鄂爾多斯盆地中東部馬四段白云巖地球化學(xué)特征及成因模式

韓 勇, 付斯一, 陳洪德, 蘇中堂, 趙俊興, 張成弓, 侯林君

(油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室(成都理工大學(xué))，成都 610059)

中-淺層地層中的石油與天然氣資源經(jīng)過多年的大量開采，獲取油氣資源變得愈加困難，向更深層進軍已經(jīng)成為現(xiàn)今油氣資源勘探與開發(fā)的重要趨勢之一。深層的白云巖儲層因其具有良好的孔滲性、抗壓實性，而被廣泛地認為具有良好的勘探開發(fā)潛力[1-4]。而在研究深層白云巖儲層時，不可避免地要對白云巖體的成因進行剖析。前人提出了許多經(jīng)典的、可以很好解釋某些地區(qū)厚層狀白云巖成因的模式，例如：蒸發(fā)泵模式[5]、滲透回流模式[6]、埋藏白云石化模式[7]、混合水模式[8]、熱液白云石化模式[9]等。近些年來，微生物調(diào)節(jié)模式[10]、熱對流模式[11-13]以及熱水沉積模式[14-15]的提出也為白云巖成因研究提供了新的思路。對于非層狀、呈斑狀分布于灰?guī)r之中的白云巖，前人也提出了多種見解，如物理機械成因[16]、泥裂充填物發(fā)生白云石化[17]、外來白云巖礫屑的帶入[18]、巖溶成因[19]、構(gòu)造運動成因[20]、挖穴動物活動導(dǎo)致后期發(fā)生選擇性白云石化[21-23]等。鄂爾多斯盆地中東部奧陶系馬家溝組發(fā)育有幾十至幾百米厚度不等的白云巖體，近年來的勘探研究表明，該地區(qū)的白云巖體具有良好的儲集性[24-25]，因此，通過對白云巖成因的研究可以更好地對優(yōu)質(zhì)儲層進行預(yù)測。前人對這套白云巖體的成因研究多集中在馬家溝組上部的馬五段地層[26-28]，對下部的馬四段白云巖研究卻相對較少，僅有少數(shù)學(xué)者認為滲透回流作用和埋藏期的熱水作用或許與這套白云巖體的形成密切相關(guān)[29-30]。這嚴重制約了研究區(qū)的進一步勘探與開發(fā)，該區(qū)白云巖成因問題亟需解決。因此，本文基于前人的研究成果，在野外剖面與鉆井巖心分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合地球化學(xué)特征，探討馬四段白云巖的成因模式，為鄂爾多斯盆地深層白云巖的油氣勘探提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地位于華北克拉通的西部，總面積約為25×104km2[31-32]。在奧陶系馬家溝組沉積期，研究區(qū)沉積了數(shù)百米厚度不等的碳酸鹽巖地層，依照沉積旋回以及巖性組合特征，從下至上依次分為6段(即“馬一段”-“馬六段”)[33]。其中，在馬四段沉積期，海水從東、西、南3個方向侵入，中央古隆起被部分淹沒，僅保留了伊盟古陸、慶陽古陸以及阿拉善古陸一小部分，為整個馬家溝期的最大海侵期[34]。此時盆地仍大致以原中央古隆起為界，在東部與西部形成了2個沉降中心，且前者地層沉積厚度大于后者。本文的研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地中東部，包括了靖邊、榆林和偏關(guān)一帶(圖1)。在該時期，研究區(qū)自西向東發(fā)育局限臺地相和開闊臺地相，并在古地形相對高部位，礁灘相較為發(fā)育。同時，從連井剖面(圖2)來看，鄂爾多斯盆地中東部馬四段白云巖橫向分布穩(wěn)定，連續(xù)性較好，從西向東厚度呈現(xiàn)逐漸變薄的趨勢且厚度變化較大，最厚處達400 m左右，最薄處僅幾米，巖性也由白云巖為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐曰規(guī)r為主。

圖1 鄂爾多斯盆地周緣構(gòu)造圖及中東部馬四段綜合柱狀圖Fig.1 Tectonic map of Ordos Basin and its peripheral and the composite histogram of Ma-4 Member in the central-eastern Ordos Basin

