靖邊氣田馬五段白云巖儲層地球化學(xué)特征研究

田 雯，肖 暉 （西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710065）

1 區(qū)域地質(zhì)概況

靖邊氣田位于鄂爾多斯盆地中部伊陜斜坡的主體部位，北起烏審旗，南至永寧，東起子洲，西抵安邊，面積約為4.8×104km2?，F(xiàn)今構(gòu)造面貌為區(qū)域性西傾大單斜，坡降7～10m／km2，傾角不足1°。奧陶系馬家溝組為一套碳酸鹽巖為主夾蒸發(fā)巖的地層，自下而上可分為6段。馬家溝組氣藏以下古生界奧陶系馬五段碳酸鹽巖氣藏為主，其上部地層發(fā)育上古生界二疊系砂巖氣藏，部分地區(qū)疊合連片。馬五段巖性以白云巖為主，夾石灰?guī)r及蒸發(fā)巖，縱向上巖性變化較大，平均厚度197.3m。馬五段頂部受古巖溶作用的影響，形成了層位較穩(wěn)定的溶蝕孔洞白云巖儲層。

2 樣品采集及測試

采集的白云巖樣品來自于鄂爾多斯盆地靖邊氣田部分鉆井的巖心，對應(yīng)層位為馬五段，深度范圍為3353.3～4300.05m。采樣時保證了樣品的純潔性，隨后對樣品進(jìn)行了鑄體薄片 （茜素紅染色）鏡下鑒定，以確保樣品分析的可靠性。樣品用瑪瑙研缽研磨并過200目篩后，用塑料樣品袋包裝，分別進(jìn)行了主要元素、微量元素和稀土元素以及C、O、Sr同位素的分析，每份樣品重量保證大于或等于10g。

主量元素和微量元素及稀土元素測試由北京核工業(yè)地質(zhì)研究所完成，測量儀器采用ELEMENT等離子體質(zhì)譜分析儀，測量標(biāo)準(zhǔn)為國標(biāo)GSS-5、GSR-6、GSD-12及DZ∑-1，測量誤差一般可控在5%以下。C、O同位素測試也由北京核工業(yè)地質(zhì)研究所測試完成，測量儀器采用MAT253氣體同位素質(zhì)譜儀，分析誤差為0.01%，所有分析結(jié)果以PDB為標(biāo)準(zhǔn)。Sr同位素比值測定采用Finni gan MTA公司生產(chǎn)的MAT-261型固體質(zhì)譜儀進(jìn)行比值測定。

3 分析結(jié)果

3.1 儲層巖性特征

白云巖是馬家溝組的主要賦存巖類，包括泥晶白云巖和粉晶、細(xì)粉-微晶白云巖以及巖溶角礫白云巖等，以泥晶白云巖和晶粒白云巖為主，發(fā)育顆粒結(jié)構(gòu)、泥晶結(jié)構(gòu)、晶粒結(jié)構(gòu)和交代殘余結(jié)構(gòu)。泥晶白云巖主要發(fā)育于馬五41下段。巖石外觀致密，呈暗灰色或深灰色，微觀上具有典型的泥晶結(jié)構(gòu)，主要礦物成分為泥晶白云石，還有少量粘土礦物。粉晶、細(xì)粉-微晶白云巖一般具粉-細(xì)晶結(jié)構(gòu)，主要由半自形-他形白云石晶體組成，含極少量自生石英和充填在晶間孔中的石膏，含石膏假晶的泥粉晶白云巖多呈灰色、褐灰色。

馬家溝組白云石化主要發(fā)生在準(zhǔn)同生期和早成巖作用階段，該類型白云石以半自形或他形泥晶結(jié)構(gòu)為主，少數(shù)為細(xì)晶。少部分充填于溶蝕孔縫中的自形的、晶體粗大的白云石和鐵白云石形成于晚成巖作用階段，該階段處于強(qiáng)還原環(huán)境，形成的白云石無陰極發(fā)光或發(fā)光很暗。

3.2 白云巖地球化學(xué)特征

1）主量元素和微量元素特征 從化學(xué)元素組成來看，白云巖主量元素包括Ca和Mg，微量元素包括Fe、Mn、Sr等，研究這些元素的地球化學(xué)特征對于解釋白云巖成因的化學(xué)性質(zhì)或介質(zhì)流體性質(zhì)意義重大。

