對(duì)白云巖形成機(jī)理的再認(rèn)識(shí)

蔡雪峰，閆志為，夏　源

(桂林理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541006)

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對(duì)白云巖形成機(jī)理的再認(rèn)識(shí)

蔡雪峰，閆志為，夏源

(桂林理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541006)

[摘要]在碳酸鹽巖體系中，白云巖通常能形成最好的儲(chǔ)層。對(duì)白云巖成因演化和儲(chǔ)層展布的認(rèn)識(shí)直接決定勘探部署。而白云巖成因是碳酸鹽巖巖石學(xué)中最復(fù)雜、爭(zhēng)論時(shí)間最久、最難解決的問(wèn)題之一。根據(jù)機(jī)理的不同，當(dāng)前各種主要的白云巖成因模式可劃分為兩大類：原生白云石模式和次生白云石化模式。雖然原生白云石的例子已被大量發(fā)現(xiàn)，但它們是否屬真正的原生白云石仍需后續(xù)研究；理清白云巖成因問(wèn)題，對(duì)認(rèn)識(shí)白云巖及其相關(guān)的碳酸鹽巖儲(chǔ)層的油氣勘探工作尤為重要。

[關(guān)鍵詞]白云巖；白云石；成因模式；碳酸鹽巖

白云巖(CaMg(co3)2)主要由含量大于50%的白云石組成的沉積碳酸鹽巖。自法國(guó)博物學(xué)家Decodat de Dolomieu[1]于1791年首次描述以來(lái)，一直是眾多地質(zhì)學(xué)家研究的對(duì)象。白云石作為主要的碳酸鹽礦物之一，廣泛發(fā)育于古代地層中。其形成與地下流體的地球化學(xué)作用、流體流向水文沉積作用和盆地的構(gòu)造演化是分不開的，在全新世的地層和現(xiàn)代自然環(huán)境下很少出現(xiàn)。對(duì)白云巖的研究起始于20世紀(jì)60年代，到現(xiàn)在為止還沒(méi)有形成較完整的理論。

1白云巖概述

白云石化與有利儲(chǔ)層的形成密切相關(guān)，也是石油地質(zhì)界廣泛關(guān)注的成巖機(jī)理之一。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，石油地質(zhì)學(xué)界一直對(duì)白云石化模式不斷探索，從早期普遍認(rèn)為的高鹽度白云石化模式(蒸發(fā)白云石化、回流滲透白云石化)逐步發(fā)展到低鹽度白云石化模式(混合水白云石化、調(diào)整白云石化、海水白云石化和埋藏白云石化等)。

2白云巖生成機(jī)理假說(shuō)

白云巖成因模式分類根據(jù)成因機(jī)理的不同劃分為兩大類，分別是原生白云巖和次生白云巖。其具體劃分情況見表1。

表1　白云石晶體大小劃分　mm

2.1原生白云巖

原生白云石通常定義為從溶液中成核為晶體并像原生沉積物那樣堆積下來(lái)， 或者以膠結(jié)物形式沉淀在大孔隙中，因此在它們生長(zhǎng)過(guò)程中僅僅占據(jù)了流體的空間。以化學(xué)沉淀的方式從水體中直接沉淀出來(lái)，現(xiàn)在，在常溫常壓條件下，實(shí)驗(yàn)室中尚未合成出真正的、化學(xué)計(jì)量的白云石。

在已發(fā)現(xiàn)的近代白云石實(shí)例中，最“過(guò)硬”的白云石實(shí)例就兩個(gè)：(1)美國(guó)加利福尼亞深泉鹽湖面積約13 km2，冬春季湖水深30 cm，在干熱的夏季只有少量的鹽水，湖底的沉積物中，廣泛的分布著白云石，白云石晶體大多小于1μm，內(nèi)部是化學(xué)計(jì)量的白云石(Ca50Mg50)，外部是富鈣的，堆積速度為0.05～0.09 μm/ka。(2)澳大利亞考龍瀉湖中白云石生成機(jī)理：通過(guò)光合作用植物從水中吸取CO2，從而使水的pH值增高，促使白云石沉淀，湖中的白色懸浮物為高鎂方解石和富鈣白云石，據(jù)測(cè)定白云石的堆積速度為0.2～0.5 mm/Y[2]。

