埋藏白云巖成因類型與規(guī)模儲層發(fā)育規(guī)律
——基于元素面掃和激光U-Pb定年的認識

喬占峰 邵冠銘 羅憲嬰 曹 鵬 孫曉偉 沈安江

1.中國石油杭州地質(zhì)研究院 2.中國石油天然氣集團有限公司碳酸鹽巖儲層重點實驗室

0 引言

白云巖是中國深層天然氣勘探的主要領(lǐng)域之一[1-3]，根據(jù)成因可劃分為準同生期低溫白云巖、埋藏期結(jié)晶白云巖和構(gòu)造—熱液白云巖3種類型[4]，其中埋藏期結(jié)晶白云巖（埋藏白云巖）在塔里木、四川和鄂爾多斯三大海相盆地中大規(guī)模發(fā)育[5-9]，天然氣勘探潛力巨大。

埋藏白云巖往往以晶粒結(jié)構(gòu)為主，常規(guī)顯微鏡下原始沉積組構(gòu)難以識別。因此，前期多以白云石晶體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進行分析[4,7,10-14]，然而，由于埋藏白云巖往往形成和演化的時間跨度大、改造強[15-17]，白云石晶體可能經(jīng)歷了復(fù)雜的轉(zhuǎn)變，并且碳氧鍶同位素等常規(guī)地球化學(xué)數(shù)據(jù)也易受到后期成巖改造而發(fā)生改變[15]。故而，傳統(tǒng)方法對于埋藏白云巖的成因分析主要揭示了最后改造期的信息，對于白云化改造前巖石屬性以及多期云化發(fā)生時間和疊加改造效應(yīng)等諸多關(guān)鍵信息難以深入認識，制約了對于埋藏白云巖形成過程和分布規(guī)律以及相關(guān)儲層發(fā)育規(guī)律的認識，不利于油氣勘探方向的確定。

近年來，元素面掃和激光U-Pb定年等分析技術(shù)得到了長足的發(fā)展[18-20]，為認識埋藏白云巖形成過程提供了可能。元素面掃技術(shù)的進步使得礦物元素含量分析從全巖分析發(fā)展至原位點分析，特別是最近興起的LA-ICP-MS方法，具有分析精度高、檢測限低、多元素同時分析的優(yōu)點，有利于對碳酸鹽巖復(fù)雜組構(gòu)進行高精度的微量稀土元素測定，如楊瀚軒等（2020）成功對塔里木盆地奇格布拉克組微生物白云巖組構(gòu)進行了分析[21]。激光U-Pb定年技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于洞穴石筍[22]、鈣質(zhì)結(jié)核[23]、鈣質(zhì)化石[24]和方解石脈[25]等的測年中，近兩年，針對微生物白云巖中白云石膠結(jié)物進行了定年分析[21,26]，解析了微生物白云巖不同組構(gòu)的形成時期。不同于微生物白云巖具有較為清晰的巖石組構(gòu)差異，埋藏白云巖中的白云石晶體未形成規(guī)律發(fā)育的巖石組構(gòu)，給針對不同期次云化的解析帶來了難度?；贚A-ICPMS的微量稀土元素面掃和U-Pb定年相結(jié)合為更精細地認識埋藏白云石晶體結(jié)構(gòu)與元素變化提供了手段，并使得在白云石結(jié)構(gòu)特征認識的基礎(chǔ)上確定性地分析白云化時間和白云化流體運移機制成為可能，進而得以深入認識埋藏白云巖成因類型和儲層形成演化過程。

深層埋藏白云巖往往經(jīng)歷多期復(fù)雜的成巖改造且埋藏于地下，難以客觀地挖掘與白云巖成因相關(guān)的各類信息；較之于前者，露頭則具有更豐富的二維信息有利于判斷沉積期特征和樣品產(chǎn)狀，并且構(gòu)造演化相對簡單，更有利于解析實驗結(jié)果。為此，筆者以塔里木盆地永安壩剖面下奧陶統(tǒng)蓬萊壩組為解剖對象，在露頭、薄片、陰極發(fā)光和碳氧鍶同位素等傳統(tǒng)巖石學(xué)和地球化學(xué)分析的基礎(chǔ)上，引入微量稀土元素面掃和激光U-Pb定年分析技術(shù)，明晰了基于形成過程的埋藏白云巖成因分類，探討了不同成因埋藏白云巖的成儲潛力，以期有助于深化對于白云巖成因理論以及古老深層白云巖儲層發(fā)育規(guī)律的認識。

