鄂爾多斯盆地南緣長(zhǎng)7油層組碳酸鹽結(jié)核的特征及石油地質(zhì)意義

董 杰, 胡作維, 袁效奇, 賀 靜, 李 云, 王玉龍

(1.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，西安 710018)

鄂爾多斯盆地南緣長(zhǎng)7油層組碳酸鹽結(jié)核的特征及石油地質(zhì)意義

董 杰1, 胡作維1, 袁效奇2, 賀 靜2, 李 云1, 王玉龍1

(1.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，西安 710018)

探討鄂爾多斯盆地南緣渭北地區(qū)上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組長(zhǎng)7油層組油頁(yè)巖中的碳酸鹽結(jié)核與優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育的關(guān)系。通過(guò)野外觀察、薄片鑒定、掃描電鏡、X射線衍射和碳、氧同位素等多種分析手段的研究，認(rèn)為長(zhǎng)7油層組灰?guī)r和白云巖結(jié)核為成巖早期的產(chǎn)物，方解石和白云石圓球粒的形成時(shí)間較早，特征與藻類習(xí)性非常相似。δ13C明顯重于晚三疊世δ13C的變化范圍，表明碳酸鹽結(jié)核的形成與產(chǎn)烷帶微生物代謝活動(dòng)引起的甲烷生成有關(guān)。結(jié)核中方解石、白云石圓球粒的形成可能是藍(lán)細(xì)菌細(xì)胞方解石化或白云石化的結(jié)果。長(zhǎng)7油層組中富含的碳酸鹽結(jié)核指示其為優(yōu)質(zhì)的烴源巖，具有良好的生烴能力。

鄂爾多斯盆地；延長(zhǎng)組；油頁(yè)巖；碳酸鹽結(jié)核

1 沉積背景

圖1 鄂爾多斯盆地南部延長(zhǎng)組綜合柱狀圖[24-25]Fig.1 The comprehensive stratigraphic column of Yanchang Formation in the southern Ordos Basin

延長(zhǎng)組在鄂爾多斯盆地內(nèi)分布廣泛，厚逾千米，是重要的油氣產(chǎn)層[18]。據(jù)巖性和沉積特征，延長(zhǎng)組自上而下劃分為長(zhǎng)1—長(zhǎng)10共10個(gè)油層組，記錄了整個(gè)大型陸相湖盆的發(fā)生、發(fā)展到消亡的全過(guò)程(圖1)。長(zhǎng)7沉積時(shí)期為湖泊發(fā)展的鼎盛時(shí)期，大范圍發(fā)育了一套深湖相—半深湖相泥頁(yè)巖層[19-21]。長(zhǎng)7油層組暗色泥巖、油頁(yè)巖最大厚度120 m，一般為70～80 m，是盆地主要的烴源巖[22]。依據(jù)沉積旋回，長(zhǎng)7油層組自上而下劃為長(zhǎng)71、長(zhǎng)72和長(zhǎng)73等3個(gè)小層，其中長(zhǎng)73期湖盆面積最大，暗色泥巖及高阻泥巖發(fā)育，為中生界主要優(yōu)質(zhì)烴源巖；長(zhǎng)72和長(zhǎng)71期，湖盆面積及半深湖—深湖相沉積面積持續(xù)減少，濁積砂體發(fā)育，是長(zhǎng)7油藏的儲(chǔ)層[23]。長(zhǎng)7烴源巖形成于還原的沉積環(huán)境，有機(jī)質(zhì)來(lái)源主要為湖生低等生物中的藻類，干酪根類型為Ⅰ型(腐泥型)-Ⅱ1(腐殖腐泥型)型，有機(jī)質(zhì)豐度較高[19]，鏡質(zhì)體反射率Ro>1.0%，湖盆中部生烴強(qiáng)度>500×104t/km2，排烴效率高達(dá)72%，已達(dá)到成熟—高成熟演化階段，為一套優(yōu)質(zhì)烴源巖[20]。

