鐘壽康, 李 凌, 譚秀成, 孫 健, 王利超,黃道軍, 侯云東, 董少峰, 包洪平
(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué)),成都 610500;2.中國石油碳酸鹽巖儲(chǔ)集層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室西南石油大學(xué)研究分室,成都 610500;3. 中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司 西南物探分公司,成都 610213;4.中國石油長慶油田分公司 勘探開發(fā)研究院,西安 710021)
地質(zhì)歷史時(shí)期白云石的成巖演化是一個(gè)漫長而復(fù)雜的過程[1]。為探索這一過程,地質(zhì)學(xué)家通過現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室高溫條件下模擬白云石合成,普遍認(rèn)為白云石的穩(wěn)定化是一種沉淀—溶解—再沉淀的過程[2-4]。模擬實(shí)驗(yàn)所得出的一系列重要結(jié)論對研究白云石成巖演化過程具有指導(dǎo)意義。然而,在面對古代白云石的成巖演化過程,研究對象就顯得尤為復(fù)雜多樣,成巖流體則充滿了未知性[5-6],因此研究對象與研究方法的選擇就顯得尤為重要。相比于其他種類白云石,中粗晶白云石的晶粒大小可滿足微區(qū)地化測試,且因其復(fù)雜的晶粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)和成分變化[7],而成為研究古代白云石成巖演化的重要載體[6,8-9]。
直面、自形-半自形的中粗晶白云石在白云石成因結(jié)構(gòu)分類中,通常被劃分為低溫白云石[10-11],其最顯著的特征是常具有“霧心亮邊”[1,6,12-14],即晶粒核心與邊緣在巖相特征、主元素和痕量元素上有一定差異[9,15],尤其以Fe、Mn元素的響應(yīng)最為強(qiáng)烈[16-17]。目前對于“霧心亮邊”結(jié)構(gòu)的成因,主要認(rèn)為“霧心”是前驅(qū)礦物在成巖作用下的殘余部分,“亮邊”則為后期成巖流體沉淀形成[7,18-19],這一解釋是與合成實(shí)驗(yàn)的結(jié)論頗為相似的[2-4]。然而,古代中粗晶白云石在不同的成巖條件下,流體的來源及性質(zhì)復(fù)雜多變,如深源熱液[6,20]、膏鹽巖成巖壓釋水[13]、改造殘余孔隙水[8]等;且前人主要是圍繞巖石學(xué)分析層面開展工作,而對中粗晶白云石溶解-再沉淀過程中晶粒內(nèi)外元素差異與遷移規(guī)律的研究卻相對薄弱[8-9]。
目前在鄂爾多斯盆地下奧陶統(tǒng)馬家溝組發(fā)現(xiàn)的眾多類型白云巖中,中粗晶白云巖是基質(zhì)白云巖成巖演化的終端產(chǎn)物[21-22],其他地區(qū)的眾多白云巖研究實(shí)例中也有類似特征[6,13,23]。終端產(chǎn)物的意義不僅是代表了一種白云巖類型,更重要的是其作為區(qū)域內(nèi)白云巖成巖演化貫穿始終的經(jīng)歷者,其自身所攜帶的信息可完整地記錄整個(gè)成巖演化歷史。因此,終端產(chǎn)物是非常理想的成巖演化研究對象,但目前的研究更多是針對各類白云巖自身成因的討論[6,20,24-25],而未開展關(guān)于中粗晶白云巖流體演化和成巖演化過程中元素遷移規(guī)律等方面工作。
鑒于此,本文以鄂爾多斯盆地馬家溝組中粗晶白云巖為例,結(jié)合研究區(qū)內(nèi)其他類型白云巖,通過巖石學(xué)和地球化學(xué)分析,探討馬家溝組第五段(簡稱“馬五段”)中粗晶白云巖的成巖流體來源及性質(zhì)。在此基礎(chǔ)上,重點(diǎn)展開中粗晶白云巖演化過程中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)——重結(jié)晶過程的成因機(jī)制及此過程中元素遷移恢復(fù)研究;并利用中粗晶白云巖終端產(chǎn)物的角色,以靜態(tài)巖石體系,建立動(dòng)態(tài)成巖演化過程中痕量元素遷移規(guī)律及其關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。
鄂爾多斯盆地位于華北板塊西部,其內(nèi)部發(fā)育伊盟隆起、西緣沖斷帶、天環(huán)拗陷、伊陜斜坡、晉西撓褶帶、渭北隆起等6個(gè)Ⅰ級構(gòu)造單元,研究區(qū)位于米脂拗陷及伊陜斜坡東部(圖1-A)。寒武紀(jì),由于秦嶺古大洋板塊向華北板塊的俯沖,盆地西部中央古隆起形成,基底斷裂發(fā)生差異性活動(dòng),形成海槽、陸棚斜坡、陸棚潟湖等多種沉積環(huán)境[26]。早奧陶世,受加里東運(yùn)動(dòng)影響,馬家溝組沉積期經(jīng)歷了3次海進(jìn)-海退沉積旋回[27]。該時(shí)期,盆地處于炎熱、干旱的低緯度地區(qū)[28-29],沉積環(huán)境逐漸演變?yōu)榫窒?蒸發(fā)臺(tái)地相[30-32]。中奧陶世,受加里東運(yùn)動(dòng)影響,華北板塊整體抬升,遭受長達(dá)130 Ma的暴露剝蝕和巖溶疊合改造[33]。中石炭世盆地下降,接受中-晚石炭世的沉積[34],馬家溝組地層開始第二次埋藏演化階段;隨后盆地在中生代晚期發(fā)生一次構(gòu)造熱事件,古地溫為150~240℃,要明顯高于現(xiàn)今地溫,并伴隨燕山期盆地的再次抬升,地溫降低[35]。
