于春勇,賈雨萌，任戰(zhàn)利，王起琮,任虎俊

1中國煤炭地質總局水文地質局；2西北大學大陸動力學國家重點實驗室；3西安石油大學油氣資源學院

0 前言

鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組為一套以碳酸鹽巖為主、夾蒸發(fā)巖的地層，自下而上可分為6個段，依次為馬一段—馬六段，馬五段自上而下又可劃分為10個亞段，依次為馬五1—馬五10亞段，其中馬五5亞段白云巖在盆地中東部廣泛發(fā)育，是馬家溝組主要的天然氣產(chǎn)出層位之一。近年來，馬五5亞段白云巖的成因一直備受廣大地質學者的關注，取得了一定的認識，但還存在以下問題：①成因機理仍存在較大分歧，尤其是結晶程度較高的白云巖的成因，存在混合水白云石化［1-2］、回流滲透白云石化［3-5］、埋藏白云石化［6-7］等多種認識；②已往研究多集中于中央古隆起東側，對盆地東部馬五5亞段白云巖成因的研究甚少，即便涉及研究區(qū)，也主要是在全盆地基礎上通過沉積相對其進行推斷，缺乏針對性、系統(tǒng)性的研究，因而制約了大牛地地區(qū)馬五5亞段白云巖儲層中天然氣的勘探；③應用地球化學手段來判斷白云巖成因，往往具有多解性，為確保解釋結果的正確性，需通過多種地球化學或其他地質手段進行全面綜合的分析，以便相互印證［8-12］。

本文結合巖石學特征，通過碳氧同位素、微量元素及流體包裹體等測試資料的綜合分析，深入探討大牛地地區(qū)馬五5亞段白云巖的地球化學特征及成因機制，并建立研究區(qū)白云石化模式，以期為馬五5亞段白云巖天然氣的勘探工作提供科學依據(jù)。

1 地質背景

鄂爾多斯盆地位于華北克拉通西部，是在太古宇和古元古界變質巖基底上發(fā)育的多旋回克拉通型盆地，是我國非常重要的大型含油氣盆地之一［13］。盆內馬家溝組碳酸鹽巖地層相對平緩，且斷層與褶皺不發(fā)育，整體呈東北向西南方向傾伏，傾角一般小于3°［9，14］。大牛地氣田位于伊陜斜坡北緣（圖1a），東北方向分別被伊盟隆起、晉西撓褶帶所環(huán)繞，面積約為2 600 km2，構造為一以烏拉廟東為構造高點、呈NE—SW向展布的低緩隆起［15-16］。馬五5亞段沉積時期，古氣候轉變?yōu)楦蔁?，海平面動蕩升降，呈現(xiàn)出快速海侵、緩慢海退的特征，期間水下古隆起廣泛發(fā)育，臺地坡度緩，大牛地地區(qū)主要發(fā)育淺水碳酸鹽臺地相，以潮下帶—潮間帶沉積環(huán)境為主；巖性以灰色泥晶白云巖、深灰色藻砂屑灰?guī)r、藻疊層石白云巖及含膏泥晶白云巖為主（圖1b），縱向上巖性變化頻繁。早期沉積的石灰?guī)r經(jīng)白云石化作用可形成有效白云巖儲層，為后期天然氣的富集奠定良好的基礎［17-18］。

圖1 鄂爾多斯盆地大牛地地區(qū)位置及馬五5亞段巖性綜合柱狀圖Fig.1 Location of the study area and comprehensive lithologic column of O1m55 in Daniudi area,Ordos Basin

2 樣品與實驗方法

樣品均取自大牛地地區(qū)2口井（D48井、D78井）的馬五5亞段白云巖巖心。為排除雜質及有機質的干擾，確保測試結果的可靠性，對測試樣品逐一進行手標本觀察后，均采用微型牙鉆取樣。測試分析內容主要包括4個方面：薄片鑒定（35件）、微量元素（33件）、碳氧同位素（20件）及流體包裹體（7件）。