2 野外露頭特征

渭北地區(qū)長(zhǎng)7油層組為一套半深湖—深湖相黑色泥巖、油頁(yè)巖和砂質(zhì)碎屑流、濁積巖夾凝灰?guī)r和碳酸鹽巖等沉積。長(zhǎng)7油層組主要分布在西起彬縣、東至宜君馬莊一帶，也是油頁(yè)巖勘探和開(kāi)發(fā)的主要地區(qū)。區(qū)域構(gòu)造上屬向西緩傾的單斜，主要發(fā)育北東向右旋走滑斷層及近東西走向并向南傾的正斷層，尤其是走滑斷層規(guī)模大、延伸遠(yuǎn)、連續(xù)性好，地貌上為平直溝谷，控制長(zhǎng)7油層組剖面點(diǎn)的分布，油頁(yè)巖露頭在斷裂以南星羅棋布，以北則幾乎見(jiàn)不到露頭。長(zhǎng)7油層組地層傾角一般小于10°，但受耀州區(qū)瑤曲鎮(zhèn)—宜君縣五里鎮(zhèn)走滑斷層及其兩側(cè)近東西向正斷層影響，在烈橋、淌泥河產(chǎn)狀近于直立；在袁家山山頂斜坡處，由于重力作用，出現(xiàn)逆掩滑脫構(gòu)造。

長(zhǎng)7油層組泥頁(yè)巖中富含碳酸鹽沉積，但以結(jié)核為主，在宜君縣套灘、銅川市印臺(tái)區(qū)霸王莊、銅川市何家坊、耀縣聶家河、彬縣水北溝等剖面均有發(fā)育，主要見(jiàn)于渭北地區(qū)露頭剖面(圖2)。銅川霸王莊長(zhǎng)7油層組剖面泥頁(yè)巖中見(jiàn)各種產(chǎn)狀及外形的碳酸鹽巖結(jié)核，可分為次生灰?guī)r結(jié)核和次生白云巖結(jié)核2種類型，以形態(tài)各異、大小不一的灰?guī)r結(jié)核為主。次生灰?guī)r結(jié)核有圓錐狀、橢圓狀、扁圓狀等多種形態(tài)類型，結(jié)核大小差異懸殊(圖3)。個(gè)體較大的結(jié)核寬可達(dá)50 cm、高可達(dá)60 cm(圖3-A)。由于油頁(yè)巖開(kāi)采，現(xiàn)均已脫離原層位，難以準(zhǔn)確地恢復(fù)原始產(chǎn)出狀態(tài)。個(gè)體較小的扁平狀和橢圓狀灰?guī)r結(jié)核類型較為常見(jiàn)(圖3-D～F)，大多順層保存在地層中。霸王莊次生白云巖結(jié)核主要為小型扁圓狀或扁透鏡狀(圖3-A～C)，部分白云巖結(jié)核具有環(huán)形紋(圖3-C)。銅川何家坊長(zhǎng)7油層組剖面以灰黑色薄層或紋層狀泥云巖為主，紋層狀具變形層理，含少量個(gè)體較大、殼壁成分為硅質(zhì)的似介形類化石；該剖面東距霸王莊剖面僅3 km，但未見(jiàn)灰?guī)r結(jié)核。耀州區(qū)小橋河長(zhǎng)7油層組剖面主要為薄層狀和結(jié)核狀泥云巖，上下緊覆油頁(yè)巖。耀縣聶家河長(zhǎng)7油層組剖面主要為透鏡狀白云巖結(jié)核(圖4-D)。彬縣水北溝長(zhǎng)7油層組剖面薄層狀泥晶云巖，與黑色泥巖、油頁(yè)巖及薄層凝灰?guī)r互層產(chǎn)出(圖4-E)。宜君縣套灘長(zhǎng)7油層組油頁(yè)中發(fā)育透鏡狀次生球?；?guī)r結(jié)核。

圖2 鄂爾多斯盆地南緣野外剖面位置圖Fig.2 Sketch map showing the location of field cross sections in the southern Ordos Basin

圖3 鄂爾多斯盆地南緣銅川霸王莊剖面長(zhǎng)7油層組灰?guī)r結(jié)核的宏觀特征Fig.3 The macro features of Chang-7 limestone concretions of Bawangzhuang in southern Ordos Basin(A)外形呈圓錐狀，高約0.6 m，最寬處0.5 m，尖錐處寬約0.15 m，表面具細(xì)密排列的縱向紋飾，已脫離原始巖層，結(jié)合其他已發(fā)現(xiàn)尚保存在地層中的類似結(jié)核形態(tài)，推測(cè)尖錐部位向上； (B)長(zhǎng)約0.45 m，寬約0.25 m，橢圓形，灰黑色，圍巖為黑色油頁(yè)巖，油頁(yè)巖繞過(guò)結(jié)核沉積； (C)巖石新鮮斷面為黑色，表面似具高溫烘烤的黑褐色，由黑色泥巖包覆，底面平整覆于黑色泥巖之上； (D)寬約0.6 m，高約0.3 m， 扁圓形， 灰褐色， 疏松多孔， 裂隙面含褐色有機(jī)質(zhì)膜和顆粒狀干瀝青； (E)橢圓形扁平狀，灰褐色，圍巖為富有機(jī)質(zhì)泥巖； (F)橢圓狀，灰黑色，高10 cm，長(zhǎng)20 cm

