基于激光U-Pb定年技术的白云岩储集层形成过程恢复——以鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组为例

周进高，于洲，吴东旭，任军峰，张道锋，王少依，尹陈，刘雨昕

（1. 中国石油杭州地质研究院，杭州 310023；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，杭州 310023；3. 中国石油长庆油田公司勘探开发研究院，西安 710018；4. 中国石油大学（北京），北京 102249）

0 引言

成岩作用与孔隙演化过程研究是明确储集层形成过程的关键，对优质储集层预测乃至油气富集区预测有重要意义。前人对此有过诸多研究[1-9]，如刘成林等对克拉通盆地、前陆盆地和裂谷盆地气藏储集层的孔隙演化与保存差异的研究[1]；周进高等对四川盆地震旦系灯影组、寒武系龙王庙组成岩作用及孔隙演化的研究[2-3]；覃建雄等对鄂尔多斯盆地中东部奥陶系埋藏史和孔隙演化史的研究[4]；张哨楠等对塔里木盆地古城地区奥陶系鹰山组碳酸盐岩成岩作用与孔隙演化的研究[5]；徐志川等利用胶结、溶蚀顺序或沥青产状以及有机质演化状态来恢复孔隙演化[6]；佘敏等通过碳酸盐岩溶蚀模拟对孔隙结构和演化进行研究[7]。归纳起来，对孔隙演化恢复主要有以下几种方法：①依据成岩作用和成岩序列定性恢复；②成岩作用结合埋藏史恢复；③成岩作用结合有机质热演化史恢复；④成岩作用与埋藏史、构造史、有机质演化史综合定量恢复。上述方法，无论是定性还是定量，都存在地质时间难以确定的问题。

2018年以来，中国石油天然气集团有限公司碳酸盐岩储层重点实验室开发了碳酸盐岩 U-Pb激光原位定年技术，该技术能够将不同期次的碳酸盐岩胶结物形成时间准确测定出来，使成岩作用和孔隙演化发生的重要时间节点能被精确掌握，从而更准确地恢复孔隙演化史。本文以鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组盐上风化壳岩溶型储集层和盐下丘滩型储集层为例，基于岩石学研究，利用U-Pb激光原位定年技术，结合碳氧同位素组成等分析测试数据，对上述两类储集层的重要成岩作用与孔隙演化进行恢复，以期为储集层预测和有利富集区带预测提供依据。

1 碳酸盐岩U-Pb激光原位定年技术

U-Pb同位素定年是一项十分成熟的技术，已广泛应用于高U含量矿物如锆石、独居石、磷钇矿、榍石、金红石、磷灰石、石榴石等矿物的年龄测定，成为地质年代学研究领域中最常用的测年方法之一，但传统的 U-Pb同位素定年并未广泛用于碳酸盐矿物的年龄测定，目前仅有少量利用溶液法铀铅同位素定年技术对中新生代孔洞和洞穴充填物定年的报道[10-14]，但该方法因为对样品要求十分苛刻和测试成功率低等原因而无法推广应用。

随着激光剥蚀技术的日益兴盛，U-Pb激光原位同位素定年技术已应用于高U矿物的测试，对低U矿物尤其是碳酸盐矿物的 U-Pb测年也进行持续探索并取得一些进展[15-19]，但仍存在缺少与基质匹配的标样和因U含量低难以精确测定同位素值等难题。直到2018年，中国石油天然气集团有限公司碳酸盐岩储层重点实验室成功开发了年龄为（209.18±1.20）Ma的实验室工作标样，解决了原有ASH15E标样年龄为3.001 Ma，存在年龄偏新[20-22]，或 WC-1标样年龄为 250.27～254.40 Ma，存在不均一导致数据不稳定[15-18]的问题；同时，将激光剥蚀（LA）与高分辨单接收电感耦合等离子质谱仪（ICP-MS）联用又实现了 U-Pb同位素高分辨率、高精度和高准确度的测定，使U含量检测极限低至10 μg/L，才解决了古老海相碳酸盐岩U含量低而难以检测的难题，从而建立了适用于古老海相碳酸盐岩的U-Pb激光原位同位素测年技术[23-24]。通过对四川盆地、塔里木盆地和鄂尔多斯盆地古老碳酸盐岩样品的测试，并与澳大利亚昆士兰大学放射性同位素实验室平行测试进行对比，证实该测试技术易于操作，获得的测试数据稳定可靠且可对比，显示该方法具有很好的适用性。该技术的建立为孔隙演化史研究的绝对年龄数据的获得提供了支撑，有助于准确恢复孔隙变化的时间段，对深化储集层研究以及成藏史的认识具有重要意义。

