閆偉，金振奎*，姚夢(mèng)竹，趙文龍

1 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249

2 中國(guó)石油華北油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，任丘 062552

0 引言

冀中坳陷下古生界發(fā)育多種類型的白云巖。常見(jiàn)的有泥—粉晶白云巖、粉—細(xì)晶白云巖和中—粗晶白云巖[1-2]。這3種類型的白云巖，根據(jù)其成因，可分別歸類為準(zhǔn)同生白云巖、回流滲透白云巖和埋藏白云巖[3-9]。前兩種類型的白云巖，在華北地臺(tái)的下古生界中已有不少研究。而對(duì)于埋藏白云巖，研究還較少，尤其對(duì)于埋藏?zé)嵋喊自茙r的研究還很缺乏。

埋藏白云巖自1980年代開(kāi)始受到關(guān)注以來(lái)，已有不少埋藏白云化模式被廣泛應(yīng)用。自2000年以來(lái)，世界各地又發(fā)現(xiàn)了大量的熱液白云巖的研究實(shí)例[10-11]。這些研究表明熱液白云巖與構(gòu)造斷層密切相關(guān)，且主要分布在伸展斷層[12-13]、走滑斷層[14]和逆掩斷層[15-16]等構(gòu)造斷裂區(qū)域。這些構(gòu)造活動(dòng)不僅為熱液流體的流動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)力，而且使得巖體內(nèi)部產(chǎn)生開(kāi)放的縫洞系統(tǒng)，為熱液流體的流動(dòng)提供通道。北美地區(qū)的熱液白云巖，在平面上的分布范圍從數(shù)千米到數(shù)十千米不等，厚度上從數(shù)米到數(shù)十米不等[10]。由于埋藏?zé)嵋喊自苹^(guò)程中溫度較高，且結(jié)晶過(guò)程更為緩慢，因此形成的白云石有序度更高，晶體也多在中晶和粗晶之間[17-18]。在埋藏白云化過(guò)程中Fe2+和Mn2+的富集，使得陰極發(fā)光微弱[13-19]。熱液白云巖具有更負(fù)的δ18O值，含有兩相的、含水的流體包裹體[20-22]。

熱液白云巖無(wú)論在巖性特征方面，還是在成因機(jī)理方面，均不同于泥—粉晶白云巖和粉—細(xì)晶白云巖，這使得其儲(chǔ)集性能也與它們有差別。鑒于冀中坳陷，甚至整個(gè)華北地臺(tái)，還缺乏熱液白云巖的研究，在實(shí)際工作中難以準(zhǔn)確分辨白云巖的類型和儲(chǔ)集性能，從而難以對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行有針對(duì)性的開(kāi)發(fā)。本文針對(duì)冀中坳陷下古生界熱液白云巖進(jìn)行研究，通過(guò)分析其分布形態(tài)、巖石學(xué)特征、地球化學(xué)特征等，識(shí)別出構(gòu)造—熱液白云巖，并研究其形成機(jī)制，從而為白云巖儲(chǔ)層的研究提供一定的依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