鄂爾多斯盆地南緣渭北地區(qū)長(zhǎng)7油層組油頁(yè)巖中富含灰?guī)r和白云巖兩種類型的碳酸鹽結(jié)核?；?guī)r結(jié)核以銅川霸王莊剖面最發(fā)育且形態(tài)類型最豐富(圖3)，其次發(fā)育于宜君縣套灘。銅川市何家坊、耀縣聶家河、彬縣水北溝剖面均為白云巖結(jié)核。這些結(jié)核多呈透鏡狀，其長(zhǎng)軸方向平行于圍巖地層。雖然較大的結(jié)核由于油頁(yè)巖開(kāi)采而脫離原來(lái)的層位無(wú)法準(zhǔn)確地判斷出原始產(chǎn)出狀態(tài)，但根據(jù)較小的現(xiàn)今仍保存于地層中的結(jié)核，它們順層保存于油頁(yè)巖中，未切穿層理，其上覆頁(yè)巖層繞過(guò)結(jié)核沉積，頁(yè)巖巖層在結(jié)核上下彎曲，因此可以判斷這些結(jié)核形成的時(shí)間較早，可能為成巖早期的產(chǎn)物。

3 巖石礦物學(xué)特征

3.1 巖石學(xué)特征

經(jīng)茜素紅染色薄片觀察，長(zhǎng)7段油頁(yè)巖中廣泛發(fā)育的碳酸鹽結(jié)核的巖性大都為球?；?guī)r和白云巖兩種類型。

球?；?guī)r中，球粒由纖狀方解石組成，具放射狀結(jié)構(gòu)(圖5-A～E、L)，正交偏光下呈十字消光(圖5-B)，大者約1 mm，小者約0.5 mm。球粒間充填晶粒方解石，方解石晶間及解理縫內(nèi)見(jiàn)大量油而呈網(wǎng)格狀(圖5-A～E、L)。部分球粒呈不規(guī)則狀，外層被長(zhǎng)英質(zhì)交代(圖5-D)，但球粒外形尚存，纖狀、放射狀結(jié)構(gòu)隱約可辨；靠近最外層，纖狀、放射狀結(jié)構(gòu)明顯(圖5-D、E、L)；部分球?？梢?jiàn)近圓形的核部，部分球粒核部重結(jié)晶作用較強(qiáng)，經(jīng)重結(jié)晶后形成多晶鑲嵌狀或巨晶方解石。在球粒放射紋之間見(jiàn)10～20 μm的白云石圓球粒或方解石圓球粒(圖5-E)。

白云巖類結(jié)核中，巖性有泥質(zhì)粉晶白云巖(圖6-A、C)、粉晶白云巖(圖6-B、D～F)、白云石化蝕變凝灰?guī)r(圖6-G、H)。白云石沿泥巖裂縫生長(zhǎng)呈纖柱狀集合體(圖6-C)或交代泥質(zhì)形成泥云巖，含殘余油頁(yè)巖紋層(圖6-A～C)。未見(jiàn)白云石圓球粒和方解石圓球粒(如銅川霸王莊剖面)，或見(jiàn)少量白云石圓球粒和方解石圓球粒(如銅川何家坊剖面)。

目前，在鄂爾多斯盆地南緣渭北地區(qū)宜君縣套灘、銅川市印臺(tái)區(qū)霸王莊、銅川市何家坊、耀縣聶家河、彬縣水北溝等多個(gè)長(zhǎng)7油層組露頭剖面中碳酸鹽巖結(jié)核中發(fā)現(xiàn)個(gè)體極其微小(一般在10～20 μm)的白云石和方解石圓球粒(圖5-E～K，圖6-D～H)。首先，含這些白云石和方解石圓球粒的碳酸鹽結(jié)核都富含有機(jī)質(zhì)(圖5、圖6)，同時(shí)也含有較多黃鐵礦(圖5-F、圖6-D)。其次，這些圓球絕大部分形態(tài)完整，少量溶蝕后充填有機(jī)質(zhì)(圖5-F～K，圖6-D～F)，甚至完全被有機(jī)質(zhì)充填(圖5-G、H)，或者被黃鐵礦交代成黃鐵礦圓球(圖6-D)。這些圓球大都具有晶體腔和黑色的有機(jī)邊緣，絕大部分圓球的黑色有機(jī)邊緣較薄，部分具有較厚的殼壁(圖5-J，圖6-D～H)，并具有刺狀突起(圖6-D～H)，甚至在同一個(gè)薄片和同一個(gè)球粒中，厚殼壁和薄殼壁同時(shí)存在(圖5-J，圖6-D～H)。圓球大小比較均一，球粒直徑在10～20 μm之間；形狀基本都為球形；而且這些球粒大多都是在局部密集分布(圖5-E～K，圖6-D～H)。

