鄂尔多斯盆地中东部马四段白云岩地球化学特征及成因模式

韩 勇, 付斯一, 陈洪德, 苏中堂, 赵俊兴, 张成弓, 侯林君

(油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059)

中-浅层地层中的石油与天然气资源经过多年的大量开采，获取油气资源变得愈加困难，向更深层进军已经成为现今油气资源勘探与开发的重要趋势之一。深层的白云岩储层因其具有良好的孔渗性、抗压实性，而被广泛地认为具有良好的勘探开发潜力[1-4]。而在研究深层白云岩储层时，不可避免地要对白云岩体的成因进行剖析。前人提出了许多经典的、可以很好解释某些地区厚层状白云岩成因的模式，例如：蒸发泵模式[5]、渗透回流模式[6]、埋藏白云石化模式[7]、混合水模式[8]、热液白云石化模式[9]等。近些年来，微生物调节模式[10]、热对流模式[11-13]以及热水沉积模式[14-15]的提出也为白云岩成因研究提供了新的思路。对于非层状、呈斑状分布于灰岩之中的白云岩，前人也提出了多种见解，如物理机械成因[16]、泥裂充填物发生白云石化[17]、外来白云岩砾屑的带入[18]、岩溶成因[19]、构造运动成因[20]、挖穴动物活动导致后期发生选择性白云石化[21-23]等。鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马家沟组发育有几十至几百米厚度不等的白云岩体，近年来的勘探研究表明，该地区的白云岩体具有良好的储集性[24-25]，因此，通过对白云岩成因的研究可以更好地对优质储层进行预测。前人对这套白云岩体的成因研究多集中在马家沟组上部的马五段地层[26-28]，对下部的马四段白云岩研究却相对较少，仅有少数学者认为渗透回流作用和埋藏期的热水作用或许与这套白云岩体的形成密切相关[29-30]。这严重制约了研究区的进一步勘探与开发，该区白云岩成因问题亟需解决。因此，本文基于前人的研究成果，在野外剖面与钻井岩心分析的基础上，结合地球化学特征，探讨马四段白云岩的成因模式，为鄂尔多斯盆地深层白云岩的油气勘探提供科学依据。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地位于华北克拉通的西部，总面积约为25×104km2[31-32]。在奥陶系马家沟组沉积期，研究区沉积了数百米厚度不等的碳酸盐岩地层，依照沉积旋回以及岩性组合特征，从下至上依次分为6段(即“马一段”-“马六段”)[33]。其中，在马四段沉积期，海水从东、西、南3个方向侵入，中央古隆起被部分淹没，仅保留了伊盟古陆、庆阳古陆以及阿拉善古陆一小部分，为整个马家沟期的最大海侵期[34]。此时盆地仍大致以原中央古隆起为界，在东部与西部形成了2个沉降中心，且前者地层沉积厚度大于后者。本文的研究区位于鄂尔多斯盆地中东部，包括了靖边、榆林和偏关一带(图1)。在该时期，研究区自西向东发育局限台地相和开阔台地相，并在古地形相对高部位，礁滩相较为发育。同时，从连井剖面(图2)来看，鄂尔多斯盆地中东部马四段白云岩横向分布稳定，连续性较好，从西向东厚度呈现逐渐变薄的趋势且厚度变化较大，最厚处达400 m左右，最薄处仅几米，岩性也由白云岩为主转变为以灰岩为主。

图1 鄂尔多斯盆地周缘构造图及中东部马四段综合柱状图Fig.1 Tectonic map of Ordos Basin and its peripheral and the composite histogram of Ma-4 Member in the central-eastern Ordos Basin

图2 鄂尔多斯盆地中东部马四段连井剖面对比图Fig.2 Well tie comparison histograms of the Ma-4 Member in the central-eastern Ordos Basin

