ISSN 1672-9854
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海相油气地质 >

2025 , Vol. 30 >Issue 4: 289 - 300

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1672-9854.2025.04.001

沉积·储层

四川盆地合川地区茅二段白云岩成因新认识——基于岩石学、地球化学、年代学的证据

  • 郑剑锋 , 1, 2, 3 ,
  • 白雪晶 3, 4 ,
  • 代坤 5 ,
  • 洪淑新 3, 4 ,
  • 刘云苗 3, 4 ,
  • 段军茂 , 1, 2, 3 ,
  • 葛志丹 3, 4 ,
  • 刘连杰 3, 4
展开
  • 1 中国石油杭州地质研究院
  • 2 国家能源碳酸盐岩油气重点实验室
  • 3 中国石油集团碳酸盐岩储层重点实验室
  • 4 中国石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院
  • 5 中国石油长庆油田公司第六采油厂
段军茂，硕士，工程师，主要从事碳酸盐岩沉积储层与油气勘探研究工作。通信地址：310023浙江省杭州市西湖区西溪路920号；E-mail:

郑剑锋，硕士，教授级高级工程师，主要从事碳酸盐岩沉积储层与油气勘探研究工作。通信地址：310023浙江省杭州市西湖区西溪路920号；E-mail:

Copy editor: 韦东晓

收稿日期: 2025-01-16

  修回日期: 2025-03-23

  网络出版日期: 2025-09-09

基金资助

中国石油“十四五”攻关性应用性重大科技专项“碳酸盐岩油气富集规律及有利区带研究”(2023ZZ1601)

中国石油“十四五”前瞻性基础性重大科技专项“叠合盆地中下组合油气成藏与保持机制研究”(2023ZZ02)

收起

New insights into the dolomite genesis of the 2nd member of Maokou Formation in Hechuan area, Sichuan Basin: based on petrological, geochemical and chronological evidence

  • ZHENG Jianfeng , 1, 2, 3 ,
  • BAI Xuejing 3, 4 ,
  • DAI Kun 5 ,
  • HONG Shuxin 3, 4 ,
  • LIU Yunmiao 3, 4 ,
  • DUAN Junmao , 1, 2, 3 ,
  • GE Zhidan 3, 4 ,
  • LIU Lianjie 3, 4
Expand
  • 1. PetroChina Hangzhou Research Institute of Geology
  • 2. State Energy Key Laboratory for Carbonate Oil and Gas
  • 3. Key Laboratory of Carbonate Reservoirs, CNPC
  • 4. Exploration and Development Research Institute of PetroChina Daqing Oilfield Co.Ltd
  • 5. No. 6 Oil Production Plant of Petrochina Changqing Oilfield Company
DUAN Junmao, MSc, Engineer, mainly engaged in sedimentology and reservoir geology and oil and gas exploration of carbonate rocks. Add: No.920 Xixi Rd., Xihu District, Hangzhou, Zhejiang 310023, China. E-mail:

ZHENG Jianfeng, MSc, Professoriate Senior Engineer, mainly engaged in sedimentology and reservoir geology and oil and gas exploration of carbonate rocks. Add: No.920 Xixi Rd., Xihu District, Hangzhou, Zhejiang 310023, China. E-mail:

Received date: 2025-01-16

  Revised date: 2025-03-23

  Online published: 2025-09-09

Fold

摘要

近年来，在川中地区中二叠统茅二段白云岩领域的天然气勘探获得重大突破，多口井测试获日产气超百万方，揭示了该领域具有巨大的勘探前景。然而，当前关于茅二段白云岩的成因争议依然较大，制约了白云岩储层的分布预测。以合川地区取心探井为重点研究对象，开展了基于岩心、薄片的岩石学特征精细描述，并优选具有代表性的白云岩和石灰岩样品开展了碳氧同位素、锶同位素、稀土元素和U-Pb定年分析，综合地质背景，明确了：①茅二段晶粒白云岩是孔隙的主要载体，厚度为1~25 m，不均匀发育于茅二段中上部。②白云石化流体为海源流体，白云石化作用发生于准同生期—早埋藏期。③茅二段白云岩的发育主要受沉积期台内古地貌相对高部位的滩体控制，滩体受到同生岩溶作用，潜流带发育大型岩溶缝洞系统，缝洞系统中充填的生屑颗粒、灰泥与富Mg2+海水在浅埋藏过程中发生白云石化作用形成白云岩。基于白云岩成因新认识，明确了中东部古地貌高部位是茅二段白云岩的有利发育区，为研究区白云岩储层分布预测提供了依据，有效指导了合川地区天然气的勘探部署。

