鄂爾多斯盆地馬家溝組中組合馬五5亞段白云巖特征及成因機理

張莊，楊西燕，董兆雄

（1成都理工大學能源學院；2成都理工大學沉積地質(zhì)研究院；3西南石油大學地球科學與技術學院）

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鄂爾多斯盆地馬家溝組中組合馬五5亞段白云巖特征及成因機理

張莊1，楊西燕2，3，董兆雄3

（1成都理工大學能源學院；2成都理工大學沉積地質(zhì)研究院；3西南石油大學地球科學與技術學院）

摘 要通過對鄂爾多斯盆地馬家溝組五段5亞段白云巖的巖石學和地球化學研究表明，主要巖性有泥晶白云巖、泥粉晶白云巖和粉晶白云巖等三類。泥晶白云巖類為泥晶結(jié)構(gòu)，陰極發(fā)光為暗紅光，白云石有序度低；Na、K和Sr值較高；δ13C平均-1.23‰，δ18O平均-7.59‰，鍶同位素平均值0.70981，形成于閉塞局限、鹽度相對較高的環(huán)境，由準同生白云石化作用所形成，并發(fā)育少量晶間微孔。泥粉晶白云巖類為泥晶—細粉晶結(jié)構(gòu)，不發(fā)光或發(fā)極暗的紅光，白云石有序度0.75；常量元素、微量元素大幅降低；δ13C和δ18O的平均值分別是-0.43‰和-7.29‰，鍶同位素平均值0.70936，由準同生后回流滲透白云石化作用所形成，并發(fā)育晶間孔。粉晶白云巖不發(fā)光或發(fā)極暗紅光，白云石有序度0.81；常量元素、微量元素有明顯的突變；δ13C和δ18O平均值分別為-0.65‰和-6.46‰，鍶同位素平均值0.70967，由埋藏白云石化作用所形成，并發(fā)育晶間擴溶孔或溶蝕孔。

關鍵詞白云巖；地球化學；白云石化作用；馬家溝組；鄂爾多斯盆地

本文受國家重大專項“鄂爾多斯盆地海相碳酸鹽巖油氣資源潛力、有利勘探區(qū)帶評價與目標優(yōu)選研究”（編號：2011ZX05004－006）資助

1 引 言

鄂爾多斯盆地是我國的第二大含氣盆地，盆地中部發(fā)育中奧陶統(tǒng)馬家溝組的碳酸鹽巖天然氣儲層，面積約4.8×104km2。馬家溝組為一套碳酸鹽巖為主、夾蒸發(fā)巖的地層［1］，自下而上可分為六段，其中，馬家溝組五段自上而下又可分為10個亞段。馬家溝組上組合（包括馬家溝組五段1～4亞段）是20世紀末以來的勘探重點，發(fā)現(xiàn)了以巖溶型風化殼為主力產(chǎn)層的靖邊氣田；2009～2010年，Su203井、Su345井（見圖1）等一批探井相繼在馬家溝組中組合（包括馬家溝組五段5～10亞段）獲得了日產(chǎn)百萬立方米以上的高產(chǎn)氣流，證實了馬家溝組中組合是盆地下古生界的一種新類型氣藏，其特征和成因與上組合有較大差別［2-8］。

鄂爾多斯盆地馬家溝組白云巖是油氣勘探的有利儲集體，多年來，眾多學者對馬家溝組白云巖的成因進行過卓有成效的研究，已提出多種白云石化機制，如微生物白云石化［9］、混合水白云石化［10－11］、埋藏白云石化［12－13］、準同生白云石化［14-17］、成巖白云石化［15］以及局部存在的熱液白云石化［11，15］等，另外，對馬家溝組白云巖儲層特征亦進行過較多的研究，但這些研究的樣品多來自馬家溝組上組合，針對中組合所做的研究較少［7－8，18-20］。馬家溝組五段5亞段（以下簡稱馬五5亞段）是盆地中組合勘探程度較高的層位，取心資料較多，因此本文在盆地內(nèi)不同地區(qū)挑選了取心較完整、又代表不同沉積環(huán)境的共42口鉆井（見圖1中的井位分布），以這些井的巖心、鑄體薄片等資料為基礎，分析不同白云巖的巖石學特征，并在此基礎上分析不同類型白云巖的成因，擬通過對馬五5亞段的研究，進一步明確鄂爾多斯盆地馬家溝組中組合白云巖形成的地質(zhì)環(huán)境，以期為該區(qū)奧陶系馬家溝組中組合的油氣勘探提供地質(zhì)依據(jù)。

