鄂爾多斯盆地西南緣奧陶系馬家溝組白云巖成因研究

黃擎宇，張哨楠，丁曉琪，段 杰，向 雷

(油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室(成都理工大學(xué))，成都 610059)

鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組白云巖分布范圍廣，沉積厚度大，對該組白云巖的研究無疑會加深對盆地下古生界儲層發(fā)育規(guī)律的認識。因此，許多專家學(xué)者對其成因進行了大量論證，提出了各種白云巖成因機制，如蒸發(fā)泵白云石化[1]、滲透回流白云石化[2]、混合水白云石化[3-4]、埋藏?zé)崴自剖痆5]。但對于盆地西緣和南緣白云巖的研究仍不夠深入，尤其是南緣塊狀白云巖的成因，由于鉆井巖心比較少，地表露頭不連續(xù)，加之對該套白云巖的儲集性能認識爭議比較大，因而研究欠深入。

近年來，隨著國際上對白云巖成因研究的不斷加強，歐美學(xué)者對混合水白云石化模式能否形成大規(guī)模塊狀白云巖儲層提出了廣泛質(zhì)疑[6-7]；同時，埋藏白云石化和受構(gòu)造控制的熱液白云石化逐漸成為研究的熱點[8-9]；在本次研究中也發(fā)現(xiàn)盆地西南緣存在大量異形白云石。因此，有必要深化對盆地西南緣馬家溝組白云巖成因的研究，對不同成因白云石的結(jié)構(gòu)演化進行探討，以便真實地認識白云巖的儲集特征，準確地預(yù)測白云巖儲層分布規(guī)律。

1 地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地位于華北地臺西部，是我國第二大沉積盆地，面積約25×104km2。根據(jù)盆地的地質(zhì)演化史及構(gòu)造特征，可劃分為伊盟隆起、伊陜斜坡、渭北隆起、晉西撓褶帶、天環(huán)坳陷和西緣逆沖帶6個構(gòu)造單元[10-11]。本文涉及的研究范圍包括天環(huán)坳陷、伊陜斜坡南側(cè)和渭北隆起全部，呈“L”形分布于盆地西南緣(圖1)。

馬家溝組沉積環(huán)境主要受基底構(gòu)造隆起、坳陷及海平面變化的控制[12]。盆地西緣的天環(huán)地區(qū)在馬家溝期位于中央古隆起與烏蘭格爾古陸之間，是華北海和祁連海與盆地中部相通的唯一通道，沉積環(huán)境相對開闊，淺灘發(fā)育[13]。在定邊—靖邊一線白云巖呈西厚東薄的楔形席狀展布，其中DT1井厚度最大，達400 m以上。盆地南緣，特別是中央古隆起以南的廣大區(qū)域，以發(fā)育末端變陡的碳酸鹽巖緩坡環(huán)境為主[14]。鉆井取心發(fā)現(xiàn)，白云巖發(fā)育范圍廣、厚度大，在旬邑—彬縣—淳化一帶最厚，均大于300 m，向西白云化作用減弱，隴縣地區(qū)白云巖厚度為零。總體上，研究區(qū)馬家溝組白云巖在天環(huán)凹陷北部和渭北隆起帶最為發(fā)育。

圖1 鄂爾多斯盆地馬家溝期巖相古地理Fig.1 The map of Lithofacies palaeogeography,Majiagou Formation, south-western Ordos Basin

2 白云巖巖石學(xué)特征

根據(jù)研究區(qū)白云石的晶體大小及組合可將該組白云巖分為5種類型：泥微晶白云巖(晶粒小于0.03 mm)、粉晶白云巖(0.03～0.10 mm)、細晶白云巖(0.10～0.25 mm)、中—粗晶白云巖(0.25～2.00 mm)、不等晶白云巖。各類白云巖的特征如下：

2.1 泥微晶白云巖

主要分布于馬一段、馬三段及馬五段的潮坪環(huán)境中。在野外剖面，該類白云巖呈深灰色薄層狀產(chǎn)出。鏡下晶體細小，以它形為主，晶面較臟，泥質(zhì)含量高。多見鳥眼構(gòu)造、干裂、水平或波狀紋層等(圖2A)。巖石中含有石膏假晶及黃鐵礦，石膏一般呈針狀、板狀或結(jié)核狀分布(圖2B)。

