東營凹陷頁巖油儲層中方解石的成因及證據(jù)

滕建彬

（1.中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營 257015；2.中國石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580；3.中國石化頁巖油氣勘探開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗室，山東東營 257015；4.中國石化勝利油田分公司沉積模擬與儲層評價實(shí)驗室，山東東營 257015；5.東營市低滲透油層產(chǎn)能評價與增產(chǎn)改造重點(diǎn)實(shí)驗室，山東東營 257015）

油氣儲層綜合研究主要涵蓋儲層特征描述、成巖作用分析、孔隙演化、優(yōu)質(zhì)儲層主控因素及展布規(guī)律等諸多方面［1-3］。碳氧同位素既是分析碳酸鹽巖形成時古氣候、古環(huán)境變化的重要地球化學(xué)指標(biāo)，又是分析同位素分餾與成巖演化關(guān)系的示蹤標(biāo)志。中外相關(guān)研究表明，δ13CPDB高值一般反映湖平面的上升，有機(jī)碳埋藏速率升高，而低值則反映湖平面的下降和有機(jī)碳埋藏速率的減緩。δ18OPDB值則可以作為碳酸鹽巖早期成巖和后期成巖變化的指標(biāo)［4-6］。碳酸鹽膠結(jié)物中碳氧穩(wěn)定同位素組成是判斷其形成時物質(zhì)來源和地球化學(xué)特征的重要證據(jù)，可用于闡明流體-巖石相互作用和次生孔隙形成機(jī)理等問題［4-5］。油氣勘探中往往對砂巖儲層大規(guī)模取心，分析化驗資料較為齊全，而頁巖儲層取心較少，對應(yīng)的分析資料相對缺乏。因此，雖然部分研究者開始轉(zhuǎn)向泥頁巖和砂巖協(xié)同成巖方面的研究［7-11］，但受限于泥頁巖取心和化驗資料，無法深入地闡述頁巖的成巖作用以及分析頁巖與砂巖間的協(xié)同成巖特征［7，12］。筆者利用碳氧同位素反映湖平面變化、有機(jī)碳埋藏速率以及解釋成巖變化的原理，揭示東營凹陷古近系頁巖中碳酸鹽礦物的形成、埋藏壓實(shí)、成巖演化等隱含信息，從一個全新的視角反映頁巖油儲層的成巖特點(diǎn)，解析頁巖油儲層沉積成巖影響物性的隱含信息，豐富陸相頁巖基礎(chǔ)理論和服務(wù)頁巖油勘探工作。

1 地質(zhì)背景

東營凹陷位于渤海灣盆地東部，是濟(jì)陽坳陷中的一個次級構(gòu)造單元。凹陷內(nèi)古近系沉積厚度超過5 000 m，主要由湖相成因的砂巖和泥頁巖組成。東營凹陷探明石油地質(zhì)儲量和探明天然氣地質(zhì)儲量約占整個濟(jì)陽探區(qū)的50%，在整個坳陷的勘探貢獻(xiàn)上占有舉足輕重的地位。隨著油氣勘探程度的提高，頁巖油勘探逐漸成為儲量接替陣地。

東營凹陷古近系的主體烴源巖是咸水—半咸水環(huán)境的沙四段上亞段、淡水環(huán)境的沙三段下亞段和沙三段中亞段泥頁巖［13-17］，X 衍射全巖礦物分析顯示，研究區(qū)頁巖礦物組分中以方解石為主的碳酸鹽礦物含量占總巖石的20%～60%［16-17］。

2 頁巖中方解石的成因

2.1 頁巖碳氧同位素證據(jù)

