雷家地區(qū)古近系沙四段湖相白云巖成因

劉雪松，賈海燕，韓亞杰，趙會民

1.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，長春 130061；2.吉林大學(xué) 地質(zhì)博物館,長春 130026；3.中國石油長城鉆探工程公司 地質(zhì)研究院, 遼寧 盤錦 124010

0 引言

碳酸鹽巖油藏是一類重要的油藏[1--3]。湖相白云巖在渤海灣盆地古近系沙河街組普遍發(fā)育，且具有較好的油氣勘探價值，其重要性不可忽視。近年來，前人對雷家白云巖油藏從構(gòu)造、儲層、生油和沉積等方面進(jìn)行了深入探討，取得了許多重要認(rèn)識[4--6]，但對白云巖的成因研究較少。筆者通過對研究區(qū)內(nèi)白云巖沉積特征的研究，深入探討湖相白云巖成因機(jī)理、沉積環(huán)境及分布規(guī)律，這對雷家白云巖油藏勘探開發(fā)具有十分重要的科學(xué)意義和實用價值。

1 地質(zhì)概況

雷家地區(qū)位于遼河西部凹陷中段，北鄰高升油田，南靠冷家及曙光油田。構(gòu)造上，雷家地區(qū)以陳家洼陷為主體，自東向西由東部陡坡帶、陳家洼陷和西部斜坡帶組成(圖1)。該區(qū)油氣資源豐富，石油地質(zhì)條件優(yōu)越?？碧匠跗冢准业貐^(qū)在沙四段白云巖中獲得高產(chǎn)工業(yè)油氣流；2000年后，轉(zhuǎn)以沙三下亞段砂礫巖為勘探目標(biāo)；2006年，陳家洼陷雷77井沙四段火山角礫巖中首獲油氣，表明古近系油氣勘探正在向縱深發(fā)展，沙三段—沙四段是雷家地區(qū)油氣勘探的主要目的層系。

圖1 研究區(qū)位置及井位圖Fig.1 Geological map of study area and location of wells

雷家地區(qū)沙四段陸相沉積砂體巖性復(fù)雜，主要有碳酸鹽巖類、砂礫巖類、泥巖和頁巖等，局部發(fā)育火山角礫巖。這些巖性大多不純，碳酸鹽巖中含有一些碎屑巖礦物，碎屑巖中又含有較多的碳酸鹽礦物。

2 沙四段巖石學(xué)及地球化學(xué)特征

2.1 巖石學(xué)特征

碳酸鹽巖碳酸鹽巖類是雷家地區(qū)沙四段主要巖石大類之一，分布于西部斜坡，如雷35井、雷59井等。區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖類主要包括泥質(zhì)白云巖、硅質(zhì)白云巖、藻白云巖、泥晶白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、鮞?；?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r及砂質(zhì)云(灰)巖等。其中，白云巖多呈泥晶結(jié)構(gòu)，微細(xì)水平層理，層厚0.03～0.5 mm。白云石一般與泥質(zhì)(有機(jī)質(zhì))呈紋層狀互層，暗色紋層為富含有機(jī)質(zhì)的黏土層，亮色紋層為純凈的白云石紋層。該巖類發(fā)育溶蝕孔隙及構(gòu)造縫，是油氣藏的主要儲層。

碎屑巖類雷家地區(qū)沙四段碎屑巖類分為砂(礫)巖類和泥質(zhì)巖類。粗粒碎屑巖包括礫巖、砂礫巖、砂巖及粉砂巖，分布在東部陡坡帶，如雷60井、雷42井等。泥巖類包括泥巖、油頁巖，分布于陳家洼陷和西部斜坡，如曙90井、雷30井等。其中砂、泥巖類均不同程度上含有一定量的碳酸鹽礦物，形成如白云質(zhì)(灰質(zhì))砂巖、白云質(zhì)(灰質(zhì))泥巖等。

