鄂爾多斯盆地中東部米脂地區(qū)奧陶系馬五5亞段疊層石白云巖特征及其地質(zhì)意義

羅振鋒，蘇中堂，2，廖慧鴻，黃文明，馬 慧，佘 偉

（1.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院，成都 610059；2.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）

0 引言

鄂爾多斯盆地作為我國三大碳酸鹽巖油氣藏產(chǎn)區(qū)之一，是長慶油田穩(wěn)產(chǎn)的重要保障領(lǐng)域。其中，鄂爾多斯盆地中東部馬五5亞段發(fā)育的白云巖儲層是長慶油田油氣開發(fā)最現(xiàn)實的接替領(lǐng)域之一［1］。眾多學(xué)者對盆地中東部馬五段進行了大量研究，研究方向涵蓋了沉積、成巖、儲層等諸多方面，對白云巖沉積環(huán)境、成因機制、分布特征、發(fā)育的控制因素等進行了探討，給出了各自的觀點及認識［2-5］。長期以來對馬五5亞段的沉積環(huán)境一直存在爭議，多數(shù)學(xué)者認為馬五5亞段為最大海泛期開闊臺地［6-9］，但也有不少學(xué)者認為是潮坪環(huán)境［10-15］。鑒于馬五5亞段豐富的資源儲量，需要有更為準確的證據(jù)，使認知更接近實際情況。近期，在鄂爾多斯盆地中東部米脂一帶馬五5亞段底部發(fā)現(xiàn)了一套厚1.0～1.5 m 的疊層石白云巖，其區(qū)域上分布穩(wěn)定，實測孔隙度可達12%，具有油氣勘探價值。因疊層石具有良好的指相意義［16-19］,通過對這套疊層石白云巖的研究，或可準確確定該時期的沉積環(huán)境。

疊層石是以藍細菌為主的微生物通過生長和新陳代謝作用黏附和沉淀礦物質(zhì)或捕獲礦物顆粒形成的一種生物沉積構(gòu)造［20-21］。Burne 等［22］提出“微生物巖”這一概念，指出藍細菌可誘導(dǎo)促使形成微生物碳酸鹽巖，并將疊層石劃歸為微生物巖。而疊層石白云巖既可能是微生物白云巖化的產(chǎn)物，也可能是疊層石灰?guī)r交代產(chǎn)物，其成因會影響潛在儲層的預(yù)測方向。

通過鄂爾多斯盆地中東部米脂地區(qū)馬五5亞段3 口鉆井全取心，對疊層石白云巖巖石學(xué)特征、微量元素、全巖和微區(qū)碳氧同位素、Sr 同位素及包裹體等進行分析，確定馬五5亞段沉積環(huán)境，并探討疊層石白云巖的成因及其地質(zhì)意義，以期為該區(qū)油氣勘探提供基礎(chǔ)地質(zhì)資料。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地位于華北板塊西部，現(xiàn)今盆地內(nèi)區(qū)域構(gòu)造較為單一，可劃分為伊盟隆起、西緣沖斷帶、天環(huán)坳陷、伊陜斜坡、晉西撓褶帶、渭北隆起等6個Ⅰ級構(gòu)造單元［23］，研究區(qū)位于盆地中東部的米脂地區(qū)（圖1a）。奧陶紀馬五段沉積時期盆地西緣、南緣及中東部地區(qū)接受沉積，形成西緣凹陷、南緣凹陷和陜北凹陷（米脂凹陷），陜北凹陷呈橢圓狀，南北向展布，沉積中心位于米脂一帶。在鄂托克旗—東勝—清水河以北及定邊—環(huán)縣—慶陽一帶馬五段減薄或缺失，形成了東西向展布的伊盟隆起和近南北向延伸的慶陽隆起。慶陽隆起向北延伸與伊盟隆起相連，形成了當時的中央古隆起?？傮w來看，鄂爾多斯盆地馬五期為“一隆”（中央古隆起）、“三凹”（西緣凹陷、南緣凹陷和陜北凹陷）的古構(gòu)造格局［24-25］。