薄片鑒定在西北大學大陸動力學國家重點實驗室完成。觀察前用茜素紅與鐵氰化鉀混合溶液對薄片進行染色，采用DMLP-217400高倍顯微鏡進行觀察，檢測環(huán)境為室溫。

微量元素測試在同濟大學海洋地質國家重點實驗室完成。采用電感耦合等離子體質譜儀(ICPMS)、離線測試系統(tǒng)（VGX7）測定，檢測精度優(yōu)于±5%。

同位素測試在中國石油大學（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室完成。測試前首先將碳酸鹽巖樣品置于25℃、真空條件下，與純磷酸進行恒溫反應，石灰?guī)r樣品反應24 h，白云巖樣品反應72 h；然后將分離出的CO2送入MAT253-C033氣相質譜儀進行碳氧穩(wěn)定同位素測定（PDB標準），檢測精度為±0.05%。

包裹體測溫在中國地質大學（武漢）構造與油氣資源教育部重點實驗室完成。采用Olympus顯微鏡及THMSG600冷熱臺進行顯微測溫，分析精度為±0.1℃。

3 實驗結果

3.1 巖石學特征

薄片觀察發(fā)現(xiàn)，大牛地地區(qū)馬五5亞段主要發(fā)育白云巖、石灰?guī)r及其過渡巖石類型（如灰質白云巖、白云質灰?guī)r）。根據(jù)巖石結構及成因，白云巖可進一步劃分為泥晶白云巖和粉細晶白云巖2種類型。

泥晶白云巖主要發(fā)育于馬五5亞段底部。晶粒主要呈他形—半自形結構，粒徑一般小于40μm，晶體形態(tài)較難識別，可見近水平藻紋層、少量針狀石膏假晶及生物鉆孔等原始沉積構造（圖2a，2b）；孔隙相對不發(fā)育；白云石有序度較低，平均值為0.63。

粉細晶白云巖主要發(fā)育于馬五5亞段中上部，占整個馬五5亞段白云巖的50%以上。晶粒以自形—半自形結構為主，呈鑲嵌式接觸，粒徑一般介于50～200μm，常與黃鐵礦共生，常見溶蝕殘余砂屑及霧心亮邊等結構（圖2c，2d）；晶間孔及溶蝕孔發(fā)育；晶間可見殘余泥灰質，局部可見白云石化交代不徹底現(xiàn)象（圖2e）；縫合線發(fā)育，多切割白云石晶粒（圖2c，2f）；白云石有序度偏高，平均值為0.89。

3.2 碳氧同位素特征

大牛地地區(qū)馬五5亞段不同巖性的碳氧同位素特征有差別。泥晶灰?guī)r的δ13CPDB值分布范圍為-1.74‰～-0.42‰，平均值為-1.05‰；δ18OPDB值分布范圍為-9.79‰～-6.42‰，平均值為-8.24‰。泥晶白云巖和粉細晶白云巖δ13CPDB值分布范圍分別為-1.15‰～0.10‰、-1.96‰～-0.45‰，平均值分別為-0.65‰、-1.33‰，均與同期海水值一致(早奧陶世海水的δ13C值分布范圍約為-2.0‰～0.5‰［10］)；δ18OPDB值分布范圍分別為-7.06‰～-6.07‰、-9.82‰～-7.82‰，平均值分別為-6.65‰、-8.91‰，與同期海水值(早奧陶世海水的δ18O值分布范圍約為-6.6‰～-4.0‰)相比，均表現(xiàn)為顯著偏負的特征［5，19］。

3.3 微量元素特征

研究區(qū)泥晶灰?guī)r的Fe含量介于195～410μg/g，平均值為349μg/g；Mn含量介于12～36μg/g，平均值為25μg/g；Sr含量介于143～197μg/g，平均值為164μg/g；Na含量介 于234～285μg/g，平 均 值為265μg/g。與泥晶灰?guī)r相比，白云巖的Fe、Mn、Na元素含量均偏高，Sr元素含量相對偏低：泥晶白云巖的Fe、Mn、Sr、Na元素含量平均值分別為1 202μg/g、49μg/g、151μg/g、488μg/g；粉細晶白云巖的Fe、Mn、Sr、Na元素含量平均值分別為1 974μg/g、77μg/g、78μg/g、426μg/g。粉細晶白云巖的Fe、Mn元素含量顯著高于泥晶白云巖，而Sr、Na元素含量明顯偏低，這一特征表明粉細晶白云巖后期可能遭受風化淋濾的改造，說明二者應具有不同的沉積環(huán)境和成巖演化史。