2.2 粉晶白云巖

粉晶白云巖在馬一段到馬六段中均有分布，占該組白云巖的50%以上。在露頭上呈灰黃色、淺灰色薄層或中層狀產(chǎn)出。鏡下白云石晶體為它形或半自形，晶體之間緊密接觸(圖2C)，孔隙不發(fā)育。此外，該類白云巖中常見殘余幻影結(jié)構(gòu)，且局部存在石膏假晶。該類白云巖往往發(fā)育于蒸發(fā)巖之下，成因可能與高鹽度鹵水的回流有關(guān)，其后又經(jīng)歷了埋藏期重結(jié)晶作用的改造。

2.3 細晶白云巖

細晶白云巖在馬四段、馬五段和馬六段最為發(fā)育。一般呈淺灰色厚層或塊狀產(chǎn)出。晶體自形程度較高，多為半自形—自形，點—線式接觸，晶間孔發(fā)育(圖2D)。白云石晶體多具霧心亮邊結(jié)構(gòu)，霧心粗大，呈褐色，亮邊窄??；部分晶體呈自形菱面體增長。在陰極發(fā)光下見環(huán)帶結(jié)構(gòu)，可能為多期白云石化流體活動的產(chǎn)物[15]。

2.4 中—粗晶白云巖

該類白云巖分布較局限，一般見于馬四段及馬六段。鏡下晶體較大，晶面臟，部分晶體解理發(fā)育，以凹凸接觸為主，主要充填裂縫或溶蝕孔洞。

組成粗晶白云巖的礦物中常常含有鞍形白云石(圖2E)，這種白云石晶體粗大，晶面彎曲，具波狀消光特征，表面解理縫發(fā)育，富含包裹體，沿斷層或不整合面發(fā)育，常與黃鐵礦、石英等礦物共生。鞍狀白云石往往形成于較高的溫度，是熱液白云巖的代表性產(chǎn)物之一[9]。

圖2 鄂爾多斯盆地西南緣馬家溝組各類白云巖鏡下特征Fig.2 Characteristics under microscope of different dolomite types in Majiagou Formation, Western and Southern Margin of the Ordos Basin

2.5 不等晶白云巖

在馬家溝組的6個段中均有分布，以馬四、馬五段含量較多。根據(jù)鏡下觀察，不等晶白云巖可分為3種類型：一種是由富含顆?；蛏锕羌艿幕?guī)r交代而成，晶體大小和結(jié)構(gòu)都保留了原巖的結(jié)構(gòu)特征，只是完全云化了(圖2F)，即殘余擬晶白云巖(relict mimetic dolomite)[16]；第二種是與殘余結(jié)構(gòu)有關(guān)的不等晶白云巖，如殘余砂屑白云巖、殘余鮞粒白云巖等，晶體大小明顯受控于原巖組構(gòu)(圖2G)；第三種是與原巖結(jié)構(gòu)無關(guān)的不等晶白云巖，各種大小的晶體并存，多為中—粗晶與粉晶的組合，晶體自形程度較差，鑲嵌接觸(圖2H)。該類白云巖多形成于埋藏成巖環(huán)境中，由于原巖組構(gòu)的多樣性以及白云石化流體的不穩(wěn)定性，極易形成不等晶白云巖。

3 地球化學(xué)特征

3.1 微量元素

白云石中鐵、錳含量往往反映成巖強度和埋藏深度，埋藏越深，成巖強度越高，鐵、錳含量就越高，反之則低[17]。這主要是因為在近地表淡水條件下，鐵、錳很難以低價形式進入到晶格中，而只有在埋藏條件下的還原環(huán)境中，鐵、錳才有可能作為類質(zhì)同象離子置換白云石晶格中的鈣、鎂離子[18]。研究區(qū)不同地區(qū)各類樣品的鐵、錳元素含量變化較大(圖3)[19]，其中以粉細晶為主的基質(zhì)白云巖中鐵、錳含量中等偏高，反映了埋藏成巖環(huán)境的特征；而孔洞中充填的白云巖，鐵錳含量高于其它碳酸鹽數(shù)倍，則很可能是受外來流體的改造所致。