冀中坳陷位于渤海灣盆地東部(圖1A)，華北平原北部，面積約3.2×104km2。它是在華北地臺(tái)基底上發(fā)育起來(lái)的一個(gè)中—新生代沉積坳陷[23]。下古生界地層厚度約1000 m，埋深在2000～5000 m之間。冀中坳陷具有明顯的伸展、走滑構(gòu)造特征。其從太古界至下元古界，發(fā)育了一套中深變質(zhì)巖系。從中元古界至下古生界，發(fā)育了一套碳酸鹽巖夾碎屑巖的沉積建造。由于早元古代至晚古生代是華北地臺(tái)的穩(wěn)定發(fā)展時(shí)期，這個(gè)時(shí)期冀中坳陷構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相對(duì)緩和，沉積穩(wěn)定，巖漿活動(dòng)微弱。此時(shí)華北地臺(tái)處于陸表海的沉積環(huán)境，沉積基底起伏小，水體淺，形成了下古生界的沉積巖。沉積相類型主要為碳酸鹽巖臺(tái)地，包括潮坪亞相、局限臺(tái)地亞相、開(kāi)闊臺(tái)地亞相和淺灘亞相等。巖石類型主要為灰泥石灰?guī)r、顆粒石灰?guī)r、泥—粉晶白云巖和泥頁(yè)巖等。中生代發(fā)生了燕山運(yùn)動(dòng)，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，使得華北古地臺(tái)解體[24]。這個(gè)時(shí)期冀中坳陷以斷陷沉積為主，沉積不穩(wěn)定，主要為陸相碎屑巖建造。古近紀(jì)為裂谷盆地的發(fā)育時(shí)期，巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，并沉積了一套河湖相的碎屑巖。由于加里東運(yùn)動(dòng)以來(lái)的多期構(gòu)造抬升運(yùn)動(dòng)，使得研究區(qū)下古生界在部分區(qū)域缺失（圖1B）。奧陶系共劃分為8個(gè)組，即冶里組、亮甲山組，以及馬家溝一組、馬家溝二組、馬家溝三組、馬家溝四組、馬家溝五組、馬家溝六組(簡(jiǎn)稱馬一組、馬二組、馬三組、馬四組、馬五組、馬六組)。上部缺少志留系和泥盆系，與上覆石炭系呈不整合接觸。寒武系共劃分為8個(gè)組，包括府君山組、饅頭組、毛莊組、徐莊組、張夏組、崮山組、長(zhǎng)山組和鳳山組。其與上覆奧陶系呈整合接觸，與下伏元古界呈不整合接觸。

圖1 冀中坳陷區(qū)域位置(A)以及下古生界地層分布(B)Fig. 1 The location of the Jizhong Depression (A) and the distribution of the Lower Paleozoic strata (B)

2 樣品采集與實(shí)驗(yàn)分析

本次研究的樣品來(lái)源于華北油田勘探開(kāi)發(fā)研究院的巖心庫(kù)及冀中坳陷周緣露頭。對(duì)所有樣品制作了巖石薄片。在對(duì)白云巖手標(biāo)本和鏡下觀察的基礎(chǔ)上，選取了38個(gè)樣品進(jìn)行陰極發(fā)光分析，54個(gè)樣品進(jìn)行了X射線衍射分析，68個(gè)樣品進(jìn)行了全巖碳氧同位素分析，36個(gè)樣品進(jìn)行了流體包裹體分析。其中流體包裹體選自于中—粗晶白云巖晶體中的氣液兩相鹽水包裹體。

陰極發(fā)光、X射線衍射、流體包裹體分析在中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。陰極發(fā)光使用儀器為CL8200MK5-2陰極發(fā)光儀，測(cè)試束電壓為17 kV，束電流為500 μA。X射線衍射使用儀器為Bruker D2 Phaser，工作電壓為30 kV，工作電流為10 mA，用CuKα輻射波長(zhǎng)測(cè)量，2θ角度掃描范圍選取為4.5～50°。流體包裹體使用儀器為L(zhǎng)inkam-350型冷熱臺(tái)，測(cè)溫范圍-196 ℃～350 ℃，溫度精度0.1 ℃，最大加熱/冷卻速率為 30 ℃/min。加熱冷凍過(guò)程中設(shè)置的控溫速率一般為40 ℃/min，相變點(diǎn)附近速率為4 ℃/min。

全巖碳氧同位素分析在中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。儀器為MAT-253同位素質(zhì)譜儀，分析制樣系統(tǒng)為真空前處理系列；實(shí)驗(yàn)室控制室溫為22 ℃±10 ℃；濕度為50%RH±5%。分析結(jié)果采用PDB標(biāo)準(zhǔn)，δ13C和δ18O的測(cè)試精度分別為0.03和0.08。

