中國南海西沙地區(qū)西科1井中新統(tǒng)梅山組 白云巖特征及成因

銀 河,王亞輝,劉 娟,時志強,張道軍

[1.成都理工大學 沉積地質(zhì)研究院，四川 成都 610059； 2.中海石油(中國)有限公司 湛江分公司，廣東 湛江 524057]

南海具有較為特殊的構(gòu)造背景，其位于3大板塊(太平洋、亞歐及印-澳板塊)交匯處，因其構(gòu)造特殊性決定了其生物礁生長發(fā)育有“東早西晚、南早北晚”的特點[1-2]。西沙地區(qū)新生界碳酸鹽巖發(fā)育，連續(xù)沉積的礁相碳酸鹽巖中主微量元素及同位素均具有分段性，對古氣候變化、青藏高原的隆升、火山活動和古海洋事件的研究起到了很好的側(cè)面響應作用[3]。西沙地區(qū)的生物礁最早發(fā)育在中新世早期，由于其處于獨特的地理位置(赤道與北緯30°之間)，很適合生物礁的生長，因此也稱西沙地區(qū)是“地球上最好的實驗室”[4-8]。受地質(zhì)構(gòu)造、海平面升降及古環(huán)境古氣候等因素的影響，西沙地區(qū)的生物礁的發(fā)育特點、儲層物性以及成巖過程均有差異性[9]。

西科1井作為南海取心完整、取心率高的科學鉆井[10]，對中國在南海區(qū)塊油氣勘探有重要的借鑒意義，同時對新生界碳酸鹽巖研究有理論意義。到目前為止，前人對西沙地區(qū)白云巖的成因有了一定的研究[11-18]，他們均以大套較純的白云巖層為研究背景進行討論，而梅山組不僅有較厚的純白云巖層，還包含有灰質(zhì)白云巖與白云質(zhì)灰?guī)r互層，疙瘩狀白云巖在松散的灰?guī)r中產(chǎn)出(本文統(tǒng)稱其為薄層白云巖)，梅山組白云巖中含更為豐富和更為復雜的白云巖化地質(zhì)信息，值得深入探討。

1 地質(zhì)背景

南海地處中國南部，是被大陸與島嶼包圍呈菱形的特殊邊緣海[19-22]。由于其特殊的構(gòu)造地理位置，使其長時間經(jīng)歷了板塊構(gòu)造的影響[23-24]，地質(zhì)演化的特征也相對復雜。南海區(qū)塊于泥盆紀早期，由古特提斯洋的出現(xiàn)和岡瓦納古陸東北部的裂解所形成，并向北漂移到現(xiàn)在地理位置附近[25]。而后在新生代早期又受到其北部陸殼強烈的拉張作用，使得早期基底破壞嚴重，表現(xiàn)出東部向陸俯沖，北部拉張，西部剪切與拉張，南部則擠壓嚴重的構(gòu)造現(xiàn)象，相對來說南海東部的大陸邊緣比西部拉伸作用更強[26-28]。同時，由于南海經(jīng)歷了多期的構(gòu)造運動影響，現(xiàn)今對盆地新生代基底的認識還存在爭議[29-31]。

西沙群島由40余個灘、礁、島、砂洲等組成，構(gòu)成了中國南海地區(qū)陸地面積最大的群島[7,26]。西沙地區(qū)屬于隆起區(qū)，海水相對較淺，基底之上的沉積地層較薄[32](圖1)，其也是遠離大陸的一個孤立碳酸鹽巖臺地，受陸源物質(zhì)的影響較小[33]，這也預示著更多地受到古海洋化學條件的影響。西沙群島具有緯度低、溫度適中、表層海水鹽度高、生物種類繁多等特點，這些都有利于該區(qū)碳酸鹽巖沉積及大規(guī)模成礁[14-15]，因此晚漸新世至今均能見到生物礁發(fā)育[10,34]。

