鄂尔多斯盆地南部奥陶系马五段去白云石化成因及模式

雷 涵，黄文辉，孙启隆，车青松

(1.中国地质大学(北京)能源学院，北京 100083；2.中国地质大学 海相储集层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京 100083；3.中国地质大学(北京)非常规天然气地质评价及开发工程北京市重点实验室，北京 100083)

0 引 言

去白云石化最早于1847年由瑞士地质学家von Morlot提出，起初被定义为：通过Ca/Mg值高的流体与白云石反应(CaMg(CO3)2+Ca2++SO42-→2CaCO3+Mg2++ SO42-)，白云石被方解石或其他矿物交代的现象，是一种与白云石化相反的过程[1-2]，现在其定义已被延伸成为一种矿物转化过程[3]。

鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组碳酸盐岩蕴藏了丰富的天然气资源，马五段被认为是优质储集层[4-6]，而去白云石化现象在马五段白云岩中十分常见，因此研究去白云石化的成因和发生模式对于了解马家沟组储集层成岩演化、物性变化和寻找有利勘探区十分重要。研究表明，去白云石化可发生在多种成岩阶段和成岩环境中，地表或近地表条件下的去白云石化通常与大气淡水和膏盐溶解相关，大气淡水造成石膏溶解，成岩流体中Ca2+增加，驱动去白云石化发生[7-10]；深埋藏环境中，富Ca2+热卤水会导致与断裂相关的热分解去白云石化作用(CaMg(CO3)2+Δ(热量)→CaCO3+MgO+CO2↑)[11-13]；此外，塔里木盆地发现热液也可以引起去白云石化作用的发生[14]。然而，在研究过程中，仅有少量文献明确表明马家沟组白云岩可能经历了地表、近地表时期及中—深埋藏环境中，与不整合面、缝合线、石膏结核、埋藏溶蚀孔洞缝有关的去白云石化[15-16]，并未找到关于鄂尔多斯盆地白云岩去白云石化发生模式的研究。

关于去白云石化作用过程中对储集层的改造，有研究表明，在富含硫酸钙的碳酸盐岩中，去白云石化可加速甚至导致岩溶作用[17]；但去白云石化也可能导致脉状方解石或钙质胶结物的沉淀[18]。有关鄂尔多斯盆地的研究中，覃建雄等[15]认为下奥陶统马家沟组上部含气储集层因去白云化作用而孔隙度大幅上升，同时也有研究指出鄂尔多斯盆地中后期酸性流体通过溶蚀去白云石化成因灰岩或灰质组分易形成优质储集层[16]；但苏中堂等[19]和何明倩等[20]认为去白云石化会堵塞孔隙，不利于白云岩中的孔隙保存。总体而言，作用过程中去白云石化对储集层改造的认识差异较大。

由于鄂尔多斯盆地南部奥陶系马五段1—2亚段部分含膏模孔层段去白云石化现象明显，因此本文选取含膏模孔的白云岩和去白云石化灰质云岩样品，通过对比碳氧同位素和微量元素，结合其岩石学特征，判别去白云石化的成因，分析去白云石化的成岩演化过程及其对储集层的微观作用过程，并建立去白云石化作用模式。

1 区域地质概况

鄂尔多斯盆地位于华北克拉通西部，是以太古宇和元古宇为基底发育的多旋回克拉通型盆地，包括中部的伊陕斜坡、北部的伊盟隆起、南部的渭北隆起、东部的晋西挠褶带、西部的天环坳陷和西缘掩冲带[21]。奥陶纪华北地台共经历3次海退和海进沉积旋回[22]，早奥陶世海平面持续下降，盆地南部古陆扩大；中奥陶世马家沟期，海平面开始上升，海水区域又逐渐扩大；平凉期至背锅山期，加里东运动导致鄂尔多斯盆地整体抬升，古陆范围不断扩大，接受长期风化剥蚀；直至晚石炭世，盆地才开始重新接受沉积，导致奥陶系与上覆石炭—二叠系呈平行不整合接触。

马家沟组自下而上可分为马一段(M1)至马六(M6)段，马六段上部发育不整合面。其中马五段沉积时，气候干热，海平面动荡升降，呈现出快速海侵、缓慢海退的特征，内部形成了膏盐岩与碳酸盐岩互层的沉积，为碳酸盐岩蒸发台地相沉积，其中马五1亚段(M51)和马五2亚段(M52)主要发育晶粒白云岩、膏质白云岩、含膏白云岩、膏盐岩与灰质云岩，偶见灰岩，根据岩石类型组合特征，划分为膏云坪、泥云坪和灰云坪沉积微相。研究区位于鄂尔多斯盆地南部，横跨黄陵—洛川—富县—宜川一带，地处伊陕斜坡南缘，中央古隆起与米脂凹陷之间(图1)。

