Diagenetic facies of dolomite and geochemical characteristics across the Cambrian-Ordovician transitions in the Central Uplift Zone, Tarim Basin
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摘要:
成岩相识别与划分有助于碳酸盐岩储层分类评价及预测。为了明确塔里木盆地中央隆起带寒武系-奥陶系的白云岩成岩相类型及特征, 通过岩心描述、常规及铸体薄片观察、X衍射分析以及粒度分析等方法, 首先对其岩相学特征进行了详细研究并对成岩相类型进行了划分, 在此基础上, 结合O、C稳定同位素测试方法以及Fe、Mn、Sr、Li、U等常、微量元素测试技术探讨了各类白云岩成岩相的地球化学特征并建立了各类成岩相的模式。研究结果表明, 塔里木盆地中央隆起带寒武系-奥陶系白云岩成岩相可划分为准同生云化亚相(PD-F)、浅埋藏隐伏回流渗透云化亚相(SLRD-F)、浅埋藏活跃回流渗透云化亚相(SARD-F)、表生风化壳岩溶亚相(WK-F)和构造破碎亚相(TF-F)共5类。其中, PD-F模式的白云岩云化流体主要来自咸化海水并受部分淡水影响, 表现出O同位素负偏, Fe、Mn、Sr和Li质量分数明显偏高的特征; SARD-F模式的白云岩基本形成于正常海水, 个别样品受到埋藏溶蚀或重结晶作用以及淡水影响, 整体表现为O同位素值与奥陶纪海水一致, Fe、Mn、Sr质量分数相对较低的特点; SLRD-F模式的白云岩形成环境相对封闭, 受淡水影响较小, 表现为O同位素值与海水一致, Fe、Mn质量分数相对较低, Sr质量分数相对较高的特征; WK-F模式的白云岩样品由于经历表生淡水溶蚀作用和埋藏期的白云化作用, 具有O同位素负偏, Fe、U质量分数较高, Sr质量分数较低的特征; TF-F模式的白云岩样品受到构造热液的影响, 具有O同位素负偏, Fe、Mn、U、Li质量分数低的特征。
Abstract:The identification and division of diagenetic facies is useful for the classification, evaluation and prediction of carbonate reservoirs.To clarify the type and characteristics of the diagenetic facies of dolomite near the Cambrian-Ordovician transitions in the Central Uplift Zone of Tarim Basin, in this work, the lithographic characteristics of dolomite were studied in detail, and the category of diagenetic facies was divided by core description, conventional and casting thin section observation, X diffraction analysis and grain size analysis.Based on this, the geochemical characteristics of different diagenetic facies were discussed, and their formation models were established by testing stable isotopes, which included oxygen and carbon isotope as well as major and trace elements(Fe, Mn, Sr, Li and U).The results show that the diagenetic facies of Cambrian-Ordovician dolomite in the Central Uplift Zone, Tarim Basin, can be divided into five types, including penecontemporaneous dolomatization diagenetic facies(PD-F), shallow latent reflux dolomatization diagenetic facies(SLRD-F), shallow active reflux dolomatization diagenetic facies(SARD-F), weathered crust karstification diagenetic facies(WK-F) and tectonic fracture diagenetic facies(TF-F).Among them, the dolomitic fluid of PD-F mode dolostones mainly come from saltwalized seawater and is affected by freshwater, which shows an obviously negative bias of oxygenisotopes and high Fe, Mn, Sr and Li contents. The dolostone formed in the SARD-F mode shows a consistent value with Ordovician sea water and relatively low Fe, Mn, and Sr contents because it mainly formed in normal sea water environment and individually experienced burial dissolution and recrystallization and was affected by freshwater.Because the diagenetic environment of dolostone formed in SLRD-F mode is relatively closed, this dolostone is characterized by consistent values of oxygenisotopes, relatively low Fe and Mn contents but high Sr contents.Dolostone samples formed in WK-F mode have high Fe and U but low Sr contents because they experienced dissolution of freshwater and burial dolomitization.The dolostone formed in the TF-F model is characterized by low Fe, Mn, U and Li because of the influence of structural hydrothermal fluids.