圖4 鄂爾多斯盆地南緣長(zhǎng)7油層組白云巖結(jié)核的宏觀特征Fig.4 The macro features of Chang-7 dolomite concretions of Bawangzhuang in southern Ordos Basin(A)灰黃色薄層或扁透鏡狀泥云巖碎塊，厚4 cm，上下緊覆黑色泥巖，層面平整，裂縫發(fā)育，沿裂縫壁及裂隙面見(jiàn)1～2 mm厚干瀝青，銅川霸王莊剖面; (B)灰黑色紋層狀次生白云巖結(jié)核碎塊，紋層為殘余油頁(yè)巖構(gòu)成，含膠磷質(zhì)結(jié)核，銅川霸王莊剖面; (C)灰黃色白云巖結(jié)核，大小約7 cm×25 cm，表面隱見(jiàn)環(huán)形紋，銅川霸王莊剖面; (D)長(zhǎng)72下部灰黑色薄透鏡狀含晶屑、玻屑次生白云巖透鏡體，長(zhǎng)1.2 m， 最厚處0.15 m， 耀縣聶家河剖面; (E)透鏡狀白云巖結(jié)核，見(jiàn)多層凝灰?guī)r透鏡狀?yuàn)A層，彬縣水北溝剖面

圖5 鄂爾多斯盆地銅川霸王莊剖面長(zhǎng)7油層組灰?guī)r結(jié)核的顯微特征Fig.5 The microscopic features of Chang-7 limestone concretions of Bawangzhuang in southern Ordos basin(A)球?；?guī)r，球粒由纖狀方解石組成，球粒間充填晶粒方解石; (B)正交偏光下球?；?guī)r具十字消光; (C)部分球粒殘余放射狀結(jié)構(gòu)保存較好; (D)少量長(zhǎng)英質(zhì)交代放射狀球粒; (E)球粒放射紋之間見(jiàn)10～20 μm的方解石圓球粒和白云石圓球粒，局部密集分布; (F)含白云石圓球粒的母巖孔隙中見(jiàn)油跡和有機(jī)質(zhì)浸染現(xiàn)象，局部方解石圓球粒和白云石圓球粒腔體內(nèi)見(jiàn)有機(jī)質(zhì); (G)方解石圓球粒和白云石圓球粒呈條帶狀分布; (H)局部見(jiàn)方解石圓球粒和白云石圓球粒呈有機(jī)質(zhì)狀; (I)方解石圓球粒和白云石圓球粒直徑20 μm左右，溶孔充填有機(jī)質(zhì)，個(gè)別白云石圓球粒具有厚殼壁和薄殼壁; (J)個(gè)別方解石圓球粒被云化，但仍保留原形態(tài); (K)部分方解石圓球粒和白云石圓球粒在鏡下呈交代狀，晶粒狀方解石沿圓形生物邊緣發(fā)生交代，核部見(jiàn)殘留有機(jī)質(zhì); (L)球粒的放射狀結(jié)構(gòu)部位具有機(jī)質(zhì)浸染，球粒之間方解石晶間縫含油