关键词： 岩石学特征; 地球化学特征; 同位素年龄; 白云岩成因; 白云岩储层; 茅二段; 合川地区

本文引用格式

郑剑锋 , 白雪晶 , 代坤 , 洪淑新 , 刘云苗 , 段军茂 , 葛志丹 , 刘连杰 . 四川盆地合川地区茅二段白云岩成因新认识——基于岩石学、地球化学、年代学的证据[J]. 海相油气地质, 2025 , 30(4) : 289 -300 . DOI: 10.3969/j.issn.1672-9854.2025.04.001

Abstract

The Maokou Formation of Middle Permian has huge resource potential and is an important target for natural gas exploration in Sichuan Basin. In recent years, significant exploration breakthroughs have been made in the dolomite of the 2nd member of Maokou Formation in central Sichuan Basin, and the gas production of several wells has exceeded one million cubic meters, which reveals the huge exploration prospect in this field. However, the genesis of dolomite is still unclear, which restricts the prediction of dolomite distribution. Focusing on the core exploration wells in Hechuan area, a detailed description of the petrological characteristics based on core and thin sections is carried out, and representative samples of dolomite and limestone are selected for carbon oxygen isotope, strontium isotope, rare earth element, and U-Pb dating analysis. Taking into account the geological background, it was clarified that: (1) Dolomite is mainly developed in the middle-upper part of the 2nd member of Maokou Formation, with a thickness of 1-25 m, and its original rock is grainy limestone. (2) The dolomitization fluid is mainly seawater, and dolomitization occurred in the quasi-contemporaneous period-early burial period. (3) The shoal developed in a relatively paleogeomorphologic high part of the 2nd member of Maokou Formation was susceptible to syngenetic karstification, and a large fracture-cavern system developed in the phreatic zone. Fracture-cavern system were filled with bioclastic particles, marl and Mg2+ rich seawater, and dolomitization occurred during the shallow burial process. Based on the new research results of dolomite genesis, it is clear that the paleogeomorphologic high part is the favorable area of dolomite of the 2nd member of Maokou Formation, which provides a basis for the prediction of dolomite reservoir distribution in the study area and effectively guides the exploration deployment.

Key words： petrological characteristics; geochemical characteristics; isotopic age; dolomite genesis; dolomite reservoir; the 2nd member of Maokou Formation; Hechuan area

0 前言

四川盆地是中国西南地区的一个大型叠合含油气盆地[1]，油气资源以天然气为主，资源量巨大。近二十年来，川北、川中地区中二叠统栖霞组和茅口组的天然气勘探取得了重大进展，发现了元坝、双鱼石和磨溪等气田[2-3]，其中茅口组一直以顶部不整合之下的石灰岩岩溶型储层为勘探目标。近五年来，川中地区茅口组白云岩领域也取得了勘探新突破，其中JT1井在茅口组二段（简称茅二段）测试产气112.8×104 m3/d[4-5]，使得该领域成为四川盆地风险勘探的重要领域之一，随后大庆合川探区的HS4井和TS11井相继在茅二段白云岩中获得高产工业气流（测试产量分别为113×104 m3/d、233×104 m3/d），进一步揭示了该领域具有良好的勘探前景[6-7]。
随着中二叠统茅二段白云岩领域勘探持续推进，白云岩的成因也逐渐成为研究热点。学者们相继提出：四川盆地二叠纪为“次热盆”，白云岩为热水成因[8-9]；白云岩与峨眉地幔柱异常热事件有关，为构造热液成因[10-15]；白云岩为早成岩阶段的混合水、中成岩阶段埋藏热液多期白云石化作用的产物[16]；白云岩形成于准同生期，白云石化流体为海源流体[17-19]，为渗透回流白云石化成因[20]。可以看出，当前对于茅二段白云岩成因的认识仍然存在较大争议，导致了对白云岩分布规律认识不清。
本文在对川中合川地区7口取心探井资料系统分析的基础上，选择茅二段白云岩最厚、且取心段最长的TS4井为重点研究对象，对其岩心进行了精细描述及薄片分析，优选样品开展了白云岩有序度、碳氧同位素、锶同位素、微量稀土元素和激光U-Pb定年测试分析，深入探讨了茅二段白云岩成因及发育规律。研究成果有效指导了合川地区茅二段白云岩储层分布预测，为川中地区茅二段白云岩领域勘探评价提供了重要依据。

