摘要: 硅质岩在四川盆地中二叠统茅口组广泛发育，研究茅口组硅质岩对指导油气勘探有着重要的理论意义。本文在阅读大量文献的基础上，详细论述了四川盆地中二叠统茅口组硅质岩研究现状，同时对硅质岩进行了产状分类，并且详细介绍了各类硅质岩的形成环境、硅质来源以及成因模式的地球化学判断依据。在前人工作的基础之上探讨层状硅质岩与茅一段非常规油气储层的关系以及非层状硅质岩与茅二段、茅三段白云岩储层的关系。
Abstract:
Cherts are widely developed in Maokou Formation of Middle Permian in Sichuan Basin. Researches on cherts in Maokou Formation have a prolonged influence on petroleum exploration theoretically. After long-period investigates, this study summarizes researches about cherts in Maokou Formation, mid Permian, Sichuan Basin, classifies the occurrence of chert, and introduces the formation environment, source of chert and geochemical judgment basis of genetic model of all kinds of chert. On the basis of previous work, this paper discusses the relationship between stratiform chert and unconventional reservoirs in 1st member of Maokou Formation, and the relationship between non stratiform chert and dolomite reservoirs in 2nd member of Maokou Formation and 3rd member of Maokou Formation.
1. 引言
硅质岩和二叠纪硅质沉积事件一直是前人研究的热点课题之一。硅质岩是沉积岩的重要类型之一，其结构稳定，不容易被后期成岩作用改造，并且四川盆地茅口组广泛发育硅质岩，因此硅质岩的研究对于指导四川盆地茅口组油气勘探有重要的理论意义。
2. 硅质岩研究现状
硅质岩的研究起源于20世纪初期，早期的硅质岩研究主要通过野外剖面实测和室内显微镜研究为主，研究手段相对简单，研究内容也相对局限，因此这时期研究成果较少 [1]。20世纪中后期，硅质岩研究热潮的到来，国内外涌现许多研究成果，其主要集中在硅质岩的成因模型与成因模式上，主要提出五种硅质岩成因模型，包括非层状硅质岩的有机质氧化模型(在早成岩阶段，硅的溶解度受到有机物氧化的间接影响而降低而形成非层状硅质岩)、硫化氢氧化模型(硅溶解度受到PH值降低的间接影响而降低形成非层状硅质岩)、混合带模型(在海水和陆源水的混合带，且硅溶液过饱和形成非层状硅质岩)、结晶交代模型(非层状硅质岩的成因是硅质矿物发生重结晶作用，不断交代围岩) [2] 以及层状硅质岩的硅质软泥结晶模型(在成岩过程中，硅质软泥受25℃以上温度以及多因素综合控制下重结晶形成非层状硅质岩) [3]；还提出四种硅质岩成因模式，包括生物成因模式(主要由海洋硅质生物沉淀而成)、交代成因模式(陆源硅质发生硅质交代作用而形成的硅质岩)、火山成因模式(火山作用来源的硅质经化学沉淀作用而形成的硅质岩)以及热水沉积模式(火山作用来源的硅质经硅质热水沉淀而成的) [4] [5]。20世纪末期，随着地球化学学科的发展，硅质岩的研究朝定量化研究发展，前人分别从主量元素(Si、Ca、Mg、Fe、Mn、Al、Ti等)、微量元素(Sr、Ba、V、Co、Ni、Th、U等)、稀土元素(δC、δEu、LREE/HREE等)以及硅同位素(δ30Si)等方面建立了硅质岩的形成环境、硅质来源和成因模式的判别指标 [4] [6] [7] [8] [9]。21世纪以来，我国学者提出硅质岩的研究在地化数据的基础上，还应重视硅质沉积的构造背景以及硅质岩岩石共生组合的研究 [5] [10]。
