白云岩成因碳氧同位素分析方法初探——以北京燕山地区元古界白云岩为例

李倩文，金振奎，姜福杰

（1.中国石油大学（北京）地球科学学院，北京102249；2.中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，北京102249）

白云岩成因碳氧同位素分析方法初探
——以北京燕山地区元古界白云岩为例

李倩文1，2，金振奎1，2，姜福杰1，2

（1.中国石油大学（北京）地球科学学院，北京102249；2.中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，北京102249）

北京燕山地区元古界高于庄组—雾迷山组发育了大量的白云岩，但有关其成因机理仍认识不清。选择十三陵地区白云岩较为发育的高于庄组、杨庄组和雾迷山组进行取样研究，并采用碳氧同位素分析测试方法，对所取样品进行古盐度和古温度的恢复分析，得到如下结果：高于庄组δ13C值平均为-1.13‰，δ18O值平均为-7.87‰，Z值平均为122.188 5，平均成岩温度为51.85℃；杨庄组δ13C值平均为-0.93‰，δ18O值平均为-6.11‰，Z值平均为122.434 8，平均成岩温度为47.82℃；雾迷山组δ13C值平均为0.13‰，δ18O值平均为-4.60‰，Z值平均为125.370 7，平均成岩温度为39.48℃。对上述结果分析表明，该区雾迷山组白云岩主要为准同生白云石化作用所形成，杨庄组白云岩为混合白云石化作用所形成，高于庄组白云岩成因较为复杂，既有回流渗透白云石化作用，也有混合白云石化作用。

白云岩成因；碳氧同位素；古盐度；古温度；燕山地区

0 引言

碳酸盐岩储层中的油气产量占世界油气总产量的一半以上，而其中又有近一半来自白云岩储层。近年来的研究表明，不同成因机制的白云岩，其储集性能也有所差异［1-2］。因此，要预测白云岩作为油气储层的优势与劣势，需要对白云岩成因进行分析。20世纪50年代以来，我国石油地质工作者对白云岩成因问题的探究从未停止过［3］，从早期仅依靠岩石学手段提出蒸发泵、回流渗透及混合白云石化模式，到后期结合地球化学资料提出玄武岩淋滤白云石化、深水回流准同生白云石化、压实白云石化、海水白云石化及热液白云石化等成因机理［4-10］，即使对于同一地区同一层位的岩石，不同学者在不同时期也提出了多种成因机理。目前，白云岩成因研究主要依靠地球化学手段，方法有X射线衍射、碳氧同位素分析、电子探针及阴极发光包裹体测温等，其中碳氧同位素分析法最为常用。白云岩中稳定碳氧同位素的组成可以用来恢复古代沉积环境中的盐度和温度，以确定当时的成岩环境，并可用来判断白云岩的形成机理［11-12］。

北京十三陵地区元古界白云岩成层厚、分布广，具有研究元古界白云岩成因的有利条件，但由于该区地域广泛，地层出露较为零散，使样品采集受到局限，对探究白云岩形成机制造成不便，因此国内外对该区白云岩成因研究较少。笔者采用最常用于分析白云岩成因的碳氧同位素分析方法，从样品观察及样品地球化学分析两方面着手，对该区高于庄组、杨庄组和雾迷山组白云岩成因模式进行分析，以期为该区白云岩储层下一步油气勘探和开发提供借鉴。

1 区域地质背景及样品采集

1.1 地质概况

燕山中北部地区位于呈近东西走向延伸的元古宙坳拉槽内，沉积地层自下而上依次为中元古界长城系常州沟组、串岭沟组、团山子组及大红裕组，蓟县系高于庄组、杨庄组、雾迷山组、洪水庄组及铁岭组，新元古界青白口系下马岭组、长龙山组及景儿裕组。十三陵地区长城系和蓟县系地层发育较完整，地层连续，顶底界线清晰，具备良好的生、储条件。为了探讨该区白云岩的成因，笔者选择了白云岩较为发育的高于庄组、杨庄组和雾迷山组构成的典型岩性剖面进行取样研究，其岩性特征如图1所示。

图1 十三陵地区研究层段岩性柱状图Fig.1Lithologic column of the studied strata in the Ming Tombs area

