張 靜，張寶民，單秀琴

（中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院）

古氣候與古海洋對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)集層發(fā)育的控制

張 靜，張寶民，單秀琴

（中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院）

以中國(guó)塔里木、四川及鄂爾多斯盆地碳酸鹽巖重點(diǎn)層系為例，探討古氣候背景與古海洋環(huán)境聯(lián)合控制海相碳酸鹽巖儲(chǔ)集層發(fā)育的機(jī)制。對(duì)海相碳酸鹽巖沉積和儲(chǔ)集層形成而言，古氣候總體上有干熱/干燥與濕熱/濕潤(rùn)之分；顯生宙海水的地球化學(xué)成分曾發(fā)生明顯的周期性變化，方解石海與文石海交替出現(xiàn)。塔里木、四川及鄂爾多斯等盆地的油氣勘探實(shí)踐表明，海相碳酸鹽巖規(guī)模儲(chǔ)集層的孔隙類型與發(fā)育特征明顯受控于其沉積時(shí)的古氣候背景與古海洋環(huán)境。干熱/干燥古氣候背景下的文石海環(huán)境最有利于形成孔隙-孔洞型白云巖儲(chǔ)集層；干熱/干燥古氣候背景下的方解石海環(huán)境可形成以發(fā)育蒸發(fā)鹽鑄?？诪橹鞯目紫缎桶自茙r儲(chǔ)集層。濕熱/濕潤(rùn)古氣候背景下的方解石海和文石海沉積則主要形成大型溶洞型儲(chǔ)集層。古氣候背景與古海洋環(huán)境聯(lián)合控制了碳酸鹽巖的沉積并深刻影響了其成巖作用，最終決定了規(guī)模儲(chǔ)集層的孔隙特征和儲(chǔ)集層類型。圖5參33

古氣候背景；古海洋環(huán)境；方解石海；文石海；碳酸鹽巖；白云石化；儲(chǔ)集層

0 引言

海相碳酸鹽巖的形成與沉積期的古氣候背景、古海洋環(huán)境密切相關(guān)[1]，古氣候背景主要指地球不同緯度帶碳酸鹽巖沉積時(shí)的氣候條件，總體上有干熱/干燥與濕熱/濕潤(rùn)之分[2]；古海洋環(huán)境指冰室期（icehouse）的文石海（aragonite sea）環(huán)境和溫室期（greenhouse）的方解石海（calcite sea）環(huán)境[3-5]。在古氣候研究方面，前人一般以沉積類型及沉積物中所含古生物化石作為恢復(fù)古氣候帶的依據(jù)，建立了查明古氣候的礦物-巖石學(xué)標(biāo)志和分析方法[2]；在古海洋研究方面，前人就顯生宙海水地球化學(xué)成分變化及其原因和文石海、方解石海特征，以及與之相關(guān)的生物演化、碳酸鹽巖沉積作用等作了相關(guān)論述[3-11]。但并沒有就不同古氣候背景、不同古海洋環(huán)境對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)集層形成演化的控制作用及其影響進(jìn)行專門探討。目前學(xué)術(shù)界對(duì)控制海相碳酸鹽巖沉積與成巖的地質(zhì)背景的探討還相對(duì)薄弱。

筆者對(duì)塔里木、四川及鄂爾多斯盆地震旦系、寒武系、奧陶系及三疊系等碳酸鹽巖重點(diǎn)層系的數(shù)十個(gè)野外露頭剖面、數(shù)百口鉆井巖心進(jìn)行了較為系統(tǒng)的儲(chǔ)集層形成機(jī)制分析。通過野外剖面和巖心觀察描述及系列實(shí)驗(yàn)分析（顯微薄片鑒定和元素、同位素地球化學(xué)及流體包裹體分析等）等綜合研究發(fā)現(xiàn)，碳酸鹽沉積時(shí)的古氣候背景對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)集層發(fā)育具有重要影響，干熱/干燥、濕熱/濕潤(rùn)背景下儲(chǔ)集層發(fā)育特征差異顯著；地球南北兩極有冰蓋的冰室期-文石海沉積的控儲(chǔ)特征明顯不同于兩極無(wú)冰蓋的溫室期-方解石海。古氣候背景與古海洋環(huán)境對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)集層的形成和演化具有重要的控制作用，并從根本上決定了儲(chǔ)集層的成因類型。本文以上述盆地的碳酸鹽巖重點(diǎn)層系為例，嘗試就古氣候背景與古海洋環(huán)境聯(lián)合控制碳酸鹽巖儲(chǔ)集層發(fā)育的機(jī)制進(jìn)行初步探討，以期為碳酸鹽巖儲(chǔ)集層成因機(jī)理研究與分布預(yù)測(cè)提供更為廣闊的思路和途徑。

