水胶结物的矿物组成

海水环境的胶结物可能是文石质的也可以是镁方解石质的，其原始碳酸盐矿物的恢复是碳酸盐沉积学研究的难点之一，如下几个指标被用来判断原始海水的胶结作用及其矿物组成。

(1) 锰、铁含量与阴极发光性。海水具有非常低的锰、铁含量，现代海水的锰、铁含量分别为0.000 4×10^-6和0.01×10^-6[18-19]，只有大陆淡水中的锰、铁含量(分别为0.02×10^-6的0.67×10^-6)的1/50和1/67 ^[19]，加之锰、铁在CaCO₃中具有非常大范围的分配系数(锰、铁在方解石中的分配系数分别为5.4~1 700和1~20)^[20]，沉积过程较快的结晶速度使得分配系数较小，因而进入海水胶结物(也包括海水碳酸盐沉积物)中的锰、铁非常少，极低的锰含量也无法激活碳酸盐的阴极发光，因而海水胶结物通常没有阴极发光，或只有极弱的阴极发光。图2所示的所有方解石胶结物(原始纤状结构保存非常好的垂直鲕粒表面生长的方解石和原始纤状结构保存较差的晶粒结构的方解石)都具有非常低的锰、铁含量(表1，2)，同时也完全没有阴极发光(图4(a)，(b))，因而可以认为鲕粒间的胶结作用都是在海水中发生的，同时鲕粒所具有的非常低的接触强度(不接触或点接触)也显示了埋藏前的胶结作用。图3所示的粒屑灰岩(除图3(d)以外)也具有很低的全岩锰、铁含量(表1)，胶结物的阴极发光性变化在不发光到弱发光之间，但栉壳状环边胶结物完全没有阴极发光(图4(c))，也显示其海水胶结物的特征。粒间斑块状粗晶方解石具有弱的阴极发光，同时具有稍高的铁含量(接近1 500×10^-6)，这种斑块状胶结物可能是在淡水潜流环境中沉淀的。

(2) 锶含量。方解石胶结物具有大范围变化的锶含量，但主要分布在2个主要的区域，低含量区域胶结物的锶含量低于1 000×10^-6，尤其是低于500×10^-6，高含量区域胶结物的锶含量高于2 000×10^-6，甚至高于3 000×10^-6。锶含量很低的方解石胶结物的原始矿物组成是镁方解石。锶含量很高的方解石胶结物的原始矿物组成是文石，同时这些胶结物经历了相对封闭的成岩环境；具有中等锶含量(如1 000~2 000×10^-6)方解石胶结物的原始矿物组成可能是镁方解石，但一些这类胶结物也可能是原始矿物为文石的胶结物经历了相对开放的成岩环境。

(3) 胶结物的结构与锶含量的关系。一些胶结物保存有非常好的一向延长的纤维状组构，如图2(a)和(b)中的胶结物，一些胶结物保持了较好的刀刃状组构(图3(a)和(b))，但这些胶结物具有非常低的锶含量(低于500×10^-6)，其原始矿物主要是镁方解石；另外一些胶结物的原始组构保存较差，主要显示出晶粒结构的特征(如图2(c)和(d)的胶结物和图3(c)中的胶结物，包括图3c中构成软体动物壳的具晶粒结构的胶结物)，但这些胶结物具有较高的锶含量，高于2 000×10^-6甚至3 000×10^-6，其原始碳酸盐矿物主要是文石。说明文石胶结物在经历新生变形后很难保持其一向延长的原始组构，而镁方解石胶结物则可以较好地保持其原始组构，这与文石具与方解石不同的结晶习性有关，文石具9次配位的斜方晶系结构，而镁方解石和方解石都为6次配位的三方晶系结构，因而原始碳酸盐矿物的类型可以控制碳酸盐岩的成岩组构。

3.2  海水胶结物的矿物组成对白云化作用和白云岩结构的影响

海水成岩环境是碳酸盐岩所经历的第一个成岩环境，也是所有碳酸盐沉积所必须经历的成岩环境，但该环境中胶结物的类型对以后的其他成岩作用、如白云化和白云岩的结构有何影响是人们考虑很少的问题，已有研究表明，作为重要储集岩的四川盆地东北部三叠系飞仙关组的结晶白云岩主要由鲕粒灰岩经白云化作用形成^[21-25]，海水胶结物的类型对白云化作用的过程以及白云岩的最终结构都可能产生影响。