2 巖石學特征

鄂爾多斯盆地馬家溝組馬五5亞段的白云巖按結(jié)構(gòu)組分的特征可分為泥晶白云巖、泥粉晶白云巖、粉晶白云巖和過渡類型白云巖（表1），但主要發(fā)育前三類，本文將展開這三類白云巖特征的研究。

圖1 鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組五段5亞段沉積微相平面展布圖

表1 鄂爾多斯盆地馬家溝組馬五5亞段白云巖分類

2.1 泥晶白云巖類

馬五5亞段不同程度地發(fā)育泥晶白云巖。它呈灰—深灰、甚至黑灰的還原色，為泥晶結(jié)構(gòu)，較致密（圖2a，2b），不具陰極發(fā)光或發(fā)極暗紅光。由于白云石有序度的高低可反映其生長速率和形成方式，而泥晶白云石有序度最低，僅0.59，反映了它是快速交代的產(chǎn)物［20-24］。

2.2 泥粉晶白云巖類

區(qū)內(nèi)馬五5亞段廣泛發(fā)育泥粉晶白云巖。這類白云巖主要由泥晶和細粉晶兩類白云石構(gòu)成，二者的比例不確定。為泥晶—細粉晶結(jié)構(gòu)（圖2c，2d），泥晶白云石與粉晶白云石大多均勻混雜分布，局部也呈斑狀分布，明顯具有結(jié)構(gòu)雙重性。部分細粉晶白云石內(nèi)有云泥/灰泥殘余或包體（圖2e），不發(fā)光或發(fā)極暗的紅光（圖2f）。白云石有序度0.75，自形程度相對較高。

2.3 粉晶白云巖類

區(qū)內(nèi)馬五5亞段不同程度發(fā)育粉晶及以上晶級的白云巖，但總體上不如泥粉晶白云巖類的分布廣。通過薄片、陰極發(fā)光顯微鏡及掃描電鏡觀察，可見這類白云巖中的白云石為粗粉晶—細晶結(jié)構(gòu)，一般少量的細晶白云石具有一個完整或不完整的亮邊，即略呈霧心亮邊結(jié)構(gòu)（圖2g），間或發(fā)育溶蝕微孔和晶間孔等。陰極發(fā)光顯微鏡觀察，白云石不發(fā)光或發(fā)極暗紅光，晶間縫或增生邊發(fā)暗紅光（圖2h）。較臟的白云石大多是由于大晶體內(nèi)有大量泥晶方解石的交代殘余或未被完全溶蝕的泥晶白云石殘余，這類晶體在正交光下?？梢姴还草S的消光現(xiàn)象或染色斑點（圖2i）。白云石有序度0.81，這樣高的有序度反映了它在發(fā)生白云石化時流體的鎂離子濃度有所降低，交代速度較緩慢，所以形成了較粗的白云石［20-25］。

3 白云巖地球化學特征

3.1 分析方法與實驗條件

本次研究樣品采自馬五5亞段的取心井中，盡可能避開溶蝕孔洞和方解石脈發(fā)育部位，以降低后期成巖作用對穩(wěn)定同位素原始組成的影響，盡量反映原始沉積特征。常量元素和微量元素測定是由四川省冶金地質(zhì)巖礦測試中心完成的，檢測溫度為20℃、濕度為65﹪。碳、氧同位素在西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院的MAT252氣體同位素質(zhì)譜儀上測試，依據(jù)SY/T6039-94標準制作，實驗溫度為20℃、相對濕度為44﹪，100﹪的磷酸溶樣，分析誤差為0.01﹪。鍶同位素在國土資源部中南礦產(chǎn)資源監(jiān)督監(jiān)測中心完成，在MAT-261固體質(zhì)譜儀上根據(jù)DZ/T0184.1-1997標準進行比值測定，檢測溫度為20℃、相對濕度30﹪。