分析頁巖中方解石和砂巖中方解石膠結(jié)物的碳氧同位素值，散點(diǎn)分布結(jié)果（圖1）顯示，研究區(qū)頁巖樣品的碳氧同位素值全部集中分布于①區(qū)，即與甲烷細(xì)菌活動生成生物氣有關(guān)的碳酸鹽（封閉區(qū)），無樣品數(shù)據(jù)點(diǎn)落于②區(qū)（與有機(jī)質(zhì)脫羧作用有關(guān)的碳酸鹽（半封閉區(qū)））和③區(qū)（埋藏較淺時與硫酸鹽還原作用有關(guān)的碳酸鹽（開放區(qū)）），說明頁巖具有更為獨(dú)立的封閉性。取牛頁1 井和樊頁1 井沙四段上亞段純上次亞段的頁巖，剝離亮晶方解石和泥晶方解石，分別檢測碳氧同位素，結(jié)果顯示：亮晶方解石與泥晶方解石相比δ13CPDB值相近，集中于0～6.5‰，平均為3.145 6‰；泥晶方解石的δ13CPDB值分布于2.10‰～4.80‰，平均為3.48‰，亮晶方解石的δ13CPDB值 分 布 于0.20‰～6.50‰，平 均 為3.65‰。δ18OPDB值明顯偏輕，亮晶方解石的δ18OPDB值分布于-13.20‰～-5.70‰，平均為-11.16‰。泥晶方解石的δ18OPDB值則分布于-11.50‰～-8.40‰，平均為-9.49‰。亮晶方解石的δ18OPDB值小于-11‰，表明巖石已發(fā)生了較強(qiáng)烈的蝕變，主要為后期重結(jié)晶成巖成因。

碳的有機(jī)來源表現(xiàn)為δ13CPDB值變化范圍較寬，主要為-33‰～-18‰［2］，而大氣中δ13CPDB值為-7‰左右。在碳酸鹽礦物析出沉淀的過程中，碳同位素發(fā)生分餾作用，導(dǎo)致重新析出碳酸鹽礦物的碳同位素相對于母源的碳同位素偏重9‰～10‰。當(dāng)砂巖中碳酸鹽膠結(jié)物的碳均來自于有機(jī)質(zhì)時，碳同位素值可低至-23‰～-8‰。當(dāng)碳酸鹽膠結(jié)物的碳均為無機(jī)來源時，其碳同位素值可高達(dá)3‰［3］。因此處于相近成巖條件下，重結(jié)晶的亮晶方解石較泥晶方解石的碳同位素值差異不大，均為低正值。研究區(qū)亮晶方解石和泥晶方解石就屬于無機(jī)碳庫來源，屬于湖盆化學(xué)沉淀為主的生物-化學(xué)碳酸鹽成因。

圖1 東營凹陷沙河街組頁巖和砂巖中碳酸鹽膠結(jié)物的碳氧同位素散點(diǎn)圖Fig.1 Carbon-oxygen isotope scatter plots of carbonate cements in shale and sandstone of Shahejie Formation，Dongying Sag

甲烷細(xì)菌活動生成生物氣的過程中，甲烷細(xì)菌發(fā)酵，有機(jī)質(zhì)被分解，釋放高負(fù)值δ13CPDB的甲烷，同時產(chǎn)生富集重13C 同位素的CO2，溶解于頁巖中的孔隙水中生成HCO3-和CO32-，結(jié)合Ca2+，Mg2+和Fe2+，產(chǎn)生碳酸鹽沉淀，并以方解石礦物的形式再沉淀［5］。受控于頁巖礦物粒徑和巖石密度的影響，頁巖中沉淀的與生物氣有關(guān)的碳酸鹽不易與外界發(fā)生流體-巖石反應(yīng)。隨著成巖作用的加強(qiáng)，頁巖孔隙流體中的金屬陽離子不斷被結(jié)合，生成方解石沉淀于頁巖中。此種成巖方解石主要形成于早淺埋藏階段生物氣大量生成階段，基本保持了形成時的碳同位素組成，一般具有不隨埋藏深度增加而變化的特點(diǎn)［4-5］。

東營凹陷沙四段上亞段和沙三段下亞段沉積時期為湖相環(huán)境，根據(jù)溫度計算公式［18］，設(shè)定當(dāng)時的δ18OPDB水分別為-3‰和-5‰，求得相應(yīng)溫度T1和T2值（表1）。其中牛頁1 井頁巖中泥晶方解石T1值約為82～89 ℃，T2值約為58～64 ℃，亮晶方解石的T1值約為144～162 ℃，T2值約為109～125 ℃。亮晶方解石形成時的T1和T2值明顯比泥晶方解石的高40～50 ℃，表明生物-化學(xué)作用析出的湖相碳酸鹽沉積埋藏后，泥晶方解石受淺埋藏成巖環(huán)境的弱改造，亮晶方解石則為深埋藏條件下更高溫度的脈體侵入和重結(jié)晶成因。在相近埋深下，樊頁1 井頁巖中泥晶方解石和亮晶方解石的T1和T2值同樣也表明亮晶方解石形成于更高的溫度環(huán)境。