2 样品的选择与测试

2.1 样品选择与有效性分析

本次研究以鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组为例，选取了该盆地奥陶系盐上风化壳岩溶型和盐下丘滩型等两类典型白云岩储集层为研究对象。在样品选取过程中，样品的选择首先要符合以下要求：①适合成岩作用研究，尤其是适合孔隙充填序列的研究；②适用于微区碳氧同位素组成的测定；③符合U-Pb同位素定年要求。因此，选择的样品既要发育孔隙（原生孔或次生溶蚀孔洞），也要孔隙中发育充填物（全充填或半充填均可）。此外，为了消除地层层位不同所造成的年龄差异，此次所有样品均采集于马家沟组五段（马五段）。据国际地质年代地层表[25]，马家沟组属于中奥陶世沉积，横跨大坪阶和达瑞威尔阶，时限为 458.4～470.0 Ma，时长为11.6 Ma，如果按马家沟组分6个自然段平均算，每个自然段的时限约为2 Ma。因此，在距今450 Ma以上的古老地层，马五段可看成是等时的。

在满足上述要求的前提下，本次研究选取了 2个盐上风化壳岩溶型白云岩储集层样品和6个丘滩型白云岩储集层样品，样品详细情况见表1，样品位置见图1。

表1 样品基本特征表

图1 鄂尔多斯盆地奥陶系厚度图及马家沟组综合柱状图

2个盐上风化壳岩溶型白云岩储集层样品分别取自米脂凹陷榆113井的马五1亚段和横山凸起统67井的马五2亚段，均形成于含膏白云岩潮坪环境，储集空间为膏模孔，但膏模孔的充填矿物和充填类型不一样，其中样品 1为白云石粉砂+方解石充填（见图2a、图2b），样品2以白云石粉砂充填为主（见图2c、图2d），这种岩相和充填组合类型代表了盐上风化壳储集层的岩石类型和最主要的充填序列，样品具有一定代表性，分析结果满足储集层成岩孔隙演化恢复要求。

图2 测试样品宏观与微观特征及测点位置图

6个盐下丘滩型白云岩储集层样品包括 2个凝块石白云岩、3个颗粒白云岩和1个粉晶白云岩。其中样品3和样品4为凝块石白云岩，前者来自桃利庙坳陷靳4井的马五6亚段，形成于夹在膏云坪环境中的丘滩体，发育溶蚀孔，部分孔隙被方解石充填（见图2e、图2f），后者来自横山凸起桃112井的马五8亚段，形成于丘滩体沉积环境，发育溶蚀孔，可见叶片状和晶粒状两期白云石充填（见图2g、图2h）；样品 5和样品6为砂/砾屑白云岩，均取自横山凸起桃112井的马五6亚段，发育溶蚀孔洞，部分溶蚀孔洞被晶粒状方解石充填（见图2i、图2j）；样品7为鲕粒白云岩，取自桃利庙坳陷桃86井的马五6亚段，犬牙状细粉晶白云石充填，发育粒内孔、粒间孔和粒间溶孔，部分孔隙被晶粒状方解石充填（见图2k、图2l）；样品8为粉晶白云岩，取自横山凸起桃112井的马五6亚段，发育微裂缝，晶粒状方解石充填（见图2m）。这 6个样品覆盖了盐下丘滩型白云岩储集层的主要岩石类型，具有很强的代表性。

2.2 样品制作

每个样品切3片厚约2～3 mm的岩片，分别用于激光原位U-Pb同位素定年分析、激光原位碳氧同位素组成和阴极发光测试，其中定年分析根据测试矿物的宏观和微观组构特征，分别采用靶样和薄片两种定年样本。对于围岩成分简单、充填矿物较大的样品采用靶样定年，并选择用160 μm的斑束直径，确保信号强度和采样的可靠性。对于围岩或充填物成分、组构复杂的样品采用薄片定年分析，激光斑束直径根据矿物晶体大小及其微区分布特征选择用60，90，120 μm斑束直径，斑束直径越小，需要测试的圈点越多，以增加数据的可靠性。

