靖邊氣田北部馬家溝組馬五段白云巖、方解石脈地球化學(xué)特征及成因

魏 麗，馬尚偉，蔣子文

(1.陜西省地質(zhì)調(diào)查規(guī)劃研究中心(陜西省地質(zhì)勘查基金中心)，陜西西安 710068; 2.絲綢之路地質(zhì)科學(xué)院，陜西西安 710068； 3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西西安 710054; 4.青海大學(xué)地質(zhì)工程系，青海西寧 810016)

全球碳酸鹽巖儲(chǔ)層中白云巖占比高達(dá)50%，而北美碳酸鹽巖領(lǐng)域80%的油氣賦存于白云巖儲(chǔ)層中[1]。中國(guó)鄂爾多斯盆地下古生界奧陶系馬家溝組碳酸鹽巖(白云巖)蘊(yùn)藏豐富的天然氣資源[2-3]，特別是中國(guó)陸上曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)的最大氣田——靖邊氣田，累積探明天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量達(dá)4 193.41×108m3[4]。而在碳酸鹽巖儲(chǔ)層的研究中，白云巖成因和(去)白云石化作用一直都是碳酸鹽巖研究中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。隨著試驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步和油氣勘探開發(fā)的深入，前人圍繞鄂爾多斯盆地馬家溝組白云巖成因做了大量的研究工作，提出多種白云巖成因觀點(diǎn)，包括準(zhǔn)同生白云巖化[5-6]、混合水白云巖化[6]、滲透回流白云巖化[6]、埋藏白云巖化[2]、熱液白云巖化[5]以及微生物白云巖化[7]等，主要以哪種成因類型為主，目前尚未達(dá)成共識(shí)。馬家溝組白云巖中發(fā)育大量的方解石脈體，方解石脈體的成因及其與白云巖之間的關(guān)系研究甚少。大多數(shù)學(xué)者在白云巖成因研究中主要以研究成因模式為主，很少涉及白云巖形成的演化階段。因此筆者以鄂爾多斯盆地靖邊氣田北部中奧陶統(tǒng)馬家溝組馬五段白云巖為研究對(duì)象，采用鉆井巖心觀察、巖石薄片鑒定、陰極發(fā)光、主微量元素、稀土元素、Sr和C/O同位素等試驗(yàn)測(cè)試方法，對(duì)馬五段白云巖和方解石脈體的地球化學(xué)特征和成因進(jìn)行分析，為研究區(qū)白云巖的形成演化提供理論支撐，為鄂爾多斯盆地馬家溝組白云巖儲(chǔ)層的分布預(yù)測(cè)提供借鑒。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地位于華北板塊西部，是一個(gè)穩(wěn)定的多旋回克拉通盆地。研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地靖邊氣田北部，區(qū)域構(gòu)造位于伊陜斜坡中部(圖1(a))。早奧陶世，鄂爾多斯盆地整體處于低海平面時(shí)期，沉積范圍較小，以環(huán)陸的潮坪沉積為主[8]。中奧陶世盆地開始大規(guī)模海侵，形成廣闊的淺水陸表海沉積。馬家溝期整個(gè)鄂爾多斯盆地遍布碳酸鹽巖沉積，在內(nèi)部拗陷形成大套蒸發(fā)巖，在外側(cè)發(fā)育厚層的海相臺(tái)地碳酸鹽巖沉積[8]。晚奧陶世，受加里東運(yùn)動(dòng)的影響導(dǎo)致鄂爾多斯盆地主體隆升，遭受長(zhǎng)達(dá)130 Ma的風(fēng)化剝蝕和巖溶疊合改造[9]，形成統(tǒng)一的古陸[8]。