2 样品采集与测试

本文样品选自陕473井、米76井、桃61井、米104井、召探1井、紫探1井以及偏关泥墕剖面。在挑选样品时选取了新鲜纯净的样品磨制薄片在镜下鉴定，然后再选取典型样品进行地化分析。其中薄片鉴定(茜素红染色)在成都理工大学沉积地质研究院完成；痕量元素测试在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室利用XRF-1500型X射线荧光光谱分析仪采用熔融法完成，其结果以国家岩石测量标样GSR-12与GSR-13为标准；稀土元素是由中国科学院贵阳地球化学研究所完成，测试仪器为ICP-MS(Plasma Quant型)；碳氧同位素测试在成都理工大学矿产资源化学四川省重点实验室完成，其方法是将磷酸与碳酸盐岩矿物粉末进行混合处理，然后把析出的CO2导入同位素比值质谱仪(MAT253型)测得碳氧同位素，检测精度(质量分数)高于±0.1‰，标准为PDB；Sr同位素是由成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室完成，测试样品首先与0.5 mol/L的HCl混合溶样2 h，然后将离心后的上层清液用HCl洗涤并通过阳离子交换柱纯化，最后把分离得到的纯净锶用热电离同位素质谱仪(Triton Plus型)测试，其标样为NBS-987，测试误差(质量分数)小于 0.000 03。

3 岩石学特征

总体上，研究区内发育有4种不同类型的白云岩，分别为：泥微晶白云岩、粉-细晶白云岩、(残余)砂砾屑白云岩和斑状白云岩。

泥微晶白云岩，在镜下观察中，结构较为均一，晶体十分细小(颗粒直径通常小于0.02 mm)，较难识别出晶体结构与晶体形态(图3-A)，孔隙基本不发育，仅发育少量的裂缝；同时，在部分薄片中可见少量硬石膏(图3-B)，这种现象表明其可能形成于相对干旱蒸发的环境中。

粉-细晶白云岩晶体大小一般在0.04～0.2 mm(图3-C)，他形、半自形以及自形晶均可见，自形晶通常为点-线接触，他形晶一般为凹凸接触且晶体表面较脏。在该类岩石中，晶间孔、晶间溶孔和溶缝发育，溶缝常被泥质充填(图3-D)。

(残余)砂砾屑白云岩有的仍保留有原始砂砾屑的形态(图3-E)，有的已经几乎无法辨认出原始砾屑特征，仅隐约可见颗粒轮廓(图3-G)。砂砾屑大小不一，最大者直径可达20 mm(图3-E)，一般为0.05～0.5 mm。砂砾屑白云岩中常发育粒间孔与晶间孔(图3-F)。此类白云岩通常形成于相对高能的环境之中。

斑状白云岩由基质与斑块两部分组成，其中基质以灰岩为主，斑块则由白云石组成(图3-H),且在岩心表面可看到生物扰动构造与生物钻孔(图3-L、M、N、O)。在显微镜下，常观察到白云石与生屑灰岩共生，生物种类十分丰富，有三叶虫、双壳类、海百合、腹足等，同时，还可见基质与白云岩斑块成突变接触(图3-I)。除此之外，在部分薄片中可观察到白云石晶体具有雾心亮边结构(图3-J)，并且还可见被泥质充填的裂缝切穿白云石斑块(图3-K)。

4 地球化学特征

4.1 样品污染度分析

在对白云岩成因进行分析时，样品数据来源的可靠性尤为重要。因此，需要排除外来物质，尤其是陆源杂质以及铁锰氧化物对样品测试带来的干扰。在本次研究的样品中，其痕量元素的质量分数(w)分别为：Hf<0.17×10-6、Sc<1.26×10-6、Th<1.06×10-6、Zr<7.00×10-6,都分别远低于上地壳相应元素的平均质量分数(Hf约为5.80×10-6，Sc约为14.90×10-6，Th约为2.30×10-6，Zr约为240.00×10-6)，且∑REE质量分数远远小于100×10-6，因此，可以说明样品几乎未受陆源物质的混染[35-36]。同时,从图4也可看出∑REE含量与Fe、Mn含量之间相关性不强,这也表明样品未受到铁锰氧化物的浸染[37]，从而说明样品测试数据是可靠的。

4.2 痕量元素特征

碳酸盐岩中的Fe、Mn、Sr、Na等痕量元素对于反映白云岩的成岩流体及其成岩环境有着重要的作用，其中Sr和Na元素可以反映流体的盐度，而Fe、Mn元素的含量会随成岩作用的加强而增大[38]。通过对表1的测试结果进行分析可知：

泥晶灰岩Fe、Mn、Na以及Sr的质量分数分别为(396～807)×10-6(平均为576×10-6)、(12～14)×10-6(平均为12.75×10-6)、(310～330)×10-6(平均为320.75×10-6)、(11～323)×10-6(平均为228.13×10-6)。