研究區(qū)內(nèi)馬家溝組地層共分6段,從下往上依次為馬一段至馬六段,受到沉積差異和剝蝕作用的影響,厚度分布差異較大,巖性發(fā)育也各有差異[30]。本次研究的中粗晶白云巖主要發(fā)育于馬五段,其厚度為90~320 m,在整段海侵背景下還發(fā)育10個(gè)次一級相對海平面升降旋回,其中,馬五9、馬五7、馬五5、馬五3等亞段為海進(jìn)沉積,馬五10、馬五8、馬五6、馬五4、馬五1+2等亞段為海退沉積。馬五段發(fā)育有(含膏???泥粉晶白云巖、顆粒白云巖、泥晶灰?guī)r、膏質(zhì)云巖、膏鹽巖等,其中泥晶灰?guī)r主要發(fā)育于馬五5亞段,膏質(zhì)云巖、膏鹽巖則主要發(fā)育于馬五10、馬五8、馬五6等亞段,其余巖性全段均有發(fā)育[27]。
以中粗晶白云巖發(fā)育的Y140井為例(圖1-B),其沉積環(huán)境為局限-蒸發(fā)臺(tái)地,可精細(xì)劃分為(膏)云坪、砂屑灘、鮞粒灘、灘間海等沉積微相;巖性方面,主要發(fā)育砂屑云巖、中粗晶云巖、泥粉晶云巖、鮞粒云巖、溶塌角礫云巖及少量灰?guī)r;垂向上,依次發(fā)育灘間海、顆粒灘、臺(tái)坪向上變淺序列,具有典型的灘-灘疊置、灘-坪過渡的現(xiàn)象,體現(xiàn)海平面下降的特征。通過對比可見,中粗晶白云巖主要發(fā)育于顆粒灘環(huán)境中,推測其原巖為顆粒云巖,并主要發(fā)育于垂向序列的中部。
本次研究的樣品,取自研究區(qū)東部位置的11口井(圖1-A),樣品共計(jì)17件;此外,為加強(qiáng)面上對比,特引用前人在中部地區(qū)研究中所涉及的11口井(圖1-A),樣品共計(jì)21件[22]。所有樣品巖性包括中粗晶云巖、砂屑云巖、泥粉晶云巖、泥晶灰?guī)r等。研究工作包括薄片觀察、陰極發(fā)光觀察、主元素和痕量元素測試、碳氧同位素測試、電子探針測試。
陰極發(fā)光在西南石油大學(xué)天然氣地質(zhì)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測試完成,測試儀器為英國Cambridge Image Technology公司生產(chǎn)CL8200 MK5陰極發(fā)光顯微鏡,實(shí)驗(yàn)電壓20 kV,電流180 μA,壓力0.003 MPa。主元素和痕量元素測試在南京大學(xué)內(nèi)生金屬礦床成礦機(jī)制研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成,樣品為全巖微區(qū)鉆樣,經(jīng)瑪瑙研缽研磨成粉末狀,并過200目篩,粉末樣烘干后,經(jīng)1 mol/L濃度的醋酸超聲溶解12 h;離心15 min后分離出的全部上層清液,蒸干,加入1 mL的濃硝酸溶解,再次蒸干,重復(fù)一次,以除去殘余的醋酸,最后加入5 mL 濃度為1 mol/L的硝酸溶解,得到清液,測試儀器為電感耦合等離子質(zhì)譜儀ICP-MS Element。碳氧同位素測試在中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室完成,測試儀器為德國Finnigan公司生產(chǎn)MAT252氣體同位素質(zhì)譜儀,樣品為全巖微區(qū)鉆取粉末樣,實(shí)驗(yàn)采用磷酸法,實(shí)驗(yàn)溫度22~23℃,濕度50%~55%,檢測精度為0.2‰。電子探針測試由西南石油大學(xué)天然氣地質(zhì)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測試完成,測試儀器為日本電子公司生產(chǎn)JXA-8230電子探針測試儀,實(shí)驗(yàn)電壓15 kV,電流20 nA,檢測精度為0.01%。
該類白云巖手標(biāo)本為淺褐-淺褐灰色,自然斷面粗糙,呈砂糖狀,具典型晶粒結(jié)構(gòu),局部針孔發(fā)育(圖2-A、B)。鏡下觀察見白云石晶粒粗大,普遍介于0.25~1 mm,為中粗晶白云石,晶形為半自形-自形;晶粒以線接觸為主,多數(shù)具平直邊緣,晶粒間可見三聯(lián)晶的接觸角為120°,具典型鑲嵌結(jié)構(gòu)(圖2-C、D),少數(shù)可見港灣狀溶蝕邊(圖2-E、F、G);單偏光下部分白云石晶體見霧心亮邊結(jié)構(gòu),對比之下,巖溶通道內(nèi)充填白云石則無此特征(圖2-D);正交光下單個(gè)白云石晶體具有相同的消光角(圖2-H);陰極發(fā)光下可見環(huán)帶結(jié)構(gòu),內(nèi)部殘余結(jié)構(gòu)發(fā)暗色紅光,外圍白云石環(huán)帶發(fā)亮色紅光(圖2-I)。白云石晶粒間可見少量石英和螢石等礦物(圖2-E、F),其中,石英為自形-半自形,可見港灣狀溶蝕,邊緣圓滑,內(nèi)充填瀝青;螢石在單偏光下表現(xiàn)為無色、淺褐色,負(fù)高突起,糙面很顯著(圖2-E、F),陰極發(fā)光下發(fā)暗藍(lán)色光。據(jù)11口取心井的巖性觀察統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)中粗晶白云巖分布不穩(wěn)定,不具有層位性,僅在局部井區(qū)的高孔滲層段發(fā)育,主要發(fā)育于高頻海平面升降旋回的海退中早期(圖1-B)。