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Key words:
- diagenetic facies of dolomite /
- geochemistry /
- Cambrian-Ordovician /
- Tarim Basin
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中国是极少数在几乎各个地质历史时期地层都发育白云岩的国家，由于白云岩地层中通常发育良好的储集空间，因而可以形成优质的白云岩储层并且展现出巨大的油气勘探潜力[1-5]。尤其是在埋深大于4 500 m的深部地层或者大于6 000 m的超深地层中，白云岩储层更是油气勘探和石油地质学家关注的重点[6-7]。塔里木盆地寒武系-奥陶系地层埋深相对较大(多在6 000 m以上)，所发育的碳酸盐岩地层中蕴含了90%以上的天然气探明储量[8]。但由于盆地白云岩地层岩性复杂、岩石组构多样、年代久、埋深大、地温高且经历了多期构造运动和成岩作用后期改造等原因[9-12]，导致白云岩的成因机制及发育模式变得十分复杂[5]，从而限制了对盆地内白云岩储层中天然气的进一步勘探以及对有利储层分布区的准确预测。
成岩相是沉积物在特定的沉积和物理化学环境、成岩与流体、构造等作用下，经历一定的成岩作用和演化阶段之后的产物，也是现今储层特征的直接反映。成岩相分析的主要目的是对储层进行区域评价和预测[13-14]，并且综合考虑储层储集物性(包括岩石颗粒、胶结物、组构和孔、洞、缝等综合特征)受成岩矿物和成岩演化序列的影响[15]。总体而言，成岩相是储层性质、类型和优劣的综合表征，通过成岩相的研究建立成岩作用与储层物性演化特征之间的成因联系，能更进一步确定与储集性能直接相关的有利成岩储集体，从而有效指导油气勘探[15-17]。因此，对于在地质历史时期经历复杂成岩作用和成岩演化序列，现今表现为物性差、孔隙结构复杂的古老碳酸盐岩而言，成岩相的研究显得尤为重要[18]。
笔者拟通过对塔中隆起地区寒武系-奥陶系重要钻井的岩心、薄片等进行观察分析后，明确研究区的白云岩岩相特征和成岩相类型，并结合Sr同位素，主、微量元素，C、O同位素等地球化学测试实验分析来研究不同成岩相的地球化学识别特征，进而对不同成岩相的形成模式进行探讨，以期为储层有利的成岩相优选以及对后续盆地内奥陶系白云岩成岩环境恢复及判断研究提供参考依据。
1. 区域地质背景
塔里木盆地中央隆起带为一发育在盆地中心且具有略向南突出的圆弧状形态，并被土木休克-海米罗斯断裂带及塔中1号断裂带分割为4个构造单元的大型复合隆起带(图 1)。这4个构造单元包括西部的巴楚隆起、中部的塔中隆起和塘古孜巴斯凹陷以及东部的塔东低隆起[19]。构造发展及海平面的不断上升促使盆地奥陶系形成了一套以碳酸盐岩台地为特征的沉积建造，内部岩性相对复杂，包括石灰岩、白云岩、蒸发岩以及少量碎屑岩，局部还夹杂少量火山岩。上寒武统的丘里塔格组主要发育白云岩，按照成因-结构分类可划分为中~细晶残余砂砾屑、鲕粒白云岩以及微晶砂砾屑含云硅质岩；下奥陶统的蓬莱坝组和鹰山组下段以硅质云岩、云质硅岩、云斑灰岩、灰云岩、残余砂砾屑白云岩为主。整体而言，自准同生期到埋藏期，白云岩的形成经历了复杂的成岩过程[20]，从而也导致其岩石矿物组分、结构及构造等均发生了巨大变化。
图 1 塔里木盆地构造区划及采样位置示意图Figure 1. Sketch map of the structure and sampling point locations in the Tarim Basin2. 样品制备及测试方法
本次研究对塔里木盆地塔中隆起、西南坳陷东部及巴楚隆起西部钻遇下寒武统丘里塔格组及奥陶统蓬莱组及鹰山组白云岩的SN7、S4、YB5、BT5、YQ6、Z4等多口井的岩心进行了仔细观察与取样，取样位置见图 1。考虑不同岩石类型的结构和沉积构造的差异性，样品制备时采用了牙钻对不同组分、结构进行局部取样，并将所取样品用玛瑙研钵制备成粒径符合规范(小于200目)的粉末，在此基础上，分别进行了主、微量元素，C、O同位素及Sr同位素实验测试，样品测试结果见表 1。
表 1 塔里木盆地下古生界白云岩元素分析数据Table 1. Element concentrations of the Lower Paleozoic dolomite in the Tarim Basin样品编号 深度/m 层位 白云岩成岩相类型 白云石有序度 δ18O/‰ δ13C/‰ Mn Fe Sr Li U wB/% wB/10-6 BT5-26 5 218.84 阿瓦塔格组 PD-F / -6.50 -2.24 0.008 0 0.315 0 6 710.828 302.062 1.367 BT5-27 5 219.13 0.90 -7.09 -0.98 0.007 8 0.143 4 12 703.565 6.896 