鲕粒灰岩首先经历了海水的胶结作用，其后发生了白云化作用，这些海水胶结物在白云化作用之前可以经历、也可以不经历海水胶结物的新生变形作用。近年来的研究表明，新生变形作用可以发生在海相浅埋藏环境中，氧同位素分析表明一些从未离开过海水的碳酸盐发生了过去只认为在淡水中才能发生的新生变形作用，主要机制与孔隙水w(Mg)/w(Ca)的变化有关^[26]。在文石和镁方解石两种不稳定的矿物相中，镁方解石具有更大的溶解度，因而成岩过程中文石可以保存比镁方解石更长的时间而不新生变形成方解石，很多镁方解石在海相浅埋藏环境中因w(Mg)/w(Ca)的梯度新生变形成方解石，而文石则没有变化。因此，当白云化作用发生的时候，由镁方解石作为胶结物的鲕粒碳酸盐岩(如图2(a)和(b)所示)和由文石作为胶结物的鲕粒碳酸盐岩(如图2(c)和(d)所示)可以具有不同的白云化进程并造成白云岩具有不同的结构，对此分别讨论如下：

(1) 由镁方解石胶结的鲕粒碳酸盐岩(图2(a)和(b))中，镁方解石胶结物先于由文石构成的鲕粒新生变形成稳定的方解石，并造成鲕粒和胶结物间矿物组成和稳定性的差别，白云化作用选择由不稳定矿物构成、且具内部细结构、内部表面积较大的鲕粒进行并形成原始鲕粒结构保存非常好的亮晶鲕粒白云岩-灰岩，同时镁方解石新生变形后也保持了非常精美的栉壳状结构。由于白云化过程存在内部来源的由镁方解石提供的镁，相对高w(Mg)/w(Ca)条件下较快的结晶速度使得白云石晶体较小，以细晶为主。

(2) 由文石胶结的鲕粒碳酸盐岩(图2(c)和(d))发生白云化时，文石质的胶结物与由文石构成的鲕粒都还没有新生变形，鲕粒和胶结物之间不存在矿物组成稳定性的差别，仅有结构和内部表面积的差别，虽然白云化作用优先选择具细结构、内部表面积较大的鲕粒，但仍有部分由文石构成的胶结物白云化，鲕粒也并未全部白云化(图2(c)和(d))，最终形成原始鲕粒结构保存不好的亮晶鲕粒白云岩-灰岩，同时文石新生变形后也难以保持良好的栉壳状结构。另外，由于白云化过程缺乏内部来源的镁，相对低w(Mg)/w(Ca)条件下结晶速度较慢使得白云石晶体较大，以中晶为主，同时低结晶速度导致较高的锰、铁在白云石中的分配系数，因而这类白云石具有稍高的锰含量和弱的阴极发光性(图4(b))。

岩石完全白云化形成很纯的结晶白云岩后，因锶在白云石中分配系数较低，岩石具有较为固定的锶含量(120×10^-6~150×10^-6，表1)，很低铁、锰含量(表1，含量与没有白云化的鲕粒灰岩和亮晶鲕粒白云岩-灰岩类似，显示海水白云化作用的特征，另文讨论)，但在结构上仍然可能继承前面讨论的2种不同结构的亮晶鲕粒白云岩-灰岩，也就是说，也可以在川东北三叠系飞仙关组作为储层的结晶白云岩中找到2种主要的类型：一类白云岩较好地保存了先驱鲕粒灰岩的结构，白云石晶体较小，主要分布在0.1~0.2 mm的细晶范围(图6(a))；另一类白云岩的原始鲕粒结构保存较差，白云石晶体较大，主要由0.2~0.4 mm的中晶白云石构成(图6(b))。显示海水胶结物类型对白云化作用和白云岩最终结构的影响。

图6  川东北三叠系飞仙关组作为主要储集层的鲕粒结晶白云岩的结构

Fig. 6  Textures of crystalline dolomite, main reservoir of Triassic Feixianguan Formation in NE Sichuan Basin

3.3  海相碳酸盐文石质组分对锶保存性的差别

对于沉积组分而言，人们通过现代碳酸盐颗粒的研究推测古代碳酸盐颗粒的原始矿物组成。在本文所涉及的碳酸盐颗粒中，软体动物的主要壳层是由文石构成的；作为非生物颗粒的鲕粒和球粒都是文石质的。由于作为大半径阳离子的Sr更容易取代斜方晶系九次配位CaCO₃同质多相矿物(文石)中的Ca，而难以取代三方晶系六次配位CaCO₃同质多相矿物(方解石)中的Ca，因而Sr在文石中的分配系数会显著高于方解石。有关的实验研究表明，在25 ℃时，锶在文石中的分配系数为1.12±0.04，而锶在方解石中的分配系数为0.14±0.02^[27]，锶在文石中的分配系数显著高于方解石，因而文石质颗粒比方解石质颗粒具有高得多的锶含量，取海水中Sr的含量为8×10^-6，Ca的含量为400×10^-6 (Mason，1966)^[18]，按照化学的原理，直接从海水中通过无机化学方式沉淀的文石中的锶含量应略大于9 000×10^-6，这个值大致与非生物无机化学成因的碳酸盐颗粒相当，而大多数的文石质生物都在一定程度上存在由生命过程引起的锶的贫化作用，尤其以文石质的软体动物最为显著。