CaO含量(%)、 MgO含量(%)、及Sr含量(ppm)數(shù)據(jù)收集自華北油田勘探開(kāi)發(fā)研究院，所有樣品來(lái)自于巖心。

3 熱液白云巖識(shí)別特征

3.1 巖性特征

熱液白云巖主要為中—粗晶白云巖。這類白云巖的白云石晶粒大小在0.2～2.0 mm之間，顏色呈黃灰色、淺灰色，空間上多呈厚層或塊狀層分布。白云石晶形呈半自形或它形，晶粒多呈漂浮菱面體或松散狀的鑲嵌結(jié)構(gòu)，重結(jié)晶作用明顯(圖2A)。由于熱液的作用，在中—粗晶白云巖或相鄰的巖層中往往形成一些特殊的礦物，如螢石、閃鋅礦、重晶石、自生石英、鞍形白云石等。這些礦物分布在溶蝕孔洞或溶蝕裂縫中，多呈組合狀出現(xiàn)，是巖石遭受熱液改造的直接證據(jù)。通過(guò)鏡下的觀察，發(fā)現(xiàn)至少有以下4種礦物組合：螢石—白云石組合(圖2A)、閃鋅礦—白云石組合(圖2B)、自生石英—閃鋅礦組合(圖2C)、鞍形白云石—重晶石組合(圖2D)。此外還可以見(jiàn)到一些殘余的斑狀特征(圖2E)。斑狀形態(tài)不規(guī)則，邊界不明顯且被白云石晶體切割，其內(nèi)白云石晶體大小懸殊，主要呈他形。中—粗晶白云巖在電性特征方面，具有低的、較平直的自然伽馬值和低電阻率值。

3.2 地球化學(xué)特征

不同巖石的陰極發(fā)光具有不同的發(fā)光強(qiáng)度和發(fā)光顏色，它可以反映成巖流體中的一些微量元素(Mn2+和Fe2+)含量的變化，并進(jìn)而反映礦物在成巖過(guò)程中經(jīng)歷的熱事件[25]。本次研究在陰極發(fā)光顯微鏡下分別觀察了泥—粉晶白云巖、粉—細(xì)晶白云巖和中—粗晶白云巖的發(fā)光特性。結(jié)果表明，泥—粉晶白云巖主要發(fā)紅褐色光；粉—細(xì)晶白云巖主要發(fā)橘紅色、橘黃色光，并可見(jiàn)環(huán)帶特征；中—粗晶白云巖發(fā)暗褐色光(圖2E，圖2F)，發(fā)光強(qiáng)度較弱。

X射線衍射分析可以用來(lái)確定白云石有序度和CaCO3摩爾含量。白云石有序度反映了與理想白云石(有序度為1)的接近程度[26]。通過(guò)對(duì)露頭和取心樣品的分析，冀中坳陷泥—粉晶白云巖的有序度在0.48～0.65之間，平均為0.56。粉—細(xì)晶白云巖的有序度在0.62～0.86之間，平均為0.75。中—粗晶白云巖的有序度在0.73～0.95之間，平均為0.86(圖3A)。白云石的CaCO3摩爾含量也反映了與理想白云石的接近程度。在理想白云石中, Ca2+離子和Mg2+離子的摩爾濃度各占50%。即白云石的CaCO3摩爾含量越接近50%，它就越接近理想白云石。通過(guò)Goldsmith和Graff提出的公式[27]計(jì)算，泥—粉晶白云巖的CaCO3摩爾含量為 50.0004%～52.3337%，平均為51.0984%；粉—細(xì)晶白云巖的CaCO3摩爾含量為50.0004%～52.0004%，平均為 50.5560%；中—粗晶白云巖的CaCO3摩爾含量為49.6670%～52.6670%，平均為50.3337%。分析結(jié)果表明，中—粗晶白云巖具有更高的白云石有序度，和更接近50%的CaCO3摩爾含量。

