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川中地区中二叠统茅口组深层白云岩成因机理及控储机制研究
摘要
川中地区中二叠统茅口组深层碳酸盐岩是四川盆地天然气勘探的重要接替领域，其中白云岩储层的发育程度直接决定了油气藏的规模与产能。本文旨在系统探讨茅口组深层白云岩的成因机理及其对优质储层形成的控制作用。研究表明，茅口组白云岩主要发育于台内洼地相富含有机质的泥微晶灰岩中，白云石化作用类型多样，以埋藏白云石化作用为主导，并可能伴随早期高温热液流体的叠加改造。埋藏白云石化作用产生的富镁孔隙流体主要源于同期或邻近泥岩中蒙皂石向伊利石的转化以及沉积物中孔隙水的压实释放，该过程形成的晶粒细小、自形程度高的粉-细晶白云石，有效增强了岩石的抗压能力，为后期溶蚀作用奠定了物质基础。控储机制主要表现为“白云石化-热液溶蚀-构造破裂”的三元耦合。白云石化为储层形成提供了初始格架；深部热液沿断裂带活动，对不稳定白云石和残余方解石进行选择性溶蚀，形成大量次生溶孔、溶洞；晚期构造运动产生的裂缝系统则将孤立的溶蚀孔洞有效串联，极大改善了储层的渗透性。因此，茅口组优质白云岩储层是特定沉积相带背景下，多期次、多类型成岩作用叠加改造的产物，其分布受控于原始沉积微相、白云石化作用强度、热液流体活动范围及裂缝发育带的综合影响。该认识对深化川中地区深层碳酸盐岩储层预测具有重要指导意义。
关键词： 川中地区；茅口组；深层白云岩；埋藏白云石化；热液溶蚀；控储机制
1. 引言
随着全球能源需求的持续增长及油气勘探向深层-超深层领域的不断拓展，深层碳酸盐岩储层已成为油气增储上产的关键阵地。四川盆地作为我国重要的天然气生产基地，其中二叠统海相碳酸盐岩层系蕴藏着丰富的天然气资源。川中地区位于四川盆地相对稳定的构造单元，其中二叠统茅口组沉积了一套厚度较大的开阔台地相碳酸盐岩。近年来，该层系在深度超过4000米的深层领域获得了重要的天然气发现，展现出巨大的勘探潜力。
大量勘探实践证实，茅口组的有效储层主要为白云岩，而石灰岩通常致密，不具备工业产能。与国内外典型的海相白云岩储层相比，川中茅口组白云岩埋藏深、形成时代老、成岩演化历史复杂，其储集空间的形成与保存是多种地质过程耦合的结果。目前，对于该套深层白云岩的成因机制（特别是镁离子来源、流体性质及白云石化模式）尚存争议，而白云石化作用与后续溶蚀、破裂等成岩作用如何协同控制优质储层的形成，即“控储机制”尚不明确，这直接制约了该区有利储层分布预测的准确性与勘探成效。
因此，本文基于岩心、薄片、测井及地球化学分析资料，重点剖析川中茅口组深层白云岩的岩石学、地球化学特征，深入探讨其白云石化作用机理，系统总结优质储层的发育主控因素，旨在为该区下一步的天然气勘探部署提供科学依据和地质理论支撑。
2. 区域地质背景
四川盆地是在扬子克拉通基础上发育起来的大型叠合盆地。川中地区地处盆地腹部，构造上相对稳定，以宽缓的隆起和凹陷为特征，断裂发育程度相对较低。中二叠世茅口期，该区处于开阔台地沉积环境，气候温暖，海水清澈，碳酸盐岩生产旺盛。茅口组自上而下可进一步划分为茅一段、茅二段、茅三段和茅四段，整体为一套厚层状灰岩夹生物碎屑灰岩、含燧石结核灰岩。其中，茅二段和茅四段常发育台内洼地相，沉积了富含有机质的泥微晶灰岩，这套岩性组合是后期白云石化作用的主要对象。