表1 牛頁1和樊頁1井沙四段上亞段泥頁巖碳氧同位素與方解石形成溫度Table1 Carbon-oxygen isotopes and calcite formation temperature of Upper Es4shale in Well Niuye1 and Well Fanye1

根據(jù)Keith 等公式［6］計算Z值，Z＞120時來源極可能為海相，Z＜120 時來源主要為淡水。牛頁1 井和樊頁1 井沙四段上亞段泥晶和亮晶方解石的Z值均大于120，屬于咸化水環(huán)境，符合東營凹陷沙四段上亞段沉積時期的咸化湖相沉積環(huán)境。

根據(jù)對沾化凹陷羅67 井和羅69 井頁巖中方解石碳氧同位素的測定結(jié)果，對比發(fā)現(xiàn)羅家和東營凹陷沙四段上亞段、沙三段下亞段頁巖中碳酸鹽礦物的碳氧同位素具有相似的分布區(qū)間（圖2），頁巖中泥晶方解石的δ13CPDB值為2.0‰～5.0‰，δ18OPDB分布于-11.50‰～-8.0‰，表明在相同地質(zhì)歷史時期，濟(jì)陽坳陷陸相湖盆的碳庫和氧庫具有相似的來源。頁巖經(jīng)埋藏壓實(shí)后在成巖過程中，相較于砂巖儲層，頁巖受限于物性條件較差，流體交換緩慢，碳氧同位素的轉(zhuǎn)化滯后，保存了相對更為原始的碳氧同位素記錄，為不同凹陷頁巖同位素的對比提供了可行性。頁巖中亮晶方解石的發(fā)育形式包括方解石脈和重結(jié)晶方解石，這兩種亮晶方解石相對于泥晶方解石具有更負(fù)的δ18OPDB值，但δ13CPDB值變化較穩(wěn)定，仍為低正值。通過對史142 井沙二段砂巖儲層中碳酸鹽膠結(jié)物和地層水碳氧同位素的測定，發(fā)現(xiàn)兩者均為低負(fù)值的δ13CPDB和δ18OPDB，散點(diǎn)分布區(qū)間廣。前者較后者具有更低負(fù)值的δ18OPDB，較高負(fù)值的δ13CPDB。

圖2 羅67和羅69井頁巖中方解石的碳氧同位素散點(diǎn)圖Fig.2 Carbon-oxygen isotope scatter plots of calcite in shale of Well Luo67 and Well Luo69

2.2 頁巖與砂巖協(xié)同成巖演化證據(jù)

由于在同一沉積盆地內(nèi)，頁巖一般作為砂巖的圍巖，表現(xiàn)為砂泥互層和超覆接觸關(guān)系，因而砂巖油氣儲層的成巖作用勢必受到頁巖中排出流體的影響。頁巖埋藏進(jìn)入生油窗以后，在上覆巖層壓力、生烴增壓及浮力共同作用下，烴類流體和有機(jī)酸侵入與頁巖互層或直接對接的砂巖體內(nèi)，發(fā)生由烴源巖向砂體輸導(dǎo)層的油氣運(yùn)移。當(dāng)油氣的封蓋保存條件較好時，油氣亦可短距離充注到砂巖儲層中就地成藏。因此來自于烴源巖的孔隙流體對砂巖儲層的成巖作用有著重要的影響，常常形成特征性的成巖礦物及礦物組合［7，13］。

從泥巖壓實(shí)水侵入砂巖儲層的觀點(diǎn)出發(fā)，頁巖中碳酸鹽的碳氧同位素和砂巖中碳酸鹽膠結(jié)物的同位素特征具有協(xié)同演化的特點(diǎn)。其成巖演化過程為：埋藏壓實(shí)作用下，上覆巖石壓力促使頁巖孔隙大幅減小，排出壓實(shí)水。在大套頁巖邊緣，頁巖與砂體直接對接，或是有斷層輸導(dǎo)，頁巖壓實(shí)水直接進(jìn)入砂體中，發(fā)生水巖化學(xué)成巖作用［7，13，19］。本次主要闡述研究區(qū)頁巖與砂巖從早成巖階段A期到中成巖階段B期的協(xié)同成巖過程。