鄂爾多斯盆地中東部馬家溝組經(jīng)歷3個(gè)明顯的海退-海進(jìn)旋回，在縱向上自下而上形成馬一～馬六共6個(gè)巖性段。其中馬一、馬三和馬五段以沉積白云巖、硬石膏巖、石鹽巖為主，偶夾少量的石灰?guī)r；馬二、馬四、馬六段以沉積石灰?guī)r為主[10]。馬五段自下而上劃分為10個(gè)亞段，靖邊氣田主力產(chǎn)氣層段主要位于馬五1、馬五2和馬五4三個(gè)亞段，也是本次研究的主要目的層。巖心觀察和巖石薄片鑒定表明，研究區(qū)目的層巖石類型以細(xì)粉晶白云巖為主，還有少量的泥晶白云巖、泥晶-粉晶白云巖、灰質(zhì)白云巖；儲(chǔ)集空間類型有晶間微孔、晶內(nèi)溶孔、晶間溶孔、溶蝕孔洞、鑄膜孔、成巖縫和構(gòu)造縫。

2 樣品采集與測(cè)試方法

本次研究的樣品均來自于靖邊氣田北部30口井的鉆井巖心(圖1(b))，包括泥晶白云巖、泥晶-粉晶白云巖、細(xì)粉晶白云巖、灰質(zhì)白云巖和灰?guī)r，層位為馬家溝組馬五1、馬五2和馬五4亞段，取樣深度位于2 968.2～3 596.3 m。

為探討方解石脈體和白云巖之間地球化學(xué)特征差異，排除不同井、不同深度的影響，選取6口井同一塊樣品中方解石脈體和白云巖進(jìn)行Sr、C/O同位素測(cè)試，取樣位置見圖2。

主、微量元素測(cè)試在西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，共計(jì)36組測(cè)試樣品，其中白云巖樣品35塊，灰?guī)r1塊，樣品特征為粉末。主量元素測(cè)試是通過 X 射線熒光(Rigaku RIX2100) 玻璃熔餅法完成，分析精度優(yōu)于2%，詳細(xì)儀器參數(shù)及測(cè)試過程見文獻(xiàn) [11]。微量元素使用的是多接收器等離子質(zhì)譜儀，采用含量權(quán)重的線性擬合方式對(duì)樣品進(jìn)行最終的校正計(jì)算，相對(duì)誤差一般小于5%。

鍶同位素測(cè)試在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測(cè)試研究中心完成，共計(jì)38塊樣品，其中白云巖樣品31塊，灰?guī)r1塊，方解石脈體6塊，樣品特征為粉末，實(shí)驗(yàn)室濕度為45%，溫度為20 ℃，測(cè)試儀器為PHOENIX-9444，檢測(cè)方法和依據(jù)為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《巖石中鉛鍶釹同位素測(cè)定方法(GB/T 17672-1999)》，測(cè)定誤差以2σ(±)表示。

圖1 研究區(qū)區(qū)域位置及前石炭紀(jì)地質(zhì)圖附采樣井位Fig.1 Study area location and Pre Carboniferous geological map with sampling well location

圖2 方解石脈體測(cè)試取樣位置(綠色為白云巖、紅色為方解石脈體)Fig.2 Sampling point for testing of calcite vein(green for dolomite, red for calcite veins)

碳、氧同位素測(cè)試在中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所完成，共計(jì)38塊樣品，其中白云巖樣品31塊，灰?guī)r1塊，方解石脈體6塊，測(cè)試樣品為粉末，樣品采用Gas Bench與MAT253同位素比值質(zhì)譜儀在線測(cè)定完成，測(cè)試結(jié)果采用碳同位素國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(PDB標(biāo)準(zhǔn))，測(cè)試精度小于等于0.2‰。

3 地球化學(xué)特征

3.1 主量元素特征

前人研究表明，白云巖中MgO和CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與白云石化作用類型有關(guān)，準(zhǔn)同生期白云石化作用形成的白云巖，MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，呈正相關(guān)；而埋藏較深的白云巖，CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨MgO的增加而減少[12-13]，呈負(fù)相關(guān)。36件樣品主量元素測(cè)試結(jié)果表明，馬五段白云巖MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.75%～21.72%，平均值為19.38%；CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25.87%～36.78%，平均值為31.29%。MgO和CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)大多呈負(fù)相關(guān)，為埋藏交代成因；另有一小部分呈正相關(guān)，為準(zhǔn)同生白云石化成因(圖3(a))。從層位上來看，馬五1、馬五2和馬五4的樣品中MgO和CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)都既有負(fù)相關(guān)(圖3(b))，又有正相關(guān)，無明顯規(guī)律。