迄今為止西沙地區(qū)共有5口取心井，分別為西永1井(完鉆井深1 384.68 m)，西永2井(井深600.02 m)、西石1井(井深200.63 m)、西琛1井(井深802.17 m)和西科1井(井深1 257.52 m)。前人對這些井的新生界碳酸鹽巖巖石學特征[35-37]、層序地層[38-39]、古土壤與古氣候[11,40]、古環(huán)境[41]、古生物[42-43]、碳酸鹽臺地演化[44]等均有一定的認識，并通過對西科1井基底之上碳酸鹽沉積物研究建立起生物礁生長模型及9個三級層序沉積演化序列[10,38]。其δ13C曲線的變化與全球的主要大洋有較好的一致性[45]，說明南海海平面變化受到全球及區(qū)域構(gòu)造沉降的影響[12,35,44]，島礁的發(fā)育很大程度上受到導致海平面變化的古氣候的影響[13]。

2 研究方法

本次研究所應用的微觀薄片為0.5 m間隔內(nèi)至少取1個樣品，初步鑒定出白云巖與灰?guī)r。碳酸鹽巖元素分析測試則根據(jù)巖石的產(chǎn)出層位、固結(jié)程度以及巖石顏色等宏觀特征來選取測試樣品，以選取白云巖樣品為主，樣品盡量覆蓋到梅山組每一個白云巖層。準確判定其巖性參照高福紅等(2017)計算方法，根據(jù)MgO及CaO含量計算出方解石和白云石的質(zhì)量分數(shù)后定名。碳、氧同位素分析測試主要由中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所完成，使用MAT-253同位素質(zhì)譜儀，參比標準為GBW-04405，δ13C(PDB)測試值標準偏差小于0.040，δ18O(PDB)測試值標準偏差小于0.080。

主、微量元素數(shù)據(jù)主要由中國科學院海洋研究所提供測試，按上述選樣要求挑選新鮮巖石樣品，經(jīng)瑪瑙缽均勻碾磨至200目以下并送樣測試分析。常量元素由X-射線熒光光譜分析方法(XRF)，采用儀器為荷蘭的PA Nalytical PW2424型光譜儀，在大批量測樣前，稱取3份樣品進行試樣，以確定其硫元素(S)含量是否小于3%，梅山組樣品符合S小于3%的要求。另取

一份試樣預干燥后，加入助溶劑充分混合使其高溫熔融，最后將熔融物導入鉑金模子中形成變頻玻璃片后用X-射線熒光光譜儀分析，再取一份試樣放入馬弗爐中以1 000 ℃的高溫加熱1 h，待其冷卻后稱重，以確定樣品的燒失量，并且參比GBW07120，測得的元素精密度控制在相對標準偏差小于5%，準確控制相對誤差小于2%，最終結(jié)果符合測試相關(guān)要求。微量元素采用電感耦合等離子體質(zhì)譜方法(ICP-MS)在中國科學院青島海洋研究所進行測試，采用美國Gilent 7 700×儀器，將稱取的40 mg樣品進行溶酸處理，采用的是1∶10的氫氟酸與硝酸的混合溶液，在充分溶解后將其蒸干并加入稀硝酸定容，定容以后用ICP-MS進行分析，測得元素誤差范圍控制在10%以內(nèi)。為保證實驗的精確性，采用內(nèi)標溶液、由平行樣和空白樣等方法手段控制其精度。

3 白云巖巖石學特征

3.1 宏觀特征

西科1井中中新統(tǒng)梅山組(井深576.50～1 032.46 m)分為上、下兩段[46]：梅山組一段(梅一段)井深為576.50～758.40 m，梅二段為758.40～1 032.46 m。梅山組上覆地層為黃流組二段(黃二段)白色、灰白色及土黃色云巖。梅一段發(fā)育礁灰?guī)r、生屑灰?guī)r以及礁云巖，顏色主要以灰白色、棕褐色為主。梅二段主要發(fā)育灰黃色、灰白色白云巖，灰白色灰?guī)r。梅山組灰?guī)r固結(jié)程度由松散到半固結(jié)，白云巖則固結(jié)程度相對較好，因此很好將白云巖與灰?guī)r區(qū)分開。梅山組下伏地層為三亞組一段，其主要巖性為灰白色、土黃色、褐紅色白云巖，疑與古暴露面有關(guān)(圖2)。

