二連盆地巴音都蘭凹陷下白堊統(tǒng)湖相云質(zhì)巖成因研究①

王會來 高先志，2 楊德相 李 浩，4 張志遙 王 旭 張 麗，5

(1.中國石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院 北京 102249;2.中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室 北京 102249;3.中國石油華北油田分公司勘探開發(fā)研究院 河北任丘 062550;4.中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所 江蘇無錫 214126;5.中國石油華北油田分公司地球物理勘探研究院 河北任丘 062550)

近年來，伴隨著準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組致密油獲得突破，湖相云質(zhì)巖已成為重要的致密油勘探領(lǐng)域之一。二連盆地各凹陷烴源巖層內(nèi)普遍發(fā)育一套白云質(zhì)泥巖與白云質(zhì)砂巖組成的不等厚互層沉積，局部夾有薄層泥質(zhì)白云巖、云化沉凝灰?guī)r等。該套巖性作為全區(qū)重要的地層對比標(biāo)志層，早已為眾多地質(zhì)工作者所認(rèn)識，俗稱“特殊巖性段”。經(jīng)過多年的勘探實踐，目前已有多個凹陷在該段見好的油氣顯示，其中在巴音都蘭等凹陷云質(zhì)巖壓裂后產(chǎn)油。但是，對這套“特殊巖性段”中鐵白云石成因還不清楚，分布規(guī)模也難以預(yù)測。

白云石的成因一直是沉積學(xué)研究的熱點問題之一，針對海相和湖相白云巖，前人已進(jìn)行大量研究，并提出多種成因模式。一般蒸發(fā)成因和混合水成因白云石中鐵含量低，鐵白云石的成因都與深層熱液或火山活動相關(guān)，例如:三塘湖盆地蘆草溝組玄武巖淋濾形成斑狀鐵白云石［1］，酒西盆地青西凹陷下溝組熱水沉積作用形成與熱水礦物共生的鐵白云石［2］，塔里木盆地塔北地區(qū)奧陶統(tǒng)深部熱液形成鞍狀鐵白云石［3］。

本文通過巖芯觀察、薄片鑒定、全巖分析、微量元素和碳氧同位素測定等方法，對二連盆地巴音都蘭凹陷云質(zhì)巖的巖石學(xué)特征、沉積水體鹽度、白云石成因等方面進(jìn)行了探討。

1 地質(zhì)背景

二連盆地是中生代晚期在海西褶皺基底和侏羅系殘留盆地基礎(chǔ)上，經(jīng)正斷層強烈拉伸、裂陷而形成的早白堊世中、小型斷—坳型裂谷盆地群。伴隨二連盆地的形成演化過程，在不同時期發(fā)生了不同規(guī)模的火山活動。經(jīng)鉆井統(tǒng)計，目前已經(jīng)在多個凹陷中鉆遇中生代火山巖(圖1)。中生代火山活動屬于陸相噴發(fā)，早白堊世巴彥花群的阿爾善組見有安山巖、玄武安山巖、玄武巖和凝灰?guī)r等，同位素年齡約100 Ma;晚白堊世早期也有中基性巖漿噴出。鉆孔揭示的早白堊世玄武巖、玄武安山巖化學(xué)成分，SiO2含量的密集范圍為38%～55%，Na2O+K2O為4%～6%，大多位于硅堿圖上的堿性系列區(qū)［4］。

巴音都蘭凹陷在構(gòu)造上位于馬尼特坳陷的東北部(圖1)，北靠巴音寶力格隆起，南接布林凸起，西臨阿拉坦合力凹陷［5］。巴音都蘭凹陷是一個呈長條形、北東走向、東南斷、西北超的中生代箕狀斷陷凹陷，長約80 km，寬約 16～20 km，面積為1 170 km2。凹陷平面上分為南北兩個洼陷帶［6］，包括洼槽帶、斷槽帶、斷階帶、包楞構(gòu)造帶、馬林斜坡帶和西北斜坡帶等6個次級單元(圖2)。

圖1 二連盆地鉆遇火山巖分布圖Fig.1 Distribution of the drilled volcanic rocks in Erlian Basin

圖2 巴音都蘭凹陷構(gòu)造綱要圖Fig.2 Sketch tectonic units division of the Bayindulan sag

圖3 巴音都蘭凹陷阿四段、騰一段綜合柱狀圖Fig.3 Comprehensive stratigraphic column of K4 1ba and K1bt1in Bayindulan sag

