塔里木盆地寒武系—下奧陶統(tǒng)白云巖成因及識別特征

鄭劍鋒，沈安江，莫妮亞，劉永福

(1中國石油杭州地質(zhì)研究院；2中國石油天然氣集團公司碳酸鹽巖儲層重點實驗室）（3中國石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院）

地層·沉積

塔里木盆地寒武系—下奧陶統(tǒng)白云巖成因及識別特征

鄭劍鋒1，2，沈安江1,2，莫妮亞1，劉永福3

(1中國石油杭州地質(zhì)研究院；2中國石油天然氣集團公司碳酸鹽巖儲層重點實驗室）（3中國石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院）

鄭劍鋒

對63口井巖心及薄片的觀察以及大量陰極發(fā)光、碳氧同位素、包裹體及電子探針能譜的分析，認為塔里木盆地寒武系—下奧陶統(tǒng)白云巖主要有四種成因，分別對應(yīng)有四種白云巖類型，即薩布哈白云巖、滲透回流白云巖、埋藏白云巖和熱液白云巖。前兩者受沉積相控制，后兩者受成巖相控制。薩布哈白云巖發(fā)育于同生—準同生期蒸發(fā)成巖環(huán)境的潮間—潮上坪，滲透回流白云巖發(fā)育于同生—準同生期蒸發(fā)成巖環(huán)境的澙湖中，埋藏白云巖發(fā)育于埋藏期的深、淺埋藏環(huán)境，熱液白云巖發(fā)育于埋藏期的深埋藏環(huán)境。總結(jié)了四種不同成因的白云巖的巖石特征及地球化學特征。認識到疊合盆地古老海相地層的白云石化機理復雜，白云巖類型多樣，白云巖結(jié)構(gòu)特征不但與沉積相密切相關(guān)，更受埋藏期白云石化作用的疊加改造。

塔里木盆地；寒武系；下奧陶統(tǒng)；白云巖；成巖作用；巖石特征；地球化學特征

鄭劍鋒1977年出生，碩士，工程師。從事碳酸鹽巖沉積儲層方面的研究工作。通訊地址: 310023浙江省杭州市西溪路920號；電話：（0571）85223293

1 引言

塔里木盆地白云巖主要發(fā)育于塔東、塔北、塔中和巴楚四個隆起區(qū)，具有分布面積廣，累計厚度大，巖相類型變化大的特點。塔北、塔中、巴楚地區(qū)從下寒武統(tǒng)到下奧陶統(tǒng)鷹山組巖石的白云石含量逐漸變少，其巖性總體變化趨勢為：白云巖—灰質(zhì)白云巖—白云質(zhì)灰?guī)r—含白云質(zhì)灰?guī)r；塔東地區(qū)白云巖主要發(fā)育于上寒武統(tǒng)的突爾沙克塔格組。

對于塔里木盆地白云巖成因機理的研究，前人已做了很多工作。顧家裕［1］把塔里木盆地下奧陶統(tǒng)白云巖的成因分為準同生、淺埋藏和深埋藏三種類型；何瑩等［2］把牙哈—英買力地區(qū)寒武系—奧陶系白云巖分為準同生、混合水、深埋藏三種成因類型；鄭和榮等［3］把塔河油田寒武系—奧陶系白云巖的成因歸納為蒸發(fā)泵、混合水、埋藏三種類型；李凌等［4］用潮坪蒸發(fā)成因和滲透回流成因解釋了塔中北部中—下奧陶統(tǒng)鷹山組白云巖；劉永福［5］用滲透回流、埋藏、高溫熱液三種成因解釋了塔東地區(qū)白云巖的成因機理；張學豐等［6］認為塔中和塔北下奧陶統(tǒng)的白云石化流體主要為正?；驖饪s了的海水，白云巖形成于準同生和/或埋藏環(huán)境，局部發(fā)育與斷裂相關(guān)的熱液白云巖，而前人強調(diào)的大氣淡水或混合水作用對白云巖的形成并不重要；陳永權(quán)［7］把全盆地白云巖分為潮坪同生沉積成因、澙湖同生沉積成因、滲透回流交代成因、壓實排擠流交代成因、巖溶深埋成因、熱液重結(jié)晶成因六種類型。