白云巖的碳氧同位素受白云化過(guò)程中的溫度和鹽度的影響。其中碳同位素的變化受不同碳來(lái)源的流體和混合流體的影響；氧同位素的變化受海水鹽度和埋藏成巖溫度的影響。埋藏條件下，受地下淡水和高溫的影響，碳氧同位素一般向偏負(fù)的方向發(fā)展[28]。全巖樣品的碳氧同位素分析表明，中—粗晶白云巖的δ13C較高(圖 3B)，分布范圍為-4.669‰ ～0.366‰ (PDB)，平 均 值 為-1.734‰ (PDB)。δ18O數(shù) 值 低， 分 布范 圍 為-9.289‰～ -6.538‰(PDB)， 平 均 值 為-7.798‰(PDB)。與泥—粉晶白云巖和粉—細(xì)晶白云巖的δ18O值相比，中—粗晶白云巖的δ18O值明顯偏負(fù)，表明受溫度的影響較大。

圖2 冀中坳陷下古生界熱液白云巖的巖石學(xué)、礦物學(xué)及陰極發(fā)光特征(A) 呈鑲嵌結(jié)構(gòu)的中—粗晶白云巖，含有螢石礦物；永清地區(qū)Y16井，3235 m，馬四組；(B) 泥晶灰?guī)r中具有縫合線和溶蝕孔，在溶蝕孔中發(fā)育有閃鋅礦和白云石；蘇橋地區(qū)S4-6井，4826.5 m，馬四組；(C) 泥晶白云巖的溶蝕裂縫中充填有石英和閃鋅礦；蘇橋地區(qū)S4-6井，4681.5 m，馬六組；(D) 中—粗晶白云巖中發(fā)育有鞍形白云石和重晶石；無(wú)極地區(qū)Ji4井，2901 m，亮甲山組；(E) 粗晶白云巖中具有殘余斑狀特征；Ji4井，2901 m，亮甲山組；(F) 粗晶白云巖的陰極發(fā)光特征(視域同E)Fig. 2 Petrology, mineralogy and cathodoluminescence of hydrothermal dolomite in the Lower Paleozoic, Jizhong Depression(A) With the mosaic structure of medium-coarse-sized crystalline dolomite containing fl uorite; Y16 well in Yongqing area,3235 m, Majiagou IV formation; (B) Stylolites and vugs developed in the micrite limestone, and sphalerite and dolomite developed in the vugs; S4-6 well in Suqiao area, 4826.5 m, Majiagou IV formation; (C) Quartz and sphalerite distributed in the channels of mud-sized crystalline dolomite; S4-6 well in Suqiao area, 4681.5 m, Majiagou VI Formation; (D) Saddle dolomite and barite developed in medium-coarse-sized crystalline dolomite; Ji4 well in the Wuji area, 2901 m, Liangjiashan Formation; (E) Residual porphyritic structures developed in coarse-sized crystalline dolomite; Ji4 well, 2901 m, Liangjiashan Formation; (F) Cathodoluminescence of coarse -sized crystalline dolomite (Same view as E)

CaO含量(%)和MgO含量(%)關(guān)系圖可以反映白云巖的成因[29]。如白云巖各個(gè)樣品的CaO含量和MgO含量呈線性正相關(guān)，則反映白云石是沉積成因的；如呈線性負(fù)相關(guān)，則反映白云石是交代成因的。從圖中(圖3C)可以看出泥—粉晶白云巖的CaO和MgO含量呈線性正相關(guān)，且CaO含量較低，顯示其是沉積成因的；粉—細(xì)晶白云巖的CaO和MgO含量呈線性負(fù)相關(guān)，且CaO含量較高，顯示其是交代成因的；中—粗晶白云巖的CaO和MgO含量呈線性負(fù)相關(guān)，且CaO含量中等，表明其是交代成因的，發(fā)生了重結(jié)晶。

Sr元素主要富集在海水中，當(dāng)其蓄積在沉積物中后，隨著成巖作用的強(qiáng)度增加，Sr元素會(huì)不斷的流失，使得Sr含量(ppm)降低[30]。Sr與MgO含量關(guān)系圖可以反映成巖作用的強(qiáng)度。冀中坳陷下古生界的碳酸鹽巖整體經(jīng)歷了較強(qiáng)的成巖改造，在部分石灰?guī)r和白云巖中均具有低的Sr含量。相對(duì)其他碳酸鹽巖，中—粗晶白云巖具有最低的Sr含量和最高的MgO含量，顯示經(jīng)歷了較強(qiáng)的熱液蝕變。

