二连盆地巴音都兰凹陷下白垩统湖相云质岩成因研究①

王会来 高先志，2 杨德相 李 浩，4 张志遥 王 旭 张 丽，5

(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;3.中国石油华北油田分公司勘探开发研究院 河北任丘 062550;4.中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所 江苏无锡 214126;5.中国石油华北油田分公司地球物理勘探研究院 河北任丘 062550)

近年来，伴随着准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组致密油获得突破，湖相云质岩已成为重要的致密油勘探领域之一。二连盆地各凹陷烃源岩层内普遍发育一套白云质泥岩与白云质砂岩组成的不等厚互层沉积，局部夹有薄层泥质白云岩、云化沉凝灰岩等。该套岩性作为全区重要的地层对比标志层，早已为众多地质工作者所认识，俗称“特殊岩性段”。经过多年的勘探实践，目前已有多个凹陷在该段见好的油气显示，其中在巴音都兰等凹陷云质岩压裂后产油。但是，对这套“特殊岩性段”中铁白云石成因还不清楚，分布规模也难以预测。

白云石的成因一直是沉积学研究的热点问题之一，针对海相和湖相白云岩，前人已进行大量研究，并提出多种成因模式。一般蒸发成因和混合水成因白云石中铁含量低，铁白云石的成因都与深层热液或火山活动相关，例如:三塘湖盆地芦草沟组玄武岩淋滤形成斑状铁白云石［1］，酒西盆地青西凹陷下沟组热水沉积作用形成与热水矿物共生的铁白云石［2］，塔里木盆地塔北地区奥陶统深部热液形成鞍状铁白云石［3］。

本文通过岩芯观察、薄片鉴定、全岩分析、微量元素和碳氧同位素测定等方法，对二连盆地巴音都兰凹陷云质岩的岩石学特征、沉积水体盐度、白云石成因等方面进行了探讨。

1 地质背景

二连盆地是中生代晚期在海西褶皱基底和侏罗系残留盆地基础上，经正断层强烈拉伸、裂陷而形成的早白垩世中、小型断—坳型裂谷盆地群。伴随二连盆地的形成演化过程，在不同时期发生了不同规模的火山活动。经钻井统计，目前已经在多个凹陷中钻遇中生代火山岩(图1)。中生代火山活动属于陆相喷发，早白垩世巴彦花群的阿尔善组见有安山岩、玄武安山岩、玄武岩和凝灰岩等，同位素年龄约100 Ma;晚白垩世早期也有中基性岩浆喷出。钻孔揭示的早白垩世玄武岩、玄武安山岩化学成分，SiO2含量的密集范围为38%～55%，Na2O+K2O为4%～6%，大多位于硅碱图上的碱性系列区［4］。

巴音都兰凹陷在构造上位于马尼特坳陷的东北部(图1)，北靠巴音宝力格隆起，南接布林凸起，西临阿拉坦合力凹陷［5］。巴音都兰凹陷是一个呈长条形、北东走向、东南断、西北超的中生代箕状断陷凹陷，长约80 km，宽约 16～20 km，面积为1 170 km2。凹陷平面上分为南北两个洼陷带［6］，包括洼槽带、断槽带、断阶带、包楞构造带、马林斜坡带和西北斜坡带等6个次级单元(图2)。

图1 二连盆地钻遇火山岩分布图Fig.1 Distribution of the drilled volcanic rocks in Erlian Basin

图2 巴音都兰凹陷构造纲要图Fig.2 Sketch tectonic units division of the Bayindulan sag

图3 巴音都兰凹陷阿四段、腾一段综合柱状图Fig.3 Comprehensive stratigraphic column of K4 1ba and K1bt1in Bayindulan sag

巴音都兰凹陷沉积盖层以下白垩统巴彦花群为主，自下而上发育阿尔善组、腾格尔组和赛汉塔拉组。二连盆地阿尔善组可细分为四段，该凹陷内仅发育阿三段和阿四段;腾格尔组进一步分为两段。巴音都兰凹陷阿尔善组下部以砂砾岩、砾岩为主，向上变为泥岩、粉砂岩;阿四段上部和腾一段下部为云质岩发育段，以云质泥岩、云质粉砂岩和白云岩为主，夹薄层沉凝灰岩(图3);腾一段上部为泥岩夹粉砂岩;腾二段下部为砂砾岩夹粉砂岩，上部为泥岩;赛汉塔拉组下部为砾岩、砂砾岩，上部为泥岩、碳质泥岩和煤层。

