季明明 趙俊興 李鳳杰 伍宏遠

（成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院）

蘇東奧陶系馬五5亞段碳酸鹽巖成巖作用與孔隙演化

季明明 趙俊興 李鳳杰 伍宏遠

（成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院）

利用巖心觀察、薄片圖像分析、X－射線衍射、地化分析等資料，分析認(rèn)為蘇里格地區(qū)東部馬五5亞段碳酸鹽巖在成巖過程中經(jīng)歷了海水、大氣淡水、埋藏成巖環(huán)境；成巖作用復(fù)雜多樣，其中溶蝕作用和白云石化作用對儲層孔隙發(fā)育有利。馬五5亞段白云巖成因可劃分為準(zhǔn)同生期白云巖化和埋藏期白云巖化兩種。圖4表2參14

碳酸鹽巖 成巖作用 白云石化 孔隙演化 蘇東地區(qū)

0 引言

蘇里格氣田位于鄂爾多斯盆地的中北部、中央古隆起東北側(cè)，區(qū)域構(gòu)造屬于伊陜斜坡北部中帶。依據(jù)古生物特征、沉積旋回和區(qū)域性標(biāo)志層，馬家溝組從下往上劃分為馬一—馬六6段，其中馬五段沉積厚度最大處約300 m，目前所發(fā)現(xiàn)的主要氣層就是馬五段頂部的碳酸鹽巖風(fēng)化殼儲層，厚度約60～90 m。本文通過巖石薄片鑒定、薄片圖像分析、測井資料以及地球化學(xué)分析等手段，對蘇里格氣田東部地區(qū)馬五5亞段成巖作用和白云巖的成因有了進一步的了解，并取得一些新的認(rèn)識。

1 地質(zhì)背景及沉積環(huán)境

中奧陶統(tǒng)馬家溝組沉積時期，由于南北秦嶺和興蒙洋殼俯沖，產(chǎn)生相向擠壓作用力，蘇里格地區(qū)整體表現(xiàn)為震蕩性海退；盆地的北面、西面、南面共同隆起環(huán)繞，形成障壁強蒸發(fā)的陸棚邊緣，是具高咸度、淺水、暴露的低能沉積環(huán)境，處于高頻海平面變化相對低水位期［1］。馬五期中央隆起出露水面，阻隔西邊海水補給；東邊華北地塊海平面整體降低，海水因海底消能，涌入量相對減少；南邊斷裂作用減弱，海水補給量有限，所以盆地內(nèi)海水循環(huán)性較差［2］（圖1）。到了加里東末期，由于南北秦嶺和興蒙洋殼俯沖加速造成構(gòu)造擠壓，鄂爾多斯盆地腹地海退成陸，研究區(qū)馬家溝組地層抬升地表遭受約1.5億年的風(fēng)化剝蝕；海西期，鄂爾多斯盆地整體下沉，研究區(qū)奧陶系地層結(jié)束了長期暴露溶蝕的歷史，開始接受沉積；到了燕山－喜山中、深埋藏成巖期，該時期研究區(qū)持續(xù)坳陷，奧陶系處于較高溫高壓的深埋藏環(huán)境。

圖1 研究區(qū)位置及奧陶系馬五5亞段沉積環(huán)境

根據(jù)測井解釋綜合成果，將馬五5亞段劃分為馬、、三個小層，對應(yīng)的沉積亞相依次為潮上帶、潮間帶和潮下帶。研究區(qū)內(nèi)白云巖縱向上厚度變化較大，具東南厚西北薄的特點；巖性自上而下依次為微晶灰質(zhì)白云巖、粉晶—中晶白云巖、微晶灰?guī)r，由于縱橫向上沉積環(huán)境變化和白云石化作用的差異性造成的［3］?？傊芯繀^(qū)內(nèi)海水在馬五5時期處于較低水位，蒸發(fā)作用較強，整體表現(xiàn)為海平面下降的特征。

2 巖石學(xué)特征

馬家溝組馬五5亞段巖性主要以白云巖、灰?guī)r為主，其次為少量巖溶角礫巖。白云巖以灰色、淺灰色為主，晶粒結(jié)構(gòu)，少數(shù)具有顆粒結(jié)構(gòu)，多為泥晶、粉晶

