关于风化壳岩溶型白云岩储层的两个问题思考

孙玉景，周立发.

(1.东华理工大学地球科学学院，江西南昌 330013；2.西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西西安 710069)

地球内部油气资源的三分之一赋存在碳酸盐岩中，尤其是白云岩中分布着数量可观的油气资源。白云岩储层在碳酸盐岩油气勘探中占据着举足轻重的地位。我国的塔里木盆地、四川盆地、鄂尔多斯盆地中深部层系白云岩的研究近年来取得了突飞猛进的进展[1-3]。在适宜的古气候环境和古水文条件下，白云岩中可以形成风化壳岩溶储层，例如我国鄂尔多斯盆地奥陶系发育的岩溶储层。此类储层的研究有别于其他类型的碳酸盐岩储层，研究的难点在于“白云石化模式”的研究，重点在于“岩溶古地貌”的研究。这两方面的问题共同构成了“风化壳岩溶型白云岩储层”研究的核心问题，亟待解决。因此，本文针对风化壳岩溶型白云岩储层，通过调研研究现状，详细剖析以上两个关键科学问题，指明存在问题，提出改进建议，以期为今后此类储层的分布预测和精细描述等提供更多的地质依据。

1 白云石化模式

风化壳岩溶型白云岩储层研究的难点在于“白云石化模式”。对白云石化模式的研究主要是通过对白云石化模式归类，探究每一种模式下白云石化作用发生的环境、条件、机理，并分析存在的问题。

1.1 白云石化模式的分类

由古至今，白云岩的数量在递减，特别是全新世以来，碳酸盐岩地层中极少有白云石沉淀，现今自然界中几乎不能形成白云岩[4-7]。起初，白云岩被认为主要是原生沉淀形成的，随着研究的不断深入，大量证据表明，白云岩的形成以次生交代为主[5]。Deelman曾经合成了白云石并且总结了相应的合成条件，诸如温度等[8]。但在Deelman的实验之后，未见国内外其他学者进行的重复实验。截至目前，理想的白云石无法在实验室特定的温度和压力条件下人工合成。1791年至今的两个多世纪里，“白云岩问题”始终萦绕在地质学家的心头，该问题的研究也在不断深入[3,9-10]。

关于白云石的生成有3种不同的化学反应机理[6]：

③2CaCO3+Mg2+=CaMg(CO3)2+Ca2+

②式和③式代表了次生白云石的反应机理，即“白云石化模式”的反应机理。白云石化模式的研究经历了相当漫长的阶段，众多研究者对其进行了实验分析和归纳总结[6-7]。目前主要包括7种模式：蒸发模式、渗透回流模式、混合水成因模式、海水成因模式、埋藏成因模式、热液成因模式、微生物白云石化模式(图1)。

1.1.1 蒸发模式

蒸发模式(萨布哈模式)形成于20世纪60年代，以波斯湾准同生白云岩为代表，白云岩化深度<500 m，c(Mg2+)/c(Ca2+)在10～30之间，通常由海水渗透到碳酸钙地层之后在蒸发作用下浓缩形成。石膏等蒸发岩矿物通常会出现在此类白云岩中[6,11]。

1.1.2 渗透回流模式

渗透回流模式最早由Adams等在1965年提出，以加勒比海小安得列斯群岛更新统白云岩为代表，白云岩化深度<700 m，c(Mg2+)/c(Ca2+)在10～30之间，一般是在潟湖或潮坪环境中，由海水蒸发形成高盐度卤水之后向下渗透到碳酸钙地层而形成。泥—粉晶白云岩是该模式下的主要白云岩类型[6,12]。

1.1.3 混合水成因模式

混合水成因模式最早由Badiozamani于1973年提出。国外的典型代表是美国威斯康星中奥陶统米夫林段发育的白云岩，白云岩化深度<500 m，c(Mg2+)/c(Ca2+)在1.24～3.64之间，一般由大气淡水与海水混合，再下渗到海平面以下地势较高的灰岩地层中发生反应[6,13]。国内的典型代表是鄂尔多斯盆地奥陶系沉积的白云岩，白云岩化深度在500～1 500 m之间，c(Mg2+)/c(Ca2+)在1.24～3.64之间，通常是海水在自身的压力下渗透到灰岩地层当中，再与地下淡水形成混合水。开放环境中大气淡水或地下水与海水混合之后的白云石化即此类成因模式，“雾心亮边”是混合水成因白云石的一个显著特点[6,14]。我国四川盆地中南部寒武系白云岩也可能为混合水白云石化作用形成的[15]。