本次研究將單層白云巖厚度大(累計厚度大于15 m)，且白云石平均含量大于75%，視為厚層白云巖；將單層白云巖(或為灰質(zhì)白云巖)厚度較小、白云石平均含量變化大(大于75%或在50%～75%)的巖層，視為薄層白云巖。西科1井中中新統(tǒng)梅山組主要發(fā)育3套厚層白云巖，2套薄層白云巖，由于第2套薄層白云巖厚度較小，因此將兩套薄層白云巖統(tǒng)稱為薄層白云巖(圖2)，從柱狀圖中可以看出，白云巖的厚度與出現(xiàn)的井深、出現(xiàn)的頻率均無良好的相關(guān)性，可判定埋深對其作用較弱。白云巖層不同程度地發(fā)育珊瑚、雙殼以及腹足等生物碎屑(圖3e)。第1套厚層白云巖主要發(fā)育在梅一段中、上部(井深615.20～636.96 m，累計厚度21.76 m)，白云巖主體呈灰白色、棕黃色，可見棕褐色砂糖狀白云巖及其斑塊，孔隙、裂隙較為發(fā)育，巖心表面清晰可見(圖3b，c)。第2套厚層白云巖發(fā)育在梅二段頂部(井深758.4～775.9 m，累計厚度17.5 m)，顏色呈灰黃色、灰白色、棕褐色，固結(jié)程度高，溶蝕孔洞較為發(fā)育，底部見褐色鐵質(zhì)侵染的細小裂縫，生屑鑄?？纵^為發(fā)育，該白云巖層頂部發(fā)育黃色及褐色不規(guī)則狀條帶(圖3d)，局部溶蝕孔洞發(fā)育(圖3f)，其中下部發(fā)育灰白色砂糖狀白云巖，局部呈灰棕色，質(zhì)地堅硬，孔隙發(fā)育且不均勻(圖3g)，該套白云巖整體由上及下白云石含量減少，而方解石含量增多，直至以白色、褐白色生屑灰?guī)r為主，夾淺棕色、灰色白云巖斑塊，白云巖含量小于5%，灰?guī)r中鑄?？滓草^為發(fā)育。第3套厚層白云巖發(fā)育在梅二段中、下部(井深964.96～1 025.06 m，累計厚度60.10 m)，主體為白色、灰白色白云巖，孔隙較為發(fā)育，局部溶蝕孔隙發(fā)育呈蜂巢狀(圖3k)，白色白云巖層中見黑色條帶狀物質(zhì)(圖3l)，其底部發(fā)育淺褐色白云巖，褐色云巖局部呈條紋狀，可能為古暴露面之上的海侵沉積。

薄層白云巖發(fā)育在梅二段中部(井深896.70～910.72 m，累計厚度14.02 m；井深936.26～940.06 m，累計厚度3.8 m)發(fā)育白色-灰白色灰質(zhì)云巖及白色白云巖，白云巖層相對灰?guī)r層更堅硬，而灰?guī)r層弱固結(jié)、較為松散，因此肉眼便可大致區(qū)分，(含灰、灰質(zhì))白云巖層中局部可見黑色條帶狀物質(zhì)浸染，局部發(fā)育棕黃色斑塊，生物鑄?？装l(fā)育(圖3i，j)。云質(zhì)灰?guī)r固結(jié)程度松散-半固結(jié)，偶見棕黃色白云石晶體出現(xiàn)于白云巖斑塊中，而白色灰?guī)r則更趨松散，固結(jié)程度較差(圖3h)。

3.2 微觀特征

3套厚層白云巖主要以粉晶-細晶白云石組成(圖4b,g,h,j,k)，白云石晶體為半自形-自形，晶體較為明亮的為平直面自形晶，發(fā)育在孔隙或基質(zhì)中，每層白云巖中均可見霧心亮邊白云石，白云石總體看起來較污濁(圖4e,g—i)?？紫遁^為發(fā)育，主要為生物鑄模孔、生物格架孔以及晶間孔，孔隙周邊可見較干凈明亮的白云石(圖4a,d,g,i,j,l)。第2套厚層白云石晶體大小相對較粗，總體以細晶為主(圖4e)，白云石的含量及大小均有向下變小、變少的趨勢。整個白云巖層中的灰質(zhì)云巖普遍發(fā)育白云巖化不徹底現(xiàn)象和去白云巖化等現(xiàn)象(圖4c,f)。白云巖層不同程度地發(fā)育生屑(以雙殼、藻團塊、棘皮及有孔蟲為主)，且生屑白云石化程度不一，紅藻及棘皮類生物碎屑白云石化作用比有孔蟲更徹底(圖4f)，白云巖層中白云巖厚度及白云石發(fā)育程度一定程度受到了紅藻含量控制，顯示出紅藻在白云石化過程里更易、更早發(fā)生白云石交代作用(圖4l)。第3套厚層白云巖中紅藻、棘皮類碎屑含量最高，其厚度也相對較厚。