在早成巖階段A 期（古溫度小于65 ℃），疏松的泥灰質(zhì)沉積物受上覆地層和古水體的壓實(shí)，排出大量孔隙流體。在砂體和泥巖接觸帶，泥巖壓實(shí)排出的孔隙流體向砂巖孔隙內(nèi)運(yùn)移充注。大量原生孔隙水和有機(jī)質(zhì)生物降解生成的少量有機(jī)酸進(jìn)入砂體中，砂巖中半風(fēng)化的長石、巖屑等礦物易受溶蝕，但溶蝕作用較為有限，主要形成高嶺石等自生礦物［20］。由于有機(jī)酸有限溶解灰質(zhì)組分，形成富含鈣離子的高礦化度地層水，浸入砂巖后，易于發(fā)生方解石結(jié)晶沉淀，在砂泥巖界面處的砂巖中形成鈣質(zhì)結(jié)殼，從而導(dǎo)致在砂泥巖互層的情況下，砂泥巖界面附近的碳酸鹽膠結(jié)強(qiáng)于砂巖夾層內(nèi)部。

在早成巖階段B 期（古溫度為65～85 ℃），有機(jī)質(zhì)處于半成熟階段，泥灰?guī)r中黏土礦物中的蒙脫石向伊/蒙混層轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化過程中排出的層間水富含Ca2+，侵入砂泥巖接觸帶，砂巖底部或頂部繼續(xù)沉淀方解石膠結(jié)物，加速了“底鈣”和“頂鈣”效應(yīng)。

在中成巖階段A 期（古溫度為85～140 ℃），泥巖中的有機(jī)質(zhì)在熱催化作用下脫羧生成大量有機(jī)酸和CO2，黏土礦物中的蒙脫石向伊/蒙混層快速轉(zhuǎn)化，脫出大量層間水，形成富含有機(jī)酸的高礦化度流體。在上覆地層壓力和生烴增壓的雙重驅(qū)動作用下，進(jìn)入相鄰砂巖儲層的孔隙中，大量溶蝕砂泥巖接觸帶的早期碳酸鹽膠結(jié)物，越靠近砂泥巖接觸帶，砂巖的次生孔隙越發(fā)育。

在中成巖階段B 期（古溫度為140～175 ℃），有機(jī)質(zhì)處于高成熟階段，釋放有機(jī)酸的能力明顯降低，加之受碳酸氫鈉等強(qiáng)堿弱酸鹽的影響，地層水介質(zhì)由酸性向堿性轉(zhuǎn)變，蒙脫石向伊利石的轉(zhuǎn)化會析出大量Na+，Ca2+，Mg2+，F(xiàn)e2+和Si4+等，其中Mg2+和Fe2+為重結(jié)晶方解石向白云石或鐵白云石轉(zhuǎn)化提供了離子條件。牛頁1井從沙四段上亞段純上至純下次亞段的頁巖中鐵白云石含量顯著增加，標(biāo)志著頁巖基本進(jìn)入了中成巖階段B期。

碳氧同位素分析結(jié)果顯示（圖1）：牛頁1井沙四段上亞段純上次亞段頁巖中泥晶方解石的δ18OPDB值較穩(wěn)定，為-8.9‰～-8.4‰，δ13CPDB值為2.1‰～4.3‰，亮晶方解石的δ18OPDB值較穩(wěn)定，為-13.2‰～-12.3‰，δ13CPDB值為2.8‰～4.3‰。相比較而言，亮晶方解石與泥晶方解石的δ13CPDB值相近，具有相同的碳庫來源。亮晶方解石比泥晶方解石具有更負(fù)的δ18OPDB值，反映了頁巖中泥晶方解石溶解、結(jié)晶形成亮晶方解石氧同位素重分餾的過程，因此亮晶方解石屬于后期成巖作用重結(jié)晶的產(chǎn)物，主要以方解石脈的形式產(chǎn)出于頁巖中［16］。

牛18—牛20 斷層北側(cè)砂巖中方解石的δ18OPDB值為-14.0‰～-10.0‰，δ13CPDB值為1.0‰～3.0‰，與牛頁1井沙四段上亞段純上次亞段頁巖中亮晶方解石的δ13CPDB和δ18OPDB值分布區(qū)間一致。牛18—牛20 斷層附近及南側(cè)砂巖中方解石的δ18OPDB值為-15.0‰～-10.0‰，δ13CPDB值為1.8‰～9.0‰，與牛頁1井相比δ13CPDB值差異較大，表明受不同碳庫來源的影響。其δ18OPDB值則區(qū)間更負(fù)，與亮晶方解石的δ18OPDB值區(qū)間一致，反映了砂巖中方解石膠結(jié)物的形成主要源自臨近頁巖排出的流體，屬于方解石重結(jié)晶沉淀產(chǎn)生的膠結(jié)物，這與砂泥巖成巖作用的研究成果認(rèn)識較一致［20-22］。