3.2 包裹體特征

本次研究中，對巖心中充填孔洞和裂縫的方解石、白云石的包裹體進行了鏡下觀察及均一溫度測試(表1)。結(jié)果表明：J1井中充填裂縫的方解石均一溫度為112～119 ℃；FG3井中鞍形白云石的均一溫度最小157.1 ℃，最大205.2 ℃，平均187.5 ℃。根據(jù)當?shù)氐牡販靥荻?.98 ℃/hm計算[20]，設(shè)地表溫度為30 ℃，則與現(xiàn)今埋藏深度相當?shù)牡販貞?yīng)為95.1 ℃，而白云石中包體的均一溫度最低也達到157.1 ℃，體現(xiàn)了明顯的地?zé)岙惓?。考慮到盆地邊緣構(gòu)造活動頻繁，因此該類白云巖的形成與后期熱液改造有關(guān)。

圖3 巖石中不同成分的鐵、錳微量元素含量分布[19]Fig.3 Scatter diagram of content of trace element Mn-Fe2+

表1 鄂爾多斯盆地馬家溝組白云石、方解石包裹體數(shù)據(jù)Table 1 Data of the dolomite and calcite inclusions in Majiagou Formation of the Ordos Basin

3.3 碳氧同位素

對研究區(qū)馬家溝組白云巖的碳氧同位素進行分析，發(fā)現(xiàn)不同類型白云巖碳氧同位素的分區(qū)現(xiàn)象明顯(圖4)。

3.3.1 微晶白云巖

微晶白云巖的碳氧同位素分布范圍為δ18OPDB最大-7.1‰，最小-9.0‰，平均-7.92‰，δ13CPDB最大-1‰，最小-2.4‰，平均為-1.74‰。該類白云巖的巖石學(xué)特征顯示其成因應(yīng)為準同生白云巖，但是其碳氧同位素值與典型的準同生白云巖相比明顯偏負，分析其原因可能與原巖中的藻類有關(guān)。

圖4 研究區(qū)不同類型白云巖碳、氧同位素交匯圖Fig.4 Cross-plot for carbon-oxygen isotope data of dolomite in the study area

3.3.2 粉—細晶及具殘余結(jié)構(gòu)不等晶白云巖

該類白云巖的δ18OPDB值明顯偏負(最大-4.5‰，最小-8.6‰，平均-6.41‰)。溫度的升高和淡水的注入都可能導(dǎo)致氧同位素值偏負，但是在巖石學(xué)特征上很難找到淡水改造的證據(jù)，而且該類白云巖的δ13C主要在零值附近分布(δ13CPDB最大0.9‰，最小-0.6‰，平均-0.06‰)，與正常海相灰?guī)r的δ13C值相近，說明白云石化流體與海水有關(guān)，很可能是來自正常海水或輕微濃縮了的海水[21]。因此氧同位素值偏負應(yīng)該是埋藏增溫所致，粉—細晶白云巖、不等晶白云巖具有埋藏白云石化作用的特點。

3.3.3 中—粗晶白云巖

該類白云巖的氧同位素明顯偏負。已有研究證實，δ18OPDB值在低于-7‰時，此類白云石通常形成于高溫條件下[22]；而且該值與北美地區(qū)奧陶系Trenton-BlackRiver組熱液白云巖的碳氧同位素值相似[23]；包體均一溫度(表1)也說明該類白云巖的形成溫度明顯高于正常地溫，因此應(yīng)屬熱液白云石化作用的產(chǎn)物。

4 成因分析

白云巖的形成機理歷來都是碳酸鹽巖研究方面最為復(fù)雜、爭論時間最久的問題之一。在白云石的形成過程中，不同的溫壓條件和流體性質(zhì)以及Mg2+的供給量將決定白云石在流體中交代、結(jié)晶和溶解的速率，因此所形成的白云巖在巖石結(jié)構(gòu)和地球化學(xué)特征上往往具有較大差異，同時也造成了白云巖成因模式的多樣化與復(fù)雜化。綜合馬家溝組白云巖的巖石結(jié)構(gòu)類型、地球化學(xué)特征以及沉積背景和構(gòu)造演化，認為該組白云巖主要由準同生白云巖、埋藏白云巖及少量熱液白云巖組成。下面分別論述這3類白云巖的成因模式以及巖石結(jié)構(gòu)演化。