圖2 鄂爾多斯盆地馬家溝組馬五5亞段不同類型白云巖微觀特征

3.2 常量、微量元素特征

從圖3可以看出泥晶白云巖的Na含量較高，反映該類白云巖形成于鹽度較高的環(huán)境，表明泥晶白云巖的白云石化作用較快，環(huán)境鹽度高；而且泥晶白云巖的Sr含量較高（圖4），可能是因為這種白云巖交代石灰?guī)r不徹底，較高的方解石含量使得Sr含量偏高。但泥粉晶白云巖和粉晶白云巖的K、Al、Fe、Sr、Mn、Ba較泥晶白云巖均大幅降低（圖4），這可能在成巖過程中與這些離子的消耗有關。

圖3 鄂爾多斯盆地馬家溝組馬五5亞段不同巖性常量元素分布圖

圖4 鄂爾多斯盆地馬家溝組馬五5亞段不同巖性微量元素分布圖

3.3 碳、氧同位素特征

泥晶白云巖類的δ13C平均值-1.23‰、δ18O平均值-7.59‰（表2），與國家標準相比，屬于低δ13C和富δ18O，這說明泥晶白云巖形成于閉塞局限、鹽度相對較高的環(huán)境［26-30］，應屬于同生期海底環(huán)境組構(gòu)交代的產(chǎn)物。泥粉晶白云巖的δ13C平均值為-0.43‰、δ18O平均值為-7.29‰，為相對貧δ13C和富δ18O，與泥晶白云巖相比，δ13C增加了0.80‰，一般認為在成巖階段能導致流體中的碳同位素相對富集的因素，可能與甲烷菌發(fā)酵有關；δ18O值無明顯變化，說明泥粉晶白云巖的白云石化流體總體上與泥晶白云巖的白云石化流體相似或同源。粉晶及以上晶級白云巖的δ13C 與δ18O平均值分別為-0.65‰和-6.46‰，碳、氧同位素中呈現(xiàn)氧偏重的現(xiàn)象，預示著粉晶白云石化流體的來源與泥晶白云石化流體、以及泥粉晶白云石化流體有所差異，說明這可能是由于環(huán)境發(fā)生明顯變化所造成的結(jié)果。

3.4 鍶同位素特征

通過對比不同白云巖的鍶同位素特征，可以分析白云石化流體的來源，從而探討白云巖的成因。據(jù)圖5和表3，可以看出，泥晶白云巖樣品的87Sr/86Sr值在0.70981～0.72205范圍，平均為0.71593。這一結(jié)果明顯高于Veizer等［31］、McArthur等［32］、Qing等［33］和Denison等［34］的測試值（其數(shù)值分別為0.707 75～0.70830、0.70899和0.70873），其原因可能與硬石膏和陸源碎屑物的存在有關［17］。泥粉晶白云巖樣品的87Sr/86Sr值在0.70891～0.72615范圍，平均值0.70936（去除個別異常值后的平均值），比泥晶白云巖的87Sr/86Sr值低，即泥粉晶白云巖成巖流體的87Sr/86Sr值低于泥晶白云巖的沉積環(huán)境或孔隙水的87Sr/86Sr值，說明兩者形成時的流體是有差異的。粉晶白云巖樣品的87Sr/86Sr值在0.709 19～0.710 41范圍，平均為0.70967，略高于泥粉晶白云巖，這可能與埋藏過程中鋁硅酸鹽礦物溶解提供了放射性鍶有關。

表2 鄂爾多斯盆地馬家溝組馬五5亞段不同類型白云巖的碳、氧同位素值

4 白云巖成因機理

根據(jù)上述討論，泥晶白云巖為泥晶結(jié)構(gòu)，白云石不具陰極發(fā)光或發(fā)極暗紅光，有序度僅0.59。常量元素中Na、K含量較高，微量元素Sr含量較高，δ13C偏負、δ18O偏正，87Sr/86Sr值較高，這些特征均反映了泥晶白云巖形成于局限滯留、鹽度較高的還原-弱還原環(huán)境中，它是由富鎂白云石化流體快速交代先期的細粒碳酸鹽巖而形成的，也就是說在低洼環(huán)境中沉積的原始碳酸鹽巖沉積物，受富鎂鹽水和來自潮坪的富鎂濃鹽水共同作用，從而發(fā)生白云石化作用而形成泥晶白云巖，因此，認為泥晶白云巖屬于準同生白云石化作用所形成。而準同生白云石化作用的交代作用屬于組構(gòu)交代，往往僅產(chǎn)生少量的白云石晶間微孔，不利于形成具規(guī)模的有利儲層，但是這些少量的晶間微孔也可為后來進一步的儲層改造奠定基礎。