圖3 鄂爾多斯盆地靖邊氣田北部馬五段白云巖中MgO和CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)成因Fig.3 Genetic analysis of MgO and CaO mass fraction in dolomite of the 5th member of Majiagou Formation in the northern Jingbian gas field, Ordos Basin

3.2 微量元素特征

微量元素Na、Sr、Fe、Mn等元素是指示巖石沉積成巖環(huán)境和成巖流體性質(zhì)的重要指標(biāo)，可有效分析白云巖的成因[14]。前人研究表明，在海相碳酸鹽巖埋藏成巖的過程中，低鐵、低錳是準(zhǔn)同生白云巖的特征，而高鐵、高錳則反映埋藏白云石化的特征，且Fe、Mn元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨成巖作用程度加深而增加，Na、Sr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不斷降低[14]。

36件樣品微量元素測(cè)試結(jié)果表明，馬五段白云巖Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(1 400～18 433)×10-6，平均為6 325×10-6；Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～775×10-6，平均為211×10-6；Na元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(74～890)×10-6，平均為317×10-6，Sr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(47～715)×10-6，平均為94×10-6(圖4)?，F(xiàn)代海洋中以文石為主的灰泥中Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)在(1 800～9 730)×10-6，平均為4 720×10-6；Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般小于200×10-6[15-16]?，F(xiàn)代海水中白云石Na質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)(3 000～10 000)×10-6[17]，古代白云石 Na 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(900～1 000)×10-6[18]；海相高鎂方解石和低鎂方解石Sr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在(2 000～10 000)×10-6，將形成Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(300～2 000)×10-6的白云石[16,18]。相比之下，研究區(qū)馬五段白云巖Fe、Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布范圍較大，但平均值均高于現(xiàn)代海洋中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Na、Sr元素遠(yuǎn)低于現(xiàn)代海洋中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，揭示白云石化作用發(fā)生在埋藏成巖環(huán)境中。w(Mn)/w(Sr)反映成巖環(huán)境改造的強(qiáng)度，比值越小說明成巖改造強(qiáng)度越弱，一般w(Mn)/w(Sr)小于2則受到的成巖改造強(qiáng)度較小[19-20]。研究區(qū)w(Mn)/w(Sr)平均值為2.25，表明白云巖經(jīng)歷中等強(qiáng)度的成巖改造。從層位來看，F(xiàn)e、Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)馬五2>馬五1>馬五4, Na、Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)馬五4>馬五2>馬五1，且w(Mn)/w(Sr)值馬五2(3.74)>馬五1(3.39)>馬五4(0.92)，說明馬五1和馬五2白云巖受到成巖改造作用強(qiáng)于馬五4。

3.3 稀土元素特征

自然界中不同來源的流體具有不同的稀土元素特征，而白云巖中的稀土元素是成巖流體和原巖相互作用的結(jié)果[21]，因此稀土元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其配分模式可反映碳酸鹽巖沉積和成巖流體特征[21]。一般而言，純白云巖的稀土元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(REE)都很低[21-22]，如果質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過30×10-6，就應(yīng)該分析樣品的純度。前人一般選用球粒隕石或頁(yè)巖的稀土元素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行白云巖稀土的標(biāo)準(zhǔn)化處理[23-24]，但白云巖的形成與球粒隕石、頁(yè)巖沒有內(nèi)在的關(guān)系，而與海水有直接或間接的關(guān)系[22]。已有研究表明，泥晶灰?guī)r與同沉積時(shí)期海水中的稀土元素的組成特征基本一致，能夠一定程度反映碳酸鹽巖沉積時(shí)期的海水稀土元素的信息[24]，白云巖基本都是灰?guī)r在成巖作用演化中形成的，本文中將白云巖樣品稀土元素?cái)?shù)據(jù)選用泥晶灰?guī)r稀土元素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，稀土元素?cái)?shù)據(jù)來自蘇中堂[25]。