1 埋藏白云巖成因類型

埋藏白云巖是滲流帶之下受富鎂盆地流體或熱液改造形成的地下膠結(jié)物或交代物[27]，在漫長的埋藏演化過程中還可能經(jīng)歷多期、復(fù)雜的成巖改造，導(dǎo)致其往往具有復(fù)雜的巖石結(jié)構(gòu)特征，因此對白云石結(jié)構(gòu)的描述不足以深刻認識其成因和發(fā)育規(guī)律。在巖石學(xué)和地球化學(xué)進行白云巖成因分析的基礎(chǔ)上，將埋藏白云巖劃分為兩種成因類型，即：準同生白云巖經(jīng)重結(jié)晶改造形成的Ⅰ型埋藏白云巖和石灰?guī)r經(jīng)淺埋藏期交代作用改造形成的Ⅱ型埋藏白云巖（表1）。兩種成因類型的埋藏白云巖盡管在演化末端均表現(xiàn)為晶粒白云巖，但它們白云石化過程存在顯著差異，導(dǎo)致發(fā)育規(guī)律明顯不同。

表1 埋藏白云巖成因分類方案表

1.1 Ⅰ型埋藏白云巖

Ⅰ型埋藏白云巖指沉積物在（準）同生期已經(jīng)歷白云石化作用形成準同生白云巖，準同生白云巖在進入埋藏期后受埋藏白云石化作用的影響又經(jīng)歷了重結(jié)晶作用改造，從而演化為埋藏白云巖，因此，該類型埋藏白云巖可能來自于蒸發(fā)泵白云巖、微生物白云巖或滲透回流白云巖等，現(xiàn)在轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｒ?guī)顯微鏡下沉積組構(gòu)難以識別的晶粒白云巖。

1.1.1 白云石演化過程

該類埋藏白云巖在露頭上仍可保留較清晰的沉積構(gòu)造，其中細中晶白云巖為主的Ⅰ型埋藏白云巖多發(fā)育明顯的交錯層理（圖1-a）。在常規(guī)偏光顯微鏡下該類埋藏白云巖多數(shù)僅表現(xiàn)為晶粒結(jié)構(gòu)，很難識別出原始沉積組構(gòu)（圖1-b、d、f、h）。但是，通過原巖結(jié)構(gòu)恢復(fù)后可知，白云石晶體的排列受原巖結(jié)構(gòu)的明顯約束（圖1-c、e、g、i），隨著重結(jié)晶程度增強，顆粒結(jié)構(gòu)變模糊，白云石晶體變大，自形程度升高（圖1）。 這種明顯的顆粒結(jié)構(gòu)幻影代表該類白云石為準同生白云石重結(jié)晶之后的產(chǎn)物，其表現(xiàn)為在原有白云石基礎(chǔ)上的重新改造。

為具體認識白云石演化過程，選取不同程度保留原巖組構(gòu)的細中晶白云石開展激光U-Pb定年，結(jié)果顯示Ⅰ型埋藏白云巖的年齡結(jié)果與巖石結(jié)構(gòu)特征和構(gòu)造演化史匹配良好（圖2）。兩個樣品獲得的年齡為距今464±12 Ma (圖2-a)和距今441±16 Ma（圖2-b），分別對應(yīng)早—中奧陶世的準同生期或稍晚和晚奧陶到早志留世的淺埋藏期。巖石結(jié)構(gòu)上，年齡為距今464±12 Ma的樣品顆粒結(jié)構(gòu)保持良好，與其接近準同生期的年齡相匹配；年齡為距今441±16 Ma的樣品則表現(xiàn)為細晶白云巖的特點，原巖結(jié)構(gòu)恢復(fù)的情況下可見，白云石的排列受原顆粒結(jié)構(gòu)的約束，也揭示該類白云巖為準同生顆粒白云巖進一步重結(jié)晶的結(jié)果。