圖2 鄂爾多斯盆地中東部馬四段連井剖面對比圖Fig.2 Well tie comparison histograms of the Ma-4 Member in the central-eastern Ordos Basin

2 樣品采集與測試

本文樣品選自陜473井、米76井、桃61井、米104井、召探1井、紫探1井以及偏關(guān)泥墕剖面。在挑選樣品時選取了新鮮純凈的樣品磨制薄片在鏡下鑒定，然后再選取典型樣品進行地化分析。其中薄片鑒定(茜素紅染色)在成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院完成；痕量元素測試在北京大學(xué)造山帶與地殼演化教育部重點實驗室利用XRF-1500型X射線熒光光譜分析儀采用熔融法完成，其結(jié)果以國家?guī)r石測量標樣GSR-12與GSR-13為標準；稀土元素是由中國科學(xué)院貴陽地球化學(xué)研究所完成，測試儀器為ICP-MS(Plasma Quant型)；碳氧同位素測試在成都理工大學(xué)礦產(chǎn)資源化學(xué)四川省重點實驗室完成，其方法是將磷酸與碳酸鹽巖礦物粉末進行混合處理，然后把析出的CO2導(dǎo)入同位素比值質(zhì)譜儀(MAT253型)測得碳氧同位素，檢測精度(質(zhì)量分數(shù))高于±0.1‰，標準為PDB；Sr同位素是由成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室完成，測試樣品首先與0.5 mol/L的HCl混合溶樣2 h，然后將離心后的上層清液用HCl洗滌并通過陽離子交換柱純化，最后把分離得到的純凈鍶用熱電離同位素質(zhì)譜儀(Triton Plus型)測試，其標樣為NBS-987，測試誤差(質(zhì)量分數(shù))小于 0.000 03。

3 巖石學(xué)特征

總體上，研究區(qū)內(nèi)發(fā)育有4種不同類型的白云巖，分別為：泥微晶白云巖、粉-細晶白云巖、(殘余)砂礫屑白云巖和斑狀白云巖。

泥微晶白云巖，在鏡下觀察中，結(jié)構(gòu)較為均一，晶體十分細小(顆粒直徑通常小于0.02 mm)，較難識別出晶體結(jié)構(gòu)與晶體形態(tài)(圖3-A)，孔隙基本不發(fā)育，僅發(fā)育少量的裂縫；同時，在部分薄片中可見少量硬石膏(圖3-B)，這種現(xiàn)象表明其可能形成于相對干旱蒸發(fā)的環(huán)境中。

粉-細晶白云巖晶體大小一般在0.04～0.2 mm(圖3-C)，他形、半自形以及自形晶均可見，自形晶通常為點-線接觸，他形晶一般為凹凸接觸且晶體表面較臟。在該類巖石中，晶間孔、晶間溶孔和溶縫發(fā)育，溶縫常被泥質(zhì)充填(圖3-D)。

(殘余)砂礫屑白云巖有的仍保留有原始砂礫屑的形態(tài)(圖3-E)，有的已經(jīng)幾乎無法辨認出原始礫屑特征，僅隱約可見顆粒輪廓(圖3-G)。砂礫屑大小不一，最大者直徑可達20 mm(圖3-E)，一般為0.05～0.5 mm。砂礫屑白云巖中常發(fā)育粒間孔與晶間孔(圖3-F)。此類白云巖通常形成于相對高能的環(huán)境之中。

斑狀白云巖由基質(zhì)與斑塊兩部分組成，其中基質(zhì)以灰?guī)r為主，斑塊則由白云石組成(圖3-H),且在巖心表面可看到生物擾動構(gòu)造與生物鉆孔(圖3-L、M、N、O)。在顯微鏡下，常觀察到白云石與生屑灰?guī)r共生，生物種類十分豐富，有三葉蟲、雙殼類、海百合、腹足等，同時，還可見基質(zhì)與白云巖斑塊成突變接觸(圖3-I)。除此之外，在部分薄片中可觀察到白云石晶體具有霧心亮邊結(jié)構(gòu)(圖3-J)，并且還可見被泥質(zhì)充填的裂縫切穿白云石斑塊(圖3-K)。

