鄂尔多斯奥陶系白云岩岩相学及其碳、氧稳定同位素特征

杨　虎，石　堃，刘佳玮

(1.延长石油油气勘探公司 天然气勘探开发部， 陕西 延安　716000；2.西安石油大学 地球科学与工程学院，陕西 西安　710065)



·地球科学·

鄂尔多斯奥陶系白云岩岩相学及其碳、氧稳定同位素特征

杨虎1，2，石堃2，刘佳玮2

(1.延长石油油气勘探公司 天然气勘探开发部， 陕西 延安716000；2.西安石油大学 地球科学与工程学院，陕西 西安710065)

应用岩石薄片鉴定、阴极发光及电子探针技术,研究白云岩岩相特征,应用全岩及矿物微区碳、氧稳定同位素测试及X衍射分析方法,研究白云岩地球化学及成岩环境特征。研究后可知，奥陶系白云岩主要有6类：① 形成于准同生白云化作用的块状泥晶云岩,以高白云石含量、泥晶结构、低有序度和较高的δ18O，δ13C为特征;② 形成于准同生及微生物白云化作用的生屑云岩和藻云岩,以高白云石含量、生物骨架结构、低有序度、较高δ18O和较低δ13C为特征;③ 形成于准同生白云化及淡水淋滤与溶蚀作用的角砾白云岩,以含灰质及溶孔、角砾结构、低有序度、较低δ13C为特征;④ 形成于卤水回流渗透白云化作用的细—粉晶白云岩,以含残余灰质、细粉晶结构、高有序度、较高δ18O和δ13C为特征,经淡水淋滤之后发育晶间孔,同时δ13C明显下降;⑤ 形成于海水交代白云化作用的残余结构中—细晶白云岩,以含灰质组分及晶间孔、残余颗粒结构、高有序度、高δ18O和δ13C为特征;⑥ 形成于埋藏封闭环境重结晶作用的镶嵌结构中—粗晶白云岩,以高白云石含量、镶嵌结构和似斑状构造、异形白云石及高有序度、保持原岩δ18O和δ13C为特征。孔、缝中的热液或淡水白云石均以高有序度、极低的δ13C为特征,淡水白云石较热液白云石,具有较高的δ18O，Fe2+及较低的Mn2+。研究结果表明,白云岩的δ18O，δ13C以及白云石有序度等地球化学参数是识别白云岩岩相、成岩条件和成岩环境的重要指标。

白云岩;碳、氧稳定同位素;白云石有序度;奥陶系;鄂尔多斯盆地

鄂尔多斯盆地本部奥陶系以白云岩(方解石≤10%)、含灰云岩(10%<方解石≤25%)和灰云岩(25%<方解石<50%)为主,其岩性、地球化学特征以及沉积相前人已做过大量研究[1-3]。近年来，在前人研究的基础上，开展了岩心描述、薄片鉴定及阴极发光等岩矿分析研究,补充了大量碳、氧稳定同位素、常微量元素分析及全岩X衍射等多项地球化学实验数据,进一步探讨了白云岩岩相的分类依据以及各类白云岩岩相的特征及其成因。

1　样品采集与实验

奥陶系白云岩样品主要采自鄂尔多斯盆地周边的露头及盆地内探井岩心(见图1),层位包括下奥陶统冶里组(O1yl)和亮甲山组(O1ljs)、中奥陶统马家沟组(O2m)和峰峰组(O2f)。用牙钻对白云岩基质、颗粒、孔洞胶结物及裂缝充填物分别进行取样,样品的碳、氧稳定同位素以及全岩X衍射实验由中国科学院地球环境研究所国家重点实验室完成。岩石薄片的微区碳、氧稳定同位素测试完成于中石油西南油气田分公司分析实验中心,电子探针和阴极发光实验由西安地质矿产研究所实验测试中心完成。

碳、氧稳定同位素的分析结果以VPDB为标准,测试误差<0.1‰,精度符合国家标准TTB1(GBW04405),δ13C优于±0.06‰,δ18O优于±0.08‰。

2　实验结果

实验数据(见表1)显示，白云岩的δ13C，δ18O存在正相关性(见图2),除裂缝中的白云石胶结物之外,δ13C与白云石有序度也存在一定正相关性(见图3)。不同白云岩及其中不同结构组分的δ18O(-12.62‰～-4.79‰,平均-7.39‰)，δ13C(-6.33‰～1.37‰,平均-1.02‰)及白云石有序度(0.49～1.0,平均0.74)存在较大差异,这表明它们具有不同的成因机理。分析数据显示，18O和13C含量随温度升高及介质盐度减小而下降,其中δ18O主要受温度影响[4],δ13C则主要受盐度影响[5]。