加里东运动使川中地区长期处于隆起剥蚀状态，造成了泥盆系-石炭系的广泛缺失，中二叠统茅口组直接覆盖在下志留统泥页岩之上。印支期以来的多期构造运动，特别是喜马拉雅期强烈的构造挤压，在相对稳定的川中地区也形成了一定规模的断裂系统和局部构造，这些断裂为深部流体的垂向运移提供了重要通道。
3. 白云岩岩石学与地球化学特征
岩石学特征
岩心和薄片观察表明，茅口组白云岩主要发育两种类型：
（1）泥-粉晶白云岩： 岩石致密，，呈它形-半自形，常保留原岩的泥晶结构，多与富含有机质的纹层伴生。这类白云岩可能是埋藏白云石化作用的早期产物。
（2）（残余）颗粒粉-细晶白云岩： 这是最主要的储集岩类型。-，以半自形-自形为主，晶形较好，多呈雾心亮边结构。“雾心”富含包裹体，代表快速结晶或流体成分波动；“亮边”干净透明，为缓慢稳定生长的结果。常见残余颗粒结构，如残余生屑、残余砂屑等，表明白云石化作用发生于准同生期-浅埋藏期，原始结构尚未被完全破坏。
地球化学特征
对白云石样品进行的碳氧同位素、锶同位素及微量元素分析揭示了以下信息：
* 碳氧同位素： δ¹³C值变化范围较窄，与同期海相石灰岩接近，表明白云石化流体中的碳源主要来自海源孔隙水或灰岩溶解，未受明显的大气淡水或有机碳加入影响。δ¹⁸O值普遍偏负，明显低于同期海水值，指示白云石化作用发生在较高温度（中-深埋藏环境）或/和具有较高盐度的孔隙流体中。
* 锶同位素（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）： 比值略高于中二叠世海水的范围，暗示成岩流体可能与富放射成因锶的硅酸盐矿物（如富钾粘土矿物）发生了水岩反应，或是有少量地层封存水的混入。
* 有序度与阴极发光： 白云石的有序度从中等到较高，符合埋藏成因的特点。阴极发光下多表现为不发光或昏暗的红色光，可能与Mn²⁺含量低而Fe²⁺含量较高有关，反映了相对还原的成岩环境。
4. 白云石化成因机理
基于上述特征，认为川中茅口组深层白云岩的形成是一个多期次、多流体参与的复杂过程，埋藏白云石化作用是主导机制，并可能伴随热液流体的局部改造。
埋藏白云石化作用
这是茅口组白云岩形成的最主要机制。其成因模式可概括为：
* 镁离子来源：
深部埋藏环境下，有效的镁离子供给是白云石化的关键。研究认为，镁主要有两个来源：一是同期或下伏富镁粘土矿物的成岩转化。茅口组台内洼地相沉积时，周围可能发育富镁的泥质沉积，在埋藏过程中，这些泥岩中的蒙皂石向伊利石转化会释放出大量的Mg²⁺。二是压实作用释放的沉积孔隙水，这些孔隙水在早期可能已具有一定的盐度，富含镁质。
* 流体运移与白云石化过程： 随着埋藏加深，在上覆地层压力下，从邻近泥岩中释放出的富镁孔隙流体，在压力差和浓度差的驱动下，向渗透性相对较好的茅口组台内洼地相灰岩中运移。由于这些灰岩原始结构致密，流体运移缓慢，使得水岩反应得以充分进行，逐渐将方解石或文石置换为白云石。这种缓慢的置换过程有利于形成晶形较好的粉-细晶白云石，并能够较好地保留原岩结构。该过程发生的温度估计在60-80℃以上，属于中-深埋藏环境。
热液白云石化作用的可能贡献