泥粉晶白云巖常呈褐灰色-灰褐色,常見塊狀層理、水平層理。依據(jù)是否發(fā)育蒸發(fā)礦物,??蛇M(jìn)一步分為泥粉晶白云巖(圖3-A)和含膏??啄喾劬г茙r(圖3-B),后者常可見蒸發(fā)礦物被溶蝕,內(nèi)部充填土黃色泥云質(zhì)滲流粉砂。泥粉晶白云巖鏡下為泥晶結(jié)構(gòu)(圖3-C),同宏觀特征一致,部分樣品見板條狀石膏假晶(圖3-D)、石鹽假晶(圖3-E)等蒸發(fā)礦物假晶伴生。其為沉積期海水分隔濃縮致鹽度增高,沉淀石膏、石鹽等易溶礦物,后于準(zhǔn)同生期暴露溶蝕所致[32]?;|(zhì)部分較為均質(zhì)(圖3-C),而(膏)鹽??壮樵颇噘|(zhì)滲流粉砂、方解石、半充填或全充填(圖3-D、E)。該巖類在馬五段發(fā)育層位穩(wěn)定,多形成于高頻海退期(圖1-B),是研究區(qū)主要的白云巖類型。
研究區(qū)內(nèi),砂屑白云巖常為灰褐-土黃色(圖3-F),自然斷口較粗糙。鏡下可分為2類:一類是在偏光顯微鏡下直接可見顆粒結(jié)構(gòu),顆粒顏色較深,粒間白云石膠結(jié)物顏色較淺,多表現(xiàn)為馬牙狀(圖3-G);另一類表現(xiàn)為原始顆粒結(jié)構(gòu)模糊不清(圖3-H),結(jié)合巖石鑄體薄片及陰極發(fā)光等觀察,隱約可見顆粒結(jié)構(gòu)(圖3-I)。顆粒直徑多數(shù)為0.2~0.5 mm,分選性和磨圓度較好,為渾圓、圓狀,多為顆粒支撐,呈點(diǎn)、線接觸(圖3-F)。此類巖性常被誤認(rèn)為是粉晶白云巖,通過原巖恢復(fù)的相關(guān)手段,發(fā)現(xiàn)其在馬五段發(fā)育層位較穩(wěn)定,具有較好的層位性,主要發(fā)育于高頻海平面升降旋回海退中早期(圖1-B),也是研究區(qū)內(nèi)發(fā)育的白云巖類型之一。
全巖主元素和痕量元素的測試結(jié)果如表1所示。所有樣品的數(shù)據(jù)具有以下特征:(1)Mg/Ca摩爾數(shù)比值均較高,少數(shù)分布在0.8~0.9之間,多數(shù)在0.9以上,屬較純的白云巖。(2)樣品Fe含量差異較大,其中以中粗晶白云巖最高,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)為1.20%~5.56%,平均值為3.09%。(3)Sr和Na含量整體偏低,其中中粗晶白云巖相比于砂屑白云巖與泥粉晶白云巖,Na含量更低。(4)樣品的Fe/Ca和Mn/Ca值均接近于大氣淡水值。(5)樣品的Mn/Sr比值均大于2。
表1 鄂爾多斯盆地馬家溝組各類型白云巖主元素和痕量元素測試結(jié)果Table 1 Analysis of major and trace elements for various types of dolomites in the Majiagou Formation, Ordos Basin
稀土元素的測試結(jié)果如表2所示。樣品的∑REE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(8.09~27.59)×10-6,分布區(qū)間較大;δCe值為1.10~1.28,平均為1.18,顯示弱正異常;δEu值為0.62~1.15。其中:中粗晶白云巖δEu值為0.62~0.85,平均為0.73,為負(fù)異常;砂屑白云巖δEu值為1.02~1.13,平均為1.08,為弱的正異常;泥粉晶白云巖δEu值為0.87~1.15,平均為1.01。
C、O同位素的測試結(jié)果如表3所示。與早奧陶世海水膠結(jié)物的碳氧同位素值[37]相比,所有樣品C同位素值在同時(shí)期海水區(qū)間上下,中粗晶白云巖的δ13CPDB值為-3.79‰~-0.58‰,平均為-2.14‰,較砂屑白云巖與泥粉晶白云巖略負(fù)偏。所有樣品δ18OPDB值均小于早奧陶世海水膠結(jié)物,顯示負(fù)偏的特征。其中中粗晶白云巖δ18OPDB值為-12.32‰~-8.93‰,平均為-10.63‰;砂屑白云巖δ18OPDB值為-9.82‰~-8.06‰,平均為-8.42‰;泥粉晶白云巖δ18OPDB值為-9.83‰~-7.76‰,平均為-8.77‰。相對于砂屑白云巖和泥粉晶白云巖,中粗晶白云巖相對更偏負(fù)。
電子探針的測試結(jié)果如表4所示。所有樣品的氧化物含量總體具有以下特征:中粗晶白云巖晶體內(nèi)部核心的MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.591%~21.651%,低于砂屑白云巖顆粒中的微晶白云石;晶體內(nèi)部核心FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.341%~3.899%,明顯高于微晶白云石。而中粗晶白云巖外圍亮紅色環(huán)邊的FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.134%~0.917%,高于微晶白云石而低于內(nèi)部暗紅色核心。此外,出于電子探針檢測精度考慮,提供Na2O、SrO、Al2O3、SiO2等含量分布,僅供參考。
5.1.1 巖石學(xué)特征對成巖流體期次的指示
鄂爾多斯盆地馬五段規(guī)模性發(fā)育的泥粉晶白云巖,目前國內(nèi)的主流觀點(diǎn)認(rèn)為是在成巖早期發(fā)生白云巖化作用形成的,包括準(zhǔn)同生白云巖化作用[21-22]和回流滲透白云巖化作用[25,38]。其中廣泛發(fā)育的泥晶結(jié)構(gòu)(圖3-C)、殘余顆粒結(jié)構(gòu)(圖3-G、I),進(jìn)一步證實(shí)了泥粉晶白云巖是成巖早期濃縮海水交代原生灰?guī)r而形成的[39-41]。此外,研究區(qū)內(nèi)馬家溝組中廣泛發(fā)育巖溶作用[32],由此推測,大氣淡水在各類白云巖的成巖演化過程中,同樣起到了重要的改造作用,且應(yīng)該越往下部,參與程度越弱。