流體包裹體可以反映流體被捕獲時(shí)的環(huán)境信息，即主晶礦物在形成和演化過(guò)程中的物理化學(xué)條件和流體環(huán)境信息。如伴生蒸氣泡的氣液二相流體包裹體是在高溫(＞50 ℃)高壓的環(huán)境下形成的，單相流體包裹體是在低溫(＜50 ℃)的環(huán)境下形成的[31]。對(duì)白云巖晶體中的流體包裹體顯微測(cè)溫，可以獲得關(guān)于白云巖形成過(guò)程中的溫度和流體性質(zhì)的信息。冀中坳陷下古生界中—粗晶白云巖的流體包裹體中，多賦存氣—液兩相流體包裹體。包裹體在白云石晶體和白云石生長(zhǎng)邊中均有分布。包裹體大多在5～10 μm之間，邊界清晰，形態(tài)不一。包裹體清澈透明，里面的氣泡不見(jiàn)明顯的布朗運(yùn)動(dòng)。均一化溫度在90 ℃～330 ℃之間(圖4)。

本次研究還收集到了碳酸鹽巖中方解石脈的鹽水流體包裹體數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于華北油田勘探開(kāi)發(fā)研究院。對(duì)包裹體均一化溫度的統(tǒng)計(jì)，顯示包裹體均一化溫度主要在60 ℃～120 ℃之間，部分溫度達(dá)到了240 ℃，顯示部分樣品中包裹體的形成環(huán)境具有異常高溫。

圖3 冀中坳陷下古生界白云巖地球化學(xué)特征(A) 白云石有序度及CaCO3摩爾含量(NCaCO3/%)平均值分布圖；(B) 白云巖碳氧同位素投點(diǎn)圖；(C) MgO — CaO 交會(huì)圖；(D)Sr (ppm) 和MgO含量(%)交會(huì)圖Fig. 3 Geochemical characteristics of the Lower Palaeozoic dolomite in the Jizhong Depression(A) Cross-plot of the ordering of dolomite and the molar percentage of CaCO3; (B) Cross-plot of Carbon and oxygen isotope values; (C) Cross-plot of MgO(%) and CaO(%); (D) Cross-plot of Sr (ppm) and MgO(%)

3.3 白云巖分布

熱液白云巖的空間分布形態(tài)與其他類型的白云巖明顯不同。泥—粉晶白云巖和粉—細(xì)晶白云巖多呈層狀分布，且多與潮上坪的地層伴生。而熱液白云巖不同，其多呈塊狀，在下古生界的各個(gè)地層中均有分布。與前兩種類型的白云巖相比，其垂向厚度大，可連續(xù)分布超過(guò)500 m。平面分布范圍相對(duì)較小，多小于5 k m，井間難以追蹤。如廊固凹陷的T17井，其張夏組以下近200 m的地層中，石灰?guī)r均被白云化(圖5)，且?jiàn)W陶系馬四組和馬五組有厚達(dá)300 m的白云巖(圖6)。類似還有無(wú)極地區(qū)的Ji4井(圖5，圖6)。Ji4井自?shī)W陶系馬二組中部以下570 m均為白云巖地層(寒武系未鉆穿，白云巖未見(jiàn)底)。對(duì)取心樣品分析表明，其巖性主要為中—粗晶白云巖。

熱液白云巖在發(fā)育位置方面也與其他類型白云巖存在差別。發(fā)育有熱液白云巖的井均分布在深大斷裂附近(圖7)，這些深大斷裂均為燕山期和喜馬拉雅期以來(lái)形成的伸展、走滑斷裂[32]。此外，白云巖的上下地層往往可見(jiàn)有巖漿巖，尤其是在白云巖層上部的古近紀(jì)的地層中。

