埋藏白云岩成因类型与规模储层发育规律<br/>——基于元素面扫和激光U-Pb定年的认识

埋藏白云岩成因类型与规模储层发育规律
——基于元素面扫和激光U-Pb定年的认识

2021-10-18乔占峰邵冠铭罗宪婴孙晓伟沈安江

天然气工业 2021年9期

乔占峰邵冠铭罗宪婴曹鹏孙晓伟沈安江

1.中国石油杭州地质研究院 2.中国石油天然气集团有限公司碳酸盐岩储层重点实验室

0 引言

白云岩是中国深层天然气勘探的主要领域之一[1-3]，根据成因可划分为准同生期低温白云岩、埋藏期结晶白云岩和构造—热液白云岩3种类型[4]，其中埋藏期结晶白云岩（埋藏白云岩）在塔里木、四川和鄂尔多斯三大海相盆地中大规模发育[5-9]，天然气勘探潜力巨大。

埋藏白云岩往往以晶粒结构为主，常规显微镜下原始沉积组构难以识别。因此，前期多以白云石晶体结构为基础进行分析[4,7,10-14]，然而，由于埋藏白云岩往往形成和演化的时间跨度大、改造强[15-17]，白云石晶体可能经历了复杂的转变，并且碳氧锶同位素等常规地球化学数据也易受到后期成岩改造而发生改变[15]。故而，传统方法对于埋藏白云岩的成因分析主要揭示了最后改造期的信息，对于白云化改造前岩石属性以及多期云化发生时间和叠加改造效应等诸多关键信息难以深入认识，制约了对于埋藏白云岩形成过程和分布规律以及相关储层发育规律的认识，不利于油气勘探方向的确定。

近年来，元素面扫和激光U-Pb定年等分析技术得到了长足的发展[18-20]，为认识埋藏白云岩形成过程提供了可能。元素面扫技术的进步使得矿物元素含量分析从全岩分析发展至原位点分析，特别是最近兴起的LA-ICP-MS方法，具有分析精度高、检测限低、多元素同时分析的优点，有利于对碳酸盐岩复杂组构进行高精度的微量稀土元素测定，如杨瀚轩等（2020）成功对塔里木盆地奇格布拉克组微生物白云岩组构进行了分析[21]。激光U-Pb定年技术已被广泛应用于洞穴石笋[22]、钙质结核[23]、钙质化石[24]和方解石脉[25]等的测年中，近两年，针对微生物白云岩中白云石胶结物进行了定年分析[21,26]，解析了微生物白云岩不同组构的形成时期。不同于微生物白云岩具有较为清晰的岩石组构差异，埋藏白云岩中的白云石晶体未形成规律发育的岩石组构，给针对不同期次云化的解析带来了难度。基于LA-ICPMS的微量稀土元素面扫和U-Pb定年相结合为更精细地认识埋藏白云石晶体结构与元素变化提供了手段，并使得在白云石结构特征认识的基础上确定性地分析白云化时间和白云化流体运移机制成为可能，进而得以深入认识埋藏白云岩成因类型和储层形成演化过程。

深层埋藏白云岩往往经历多期复杂的成岩改造且埋藏于地下，难以客观地挖掘与白云岩成因相关的各类信息；较之于前者，露头则具有更丰富的二维信息有利于判断沉积期特征和样品产状，并且构造演化相对简单，更有利于解析实验结果。为此，笔者以塔里木盆地永安坝剖面下奥陶统蓬莱坝组为解剖对象，在露头、薄片、阴极发光和碳氧锶同位素等传统岩石学和地球化学分析的基础上，引入微量稀土元素面扫和激光U-Pb定年分析技术，明晰了基于形成过程的埋藏白云岩成因分类，探讨了不同成因埋藏白云岩的成储潜力，以期有助于深化对于白云岩成因理论以及古老深层白云岩储层发育规律的认识。