值得注意的是在兩套薄層白云巖中僅發(fā)育1 m左右的較純粉晶云巖(圖4g)，發(fā)育生物鑄模孔且少見殘余生屑，白云石化較為徹底，而在其附近層位可見有孔蟲、紅藻等白云石化不徹底(圖4f)(這一現(xiàn)象在薄層白云巖上覆及下伏巖層中也普遍發(fā)育)，但在其孔隙或者基質(zhì)中可見較大晶形(粉晶-細晶)的白云石，且晶體干凈明亮、自形程度較好、呈平直晶面(圖4k)，在部分白云石中見沿解理面發(fā)育去白云化現(xiàn)象。梅山組整體看來白云石的晶粒大小有向下增大的趨勢，可能是受到地溫梯度的影響[12,48]。

3.3 地球化學特征

3.3.1 主、微量元素

西科1井梅山組共測94件樣品，其MgO與CaO含量具有負相關(guān)性，鍶元素含量在45×10-6～586×10-6，平均值為223.38×10-6；鐵元素在2×10-6～861.25×10-6，平均值為90.61×10-6；錳元素含量為3.4×10-6～39.39×10-6，平均值為11.72×10-6。其中619.14 m處白云石，測得鐵元素值為30 276×10-6，測得錳元素值為403×10-6，掃描電鏡下見其孔隙中含有較多的鐵、錳質(zhì)物質(zhì)，可能與古暴露有關(guān)。碳酸鹽巖微量元素數(shù)據(jù)總體呈現(xiàn)出低鐵、低錳和中等含量鍶的特點(圖2)，由此可知其當時處于氧化條件下，成巖環(huán)境總體上來說屬于相對封閉[49-50]。Mn/Sr可確定成巖蝕變的強弱，錳與鍶之間的比值越小說明其成巖蝕變越低，一般認為Mn/Sr小于2則受到的成巖蝕變較小或未受到成巖蝕變的影響[51]，研究區(qū)Mn/Sr均小于1，證明其受到成巖蝕變較弱。通過對4套白云巖的主微量元素統(tǒng)計可看出,各層白云巖樣品的Sr、Fe和Mn的含量都非常接近，都具有低鍶、低鐵及低錳含量的特點，且灰?guī)r與白云巖的Mn和Fe元素具有相似的區(qū)間值(表1;圖2)，說明這4層白云巖的流體性質(zhì)非常相似，顯示其白云巖化流體應為相似的來源；從Ca/Mg的值也可以看出薄層白云巖的純度不高。梅山組的灰?guī)r樣的Sr元素平均值為224.32×10-6，而白云巖層與灰?guī)r層相比具有較低的Sr值，可能由于白云巖化作用引起，因為Sr元素只能取代白云石中的Ca，而Mg是無法取代的，這使得導致它在白云石中的分配系數(shù)低，因此出現(xiàn)低值[52]。