通過對塔里木盆地63口井巖心、薄片的觀察及大量地球化學測試資料的分析，并結(jié)合前人的研究成果，認為塔里木盆地寒武系—下奧陶統(tǒng)發(fā)育的層狀白云巖主要可以用薩布哈白云石化、滲透回流白云石化、埋藏白云石化和熱液白云石化四種白云石化模式來解釋成因［8］，從而分別對應(yīng)有四種成因類型的白云巖，即薩布哈白云巖、滲透回流白云巖、埋藏白云巖和熱液白云巖（表1）。

表1 塔里木盆地寒武系—下奧陶統(tǒng)白云巖成因機理

2 巖石特征

(1)薩布哈白云巖

薩布哈白云石化發(fā)生于同生—準同生期的蒸發(fā)成巖環(huán)境中,在海陸過渡位置靠近陸地環(huán)境的一側(cè)。漸進的蒸發(fā)作用導致海水和陸地水成分的調(diào)整，使得孔隙流體相對于石膏是飽和的，并導致源于澙湖的文石質(zhì)薩布哈灰泥中文石和石膏的最終沉淀［9-10］，石膏和文石沉淀明顯增加了孔隙流體的摩爾Mg/Ca比，白云石或者通過文石質(zhì)薩布哈灰泥的交代作用［11-12］，或者在孔隙中直接沉淀［13］。石膏一般集中分布在薩布哈層序之上1m的范圍，但是在氯含量最高區(qū)域的薩布哈內(nèi)部，整個層序到處可見大量石膏，但其存在是短暫的，一般被罕見的雨水或海泛所破壞［9，14-15］。

圖1 塔里木盆地薩布哈白云巖巖石特征

從古氣候分析，塔里木盆地中西臺地區(qū)在早—中寒武世時期為干旱氣候背景的蒸發(fā)環(huán)境，而薩布哈白云巖的發(fā)育主要受控于沉積相（潮間—潮上坪），故該類型白云巖在中—下寒武統(tǒng)普遍發(fā)育，目前鉆遇到該類型白云巖的井主要集中在塔北地區(qū)（如YH10井、YH7X-1井等）和巴楚地區(qū)，塔中地區(qū)井較少。

薩布哈白云巖的巖石識別特征如下：

（1）藻紋層、鳥眼、泥裂—干裂等暴露構(gòu)造，撕裂的碎屑，薄層瘤狀硬石膏夾層，還有溶塌角礫巖是最簡單也是應(yīng)用最廣泛的標志；

（2）宏觀上常呈紋層狀，連續(xù)性和成層性較好，橫向分布較穩(wěn)定的特征；

（3）巖石長期暴露在氧化環(huán)境而呈褐色、暗紅色（圖1a）；

（4）巖性以含膏泥晶白云巖、粉晶白云巖和泥晶隱藻白云巖為主（圖1b，1c）；

（5）由于位于海陸過渡帶靠近陸地一側(cè)，故常見陸源石英碎屑（圖1d）。

（2）滲透回流白云巖

滲透回流白云石化發(fā)生于同生—準同生期的蒸發(fā)成巖環(huán)境中，在海陸過渡位置位于蒸發(fā)澙湖中。根據(jù)Adams等［16］的障壁盆地模型，海水從障壁流向濱岸的過程中要穿過相對較淺而寬的障壁陸棚澙湖并導致海水逐漸被蒸發(fā)，在澙湖內(nèi)石膏達到飽和，沿著澙湖向陸的一側(cè)蒸發(fā)鹽發(fā)生沉淀，在蒸發(fā)鹽開始沉淀處，鹵水的密度已高至足以形成受密度驅(qū)動的鹵水向障壁方向的回流，以及形成向海傾斜的密度躍層為標志的水平密度分層。盡管澙湖底床向陸一側(cè)的邊緣被蒸發(fā)鹽的沉淀而封閉，但是濃的鹵水仍能在蒸發(fā)巖沉淀作用帶向海一側(cè)的澙湖底床向下滲透回流，回流的濃鹵水具高的Mg/Ca值，當它們?nèi)〈^輕的孔隙流體中的海水時，可以導致澙湖底床和毗鄰的多孔石灰?guī)r白云石化，其白云石化規(guī)模是較大的。