0.719 BT5-29 5 219.80 / -6.31 -1.67 0.003 4 0.130 4 11 055.838 31.577 1.371 BT5-31 5 220.55 0.61 -6.47 -1.38 0.010 1 0.449 3 1 114.320 633.177 2.175 BT5-32 5 221.55 / -7.09 -0.86 0.006 4 0.318 8 1 376.951 297.174 1.589 BT5-36 5 223.48 1 -7.22 -0.23 0.004 8 0.158 4 1 439.824 21.517 2.176 SN7-33 7 098.18 蓬莱坝组 SLRD-F / -5.02 -1.03 0.003 4 0.166 6 161.614 1.965 0.419 SN7-34 7 098.71 / -5.23 -0.95 0.003 2 0.157 5 180.707 2.158 0.749 SN7-36 7 100.05 0.82 -6.78 -1.97 0.002 1 0.070 4 276.677 0.609 0.819 SN7-38 7 103.41 0.79 -5.29 -1.87 0.003 3 0.141 1 226.082 2.447 0.819 SN7-42 7 134.25 0.80 -4.94 -1.86 0.002 8 0.125 7 312.775 2.258 0.719 YB5-13 6 743.20 SARD-F / -6.23 -1.51 0.006 6 0.214 7 174.313 1.319 2.487 YB5-14 6 839.70 / -6.98 -0.84 0.004 5 0.274 7 101.637 0.630 0.950 YB5-7 6 605.20 / -6.37 -0.81 0.005 8 0.166 0 2.407 139.924 0.959 BT5-21 4 810.54 丘里塔格组 0.89 -5.58 -1.18 0.003 2 0.141 8 132.155 2.657 1.908 BT5-24 4 812.49 0.99 -5.58 -0.71 0.003 1 0.079 4 81.046 0.359 0.609 BT5-55 5 784.32 肖尔布拉克组 1 -5.71 0.48 0.021 6 0.133 6 120.575 1.036 2.132 YQ6-7 7 117.93 丘里塔格组 WK-F / / / 0.003 7 0.374 1 64.396 5.761 6.412 YQ6-9 7 118.59 0.79 / / 0.004 3 0.334 0 50.162 3.368 2.192 YQ6-10-1 7 118.89 / / / 0.004 1 0.398 9 51.851 3.661 4.351 BT5-14 4 807.68 / -6.29 -1.07 0.003 3 0.192 6 106.202 2.122 0.911 BT5-17 4 808.62 / -6.50 -0.99 0.004 8 0.183 9 64.152 1.157 1.756 BT5-19 4 809.77 / -6.11 -1.25 0.003 8 0.131 1 101.641 1.472 1.312 YB5-10 6 741.00 蓬莱坝组 TF-F / -7.63 -1.08 0.004 3 0.121 6 63.272 0.531 1.101 YB5-11 6 741.40 0.89 -7.09 -1.27 0.004 6 0.082 1 72.537 0.309 0.828 YB5-12 6 742.80 / -7.59 -0.84 0.003 0 0.073 8 67.097 0.359 1.487 YB5-15 6 840.80 / -7.05 -0.50 0.002 1 0.025 2 139.034 1.715 0.888 YB5-16 6 841.20 0.92 -7.13 -1 0.002 9 0.013 2 85.456 1.057 3.669 YB5-18 6 842.50 / -7.02 -0.54 0.001 8 0.075 4 60.131 5.283 0.870 注：PD-F.准同生云化亚相；SLRD-F.浅埋藏隐伏回流渗透云化亚相；SARD-F.浅埋藏活跃回流渗透云化亚相；WK-F.表生风化壳岩溶亚相；TF-F.构造破碎亚相 主、微量元素和C、O稳定同位素测试分析完成于同济大学海洋地质国家重点实验室，测试仪器为电感耦合等离子体质谱仪ICP-OEP-MS及MAT251气体质谱仪的离线测试系统。其中ICP-OEP-MS测试标准为DZ/T0223-2001、GB/T3286.5-1999和DZG20-05，精度为0.000 1%；气体质谱仪以VPDB为标准，δ13C误差低于±0.06‰，δ18O误差低于±0.08‰。