2.3 测试环境与结果

本次研究所开展的激光原位 U-Pb同位素定年分析、激光原位碳氧同位素组成及阴极发光测试均在中国石油天然气集团有限公司碳酸盐岩储层重点实验室完成。

激光原位 U-Pb同位素定年分析在测试仪器LA-ICP-MS（Element XR）上完成，测试温度为20 ℃，相对湿度为50%。激光碳氧同位素测试仪器为Delta V型碳氧同位素比质谱仪，激光斑束直径为500 μm，测试温度为24 ℃，相对湿度为48%。具体测试的矿物及其产状见图2。

本次激光原位 U-Pb同位素定年测试一共获得 14个年龄值，数据结果见表2和图3。依据储集层围岩及储集层孔隙中的充填矿物类型、期次及成因，已测得的 14个年龄值可细分为 5组年龄：第 1组年龄为444.0～494.0 Ma，代表围岩基质白云石的年龄，样品分别为榆 113井和统 67井的含硬石膏结核粉晶白云岩，靳4井和桃112井的凝块石白云岩，桃112井的砂屑白云岩和桃 86井的鲕粒白云岩；第 2组年龄为440.0～467.0 Ma，为第1期叶片状或犬牙状化学成因充填物形成时间；第3组年龄为316.5～381.0 Ma，属第2期风化壳机械搬运白云石粉砂充填物的形成时间；第4组年龄为354 Ma，代表第3期化学成因晶粒白云石充填物的形成时间；第5组年龄为292.7～319.0 Ma，代表第4期化学成因晶粒方解石充填物的形成时间。

表2 马家沟组U-Pb同位素年龄及碳氧同位素组成特征

图3 碳酸盐矿物激光原位U-Pb同位素年龄

3 测试数据应用与讨论

3.1 测试数据的精度与影响因素分析

在实际应用前，首先从 U-Pb同位素年龄等值线图、样品的沉积背景和成岩改造3个方面，对获得的4组测试数据的精度及影响因素进行评估。从同位素年龄等值线图看（见图3），在测试环境相同的情况下，数值点越集中靠近横坐标、数值点的圈越小，则获得的年龄值可靠程度越高；据此可知，在14个年龄值中，除了靳4井粉晶白云石围岩（见图3c）、桃112井叶片状白云石胶结物（见图3h）、桃112井晶粒白云石充填物（见图3k）和榆113井膏模孔中方解石充填物（见图3l）4个年龄值存在中等—高偏差外，其余10个年龄值可信度较高，测试结果适用。

从沉积背景看，不同沉积相带的氧化还原条件不同会引起背景 Pb含量的变化，通常是还原条件下 Pb更容易进入方解石或白云石晶格，从而造成背景Pb含量的升高，致使测试获得的年龄值比实际年龄偏老。第1组的6个数据来自包括泥晶、凝块石、砂屑和鲕粒等沉积组构，受沉积背景的影响较大。奥陶系马五段沉积时，榆113井位于米脂凹陷膏盐湖，而统67井、靳4井、桃112井和桃86井位于膏云坪或台内丘滩环境。由于马五段整体处于海退期，含盐度较高，偏还原环境；因此，沉积物本身背景Pb含量偏高，是造成测试获得的年龄值偏老的主要原因，如榆 113井围岩年龄值为（492.0±36）Ma（见图3a），桃112井围岩年龄值为（493.0±42）Ma（见图3d），以及桃86井白云石鲕粒围岩年龄值为（494.0±26）Ma（见图3e），这3个年龄值已靠近奥陶系底界年龄。