3.3.2 碳、氧同位素

本次測試梅山組樣品共94件，其中792.4 m深度的碳同位素數(shù)據(jù)達8.759‰，與附近值有極其明顯的差距(圖2)，猜測是實驗過程操作失誤造成的，因此將其不予討論。碳同位素變化范圍在-4.788‰～3.176‰，平均值為1.710‰；氧同位素變化范圍在-7.021‰～4.619‰，平均值為-0.296‰，且根據(jù)Keith(1964)提出的δ18O和δ13C值二者結(jié)合起來可用于指示流體的古鹽度大小(Z值)，即Z=2.048(δ13C+50)+0.498(δ18O+50)，正常海水的Z值為120左右，Z大于120則顯示為海水成巖環(huán)境，而梅山組的值均大于120，均值為127.3，說明其成巖環(huán)境為海水環(huán)境。碳同位素與氧同位素相關(guān)系數(shù)的平方為0.58，具有一定的相關(guān)性(圖5c)，而白云巖共27件樣品處于較高值區(qū)域居多，并且碳、氧同位素值完全缺乏相關(guān)性，表明在白云巖化過程中巖漿來源流體亦或生物產(chǎn)生的有機酸對其沒有產(chǎn)生影響。氧同位素值與MgO含量有很好的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)的平方達0.67，而碳同位素值與MgO含量的相關(guān)性較差(R2=0.24)，表明氧同位素在白云巖化過程中表現(xiàn)得更為敏感(圖5a,b)。

圖3 西沙地區(qū)西科1井梅山組白云巖宏觀特征Fig.3 Macroscopic characteristics of the dolostones in the Meishan Formation in Well XiKe 1,Xisha Islandsa.中中新統(tǒng)梅一段，埋深582.40 m，半固結(jié)淡黃色灰?guī)r中見厘米級方解石結(jié)核；b.梅一段，灰色白云巖，埋深627.90 m，堅硬，生屑及孔隙發(fā)育，局部可見黃棕色斑塊；c.梅一段灰棕色白云巖，埋深628.70 m，截切面孔隙發(fā)育，且不規(guī)則分布；d.梅二段頂部灰色白云巖，埋深758.97 m，發(fā)育黃色及褐色不規(guī)則狀條帶，溶蝕孔洞及小裂縫均可見，推測與古暴露面有關(guān)，另見古喀斯特溶解現(xiàn)象；e.梅二段棕灰色白云巖，埋深762.45 m，可見生物礁發(fā)育；f.梅二段近頂部灰白色砂糖狀白云巖，埋深764.77～764.92 m，局部孔洞發(fā)育處白云石呈灰棕色；g.梅二段灰棕色砂糖狀白云巖，埋深769.80 m，局部可見孔隙及裂縫發(fā)育；h.梅二段云質(zhì)灰?guī)r，埋深895.60 m，固結(jié)程度松散-半固結(jié)，白云巖呈疙瘩狀；i.梅二段灰白色白云巖，埋深898.48 m，微孔隙發(fā)育，且可見棕色斑塊；j.梅二段白色白云巖，埋深899.28 m，孔洞發(fā)育，發(fā)育黑色物質(zhì)(黑錳礦？)，生屑較為發(fā)育；k.梅二段白色白云巖，埋深989.16 m，孔隙較為發(fā)育卻發(fā)育錳質(zhì)黑色礦物條帶，溶蝕孔隙發(fā)育呈蜂巢狀；l.梅二段白色白云巖，埋深1 003.95 m，孔洞發(fā) 育，其下部褐色云巖局部呈條紋狀，推測為不整合面(古暴露面)之上的海侵沉積

表1 西沙地區(qū)西科1井梅山組不同層位主、微量元素值范圍
Table 1 Range of major and trace element concentration values in different units ofthe Meishan Formation in Well XiKe 1,Xisha Islands

白云巖層位件數(shù)CaO/%MgO/%Sr/10-6TFe/10-6Mn/10-6第1套厚層1034.06～37.19/345.6415.08～18.66/18.0645.0～152.0/118.637.0～362.0/139.03.6～19.0/7.4第2套厚層633.30～39.00/34.8514.10～19.00/16.89139.0～226/184.515.0～210.0/80.37.1～17.0/11.5薄層433.70～36.80/34.9018.55～18.70/17.0290.0～159.0/140.319.0～210.0/92.39.0～16.0/13.3第3套厚層733.90～38.62/35.6014.13～18.59/17.02127.0～242.0/166.514.0～248.6/96.710.0～20.1/15.4