2.3 方解石重結(jié)晶成巖證據(jù)

在陸相湖盆的頁巖沉積中心，方解石紋層與泥質(zhì)紋層相比，其抗壓能力和儲集空間更為優(yōu)越，壓實(shí)水優(yōu)先浸入泥晶方解石紋層，隨著孔隙流體壓力的增加形成超壓。尤其是進(jìn)入生烴門限之后，隨著烴類和有機(jī)酸的生成，生烴增壓加速了超壓的發(fā)育規(guī)模［14-15，23-24］，造成方解石紋層儲集空間中的流體壓力急劇增大，順頁巖紋層形成透鏡體狀高礦化度“液泡”，在撐開方解石紋層的同時，由于流體相對封閉，在有機(jī)酸作用下，發(fā)生方解石的溶蝕與微環(huán)境原地重結(jié)晶沉淀，形成透鏡狀亮晶方解石與泥質(zhì)紋層相間的構(gòu)造和結(jié)構(gòu)。超壓發(fā)育、微裂縫和方解石脈的形成可能具有同生的特點(diǎn)，有以下4個佐證。

碳酸鹽紋層內(nèi)發(fā)育類似縫合線的構(gòu)造 發(fā)育于方解石紋層中心的未愈合微裂縫（圖3a，3b）形似縫合線構(gòu)造，表明了方解石的充填順序：方解石沿著微裂縫頂?shù)酌嫦冉Y(jié)晶，由兩側(cè)向中軸線結(jié)晶生長，脈體中方解石一般具有3～4 期生長期次。脈體中軸線為流體運(yùn)移通道中心，普遍充填油質(zhì)瀝青和膠質(zhì)瀝青［16］。由于受泥頁巖微觀非均質(zhì)性的影響，巖石破裂強(qiáng)度決定了裂縫形成形態(tài)和縫寬方面的差異，因而方解石脈也表現(xiàn)為寬窄不一的透鏡狀和紋層狀的切面形態(tài)。在聚片雙晶方解石集合體中，晶體與晶體接觸的晶面和解理面上，常常發(fā)育由雙晶縫合線所構(gòu)成的雙晶條紋（圖3b），正交偏光下則呈現(xiàn)為統(tǒng)一消光的特征［16］。聚片雙晶是由若干方解石單體按照同一種雙晶律組成，表現(xiàn)為一系列接觸雙晶的聚合，所有接合面均相互平行。任意兩個相鄰單體間都是以同一種雙晶律結(jié)合的，相鄰單體間均呈雙晶關(guān)系，相間的各單體彼此結(jié)晶方向均平行。

圖3 牛頁1井頁巖中的方解石重結(jié)晶特征Fig.3 Characteristics of recrystallization of calcite in shale of Well Niuye1

由于方解石脈形成的速度較快，在持續(xù)應(yīng)力作用下，方解石以（0112）為雙晶面和接合面形成聚片雙晶（圖3a，3b）。在晶體礦物學(xué)上，這種機(jī)械雙晶又稱滑移雙晶或形變雙晶，是方解石晶體形成后受機(jī)械外力作用，晶體內(nèi)的部分晶格沿著面網(wǎng)一定方向發(fā)生滑移變形排列，且不破裂，從而形成“雙晶”的特征。因此，機(jī)械雙晶是晶體塑性變形的一種形式，根據(jù)它可以確定構(gòu)造運(yùn)動的方向和強(qiáng)度。牛頁1 井頁巖中方解石脈機(jī)械雙晶方解石的首次發(fā)現(xiàn)，直接說明地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動可以使頁巖產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力效應(yīng)，提供了地應(yīng)力表現(xiàn)形式的顯著巖石學(xué)證據(jù)。