1.1.2 元素面掃特征與云化流體屬性

陰極發(fā)光和元素面掃顯示該類白云石復(fù)雜的晶體發(fā)光特征。陰極發(fā)光下，該類白云石表現(xiàn)出了較為明顯的環(huán)帶特征（圖3-a）。前人指出陰極發(fā)光受Fe2+（淬滅劑）和Mn2+（激活劑）含量控制[28]，但是元素面掃分析顯示常規(guī)主微量元素分布都較均勻（圖3-b、c、f）， 如 Mg25，Ca44，Mn55，F(xiàn)e57 和 Sr88等，而稀土元素表現(xiàn)出清晰的環(huán)帶特征（圖3-f），如Y89、La139、Ce140、Pr141等，揭示了白云石陰極發(fā)光的環(huán)帶特征與稀土元素的變化密切相關(guān)，而不是像以往認識的由成巖環(huán)境變化造成。根據(jù)微量元素分布的均勻性，考慮到碳酸鹽礦物中稀土元素在高水巖比條件下會發(fā)生變化[29]，推知該白云石的陰極發(fā)光環(huán)帶代表了白云石化過程中的高水巖比的特點，而并非流體屬性發(fā)生變化導(dǎo)致，與其原始基質(zhì)孔孔隙較發(fā)育特征一致（圖1）。

高水巖比下，白云石的地球化學(xué)特征代表白云石化流體的屬性。分析顯示，Ⅰ型埋藏白云巖的碳氧同位素分布范圍分別為0～－1‰和－4‰～－8‰（圖4-a），較當時海水碳氧同位素值略偏正，可能代表白云石化流體為略濃縮的海水；其鍶同位素為0.709～0.709 5，分布范圍寬，高于地層海水鍶同位素比值（0.709 1[30]）（圖4-b、c），且與氧同位素具有一定的相關(guān)性，鍶同位素比值升高，氧同位素逐漸偏負，為埋藏重結(jié)晶的結(jié)果[31]。因此，該類白云巖包含了準同生期白云石化和埋藏期重結(jié)晶的共同特征。

1.2 Ⅱ型埋藏白云巖

Ⅱ型埋藏白云巖指由沉積后已經(jīng)歷了礦物穩(wěn)定化的石灰?guī)r在進入埋藏期后經(jīng)交代作用改造而直接形成的埋藏白云巖。

1.2.1 白云石化過程

該類白云巖在露頭上以中厚層狀發(fā)育，交錯層理可識別，部分層段夾有石灰?guī)r透鏡體（圖5-a、b）。石灰?guī)r透鏡體中由亮晶砂屑灰?guī)r構(gòu)成，膠結(jié)致密，局部發(fā)育斑狀白云石，白云石同時交代顆粒和方解石膠結(jié)物（圖5-e、f）。白云巖體由它形中粗晶白云石構(gòu)成，呈鑲嵌狀接觸，晶體內(nèi)部即可識別出顆粒結(jié)構(gòu)（圖5-c），與石灰?guī)r透鏡體中斑狀白云石同時交代顆粒和方解石膠結(jié)物的現(xiàn)象一致，且二者陰極發(fā)光特征相似；宏觀發(fā)育特征可知，石灰?guī)r透鏡體為白云巖形成過程中的殘留，白云巖的原巖為顆粒石灰?guī)r。此外，白云石晶體內(nèi)發(fā)育大量隨機分布的方解石固體包裹體（圖5），包裹體在白云石晶體的各個部位均可發(fā)育，也揭示該云化作用發(fā)生于淺埋藏期礦物穩(wěn)定化之后，此時顆粒和膠結(jié)物均已轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的低鎂方解石。

激光U-Pb定年結(jié)果也顯示出Ⅱ型埋藏白云石與石灰?guī)r中斑狀白云石的親緣性，石灰?guī)r斑狀白云石和Ⅱ型埋藏白云石晶核的年齡結(jié)果非常接近（圖2），分別為距今443±18 Ma和距今433±22 Ma，Ⅱ型埋藏白云石晶緣的年齡為距今382±29 Ma（圖2）。石灰?guī)r中斑狀白云石與縫合線的密切關(guān)系揭示其形成于淺埋藏期，與年齡值一致，該時期同時也是細晶白云石重結(jié)晶的時候，大量的白云石化流體也為粗晶白云石的逐步生長提供了條件，而這一緩慢生長過程一直持續(xù)到泥盆紀，或者在泥盆紀構(gòu)造擠壓的環(huán)境中，導(dǎo)致流體運移而再次發(fā)生白云石化作用，對白云石邊緣進行了改造。

