鄂尔多斯盆地马家沟组中组合马五5亚段白云岩特征及成因机理

张庄，杨西燕，董兆雄

（1成都理工大学能源学院；2成都理工大学沉积地质研究院；3西南石油大学地球科学与技术学院）



鄂尔多斯盆地马家沟组中组合马五5亚段白云岩特征及成因机理

张庄1，杨西燕2，3，董兆雄3

（1成都理工大学能源学院；2成都理工大学沉积地质研究院；3西南石油大学地球科学与技术学院）

摘 要通过对鄂尔多斯盆地马家沟组五段5亚段白云岩的岩石学和地球化学研究表明，主要岩性有泥晶白云岩、泥粉晶白云岩和粉晶白云岩等三类。泥晶白云岩类为泥晶结构，阴极发光为暗红光，白云石有序度低；Na、K和Sr值较高；δ13C平均-1.23‰，δ18O平均-7.59‰，锶同位素平均值0.70981，形成于闭塞局限、盐度相对较高的环境，由准同生白云石化作用所形成，并发育少量晶间微孔。泥粉晶白云岩类为泥晶—细粉晶结构，不发光或发极暗的红光，白云石有序度0.75；常量元素、微量元素大幅降低；δ13C和δ18O的平均值分别是-0.43‰和-7.29‰，锶同位素平均值0.70936，由准同生后回流渗透白云石化作用所形成，并发育晶间孔。粉晶白云岩不发光或发极暗红光，白云石有序度0.81；常量元素、微量元素有明显的突变；δ13C和δ18O平均值分别为-0.65‰和-6.46‰，锶同位素平均值0.70967，由埋藏白云石化作用所形成，并发育晶间扩溶孔或溶蚀孔。

关键词白云岩；地球化学；白云石化作用；马家沟组；鄂尔多斯盆地

本文受国家重大专项“鄂尔多斯盆地海相碳酸盐岩油气资源潜力、有利勘探区带评价与目标优选研究”（编号：2011ZX05004－006）资助

1 引 言

鄂尔多斯盆地是我国的第二大含气盆地，盆地中部发育中奥陶统马家沟组的碳酸盐岩天然气储层，面积约4.8×104km2。马家沟组为一套碳酸盐岩为主、夹蒸发岩的地层［1］，自下而上可分为六段，其中，马家沟组五段自上而下又可分为10个亚段。马家沟组上组合（包括马家沟组五段1～4亚段）是20世纪末以来的勘探重点，发现了以岩溶型风化壳为主力产层的靖边气田；2009～2010年，Su203井、Su345井（见图1）等一批探井相继在马家沟组中组合（包括马家沟组五段5～10亚段）获得了日产百万立方米以上的高产气流，证实了马家沟组中组合是盆地下古生界的一种新类型气藏，其特征和成因与上组合有较大差别［2-8］。

鄂尔多斯盆地马家沟组白云岩是油气勘探的有利储集体，多年来，众多学者对马家沟组白云岩的成因进行过卓有成效的研究，已提出多种白云石化机制，如微生物白云石化［9］、混合水白云石化［10－11］、埋藏白云石化［12－13］、准同生白云石化［14-17］、成岩白云石化［15］以及局部存在的热液白云石化［11，15］等，另外，对马家沟组白云岩储层特征亦进行过较多的研究，但这些研究的样品多来自马家沟组上组合，针对中组合所做的研究较少［7－8，18-20］。马家沟组五段5亚段（以下简称马五5亚段）是盆地中组合勘探程度较高的层位，取心资料较多，因此本文在盆地内不同地区挑选了取心较完整、又代表不同沉积环境的共42口钻井（见图1中的井位分布），以这些井的岩心、铸体薄片等资料为基础，分析不同白云岩的岩石学特征，并在此基础上分析不同类型白云岩的成因，拟通过对马五5亚段的研究，进一步明确鄂尔多斯盆地马家沟组中组合白云岩形成的地质环境，以期为该区奥陶系马家沟组中组合的油气勘探提供地质依据。

2 岩石学特征

鄂尔多斯盆地马家沟组马五5亚段的白云岩按结构组分的特征可分为泥晶白云岩、泥粉晶白云岩、粉晶白云岩和过渡类型白云岩（表1），但主要发育前三类，本文将展开这三类白云岩特征的研究。

图1 鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组五段5亚段沉积微相平面展布图

表1 鄂尔多斯盆地马家沟组马五5亚段白云岩分类

2.1 泥晶白云岩类

马五5亚段不同程度地发育泥晶白云岩。它呈灰—深灰、甚至黑灰的还原色，为泥晶结构，较致密（图2a，2b），不具阴极发光或发极暗红光。由于白云石有序度的高低可反映其生长速率和形成方式，而泥晶白云石有序度最低，仅0.59，反映了它是快速交代的产物［20-24］。