3.4 熱力學(xué)背景

印支運(yùn)動(dòng)以后，華北地臺(tái)解體，進(jìn)入裂谷盆地的發(fā)展階段。在燕山運(yùn)動(dòng)、喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的影響下，冀中坳陷的構(gòu)造活動(dòng)以拉張運(yùn)動(dòng)為主，形成伸展斷層和走滑斷層[32]，并在斷層附近形成斷層—節(jié)理裂縫系統(tǒng)。有研究表明，華北地臺(tái)新生代玄武巖的K-Ar法同位素年齡范圍為28.5～71.1 Ma[33]，時(shí)代為古近紀(jì)，表明古近紀(jì)巖漿活動(dòng)劇烈。尤其始新世地層中的巖漿巖發(fā)育最多，表明這個(gè)時(shí)期是巖漿活動(dòng)最強(qiáng)烈的時(shí)期。

冀中坳陷的巖漿巖在坳陷各個(gè)區(qū)域均有分布(圖7)，但單個(gè)活動(dòng)范圍局限[34]。整體來(lái)說(shuō)，巖漿活動(dòng)規(guī)模較小，強(qiáng)度不一，巖漿巖單層厚度一般小于10 m。巖石類型以玄武巖為主，其次為安山巖。由于巖漿活動(dòng)產(chǎn)生的強(qiáng)烈熱對(duì)流以及巖漿對(duì)地層的烘烤作用，使得附近地層和流體被加熱。在構(gòu)造活動(dòng)和溫度差的影響下，深部流體沿著斷層—裂縫系統(tǒng)向上運(yùn)移，對(duì)周圍巖層產(chǎn)生熱液蝕變作用。

強(qiáng)烈的熱液作用還表現(xiàn)在古近紀(jì)的地溫場(chǎng)上，尤其是不同區(qū)域的大地?zé)崃髦捣矫??；谌A北油田勘探開(kāi)發(fā)研究院收集的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)、試油溫度以及巖心測(cè)定的巖石熱導(dǎo)率，根據(jù)前人總結(jié)的方法[35-37]，對(duì)冀中坳陷古近紀(jì)的大地?zé)崃髦颠M(jìn)行了計(jì)算，并繪制了大地?zé)崃髦档戎稻€圖(圖7)。由于古近紀(jì)以后，區(qū)域構(gòu)造格局基本穩(wěn)定，大地?zé)崃髦稻徛档?，因此古近紀(jì)的地溫場(chǎng)格局與現(xiàn)代相似[38]。從圖中可以看出，古近紀(jì)大地?zé)崃髦递^高的區(qū)域，不僅是深大斷裂交匯部位和構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)域，還是巖漿巖和熱液白云巖分布的區(qū)域。

圖4 冀中坳陷下古生界中—粗晶白云巖流體包裹體(A)和方解石脈流體包裹體(B)均一化溫度—頻數(shù)分布圖Fig. 4 Homogenization temperature histogram of fluid inclusions from medium-coarse-sized crystalline dolomites (A) and calcite vein (B) of the Lower Paleozoic, Jizhong Depression

4 成因分析

4.1 原巖類型

熱液白云巖的晶體粗大，白云石的有序度高，表明其形成于高溫的環(huán)境。高的δ18O值，也表明其形成于高溫環(huán)境。在空間分布形態(tài)上，與泥—粉晶白云巖和粉—細(xì)晶白云巖相比，其巖體切穿層位；垂向分布范圍大；平面分布范圍小，井間難以追蹤(5 km的井間距離)；靠近斷裂帶；不伴生潮上環(huán)境的成因標(biāo)志。這些特征表明，它的分布不受地層限制，其成因不受沉積環(huán)境的控制。原巖可能是泥—粉晶白云巖或粉—細(xì)晶白云巖，或者是未發(fā)生白云化的石灰?guī)r。

圖5 冀中坳陷寒武系白云巖垂向分布Fig. 5 The distribution of dolomites in the Cambrian in the Jizhong Depression