1.2.2 元素面掃特征與白云石化流體屬性

綜合巖石學(xué)特征揭示該類白云巖形成于低水巖比條件下，證據(jù)包括：①巖石中的白云石多呈鑲嵌狀密切接觸，代表了生長空間有限的競爭生長特征；②與其成因上相近的、未完全白云石化的含云石灰?guī)r中，白云石主要表現(xiàn)未填充殘留粒間孔，對孔隙周邊的顆粒和膠結(jié)物形成了逐步滲透蠶食的交代白云石化特征；③稀土元素面掃揭示粗晶白云石內(nèi)各類稀土元素分布較均勻（圖6），變化之處主要發(fā)生在孔隙周緣或縫合線。因此，Ⅱ型埋藏白云巖形成過程代表的是一種巖石緩沖體系，這種背景下的地球化學(xué)特征更多反映的是原巖的特征。分析顯示，Ⅱ型埋藏白云巖的碳氧同位素分布范圍為－1‰～－2‰和－6‰～－9‰，與同期海水值重疊，與石灰?guī)r圍巖值接近（圖4-a），不代表白云石化流體的地球化學(xué)特征。

此外，多種巖石學(xué)特征揭示Ⅰ型埋藏白云巖和Ⅱ型埋藏白云巖具有不同的重結(jié)晶改造特征。Ⅰ型埋藏白云巖經(jīng)歷了較明顯的重結(jié)晶改造，表現(xiàn)為陰極發(fā)光和微量稀土元素面掃下的環(huán)帶特征；而粗晶白云石則表現(xiàn)為均勻的結(jié)構(gòu)特征，未有明顯的重結(jié)晶改造跡象。由于鍶元素配分系數(shù)小于1，在重結(jié)晶過程中，流體中鍶元素不斷富集，而鍶原子半徑大于鎂離子，87Sr在流體中逐漸富集，導(dǎo)致白云巖的鍶同位素比值升高。鍶同位素與碳和氧同位素交匯圖顯示，Ⅰ型埋藏白云巖具有隨氧同位素偏負，鍶同位素比值升高的趨勢（圖4），而Ⅱ型埋藏白云巖的氧同位素與鍶同位素比值的變化關(guān)系則不明顯，反映了Ⅱ型埋藏白云巖本身繼承自石灰?guī)r較偏負氧同位素的穩(wěn)定性，而細中晶白云巖在重結(jié)晶過程中溫度逐漸升高，氧同位素逐漸偏負的過程。以上均可能為重結(jié)晶造成的地球化學(xué)信息變化。

總之，根據(jù)微量稀土元素面掃和激光U-Pb定年的限定，揭示兩種類型白云巖的形成過程存在明顯差異，盡管不同類型白云巖的同位素差異明顯，但是二者可能均形成于同種海源白云石化流體。其中，造成兩種類型埋藏白云巖顯著差異的是埋藏白云石化前的巖性，或者說是否經(jīng)歷了準同生期白云石化作用改造。

需要指出的是，盡管Ⅰ型埋藏白云巖在準同生期已轉(zhuǎn)變?yōu)榘自茙r，理論上可歸屬于準同生白云巖，然而，由于埋藏白云石化作用對其進行了強烈改造，在常規(guī)顯微鏡下原始沉積組構(gòu)已難以識別，表現(xiàn)的更多的是埋藏白云巖的特征，因而將其歸屬于埋藏白云巖。該類埋藏白云巖與準同生白云巖的差別在于原始沉積組構(gòu)的保留程度。