2.2 泥粉晶白云岩类

区内马五5亚段广泛发育泥粉晶白云岩。这类白云岩主要由泥晶和细粉晶两类白云石构成，二者的比例不确定。为泥晶—细粉晶结构（图2c，2d），泥晶白云石与粉晶白云石大多均匀混杂分布，局部也呈斑状分布，明显具有结构双重性。部分细粉晶白云石内有云泥/灰泥残余或包体（图2e），不发光或发极暗的红光（图2f）。白云石有序度0.75，自形程度相对较高。

2.3 粉晶白云岩类

区内马五5亚段不同程度发育粉晶及以上晶级的白云岩，但总体上不如泥粉晶白云岩类的分布广。通过薄片、阴极发光显微镜及扫描电镜观察，可见这类白云岩中的白云石为粗粉晶—细晶结构，一般少量的细晶白云石具有一个完整或不完整的亮边，即略呈雾心亮边结构（图2g），间或发育溶蚀微孔和晶间孔等。阴极发光显微镜观察，白云石不发光或发极暗红光，晶间缝或增生边发暗红光（图2h）。较脏的白云石大多是由于大晶体内有大量泥晶方解石的交代残余或未被完全溶蚀的泥晶白云石残余，这类晶体在正交光下常可见不共轴的消光现象或染色斑点（图2i）。白云石有序度0.81，这样高的有序度反映了它在发生白云石化时流体的镁离子浓度有所降低，交代速度较缓慢，所以形成了较粗的白云石［20-25］。

3 白云岩地球化学特征

3.1 分析方法与实验条件

本次研究样品采自马五5亚段的取心井中，尽可能避开溶蚀孔洞和方解石脉发育部位，以降低后期成岩作用对稳定同位素原始组成的影响，尽量反映原始沉积特征。常量元素和微量元素测定是由四川省冶金地质岩矿测试中心完成的，检测温度为20℃、湿度为65﹪。碳、氧同位素在西南油气田分公司勘探开发研究院的MAT252气体同位素质谱仪上测试，依据SY/T6039-94标准制作，实验温度为20℃、相对湿度为44﹪，100﹪的磷酸溶样，分析误差为0.01﹪。锶同位素在国土资源部中南矿产资源监督监测中心完成，在MAT-261固体质谱仪上根据DZ/T0184.1-1997标准进行比值测定，检测温度为20℃、相对湿度30﹪。

图2 鄂尔多斯盆地马家沟组马五5亚段不同类型白云岩微观特征

3.2 常量、微量元素特征

从图3可以看出泥晶白云岩的Na含量较高，反映该类白云岩形成于盐度较高的环境，表明泥晶白云岩的白云石化作用较快，环境盐度高；而且泥晶白云岩的Sr含量较高（图4），可能是因为这种白云岩交代石灰岩不彻底，较高的方解石含量使得Sr含量偏高。但泥粉晶白云岩和粉晶白云岩的K、Al、Fe、Sr、Mn、Ba较泥晶白云岩均大幅降低（图4），这可能在成岩过程中与这些离子的消耗有关。

图3 鄂尔多斯盆地马家沟组马五5亚段不同岩性常量元素分布图

图4 鄂尔多斯盆地马家沟组马五5亚段不同岩性微量元素分布图

3.3 碳、氧同位素特征

泥晶白云岩类的δ13C平均值-1.23‰、δ18O平均值-7.59‰（表2），与国家标准相比，属于低δ13C和富δ18O，这说明泥晶白云岩形成于闭塞局限、盐度相对较高的环境［26-30］，应属于同生期海底环境组构交代的产物。泥粉晶白云岩的δ13C平均值为-0.43‰、δ18O平均值为-7.29‰，为相对贫δ13C和富δ18O，与泥晶白云岩相比，δ13C增加了0.80‰，一般认为在成岩阶段能导致流体中的碳同位素相对富集的因素，可能与甲烷菌发酵有关；δ18O值无明显变化，说明泥粉晶白云岩的白云石化流体总体上与泥晶白云岩的白云石化流体相似或同源。粉晶及以上晶级白云岩的δ13C 与δ18O平均值分别为-0.65‰和-6.46‰，碳、氧同位素中呈现氧偏重的现象，预示着粉晶白云石化流体的来源与泥晶白云石化流体、以及泥粉晶白云石化流体有所差异，说明这可能是由于环境发生明显变化所造成的结果。