1 地质背景

四川盆地是在克拉通基础上发育的大型叠合含油气盆地[21]，面积约为19×104 km2，盆地内可分为川北低缓构造带、川西低陡构造带、川南低陡构造带、川中平缓构造带和川东高陡构造带5个构造单元（图1a）[22]。川中地区经历扬子运动初始隆升后，在加里东末期的广西运动影响下形成乐山—龙女寺古隆起，使川中—川北隆坳周缘构造坡折带长期处于古地貌高部位，并控制了早二叠世的沉积格局[23-24]。中二叠世晚期的东吴运动使盆地发生构造分异[25]，促进了下古生界—下二叠统烃源岩的成熟和油气的生成[26]。在伸展拉张应力背景下，盆内基底断裂复活，形成较多的张性裂缝，发育一系列北西—南东向台内裂陷，此时，峨眉山大火成岩省地幔柱隆升，使上扬子地区被整体抬升，盆地内茅口组遭受大规模抬升剥蚀，随着后期地幔柱隆升活动增强，盆地中北部发生快速沉降，西南部则继承较高的古地貌特征，为茅口组顶部岩溶提供条件[27-28]。
图1 四川盆地合川地区地质背景及中二叠统地层综合柱状图

Fig. 1 Geological background and stratigraphic column of the Middle Permian in Hechuan area, Sichuan Basin

合川地区构造上属于川中平缓构造带[29]，中二叠世经历了由碎屑岩沉积向碳酸盐岩沉积逐渐过渡的过程，自下而上发育梁山组、栖霞组和茅口组（图1b）。中二叠世早期盆内广泛海侵，梁山组主要发育滨岸—沼泽相砂泥岩[30]。随着进一步海侵，逐渐演化为碳酸盐缓坡沉积体系，栖霞组海侵期主要发育中缓坡相泥质灰岩、粒泥灰岩，高位期主要发育内缓坡相泥粒灰岩、颗粒灰岩和晶粒白云岩。茅口组自下而上可分为4个段：茅一段厚度约72~90 m，具有“眼皮”、“眼球”构造特征，“眼皮”灰岩主要为深灰色泥质灰岩，有机质含量高，“眼球”灰岩主要为粒泥/泥粒灰岩[31]；茅二段沉积期为成滩期，由缓坡演变为台地[20]，主要发育深灰色泥质灰岩、灰色粒泥/泥粒灰岩和深灰色白云岩/含灰白云岩，含较多的有孔虫、珊瑚及腕足等生物碎屑，总体厚度约为60~90 m，又可以分为上下两个亚段，其中白云岩主要发育于下亚段；茅三段厚21~51 m，主要发育灰色泥晶生屑灰岩；茅四段主要发育深灰色生屑泥晶灰岩，与上覆龙潭组平行不整合接触，但研究区内普遍缺失。