1 埋藏白云岩成因类型

埋藏白云岩是渗流带之下受富镁盆地流体或热液改造形成的地下胶结物或交代物[27]，在漫长的埋藏演化过程中还可能经历多期、复杂的成岩改造，导致其往往具有复杂的岩石结构特征，因此对白云石结构的描述不足以深刻认识其成因和发育规律。在岩石学和地球化学进行白云岩成因分析的基础上，将埋藏白云岩划分为两种成因类型，即：准同生白云岩经重结晶改造形成的Ⅰ型埋藏白云岩和石灰岩经浅埋藏期交代作用改造形成的Ⅱ型埋藏白云岩（表1）。两种成因类型的埋藏白云岩尽管在演化末端均表现为晶粒白云岩，但它们白云石化过程存在显著差异，导致发育规律明显不同。

表1 埋藏白云岩成因分类方案表

1.1 Ⅰ型埋藏白云岩

Ⅰ型埋藏白云岩指沉积物在（准）同生期已经历白云石化作用形成准同生白云岩，准同生白云岩在进入埋藏期后受埋藏白云石化作用的影响又经历了重结晶作用改造，从而演化为埋藏白云岩，因此，该类型埋藏白云岩可能来自于蒸发泵白云岩、微生物白云岩或渗透回流白云岩等，现在转变为常规显微镜下沉积组构难以识别的晶粒白云岩。

1.1.1 白云石演化过程

该类埋藏白云岩在露头上仍可保留较清晰的沉积构造，其中细中晶白云岩为主的Ⅰ型埋藏白云岩多发育明显的交错层理（图1-a）。在常规偏光显微镜下该类埋藏白云岩多数仅表现为晶粒结构，很难识别出原始沉积组构（图1-b、d、f、h）。但是，通过原岩结构恢复后可知，白云石晶体的排列受原岩结构的明显约束（图1-c、e、g、i），随着重结晶程度增强，颗粒结构变模糊，白云石晶体变大，自形程度升高（图1）。这种明显的颗粒结构幻影代表该类白云石为准同生白云石重结晶之后的产物，其表现为在原有白云石基础上的重新改造。

为具体认识白云石演化过程，选取不同程度保留原岩组构的细中晶白云石开展激光U-Pb定年，结果显示Ⅰ型埋藏白云岩的年龄结果与岩石结构特征和构造演化史匹配良好（图2）。两个样品获得的年龄为距今464±12 Ma (图2-a)和距今441±16 Ma（图2-b），分别对应早—中奥陶世的准同生期或稍晚和晚奥陶到早志留世的浅埋藏期。岩石结构上，年龄为距今464±12 Ma的样品颗粒结构保持良好，与其接近准同生期的年龄相匹配；年龄为距今441±16 Ma的样品则表现为细晶白云岩的特点，原岩结构恢复的情况下可见，白云石的排列受原颗粒结构的约束，也揭示该类白云岩为准同生颗粒白云岩进一步重结晶的结果。

1.1.2 元素面扫特征与云化流体属性

阴极发光和元素面扫显示该类白云石复杂的晶体发光特征。阴极发光下，该类白云石表现出了较为明显的环带特征（图3-a）。前人指出阴极发光受Fe2+（淬灭剂）和Mn2+（激活剂）含量控制[28]，但是元素面扫分析显示常规主微量元素分布都较均匀（图3-b、c、f），如 Mg25，Ca44，Mn55，Fe57 和 Sr88等，而稀土元素表现出清晰的环带特征（图3-f），如Y89、La139、Ce140、Pr141等，揭示了白云石阴极发光的环带特征与稀土元素的变化密切相关，而不是像以往认识的由成岩环境变化造成。根据微量元素分布的均匀性，考虑到碳酸盐矿物中稀土元素在高水岩比条件下会发生变化[29]，推知该白云石的阴极发光环带代表了白云石化过程中的高水岩比的特点，而并非流体属性发生变化导致，与其原始基质孔孔隙较发育特征一致（图1）。