2.2次生白云巖

2.2.1毛細(xì)管濃縮作用

Friedman and Sanders把這一作用叫做“毛細(xì)管濃縮作用”[4]，Hsu and Siegenthalter把這一作用叫做“蒸發(fā)泵作用”evaporative pumping dolomotization[3,4]。

這種潮上帶，緊挨著盆地濱岸線、瀉湖和陸表海分布。重復(fù)的海進(jìn)和海退導(dǎo)致潮下帶和潮間帶的沉積，剛沉積不久的表層沉積物，主要是文石。由于氣候干熱，蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，粒間水不斷向空氣中散發(fā)。海水不斷補(bǔ)充到沉積物中，久而久之，粒間水的含鹽度變大，正常的海水就變成了鹽水。從這種鹽水中沉淀出來(lái)的是石膏，和其他一些鹽類礦石膏的沉淀是粒間水的Mg/Ca比率提高，達(dá)到20：1，甚至更高。高鎂的粒間水與文石顆粒接觸，使文石白云化，即轉(zhuǎn)化為白云石。準(zhǔn)同生——距沉積期很近，剛沉積不久未脫離沉積環(huán)境就被交代[5]。

潮上帶的白云巖通常呈層狀分布，并且保留著原始的沉積構(gòu)造。在干燥的沉積背景下，該白云巖通常有著薩布哈環(huán)境下的沉積特征。在潮上帶中，白云石晶體的大小通常小于15 μm(微晶)，但因?yàn)榕c潮下帶的砂糖狀的白云石晶體混合而變的稍粗一些，可以達(dá)到40～100(粉晶)，白云石化的證據(jù)通常是泥質(zhì)被分離出來(lái)。

圖1　毛細(xì)管濃縮作用

2.2.2回流滲透白云化作用

回流滲透白云巖，最早由Adams和Rhodes[4]在1960年提出，在潮上地帶形成的高鎂粒間鹽水，當(dāng)其對(duì)表層沉積的白云化基本完成時(shí)，產(chǎn)生這種高鎂鹽水的地質(zhì)條件還仍然持續(xù)存在，那么多余的高鎂鹽水必然向下回流。這種下回流滲透的高鎂鹽水，在其穿過(guò)下伏的碳酸鈣沉積物或石灰?guī)r時(shí)，必然會(huì)使它們發(fā)生白云石化，從而形成白云巖或部分白云化的石灰?guī)r。美國(guó)二疊盆地中Central Basin臺(tái)地中沿San Andres/Grayburg走向帶的白云巖儲(chǔ)層，沙特阿拉伯的Qatiff 油田的Arab-D白云巖均形成于回流鹵水中[3]，如圖2所示。

圖2　混合白云石化模式圖

回流白云巖一般形成于蒸發(fā)巖之下，部分白云巖隨著與蒸發(fā)巖的距離的增加而含量減少。因?yàn)榛亓鬟^(guò)程傾向于發(fā)生在早期壓實(shí)環(huán)境中，因此白云巖儲(chǔ)層中晶間孔網(wǎng)格發(fā)育良好，這些晶間孔以孔隙壁光滑和形態(tài)不規(guī)則為特征。

由于這種滲透回流作用可以長(zhǎng)期反復(fù)進(jìn)行，導(dǎo)致白云石化作用較徹底，常形成無(wú)殘余結(jié)構(gòu)的結(jié)晶云巖，有的可達(dá)粗晶級(jí)。常有石膏、巖鹽等蒸發(fā)礦物或蒸發(fā)巖層共生，并位于白云巖的上部[4]。