沉積溶液的Mg／Ca比值直接反映了主要元素Ca在白云石中的富集程度。在一般情況下，與蒸發(fā)鹽相伴生的細(xì)晶白云石中Ca含量低于不與蒸發(fā)鹽相伴生的細(xì)晶白云巖，所以在高鹽度環(huán)境中，Mg／Ca值要超過5或10；而在正常海水中，Mg／Ca值約為1，溶液的淡化作用對白云石的形成是有利的［1］。由表1可知，白云巖樣品的Mg／Ca比值小于1，因而馬家溝組白云石形成于混合水環(huán)境。

微量元素地球化學(xué)特征對于研究碳酸鹽巖成巖作用和流體性質(zhì)具有重要意義。Mn、Fe是大氣水成巖環(huán)境中強(qiáng)烈富集的元素。一般來說，可以用Mn、Fe的含量用來判別氧化還原作用，由此反映成巖強(qiáng)度和埋藏深度。隨著埋深以及成巖強(qiáng)度的增加，Mn、Fe的含量增加，反之則減小。因此，氧化環(huán)境形成的白云巖的Fe、Mn含量低于還原環(huán)境形成的白云巖，近地表早期白云巖比埋藏白云巖中的Fe、Mn含量低。馬五段白云巖中，Mn含量相對較低 （0.01%～0.031%），F(xiàn)e含量高 （0.1%～0.85%）（見表1），說明馬五段白云巖不是在氧化的潮上條件下形成，而是形成于埋藏環(huán)境。此外，白云石Fe／Mn比值高，這是大部分白云石具有暗的或無陰極發(fā)光的主要原因。微量元素Sr是海水及其派生流體最重要的示蹤元素，其在白云石化作用中交代Ca離子而不是Mg離子，交代后白云石化形成的白云石Sr含量很低，這與白云巖化作用形成于大氣淡水與海水混合帶有關(guān)。

2）稀土元素特征 對于白云巖來說，交代流體不同，會直接導(dǎo)致稀土元素的分布不盡相同［2］。從馬家溝組稀土元素配分模式圖 （見圖1）中可以看出，泥晶云巖、粉晶云巖和細(xì)-粗晶云巖具有相似的REE（稀土元素）配分模式，這說明白云巖化流體具有同源性；稀土元素配分模式整體表現(xiàn)出LREE（輕稀土元素）富集特征［2］，富集相對程度 La／Yb比值在9.78；泥晶云巖異常δEu值為0.66，泥粉晶為0.64，細(xì)-粗晶平均值為0.6，表明后2白云巖形成環(huán)境的溫度高于泥微晶白云石；流體Mg／Ca相對較高，具偏堿性環(huán)境。

圖1 靖邊氣田馬家溝組白云巖稀土元素配分模式圖

3）碳氧同位素特征 根據(jù)取自3353.3～4300.05m的白云巖樣品分析，發(fā)現(xiàn)馬家溝組巖樣δ18O PDB值介于-6.4‰～-14.5‰，平均-10.48‰；δ13C PDB值在0.6‰～-3.8‰，平均-2.18‰。其中，馬五段晶粒白云巖的δ13C值在-3.8‰～-1‰，平均-2.18‰；δ18O值在-14.5‰～-6.9‰，平均-10.48‰。馬五段泥微晶白云巖的δ13C值在0.2‰～0.6‰，平均-2.18‰；δ18O值為-7.4‰～-6.4‰，平均值為-10.48‰。