表1　鄂尔多斯盆地奥陶系白云岩及白云石胶结物碳、氧稳定同位素及X衍射白云石有序度测试数据

图1　鄂尔多斯盆地构造区划及采样点Fig.1　The structuralbelt of Ordos Basinandsamplingpoints

图2　鄂尔多斯盆地奥陶系白云岩及白云石胶结物δ18O-δ13C交会图Fig.2　The cross plot of δ18O and δ13C of Ordoviciandolomite and its cement in Ordos Basin

图3　鄂尔多斯盆地奥陶系白云岩δ13C-白云石有序度交会图Fig.3　The cross plot of δ13Cvs.dolomite ordered degree of Ordoviciandolomitein OrdosBasin

成岩温度计算公式为[6-7]:

T=16.9-4.38(δ18O-δ18Ow+2.7)+

0.1(δ18O-δ18Ow+2.7)2，

(1)

式中，δ18Ow为奥陶纪古海水的δ18Ow,取值-1.5‰,地表淡水的δ18Ow取值0‰(SMOW标准)[8]。

判断碳酸盐岩沉积与成岩环境的指标Z可以按经验公式计算[5]：

Z=2.048(δ13C+50)+0.498(δ18O+50)。

(2)

Z>120指示海水环境,Z≤120指示淡水环境。

3　讨　论

每类白云岩都形成于特定的沉积与成岩环境,具有特征的岩性、结构、构造以及地化特征,其白云石有序度以及碳、氧稳定同位素组成具有明显的差别。

3.1块状泥晶云岩

此类白云岩致密无孔,呈块状构造,多见纹层及缝合线构造以及风暴磨圆角砾结构,白云石晶形差,呈致密镶嵌结构的他形晶(见图4A),常见颗粒状黄铁矿。

块状泥晶白云岩的δ18O(-5.63‰～-8.86‰,平均-7.65‰)和δ13C(-1.25‰～-0.33‰,平均-0.77‰)在所有样品中相对居中,其白云石有序度较低(0.57～0.76,平均0.67)(见图2)。

按公式(1)，(2)计算出泥晶云岩的成岩温度平均为34℃(23～39℃),平均Z值大于120(120～123,平均122),显示出蒸发环境的特征,属于蒸发海水环境(盐度>3.5%)的典型产物,是盐坪毛细管浓缩白云化或潟湖硫酸盐还原菌白云化作用的产物[9]。其δ13C随淡水淋溶作用增强而降低,δ18O随岩石渗透性增加而减小。

有观点认为，富含Mg2+的蒸发海水可促进海水与方解石或文石之间的离子快速交代,从而限制了晶体发育,形成了低有序度的泥晶他形白云石。如果有大量竞争性Fe2+侵入,会进一步降低晶体发育程度及白云石有序度。

此类泥晶白云岩普遍分布于马家沟组马一、三、五段。

3.2生屑骨架云岩相及藻纹层云岩

生屑骨架结构白云岩由软体动物外壳堆砌而成,生屑呈长蛹状,长度1～3 mm,直径0.2～1 mm。粒内充填物主要为石盐及亮晶白云石,粒间主要为球粒泥晶云岩,细菌及藻类钻孔使生屑外壳普遍泥晶化(见图4B)。藻云岩由暗色富藻和浅色富云纹层叠置而成,具潮汐层理(见图4C),含大量硫酸盐还原菌形成的黄铁矿颗粒。

生屑白云岩和藻云岩的δ18O(-7.08‰～-6.19‰,平均-6.49‰)较高,δ13C(生屑白云岩δ13C:-2.25‰；藻云岩δ13C:-3.12‰～-2.46‰,平均-2.88‰)低于泥晶云岩和角砾泥、粉晶云岩的δ13C,白云石有序度(0.49～0.63,平均0.59)也为低值。

据计算，其成岩温度介于26～29℃,平均28℃,生屑白云岩的Z值为124,具有蒸发海水环境特征,蛹状软体动物应属于澙湖窄盐度动物,盐度增加时批量灭绝并被埋藏,之后在硫酸盐还原菌的云化作用下[9]形成骨架支撑的生屑白云岩,且未受地表淡水影响。藻云岩的Z值平均118(118～119),显示潮间带淡水或混合水环境特征。由于有机体相对富集12C,因此两者的δ13C均为低值。

