楊凱峰

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710069)

在碳酸鹽巖體系中，白云巖通常能形成很好的儲(chǔ)層，因?yàn)樘妓猁}沉積物以及石灰?guī)r的白云巖化作用會(huì)增加晶體的尺寸以及孔隙間K吼道的半徑，并使孔隙邊緣變得光滑，這些都能很大程度地改善碳酸鹽巖儲(chǔ)層的物性。與方解石相比，由于白云石對(duì)環(huán)境的敏感性較差，所以其孔隙度隨著深度的增大并沒(méi)有太大的損失。因此，在碳酸鹽巖中白云巖的空間分布決定了碳酸鹽地層優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的分布。

1 研究現(xiàn)狀

石灰?guī)r的白云巖化必須具備兩個(gè)條件:(1)充足的Mg離子供應(yīng);(2)必要的流體運(yùn)移機(jī)制，可以將Mg離子運(yùn)抵發(fā)生白云巖化的位置。要形成規(guī)模巨大的白云巖儲(chǔ)層，就必須有大量的孔隙流體與圍巖發(fā)生離子交換。由于Mg的來(lái)源主要是海水、海水派生出來(lái)的水、鹵水，所以，石灰?guī)r在發(fā)生白云巖化的過(guò)程中，水文條件控制了白云巖巖體的外部形態(tài)。通過(guò)對(duì)白云巖地層進(jìn)行深入研究，確定白云巖化的類型，對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)白云巖優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的空間展布特征具有重要意義。因此，了解水文體系獲取白云巖化流體的方式，以及流體通過(guò)石灰?guī)r地層的通道，對(duì)于白云巖成因研究極其重要。目前對(duì)于研究白云石的成因機(jī)理，預(yù)測(cè)白云巖儲(chǔ)層的分布，傳統(tǒng)的地質(zhì)學(xué)方法顯得力不從心。因此，針對(duì)研究的目的，對(duì)白云巖儲(chǔ)層運(yùn)用適當(dāng)?shù)牡厍蚧瘜W(xué)分析技術(shù)進(jìn)行研究已經(jīng)成為白云巖研究的重要手段。

2 白云巖儲(chǔ)層地球化學(xué)分析技術(shù)

2.1 地層水分析

沉積盆地中所存在的多種類型的流體為白云巖的大量形成提供了條件，主要有與蒸發(fā)相關(guān)的鹵水、侵入帶的大氣淡水和海水等。盆地深部地層鹵水大多來(lái)自蒸發(fā)鹽巖中的孔隙水，受地層壓力的影響，可以從產(chǎn)出層位向上或者向下運(yùn)移。由于巖鹽的溶解所產(chǎn)生的鹵水難以提供充足的Mg離子，所以蒸發(fā)巖層中擠壓出來(lái)的流體就成為促進(jìn)白云巖化作用的主要水體。研究地層水的主要目的在于確定鹵水的來(lái)源、確定地層鹵水促進(jìn)白云巖化的能力。

2.1.1 地層水穩(wěn)定同位素分析

地層水中存在許多十分重要的穩(wěn)定同位素，一般主要體現(xiàn)在δ18O和 δD，這些同位素在自然界的光合作用、蒸發(fā)作用、以及不同的化學(xué)反應(yīng)中，會(huì)表現(xiàn)出不同的特征，因此可以將它們作為這些作用過(guò)程的標(biāo)記物。

δ 用于表示同位素的比例，δ18O、δD 的定義為［1］:

在沉積地層中，常見(jiàn)的三種水體類型為:

1)大氣降水

全球降水中的δ18—δD存在著一種很強(qiáng)的交互關(guān)系:在海水蒸發(fā)期間，較輕的水分子從海水中被選擇性的蒸發(fā)出來(lái)，這樣，雨水中的輕元素比重就比較高。在碳酸鹽巖沉積演化的早期，熱帶雨水經(jīng)常影響到碳酸鹽的早期成巖作用，但是在高緯度地區(qū)，成巖作用發(fā)生以后，高緯度地區(qū)發(fā)生構(gòu)造抬升作用，部分地層水進(jìn)入大氣降水循環(huán)區(qū)，導(dǎo)致降水對(duì)碳酸鹽成巖作用的影響增加。根據(jù)古德兒和加曼提出的調(diào)整白云巖化作用，海平面下降使沉積物中的高鎂方解石暴露于大氣淡水中，高鎂方解石發(fā)生溶解，釋放出Mg離子，使該處或下伏的碳酸鹽沉積物發(fā)生白云化［2］。

