富縣地區(qū)馬家溝組馬五～馬六段白云巖成因

楊宇寧，何 賽，王雨辰

（四川省自然資源投資集團物探勘查院有限公司，四川成都 610072）

鄂爾多斯盆地是我國陸上超級含油氣盆地的典型代表[1]，自20 世紀80 年代開始，鄂爾多斯盆地富縣地區(qū)馬家溝組的天然氣勘探工作持續(xù)取得重大突破，陸續(xù)在靖邊、靖西、黃龍、大牛地等地區(qū)發(fā)現(xiàn)多個大型海相氣田[2]，探明天然氣儲量超過萬億立方米，揭示出奧陶系碳酸鹽巖層系的巨大勘探潛力[3]。富縣地區(qū)亦為奧陶系天然氣勘探的重點攻關(guān)區(qū)塊之一，區(qū)內(nèi)相關(guān)鉆井結(jié)果揭示馬家溝組優(yōu)質(zhì)儲層集中發(fā)育在白云巖中[4]，白云石化作用是儲層發(fā)育的重要基礎(chǔ)，針對白云巖及其成因機制的研究對于區(qū)內(nèi)天然氣勘探具有積極意義。前人對區(qū)內(nèi)不同類型白云巖及其成因進行了探討，認為區(qū)內(nèi)白云石主要為蒸發(fā)泵白云石化、滲透回流白云石化及埋藏白云石化的產(chǎn)物[5]，但目前的研究對區(qū)內(nèi)發(fā)育白云巖類型的認識尚不全面，大多忽略了奧陶系地層中鞍形白云石的存在，對其成因機制缺乏統(tǒng)一認識。鑒于以上問題，本文通過巖心-薄片觀察，綜合多種地球化學測試分析手段，對富縣地區(qū)馬家溝組馬五～馬六段白云巖類型進行系統(tǒng)梳理，明確不同類型白云巖特征及成因機制，完整建立相關(guān)白云石化模式。研究成果旨在為區(qū)內(nèi)奧陶系后續(xù)天然氣勘探工作提供一定的參考。

1 地質(zhì)背景

富縣地區(qū)位于鄂爾多斯盆地中東部[4]，面積約為3 834 km2，大地構(gòu)造上處于伊陜斜坡南部[6-7]。從奧陶系風化殼喀斯特角度，該區(qū)與靖邊氣田同處于喀斯特古地貌斜坡部位[8]，具有良好的天然氣成藏環(huán)境。

中奧陶世馬家溝組馬五段沉積時期，研究區(qū)主要發(fā)育一套炎熱干旱氣候背景下的陸表海局限臺地沉積體系[9]，表現(xiàn)出云-膏-泥共生沉積的特點；馬五段沉積期后，盆地整體經(jīng)歷了奧陶紀以來最大規(guī)模的一次海侵。馬六段沉積時期，研究區(qū)主要發(fā)育一套溫暖潮濕氣候背景下的開闊臺地沉積體系，沉積巖石類型主要為較純的微晶灰?guī)r；晚奧陶世，受加里東運動的影響，盆地整體發(fā)生構(gòu)造抬升，經(jīng)歷了1.4 億年的風化剝蝕，奧陶系頂部的不整合面在整個華北地臺區(qū)廣泛發(fā)育，具有區(qū)域上的可對比性[10]；晚石炭世，盆地再次沉降開始接受本溪組沉積，發(fā)育一套濱海平原相泥質(zhì)粉砂巖地層，與下伏馬家溝組地層呈平行不整合接觸。

2 白云巖類型及巖石學特征

基于巖心、薄片觀察鑒定及陰極發(fā)光分析，考慮白云石的晶體大小、晶體形態(tài)及白云石的產(chǎn)出狀態(tài)，將富縣地區(qū)馬家溝組馬五～馬六段白云巖細分成微晶白云石（D1）、粉晶白云石（D2）、鞍形白云石（D3）3 種類型。

2.1 微晶白云石（D1）

微晶白云石以晶體細小、晶體自形程度差（它形晶）、表面臟為特征（圖1a），其產(chǎn)狀形式多呈層狀分布，在馬五段中普遍發(fā)育，構(gòu)成區(qū)內(nèi)主要白云巖類型；陰極射線下往往發(fā)暗玫瑰紅色光（圖1b），可能是白云石中Mn 含量低、Mn/Fe 比值低的反映，指示其形成于地表、近地表條件下。此類白云石可受到加里東-海西期喀斯特作用改造（圖1c），指示出微晶白云石形成時間較早，是沉積物中最早的成巖事件之一。