示頂?shù)讟?gòu)造 方解石脈具有典型的示頂?shù)讟?gòu)造（圖3c，3d），頂部為顯微晶方解石，底部為顯微晶-泥晶方解石，混含泥質(zhì)和有機(jī)質(zhì)。位于深洼區(qū)的頁巖在埋藏過程中，發(fā)生的流體活動和成巖作用主要包括：壓實(shí)地層水排出、有機(jī)酸和烴類的幕式釋放、方解石溶蝕和重結(jié)晶、各類黏土礦物的相互轉(zhuǎn)化等。在構(gòu)造運(yùn)動和流體壓力增大的影響下，頁巖順層微裂縫開啟，微觀上形成紋層狀或透鏡狀的空間，空間內(nèi)充滿混含有機(jī)酸的高礦化度流體，沿著微裂縫上下壁面發(fā)生重結(jié)晶沉淀。由于處于裂縫的微環(huán)境中，有機(jī)酸溶解泥晶碳酸鹽礦物時，吸附有機(jī)質(zhì)的黏土礦物相對富集下沉，在微裂縫底部形成顯微晶-泥晶方解石薄膜基底（圖3c），而高礦化度的地層水在微裂縫頂部形成的顯微晶方解石基底則相對純凈（圖3d）。在頂?shù)追浇馐∧せ椎幕A(chǔ)上，繼續(xù)結(jié)晶生長的方解石晶體潔凈，透光性好，晶型規(guī)則粗大，直徑可達(dá)150～200 μm。顯微熒光分析表明方解石脈的晶間孔中充填隸屬于輕質(zhì)組分的油質(zhì)瀝青和膠質(zhì)瀝青［16］。

“捕虜”瀝青質(zhì)的現(xiàn)象 在方解石成脈過程中，將瀝青質(zhì)捕獲并包裹的現(xiàn)象（圖3e，3f），說明方解石的重結(jié)晶過程必然受到有機(jī)質(zhì)熱演化生成的有機(jī)酸的影響。泥晶方解石被有機(jī)酸溶蝕，發(fā)生礦物溶解，再沉淀過程中“捕虜”瀝青質(zhì)，形成現(xiàn)今觀察到的亮晶方解石脈［16］。瀝青質(zhì)被方解石“捕虜”的現(xiàn)象充分證明了方解石重結(jié)晶和有機(jī)酸溶蝕泥晶方解石屬于同生過程。由于生長空間有限，重結(jié)晶方解石的晶型和產(chǎn)狀會有所差異。以牛頁1井頁巖中的重結(jié)晶方解石為例，方解石脈一般呈紋層狀和透鏡狀，寬度為0.10～0.25 mm，方解石直徑最小為300 nm，最大可達(dá)200μm（圖3e，3f）。

生物體腔中方解石的結(jié)晶程度 生物體腔中的方解石與生物體腔外圍重結(jié)晶的方解石相比，生長空間充裕，晶型更規(guī)則（圖3g，3h）。生物體腔中的方解石晶體無色透明，在正交偏光下，具有菱形解理、明顯閃突起、白干涉色和一軸負(fù)晶等典型特征。生物體腔內(nèi)部與外部方解石晶型和晶體潔凈程度的顯著差異，是重結(jié)晶方解石來源于地層水與泥晶方解石之間水巖相互作用，再沉淀重結(jié)晶的直接證據(jù)。