2 样品分析与测试

合川地区钻揭茅二段的7口井中的白云岩厚度都不相同，但白云岩均发育于茅二下亚段的中上部，岩石特征也相似。为了使研究更具有系统性，选取钻揭白云岩厚度最大（22 m）、取心段最长（40.77 m，包含了白云岩段）的TS4井为主要研究对象，系统采集样品38件，所有样品均制作了铸体薄片。基于岩心特征和薄片显微镜分析，并充分考虑了样品的代表性和不同深度的均衡性，进一步优选了28件样品（白云岩样品18件，石灰岩样品10件），开展了全岩稳定碳氧同位素检测分析，又对其中部分样品开展了锶同位素（白云岩样品13件，石灰岩样品6件）、白云石有序度（白云岩样品14件）、稀土元素（白云岩样品9件，石灰岩样品4件）分析。为了尽量避免裂缝或孔洞中碳酸盐胶结物对基质的影响，上述样品都利用小型微取样钻机钻取单一结构组分的基质部分，并利用玛瑙研钵分别将其研磨至200目，然后用透明绘图纸分包。此外，优选3件白云岩样品，分别对白云岩基质和裂缝中充填的白云石开展了激光U-Pb定年检测。检测前，先将样品制作成100 μm厚的薄片，然后进行单面抛光，再在超净室做超净处理。
白云石有序度、全岩碳氧锶同位素、稀土元素、元素激光面扫和U-Pb定年检测均在中国石油集团碳酸盐岩储层重点实验室（杭州）完成。白云石有序度检测仪器为X′pert Pro型X射线衍射仪，分析相对误差小于10%；全岩碳氧同位素检测仪器为Delta V Advantage同位素比质谱仪，δ13C测试精度±0.06‰，δ18O测试精度±0.08‰；全岩锶同位素检测仪器为Triton Plus热电离同位素比质谱仪，测试精度优于0.01%；稀土元素检测仪器为Thermo iCAP TQ ICP-MS，分析精度和准确度均优于5%；激光U-Pb定年检测使用COHERENT GeoLasHD 激光剥离系统，剥蚀直径为160 μm的圆形束斑，测试仪器为Element XR ICP-MS，数据经Iolite3.6处理后，利用Isoplot3.0计算年龄并绘制Tera-wasserburg谐和图。

3 岩石学特征

合川地区茅口组白云岩主要发育于茅二段下亚段的中上部，其在横向上连续性较差，厚度变化较大（1~25 m），在垂向上既存在单层发育，也存在多层发育，地层整体表现为石灰岩段、云灰互层段和白云岩段的分段特征（图2a）。白云岩和石灰岩具有清晰的界线，肉眼可识别，白云岩段颜色较深，其中可见未白云石化的生屑散布（图2b，2c），也常见鞍状白云石充填或半充填的裂缝（图2d，2e），深灰色白云岩段上部和下部，可见少量灰色、不规则磨圆状石灰岩“角砾”（图2c）。白云岩段顶底附近为云灰过渡段，深灰色白云岩呈“沟槽状”分布，“切割”灰色石灰岩呈角砾状（图2f），越靠近白云岩段，石灰岩“角砾”越分散；灰色石灰岩段中见深灰色网状白云岩（图2g）。
图2 合川地区TS4井茅二段岩心特征

Fig. 2 Core characteristics of the 2nd member of Maokou Formation of Well TS4 in Hechuan area

白云岩段白云石晶体以细—中晶为主（图3a—3c），局部可见生物碎屑幻影结构（图3d）。原岩结构恢复揭示，晶粒白云岩的原岩为生屑灰岩（图3e，3f）；石灰岩以低能生屑泥晶灰岩为主，其中腕足、有孔虫、棘皮、介形虫类生屑较为常见（图3g）；白云质灰岩/灰质白云岩中，白云岩通常呈斑块状（图3h）或星散状分布（图3i）。茅二段的储层几乎只发育于白云岩中，其孔隙类型有溶蚀孔洞（图2d，2e）、晶间（溶）孔（图3a）和裂缝（图2e），其中溶蚀孔洞最为常见。
图3 合川地区茅二段岩石显微特征

Fig. 3 Microscopic characteristics of the 2nd member of Maokou Formation in Hechuan area

4 测试结果

4.1 白云石有序度

理想的白云石晶体结构是Ca2+和Mg2+沿c轴交替排列，Ca2+和Mg2+的摩尔百分比相同，而无序的白云石中Ca2+和Mg2+则随机分布。白云石的有序度是衡量白云岩结晶速度、结晶温度与演化程度的一个重要指标，结晶速度越慢，温度越高，则有序度越高，反之越低[32]。一般情形下将有序度大于0.8定义为高有序，0.6~0.8定义为次有序，0.4~0.6定义为低有序，小于0.4定义为无序。根据14件白云岩样品的测试结果（表1），合川地区TS4井茅二段白云石有序度范围为0.51~0.71，平均值0.59，属于低有序—次有序范围。
表1 合川地区TS4井茅二段白云石有序度、稳定碳氧同位素和锶同位素检测结果

Table 1 Order degree, δ13C, δ18O and 87Sr/86Sr values of the 2nd member of Maokou Formation of Well TS4 in Hechuan area