注：表中數(shù)據(jù)為最小值～最大值/平均值。

圖5 西沙地區(qū)西科1井梅山組碳酸鹽巖碳、氧同位素特征Fig.5 Carbon and oxygen isotopic values of carbonate rocks in the Meishan Formation in Well XiKe 1,Xisha Islandsa.MgO含量與δ13C(PDB)的相關(guān)性；b.MgO含量與δ13O(PDB)的相關(guān)性；c.不同巖性下δ13C(PDB) 與δ13O(PDB)的相關(guān)性；d.不同層位白云巖及灰質(zhì)云巖δ13C(PDB)與δ18O(PDB)的相關(guān)性

梅山組94件碳、氧同位素數(shù)據(jù)中，白云巖共32件(其中位于4套白云巖層中的27件)，灰?guī)r48件，灰質(zhì)云巖8件和云質(zhì)灰?guī)r樣品6件(表2)。由表中數(shù)據(jù)可以看出，4套白云巖層的碳、氧同位素值明顯與灰?guī)r中的不同，白云巖層中的碳、氧同位素值整體均為正值(圖5d)，而灰?guī)r中的碳、氧同位素值整體更傾向于負值，白云巖中碳同位素表明白云巖化過程中對原始灰?guī)r中碳的繼承性。巖石的白云巖化過程會使較輕的氧在其作用過程中排出，而相對來說重的氧富集，因而從灰?guī)r到白云巖，隨白云巖化作用的增強，其氧同位素的值也更趨向于正值[52]。白云巖化層段碳同位素的值與現(xiàn)代海洋中碳酸鹽巖沉積的碳同位素較為接近，恰好落入新近系全球海相碳酸鹽巖的范圍內(nèi)[53-54]，在中新世全球普遍溫度較低[16]，其恰恰處在南極冰蓋擴張期。梅山組27件白云巖的氧同位素值在一定程度上高于上覆及下伏灰?guī)r的氧同位素值，根據(jù)實驗室模擬測定，每增加1%摩爾濃度的鎂，其δ18O(PDB)值增加大概0.05‰～0.14‰[55-56]，因此梅山組白云巖比灰?guī)r的δ18O(PDB)值高。

表2 西沙地區(qū)西科1井梅山組不同層位碳、氧 同位素值范圍Table 2 Range of carbon and oxygen isotope values at different units of the Meishan Formation in Well XiKe 1, Xisha Islands

注：表格中數(shù)據(jù)為最小值～最大值/平均值。

圖6 經(jīng)球狀隕石標準化以后西科1井的白云巖平均 稀土元素曲線Fig.6 Average REE curves of dolostones after normalization by globular vermiculite in Well XiKe 1(第1套厚層白云巖數(shù)據(jù)來源于文獻[12]，其余數(shù)據(jù)來源于本文。)

3.3.3 稀土元素

稀土元素在成巖過程及其他作用過程中有較好的“一致性”，使其受成巖作用的影響非常小[57]，因此可提供巖石成巖過程中的環(huán)境條件信息，進而可以分析巖石的成因[16,58-60]。對于碳酸鹽巖的成因方面主要研究流體稀土元素的含量及其模式，對沉積巖稀土元素研究可通過稀土元素含量及配分形式以獲得其不同時代及物質(zhì)來源信息。例如海水中的重稀土元素相對北美頁巖(NASC)或太古宙頁巖(PAAS)標準值較富集，而Ce表現(xiàn)出明顯虧損，Eu弱虧損；稀土元素的金屬性也較強，Ce和Eu的變價離子可用來判別沉積物沉積時所處的環(huán)境和成巖流體性質(zhì)，氧化環(huán)境中Ce為負異常，低溫堿性環(huán)境中則表現(xiàn)出Eu負異常[61-62]。對梅山組白云巖稀土進行統(tǒng)計可見白云巖層有相似的趨勢，其具有低Ce、低Eu的特征，將稀土元素標準化后作圖(圖6)，顯示出其主要為氧化環(huán)境低溫堿性海水。

