鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组五段5亚段斑化白云岩成因
时间：2023-02-26 10:00:08 来源：千叶帆 本文已影响人
廖慧鸿，苏中堂,2，黄文明，马 慧，佘 伟，罗振锋，刘国庆，胡孙龙
1.成都理工大学 沉积地质研究院，成都 610059；
2.成都理工大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610059；
3.中国石油 川庆钻探工程有限公司 苏里格项目经理部，成都 610051
斑化白云岩是指发育云斑构造的白云岩、含灰云岩以及灰质云岩等，通常斑化白云岩中“斑”的白云石化程度要高于基质，两者的差别往往只有通过颜色或结构差异才能辨别[1]。斑化白云岩的成因，有以下几种观点：生物潜穴云化成因[2-6]、暴露溶蚀成因[7-8]，早期成斑、晚期选择性云化成因[9-12]及变形构造产物[13]与异地搬运成因[14]。这些观点多解释斑化程度相同的斑化白云岩，对斑化程度不同的斑化白云岩共生现象则未能很好解释。鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马家沟组五段5亚段(以下称马五5亚段)发现大量斑化白云岩且其斑化程度不同，为研究不同斑化程度的斑化白云岩共生现象成因机制提供了良好素材。
近年来，鄂尔多斯盆地马五5亚段发现了明显不同于靖边气田风化壳储层的白云岩储层，岩性主要为粗粉晶—细晶白云岩，储集空间类型主要为白云石晶间孔(局部同时发育晶间溶孔)，其次为微裂缝[15]。储层成因有：有利的沉积相带、建设性的成岩作用(主要是白云石化作用、溶蚀作用)、构造运动(包括与之相关的热液)的改造等[15-19]，而盆地中东部大面积分布的斑化白云岩因具有良好油气显示亦成为关注热点[18,20-21]，但其成因尚存争议。本文试图解释这些斑化白云岩的成因机制，以期为鄂尔多斯盆地马五5亚段油气勘探提供借鉴。
苏中堂等[23]认为马五5亚段为潮坪环境，并划出7个沉积微相，认为沉积环境受古地形影响发生分异，其盆地中东部呈现出潮间带、潮下带相间格局(图1a)。上覆马五4亚段沉积期气候炎热，海平面下降，自西向东形成含硬石膏结核云岩、膏质云岩及盐岩组合[19]。中奥陶世末加里东运动使华北地台抬升为陆，盆地内中奥陶统马家沟组上部地层经受了长达1.3亿多年的风化剥蚀[24]。
本研究13个岩心样品采自鄂尔多斯盆地中东部9口钻井(图1a)，深度为2 450.6～3 944.4 m，层位为奥陶系马家沟组马五5亚段。其中12个样品岩性为斑化白云岩，1个为泥晶灰岩。每个样品切成两部分，一部分制成阴极发光薄片，用于偏光显微镜和阴极发光显微镜观察、照相；
另一部分用玛瑙研钵磨制成200目以下的粉末，然后分成四等份，一份备用，其他三份分别用于微量元素，C、O同位素和Sr同位素分析。
图1 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马五5亚段岩相古地理(a)及地层柱状图(b)
实验中薄片镜下观察鉴定完成于成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，所观察的薄片均用茜素红染色，在Nikon E600 Pol+偏光显微镜下观察。阴极发光鉴定完成于中国地质调查局成都地质调查中心，所使用的仪器为BLM-3RX 型阴极发光仪。全岩微量元素在武汉上谱分析测试实验室完成，测试仪器为电感耦合等离子体质谱仪(Agilent 7700e)。碳氧稳定同位素在中国石油集团碳酸盐岩储层重点实验室(杭州)完成，测试仪器采用Delta V Advantage型同位素质谱仪，δ13C测试精度为±0.06‰，δ18O测试精度为±0.08‰。Sr同位素测定在成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室完成，用由德国Thermo Fisher Scientific公司制造的Triton puls 型质谱仪进行87Sr/86Sr值测试，Sr内精度≤5×10-6(1RSE)，Sr外精度≤5×10-6(1RSD)，质量色散可达17%，质量数检测范围3～310，动态范围50 V。