4 地球化學(xué)特征

4.1 樣品污染度分析

在對白云巖成因進行分析時，樣品數(shù)據(jù)來源的可靠性尤為重要。因此，需要排除外來物質(zhì)，尤其是陸源雜質(zhì)以及鐵錳氧化物對樣品測試帶來的干擾。在本次研究的樣品中，其痕量元素的質(zhì)量分數(shù)(w)分別為：Hf<0.17×10-6、Sc<1.26×10-6、Th<1.06×10-6、Zr<7.00×10-6,都分別遠低于上地殼相應(yīng)元素的平均質(zhì)量分數(shù)(Hf約為5.80×10-6，Sc約為14.90×10-6，Th約為2.30×10-6，Zr約為240.00×10-6)，且∑REE質(zhì)量分數(shù)遠遠小于100×10-6，因此，可以說明樣品幾乎未受陸源物質(zhì)的混染[35-36]。同時,從圖4也可看出∑REE含量與Fe、Mn含量之間相關(guān)性不強,這也表明樣品未受到鐵錳氧化物的浸染[37]，從而說明樣品測試數(shù)據(jù)是可靠的。

4.2 痕量元素特征

碳酸鹽巖中的Fe、Mn、Sr、Na等痕量元素對于反映白云巖的成巖流體及其成巖環(huán)境有著重要的作用，其中Sr和Na元素可以反映流體的鹽度，而Fe、Mn元素的含量會隨成巖作用的加強而增大[38]。通過對表1的測試結(jié)果進行分析可知：

泥晶灰?guī)rFe、Mn、Na以及Sr的質(zhì)量分數(shù)分別為(396～807)×10-6(平均為576×10-6)、(12～14)×10-6(平均為12.75×10-6)、(310～330)×10-6(平均為320.75×10-6)、(11～323)×10-6(平均為228.13×10-6)。

泥微晶白云巖、斑狀白云巖的Fe、Mn含量相對較低，其中泥微晶白云巖Fe、Mn質(zhì)量分數(shù)分別為(1 100～1 702)×10-6(平均為1 356.33×10-6)、(31～42)×10-6(平均為36.17×10-6)；斑狀白云巖Fe、Mn質(zhì)量分數(shù)分別為(720～1 395)×10-6(平均為1 088.33×10-6)、(22～26)×10-6(平均為24.33×10-6)。

粉-細晶白云巖、(殘余)砂礫屑白云巖具有相對較高的Fe、Mn含量，粉-細晶白云巖Fe、Mn質(zhì)量分數(shù)分別為(1 591～2 790)×10-6(平均為 1 981.36×10-6)、(27～48)×10-6(平均為35.36×10-6)；(殘余)砂礫屑白云巖Fe、Mn質(zhì)量分數(shù)分別為(1 591～2 790)×10-6(平均為 1 922.5×10-6)、 (26～48)×10-6(平均為35.13×10-6)。泥微晶白云巖、斑狀白云巖相較于粉-細晶白云巖、(殘余)砂礫屑白云巖的Fe、Mn含量較低，這可能是由于前兩類白云巖形成在近地表的環(huán)境之中,環(huán)境相對偏氧化，因此Fe、Mn不易進入白云石晶格[39]。而粉-細晶白云巖、(殘余)砂礫屑白云巖相較于泥晶灰?guī)r具有較高的Fe、Mn含量，可能是由于后期受到了大氣淡水的影響或者在后期埋藏過程中Fe、Mn進入白云石晶格而導(dǎo)致的[38]。

圖4 ∑REE與Fe、Mn的質(zhì)量分數(shù)相關(guān)性圖Fig.4 Correlation of ∑REE with Fe and Mn

表1 鄂爾多斯盆地中東部馬四段痕量元素測試結(jié)果Table 1 Trace element test results of the Ma-4 Member carbonate in the central-eastern Ordos Basin

同時從表1中還可以看到，除斑狀白云巖外，其他各類型白云巖的Sr含量均相對于泥晶灰?guī)r較小，這是由于白云巖交代過程是Sr丟失的過程[40]。而斑狀白云巖卻表現(xiàn)為相對較高的Sr含量，可能是白云石化不徹底，從而使Sr元素未大量流失所致。并且從Na含量可以看出，所有類型的白云巖與泥晶灰?guī)rNa含量相當，因此，可以推斷無高于海水鹽度的流體混入。

