鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組五段5亞段斑化白云巖成因

廖慧鴻，蘇中堂,2，黃文明，馬 慧，佘 偉，羅振鋒，劉國慶，胡孫龍

1.成都理工大學(xué) 沉積地質(zhì)研究院，成都 610059；2.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，成都 610059；3.中國石油 川慶鉆探工程有限公司 蘇里格項目經(jīng)理部，成都 610051

斑化白云巖是指發(fā)育云斑構(gòu)造的白云巖、含灰云巖以及灰質(zhì)云巖等，通常斑化白云巖中“斑”的白云石化程度要高于基質(zhì)，兩者的差別往往只有通過顏色或結(jié)構(gòu)差異才能辨別[1]。斑化白云巖的成因，有以下幾種觀點：生物潛穴云化成因[2-6]、暴露溶蝕成因[7-8]，早期成斑、晚期選擇性云化成因[9-12]及變形構(gòu)造產(chǎn)物[13]與異地搬運成因[14]。這些觀點多解釋斑化程度相同的斑化白云巖，對斑化程度不同的斑化白云巖共生現(xiàn)象則未能很好解釋。鄂爾多斯盆地中東部奧陶系馬家溝組五段5亞段(以下稱馬五5亞段)發(fā)現(xiàn)大量斑化白云巖且其斑化程度不同，為研究不同斑化程度的斑化白云巖共生現(xiàn)象成因機制提供了良好素材。

近年來，鄂爾多斯盆地馬五5亞段發(fā)現(xiàn)了明顯不同于靖邊氣田風(fēng)化殼儲層的白云巖儲層，巖性主要為粗粉晶—細晶白云巖，儲集空間類型主要為白云石晶間孔(局部同時發(fā)育晶間溶孔)，其次為微裂縫[15]。儲層成因有：有利的沉積相帶、建設(shè)性的成巖作用(主要是白云石化作用、溶蝕作用)、構(gòu)造運動(包括與之相關(guān)的熱液)的改造等[15-19]，而盆地中東部大面積分布的斑化白云巖因具有良好油氣顯示亦成為關(guān)注熱點[18,20-21]，但其成因尚存爭議。本文試圖解釋這些斑化白云巖的成因機制，以期為鄂爾多斯盆地馬五5亞段油氣勘探提供借鑒。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

蘇中堂等[23]認為馬五5亞段為潮坪環(huán)境，并劃出7個沉積微相，認為沉積環(huán)境受古地形影響發(fā)生分異，其盆地中東部呈現(xiàn)出潮間帶、潮下帶相間格局(圖1a)。上覆馬五4亞段沉積期氣候炎熱，海平面下降，自西向東形成含硬石膏結(jié)核云巖、膏質(zhì)云巖及鹽巖組合[19]。中奧陶世末加里東運動使華北地臺抬升為陸，盆地內(nèi)中奧陶統(tǒng)馬家溝組上部地層經(jīng)受了長達1.3億多年的風(fēng)化剝蝕[24]。

2 研究方法

本研究13個巖心樣品采自鄂爾多斯盆地中東部9口鉆井(圖1a)，深度為2 450.6～3 944.4 m，層位為奧陶系馬家溝組馬五5亞段。其中12個樣品巖性為斑化白云巖，1個為泥晶灰?guī)r。每個樣品切成兩部分，一部分制成陰極發(fā)光薄片，用于偏光顯微鏡和陰極發(fā)光顯微鏡觀察、照相；另一部分用瑪瑙研缽磨制成200目以下的粉末，然后分成四等份，一份備用，其他三份分別用于微量元素，C、O同位素和Sr同位素分析。

圖1 鄂爾多斯盆地中東部奧陶系馬五5亞段巖相古地理(a)及地層柱狀圖(b)

實驗中薄片鏡下觀察鑒定完成于成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，所觀察的薄片均用茜素紅染色，在Nikon E600 Pol+偏光顯微鏡下觀察。陰極發(fā)光鑒定完成于中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，所使用的儀器為BLM-3RX 型陰極發(fā)光儀。全巖微量元素在武漢上譜分析測試實驗室完成，測試儀器為電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(Agilent 7700e)。碳氧穩(wěn)定同位素在中國石油集團碳酸鹽巖儲層重點實驗室(杭州)完成，測試儀器采用Delta V Advantage型同位素質(zhì)譜儀，δ13C測試精度為±0.06‰，δ18O測試精度為±0.08‰。Sr同位素測定在成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室完成，用由德國Thermo Fisher Scientific公司制造的Triton puls 型質(zhì)譜儀進行87Sr/86Sr值測試，Sr內(nèi)精度≤5×10-6(1RSE)，Sr外精度≤5×10-6(1RSD)，質(zhì)量色散可達17%，質(zhì)量數(shù)檢測范圍3～310，動態(tài)范圍50 V。