圖2 塔里木盆地滲透回流白云巖巖石特征

與薩布哈白云巖發(fā)育背景類似，滲透回流白云巖發(fā)育于中—下寒武統(tǒng)，主要受沉積相（蒸發(fā)澙湖）控制，故該類白云巖主要發(fā)育于塔北、巴楚地區(qū)的中—下寒武統(tǒng)中（如YM36井、YH7X-1井、He4井、Fang1井等），在塔中地區(qū)有少量發(fā)育。

滲透回流白云巖的巖石識別特征如下:

（1）多為顆粒白云巖及藻礁（丘）白云巖，對應(yīng)的原巖為顆?；?guī)r、藻礁（丘）灰?guī)r（圖2a～2d）；

（2）白云石晶體以粉晶、細粉晶為主，反映淺埋藏白云石化（圖2a～2d）；

（3）常見石膏充填原生孔（圖2d），石膏含量由靠陸一側(cè)向靠海一側(cè)逐漸減少；

（4）垂向上與膏巖層互層，側(cè)向上與膏巖層相變。（3）埋藏白云巖

埋藏白云石化發(fā)生于埋藏期的深、中、淺埋藏成巖環(huán)境中，而該環(huán)境必須是一個開放的流體循環(huán)體系，即原巖要孔滲好，有裂縫、不整合面等的溝通，這樣才能發(fā)生大規(guī)模白云石化。該模式的重要前提是有充足的Mg2+離子源，以及Mg2+離子運移驅(qū)動機制。當溫度在100℃以上時，在實驗室里能從水中沉淀出白云石，說明溫度升高有利于白云石的形成；而在地下較深處，溫度也較高，故有形成規(guī)?；自茙r的條件。

一般認為，形成大量白云石所需的Mg2+離子有五個來源：

（1）埋藏壓實過程中黏土礦物的脫水作用釋放出Mg2+離子；

（2）沉積物孔隙中封存的富Mg2+海水被排擠進入碳酸鈣沉積物；

（3）高鎂方解石轉(zhuǎn)化為低鎂方解石的過程釋放Mg2+離子；

（4）烴源巖生烴過程中形成有機酸；

（5）埋藏高溫高壓環(huán)境下高礦化度地層水。高溫的埋藏成巖介質(zhì)是白云石化的驅(qū)動力。

埋藏白云石化作用可分為兩個階段：一是淺—中埋藏期沿成巖介質(zhì)通道(如縫合線及裂縫)的交代方解石白云石化；二是中—深埋藏期白云石的重結(jié)晶作用。埋藏成因的白云巖是塔里木盆地分布最為廣泛的一種白云巖，從發(fā)育地區(qū)來看塔北、塔中、巴楚和塔東地區(qū)都發(fā)育，從發(fā)育層位來看寒武系—下奧陶統(tǒng)都普遍發(fā)育。

埋藏白云巖主要是在埋藏環(huán)境下白云石交代灰質(zhì)而白云石化或是早期白云石重結(jié)晶的產(chǎn)物，與薩布哈及滲透回流白云巖有明顯的區(qū)別。其特征如下：

（1）白云石晶體多為細晶以上，宏觀上常呈砂糖狀結(jié)構(gòu)（圖3a）；

（2）斑塊狀、準層狀和條帶狀白云石化，灰?guī)r中的泥質(zhì)條紋、蟲孔充填物往往優(yōu)先白云石化（圖3b，3c）；發(fā)生埋藏白云石化的深度并不需要很大，最初的埋藏白云石化往往是白云石晶體零星狀散布于灰?guī)r中，而且早于壓溶作用，灰質(zhì)被壓溶后導致白云石沿縫合線的富集就是最好的例證；