36個(gè)樣品稀土元素分析表明，馬五段白云巖稀土元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)(ΣwREE)為(4.24～66.89)×10-6，平均值為16.30×10-6；其中5件樣品的ΣwREE>30×10-6。輕稀土元素(LREE)與重稀土元素(HREE)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值為4.07～23.14，平均值為7.61，說明輕稀土元素相對(duì)富集，重稀土元素相對(duì)虧損。從研究區(qū)馬家溝組馬五段白云巖的稀土元素配分模式可知(圖5(a))，δEu介于1.02～1.73，平均值為1.42，多呈明顯的正異常；δCe介于0.78～1.01，平均值為0.93，多呈弱的負(fù)異常；輕稀土富集、δEu正異常特征表明白云巖后期經(jīng)歷強(qiáng)烈的熱液改造[21]，熱液流體交代白云巖時(shí)，Eu2+會(huì)替換白云巖中的Ga2+，使得交代后的白云巖呈現(xiàn)Eu正異常。同時(shí)稀土元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)(ΣwREE)超過30×10-6的5件樣品，均含有熱液礦物硅質(zhì)組分和孔隙中充填黃鐵礦，同樣證明白云巖經(jīng)歷熱液改造[21]。

圖4 靖邊氣田北部馬五段碳酸鹽巖Fe、Mn、Na、Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.4 Line chart of Fe, Mn, Na and Sr mass fraction in carbonate rocks of the 5th member of Majiagou Formation in the northern Jingbian gas field, Ordos Basin

圖5 靖邊氣田北部馬五段白云巖稀土元素配分Fig.5 REE distribution of dolomite in the 5th member of Majiagou Formation in the north of Jingbian gas field

白云巖化作用使得REE元素丟失，將含溶孔的白云巖(15塊)與不含溶孔白云巖(20塊)的稀土元素分別統(tǒng)計(jì)，取平均值進(jìn)行對(duì)比(圖5(b))，馬五1、馬五2和馬五4不含溶孔的白云巖均比含溶孔白云巖明顯富集稀土元素，且兩者的配分模式基本一致。因此后期溶蝕流體帶走了巖石中的稀土元素，并未改變巖石的稀土配分模式。

3.4 鍶同位素特征

鍶同位素的組成可以反映白云石化流體來源[14]。海相白云巖的鍶同位素比值w(87Sr)/w(86Sr)主要受同期海水的w(87Sr)/w(86Sr)，以及表生期大氣淡水或深部熱液帶來的鍶同位素比值的影響[26]。

38個(gè)樣品w(87Sr)/w(86Sr)測(cè)試結(jié)果表明(圖6(a))，白云巖w(87Sr)/w(86Sr)在0.708 67～0.710 333，脈體方解石w(87Sr)/w(86Sr)在0.708 988～0.710 837，灰?guī)rw(87Sr)/w(86Sr)為0.709 14。馬五段不同巖性碳酸鹽巖w(87Sr)/w(86Sr)的平均值為：泥晶-粉晶白云巖(0.709 765)>脈體方解石(0.709 608)>泥晶白云巖(0.709 480)>細(xì)粉晶白云巖(0.709 475)>灰質(zhì)白云巖(0.709 169)>灰?guī)r(0.709 140)。

圖6 靖邊氣田北部馬五段碳酸鹽巖w(87Sr)/w(86Sr)分布特征Fig.6 Distribution characteristics of w(87Sr)/w(86Sr) in the 5th member of Majiagou Formation in the northern Jingbian gas field

3.4.1 白云巖鍶同位素分布特征

鄂爾多斯盆地晚寒武世—早-中奧陶世古海水的w(87Sr)/w(86Sr)約為0.708 7～0.709 2[27]。研究區(qū)馬五段碳酸鹽巖鍶同位素比值測(cè)試結(jié)果表明(圖6(b))，灰?guī)rw(87Sr)/w(86Sr)與海水鍶同位素比值相當(dāng)，大部分白云巖樣品w(87Sr)/w(86Sr)大于海水，少部分與海水相當(dāng)，表明馬五段白云巖具有2種成因：一種為埋藏成因，成巖演化中富含高放射性87Sr的流體交代了白云巖；一種為準(zhǔn)同生成因，形成的白云巖規(guī)模相對(duì)較小。從深度、距不整合距離的關(guān)系來看(圖6(b)、(c))，碳酸鹽巖w(87Sr)/w(86Sr)相關(guān)性不明顯。從層位上來看，馬五1、馬五2和馬五4的碳酸鹽巖w(87Sr)/w(86Sr)無明顯的相關(guān)性(圖6(d))。同一口井上、下層位碳酸鹽巖w(87Sr)/w(86Sr)變化也無明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系。表明白云巖成巖演化中深源熱流體與淺部地層流體混合程度的多變性及流體活動(dòng)的復(fù)雜性。