2)海水

以薩布哈環(huán)境為例，當(dāng)海水發(fā)生蒸發(fā)作用時(shí)，其同位素成分將會(huì)發(fā)生改變，隨著鹽度的增加，游離水中的較輕同位素比例變得更大。這種現(xiàn)象會(huì)在地層鹵水與周圍巖石發(fā)生水巖反應(yīng)時(shí)得到反映。

3)同位素成分受水巖反應(yīng)改變的水體

在沉降盆地中，任何流體都可以在埋藏期被加熱，在溫度升高的過(guò)程中，碳酸鹽巖礦物發(fā)生溶解和再沉淀，此時(shí)，碳酸鹽巖礦物中的部分18O與底層水中的16O發(fā)生交換，導(dǎo)致礦物中的18O含量降低，而地層水中的18O含量則有所升高。蒸發(fā)作用和水巖相互反應(yīng)最終都能使白云巖發(fā)生18O的相對(duì)富集。

上述基本水體模式可以發(fā)生混合，通過(guò)對(duì)地層水同位素組分進(jìn)行研究，可以有效的判別出促進(jìn)白云巖化作用的流體來(lái)源，有效的識(shí)別白云巖化作用的模式。

2.1.2 地層水溶解物分析

通過(guò)對(duì)含鹽地層地層水的分析，確定其主、次要流體成分，并對(duì)其中陽(yáng)離子和負(fù)離子的的濃度進(jìn)行研究。通過(guò)這些工作可以揭示出地層水的來(lái)源和演化過(guò)程，判斷該流體是否經(jīng)過(guò)了白云巖化作用。

海水發(fā)生蒸發(fā)作用的過(guò)程中，其中濃縮的溶解物質(zhì)所發(fā)生的變化是可以預(yù)測(cè)的，可以利用最初的海水作為基線來(lái)追蹤地層水的演化歷史。由于Br元素在海水中的穩(wěn)定性，它可以在海水蒸發(fā)和次生水巖反應(yīng)中得到保存。利用Br濃度的變化，通過(guò)對(duì)比巖鹽中濃縮元素的變化量，識(shí)別出鹵水發(fā)生的蒸發(fā)—沉淀過(guò)程。

總之，地層水同位素研究和溶解物質(zhì)的化學(xué)信息可以用來(lái)闡明地下流體的來(lái)源和運(yùn)移機(jī)制。在進(jìn)行地層水穩(wěn)定同位素分析和溶解物濃度數(shù)據(jù)處理時(shí)，可以做出以下重要判斷:(1)流體的來(lái)源;(2)流體是否與碳酸鹽圍巖發(fā)生了水巖反應(yīng);(3)流體的演化過(guò)程。

2.2 氧、碳同位素組成分析

碳酸鹽巖中碳氧同位素比率主要受介質(zhì)的溫度、鹽度影響。成巖環(huán)境溫度的升高以及大氣淡水影響的增加，會(huì)降低碳酸鹽巖中18O的比例。但是，目前所知的白云巖中，形成于大氣淡水環(huán)境的很少。因此，白云巖中的低18O常用來(lái)作為高溫沉積環(huán)境的指示標(biāo)志。

碳酸鹽巖礦物與其沉積時(shí)的原始流體相比富集18O，造成礦物中的18O和16O的比值相比原始流體要大。而結(jié)晶溫度越高，礦物和原始流體中的18O/16O的比率越接近。因此，在獲取δ18O時(shí)，需要考慮其成因。張婷婷等在國(guó)內(nèi)白云巖成因研究中，運(yùn)用全巖地球化學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)O同位素在研究區(qū)有明顯波動(dòng)，可能是富集較輕同位素的大氣淡水的滲入造成了這種結(jié)果。結(jié)合X射線衍射資料，說(shuō)明該區(qū)受淡水的影響［3］。