1 古海洋環(huán)境

“將今論古”的原理使沉積學(xué)家一度認(rèn)為古代海水的化學(xué)成分和現(xiàn)代海水相同，該觀點(diǎn)直到20世紀(jì)70年代才受到質(zhì)疑：1975年Sandberg在對(duì)鈣質(zhì)鮞粒結(jié)構(gòu)特征的觀察中發(fā)現(xiàn)新生代早期的海水環(huán)境有利于方解石沉淀、新生代晚期至現(xiàn)代的海水環(huán)境有利于文石沉淀，并將有利于方解石和文石沉淀的地質(zhì)歷史時(shí)期分別稱為方解石海和文石海時(shí)期[3]。不同學(xué)者對(duì)碳酸鹽非骨屑顆粒、蒸發(fā)巖原生礦物成分和蒸發(fā)巖中流體包裹體的研究也表明，顯生宙海水地球化學(xué)成分曾發(fā)生明顯的周期性變化[3-10]。

Sandberg進(jìn)一步研究表明[3-4]，晚前寒武紀(jì)以來(lái)，鮞粒的原生礦物成分變化指示了3個(gè)文石海時(shí)期（大致為晚前寒武紀(jì)—早寒武世、晚石炭世—晚三疊世或早侏羅世、新生代中期—現(xiàn)代）和2個(gè)方解石海時(shí)期（大致為寒武紀(jì)中期—早石炭世、晚三疊世或早侏羅世—新生代早中期）。這種方解石海和文石海的周期性變化與地質(zhì)歷史時(shí)期溫室期和冰室期的交替出現(xiàn)具有同步協(xié)調(diào)性，即方解石海時(shí)期和文石海時(shí)期分別與溫室期和冰室期大致對(duì)應(yīng)（見圖1）[3-4,8,10]。蒸發(fā)巖的類型在地質(zhì)歷史時(shí)期也經(jīng)歷了顯著的周期性變化，并與碳酸鹽非骨屑顆粒原生礦物成分呈現(xiàn)明顯的同步性，在文石海時(shí)期，海水具有Ca2+含量相對(duì)低、S含量相對(duì)高的特點(diǎn)，蒸發(fā)演化后的鹵水中富含Mg2+、Na+、K+，最后通過蒸發(fā)形成石鹽和瀉利鹽（MgSO4）沉積，繼續(xù)蒸發(fā)才能得到鉀鹽；方解石海時(shí)期，海水具有Ca2+含量相對(duì)高、S含量相對(duì)低的特點(diǎn)，蒸發(fā)海水在方解石和硬石膏沉淀之后形成的鹵水中富含Ca2+、Na+、K+而缺失S，最終通過蒸發(fā)形成石鹽和鉀石鹽（KCl），整個(gè)地質(zhì)歷史時(shí)期中，海水成分變化控制海相鉀鹽的形成時(shí)代（見圖1）[6-7,11]。

上述研究均針對(duì)長(zhǎng)時(shí)間尺度的全球古海洋環(huán)境變化，本文對(duì)儲(chǔ)集層發(fā)育機(jī)制的探討亦以此為基礎(chǔ)。目前針對(duì)短時(shí)間尺度的相關(guān)研究還較少[12]，是今后研究的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

圖1 顯生宙海水地球化學(xué)成分、海底膠結(jié)物成分及蒸發(fā)巖類型的變化（據(jù)文獻(xiàn)[8,10]修改）

2 古氣候背景

文石海時(shí)期對(duì)應(yīng)全球冰室期[3-4,8,10]，此時(shí)地球南、北兩極被冰蓋所覆蓋，高緯度地區(qū)發(fā)育海洋冰川，海洋淺水碳酸鹽沉積物主要分布在南、北緯30°之間的熱帶—亞熱帶。在0～30°的低緯區(qū)，靠溫帶一側(cè)為亞熱帶高壓控制的干燥區(qū)，即干熱/干燥古氣候背景下的冰室期-文石海沉積環(huán)境；靠赤道一側(cè)為雨林區(qū)，即濕熱/濕潤(rùn)古氣候背景下的冰室期-文石海沉積環(huán)境。方解石海時(shí)期對(duì)應(yīng)全球溫室期[3-4,8,10]，此時(shí)地球南、北兩極無(wú)冰蓋，高緯無(wú)海冰，在0～30°的低緯區(qū)，靠溫帶一側(cè)為亞熱帶高壓控制的干燥區(qū)，靠赤道一側(cè)為雨林區(qū)，形成干熱/干燥與濕熱/濕潤(rùn)古氣候背景下的方解石海沉積環(huán)境。