然而本文的研究表明，在鲕粒和文石质胶结物中，文石质胶结物在新生变形成方解石后仍然可以较好地保存原始矿物中的锶，这些胶结物包括鲕粒间不同世代的从海水中通过无机化学作用沉淀的胶结物(图2(c)和(d))，也包括充填于文石质软体动物壳中或软体动物壳新生变形的方解石胶结物(图3(c))，其锶含量都在1 767×10^-6~3 408×10^-6之间(表2)，4个探针检测点(测点号为7，8，21和22)平均值为2 668×10^-6；作为非生物颗粒的鲕粒沉积时应该具有近10 000×10^-6的锶 ^[28]，但在本文所检测的鲕粒不同部分(包括具不同结晶程度的圈层和鲕核心)总体上都不具有特别高的锶含量，表2所示的6个检测点(包括1个球粒检测点)中，大多数样品都在10^-4数量级，有2个点低于检测限，只有一个从鲕粒泥晶部分的检测点获得了1 568×10^-6的锶含量，6个检测点的平均值为848×10^-6，显著低于文石质胶结物新生变形方解石的锶含量。这可能与如下2个原因有关：(1) 鲕粒由非常小的碳酸盐质点构成，因而具有比胶结物晶体更大的表面积；(2) 由细小碳酸盐质点构成的鲕粒在早成岩阶段并没有完全固结，因而具有比块状胶结物更高的渗透率。这2个原因造成鲕粒内部比胶结物内部有更高的水与岩的质量比和流体交换，从而造成锶的流失，这也是除矿物稳定性差别以外经常发生鲕粒碳酸盐岩中的鲕粒选择性白云化或鲕粒选择性溶解的原因之一。

4  结论

(1) 四川盆地东北部三叠系飞仙关组鲕粒碳酸盐岩中十分发育海水的胶结作用，这些胶结物目前都由方解石组成，具有非常低的锰、铁含量，没有或只有极弱的阴极发光，缺乏可进行温度测量的两相包裹体，代表了近地表海水潜流环境胶结物的特征。

(2)与锰、铁含量不同的是，川东北飞仙关组鲕粒碳酸盐岩的海水胶结物具有大范围变化的锶含量，一部分胶结物的锶含量主要分布在10^-4数量级，另一部分胶结物的锶量主要分布在10^-3数量级，说明这些海水胶结物是由不同的先驱CaCO₃矿物新生变形而来，低锶含量的方解石是镁方解石新生变形的产物，高锶含量的方解石是文石新生变形的产物。

(3) 由低锶的方解石胶结(先驱矿物是镁方解石)和由高锶方解石胶结(先驱矿物是文石)的鲕粒碳酸盐岩具有不同的胶结物结构和岩石结构，前者保存有极好的栉壳状胶结物结构，岩石的鲕粒结构保存较好，白云化后白云石晶体较小，不完全白云化时白云石仅分布在鲕粒中，后者缺乏良好的栉壳状胶结物结构，岩石的鲕粒结构保存较差，白云化后白云石晶体较大，不完全白云化时白云石不完全分布在鲕粒中，部分鲕粒没有白云化，但胶结物有白云化现象，显示原始海水胶结物的类型对白云化过程和白云岩最终结构的 影响。

(4)原始胶结物为镁方解石的鲕粒碳酸盐岩和原始胶结物为文石的鲕粒碳酸盐岩相比，在相同的白云化环境中，前者因具有内部镁来源而可能使白云石的结晶速度更快，白云石的晶体相对较小，白云石的锰含量更低，阴极发光更弱，白云化作用不一定需要对海水开放的环境以提供镁的来源；后者因缺乏内部镁来源而可能使白云石的结晶速度较慢，白云石的晶体相对较大，白云石的锰含量更高，阴极发光相对较强，白云化作用需要对海水开放的环境以提供足够的镁来源。

(5) 研究了用以对比的鲕粒碳酸盐岩中另一类胶结物，虽然也具有晶粒结构，但其锰含量是海水胶结物的200倍以上，铁含量也高一个数量级，并具极强的阴极发光性，包裹体均一化温度在105.6~117.3 ℃之间，它们是深埋藏成岩环境中沉淀的方解石胶结物。

(6) 文石质胶结物在新生变形成方解石后仍然可以较好地保存原始矿物中的锶，残留锶含量仍可达10^-3数量级，但作为非生物颗粒的鲕粒虽然也是文石质的，沉积时应该具有近10 000×10^-6的锶含量，但新生变形成方解石后其锶含量很难保存，通常只残留10^-4数量级的锶，这主要与鲕粒由小的碳酸盐质点构成，比胶结物晶体具有更大的表面积和较好的内部渗透率有关。

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(编辑  陈爱华)

收稿日期：2013-02-11；修回日期：2013-05-26

基金项目：国家自然科学基金资助项目(40839908，41172099)

通信作者：黄思静(1949-)，男，重庆人，教授，博士生导师，从事沉积地质学研究；电话：028-84079073；E-mail:hsj@cdut.edu.cn