圖5 鄂爾多斯盆地馬家溝組馬五5亞段各類白云巖87Sr/86Sr值分布圖

泥粉晶白云巖具泥晶—細粉晶結(jié)構(gòu)，白云石較臟，不具陰極發(fā)光或發(fā)極暗的紅光，有序度0.75，自形程度相對較高；具低Sr含量的特征，反映了白云石化過程中離子的消耗，可能形成于淺埋藏階段；與泥晶白云巖相比，它的δ13C明顯增加，這也說明該類白云巖形成于淺埋藏階段，是由于具海水性質(zhì)的孔隙水進一步濃縮所導致；它的δ18O值無明顯變化，說明泥粉晶白云巖的白云石化流體總體上與泥晶白云巖相似或同源；它的鍶同位素比值降低，則說明成巖流體的87Sr/86Sr值應是低于泥晶白云巖形成時的沉積環(huán)境水。因此，推斷泥粉晶白云巖是來自潮坪或上覆層的富鎂濃鹽水回流滲透交代的產(chǎn)物。由于來自潮坪的回流富鎂濃鹽水經(jīng)過前期準同生白云石化作用的消耗，Mg2+濃度有所降低，因此在白云石化過程中的交代速度相對減緩，再加上臺坪區(qū)的水體相對較淺，海平面波動的影響較大，先期的碳酸鹽巖沉積物可能存在早期的膠結(jié)作用，導致其孔隙度和滲透率有所降低，這在一定程度上影響了富鎂濃鹽水的運移和交代作用，也造成了局部白云石化不均勻、不徹底的現(xiàn)象，即出現(xiàn)泥粉晶白云巖結(jié)構(gòu)的雙重性。因此，泥粉晶白云巖屬于準同生后回流滲透白云石化作用所形成。在滲透回流白云石化作用過程中，含CO2、H2S等酸性物的流體會導致早前形成的灰泥、云泥發(fā)生溶蝕，從而形成不同程度的溶蝕孔縫，或擴溶原有的微晶間孔縫，形成白云石晶間孔。

表3 鄂爾多斯盆地馬家溝組馬五5亞段不同類型白云巖的鍶同位素值

粉晶白云巖具粗粉晶—細晶結(jié)構(gòu)，晶體內(nèi)可見泥晶方解石的交代殘余、或未被完全溶蝕的泥晶白云石殘余，白云石不具陰極發(fā)光或發(fā)極暗紅光，有序度高；常量元素Fe3+含量明顯減小，這說明白云石化環(huán)境的還原性增強，Na、K含量的減少說明白云石化流體鹽度的減??；微量元素Sr和Ba的明顯減少說明白云石化作用過程中陽離子的大量消耗，推測可能形成于埋藏白云石化階段；δ13C與δ18O平均值分別為-0.65‰和-6.46‰，較高的87Sr/86Sr值說明白云石化環(huán)境的明顯變化，可能受到埋藏環(huán)境流體的影響。這些差異都說明粉晶白云巖中Mg2+來自上覆層的下滲鹽水和早期碳酸鹽巖出溶，但由于先期的消耗使Mg2+濃度降低，交代速度相應變慢，所以白云石晶體較大，且灰泥或云泥以殘余或包裹體的形式存在于白云石大晶體中（圖2e，2i）。因此，推斷粉晶白云巖屬于埋藏白云石化作用所形成。在埋藏白云石化作用過程中，CO2、H2S和有機酸等酸性介質(zhì)會導致先期的灰質(zhì)組分和準同生及準同生后白云石不同程度地遭受溶蝕，產(chǎn)生一定的溶蝕空間，形成晶間擴溶孔或溶蝕孔。

從儲層物性特征看（表4），泥晶白云巖由于準同生白云石化作用產(chǎn)生少量晶間微孔，物性較差；泥粉晶白云巖由于滲透回流白云石化作用形成白云石晶間孔，物性較好；粉晶白云巖由于埋藏白云石化作用形成晶間擴溶孔或溶蝕孔，物性最好，是馬五5亞段最好的儲層。