3.4 锶同位素特征

通过对比不同白云岩的锶同位素特征，可以分析白云石化流体的来源，从而探讨白云岩的成因。据图5和表3，可以看出，泥晶白云岩样品的87Sr/86Sr值在0.70981～0.72205范围，平均为0.71593。这一结果明显高于Veizer等［31］、McArthur等［32］、Qing等［33］和Denison等［34］的测试值（其数值分别为0.707 75～0.70830、0.70899和0.70873），其原因可能与硬石膏和陆源碎屑物的存在有关［17］。泥粉晶白云岩样品的87Sr/86Sr值在0.70891～0.72615范围，平均值0.70936（去除个别异常值后的平均值），比泥晶白云岩的87Sr/86Sr值低，即泥粉晶白云岩成岩流体的87Sr/86Sr值低于泥晶白云岩的沉积环境或孔隙水的87Sr/86Sr值，说明两者形成时的流体是有差异的。粉晶白云岩样品的87Sr/86Sr值在0.709 19～0.710 41范围，平均为0.70967，略高于泥粉晶白云岩，这可能与埋藏过程中铝硅酸盐矿物溶解提供了放射性锶有关。

表2 鄂尔多斯盆地马家沟组马五5亚段不同类型白云岩的碳、氧同位素值

4 白云岩成因机理

根据上述讨论，泥晶白云岩为泥晶结构，白云石不具阴极发光或发极暗红光，有序度仅0.59。常量元素中Na、K含量较高，微量元素Sr含量较高，δ13C偏负、δ18O偏正，87Sr/86Sr值较高，这些特征均反映了泥晶白云岩形成于局限滞留、盐度较高的还原-弱还原环境中，它是由富镁白云石化流体快速交代先期的细粒碳酸盐岩而形成的，也就是说在低洼环境中沉积的原始碳酸盐岩沉积物，受富镁盐水和来自潮坪的富镁浓盐水共同作用，从而发生白云石化作用而形成泥晶白云岩，因此，认为泥晶白云岩属于准同生白云石化作用所形成。而准同生白云石化作用的交代作用属于组构交代，往往仅产生少量的白云石晶间微孔，不利于形成具规模的有利储层，但是这些少量的晶间微孔也可为后来进一步的储层改造奠定基础。

图5 鄂尔多斯盆地马家沟组马五5亚段各类白云岩87Sr/86Sr值分布图

泥粉晶白云岩具泥晶—细粉晶结构，白云石较脏，不具阴极发光或发极暗的红光，有序度0.75，自形程度相对较高；具低Sr含量的特征，反映了白云石化过程中离子的消耗，可能形成于浅埋藏阶段；与泥晶白云岩相比，它的δ13C明显增加，这也说明该类白云岩形成于浅埋藏阶段，是由于具海水性质的孔隙水进一步浓缩所导致；它的δ18O值无明显变化，说明泥粉晶白云岩的白云石化流体总体上与泥晶白云岩相似或同源；它的锶同位素比值降低，则说明成岩流体的87Sr/86Sr值应是低于泥晶白云岩形成时的沉积环境水。因此，推断泥粉晶白云岩是来自潮坪或上覆层的富镁浓盐水回流渗透交代的产物。由于来自潮坪的回流富镁浓盐水经过前期准同生白云石化作用的消耗，Mg2+浓度有所降低，因此在白云石化过程中的交代速度相对减缓，再加上台坪区的水体相对较浅，海平面波动的影响较大，先期的碳酸盐岩沉积物可能存在早期的胶结作用，导致其孔隙度和渗透率有所降低，这在一定程度上影响了富镁浓盐水的运移和交代作用，也造成了局部白云石化不均匀、不彻底的现象，即出现泥粉晶白云岩结构的双重性。因此，泥粉晶白云岩属于准同生后回流渗透白云石化作用所形成。在渗透回流白云石化作用过程中，含CO2、H2S等酸性物的流体会导致早前形成的灰泥、云泥发生溶蚀，从而形成不同程度的溶蚀孔缝，或扩溶原有的微晶间孔缝，形成白云石晶间孔。

表3 鄂尔多斯盆地马家沟组马五5亚段不同类型白云岩的锶同位素值

粉晶白云岩具粗粉晶—细晶结构，晶体内可见泥晶方解石的交代残余、或未被完全溶蚀的泥晶白云石残余，白云石不具阴极发光或发极暗红光，有序度高；常量元素Fe3+含量明显减小，这说明白云石化环境的还原性增强，Na、K含量的减少说明白云石化流体盐度的减小；微量元素Sr和Ba的明显减少说明白云石化作用过程中阳离子的大量消耗，推测可能形成于埋藏白云石化阶段；δ13C与δ18O平均值分别为-0.65‰和-6.46‰，较高的87Sr/86Sr值说明白云石化环境的明显变化，可能受到埋藏环境流体的影响。这些差异都说明粉晶白云岩中Mg2+来自上覆层的下渗盐水和早期碳酸盐岩出溶，但由于先期的消耗使Mg2+浓度降低，交代速度相应变慢，所以白云石晶体较大，且灰泥或云泥以残余或包裹体的形式存在于白云石大晶体中（图2e，2i）。因此，推断粉晶白云岩属于埋藏白云石化作用所形成。在埋藏白云石化作用过程中，CO2、H2S和有机酸等酸性介质会导致先期的灰质组分和准同生及准同生后白云石不同程度地遭受溶蚀，产生一定的溶蚀空间，形成晶间扩溶孔或溶蚀孔。