4.3 Sr同位素特征

鄂爾多斯盆地中東部馬四段白云巖的87Sr/86Sr值(質(zhì)量分數(shù)比值)見表2。其中泥晶灰?guī)r的87Sr/86Sr值為 0.708 615～0.708 791，平均值為 0.708 699；泥微晶白云巖的87Sr/86Sr值為 0.709 390；粉-細晶白云巖的87Sr/86Sr值為 0.708 761～0.708 970，平均值為 0.708 875；(殘余)砂礫屑白云巖的87Sr/86Sr值為 0.708 825～0.709 108，平均值為 0.708 897；斑狀白云巖的87Sr/86Sr值為 0.708 838～0.709 177，平均值為 0.708 982。這幾類白云巖的87Sr/86Sr值較泥晶灰?guī)r無顯著差別，而且都位于奧陶紀海水87Sr/86Sr范圍內(nèi)[41](圖5)，說明它們的白云石化流體具有相似性，均為來源于同時期的海水。

4.4 碳氧同位素特征

在碳酸鹽巖的研究中，碳氧同位素有著廣泛的用途，可以被用來研究古地理環(huán)境、儲層以及白云巖成因機制[42-43]等。一般來說，碳同位素的組成受流體來源的影響；而對于氧同位素來說，其受外界的影響較大，特別是溫度與鹽度。樣品的碳氧同位素結(jié)果詳見表3。

表2 鄂爾多斯盆地中東部馬四段Sr同位素測試結(jié)果Table 2 Sr isotope test results of the Ma-4 Member rocks in the central-eastern Ordos Basin

圖5 鄂爾多斯盆地中東部馬四段Sr同位素組成Fig.5 Sr isotope composition of the Ma-4 Member rocks in the central-eastern Ordos Basin

在討論碳氧同位素時，需對其數(shù)據(jù)的可靠性進行檢驗。有學(xué)者曾提出當碳酸鹽巖的wMn/wSr<10，而δ18O>-10‰時，其碳氧同位素才能作為有效數(shù)據(jù)使用[44]。本次測試結(jié)果表明所有樣品的wMn/wS?10，并且δ18O>-10‰，因此可以對δ13C以及δ18O值進行討論。

對于奧陶紀海水的碳氧同位素范圍，有國外學(xué)者經(jīng)過對大量數(shù)據(jù)的歸納，認為δ13CPDB值為-2.00‰～0.50‰，δ18OPDB值為-6.60‰～-4.00‰[45]。從表3以及圖6可以看出，泥晶灰?guī)r、泥微晶白云巖、粉-細晶白云巖、(殘余)砂礫屑白云巖、斑狀白云巖的δ13CPDB值分別為-0.12‰～0.68‰(平均為0.29‰)、0.01‰～1.34‰(平均為0.83‰)、-0.38‰～0.77‰(平均為0.26‰)、-2.19‰～0.65‰(平均為-0.55‰)、-0.17‰～0.25‰(平均為0.04‰)，這幾類白云巖的δ13CPDB值幾乎都落到了灰?guī)r附近且與同時期奧陶紀海水相當，說明馬四段白云石化流體主要來源于海水。并且從表3還可以看出，泥微晶白云巖δ13CPDB值和δ18OPDB值相較于泥晶灰?guī)r的值偏高，分別約為0.54‰、0.40‰，說明其可能形成于海水強烈蒸發(fā)的情況，從而使流體鹽度高，進而導(dǎo)致其值偏大[46]。并且顯微鏡下見有硬石膏，從而可推斷泥微晶白云巖形成時的環(huán)境相對干旱，可能形成于準同生階段。粉-細晶白云巖δ18OPDB值介于-7.11‰～-6.02‰，平均值為-6.40‰；(殘余)砂礫屑白云巖δ18OPDB值處于-7.19‰～-5.42‰，平均值為-6.24‰；斑狀白云巖δ18OPDB值為-7.65‰～-5.35‰，平均值為-6.50‰。這幾類白云巖的δ18OPDB值絕大部分也落入同期奧陶紀海水的范圍內(nèi)，這進一步說明白云石化流體主要來自海水。但是相較于泥微晶白云巖，其他類型白云巖δ18OPDB值有輕微的減小，這可能是在后期埋藏過程中受埋藏熱效應(yīng)所致[47]。并且，從數(shù)據(jù)中我們還可以發(fā)現(xiàn)，所有類型白云巖的δ18OPDB值均不小于-10.00‰，從而表明馬四段白云巖未受到熱液作用的影響[48]。