泥微晶白云岩、斑状白云岩的Fe、Mn含量相对较低，其中泥微晶白云岩Fe、Mn质量分数分别为(1 100～1 702)×10-6(平均为1 356.33×10-6)、(31～42)×10-6(平均为36.17×10-6)；斑状白云岩Fe、Mn质量分数分别为(720～1 395)×10-6(平均为1 088.33×10-6)、(22～26)×10-6(平均为24.33×10-6)。

粉-细晶白云岩、(残余)砂砾屑白云岩具有相对较高的Fe、Mn含量，粉-细晶白云岩Fe、Mn质量分数分别为(1 591～2 790)×10-6(平均为 1 981.36×10-6)、(27～48)×10-6(平均为35.36×10-6)；(残余)砂砾屑白云岩Fe、Mn质量分数分别为(1 591～2 790)×10-6(平均为 1 922.5×10-6)、 (26～48)×10-6(平均为35.13×10-6)。泥微晶白云岩、斑状白云岩相较于粉-细晶白云岩、(残余)砂砾屑白云岩的Fe、Mn含量较低，这可能是由于前两类白云岩形成在近地表的环境之中,环境相对偏氧化，因此Fe、Mn不易进入白云石晶格[39]。而粉-细晶白云岩、(残余)砂砾屑白云岩相较于泥晶灰岩具有较高的Fe、Mn含量，可能是由于后期受到了大气淡水的影响或者在后期埋藏过程中Fe、Mn进入白云石晶格而导致的[38]。

图4 ∑REE与Fe、Mn的质量分数相关性图Fig.4 Correlation of ∑REE with Fe and Mn

表1 鄂尔多斯盆地中东部马四段痕量元素测试结果Table 1 Trace element test results of the Ma-4 Member carbonate in the central-eastern Ordos Basin

同时从表1中还可以看到，除斑状白云岩外，其他各类型白云岩的Sr含量均相对于泥晶灰岩较小，这是由于白云岩交代过程是Sr丢失的过程[40]。而斑状白云岩却表现为相对较高的Sr含量，可能是白云石化不彻底，从而使Sr元素未大量流失所致。并且从Na含量可以看出，所有类型的白云岩与泥晶灰岩Na含量相当，因此，可以推断无高于海水盐度的流体混入。

4.3 Sr同位素特征

鄂尔多斯盆地中东部马四段白云岩的87Sr/86Sr值(质量分数比值)见表2。其中泥晶灰岩的87Sr/86Sr值为 0.708 615～0.708 791，平均值为 0.708 699；泥微晶白云岩的87Sr/86Sr值为 0.709 390；粉-细晶白云岩的87Sr/86Sr值为 0.708 761～0.708 970，平均值为 0.708 875；(残余)砂砾屑白云岩的87Sr/86Sr值为 0.708 825～0.709 108，平均值为 0.708 897；斑状白云岩的87Sr/86Sr值为 0.708 838～0.709 177，平均值为 0.708 982。这几类白云岩的87Sr/86Sr值较泥晶灰岩无显著差别，而且都位于奥陶纪海水87Sr/86Sr范围内[41](图5)，说明它们的白云石化流体具有相似性，均为来源于同时期的海水。

4.4 碳氧同位素特征

在碳酸盐岩的研究中，碳氧同位素有着广泛的用途，可以被用来研究古地理环境、储层以及白云岩成因机制[42-43]等。一般来说，碳同位素的组成受流体来源的影响；而对于氧同位素来说，其受外界的影响较大，特别是温度与盐度。样品的碳氧同位素结果详见表3。

表2 鄂尔多斯盆地中东部马四段Sr同位素测试结果Table 2 Sr isotope test results of the Ma-4 Member rocks in the central-eastern Ordos Basin

图5 鄂尔多斯盆地中东部马四段Sr同位素组成Fig.5 Sr isotope composition of the Ma-4 Member rocks in the central-eastern Ordos Basin

在讨论碳氧同位素时，需对其数据的可靠性进行检验。有学者曾提出当碳酸盐岩的wMn/wSr<10，而δ18O>-10‰时，其碳氧同位素才能作为有效数据使用[44]。本次测试结果表明所有样品的wMn/wS≪10，并且δ18O>-10‰，因此可以对δ13C以及δ18O值进行讨论。