4.1 準同生白云巖成因模式

該類白云巖主要發(fā)育于盆地南部馬家溝組一、三、五期；巖性以泥微晶云巖、含膏微晶云巖、含生屑微晶云巖為主。原巖中的顯微沉積層理、石膏假晶均說明其原始沉積環(huán)境具有水淺、低能和鹽度高的特點；白云石晶體細小，自形程度較差說明其結(jié)晶(交代)速度快，這些都是準同生白云巖化的標志。此類白云巖的成因多用蒸發(fā)泵白云石化模式加以解釋(圖5A)，即在干旱炎熱的氣候條件下，在礁、灘頂部或受障壁的潟湖—潮坪環(huán)境中，由蒸發(fā)濃縮形成的高鎂鹵水交代灰泥所引起白云石化作用。

4.2 埋藏白云巖成因模式

埋藏白云巖構(gòu)成馬家溝組白云巖的主體。巖性以粉—細晶白云巖和不等晶白云巖為主。根據(jù)已有的地球化學(xué)測試數(shù)據(jù)可推測白云石化流體與海水有關(guān)，結(jié)合本區(qū)的沉積背景、流體驅(qū)動機制及成巖環(huán)境的差異，可將該類白云巖的成因分為淺埋藏期的回流白云石化以及中—深埋藏期的壓實水流白云石化和地形驅(qū)動水流白云石化。淺埋藏期是大規(guī)模白云石化發(fā)生的基礎(chǔ)，而中—深埋藏期則是白云石化過程的延續(xù)階段，使得白云石化程度得到加強或調(diào)整[21-24]。

4.2.1 淺埋藏期白云石化模式及巖石結(jié)構(gòu)演化

淺埋藏期的白云石化以回流模式為主(圖5B)，根據(jù)馬家溝組的沉積環(huán)境分析，在奧陶紀時期，研究區(qū)屬于一種極淺的陸表海沉積環(huán)境，潮坪及淺灘發(fā)育，局部水體受限，而且由于當時氣候干熱，導(dǎo)致海水鹽度升高、密度增大，與下伏沉積物中的正常海水形成密度差，從而使高鹽度流體向海方向發(fā)生回流，在回流過程中不斷替代原來的孔隙水或與之混合，將原先沉積的碳酸鹽巖礦物交代形成白云巖。

該模式下形成的白云巖多以粉晶為主，通常具霧心亮邊結(jié)構(gòu)及殘余結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)以顆?；?guī)r為例，簡述其在白云石化過程中的結(jié)構(gòu)演化。

圖5 鄂爾多斯盆地西南緣馬家溝組白云巖成因模式及結(jié)構(gòu)演化Fig.5 Dolomitization models and texture evolution of dolomite in Majiagou Formation, Western and Southern Margin of the Ordos Basin

在淺埋藏早期的低溫環(huán)境下，由鹵水回流所形成的白云石化流體往往選擇性交代灰泥基質(zhì)中的高鎂方解石、文石等。因為這些礦物表面較大，且比正常方解石更易溶解，因此優(yōu)先被交代形成白云石晶核[16](圖5a)，這些晶核在白云石化流體持續(xù)供給下不斷增長，形成半自形—自形粉晶白云石呈漂浮狀分布于原巖中(圖5b)。當這種白云石化流體過飽和時，原始灰?guī)r中的顆粒也將發(fā)生云化，最終形成具殘余結(jié)構(gòu)的不等晶白云巖(圖5c)；當這種流體欠飽和時，顆粒一般不發(fā)生云化(主要是因為欠飽和的白云石化流體難以在由粗晶方解石組成的化石顆粒中成核[16])，但基質(zhì)中的白云石晶粒繼續(xù)生長，從而形成灰質(zhì)粉晶白云巖，在后期的成巖改造過程中，這些灰質(zhì)組分常被溶蝕形成鑄?？?圖5d)。