根據(jù)灰?guī)r和白云巖沉積旋回，鄂爾多斯盆地中東部米脂地區(qū)馬家溝組自下而上可劃分為馬一—馬六段。依據(jù)膏鹽巖、白云巖和灰?guī)r沉積序列，馬五段自上而下可劃分為10 個亞段，即馬五1—馬五10（M51—M510）［26-28］。馬家溝組頂部長期遭受剝蝕，地層殘缺不全，自西部隆起向東部洼地，馬四段至馬五1亞段依次出露，馬六段在盆地內(nèi)殘缺不全［4，29］。本文主要研究馬五5亞段，馬五5亞段位于馬五段中間，早期認為該亞段為海進時形成的灰黑色泥晶石灰?guī)r，通常作為區(qū)域標志層，俗稱“黑腰帶”，地層厚度為25～30 m（圖1b）［26，30］。下伏馬五6亞段為海退期蒸發(fā)臺地環(huán)境，巖性自西向東由泥粉晶云巖、膏質(zhì)云巖轉(zhuǎn)變?yōu)辂}巖，是馬家溝期最重要的膏鹽巖沉積期［31］。上覆馬五4亞段沉積時海平面大幅下降，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。

圖1 鄂爾多斯盆地中東部米脂地區(qū)區(qū)域位置（a）（據(jù)文獻［23］修改）及奧陶系馬五5亞段地層柱狀圖（b）Fig.1 Location of Mizhi area of central-eastern Ordos Basin（a）and stratigraphic column of Ordovician Ma 55 submember（b）

2 疊層石白云巖巖石學(xué)特征與分布

本文研究的疊層石白云巖產(chǎn)于鄂爾多斯盆地中東部米脂地區(qū)，在M60，M75，M116 這3 口鉆井中皆有發(fā)現(xiàn)。在鄂爾多斯盆地中東部多口未取心鉆井中，測井曲線顯示該套厚1.0～1.5 m 的疊層石在盆地中東部廣泛發(fā)育。

鄂爾多斯盆地中東部米脂地區(qū)疊層石白云巖巖心呈灰色—淺灰色，發(fā)育有明顯的疊層構(gòu)造，疊層石與圍巖界線明顯，在縱切面上可見其由深灰黑色的暗色紋層和淺灰色的亮色紋層組成。暗色紋層和亮色紋層的厚度均小于l mm，疊層石間充填有灰色灰泥，原始結(jié)構(gòu)保存良好。研究區(qū)疊層石按形態(tài)特征可劃分為柱狀和枝狀，在此基礎(chǔ)上，參照Raaben 等［32］的分類方案，依據(jù)其各自特征，又可細分成如下4 種類型。

（1）Gymnosolenidae型疊層石（圖2a）。該類型疊層石由規(guī)則的次圓柱體組成，母柱體分叉成2～3個子柱體，子柱體以同樣方式二次分叉，柱體分叉呈“y”形，直立平行。母柱體直徑為3.0～4.0 cm，子柱體直徑為1.0～3.0 cm，子柱體的次級柱體直徑約為1.0 cm。柱體間間隙較窄，一般為0.2～0.5 cm，其中有灰色灰泥充填。

（2）Tungussidae型疊層石（圖2b）。該類型疊層石由規(guī)則的次圓柱體組成，母柱體分叉成2～3個子柱體，子柱體彼此之間不平行，斜歪生長，子柱體以同樣的方式二次分叉。母柱體直徑為3.0～4.5 cm，子柱體直徑為2.0～2.5 cm，子柱體的次級柱體直徑一般不足1.0 cm。

（3）Illictidae型疊層石（圖2c）。該類型疊層石由寬度不等的柱體組成。柱體分叉，母柱體分叉成2 個子柱體（少數(shù)為3 個），子柱體形狀差異大。母柱體直徑為5.0～6.5 cm，子柱體直徑變化較大，為1.0～3.5 cm，柱體直徑逐步增大或減小。

（4）Conophytonida型疊層石（圖2d—2g）。該類型疊層石由次圓柱體組成。柱體寬1～3 cm，以1～2 cm 為主，柱體大致垂直于層面生長，局部收縮，部分有彎曲現(xiàn)象，柱體在縱斷面上呈現(xiàn)明顯的寬窄變化，偶有疊層體發(fā)生截斷，不連續(xù)（圖2e）。

