白云巖成因及分布的地球化學研究

楊凱峰

(西北大學地質學系/大陸動力學重點實驗室，陜西西安710069)

在碳酸鹽巖體系中，白云巖通常能形成很好的儲層，因為碳酸鹽沉積物以及石灰?guī)r的白云巖化作用會增加晶體的尺寸以及孔隙間K吼道的半徑，并使孔隙邊緣變得光滑，這些都能很大程度地改善碳酸鹽巖儲層的物性。與方解石相比，由于白云石對環(huán)境的敏感性較差，所以其孔隙度隨著深度的增大并沒有太大的損失。因此，在碳酸鹽巖中白云巖的空間分布決定了碳酸鹽地層優(yōu)質儲層的分布。

1 研究現(xiàn)狀

石灰?guī)r的白云巖化必須具備兩個條件:(1)充足的Mg離子供應;(2)必要的流體運移機制，可以將Mg離子運抵發(fā)生白云巖化的位置。要形成規(guī)模巨大的白云巖儲層，就必須有大量的孔隙流體與圍巖發(fā)生離子交換。由于Mg的來源主要是海水、海水派生出來的水、鹵水，所以，石灰?guī)r在發(fā)生白云巖化的過程中，水文條件控制了白云巖巖體的外部形態(tài)。通過對白云巖地層進行深入研究，確定白云巖化的類型，對準確預測白云巖優(yōu)質儲層的空間展布特征具有重要意義。因此，了解水文體系獲取白云巖化流體的方式，以及流體通過石灰?guī)r地層的通道，對于白云巖成因研究極其重要。目前對于研究白云石的成因機理，預測白云巖儲層的分布，傳統(tǒng)的地質學方法顯得力不從心。因此，針對研究的目的，對白云巖儲層運用適當?shù)牡厍蚧瘜W分析技術進行研究已經成為白云巖研究的重要手段。

2 白云巖儲層地球化學分析技術

2.1 地層水分析

沉積盆地中所存在的多種類型的流體為白云巖的大量形成提供了條件，主要有與蒸發(fā)相關的鹵水、侵入帶的大氣淡水和海水等。盆地深部地層鹵水大多來自蒸發(fā)鹽巖中的孔隙水，受地層壓力的影響，可以從產出層位向上或者向下運移。由于巖鹽的溶解所產生的鹵水難以提供充足的Mg離子，所以蒸發(fā)巖層中擠壓出來的流體就成為促進白云巖化作用的主要水體。研究地層水的主要目的在于確定鹵水的來源、確定地層鹵水促進白云巖化的能力。

2.1.1 地層水穩(wěn)定同位素分析

地層水中存在許多十分重要的穩(wěn)定同位素，一般主要體現(xiàn)在δ18O和 δD，這些同位素在自然界的光合作用、蒸發(fā)作用、以及不同的化學反應中，會表現(xiàn)出不同的特征，因此可以將它們作為這些作用過程的標記物。

δ 用于表示同位素的比例，δ18O、δD 的定義為［1］:

在沉積地層中，常見的三種水體類型為:

1)大氣降水

全球降水中的δ18—δD存在著一種很強的交互關系:在海水蒸發(fā)期間，較輕的水分子從海水中被選擇性的蒸發(fā)出來，這樣，雨水中的輕元素比重就比較高。在碳酸鹽巖沉積演化的早期，熱帶雨水經常影響到碳酸鹽的早期成巖作用，但是在高緯度地區(qū)，成巖作用發(fā)生以后，高緯度地區(qū)發(fā)生構造抬升作用，部分地層水進入大氣降水循環(huán)區(qū)，導致降水對碳酸鹽成巖作用的影響增加。根據(jù)古德兒和加曼提出的調整白云巖化作用，海平面下降使沉積物中的高鎂方解石暴露于大氣淡水中，高鎂方解石發(fā)生溶解，釋放出Mg離子，使該處或下伏的碳酸鹽沉積物發(fā)生白云化［2］。

2)海水

以薩布哈環(huán)境為例，當海水發(fā)生蒸發(fā)作用時，其同位素成分將會發(fā)生改變，隨著鹽度的增加，游離水中的較輕同位素比例變得更大。這種現(xiàn)象會在地層鹵水與周圍巖石發(fā)生水巖反應時得到反映。

3)同位素成分受水巖反應改變的水體

在沉降盆地中，任何流體都可以在埋藏期被加熱，在溫度升高的過程中，碳酸鹽巖礦物發(fā)生溶解和再沉淀，此時，碳酸鹽巖礦物中的部分18O與底層水中的16O發(fā)生交換，導致礦物中的18O含量降低，而地層水中的18O含量則有所升高。蒸發(fā)作用和水巖相互反應最終都能使白云巖發(fā)生18O的相對富集。

上述基本水體模式可以發(fā)生混合，通過對地層水同位素組分進行研究，可以有效的判別出促進白云巖化作用的流體來源，有效的識別白云巖化作用的模式。

2.1.2 地層水溶解物分析

通過對含鹽地層地層水的分析，確定其主、次要流體成分，并對其中陽離子和負離子的的濃度進行研究。通過這些工作可以揭示出地層水的來源和演化過程，判斷該流體是否經過了白云巖化作用。