為了區(qū)分斑化白云巖中斑點與基質(zhì)的流體性質(zhì)的差異，采用微區(qū)原位微量元素分析和微區(qū)原位碳氧分析方法。微區(qū)原位微量元素含量在武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司利用LA-ICP-MS完成，GeolasPro激光剝蝕系統(tǒng)由COMPexPro 102 ArF 193 nm準分子激光器和MicroLas光學(xué)系統(tǒng)組成，ICP-MS型號為Agilent 7700e。激光微區(qū)原位碳氧同位素完成于中國石油杭州地質(zhì)研究院測試實驗室，測試儀器為賽默飛世爾的Delta V Advantage 和聲光調(diào)Q連續(xù)YAG 激光器(西南技術(shù)物理研究所制造)。

3 巖石學(xué)特征

巖心觀察、薄片鑒定和陰極發(fā)光研究鄂爾多斯盆地中東部多口鉆井中奧陶系馬五5亞段巖石學(xué)特征，發(fā)現(xiàn)大量斑化白云巖(Porphyry Dolomite，PD)，根據(jù)斑化程度可分為不均勻斑化白云巖(PD1)、明顯斑化含灰云巖(PD2)和略微斑化灰質(zhì)云巖(PD3)。

(1)不均勻斑化白云巖(PD1)：斑化程度高，斑點占全巖約90%以上，斑點與基質(zhì)界線清晰，云斑主要呈條帶狀、網(wǎng)格狀不均勻分布，斑點顏色較淺，基質(zhì)顏色略深(圖2a)。薄片中白云石含量在90%左右，主要呈粉—細晶結(jié)構(gòu)，多為半自形，方解石的含量約為5%，泥質(zhì)含量約5%。其中斑內(nèi)白云石較干凈，晶體較大，多以細晶為主，晶間孔發(fā)育；基質(zhì)處白云石較臟，晶體較小，顏色較深，多以微晶為主，鑲嵌產(chǎn)出，晶間有少許雜質(zhì)(圖2d)。

(2)明顯斑化含灰云巖(PD2)：斑化程度較高，斑點占全巖的60%～90%，斑點與基質(zhì)界線明顯，云斑呈補丁狀、條帶狀分布，斑點顏色較淺，基質(zhì)顏色略深(圖2b)。薄片中白云石含量約在80%，以粉—細晶為主，方解石含量約為15%，泥質(zhì)含量5%。其中斑內(nèi)白云石較干凈，晶體較大，多以細晶為主，發(fā)育晶間孔，含少量方解石膠結(jié)；基質(zhì)處白云石較臟，晶體較小，多以微晶為主，白云石化作用不徹底，殘余方解石，具紋層構(gòu)造(圖2e)。

(3)略微斑化灰質(zhì)云巖(PD3)：斑化程度較低，斑點占全巖的35%～60%，斑點與基質(zhì)界線不明顯，云斑呈花斑狀分布，斑點顏色較淺，基質(zhì)顏色略深(圖2c)。薄片中白云石含量在55%左右，以粉—細晶為主，方解石含量約為35%，泥質(zhì)含量10%。斑內(nèi)白云石較干凈，晶體較大，多以粉晶為主，發(fā)育晶間孔，見方解石殘余；基質(zhì)多為方解石，漂浮自形程度較好的白云石(圖2f)。

圖2 鄂爾多斯盆地中東部奧陶系馬五5亞段斑化白云巖巖心、薄片特征及微區(qū)碳氧同位素分析點

3類斑化白云巖陰極發(fā)光顯示，不均勻斑化白云巖中斑點與基質(zhì)均發(fā)暗紅色光(圖3a，b)；明顯斑化含灰云巖中斑點與基質(zhì)(界線兩側(cè))發(fā)光一致，均呈暗紅色(圖3c，d)；略微斑化灰質(zhì)云巖斑點與基質(zhì)陰極發(fā)光均呈暗紅色，方解石發(fā)亮紅色光(圖3e，f)。三類斑化白云巖的發(fā)光性相同，斑點與基質(zhì)無差別，表明它們的成巖流體性質(zhì)相同[11]。