2 岩石学特征

巴音都兰凹陷下白垩统云质岩的成因类型决定了白云石的结构和存在形式。岩芯观察和镜下特征分析表明，云质岩中发育有隐晶状、斑晶状和连晶等多种结构白云石，其中隐晶结构为主要的白云石类型，且具有多种不同的存在形式。

图4 巴音都兰凹陷云质岩特征Fig.4 The microscopic characteristics of the dolomitic rock in Bayindulan saga.巴10井，1 451 m，云化沉凝灰岩，泥晶白云石(1)含量高，含大量陆源碎屑(2);b.巴10井1 258 m，云化沉凝灰岩，泥晶白云石(1)含量低。主要为凝灰物质(2);c.巴54井，1 165 m，云化沉凝灰岩，泥晶白云石(1)与凝灰物质(2)呈纹层状，见黄铁矿(3);d.巴10井，1 331 m，云化沉凝灰岩，泥晶白云石(1)沿收缩缝(2)分布，见黄铁矿(3);e.巴28井，1 450 m，云质泥岩，泥晶白云石局部富集(1)，黏土矿物(2)颗粒细小;f.巴57井1 620 m，云质砂岩，白云石以泥晶(1)为主，其次为连晶(2)，颗粒(3)为线接触;g.巴28井，1 454 m，含云质泥岩，含细粉晶斑状白云石(1)，呈串珠状，黏土矿物(2)和凝灰质(3)颗粒细小;h.巴24井，1 317 m，白云石(1)交代凝灰物质(2)，孔隙中充填黄铁矿(3);i.巴57井1 618 m，云质砂岩，连晶白云石(1)发育，颗粒(2)呈漂浮状。

(1)隐晶结构。在偏光显微镜下无法识别晶体，通过镜下观察发现，隐晶白云石存在纹层状、团块状和星散状等多种形式。研究区云化沉凝灰岩、云质泥岩和云质砂岩中普遍发育泥晶白云石，在沉凝灰岩中，白云化作用强烈时，白云石含量可大于50%(图4a)，白云化作用弱时，白云石表现为星散状(图4b)，其中纹层缝、收缩缝等发育，作为白云化作用重要的流体运移通道，可形成纹层状白云石(图4c，d);在云质泥岩中，由于纹层缝不发育，而泥岩本身渗透性差，白云石多呈不规则团块状(图4e);云质砂岩中，隐晶质白云石位于颗粒之间，与杂基共生(图4f)。

(2)斑晶结构。镜下观察显示，白云石晶体较大，晶粒直径为0.5～0.1 mm，晶形较差，呈他形—半自形，广泛发育明显的交代残余结构(图4g，h)。斑晶结构主要出现在云质泥岩和云化沉凝灰岩中，表现为串珠状，其分布可能受构造裂缝控制。

(3)连晶结构。主要存在于云质砂岩中，白云石晶体较大，但晶形差，碎屑颗粒呈漂浮状(图4i)，为白云石交代粒间杂基而成，主要存在于砂泥界面处，向砂岩中部，连晶白云石减少，隐晶白云石增多。

3 白云石成因

研究初期，笔者认为白云石可能是同生—准同生白云化作用的产物，但大量的薄片鉴定尚未发现石膏、盐岩等反映蒸发环境的矿物，并存在较多的凝灰物质，主要发育铁白云石。因此，在对矿物组成、古水介质分析、CO2来源研究的基础上，初步认为该套云质岩中铁白云石为埋藏白云化作用的产物，原始交代矿物为凝灰物质蚀变形成的隐晶质斜长石，CO2来源埋藏条件下的有机质甲烷化作用。