在淺埋藏階段的晚期，地層溫度略有升高，如果白云石化流體繼續(xù)供給，基質(zhì)中的白云石晶粒將繼續(xù)增生或發(fā)生重結(jié)晶，由于回流交代的過程中白云石化流體逐漸淡化，因此在白云石晶粒生長的過程中經(jīng)常會出現(xiàn)明亮晶殼圍繞晶核不斷增生的現(xiàn)象[25]，最終形成自形—半自形、具霧心亮邊結(jié)構(gòu)的粉—細晶白云巖(圖2D,圖5e)，這類白云巖往往發(fā)育大量晶間孔；如果孔隙空間未被油氣及時充注，在埋藏后期則會因為重結(jié)晶或是膠結(jié)物的充填而完全堵塞孔隙[26](圖5f)。

4.2.2 中—深埋藏期白云石化模式及巖石結(jié)構(gòu)演化

據(jù)Machel[27]的埋藏成巖環(huán)境劃分標準，中埋藏深度為600～3 000 m。在這樣的埋藏深度下，白云巖形成的動力學(xué)障礙大大降低，多數(shù)流體都可能成為白云石化流體[6]，所不同的是流體的驅(qū)動機制以及運動方向。

盆地南緣在馬家溝組沉積之后繼續(xù)接受中奧陶統(tǒng)平?jīng)鼋M的沉積，由于古地理格局的變遷，該區(qū)水體變深，沉積物以細粒為主，且厚度巨大，封存了大量粒間水。進入中埋藏階段后，受差異壓實作用以及地形變化的影響，這些粒間海水在深層水頭壓力和區(qū)域應(yīng)力場的控制下順層滲流；由于深埋藏環(huán)境中的地溫較高，這些流體逐漸演化為白云石化流體，一方面對原始灰?guī)r進行交代，另一方面導(dǎo)致早期形成的白云巖發(fā)生重結(jié)晶。因此，中—深埋藏條件下白云石化模式應(yīng)該包括壓實水流白云石化模式和地形驅(qū)動水流白云石化模式(圖5C)。

中—深埋藏期形成的白云巖晶體較大，多為細晶到中晶，以它形為主，鑲嵌接觸。該類白云巖一般由早期形成的白云巖演化而來。隨著埋深增加，溫度升高，達到晶體它形生長的臨界溫度時，白云石晶體快速生長，晶面發(fā)生曲面化[16]。如果過飽和的白云石化流體繼續(xù)供給，往往會造成過度白云石化[28]，使晶體之間緊密接觸，最終形成曲面、半自形—它形細晶云巖(圖5g)；而當白云石化流體欠飽和或是供給不均勻時，晶體之間產(chǎn)生競爭性生長[28]，在原巖組構(gòu)和局部重結(jié)晶作用的影響下，形成具斑狀結(jié)構(gòu)的不等晶白云巖(圖2H,圖5h)。同時，灰?guī)r局部發(fā)生交代的現(xiàn)象在深埋條件下也比較常見，常常形成灰質(zhì)白云巖或白云質(zhì)灰?guī)r。