圖2 鄂爾多斯盆地中東部米脂地區(qū)奧陶系馬五5亞段疊層石形態(tài)特征（a）枝狀疊層石，2 424.66 m，M116 井；（b）枝狀疊層石，2 423.78 m，M60 井；（c）枝狀疊層石，2 424.20 m，M60 井；（d）柱狀疊層石，2 424.79 m，M116 井；（e）柱狀疊層石，2 425.07 m，M116 井；（f）柱狀疊層石，2 549.90 m，M75 井；（g）柱狀疊層石，2 425.32 m，M116 井Morphological characteristics of stromatoliteFig.2 Morphological characteristics of stromatolites of Ordovician Ma 55 submember in Mizhi area，central-eastern Ordos Basin

鄂爾多斯盆地中東部米脂地區(qū)疊層石白云巖在透光鏡下呈微—粉晶結(jié)構(gòu)，常見有疊層石構(gòu)造發(fā)育（圖3a），疊層石暗層間為藻白云石，亮層以微晶白云石為主，白云石體積分數(shù)為75%～98%，一般為90%，疊層石間充填有石膏及藻屑，格架孔發(fā)育（圖3b），格架孔中亦常有石膏充填（圖3c），偶有亮晶方解石，石膏體積分數(shù)為1%～12%，泥質(zhì)含量較少，體積分數(shù)為1%～5%。疊層石白云巖陰極發(fā)光總體顯示為褐紅色和暗紅色，明、暗層無明顯差別（圖3d—3f），掃描電鏡下疊層石白云巖晶體呈粒狀產(chǎn)出，未見球狀或啞鈴狀白云石出現(xiàn)（圖3g—3i）。

圖3 鄂爾多斯盆地中東部米脂地區(qū)奧陶系馬五5亞段疊層石白云巖巖石學(xué)特征（a）疊層石構(gòu)造，2 548.50 m，M75 井，正交偏光；（b）疊層石白云巖，2 324.05 m，M60 井，正交偏光；（c）疊層石間的充填物，2 548.50 m，M75 井，正交偏光；（d）疊層石層間，2 548.50 m，M75 井，陰極發(fā)光；（e）藻屑間白云石與暗層白云石，2 549.43 m，M75 井，陰極發(fā)光；（f）疊層石白云巖，2 423.05 m，M60 井，陰極發(fā)光；（g）疊層石白云巖，2 423.05 m，M60 井，掃描電鏡；（h）疊層石白云巖，2 548.50 m，M75 井，掃描電鏡；（i）疊層石白云巖，2 549.43 m，M75 井，掃描電鏡Fig.3 Petrological characteristics of stromatolite dolomites of Ordovician Ma 55 submember in Mizhi area，central-eastern Ordos Basin

3 疊層石白云巖地球化學(xué)特征

3.1 微量元素特征

鄂爾多斯盆地中東部米脂地區(qū)微量元素測試結(jié)果（表1）顯示：疊層石白云巖Mn 元素質(zhì)量分數(shù)為（44.77～54.52）×10-6，平均值為50.91×10-6；Fe 元素質(zhì)量分數(shù)為（2 252.40～2 951.91）×10-6，平均值為2691.56×10-6；Na元素質(zhì)量分數(shù)為（50.55～105.84）×10-6，平均值為81.32×10-6；Sr元素質(zhì)量分數(shù)為（20.52～25.95）×10-6，平均值為23.65×10-6。相較于同期灰?guī)rFe，Mn，Na 等元素的含量整體偏高，Sr 元素含量整體偏低。

表1 鄂爾多斯盆地中東部米脂地區(qū)奧陶系馬五5亞段微量元素測試分析結(jié)果Table 1 Trace elements test and analysis results of Ordovician Ma 55 submember in Mizhi area，central-eastern Ordos Basin

3.2 碳氧同位素特征

為了探究疊層石亮、暗層之間是否存在差異，對鄂爾多斯盆地中東部米脂地區(qū)馬五5亞段疊層石白云巖樣品進行全巖及微區(qū)碳氧同位素測試分析。樣品分析結(jié)果（表2）表明：疊層石白云巖全巖δ13CPDB值一般為-1.08‰～-0.80‰，δ18OPDB值一般為-7.10‰～-6.62‰；微區(qū)δ13CPDB值一般為-4.15‰～-0.88‰，δ18OPDB值一般為-13.19‰～-8.09‰。亮層δ13CPDB平均值為-2.88‰，暗層δ13CPDB平均值為-2.00‰；亮層δ18OPDB平均值為-11.37‰，暗層δ18OPDB平均值為-9.47‰。總體來看，疊層石白云巖亮、暗層之間δ13CPDB與δ18OPDB值雖存在差別，但整體差別不大。從米脂地區(qū)奧陶系馬五5亞段疊層石白云巖碳氧同位素分布圖（圖4）可看出，δ13CPDB值總體位于同期海水值范圍內(nèi)，δ18OPDB值與同期海水值相比明顯偏負［3］。