和細晶，有少量的中晶、不等晶白云巖；主要礦物為白云石和方解石，常見自生石英和黃鐵礦，含少量泥質(zhì)。一些白云石晶粒具有霧心亮邊結(jié)構(gòu)。灰?guī)r以深灰色、灰黑色為主，多為微晶灰?guī)r，少量顆?；?guī)r及次生灰?guī)r及疊層灰?guī)r；礦物以方解石為主，含黃鐵礦，偶見石膏。巖溶角礫巖，按其成分，可以分為巖溶角礫灰?guī)r和巖溶角礫白云巖（圖2a）。

根據(jù)Gregg和Silbey所作常見的白云石結(jié)構(gòu)分類［4］，依據(jù)形成溫度的不同，將白云石化所結(jié)晶的晶體結(jié)構(gòu)分為平直晶面和非平直晶面兩種。形成平直晶面的白云石溫度一般在50～60℃以下，顆粒細小，自形—半自形（圖2b），形成于淺埋藏的或近地表的環(huán)境；而后者形成溫度在50～60℃以上，顆粒粗大，半自形—他形（圖2c），則是在中—深埋藏環(huán)境下形成的。

圖2 蘇東地區(qū)馬五5亞段白云巖顯微鏡下照片特征

3 成巖作用

借助于地球化學(xué)分析手段，對該區(qū)成巖作用及成巖環(huán)境的變化有了進一步的認(rèn)識。微量元素方面，研究區(qū)白云巖的Sr和Na含量較低，F(xiàn)e、Mn含量相對灰?guī)r則升高。白云巖樣品中Sr含量很低（0.004%～0.016%，平均值0.0084%），灰?guī)r樣品中Sr含量也很低，這說明該區(qū)白云石化的母體是低鎂方解石。Na含量（0.02%～0.17%，平均值0.078%，）大大低于近代生物成因的碳酸鹽巖Na含量（0.5%～0.8%）［4］，表明是在成巖過程中流體受到大氣水的稀釋。與該區(qū)內(nèi)灰?guī)r樣品相比，白云巖中Fe（0.10%～1.68%，平均值0.47%）和Mn（0.0027%～0.035%，平均值0.01%）含量要增高，因為隨著埋藏深度的增加，在還原環(huán)境下進行的成巖作用使Fe、Mn進入白云石晶格中。碳、氧同位素測試結(jié)果顯示，δ13C和δ18O都為負(fù)值（δ13C為－3.08‰～－0.71‰，平均值－1.63‰；δ18O為－7.1‰～－10.3‰，平均值－8.9‰），這是由于大氣淡水加入的原因。大氣淡水的混入，促使白云石的氧于大氣水中的氧進行了交換，使δ18O向負(fù)值偏離更高。δ13C主要取決于初始沉積環(huán)境中流體的性質(zhì)，其值與灰?guī)r中δ13C相似，代表了當(dāng)時沉積初期海水的信息，這表明白云石化的流體性質(zhì)為海水。

根據(jù)地球化學(xué)分析，沉積物從沉積埋藏到后期變質(zhì)之前共經(jīng)歷了海水成巖環(huán)境、大氣淡水成巖環(huán)境和埋藏成巖環(huán)境。因此，筆者結(jié)合區(qū)域地質(zhì)演化將成巖過程劃分為準(zhǔn)同生期、早期藏成巖期、大氣淡水－表生期、晚埋藏成巖晚期4個階段。研究區(qū)內(nèi)的成巖作用主要包括白云巖化作用、溶蝕作用、壓實和壓溶作用、重結(jié)晶作用、去育化作用、去白云巖化作用和鹽鐵礦化作用共七種類型。其中溶蝕作用和白云巖化作用對儲層的改造最為有利。

3.1 白云石化

研究區(qū)內(nèi)的主要儲層為白云巖，主要集中分布于北部的蘇東39－61井—桃33井一帶，呈近北東—南西向展布，白云巖厚度自0～28.7 m，平面上呈串珠狀分布，反映出有效儲層橫向變化快、規(guī)模小的特點；有效儲層基本上繼承了白云巖的分布范圍。氣藏與白云巖之間存在很好的對應(yīng)關(guān)系，氣藏均分布于白云巖分布區(qū)和有效儲層的分布區(qū)范圍之內(nèi)。該區(qū)白云巖的成因主要為準(zhǔn)同生期白云巖化和埋藏白云巖化兩種，早期沉積形成的準(zhǔn)同生白云巖巖石致密，孔滲極低，不利于孔隙水的賦存和流動；而早期的粒屑灰?guī)r相對孔隙度較大，經(jīng)埋藏作用發(fā)生白云巖化，形成