圖6 鄂爾多斯盆地南緣渭北地區(qū)長(zhǎng)7油層組白云巖結(jié)核的顯微特征Fig.6 The microscopic features of Chang-7 dolomite concretions in Weibei area, southern Ordos Basin(A)泥質(zhì)粉晶云巖，見(jiàn)殘留富有機(jī)質(zhì)泥巖條帶，銅川霸王莊剖面; (B)壓溶作用形成的云質(zhì)雛形疊錐，含殘余油頁(yè)巖紋層，銅川霸王莊剖面; (C)沿油頁(yè)巖發(fā)育的雛形疊錐狀云巖，殘余油頁(yè)巖中富含黃鉀鐵釩，銅川霸王莊剖面; (D)比例尺之上化石體腔孔含油，之下黑色圓球狀顆粒為球粒狀黃鐵礦，部分白云石圓球粒具有厚殼壁，耀縣聶家河剖面; (E)白云石圓球一部分為單層殼壁，而另一部分則具較厚的殼壁，并常具刺狀突起，耀縣聶家河剖面; (F)白云石圓球似具厚層殼壁并具刺狀突起，柳林川剖面; (G)白云石化蝕變凝灰?guī)r，局部見(jiàn)密集分布的白云石圓球，局部白云石圓球黃鐵礦化呈球粒狀黃鐵礦狀，部分白云石圓球具有厚殼壁，彬縣水北溝剖面; (H)白云石圓球直徑一般為10～20 μm， 以15 μm左右比較多見(jiàn)， 局部見(jiàn)外殼包裹有機(jī)質(zhì)； 正交偏光下白云石圓球?yàn)閱尉В?具明顯殼壁，彬縣水北溝剖面; (I)油頁(yè)巖富含有機(jī)質(zhì)條帶及白云石圓球，耀縣尖坪溝長(zhǎng)71剖面

除了在碳酸鹽紋層和結(jié)核中廣泛發(fā)育方解石和白云石圓球，在泥頁(yè)巖中，方解石和白云石圓球在局部也密集分布(圖6-I)。

在掃描電鏡之下，球?；?guī)r中方解石呈放射狀、簇狀。白云巖類結(jié)核中，白云石呈他形粒狀，數(shù)量巨大，是構(gòu)成巖石的主要組成部分。白云石圓球絕大部分保存完整，部分表面由菱形白云石構(gòu)成(圖7-B～E)，部分表面非常光滑(圖7-F)，極少量球形不規(guī)則(圖7-A)。方解石圓球全部由菱形方解石構(gòu)成(圖7-G、H)。

3.2 礦物學(xué)特征

對(duì)白云巖類結(jié)核進(jìn)行X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)，白云石有2種類型，一種為含鐵白云石，另一種為鐵白云石，兩者的陰極發(fā)光特征具有非常明顯的差異(圖8)。以含鐵白云石為主的白云巖類結(jié)核中，各類組分的體積分?jǐn)?shù)(φ)為：白云石61.03%～93.62%，平均78.73%；石英6.38%～19.97%，平均10.19%； 長(zhǎng)石0%～6.19%，平均2.59%，以斜長(zhǎng)石為主；含少量方解石；泥質(zhì)0%～13.72%，平均7.26%。在以鐵白云石為主的白云巖類結(jié)核中，各類組分的體積分?jǐn)?shù)為：鐵白云石11.41%～93.12%，平均49.56%；石英6.19%～42.47%，平均17.17%；長(zhǎng)石0%～39.48%，平均8.05%；泥質(zhì)0%～26.17%，平均9.24%；同時(shí)含少量的方解石和較多的黃鐵礦。相比較而言，鐵白云石類的結(jié)核富含長(zhǎng)石和泥質(zhì)。含鐵白云石的有序度平均約0.435，鐵白云石有序度平均0.38。

圖7 鄂爾多斯盆地南緣長(zhǎng)7油層組方解石和白云石圓球粒的掃描電鏡特征Fig.7 The SEM images of Chang-7 spherulitic calcites and dolomites in southern Ordos Basin(A)白云石圓球粒，水北溝剖面； (B)白云石圓球粒，水北溝剖面； (C)白云石圓球粒，霸王莊剖面； (D)白云石圓球，霸王莊剖面； (E)白云石圓球粒，霸王莊剖面； (F)白云石圓球粒， 霸王莊剖面； (G)方解石圓球粒，霸王莊剖面； (H)方解石圓球粒，霸王莊剖面

圖8 鄂爾多斯盆地南緣渭北地區(qū)長(zhǎng)7油層組兩種白云石結(jié)核的X射線衍射和陰極發(fā)光特征Fig.8 The features of X-ray and cathode luminescence of Chang-7 dolostone concretions in Weibei area, Ordos Basin(A)白云石X射線衍射特征，蒼窯-38； (B)鐵白云石X射線衍射特征，柳林川-30; (C)泥晶白云巖，含白云石圓球，巖石整體上發(fā)暗紅色光，水北-4; (D)左側(cè)為貧泥質(zhì)的細(xì)晶白云巖，白云石結(jié)晶粒度較粗大，泥質(zhì)含量很低；右側(cè)為含泥極細(xì)—細(xì)晶白云巖，白云石結(jié)晶粒度較小，泥質(zhì)含量高,二者富含長(zhǎng)石微粒，結(jié)構(gòu)突變面高嶺石含量較高,安子洼-4