3.4.2 脈體方解石鍶同位素特征

6件脈體方解石w(87Sr)/w(86Sr)基本都大于海水鍶比值(1個(gè)樣品除外)(圖6(b))，表明脈體方解石主要為埋藏成因。同一塊樣品中脈體方解石和白云巖w(87Sr)/w(86Sr)具有明顯差異，代表不同性質(zhì)流體交代形成的。前人研究認(rèn)為，陰極發(fā)光下碳酸鹽巖呈暗棕色光(圖7)為公認(rèn)的準(zhǔn)同生環(huán)境成因[20]；碳酸鹽巖呈亮紅色或者橙紅色光，認(rèn)為形成于一定埋深的成巖作用[20]。w(87Sr)/w(86Sr)大于海水鍶比值的5個(gè)脈體方解石樣品，陰極發(fā)光下均發(fā)亮紅色或者橙紅色光(圖7)，由一定埋深的成巖作用形成；w(87Sr)/w(86Sr)小于海水鍶比值的1個(gè)脈體方解石樣品，陰極發(fā)光下發(fā)暗棕色光(圖7)，認(rèn)為是早期準(zhǔn)同生環(huán)境成因。S52井白云巖和脈體方解石w(87Sr)/w(86Sr)較接近且大于海水鍶比值，陰極發(fā)光下均發(fā)亮橙紅色光(圖7)，表明均形成于一定埋深的成巖作用；S50井白云巖和脈體方解石w(87Sr)/w(86Sr)均小于海水鍶比值，陰極發(fā)光下均發(fā)暗棕色光(圖7)，表明均為準(zhǔn)同生環(huán)境成因。

圖7 同一塊樣品脈體方解石和白云巖w(87Sr)/w(86Sr)對(duì)比Fig.7 Comparison of w(87Sr)/w(86Sr) of vein calcite and dolomite in the same sample

3.5 碳、氧同位素特征

白云巖碳、氧同位素組成與引起白云石化的成巖流體密切相關(guān)[26]，一般高鹽度的蒸發(fā)海水中具有比同期海水偏正的碳、氧同位素值，大氣淡水或埋藏成巖壞境中流體具有比同期海水偏負(fù)的碳、氧同位素值。

研究區(qū)馬五段31個(gè)白云巖的δ13C分布于-7.25‰～1.28‰，平均值為-0.52‰；δ18O分布于-9.94‰～-6.32‰，平均值為-7.98‰；1個(gè)灰?guī)r樣品的δ13C為-0.84‰，δ18O為-6.32‰。奧陶紀(jì)海水的碳同位素值為-2.0‰～0.5‰，氧同位素值為-6.6‰～-4.0‰[28]。相比之下，白云巖δ13C值與奧陶紀(jì)海水值相當(dāng)，δ18O值大部分比奧陶紀(jì)海水值偏負(fù)，僅2個(gè)樣品值落在同期海水范圍內(nèi)(圖8)，表明白云巖大部分為大氣淡水或埋藏成巖環(huán)境成因，2個(gè)樣品為準(zhǔn)同生白云巖化成因。

6個(gè)脈體方解石的δ13C分布在-7.36‰～-3.36‰，平均值為-5.20‰；δ18O分布在-14.20‰～-11.65‰，平均值為-13.53‰。脈體方解石的δ13C和δ18O同位素均比海水值偏負(fù)(圖8)，且同一塊樣品的脈體方解石δ13C和δ18O同位素均比白云巖偏負(fù)(圖9(a)、(b))，表明方解石脈體形成溫度高于白云巖，形成時(shí)間較晚，為埋藏成巖成因。