样号 岩性 有序度 δ13C PDB/‰ δ18O PDB/‰ 87Sr/86Sr 样号 岩性 有序度 δ13C PDB/‰ δ18O PDB/‰ 87Sr/86Sr
TS4-1 石灰岩 4.54 -7.03 0.707 266 TS4-15 白云岩 0.63 3.78 -7.00 0.707 593
TS4-2 石灰岩 4.30 -7.31 TS4-16 白云岩 0.51 3.95 -7.46 0.707 676
TS4-3 白云岩 0.58 3.93 -7.62 0.707 278 TS4-17 白云岩 3.71 -7.03 0.707 639
TS4-4 白云岩 0.55 3.98 -6.74 0.707 341 TS4-18 白云岩 0.56 3.76 -7.41
TS4-5 白云岩 0.54 3.77 -7.19 0.707 452 TS4-19 白云岩 0.60 3.52 -7.55 0.707 587
TS4-6 白云岩 0.69 4.09 -7.33 TS4-20 白云岩 0.60 4.03 -7.07 0.707 533
TS4-7 白云岩 0.71 3.90 -7.57 0.707 380 TS4-21 石灰岩 4.28 -7.45 0.707 317
TS4-8 白云岩 0.59 3.93 -6.94 0.707 415 TS4-22 石灰岩 4.14 -6.82
TS4-9 白云岩 3.82 -7.48 TS4-23 石灰岩 4.61 -7.27 0.707 223
TS4-10 白云岩 0.60 3.80 -7.25 0.707 324 TS4-24 石灰岩 4.01 -6.94
TS4-11 白云岩 4.03 -6.79 TS4-25 石灰岩 4.46 -7.59 0.707 215
TS4-12 白云岩 0.59 3.63 -6.71 0.707 458 TS4-26 石灰岩 4.65 -6.94 0.707 330
TS4-13 白云岩 4.07 -6.84 TS4-27 石灰岩 4.17 -7.64
TS4-14 白云岩 0.55 3.93 -6.73 0.707 497 TS4-28 石灰岩 4.25 -6.95 0.707 245

4.2 稳定碳氧同位素

白云岩的稳定碳氧同位素组成与白云石化对象(原岩)和引起白云石化的流体有关，并主要受到流体的盐度和温度的影响[33]。通常，海水蒸发作用使海水的碳氧同位素向偏正方向迁移，而埋藏条件下地下卤水会因高温作用使氧同位素向偏负的方向迁移[34]。合川地区TS4井茅二段28件碳酸盐岩样品的全岩碳氧同位素测试结果显示（表1）：白云岩的δ13C、δ18O值分别介于3.52‰~4.09‰和-7.62‰~-6.71‰，平均值分别为3.87‰和-7.15‰；石灰岩的δ13C、δ18O值分别介于4.01‰~4.65‰和-7.64‰~-6.82‰，平均值分别为4.34‰和-7.19‰。从δ13C和δ18O值交会图（图4a）可以看出，δ13C和δ18O值无明显相关性，说明样品受晚期成岩作用改造影响弱，基本保留了早期成岩流体的基本信息。
图4 合川地区TS4井茅二段稳定同位素组成交会图

Fig. 4 Crossplots of stable isotope composition of the 2nd member of Maokou Formation of Well TS4 in Hechuan area

4.3 稳定锶同位素

稳定锶同位素是指示古气候及成岩流体性质的重要参数[35]。由合川地区TS4井茅二段19个碳酸盐岩样品的全岩锶同位素测试结果（表1）及87Sr/86Sr和δ18O二元散点图（图4b）可以看出：白云岩87Sr/86Sr值介于0.707 278~0.707 676，平均值为0.707 474；石灰岩87Sr/86Sr值范围为0.707 215~0.707 330，平均值为0.707 266。两者较接近，但白云岩的87Sr/86Sr值略高于石灰岩，符合锶同位素组成的一般规律[36]。