在掃描電鏡下觀察，據(jù)10塊樣品的36個(gè)能譜測(cè)試點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，球形微化石的主要組分為MgO和CaO，含少量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)約1%～5%)MnO、P2O5、FeO、Al2O3及SiO2等。所有化石的CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)>45%，并且有5個(gè)測(cè)試點(diǎn)的CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到100%，有12個(gè)測(cè)試點(diǎn)的CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)>80%，而約半數(shù)化石的CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%～80%；MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)則為27%～42%。

3.3 碳氧同位素特征

研究區(qū)12個(gè)樣品的碳、氧同位素值見(jiàn)表1。長(zhǎng)7油層組泥頁(yè)巖中白云石結(jié)核的δ13CV-PDB變化范圍為0.4‰～11.5‰， 平均為6.475‰；δ18OV-PDB變化范圍為-13.6‰～-10.3‰，平均為-12.225‰。上三疊統(tǒng)中從保存比較好的腕足殼體得到的有限的δ13C數(shù)據(jù)的變化范圍為-0.5‰～+3.0‰，δ18O的變化范圍為-3.9‰～-0.6‰[26]；從保存得比較好的珊瑚得到的δ13C數(shù)據(jù)的變化范圍為+2.5‰～+3.5‰，δ18O的變化范圍為-4‰～-2‰[27]。研究區(qū)碳酸鹽結(jié)核的碳同位素絕大部分都高于3.5‰，同時(shí)也高于第四紀(jì)白云石的碳同位素值(圖9框線和橢圓形部分)，而且氧同位素遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該期海洋的氧同位素組成。

表1 鄂爾多斯盆地南緣渭北地區(qū)長(zhǎng)7油層組白云石結(jié)核的碳氧同位素值Table 1 The carbon and oxygen isotopes of dolomite concretions of Chang-7 in Weibei area, Ordos Basin

與微生物代謝活動(dòng)有關(guān)的碳酸鹽礦物具有特殊的碳同位素組成[28-33]，需氧氧化帶、硫酸鹽還原帶和熱成熟帶CO2的δ13C 值相應(yīng)為0‰、-25‰和-15‰[30]，與硫酸鹽還原作用、甲烷厭氧氧化作用及嗜鹽喜氧細(xì)菌有氧呼吸作用有關(guān)的碳酸鹽礦物碳同位素總體呈強(qiáng)烈負(fù)偏[34-40]；而唯獨(dú)發(fā)酵帶CO2可出現(xiàn)13C高度富集的現(xiàn)象，δ13C可達(dá)+15‰[30]，并得到細(xì)菌作用模擬實(shí)驗(yàn)的證實(shí)[32-33]，產(chǎn)甲烷古菌的代謝活動(dòng)可以引起有機(jī)物質(zhì)碳同位素的分餾并形成貧13C 的CH4和富13C 的CO2[32-33,41-42]，與產(chǎn)烷帶甲烷生成作用相關(guān)的碳酸鹽碳同位素則多為正偏[41-43]。盡管強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用也可以導(dǎo)致介質(zhì)碳同位素升高，但是研究區(qū)碳酸鹽結(jié)核碳同位素強(qiáng)烈富集而氧同位素強(qiáng)烈負(fù)偏，同時(shí)長(zhǎng)7油層組烴源巖是一套優(yōu)質(zhì)烴源巖[19-20]，厭氧微生物的活動(dòng)應(yīng)該非?；钴S，因此認(rèn)為研究區(qū)碳酸鹽結(jié)核的碳同位素正偏可能與產(chǎn)烷帶微生物代謝活動(dòng)引起的甲烷生成作用有關(guān)。發(fā)酵帶白云巖一般含鐵，而研究區(qū)白云巖結(jié)核中白云石鐵含量較高，甚至為鐵白云石。

圖9 鄂爾多斯盆地南緣長(zhǎng)7油層組碳酸鹽結(jié)核的碳氧同位素值及第四紀(jì)碳酸鹽礦物碳、氧同位素值[47]Fig.9 The carbon and oxygen isotopes of Chang-7 carbonate concretions in Weibei area, southern Ordos Basin and the carbon and oxygen isotopes of some Quaternary dolomitesTC.銅川霸王莊剖面; CY.蒼窯剖面; NJH.聶家河剖面; AZW.安子洼剖面; SB.水北溝剖面