震旦紀(jì)以來(lái)，中國(guó)中西部疊合盆地中下組合海相碳酸鹽巖沉積均經(jīng)歷了冰室期-文石海與溫室期-方解石海的周期性演變，且基本上與全球變化同步。由于沉積時(shí)所處地球古緯度的不同[13-14]，不同盆地碳酸鹽巖沉積時(shí)的古氣候背景與古海洋環(huán)境均有不同，海底與埋藏成巖環(huán)境的介質(zhì)鹽度存在很大差異。以部分典型層系為例，塔里木、四川盆地震旦系—中寒武統(tǒng)以及四川盆地石炭系—三疊系均為典型的干熱/干燥古氣候背景下的冰室期-文石海沉積；塔里木、鄂爾多斯盆地奧陶系分別為濕熱/濕潤(rùn)、干熱/干燥古氣候背景下的溫室期-方解石海沉積（見圖2）。干熱/干燥古氣候背景、冰室期-文石海沉積的成巖介質(zhì)鹽度最高，濕熱/濕潤(rùn)古氣候背景、溫室期-方解石海沉積的成巖介質(zhì)鹽度最低，進(jìn)而也影響了白云石化作用的程度，導(dǎo)致塔里木、四川盆地震旦系—中寒武統(tǒng)以及四川盆地石炭系—三疊系白云巖普遍發(fā)育，而塔里木盆地奧陶系白云巖欠發(fā)育。

圖2 塔里木、四川及鄂爾多斯盆地部分層系碳酸鹽巖發(fā)育的古海洋環(huán)境與古氣候背景示意圖

3 不同古氣候背景及古海洋環(huán)境下碳酸鹽巖沉積與儲(chǔ)集層特征

3.1 干熱/干燥的古氣候背景與孔隙-孔洞型白云巖儲(chǔ)集層的形成

目前認(rèn)為大多數(shù)白云巖是交代成因的，即通過白云石化作用而形成[15-16]。白云石形成所需的Mg2+來(lái)源問題一直是白云巖研究中的難點(diǎn)，也是白云巖成因理論中爭(zhēng)論的焦點(diǎn)[15]。對(duì)世界不同地區(qū)白云巖的研究發(fā)現(xiàn)，Mg2+來(lái)源主要有以下幾類：①海水（正常海水或濃縮海水）中的Mg2+；②黏土礦物釋放出來(lái)的Mg2+；③地球深部巖漿熱液帶來(lái)的Mg2+；④有機(jī)質(zhì)提供的Mg2+。雖然Mg2+的來(lái)源多種多樣，但對(duì)于大規(guī)模白云巖的發(fā)育而言，充足、大量的Mg2+是關(guān)鍵。總體上看，海水是富Mg2+流體最原始、最主要的來(lái)源，特別是濃縮海水或鹵水[16]。

地質(zhì)歷史時(shí)期大規(guī)模發(fā)育的白云巖多與蒸發(fā)巖密切相關(guān)，如形成于蒸發(fā)臺(tái)地中的準(zhǔn)同生白云巖[17]。這類白云巖的交代作用發(fā)生在準(zhǔn)同生期，即碳酸鈣沉積物剛沉積不久、尚未脫離沉積環(huán)境時(shí)[18]。被交代的沉積物為潮間—潮上帶和膏鹽湖環(huán)境中的文石泥和/或泥晶高鎂方解石。白云石化流體為干熱/干燥古氣候背景下、由強(qiáng)烈蒸發(fā)作用形成的鹽度變高的富Mg2+濃縮海水（鹵水）[18]。該機(jī)理主要用于解釋與蒸發(fā)巖伴生的潮坪及澙湖沉積物的白云石化作用。由這種機(jī)理形成的白云巖多較致密，難以獨(dú)立成為好儲(chǔ)集層。蒸發(fā)巖也是干熱/干燥古氣候背景下特有而常見的沉積類型，常與準(zhǔn)同生白云巖共生或伴生。蒸發(fā)鹽是易溶礦物，很容易在短時(shí)間尺度濕熱/濕潤(rùn)古氣候背景下被溶蝕而形成孔洞，從而有利于后期形成具有蒸發(fā)鹽鑄?？椎目紫缎秃啵ǜ噘|(zhì)）白云巖儲(chǔ)集層。準(zhǔn)同生白云巖在中國(guó)多個(gè)大型盆地均有分布，是當(dāng)前研究和勘探程度最高的一類白云巖儲(chǔ)集層。典型實(shí)例如鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組、四川盆地三疊系雷口坡組—嘉陵江組及塔里木盆地中寒武統(tǒng)等層系，其中很多都是大型油氣田的主力產(chǎn)層[17,19-22]。