表3 鄂爾多斯盆地中東部馬四段碳氧同位素測試結(jié)果Table 3 Carbon and oxygen isotope test results of the Ma-4 Member rocks in the central-eastern Ordos Basin

圖6 鄂爾多斯盆地中東部馬四段碳、氧同位素組成Fig.6 Carbon and oxygen isotope composition of Ma-4 Member rocks in the central-eastern Ordos Basin

同時，因為碳氧同位素的值受鹽度(ZNaCl)的影響，因此有學(xué)者將這兩者結(jié)合起來用以判斷古鹽度[49]，其公式為

ZNaCl=2.048(δ13CPDB+50)+0.498(δ18OPDB+50)

將表3數(shù)據(jù)帶入上式，計算出所有類型白云巖形成時的古鹽度，除ZT1-20、ZT1-8略小于120外，其他樣品均大于120，說明大多數(shù)樣品形成于海相的沉積環(huán)境，部分樣品可能偶爾暴露在陸相環(huán)境中。并且泥微晶白云巖相較于其他3類白云巖ZNaCl值偏大，這也說明了其形成環(huán)境的鹽度高于這3類白云巖。

4.5 稀土元素特征

稀土元素具有相對穩(wěn)定的地球化學(xué)性質(zhì)，對于不同的流體來源，白云巖的稀土元素配分模式有所不同，因此，其對于示蹤白云巖流體來源具有重要意義[50]。而在研究中，我們常用的指標(質(zhì)量分數(shù))有∑REE、δCe與δEu。

在利用稀土元素對碳酸鹽巖進行研究時，為了消除奇偶效應(yīng)的干擾,一般要將樣品數(shù)據(jù)進行標準化處理(本文采用北美頁巖NASC)。從泥晶灰?guī)r與各類型白云巖的稀土配分圖來看(圖7)，它們的配分模式相似，說明它們的成巖流體具有繼承性，與海水具有同源性。同時，各類型白云巖的∑LREE/∑HREE(質(zhì)量分數(shù)比值)都>1，表明樣品具有輕稀土元素較重稀土元素相對富集的特征，這可能是因為稀土元素在碳酸鹽巖沉積或成巖過程中，以游離態(tài)的碳酸根離子絡(luò)合物形式存在而導(dǎo)致的[51]。并且，由于流體中的Ce3+較易被氧化而變?yōu)镃e4+，從而附著在沉積物的表面，使沉積物的δCe表現(xiàn)為正異常，因此通過δCe可以判斷流體的氧化-還原程度。從表4中可以看到，各類型白云巖的δCe值無明顯的差別，它們大都位于0.91～1.11，表現(xiàn)為微弱的負異常-正異常，說明它們形成于弱氧化-弱還原環(huán)境。而Eu3+在高溫還原的環(huán)境下易被還原為Eu2+，進入碳酸鹽巖礦物中使其表現(xiàn)為正異常[47]。從各類型白云巖的δEu值來看，除極個別樣品外，δEu值都小于1，說明白云石化過程之中并無熱液流體的參與，這與氧同位素所反映的信息一致。

5 白云巖成因模式

通過對白云巖的地球化學(xué)特征以及巖石學(xué)特征分析可知，泥微晶白云巖晶體細小，晶形無法分辨，說明其交代速度極快；同時，可看到白云石晶體與石膏晶體共生。且其具有較高的Fe、Mn含量以及碳氧同位素值，表明這類白云巖形成于鹽度較高的環(huán)境中，推測其形成于準同生階段，可用蒸發(fā)泵模式解釋。由于研究區(qū)環(huán)境相對局限，因此廣泛發(fā)育低能的潮坪相沉積環(huán)境。并且，奧陶紀時期鄂爾多斯盆地大致位于赤道附近，氣候炎熱，強烈的蒸發(fā)作用使海水得以濃縮；同時，正常海水由于毛細管作用，源源不斷地補充到相對疏松的沉積物當中，為白云巖化提供了足夠的Mg2+，從而交代灰?guī)r。