为了区分斑化白云岩中斑点与基质的流体性质的差异，采用微区原位微量元素分析和微区原位碳氧分析方法。微区原位微量元素含量在武汉上谱分析科技有限责任公司利用LA-ICP-MS完成，GeolasPro激光剥蚀系统由COMPexPro 102 ArF 193 nm准分子激光器和MicroLas光学系统组成，ICP-MS型号为Agilent 7700e。激光微区原位碳氧同位素完成于中国石油杭州地质研究院测试实验室，测试仪器为赛默飞世尔的Delta V Advantage 和声光调Q连续YAG 激光器(西南技术物理研究所制造)。
岩心观察、薄片鉴定和阴极发光研究鄂尔多斯盆地中东部多口钻井中奥陶系马五5亚段岩石学特征，发现大量斑化白云岩(Porphyry Dolomite，PD)，根据斑化程度可分为不均匀斑化白云岩(PD1)、明显斑化含灰云岩(PD2)和略微斑化灰质云岩(PD3)。
(1)不均匀斑化白云岩(PD1)：斑化程度高，斑点占全岩约90%以上，斑点与基质界线清晰，云斑主要呈条带状、网格状不均匀分布，斑点颜色较浅，基质颜色略深(图2a)。薄片中白云石含量在90%左右，主要呈粉—细晶结构，多为半自形，方解石的含量约为5%，泥质含量约5%。其中斑内白云石较干净，晶体较大，多以细晶为主，晶间孔发育；
基质处白云石较脏，晶体较小，颜色较深，多以微晶为主，镶嵌产出，晶间有少许杂质(图2d)。
(2)明显斑化含灰云岩(PD2)：斑化程度较高，斑点占全岩的60%～90%，斑点与基质界线明显，云斑呈补丁状、条带状分布，斑点颜色较浅，基质颜色略深(图2b)。薄片中白云石含量约在80%，以粉—细晶为主，方解石含量约为15%，泥质含量5%。其中斑内白云石较干净，晶体较大，多以细晶为主，发育晶间孔，含少量方解石胶结；
基质处白云石较脏，晶体较小，多以微晶为主，白云石化作用不彻底，残余方解石，具纹层构造(图2e)。
(3)略微斑化灰质云岩(PD3)：斑化程度较低，斑点占全岩的35%～60%，斑点与基质界线不明显，云斑呈花斑状分布，斑点颜色较浅，基质颜色略深(图2c)。薄片中白云石含量在55%左右，以粉—细晶为主，方解石含量约为35%，泥质含量10%。斑内白云石较干净，晶体较大，多以粉晶为主，发育晶间孔，见方解石残余；
基质多为方解石，漂浮自形程度较好的白云石(图2f)。
图2 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马五5亚段斑化白云岩岩心、薄片特征及微区碳氧同位素分析点
3类斑化白云岩阴极发光显示，不均匀斑化白云岩中斑点与基质均发暗红色光(图3a，b)；
明显斑化含灰云岩中斑点与基质(界线两侧)发光一致，均呈暗红色(图3c，d)；
略微斑化灰质云岩斑点与基质阴极发光均呈暗红色，方解石发亮红色光(图3e，f)。三类斑化白云岩的发光性相同，斑点与基质无差别，表明它们的成岩流体性质相同[11]。
图3 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马五5亚段斑化白云岩的阴极发光特征
4.1 微量元素
微量元素测试结果显示(表1，表2)，斑化白云岩全岩Na含量为(31.2～72.4)×10-6，平均53.1×10-6；
Mn含量为(20.1～49.6)×10-6，平均40.0×10-6；
Fe含量为(400.9～1 482.7)×10-6，平均980.2×10-6；
Sr含量为(58.8～102.0)×10-6，平均79.9×10-6。微区Na含量为(52.4～238.3)×10-6，Mn含量为(35.2～75.7)×10-6，Fe含量为(1 425.2～3 033.2)×10-6，Sr含量为(29.8～104.3)×10-6。图4显示全岩微量元素含量相较于同期灰岩Fe、Mn、Na偏高，Sr略微偏低，斑点与基质的Fe、Mn和Sr元素特征基本一致，基质Na元素含量高于斑点，但无论是斑点还是基质的Fe、Mn和Na含量皆高于泥晶灰岩，Sr明显偏低。
图4 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马五5亚段斑化白云岩微区Na-Sr、Mn-Sr和Fe-Mn含量交会图
4.2 碳氧同位素
在全岩分析结果中(表1)，斑化白云岩的δ13CVPDB最小值为-3.31‰，最大值为1.29‰；
δ18OVPDB最小值为-9.28‰，最大值为-7.07‰。微区测试结果显示(表2)，δ13CPDB值分布在-1.81‰～0.90‰之间；
δ18OPDB值分布在-12.42‰～-6.88‰之间。