2 規(guī)模儲層發(fā)育規(guī)律

根據(jù)前述巖石學(xué)特征可知，盡管原巖可能都是顆粒石灰?guī)r，但是由于白云巖形成演化路徑的不同，導(dǎo)致其儲層發(fā)育的潛力存在差異（圖7）。Ⅰ型埋藏白云巖的顆粒石灰?guī)r在準同生期就經(jīng)歷了白云石化作用的改造，由于白云石較強的抗壓能力，使得準同生期的基質(zhì)孔（包括原生粒間孔以及溶蝕改造形成的粒內(nèi)溶孔等）在淺埋藏期得以較大程度的保存，只是產(chǎn)狀上可能轉(zhuǎn)變?yōu)榫чg孔或晶間溶孔（圖7）。相比之下，Ⅱ型埋藏白云巖是顆粒石灰?guī)r于淺埋藏期經(jīng)交代作用而形成，意味著顆粒石灰?guī)r經(jīng)歷了淺埋藏階段的成巖改造，隨著埋深和溫度的增加，由于方解石抗壓能力較弱，壓溶作用使得石灰?guī)r中大量的縫合線發(fā)育，溶蝕后的方解石對先期基質(zhì)孔造成大量的充填，基質(zhì)孔損失嚴重；進一步地，埋藏白云石化作用發(fā)生過程中帶入了白云石化流體，容易造成過白云石化作用，充填本已欠發(fā)育的孔隙，使得白云石呈鑲嵌狀發(fā)育（圖7）。因此，Ⅱ型埋藏白云巖總體上孔隙欠發(fā)育，不利于儲層規(guī)模發(fā)育?？傊?，盡管Ⅰ型埋藏白云巖和Ⅱ型埋藏白云巖均可構(gòu)成規(guī)模塊狀白云巖體，但是由于白云石化路徑的差異，二者發(fā)育儲層的潛力不同。

對應(yīng)地，兩種埋藏白云巖的儲層發(fā)育規(guī)律也存在差異。Ⅰ型埋藏白云巖繼承自準同生經(jīng)歷白云石化改造的顆粒石灰?guī)r，因此表現(xiàn)出明顯的相控性，其主要發(fā)育于準同生云化灘之中，且在受準同生期大氣水溶蝕的高頻層序上部儲層質(zhì)量更優(yōu)，在各時期地質(zhì)背景中，主要集中于臺地邊緣和內(nèi)緩坡—中緩坡的丘灘復(fù)合體；而Ⅱ型埋藏白云巖在不經(jīng)其他成巖改造的情況下往往儲層欠發(fā)育，其進一步發(fā)育儲層的途徑依賴于斷裂相關(guān)熱液改造，類似于構(gòu)造熱液白云巖儲層，發(fā)育分布主要受控于斷裂[32]，或者暴露地表受表生巖溶改造，形成潛山白云巖儲層。

3 對于深層油氣勘探的指導(dǎo)意義

塔里木、四川、鄂爾多斯三大盆地白云巖地層中，除塔里木盆地蓬萊壩組和鷹山組、四川盆地棲霞組和茅口組、鄂爾多斯馬家溝組中下組合這些以晶粒白云巖為主體的白云巖地層外，塔里木盆地肖爾布拉克組和上寒武統(tǒng)、四川盆地洗象池組和龍王廟組等也均含有大量的晶粒白云巖，油氣勘探的潛力巨大。該類白云巖的油氣勘探過程中，由于不像準同生白云巖和熱液白云巖儲層的主控因素明確為沉積相和斷裂，埋藏晶粒白云巖的規(guī)模性和儲層發(fā)育規(guī)律不夠明確，且根據(jù)其與構(gòu)造熱液白云巖相似的特征容易得出受控于斷裂的認識。深層天然氣要保證勘探效益，必須要求儲層具有規(guī)模性，根據(jù)對塔里木盆地蓬萊壩組露頭白云巖的研究顯示，埋藏晶粒白云巖應(yīng)區(qū)分兩種類型，其中Ⅰ型埋藏白云巖是發(fā)育大規(guī)模層狀優(yōu)質(zhì)白云巖儲層的首選。因此，井下深層白云巖的研究中進行埋藏白云巖成因類型的識別至關(guān)重要。