的晶粒粉晶—中晶白云巖，孔隙發(fā)育，是氣藏富存的重要空間。根據(jù)白云巖化的時期不同以及其鏡下巖石學(xué)特征差異，將研究區(qū)內(nèi)白云巖類型劃分為三類，分別為準(zhǔn)同期形成的白云巖和淺埋藏期早成巖期白云巖及中—深埋藏晚成巖期形成的白云巖。這三類白云巖在巖石學(xué)特征上有不同（表1）。

表1 三類白云巖特征對比

產(chǎn)于潮上云坪、泥云坪、云泥坪的準(zhǔn)同生白云巖，泥晶—微晶，顏色多為淺灰色或土黃色，含泥多，晶形較差，無核心、無環(huán)帶構(gòu)造，其結(jié)構(gòu)細，有水平紋層。在陰極射線照射下，此類白云石發(fā)較暗的棕紅色光；這是由于淺水的潮坪環(huán)境處于氧化條件下，Mn2＋和Fe2＋無法進入泥晶白云石的晶格中。進入埋藏環(huán)境后，泥晶、微晶白云石顆粒變粗，有序度增大，逐漸形成半自形—自形粉晶白云石；而早期灰?guī)r在白云石化流體持續(xù)供給下，其基質(zhì)和顆粒部分會發(fā)生白云石化。這些白云石干凈，泥質(zhì)較少，可見環(huán)帶構(gòu)造（“霧心亮邊”）；在陰極發(fā)光照射下具有環(huán)帶發(fā)光性，呈橙黃色，且核部不發(fā)光（圖2d）。在顯微鏡下晶體結(jié)構(gòu)為平直晶面，反映了較淺的埋藏環(huán)境及相對較低的溫度。

到了中—深埋藏階段，白云巖形成的動力學(xué)障礙大大降低，多數(shù)流體都可能成為白云石化流體［5］。這些流體一方面對原始灰?guī)r進行交代，另一方面導(dǎo)致早期形成的白云巖發(fā)生重結(jié)晶。隨著溫度和壓力的增加，白云石晶體快速生長，晶面發(fā)生曲面化；此時形成的白云石的多為細—中晶，呈它形晶，晶體緊密堆積，非平直晶面［6］。其薄片在陰極射線照射下發(fā)淡暗紅色光，因為周圍物理化學(xué)環(huán)境發(fā)生變化，致使少量Mn2＋和Fe2＋進入白云石晶格中，可見其薄片在陰極射線照射下發(fā)淡暗紅色光。縫合線的出現(xiàn)以及孔隙中充填的異性白云石顆粒（非平直晶面，波狀消光（圖2e）），也是埋藏的標(biāo)志之一，表明深度至少達到600 m，溫度應(yīng)在50～60℃以上。