国内学者从20世纪80~90年代开始对四川盆地二叠系硅质岩进行研究，早期的研究主要根据硅质岩岩石学特征对硅质岩成因进行研究，何起祥等(1990)认为四川盆地上二叠统的硅质岩属于上升流沉积并且认为受火山热液的影响大不，其中层状硅质岩见生物残余结构以及放射虫等硅质生物表明层状硅质岩为生物成因；非层状硅质岩由早成岩阶段的SiO2再分配的结果 [11]；王一刚等(2006)认为四川盆地上二叠统的硅质岩属于海槽裂陷期凝缩沉积 [12]。21世纪，国内学者用地球化学的方法对中上二叠统的硅质岩进行研究，按产状对硅质岩进行分类，针对不同类型的硅质岩分析其地球化学特征，并结合其构造特征分析其形成的环境、硅质来源以及成因模式 [13] [14]；用地球化学的方法定量证明了火山作用对中上二叠统的硅质岩的贡献，同时证明中上二叠统的硅质岩为复合来源：生物、热水以及玄武岩淋滤，成因模式为生物化学沉积以及热水沉积。
3. 硅质岩岩石学特征
硅质岩主要成分SiO2，还含有少量MnO、A12O3、TiO2、Fe2O3、FeO等 [15]。硅质岩按产状进行分类，可分为层状硅质岩和非层状硅质岩。研究区茅口组的层状硅质岩主要发育在茅一段，厚度一般，分布范围广，其野外露头岩性为深灰色薄层状硅质岩(图1(A))，其微观特征：显微镜下见，微晶石英、灰泥、泥质、有机质、还有一些生屑(图1(B))。
非层状硅质岩又称为硅质结核或硅质条带，其产状一般为结核状、透镜状、条带状，常与碳酸盐岩伴生，少数出现在层状硅质岩或膏岩之中 [14]。茅二段、茅三段广泛发育非层状硅质岩，而且在野外露头上常常与灰岩、白云岩伴生(图1(C))；非层状硅质岩的微观特征：显微镜下见玉髓、白云石、方解石(图1(D))。
A. 层状硅质岩野外特征，华蓥山剖面；B. 层状硅质岩镜下特征，华蓥山剖面；C. 非层状硅质岩野外特征，新基姑剖面；D. 非层状硅质岩镜下特征，新基姑剖面。
Figure 1. Outcrop and microscopic characteristics of stratiform and non stratiform cherts
图1. 层状硅质岩、非层状硅质岩野外特征和镜下特征
4. 硅质岩地球化学判别方法
4.1. 硅质岩形成环境判别方法
Murray [6] 对49个形成于不同时代以及不同沉积环境的硅质岩样品进行研究，得出硅质岩的形成环境与样品中Fe2O3/TiO2、A12O3/(A12O3 + Fe2O3)的比值相关，并且绘制Fe2O3/TiO2、A12O3/(A12O3 + Fe2O3)交会图以用来判断硅质岩的形成环境。川东地区中二叠统茅口组的层状硅质岩Fe2O3/TiO2比值为3~28，平均值12.07；A12O3/(A12O3 + Fe2O3)比值为0.28~0.70，平均值为0.56，结合Fe2O3/TiO2、A12O3/(A12O3 + Fe2O3)交会图(图2)，则可以说明其形成于大陆边缘但同时受到热液的影响。川东地区中二叠统茅口组的非状硅质岩Fe2O3/TiO2比值为36.5~72，平均值50.7；A12O3/(A12O3 + Fe2O3)比值为0.013~0.026，平均值为0.02，结合Fe2O3/TiO2、A12O3/(A12O3 + Fe2O3)交会图(图2)，则可以说明其形成于大洋中脊环境。
(底图据Murray，1994；叶远谋，2020；Fe2O3、TiO2、A12O3数据据林良彪，2010、周新平，2012)
Figure 2. Crossplot of Fe2O3/TiO2 and A12O3(A12O3 + Fe2O3)
图2. Fe2O3/TiO2、A12O3/(A12O3 + Fe2O3)交会图
4.2. 硅质岩硅质来源判别方法