巴音都蘭凹陷沉積蓋層以下白堊統(tǒng)巴彥花群為主，自下而上發(fā)育阿爾善組、騰格爾組和賽漢塔拉組。二連盆地阿爾善組可細(xì)分為四段，該凹陷內(nèi)僅發(fā)育阿三段和阿四段;騰格爾組進(jìn)一步分為兩段。巴音都蘭凹陷阿爾善組下部以砂礫巖、礫巖為主，向上變?yōu)槟鄮r、粉砂巖;阿四段上部和騰一段下部為云質(zhì)巖發(fā)育段，以云質(zhì)泥巖、云質(zhì)粉砂巖和白云巖為主，夾薄層沉凝灰?guī)r(圖3);騰一段上部為泥巖夾粉砂巖;騰二段下部為砂礫巖夾粉砂巖，上部為泥巖;賽漢塔拉組下部為礫巖、砂礫巖，上部為泥巖、碳質(zhì)泥巖和煤層。

2 巖石學(xué)特征

巴音都蘭凹陷下白堊統(tǒng)云質(zhì)巖的成因類型決定了白云石的結(jié)構(gòu)和存在形式。巖芯觀察和鏡下特征分析表明，云質(zhì)巖中發(fā)育有隱晶狀、斑晶狀和連晶等多種結(jié)構(gòu)白云石，其中隱晶結(jié)構(gòu)為主要的白云石類型，且具有多種不同的存在形式。

圖4 巴音都蘭凹陷云質(zhì)巖特征Fig.4 The microscopic characteristics of the dolomitic rock in Bayindulan saga.巴10井，1 451 m，云化沉凝灰?guī)r，泥晶白云石(1)含量高，含大量陸源碎屑(2);b.巴10井1 258 m，云化沉凝灰?guī)r，泥晶白云石(1)含量低。主要為凝灰物質(zhì)(2);c.巴54井，1 165 m，云化沉凝灰?guī)r，泥晶白云石(1)與凝灰物質(zhì)(2)呈紋層狀，見黃鐵礦(3);d.巴10井，1 331 m，云化沉凝灰?guī)r，泥晶白云石(1)沿收縮縫(2)分布，見黃鐵礦(3);e.巴28井，1 450 m，云質(zhì)泥巖，泥晶白云石局部富集(1)，黏土礦物(2)顆粒細(xì)小;f.巴57井1 620 m，云質(zhì)砂巖，白云石以泥晶(1)為主，其次為連晶(2)，顆粒(3)為線接觸;g.巴28井，1 454 m，含云質(zhì)泥巖，含細(xì)粉晶斑狀白云石(1)，呈串珠狀，黏土礦物(2)和凝灰質(zhì)(3)顆粒細(xì)小;h.巴24井，1 317 m，白云石(1)交代凝灰物質(zhì)(2)，孔隙中充填黃鐵礦(3);i.巴57井1 618 m，云質(zhì)砂巖，連晶白云石(1)發(fā)育，顆粒(2)呈漂浮狀。

(1)隱晶結(jié)構(gòu)。在偏光顯微鏡下無法識別晶體，通過鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，隱晶白云石存在紋層狀、團(tuán)塊狀和星散狀等多種形式。研究區(qū)云化沉凝灰?guī)r、云質(zhì)泥巖和云質(zhì)砂巖中普遍發(fā)育泥晶白云石，在沉凝灰?guī)r中，白云化作用強烈時，白云石含量可大于50%(圖4a)，白云化作用弱時，白云石表現(xiàn)為星散狀(圖4b)，其中紋層縫、收縮縫等發(fā)育，作為白云化作用重要的流體運移通道，可形成紋層狀白云石(圖4c，d);在云質(zhì)泥巖中，由于紋層縫不發(fā)育，而泥巖本身滲透性差，白云石多呈不規(guī)則團(tuán)塊狀(圖4e);云質(zhì)砂巖中，隱晶質(zhì)白云石位于顆粒之間，與雜基共生(圖4f)。