4.2 白云化時(shí)間

白云巖中可見(jiàn)殘余斑狀結(jié)構(gòu)(圖2E)，根據(jù)這些斑塊的形態(tài)判斷，這些斑狀結(jié)構(gòu)為云斑發(fā)生二次白云化作用而形成。這表明白云化時(shí)間發(fā)生在固結(jié)成巖之后。白云巖的碳氧同位素偏負(fù)，也表明在埋藏成巖期，巖石受到了淡水流體和溫度的影響。此外，還可見(jiàn)到縫合線被中—粗晶白云石切割的現(xiàn)象，表明白云化時(shí)間發(fā)生在巖石深埋藏之后。發(fā)育中—粗晶白云巖的部位均在深大斷裂和巖漿巖附近，表明白云化作用與構(gòu)造活動(dòng)和巖漿活動(dòng)密切相關(guān)。而這些深大斷裂和巖漿巖主要形成于喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)早期，因此判斷白云化時(shí)間發(fā)生在古近紀(jì)。

圖6 冀中坳陷奧陶系白云巖垂向分布(圖例見(jiàn)圖5)Fig. 6 The distribution of dolomites in the Ordovician in the Jizhong Depression (legend is shown in Fig. 5)

4.3 白云化流體

下古生界現(xiàn)今埋藏深度多在2000 m以下。以無(wú)極地區(qū)的Ji4井為例，其奧陶系目前埋藏深度在3500 m左右，為沉積期以來(lái)的最大埋深。按地溫梯度計(jì)算其地層溫度在120 ℃左右(圖8A)。而從該井中—粗晶白云巖中獲取的流體包裹體的均一化溫度平均為173 ℃，遠(yuǎn)大于正常地溫梯度下的地層溫度。與此相似的還有蘇橋地區(qū)的S4井(圖8B)，目前奧陶系埋深在4500 m左右，按地溫梯度計(jì)算其地層溫度在160 ℃左右，與其包裹體均一化溫度的235 ℃相差甚遠(yuǎn)。這些特征表明，白云化作用有熱液的參與。白云巖的厚度達(dá)300 m(T17井)，甚至達(dá)到570 m(Ji4井)，這不僅需要足夠大的流體通道，更需要足夠多的白云化流體，因此可判斷這種白云化流體主要是構(gòu)造熱液。并且在裂縫和溶蝕孔洞中分布的螢石、閃鋅礦、重晶石、鞍形白云石、自生石英等礦物組合，更是熱液活動(dòng)的標(biāo)志。

綜上所述，熱液白云化作用受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，形成于喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)早期，即古近紀(jì)。在深埋藏階段，由于鎂離子的富集而發(fā)生白云化作用。鎂離子主要來(lái)源于熱液流體。熱液流體在溫度差異和構(gòu)造活動(dòng)的影響下，沿著深大斷裂運(yùn)移。在運(yùn)移過(guò)程中進(jìn)入周圍滲透性地層，使得地層中的碳酸鹽巖發(fā)生白云化作用。在距離熱液區(qū)和深大斷裂較遠(yuǎn)的部位，熱液流體的可進(jìn)入性差，白云化作用就弱。

圖7 冀中坳陷下古生界中—粗晶白云巖分布圖(注：巖漿巖分布數(shù)據(jù)來(lái)自于彭寧等(2010)[34])Fig. 7 The distribution of medium-coarse-sized crystalline dolomites in the Lower Paleozoic, Jizhong Depression Note: the distribution data of magmatic rocks are derived from Peng(2010)[34]