通過以上的巖石學(xué)和地球化學(xué)分析結(jié)果可知，對于Ⅰ型埋藏白云巖的判識標志在于：①多為粉晶、細晶或中晶，自形程度較好，且在重結(jié)晶的過程中，白云石晶體粒徑有增大的趨勢，自形程度變好；②晶體多具有霧心亮邊特征或環(huán)帶狀結(jié)構(gòu)，環(huán)帶結(jié)構(gòu)在陰極發(fā)光和稀土元素面掃中可識別；③白云石晶體排列受原始沉積組構(gòu)約束；④碳氧同位素接近準同生白云巖的值，而鍶同位素多明顯高于當時海水值。相比之下，Ⅱ型埋藏白云巖的判識標志存在明顯差異：①多為中粗晶，它形或半自形；②晶體結(jié)構(gòu)較均勻，陰極發(fā)光和稀土元素面掃無環(huán)帶特征；③晶體內(nèi)方解石包裹體多見，且分布與晶體結(jié)構(gòu)無關(guān)；④晶體發(fā)育不受沉積組構(gòu)約束，晶體可切割顆粒和膠結(jié)物，或晶體內(nèi)部殘留顆粒結(jié)構(gòu)幻影；⑤碳氧同位素間于Ⅰ型埋藏白云巖和石灰?guī)r母巖之間，代表巖石緩沖體系特征。通過以上判識標志，可對成巖演化相似的埋藏白云巖進行成因類型識別，進而明確埋藏白云巖及相關(guān)儲層的發(fā)育規(guī)律。

此外，井下深層白云巖與本文解剖的蓬萊壩組露頭白云巖相比，可能經(jīng)歷更為復(fù)雜的成巖演化，但是白云石的演化趨勢是明確的：Ⅰ型埋藏白云石在經(jīng)歷更長時期的重結(jié)晶作用改造后，晶體具有自形程度升高，晶體逐漸變大，環(huán)帶增加，原巖結(jié)構(gòu)約束特征變模糊的趨勢；而Ⅱ型埋藏白云石在經(jīng)歷更長時期的云化改造后，更多表現(xiàn)為在先期白云石基礎(chǔ)上的次生加大，以填充孔隙為主要表現(xiàn)。當然，二者還可能經(jīng)歷其他如溶蝕作用等的改造，需要判斷溶蝕改造是否改變孔隙類型，孔隙發(fā)育是否仍受巖石組構(gòu)約束。如果溶蝕改造后仍然受巖石組構(gòu)約束，則深層經(jīng)歷強烈成巖改造的埋藏白云巖儲層仍具有相控性，否則可能受斷裂或不整合面控制為主。

總之，根據(jù)塔里木盆地永安壩剖面蓬萊壩組的巖石學(xué)和地球化學(xué)分析顯示，埋藏白云巖應(yīng)進一步劃分為兩種類型，其中Ⅰ型埋藏白云巖繼承自準同生白云巖，更具有相控性和規(guī)模性；而Ⅱ型埋藏白云巖為石灰?guī)r在埋藏期經(jīng)交代作用而形成，以斷控為主。盡管以上認識來自于露頭分析，根據(jù)其揭露的埋藏白云巖成因判識標志以及演化趨勢，對井下深層白云巖成因類型的判識仍然具有重要指導(dǎo)意義，有利于判別井下白云巖是否具有相控性，確定勘探方向。

4 結(jié)論

通過巖石學(xué)和地球化學(xué)結(jié)合，應(yīng)用微量稀土元素面掃和激光U-Pb定年分析技術(shù)，以塔里木蓬萊壩組為實例，提出埋藏白云巖成因分類方案，將其劃分為Ⅰ型埋藏白云巖和Ⅱ型埋藏白云巖。Ⅰ型埋藏白云巖指準同生白云巖經(jīng)埋藏重結(jié)晶作用改造而成；而Ⅱ型埋藏白云巖指石灰?guī)r在淺埋藏期及后經(jīng)交代作用而形成的埋藏白云巖。

Ⅰ型埋藏白云巖和Ⅱ型埋藏白云巖均形成于海源云化流體，但是Ⅰ型埋藏白云巖形成于高水巖比條件下，經(jīng)歷了更強的重結(jié)晶改造，地球化學(xué)信息代表云化流體特征；Ⅱ型埋藏白云巖形成于低水巖比條件下，重結(jié)晶改造不強，地球化學(xué)信息受圍巖特征影響。

Ⅰ型埋藏白云巖更易繼承準同生期基質(zhì)孔，具有更優(yōu)的成儲潛力，發(fā)育具有相控性，是規(guī)模埋藏白云巖及白云巖儲層發(fā)育的基礎(chǔ)，為古老深層埋藏白云巖領(lǐng)域勘探指明了方向。