1.1.4 海水成因模式

海水成因模式最早由Land于1985年提出，是指海水当中的Mg2+和Ca2+浓度均变化不大，当海水流经方解石地层且浓度比达到一定要求时所发生的白云石化作用[16]。当白云岩化深度<700 m，c(Mg2+)/c(Ca2+)在5.2～10之间时，海水渗透到浅层灰岩地层当中；当白云岩化深度介于700～2 000 m，c(Mg2+)/c(Ca2+)在5.2～10之间时，海水在自身的压力下渗透到深层的灰岩地层当中[6]。此种模式对海水本身的Mg2+浓度要求较高，最终形成的白云岩可能是结晶白云岩或者颗粒白云岩，典型代表是巴哈马晚新生代发育的滩白云岩。

1.1.5 埋藏成因模式

埋藏成因模式的提出源于众多研究者对有关地质现象的反复观察与深入思考。一些研究发现，白云岩的含量与地层深度可能存在一定的正比例关系，由此引发了对地层埋深在2 000 m以下的白云岩成因的探讨。典型代表是加拿大新斯科合上侏罗统Abenaki地台发育的白云岩，白云岩化深度在2 000～3 000 m之间，c(Mg2+)/c(Ca2+)在4～10之间，压实作用下地层中的海水或其他成岩流体在地层中流动，创造了适宜的成岩环境[6]。埋藏成因模式得以成立的关键是深埋藏条件提供了有利的温度和压力，但Mg2+的多源性和相关的流体动力学机制等也成为值得进一步探讨的问题[17]。

1.1.6 热液成因模式

热液成因模式源于Graham R. Davies等在AAPG主题专辑中提出的热液白云岩理论，这种模式也引起了白云岩研究者的浓厚兴趣[18]。典型代表是纽约州上奥陶统特伦顿-布莱克里弗群发育的白云岩，白云岩化深度通常>2 500 m，c(Mg2+)/c(Ca2+)在4～10之间，由于深部热流体上涌或岩浆活动、底辟构造等，使温压较大的富Mg2+流体渗透到上覆的地层当中或沿断层向上运移，进而引发白云石化作用[6,19]。热液交代的过程中，同时具有一定程度的溶蚀性。此种成因的白云石化作用相比其他成因较易被理解，逐渐得到了广泛的应用。

1.1.7 微生物白云石化模式

微生物白云石化模式起源于Compton在1988年提出的“有机成因白云岩模式”，随后Vasconcelos等在1995年正式提出“微生物白云石化模式”，后者是对前者的进一步论证说明[20-21]。目前，已有大量室内实验证明，在有机质和微生物驱动下发生的化学反应对碳酸盐早期的沉积成岩有重要影响，凡是在微生物参与之下的硫酸盐还原反应、甲烷厌氧化反应或者有氧呼吸等均有利于白云石的生成。故此种模式渐渐引起了人们的重视[6,22-26]。微生物白云石化模式表明有机质、微生物、盐度、温度、Mg2+浓度是影响此类白云岩成因的因素，微生物活动在白云石生成过程中的影响可能大于n(Mg2+)/n(Ca2+)和蒸发作用等其他条件的影响[5,7]。不同种类的微生物广泛分布于各种沉积环境中，在探究白云岩成因时，不论是哪个地质历史时期形成的，都不能忽略微生物的影响[7]。我国发育的典型微生物白云岩是四川盆地震旦系灯影组白云岩[27-29]。

以上7种白云石化模式的实质都是在一定的地质条件下钙质碳酸盐与富镁流体结合，进而发生白云石化作用。各种白云石化模式的区别主要在于白云石化作用的相对深度、c(Mg2+)/c(Ca2+)及流体动力学机制。c(Mg2+)/c(Ca2+)和流体动力学条件是制约白云石化作用的两个重要因素，其中动力学条件主要是指温度和微生物活动[6-7]。