3.4 包裹體特征

大牛地地區(qū)馬五5亞段泥晶白云巖和粉細晶白云巖晶體內部、晶體環(huán)帶及晶體邊緣廣泛發(fā)育包裹體，且以白云石晶體內部賦存為主。包裹體多呈長方形或橢圓形規(guī)則狀、輪廓清晰，大小一般介于3～10μm，多呈氣-液兩相存在，氣液比一般介于5%～15%。包裹體常以5～9個的組合形式出現(xiàn)，還可見少量單一液相與氣-液兩相包裹體共存（圖3），共存頻率約為1/5。共存包裹體多發(fā)育于同一晶體內不同區(qū)域或晶體環(huán)帶內，大小相近，呈離散狀分布，與兩相包裹體無明顯配對關系。對原生氣-液兩相包裹體進行顯微測溫，獲得研究區(qū)白云巖中包裹體的均一溫度和冰點溫度（表1）。

圖3 鄂爾多斯盆地大牛地地區(qū)馬五5亞段白云巖包裹體微觀照片F(xiàn)ig.3 Micrographs of dolomite inclusions of O1m55 in Daniudi area,Ordos Basin

表1 鄂爾多斯盆地大牛地地區(qū)馬五5亞段白云巖包裹體特征參數(shù)Table 1 Characteristics and parameters of dolomite inclusions of O1m55 in Daniudi area,Ordos Basin

4 討論

4.1 成巖蝕變的影響

若海相碳酸鹽巖后期遭受強烈的成巖蝕變作用，這種情況下利用碳氧同位素分析白云巖的成巖環(huán)境及成因機理，結果往往是不正確的。已有研究表明，Mn/Sr值可用來判斷碳酸鹽礦物的成巖蝕變程度：當Mn/Sr值＜2時，原巖發(fā)生了較弱的成巖蝕變，碳酸鹽巖基本保持了原始海水同位素的信息［19，21-23］。大牛地地區(qū)馬五5亞段樣品的Mn/Sr值均小于2，說明白云巖后期未遭受強烈的成巖蝕變作用。此外，Kaufman等［24］認為碳氧同位素之間若存在相關性，則碳氧同位素值不能夠代表原始沉積信息。分析表明，大牛地地區(qū)樣品碳氧同位素之間整體不具有明顯相關性（圖4）。因此，測試樣品未遭受強烈成巖蝕變作用，所測得的碳氧同位素值能夠用來解釋研究區(qū)白云巖的成巖環(huán)境和成因機理。

圖4 鄂爾多斯盆地大牛地地區(qū)馬五5亞段碳酸鹽巖碳氧同位素組成相關關系Fig.4 Correlation between carbon and oxygen isotopic compositions of carbonate rocks of O1m55 in Daniudi area,Ordos Basin

4.2 碳氧穩(wěn)定同位素對白云巖成因的指示

碳氧同位素常用于白云巖成因解釋。白云巖的碳氧同位素組成特征主要受控于白云石化對象自身的碳氧同位素組成及成巖流體的鹽度和溫度［19，25］。局限蒸發(fā)環(huán)境下形成的白云巖，其δ13C和δ18O值均較高；高溫高壓深埋藏條件下形成的白云巖，其δ18O值較低；熱液環(huán)境下形成的白云巖，其δ18O值多數(shù)小于-10.0‰［19］。同沉積期海水的碳氧同位素值是不同成因白云巖的碳氧同位素值變化的基礎，故需將白云巖碳氧同位素值與同期海水進行對比才能更合理地進行成因解釋［26］。