此外白云石氧同位素的研究中，為了區(qū)分δ18O是受大氣淡水還是高溫的影響，可以首先確定所研究的白云巖是高溫(埋藏)白云巖，和低溫(近地表)白云巖。一般通過(guò)以下兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn):第一種，對(duì)于不知道來(lái)源的白云巖，在近地表溫度下需要將其與海相碳酸鹽沉積物相比較。第二，將不知道來(lái)源的白云巖和其他已經(jīng)通過(guò)獨(dú)立方法獲知的白云巖相比較。

劉德良等在鄂爾多斯盆地奧陶系白云巖研究中，對(duì)該區(qū)的碳氧同位素進(jìn)行了分析，該區(qū)白云巖中碳酸鹽巖脈的δ13C值相對(duì)較重，而石灰?guī)r中碳酸鹽巖脈的δ13C值相對(duì)較輕，而且δ13C與δ18O具有一定的相關(guān)性，隨著δ18O數(shù)值增大，δ13C也相應(yīng)增加［4］。根據(jù)研究結(jié)果，顯示碳酸鹽巖脈中的碳氧同位素受到石灰?guī)r和白云巖的制約，表明碳酸鹽巖脈來(lái)源于原巖壓溶產(chǎn)生的溶液。白云巖中碳酸鹽巖脈δ13C偏重，應(yīng)當(dāng)是受到后生白云巖富集同位素的影響?；?guī)r在被交代形成白云巖的過(guò)程中，水體強(qiáng)烈增發(fā)，在高鹽度海水中形成的白云巖中就富集了較重的同位素。

2.3 鍶同位素組成分析

隨著鍶同位素分析技術(shù)和分析精度的提高，鍶同位素在海相碳酸鹽領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。碳酸鹽巖的鍶同位素組成作為流體研究參數(shù)的原因主要有兩點(diǎn):(1)鍶同位素不像氧、碳同位素那樣因溫度、壓力和微生物作用而分餾，礦物可直接反映流體的同位素組成;(2)鍶在海水中的滯留時(shí)間大大長(zhǎng)于海水的混合時(shí)間，因此任一時(shí)代全球范圍內(nèi)海相鍶元素的同位素組成是均一的，為沉積期后流體的示蹤研究提供了一個(gè)非常有意義的背景值。

目前，針對(duì)利用鍶同位素對(duì)白云巖化進(jìn)行研究已經(jīng)取得了一些成果。Qing等對(duì)地中海西部Gibraltar早侏羅世碳酸鹽臺(tái)地進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)當(dāng)?shù)氐陌自茙r、腕足類殼以及早侏羅世海水87Sr/86Sr比值的對(duì)比研究，結(jié)合氧、碳同位素、陰極發(fā)光和其他研究手段，結(jié)果表明該組碳酸鹽巖的白云化作用是發(fā)生在海源流體中的，說(shuō)明在低鹽度流體中，仍然可以使厚層碳酸鹽巖發(fā)生生塊狀白云巖化。

我國(guó)海相碳酸鹽的鍶同位素研究集中在沉積領(lǐng)域，。由于鍶在白云石中分配系數(shù)對(duì)白云石鍶含量的控制作用，古代白云巖鍶含量的變化范圍較小，但不同成因白云巖的鍶同位素組成則具有較大的變化范圍。四川盆地東北部三疊系飛仙關(guān)組白云巖的鍶同位素稍高于同期(飛仙關(guān)期)海水，大致與嘉陵江期和雷口坡期海水相當(dāng)，說(shuō)明飛仙關(guān)碳酸鹽巖的白云化作用可能與嘉陵江組或雷口坡組的蒸發(fā)鹽存在一定聯(lián)系。

2.4 流體包裹體分析

許多情況下，白云巖化流體早已消失，且被后續(xù)產(chǎn)生的一種或者多種流體所替代，因此，原始流體的直接記錄就只能通過(guò)白云巖中的流體包裹體來(lái)得到了。