（3）泥晶灰?guī)r比顆?；?guī)r更易白云石化，壓溶作用也最易發(fā)生于兩種巖性的交界面上，故常見沿縫合線一側(cè)的泥晶灰?guī)r先白云石化，另一側(cè)的顆粒和亮晶方解石不易被白云石交代（圖3c）；

（4）顯微鏡下常見黃鐵礦斑塊、瀝青質(zhì)、有機質(zhì)（圖3c，3d），代表形成于埋藏還原環(huán)境；

（5）晶體常見環(huán)帶狀次生加大邊（圖3e）和霧心亮邊結(jié)構(gòu)（圖3f）。

埋藏白云石可以形成于淺埋藏—深埋藏的各個階段，是埋藏成巖環(huán)境長期的交代作用和重結(jié)晶作用的產(chǎn)物，原巖結(jié)構(gòu)越粗，埋藏深度越大，作用時間越長，白云石化程度越高，白云石晶粒就越粗。

（4）熱液白云巖

熱液白云石化發(fā)生于埋藏期的深埋藏成巖環(huán)境中，圍巖被構(gòu)造斷裂溝通，巖漿期后熱液或者深源熱流體通過該斷裂上升，引起碳酸鈣沉積物或石灰?guī)r發(fā)生白云石化，多與方鉛礦、閃鋅礦、重晶石及螢石等金屬與非金屬礦床伴生。劉永福［5］總結(jié)了塔里木盆地高溫熱液的三要素：（1）巖漿提供熱源及部分礦物離子，圍巖提供流體中絕大部分成礦物質(zhì)；（2）張性斷層和走滑斷層是熱液運移的重要通道；（3）大氣淡水及地層水提供流體。一般裂縫發(fā)育的破碎帶、有裂縫溝通的高孔滲碳酸鹽巖及不整合面附近是熱液流體的活躍區(qū)，最易發(fā)育熱液白云巖。根據(jù)野外露頭的地質(zhì)建模，熱液沿著斷裂、裂縫運移對圍巖白云石化，白云巖呈花朵狀、透鏡體狀分布。

塔里木盆地經(jīng)過多期構(gòu)造運動，大斷裂發(fā)育，而且二疊紀巖漿活動又是影響中西臺地區(qū)寒武—奧陶系熱液作用的主要巖漿事件，故熱液成因的白云巖在塔里木盆地分布廣泛，塔北、塔中、巴楚和塔東地區(qū)發(fā)育的白云巖中都見有熱液存在的證據(jù)，如TZ75井見熱液成因的石膏和螢石，YD2井見天青石和方鉛礦等。

圖3 塔里木盆地埋藏白云巖巖石特征

熱液白云巖的巖石特征相對其他成因的白云巖更容易識別，在宏觀和微觀上都有許多獨特的識別標志，具體特征有：

（1）“斑馬紋狀”熱液白云巖，與西班牙的熱液白云巖［17］具有相同的特征，白色條紋為鞍狀白云石（圖4a）；

（2）晶體粗，巖石表面呈砂糖狀；

（3）顯微鏡下常見中粗晶、晶面彎曲且具有波狀消光特征的鞍狀白云石（圖4b～4d）；

（4）常見方鉛礦、閃鋅礦、重晶石、熱液石膏（圖4b）、硅質(zhì)等熱液成因的伴生礦物；

（5）染色狀態(tài)下能見鐵白云石、鐵方解石（圖4d）。

圖4 塔里木盆地熱液白云巖巖石特征

3 白云巖地球化學特征

在不同的成巖環(huán)境中，引起白云石化作用和白云石生成的流體顯然具有不同的成分與特性，必然或多或少地留下其地球化學的烙印。利用碳氧穩(wěn)定同位素、包裹體、陰極發(fā)光等測試數(shù)據(jù)進行綜合分析，能較好地反映成巖流體的特性。