如前所述，大牛地地區(qū)馬五5亞段白云巖的δ13C值與同期海水一致，δ18O值與同期海水相比顯著偏負，這與黃正良等［27］的認識一致。由圖4可知，研究區(qū)白云巖樣品的δ18O值均大于-10.0‰，基本排除了白云巖為熱液成因的可能性；δ13C值全部位于同期海水值范圍的現(xiàn)象，則表明研究區(qū)白云石化流體應主要為海源性流體。已有研究表明，白云巖的δ13C值主要受有機質以及硫酸鹽還原反應（TSR）的影響，溫度對其影響相對較小，后期成巖過程中δ13C值通常不發(fā)生顯著變化，仍表現(xiàn)為原巖特征；而白云巖的δ18O值偏負的原因，則可能主要與大氣淡水混入和埋藏環(huán)境下的高溫有關［19］。研究區(qū)白云巖的δ13C值與同期海水一致，排除了受上述因素影響的可能性。泥晶白云巖位于馬五5亞段底部，鏡下觀察發(fā)現(xiàn)其未遭受明顯的大氣淡水改造，且與泥晶灰?guī)r相比具有相對偏高的δ18O值，反映其應形成于高鹽度的蒸發(fā)環(huán)境。粉細晶白云巖位于馬五5亞段中上部，其δ18O值相對更為偏負（圖4），考慮晚中生代伊陜斜坡發(fā)生構造反轉可能使其間歇性暴露于地表這一因素，粉細晶白云巖可能是早期大氣淡水改造與埋藏增溫疊加作用的結果，至少反映了其受到埋藏增溫作用的影響。

此外，根據(jù)Keith等［28］提出的由碳氧同位素推導鹽度指數(shù)（Z）的經(jīng)驗關系式Z=2.048×(δ13CPDB+50)+0.498×(δ18OPDB+50),對大牛地地區(qū)不同類型白云巖的成巖環(huán)境進行恢復。研究區(qū)馬五5亞段泥晶白云巖Z值均大于120，粉細晶白云巖雖然部分樣品低于120，但仍與120接近，表明白云石化流體均主要為海源性流體，且泥晶白云巖形成于鹽度較高的咸化海水成巖環(huán)境，粉細晶白云巖形成于鹽度較低的淺埋藏環(huán)境。

4.3 微量元素對白云巖成因的指示

微量元素的變化特征可以用來判斷白云石化流體的性質及沉積和成巖環(huán)境，其中Fe、Mn、Sr、Na、K在碳酸鹽巖成巖作用和流體性質判別方面尤為有效。Fe、Mn含量在海水中通常較低，而在地層孔隙水中則相對較高，且隨成巖作用強度的增加，呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，這主要與Fe、Mn元素對還原環(huán)境的敏感性有關，即還原性越強，越容易以類質同象方式進入白云石的晶格［28］。Sr作為常用的示蹤元素，主要富集于海水中，隨成巖作用強度的增加，Sr含量逐漸減少。Na含量可用來反映成巖流體的鹽度［29-30］。

有學者認為埋藏作用為鄂爾多斯盆地馬五5亞段白云巖的主要成因機制，馬五5亞段白云巖中Sr、Na貧乏，F(xiàn)e、Mn富集［31］。這一觀點與研究區(qū)的實際資料不符：如前所述，大牛地地區(qū)馬五5亞段白云巖中Fe、Mn、Na、K含量總體相對較高，Sr含量相對較低。由圖5a與圖5b可知，隨著成巖作用的加強，白云巖中Fe、Mn含量整體呈增加的趨勢：泥晶白云巖的增加趨勢不顯著，反映其形成環(huán)境具有一定的氧化性；粉晶白云巖的增加趨勢顯著，反映其形成環(huán)境具有一定的還原性。泥晶白云巖的Na含量較泥晶灰?guī)r的高，平均值為488μg/g，其與墨西哥灣、阿拉伯海灣現(xiàn)代海洋白云石的Na含量（1 000～10 000μg/g）接近［32-34］。這表明泥晶白云巖形成于鹽度較高的海水中，符合近地表蒸發(fā)環(huán)境準同生白云石化成因的特征。由圖5c可知，粉細晶白云巖的Na含量介于泥晶灰?guī)r和泥晶白云巖之間，且多數(shù)樣品的Na含量仍分布在泥晶白云巖的Na含量范圍內，說明三者之間流體具有一定的繼承性。對于粉細晶白云巖，白云石化流體為中等鹽度，可能主要與淺埋藏階段回流滲透作用有關［35］。研究區(qū)粉細晶白云巖的Mn含量平均值為77μg/g，Na含量平均值為42μg/g，應為淺埋藏期回流滲透白云石化作用的產(chǎn)物［10］。有研究表明：早奧陶世馬五5亞段沉積初期，主要發(fā)育海退旋回，氣候干熱；馬五5亞段沉積末期，主要發(fā)育海侵旋回，氣候相對潮濕［3-4］。這與由微量元素推斷的沉積環(huán)境相吻合。