高于庄组上段底部以纹层状泥灰岩、泥云岩及隐晶云岩发育为特征；顶部厚度大，岩性多变，常见块状云岩、燧石云岩、纹层状藻叠层云岩及球团粒云硅岩等。杨庄组岩性横向稳定，主要发育泥质白云岩，常见叠层石、波痕、泥裂、鸟眼及石盐假晶等沉积构造；只有极少的一段地层以砂、泥岩沉积为主，波状层理发育。雾迷山组在该区出露零星，其下段地层岩性多变，下部以含砂泥晶白云岩、燧石条带泥晶白云岩和纹层状白云岩为主，小型叠层石发育；向上砂质逐渐减少，可见沥青质白云岩和藻团白云岩；黑色燧石中富含微体藻类化石。

1.2 样品采集

本次研究采集的样品大部分为白云岩，少数为灰质白云岩，所取样品均未经蚀变或次生风化作用，分别采自研究区高于庄组、杨庄组和雾迷山组地层。取样位置及岩石薄片的镜下观察结果如表1所列。

表2 十三陵地区碳酸盐岩碳、氧同位素测试数据及古盐度、古温度计算结果Table 2The test data of carbon and oxygen isotope from carbonate rocks and paleosalinity and paleotemperature in the Ming Tombs area

2 样品的碳氧同位素分析方法、原始性检验和分布特征

2.1 分析方法

碳氧同位素分析测试采用正磷酸法［13］。实验在中国地质科学院地质研究所MF-ISOPRIME型质谱仪上完成。岩石样品研磨至74μm（200目），烘干，称量400 mg，在50℃条件下烘置12 h后，送入质谱仪进行测定。碳氧同位素测试标准为GBW04405，GBW04406和TB2GB04417。测试数据均按碳同位素国际标准（PDB标准）计算，测试精度为1‰。原始测试数据如表2所列。

2.2 碳氧同位素原始性检验

样品能否保持其碳氧同位素的原始组成是讨论其地质意义的前提［14］。Kaufman等［15］提出将Mn/ Sr＜10作为样品基本能保持其碳氧同位素原始组成的判断标准。样品测试结果显示，除BY-17（杨庄组，泥晶白云岩）、BG-32（高于庄组，灰岩）和BG-39（高于庄组，硅质白云岩）这3件样品外，其他样品的Mn/Sr值都小于10，因此测试出来的δ13C数据可作为有效数据。由于δ18O的值会受到沉积后期流体作用的影响，所以Kaufman［15］等提出δ18O＞-10‰的数据才能作为有效数据使用，样品中除BG-3（高于庄组，硅质白云岩）外，其余均满足此要求，因此测试出来的δ18O数据也可作为有效数据。

对样品的碳、氧同位素数值进行分析可以看出（图2），两者的组成十分离散，不存在线性关系，据此可以认为样品受成岩作用的影响较小，基本能保持原始的组成形态，用碳氧同位素特征分析研究区地质环境及成因是可靠的［16-20］。

图2 十三陵地区碳、氧同位素数值的相关关系Fig.2The correlation between carbon and oxygen isotopic values in the Ming Tombs area

2.3 碳氧同位素分布特征

Hudson［21］总结了海相碳酸盐岩沉积物的碳、氧同位素分布规律：δ13C均值为-5‰～5‰（PDB），δ18O均值为-10‰～2‰（PDB）。对表2数据的分析表明，该地区δ13C值为-1.86‰～1.56‰，δ18O值为-14.92‰～-2.83‰，符合Hudson所总结的海相碳酸盐岩沉积物碳、氧同位素分布规律，故可判断区内白云岩属海相碳酸盐岩。

3 古盐度与古温度分析

碳酸盐岩的碳、氧同位素值主要受介质的温度和盐度影响。在成岩作用过程中，沉积物的埋深、温度和压力的增加，以及大气降水的溶解淋滤和生物有机体降解等都会对δ13C和δ18O的含量产生一定的影响。一般来说，盐度升高，δ13C和δ18O值增大；温度升高，δ18O值降低；淡水淋滤和生物降解均可使δ13C和δ18O值降低［21-22］。

3.1 古盐度

Keith等［11］把δ13C和δ18O二者结合起来，用以指示古盐度，并以Z值区分海相碳酸盐岩和陆相碳酸盐岩。定义Z值为

式中：δ13C和δ18O的取值采用的是PDB标准。早期形成的碳酸盐岩由于碳同位素难以交换，比较稳定，故此公式仍有指示意义［23］。用Z值判断沉积环境的一般标准是：Z＞120属海相成岩环境；Z＜120属陆相成岩环境。