4.4 稀土元素

碳酸盐矿物中稀土元素的相对丰度主要取决于流体中稀土元素的含量[37]，稀土元素主要通过交代碳酸盐矿物的Ca2+进入矿物格架，其含量在成岩过程中受到的影响非常弱，因此可以较好地指示沉积环境和白云石化流体的来源。合川地区TS4井茅二段13个碳酸盐岩样品的稀土元素测试结果显示（表2）：白云岩的总稀土含量（ΣREEs）值范围为1.284~4.168 μg/g，平均值为2.900 μg/g；石灰岩的ΣREEs值范围为0.918~1.822 μg/g，平均值为1.374 μg/g。整体而言，白云岩的ΣREEs高于石灰岩。对实测结果进行澳大利亚后太古宙平均页岩（PAAS）标准化[38]。标准化（SN）元素异常判定的参数分别采用以下方法计算：δCe=2×CeSN /（LaSN +PrSN），δEu=2×EuSN /（SmSN +GdSN）[39]。如果δCe和δEu大于1.2则判断为正异常，小于0.8则判断为负异常。从标准化后的稀土元素配分模式（图5a）可以看出：白云岩和石灰岩均具有轻稀土元素（La—Eu）含量小于重稀土元素（Gd—Lu）含量的特征，呈现左倾模式；白云岩与石灰岩整体无明显的δCe和δEu异常，只有一个白云岩样品具有δEu正异常特征（图5b）。
表2 合川地区TS4井茅二段稀土元素检测结果

Table 2 Rare earth element content values of the 2nd member of Maokou Formation of Well TS4 in Hechuan area

样号 岩性 稀土元素含量/（μg·g-1）
La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
TS4-1 石灰岩 0.277 0.494 0.059 0.227 0.042 0.009 0.045 0.007 0.045 0.011 0.034 0.005 0.034 0.005
TS4-4 白云岩 0.489 0.903 0.107 0.395 0.076 0.014 0.074 0.012 0.08 0.018 0.055 0.008 0.053 0.009
TS4-6 白云岩 0.346 0.633 0.077 0.285 0.06 0.011 0.065 0.01 0.066 0.015 0.048 0.007 0.044 0.007
TS4-7 白云岩 0.554 1.030 0.123 0.461 0.089 0.016 0.089 0.014 0.086 0.021 0.065 0.011 0.067 0.010
TS4-8 白云岩 0.828 1.570 0.177 0.651 0.128 0.025 0.122 0.02 0.128 0.030 0.084 0.013 0.079 0.013
TS4-9 白云岩 0.705 1.390 0.166 0.638 0.138 0.026 0.135 0.022 0.138 0.032 0.097 0.016 0.095 0.015
TS4-10 白云岩 0.751 1.413 0.166 0.617 0.12 0.021 0.115 0.018 0.117 0.027 0.083 0.013 0.082 0.013
TS4-11 白云岩 0.871 1.640 0.198 0.739 0.142 0.024 0.134 0.021 0.138 0.031 0.100 0.016 0.098 0.016
TS4-12 白云岩 0.651 1.178 0.140 0.521 0.101 0.019 0.098 0.016 0.100 0.023 0.071 0.011 0.068 0.011
TS4-14 白云岩 0.270 0.471 0.060 0.234 0.046 0.012 0.048 0.008 0.049 0.012 0.034 0.005 0.030 0.005
TS4-22 石灰岩 0.195 0.358 0.041 0.158 0.031 0.006 0.031 0.005 0.032 0.007 0.024 0.004 0.022 0.004
TS4-25 石灰岩 0.375 0.692 0.083 0.32 0.066 0.013 0.068 0.011 0.068 0.016 0.049 0.008 0.046 0.007
TS4-27 石灰岩 0.324 0.526 0.066 0.257 0.052 0.01 0.056 0.009 0.058 0.014 0.043 0.006 0.035 0.006
图5 合川地区TS4井茅二段稀土元素配分模式及δCe-δEu交会图

Fig. 5 Distribution pattern of rare earth element and the δCe-δEu crossplot of the 2nd member of Maokou Formation of Well TS4 in Hechuan area

4.5 U-Pb同位素年龄

基于LA-ICP-MS的碳酸盐岩U-Pb测年技术可以用于确定碳酸盐矿物的相对成岩年龄[40]。根据检测结果（图6），样品TS4-6、TS4-10和TS4-15的白云岩基质年龄分别为261.5±6.1 Ma、261.0±4.0 Ma和262.0±16.0 Ma。可以看出，TS4井茅二段3个白云岩样品的基质年龄接近，反映了测量结果是相对可靠的，其对应地层年代为二叠系瓜德鲁普统卡匹敦阶（264.28~259.51 Ma）。
图6 合川地区TS4井茅二段白云岩基于LA-ICP-MS的U-Pb同位素年龄测定结果