Sr同位素测试完成于中国地质调查局国家地质实验测试中心，检测仪器为ISOPROBE-T热电离质谱仪，测试标准为GB/T17672-1999，误差为2σ。
3. 白云岩成岩相类型及其岩相特征
成岩相是指形成于特定成岩环境，能够对沉积、成岩和构造作用进行综合反映的具有特定矿物组分、岩石结构及构造的岩相组合[21]。
前人对塔里木盆地寒武系-奥陶系白云岩岩相类型划分做了大量工作[22]，主要是以白云石晶体粒度大小来进行划分[10]，很少考虑岩石成因。而本次研究在白云岩划分时，不仅考虑了白云石晶体粒度，而且将岩石成因也作为一个重要参考因素。因此本次研究根据岩心观察、镜下鉴定及分析数据，结合岩石的矿物组分、沉积及构造特征，从成因意义上将盆地内寒武系-奥陶系白云岩划分为5个主要的岩相类型，即纹层状泥-粉晶白云岩相、云斑细晶含灰白云岩相、中-细晶残余结构白云岩相、中-粗异形晶白云岩相、构造角砾含硅白云岩相。碳酸盐岩成岩相的分类不仅要能够体现其成岩环境和成岩作用的双重效应，又要有利于其识别和操作。杨威等[23]首先根据成岩作用类型将碳酸盐岩成岩相划分为11种最基本的单一相，包括压实、压溶、溶蚀、云化、胶结、膏化、去云化、去膏化、重结晶、破裂和油气充注相。其次结合成岩环境特点，将成岩相综合划分为8类成岩亚相，包括大气淡水溶蚀、埋藏溶蚀、准同生云化、埋藏云化、混合水云化、海底胶结、淡水胶结和埋藏胶结亚相。考虑到成岩环境和成岩作用之间存在一对多的效应。因此，本次研究在划分碳酸盐岩成岩相时，综合考虑了这2个因素[23-24]。基于此，研究区的5类白云岩岩相应当分别对应于云化相中的准同生云化亚相(PD-F)、浅埋藏隐伏渗透云化亚相(SLRD-F)、浅埋藏活跃回流云化亚相(SARD-F)、溶蚀相中的表生风化壳岩溶亚相(WK-F)及破裂相中的构造破碎相(TF-F)[25, 6-7]，现对各成岩相特征分别进行阐述。
3.1 准同生云化亚相(PD-F)
PD-F主要分布于寒武系阿瓦塔格组及吾松格尔组，该成岩相中纹层状泥-粉晶云岩(图 2-A)较为发育。PD-F白云岩整体以泥晶结构为主(粒径＜0.005 mm)，白云石多为他形、有序度一般低于0.75。岩石中溶蚀孔、洞及裂缝较为少见。上述白云岩特征的形成主要归因于同生或准同生阶段，卤水环境下的富藻类灰泥发生的快速白云化作用。此外，深埋藏环境具有的高温高压条件为泥-粉晶白云岩纹层构造形成所需要的重结晶作用的发生提供了有效的热动力保障。
图 2 塔里木盆地下古生界白云岩成岩相特征A.砂屑球粒泥晶膏质云岩，HT1井6 436.8 m，中寒武统沙依里克组；B.云斑灰云岩, SN7井7 104.00 m，下奥陶统蓬莱坝组；C.云斑云灰岩, SN7井7 100.05 m, 下奥陶统蓬莱坝组；D.中晶残余砂屑鮞粒白云岩，YB7井6 162.4 m, 下奥陶统蓬莱坝组；E.残余颗粒结构白云岩, 残余双壳类生物碎屑，SN7井7 078.71 m, 下奥陶统鹰山组；F.残余颗粒细晶白云岩, HT1井6 162.4 m，上寒武统丘里塔格组；G.马鞍形中晶白云岩, GL1井6 335.50 m, 下奥陶统蓬莱坝组；H.残余骨架结构，环带白云石，BT5井4 809.42 m，上寒武统丘里塔格组；I.构造角砾中-粗晶白云岩，晶间孔发育，YB5井6 742.80 m，下奥陶统鹰山组；J.角砾状粗-中晶云岩，YQ6井7 315.82 m，上寒武统丘里塔格组；K.中-粗晶残余砂屑云岩，YB5井6 741.40 m，下奥陶统蓬莱坝组；L.中-粗晶残余砂屑云岩，发育溶蚀孔洞，YB5井6 741.40 m，下奥陶统蓬莱坝组Figure 2. Petrographic characteristics of the Lower Paleozoic dolomite in the Tarim Basin3.2 浅埋藏隐伏回流渗透云化亚相(SLRD-F)
SLRD-F广泛分布于奥陶系蓬莱坝组、鹰山组以及良里塔格组，岩石类型主要为灰斑(豹斑)构造细晶含灰云岩或灰云岩(图 2-B)，普遍具有白云化程度自岩层顶部向下逐渐减弱的特征，发育明显的生物扰动构造(图 2-C)，云岩斑块中的白云石化强烈，白云石为自形-半自形细-中晶，白云石有序度较高(＞0.75)，晶间富含灰质组分等特征。岩石中溶蚀孔、洞及裂缝相对不发育。此类成岩相形成于浅埋藏阶段，由于相对海平面短期下降形成高盐度海水在重力或密度驱动下渗入生物钻孔并交代其中的疏松灰泥的过程[26-29]。由于有充分的交代时间以及有限的向下渗透的卤水，因此形成了白云化程度自顶向下减弱的、由白云岩过渡到石灰岩的成岩序列。
3.3 浅埋藏活跃回流渗透云化亚相(SARD-F)