将测试所得δ13C和δ18O的数值代入式（1）中，计算出各样品的古盐度值（参见表2）。对计算结果进行分析可知：雾迷山组白云岩的Z值为123.032～128.159，均大于120，表明该组白云岩形成时受海水作用的影响，为海相成因的碳酸盐岩；杨庄组白云岩的Z值为120.552～123.844，均大于120，表明该组白云岩也形成于海相沉积环境中；高于庄组白云岩样品除BG-8（高于庄组，硅质白云岩）的Z值为118.705外，其余样品的Z值为120.906～125.269，均大于120，表明该组白云岩大部分形成于海相沉积环境中，只偶尔暴露在陆相沉积环境中。

3.2 古温度

水体的温度也是控制碳酸盐岩稳定同位素组分的重要因素之一。介质温度对δ18O值的影响远远超过盐度对它的影响,而δ13C值随温度变化甚小。因此，在盐度不变时，δ18O值可作为测定古温度的可靠标志。

许多学者提出用δ18O来测定温度值［11，16，23］，本文采用最常用的一个温度计算经验公式，即

式中：δc=10.25+1.010 25×δCaCO3，其中δCaCO3为方解石矿物（交代完成后即为白云岩）中δ18O的值；δw为25℃时所测试白云岩样品形成时生成的CO2的δ18O值，通过相关公式计算得到δw为10.2［23］；δ18O采用PDB标准。

上述同位素温度计算的经验公式是以如下几个前提为依据而得出的：①海水的同位素成分已知；②海水与从海水中沉淀出来的碳酸盐之间存在着同位素平衡；③不存在由海水深度和密度变化引起的任何影响。

将测试得出的δ18O的值代入式（2）中，计算出各样品的古温度值（参见表2）。对计算结果进行分析可知：雾迷山组白云岩的成岩温度较低，为29.724～44.596℃，平均为39.07℃，接近于地表温度，表明该组白云岩形成于近地表环境中；杨庄组白云岩的成岩温度为32.966～60.105℃，平均为47.76℃，较地表温度高，表明该组白云岩形成于近热源环境中；高于庄组白云岩的成岩温度为36.370～109.336℃，平均为59.59℃，温度更高，表明该组白云岩是在更靠近热源环境中形成的。

4 白云岩成因分析

4.1 回流渗透白云岩（高于庄组）

高于庄组白云岩主要为细晶白云岩，且样品镜下观察时见雾心亮边结构，该结构是回流渗透白云石化作用所形成白云岩晶体的典型标志。样品Z值基本大于120，指示海相沉积环境但偶尔会出现陆上暴露，叠层石的出现也说明该组岩石在沉积时处于开阔陆表海的潮坪沉积环境，且基本位于潮间—潮上带附近。Z值相对较低表明该组白云岩盐度较雾迷山组有所下降，但温度较高也表明该组蒸发作用更加强烈。通过上述分析，再结合该区沉积时的古地理环境，可以推断其白云岩的形成机理如下：早期强烈的蒸发作用导致海水浓缩，岩石粒间水的含盐度升高，高Mg粒间水发生沉淀并交代表层文石，表层沉积物被交代完全时发生回流渗透作用，并交代下伏石灰岩，即发生了回流渗透白云石化作用；后期随着海平面的下降，该组地层处于潮上带环境中，由于大气淡水的淋滤和地下水径流的补充，使粒间水的含盐度下降，白云岩部分发生溶解作用，这样随着潮涨潮落，该组所处的环境周期性地变化，咸水与淡水混合作用，白云岩结晶与溶解交替发生，导致了混合白云石化作用，从而在多种作用的共同参与下形成了现今的高于庄组细晶白云岩。

4.2 混合白云岩（杨庄组）

杨庄组所处的古地理环境与高于庄组相比，温度下降，盐度升高，表明淡水的补给减少；结合海平面变化特征分析可知，该区沉积环境从陆上暴露复随海平面上升演化为开阔陆表海环境。温度较高于庄组低但较雾迷山组高，说明该组蒸发作用强度处于高于庄组和雾迷山组之间；盐度较高于庄组高但较雾迷山组低，说明淡水的混入量处于二者之间，且有一时期处于陆上暴露环境；岩石镜下观察时未见到雾心亮边结构，表明该组并未发生回流渗透白云石化作用。由上述分析可以推测，杨庄组白云岩可能是由混合白云石化作用所形成。