表3 鄂爾多斯盆地馬家溝組各類型白云巖C、O同位素測試結(jié)果Table 3 Analysis of C-O isotopes for various types of dolomites in the Majiagou Formation, Ordos Basin
相比于廣泛發(fā)育的泥粉晶白云巖,中粗晶白云巖的局部分布,說明在大面積準(zhǔn)同生白云巖化作用之后,存在后期流體再改造的可能。中粗晶白云巖的晶粒呈砂糖狀,三聯(lián)晶接觸角呈120°;陰極發(fā)光下,白云石晶粒是由內(nèi)部暗紅色的殘余核心和外圍亮紅色的環(huán)帶部分組成(圖2-G、H、I),前人研究認(rèn)為此類型中粗晶白云巖是埋藏期局部重結(jié)晶的產(chǎn)物[7,14]。由此推測中粗晶白云巖可能是在埋藏期受到了某種流體的改造。此外,中粗晶白云巖晶粒間充填的螢石,常被認(rèn)為是中低溫?zé)嵋和砥诮Y(jié)晶的氣成熱液礦物,廣泛產(chǎn)于熱液礦脈,常與石英等礦物伴生[42,43]。但通過觀察,發(fā)現(xiàn)含量極少,說明晚期熱液的活動(dòng)可能并不特別發(fā)育。
5.1.2 主元素和痕量元素特征
相比于現(xiàn)代海水,大氣淡水富Fe、Mn而貧Na(表1)[21,37],其中,兩者的Fe/Ca、Mn/Ca值相差 1 000倍(圖4);而區(qū)內(nèi)樣品的Fe/Ca為16.88×10-3~271.80×10-3、Mn/Ca為1.13×10-3~4.12×10-3,均很接近大氣淡水的比值。盆地東部各類白云巖樣品Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為1.64% (圖5-A),含量總體偏高,此現(xiàn)象在馬家溝組上部地層中是普遍的[44]。考慮到盆地內(nèi)馬家溝組地層的長期暴露[33],說明研究區(qū)內(nèi)白云巖曾受大氣淡水淋濾改造,且該期次流體富含F(xiàn)e[44]。另一方面,隨著埋深的增加,還原條件下,F(xiàn)e3+還原為Fe2+,更容易進(jìn)入晶格替換出Ca、Mg[45],從而使得大氣淡水中的Fe得以在白云巖中大量保存。同樣,相比于現(xiàn)代海相沉積白云巖中質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)(1 000~3 000)×10-6的Na[1,46],盆地東部白云巖樣品Na的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值僅為286×10-6(圖5-C),明顯偏低。與Sr不同, Na含量的降低,是和成巖流體本身性質(zhì)相關(guān)[25,40],而與成巖演化過程中白云石晶體自身變化關(guān)系不大,由此進(jìn)一步印證了曾受到過Na含量很低的大氣淡水淋濾改造。對比盆地中部馬五5亞段白云巖樣品,其Fe的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.80% (圖6-A),Na的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為540×10-6(圖6-C)[22],發(fā)現(xiàn)東部馬五1+2亞段的樣品Fe含量更高、Na含量更低。這種元素含量與距離風(fēng)化殼遠(yuǎn)近的關(guān)系,也是符合馬家溝組上下地層巖溶發(fā)育規(guī)律的。
表4 鄂爾多斯盆地馬家溝組各類型白云巖電子探針測試結(jié)果Table 4 Electron probe analysis for various types of dolomites in the Majiagou Formation, Ordos Basin
將不同地區(qū)中粗晶白云巖同其他類型白云巖進(jìn)行比較,可發(fā)現(xiàn)東部地區(qū)中粗晶白云巖比泥粉晶白云巖和砂屑白云巖的Fe含量要高、Na含量要低(圖5-A、C),中部地區(qū)的細(xì)中晶白云巖同樣具有Fe和Mn含量偏高、Na和Sr含量偏低的特征(圖6)。不同地區(qū)中粗晶白云巖的主元素和痕量元素分布,說明了中粗晶白云巖形成時(shí),發(fā)生Fe、Mn加入而Na、Sr流失。考慮到成巖作用過程中埋藏作用的加強(qiáng)所帶來的還原-高溫環(huán)境,可能會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)Fe、Mn等進(jìn)入晶格[22,47],以及重結(jié)晶過程中白云石結(jié)構(gòu)調(diào)整導(dǎo)致Sr含量的降低。但值得注意的是,Na含量在研究區(qū)內(nèi)因受到巖溶作用影響而普遍較低,而中粗晶白云巖的Na含量在所有樣品中又屬最低,說明第三期次流體鹽度很低,在重結(jié)晶過程中進(jìn)一步將Na置換出白云石晶體,因此在判別埋藏期礦物成因時(shí),同樣需要重視提供離子的成巖流體影響[24,45,48]。
5.1.3 稀土元素特征
碳酸鹽巖的Mn/Sr比值可指示成巖作用的改造強(qiáng)度,且認(rèn)為該值大于2時(shí),樣品便受到較強(qiáng)烈的成巖作用[49];而稀土元素具備協(xié)同演化的特點(diǎn),因此不同流體形成或改造的巖石,則會(huì)保留與之相關(guān)的稀土元素配分模式[50]。將樣品稀土元素含量與澳大利亞太古宙頁巖(PAAS)標(biāo)準(zhǔn)化后,出現(xiàn)3類配分模式(圖7)。Ⅰ類配分模式對應(yīng)樣品Y102-1,巖性為泥粉晶白云巖;Ⅱ類配分模式對應(yīng)樣品Y58-1、Sh42-1、Sh142-1,巖性包含泥粉晶白云巖與砂屑白云巖;Ⅲ類配分模式對應(yīng)樣品Y140-1、Y140-3、Y140-4,巖性為中粗晶白云巖。