对于奥陶纪海水的碳氧同位素范围，有国外学者经过对大量数据的归纳，认为δ13CPDB值为-2.00‰～0.50‰，δ18OPDB值为-6.60‰～-4.00‰[45]。从表3以及图6可以看出，泥晶灰岩、泥微晶白云岩、粉-细晶白云岩、(残余)砂砾屑白云岩、斑状白云岩的δ13CPDB值分别为-0.12‰～0.68‰(平均为0.29‰)、0.01‰～1.34‰(平均为0.83‰)、-0.38‰～0.77‰(平均为0.26‰)、-2.19‰～0.65‰(平均为-0.55‰)、-0.17‰～0.25‰(平均为0.04‰)，这几类白云岩的δ13CPDB值几乎都落到了灰岩附近且与同时期奥陶纪海水相当，说明马四段白云石化流体主要来源于海水。并且从表3还可以看出，泥微晶白云岩δ13CPDB值和δ18OPDB值相较于泥晶灰岩的值偏高，分别约为0.54‰、0.40‰，说明其可能形成于海水强烈蒸发的情况，从而使流体盐度高，进而导致其值偏大[46]。并且显微镜下见有硬石膏，从而可推断泥微晶白云岩形成时的环境相对干旱，可能形成于准同生阶段。粉-细晶白云岩δ18OPDB值介于-7.11‰～-6.02‰，平均值为-6.40‰；(残余)砂砾屑白云岩δ18OPDB值处于-7.19‰～-5.42‰，平均值为-6.24‰；斑状白云岩δ18OPDB值为-7.65‰～-5.35‰，平均值为-6.50‰。这几类白云岩的δ18OPDB值绝大部分也落入同期奥陶纪海水的范围内，这进一步说明白云石化流体主要来自海水。但是相较于泥微晶白云岩，其他类型白云岩δ18OPDB值有轻微的减小，这可能是在后期埋藏过程中受埋藏热效应所致[47]。并且，从数据中我们还可以发现，所有类型白云岩的δ18OPDB值均不小于-10.00‰，从而表明马四段白云岩未受到热液作用的影响[48]。

表3 鄂尔多斯盆地中东部马四段碳氧同位素测试结果Table 3 Carbon and oxygen isotope test results of the Ma-4 Member rocks in the central-eastern Ordos Basin

图6 鄂尔多斯盆地中东部马四段碳、氧同位素组成Fig.6 Carbon and oxygen isotope composition of Ma-4 Member rocks in the central-eastern Ordos Basin

同时，因为碳氧同位素的值受盐度(ZNaCl)的影响，因此有学者将这两者结合起来用以判断古盐度[49]，其公式为

ZNaCl=2.048(δ13CPDB+50)+0.498(δ18OPDB+50)

将表3数据带入上式，计算出所有类型白云岩形成时的古盐度，除ZT1-20、ZT1-8略小于120外，其他样品均大于120，说明大多数样品形成于海相的沉积环境，部分样品可能偶尔暴露在陆相环境中。并且泥微晶白云岩相较于其他3类白云岩ZNaCl值偏大，这也说明了其形成环境的盐度高于这3类白云岩。

4.5 稀土元素特征

稀土元素具有相对稳定的地球化学性质，对于不同的流体来源，白云岩的稀土元素配分模式有所不同，因此，其对于示踪白云岩流体来源具有重要意义[50]。而在研究中，我们常用的指标(质量分数)有∑REE、δCe与δEu。

在利用稀土元素对碳酸盐岩进行研究时，为了消除奇偶效应的干扰,一般要将样品数据进行标准化处理(本文采用北美页岩NASC)。从泥晶灰岩与各类型白云岩的稀土配分图来看(图7)，它们的配分模式相似，说明它们的成岩流体具有继承性，与海水具有同源性。同时，各类型白云岩的∑LREE/∑HREE(质量分数比值)都>1，表明样品具有轻稀土元素较重稀土元素相对富集的特征，这可能是因为稀土元素在碳酸盐岩沉积或成岩过程中，以游离态的碳酸根离子络合物形式存在而导致的[51]。并且，由于流体中的Ce3+较易被氧化而变为Ce4+，从而附着在沉积物的表面，使沉积物的δCe表现为正异常，因此通过δCe可以判断流体的氧化-还原程度。从表4中可以看到，各类型白云岩的δCe值无明显的差别，它们大都位于0.91～1.11，表现为微弱的负异常-正异常，说明它们形成于弱氧化-弱还原环境。而Eu3+在高温还原的环境下易被还原为Eu2+，进入碳酸盐岩矿物中使其表现为正异常[47]。从各类型白云岩的δEu值来看，除极个别样品外，δEu值都小于1，说明白云石化过程之中并无热液流体的参与，这与氧同位素所反映的信息一致。