圖5 鄂爾多斯盆地大牛地地區(qū)馬五5亞段碳酸鹽巖微量元素含量交會圖Fig.5 Crossplots of trace element contents of carbonate rocks of O1m55 in Daniudi area,Ordos Basin

4.4 包裹體溫度與鹽度對白云巖成因的指示

流體包裹體作為研究地層流體的一種重要地質手段，亦可應用于判斷白云石化流體性質。為確保包裹體顯微測溫數(shù)據(jù)的可靠性，首先結合包裹體形態(tài)特征，對單一液相包裹體進行冷凍、人工拉伸處理，單一液相包裹體未能獲取氣泡，排除了單一液相包裹體是由卡脖子及非亞穩(wěn)態(tài)造成的可能性，同時也表明單一液相包裹體形成于近地表環(huán)境且溫度低于50℃［22］。由表1可知：泥晶白云巖原生包裹體均一溫度為82.5～138.4℃，平均值為112.6℃；粉細晶白云巖為105.7～155.8℃，平均值為140.8℃。兩者相比，前者整體上明顯偏低（圖6）。

圖6 鄂爾多斯盆地大牛地地區(qū)馬五5亞段白云巖包裹體均一溫度直方圖Fig.6 Homogenization temperature histogram of dolomite inclusions of O1m55 in Daniudi area,Ordos Basin

根據(jù)Potter等［20］提出的鹽度（S）與冰點溫度(Ti)的換算公式S=0.00+1.769 58Ti-0.042 384Ti2+0.000 527 78Ti3±0.028，計算得到大牛地地區(qū)馬五5亞段粉細晶白云巖中包裹體的鹽度（平均值為22.6%）較泥晶白云巖（平均值為24.2%）略微偏低，反映粉細晶白云巖的Mg2+來源應為回流滲透機制的下滲富Mg2+鹵水，近地表低水體的巖層不斷吸入海水是導致粉細晶白云巖的鹽度較泥晶白云巖偏低的主要原因［19］。

5 白云巖成因模式及油氣地質意義

早奧陶世馬五5亞段沉積時期，鄂爾多斯盆地位于赤道附近［36］，氣候整體干旱，海水強烈蒸發(fā)濃縮，促使大牛地地區(qū)淺水碳酸鹽巖臺地潮坪海水鹽度不斷升高，高鹽度的海水不僅為白云石化提供了大量Mg2+，促使泥晶白云巖的形成，還為后期淺埋藏階段回流滲透白云石化提供了較強的水體動力，即為粉細晶白云巖的形成奠定了良好基礎［37］。

研究區(qū)馬五5亞段沉積初期，發(fā)育海侵旋回，沉積了一套以泥晶灰?guī)r為主的地層。馬五5亞段沉積中期，發(fā)育海退旋回，研究區(qū)表現(xiàn)為水體受限、鹽度較高、以蒸發(fā)為主的淺陸表海沉積環(huán)境，充足的高鹽度海水迅速交代早期沉積物表層的灰泥巖，形成了一套層薄、橫向不穩(wěn)定、顆粒相對較小的準同生泥晶白云巖（圖7）。至馬五5亞段沉積末期，雖然盆地東部局部發(fā)生構造反轉，但沉積物埋深依舊相對增大，使得地層還原性增強，地層溫度相應升高；在上覆沉積物和橫向擠壓應力的共同作用下，高鹽度的富Mg2+海水向下伏尚未被壓實的石灰?guī)r發(fā)生緩慢滲流，不斷驅替沉積物中的原生孔隙水，發(fā)生交代白云石化作用，最終形成層厚、橫向穩(wěn)定、顆粒較粗的粉細晶白云巖（圖7）。然而，由于回流滲透作用具有一定限度，地層深部往往發(fā)育交代不徹底的灰質白云巖、白云質灰?guī)r等過渡巖類。