圖1 富縣地區(qū)馬家溝組馬五～馬六段不同類型白云巖微觀-陰極發(fā)光特征

2.2 粉晶白云石（D2）

粉晶白云石以晶體細小、自形程度較高（往往為菱形晶）、晶體表面較干凈為特征，主要以交代微晶灰泥的形式在區(qū)內(nèi)馬六段微晶灰?guī)r或顆粒微晶灰?guī)r中發(fā)育，其產(chǎn)狀多表現(xiàn)為斑狀密集分布（圖1d）；陰極射線下，此類白云石發(fā)暗玫瑰紅色光（圖1e），與馬六段微晶灰?guī)r的發(fā)光特征基本一致，指示出白云石化流體來源于地層內(nèi)部，為封存的沉積時期高鹽度海水。

2.3 鞍形白云石（D3）

鞍形白云石以晶體較粗大（可達中-巨晶）、晶形不好、晶面扭曲、正交光下波狀消光為特征，在馬五段和馬六段地層中均有發(fā)育，可表現(xiàn)為兩種產(chǎn)狀：其一是構(gòu)造裂縫內(nèi)鞍形白云石（圖1f）；其二是微晶云巖中膏?？谆蚋嗳芸锥磧?nèi)鞍形白云石沉淀生長（圖1h）；陰極射線下，這兩種產(chǎn)狀的鞍形白云石均不發(fā)光（圖1g、圖1i），可能是白云石中Fe、Mn 含量均高的反映，指示了成巖流體不是奧陶系地層內(nèi)部流體，應有外部流體的加入。

3 白云巖地球化學特征

3.1 碳氧穩(wěn)定同位素特征

碳酸鹽巖的δ18OPDB值主要受控于成巖流體性質(zhì)及溫度，因此，可以憑借其特征分析成巖時的古溫度、流體的性質(zhì)及來源，進而推測成巖環(huán)境。富縣地區(qū)馬家溝組馬五～馬六段白云巖碳氧穩(wěn)定同位素分析結(jié)果及碳氧穩(wěn)定同位素組成分布特征（圖2）揭示出不同類型白云巖的碳氧穩(wěn)定同位素分布存在明顯差異。

圖2 富縣地區(qū)馬家溝組馬五～馬六段不同類型白云巖碳氧穩(wěn)定同位素分布特征

區(qū)內(nèi)馬五段微晶白云石的δ13CPDB、δ18OPDB值相對較高，其中δ13CPDB值在0.05‰～-4.21‰，平均值為-1.89‰，δ18OPDB值在-7.33‰～-14.52‰，平均值為-9.79‰；馬六段粉晶白云石的δ13CPDB、δ18OPDB值略低，δ13CPDB值在-1.49‰～-2.67‰，平均值為-2.20‰，δ18OPDB值在-9.22‰～-13.74‰，平均值為-10.80‰；構(gòu)造裂縫和膏溶孔洞內(nèi)鞍形白云石的δ13CPDB、δ18OPDB值均較低，δ13CPDB值在-4.99‰～-5.67‰，平均值為-5.23‰，δ18OPDB值為-13.87‰～-16.67‰，平均值為-14.84‰。

綜合陰極發(fā)光特征分析認為，研究區(qū)馬五段微晶白云石的成巖流體為沉積期的高鹽度海水，馬六段粉晶白云石的成巖流體則為淺埋藏環(huán)境下封存的沉積時期高鹽度海水，而構(gòu)造裂縫和膏溶孔洞內(nèi)鞍形白云石的δ18OPDB值明顯偏低，則是后期熱液流體影響下的高溫成巖環(huán)境的反映。

3.2 鍶同位素特征

海水中鍶的同位素組成主要由三種鍶源決定：（1）大陸殼硅鋁質(zhì)巖石經(jīng)風化剝蝕提供的鍶源，具有極高的87Sr/86Sr 值，平均值為0.720 000；（2）地幔鐵鎂質(zhì)巖石通過海底擴張或火山活動提供的鍶源，其87Sr/86Sr 值低達0.704 000；（3）古老海相碳酸鹽巖重溶提供的鍶源，其87Sr/86Sr 值在前兩者之間，平均值為0.708 000。各個時期海水及碳酸鹽巖的87Sr/86Sr 值具有一定差異，奧陶系海相碳酸鹽巖87Sr/86Sr 值處于0.708 500～0.709 300[11]。