火山角礫巖類火山角礫巖類分布在臺安—大洼斷層附近，如雷77井、雷63井等。該巖性屬火山沉積巖，快速堆積、顆粒結(jié)構(gòu)混雜。角礫成分主要為玄武巖、粗面玄武巖、玄武質(zhì)粗面安山巖、玄武質(zhì)安山巖、堿玄巖及碧玄武巖等火山碎屑物質(zhì)。部分具碳酸鹽化現(xiàn)象的火山角礫巖層段，油氣顯示良好(圖2)。

a.泥質(zhì)白云巖：雷37井，2 642.8 m,孔洞發(fā)育；b.碳酸鹽化火山角礫巖：雷77井，3 721.83 m；c.紋層狀泥質(zhì)白云巖：雷35井，2 477.9 m，黃褐色白云質(zhì)條帶與黑褐色泥質(zhì)條帶互層；d.紋層狀泥質(zhì)白云巖：雷35井，2 502.6 m。 圖2 雷家地區(qū)沙四段巖性特征Fig.2 Characteristics of petrography of Sha 4 Member in Leijia area

2.2 白云巖地球化學(xué)特征

Ca、Mg是白云巖的主要常量元素。在雷家地區(qū)沙四段白云巖分析樣品中，Ca含量的變化范圍為27.56%～39.47%，平均值為34.83%；Mg含量的變化范圍為9.28%～16.45%，平均值為13.66%；CaO與MgO比值變化范圍為1.68～4.25(表1)，表明碳酸鹽巖主要類型是白云巖類。

表1 雷家地區(qū)沙四段碳酸鹽巖化學(xué)成分表

通過對指示性微量元素變化規(guī)律的研究，可以用來區(qū)別巖石的沉積環(huán)境、判斷古鹽度。尤其是Sr/Ba的比值，可作為判斷古鹽度、區(qū)分淡水和咸水沉積環(huán)境的標(biāo)志。在雷家地區(qū)沙四段白云巖中，微量元素Sr/Ba的比值都>1，介于2.47～5.41(表1)，因此可認(rèn)為沙四段沉積時期的水體應(yīng)為咸水、半咸水環(huán)境。

3 白云巖形成機(jī)理

白云質(zhì)巖類是區(qū)內(nèi)白云巖油藏形成的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。目前，經(jīng)過“白云巖化”作用形成白云巖已逐漸成為主流觀點，并提出了各種得以實現(xiàn)白云巖化的模式，如同生白云巖、準(zhǔn)同生白云巖、成巖白云巖和后生白云巖等成因類型[7--8]。雷家地區(qū)沙四段白云巖也是“白云巖化”的產(chǎn)物，主要屬于成巖埋藏白云巖和準(zhǔn)同生白云巖。

3.1 成巖埋藏白云巖

成巖埋藏白云巖是指沉積物(即早期生成的灰?guī)r或白云石，這種白云石常富含F(xiàn)e)被埋藏以后，在高溫、高壓條件下，黏土礦物會發(fā)生轉(zhuǎn)化，并釋放出Mg2+，其生成白云石所需的Mg2+來自泥巖。在壓實作用下，Mg2+靠殘余孔隙流體和成巖作用過程中產(chǎn)生的流體運(yùn)移到灰?guī)r中，進(jìn)而形成白云巖[9--10]。區(qū)內(nèi)與泥巖互層的白云巖多形成于埋藏白云巖化作用，如泥質(zhì)白云巖(圖3a)。與此類似的還有在東部陡坡帶扇三角洲邊緣、靠近洼陷區(qū)域發(fā)育與白云質(zhì)(或灰質(zhì))細(xì)砂巖互層的泥質(zhì)白云巖，如雷62井(圖3b)。

a.雷59井泥質(zhì)白云巖與泥巖互層;b.雷62井泥質(zhì)白云巖與灰質(zhì)砂巖互層;c.高19井泥質(zhì)白云巖與鮞狀灰?guī)r互層;d.高601井泥質(zhì)白云巖與油頁巖互層。圖3 雷家地區(qū)沙四段白云巖產(chǎn)出特征Fig.3 Occurrence feature of lacustrine dolostone in Sha 4 Member in Leijia area

3.2 準(zhǔn)同生白云巖

準(zhǔn)同生白云巖其原理為毛細(xì)管濃縮作用(蒸發(fā)泵作用)[11--12]，是指碳酸鈣剛剛形成，即被白云石交代而形成的白云巖。雷家地區(qū)發(fā)育的藻云巖和與假鮞?；?guī)r互層的白云巖多為準(zhǔn)同生白云巖，如高19井(圖3c)。湖水中的古生物死亡后形成以碳酸鈣為主的生物灰?guī)r。古近紀(jì)時期，渤海灣盆地(包括雷家地區(qū))可能與外海有過短暫的溝通[13]，導(dǎo)致湖水中Mg2+的相對濃度不斷增加。這些來自海水中的Mg2+交代了早期生物灰?guī)r中的Ca2+，形成分布于生物灘和鮞粒灘之間湖灣區(qū)的準(zhǔn)同生泥晶白云巖。