3.1 水体盐度与白云石成因

湖水地球化学的不稳定性导致多种指示性微量元素(如 Sr、Ba、V、Ni等)发生大幅度变化，可用来区分沉积环境、判断古水体盐度。Sr与Ba的化学性质相似，均可形成可溶性的重碳酸盐、氯化物和硫酸盐。与Ba相比，Sr的迁移能力要强得多，可迁移到湖底深处;而Ba的化合物溶解度偏低，尤其是其硫酸盐很容易沉淀，因而多数Ba在近岸沉积物中富集，仅有少量进入到湖底。因此，Sr/Ba常用来判断古盐度、区分淡水和咸水沉积环境。一般来讲:淡水泥质沉积物的Sr/Ba＜1，Sr含量多在100 ppm左右;海相沉积物的Sr/Ba＞1，现代海水的Sr含量大约为1 000～1 200 ppm;Sr在干旱条件下的咸水中大量富集，晚第四纪和现代咸化湖泊泥质沉积物Sr含量主要为517～3 250 ppm［7］。

本区Sr含量主体介于62.4～284 ppm之间，平均值为165 ppm，Sr/Ba比值小于1，平均值0.4(表1)，远低于其他几个已知的古代咸水湖相和海相的相应比值，而与淡水湖水的比值相近，因此认为云质岩沉积时期为淡水环境，不满足准同生白云化作用的条件。一般认为只有在咸化和超盐度溶液中，白云石才可直接交代刚刚沉淀下来的微晶方解石，此时Sr含量应超过600 ppm。

3.2 凝灰物质与白云石成因

受火山活动影响，二连盆地下白垩统云质岩中也都或多或少含有火山灰或火山尘，主要表现为云质泥岩中黏土矿物含量低，通常仅大于30%，隐晶质石英、斜长石、钾长石含量高(表2)，云质砂岩和云化沉凝灰岩也含有大量的隐晶质斜长石。通常隐晶质斜长石很容易风化或被溶解，一般难以保存，其含量应微乎其微［11，12］，凝灰物质蚀变形成钾长石、斜长石和石英，是导致本区岩石中泥级长英质成分含量高的主要原因。

表1 本区与其他盆地白云化作用对比Table 1 Comparison of dolomitization between this area and other basins

表2 云质岩全岩X衍射特征Table 2 The whole rock X-ray powder diffraction(XRD)patterns of the dolomitic rock

Garrels等(1967年)对火山岩地层水化学性质演化研究认为，受控于二氧化碳影响下的斜长石水解，蚀变产物为高岭石等黏土矿物，并伴随有方解石沉淀、石英析出［13］。上述反应可以描述为:

图5 二连盆地火山岩与火山碎屑岩特征Fig.5 The characteristics of the volcanic rocks and pyroclastic rocks in Erlian Basina.赛60井，1 107.23 m，安山岩，见气孔杏仁，泥化严重;b.洪2井，1 618 m，溅落熔结安山岩;c.洪4井，1 709.28 m，凝灰岩;d.巴10井，1 323.5 m，沉凝灰岩。

在二连盆地阿南、洪浩尔舒特、巴音都兰等多个凹陷下白垩统地层中钻遇玄武岩、安山岩等中基性火山岩(图5)，说明下白垩统地层中凝灰物质以中基性岩为主，含有大量的镁、铁等元素，凝灰物质粒度细，在受溶液作用迅速分解后可释放出大量Mg2+和Fe2+等离子。凝灰物质蚀变为白云化过程提供了充足的镁、铁离子来源，白云化过程可以描述为:

3.3 CO2来源

由于云质泥岩的密度大，孔隙小而且为封闭体系，地下水及地表水都不能进入，这样就很难使泥岩体系以外的CO2进入到这种碳酸盐的成岩环境中来。这种条件下，绝大多数CO2都来自于泥岩本身所包含的有机质各类反应的生成物中。

碳氧同位素分析结果表明，二连盆地铁白云石交代斜长石所需要的CO2主要来自于缺氧条件下的甲烷化作用(图6)。在甲烷细菌发酵带中(平均埋深为800～1 200 m)，有机质被细菌分解，生成现今世界上已知的最负的δ13C值的甲烷，并使与之同时生成的CO2富集重同位素13C［14］。大量的 CO2进入孔隙水后与泥晶斜长石发生水解作用，形成铁白云石。