高水岩比下，白云石的地球化学特征代表白云石化流体的属性。分析显示，Ⅰ型埋藏白云岩的碳氧同位素分布范围分别为0～－1‰和－4‰～－8‰（图4-a），较当时海水碳氧同位素值略偏正，可能代表白云石化流体为略浓缩的海水；其锶同位素为0.709～0.709 5，分布范围宽，高于地层海水锶同位素比值（0.709 1[30]）（图4-b、c），且与氧同位素具有一定的相关性，锶同位素比值升高，氧同位素逐渐偏负，为埋藏重结晶的结果[31]。因此，该类白云岩包含了准同生期白云石化和埋藏期重结晶的共同特征。

1.2 Ⅱ型埋藏白云岩

Ⅱ型埋藏白云岩指由沉积后已经历了矿物稳定化的石灰岩在进入埋藏期后经交代作用改造而直接形成的埋藏白云岩。

1.2.1 白云石化过程

该类白云岩在露头上以中厚层状发育，交错层理可识别，部分层段夹有石灰岩透镜体（图5-a、b）。石灰岩透镜体中由亮晶砂屑灰岩构成，胶结致密，局部发育斑状白云石，白云石同时交代颗粒和方解石胶结物（图5-e、f）。白云岩体由它形中粗晶白云石构成，呈镶嵌状接触，晶体内部即可识别出颗粒结构（图5-c），与石灰岩透镜体中斑状白云石同时交代颗粒和方解石胶结物的现象一致，且二者阴极发光特征相似；宏观发育特征可知，石灰岩透镜体为白云岩形成过程中的残留，白云岩的原岩为颗粒石灰岩。此外，白云石晶体内发育大量随机分布的方解石固体包裹体（图5），包裹体在白云石晶体的各个部位均可发育，也揭示该云化作用发生于浅埋藏期矿物稳定化之后，此时颗粒和胶结物均已转变为稳定的低镁方解石。

激光U-Pb定年结果也显示出Ⅱ型埋藏白云石与石灰岩中斑状白云石的亲缘性，石灰岩斑状白云石和Ⅱ型埋藏白云石晶核的年龄结果非常接近（图2），分别为距今443±18 Ma和距今433±22 Ma，Ⅱ型埋藏白云石晶缘的年龄为距今382±29 Ma（图2）。石灰岩中斑状白云石与缝合线的密切关系揭示其形成于浅埋藏期，与年龄值一致，该时期同时也是细晶白云石重结晶的时候，大量的白云石化流体也为粗晶白云石的逐步生长提供了条件，而这一缓慢生长过程一直持续到泥盆纪，或者在泥盆纪构造挤压的环境中，导致流体运移而再次发生白云石化作用，对白云石边缘进行了改造。

1.2.2 元素面扫特征与白云石化流体属性

综合岩石学特征揭示该类白云岩形成于低水岩比条件下，证据包括：①岩石中的白云石多呈镶嵌状密切接触，代表了生长空间有限的竞争生长特征；②与其成因上相近的、未完全白云石化的含云石灰岩中，白云石主要表现未填充残留粒间孔，对孔隙周边的颗粒和胶结物形成了逐步渗透蚕食的交代白云石化特征；③稀土元素面扫揭示粗晶白云石内各类稀土元素分布较均匀（图6），变化之处主要发生在孔隙周缘或缝合线。因此，Ⅱ型埋藏白云岩形成过程代表的是一种岩石缓冲体系，这种背景下的地球化学特征更多反映的是原岩的特征。分析显示，Ⅱ型埋藏白云岩的碳氧同位素分布范围为－1‰～－2‰和－6‰～－9‰，与同期海水值重叠，与石灰岩围岩值接近（图4-a），不代表白云石化流体的地球化学特征。