生屑白云岩主要见于马家沟组三段,而藻云岩普遍分布于马家沟组五段。

3.3角砾泥、粉晶云岩

角砾结构泥、粉晶云岩的孔隙及渗透性好,普遍含有蒸发盐结核铸模孔,并多具示底构造(见图4D),常见灰质蒸发盐假晶构造(见图4E),多呈坍塌及原地堆积角砾结构,角砾间或见淡水方解石胶结物,并常与去膏化及去云化成因的次生灰岩互层。

角砾泥、粉晶云岩的δ18O(-9.23‰～-7.82‰,平均-8.66‰)和δ13C(-3.22‰～-1.43‰,平均-1.92‰)较泥晶云岩低。浅埋期被低温热液渗滤的角砾泥、粉晶云岩以及表生期被淡水淋滤的角砾云岩具有更低的δ18O(-11.35‰～-8.11‰,平均-9.76‰)和δ13C(-5.82‰～-3.47‰,平均-4.36‰)。其白云石有序度普遍较低(0.49-0.81,平均0.54)。

据公式(1)，(2)计算，角砾泥、粉晶云岩的成岩温度平均42℃(34～53℃),Z值平均115(110～120),具有浅埋藏期淡水或混合水成岩环境的特征。淡水淋溶作用强烈改造了含膏、盐泥晶云岩,其中碳、氧稳定同位素发生分馏作用,降低了岩石的δ18O和δ13C。如果低温热液再次渗透,则同位素分馏作用会进一步降低δ18O和δ13C。

角砾泥、粉晶云岩相主要分布于马家沟组五段马五1亚段。

3.4块状粉、细晶云岩

粉、细晶白云岩的白云石结晶度高，自形度好,发育大量晶间孔,晶间有灰质组分残留(见图4F),多见残余砂屑结构。粉、细晶白云岩与上、下岩层往往构成特征的岩石组合,其上部多为膏岩或去膏化次生灰岩,其下部通常为泥云岩及云斑灰云岩。

孔隙发育较差的粉、细晶云岩,其δ18O(-5.87‰)，δ13C(0.42‰)以及白云石有序度(0.96)均为高值,其成岩温度24℃,Z值为125,具有蒸发海水成岩环境特征。结合其纵向岩性组合特征,应属于干旱气候下的蒸发台地及局限海台地环境,是卤水回流渗透白云化作用[10]或泥晶云岩重结晶作用的产物。

孔隙性好的粉、细晶白云岩的δ18O为-8.73‰,δ13C为-1.34‰,与淡水淋溶泥、粉晶白云岩类似,白云石有序度为0.9。其成岩温度为39℃,Z值120,具有早期浅埋藏淡水或混合水成岩环境的特征,是回流渗透或重结晶粉、细晶云岩在早期淡水淋滤、溶蚀作用下的产物(见图4G)。

根据露头及岩心观察,粉、细晶白云岩主要出现于马家沟组马五5亚段。

3.5残余结构细、中晶云岩

细、中晶白云岩的典型特征是具有明显的残余颗粒结构。其白云石结晶程度好,晶间发育大量晶间孔及晶间溶孔,阴极发光下晶体普遍呈环带结构(见图4H)。

实验数据显示，此类白云岩的δ18O，δ13C普遍较高(见图2),其中晶体较小的粉细晶白云岩的δ13C(-0.10‰～1.37‰,平均0.7‰)为最高值,其次为晶体较大的细、中晶白云岩的δ13C(-0.89‰～0.41‰,平均-0.12‰),二者的δ18O(-7.88‰～-5.75‰,平均-6.65‰)及其白云石有序度(0.58～1.0,平均0.82)也为高值。

据计算，其成岩温度平均28℃(24～34℃),Z值平均125(124～127),具有正常海水成岩环境(14℃<温度<37℃,123

3.6镶嵌结构重结晶中、粗晶白云岩

处于深埋藏环境的致密重结晶中、粗异形晶白云岩由马鞍状白云石构成,具镶嵌结构及似斑状构造(见图4I),在重结晶残余砾屑白云岩中除异形白云石外,也有部分自形白云石,残余砾屑内的晶体较砾屑间的晶体大,晶间有少量重结晶过程中析出的泥质组分(见图4J)。

异形晶白云岩的δ18O(-6.97‰～-6.95‰, 平均-6.96‰)和δ13C(-0.13‰～-0.03‰, 平均-0.08‰)较高;残余砾屑白云岩的δ18O(-5.91‰)和δ13C(-2.66‰)与淡水淋滤泥晶云岩的数值相近;二者白云石有序度皆为高值(1.0)。