Fig. 6 LA-ICP-MS U-Pb dating results of dolomites of the 2nd member of Maokou Formation of Well TS4 in Hechuan area

5 讨论

5.1 白云石化流体来源与发生时期

白云石化作用会提高岩石的抗压性能，早成岩期白云石化作用对原生孔和早成岩期形成的孔隙的保存具有重要建设性作用，而中—晚埋藏期白云石化作用对早成岩期形成的孔隙保存作用不大，并且大规模的压溶作用不但会压缩孔隙空间，产生的钙质流体还会充填原生孔隙，对储层起破坏作用[41]。此外，由于白云岩的脆性特征，相较于石灰岩，白云岩更容易受应力作用形成裂缝，因此判断白云石化作用发生的时间非常重要。
茅二段白云岩的δ13C和δ18O值在中二叠世海水的变化范围内（δ13C范围约在3‰~5‰，δ18O范围约在-7‰~-4‰）[42]；白云岩与石灰岩的δ18O值范围相近，但石灰岩的δ13C高于白云岩，这与海平面升降相关。海平面上升期，有机碳埋藏速率增加，导致石灰岩的δ13C值相应增高，反之海平面下降期大量12C进入海水，使得同时期白云岩的δ13C值略微降低[43]。白云岩的87Sr/86Sr值（平均值0.707 474）也接近同期海水的值（0.707~0.708），说明茅二段的白云石化流体为海水。茅二段白云岩与石灰岩具有相似的稀土元素配分模式，揭示了白云岩与石灰岩具有相似的成岩流体（海水）；白云岩较低的ΣREEs含量（平均值为2.9 μg/g）及δCe和δEu整体异常不明显的特征，也说明了白云岩在成岩过程未明显受到大气水和热液流体的改造[44]。茅二段白云岩整体有序度较低（平均值0.59），指示了白云石在早成岩期低温环境下被快速交代、晶体快速生长的特征。实测的茅二段下亚段白云岩的U-Pb同位素年龄（261~262 Ma）处于卡匹敦阶时期，与地层年龄相当，可以说明其形成于准同生期—早埋藏期。

5.2 白云石化模式

前文已述，研究区茅二段垂向具有明显的分带特征。云灰岩过渡段暗色白云质部分呈网状“切割”石灰岩形成角砾状，石灰岩“角砾”无棱角，“缝网”内沉积的颗粒具有渗流特征，该段整体特征与岩溶系统中的垂直渗流带特征相似。云灰岩过渡段中间为白云岩发育段，其顶底都发育较多的不规则石灰岩“角砾”，相互间不接触，中间也见少量孤立状“角砾”，该段整体特征与岩溶系统中的水平潜流带特征相似。白云岩段之下为含云灰岩段，暗色含云的“缝网”向下逐渐变为高角度“缝”直至消失。上述特征说明茅二段可能发育岩溶缝洞系统。
从地质背景来看，茅二段内部存在层序界面，说明研究区茅二段沉积期经历了相对较长时间的暴露，并受到大气水淋滤作用[30]；从茅口组钻井放空、漏失统计结果看，研究区南部地区茅二段普遍存在漏失、放空段，指示潜流带缝洞系统发育；从川西北向露头剖面看，距茅二段顶20~30 m范围发育高度6~10 m的大型溶洞；从合川地区白云岩发育特征来看，茅二段白云岩稳定发育于茅二段中上部，分布具有层位性、不连续性、厚度变化大的特征，与岩溶系统中水平潜流带的洞穴规模差异大、非均质分布、层位稳定的特征相似。另外，现代同生岩溶实例揭示，古地貌高部位滩体在发生成岩作用的同时也发生强岩溶作用，可以形成较大型岩溶缝洞系统，如澳大利亚西部和南部海岸滩体都发育具有喀斯特特征的较大型缝洞体系[45]。综上所述，茅二段白云岩的形成与同生岩溶相关，潜流带发育较大型岩溶缝洞系统。
合川地区茅二段沉积期，受北西向走滑断裂控制，台内局部形成隆凹相间的古地貌格局[23,25]。在这种背景下，古地貌高部位的颗粒滩发育（图7a），在高位期，海平面下降，滩体会较长时间露出水面，并受到大气水的淋滤，形成同生岩溶缝洞系统（图7b，7d）；同时，局部隆凹相间的地貌，也使得局部形成一个水体相对受限的环境，这种环境下，海水蒸发作用相对较强，海水盐度增高，Mg2+含量也相对增高。海侵期，受波浪作用，海底生屑颗粒和灰泥会逐渐充填缝洞（图7c，7e)；同时，海平面逐渐上升，还导致不断有正常海水补充，使Mg2+得到补充，在海平面相对降低时又会受到蒸发作用，使海水Mg2+含量提高。合川地区热史—埋藏史揭示茅口组早埋藏期经历短暂浅埋后，二叠纪末—三叠纪初马上进入快速深埋阶段[29]，浅埋藏期已经形成了具有一定温压条件的封闭系统，缝洞充填的文石质、高镁方解石质颗粒、灰泥与富Mg2+海水在这种环境下开始发生交代白云石化作用（图7f）；在埋藏逐渐加深过程中，白云石化作用也一直持续发生，并且在二叠纪末（乐平统时期）几乎完全白云石化。
图7 合川地区茅二段白云岩成因模式