寒武系肖尔布拉克组和丘里塔格组及奥陶系的蓬莱坝组和鹰山组的岩石类型主要包括残余鲕粒、砂屑、砾屑粉-细晶、细-中晶白云岩，白云石为自形-半自形细、中晶，有序度普遍较高(＞0.75)，代表了台地边缘和潮间带等强水动力沉积环境，是SARD-F普遍发育的重要层段。此外，岩石中通常发育明显的残余颗粒结构(图 2-D，E)和晶间孔隙(图 2-F)也是此类成岩相的典型特征，但此类岩石中溶蚀孔、洞及裂缝同样相对不发育。残余颗粒结构可以指示原岩是一类形成于台地边缘及潮间带等强水动力环境下的颗粒灰岩。沿台地边缘及潮间带分布的具有残余结构的白云岩的成因可以解释为：相对海平面的下降促使了半咸水的形成，半咸水渗入颗粒灰岩所提供的孔隙系统，并且自蒸发台地向盆地内回流，由于此回流过程持续时间较长，从而为半咸水交代灰岩孔隙系统中的灰质提供了重要保障[30]。
3.4 表生风化壳岩溶亚相(WK-F)
研究区WK-F的代表性岩石为中-粗异形晶白云岩，纵向上主要集中分布于寒武系丘里塔格组及奥陶系蓬莱坝组。中-粗异形晶白云岩通常具有不均一的残余角砾结构(图 2-G)，晶体粒度相对较粗，异形晶多为马鞍状且相互镶嵌。粗晶白云石多发育环带结构(图 2-H)及雾心环边构造，含较多异形白云石。此外，中-粗异形晶白云岩中多见溶蚀孔隙和溶洞，但裂缝发育相对较少，并且部分晶间孔洞被隐晶硅充填(图 2-I)。
3.5 构造破碎亚相(TF-F)
TF-F主要分布于地内的断裂带附近，常见于奥陶系蓬莱坝组，岩石类型主要为中-粗晶构造角砾含硅或硅质白云岩，岩石中可见马鞍形白云石(图 2-I)，这也是热液白云岩存在的重要标志[31]。此外，还发育特征的角砾构造，角砾间一般被热液硅质组分充填(图 2-J)，角砾间发育较多溶蚀孔隙且岩石中常发育裂缝。云岩角砾多具有残余砂屑或残余砾屑结构(图 2-K)。TF-F的形成与构造活动期的断层角砾化作用密切相关，同时，热液硅质组分充填角砾间促进了基质支撑结构的形成，而酸性热液的埋藏溶蚀作用则是形成大量溶蚀孔洞的主要原因[31](图 2-L)。
4. 白云岩成岩相地球化学特征及环境意义
4.1 C、O稳定同位素
白云石的C、O稳定同位素含量与成岩流体盐度和温度相关性较大[32-34]。强烈的蒸发作用会使得海水盐度不断升高，从而导致C、O同位素的“正偏”现象。反之，地表淡水流体或埋藏条件下高温会使得氧同位素发生负偏[35]。
PD-F白云岩样品的δ18O值介于-6.31‰~-7.22‰之间，平均值为-6.78‰，低于正常奥陶纪海水δ18O值(-6.60‰~-4.00‰)。这可能是由于具有纹层构造的粉晶白云岩形成于埋藏环境下的重结晶作用，该环境下的高温条件是导致样品氧同位素发生负偏的主要原因[26]。SARD-F白云岩样品的δ18O整体介于-5.58‰~-6.98‰之间，平均值为-6.08‰，相对低于形成于封闭系统的SLRD-F白云岩样品(δ18O介于-4.94‰~-6.78‰之间，平均值为-5.45‰)。这两类成岩相白云岩样品的氧同位素值基本位于奥陶纪正常海水范围内[36]，而个别样品值偏负可能是高温埋藏过程中的溶蚀或重结晶作用使氧同位素发生了分馏作用。WK-F白云岩样品的δ18O介于-6.11‰~-6.50‰之间，其原因是受到表生期大气淡水的影响，加之岩溶垮塌作用携带大量的陆源黏土矿物的灌入，降低了该成岩相白云岩的氧同位素。TF-F白云岩的δ18O明显偏负，整体介于-7.02‰~-7.63‰之间，这主要是由于成岩过程中构造活动期的断层角砾化作用以及硅质组分热液的充填造成的(图 3)。
图 3 塔里木盆地下古生界白云岩δ18O和δ13C散点图Figure 3. Crossplot of δ18O and δ13C of the Lower Paleozoic dolomite in the Tarim Basin4.2 Fe、Mn元素
碳酸盐岩阴极发光特性主要取决于其Fe和Mn含量及其比值。其中Mn是阴极发光的激活剂，Fe是猝灭剂[37]。黄思静[32]绘制了碳酸盐岩阴极发光强度评价模板，将5类成岩相白云岩样品的Fe、Mn分析数据(表 1)投点于该模板中(图 4)。不难发现，PD-F白云岩样品主要位于中等发光区，这跟该成岩相处于近地表环境下有陆源物质的加入使得Fe、Mn质量分数相对较多有直接关系；SARD-F白云岩样品点基本位于中等-强发光区，其原因主要是海水环境贫Fe所导致，个别样品位于弱发光区，是因为受到淡水的影响致使Fe质量分数升高；SLRD-F岩石类型主要为含灰云岩或灰云岩、灰斑灰云岩等过渡岩类，由于形成于弱水动力的、相对封闭的浅埋藏环境，因此岩石的地化特征接近于原岩泥晶灰岩或粒泥灰岩，即岩石贫Mn，阴极发光较弱；WK-F白云岩因遭受表生期富Fe2+的淡水岩溶作用，使得样品Fe质量分数相对较高，导致阴极发光较弱；TF-F白云岩为热液改造成因，环境相对封闭，因此其Fe、Mn元素普遍偏低，呈弱发光或不发光。
图 4 塔里木盆地下古生界白云岩Fe、Mn质量分数散点图Figure 4. Crossplot of Fe and Mn contents of the Lower Paleozoic dolomite in the Tarim Basin4.3 Sr、U元素