表1 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马五5亚段斑化白云岩全岩地球化学特征
表2 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马五5亚段斑化白云岩的微区地球化学特征
不同成因白云岩中碳、氧同位素值均与其形成流体密切相关，通常将其值与同期海水进行对比分析流体来源[30]。在δ13CPDB与δ18OPDB交会图中(图5a)，斑点和基质的δ13CPDB和δ18OPDB差别不大，除少数样品的δ13CPDB值偏正之外，其余的都位于中奥陶世海水值的范围，而δ18OPDB值相对于中奥陶世海水值明显偏负[26]。
图5 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系五5亚段斑化白云岩微区δ13CPDB与δ18OPDB交会图(a)和全岩Sr同位素分布(b)
4.3 锶同位素
Sr同位素具很好的示踪性，常用以分析白云岩化流体来源[32-33]。全岩Sr同位素的测试结果见表1，斑化白云岩中87Sr/86Sr最大值为0.712 9，最小值为0.709 3，平均值为0.710 4。在87Sr/86Sr比值分布图中(图5b)，斑化白云岩的87Sr/86Sr比值高于中奥陶世海水值的范围[26]。
5.1 云斑成因
研究区内斑化白云岩的云斑呈条带状、网格状、补丁状及花斑状，形态规则，具有生物潜穴系统形态。且具有以下特征：(1)单个云斑直径差别不大，延伸连续稳定；
(2)云斑多为白云石，晶体较大，粉晶为主，与基质为微晶白云石以及残余方解石有明显差别；
(3)斑点与基质的阴极发光相同，系相同流体云化的结果。这与齐永安等[5]认为的豫西登封地区寒武系朱砂洞组生物成因的豹斑构造特征以及刘梦瑶等[6]认为的山西兴县中奥陶统马家沟组五5亚段的豹皮状碳酸盐岩的特征相似，为遗迹化石Thalassinoides生物扰动的结果。据此，认为研究区内的白云岩内云斑构造主要受生物扰动作用的影响，且生物扰动处(斑块)白云石化程度优于未扰动处(基质)。
为了探究白云岩的斑化程度与生物扰动强度的关系，本文对3种斑化程度不同白云岩按生物扰动指数(BI)[29]进行划分(BI显示沉积结构可见程度，表3)：不均匀斑化白云岩生物扰动构造发育，原始组构被破坏得较为严重(图2a)，生物扰动指数约为B4—B5，为强扰动；
明显斑化含灰云岩生物扰动构造较发育，但地层层面信息仍可辨认(图2b)，生物扰动指数约为B3，为中等扰动；
略微斑化灰质云岩原始组构保存较好(图2c)，生物扰动指数约为B1—B2，为弱扰动。上述表明生物扰动强度与斑化程度成正相关。
表3 生物扰动指数及其特征描述修改自文献[29]。
综上认为云斑成因为生物扰动破坏原岩原始组构，形成斑点而后发生白云石化作用，云斑与基质差异云化，形成斑化白云岩，生物扰动程度越强，斑化程度越高，白云岩化愈彻底。
5.2 白云石化作用
微量元素Fe、Mn、Sr、Na在碳酸盐岩成岩作用和流体性质判别方面具有独特效用。Fe、Mn元素含量反映的是大气淡水的影响，Sr元素代表着海源性流体，Na元素可用来反映成岩流体盐度[35]。鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马五5亚段的斑化白云岩中全岩Fe、Mn含量相对偏高，马五5亚段位于马五段中部(距奥陶系顶部风化壳的距离在靖边气田约在80～100 m之间)[23]，不太可能遭受大气淡水的影响，更有可能是成岩过程Fe、Mn在碳酸盐矿物中的分配系数升高导致[36]；
较高的Na含量反映这种白云岩形成于盐度较高的环境中；
Sr含量相对偏低反映白云岩化过程中Sr的流失。斑点与基质微量元素特征无明显差别，但相对于泥晶灰岩也具有相对高的Fe、Mn、Na含量，以及低的Sr含量(图4)，反映斑点与基质的云化流体性质相同。高Fe、Mn、Na，低Sr特征与于春勇等[21]认为的伊侠斜坡东北部马五5亚段白云岩主要为浅埋藏回流渗透成因机制相吻合，据此认为马五5亚段的斑化白云岩可能为浅埋藏阶段的回流渗透成因。
白云岩中的δ13C值主要反映成岩流体是否有有机碳的影响[32]；