(2)斑晶結(jié)構(gòu)。鏡下觀察顯示，白云石晶體較大，晶粒直徑為0.5～0.1 mm，晶形較差，呈他形—半自形，廣泛發(fā)育明顯的交代殘余結(jié)構(gòu)(圖4g，h)。斑晶結(jié)構(gòu)主要出現(xiàn)在云質(zhì)泥巖和云化沉凝灰?guī)r中，表現(xiàn)為串珠狀，其分布可能受構(gòu)造裂縫控制。

(3)連晶結(jié)構(gòu)。主要存在于云質(zhì)砂巖中，白云石晶體較大，但晶形差，碎屑顆粒呈漂浮狀(圖4i)，為白云石交代粒間雜基而成，主要存在于砂泥界面處，向砂巖中部，連晶白云石減少，隱晶白云石增多。

3 白云石成因

研究初期，筆者認(rèn)為白云石可能是同生—準(zhǔn)同生白云化作用的產(chǎn)物，但大量的薄片鑒定尚未發(fā)現(xiàn)石膏、鹽巖等反映蒸發(fā)環(huán)境的礦物，并存在較多的凝灰物質(zhì)，主要發(fā)育鐵白云石。因此，在對礦物組成、古水介質(zhì)分析、CO2來源研究的基礎(chǔ)上，初步認(rèn)為該套云質(zhì)巖中鐵白云石為埋藏白云化作用的產(chǎn)物，原始交代礦物為凝灰物質(zhì)蝕變形成的隱晶質(zhì)斜長石，CO2來源埋藏條件下的有機(jī)質(zhì)甲烷化作用。

3.1 水體鹽度與白云石成因

湖水地球化學(xué)的不穩(wěn)定性導(dǎo)致多種指示性微量元素(如 Sr、Ba、V、Ni等)發(fā)生大幅度變化，可用來區(qū)分沉積環(huán)境、判斷古水體鹽度。Sr與Ba的化學(xué)性質(zhì)相似，均可形成可溶性的重碳酸鹽、氯化物和硫酸鹽。與Ba相比，Sr的遷移能力要強得多，可遷移到湖底深處;而Ba的化合物溶解度偏低，尤其是其硫酸鹽很容易沉淀，因而多數(shù)Ba在近岸沉積物中富集，僅有少量進(jìn)入到湖底。因此，Sr/Ba常用來判斷古鹽度、區(qū)分淡水和咸水沉積環(huán)境。一般來講:淡水泥質(zhì)沉積物的Sr/Ba＜1，Sr含量多在100 ppm左右;海相沉積物的Sr/Ba＞1，現(xiàn)代海水的Sr含量大約為1 000～1 200 ppm;Sr在干旱條件下的咸水中大量富集，晚第四紀(jì)和現(xiàn)代咸化湖泊泥質(zhì)沉積物Sr含量主要為517～3 250 ppm［7］。

本區(qū)Sr含量主體介于62.4～284 ppm之間，平均值為165 ppm，Sr/Ba比值小于1，平均值0.4(表1)，遠(yuǎn)低于其他幾個已知的古代咸水湖相和海相的相應(yīng)比值，而與淡水湖水的比值相近，因此認(rèn)為云質(zhì)巖沉積時期為淡水環(huán)境，不滿足準(zhǔn)同生白云化作用的條件。一般認(rèn)為只有在咸化和超鹽度溶液中，白云石才可直接交代剛剛沉淀下來的微晶方解石，此時Sr含量應(yīng)超過600 ppm。

3.2 凝灰物質(zhì)與白云石成因

受火山活動影響，二連盆地下白堊統(tǒng)云質(zhì)巖中也都或多或少含有火山灰或火山塵，主要表現(xiàn)為云質(zhì)泥巖中黏土礦物含量低，通常僅大于30%，隱晶質(zhì)石英、斜長石、鉀長石含量高(表2)，云質(zhì)砂巖和云化沉凝灰?guī)r也含有大量的隱晶質(zhì)斜長石。通常隱晶質(zhì)斜長石很容易風(fēng)化或被溶解，一般難以保存，其含量應(yīng)微乎其微［11，12］，凝灰物質(zhì)蝕變形成鉀長石、斜長石和石英，是導(dǎo)致本區(qū)巖石中泥級長英質(zhì)成分含量高的主要原因。

表1 本區(qū)與其他盆地白云化作用對比Table 1 Comparison of dolomitization between this area and other basins