除廣泛發(fā)育的準(zhǔn)同生白云巖外，還有一類白云巖的原巖沉積時(shí)水體鹽度正常、能量較高，與低能量、高鹽度的蒸發(fā)環(huán)境迥異，不具備發(fā)生準(zhǔn)同生白云石化的條件，如礁灘相顆粒白云巖和礁白云巖等，其白云石化作用主要發(fā)生在埋藏期，屬成巖埋藏白云巖[23]。很多學(xué)者認(rèn)為這類白云巖的形成與周圍的蒸發(fā)環(huán)境不存在明顯的因果關(guān)聯(lián)。然而隨著近年來(lái)白云巖成因研究的不斷深入，越來(lái)越多有力的證據(jù)表明[24-29]，在蒸發(fā)臺(tái)地相關(guān)層系以及與之有一定距離的層系中，對(duì)于由正常鹽度水體中的碳酸鹽沉積物轉(zhuǎn)變而來(lái)的大規(guī)模白云巖，其白云石化流體主要就是蒸發(fā)臺(tái)地中的濃縮海水（鹵水）。其成因多與鹵水在埋藏期通過壓實(shí)排擠或熱對(duì)流循環(huán)機(jī)制對(duì)其周圍的灰?guī)r地層進(jìn)行交代有關(guān)。這類白云巖的實(shí)例如四川盆地下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組、石炭系黃龍組、鄂爾多斯盆地下奧陶統(tǒng)馬家溝組四段以及塔里木盆地中西部地區(qū)中寒武統(tǒng)蒸發(fā)巖系之上巨厚的顆粒白云巖和結(jié)晶白云巖[24-29]。這種成巖埋藏白云巖可通過多種成孔機(jī)制發(fā)育晶（粒）間孔、晶（粒）間溶孔等儲(chǔ)集空間，是孔隙型白云巖儲(chǔ)集層最主要的成因類型[23]，如四川盆地下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組廣泛發(fā)育的鮞粒白云巖和結(jié)晶白云巖儲(chǔ)集層。

在干熱/干燥的古氣候背景下，水體中的Ca2+不斷被消耗而Mg2+不斷富集，一方面有利于形成與硬石膏等蒸發(fā)鹽類礦物共生的準(zhǔn)同生白云巖，另一方面可以作為富含Mg2+埋藏孔隙水，在埋藏期通過壓實(shí)排擠等機(jī)制向下方或側(cè)向滲透，或在熱對(duì)流等動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)下向上方運(yùn)移，進(jìn)入到周圍滲透性較好的灰?guī)r如礁灘相灰?guī)r中，導(dǎo)致其發(fā)生白云石化。因此，干熱/干燥古氣候背景下發(fā)育的蒸發(fā)臺(tái)地中的鹵水不僅是準(zhǔn)同生白云巖的Mg2+來(lái)源，亦可以在埋藏環(huán)境中導(dǎo)致大規(guī)模白云石化作用的發(fā)生。這也正是地史時(shí)期巨厚而分布廣泛的白云巖多與干熱/干燥古氣候背景和在該背景下發(fā)育的蒸發(fā)臺(tái)地密切相關(guān)的主要原因。由于準(zhǔn)同生白云巖和成巖埋藏白云巖都可以在不同的成巖階段通過特定的成孔機(jī)制形成諸如蒸發(fā)鹽鑄模孔、晶（粒）間孔、晶（粒）間溶孔等儲(chǔ)集空間而成為孔隙-孔洞型儲(chǔ)集層[23]，干熱/干燥古氣候背景是大規(guī)?？紫?孔洞型白云巖儲(chǔ)集層發(fā)育的一個(gè)非常重要的有利因素。

圖3 不同古海洋環(huán)境與古氣候背景下碳酸鹽巖孔隙發(fā)育特征對(duì)比

3.2 文石海環(huán)境與孔隙-孔洞型白云巖儲(chǔ)集層的形成

當(dāng)海水的c（Mg2+）/c（Ca2+）值小于2.2、為2.2～5.3、大于5.3時(shí)，分別形成低鎂方解石、高鎂方解石+文石、文石?，F(xiàn)代海水的c（Mg2+）/c（Ca2+）值為5.2，熱帶淺海碳酸鹽沉積主要由文石和高鎂方解石組成，這一特點(diǎn)對(duì)應(yīng)地質(zhì)歷史時(shí)期的文石海時(shí)期。古代方解石海時(shí)期，當(dāng)海水的c（Mg2+）/c（Ca2+）值小于2時(shí)，碳酸鹽沉積的原生礦物以低鎂方解石為主[4,6,9,11,30]。顯生宙海水化學(xué)成分的周期性變化導(dǎo)致了不同時(shí)期碳酸鹽沉積原生礦物的不同。

文石、高鎂方解石和低鎂方解石的化學(xué)活動(dòng)性有明顯差異。文石和高鎂方解石為準(zhǔn)穩(wěn)定礦物，在成巖作用過程中會(huì)向穩(wěn)定的低鎂方解石轉(zhuǎn)化，因此已經(jīng)成巖的古代碳酸鹽巖主要由低鎂方解石構(gòu)成。由此可見，文石海時(shí)期與方解石海時(shí)期的碳酸鹽沉積具有不同的成巖潛能。不同的海水成分和原生礦物組成勢(shì)必造成碳酸鹽巖早期成巖作用方式的顯著差別[4]。