成岩作用和成岩改造对 U-Pb同位素年龄值也有一定影响，一般来讲，在成岩过程中，Pb的加入导致年龄值变老，U的加入使年龄值变小，而Pb的加入比U的加入影响大。第2组至第4组年龄值来自成岩充填物，成岩流体对年龄值有一定影响。第 2组数据来自海底胶结物，代表胶结物或胶结物转化为白云石的时间，由于矿物沉淀主要受沉积环境的影响，而白云石转化的流体也与同期海水相关，因此该期胶结物的年龄值更多的是受控于沉积环境，桃86井第1期胶结物获得的（467.0±16）Ma年龄值是典型代表；第3组年龄值来自膏模孔充填的白云石粉砂，与风化壳岩溶作用息息相关，大气淡水的加入是主要影响因素，由于大气淡水含有微量的Pb，可能引起测得的年龄值偏老，如统 67井膏模孔白云石粉砂的年龄值为（381±27）Ma（见图3i），幸运的是，在榆113井膏模孔白云石粉砂中获得 1个（316.5±6）Ma的年龄值，评估精度较高，可代表该期成岩作用的时限；第 4组年龄值来自溶孔或裂缝充填的方解石，成岩流体涉及地层水、大气淡水和上覆地层压释水，是一种多源的混合流体，由于不同地区或不同时间的混源比例不一样，可能导致不同井或同一方解石晶体的不同部位，其U、Pb含量不同，从而导致年龄值分布范围变宽。

3.2 测试数据分析与白云石化作用

前人研究显示，马家沟组以马五6亚段厚层膏盐岩为界发育两类储集层：即盐上岩溶型白云岩储集层和盐下丘滩型白云岩储集层，岩溶型白云岩储集层的主要岩性是含膏模孔（结核）泥粉晶白云岩，而丘滩型白云岩储集层则由颗粒白云岩或残余颗粒幻影的粉细晶白云岩及微生物白云岩组成。针对上述两类储集层的白云石化成因机理研究，已有众多文献报道[26-34]，主要观点包括准同生白云石化、渗透回流白云石化、埋藏白云石化、热液白云石化等，但迄今仍存在较大的分歧。造成分歧的关键是以往研究往往依据存在多解性的碳、氧、锶等传统同位素来判断白云石化发生的环境与大致时间。本次定年测试结果对确定白云石形成时间具有决定性作用，有助于深化白云石形成与演化的研究。由表2可知，本次获得的4组年龄数据分别代表了原岩基质、粒间孔胶结物和溶孔中的两期充填物的形成时间，其中第1组和第2组数据对研究白云石化作用具有重要意义，讨论如下。

第1组数据年龄值为444.0～494.0 Ma，反映了同沉积或准同生期白云石化作用的时间。第 1组包含 6个年龄数据，其中，在榆113井马五1亚段含硬石膏结核粉晶白云岩围岩中获得年龄值为（492.0±36）Ma，在统67井马五2亚段含硬石膏结核粉晶白云岩围岩中获得的年龄值是（453.0±32）Ma，代表了盐上岩溶型白云岩储集层基质白云石的形成时间；在靳4井马五6亚段凝块石白云岩之粗粉晶白云石围岩中获得年龄值是（444.0±31）Ma，在桃112井马五6亚段砂屑白云岩之砂屑中获得年龄值为（476.0±36）Ma，在桃 112井马五8亚段凝块石白云岩围岩中获得年龄值为（493.0±42）Ma，在桃86井马五6亚段鲕粒白云岩之鲕粒中获得年龄值为（494.0±26）Ma，上述 4个年龄值代表了盐下丘滩型白云岩储集层基质白云石形成时间，经评估，除了靳 4井粗粉晶白云石围岩获得的年龄值偏差较大外，其他 5个可靠程度较高。由此可见，无论盐上岩溶型储集层还是盐下丘滩型储集层，其基质白云石形成的时间为距今444.0～494.0 Ma，其中3个年龄处于中晚奥陶世，3个分布在奥陶纪起始年龄附近，鉴于前面成岩改造影响因素分析和存在26～42 Ma的检测误差的影响，认为基质白云石主体形成时间为早中奥陶世。此外，碳氧同位素组成测试显示，基质白云岩的δ13C 值为-1.51‰～1.21‰，δ18O 值为-8.25‰～-5.81‰，而奥陶纪海水胶结物的δ18O 值为-6.5‰～-4.5‰，δ13C 值为-2.0‰～0.5‰。与同期海水碳氧稳定同位素组成相比，基质白云岩的碳同位素组成偏重而氧同位素组成偏轻，具有蒸发海水特点；而白云石有序度低，为0.45～0.85，白云石的Mg、Ca含量之比则相对偏高，多为 0.9～1.0等特点[26]，综合判断基质白云石为同沉积-准同生白云石化的结果。