經(jīng)過前人對白云巖中碳、氧同位素的研究，其影響因素主要為成巖溶液的溫度和鹽度。資料顯示［7－8］，奧陶紀(jì)海水的穩(wěn)定同位素值大約為δ18O：－6.6‰～－4.0‰；δ13C：－2.0‰～＋0.5‰。對研究區(qū)內(nèi)三種白云巖樣品地球化學(xué)測試分析，結(jié)果表明（表1）Ⅰ類白云巖δ18O同位素值與奧陶系海水中的數(shù)值范圍大致相同，反映了準(zhǔn)同生期白云巖形成的時代及環(huán)境為奧陶系較淺的蒸發(fā)海水環(huán)境。Ⅱ類白云巖較陶系海水及Ⅰ類白云巖的δ18O同位素值偏負(fù)，表明成巖環(huán)境已經(jīng)不再是蒸發(fā)海水環(huán)境；而進入埋藏環(huán)境。在埋藏條件下，發(fā)生白云石化作用，由于比近地表溫度高，發(fā)生“熱同位素分餾作用”，相對較重穩(wěn)定同位素18O進入到交代流體中，相對較輕的穩(wěn)定同位素16O進入到白云石晶格中。這樣埋藏白云石化形成的白云巖必然就具有比奧陶紀(jì)海水要偏負(fù)的氧穩(wěn)定同位素值。Ⅲ類白云巖的δ18O同位素值的分布范圍和平均值與Ⅱ類很相近，說明白云石化流體為同一流體源。造成兩類白云石的穩(wěn)定同位素值微弱差別的主要原因是其形成環(huán)境的不同，后者形成與埋藏較深的環(huán)境下，高溫狀態(tài)下促進氧同位素的分餾作用。研究區(qū)三類白云巖中δ13C平均值分別為－2.1‰、－1.25‰和－1.45‰，Ⅰ類白云巖相對于典型的準(zhǔn)同生期白云巖相比明顯偏負(fù)，可能與原巖中藻類有關(guān)［9］；Ⅱ、Ⅲ類白云巖的內(nèi)白云巖的碳同位素值與奧陶系海水中碳同位素值范圍大致相同，表明成巖流體的來源均為奧陶系海水，非混合水模式的白云巖化；Ⅲ類白云巖較Ⅱ類白云巖向負(fù)值偏移的原因可能為較深埋

藏環(huán)境下生油期有機質(zhì)的介入有關(guān)。

3.2 溶蝕作用

本文中溶蝕作用為廣義的溶蝕作用，可分為淡水溶蝕和埋藏溶蝕。研究區(qū)域內(nèi)大量可見溶孔、洞、縫等構(gòu)造，證明了溶蝕作用發(fā)生。而溶蝕作用是一種建設(shè)性的成巖作用，能夠擴大孔隙度，使得孔縫相連，增加滲透率，改善儲層儲集性能。

（1）淡水溶蝕

淡水溶蝕包括準(zhǔn)同生期淡水間歇性的選擇性溶蝕和表生時期長期暴露的非選擇溶蝕［10］。表1中Ⅱ類白云巖、Ⅲ類白云巖較Ⅰ類白云巖中Fe、Mn含量升高，Na、Sr含量降低表明這兩類白云巖在形成過程中受淡水影響。準(zhǔn)同生時期，以組分選擇性溶蝕為特征，最先被溶蝕的為石膏、石鹽以及顆?；?guī)r中的膠結(jié)物等不穩(wěn)定組分。在成巖早期，由于沉積環(huán)境不是十分穩(wěn)定，海水發(fā)生周期性震蕩，地層會周期性的暴露于地表，經(jīng)大氣淡水的淋濾，不穩(wěn)定組分被溶解，形成溶孔、晶間溶孔、鑄?？滓约按怪钡娜芪g孔洞（圖2f）。在加里東運動時期末期，由于構(gòu)造擠壓抬升，使奧陶系馬家溝組地層暴露并長時間的遭到風(fēng)化剝蝕，位于古風(fēng)化殼的頂部，進入表生成巖環(huán)境?？扇苄詭r石受到地表風(fēng)化環(huán)境和地下水的長期作用，使巖石發(fā)生溶解。石膏溶蝕，對圍巖釋壓，使其產(chǎn)生裂隙［11］，經(jīng)大氣淡水淋慮形成溶蝕裂隙。裂隙繼續(xù)擴溶，伴隨地下水系統(tǒng)，形成大量的角礫巖和陷角礫巖，角礫大小不均，角礫間被更小角礫充填，角礫被后期方解石膠結(jié)［12］。上部的白云石坍塌，從而形成溶蝕角礫白云巖。

（2）埋藏溶蝕作用

進入中石炭世，鄂爾多斯盆地下沉，進入封閉的埋藏環(huán)境。埋藏溶蝕作用包括上覆的石炭紀(jì)煤系地層淺埋藏壓釋酸性水溶蝕、燕山—喜馬拉雅期中深埋藏排烴有機酸溶蝕以及深部熱水溶蝕［13］。酸性液體沿著裂縫向下滲透，發(fā)生溶解作用，是之前的溶蝕孔縫擴大，孔隙度也隨之增加。另外，深部熱液對碳酸鹽的溶蝕也起了一定的作用［14］。