图1 鄂尔多斯盆地奥陶纪古构造分区

2 样品采集及测试

本研究的样品均采自鄂尔多斯盆地南部8口井中白云岩岩心，深度为2 259.82～3 599.74 m，层位主要为奥陶系马家沟组中组合马五段1—2亚段(M51+2)。岩石成分、组构特征的鉴定与分析在中国地质大学(北京)海相储集层演化与油气富集机理重点实验室完成，使用LEITZ-CM Leica DM750p偏光显微镜，ELM-2B阴极发光显微镜，Mini-SEM SX-1500扫描电镜对成岩作用类型、充填矿物形态及性质进行分析研究，检测依据为SY/T5368-2000。

碳酸盐岩碳、氧同位素的测试分析在中国科学院地质与地球物理研究所实验室完成，测试采用Finnigan公司的MAT253型气体同位素质谱仪。测试过程中将样品粉末与100%磷酸反应，收集释放出的CO2进行分析。测试结果的参考标准为Vienna Pee Dee组箭石(VPDB)，分析精密度为±0.1‰。

碳酸盐岩全岩样品的碎样和研磨制备及主微量元素分析测试均在中国科学院地球化学研究所(贵阳)完成，主量元素测试分析采用X荧光光谱(XRF)分析法，在RIX2100仪器中进行分析测试，相对标准偏差在5%范围内，微量元素测试采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)，相对标准偏差在10%范围内。检测依据为国家标准(国标GSS-5、GSR-6、GSD-12)。测试所得的主、微量元素和碳氧同位素校正后数据如表1。

表1 鄂尔多斯盆地南部马五段白云岩地化数据

3 岩石学特征

鄂尔多斯南部盆地奥陶系马五1—2亚段微晶白云岩中富含石膏结核，根据岩性和结构可将其分为微晶白云岩、含膏模孔微晶云岩和含膏模孔微晶灰质云岩。

微晶白云岩晶间孔十分发育，晶形呈半自形(图2(a))。含膏模孔微晶云岩中膏模孔发育，部分膏模孔被方解石完全充填(图2(b))，部分膏模孔则发育成示底构造(图2(c))，围岩晶间孔一般发育，偶见微裂隙发育。含膏模孔微晶灰质云岩与含膏模孔微晶云岩结构类似，膏模孔发育(图2(d))，但其中方解石与白云石混杂分布，表明为不完全灰化，整体岩性致密，晶间孔不发育，裂缝一般发育，早期裂缝已被方解石脉充填，后期微裂隙发育于方解石脉中(图2(e))。

(a)Y1725，2 260.82 m，微晶白云岩，铸体薄片；(b)Y1757，3 275.1 m，含膏模孔微晶云岩，膏模孔发育；(c)Y391，3 113.2 m，含膏模孔微晶云岩，膏模孔发育为示底构造；(d)Y1758，3 067 m，含膏模孔微晶灰质云岩，茜素红染色，膏模孔发育为示底构造；(e)Y1758，3 063 m，微晶灰质云岩，铸体薄片，茜素红染色；(f)Y628，2 810.7 m，溶蚀缝将晶粒灰岩破裂成角砾状，溶蚀缝内充填大量泥质(Arg)

4 讨 论

4.1 去白云石化成因

4.1.1 成岩作用

白云岩中Mn和Sr含量通常受沉积和成岩环境改变的影响，Mn/Sr比值大小可以反映成岩作用对环境的改造强度，比值越大，成岩作用改造越强，Mn/Sr>3 一般说明经历了强烈的成岩改造[5,23-24]。微晶白云岩平均Mn/Sr为0.881，含膏模孔微晶云岩为1.913，含膏模孔微晶灰质云岩为4.339(表1)，指示了微晶白云岩几乎未经历成岩改造，含膏模孔微晶云岩经历了轻微—中等强度的成岩改造，而含膏模孔微晶灰质云岩经历了强烈的成岩改造。