圖4 鄂爾多斯盆地中東部米脂地區(qū)奧陶系馬五5亞段疊層石白云巖碳氧同位素分布（奧陶紀海水值范圍據(jù)文獻［3］）Fig.4 Carbon and oxygen isotope distribution of stromatolite dolomites Ordovician Ma 55 submember in Mizhi area，central-eastern Ordos Basin

3.3 鍶同位素特征

鍶同位素組成常被應(yīng)用于對碳酸鹽巖成巖作用的解釋，且海相碳酸鹽巖87Sr/86Sr 值與同期海水的87Sr/86Sr 值緊密相關(guān)［33］。鄂爾多斯盆地中東部米脂地區(qū)馬五5亞段疊層石白云巖87Sr/86Sr 值為0.708 9～0.709 8（表3），平均值為0.709 5，相對于奧陶系馬家溝組碳酸鹽巖沉積時期海水87Sr/86Sr 值（0.708 7～0.709 2）［34］來說整體偏高。

表3 鄂爾多斯盆地中東部米脂地區(qū)馬五5亞段疊層石白云巖鍶同位素測試分析結(jié)果Table 3 Strontium isotope test and analysis results of stromatolite dolomites of Ordovician Ma 55 submember in Mizhi area，central-eastern Ordos Basin

3.4 包裹體特征

鄂爾多斯盆地中東部米脂地區(qū)馬五5亞段疊層石白云巖中發(fā)現(xiàn)的包裹體主要賦存于白云石晶體中（圖5a，5b），皆為單液相鹽水包裹體（圖5c，5d）。包裹體顏色為無色透明，多為橢圓—長橢圓狀，大小僅有1～2μm，在白云石晶體中散亂分布，數(shù)量不多，部分存在定向聚集分布的特征，可能均為低溫（＜50 ℃）捕獲產(chǎn)物。

圖5 鄂爾多斯盆地中東部米脂地區(qū)奧陶系馬五5亞段疊層石白云巖包裹體微觀照片（a）宿主礦物，2 549.43 m，M75 井；（b）宿主礦物，2 549.43 m，M75 井；（c）圖（a）紅色方框處放大照片；（d）圖（b）紅色方框處放大照片F(xiàn)ig.5 Microscopic photographs of stromatolite dolomite inclusions of Ordovician Ma 55 submember in Mizhi area，central-eastern Ordos Basin

4 疊層石白云巖成因討論及其地質(zhì)意義

4.1 疊層石白云巖成因

鄂爾多斯盆地中東部米脂地區(qū)疊層石白云巖晶粒為微晶級，相較微生物白云巖泥晶級和粉晶級的晶粒更大［35］，鏡下未見微生物白云巖特有的球狀或啞鈴狀形態(tài)白云石（參見圖3g—3i），δ13CPDB值為-4.15‰～-0.80‰，不在微生物白云巖δ13CPDB值（-20‰～-5‰，0.4‰～13.8‰）范圍內(nèi)，δ18OPDB值為-13.19‰～-6.62‰（參見表2），與微生物白云巖δ18OPDB值（-6.7‰～5.6‰）有略微重疊，但整體偏負，明顯不同于微生物白云巖［36-37］。

鄂爾多斯盆地中東部米脂地區(qū)疊層石白云巖亮、暗層的δ13CPDB和δ18OPDB值雖存在一定的差別，但總體差別不大，表明是在同一期流體下形成，因微生物晝夜習(xí)性差異致使形成差異明顯的亮層與暗層［38］。其中疊層石白云巖δ13CPDB值總體位于同期海水值范圍內(nèi)，δ18OPDB值與同期海水值相比明顯偏負，表明白云石化流體可能與同期海水有關(guān)，并受到了大氣淡水或深埋環(huán)境高溫的影響［34，39-40］。包裹體測溫顯示疊層石白云巖成巖溫度（小于50 ℃）較低，表明疊層石白云巖成巖并無深埋高溫影響。研究區(qū)馬五5亞段疊層石白云巖87Sr/86Sr 值相較于馬家溝組碳酸鹽巖沉積時期海水87Sr/86Sr 值（0.708 7～0.709 2）整體偏高，表明成巖流體受到了地表水的影響，造成其鍶同位素值增加［3，41］，與碳氧同位素分析結(jié)果相吻合。研究區(qū)疊層石白云巖Fe，Mn，Na 含量相對較高，Sr 含量相對較低，陰極發(fā)光顏色呈暗紅色、褐紅色（參見圖3g—3i），這一特征與趙衛(wèi)衛(wèi)等［3］得出的蘇里格地區(qū)馬家溝組白云巖特征及王振峰等［42］得出的西沙群島西科1 井中新統(tǒng)—上新統(tǒng)白云巖主要為回流滲透成因機制結(jié)論相吻合。綜上所述，研究區(qū)馬五5亞段疊層石白云巖白云石化流體主要為海源性流體，且早期有大氣淡水的混入，為局限臺地潮間—潮下帶淺埋藏滲透回流作用的產(chǎn)物。