海水發(fā)生蒸發(fā)作用的過程中，其中濃縮的溶解物質所發(fā)生的變化是可以預測的，可以利用最初的海水作為基線來追蹤地層水的演化歷史。由于Br元素在海水中的穩(wěn)定性，它可以在海水蒸發(fā)和次生水巖反應中得到保存。利用Br濃度的變化，通過對比巖鹽中濃縮元素的變化量，識別出鹵水發(fā)生的蒸發(fā)—沉淀過程。

總之，地層水同位素研究和溶解物質的化學信息可以用來闡明地下流體的來源和運移機制。在進行地層水穩(wěn)定同位素分析和溶解物濃度數(shù)據(jù)處理時，可以做出以下重要判斷:(1)流體的來源;(2)流體是否與碳酸鹽圍巖發(fā)生了水巖反應;(3)流體的演化過程。

2.2 氧、碳同位素組成分析

碳酸鹽巖中碳氧同位素比率主要受介質的溫度、鹽度影響。成巖環(huán)境溫度的升高以及大氣淡水影響的增加，會降低碳酸鹽巖中18O的比例。但是，目前所知的白云巖中，形成于大氣淡水環(huán)境的很少。因此，白云巖中的低18O常用來作為高溫沉積環(huán)境的指示標志。

碳酸鹽巖礦物與其沉積時的原始流體相比富集18O，造成礦物中的18O和16O的比值相比原始流體要大。而結晶溫度越高，礦物和原始流體中的18O/16O的比率越接近。因此，在獲取δ18O時，需要考慮其成因。張婷婷等在國內白云巖成因研究中，運用全巖地球化學分析，發(fā)現(xiàn)O同位素在研究區(qū)有明顯波動，可能是富集較輕同位素的大氣淡水的滲入造成了這種結果。結合X射線衍射資料，說明該區(qū)受淡水的影響［3］。

此外白云石氧同位素的研究中，為了區(qū)分δ18O是受大氣淡水還是高溫的影響，可以首先確定所研究的白云巖是高溫(埋藏)白云巖，和低溫(近地表)白云巖。一般通過以下兩種方法來實現(xiàn):第一種，對于不知道來源的白云巖，在近地表溫度下需要將其與海相碳酸鹽沉積物相比較。第二，將不知道來源的白云巖和其他已經通過獨立方法獲知的白云巖相比較。

劉德良等在鄂爾多斯盆地奧陶系白云巖研究中，對該區(qū)的碳氧同位素進行了分析，該區(qū)白云巖中碳酸鹽巖脈的δ13C值相對較重，而石灰?guī)r中碳酸鹽巖脈的δ13C值相對較輕，而且δ13C與δ18O具有一定的相關性，隨著δ18O數(shù)值增大，δ13C也相應增加［4］。根據(jù)研究結果，顯示碳酸鹽巖脈中的碳氧同位素受到石灰?guī)r和白云巖的制約，表明碳酸鹽巖脈來源于原巖壓溶產生的溶液。白云巖中碳酸鹽巖脈δ13C偏重，應當是受到后生白云巖富集同位素的影響?；?guī)r在被交代形成白云巖的過程中，水體強烈增發(fā)，在高鹽度海水中形成的白云巖中就富集了較重的同位素。

2.3 鍶同位素組成分析

隨著鍶同位素分析技術和分析精度的提高，鍶同位素在海相碳酸鹽領域得到了廣泛應用。碳酸鹽巖的鍶同位素組成作為流體研究參數(shù)的原因主要有兩點:(1)鍶同位素不像氧、碳同位素那樣因溫度、壓力和微生物作用而分餾，礦物可直接反映流體的同位素組成;(2)鍶在海水中的滯留時間大大長于海水的混合時間，因此任一時代全球范圍內海相鍶元素的同位素組成是均一的，為沉積期后流體的示蹤研究提供了一個非常有意義的背景值。

目前，針對利用鍶同位素對白云巖化進行研究已經取得了一些成果。Qing等對地中海西部Gibraltar早侏羅世碳酸鹽臺地進行了研究，通過對當?shù)氐陌自茙r、腕足類殼以及早侏羅世海水87Sr/86Sr比值的對比研究，結合氧、碳同位素、陰極發(fā)光和其他研究手段，結果表明該組碳酸鹽巖的白云化作用是發(fā)生在海源流體中的，說明在低鹽度流體中，仍然可以使厚層碳酸鹽巖發(fā)生生塊狀白云巖化。

我國海相碳酸鹽的鍶同位素研究集中在沉積領域，。由于鍶在白云石中分配系數(shù)對白云石鍶含量的控制作用，古代白云巖鍶含量的變化范圍較小，但不同成因白云巖的鍶同位素組成則具有較大的變化范圍。四川盆地東北部三疊系飛仙關組白云巖的鍶同位素稍高于同期(飛仙關期)海水，大致與嘉陵江期和雷口坡期海水相當，說明飛仙關碳酸鹽巖的白云化作用可能與嘉陵江組或雷口坡組的蒸發(fā)鹽存在一定聯(lián)系。