富縣地區(qū)馬五段微晶白云石樣品的87Sr/86Sr 值在0.708 564～0.709 299，平均值為0.709 029，與奧陶系海水及海相碳酸鹽巖的范圍一致，指示海源流體成因；馬六段粉晶白云石樣品的87Sr/86Sr 值在0.708 758～0.709 048，平均值為0.708 895，同樣指示海源流體成因；馬六段構(gòu)造裂縫內(nèi)鞍形白云石樣品的87Sr/86Sr 值為0.709 204，相對較高，指示了外部流體加入的作用（圖3）。

圖3 富縣地區(qū)馬家溝組馬五～馬六段不同類型白云巖鍶同位素分布特征

4 白云巖成因機制及模式

依據(jù)前述不同類型白云巖的巖石學、地球化學特征認識，本次研究明確了區(qū)內(nèi)白云巖成因機制和模式，具體包括（準）同生期高鹽度海水白云石化模式、早成巖期淺埋藏白云石化模式、晚成巖期熱液白云石化模式。

4.1 （準）同生期高鹽度海水白云石化模式

區(qū)內(nèi)馬五段微晶白云石往往與石膏、硬石膏及其假晶共生，其代表性樣品的碳氧穩(wěn)定同位素、鍶同位素特征揭示出其白云石化流體是馬五段沉積期的高鹽度海水，是快速白云石化的產(chǎn)物，此類白云石發(fā)育分布往往與區(qū)內(nèi)陸表海潮坪、瀉湖等沉積環(huán)境相聯(lián)系，可以認定此類白云石主要是（準）同生期蒸發(fā)泵白云石化作用和滲透回流白云石化作用的產(chǎn)物（圖4a）。

圖4 富縣地區(qū)馬家溝組馬五～馬六段不同類型白云巖成因模式

4.2 早成巖期淺埋藏白云石化模式

粉晶白云石在形成過程中主要交代馬六段微晶灰泥，晶體自形程度較高，但晶體較小，陰極發(fā)光特征與圍巖相似，暗示白云石化流體來源于地層內(nèi)部，為封存的沉積時期高鹽度海水。此類白云石形成于沉積后、暴露風化剝蝕前的淺埋藏過程中，隨后晚奧陶世的暴露風化剝蝕則終止了這一白云石化過程，由于馬六埋藏期太短，因此，沒有長出較大的白云石晶體。區(qū)內(nèi)馬五5亞段同樣存在發(fā)育此類白云巖的可能性，上覆馬五1-4亞段地層中封存的高鹽度海水下滲進入馬五5 亞段地層，改造先前發(fā)育的微晶云巖（圖4b）。

4.3 晚成巖期熱液白云石化模式

構(gòu)造裂縫及膏?？?、膏溶孔洞內(nèi)鞍形白云石陰極射線下不發(fā)光、低δ18OPDB值、高87Sr/86Sr 值的特征均指明海西期之后的晚成巖階段中深部幔源熱液流體加入到鞍形白云石的形成過程中。早白堊世，中國北方整體處于拉張背景，鄂爾多斯盆地轉(zhuǎn)為拉張構(gòu)造環(huán)境，盆內(nèi)構(gòu)造作用表現(xiàn)為斷塊活動，盆地內(nèi)部、周緣及外圍區(qū)域有早白堊世火成巖體活動；伴隨著拉張斷裂活動和火山活動，地下深部的巖漿期后熱液沿基底拉張斷裂進入到奧陶系地層，并與奧陶系本身的地層水導致了構(gòu)造裂縫、膏?？?、膏溶孔洞內(nèi)鞍形白云石的沉淀充填（圖4c）。

5 結(jié)論

（1）富縣地區(qū)馬家溝組馬五～馬六段發(fā)育白云巖全部為晶粒結(jié)構(gòu)，包括微晶白云石、粉晶白云石以及鞍形白云石3 種類型。

（2）微晶白云石和粉晶白云石的地球化學特征具有一定相似性，均表現(xiàn)出δ13CPDB、δ18OPDB和87Sr/86Sr 低值，鞍形白云石的地球化學特征與前兩類白云石的差異較大，表現(xiàn)出更低的δ18OPDB值以及極高的87Sr/86Sr值，指示出鞍形白云石的成巖流體來源明顯區(qū)別于前兩類白云石。

（3）微晶白云石的成因機制為（準）同生期高鹽度海水白云石化作用，粉晶白云石的成因機制為早成巖期淺埋藏白云石化作用，鞍形白云石的成因機制為晚成巖期熱液白云石化作用。