另一類準(zhǔn)同生白云巖是與褐色油頁巖共生的白云巖。此類白云巖主要分布于遠(yuǎn)離物源的中西部地區(qū)，如高601井、雷1井和雷55井等(圖3d)。在湖平面上升時期，水深加深，生物死亡速率加快，提高了有機(jī)質(zhì)堆積速度，形成油頁巖；在湖平面下降時期，生物死亡速率恢復(fù)平穩(wěn)，陸源碎屑物質(zhì)供應(yīng)減少，在準(zhǔn)同生白云巖化作用下，形成泥(粉)晶白云巖和泥質(zhì)白云巖(圖4)。

圖4 雷家地區(qū)西部斜坡沙四段碳酸鹽巖成因模式圖Fig.4 Genetic model of carbonate rocks in Sha 4 Member in western slope of Leijia area

綜上所述，本區(qū)白云巖的成因機(jī)理主要有準(zhǔn)同生白云巖化和埋藏白云巖化。比較而言，應(yīng)以準(zhǔn)同生白云巖化為主。其理由如下：

首先，在準(zhǔn)同生成巖環(huán)境中，由于Mg2+快速置換了Ca2+，使白云石晶出時間變短，造成白云石的晶形細(xì)小,自形程度差,有序度低[14]。本區(qū)白云石屬于低有序度白云石。白云石的結(jié)晶特征顯示，泥質(zhì)白云巖或是純白云巖都以泥晶或微晶為主。其次，有學(xué)者曾計算過，如果要使一立方分米的灰?guī)r白云巖化，就要求好幾百立方米的頁巖受到壓實改造才能產(chǎn)生足夠的白云巖化流體，表明埋藏白云巖化只能在局部范圍發(fā)生，其白云巖化的規(guī)模也比較有限。因而，雷家地區(qū)沙四段白云巖的形成應(yīng)以準(zhǔn)同生白云巖化作用為主[15]。

4 沙四段沉積環(huán)境及分布規(guī)律

4.1 沉積環(huán)境

本區(qū)白云巖礦物成分中白云石純度偏低，泥質(zhì)及有機(jī)質(zhì)含量偏高。自生礦物除黃鐵礦外，還有膠磷礦，說明在組成巖性的礦物上，雷家地區(qū)水的性質(zhì)為堿性。本區(qū)白云巖多為層狀，晶體可常見紋理和韻律層理(白云巖與泥質(zhì)或有機(jī)質(zhì)交互)。巖心觀察可見生物攪動、泥裂及包卷層理等構(gòu)造，說明沉積時水較淺。而淺水中常常是各種生物生息繁衍的主要場所。經(jīng)光合作用，將消耗水中大量CO2，從而加快OU-和游離氧的結(jié)合，使水中Ca2+、Mg2+活度大大提高，進(jìn)而促進(jìn)HCO3-分解，形成碳酸鹽沉淀下來。在多雨季節(jié)，陸上水系將不斷注入湖水，加之碎屑供給使湖面上升，這時多為泥質(zhì)沉積；在干旱炎熱季節(jié)，蒸發(fā)量大，湖面降低水介質(zhì)礦化度提高而顯弱堿性，此時則是白云巖沉淀的有利時期。

粒屑灰?guī)r(包括鮞狀、假鮞灰?guī)r)沉淀除滿足水介質(zhì)維持CaCO3沉淀的臨界狀態(tài)外，還必須要求水體處于不停地攪動狀態(tài)之中。在攪動的時間和空間條件充許下，發(fā)生層狀沉淀，緩慢地形成鮞粒。本區(qū)高升油層中多為假鮞或表鮞，核由生物泥、陸源碎屑組成，經(jīng)波浪往復(fù)拖顯曳于水底滾動而成，應(yīng)為近岸淺水環(huán)境。