代表Ⅰ類配分模式的樣品Y102-1,其Mn/Sr值最小(Mn/Sr=2.78)(表1),說明成巖改造相對最弱?;谘芯繀^(qū)內(nèi)準(zhǔn)同生期白云巖化的已有認(rèn)識(shí),首先與海水比較(圖7-A),發(fā)現(xiàn)該樣品配分模式顯示HREE略富集,弱于海水的HREE富集程度,整體曲線較平緩;δCe值略大于1(δCe=1.19)(表2),與海水的負(fù)異常明顯不同。而隨著Mn/Sr值的增大(平均Mn/Sr=7.00)(表1),樣品Y58-1、Sh42-1、Sh142-1便表現(xiàn)Ⅱ類配分模式(圖7-B)。與Ⅰ類比較后發(fā)現(xiàn)Ⅱ類的δCe值相似,仍表現(xiàn)為弱正異常(平均δCe=1.17)(表2);HREE則不富集,轉(zhuǎn)而MREE富集,曲線呈“帽形”。
巖石學(xué)、主元素和痕量元素特征顯示,研究區(qū)內(nèi)樣品存在淡水淋濾的過程,而Ⅰ、Ⅱ類配分模式與海水之間有明顯差異,也說明了本次研究樣品不再具備海源流體的信息。Ce在鑭系金屬中,因受外層電子影響,可作為判識(shí)氧化-還原條件的敏感元素。海水中δCe負(fù)異常是氧化環(huán)境的典型表現(xiàn)[51],而Ⅰ、Ⅱ類配分模式中,δCe弱正異常則說明這兩類樣品經(jīng)歷了弱還原的成巖環(huán)境。弱還原條件與暴露氧化的淡水淋濾似存在沖突,但在巖溶垂向分帶中,上部滲流帶中常以溶蝕為主,而在下部潛流帶和深部緩流帶中,則會(huì)以沉淀為主[49],因此從巖溶角度考慮,弱還原環(huán)境是合理、可解釋的。此外,碳酸鹽巖在富集碳酸根的大氣淡水中,礦物晶格中HREE相比于LREE更為活潑,更容易和碳酸根結(jié)合從白云石晶格中流出,進(jìn)入活動(dòng)流體中[52],因此現(xiàn)代河水常表現(xiàn)為HREE富集[53]。在海相成因的背景下,HREE的流失則會(huì)突顯MREE的富集,進(jìn)而表現(xiàn)出“帽形”特征。Ⅰ、Ⅱ類δCe弱正異常和MREE富集的配分模式,結(jié)合地質(zhì)背景[32],認(rèn)為淡水淋濾作用在研究區(qū)內(nèi)是存在的,使得大部分樣品不再具備原始海相沉積流體性質(zhì)。進(jìn)一步根據(jù)Ⅰ、Ⅱ類Mn/Sr值的逐漸增大以及較于海水逐漸虧損的HREE,可推測淡水改造強(qiáng)度是存在差異的,且認(rèn)為Ⅰ類配分模式可能是由原始海相白云巖到強(qiáng)淡水改造白云巖轉(zhuǎn)變的中間狀態(tài),即受到了淡水淋濾,但強(qiáng)度稍弱。
Ⅲ類配分模式巖性為中粗晶白云巖,較于Ⅰ、Ⅱ類,Mn/Sr值繼續(xù)增大(平均Mn/Sr=10.77)(表1);總稀土含量(表2)和配分模式?jīng)]有發(fā)生太大變化(圖7-B),仍以MREE富集、曲線呈“帽形”為特征;但δEu值為負(fù)異常(平均δEu=0.73),與Ⅰ、Ⅱ類明顯不同。與主元素和痕量元素特征類似,中粗晶白云巖的稀土配分模式,同樣顯示在淡水改造的基礎(chǔ)上受第三期次流體改造。δEu值常與流體溫度和氧化-還原條件相關(guān),例如幔源熱液稀土元素特征具有明顯的正Eu異常(圖7-B)[54],且高溫極大地促進(jìn)Eu2+進(jìn)入晶格而使得熱液沉淀礦物具有非常顯著的正Eu異常?;冖箢惖摩腅u值負(fù)異常,可以基本排除幔源熱液的參與,而是埋藏期還原性質(zhì)流體的產(chǎn)物。值得注意的是,中粗晶白云巖的成巖流體應(yīng)比Ⅰ、Ⅱ類還原程度更高,且隨著埋藏加深,溫度也應(yīng)更高。
5.1.4 C、O穩(wěn)定同位素特征
碳酸鹽巖C、O穩(wěn)定同位素豐度常是原始沉積水體沉淀過程及后期成巖流體參與的水巖反應(yīng)等共同作用的結(jié)果,基于各類型白云巖與沉積水體δ18O、δ13C值的比較,常為流體判識(shí)提供重要信息。研究區(qū)內(nèi)樣品δ18O值均要低于奧陶紀(jì)海水膠結(jié)物[38],表現(xiàn)為氧同位素偏負(fù)的特征(圖8)。對于偏負(fù)的特征,前人普遍認(rèn)為提高溫度和大氣淡水淋濾或地層水的改造利于O同位素呈“負(fù)值”[55]??紤]到研究區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育的巖溶作用,因此認(rèn)為大氣淡水的參與成巖改造程度較大,是導(dǎo)致δ18O偏負(fù)的主要原因[56]。中、東部地區(qū)由于樣品分布層位不同,導(dǎo)致東部樣品比中部樣品的淡水改造程度更強(qiáng),而東部地區(qū)樣品的δ18O值(圖8-A)較于中部地區(qū)(圖8-B)更加偏負(fù),則很好地反證了研究區(qū)內(nèi)樣品是受到大氣淡水改造而導(dǎo)致δ18O偏負(fù)。δ13C值偏負(fù)一般可能是受到大氣淡水淋濾、有機(jī)質(zhì)降解等因素的影響[57],而溫度影響很小,基本可以忽略。本次研究樣品表現(xiàn)出在沉積海水δ13C值附近波動(dòng)的特征,整體負(fù)偏程度不大,顯示受到有機(jī)碳影響較小。東部地區(qū)樣品δ13C值較為分散(圖8-A),推測與距離風(fēng)化殼較近、成巖作用更加復(fù)雜有關(guān);而中部地區(qū)樣品整體負(fù)偏(圖8-B),顯示受到大氣淡水的影響。