从储层物性特征看（表4），泥晶白云岩由于准同生白云石化作用产生少量晶间微孔，物性较差；泥粉晶白云岩由于渗透回流白云石化作用形成白云石晶间孔，物性较好；粉晶白云岩由于埋藏白云石化作用形成晶间扩溶孔或溶蚀孔，物性最好，是马五5亚段最好的储层。

表4 鄂尔多斯盆地马五5亚段不同类型白云岩的物性特征

5 结 论

（1）鄂尔多斯盆地马五5亚段白云岩以泥晶白云岩、泥粉晶白云岩和粉晶白云岩为主。泥晶白云岩Na、K、Sr含量较高；δ13C比同期国标值低2.00‰；δ18O比国标值高1.39‰；87Sr/86Sr值显著高于全球同期海水的值。泥晶白云岩为泥晶结构，白云石阴极发光为暗红光，有序度低，认为其形成与局限、闭塞以及咸或超咸海水有关，系由准同生白云石化作用所形成。

（2）泥粉晶白云岩类的K、Al、Na、Sr、Mn、Ba较泥晶白云岩的均大幅降低，但δ18O值无明显变化，δ13C值则增加了0.80‰；锶同位素平均值低于泥晶白云岩的值。泥粉晶白云岩为泥—细粉晶结构，白云石不具阴极发光或发极暗的红光，具有明显的结构双重性，系由准同生后回流渗透白云石化作用所形成。

（3）粉晶及以上晶级白云岩的常量和微量元素均有明显的突变，氧同位素呈现偏重的现象，锶同位素平均值高于泥粉晶白云岩而低于泥晶白云岩的值。结合白云石不具阴极发光或发极暗红光、有序度较高的特征，认为细粉晶白云岩是埋藏白云石化作用的结果。

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编辑：黄革萍

Zhang Zhuang：Doctoral candidate at Chengdu University of Technology. Add：66 Qingyuan Rd.，Xindu，Chengdu，Sichuan，610500，China

技术·应用

Characteristics and Genesis of Ordovician Majiagou Submember-55Dolostone in Middle Assemblage，Ordos Basin

Zhang Zhuang，Yang Xiyan，Dong Zhaoxiong

Abstract：Based on petrological and geochemical analysis for core samples from the Middle Ordovician Majiagou submember-55dolostones in Ordos basin，three main types of dolostones are recognized，including micritic dolostone，siltcrystal micritic dolostone and siltcrystal dolostone. The characteristics of them are described as follows：（a）The micritic dolostone is formed in euxinic-restricted and high-salinity environment by penecontemporaneous dolomitization，in which a small number of intercrystal mircopores develop. It is characteristic of micrite texture，garnet light in cathoduluinescence observation，lower degree of order and high content of Na，K and Sr elements. The average values of δ13C and δ18O are -1.23‰and -7.59‰respectively，and the ratio of87Sr/86Sr is 0.70981.（b）Siltcrystal micritic dolostone is formed by postpenecontemporaneous reflux seepage dolomitization，in which intercrystal pores develop. It is characteristic of siltcrystal-fine micrite texture，dirtier，no or very dark light in cathoduluinescence，0.75 of degree of order，significantly decreasing of the content of major and trace elements. The average values of δ13C and δ18O are -0.43‰and -7.29‰，and the ratio of87Sr/86Sr is 0.70936.（c）Siltcrystal dolostone，in which intergranular dissolution pores and dissolution pores develop，shows the same feature as siltcrystal-micrite dolostone in cathoduluinescence but the degree of order is 0.81. The content of major and trace elements shows apparently abrupt change. The average values of δ13C and δ18O are -0.65‰and -6.46‰and the ratio of87Sr/86Sr is 0.70967. It is indicated that siltcrystal dolostone is formed by burial dolomitization.

Key words：Middle Ordovician；Majiagou Fm.；Dolostone；Geochemistry；Dolomitization；Ordos Basin

中图分类号：TE122.2+3

文献标识码：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-9854.2016.02.008

文章编号：1672-9854（2016）-02-0065-07

收稿日期：2015-03-27；改回日期：2015-12-08

通讯地址：张庄：1976年生，成都理工大学在读博士，主要进行沉积储层研究。610500四川省成都市新都区清源路66号；E-mail：403538399@qq.com