表4 鄂爾多斯盆地馬五5亞段不同類型白云巖的物性特征

5 結(jié) 論

（1）鄂爾多斯盆地馬五5亞段白云巖以泥晶白云巖、泥粉晶白云巖和粉晶白云巖為主。泥晶白云巖Na、K、Sr含量較高；δ13C比同期國標值低2.00‰；δ18O比國標值高1.39‰；87Sr/86Sr值顯著高于全球同期海水的值。泥晶白云巖為泥晶結(jié)構(gòu)，白云石陰極發(fā)光為暗紅光，有序度低，認為其形成與局限、閉塞以及咸或超咸海水有關，系由準同生白云石化作用所形成。

（2）泥粉晶白云巖類的K、Al、Na、Sr、Mn、Ba較泥晶白云巖的均大幅降低，但δ18O值無明顯變化，δ13C值則增加了0.80‰；鍶同位素平均值低于泥晶白云巖的值。泥粉晶白云巖為泥—細粉晶結(jié)構(gòu)，白云石不具陰極發(fā)光或發(fā)極暗的紅光，具有明顯的結(jié)構(gòu)雙重性，系由準同生后回流滲透白云石化作用所形成。

（3）粉晶及以上晶級白云巖的常量和微量元素均有明顯的突變，氧同位素呈現(xiàn)偏重的現(xiàn)象，鍶同位素平均值高于泥粉晶白云巖而低于泥晶白云巖的值。結(jié)合白云石不具陰極發(fā)光或發(fā)極暗紅光、有序度較高的特征，認為細粉晶白云巖是埋藏白云石化作用的結(jié)果。

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編輯：黃革萍

Zhang Zhuang：Doctoral candidate at Chengdu University of Technology. Add：66 Qingyuan Rd.，Xindu，Chengdu，Sichuan，610500，China

技術·應用

Characteristics and Genesis of Ordovician Majiagou Submember-55Dolostone in Middle Assemblage，Ordos Basin

Zhang Zhuang，Yang Xiyan，Dong Zhaoxiong

Abstract：Based on petrological and geochemical analysis for core samples from the Middle Ordovician Majiagou submember-55dolostones in Ordos basin，three main types of dolostones are recognized，including micritic dolostone，siltcrystal micritic dolostone and siltcrystal dolostone. The characteristics of them are described as follows：（a）The micritic dolostone is formed in euxinic-restricted and high-salinity environment by penecontemporaneous dolomitization，in which a small number of intercrystal mircopores develop. It is characteristic of micrite texture，garnet light in cathoduluinescence observation，lower degree of order and high content of Na，K and Sr elements. The average values of δ13C and δ18O are -1.23‰and -7.59‰respectively，and the ratio of87Sr/86Sr is 0.70981.（b）Siltcrystal micritic dolostone is formed by postpenecontemporaneous reflux seepage dolomitization，in which intercrystal pores develop. It is characteristic of siltcrystal-fine micrite texture，dirtier，no or very dark light in cathoduluinescence，0.75 of degree of order，significantly decreasing of the content of major and trace elements. The average values of δ13C and δ18O are -0.43‰and -7.29‰，and the ratio of87Sr/86Sr is 0.70936.（c）Siltcrystal dolostone，in which intergranular dissolution pores and dissolution pores develop，shows the same feature as siltcrystal-micrite dolostone in cathoduluinescence but the degree of order is 0.81. The content of major and trace elements shows apparently abrupt change. The average values of δ13C and δ18O are -0.65‰and -6.46‰and the ratio of87Sr/86Sr is 0.70967. It is indicated that siltcrystal dolostone is formed by burial dolomitization.

Key words：Middle Ordovician；Majiagou Fm.；Dolostone；Geochemistry；Dolomitization；Ordos Basin

中圖分類號：TE122.2+3

文獻標識碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-9854.2016.02.008

文章編號：1672-9854（2016）-02-0065-07

收稿日期：2015-03-27；改回日期：2015-12-08

通訊地址：張莊：1976年生，成都理工大學在讀博士，主要進行沉積儲層研究。610500四川省成都市新都區(qū)清源路66號；E-mail：403538399@qq.com