以上特征說明，近岸、氣候較干旱及水介質(zhì)應(yīng)呈弱堿--堿性(pH>8)的沉積環(huán)境是白云巖形成的有利條件。

4.2 沉積背景及分布規(guī)律

在東陡西緩的構(gòu)造格局下，雷家地區(qū)不同構(gòu)造部位巖石組合類型不同。晚白堊世晚期—古近紀(jì)早期，由于太平洋板塊俯沖方向由NNW轉(zhuǎn)為NW，郯廬斷裂帶由左旋擠壓為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐訬W--SE方向的水平拉張為主[16]。此時，遼河地區(qū)熱地幔上拱，地殼拉伸變薄，形成以臺安—大洼斷層為代表的一系列NE走向高角度、深切割、大型伸展正斷層。同時，基性巖漿沿斷面上涌且噴出地表，在雷家地區(qū)形成巨厚的玄武巖巖被，構(gòu)成了沙四段沉積古地貌背景。始新世沙四段沉積時期，臺安—大洼斷層活動加劇，拉伸幅度加大，雷家地區(qū)形成以陳家洼陷為沉積中心的半封閉湖灣和平緩寬闊的濱淺湖環(huán)境。此時，氣候干旱炎熱，湖盆寬闊寧靜，西部斜坡地勢平緩而相帶寬，水動力微弱，水質(zhì)呈弱堿--堿性。在玄武巖臺地，湖水中的古生物死亡后形成以碳酸鈣為主的生物灰?guī)r。因與外海有過短暫溝通，導(dǎo)致湖水中Mg2+的相對濃度不斷增加。這些來自海水中的Mg2+交代了早期生物灰?guī)r中的Ca2+，形成了準(zhǔn)同生泥晶白云巖；部分與泥巖接觸的灰?guī)r則發(fā)生埋藏白云巖化作用。雷家地區(qū)沙四段巖性分布平面特征表明(圖5)，從陳家洼陷至西部斜坡，沙四段巖性依次發(fā)生漸變：白云質(zhì)泥巖和泥巖發(fā)育于半深湖--深湖的沉積中心，泥質(zhì)白云巖和白云巖發(fā)育于濱淺湖的斜坡區(qū)域，粒屑灰?guī)r發(fā)育于近岸水下隆起周圍。即從湖區(qū)向濱岸，巖性依次由泥巖、白云質(zhì)泥巖和泥質(zhì)白云巖漸變?yōu)榘自茙r，在湖平面上升的最大時期則發(fā)育油頁巖沉積。同時，受當(dāng)時碳酸鹽含量較高的湖水水質(zhì)的改造，在東部陡坡附近沉積了成分不純、含碳酸鹽的砂礫巖；在臺安—大洼斷層附近，上地幔噴發(fā)的火山碎屑物質(zhì)沉入湖中形成碳酸鹽化的火山角礫巖堆積。這些在特定地質(zhì)條件下形成的白云巖類、砂礫巖類和碳酸鹽化的火山角礫巖類構(gòu)成了雷家地區(qū)沙四段類型多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的油氣儲層。

圖5 雷家地區(qū)沙四段巖性分布圖Fig.5 Distribution of lithology of Sha 4 Member in Leijia area

5 結(jié)論

(1)雷家地區(qū)沙四段陸相沉積砂體巖性復(fù)雜，主要有碳酸鹽巖類、砂礫巖、泥巖及頁巖等，局部發(fā)育火山角礫巖。其中，碳酸鹽巖以白云巖類為主。

(2)雷家地區(qū)白云巖成因?qū)儆跍?zhǔn)同生白云巖和成巖埋藏白云巖(以準(zhǔn)同生白云巖為主)，且近岸、氣候較干旱、水介質(zhì)呈弱堿--堿性的沉積環(huán)境是白云巖形成的有利條件。

(3)雷家地區(qū)不同構(gòu)造部位巖石組合類型不同，沙四段巖性分布規(guī)律顯示：從陳家洼陷至西部斜坡，白云質(zhì)泥巖和泥巖發(fā)育于半深湖--深湖的沉積中心；泥質(zhì)白云巖和白云巖發(fā)育于濱淺湖的斜坡區(qū)域；粒屑灰?guī)r發(fā)育于近岸水下隆起周圍。同時，在東部陡坡附近沉積了含碳酸鹽的砂礫巖；在臺安—大洼斷層附近堆積了碳酸鹽化的火山角礫巖。