2.2.3混合水白云化作用

前三種白云石生成的機(jī)理，都有一個(gè)共同點(diǎn)，及都需要干熱的氣候，都需要高M(jìn)g/Ca比率的鹽水，都把白云石當(dāng)做一種蒸發(fā)礦物看待。還有一些白云巖，如廣泛分布的與路表海陸棚或構(gòu)造高地共生的白云巖，并沒(méi)有蒸發(fā)巖，也缺乏潮上環(huán)境的成因標(biāo)志。

巴迪奧札曼尼[5]提出了大氣水(淡水)與海水混合的白云化作用的機(jī)理。在海水為5%～30%的混合液范圍內(nèi)，將發(fā)生方解石被白云石化作用，在巖石出露水面以后，淡水透鏡體及其下伏的半咸水帶的位置，混合白云化作用就在此透鏡體以下的半咸水帶中進(jìn)行，如圖3所示。

在低海平面時(shí)，臺(tái)緣鮞灘出露海面，受到大氣淡水透鏡體，下部與海水混合，發(fā)育混合水帶，引起鮞灘白云石化。

形成于海水邊緣或者混合區(qū)域背景下的白云巖，其附近缺失蒸發(fā)鹽類及有著大氣淡水成巖組構(gòu)，比如鑄模孔隙和大氣淡水滲流或地下水膠結(jié)物。膠結(jié)物透明狀，且有著相對(duì)獨(dú)立的包裹體，通常同一晶體內(nèi)出現(xiàn)復(fù)雜的方解石和白云石嵌晶結(jié)構(gòu)。白云巖通常為細(xì)晶，存在著交代結(jié)構(gòu)的晶體粒徑小于20μm。

2.2.4調(diào)整白云化作用

古德爾和加曼在對(duì)大巴哈馬灘上安德羅斯島上的一口深探井(蘇比利爾井)進(jìn)行詳細(xì)的巖石學(xué)和地球化學(xué)研究以后，提出了調(diào)整白云化作用。

在大氣水的影響下，原來(lái)的碳酸鹽沉積物的成分，經(jīng)過(guò)淋濾、溶解作用和交代作用，在化學(xué)成分及礦物成分上進(jìn)行重新組合或調(diào)整，使原來(lái)的碳酸鹽沉積物發(fā)生白云化，從而生成白云巖的作用[6]。

當(dāng)海平面下降使沉積物中的高鎂方解石暴露于大氣淡水中時(shí)，高鎂方解石就會(huì)發(fā)生溶解，釋放Mg2+，使該處或下伏的碳酸鹽沉積物發(fā)生白云石化。這種白云石化作用所需要的鎂來(lái)自沉積物本身，不需要另外的鎂來(lái)源[7]。它所需要的條件主要是海平面相對(duì)下降，使原生沉淀的不穩(wěn)定的碳酸鹽礦物暴露于大氣水作用下，從而使這些不穩(wěn)定的碳酸鹽礦物發(fā)生溶解作用和調(diào)整白云化作用。

圖3　滲透回流白云石化模式圖

2.2.5埋藏壓實(shí)白云化

淺埋藏白云石化分布深度大致在600～1 000 m。在碳酸鹽巖地層的抬升期和埋藏期，地下巖層的任意位置都可能發(fā)生白云石化作用。淺埋藏環(huán)境為近地表海水向地下高鹽度地層水過(guò)渡的地帶，也可稱為混合水環(huán)境。在這個(gè)過(guò)渡帶，由于下部地層壓實(shí)作用開始增強(qiáng)，會(huì)形成自下而上的壓實(shí)流，帶動(dòng)下部鹵水進(jìn)入上部碳酸鹽地層，可使混合帶的灰?guī)r發(fā)生白云石化[7]。