碳酸盐岩的δ13C和δ18O主要受成岩作用的影响，通常淡水淋滤使δ13C和δ18O降低，一般会导致海水的δ18O偏轻3‰左右[25]，高温高压埋藏作用也会使δ13C 和δ18O降低，受热液影响的白云岩δ18O值通常低于-10‰[26-28]。将微晶碳酸盐岩的碳、氧同位素作交汇图(图3)，奥陶纪海水的碳同位素值域为-2.0‰～0.5‰，氧同位素值域为-6.6‰～-4.0‰[29]，因此若经历淡水淋滤，奥陶系样品氧同位素值域应为-9.6‰～-7.0‰；微晶白云岩样品的δ13C和δ18O值基本分布于奥陶纪海水同位素值域范围内，且Mn/Sr表明其几乎未经历成岩改造，说明基本保持了原始海洋沉积特征；与微晶白云岩相比，含膏模孔微晶云岩和含膏模孔微晶灰质云岩的δ13C和δ18O均偏负，这可能是受淡水淋滤或埋藏作用的影响，但其δ18O值均于-9.6‰～-7‰之间(表1)，加之两类岩样中膏模孔均发育为示底构造(图2(c)和(d))，说明其更可能经历了淡水淋滤作用。含膏模孔微晶云岩和含膏模孔微晶灰质云岩δ13C-δ18O值整体呈负相关(图3)，连续性好，指示了岩样间的转化关系，说明含膏模孔微晶灰质云岩受淡水淋滤影响更大，且淡水淋滤作用参与了含膏模孔微晶云岩向含膏模孔微晶灰质云岩的去白云石化改造过程。

图3 鄂尔多斯盆地南部马五段碳酸盐岩碳氧同位素交汇图

因此，含膏模孔微晶云岩和含膏模孔微晶灰质云岩均经历了淡水淋滤作用，但含膏模孔微晶灰质云岩较含膏模孔微晶云岩经历了更强烈的淡水淋滤成岩改造，即淡水淋滤作用驱动了含膏模孔微晶云岩向含膏模孔微晶灰质云岩的去白云石化转化的发生。

4.1.2 成岩流体

Keith等[30]提出由δ13C和δ18O计算的Z值(Z=2.048×(δ13C+50)+0.498×(δ18O+50))可用来确定碳酸盐岩的沉积环境, 当其大于120时为海相碳酸盐岩，小于120时为陆相碳酸盐岩。微晶白云岩平均Z值为124.81，含膏模孔微晶云岩的为122.98，含膏模孔微晶灰质云岩的为117.40，前文Mn/Sr、δ13C和δ18O值已表明微晶白云岩几乎未经历成岩改造、保持了原始海洋沉积特征，因此其Z值也可以很好地代表奥陶纪海水沉积环境，与之相比，两类含膏模孔的云岩Z值均有不同程度下降，指示了两类含膏模孔云岩成岩流体均受到陆源流体的影响，即大气淡水的影响，含膏模孔微晶灰质云岩受淡水影响尤为明显。含膏模孔微晶云岩和含膏模孔微晶灰质云岩的Z值与Mn/Sr交汇图显示两者呈负相关(图4)，表明在云岩向灰质云岩转化过程中，成岩改造的强度受成岩流体性质(海源/陆源)控制，即去白云石化作用的成岩流体为大气淡水。

图4 鄂尔多斯盆地南部马五段碳酸盐岩Z-Mn/Sr交汇图

研究区多处可观察到大量泥质填充裂缝(图2(f))，这可能是由大气淡水携带陆源物质流入岩层的。陆源沉积物Y/Ho值一般为26～28，海相沉积物一般为44～72[31-33]；微晶白云岩平均Y/Ho值为47.51，含膏模孔微晶云岩为40.091，含膏模孔微晶灰质云岩为33.083(表1)，表明微晶白云岩为较纯的海相沉积物，与碳、氧同位素的表征结果一致，而含膏模孔微晶云岩中已经包含少量陆源物质，含膏模孔微晶灰质云岩中已经包含大量陆源物质；交汇图显示Z值与Y/Ho呈正相关(图5)，表明两类含膏模孔云岩中的陆源物质均是由于大气淡水进入岩层的。其次，一些微量元素的比值还可以鉴定陆源碎屑的物源：(1)若Cr/Zr比值低于NASC(0.63)标准，表明碳酸盐岩受长英质影响[34]；三类白云岩中仅含膏模孔微晶灰质云岩比值低于该标准(平均0.517)。(2)若Th/Cr比值高于MCS(0.13±0.29)或PAAS(0.13)标准，表明碳酸盐岩受分异程度较高的花岗岩(以长英质为主)影响[35]；同样只有含膏模孔微晶灰质云岩比值高于两种标准(平均0.250)。(3)一般纯碳酸盐岩的Th/U≤2，高于该值是由于钙质中含硅酸盐混合物和陆源泥质[31]；仍然只有含膏模孔微晶灰质云岩比值大于2(平均3.525)。表明淡水中主要包含花岗岩类物质(以长英质为主)和泥质两类陆源物质，大气淡水流经花岗岩类物质时将其溶入，并携带陆源泥质灌入岩层的孔洞与裂缝中，从而进一步改造白云岩，且虽然含膏模孔云岩经历淡水淋滤作用，但仅轻微受到陆源物质的影响；而含膏模孔微晶灰质云岩在经历了更强烈的淡水淋滤引起的去白云石化作用改造后，更大程度上受到陆源物质的影响，交汇图中Z值同样与Cr/Zr、Th/Cr和Th/U呈较好的相关性(图5)，再次证实含膏模孔白云岩中包含的陆源物质(花岗岩类物质和泥质)是由于大气淡水而进入岩层的。