被捕獲的流體一般由以下幾種或一種成分組成:①鹽水溶液②水蒸氣泡③液態(tài)烴④氣態(tài)烴。對(duì)流體包裹體的研究可以明確三個(gè)方面的信息:(1)通過(guò)鹽水溶液與烴類的差異(通過(guò)熒光技術(shù))判斷原始流體的成分;(2)通過(guò)包裹體測(cè)溫技術(shù)，獲取流體捕獲時(shí)的溫度;(3)低溫下通過(guò)鹽水溶液完全融化時(shí)的溫度，獲取流體包裹體的鹽度。

流體包裹體是被流體所充填的空隙，晶體只有生長(zhǎng)在有孔隙或縫隙的地方，所以膠結(jié)物是比次生白云石能夠作為更好的研究對(duì)象。流體包裹體技術(shù)作為深層碳酸鹽巖油氣資源研究的有效工具，主要依賴于流體包裹體均一溫度的可靠性。通過(guò)判斷流體包裹體體積再平衡程度和確定可靠流體包裹體 Th，可以確定深層碳酸鹽的溫壓條件［5］。魏喜等(2006)對(duì)我國(guó)西沙群島新近紀(jì)白云巖進(jìn)行的流體包裹體研究，表明該區(qū)地層的較高溫度主要由巖漿作用所提供的熱量來(lái)維持，并沒(méi)有明顯的物質(zhì)成分供給［6］，這種結(jié)果與該區(qū)進(jìn)行的碳氧同位素研究結(jié)果也是吻合的，說(shuō)明流體包裹體技術(shù)在白云巖研究中具有一定的可靠性。

3 微量元素分析

雖然微量元素法在白云巖化研究中取得的成果并不顯著，但是通過(guò)染色和陰極發(fā)光技術(shù)可以測(cè)到Fe和Mn元素的含量。

3.1 陰極發(fā)光技術(shù)

主要是運(yùn)用陰極射線轟擊白云巖樣品，其中的Mn元素受到激發(fā)而發(fā)出熒光，F(xiàn)e元素的存在會(huì)阻礙熒光的產(chǎn)生，熒光強(qiáng)度主要與白云巖中Mn/Fe比值有關(guān)。而根據(jù)Mn/Fe比值可以分析出白云石化過(guò)程中孔隙水的化學(xué)演化。

3.2 染色技術(shù)

此種分析方法是對(duì)薄片進(jìn)行鉀鐵氰酸鹽染色劑染色，富Fe的白云石呈藍(lán)色，貧Fe白云石不能被染色，這種方法可以方便快捷的檢驗(yàn)出白云石中是否含F(xiàn)e。在巖心薄片上的顯示也很直觀。Mn和Fe的存在可以指示地下是否存在白云巖，由于地層水中的這兩種元素相對(duì)富集，因此，通過(guò)Fe和Mn元素的含量來(lái)研究白云巖化環(huán)境就顯得很有效。

4 結(jié)語(yǔ)

白云巖的成因問(wèn)題一直是地質(zhì)學(xué)界的重大爭(zhēng)論點(diǎn)，不同的研究者為了解決這個(gè)問(wèn)題建立了許多白云巖化模式，提出了白云石的成因假說(shuō)。但是，白云巖作為一種重要油氣儲(chǔ)層，其研究具有很強(qiáng)的適用性和目的性。因此，在研究過(guò)程中要大量分析第一手資料，并不斷運(yùn)用新技術(shù)去解決遇到的問(wèn)題［7］。

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大環(huán)境下，對(duì)油氣資源的需求將進(jìn)一步促進(jìn)與烴類儲(chǔ)層有關(guān)的白云化作用研究［8］，常規(guī)元素地球化學(xué)方法不斷發(fā)展，許多新的同位素也不斷應(yīng)用到碳酸鹽成巖作用研究中，多種同位素的組合研究，地球化學(xué)、地球物理學(xué)、水文學(xué)、微生物學(xué)等多學(xué)科在白云巖成因研究中的綜合運(yùn)用，將會(huì)不斷推動(dòng)白云化作用及白云巖的成因及分布研究。

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［8］黃思靜，張雪花，劉麗紅等.碳酸鹽成巖作用研究現(xiàn)狀與前瞻［J］.地學(xué)前緣.2009，16(5):219-231.