表2 云質(zhì)巖全巖X衍射特征Table 2 The whole rock X-ray powder diffraction(XRD)patterns of the dolomitic rock

Garrels等(1967年)對火山巖地層水化學(xué)性質(zhì)演化研究認(rèn)為，受控于二氧化碳影響下的斜長石水解，蝕變產(chǎn)物為高嶺石等黏土礦物，并伴隨有方解石沉淀、石英析出［13］。上述反應(yīng)可以描述為:

圖5 二連盆地火山巖與火山碎屑巖特征Fig.5 The characteristics of the volcanic rocks and pyroclastic rocks in Erlian Basina.賽60井，1 107.23 m，安山巖，見氣孔杏仁，泥化嚴(yán)重;b.洪2井，1 618 m，濺落熔結(jié)安山巖;c.洪4井，1 709.28 m，凝灰?guī)r;d.巴10井，1 323.5 m，沉凝灰?guī)r。

在二連盆地阿南、洪浩爾舒特、巴音都蘭等多個凹陷下白堊統(tǒng)地層中鉆遇玄武巖、安山巖等中基性火山巖(圖5)，說明下白堊統(tǒng)地層中凝灰物質(zhì)以中基性巖為主，含有大量的鎂、鐵等元素，凝灰物質(zhì)粒度細(xì)，在受溶液作用迅速分解后可釋放出大量Mg2+和Fe2+等離子。凝灰物質(zhì)蝕變?yōu)榘自苹^程提供了充足的鎂、鐵離子來源，白云化過程可以描述為:

3.3 CO2來源

由于云質(zhì)泥巖的密度大，孔隙小而且為封閉體系，地下水及地表水都不能進(jìn)入，這樣就很難使泥巖體系以外的CO2進(jìn)入到這種碳酸鹽的成巖環(huán)境中來。這種條件下，絕大多數(shù)CO2都來自于泥巖本身所包含的有機(jī)質(zhì)各類反應(yīng)的生成物中。

碳氧同位素分析結(jié)果表明，二連盆地鐵白云石交代斜長石所需要的CO2主要來自于缺氧條件下的甲烷化作用(圖6)。在甲烷細(xì)菌發(fā)酵帶中(平均埋深為800～1 200 m)，有機(jī)質(zhì)被細(xì)菌分解，生成現(xiàn)今世界上已知的最負(fù)的δ13C值的甲烷，并使與之同時生成的CO2富集重同位素13C［14］。大量的 CO2進(jìn)入孔隙水后與泥晶斜長石發(fā)生水解作用，形成鐵白云石。

圖6 碳酸鹽礦物同位素成巖模板投點圖Fig.6 Plot of carbon and oxygen isotopes of carbonate minerals

3.4 云質(zhì)巖成因模式

巴音都蘭凹陷東側(cè)控凹斷層和凹陷內(nèi)巴I斷層是重要的火山物質(zhì)噴發(fā)通道，主要活動時期為阿爾善組阿四段和騰一段，曾發(fā)生多次火山活動，形成多套沉凝灰?guī)r，而噴出巖分布局限，目前僅在巴1井鉆遇。由于火山周期性活動，在一個地區(qū)，火山噴發(fā)不可能無休止的噴發(fā)下去，當(dāng)大部分火山休眠或消亡時，早期火山碎屑物經(jīng)風(fēng)化、剝蝕、搬運至盆地中沉積下來，形成凝灰質(zhì)泥巖和凝灰質(zhì)砂巖(圖7)。

二連盆地下白堊統(tǒng)火山玻璃以基性為主，隨著埋深增加，溫度升高，玻璃質(zhì)向結(jié)晶質(zhì)轉(zhuǎn)化，形成隱晶質(zhì)石英、斜長石、鉀長石和方沸石等，同時釋放出大量的Mg2+、Fe2+離子，為埋藏階段白云化作用提供了充足的物質(zhì)基礎(chǔ)。