海水通常富含Sr，因而也是碳酸盐矿物中Sr的主要来源，因此样品中Sr的质量分数越高，表明对海水的指向性越好[32]，同时，均一化海水的w(Sr)一般大于200×10-6[38]。研究区不同成岩相的白云岩样品的地球化学测试数据(表 1)显示，PD-F白云岩Sr质量分数相比于其他成岩相明显偏高，反映其白云石化流体主要为准同生阶段形成的咸化海水。当白云石化作用发生时，Ca和Mg的置换反应也会由于Sr较大的离子半径而导致Sr完全地被Mg替换[39]，因此白云化过程中Sr会随着Ca的减少而减少。所以，在大气水或热液流体的影响下，SARD-F及风化壳岩溶相中具残余结构的中晶白云岩中Sr质量分数明显低于SLRD-F中的含云灰岩及云斑灰云岩。WK-F白云岩由于经历了溶蚀作用，因此Sr质量分数相对较低，加之相对多的泥质组分的灌入，携带了较多的地表水中的活跃离子，使得U值明显偏高(图 5)。
图 5 塔里木盆地下古生界白云岩Sr、U质量分数散点图Figure 5. Crossplot of Sr and U contents of the Lower Paleozoic dolomite in the Tarim Basin4.4 Li、U元素
由于Fe2+和Mg2+的离子半径与Li相近而发生类质同象，加之Li很容易被黏土矿物所吸附，进而造成黏土矿物中含Li较高[23]。样品中的PD-F白云岩由于白云化过程中来自地表水的参与，携带了较多的黏土矿物，造成该类白云岩的Li值明显偏高；由于地表水的逐渐减少，从WK-F、SARD-F、SLRD-F到TF-F，随着环境的逐渐封闭、埋深逐渐加大，w(Li)和w(U)也都逐渐减小(图 6)。
图 6 塔里木盆地下古生界白云岩Li、U质量分数散点图Figure 6. Crossplot of Fe and U contents of the Lower Paleozoic dolomite in the Tarim Basin5. 不同成岩相形成模式
5.1 PD-F模式
PD-F模式如图 7-A所示，是蒸发台地潮上带及局限台地潮下和潮间带白云岩形成的主要模式。该模式可细分为两类，但均主要形成于低海平面时期及相对海平面强制下降阶段[40]。其中，一类模式形成于蒸发台地潮上带，在该环境下，强烈的蒸发作用导致灰泥及灰屑沉积物中的孔隙水盐度升高，这种高盐度的孔隙水交代以文石和方解石为主的沉积物后便形成主要分布于潮上带的泥晶白云岩(准同生泥晶白云岩)(图 7-A中a)。另一类模式主要形成于局限台地的潮下及潮间带，在该环境下，由于潟湖的蒸发量超过海水注入量，同样促使了高盐度海水的形成，由于潟湖底部的灰泥或生屑沉积物被这些高盐度海水交代时大量微生物也会参与其中，从而会形成微生物白云岩(图 7-A中b)。
5.2 SLRD-F模式
SLRD-F模式如图 7-B所示，该模式是盆地在高海平面时期及相对海平面缓慢上升阶段[41]，开阔台地潮下和潮间带的灰质沉积物在浅埋藏阶段发生的云化过程的典型代表。在长期相对海平面上升过程中，存在着相对海平面短期下降阶段，其间由于海水蒸发量升高，导致海水盐度增加。这种盐度升高的海水会不断地沿着海底沉积物中的生物钻孔渗入处于半固结状态的沉积物中，同时交代疏松虫孔中的灰质沉积物，从而形成粉、细晶白云石。由于隐伏回流渗透的白云化流体的量有限，因此白云化程度自顶向下逐渐减弱(图 7-B)。
5.3 SARD-F模式
SARD-F模式主要形成于海平面较低或者海平面相对下降时期[42]，在该模式下，白云化流体向下部渗流的空间或通道主要由局限台地边缘和潮间带中发育的颗粒灰质沉积物来提供。从模式图(图 7-C)可以看出，当海平面发生相对下降时，大气降水或风暴流可以使得蒸发台地上损耗的地层水得到补充，从而使得该地层水呈现出淡水与咸水相混合的半咸水特征。当这些半咸水从蒸发台地向盆地中心或低洼处源源不断地渗流时会持续交代具有渗透性的颗粒灰质沉积物，从而形成具有残余结构的粉-细晶白云岩，这些白云岩一般沿着局限台地的边缘或者潮间带广泛分布。
5.4 WK-F模式
WK-F模式如图 7-D, E所示，可细分为表生期风化壳岩溶相和埋藏期风化壳岩溶相两种模式。这两种模式均反映盆地在相对海平面强制下降或再次上升以后，暴露于大气淡水环境的台地隆起区顶部的白云岩层的成岩过程[43]。第一种模式(图 7-D)代表在相对海平面持续下降阶段，碳酸盐岩台地隆起区暴露于地表淡水环境，遭受淡水淋滤与溶蚀作用而发生表生期岩溶作用，形成岩溶风化壳，溶蚀作用促使蒸发盐矿物溶解以及石灰岩或白云岩层坍塌，从而形成岩溶角砾岩。另一种成岩相模式(图 7-E)在一定程度上继承了第一种模式，代表相对海平面重新上升后，台地重新接受沉积，表生期的风化壳进入埋藏阶段，经过胶结、溶解以及埋藏重结晶作用后，又形成埋藏期的风化壳。
5.5 TF-F模式