图5 鄂尔多斯盆地南部马五段碳酸盐岩Z值与Y/Ho、Cr/Zr、Th/Cr、Th/U交汇图

因此，可以确定含膏模孔微晶灰质云岩的去白云石化作用成岩流体为大气淡水，并且大气淡水溶解花岗岩类物质(以长英质为主)后携带陆源泥质灌入岩层。

4.2 Ca2+和CO32-来源

方解石和白云石的摩尔体积分别为36.93 cm3/mol和64.34 cm3/mol[36]，二者等体积交代阶段(CaMg(CO3)2+Ca2++SO42-→2CaCO3+Mg2++SO42-)，前提是：白云石溶解可为之后的去白云石化提供充足的CO32-，但缺乏Ca2+；胶结阶段方解石胶结物的形成需要白云石溶解以外的CO32-源和Ca2+源。

马家沟组一段、三段、五段均以蒸发岩沉积为主[37]，研究区也发育膏盐层(图6(a))，表生期大气淡水溶解膏盐运移至去白云石化部位为其提供了大量的Ca2+；其次，去白云石化本层石膏结核也十分发育(图2(b)-(d))，提供了一定量的Ca2+；还有值得注意的是研究区位于中央古隆起与米脂凹陷之间(图1)，中央古隆起蒸发岩溶解产生的富Ca2+流体在侧向运移过程中，也可能为研究区提供了一定的Ca2+。

图6 鄂尔多斯盆地南部奥陶系马五段碳酸盐岩—膏盐层岩石学特征

鄂尔多斯盆地奥陶系碳酸盐岩中CO2有两种来源：海相碳酸盐岩分解产生的无机成因CO2和有机质通过氧化、裂解或降解产生的有机成因CO2[38]。盆地两次主要油气充注期在中侏罗世末期和早白垩世末期，此时马五段已进入中—深埋藏时期[39]，而去白云石化作用在浅埋藏时期已结束[20]，因此CO32-不可能来自有机成因CO2。其次，表生期研究区白云石化作用与去白云石化作用同时进行[20]，去白云石化流体中部分CO32-可能由白云石化作用中方解石分解产生。

研究区去白云石化成岩流体的主要运移通道包括溶蚀缝和缝合线(图6(b))，大气淡水携外来Ca2+和CO32-沿其运移至末端，下渗至白云石晶间缝，并沿晶间缝继续下渗，对白云石进行选择性溶蚀和等体积交代，并在晶间缝形成方解石胶结物(图6(b-1)、(b-2))。距离溶蚀缝或缝合线越远的部位，随着大气淡水在晶间缝的流动和Ca2+与CO32-的消耗，受成岩流体的影响逐渐减弱，去白云石化现象(交代作用与胶结作用)也逐渐减少(图6(b)、(b-1)、(b-2)、(b-3))。

4.3 去白云石化作用过程

研究区去白云石化作用中，白云石晶核先开始溶蚀(图6(c))，直至成为晶模孔[3,9]，后期方解石充填，为等体积转化，方解石晶体仍保持着原白云石晶形，但部分白云石被完全交代(图6(d))，部分则仍保留着白云石环边(图6(b-1))；交代现象发育的部位胶结现象也十分发育，且胶结强度随白云石灰化现象减少而变弱(图6(b))，表明了去白云石化作用中方解石的交代和胶结可能是两个连续的过程[40-42]。通过对比含膏模孔微晶云岩和含膏模孔微晶灰质云岩的晶间孔发育差异(图2(b)、(c)、(d)、(e))及孔渗数据(图7)，可以证实研究区去白云石化导致了方解石胶结物充填晶间孔、缝和微裂隙，造成了研究区白云岩区域性致密化。