1.2 存在问题

根据前述白云石化模式的分类及每一种白云石化模式的具体特征，发现目前的研究中主要存在以下3个问题，制约着今后的相关研究和应用。

1.2.1 热液成因模式和埋藏成因模式的混淆

由于热液成因模式和埋藏成因模式的白云岩化深度较大且接近，普遍大于2 000 m，这两者的应用不可避免地出现过混乱。例如，在发现了冲断带附近的热液流体运动之后，威尼斯南部侏罗系的白云岩才被明确地解释为热液成因白云岩[30-31]。已有的相关研究中，对于浅层白云石化已经有了较清楚的认识，但是对于深层白云石化的机理尚不完全明确。在现今的实验条件下，难以模拟深层高温高压的成岩环境，因此深层条件下的热液成因模式和埋藏成因模式还有非常大的研究空间。

1.2.2 微生物白云石化模式的忽略

微生物白云石化模式是7种白云石化模式中发现最晚的一种模式。在白云石化模式探究的过程中，如果过于强调蒸发作用、强调c(Mg2+)/c(Ca2+)或者强调其他因素，便会忽略微生物的活动，很可能将微生物白云石化模式解释为其他6种模式，导致白云石化模式应用的错误。由于微生物白云石化模式发现较晚，今后也存在很大的研究空间。

1.2.3 白云石化模式的局限性

根据以上7种确定的白云石化模式，并不能建立基于白云石化模式的具有系统性和连续性的白云岩成因类型。换言之，前述7种白云石化模式仅仅可以解决相应的环境下某一特定地区特定层位白云岩的成因，并不具有普适性，每一种模式的应用都存在一定的环境局限性。因此，对于一个新的研究区域研究层位，如何从7种模式中快速准确地甄别出与之相适应的模式，值得思索。

图1 白云石化模式示意Fig.1 A sketch of dolomitization model

1.3 改进建议

白云石化模式的研究是一个具有一定难度、进展相对缓慢的课题，针对某一特定地区特定时期的白云岩，其白云石化模式的研究需要做科学而具体的分析，通过白云岩化深度、白云岩化流体中的镁钙比、形成环境、典型矿物来判断白云石化模式。埋藏成因模式相对来说更具有普遍性，埋藏白云岩中δ18O多为负值，Sr和Na等微量元素含量很低；热液成因模式中应寻找热流体、断裂活动等典型证据；微生物白云石化模式中尤其要重视细菌的活动。总体来说，重点应从以下两个方面进行改进。

1.3.1 研究思路的调整

随着白云岩相关研究的不断深入，白云石化模式的研究应逐渐地由“定性研究”转变到“定量研究”、由“概念模型”转变到“数值模型”。白云石化模式的研究不能再单纯依靠沉积学中关于矿物岩石的基础理论和实验分析，而应该与地质建模和数值模拟相结合，通过设置合理的地质参数及模型，对各种成因模式中涉及的白云石化流体流量、流动机制、c(Mg2+)等展开定量研究。

1.3.2 研究方法的完善

不同的成因模式代表着白云岩形成的不同内涵，这就需要借助于对岩石、矿物、元素从宏观到微观进行地球化学特征的详细分析来深入研究。目前，白云石化模式的研究方法主要有：电子探针分析、阴极发光分析、稀土元素分析、碳氧同位素分析、X射线衍射分析。通过对不同成岩环境中流体成分与特性、流体活动、成岩作用、岩石与矿物的分析，以及微生物活动的分析等，为特定的白云石化模式提供证据。随着地质学领域先进技术手段的不断发展，在传统的地球化学分析测试的基础上，也可以结合同位素定年、古地磁分析、原子力显微镜等方法和仪器来研究白云岩的微观晶体结构。

研究思路的调整和研究方法的完善会为白云石化模式的研究提供更多更可靠的理论依据和事实依据，不仅能针对性地解决目前存在的3个问题，还能为未来白云石化模式的研究奠定更加坚实的基础。

2 岩溶古地貌

岩溶古地貌的研究对于风化壳岩溶型白云岩储层的研究来说是重中之重，对于此类储层的分布预测、储层的精细描述等具有实际意义[32-36]。通过古地貌的恢复进行古地貌单元的划分，同时结合岩溶垂向分带，有助于寻找岩溶储层的空间分布规律并建立岩溶发育模式。20世纪50年代古地貌研究逐渐兴起，而国内的古地貌研究起步于20世纪70年代。不同地区的岩溶古地貌在宏观上主要受当时的古气候类型、构造运动、暴露时间的影响，在微观上主要受矿物的类型、颗粒的大小及岩石孔渗性的影响[37-39]。暴露在现代地形中的岩溶古地貌容易观察和研究，然而深埋藏条件下的喀斯特地貌却难以清楚地进行描绘和解释[40]。古地貌恢复的直接成果是古地貌地质图，图中可以展现出物源区和沉积区等[39,41]。