2.4 流體包裹體分析

許多情況下，白云巖化流體早已消失，且被后續(xù)產生的一種或者多種流體所替代，因此，原始流體的直接記錄就只能通過白云巖中的流體包裹體來得到了。

被捕獲的流體一般由以下幾種或一種成分組成:①鹽水溶液②水蒸氣泡③液態(tài)烴④氣態(tài)烴。對流體包裹體的研究可以明確三個方面的信息:(1)通過鹽水溶液與烴類的差異(通過熒光技術)判斷原始流體的成分;(2)通過包裹體測溫技術，獲取流體捕獲時的溫度;(3)低溫下通過鹽水溶液完全融化時的溫度，獲取流體包裹體的鹽度。

流體包裹體是被流體所充填的空隙，晶體只有生長在有孔隙或縫隙的地方，所以膠結物是比次生白云石能夠作為更好的研究對象。流體包裹體技術作為深層碳酸鹽巖油氣資源研究的有效工具，主要依賴于流體包裹體均一溫度的可靠性。通過判斷流體包裹體體積再平衡程度和確定可靠流體包裹體 Th，可以確定深層碳酸鹽的溫壓條件［5］。魏喜等(2006)對我國西沙群島新近紀白云巖進行的流體包裹體研究，表明該區(qū)地層的較高溫度主要由巖漿作用所提供的熱量來維持，并沒有明顯的物質成分供給［6］，這種結果與該區(qū)進行的碳氧同位素研究結果也是吻合的，說明流體包裹體技術在白云巖研究中具有一定的可靠性。

3 微量元素分析

雖然微量元素法在白云巖化研究中取得的成果并不顯著，但是通過染色和陰極發(fā)光技術可以測到Fe和Mn元素的含量。

3.1 陰極發(fā)光技術

主要是運用陰極射線轟擊白云巖樣品，其中的Mn元素受到激發(fā)而發(fā)出熒光，F(xiàn)e元素的存在會阻礙熒光的產生，熒光強度主要與白云巖中Mn/Fe比值有關。而根據(jù)Mn/Fe比值可以分析出白云石化過程中孔隙水的化學演化。

3.2 染色技術

此種分析方法是對薄片進行鉀鐵氰酸鹽染色劑染色，富Fe的白云石呈藍色，貧Fe白云石不能被染色，這種方法可以方便快捷的檢驗出白云石中是否含F(xiàn)e。在巖心薄片上的顯示也很直觀。Mn和Fe的存在可以指示地下是否存在白云巖，由于地層水中的這兩種元素相對富集，因此，通過Fe和Mn元素的含量來研究白云巖化環(huán)境就顯得很有效。

4 結語

白云巖的成因問題一直是地質學界的重大爭論點，不同的研究者為了解決這個問題建立了許多白云巖化模式，提出了白云石的成因假說。但是，白云巖作為一種重要油氣儲層，其研究具有很強的適用性和目的性。因此，在研究過程中要大量分析第一手資料，并不斷運用新技術去解決遇到的問題［7］。

在社會經濟發(fā)展的大環(huán)境下，對油氣資源的需求將進一步促進與烴類儲層有關的白云化作用研究［8］，常規(guī)元素地球化學方法不斷發(fā)展，許多新的同位素也不斷應用到碳酸鹽成巖作用研究中，多種同位素的組合研究，地球化學、地球物理學、水文學、微生物學等多學科在白云巖成因研究中的綜合運用，將會不斷推動白云化作用及白云巖的成因及分布研究。

［1］I.R.艾倫.W.D.威金斯.白云巖儲層［M］.北京:石油工業(yè)出版社.2013.

［2］朱筱敏.沉積巖石學［M］.石油工業(yè)出版社.2008.

［3］張婷婷，劉波，秦善.川東北二疊系 -三疊系白云巖成因研究［J］.北京大學學報:自然科學版.2008，44(5):799-809.

［4］劉德良，孫先如，李振生，等.鄂爾多斯盆地奧陶系白云巖碳氧同位素分析［J］.石油實驗地質.2006，28(2):155-161.

［5］李克蓬，陳紅漢，豐勇.深層碳酸鹽巖流體包裹體均一溫度特征及應用探討［J］.天然氣地球科學.2012，23(4):756-763.

［6］魏喜，祝永軍，許紅，等.西沙群島新近紀白云巖形成條件的探討:C，O同位素和流體包裹體證據(jù)［J］.巖石學報.2006，22(9):2394-2404.

［7］胡作維，黃思靜，張超等.碳酸鹽白云化作用模式研究進展［J］.海洋地質前沿.2011，(10):1-13.

［8］黃思靜，張雪花，劉麗紅等.碳酸鹽成巖作用研究現(xiàn)狀與前瞻［J］.地學前緣.2009，16(5):219-231.