图7 鄂尔多斯盆地南部奥陶系马五段白云岩孔渗交汇图

对于李婧娟等[19]曾指出的鄂尔多斯盆地后期酸性流体通过溶蚀去白云石化成因灰质组分后易形成优质储集层，研究区多处去白云石化成因方解石晶体和胶结物旁发育大量沥青圆环(图6(e))，表明这些部位埋藏阶段经历了有机酸溶蚀作用[43]，但后期酸性流体并未能溶蚀这些灰质组分，因此后期溶蚀作用并不能明显改善致密的岩层从而形成优质储集层，个人认为在实际油气勘探开发过程中，应避开去白云石化成因的灰质或灰岩致密部位，进而筛选出更有利的勘探目标。

4.4 去白云石化作用模式

含膏模孔微晶云岩和含膏模孔微晶灰质云岩中均有膏模孔发育为示底构造，其中云岩的围岩和膏模孔底部均由白云石组成，而灰质云岩的围岩和膏模孔底部均由混杂分布的白云石和方解石组成，且其膏模孔底部矿物碎屑中方解石与白云石含量之比明显比围岩低(图2(d))，表明膏模孔内的去白云石化程度远低于围岩，而一般示底构造的形成过程中，表生期大气淡水先溶蚀石膏形成膏模孔，其底部的矿物碎屑颗粒则是在浅埋藏期堆积于底部的[21]，这说明去白云石化过程中，交代过程是在表生—浅埋藏期连续发生的，而胶结过程是在浅埋藏期发生的。

综合上述讨论，由于加里东运动，志留纪研究区抬升，奥陶系马五段进入表生成岩阶段，泥盆纪地层持续抬升，早石炭纪末期—晚石炭纪早期，奥陶系地层暴露地表，遭受剥蚀，造成马家沟组以上地层缺失[21]。该阶段大气淡水溶解陆源花岗岩类物质(以长英质为主)并携带陆源泥质灌入岩层，引发了淡水淋滤成因去白云石化作用的发生，促使含膏模孔微晶云岩转化为含膏模孔微晶灰质云岩。去白云石化作用分为2个时期：(1)表生期，该时期仅进行去白云石化的交代过程；大气淡水流经蒸发岩(膏盐层)时溶入大量Ca2+，流经石膏结核时将其溶解成膏模孔的同时也溶入了一定量的Ca2+，同期白云石化作用方解石分解则为其提供一定量的CO32-，淡水沿溶蚀缝或缝合线流动至末端，继续沿白云石晶间缝下渗，对白云石进行选择性溶蚀和等体积交代(图8(b))。(2)浅埋藏期，该时期交代过程继续进行，方解石和白云石矿物碎屑进入膏模孔底部，之后开始胶结过程，造成了方解石胶结物充填晶间孔、缝和裂隙(图8(c))，膏模孔内形成了示底构造，使白云岩区域性致密化。由于淡水经由溶蚀缝或缝合线流至晶间缝下渗，交代和胶结过程中Ca2+和CO32-不断被消耗，因此去白云石化成因的方解石晶体和胶结物随着与溶蚀缝或缝合线距离的增加而减少(图8(c))，因此，距运移通道越远的部位，致密化程度越轻。

图8 鄂尔多斯盆地南部奥陶系马五—六段碳酸盐岩去白云石化模式

5 结 论

(1)鄂尔多斯盆地南部M51+2含膏模孔的白云岩层段普遍经历淡水淋滤作用，部分层段受淡水淋滤作用改造更严重，经历了淡水淋滤去白云石化作用转化为灰质云岩，大气淡水溶解陆源花岗岩类物质(以长英质为主)并携带陆源泥质灌入岩层。

(2)淡水淋滤去白云石化作用流体中Ca2+由蒸发岩(膏盐层)和石膏结核的溶解产生，CO32-由表生期白云石化作用方解石分解产生，流体主要运移通道包括溶蚀缝和缝合线。去白云石化作用分为两个过程：①交代过程(表生—浅埋藏期)，富Ca2+和CO32-大气淡水流至溶蚀缝或缝合线末端，沿晶间缝下渗，促进白云石的选择性溶蚀和方解石对其的等体积交代；②胶结过程(浅埋藏期)，方解石胶结物填充去白云石化层段的晶间孔、缝和裂隙。随着下渗过程中Ca2+和CO32-的消耗，交代和胶结现象也随之减少。淡水淋滤去白云石化作用使研究区白云岩区域性致密化，且距运移通道越远的部位致密化程度越轻。因此，油气勘探开发过程中应避开此类区域。