TF-F模式代表了分布于断裂带两侧、具有刚性碎裂特征、含大量热液硅质胶结物及杂基并发育孔隙的构造角砾岩的成岩环境与成岩相(图 7-F)。构造破裂作用导致各类脆性原岩角砾化[44]，同时在热液的溶蚀作用下形成具有孔隙性和渗透性的构造角砾岩。此类成岩模式在盆地内寒武系及奥陶系中均有发现。
6. 结论
(1) 综合考虑成岩环境和成岩作用因素，塔里木盆地下古生界白云岩成岩相可划分为准同生云化亚相(PD-F)、隐伏回流云化亚相(SLRD-F)、活跃回流云化亚相(SARD-F)、表生风化壳岩溶亚相(WK-F)和构造破碎亚相(TF-F)5类。
(2) 成岩环境、成岩作用及白云石化流体的不同是导致各成岩相地球化学特征差异的主要原因。PD-F白云化流体主要来自咸化海水，并受部分淡水影响，表现出O同位素负偏，Fe、Mn、Sr和Li质量分数明显偏高的特征；SARD-F白云岩样品基本形成于海水环境，个别样品受埋藏溶蚀或重结晶作用或淡水影响，整体表现为O同位素值与海水一致，Fe、Mn、Sr质量分数相对较低的特点；而SLRD-F白云岩形成环境相对封闭，受淡水影响较小，表现为O同位素值与海水一致，Fe、Mn质量分数相对较低，Sr质量分数相对较高的特征；WK-F白云岩样品由于经历表生淡水溶蚀作用和埋藏期的白云化作用，具有O同位素负偏，Fe、U质量分数较高，Sr质量分数较低的特征；TF-F白云岩样品受到构造热液的影响，具有O同位素负偏，Fe、Mn、U、Li质量分数低的特征。
(3) 成岩相模式对成岩环境具有代表意义。研究区PD-F和SLRD-F模式主要代表蒸发台地及局限台地环境，SARD-F模式代表台地边缘及潮间带环境，WK-F模式分2种：表生期风化壳环境和埋藏期风化壳环境，TF-F模式主要反映断裂带周围的构造破碎环境。
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图 1 塔里木盆地构造区划及采样位置示意图
Figure 1. Sketch map of the structure and sampling point locations in the Tarim Basin
图 2 塔里木盆地下古生界白云岩成岩相特征
A.砂屑球粒泥晶膏质云岩，HT1井6 436.8 m，中寒武统沙依里克组；B.云斑灰云岩, SN7井7 104.00 m，下奥陶统蓬莱坝组；C.云斑云灰岩, SN7井7 100.05 m, 下奥陶统蓬莱坝组；D.中晶残余砂屑鮞粒白云岩，YB7井6 162.4 m, 下奥陶统蓬莱坝组；E.残余颗粒结构白云岩, 残余双壳类生物碎屑，SN7井7 078.71 m, 下奥陶统鹰山组；F.残余颗粒细晶白云岩, HT1井6 162.4 m，上寒武统丘里塔格组；G.马鞍形中晶白云岩, GL1井6 335.50 m, 下奥陶统蓬莱坝组；H.残余骨架结构，环带白云石，BT5井4 809.42 m，上寒武统丘里塔格组；I.构造角砾中-粗晶白云岩，晶间孔发育，YB5井6 742.80 m，下奥陶统鹰山组；J.角砾状粗-中晶云岩，YQ6井7 315.82 m，上寒武统丘里塔格组；K.中-粗晶残余砂屑云岩，YB5井6 741.40 m，下奥陶统蓬莱坝组；L.中-粗晶残余砂屑云岩，发育溶蚀孔洞，YB5井6 741.40 m，下奥陶统蓬莱坝组
Figure 2. Petrographic characteristics of the Lower Paleozoic dolomite in the Tarim Basin
图 3 塔里木盆地下古生界白云岩δ18O和δ13C散点图
Figure 3. Crossplot of δ18O and δ13C of the Lower Paleozoic dolomite in the Tarim Basin
图 4 塔里木盆地下古生界白云岩Fe、Mn质量分数散点图
Figure 4. Crossplot of Fe and Mn contents of the Lower Paleozoic dolomite in the Tarim Basin
图 5 塔里木盆地下古生界白云岩Sr、U质量分数散点图
Figure 5. Crossplot of Sr and U contents of the Lower Paleozoic dolomite in the Tarim Basin
图 6 塔里木盆地下古生界白云岩Li、U质量分数散点图
Figure 6. Crossplot of Fe and U contents of the Lower Paleozoic dolomite in the Tarim Basin
表 1 塔里木盆地下古生界白云岩元素分析数据
Table 1. Element concentrations of the Lower Paleozoic dolomite in the Tarim Basin