碳酸鹽沉積物礦物成分的差異必然影響儲(chǔ)集層儲(chǔ)集空間的發(fā)育。通過筆者對(duì)塔里木、四川及鄂爾多斯等盆地碳酸鹽巖儲(chǔ)集層的研究發(fā)現(xiàn)，同樣是礁、丘、灘沉積，文石海碳酸鹽巖比方解石海碳酸鹽巖的基質(zhì)孔隙更為發(fā)育。以普遍發(fā)育的顆粒碳酸鹽巖為例，四川盆地下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組鮞粒白云巖發(fā)育大量以鑄模（鮞模）孔、粒（晶）間孔、粒（晶）間溶孔為特征的原生和次生基質(zhì)孔隙（見圖3a、3b）；而華北地區(qū)廣泛（面積可達(dá)300×104km2）發(fā)育的中寒武統(tǒng)張夏組鮞粒白云巖中卻基本未見基質(zhì)孔隙（見圖3c）。再如，同為灰泥丘沉積，四川盆地震旦紀(jì)灰泥丘中孔洞極為發(fā)育（見圖3d），而塔里木與鄂爾多斯盆地奧陶紀(jì)灰泥丘中卻幾乎未見任何有效的儲(chǔ)集空間（見圖3e）。造成這一現(xiàn)象的主要原因正是文石海環(huán)境中有大量易溶的文石、高鎂方解石沉淀，使得沉積物在遭受同生—準(zhǔn)同生期暴露與大氣淡水溶蝕時(shí)更容易形成孔洞。越來(lái)越多的證據(jù)表明，在淺海環(huán)境中，文石或高鎂方解石質(zhì)的碳酸鹽沉積物在沉積過程中大量溶解，即同沉積溶解。例如，佛羅里達(dá)碳酸鹽臺(tái)地中，有超過50%的碳酸鹽被溶解[32]。

除容易發(fā)生溶蝕外，文石海碳酸鹽沉積的另一個(gè)不同于方解石海的成巖潛能表現(xiàn)為：文石海時(shí)期沉積的高鎂方解石相對(duì)富鎂，在其向低鎂方解石轉(zhuǎn)化的過程中可以為孔隙流體提供大量Mg2+，是后期發(fā)生白云石化作用的有利因素。海泡石的形成證明了這一點(diǎn)：相關(guān)研究表明，全球顯生宙正常鹽度海水、非熱液活動(dòng)環(huán)境下形成的海泡石的地史分布全部對(duì)應(yīng)文石海，而方解石海沉積則缺乏海泡石，顯然與文石海高鎂方解石的穩(wěn)定轉(zhuǎn)化有關(guān)[4]。蒸發(fā)巖類型在文石海時(shí)期主要為MgSO4型，也可能成為Mg2+的另一個(gè)重要來(lái)源。雖然導(dǎo)致白云巖形成的因素眾多，但大量Mg2+的存在是最為關(guān)鍵的因素。除了可能具備相對(duì)充足的Mg2+外，文石海沉積物中原生和次生基質(zhì)孔隙的普遍發(fā)育還可以為后期水-巖作用提供大量反應(yīng)空間，從而有利于白云石化作用的進(jìn)行。相對(duì)于方解石海而言，文石海環(huán)境更有利于白云巖的形成，進(jìn)而成為孔隙-孔洞型白云巖儲(chǔ)集層發(fā)育的一個(gè)潛在的有利因素。

3.3 干熱/干燥的古氣候背景與早成巖期孔洞的形成與保存

儲(chǔ)集層發(fā)育早期，干熱/干燥的古氣候環(huán)境多起著建設(shè)性成巖作用。干熱/干燥環(huán)境下成巖流體相對(duì)匱乏，導(dǎo)致沉積物中膠結(jié)物相對(duì)匱乏，大量孔隙空間得以發(fā)育，因此有利于早成巖期孔洞的形成與保持。而濕熱/濕潤(rùn)的古氣候?qū)υ绯蓭r期孔洞發(fā)育多起破壞性作用。濕熱/濕潤(rùn)條件下，相對(duì)充足的成巖流體使得膠結(jié)物大量形成并充填孔洞，因此不利于早成巖期儲(chǔ)集空間的發(fā)育與保持。總體而言，干熱/干燥古氣候背景下形成的碳酸鹽巖具有膠結(jié)物少、膠結(jié)期次少的特征，而濕熱/濕潤(rùn)古氣候背景下形成的碳酸鹽巖具有膠結(jié)物多、膠結(jié)期次多的特征。