（1）碳氧穩(wěn)定同位素

白云石的碳氧穩(wěn)定同位素組成與引起白云石化的流體介質(zhì)有關(guān)，并主要受到介質(zhì)鹽度和溫度的影響。海水蒸發(fā)作用使海水的碳氧同位素向偏正方向遷移，所以同生白云巖中的碳、氧同位素值比海水和海水膠結(jié)物的碳、氧同位素更偏正；相反，埋藏條件下地下鹵水是海水、地層水，包括有淡水和海水混人的地下流體，再加上高溫使氧同位素向偏負的方向遷移，所以埋藏白云石的氧同位素值比海水和海水膠結(jié)物偏負，比同生白云巖更要偏負。埋藏條件下，碳同位素由于淡水混人和有機碳的進人變化比較大，但總的來說還是比海水膠結(jié)物和準同生白云巖要偏負。

塔里木盆地碳氧穩(wěn)定同位素的特點基本與上述原理一致。薩布哈白云巖的氧穩(wěn)定同位素大于－6‰（局部小于－6‰的原因是薩布哈白云石化后經(jīng)歷了復雜的成巖作用導致氧穩(wěn)定同位素偏負），碳穩(wěn)定同位素一般大于－1‰；滲透回流白云巖的氧穩(wěn)定同位素與薩布哈白云巖類似，但碳穩(wěn)定同位素更偏正；埋藏白云巖的氧穩(wěn)定同位素一般為－10‰～－4‰，深埋藏成巖環(huán)境中的碳同位素偏正，淺埋藏成巖環(huán)境中的碳穩(wěn)定同位素偏負；熱液白云巖區(qū)別于其他成因的白云巖的最主要特征是氧穩(wěn)定同位素小于－10‰（圖5a～5d）。

圖5 塔里木盆地寒武系白云巖碳氧同位素特征圖

（2）陰極發(fā)光

控制白云石發(fā)光的主要因素是Mn2+（作為激活劑）和Fe2+（作為猝滅劑）的含量以及它們的比例，而Mn2+和Fe2+的含量變化和礦物形成的環(huán)境有關(guān)。因此，同種礦物發(fā)光強度和顏色也存在較大差異。不發(fā)光的定性解釋為氧化環(huán)境的產(chǎn)物，常見于大氣淡水成巖環(huán)境；明亮發(fā)光與晶體中相對高的Mn/Fe微量元素比值有關(guān)，通常在埋藏成巖作用的早期至中期階段的還原條件下形成的。昏暗發(fā)光見于具較低Mn/Fe微量元素比的碳酸鹽晶體中，通常為埋藏成巖作用中期至晚期階段形成的膠結(jié)物或交代物；海水成巖環(huán)境可能是氧化環(huán)境，也可能是還原環(huán)境。

塔里木盆地薩布哈白云巖的陰極發(fā)光弱（圖6a）；滲透回流白云巖的陰極發(fā)光發(fā)暗褐色—暗紅色光（圖6b）；早期形成的埋藏白云石貧Fe的，一般發(fā)暗紅色光，晚期形成的白云石含受孔隙海水影響的成巖流體而發(fā)較弱的暗紅色、暗褐色、紫褐色光（圖6c）；熱液白云巖陰極發(fā)光的顏色、強度與熱液流體性質(zhì)相關(guān)，一般發(fā)光較強（圖6d）；

（3）包裹體均一溫度

由于白云石包裹體是在白云石結(jié)晶生長時被保存下來的，它完整地記錄了白云石形成的條件和歷史，反映了白云石化流體的性質(zhì)。利用包裹體均一溫度能較好的區(qū)分埋藏白云巖和熱液白云巖。埋藏白云巖中的包裹體一般均為兩相包裹體，氣液比相當一致，均一溫度高，且變化幅度非常小，80%左右的包裹體均一溫度的變化幅度在20℃之內(nèi)，同時，其鹽度也相當一致；熱液白云巖中的包裹體一般顯示超過100℃以上均一溫度，且溫度變化的幅度相對較大。