圖3 鄂爾多斯盆地中東部奧陶系馬五5亞段斑化白云巖的陰極發(fā)光特征

4 地球化學(xué)特征

4.1 微量元素

微量元素測試結(jié)果顯示(表1，表2)，斑化白云巖全巖Na含量為(31.2～72.4)×10-6，平均53.1×10-6；Mn含量為(20.1～49.6)×10-6，平均40.0×10-6；Fe含量為(400.9～1 482.7)×10-6，平均980.2×10-6；Sr含量為(58.8～102.0)×10-6，平均79.9×10-6。微區(qū)Na含量為(52.4～238.3)×10-6，Mn含量為(35.2～75.7)×10-6，F(xiàn)e含量為(1 425.2～3 033.2)×10-6，Sr含量為(29.8～104.3)×10-6。圖4顯示全巖微量元素含量相較于同期灰?guī)rFe、Mn、Na偏高，Sr略微偏低，斑點與基質(zhì)的Fe、Mn和Sr元素特征基本一致，基質(zhì)Na元素含量高于斑點，但無論是斑點還是基質(zhì)的Fe、Mn和Na含量皆高于泥晶灰?guī)r，Sr明顯偏低。

圖4 鄂爾多斯盆地中東部奧陶系馬五5亞段斑化白云巖微區(qū)Na-Sr、Mn-Sr和Fe-Mn含量交會圖

4.2 碳氧同位素

在全巖分析結(jié)果中(表1)，斑化白云巖的δ13CVPDB最小值為-3.31‰，最大值為1.29‰；δ18OVPDB最小值為-9.28‰，最大值為-7.07‰。微區(qū)測試結(jié)果顯示(表2)，δ13CPDB值分布在-1.81‰～0.90‰之間；δ18OPDB值分布在-12.42‰～-6.88‰之間。

表1 鄂爾多斯盆地中東部奧陶系馬五5亞段斑化白云巖全巖地球化學(xué)特征

表2 鄂爾多斯盆地中東部奧陶系馬五5亞段斑化白云巖的微區(qū)地球化學(xué)特征

不同成因白云巖中碳、氧同位素值均與其形成流體密切相關(guān)，通常將其值與同期海水進行對比分析流體來源[30]。在δ13CPDB與δ18OPDB交會圖中(圖5a)，斑點和基質(zhì)的δ13CPDB和δ18OPDB差別不大，除少數(shù)樣品的δ13CPDB值偏正之外，其余的都位于中奧陶世海水值的范圍，而δ18OPDB值相對于中奧陶世海水值明顯偏負[26]。

圖5 鄂爾多斯盆地中東部奧陶系五5亞段斑化白云巖微區(qū)δ13CPDB與δ18OPDB交會圖(a)和全巖Sr同位素分布(b)

4.3 鍶同位素

Sr同位素具很好的示蹤性，常用以分析白云巖化流體來源[32-33]。全巖Sr同位素的測試結(jié)果見表1，斑化白云巖中87Sr/86Sr最大值為0.712 9，最小值為0.709 3，平均值為0.710 4。在87Sr/86Sr比值分布圖中(圖5b)，斑化白云巖的87Sr/86Sr比值高于中奧陶世海水值的范圍[26]。

5 討論

5.1 云斑成因

研究區(qū)內(nèi)斑化白云巖的云斑呈條帶狀、網(wǎng)格狀、補丁狀及花斑狀，形態(tài)規(guī)則，具有生物潛穴系統(tǒng)形態(tài)。且具有以下特征：(1)單個云斑直徑差別不大，延伸連續(xù)穩(wěn)定；(2)云斑多為白云石，晶體較大，粉晶為主，與基質(zhì)為微晶白云石以及殘余方解石有明顯差別；(3)斑點與基質(zhì)的陰極發(fā)光相同，系相同流體云化的結(jié)果。這與齊永安等[5]認為的豫西登封地區(qū)寒武系朱砂洞組生物成因的豹斑構(gòu)造特征以及劉夢瑤等[6]認為的山西興縣中奧陶統(tǒng)馬家溝組五5亞段的豹皮狀碳酸鹽巖的特征相似，為遺跡化石Thalassinoides生物擾動的結(jié)果。據(jù)此，認為研究區(qū)內(nèi)的白云巖內(nèi)云斑構(gòu)造主要受生物擾動作用的影響，且生物擾動處(斑塊)白云石化程度優(yōu)于未擾動處(基質(zhì))。