以干熱/干燥古氣候背景下的四川盆地震旦系燈影組為例。燈影組發(fā)育大規(guī)模同生—準(zhǔn)同生期層間巖溶，其特征明顯不同于濕熱/濕潤(rùn)古氣候背景下形成的層間巖溶，突出表現(xiàn)為：每一層層間巖溶面之下，都普遍發(fā)育鈣結(jié)殼（鈣結(jié)殼是干熱/干燥氣候條件下碳酸鹽巖表面遭受風(fēng)化、大氣淡水滲流與溶蝕作用的產(chǎn)物，即干熱/干燥古氣候背景下的古土壤），包括其頂部的滲流豆粒和之下的“白堊”狀泥晶云巖。鈣結(jié)殼之下，是普遍發(fā)育的“葡萄、花邊”構(gòu)造和孔洞極為發(fā)育的好儲(chǔ)集層。無(wú)論是野外露頭還是覆蓋區(qū)鉆井剖面，鈣結(jié)殼和“葡萄、花邊”構(gòu)造均疊置分布、成對(duì)出現(xiàn)。前者指示同生—準(zhǔn)同生期大氣淡水滲流帶，后者指示同生—準(zhǔn)同生期大氣淡水潛流帶。盡管燈影組白云巖經(jīng)歷了幾乎所有碳酸鹽巖成巖作用過程，但其孔隙多為半充填（見圖3d），孔洞十分發(fā)育，有沿砂屑白云巖層理發(fā)育的孔洞、沿凝塊（球粒）周圍發(fā)育的孔洞、沿富藻層溶解形成的孔洞，以及顆粒溶蝕形成的孔洞等。總體上看，具有膠結(jié)期次少、膠結(jié)物少的特點(diǎn)，屬典型干熱/干燥古氣候背景下的產(chǎn)物。而以塔里木盆地奧陶系為典型代表的濕熱/濕潤(rùn)古氣候背景下的方解石海沉積物突出表現(xiàn)為膠結(jié)物多、膠結(jié)期次多的成巖作用特征，明顯不同于四川盆地震旦系。

3.4 干熱/干燥古氣候背景下方解石海與蒸發(fā)鹽鑄?？仔桶自茙r儲(chǔ)集層的形成

干熱/干燥的古氣候是白云巖和蒸發(fā)鹽礦物發(fā)育的一個(gè)獨(dú)立有利因素，不受原巖沉積時(shí)古海洋環(huán)境的影響。由此除文石海沉積環(huán)境外，干熱/干燥古氣候背景下的方解石海沉積物同樣可以形成發(fā)育蒸發(fā)鹽鑄?？椎目紫缎桶自茙r儲(chǔ)集層，且這類白云巖儲(chǔ)集層的規(guī)模通常較大。典型實(shí)例如形成于方解石海環(huán)境中的鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組含蒸發(fā)鹽的碳酸鹽巖層系。馬家溝組沉積期經(jīng)歷了多次海進(jìn)和海退。其中，馬一段、馬三段、馬五段沉積時(shí)氣候干熱，海平面下降，海水濃縮，形成膏鹽盆和含鉀鹽盆。在局限/蒸發(fā)臺(tái)地向上變淺序列的上部，發(fā)育了富含蒸發(fā)鹽礦物（如硬石膏結(jié)核、石鹽）的泥粉晶白云巖，屬典型薩布哈成因。該成因類型的白云巖本身多較致密，基本無(wú)可見基質(zhì)孔隙，但由于伴生了蒸發(fā)鹽礦物并遭受了與高頻層序界面有關(guān)的準(zhǔn)同生期大氣淡水溶蝕，導(dǎo)致其中的蒸發(fā)鹽礦物被溶解，因此發(fā)育了大量硬石膏和/或石鹽鑄?？祝ㄒ妶D3f），可形成垂向上多旋回、平面上準(zhǔn)層狀的孔隙型儲(chǔ)集層。這種儲(chǔ)集層的突出特點(diǎn)是孔隙度高但滲透率低，受到后期巖溶作用的疊加改造后其儲(chǔ)集性能可明顯改善，如馬五段含蒸發(fā)鹽鑄?？椎目紫缎桶自茙r經(jīng)表生期風(fēng)化殼巖溶作用的改造后形成了較好的孔隙-溶洞型儲(chǔ)集層。

3.5 濕熱/濕潤(rùn)古氣候背景下方解石海/文石海與大型溶洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)集層的形成

前已述及，無(wú)論是方解石海還是文石海，碳酸鹽巖沉積時(shí)濕熱/濕潤(rùn)的古氣候背景均不利于早成巖期儲(chǔ)集空間的發(fā)育。以塔中地區(qū)I號(hào)斷裂帶上奧陶統(tǒng)良里塔格組臺(tái)地邊緣礁灘相灰?guī)r為例，其沉積背景為典型的濕熱/濕潤(rùn)古氣候背景下的方解石海，并經(jīng)歷了準(zhǔn)同生期層間巖溶和表生期風(fēng)化殼巖溶作用的改造。但在其中難以識(shí)別宏觀尺度的層間巖溶現(xiàn)象，不具備四川盆地震旦系普遍發(fā)育的鈣結(jié)殼、“葡萄、花邊”構(gòu)造及大量半充填的孔洞。僅在薄片中可見一些微觀層間巖溶現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為層內(nèi)溶蝕孔洞中不見淺埋藏晚期粒狀方解石膠結(jié)物，淺埋藏早期棱柱狀方解石和海底膠結(jié)的纖狀環(huán)邊方解石呈“殘骸”狀等?；|(zhì)孔隙發(fā)育程度總體較差，難以形成孔隙型儲(chǔ)集層，如果沒有表生期風(fēng)化殼巖溶作用的改造形成大型縫洞，則很難形成優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層[33]。地質(zhì)與地球物理綜合研究表明，塔中I號(hào)臺(tái)緣帶良里塔格組灰?guī)r中可能發(fā)育2～3層大型溶洞。如塔中62-1井，在4 959.10～4 959.30 m和4 973.21～4 973.76 m井段分別放空0.20 m和0.55 m，塔中62-2井在4 784.00～4 798.40 m井段鉆揭一高逾10 m的大型溶洞。該組不經(jīng)措施改造獲工業(yè)油氣流或高產(chǎn)工業(yè)油氣流的鉆井均有大型巖溶洞穴存在，而經(jīng)措施改造后仍獲低產(chǎn)或未獲產(chǎn)能的失利井均未發(fā)育大型巖溶洞穴。說(shuō)明表生期巖溶作用形成的大型洞穴明顯控制了儲(chǔ)集層的形成與分布，并決定了油氣成藏與高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)井、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)區(qū)塊的分布，儲(chǔ)集層類型屬典型的溶洞型儲(chǔ)集層。