有機(jī)質(zhì)甲烷化作用生成的CO2一方面使凝灰質(zhì)泥巖中的斜長石發(fā)生水解，形成鐵白云石，另一方面在壓實作用下，與孔隙水一起排入相鄰凝灰質(zhì)砂巖和沉凝灰?guī)r中，從而形成云質(zhì)砂巖和云化沉凝灰?guī)r。受有機(jī)質(zhì)富集程度影響，只有在扇三角洲前緣亞相、濱淺湖、深湖—半深湖等有機(jī)質(zhì)富集的相帶，斜長石才能被碳酸鹽礦物交代，形成云質(zhì)巖;而沖積、河流和三角洲平原等陸上沉積相帶，由于缺少充足的CO2來源，云質(zhì)巖不發(fā)育(圖8)。

云質(zhì)巖中白云石的存在形式主要受控于凝灰質(zhì)、CO2含量以及滲流通道等，具體表現(xiàn)為:

(1)深湖—半深湖相遠(yuǎn)離火山口，除接受沉凝灰?guī)r沉積外，砂泥巖中凝灰質(zhì)含量低，后期成巖過程中，泥巖中有機(jī)質(zhì)生物降解形成的CO2進(jìn)入相鄰沉凝灰?guī)r中，形成團(tuán)塊狀泥晶白云石，當(dāng)紋層縫或構(gòu)造裂縫發(fā)育時，還可形成紋層狀泥晶白云石或斑晶白云石。而深湖—半深湖相泥巖和薄層砂巖中由于凝灰質(zhì)含量低，僅形成星散狀泥晶白云石。

圖7 巴音都蘭凹陷下白堊統(tǒng)沉積模式圖Fig.7 Simplified model for deposition in the Lower Cretaceous，Bayindulan sag

圖8 巴音都蘭凹陷下白堊統(tǒng)白云化模式圖Fig.8 Simplified model for dolomitization in the Lower Cretaceous，Bayindulan sag

(2)濱淺湖亞相和三角洲前緣亞相凝灰物質(zhì)含量高，導(dǎo)致泥巖中有機(jī)質(zhì)生物降解形成CO2能夠與周圍的斜長石進(jìn)行充分水解反應(yīng)，形成團(tuán)塊狀泥晶白云石，裂縫發(fā)育時，可形成斑晶白云石。當(dāng)有充足的CO2進(jìn)入相鄰砂巖儲層時，發(fā)育團(tuán)塊狀泥晶白云石，甚至為連晶白云石，而云化沉凝灰?guī)r中白云石發(fā)育特征與深湖—半深湖相類似。

(3)沖積、河流和三角洲平原等陸上沉積相帶凝灰物質(zhì)含量高，但是泥巖中有機(jī)質(zhì)含量低，缺乏充足的CO2來源，云質(zhì)巖不發(fā)育，僅在側(cè)向鄰近濱淺湖的砂體中發(fā)育星散狀白云石。

4 結(jié)論及存在問題

4.1 結(jié)論

(1)研究區(qū)云質(zhì)巖中白云石鐵含量高，以泥晶結(jié)構(gòu)為主，同時也有斑晶結(jié)構(gòu)和連晶結(jié)構(gòu)，其中泥晶結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為紋層狀、團(tuán)塊狀、星散狀等多種形式。

(2)微量元素分析表明，云質(zhì)巖沉積時期湖水整體表現(xiàn)為淡水沉積環(huán)境，不滿足準(zhǔn)同生白云化的條件。

(3)研究區(qū)云質(zhì)巖形成的物質(zhì)基礎(chǔ)是火山物質(zhì)蝕變而來的斜長石和鎂、鐵離子，與二氧化碳發(fā)生水解反應(yīng)，沉淀出鐵白云石。

4.2 存在問題

(1)鎂離子的來源是白云巖形成的重要因素，近年來在二連盆地白音查干凹陷下白堊統(tǒng)發(fā)現(xiàn)湖相熱水白云巖，其巖石學(xué)特征與巴音都蘭凹陷存在顯著差異，二連盆地多個凹陷發(fā)現(xiàn)云質(zhì)巖地層，對于凹陷之間白云石成因還需要進(jìn)一步對比分析;

(2)在研究區(qū)云質(zhì)巖儲層物性差，溶蝕作用形成低滲透—致密儲層中的“甜點”，然而，由于泥巖中碳酸鹽含量高，導(dǎo)致相鄰儲層溶蝕孔隙發(fā)育特征復(fù)雜化，同時白云化作用可以導(dǎo)致晶間孔等微孔隙發(fā)育，對云質(zhì)巖儲層發(fā)育規(guī)律需要進(jìn)一步深入研究。

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