4.2 地質(zhì)意義

疊層石形態(tài)的差異主要與造席微生物群落及沉積環(huán)境密切相關(guān)，其中海水的進退變化亦會對疊層石的分布造成影響［43-48］。鄂爾多斯盆地中東部米脂地區(qū)馬五5亞段疊層石個體較小，按形態(tài)特征的差異可劃分成枝狀疊層石與柱狀疊層石2 種類型。柱狀疊層石常發(fā)育于潮間帶以及潮下帶，而枝狀疊層石常產(chǎn)出于局限臺地潮坪環(huán)境的潮間帶［47,49-53］，因此，這2 類疊層石形成于局限臺地潮坪環(huán)境的潮間帶。由此推測鄂爾多斯盆地中東部地區(qū)馬五5期環(huán)境整體比較局限，尚不足以達到前人認為的開闊臺地環(huán)境。研究區(qū)馬五5期自下而上發(fā)育有2 個灰?guī)r-灰質(zhì)白云巖旋回，其后小型柱狀、枝狀疊層石白云巖及晶粒白云巖出現(xiàn)，并伴隨有一定的生物擾動。這一套巖石組合序列表明了馬五5期可能是由2 次海侵—海退旋回形成的2 個水體由深變淺的沉積序列構(gòu)成［54］，且疊層石白云巖形成于海侵早期鹽巖沉積水體向中等鹽度海水轉(zhuǎn)換的過渡時期。

微生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)與其生長的沉積環(huán)境密切相關(guān)［55-56］，而微生物的結(jié)構(gòu)是微生物白云巖儲集空間和孔隙結(jié)構(gòu)的主要控制因素之一，這是與一般碳酸鹽巖儲層所不同的地方［57］。依據(jù)研究區(qū)疊層石白云巖的巖石學(xué)及沉積地球化學(xué)特征，推斷該套疊層石白云巖并非微生物誘導(dǎo)白云巖化所形成，而應(yīng)為局限臺地潮間—潮下帶淺埋藏期回流滲透作用階段的產(chǎn)物。該套疊層石白云巖厚1.0～1.5 m，區(qū)域上分布穩(wěn)定，具有良好的勘探意義。根據(jù)成因及沉積環(huán)境分析結(jié)果，這套白云巖的勘探應(yīng)關(guān)注海侵初期海水鹽度轉(zhuǎn)換的潮間帶區(qū)域。

5 結(jié)論

（1）鄂爾多斯盆地中東部米脂地區(qū)馬五5亞段疊層石按形態(tài)特征可分成柱狀與枝狀。依據(jù)枝狀及柱狀疊層石對環(huán)境的指相性推測：鄂爾多斯盆地中東部馬五5亞段的沉積環(huán)境為潮坪環(huán)境，盆地中東部在馬家溝期環(huán)境整體比較局限。

（2）鄂爾多斯盆地中東部米脂地區(qū)馬五5亞段疊層石白云巖δ13C 值總體位于同期海水值范圍內(nèi)，δ18O 值與同期海水值相比明顯偏負；87Sr/86Sr 較同期海水整體偏高；Fe，Mn，Na 含量相對較高，Sr 含量相對較低，表明研究區(qū)馬五5亞段疊層石白云巖白云石化流體主要為海源性流體，早期有大氣淡水的混入，為淺埋藏滲透回流作用的產(chǎn)物。海侵初期海水鹽度轉(zhuǎn)換的潮間帶疊層石白云巖為勘探有利區(qū)域。