進(jìn)一步將中粗晶白云巖與泥粉晶白云巖、砂屑白云巖相比較,可發(fā)現(xiàn)δ18O 值更加負(fù)偏(圖8)。若將整體負(fù)偏情況下更加負(fù)偏的中粗晶白云巖仍簡單理解為大氣淡水參與,顯然不合適,由此可見是存在第三期次成巖流體的。根據(jù)Fe、Mn含量及REE配分模式等變化,推測該期次流體作用時(shí)間應(yīng)該稍晚,而埋深增加所導(dǎo)致的“高溫”可能是δ18O值更加負(fù)偏的主要原因;而中粗晶白云巖Na含量最低,因此也不排除是因?yàn)榈谌诖瘟黧w鹽度很低導(dǎo)致的。再者針對東部和中部地區(qū)中粗晶白云巖δ18O和δ13C值相關(guān)性進(jìn)行計(jì)算,可見東部地區(qū)(R2=0.99)(圖9-A)和中部地區(qū)(R2=0.64)(圖9-B)的中粗晶白云巖δ18O和δ13C相關(guān)性高,而其他類型白云巖則無類似特征。說明埋藏階段的第三期次流體改造徹底,導(dǎo)致白云石晶體發(fā)生調(diào)整,演化為中粗晶;而中粗晶白云巖的Sr含量最低便是最好的佐證。
通過巖石學(xué)和地球化學(xué)的分析,認(rèn)為中粗晶白云巖是在大面積準(zhǔn)同生期白云巖化流體和暴露期淡水淋濾改造的基礎(chǔ)上,于埋藏期受第三期次流體局部重結(jié)晶而成。這一結(jié)論,進(jìn)一步加深了前人關(guān)于中粗晶白云巖形成是多期次成巖流體多重作用的認(rèn)識(shí)[7,9]。隨著研究的深入,發(fā)現(xiàn)白云石晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異與成巖流體性質(zhì)變化存在密切關(guān)聯(lián)[8],可見從巖石尺度到礦物尺度的細(xì)化,對于白云石重結(jié)晶及此過程中元素遷移等關(guān)鍵問題可能具有某種潛在意義??v向分布上,可見中粗晶白云巖均發(fā)育于高孔滲段(圖1-B),推測其原巖為顆粒白云巖?;谠摷僭O(shè),本次研究在流體判識(shí)的工作基礎(chǔ)上,進(jìn)一步選取東部地區(qū)的砂屑白云巖作為對比對象,開展關(guān)于中粗晶白云石晶粒和砂屑中微晶白云巖晶粒的陰極發(fā)光觀察及配套電子探針測試。
中粗晶白云石晶體具有圈層結(jié)構(gòu)(圖2-I、J、K、L),內(nèi)部為暗紅色殘余結(jié)構(gòu)(圖2-F),外圍環(huán)邊表現(xiàn)為亮紅色,顏色均勻無明暗環(huán)帶(圖2-I、J、K、L),且與內(nèi)部霧心具有相同消光角(圖2-H)。元素分布(表4、圖10-A)顯示:白云石晶體內(nèi)部殘余結(jié)構(gòu)Mg含量低于外圍環(huán)帶和砂屑白云巖中的微晶白云石;Fe、Mn含量分布,是中粗晶白云石內(nèi)部最高,外圍環(huán)帶次之,微晶白云石最少;Na含量是中粗晶白云石內(nèi)部最高;Sr含量是微晶白云石、中粗晶白云石內(nèi)部、外圍環(huán)帶依次降低;Al、Si等含量測試顯示可能外圍環(huán)帶最高(鑒于探針精度有限和文章的嚴(yán)謹(jǐn)性,Na、Sr、Al、Si等元素僅作為參考)。此外值得注意的是,晶粒內(nèi)部與外圍的Mg、Fe和Mn含量相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果(R2=0.92)(圖10-B),顯示具有很高的負(fù)相關(guān)性,表明晶體內(nèi)的Mg2+、Fe2+、Mn2+地球化學(xué)行為可能具有某種關(guān)聯(lián)。
P.W.Choquette等[7]曾就跨盆地、多層位的5種晶粒白云石進(jìn)行系統(tǒng)梳理,基于陰極發(fā)光下白云石晶粒成分與結(jié)構(gòu)的差異,總結(jié)認(rèn)為晶粒白云巖的形成是長時(shí)間、多步驟的,尤其是具有環(huán)帶狀特征的白云石,可能是多期次、異流體的終端產(chǎn)物。基于本次研究的中粗晶白云石晶粒內(nèi)外差異,推測重結(jié)晶過程是分兩步進(jìn)行的;不同位置的微區(qū)元素分布,則暗示該過程可能伴有流體成分的差異[19]。而前人高溫合成白云石實(shí)驗(yàn),認(rèn)為白云石的穩(wěn)定化是一種沉淀—溶解—再沉淀的過程[2-4],這一指導(dǎo)性結(jié)論,為中粗晶白云石重結(jié)晶模式建立及重結(jié)晶過程中元素遷移規(guī)律研究提供了重要理論依據(jù)。為了更好地展示中間過程,將其分為3個(gè)階段:
a階段,受淡水淋濾后的顆粒白云巖,于埋藏期受到第三期次流體改造(圖11-A)。
b階段,隨著埋深增加,在溫度較高的溶液環(huán)境中,顆粒白云巖顆粒中的微晶白云石開始發(fā)生溶解-沉淀過程[2-4](圖11-B)。小粒徑的微晶白云石晶體消失,轉(zhuǎn)而調(diào)整為細(xì)中晶白云石[1,58]。結(jié)構(gòu)的調(diào)整既使得殘余顆粒結(jié)構(gòu)徹底消失,又導(dǎo)致白云石晶粒體積變小。第三期次流體中Fe2+、Mn2+等富集,在高溫、還原條件下優(yōu)先促進(jìn)了大量Fe2+、Mn2+進(jìn)入白云石晶格中[45],使得中粗晶白云石晶粒內(nèi)部的Fe、Mn含量要比微晶白云石高出一個(gè)數(shù)量級(圖10-A)??紤]到中粗晶白云巖內(nèi)部與外部Mg含量與Fe、Mn含量呈現(xiàn)非常好的負(fù)相關(guān)性(圖10-B),而結(jié)合Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+等陽離子半徑(分別為0.106 nm、0.078 nm、0.083 nm、0.091 nm)[24],推測該過程Fe2+、Mn2+替換了半徑相近的Mg2+進(jìn)入晶格,且Fe2+發(fā)揮了主要作用。根據(jù)Na微區(qū)分布(表4),推測第三期次流體初期鹽度較高,導(dǎo)致中粗晶白云石內(nèi)部的Na含量較高;Sr則隨著白云石結(jié)構(gòu)調(diào)整而流失(表4)。正交偏光下單個(gè)白云石晶體具有統(tǒng)一的消光角(圖2-H),說明c階段開始前中粗晶白云石內(nèi)部已經(jīng)調(diào)整成為一個(gè)晶體。