5 油氣儲(chǔ)層地質(zhì)意義

熱液白云巖在世界各地的油氣田中廣泛存在，并能形成有效的儲(chǔ)層。北美地區(qū)的碳酸鹽巖儲(chǔ)層中有一部分就是熱液白云巖儲(chǔ)層[39-43]。國(guó)內(nèi)在塔里木盆地、四川盆地和鄂爾多斯盆地也有熱液白云巖儲(chǔ)層的報(bào)道[44-48]。這些熱液白云巖的研究表明，在熱液白云化的過(guò)程中，較高的地層溫度使得白云石過(guò)度生長(zhǎng)，形成的中—粗晶白云石呈鑲嵌狀接觸，晶間孔發(fā)育較差。但是熱液白云巖由于靠近斷裂，且白云巖脆性大，因此裂縫發(fā)育程度高，會(huì)促進(jìn)巖溶作用的進(jìn)行。冀中坳陷的中—粗晶白云巖相對(duì)于其他類型的白云巖而言，具有較高的孔隙度和滲透率(表1)。

圖8 冀中坳陷Ji4井(A)與S4井(B)下古生界地層埋藏史Fig. 8 Burial history of the Lower Paleozoic in Ji4 well (A) and S4 well (B), Jizhong Depression

表1 冀中坳陷下古生界不同類型白云巖物性對(duì)比Table 1 Physical Properties of different types of dolomites in the Lower Paleozoic, Jizhong Depression

熱液白云巖周圍還往往伴生有熱液淋濾石灰?guī)r，并形成高產(chǎn)的油氣藏[10]。熱液淋濾石灰?guī)r與熱液白云巖具有相聯(lián)系的成因，同樣分布在基底的伸展斷層、走滑斷層附近。加拿大西部泥盆系的熱液淋濾灰?guī)r往往優(yōu)先分布于熱液白云巖之上或其兩側(cè)[10]?？傮w來(lái)說(shuō)，石灰?guī)r中的熱液溶蝕作用主要是對(duì)原有孔隙的繼承和調(diào)整[49-52]。熱液在石灰?guī)r中的作用范圍，受巖石中已有孔、洞、縫分布范圍的控制。

國(guó)內(nèi)外的研究表明熱液儲(chǔ)層的分布與基底深大斷裂有關(guān)，尤其是深大斷裂的負(fù)花狀構(gòu)造附近。負(fù)花狀構(gòu)造形成構(gòu)造低谷，而非構(gòu)造高部位，因此在油氣勘探中往往被忽視。此外，在斷層相交的部位，會(huì)形成一個(gè)扇形的轉(zhuǎn)換拉伸或擠壓區(qū)域，有利于熱液蝕變的發(fā)生。對(duì)于冀中坳陷來(lái)說(shuō)，熱液白云巖還分布在古近紀(jì)的巖漿巖附近。其在平面上呈小范圍的點(diǎn)狀分布，在垂向上呈大厚度的塊狀層分布。在油氣勘探過(guò)程中，不僅需要對(duì)這些部位重點(diǎn)勘查，還可能需要一系列水平鉆井來(lái)更為高效的尋找這類儲(chǔ)層[53]。

6 結(jié)論

冀中坳陷下古生界發(fā)育有熱液白云巖。這種熱液白云巖主要是中—粗晶白云巖，且發(fā)育有縫合線和熱液礦物組合。相對(duì)于其他類型的白云巖，其垂向厚度大，平面范圍小，分布不受地層的控制，成因與沉積環(huán)境無(wú)關(guān)。此外，在分布位置上與構(gòu)造活動(dòng)密切相關(guān)，位于拉伸斷裂、走滑斷裂和古近紀(jì)巖漿巖附近。

熱液白云巖的白云化時(shí)間為古近紀(jì)，白云化流體為構(gòu)造熱液。來(lái)源于深部的熱液流體受溫度差和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)，進(jìn)入滲透性的碳酸鹽巖地層中，從而發(fā)生白云化作用。碳酸鹽巖距離斷裂越遠(yuǎn)，白云化作用就越弱。

熱液白云巖儲(chǔ)層往往分布于負(fù)花狀構(gòu)造附近，它是一個(gè)構(gòu)造低谷，在油氣勘探中容易被忽視。熱液淋濾灰?guī)r與熱液白云巖伴生，其溶蝕作用主要是對(duì)已有孔滲系統(tǒng)的繼承和調(diào)整。熱液白云巖及熱液淋濾灰?guī)r是有利的儲(chǔ)集層。