東營凹陷頁巖中方解石脈的發(fā)育層段與頁巖初次破裂層段一致，鏡質(zhì)組反射率（Ro）為0.60%～0.65%。方解石脈本質(zhì)上屬于半充填—完全充填微裂縫的表現(xiàn)形式，脈的形成與微裂縫開啟同步。因為東營凹陷有機(jī)質(zhì)演化程度較低，決定了鏡質(zhì)組反射率偏低，所以利用鏡質(zhì)組反射率的方法所得古地溫梯度偏低。楊緒充和李善鵬等分別利用鏡質(zhì)組反射率法和磷灰石裂變徑跡法，推算所得東營凹陷的古地溫梯度為3.60 和3.73 ℃/hm［25-27］。古地溫梯度一定程度上決定了有機(jī)質(zhì)的演化程度，本文平均地溫梯度取值3.6 ℃/hm，平均地表溫度為14 ℃。根據(jù)溫度計算公式，計算牛頁1 井泥晶方解石發(fā)生由生物氣（甲烷細(xì)菌活動產(chǎn)生）導(dǎo)致的碳氧同位素分餾對應(yīng)的埋深約為1 278～1 389 m。鑒于泥晶方解石的碳氧同位素特征，推測其形成過程為：在湖相咸水環(huán)境下，生物-化學(xué)成因的方解石沉淀后經(jīng)歷淺埋藏過程，受甲烷細(xì)菌活動生成生物氣的改造，泥晶方解石發(fā)生同位素微弱分餾。推算方解石脈形成時頁巖所處的埋深，牛頁1 井沙四段上亞段亮晶方解石脈對應(yīng)形成于2 000～2 083 m，樊頁1 井沙四段上亞段純上次亞段泥晶方解石發(fā)生由生物氣（甲烷細(xì)菌活動產(chǎn)生）導(dǎo)致的碳氧同位素分餾對應(yīng)的埋深約為1 611～2 333 m，方解石脈形成時對應(yīng)的埋深約為2 361～2 972 m。研究表明頁巖微裂縫和方解石脈形成于早期干氣-生油階段，這與筆者發(fā)現(xiàn)的方解石脈“捕虜”瀝青質(zhì)相印證。該認(rèn)識與CHRISTOPHER 等對頁巖微觀儲集空間演化的研究認(rèn)識相符［28］，說明頁巖儲集空間的演化機(jī)制在全球范圍內(nèi)具有可對比性。誠然，我們不否認(rèn)在淺埋藏時，一些早期方解石脈也可形成。比如，樊頁1井現(xiàn)今3 412.14 m 處的方解石脈，利用δ18OPDB計算其形成時的古溫度為36.13 ℃，埋深約為615 m。

3 結(jié)論

通過對研究區(qū)泥晶方解石和亮晶方解石的碳氧同位素對比發(fā)現(xiàn)，頁巖中泥晶方解石主要隸屬于與甲烷細(xì)菌活動生成生物氣有關(guān)的碳酸鹽，透鏡狀和紋層狀重結(jié)晶方解石屬于微裂縫被脈體充填現(xiàn)象。亮晶方解石脈極可能是泥晶方解石被溶蝕后再沉淀重結(jié)晶的產(chǎn)物。從生烴增壓、微裂縫形成、有機(jī)質(zhì)熱演化排出有機(jī)酸、泥晶方解石被溶蝕、方解石重結(jié)晶，直至方解石脈的形成，極可能屬于同生演化過程。

根據(jù)頁巖與相鄰砂巖的碳氧同位素特征比對，發(fā)現(xiàn)砂巖中的一部分方解石膠結(jié)物與頁巖中方解石脈的碳氧同位素分布區(qū)間一致，推測為同一碳庫和氧庫來源。另一部分方解石膠結(jié)物與有機(jī)質(zhì)脫羧作用有關(guān)，可能為烴類充注過程中，攜帶有機(jī)酸和高礦化度頁巖流體，侵入砂巖儲層內(nèi)部發(fā)生方解石沉淀有關(guān)。而砂巖中地層水的碳氧同位素值分布十分離散，反映了在淺埋藏條件下，受硫酸鹽還原作用影響的碳氧同位素特點(diǎn)。

在牛頁1井頁巖中首次發(fā)現(xiàn)了方解石脈發(fā)育示頂?shù)讟?gòu)造和機(jī)械雙晶現(xiàn)象，是地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生地應(yīng)力，繼而作用于方解石脈的直接巖石學(xué)證據(jù)，為頁巖地層地應(yīng)力的研究提供了載體礦物，具有重要地質(zhì)意義。推測研究區(qū)聚片雙晶方解石的成因過程為：地應(yīng)力促使頁巖形成微裂縫，高鈣低鎂流體匯集充注于微裂縫內(nèi)，形成多期次重結(jié)晶方解石，在地應(yīng)力持續(xù)作用下形成聚片雙晶。聚片雙晶方解石與白云石化可作為劃分成巖階段的重要指標(biāo)。

根據(jù)古地溫梯度和氧同位素分析，測算微裂縫方解石脈形成的大體埋深，約對應(yīng)于早期干氣-生油階段，筆者發(fā)現(xiàn)的方解石脈“捕虜”瀝青質(zhì)現(xiàn)象提供了較好的輔證。初次破裂為方解石脈的形成創(chuàng)造了空間和富鈣流體充注條件，有利于頁巖油儲層中流體與巖石的水巖反應(yīng)，加速了頁巖的成巖作用，因而也是鐵方解石化和鐵白云石化的主要階段，白云石相對豐度對應(yīng)于孔隙異常發(fā)育層段就是最為有利的證據(jù)。