δ18O值则同为流体性质(最重要的可能为盐度)和温度的函数[31]，且易受准同生白云岩和回流渗透白云岩、欠稳定白云岩在埋藏条件下的重结晶作用的影响[33]。鄂尔多斯盆地中东部马家沟组马五5亚段白云岩形成于中奥陶世，同期海水的δ13C值介于-2.0‰～0.5‰，δ18O 值介于-6.6‰～-4.0‰[34-35]。斑化白云岩δ13C值与同期海水的分布基本一致，斑点和基质无明显区别，表明研究区白云岩化流体应主要源自海源性流体；
δ18O偏负，而δ13C并未表现出与δ18O正相关的线性关系(图5)，排除流体性质的影响；
理论上大气降水也可以引起δ18O偏负，但马五5亚段沉积时期古气候干燥、炎热，以蒸发作用为主[18]。这种环境下大气降水的影响十分微弱，因此δ18O偏负不太可能为大气降水引起的。微量元素显示白云岩为浅埋藏回流渗透作用形成，排除不同深度的温度效应的影响；
在镜下薄片鉴定中可见白云石的重结晶现象(图3a)，因此，δ18O偏负可能与后期埋藏中重结晶作用相关。
Sr同位素在成岩过程中的迁移和富集与碳酸盐成岩作用密切相关。地质历史中，海水的Sr同位素组成也是不断变化的，中奥陶世古海水的87Sr/86Sr值约为0.708 7～0.709 2，为地质历史中87Sr最富集的时期[26,31,36]。斑化白云岩Sr同位素显著高于同期海水值。在成岩过程中，造成碳酸盐岩Sr同位素值高于同期海水的原因主要有：(1)大气淡水混入时，溶解富含放射性87Sr硅质碎屑沉积物；
(2)深部富含放射性87Sr的地层水的加入[37]；
(3)再埋藏的重结晶作用[33]。鄂尔多斯盆地在马五5亚段沉积之后，盆地整体抬升，构造平缓，深部富含放射性的87Sr流体难以向上运移；
C、O同位素表明未受到大气淡水的影响，故其Sr同位素高于同期海水值可能反映了重结晶作用。
综上所述，鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马五5亚段斑化白云岩云化流体为海源流体，白云岩为早期浅埋藏阶段回流渗透作用产物，再埋藏过程中经历了重结晶改造。
5.3 白云岩化模式
鄂尔多斯盆地中东部的靖边缓坡、东部洼地，整体为低能、静水环境，沉积物颗粒普遍较细[19]，但可能存在相对高地区域[23]，马五5亚段沉积期，高地处生物扰动构造发育，生物在沉积物中觅食、挖掘、钻孔等活动破坏原始沉积物，导致沉积物被扰动、悬浮或侵蚀，再次堆积的灰泥沉积物较疏松，从而改变沉积物组构。生物潜穴系统在空间上拓展了三维连通性，为白云岩化流体提供了流动通道，有利于富镁卤水下渗形成白云岩[38]。马五4亚段沉积期水体相对局限，蒸发作用强烈，海水盐度较高，盆地中东部发育含膏云岩、膏盐岩[39]。高盐度海水与下伏马五5亚段沉积物孔隙水形成密度差，受地形和重力影响向下渗流，促使马五5亚段被生物扰动改造的沉积物发生白云石化作用。
综上所述，斑化白云岩的云斑成因应为由生物扰动造成灰岩疏松，利于流体经过，与未扰动的区域产生差别，在浅埋藏期中发生蒸发海水的回流渗透白云石化作用(图6)，选择性优先交代生物潜穴。生物扰动程度高，潜穴发育，则白云岩化程度高，形成不均匀斑化云岩；
随扰动程度降低，分别形成明显斑化含灰云岩和略微斑化灰质云岩。鄂尔多斯盆地中东部斑化白云岩储集层连通性较好，多口钻井见良好油气显示，但非均质性强，是经生物扰动改造后发生白云石化作用而成，具有相控性特征，有利勘探目标应寻找中东部坳陷内易受生物扰动的相对高地。
图6 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马五5亚段回流渗透白云岩化模式
(1)鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马五5亚段的斑化白云岩根据斑化程度分为3种：不均匀斑化白云岩、明显斑化含灰白云岩和略微斑化灰质白云岩。云斑形成是由生物扰动造成的，斑化程度与生物扰动指数正相关。
(2)斑化白云岩总体Fe、Mn、Na偏高，Sr较低，斑点处的Fe、Mn和Sr含量与基质无明显差别；
δ13C值基本位于中奥陶世海水范围内，δ18O偏负；
Sr同位素整体要高于中奥陶世海水范围。上述特征表明研究区斑化白云岩的白云岩化流体主要为海源性流体，斑点与基质系相同流体云化的结果，为浅埋藏期回流渗透作用阶段的产物，在后期的再埋藏阶段发生了重结晶作用改造。
(3)斑化白云岩经生物扰动改造后发生白云石化作用而成，具有相控性特征，坳陷内相对高地为有利勘探目标区。
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