据计算，异形晶白云岩的成岩温度为30℃,Z值为124,数据显示其原岩应为蒸发海水成岩环境的泥晶云岩;由于重结晶作用完成于封闭环境,物质组分与外界未发生交换作用[14]，其碳、氧稳定同位素组成仍保持了原岩的地球化学及成岩环境特征。残余砾屑白云岩的成岩温度为25℃，Z值为119,具有受早期淡水淋滤影响的膏、盐溶角砾云岩的特征。

重结晶异形晶白云岩主要分布于下奥陶统冶里及亮甲山组。

3.7亮晶白云石胶结物

孔隙及裂缝中的亮晶白云石胶结物包括淡水和热液白云石两类。淡水白云石胶结物多呈自形-半自形晶充填于孔隙与裂缝(见图4K),由于含少量Fe2+,缺乏Mn2+,阴极发光暗淡。热液白云石胶结物多呈他形晶填充于溶孔及裂缝(见图4L),由于富含Mn2+,且Fe/Mn介于7～200,因此阴极发光明亮[15]。

淡水白云石δ18O(-9.38‰～-8.87‰,平均-9.12‰)和δ13C(-6.33‰～-5.63‰,平均-5.98‰)呈低值,而热液白云石δ18O(-17.12‰～-10.38‰,平均-14.10‰)和δ13C(-7.57‰～-2.97‰,平均-5.04‰)为最低值。两者白云石有序度皆为1.0。

据计算， 淡水白云石的成岩温度平均41℃(40～42℃),Z值平均111(110～111)。 这表明淡水白云石形成于浅埋藏中—低温淡水或混合水开放环境; 热液白云石的成岩温度平均70℃(48～90℃),表明其形成于开放性的中—高温环境。由于随温度升高同位素分馏程度降低,因此热液白云石的δ18O，δ13C均为低值,据此计算的Z值(104～112)不能作为盐度的指标。

4　结　论

鄂尔多斯盆地奥陶系主要有6大类白云岩,具有明显不同的岩相及碳、氧稳定同位素组合特征。

1)泥晶云岩致密无孔,形成于蒸发台地准同生白云化作用,白云石含量高并呈他形晶镶嵌接触,白云石有序度普遍较低;其δ18O和δ13C较高,δ13C随淡水淋滤作用增强逐渐减小。

2)生屑云岩及藻云岩为澙湖及潮间带准同生或微生物白云化产物,前者具生物骨架结构,后者发育藻纹层构造,白云石含量高,有序度低;其δ18O相对较高,δ13C随有机质含量增加而降低。

A 风暴角砾泥晶云岩，颗粒成分复杂，定向排列(扫描电镜)，D32-35,2 844.7 m，O2m54; B 生屑骨架泥晶云岩，蛹形软体生物壳堆积形成骨架结构，孔隙被云质泥晶及石盐充填(单偏光)，E4-6，3 418.72 m，O2m3; C 藻纹层构造泥晶云岩，暗色富藻纹层与浅色贫藻纹层交互沉积(单偏光)，HJ-74，O2m53; D 膏、盐溶蚀角砾粉晶云岩,埋藏期酸性地层水溶蚀，孔隙中早期方解石胶结物(铸体薄片),FG7-68, 2 960.0 m, O2m56; E 石盐假晶泥晶含灰云岩(单偏光)，J1-75，3 053.0m,O2m; F 残余砂屑粉晶灰质云岩(茜素红染色薄片)，HJ-67,O2m2; G 粉、细晶云岩，含大量晶间孔，部分晶间孔充填灰质(铸体薄片)，D30-2，3 022.0 m，O2m55; H 残余鲕粒中、细晶白云岩，含晶间孔及晶间溶孔(阴极发光图像)，J1-16,3 303.15 m，O2m; I 镶嵌结构粗、中晶白云岩，含大量异型白云石，具似斑状构造，岩石致密无孔(单偏光)，E4-11，3 491.6 m,O1yl; J 残余竹叶状砾屑云岩，砾屑重结晶晶体小，砾间基质重结晶晶体大，泥质分布在晶间孔中(单偏光)，HJ-57,O1ljs; K 淡水白云石胶结物,裂缝中的自形—半自形晶体(电子探针背散射图像)，FG7-58, 2 962.6 m,O2m56; I 热液白云石胶结物呈他形晶充填于溶蚀孔(电子探针背散射图像)，D84-1, 2 732.0 m,O2m52图4　鄂尔多斯盆地奥陶系白云岩混合水及埋藏成岩相岩相特征Fig.4　The petrographic characteristics of mixing water and burial diagenetic facies of Ordoviciandolomitein Ordos Basin