4.3 交代和准同生白云岩（雾迷山组）

雾迷山组为开阔陆表海的环潮坪沉积，以泥晶或粉晶白云岩及叠层石发育为特征。该组样品Z值均大于120，表明其白云岩的形成受海水的影响较大，没有或很少有淡水的混入，且该组从底部到顶部样品的Z值逐渐增大，温度逐渐升高，反映了其白云岩沉积时期气候炎热干燥，沉积物间歇性暴露，导致海水蒸发和浓缩作用强烈，从而使该区盐度不断升高，同时，强烈的蒸发作用也使得该区的温度有所升高。从上述分析可知其白云岩形成过程如下：原生碳酸盐岩形成于海相潮坪环境中，强烈的蒸发和浓缩作用导致该组的碳酸盐岩中粒间水的含盐度不断升高，Mg/Ca比率提高，高Mg粒间水沉淀并发生白云石化作用，交代文石，即发生了准同生白云石化作用，形成了现今雾迷山组白云岩。

综上所述，绘制出该区白云岩的成因模式图（图3）。从图3可以看出，广泛的海洋地下水通过潮上带的蒸发作用将高Mg粒间水带至地表，在此过程中流经雾迷山组和杨庄组，使此处的方解石发生蒸发泵作用，变成白云岩；高于庄组岩石除受该因素影响外，由于较靠近陆地，受大气降水及潮坪分带的影响也均较大。

图3 十三陵地区白云岩成因模式图Fig.3The genetic model of dolomites in the Ming Tombs area

5 结论

（1）高于庄组白云岩样品相对较低的古盐度值和较高的古温度值，表明成岩时的古地理环境为蒸发作用强烈的潮上带，岩心观察见雾心亮边结构表明早期发生了回流渗透白云石化作用，晚期由于淡水的混入使该组又发生了混合白云石化作用。

（2）杨庄组沉积时的古地理环境从陆上暴露复随海平面上升演化为开阔陆表海环境。岩心观察时未见雾心亮边结构，表明该组未发生回流渗透白云石化作用，可能只在海水与淡水的交替作用下发生了混合白云石化作用。

（3）雾迷山组为开阔陆表海的环潮坪沉积，该组白云岩样品的古盐度值较高，古温度值较低，表明该组很少有淡水混入，最有可能是在强烈的蒸发作用下发生了准同生白云石化作用。

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（本文编辑：于惠宇）

Carbon and oxygen isotope analysis method for dolomite formation mechanism: A case study from Proterozoic dolomite in Yanshan area

LI Qianwen1，2，JIN Zhenkui1，2，JIANG Fujie1，2
（1.College of Geosciences，China University of Petroleum，Beijing 102249，China;2.State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

Dolomites are well developed in Gaoyuzhuang Formation to Wumishan Formation in Yanshan area,Beijing. However,the understanding of dolomite genesis in this area is still unclear.This paper used carbon and oxygen isotope analysis to carry out reconstruction of ancient salinity and ancient temperature of the dolomite samples selected from Gaoyuzhuang Formation,Yangzhuang Formation and Wumishan Formation in the Ming Tombs area.The result shows that in Gaoyuzhuang Formation,the mean of δ13C is-1.13‰,the mean of δ18O is-7.87‰,the mean of Z is 122.188 5, and the average diagenetic temperature is 51.85℃;in the Yangzhuang Formation,the mean of δ13C is-0.93‰,the mean of δ18O is-6.11‰,the mean of Z is 122.434 8,and the average diagenetic temperature is 47.82℃;in Wumishan Formation,the mean of δ13C is 0.13‰,the mean of δ18O is-4.60‰,the mean of Z is 125.370 7,and the average diagenetic temperature is 39.48℃.According to the analysis of the above results,we concluded that most dolomites ofWumishan Formation were mainly resulted from penecontemporaneous dolomitization,and dolomites of Yangzhuang Formation were resulted from dorag dolomitization.The dolomite genesis of Gaoyuzhuang Formation is more complicated, which includes not only seepage reflux dolomitization but also dorag dolomitization.

dolomitegenesis；carbonandoxygenisotope；paleosalinity；paleotemperature；Yanshanarea

P597

A

1673-8926（2014）04-0117-06

2014-03-22；

2014-04-25

国家自然科学基金项目“致密砂岩气藏形成的流体动力学机制”（编号：41102085）和国家重点基础研究发展计划（973）项目“中国西部叠合盆地深部油气复合成藏机制与富集规律”（编号：2011CB201100）联合资助

李倩文（1992-），女，研究方向为地质资源与地质工程。地址：（102249）北京市昌平区府学路18号中国石油大学地球科学学院。E-mail：760003582@qq.com

金振奎（1963-），男，博士，教授，主要从事沉积学的科研与教学工作。E-mail：cjzk@cup.edu.cn。