样品编号 深度/m 层位 白云岩成岩相类型 白云石有序度 δ18O/‰ δ13C/‰ Mn Fe Sr Li U wB/% wB/10-6 BT5-26 5 218.84 阿瓦塔格组 PD-F / -6.50 -2.24 0.008 0 0.315 0 6 710.828 302.062 1.367 BT5-27 5 219.13 0.90 -7.09 -0.98 0.007 8 0.143 4 12 703.565 6.896 0.719 BT5-29 5 219.80 / -6.31 -1.67 0.003 4 0.130 4 11 055.838 31.577 1.371 BT5-31 5 220.55 0.61 -6.47 -1.38 0.010 1 0.449 3 1 114.320 633.177 2.175 BT5-32 5 221.55 / -7.09 -0.86 0.006 4 0.318 8 1 376.951 297.174 1.589 BT5-36 5 223.48 1 -7.22 -0.23 0.004 8 0.158 4 1 439.824 21.517 2.176 SN7-33 7 098.18 蓬莱坝组 SLRD-F / -5.02 -1.03 0.003 4 0.166 6 161.614 1.965 0.419 SN7-34 7 098.71 / -5.23 -0.95 0.003 2 0.157 5 180.707 2.158 0.749 SN7-36 7 100.05 0.82 -6.78 -1.97 0.002 1 0.070 4 276.677 0.609 0.819 SN7-38 7 103.41 0.79 -5.29 -1.87 0.003 3 0.141 1 226.082 2.447 0.819 SN7-42 7 134.25 0.80 -4.94 -1.86 0.002 8 0.125 7 312.775 2.258 0.719 YB5-13 6 743.20 SARD-F / -6.23 -1.51 0.006 6 0.214 7 174.313 1.319 2.487 YB5-14 6 839.70 / -6.98 -0.84 0.004 5 0.274 7 101.637 0.630 0.950 YB5-7 6 605.20 / -6.37 -0.81 0.005 8 0.166 0 2.407 139.924 0.959 BT5-21 4 810.54 丘里塔格组 0.89 -5.58 -1.18 0.003 2 0.141 8 132.155 2.657 1.908 BT5-24 4 812.49 0.99 -5.58 -0.71 0.003 1 0.079 4 81.046 0.359 0.609 BT5-55 5 784.32 肖尔布拉克组 1 -5.71 0.48 0.021 6 0.133 6 120.575 1.036 2.132 YQ6-7 7 117.93 丘里塔格组 WK-F / / / 0.003 7 0.374 1 64.396 5.761 6.412 YQ6-9 7 118.59 0.79 / / 0.004 3 0.334 0 50.162 3.368 2.192 YQ6-10-1 7 118.89 / / / 0.004 1 0.398 9 51.851 3.661 4.351 BT5-14 4 807.68 / -6.29 -1.07 0.003 3 0.192 6 106.202 2.122 0.911 BT5-17 4 808.62 / -6.50 -0.99 0.004 8 0.183 9 64.152 1.157 1.756 BT5-19 4 809.77 / -6.11 -1.25 0.003 8 0.131 1 101.641 1.472 1.312 YB5-10 6 741.00 蓬莱坝组 TF-F / -7.63 -1.08 0.004 3 0.121 6 63.272 0.531 1.101 YB5-11 6 741.40 0.89 -7.09 -1.27 0.004 6 0.082 1 72.537 0.309 0.828 YB5-12 6 742.80 / -7.59 -0.84 0.003 0 0.073 8 67.097 0.359 1.487 YB5-15 6 840.80 / -7.05 -0.50 0.002 1 0.025 2 139.034 1.715 0.888 YB5-16 6 841.20 0.92 -7.13 -1 0.002 9 0.013 2 85.456 1.057 3.669 YB5-18 6 842.50 / -7.02 -0.54 0.001 8 0.075 4 60.131 5.283 0.870 注：PD-F.准同生云化亚相；SLRD-F.浅埋藏隐伏回流渗透云化亚相；SARD-F.浅埋藏活跃回流渗透云化亚相；WK-F.表生风化壳岩溶亚相；TF-F.构造破碎亚相 
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