5 白云岩成因模式

通过对白云岩的地球化学特征以及岩石学特征分析可知，泥微晶白云岩晶体细小，晶形无法分辨，说明其交代速度极快；同时，可看到白云石晶体与石膏晶体共生。且其具有较高的Fe、Mn含量以及碳氧同位素值，表明这类白云岩形成于盐度较高的环境中，推测其形成于准同生阶段，可用蒸发泵模式解释。由于研究区环境相对局限，因此广泛发育低能的潮坪相沉积环境。并且，奥陶纪时期鄂尔多斯盆地大致位于赤道附近，气候炎热，强烈的蒸发作用使海水得以浓缩；同时，正常海水由于毛细管作用，源源不断地补充到相对疏松的沉积物当中，为白云岩化提供了足够的Mg2+，从而交代灰岩。

图7 白云岩稀土配分模式Fig.7 Rare earth element distribution model of dolomite

对于(残余)砂砾屑白云岩以及粉-细晶白云岩来说，这几类白云岩的白云石化程度相较于泥微晶白云岩高，与灰岩具有相似的稀土配分模式，Na含量与泥晶灰岩相当，δ13CPDB值和δ18OPDB值绝大部分落于同时期的海水范围值内，说明白云石化流体来源于海水。但是，它们与泥晶灰岩相比，有相对较高的Fe、Mn含量，说明其可能形成于一定的埋藏环境，且δEu值几乎都小于1，说明无热液的影响，因此，这几类白云岩可能是渗透回流作用的结果。当白云石化流体完成了对上覆岩层的作用后，由于中央古隆起的障壁作用，导致富余的高镁海水在密度差的驱动下，向下伏地层流动，从而提供了一定的Mg2+来源。并且，虽然在进入马五沉积期，盆地的中东部处于相对局限的环境；但是，在该时期仍然存在间接性的海进-海退，因此在中央古隆起的西侧海水得以越过回流，进而也为马四段白云岩的形成提供丰富的Mg2+。(残余)砂砾屑白云岩的原始骨架颗粒发育位置很可能位于古地形的相对隆起区。

斑状白云岩主要分布于马四段中下部，具有相对较好的白云石晶形，表明其白云石化程度较高；δ18OPDB值相对具有一定的负偏，说明经历了一定的埋藏作用；其同样与灰岩有着相似的稀土配分模式，指示成岩流体仍是以海水为主。同时，在显微镜下观察，看到有大量的生屑，且在岩心表面可见明显的生物活动痕迹，指示该类白云岩的形成受到了一定的生物扰动作用。其形成过程可能是：在早期生物活动的影响下，原始沉积物中产生了相对疏松、渗透性较好的区域；在白云石化过程中，浓缩海水优先作用于这类孔渗性较好的区域，发生白云石化(图8)。

图8 鄂尔多斯盆地中东部马四段白云岩成因模式图Fig.8 Dolomite formation model of the Ma-4 Member in the central-eastern Ordos Basin

6 结 论

a.鄂尔多斯盆地马家沟组第四段发育4类白云岩，分别为泥微晶白云岩、粉-细晶白云岩、(残余)砂砾屑白云岩以及斑状白云岩。

b.从碳氧同位素以及锶同位素的分布来看，均位于奥陶系海水的范围内，且古盐度值和δCe的弱异常也表明这4类白云岩的白云石化流体与海源性流体密切相关，无热液等流体的参与。泥微晶白云岩晶体细小，薄片下可见到硬石膏，具有相对正偏的碳氧同位素，表明其形成于高盐度环境，可以用蒸发泵模式解释。粉-细晶白云岩、(残余)砂砾屑白云岩与斑状白云岩，这几类白云岩晶型较泥微晶白云岩好；且δ18OPDB比泥微晶白云岩低，同时较泥晶灰岩具有相对较高的Fe、Mn含量，说明受到了埋藏作用的影响：因此这几类白云岩应为渗透回流作用的结果。并且在斑状白云岩岩心表面可看到生物扰动构造，说明形成前期受到了生物活动的影响，从而使沉积物变得疏松，使流体更容易使进入，从而交代原岩。