為了探究白云巖的斑化程度與生物擾動強度的關(guān)系，本文對3種斑化程度不同白云巖按生物擾動指數(shù)(BI)[29]進行劃分(BI顯示沉積結(jié)構(gòu)可見程度，表3)：不均勻斑化白云巖生物擾動構(gòu)造發(fā)育，原始組構(gòu)被破壞得較為嚴重(圖2a)，生物擾動指數(shù)約為B4—B5，為強擾動；明顯斑化含灰云巖生物擾動構(gòu)造較發(fā)育，但地層層面信息仍可辨認(圖2b)，生物擾動指數(shù)約為B3，為中等擾動；略微斑化灰質(zhì)云巖原始組構(gòu)保存較好(圖2c)，生物擾動指數(shù)約為B1—B2，為弱擾動。上述表明生物擾動強度與斑化程度成正相關(guān)。

表3 生物擾動指數(shù)及其特征描述修改自文獻[29]。

綜上認為云斑成因為生物擾動破壞原巖原始組構(gòu)，形成斑點而后發(fā)生白云石化作用，云斑與基質(zhì)差異云化，形成斑化白云巖，生物擾動程度越強，斑化程度越高，白云巖化愈徹底。

5.2 白云石化作用

微量元素Fe、Mn、Sr、Na在碳酸鹽巖成巖作用和流體性質(zhì)判別方面具有獨特效用。Fe、Mn元素含量反映的是大氣淡水的影響，Sr元素代表著海源性流體，Na元素可用來反映成巖流體鹽度[35]。鄂爾多斯盆地中東部奧陶系馬五5亞段的斑化白云巖中全巖Fe、Mn含量相對偏高，馬五5亞段位于馬五段中部(距奧陶系頂部風(fēng)化殼的距離在靖邊氣田約在80～100 m之間)[23]，不太可能遭受大氣淡水的影響，更有可能是成巖過程Fe、Mn在碳酸鹽礦物中的分配系數(shù)升高導(dǎo)致[36]；較高的Na含量反映這種白云巖形成于鹽度較高的環(huán)境中；Sr含量相對偏低反映白云巖化過程中Sr的流失。斑點與基質(zhì)微量元素特征無明顯差別，但相對于泥晶灰?guī)r也具有相對高的Fe、Mn、Na含量，以及低的Sr含量(圖4)，反映斑點與基質(zhì)的云化流體性質(zhì)相同。高Fe、Mn、Na，低Sr特征與于春勇等[21]認為的伊俠斜坡東北部馬五5亞段白云巖主要為淺埋藏回流滲透成因機制相吻合，據(jù)此認為馬五5亞段的斑化白云巖可能為淺埋藏階段的回流滲透成因。

白云巖中的δ13C值主要反映成巖流體是否有有機碳的影響[32]；δ18O值則同為流體性質(zhì)(最重要的可能為鹽度)和溫度的函數(shù)[31]，且易受準同生白云巖和回流滲透白云巖、欠穩(wěn)定白云巖在埋藏條件下的重結(jié)晶作用的影響[33]。鄂爾多斯盆地中東部馬家溝組馬五5亞段白云巖形成于中奧陶世，同期海水的δ13C值介于-2.0‰～0.5‰，δ18O 值介于-6.6‰～-4.0‰[34-35]。斑化白云巖δ13C值與同期海水的分布基本一致，斑點和基質(zhì)無明顯區(qū)別，表明研究區(qū)白云巖化流體應(yīng)主要源自海源性流體；δ18O偏負，而δ13C并未表現(xiàn)出與δ18O正相關(guān)的線性關(guān)系(圖5)，排除流體性質(zhì)的影響；理論上大氣降水也可以引起δ18O偏負，但馬五5亞段沉積時期古氣候干燥、炎熱，以蒸發(fā)作用為主[18]。這種環(huán)境下大氣降水的影響十分微弱，因此δ18O偏負不太可能為大氣降水引起的。微量元素顯示白云巖為淺埋藏回流滲透作用形成，排除不同深度的溫度效應(yīng)的影響；在鏡下薄片鑒定中可見白云石的重結(jié)晶現(xiàn)象(圖3a)，因此，δ18O偏負可能與后期埋藏中重結(jié)晶作用相關(guān)。