此外，多种岩石学特征揭示Ⅰ型埋藏白云岩和Ⅱ型埋藏白云岩具有不同的重结晶改造特征。Ⅰ型埋藏白云岩经历了较明显的重结晶改造，表现为阴极发光和微量稀土元素面扫下的环带特征；而粗晶白云石则表现为均匀的结构特征，未有明显的重结晶改造迹象。由于锶元素配分系数小于1，在重结晶过程中，流体中锶元素不断富集，而锶原子半径大于镁离子，87Sr在流体中逐渐富集，导致白云岩的锶同位素比值升高。锶同位素与碳和氧同位素交汇图显示，Ⅰ型埋藏白云岩具有随氧同位素偏负，锶同位素比值升高的趋势（图4），而Ⅱ型埋藏白云岩的氧同位素与锶同位素比值的变化关系则不明显，反映了Ⅱ型埋藏白云岩本身继承自石灰岩较偏负氧同位素的稳定性，而细中晶白云岩在重结晶过程中温度逐渐升高，氧同位素逐渐偏负的过程。以上均可能为重结晶造成的地球化学信息变化。

总之，根据微量稀土元素面扫和激光U-Pb定年的限定，揭示两种类型白云岩的形成过程存在明显差异，尽管不同类型白云岩的同位素差异明显，但是二者可能均形成于同种海源白云石化流体。其中，造成两种类型埋藏白云岩显著差异的是埋藏白云石化前的岩性，或者说是否经历了准同生期白云石化作用改造。

需要指出的是，尽管Ⅰ型埋藏白云岩在准同生期已转变为白云岩，理论上可归属于准同生白云岩，然而，由于埋藏白云石化作用对其进行了强烈改造，在常规显微镜下原始沉积组构已难以识别，表现的更多的是埋藏白云岩的特征，因而将其归属于埋藏白云岩。该类埋藏白云岩与准同生白云岩的差别在于原始沉积组构的保留程度。

2 规模储层发育规律

根据前述岩石学特征可知，尽管原岩可能都是颗粒石灰岩，但是由于白云岩形成演化路径的不同，导致其储层发育的潜力存在差异（图7）。Ⅰ型埋藏白云岩的颗粒石灰岩在准同生期就经历了白云石化作用的改造，由于白云石较强的抗压能力，使得准同生期的基质孔（包括原生粒间孔以及溶蚀改造形成的粒内溶孔等）在浅埋藏期得以较大程度的保存，只是产状上可能转变为晶间孔或晶间溶孔（图7）。相比之下，Ⅱ型埋藏白云岩是颗粒石灰岩于浅埋藏期经交代作用而形成，意味着颗粒石灰岩经历了浅埋藏阶段的成岩改造，随着埋深和温度的增加，由于方解石抗压能力较弱，压溶作用使得石灰岩中大量的缝合线发育，溶蚀后的方解石对先期基质孔造成大量的充填，基质孔损失严重；进一步地，埋藏白云石化作用发生过程中带入了白云石化流体，容易造成过白云石化作用，充填本已欠发育的孔隙，使得白云石呈镶嵌状发育（图7）。因此，Ⅱ型埋藏白云岩总体上孔隙欠发育，不利于储层规模发育。总之，尽管Ⅰ型埋藏白云岩和Ⅱ型埋藏白云岩均可构成规模块状白云岩体，但是由于白云石化路径的差异，二者发育储层的潜力不同。

对应地，两种埋藏白云岩的储层发育规律也存在差异。Ⅰ型埋藏白云岩继承自准同生经历白云石化改造的颗粒石灰岩，因此表现出明显的相控性，其主要发育于准同生云化滩之中，且在受准同生期大气水溶蚀的高频层序上部储层质量更优，在各时期地质背景中，主要集中于台地边缘和内缓坡—中缓坡的丘滩复合体；而Ⅱ型埋藏白云岩在不经其他成岩改造的情况下往往储层欠发育，其进一步发育储层的途径依赖于断裂相关热液改造，类似于构造热液白云岩储层，发育分布主要受控于断裂[32]，或者暴露地表受表生岩溶改造，形成潜山白云岩储层。