由于塔里木盆地奧陶系沉積時(shí)處在濕熱/濕潤(rùn)的古氣候背景下，不發(fā)育易溶的蒸發(fā)鹽礦物，因此不具備類似于鄂爾多斯盆地奧陶系干熱/干燥古氣候背景下形成蒸發(fā)鹽鑄模孔的條件，孔隙型儲(chǔ)集層不發(fā)育。在構(gòu)造斷裂與表生期風(fēng)化殼巖溶作用下可形成較大規(guī)模的溶蝕縫洞，成為溶洞型儲(chǔ)集層。

4 不同古氣候與古海洋環(huán)境下碳酸鹽巖儲(chǔ)集空間演化特征

碳酸鹽巖儲(chǔ)集層中次生孔隙占主導(dǎo)地位，因此其沉積后的建設(shè)性成巖改造尤為重要。碳酸鹽巖的成巖改造作用多種多樣，其中，溶蝕作用對(duì)碳酸鹽巖優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層的形成具有決定性的作用[1]。溶蝕作用在很大程度上受到碳酸鹽巖基質(zhì)孔隙發(fā)育程度的影響，基質(zhì)孔隙發(fā)育程度的差異最終將導(dǎo)致儲(chǔ)集層儲(chǔ)集空間發(fā)育特征和儲(chǔ)集層類型的不同。

在質(zhì)純、層厚、具基質(zhì)孔隙的碳酸鹽巖中，溶蝕作用主要沿巖石骨架間孔或晶間孔進(jìn)行，巖溶水運(yùn)動(dòng)以基質(zhì)孔中的彌散（擴(kuò)散）流為特征。隨著侵蝕、溶蝕作用的持續(xù)進(jìn)行而最終演變?yōu)榉涓C狀溶蝕孔洞，表現(xiàn)為巖石整體的巖溶化。具有成洞率高、均質(zhì)性好、方向性弱和儲(chǔ)集空間規(guī)模小的特點(diǎn)，主要形成孔隙-孔洞型儲(chǔ)集層。如果在這類碳酸鹽巖中同時(shí)發(fā)育裂縫和/或?qū)永?，則更有利于溶蝕作用的進(jìn)行。而在質(zhì)純、層厚、致密的碳酸鹽巖中，溶蝕作用主要沿?cái)嗔?、裂隙進(jìn)行，巖溶水運(yùn)動(dòng)以斷裂、裂隙中的管道流為特征，隨著侵蝕、溶蝕作用的持續(xù)進(jìn)行而溶洞規(guī)模不斷擴(kuò)大。具有成洞率低、非均質(zhì)性強(qiáng)、方向性強(qiáng)和洞穴規(guī)模大的特點(diǎn)，往往形成大型縫洞型儲(chǔ)集層。但如果這類碳酸鹽巖中裂縫和/或?qū)永聿话l(fā)育，則溶蝕作用難以進(jìn)行，儲(chǔ)集空間不發(fā)育（見圖4）。這一機(jī)理很好地解釋了基質(zhì)孔隙欠發(fā)育的塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖形成大型溶洞型儲(chǔ)集層，而基質(zhì)孔隙較發(fā)育的四川盆地震旦系或三疊系碳酸鹽巖不容易發(fā)育較大規(guī)模的縫洞而主要形成孔隙-孔洞型儲(chǔ)集層的原因。