c階段,內(nèi)部晶體形成以后,高溫晶間流體內(nèi)Mg2+以及Fe2+、Mn2+置換出的Mg2+,保持著重結(jié)晶過程的繼續(xù)[3-4](圖11-C)。后期以沉淀白云石外圍環(huán)帶為主要特征,使得細(xì)中晶白云石進(jìn)一步長大成為中粗晶白云石,同時(shí)導(dǎo)致部分晶體內(nèi)部的不規(guī)則形態(tài)(圖2-I),說明該過程仍是符合白云石溶解-沉淀的重結(jié)晶規(guī)律。在b階段中,大部分Fe、Mn元素優(yōu)先進(jìn)入白云石內(nèi)部,因此,在c階段,溶液中剩余Fe2+、Mn2+含量明顯減少,導(dǎo)致了白云石晶粒外圍環(huán)邊Fe、Mn稍低的特征,但仍然比調(diào)整前的微晶白云石含量要高(圖10-A)。而外圍環(huán)帶的Na含量減少(表4),說明重結(jié)晶后期流體鹽度降低;且白云石環(huán)帶Sr很低(表4),說明其有序度很高。而環(huán)帶包圍下的白云石晶體自形程度很高便是最好的證據(jù),說明沉淀過程緩慢,有非??捎^的水巖比來支撐這一反應(yīng)過程的持續(xù)進(jìn)行。
基于馬家溝組地層構(gòu)造演化、巖性組合、成巖作用,眾多學(xué)者將馬五段白云巖成巖演化環(huán)境凝練概括為沉積環(huán)境、初次淺埋藏環(huán)境、抬升暴露環(huán)境、二次埋藏環(huán)境和深埋藏環(huán)境[29,59]。成巖作用可理解為水巖反應(yīng),顧名思義流體參與是必不可缺的[24,49]。馬家溝組地層所有巖性均經(jīng)歷了上述5個(gè)成巖階段,但可能由于缺少相應(yīng)的成巖流體,使得其并非都發(fā)生了成巖作用,多樣的巖性組合便是最好的證明?;谠撛O(shè)定,不同階段的關(guān)鍵成巖作用及其地球化學(xué)響應(yīng)得以保存,為成巖演化提供對比;而中粗晶白云巖通過巖石學(xué)及地球化學(xué)分析,認(rèn)為可能是貫穿始終的成巖作用經(jīng)歷者。為體現(xiàn)以中粗晶白云巖為終端演化產(chǎn)物的白云巖成巖序列,現(xiàn)以靜態(tài)巖石體系模擬動(dòng)態(tài)成巖演化及該過程中元素遷移,其中最為關(guān)鍵的工作是選取各個(gè)階段具有代表性的巖性樣品。
由于本次研究缺乏沉積和成巖早期白云巖化過程的討論,參考前人研究的鄂爾多斯盆地中部馬五5亞段原生海相灰?guī)r與泥粉晶白云巖,分別代表沉積環(huán)境樣品與淺埋藏環(huán)境樣品[22]。馬五5亞段沉積時(shí)迎來了馬五段最大海侵,因此保留了馬五段僅存的原生海相灰?guī)r;同時(shí)馬五5亞段中的白云巖的巖溶作用極弱,可很好規(guī)避巖溶流體對于早期白云巖化流體的混染。而抬升暴露環(huán)境中,大氣淡水的淋濾會(huì)在海相白云巖中疊加對應(yīng)的地球化學(xué)響應(yīng),因此本次研究中泥粉晶白云巖和砂屑白云巖便很符合該條件,且可能存在原始海相白云巖到強(qiáng)淡水改造白云巖轉(zhuǎn)變的中間樣品,即Y102-1樣品。所以選取中粗晶白云巖作為二次埋藏環(huán)境與深埋藏環(huán)境的代表巖性。
為便于對比,對所有樣品的各元素含量求平均值,并保留最大、最小值,然后與海相原生灰?guī)r對應(yīng)元素[22]進(jìn)行相對百分比計(jì)算,即
r= (wi-w0)/w0
(1)
其中:將沉積階段、初次淺埋藏階段、抬升暴露階段、第二次埋藏階段、深埋藏階段分別定義為i=1,2,…,5;r表示相對百分比(即倍數(shù));wi表示某元素在i狀態(tài)的含量;w0表示某元素在初始狀態(tài)(即沉積階段)的含量。
5.3.1 沉積-淺埋藏階段
奧陶紀(jì)時(shí)期,研究區(qū)內(nèi)主要的沉積環(huán)境為局限-蒸發(fā)臺(tái)地相[28,30-32],蒸發(fā)作用使得粒間水中的離子濃度不斷增高,與沉積-淺埋藏階段發(fā)生了早期白云巖化作用(圖12)[21-22,39]。此過程中,Na含量顯著增加,r=2.4(0.5~3.7),與水體咸化導(dǎo)致白云巖化作用相符合;Sr含量則有明顯的下降,r=-0.7(-0.6~-0.8),現(xiàn)有研究普遍認(rèn)為白云巖化作用過程是一個(gè)排出Sr的過程[1,60-61];Fe、Mn含量在此階段并無太大的變化;Mn/Sr比值基本無變化,說明此時(shí)的白云巖仍保留有海源流體的性質(zhì)。
5.3.2 抬升暴露階段
在奧陶紀(jì)初期,受加里東運(yùn)動(dòng)的影響,碳酸鹽沉積臺(tái)地出現(xiàn)大規(guī)模海退,抬升暴露使得馬家溝組上部地層遭受大氣淡水淋濾[33,56]。同時(shí)發(fā)育的巖溶系統(tǒng)為大氣淡水持續(xù)作用和后期流體滲入提供可容空間和滲流通道(圖12)。淡水淋濾對海相白云巖元素組成造成強(qiáng)烈影響:Fe、Mn含量增多,r分別為25.8(11.6~69.5)和18.8(10.4~27.2),而這與大氣淡水對上部地層溶蝕改造有關(guān);Na含量在云化作用增加之后,此階段又大幅減少,r=-0.2(-0.7~0.5),表明受低鹽度的大氣淡水改造,會(huì)流失大量Na;Sr含量繼續(xù)減少,r=-0.8(-0.6~-0.9),與白云巖結(jié)構(gòu)調(diào)整[60]和大氣淡水淋濾作用相關(guān);Mn/Sr比值也有很大幅度的增加,r=77.2(44.8~128.8),指示該階段已經(jīng)受到強(qiáng)烈成巖作用改造,不再具有原始海源流體的性質(zhì)。