Fig. 7 Genetic model of dolomite of the 2nd member of Maokou Formation in Hechuan area

综上所述，建立了研究区茅二段同生岩溶缝洞和白云岩成因模式（图7）。该模式很好地解释了茅二段白云岩分布具有层位性、侧向上厚度非均质变化的特征，同时也解释了为什么白云岩与石灰岩具有清晰的界线，白云岩之间的石灰岩“角砾”没有白云石化，以及只有缝洞中的石灰岩才发生白云石化的现象。根据该认识，预测茅二段沉积期古地貌高部位是白云岩有利发育区。通过三维区茅二段古地貌刻画，预测研究区中东部发育连片状古地貌高隆区（图8a），这种连片状特征反映了古地貌高部位面积大，这种背景更容易形成大型缝洞系统，同时其内部也更容易形成相对封闭或受限的海水环境，为白云石化作用的发生奠定基础。因此，预测工区中东部连片状古地貌高隆区是白云岩强发育区，目前已被勘探所证实。
图8 合川地区茅二段古地貌及白云岩分布预测图

Fig. 8 Prediction map of paleogeomorphy and dolomite distribution of the 2nd member of Maokou Formation in Hechuan area

6 结论

（1）四川盆地合川地区中二叠统茅口组白云岩是溶蚀孔洞和裂缝的主要载体，主要发育于茅二段的中上部，横向上呈不均匀分布，垂向上呈单层或多层发育，厚度介于1~25 m；岩心显示深灰-灰黑色白云岩和灰色石灰岩之间存在云灰过渡段，过渡段中白云岩与石灰岩具有明显界线；显微镜下，白云岩的晶体以细—中晶为主，呈致密镶嵌状，原岩结构恢复及残余颗粒幻影结构特征揭示其原岩为以生屑为主的颗粒灰岩。
（2）茅二段的白云岩具有与二叠纪海水近似的87Sr/86Sr（平均值0.707 410）、δ18O值（平均值-7.15‰）和δ13C值（平均值3.87‰），较低的白云石有序度（平均值0.59），与石灰岩相似的稀土元素配分模式，以及261~262 Ma的U-Pb同位素年龄，表明白云石化流体为海源流体，白云石化作用发生于准同生期—早埋藏期。
（3）茅二段经历了相对较长时间的暴露，台内古地貌相对高部位发育的滩体在发生成岩作用的同时也发生强岩溶作用，潜流带发育大型岩溶缝洞系统，导致茅二段具有明显的岩溶分带特征。
（4）缝洞系统在海平面上升过程中逐渐被生屑颗粒、灰泥和富Mg2+海水充填；在早成岩阶段，经历短期浅埋—快速深埋过程，形成一定温压条件的封闭系统，灰泥及文石质生屑经白云石化作用形成了茅二段白云岩；预测研究区中东部古地貌高部位是茅二段白云岩有利发育区。

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