圖2 靖邊氣田馬家溝組白云巖C-O同位素特征

前人認(rèn)為不同成因白云巖C、O同位素值變化的基礎(chǔ)是海水C、O同位素的值，奧陶紀(jì)海水C、O同位素的值分別為δ18O 在 -6.6‰ ～ -4.0‰ 和 δ13C 在-2.0‰～＋0.5‰［3］。靖 邊 氣 田 馬 家 溝組白云巖C-O同位素特征如圖2所示。從圖2可以看出，馬家溝組馬五段晶粒白云巖的穩(wěn)定同位素C、O值分布在碳、氧十字圖的左側(cè)，與奧陶紀(jì)海水相比偏負(fù)。一般情況下，“溫度效應(yīng)”、“淡水效應(yīng)”以及 “轉(zhuǎn)化作用”均有可能造成白云巖碳氧同位素值偏負(fù)［4］。轉(zhuǎn)化作用會造成原δ18O值偏負(fù)，但不會使其達(dá)到埋藏白云石的δ18O值，所以，馬五段晶粒白云石的δ18O值偏負(fù)不是準(zhǔn)同生和滲透回流白云巖的欠穩(wěn)定富鈣白云石在埋藏條件下的轉(zhuǎn)化作用引起的?！皽囟刃?yīng)”引起馬五段白云巖δ18O值比奧陶紀(jì)海水的值偏負(fù)，因為白云石化作用發(fā)生在埋藏條件下，溫度極高，相對輕的穩(wěn)定同位素進(jìn)入到白云石的晶格中，相對較重的穩(wěn)定同位素進(jìn)入到交代流體中，發(fā)生 “熱同位素分餾作用”，導(dǎo)致δ18O值比奧陶紀(jì)海水偏負(fù)，即白云石化發(fā)生在埋藏 （高溫）環(huán)境中。由于所有晶粒白云巖均位于坐標(biāo)軸左下方，整體δ18O值偏負(fù)，表明晶粒白云巖是在埋藏高溫環(huán)境形成的；泥微晶白云巖處于坐標(biāo)軸左上方，δ18O與δ13C值位于奧陶紀(jì)海水膠結(jié)物的穩(wěn)定同位素值范圍之內(nèi) （δ18O在-6.6‰～-4.0‰；δ13C在-2.0‰～＋0.5‰），說明這類白云巖白云化流體主要為海水或與海水有關(guān)的海源流體，而且有可能受到后來大氣淡水的改造，且其形成于近地表環(huán)境下，因而是同生環(huán)境下作用形成的白云石。此外，有機(jī)碳對成巖流體是否有影響是通過白云巖的δ13C值來反映的。靖邊地區(qū)馬五段白云巖的δ13C值 （-5‰～0.3‰）與奧陶紀(jì)海水δ13C值 （-2.0‰～-0.5‰）相比偏負(fù)。由此證明，在白云石化過程中，有機(jī)碳對其有一定程度的影響，使12C富集，進(jìn)而導(dǎo)致馬五段白云巖δ13C值偏負(fù)。

圖3 馬五段白云巖87Sr／86Sr值分布圖

4）Sr同位素度 Sr的相對豐度通常用87Sr／86Sr比值來表征，這2種銫的同位素有不同的來源，87Rb放射性衰變形成87Sr，而86Sr則為非放射性成因。海水的Sr同位素比值在某一地質(zhì)時期一般是相對恒定的［5］。馬家溝組碳酸鹽巖是在87Sr／86Sr比值約為0.70876的環(huán)境中沉積的，因而巖石的Sr同位素比值應(yīng)與海水的Sr同位素比值相似。但白云巖是一種成巖相，白云石化流體交代馬家溝組碳酸鹽巖沉積物或巖石形成白云巖，若交代流體是海水、蒸發(fā)海水，則白云巖的鍶87Sr／86Sr值應(yīng)當(dāng)與海水的鍶87Sr／86Sr值相當(dāng)；若交代流體是地層鹵水，則白云巖鍶87Sr／86Sr值高于海水鍶87Sr／86Sr比值［6］，因為交代流體中有放射性87Sr進(jìn)入，所以馬五段白云巖Sr同位素比值比海水Sr同位素比值要高，由此可推斷其在埋藏條件下發(fā)生白云石化作用。

馬五段白云巖Sr同位素分析結(jié)果表明，馬五段白云巖巖樣的的87Sr／86Sr比值在0.708230～0.712618之間，平均值0.7108064，大于奧陶紀(jì)時海水的87Sr／86Sr比值 （見圖3），這說明成巖流體中的Sr來源于流經(jīng)的富含放射性成因87Sr的外部地層。石炭-二疊系煤系地層為馬家溝組上覆地層，酸性的孔隙水能夠溶解硅酸鹽礦物，最終直接導(dǎo)致87Sr／86Sr比值增加。再者，鄂爾多斯盆地的整體抬升期間，硅酸鹽被大氣淡水對所溶解，向海相碳酸鹽提供了殼源鍶，87Sr／86Sr比值得以增加，因而馬五段晶粒白云巖的87Sr／86Sr比值較高，說明馬五段晶粒白云巖不可能是回流白云巖和準(zhǔn)同生白云巖，而是埋藏白云巖［7］。

4 結(jié) 論

（1）靖邊氣田周邊下奧陶統(tǒng)馬家溝組馬五段白云巖主要以泥微晶白云巖和晶粒白云巖為主。

（2）馬五段白云巖Mg／Ca比值小于1，說明白云巖形成于混合水環(huán)境，微量元素Fe含量較高，Mn、Sr含量較低，且白云石化過程中受到有機(jī)碳的影響。

（3）稀土元素具有相似的REE配分模式，說明白云巖化流體具有同源性且δEu值顯示具偏堿性環(huán)境。

（4）δ18O、δ13C值與奧陶紀(jì)海水值相比明顯偏負(fù)，而87Sr／86Sr比值比奧陶系海水比值高，說明晶粒白云巖是埋藏白云巖。

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