2.1 岩溶古地貌恢复

古地貌恢复的方法包括：残厚法、印模法、回剥法、沉积学方法、层序地层法、地球物理法等[37-39,41-43]。残厚法是最直接的一种恢复方法，其实质是绘制出不整合面之上残余地层的厚度等值线图，鄂尔多斯盆地的岩溶古地貌曾经使用这种方法来恢复[44-45]。印模法的实质是确立风化壳之上的某一标志层，绘制出标志层与不整合面之间的地层厚度图，是一种间接方法。残厚法和印模法两者常常被结合起来[46-49]，如“下薄+上薄”型、“下厚+上厚”型为二级古地貌的划分依据，“下厚+上薄”型、“下薄+上厚”型为三级古地貌的划分依据[48]，这大大提高了古地貌恢复的精度。回剥法的实质是在模拟盆地埋藏史与沉积史的基础上，确定研究区目的层的埋藏深度，再利用镜像原理，反演出当时的古地貌形态[50-51]。沉积学方法的实质是将基础地质图件与古构造、古环境、古水流等多种沉积学信息结合起来恢复古地貌，典型的代表是鄂尔多斯盆地侏罗纪沉积前古地貌的恢复[52]。层序地层法的实质是依据层序地层学原理建立等时地层格架，以两个地层等时界面之间的厚度来反应研究区的古地貌，新疆塔河地区的古地貌曾经使用这种方法来恢复[53]。地球物理法的实质是利用相关地震资料，采用波阻抗反演法、正演模型法等来识别地貌的高低起伏并建立与研究区对应的识别模型，鄂尔多斯盆地神木—榆林地区和延长地区的古地貌都曾经使用这种方法来恢复[54-55]。

综合来看，残厚法和印模法是较为常用的两种方法，最终通过地层厚度可以直接判别古地貌的高低形态等；回剥法与印模法有相似之处，区别在于回剥法需要进行盆地埋藏史和沉积史的模拟；沉积学方法需要掌握大量研究区的地质资料，如果研究区地质资料的数量较少、质量较低，古地貌恢复的结果将会与实际产生较大偏差；层序地层法是伴随层序地层学的发展而逐渐应用的一种方法，可以预见未来的古地貌恢复研究中高分辨率层序地层学方法将会发挥越来越重要的作用；地球物理法不仅是油气勘探过程中必不可少的一种方法，更是古地貌恢复时一项关键的技术手段。实际应用时，需结合研究区地质概况及相关地质资料，选择更加准确和适宜的古地貌恢复法。

岩溶古地貌恢复之后，一般可在平面上划分3种不同类型的二级古地貌，分别为岩溶高地、岩溶斜坡、岩溶盆地，以及若干三级古地貌，诸如台地、沟槽、谷地、洼地、残丘等。目前的古地貌划分很少进一步细划到四级古地貌。二级古地貌的准确划分和三级古地貌的精细划分共同决定着某一区域能否成为优质储层。不同的古地貌对储层的影响需要结合实例具体分析。一般来说，二级古地貌中的岩溶斜坡区是优势储层发育区，三级古地貌的残丘等部位是优势储层发育区。

2.2 存在问题

岩溶古地貌的恢复是一项综合性很强的工作，通过以上对岩溶古地貌恢复方法及古地貌恢复结果(古地貌单元的确立)的一系列调研，发现目前的研究中主要存在以下问题。

2.2.1 缺少岩溶古地貌定量研究

岩溶古地貌恢复的研究大都停留在定性阶段，涉及定量的研究并不是特别成熟，一些定量化的手段有待进一步开发研究。目前存在的主要问题是对二级古地貌的恢复不准确、对三级古地貌的刻画不精细，尚不能通过精准的数值来准确定位二级古地貌单元和三级古地貌单元的界限及范围，使其接近实际。

2.2.2 古地貌恢复结果互相矛盾

一般情况下，通过单一的恢复方法并不能使宏观古地貌的格局与局部古地貌的刻画有机统一。借助不同的方法来恢复岩溶古地貌，其结果之间可能多多少少地存在矛盾与冲突，例如“印模法”与“残厚法”。因此，矛盾与冲突的消除对于最终古地貌的形态特征的确定就显得格外重要。