中-深埋藏環(huán)境的深度在 1 000 m 以下的還原環(huán)境，在這種環(huán)境下由于水巖比例小，地層水流動(dòng)性差[8]。由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的構(gòu)造驅(qū)動(dòng)流攜帶著深部的熱液流體沿?cái)鄬雍土芽p向上運(yùn)移，運(yùn)移初期實(shí)際是熱液對(duì)地層中原來(lái)的孔隙水自下往上的驅(qū)替過(guò)程。這些 Mg/Ca 比值較高的還原性流體在地層中流動(dòng)而發(fā)生深埋藏白云石化。

因?yàn)槁癫匕自剖ǔ０l(fā)生在沉積和巖化作用后，白云巖通常截?cái)喑练e相，在很多情形下，地層界線同樣會(huì)遭到截?cái)郲9]。完全白云石化的巖石通常會(huì)產(chǎn)出中晶到粗晶的晶體(晶體大小范圍在150到遠(yuǎn)大于1 mm)，這種白云巖通常表現(xiàn)出異形結(jié)構(gòu)和馬鞍狀結(jié)構(gòu)(晶面彎曲和波狀消光)。由于存在著大量的兩相含水流體包裹體而呈暗色。

3分析與展望

碳酸鹽巖油氣儲(chǔ)層中，白云巖占據(jù)著重要的地位，世界范圍內(nèi)的碳酸鹽巖油氣儲(chǔ)層中，白云巖儲(chǔ)層超過(guò) 50%，而在北美，白云巖儲(chǔ)層更是占據(jù)超過(guò) 80%的碳酸鹽巖油氣儲(chǔ)層[10]，因此對(duì)于碳酸鹽巖油氣儲(chǔ)層來(lái)說(shuō)，白云巖具有相當(dāng)大的重要性。對(duì)白云巖生成機(jī)理的研究具有很大意義。

隨著科技發(fā)展，新技術(shù)也為白云巖成因研究提供了新的契機(jī)，表現(xiàn)在：一是精細(xì)的同位素定年技術(shù)，有可能為白云巖化發(fā)生的具體時(shí)間的厘定提供依據(jù)[11]；二是對(duì)白云巖的微區(qū)分析，包括電子探針在微米尺度上對(duì)其成分變化的揭示，以及離子探針對(duì)微區(qū)同位素變化的解剖，都有可能對(duì)白云巖化的過(guò)程及其后期變化進(jìn)行恢復(fù)；三是在分子動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，有可能對(duì)白云石的形成提出新的熱力學(xué)模型與動(dòng)力學(xué)解釋；四是微生物參與下的實(shí)驗(yàn)室研究則開辟了白云巖成因研究的新途徑[9]。

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Simply Understanding of Lacustrine Dolomite

CAI Xue-feng，YAN Zhi-wei，XIAYuan

(College of Environmental Science and Engineering, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China)

Abstract:Dolomite usually can form one of the best oil and gas accumulation in carbonate. Multiresolution is directly determined by the understanding of genetic evolution and reservoir spatial distribution of dolomite. However the origin of dolomite is quite complex and difficult to solve in long term in the domain of carbonate petrology. According to the different mechanism, all the current main dolomite can be classified into two styles: primary dolomites and secondary dolomites. Whether they belong to the real primary dolomites still needs further research, large numbers of primary dolomites have been found. It is particularly important for the understanding of dolomite and carbonate reservoirs for oil and gas exploration to clarify the origin of dolomite.

Key words:Dolomite；dolostone；origin model and carbonate

[收稿日期]2015-03-14

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金(41302197)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2012BAC26B00)；廣西自然科學(xué)基金(2013GXNSFBA019211)

[作者簡(jiǎn)介]蔡雪峰(1989-)，男，山西朔州人，在讀碩士研究生，主攻方向：地下水污染。[通訊作者]夏源(1982-)，男，貴州遵義人，副教授，主要從事地下水?dāng)?shù)值模擬方面研究。

[中圖分類號(hào)]P588.15

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)01-0145-03