3 对于深层油气勘探的指导意义

塔里木、四川、鄂尔多斯三大盆地白云岩地层中，除塔里木盆地蓬莱坝组和鹰山组、四川盆地栖霞组和茅口组、鄂尔多斯马家沟组中下组合这些以晶粒白云岩为主体的白云岩地层外，塔里木盆地肖尔布拉克组和上寒武统、四川盆地洗象池组和龙王庙组等也均含有大量的晶粒白云岩，油气勘探的潜力巨大。该类白云岩的油气勘探过程中，由于不像准同生白云岩和热液白云岩储层的主控因素明确为沉积相和断裂，埋藏晶粒白云岩的规模性和储层发育规律不够明确，且根据其与构造热液白云岩相似的特征容易得出受控于断裂的认识。深层天然气要保证勘探效益，必须要求储层具有规模性，根据对塔里木盆地蓬莱坝组露头白云岩的研究显示，埋藏晶粒白云岩应区分两种类型，其中Ⅰ型埋藏白云岩是发育大规模层状优质白云岩储层的首选。因此，井下深层白云岩的研究中进行埋藏白云岩成因类型的识别至关重要。

通过以上的岩石学和地球化学分析结果可知，对于Ⅰ型埋藏白云岩的判识标志在于：①多为粉晶、细晶或中晶，自形程度较好，且在重结晶的过程中，白云石晶体粒径有增大的趋势，自形程度变好；②晶体多具有雾心亮边特征或环带状结构，环带结构在阴极发光和稀土元素面扫中可识别；③白云石晶体排列受原始沉积组构约束；④碳氧同位素接近准同生白云岩的值，而锶同位素多明显高于当时海水值。相比之下，Ⅱ型埋藏白云岩的判识标志存在明显差异：①多为中粗晶，它形或半自形；②晶体结构较均匀，阴极发光和稀土元素面扫无环带特征；③晶体内方解石包裹体多见，且分布与晶体结构无关；④晶体发育不受沉积组构约束，晶体可切割颗粒和胶结物，或晶体内部残留颗粒结构幻影；⑤碳氧同位素间于Ⅰ型埋藏白云岩和石灰岩母岩之间，代表岩石缓冲体系特征。通过以上判识标志，可对成岩演化相似的埋藏白云岩进行成因类型识别，进而明确埋藏白云岩及相关储层的发育规律。

此外，井下深层白云岩与本文解剖的蓬莱坝组露头白云岩相比，可能经历更为复杂的成岩演化，但是白云石的演化趋势是明确的：Ⅰ型埋藏白云石在经历更长时期的重结晶作用改造后，晶体具有自形程度升高，晶体逐渐变大，环带增加，原岩结构约束特征变模糊的趋势；而Ⅱ型埋藏白云石在经历更长时期的云化改造后，更多表现为在先期白云石基础上的次生加大，以填充孔隙为主要表现。当然，二者还可能经历其他如溶蚀作用等的改造，需要判断溶蚀改造是否改变孔隙类型，孔隙发育是否仍受岩石组构约束。如果溶蚀改造后仍然受岩石组构约束，则深层经历强烈成岩改造的埋藏白云岩储层仍具有相控性，否则可能受断裂或不整合面控制为主。

总之，根据塔里木盆地永安坝剖面蓬莱坝组的岩石学和地球化学分析显示，埋藏白云岩应进一步划分为两种类型，其中Ⅰ型埋藏白云岩继承自准同生白云岩，更具有相控性和规模性；而Ⅱ型埋藏白云岩为石灰岩在埋藏期经交代作用而形成，以断控为主。尽管以上认识来自于露头分析，根据其揭露的埋藏白云岩成因判识标志以及演化趋势，对井下深层白云岩成因类型的判识仍然具有重要指导意义，有利于判别井下白云岩是否具有相控性，确定勘探方向。