大洋热水来源的硅质岩MnO含量偏高，而来自于陆源的硅质岩TiO2的含量偏高 [9]。若硅质岩的MnO/TiO2比值 < 0.5，则代表该硅质岩受陆源物质的影响较大，形成于大陆边缘环境；而若MnO/TiO2比值0.5~3.5，则代表该硅质岩受陆源影响较小，形成于远离陆地的开阔大洋底的环境 [8]。川东地区中二叠统茅口组的层状硅质岩MnO/TiO2比值为0.05~0.7，平均值为0.22，所以川东地区中二叠统茅口组的层状硅质岩的来源为陆表海及边缘海范围。川东地区中二叠统茅口组的非层状硅质岩MnO/TiO2比值为2~9，平均值为5.39；所以其主要来源为热源。
Mn、Ti的含量对后期成岩作用的改造比较敏感，容易造成误差。硅质岩硅质来源的研究还可以用硅同位素进行研究，硅同位素受到后期成岩作用的改造影响较小。δ28Si的含量与搬运硅质流体的搬运距离成反比，δ30Si的含量与搬运硅质流体的搬运距离成正比，因此若陆源硅质随河流搬运入大海并且在浅海沉积，则此时的硅质δ30Si的含量高，δ30Si值为−0.35‰~3.4‰ (平均数为1.3‰)；若深海洋中脊火山口附近沉积的硅质，则δ30Si的含量较低，δ30Si值为−0.6‰~0.8‰ (平均数为0.16‰)；若洋中脊硅质经过一定距离搬运到半深海，则δ30Si的含量较高，介于浅海陆源硅质和深海洋中脊火山口的硅质之间，δ30Si值为0.1‰~0.6‰，平均数为0.4‰ [16]；将川东地区中二叠统茅口组层状硅质岩的δ30Si数据投点到不同源区δ30Si组成范围图版(图3)，层状硅质岩的δ30Si为0.2‰~1.2‰，平均值为0.8‰，其来源为陆表海范围。
(底图据丁悌平，1994；叶远谋，2020；δ30Si数据据林良彪，2010)
Figure 3. Relation between δ30Si range and silicon source
图3. δ30Si范围与硅来源关系图版线
4.3. 硅质岩硅质成因判别方法
硅质岩的Al/(A1 + Fe + Mn)的比值大小可以判断硅质岩的成因 [4] [7]，其比值受热水沉积与生物沉积的影响，其比值大小与生物沉积成正比，其比值越接近0.01，热水沉积的贡献越大，其比值约接近0.6生物沉积的贡献越大 [5]。川东地区中二叠统茅口组的层状硅质岩Al/(A1 + Fe + Mn)的最小值为0.11，最大值为0.5，平均值为0.3，将川东地区中二叠统茅口组层状硅质岩的Al/(A1 + Fe + Mn)数据投点到Al-Fe-Mn判别图解(图4)，所以川东地区中二叠统茅口组的层状硅质岩的成因比较复杂，样品受热液的影响。川东地区中二叠统茅口组的非层状硅质岩Al/(A1 + Fe + Mn)比值为0.01~0.32，平均值为0.07，将川东地区中二叠统茅口组非层状硅质岩的Al/(A1 + Fe + Mn)数据投点到Al-Fe-Mn判别图解(图4)，所以其主要成因为热水沉积。
(底图据Yamamoto, 1987；Fe、Al、Mn数据据林良彪，2010、周新平，2012)
Figure 4. Al-Fe-Mn discriminant diagram of stratiform and non stratiform cherts
图4. 层状硅质岩与非层状硅质岩Al-Fe-Mn判别图解
5. 结束语
1) 四川盆地茅口组硅质岩的研究成果主要集中在川东地区，川东地区茅一段层状硅质岩的硅质形成环境为大陆边缘环境，其硅质来源主要为陆源，其成因由多因素控制，受到热液和上升流的影响；川东地区茅二段、茅三段非层状硅质岩的硅质形成环境为大洋中脊环境，其硅质来源主要为火山热液，其成因主要热液成因。
2) 四川盆地茅口组硅质岩的下一步研究方向应该考虑岩石的共生组合，把茅一段层状硅质岩的研究与茅一段的非常规储层的研究以及茅二段、茅三段的非层状硅质岩的研究与茅二段、茅三段的白云岩储层的研究相结合，为四川盆地茅口组是油气勘探提供理论支撑。结合上文以及前人的工作表明：川东地区茅一段层状硅质岩与泥页岩或灰岩互层以及茅一段非常规储层的眼皮眼球结构，受上升流沉积的影响 [13] [17]；茅二段、茅三段的非层状硅质岩以及白云岩储层，受到热液的影响。