4 討論

4.1 白云巖成因模式探討

前人對西沙地區(qū)新生界白云巖成因研究包括：混合水成因藻礁白云巖作用[63-64]、冰期濃縮水和后期巖漿活動相關(guān)的熱水作用[65]、疊加了構(gòu)造相關(guān)的熱流體作用的滲透回流機制[12,17,48]以及古氣候的變化間接控制(可能是西科1井白云巖的重要形成原因)等[13,39,61]。梅山組未發(fā)現(xiàn)與強蒸發(fā)相關(guān)的膏鹽層，而其鹽度略高于正常海水，表明其處于蒸發(fā)強度較弱的環(huán)境，白云石以粉晶-細晶為主，多為平直自形-半自形晶，部分層位發(fā)育不同程度的霧心亮邊白云石，且在其孔隙中多有較大晶體的膠結(jié)物白云石沉淀，梅一段和梅二段均可見砂糖狀白云巖，一般認為是滲透回流白云巖成因特征[12,48,65-67]。梅山組碳酸鹽巖碳、氧同位素值整體具有一定的相關(guān)性，但白云巖層的碳、氧同位素值卻毫無相關(guān)性，說明大氣淡水及有機質(zhì)等流體沒有參與相關(guān)白云巖化過程[48]。梅山組白云巖層的碳、氧同位素均傾向于正值(圖2，圖5)，均在不同程度上高于該層位附近的灰?guī)r樣品值，這與Fouke(1994)對中新世—上新世的加勒比海的島嶼白云巖研究是一致的。西科1井梅山組沉積時期處于全球相對較為寒冷時期[52]，古海洋溫度降低會使氧同位素值增大，且從梅山組白云巖樣品的氧同位素平均值與Budd(1997)對太平洋及加勒比海的島礁白云巖研究中的氧同位素平均值較為接近。黃思靜(2010)指出受大氣淋濾的碳酸鹽巖δ18O值相對較小，而蒸發(fā)海水δ18O值相對正常海水更大；Sibley(1990)認為沉積物中δ18O值大于2‰便屬于高于正常海水鹽度的介質(zhì)中，梅山組白云巖略高于其值，且在巖心中未見膏鹽層，均顯示白云化流體不可能是高濃度的鹵水，而四層白云巖層中的Fe，Sr，Mn值十分接近，說明其Mg2+有相同的來源，推測主要為微蒸發(fā)的海水提供鎂離子的來源。

梅山組白云巖總體呈現(xiàn)出低Fe、低Mn、低Ce以及低Eu的特點，顯示其形成環(huán)境屬于氧化環(huán)境，這與羅威等(2018)提到的梅山組發(fā)育幾次暴露面相吻合，在巖心上也觀察到相關(guān)暴露信息，如第1、第2套厚層白云巖頂部暴露面附近巖石顏色呈褐棕色，發(fā)育有溶蝕現(xiàn)象。以上證據(jù)說明梅山組白云巖成因可能主要為滲透回流成因，但梅山組較厚層的白云巖厚度較黃流組和三亞組一段更薄，推測梅山組沉積時期，南海地區(qū)中中新世干旱氣候持續(xù)時間較為短暫，造成蒸發(fā)海水存在的時間短，滲透回流的白云化流體造成的白云巖層相對較薄。而梅山組薄層白云巖具有與厚層白云巖相似的地球化學特點(低Mn、低Fe、低Sr)說明其Mg2+同樣來源于海水，但灰?guī)r原巖物理性質(zhì)的差異性(灰?guī)r的孔隙度、滲透率等)，使得高鎂流體沿滲透性好的灰?guī)r(以及前期形成的白云巖)流動更通暢，影響的距離更遠，在白云巖化流體影響的遠端位置出現(xiàn)指狀下延的薄層白云巖(圖7)。隨深度的增加，回流的高鎂流體的白云巖化能力逐漸減弱[68-72]，在繼續(xù)向下流動的過程里，遇上紅藻含量比較高的灰?guī)r層，由于紅藻更易白云巖化的特性[35,73-74]而出現(xiàn)粉晶云巖(梅二段較為普遍)，薄層白云巖之下，白云石交代灰?guī)r不徹底，可能源于高鎂流體流動的遠端(下伏方向)白云化作用較弱。