图6 碳酸盐矿物同位素成岩模板投点图Fig.6 Plot of carbon and oxygen isotopes of carbonate minerals

3.4 云质岩成因模式

巴音都兰凹陷东侧控凹断层和凹陷内巴I断层是重要的火山物质喷发通道，主要活动时期为阿尔善组阿四段和腾一段，曾发生多次火山活动，形成多套沉凝灰岩，而喷出岩分布局限，目前仅在巴1井钻遇。由于火山周期性活动，在一个地区，火山喷发不可能无休止的喷发下去，当大部分火山休眠或消亡时，早期火山碎屑物经风化、剥蚀、搬运至盆地中沉积下来，形成凝灰质泥岩和凝灰质砂岩(图7)。

二连盆地下白垩统火山玻璃以基性为主，随着埋深增加，温度升高，玻璃质向结晶质转化，形成隐晶质石英、斜长石、钾长石和方沸石等，同时释放出大量的Mg2+、Fe2+离子，为埋藏阶段白云化作用提供了充足的物质基础。

有机质甲烷化作用生成的CO2一方面使凝灰质泥岩中的斜长石发生水解，形成铁白云石，另一方面在压实作用下，与孔隙水一起排入相邻凝灰质砂岩和沉凝灰岩中，从而形成云质砂岩和云化沉凝灰岩。受有机质富集程度影响，只有在扇三角洲前缘亚相、滨浅湖、深湖—半深湖等有机质富集的相带，斜长石才能被碳酸盐矿物交代，形成云质岩;而冲积、河流和三角洲平原等陆上沉积相带，由于缺少充足的CO2来源，云质岩不发育(图8)。

云质岩中白云石的存在形式主要受控于凝灰质、CO2含量以及渗流通道等，具体表现为:

(1)深湖—半深湖相远离火山口，除接受沉凝灰岩沉积外，砂泥岩中凝灰质含量低，后期成岩过程中，泥岩中有机质生物降解形成的CO2进入相邻沉凝灰岩中，形成团块状泥晶白云石，当纹层缝或构造裂缝发育时，还可形成纹层状泥晶白云石或斑晶白云石。而深湖—半深湖相泥岩和薄层砂岩中由于凝灰质含量低，仅形成星散状泥晶白云石。

图7 巴音都兰凹陷下白垩统沉积模式图Fig.7 Simplified model for deposition in the Lower Cretaceous，Bayindulan sag

图8 巴音都兰凹陷下白垩统白云化模式图Fig.8 Simplified model for dolomitization in the Lower Cretaceous，Bayindulan sag

(2)滨浅湖亚相和三角洲前缘亚相凝灰物质含量高，导致泥岩中有机质生物降解形成CO2能够与周围的斜长石进行充分水解反应，形成团块状泥晶白云石，裂缝发育时，可形成斑晶白云石。当有充足的CO2进入相邻砂岩储层时，发育团块状泥晶白云石，甚至为连晶白云石，而云化沉凝灰岩中白云石发育特征与深湖—半深湖相类似。

(3)冲积、河流和三角洲平原等陆上沉积相带凝灰物质含量高，但是泥岩中有机质含量低，缺乏充足的CO2来源，云质岩不发育，仅在侧向邻近滨浅湖的砂体中发育星散状白云石。

4 结论及存在问题

4.1 结论

(1)研究区云质岩中白云石铁含量高，以泥晶结构为主，同时也有斑晶结构和连晶结构，其中泥晶结构表现为纹层状、团块状、星散状等多种形式。

(2)微量元素分析表明，云质岩沉积时期湖水整体表现为淡水沉积环境，不满足准同生白云化的条件。

(3)研究区云质岩形成的物质基础是火山物质蚀变而来的斜长石和镁、铁离子，与二氧化碳发生水解反应，沉淀出铁白云石。

4.2 存在问题

(1)镁离子的来源是白云岩形成的重要因素，近年来在二连盆地白音查干凹陷下白垩统发现湖相热水白云岩，其岩石学特征与巴音都兰凹陷存在显著差异，二连盆地多个凹陷发现云质岩地层，对于凹陷之间白云石成因还需要进一步对比分析;

(2)在研究区云质岩储层物性差，溶蚀作用形成低渗透—致密储层中的“甜点”，然而，由于泥岩中碳酸盐含量高，导致相邻储层溶蚀孔隙发育特征复杂化，同时白云化作用可以导致晶间孔等微孔隙发育，对云质岩储层发育规律需要进一步深入研究。

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