第 2组年龄数据有两个，年龄值分别为（440.0±47）Ma和（467.0±16）Ma，评估认为后者精度高，可代表该组年龄值，为中奥陶世。宿主矿物为桃 112井马五8亚段凝块石白云岩之叶片状胶结物和桃86井马五6亚段鲕粒白云岩之犬牙状海底胶结物，从岩石学角度看，这两种胶结物均形成于海底环境，沉淀时应为方解石或文石，其形成时间与围岩基质白云岩相近。由上述可知，桃112井马五8亚段凝块石和桃86井马五6亚段白云石鲕粒围岩的年龄值分别是（493.0± 42）Ma和（494.0±26）Ma，而目前测得的胶结物年龄值为（440.0±47）Ma 和（467.0±16）Ma，因此，该年龄值应该是代表胶结物转化为白云石的时间；结合δ13C值为 0.78‰～1.35‰、δ18O 值为-6.95‰～-6.68‰，与同期海水相近的特点，认为胶结物的白云石化应属于渗透回流—早埋藏期白云石化作用。

3.3 测试数据与孔隙演化

鉴于盐上岩溶型白云岩和盐下丘滩型白云岩两类储集层在成岩序列和孔隙演化均存在较大差异，下面将分别讨论。

盐上岩溶型白云岩储集层依次经历准同生白云石化、压实、风化壳岩溶、充填与破裂等成岩作用及成岩序列，其中，岩溶作用和充填作用是储集层孔隙形成与演化的关键因素[35-39]。针对主要储集空间膏模孔的成因，目前有准同生期岩溶和风化壳岩溶之分歧，而对充填作用的认识相对统一，认为主要充填物包括白云石粉砂、（含铁）方解石、（含铁）白云石、石英、萤石、黄铁矿、高岭石、硬石膏、残余泥质及有机质等12种，可构成8类充填组合，其中最主要的是白云石粉砂+方解石组合。本次定年选取的两个样品均属此充填类型。从图4可以看出，膏模孔第1期白云石粉砂充填物的年龄值为（381.0±27）Ma和（316.5±6）Ma，评估认为后者年龄值较可靠，揭示白云石粉砂形成时间为晚石炭世；由于白云石粉砂是与膏模孔形成同时或稍后，据此可认定膏模孔形成于晚泥盆世—晚石炭世的表生岩溶风化期，这也与区域构造演化相符。膏模孔第2期充填物是方解石，测得的年龄值是（303.0±23）Ma，为晚二叠世，说明方解石充填物形成于二叠系沉积后的深埋藏期环境，结合δ13C值和δ18O值分别为-4.53‰和-11.43‰，与同期海水比，同位素值明显偏轻，而包裹体均一温度一般为95.7～108.2 ℃，揭示流体曾有有机碳加入且形成温度较高。由上述可见，盐上风化壳白云岩储集层的膏模孔形成于区域构造隆升的风化剥蚀期，时限为晚泥盆世—晚石炭世，经历风化壳岩溶作用，储集层孔隙度为10%～40%；与此同时或随后，膏模孔首先遭受白云石粉砂充填，导致孔隙降低至6%～30%，再次进入埋藏后，于晚二叠世叠加方解石充填，同期还有少量的石英、晶粒白云石、萤石、石膏等矿物充填，致使孔隙进一步降低至 0～20%，大多处于 3%～8%；随着上覆地层压实致密化，储集层长期处于“封存箱”状态，直至天然气充注成藏。