圖9 靖邊氣田北部馬五段同一塊樣品碳、氧同位素對(duì)比Fig.9 Comparison of carbon and oxygen isotopes in the same sample in the 5th member of Majiagou Formation in northern Jingbian gas field

4 白云巖、方解石脈體成因探討

4.1 白云巖成因

鄂爾多斯盆地靖邊氣田北部馬五段白云巖多為細(xì)粉晶白云巖和泥晶白云巖，陰極發(fā)光下呈桔紅色和暗棕色，初步判斷為準(zhǔn)同生環(huán)境和埋藏環(huán)境中發(fā)生白云石化作用。MgO和CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)大多數(shù)呈負(fù)相關(guān)，反映交代成因，另一小部分MgO和CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)，形成于準(zhǔn)同生環(huán)境。白云巖中Fe、Mn元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，Na、Sr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，且w(Mn)/w(Sr)為2.25，δEu呈明顯的正異常，δCe呈弱的負(fù)異常，反映白云石化作用發(fā)生在埋藏成巖環(huán)境中，經(jīng)歷中等強(qiáng)度的成巖改造。白云巖w(87Sr)/w(86Sr)大部分大于海水，反映白云巖發(fā)生埋藏成巖交代作用，小部分w(87Sr)/w(86Sr)和海水相當(dāng)，說明為準(zhǔn)同生白云石化成因。

馬五段白云巖碳、氧同位素之間沒有明顯的相關(guān)性，因此不具有混合水白云巖的特征(圖8)。通過經(jīng)驗(yàn)公式：Z=2.048(δ13C+50)+0.498(δ18O+50)可計(jì)算鹽度指數(shù)Z，若Z大于120則代表海水成巖環(huán)境，小于120代表淡水成巖環(huán)境[17]。計(jì)算結(jié)果表明，研究區(qū)馬五段白云巖樣品Z均大于120，灰質(zhì)白云巖樣品Z小于120(圖10(a))，表明白云巖成巖環(huán)境為海水環(huán)境，說明加里東運(yùn)動(dòng)時(shí)期，馬五段暴露地表，大氣淡水對(duì)白云巖的改造微乎甚微。從圖10(b)、(c)顯示，馬五段白云巖樣品點(diǎn)大部分落在埋藏白云巖區(qū)域和高溫白云石區(qū)域，2個(gè)樣品落在奧陶紀(jì)海水δ18O值區(qū)域和高、低溫白云石混合區(qū)域，無樣品落在滲透回流白云巖和低溫白云石區(qū)域，表明大部分白云巖是在埋藏環(huán)境中形成的，也有少量的白云巖在同期海水準(zhǔn)同生期形成的。其中埋藏成因的白云巖主要為來自石炭—二疊系煤系地層的流體通過硅質(zhì)碎屑巖層時(shí)，將硅酸鹽礦物中的高放射性87Sr帶入到流體中，這種具有高放射性87Sr的流體流入馬五段，交代碳酸鹽巖發(fā)生白云石化，最終導(dǎo)致馬五段白云巖w(87Sr)/w(86Sr)增加。

δ13C值可反映交代流體是否含有有機(jī)碳，間接反映白云巖的形成階段。研究區(qū)馬五段白云巖大部分δ13C值分布在奧陶紀(jì)海水值變化范圍內(nèi)，所有白云巖樣品都與有機(jī)酸脫羧基作用無關(guān)(圖10(d))，可見白云巖化過程中沒有受到有機(jī)碳的影響。但小部分白云巖樣品δ13C值偏正，說明這部分白云巖白云石化作用發(fā)生在生物化學(xué)氣階段，生物化學(xué)生氣階段產(chǎn)生的CH4富12C，在成巖演化中12C的流出引起白云巖相對(duì)富集13C，因此埋藏白云石化作用主要發(fā)生在油氣生成之前的淺—中等埋藏階段，但在生物化學(xué)氣階段也有白云石化作用的發(fā)生。從巖性上來看，灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖、泥晶白云巖、泥晶-粉晶白云巖和部分細(xì)粉晶白云巖屬于成巖碳酸鹽巖，部分細(xì)粉晶白云巖屬于與生物氣有關(guān)的碳酸鹽巖(圖10(d))。