圖4 碳酸鹽巖儲(chǔ)集空間演化特征

濕熱/濕潤(rùn)古氣候背景下的方解石海和文石海沉積物由于基質(zhì)孔隙欠發(fā)育，因此不利于孔隙型碳酸鹽巖儲(chǔ)集層的形成，主要依賴于構(gòu)造斷裂并通過后期巖溶改造而發(fā)育大型溶洞型儲(chǔ)集層，如塔里木盆地奧陶系良里塔格組。干熱/干燥古氣候背景下的方解石海，碳酸鹽巖本身可能不易發(fā)育基質(zhì)孔，但可發(fā)育大規(guī)模含蒸發(fā)鹽的白云巖并配合溶蝕作用而形成大量蒸發(fā)鹽鑄?？祝瑥亩蔀榭紫缎桶自茙r儲(chǔ)集層，如鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組。而干熱/干燥古氣候背景下的文石海，一方面由于沉淀大量易溶的礦物（文石、高鎂方解石等），容易在同生—準(zhǔn)同生期發(fā)生溶解，另一方面由于沉積物中的膠結(jié)物相對(duì)匱乏，不但有利于原生基質(zhì)孔隙的發(fā)育，還有利于早成巖期孔洞的形成和保存。同時(shí)，該背景下大量Mg2+和沉積物中孔隙空間的存在有利于白云石化作用的發(fā)生，因此可以發(fā)育優(yōu)質(zhì)孔隙-孔洞型白云巖儲(chǔ)集層，如四川盆地下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組與震旦系燈影組。

形成于不同古海洋環(huán)境與古氣候背景下的碳酸鹽巖具有不同的孔隙空間發(fā)育潛能，加之所處沉積相帶、巖石類型以及成巖后經(jīng)歷的建設(shè)性成巖改造作用等因素的不同，四川、塔里木及鄂爾多斯盆地不同地質(zhì)時(shí)代發(fā)育不同類型的碳酸鹽巖儲(chǔ)集層（見圖5）。

圖5 四川、塔里木、鄂爾多斯盆地中下組合海相碳酸鹽巖時(shí)代分布與主要儲(chǔ)集層類型

5 結(jié)論

塔里木、四川及鄂爾多斯等盆地碳酸鹽巖的勘探實(shí)踐表明，古海洋環(huán)境與古氣候背景是控制碳酸鹽巖沉積作用并影響其成巖作用的首要因素。地質(zhì)歷史時(shí)期，文石海與方解石海的交替出現(xiàn)以及沉積時(shí)的古氣候背景從根本上控制了碳酸鹽巖的沉積特征及沉積巖類型，并在很大程度上影響碳酸鹽巖儲(chǔ)集空間的形成和演化，由此導(dǎo)致了不同古海洋環(huán)境和古氣候背景下碳酸鹽巖儲(chǔ)集層的發(fā)育特征存在明顯差異，最終決定了儲(chǔ)集層的成因類型。干熱/干燥古氣候背景下的文石海環(huán)境最有利于孔隙-孔洞型白云巖儲(chǔ)集層的形成。干熱/干燥古氣候背景下的方解石海沉積物可形成以發(fā)育蒸發(fā)鹽鑄?？诪橹鞯目紫缎桶自茙r儲(chǔ)集層。濕熱/濕潤(rùn)古氣候背景下的方解石海和文石海沉積物則主要形成大型溶洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)集層。從古海洋環(huán)境和古氣候背景的角度出發(fā)，探討二者對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)集層發(fā)育的控制作用，對(duì)拓展碳酸鹽巖儲(chǔ)集層的相關(guān)研究具有重要意義。

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Zhang Jing, Zhang Baomin, Shan Xiuqin
(PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083, China)

The controlling effects of paleo-climate and paleo-ocean on the formation of marine carbonate reservoirs were studied taking key carbonate strata in the Tarim, Sichuan and Ordos Basins as examples. Dry heat/aridity and moist heat/moisture are the two distinctive types of paleo-climate background as far as carbonate sedimentation and reservoir formation are concerned. The geochemistry of the Phanerozoic ocean experienced cyclic variation, with calcite sea and aragonite sea occurring alternately. Carbonate exploration practice in the Tarim, Sichuan and Ordos Basins shows that the features of carbonate reservoir are evidently controlled by paleo-climate and paleo-ocean environment. The aragonite sea under dry heat/arid climate is most favorable for the formation of porous dolomite reservoirs. The calcite sea under dry heat/arid climate is favorable for the formation of porous dolomite reservoirs with evaporite moldic pores. The calcite sea and aragonite sea under moist heat/moist climate may only lead to the formation of cavernous carbonate reservoir. Paleo-climate and paleo-ocean environment exert great influence on carbonate sedimentation and its diagenesis, and ultimately determine the porosity features and types of carbonate reservoirs.

paleo-climate; paleo-ocean environment; calcite sea; aragonite sea; carbonate; dolomitization; reservoir

TE122.31

A

張靜（1979-），女，北京市人，博士，中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院工程師，主要從事碳酸鹽巖儲(chǔ)集層研究工作。地址：北京市海淀區(qū)學(xué)院路20號(hào)，中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院石油地質(zhì)實(shí)驗(yàn)中心，郵政編碼：100083。E-mail：zj_1224@petrochina.com.cn

2013-05-05

2013-10-16

（編輯 王大銳 繪圖 劉方方）

1000-0747(2014)01-0121-08

10.11698/PED.2014.01.16

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”項(xiàng)目（2008ZX05004）