研究區(qū)白云巖氧同位素組成(16.8‰～20.3‰，平均18.29‰；-13.6‰～-10.3‰，平均-12.225‰)與晚三疊世平均海水氧同位素組成(-3.9‰～-0.6‰[26]；-4‰～-2‰[27])相比強(qiáng)烈負(fù)偏得多。流體氧同位素組成偏重可能是深部來(lái)源熱液流體的一種典型特征[44]。長(zhǎng)7沉積時(shí)期，盆地周圍火山、地震活動(dòng)頻發(fā)，延長(zhǎng)組中廣泛發(fā)育火山灰沉積[45-46]，在研究區(qū)內(nèi)可以找到許多直觀的證據(jù)，特別是研究區(qū)部分白云石與凝灰?guī)r息息相關(guān)，如彬縣水北溝見(jiàn)白云化蝕變凝灰?guī)r(圖6-D、E)。

4 成因探討及研究意義

對(duì)現(xiàn)代厭氧和需氧細(xì)菌的研究表明，微生物活動(dòng)能夠克服低溫(<50℃)白云石形成的動(dòng)力學(xué)障礙[39,44,48-50]。然而，關(guān)于這些研究成果能否解釋古代白云巖的成因仍然爭(zhēng)論不休[51-53]。

a.鄂爾多斯盆地南緣渭北地區(qū)長(zhǎng)7油層組油頁(yè)巖中灰?guī)r和白云巖兩種類型的結(jié)核順層保存于油頁(yè)巖中，未切穿層理，上覆頁(yè)巖層繞過(guò)結(jié)核沉積，可能為成巖早期的產(chǎn)物。結(jié)核中方解石和白云石球粒絕大部分都保存完整，僅偶見(jiàn)球粒破裂變形，因此球粒的形成時(shí)間也較早。

b.渭北地區(qū)長(zhǎng)7油層組油頁(yè)巖中灰?guī)r大多具有放射狀球粒結(jié)構(gòu)，與Brazil和Angola下白堊統(tǒng)鹽前盆地湖相球粒相似[54-55]，可能與有機(jī)酸的存在密切相關(guān)[56]。

c.渭北地區(qū)長(zhǎng)7油層組碳酸鹽結(jié)核和碳酸鹽巖薄層或紋層中方解石球粒和白云石球粒特征非常突出，表現(xiàn)為：①含白云石和方解石圓球的碳酸鹽結(jié)核都富含有機(jī)質(zhì)(圖5-D～L)和較多黃鐵礦(圖6-A～D)。②圓球絕大部分形態(tài)完整，形狀基本都為圓球形。③大都具有晶體腔和黑色的有機(jī)邊緣，絕大部分圓球的黑色有機(jī)邊緣較薄，部分具有較厚的殼壁并具有刺狀突起(圖6-A～E)。④大小比較均一，球粒直徑在10～20 μm之間。⑤大多數(shù)都是在局部密集分布或呈條帶狀分布。⑥白云石圓球普遍富含鐵。這些特征及分布特征與藻類習(xí)性非常相似。

d.長(zhǎng)7油層組泥頁(yè)巖中白云巖結(jié)核的δ13C平均為6.475‰，明顯重于晚三疊世δ13C的變化范圍，與現(xiàn)代沉積剖面發(fā)酵帶和細(xì)菌作用模擬實(shí)驗(yàn)CO2產(chǎn)物可能出現(xiàn)的13C 高度富集的現(xiàn)象相一致。

e.長(zhǎng)7油層組泥頁(yè)巖中白云巖結(jié)核的δ18O遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該期海洋的氧同位素組成。長(zhǎng)7沉積時(shí)期，構(gòu)造活動(dòng)活躍，火山、地震活動(dòng)頻發(fā)，在盆地內(nèi)留下了許多直觀的證據(jù)，研究區(qū)部分白云石與凝灰?guī)r息息相關(guān)，如彬縣水北溝見(jiàn)白云石化蝕變凝灰?guī)r(圖6-D、E)。

雖然與目前已報(bào)道的巴西Paraná盆地二疊系A(chǔ)ssistência組疊層石內(nèi)富含化石的燧石中白云石化的球狀藍(lán)細(xì)菌細(xì)胞[57]和中國(guó)西南地區(qū)二疊紀(jì)-三疊紀(jì)之交微生物巖中球狀斯坦尼爾藻(Stanieria)[58]的細(xì)胞形態(tài)有差別，但綜合以上分析，認(rèn)為鄂爾多斯盆地南緣渭北地區(qū)長(zhǎng)7油層組碳酸鹽結(jié)核和碳酸鹽巖薄層或紋層中白云石圓球的形成可能是藍(lán)細(xì)菌細(xì)胞白云石化的結(jié)果。