圖7 鄂爾多斯盆地大牛地地區(qū)馬五5亞段白云石化作用模式Fig.7 Dolomitization model of O1m55 in Daniudi area,Ordos Basin

白云石化的一個重要結果就是巖石孔隙度的增加，尤其是晚期成巖白云石化作用，對高孔、高滲優(yōu)質白云巖儲層的形成起著至關重要的作用。與馬五5亞段中上部相比，研究區(qū)馬五5亞段底部泥晶白云巖的白云石化作用發(fā)育程度較低，白云石化不徹底，白云石化作用對儲層儲集空間的保存相對較弱，儲層非均質性較強，儲層質量差。回流滲透白云石化成因的粉細晶白云巖，其孔隙度明顯高于蒸發(fā)濃縮白云石化成因的泥晶白云巖［5］，馬五5亞段中上部儲集層基質孔隙度、滲透率平均值分別為4.57%、0.041×10-3μm2，顯著高于馬五5亞段底部（孔隙度1.6%，滲透率0.011×10-3μm2）。結合馬五5亞段主要灘體及白云巖的分布特征［9］,從成巖作用角度對大牛地地區(qū)馬五5亞段有利白云巖儲層發(fā)育區(qū)進行預測，認為馬五5亞段中上部白云巖發(fā)育，而且橫向上灘體大面積穩(wěn)定分布，因而儲層均質性強、物性好，為研究區(qū)有利勘探層位（圖7）。

盡管當前針對馬五5亞段中上部優(yōu)質白云巖的勘探主要集中在大牛地地區(qū)，但依據(jù)本文白云巖成因模式分析，馬五5亞段優(yōu)質白云巖儲層亦可向大牛地南部地區(qū)延伸（靖西地區(qū)東部）。靖西地區(qū)以馬五5亞段白云巖儲層為含氣層的多個含氣區(qū)的發(fā)現(xiàn)［38］充分印證了上述認識。該研究成果為后期擴展天然氣勘探區(qū)帶及評價資源總量提供了科學依據(jù)。

6 結論

（1）鄂爾多斯盆地大牛地地區(qū)奧陶系馬五5亞段主要發(fā)育泥晶白云巖和粉細晶白云巖，泥晶白云巖主要發(fā)育于馬五5亞段底部，粉細晶白云巖主要發(fā)育于馬五5亞段中上部。泥晶白云巖中發(fā)育鳥眼、針狀膏巖假晶及水平藻紋層等原始沉積構造，白云石有序度低；粉細晶白云巖常見殘余砂屑和霧心亮邊結構，晶間孔、溶蝕孔發(fā)育，白云石有序度相對較高。

（2）泥晶白云巖和粉細晶白云巖的δ13C值與同期海水一致，δ18O值顯著偏負，微量元素Fe、Mn、Na、K含量相對較高，Sr含量低。相較粉細晶白云巖，泥晶白云巖δ18O值及Sr、Na含量偏高，F(xiàn)e、Mn含量偏低。兩類白云巖形成時期的鹽度分別為24.2%、22.6%。泥晶白云巖應為準同生階段的產(chǎn)物，粉細晶白云巖應為回流滲透作用的產(chǎn)物，白云石化流體主要為海源性流體，無大氣淡水和熱液流體的參與。

（3）基于巖石學和地球化學的系統(tǒng)分析，建立了研究區(qū)準同生和回流滲透兩種白云石化模式，馬五5亞段中上部白云巖具備大規(guī)模發(fā)育的地質條件，大牛地南部地區(qū)可成為擴大天然氣勘探的新勘探領域。