圖7 白云巖稀土配分模式Fig.7 Rare earth element distribution model of dolomite

對于(殘余)砂礫屑白云巖以及粉-細晶白云巖來說，這幾類白云巖的白云石化程度相較于泥微晶白云巖高，與灰?guī)r具有相似的稀土配分模式，Na含量與泥晶灰?guī)r相當，δ13CPDB值和δ18OPDB值絕大部分落于同時期的海水范圍值內(nèi)，說明白云石化流體來源于海水。但是，它們與泥晶灰?guī)r相比，有相對較高的Fe、Mn含量，說明其可能形成于一定的埋藏環(huán)境，且δEu值幾乎都小于1，說明無熱液的影響，因此，這幾類白云巖可能是滲透回流作用的結(jié)果。當白云石化流體完成了對上覆巖層的作用后，由于中央古隆起的障壁作用，導(dǎo)致富余的高鎂海水在密度差的驅(qū)動下，向下伏地層流動，從而提供了一定的Mg2+來源。并且，雖然在進入馬五沉積期，盆地的中東部處于相對局限的環(huán)境；但是，在該時期仍然存在間接性的海進-海退，因此在中央古隆起的西側(cè)海水得以越過回流，進而也為馬四段白云巖的形成提供豐富的Mg2+。(殘余)砂礫屑白云巖的原始骨架顆粒發(fā)育位置很可能位于古地形的相對隆起區(qū)。

斑狀白云巖主要分布于馬四段中下部，具有相對較好的白云石晶形，表明其白云石化程度較高；δ18OPDB值相對具有一定的負偏，說明經(jīng)歷了一定的埋藏作用；其同樣與灰?guī)r有著相似的稀土配分模式，指示成巖流體仍是以海水為主。同時，在顯微鏡下觀察，看到有大量的生屑，且在巖心表面可見明顯的生物活動痕跡，指示該類白云巖的形成受到了一定的生物擾動作用。其形成過程可能是：在早期生物活動的影響下，原始沉積物中產(chǎn)生了相對疏松、滲透性較好的區(qū)域；在白云石化過程中，濃縮海水優(yōu)先作用于這類孔滲性較好的區(qū)域，發(fā)生白云石化(圖8)。

圖8 鄂爾多斯盆地中東部馬四段白云巖成因模式圖Fig.8 Dolomite formation model of the Ma-4 Member in the central-eastern Ordos Basin

6 結(jié) 論

a.鄂爾多斯盆地馬家溝組第四段發(fā)育4類白云巖，分別為泥微晶白云巖、粉-細晶白云巖、(殘余)砂礫屑白云巖以及斑狀白云巖。

b.從碳氧同位素以及鍶同位素的分布來看，均位于奧陶系海水的范圍內(nèi)，且古鹽度值和δCe的弱異常也表明這4類白云巖的白云石化流體與海源性流體密切相關(guān)，無熱液等流體的參與。泥微晶白云巖晶體細小，薄片下可見到硬石膏，具有相對正偏的碳氧同位素，表明其形成于高鹽度環(huán)境，可以用蒸發(fā)泵模式解釋。粉-細晶白云巖、(殘余)砂礫屑白云巖與斑狀白云巖，這幾類白云巖晶型較泥微晶白云巖好；且δ18OPDB比泥微晶白云巖低，同時較泥晶灰?guī)r具有相對較高的Fe、Mn含量，說明受到了埋藏作用的影響：因此這幾類白云巖應(yīng)為滲透回流作用的結(jié)果。并且在斑狀白云巖巖心表面可看到生物擾動構(gòu)造，說明形成前期受到了生物活動的影響，從而使沉積物變得疏松，使流體更容易使進入，從而交代原巖。