Sr同位素在成巖過程中的遷移和富集與碳酸鹽成巖作用密切相關(guān)。地質(zhì)歷史中，海水的Sr同位素組成也是不斷變化的，中奧陶世古海水的87Sr/86Sr值約為0.708 7～0.709 2，為地質(zhì)歷史中87Sr最富集的時期[26,31,36]。斑化白云巖Sr同位素顯著高于同期海水值。在成巖過程中，造成碳酸鹽巖Sr同位素值高于同期海水的原因主要有：(1)大氣淡水混入時，溶解富含放射性87Sr硅質(zhì)碎屑沉積物；(2)深部富含放射性87Sr的地層水的加入[37]；(3)再埋藏的重結(jié)晶作用[33]。鄂爾多斯盆地在馬五5亞段沉積之后，盆地整體抬升，構(gòu)造平緩，深部富含放射性的87Sr流體難以向上運移；C、O同位素表明未受到大氣淡水的影響，故其Sr同位素高于同期海水值可能反映了重結(jié)晶作用。

綜上所述，鄂爾多斯盆地中東部奧陶系馬五5亞段斑化白云巖云化流體為海源流體，白云巖為早期淺埋藏階段回流滲透作用產(chǎn)物，再埋藏過程中經(jīng)歷了重結(jié)晶改造。

5.3 白云巖化模式

鄂爾多斯盆地中東部的靖邊緩坡、東部洼地，整體為低能、靜水環(huán)境，沉積物顆粒普遍較細[19]，但可能存在相對高地區(qū)域[23]，馬五5亞段沉積期，高地處生物擾動構(gòu)造發(fā)育，生物在沉積物中覓食、挖掘、鉆孔等活動破壞原始沉積物，導(dǎo)致沉積物被擾動、懸浮或侵蝕，再次堆積的灰泥沉積物較疏松，從而改變沉積物組構(gòu)。生物潛穴系統(tǒng)在空間上拓展了三維連通性，為白云巖化流體提供了流動通道，有利于富鎂鹵水下滲形成白云巖[38]。馬五4亞段沉積期水體相對局限，蒸發(fā)作用強烈，海水鹽度較高，盆地中東部發(fā)育含膏云巖、膏鹽巖[39]。高鹽度海水與下伏馬五5亞段沉積物孔隙水形成密度差，受地形和重力影響向下滲流，促使馬五5亞段被生物擾動改造的沉積物發(fā)生白云石化作用。

綜上所述，斑化白云巖的云斑成因應(yīng)為由生物擾動造成灰?guī)r疏松，利于流體經(jīng)過，與未擾動的區(qū)域產(chǎn)生差別，在淺埋藏期中發(fā)生蒸發(fā)海水的回流滲透白云石化作用(圖6)，選擇性優(yōu)先交代生物潛穴。生物擾動程度高，潛穴發(fā)育，則白云巖化程度高，形成不均勻斑化云巖；隨擾動程度降低，分別形成明顯斑化含灰云巖和略微斑化灰質(zhì)云巖。鄂爾多斯盆地中東部斑化白云巖儲集層連通性較好，多口鉆井見良好油氣顯示，但非均質(zhì)性強，是經(jīng)生物擾動改造后發(fā)生白云石化作用而成，具有相控性特征，有利勘探目標(biāo)應(yīng)尋找中東部坳陷內(nèi)易受生物擾動的相對高地。

圖6 鄂爾多斯盆地中東部奧陶系馬五5亞段回流滲透白云巖化模式

6 結(jié)論

(1)鄂爾多斯盆地中東部奧陶系馬五5亞段的斑化白云巖根據(jù)斑化程度分為3種：不均勻斑化白云巖、明顯斑化含灰白云巖和略微斑化灰質(zhì)白云巖。云斑形成是由生物擾動造成的，斑化程度與生物擾動指數(shù)正相關(guān)。

(2)斑化白云巖總體Fe、Mn、Na偏高，Sr較低，斑點處的Fe、Mn和Sr含量與基質(zhì)無明顯差別；δ13C值基本位于中奧陶世海水范圍內(nèi)，δ18O偏負；Sr同位素整體要高于中奧陶世海水范圍。上述特征表明研究區(qū)斑化白云巖的白云巖化流體主要為海源性流體，斑點與基質(zhì)系相同流體云化的結(jié)果，為淺埋藏期回流滲透作用階段的產(chǎn)物，在后期的再埋藏階段發(fā)生了重結(jié)晶作用改造。

(3)斑化白云巖經(jīng)生物擾動改造后發(fā)生白云石化作用而成，具有相控性特征，坳陷內(nèi)相對高地為有利勘探目標(biāo)區(qū)。