2.2.3 三级古地貌的命名不统一

二级古地貌的命名在学术界已得到了一致认可，即岩溶高地、岩溶斜坡、岩溶盆地，但对于三级古地貌的命名并未完全统一。目前出现的三级古地貌单元名称有：台地、阶坪、阶地、沟谷、沟槽、残丘、溶丘、溶坑、浅洼等。同一种三级古地貌单元可能出现两种甚至三种不同的命名。命名的混乱非常不利于对三级古地貌单元的深入研究。

2.3 改进建议

产生这些问题的原因是多方面的，应分别从以下3个方面有针对性地解决问题。

2.3.1 开展岩溶古地貌的定量研究

以往的研究中出现过一种定量研究方法，通过风化壳上下地层厚度的组合方式来划分古地貌[48]，但这种厚度界限值仅适用于研究区。如果换做其他研究区，这种厚度界限值就不再适用。因此，这种方法需要做进一步的探究。在实际的研究中，可以将各个特征参数(如古水深、残余地层厚度、剥蚀地层厚度等)与属性参数(如古物源、古环境等)进行有机结合，通过各参数的分析对比，与最终恢复的古地貌相互佐证。在岩溶斜坡区，如果需要进行坡度计算，可以利用不同点之间地层厚度的差值和两点之间的水平距离来计算。

2.3.2 选择合适的古地貌恢复方法

古地貌恢复方法的选择首先需要明确区域地质背景，其次要参考所掌握的地质资料，最后进行古地貌方法的选择。古地貌恢复方法直接决定着岩溶古地貌能否准确恢复和精细刻画。由于每一种恢复方法的原理和侧重点不同，例如残厚法对局部古地貌的刻画较为精准，印模法对宏观古地貌的刻画较为真实，当不同方法的恢复结果之间出现矛盾与冲突时，要科学分析问题，去伪存真，大胆取舍，选择符合古地貌演化规律的恢复结果。

2.3.3 逐步统一三级古地貌的命名

三级古地貌单元命名的统一还需要国内外专家学者的共同努力，在深入认识不同三级古地貌单元的特征与性质的基础上，逐步统一命名。不同的三级古地貌单元内，白云岩储层的破坏和改造程度不同，造成岩溶储层的物性不同。因此，命名统一以后，三级古地貌单元与岩溶储层之间的关系会更加明确，岩溶储层空间分布规律也会有更加深入的认识。

3 展望

进入20世纪90年代中后期，在水文学、岩溶学、沉积学、油气储层地质学等多学科岩溶研究的基础上，地球化学、常规测井、成像测井、地震勘探等技术手段开始用于岩溶的系统化及定量化研究，涵盖了风化壳岩溶的演化、岩溶作用的期次与强度、岩溶储层的储集性能、碳酸盐岩溶洞的识别、风化壳储层的预测、风化壳岩溶发育模式等内容[56-61]。通过对我国的一些典型岩溶储层进行分析，岩溶识别标志、岩溶相带划分方法、溶蚀孔洞缝发育机理、岩溶发育主控因素等得到了更加深入的研究[62]。

总体上，国内外关于风化壳岩溶型白云岩储层的研究逐渐从“理论研究”转向“应用研究”、从“定性描述”转向“定量描述”、从“宏观预测”转向“微观剖析”[63]。储层评价已经从“单因素评价”发展到“多因素评价”，在最初地质参数评价的基础上，测井参数(声波时差、电阻率等)和地震参数(地震振幅、地震相干、波阻抗反演等)评价也越来越广泛地应用在实际中。多参数评价体系的确立有助于从多角度展开对储层的精细描述[64-67]。具体来说，主要是通过多种手段、多种参数确定某一特定地区特定层位“风化壳岩溶型白云岩储层”的白云石化模式、岩溶古地貌等，最终明确优势储层发育区，同时展开储层精细描述。

“白云石化模式”和“岩溶古地貌”这两个问题直接影响着风化壳岩溶型白云岩储层的分布预测，即优势储层发育区的确定。针对这两方面的问题，今后应注重对研究方法和技术手段的改进，充分利用岩心、薄片、录井、测井、地震及测试等各项地质资料，宏观与微观相结合、静态地质资料和动态测试资料相结合的方法，对储层的宏观和微观的储集特征进行分析，尤其是加强对白云石化模式的甄别和对岩溶古地貌的刻画，最终明确岩溶储层的主控因素及成因机理。