在靠近深大断裂的区域，部分白云岩表现出较粗的晶体、较高的均一温度包裹体以及与热液矿物（如萤石、重晶石）共生的现象，暗示可能存在热液流体的局部叠加改造。晚二叠世峨眉山玄武岩的喷发以及其后的多期构造热事件，可能驱动了深部热液沿断裂系统向上运移。这些热液流体可能对先期形成的埋藏白云岩进行了重结晶或进一步的白云石化，形成了局部的高孔渗带。但就区域而言，热液作用的影响范围相对有限。
5. 优质储层控储机制
茅口组白云岩储层的储集空间类型多样，以晶间孔、晶间溶孔、非选择性溶孔（溶洞）和构造裂缝为主。优质储层的形成是“建设性成岩作用”优于“破坏性成岩作用”的结果，其控储机制可归结为以下三元耦合：
白云石化作用的奠基性控制
白云石化本身对储层的建设性贡献是双重的：
（1）增加初始孔隙： 方解石（或文石）被分子体积较小的白云石置换，理论上会产生约12%-13%的孔隙度增量。尽管在结晶过程中这部分孔隙可能被部分充填，但它为岩石提供了初始的孔隙格架。
（2）增强抗压溶能力： 白云石比方解石具有更强的抗压溶和抗化学压实能力。在深埋环境下，石灰岩极易发生压溶作用导致孔隙急剧减少，而白云岩则能更好地保持其刚性骨架，为后期流体的流动和溶蚀作用的进行提供了结构支撑。
溶蚀作用的关键性建设
溶蚀作用是形成有效储集空间的核心环节。茅口组经历的溶蚀作用主要包括两期：
（1）埋藏有机酸溶蚀： 伴随埋藏过程，茅口组内部及其上下烃源岩（如下二叠统栖霞组、上二叠统龙潭组）成熟产生的有机酸和CO₂，对白云岩中的残余方解石、不稳定组分或早期胶结物进行选择性溶蚀，形成粒内溶孔、铸模孔等。
（2）热液溶蚀： 这是形成大规模次生孔隙的关键。深部来源的热液流体通常富含CO₂、H₂S等酸性组分，且温度高、活性强，其对白云石和方解石均具有较强的非选择性溶蚀能力，能够形成规模较大的溶孔、溶洞和溶缝。热液流体沿断裂带和先期孔隙系统运移，其溶蚀作用具有明显的“顺层”和“沿断裂”特征，是控制优质储层呈带状、斑块状分布的主要原因。
构造破裂作用的最终优化
在经历了白云石化和溶蚀作用之后，岩石虽然具备了较高的孔隙度，但孔隙之间的连通性可能较差。晚期构造运动产生的构造裂缝系统，犹如“高速公路”，将那些孤立的、分散的溶蚀孔洞有效地串联起来，极大地改善了储层的渗透性，最终形成了“孔-洞-缝”三位一体的高效储渗系统。因此，裂缝发育带通常是高产井的有利部位。
6. 结论
川中地区中二叠统茅口组优质白云岩储层主要发育于台内洼地相泥微晶灰岩中，其白云石化作用以埋藏白云石化模式为主导，镁源主要来自邻近泥岩中粘土矿物的成岩转化和压实释放的孔隙水。局部可能受到热液流体的叠加改造。
茅口组优质储层的形成受“白云石化-热液溶蚀-构造破裂”三元耦合机制控制。白云石化作用奠定了储层的抗压格架并产生初始孔隙；深部热液流体（可能有机酸参与）的溶蚀作用是建设储集空间的关键；而构造裂缝系统则极大地优化了储层的渗流能力。
有利储层的平面分布严格受沉积微相（台内洼地）、白云石化作用强度、热液流体活动范围（受深大断裂控制）及裂缝发育带的联合控制。未来的勘探方向应聚焦于寻找台内洼相背景下的断裂-裂缝发育区，特别是多期流体叠加改造的有利区带。
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