5.3.3 第二次埋藏階段
在大氣淡水改造的基礎(chǔ)上,顆粒白云巖在埋藏環(huán)境的還原高溫條件下,受到第三期次流體進(jìn)一步改造。首先顆粒中的微晶白云石溶解-再沉淀,調(diào)整為細(xì)中晶白云石;隨后在殘余晶粒的周圍和早期巖溶通道內(nèi)沉淀形成外圍環(huán)帶,使之演化為中粗晶白云石。此過程中,F(xiàn)e、Mn含量再次大幅度增加,r值分別為61.2(23.2~110.8)和20.9(17.4~25.8),且主要是和白云石晶體內(nèi)部核心結(jié)構(gòu)調(diào)整有很大關(guān)系;Na含量繼續(xù)下降,r=-0.6(-0.7~-0.5),表明重結(jié)晶過程中的成巖流體鹽度總體不高;Sr含量在此過程中進(jìn)一步減少,與重結(jié)晶過程中白云石結(jié)構(gòu)調(diào)整和高有序度的外圍環(huán)帶沉淀有關(guān); Mn/Sr比值繼續(xù)增大,r=101.2(87.7~126.8),表明中粗晶白云巖再次遭受了強(qiáng)烈的成巖改造,大氣淡水的地化響應(yīng)也相對減弱、消失。
5.3.4 深埋藏階段
中粗晶白云巖形成以后,發(fā)育的晶間孔為后期深埋藏過程中的成巖流體及烴類繼續(xù)提供滲流通道,進(jìn)一步沉淀原生石英、螢石等礦物,并發(fā)生不同程度的溶蝕作用,伴隨少量瀝青質(zhì)充填(圖12)。此階段,鑒于對比樣品缺乏和小規(guī)模復(fù)雜成巖作用等問題,無法恢復(fù)該階段的元素遷移規(guī)律,但其影響還是值得考慮的,后續(xù)的研究工作將在此方面深入完善。
總的來說,可將中粗晶白云巖演化過程中元素遷移規(guī)律總結(jié)為以下5點(diǎn):①隨著演化作用的進(jìn)行,F(xiàn)e、Mn含量持續(xù)增加,Na含量先增加后減少,Sr含量則持續(xù)減少,Mn/Sr比值持續(xù)增大;②Fe、Mn含量上升的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)應(yīng)是在抬升暴露期和第二次淺埋藏期,主要受到大氣淡水淋濾改造和重結(jié)晶作用的影響;③Na含量上升的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)為初次淺埋藏期,為早期高鹽度的海源白云巖化流體所控制,而含量減少的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)則發(fā)生在抬升暴露期,是受到了大氣淡水淋濾改造的結(jié)果;④Sr含量下降的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)為初次淺埋藏期,早期白云巖化作用是主要原因;⑤Mn/Sr比值增大的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在抬升暴露期,大量的大氣淡水提供了豐富的成巖流體,致使研究區(qū)內(nèi)白云巖的成巖改造劇烈。
a.研究區(qū)內(nèi)普遍發(fā)育泥粉晶白云巖、顆粒白云巖,而中粗晶白云巖局部發(fā)育,不具有層位性;中粗晶白云巖晶粒粗大,陰極發(fā)光下見環(huán)帶結(jié)構(gòu),晶粒間充填螢石、石英等礦物。
b.基于巖石學(xué)和地球化學(xué)分析,認(rèn)為研究區(qū)內(nèi)白云巖是在成巖早期白云巖化基礎(chǔ)上,疊加淡水改造后,具有高Fe、Mn低Na、Sr、“帽形”稀土元素配分模式、弱δCe正異常、負(fù)偏的δ18O等地化特征。而中粗晶白云巖則是在上述基礎(chǔ)上,于埋藏階段受第三期次流體改造,導(dǎo)致Fe、Mn含量更高、Na、Sr含量更低、δEu負(fù)異常,δ18O值強(qiáng)烈負(fù)偏。
c.根據(jù)陰極發(fā)光特征與晶體內(nèi)部與外部微區(qū)地球化學(xué)差異,認(rèn)為中粗晶白云巖先是微晶白云石結(jié)構(gòu)調(diào)整為內(nèi)部核心,此過程中大量Fe、Mn進(jìn)入晶格置換出Mg元素,隨后沉淀白云石環(huán)邊,伴隨少量Fe、Mn進(jìn)入晶格。
d.中粗晶白云巖是經(jīng)歷準(zhǔn)同生期云化—大氣淡水淋濾—埋藏重結(jié)晶—深埋藏溶蝕等一系列成巖作用的終端產(chǎn)物。認(rèn)為隨著演化進(jìn)行,F(xiàn)e、Mn含量持續(xù)增加,演化關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在抬升暴露期和第二次淺埋藏期;Na含量先增加后減少,演化關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分別在初次淺埋藏期和抬升暴露期;Sr含量則持續(xù)減少,演化關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在初次淺埋藏期;Mn/Sr比值持續(xù)增大,演化關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在抬升暴露期。