4.2 方解石脈體成因

靖邊氣田北部馬五段脈體方解石樣品w(87Sr)/w(86Sr)多數(shù)大于海水(1個(gè)樣品除外)，δ13C和δ18O同位素值都比海水值偏負(fù)，且δ18O值全部低于-10‰，說明脈體方解石屬于受高溫?zé)嵋河绊懙穆癫爻梢颉Ｍ粔K樣品中脈體方解石δ13C和δ18O同位素均比白云巖偏負(fù)，說明方解石脈體形成溫度高于白云巖且形成時(shí)間較晚；圖10(b)、(c)兩個(gè)圖版顯示，脈體方解石全部落在埋藏白云巖、高溫白云石區(qū)域，表明脈體方解石是在后期埋藏(高溫)環(huán)境中形成的。從圖10(d)中顯示，脈體方解石落在Ⅲ區(qū)與有機(jī)酸脫羧基作用有關(guān)的碳酸鹽范圍內(nèi)，說明脈體方解石形成于烴源巖排烴之后的中—深埋藏階段。值得注意的是方解石脈體和部分充填溶蝕孔洞的方解石膠結(jié)物的陰極發(fā)光顏色為橙色，說明含烴堿性流體形成的方解石膠結(jié)物不但充填裂縫，而且還充填早期的溶蝕孔洞，對(duì)儲(chǔ)層物性破壞極大。

圖10 靖邊氣田北部馬五段碳酸鹽巖成因分析圖版Fig.10 Chart of carbonate rock genetic analysis in the 5th member of Majiagou Formation in the northern Jingbian gas field

4.3 白云巖和脈體方解石成因的研究意義

馬五段碳酸鹽巖白云巖化作用發(fā)生在油氣生成之前的淺—中等埋藏階段，產(chǎn)生大量的溶蝕孔洞，為油氣的儲(chǔ)存提供有利場(chǎng)所。脈體方解石形成于烴源巖排烴之后的中—深埋藏階段，充填早期的溶蝕孔洞，減小儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間，這為研究區(qū)儲(chǔ)層先成藏后致密研究提供依據(jù)。研究得出的準(zhǔn)同生化成因的白云巖相對(duì)致密均一，見彎曲狀微細(xì)脈，溶蝕孔和裂縫不發(fā)育，埋藏成因的白云巖溶孔和裂縫較發(fā)育，這為鄂爾多斯盆地北部馬家溝組白云巖儲(chǔ)層的分布預(yù)測(cè)提供依據(jù)。研究還發(fā)現(xiàn)1個(gè)脈體方解石樣品w(87Sr)/w(86Sr)與海水鍶比值相當(dāng)，且陰極發(fā)光為暗棕色，指示準(zhǔn)同生化階段也發(fā)生脈體方解石的充填作用，這為研究區(qū)白云巖儲(chǔ)層的成巖演化研究提供依據(jù)。

5 結(jié) 論

(1)主微量元素、稀土元素和鍶同位素分析結(jié)果表明，靖邊氣田北部馬家溝組馬五段白云巖大多數(shù)為埋藏交代成因，小部分為準(zhǔn)同生白云石化成因。白云巖中w(Mn)/w(Sr)為2.25，δEu呈明顯的正異常，δCe呈弱的負(fù)異常，進(jìn)一步表明白云巖后期經(jīng)歷中等強(qiáng)度的熱液成巖改造。

(2)碳、氧同位素分析結(jié)果表明，靖邊氣田北部馬家溝組馬五段白云巖大部分在埋藏環(huán)境中形成的，也有少量的白云巖在同期海水準(zhǔn)同生期形成的，且埋藏白云巖化作用主要發(fā)生在油氣生成之前的淺—中等埋藏階段，少量發(fā)生在生物化學(xué)生氣階段。脈體方解石為受高溫?zé)嵋河绊懙穆癫爻梢颍纬捎跓N源巖排烴之后的中—深埋藏階段。