此外根據(jù)微量元素、主量元素、稀土元素及Sr同位素等資料的分析①陳永權(quán).塔里木盆地寒武系白云巖成因及有利儲層展布研究.中國石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院，2008.，對塔里木盆地薩布哈白云巖、滲透回流白云巖、埋藏白云巖及熱液白云巖的地球化學特征做了初步的總結(jié)，歸納于表2。

圖6 塔里木盆地白云巖陰極發(fā)光特征

圖7 塔里木盆地上寒武統(tǒng)白云巖包裹體均一溫度頻率分布圖（a）YD2井，11筒為埋藏白云巖，12筒為受熱液改造的白云巖，均一溫度區(qū)間變化相對較大；（b）YM321井，5382.87m為埋藏白云巖，5350.80m為熱液白云巖，均一溫度區(qū)間變化大，出現(xiàn)異常高溫現(xiàn)象

表2 塔里木盆地寒武系—下奧陶統(tǒng)不同成因白云巖地球化學特征

4 結(jié)論

塔里木盆地寒武系—下奧陶統(tǒng)主要發(fā)育四種成因的層狀白云巖，對應(yīng)有四種白云石化作用。（1）薩布哈白云石化作用主要表現(xiàn)為：在潮間—潮上坪蒸發(fā)環(huán)境，出現(xiàn)含石膏、陸源石英的褐色紋層狀泥晶白云巖；（2）滲透回流白云石化作用主要表現(xiàn)為：臺緣后側(cè)或臺內(nèi)高能礁灘相石灰?guī)r的白云石化，原巖結(jié)構(gòu)多被保留，常見石膏充填孔隙；（3）埋藏白云石化作用可分為兩個階段：一是淺—中埋藏期沿成巖介質(zhì)通道(如縫合線及裂縫)白云石交代方解石的白云石化，二是中—深埋藏期白云石的重結(jié)晶作用；（4）熱液白云石化作用的主要表現(xiàn)為：沿深大構(gòu)造斷裂發(fā)育，伴生螢石、石膏、鞍狀白云石等熱液礦物

綜合利用巖心、薄片資料及碳氧穩(wěn)定同位素、鍶同位素、包裹體、陰極發(fā)光和主量、微量、稀土元素等地球化學分析資料能較好地識別不同成因的白云巖。

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編輯：趙國憲

Genesis and Feature Identification of Cambrian-Lower Ordovician Dolostone in Tarim Basin

Zheng Jianfeng,Shen Anjiang,Mo Niya,Liu Yongfu

According to the observation of cores and thin slices from 63 wells and the analysis of a great many data from cathode luminescence,carbon and oxygen isotope,inclusion enclave test and energy spectrum analysis,Cambrian-Lower Ordovician dolostones are characteristic of four genesis corresponding with four kinds of dolostone including sabakha dolostone,seepage refluxion dolostone,buried dolostone and hydrothermal dolostone.The former two are controlled by sedimentary facies,and the latter two are dominated by lithofacies.Sabkha dolostone developed in intertidal-supratidal flats under synsedimentary-penesynsedimentary evaporate diagenetic environments while seepage refluxion dolostone formed in lagoon.Buried dolostone developed in deep or shallow burial environments during burial stage while hydrothermal dolostone formed in deep burial environments.Petrologic and geochemical features of these four kinds of dolostone are generalized.It is cognized that the dolomization mechanism of ancient marine formations in the superimposed basin is complicated and dolostones are characterized by varied types. Texture of dolostones is not only closely related with sedimentary facies but also is reformatted by multiple dolomizations during buried stage.

Cambrian;Lower Ordovician;Dolostone;Dolomization;Diagenesis;Petrologic features;Geochemical characteristics;Tarim Basin

TE112.23

A

1672-9854(2010)-01-0006-09

2009-09-27

本文受國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)專項”（編號2008ZX05004—002）資助

Zheng Jianfeng：male，Master，Geologist.Add:PetroChina Hangzhou Institute of Geology,920 Xixi Rd.,Hangzhou,Zhejiang, 310023 China