梅山組白云巖下伏層位通常為灰質(zhì)云巖或云質(zhì)灰?guī)r，可見較大晶形(粉晶-細晶)的白云石，且晶體干凈明亮、自形程度較好、呈平直晶面，時志強等(2016)根據(jù)包裹體測溫認為西科1井三亞組白云巖層受到新近紀地熱增溫的影響，推測該作用向上也或多或少影響了梅山組碳酸鹽巖(圖7)，導致白云巖層中或鄰近的灰質(zhì)云巖(云質(zhì)灰?guī)r)中出現(xiàn)較多的白云石。相對高溫條件下形成的白云石中解理發(fā)育，在地溫降低時發(fā)育去白云化現(xiàn)象。

4.2 白云巖物性

西沙地區(qū)白云巖普遍呈現(xiàn)出高孔隙度、高滲透率的特點，滲透率的分布情況以及孔隙度的發(fā)育情況具有很好的分區(qū)性[63,75]。經(jīng)過對梅山組的141件樣品其中包括60件白云巖樣，81件灰?guī)r樣進行巖心孔滲數(shù)據(jù)測試。根據(jù)測試分析梅山組白云巖孔隙度分布在2.9%～40.6%，均值為24.2%；滲透率分布在0.05×10-3～5 651.04×10-3μm2，均值為1 043.22×10-3μm2，孔隙度和滲透率有一定的相關(guān)性(圖8)，相比來說，灰?guī)r的孔、滲相關(guān)性強于白云巖(圖8)。白云巖孔隙度普遍大于20%(圖9a)，滲透率普遍大于100×10-3μm2

圖7 西沙地區(qū)西科1井梅山組白云石化成因模式(修改自文獻[47])Fig.7 Diagram of genetic mechanism of dolomitization of the Meishan Formation in Well XiKe 1,Xisha Islands(modified from reference[47])

(圖9b)，且高孔隙度灰?guī)r(孔隙度>30%)樣品多于白云巖，但高滲(滲透率>1 000×10-3μm2)白云巖樣品多于灰?guī)r(圖9)，顯示白云巖儲層非均質(zhì)性較強。按照碳酸鹽巖儲層的劃分方案(SY/T6285—2011)可知道梅山組白云巖孔隙度、滲透率均比較好，主要表現(xiàn)為高孔、高滲的特點，其次為中孔隙度、中滲透率樣品(圖9)，白云巖有潛力作為優(yōu)質(zhì)儲集巖。

圖8 西沙地區(qū)西科1井梅山組白云巖孔隙度與 滲透率相關(guān)性Fig.8 The correlation between porosity and permeability of dolostones in the Meishan Formation in Well XiKe 1, Xisha Islands

5 結(jié)論

1)西科1井梅山組白云巖顏色豐富(白色、灰白色、褐色和棕色等)，厚層白云巖往往發(fā)育在古暴露面附近，紅藻較為發(fā)育，薄層白云巖固結(jié)程度不高，且薄層白云巖多發(fā)育白云石化不徹底、去白云巖化現(xiàn)象。白云巖以粉晶-細晶平直面自形晶為主。

2)白云巖層具有低Sr、低Fe、低Mn、低Eu、低Ce的特征，表明其所處為氧化的海水環(huán)境，而其微量元素有相似的區(qū)間，說明其鎂離子流體來源相似，白云巖氧同位素傾向于正值，可能由于白云巖化過程引起的。白云巖中碳同位素表明白云巖化過程中對原始灰?guī)r中的碳的繼承性，碳、氧同位素總體上指示白云石形成流體的性質(zhì)為微蒸發(fā)濃縮的海水。

3)根據(jù)其宏觀產(chǎn)出層段、微觀白云石產(chǎn)出形態(tài)、碳、氧同位素數(shù)值及主微量元素的分析認為其可能以準同生期滲透回流白云巖化作用為主，薄層白云巖中較高的紅藻含量使白云石化較易發(fā)生，形成更純的粉晶云巖，且地熱增溫在此過程中起到了一定的作用。

圖9 西沙地區(qū)西科1井梅山組不同巖石類型物性統(tǒng)計Fig.9 Statistical plot of physical properties of various rocks in the Meishan Formation in Well XiKe 1,Xisha Islandsa.不同巖性孔隙度(Φ)分布直方圖；b.不同巖性滲透率(K)分布直方圖

4)梅山組白云巖層具有高孔隙度、高滲透率的特點，具有作為優(yōu)質(zhì)儲集巖的潛力。