盐下丘滩体白云岩储集层成岩演化较盐上岩溶型储集层复杂，一般经历准同生白云石化、压实、海底胶结、准同生溶蚀、渗透回流白云石化、充填和破裂等成岩作用，储集空间以残余粒间（溶）孔、微生物格架（溶）孔和小型溶洞为主[40-43]。以桃112井马五6亚段微生物白云岩储集层为例，储集空间主要为微生物格架（溶）孔和小型溶洞，其成因与微生物造架作用和准同生溶蚀有关，可识别出3期充填物：第1期为叶片状或犬牙状海底胶结物；第 2期为晶粒状白云石；第3期为粗晶方解石。从图5可见，在第1期叶片状白云石和犬牙状细粉晶白云石胶结物分别测得的年龄值为（440.0±47）Ma 和（467.0±16）Ma，评估认为后者年龄值精度高，代表了胶结物形成或经历准同生—渗透回流白云石化的时间；第 2期晶粒白云石充填物的年龄为（354.0±46）Ma，其δ13C值和δ18O值分别是1.38‰和-7.48‰，从同位素值看，氧同位素组成比奥陶纪海水轻，而碳同位素组成则明显偏重，显示流体源自蒸发卤水同时又有淡水加入，揭示奥陶系在漫长的风化剥蚀过程中，有大气淡水经剥蚀窗或裂隙向盐下渗透，并与蒸发卤水混合，进入盐下储集层后沉淀出晶粒白云石。第 3期粗晶方解石充填物主要赋存于溶洞，其年龄值为（292.7±3）Ma，δ13C值和δ18O值分别是-5.09‰和-9.08‰，均有明显的负漂特点。该期充填物与盐上膏模孔中充填的方解石以及裂缝中充填的方解石无论在岩石学和地球化学方面还是在形成时间上都有较强的一致性，应属同一期流体沉淀的产物。但在时间上又表现出一定的顺序，如裂缝中充填的方解石年龄最早，为（319.0±18）Ma，盐上岩溶型白云岩储集层膏模孔中充填的方解石年龄次之，为（303.0±23）Ma，盐下丘滩储集层孔洞中充填的方解石最晚，为（292.7±3）Ma，说明在石炭系—二叠系沉积过程中，伴随裂隙的产生，煤系压释水首先进入裂隙，再依次渗入盐上岩溶型白云岩储集层和盐下丘滩型白云岩储集层。由此可见，盐下丘滩型白云岩储集层原生孔隙形成于沉积期，原生孔隙度为10%～30%，经海水胶结作用后孔隙降至 0～6%；经准同生溶蚀作用，孔隙度有所改善，增加至5%～15%，随后进入埋藏，先有少量晶粒白云石充填，该期充填对孔隙影响不大，之后又充填了方解石，孔隙度迅速降至0～12%，大多保持在2%～6%。

4 结论

通过马家沟组 8个储集层样品定年测试，获得了5组14个年龄数据，第1组年龄为444.0～494.0 Ma，代表围岩基质白云石的年龄；第 2组年龄为 440.0～467.0 Ma，为纤状或犬牙状白云石充填物形成时间；第3组年龄为316.5～381.0 Ma，属白云石粉砂充填物的形成时间；第4组年龄为354.0 Ma，代表晶粒白云石充填物形成时间；第5组年龄为292.7～319.0 Ma，代表第4期充填物晶粒方解石的形成时间。

依据定年数据结合碳氧同位素组成等测试成果，认为马家沟组白云岩储集层中的砂屑、鲕粒和粉晶白云石等围岩的形成与沉积或准同生期白云石化作用有关，而胶结物的白云石化稍晚，属渗透回流—早埋藏期白云石化作用成因。

盐上风化壳岩溶型白云岩储集层依次经历准同生白云石化、压实、风化壳岩溶、充填与破裂等成岩作用，膏模孔形成了表生岩溶阶段，被白云石粉砂和方解石等矿物充填，孔隙度由10%～40%降低至3%～8%；盐下丘滩型白云岩储集层经历准同生白云石化、压实、海底胶结、准同生溶蚀、渗透回流白云石化、充填和破裂等成岩作用，储集层原生孔隙度为 10%～30%，经海水胶结作用后降至 0～6%，准同生溶蚀作用使孔隙度增加至5%～15%，之后由晶粒白云石和方解石充填，孔隙度降至2%～6%。

应用激光原位 U-Pb定年技术和激光原位碳氧同位素组成测试技术，实现了绝对年龄坐标系下马家沟组白云岩储集层白云石化作用和其他成岩作用时间和期次的重建，解决了多解性难题，对白云岩储集层形成过程的重建更加精细，为有利储集层分布预测研究提供了新的技术手段。该项技术易于实施、应用效果好，对其他盆地或层系储集层孔隙演化恢复具有一定借鉴意义。