泥巖中的結(jié)核通常與有機(jī)質(zhì)分解過(guò)程中產(chǎn)生的成巖礦物有關(guān)[1]，碳酸鹽結(jié)核的發(fā)育往往與有機(jī)質(zhì)含量較高有關(guān)[4]，它們通常是微生物作用的產(chǎn)物[4,7]。長(zhǎng)7油層組富含的碳酸鹽結(jié)核可能指示了其優(yōu)質(zhì)的烴源巖及良好的生烴能力，有機(jī)地化和孢粉分析也都表明長(zhǎng)7油層組優(yōu)質(zhì)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度高，類型好，湖泊生產(chǎn)力極高[59]。

5 結(jié) 論

a.鄂爾多斯盆地南緣渭北地區(qū)長(zhǎng)7油層組油頁(yè)巖中富含灰?guī)r和白云巖兩種類型的結(jié)核，結(jié)核中富含方解石和白云石球粒，絕大部分球粒都保存完整。因此，灰?guī)r和白云巖結(jié)核形成時(shí)間較早，可能是早成巖期間的產(chǎn)物。

b.長(zhǎng)7油層組泥頁(yè)巖中白云石結(jié)核的δ13C明顯重于晚三疊世δ13C的變化范圍，與現(xiàn)代沉積剖面發(fā)酵帶和細(xì)菌作用模擬實(shí)驗(yàn)CO2產(chǎn)物可能出現(xiàn)的13C 高度富集的現(xiàn)象相一致，可能與產(chǎn)烷帶微生物代謝活動(dòng)引起的甲烷生成有關(guān)。

c.綜合巖石學(xué)、礦物學(xué)、碳氧同位素分析認(rèn)為，鄂爾多斯盆地南緣渭北地區(qū)長(zhǎng)7油層組碳酸鹽結(jié)核的形成與產(chǎn)烷帶微生物代謝活動(dòng)有關(guān)，碳酸鹽結(jié)核中方解石和白云石圓球粒的形成可能是藍(lán)細(xì)菌細(xì)胞方解石化或白云石化的結(jié)果。

d.長(zhǎng)7油層組中富含的碳酸鹽結(jié)核指示其為優(yōu)質(zhì)的烴源巖及良好的生烴能力。

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ThecarbonateconcretionsofChang-7andtheirhydrocarbonsignificanceinsouthernOrdosBasin,China

DONG Jie1, HU Zuowei1, YUAN Xiaoqi2, HE Jing2, Li Yun1, WANG Yulong1

1.StateKeyLaboratoryofOil&GasReservoirGeologyandExploitation,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China;2.ResearchInstituteofExplorationandDevelopment,ChangqingOilfieldCompanyofPetroChina,Xi’an710018,China

Carbonate concretions, usually the products of microbial activity, can provide the information of diagenetic processes. On the basis of field investigation, thin section observation, application of scanning electron microscopy, X-ray diffraction and carbon oxygen isotopes, the limestone and dolomite concretions, abundant in the oil shales of Chang-7 (Member 7 of Upper Triassic Yanchang Formation) in Weibei area of the southern Ordos Basin, are studied. It is considered that the limestone and dolomite concretions are products of early diagenesis and the formation of calcite pellets and dolomite pellets is formed early and their features are similar to the algae.δ13C, which evidently heavier than the variation range ofδ13C during late Triassic, indicating that the formation of the carbonate concretions is related to the methane formation resulted from alkane producing and microbial metabolic activity. The formation of calcite pellets and dolomite pellets in the Chang-7 concretions is probably related to microbial activity and the carbonate nodules in the Chang-7 are indicator of favorable source rocks with good hydrocarbon generating capacity.

Ordos Basin; Yanchang Formation; oil shale; carbonate concretions

P588.245; TE122.116 [

] A

10.3969/j.issn.1671-9727.2017.05.06

1671-9727(2017)05-0553-12

2016-12-30。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41302085, 41372113, 41102063); 國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05001, 2011ZX 05044); 高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)新教師類科研基金項(xiàng)目(20135122120006, 20115122120004); 油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究基金項(xiàng)目(PLC201408); 成都理工大學(xué)中青年骨干教師培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(KYGG201532, KYGG201208)。

董杰(1991-)，男，碩士研究生，研究方向：沉積學(xué), E-mail: 635144435@qq.com。

胡作維(1981-)，男，博士，副教授，研究方向：沉積學(xué), E-mail: huzuowei@foxmail.com。