4.3 熱液白云巖成因模式

與熱液作用有關(guān)的白云巖分布局限，主要沿斷層或裂縫孤立存在，與圍巖呈突變接觸；鏡下常見鞍形白云石充填于裂縫或溶蝕孔洞中。Smith和Davies(2006)在對該類白云巖的闡述中認為，熱液白云巖往往發(fā)育在張扭性斷層附近。但對于西南緣馬家溝組的白云巖來講，與典型熱液白云巖發(fā)育區(qū)的構(gòu)造背景所不同是，鄂爾多斯盆地周緣自古生代以來的構(gòu)造運動多以擠壓為主，盆地西緣和南緣均發(fā)育大型逆沖帶[29]。雖然構(gòu)造樣式不同，但這些與基底斷層有關(guān)的深大斷裂仍是熱液流體運移的主要通道。尤其是在中生代晚期,祁連構(gòu)造域的擠壓作用導(dǎo)致盆地西緣發(fā)生強烈逆沖推覆、斷裂活動，同時伴隨3次大規(guī)模的深部流體上涌，這些流體在構(gòu)造應(yīng)力作用下沿不整合面及構(gòu)造裂縫向盆地內(nèi)部運移[30]。航磁、重力、大地電磁等多種研究成果表明，盆地內(nèi)部及周緣存在多組基底斷裂帶[31]，其中對研究區(qū)影響較大的定邊—綏德基底古斷裂和慶陽—富縣—宜川古斷裂仍存在著不定期的活動，對深部熱源的形成和部分熱液的上升具有重要作用。前人認為受熱液影響的區(qū)域主要集中在西緣的定邊地區(qū)和南緣的XT1井附近，但在本次研究中發(fā)現(xiàn)，富縣、黃陵地區(qū)的探井中均有熱液活動的痕跡，而且在麟游苜蓿河剖面中也觀察到了大量熱液脈貫穿圍巖的現(xiàn)象，因此熱液活動的區(qū)域可能更為廣闊一些(圖6)。這些深部熱流體為白云巖的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，同時也對圍巖造成一定溶蝕，使原巖孔隙度增加，有利于優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育。

熱液白云巖一般以發(fā)育鞍狀白云石為特征。這種白云石既可做為膠結(jié)物充填孔洞，也可以交代方式出現(xiàn)。鞍形白云石膠結(jié)物一般直接從熱液流體中結(jié)晶而成，由于生長速度較快，晶體內(nèi)富含氣液兩相包裹體；再加上高溫高壓的影響，導(dǎo)致晶體生長過程中晶格發(fā)生扭曲，同時使晶體表面微裂縫發(fā)育(圖5i)；而且鞍形白云石常與石英、黃鐵礦、方解石、螢石等礦物共生。從儲層的角度來看，交代基質(zhì)的熱液白云巖是最廣泛和最重要的，不過對于這種交代的成因目前還存在較大爭議。

圖6 鄂爾多斯盆地基底斷裂帶及熱液白云巖分布區(qū)Fig.6 The distribution of basement fractures and hydrothermal dolomite in the Ordos Basin

5 結(jié)論

1)鄂爾多斯盆地西南緣馬家溝組白云巖分布廣泛，其中以西緣的天環(huán)北段和南緣的渭北隆起區(qū)是塊狀白云巖的集中發(fā)育區(qū)，具有巨大的勘探潛力。

2)馬家溝組白云巖主要包括準同生白云巖、埋藏白云巖以及少量熱液白云巖。準同生白云巖一般發(fā)育于馬家溝組一、三、五段的頂部，受沉積環(huán)境限制明顯；熱液白云巖主要與構(gòu)造作用有關(guān)，常分布于斷層等裂縫系統(tǒng)內(nèi)，對優(yōu)質(zhì)儲層的發(fā)育往往具指示意義；埋藏白云巖構(gòu)成馬家溝組白云巖的主體，具有厚度大、分布廣、巖石類型多、成因模式復(fù)雜的特點。

3)導(dǎo)致盆地西南緣馬家溝組發(fā)生白云石化的流體主要為高鹽度的海水、封存的殘余海水以及深部的熱流體。不同的流體性質(zhì)及驅(qū)動機制構(gòu)成了多樣化的成因模式：準同生白云巖主要為蒸發(fā)泵白云石化；埋藏白云巖分為淺埋藏期的回流白云石化以及中—深埋藏期的壓實水流白云石化和地形驅(qū)動水流白云石化；而熱液白云巖主要與深部熱流體沿斷裂系統(tǒng)上涌有關(guān)。

4)受構(gòu)造控制的熱液白云巖在鄂爾多斯盆地西緣的定邊地區(qū)、南緣的富縣—黃陵—麟游一線均有發(fā)現(xiàn)。與典型熱液白云巖發(fā)育區(qū)的張扭性構(gòu)造背景所不同是：鄂爾多斯盆地周緣自古生代以來多以擠壓運動為主，如何在這種構(gòu)造特征下尋找有利儲層發(fā)育區(qū)將是下一步研究的重點。

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