3)膏、盐溶蚀角砾泥、粉晶云岩为准同生白云化产物,受早期及表生期淡水淋滤及溶蚀作用影响,含灰质假晶、铸模孔及砾间溶孔等,常与次生灰岩互层,白云石有序度低,其δ18O和δ13C较低并随淡水淋溶而减小;孔、缝中的淡水白云石为自形晶,阴极发光暗淡无光,有序度为1,δ13C为低值;部分孔、缝充填他形热液白云石,阴极发光明亮,有序度为1,其δ18O和δ13C均为最低值。

4)细、粉晶云岩形成于回流渗透白云化作用,晶形好,有序度高,含残余灰质组分;其δ18O和δ13C较高,淡水溶蚀后晶间灰质组分被溶蚀,形成晶间孔发育的储层,其δ18O和δ13C也随之降低。

5)残余颗粒中、细晶云岩形成于海水交代白云化作用,其白云石含量高，晶形好,有序度高,δ18O和δ13C普遍为高值。经早期淡水淋滤、溶蚀后,形成大量晶间孔,成为良好的晶间孔型储层。

6)镶嵌结构中、粗晶云岩形成于封闭系统的重结晶作用,以马鞍状异形白云石为主,晶体彼此镶嵌接触,有序度为1,常见残余角砾结构及似斑状构造;其δ18O和δ13C保持原岩的特征。

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(编辑雷雁林)

The characteristics of Ordovician Dolomite petrography and its composition of Carbon and Oxygen stable isotope in Ordos Basin

YANG Hu1，2, SHI Kun2, LIU Jia-wei2

(1.Department of Natural Gas Exploration and Development, Yanchang Oil and Gas Exploration Company, Yan′an 716000， China; 2.School of Earth Sciences And Engineering, Xi′an Shiyou University, Xi′an 710065, China)

The lithofacies characteristics such as lithology, texture andstructure have been studied by the means of thin section, cathodoluminescence image analysis, electron probe and wave spectrum. Based on carbon and oxygen stable isotope testing and dolomite X diffraction analysis of whole-rock and mineral microarea, the dolomite geochemistry and diagenetic conditions and environment have been studied.The results show that, the Ordovician dolomite can be divided into the following six major types. (1) the blocky micrite dolomite: shaped under the penecontemporaneous dolomitization, with features of high dolomite content, vivid micritic structure, low dolomite ordered index, and higherδ18O andδ13C; (2) the biological framework dolomite: formed in penecontemporaneous and microbial dolomitization and charactered by high dolomite content, clear biological skeleton structure, low dolomite ordered index, and higherδ18O and lowerδ13C; (3) the breccia dolomite: shaped under the penecontemporaneous dolomitizationand freshwater leaching in early diagenesis and epidiagenetic on carbonate platform, with properties of gray pseudocrystal, dissolved pore, brecciated structure,lower dolomite ordered index, and lowerδ13C; (4) the block powder-fine crystal dolomite: made in seepage-reflux dolomitization, particularly containing different amounts of gray component, fine powder, high-ordered dolomite, and higherδ18O andδ13C,ifleached byfreshwater in early diagenesistergranular pores appeared andδ13Cdecreased; (5) residual grain structure fine-middle dolomite: built up during seawater replacing dolomitization and distinguished by containing different amounts of gray component or intergranular pores, residual particles structure, high dolomite ordered index, and highδ18O andδ13C; (6) the mosaic structure middle-coarse crystalline dolomite: generated by recrystallization in buried closed environment with peculiarities as high content of dolomite, mosaic structure, porphyritic-like structure, saddle-shaped dolomite and high ordered index, as well as maintaining the original rockδ18O andδ13C. Hydrothermal and freshwater dolsparite cements in fissure and dissolved pores are high dolomite ordered index and extremely lowδ13C. Compared with the hydrothermal dolomite, freshwater dolomite has higherδ18O, contains micro Fe2+and lacks Mn2+. Therefore,δ13C,δ18O and dolomite ordered index are all the important indication to identify dolomite types, diagenesis condition and environment.

dolomite; Carbon and Oxygen stable isotope; dolomite ordered index; Ordovician; Ordos Basin

2015-04-14

中石化国家油气重大专项专题基金资助项目(2011ZX05005-004-08HZ);国家自然科学基金资助项目(41173035)

杨虎,男,陕西凤翔人,高工,从事天然气勘探开发研究。

TE122.23

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-03-020