4 孔隙演化

4.1 孔隙類型

研究區(qū)內(nèi)馬五5亞段碳酸鹽的孔隙包括孔隙以及裂縫，其中孔隙包括微孔、粒間孔、晶間孔；縫包括微縫、晶間縫、溶縫和破裂縫。

4.2 孔隙物性特征

研究區(qū)的物性資料分析結(jié)果（表2）表明，孔隙度分布范圍為0.46%～13.10%，滲透率分布范圍為0.0008～5.38 mD在各種類型的巖石中，中晶、細晶和粉晶白云巖的儲層物性最好，孔隙度和滲透率都很高，為優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育的主要巖性基礎(chǔ)；微晶白云巖孔隙度中等，滲透率中等，儲集性能一般；灰質(zhì)白云巖孔隙度較好，但是其滲透率較差，不利于油氣的運移；微晶云質(zhì)灰?guī)r以及微晶灰?guī)r孔隙度很低，基本上不具備成為儲層的能力，而微晶灰?guī)r中由于裂縫的存在，其滲透能力有所提高。

表2 不同巖性儲層物性特征統(tǒng)計表

4.3 孔隙演化

根據(jù)將成巖作用的發(fā)生時間建立一個較為清晰的演化序列（圖4）：機械壓實、壓溶、早期白云石化→淡水溶解→角礫化→淡水方解石、白云石充填→去白云石化、去膏化→有機酸溶蝕→深埋藏溶解、埋藏白云巖化→重結(jié)晶、方解石、石英充填?？紫堆莼c成巖演化的具有十分密切的關(guān)系，成巖后生階段的壓實作用、壓溶作用及充填作用可依次減少孔隙度，而后來的淡水－有機質(zhì)水及深部熱水溶蝕作用及白云石化作用又可使增加孔隙。

在早期大氣淡水環(huán)境時期，碳酸鹽沉積物（巖）周期性暴露于地表中，與大氣淡水接觸，從而發(fā)生了早期的白云石化作用及大氣淡水溶解作用，并伴隨充填作用，導(dǎo)致部分溶蝕空洞被充填，巖石早期原始孔隙度明顯減少至5%～10%（據(jù)薄片中顆粒接觸關(guān)系估算而得）。進入淺埋藏環(huán)境后，沉積物可以繼續(xù)發(fā)生白云石化；同時，由于上覆壓力使得沉積物脫水收縮，形成大量網(wǎng)狀縫。此時，沉積物經(jīng)過壓實、壓溶作

用并發(fā)生破碎、變形。到了加里東末期，由于南北秦嶺和興蒙洋殼俯沖加速造成構(gòu)造擠壓，鄂爾多斯盆地腹地海退成陸，馬家溝組抬升地表遭受約1.5億年的風(fēng)化剝蝕。由于大氣淡水的滲流及選擇性溶解作用，致使溶蝕垮塌，角礫間孔、礫內(nèi)孔及溶蝕孔成為了新的儲及空間，此時的孔隙度以增加為主，約10%～15%左右（據(jù)后期充填物含量估算得到）。另外，去膏化作用和作用形成了膏?？?、溶孔，去白云山化使孔縫略微減少。到了海西期，鄂爾多斯盆地整體下沉，接受沉積，上覆地層的有機酸性地層水沿各種渠道進入奧陶系地層，產(chǎn)生不同程度的溶解作用，將前期各種孔洞擴大，邊緣表現(xiàn)為溶蝕港灣狀。淺埋藏白云石化作用形成白云石多成斑塊狀，晶間孔較發(fā)育，進入到中、深埋藏成巖期后，白云石化形成的白云石顆粒粗大，鑲嵌式接觸，充填于孔隙中。此時，奧陶系處于較高的溫壓環(huán)境，壓溶、重結(jié)晶作用使巖石致密化，原生孔隙降低。在深埋藏成巖期，自生石英、方解石等充填溶蝕孔洞，使儲集性降低，最終鑄體薄片中觀察孔隙度約為5%左右。

圖4 蘇東地區(qū)奧陶系馬家溝組馬五5亞段孔隙演化模式圖

5 結(jié)論

（1）馬五5亞段碳酸鹽巖成巖演化經(jīng)歷了海水、大氣滲流及埋藏環(huán)境，成巖階段可劃分為海水準(zhǔn)同生期、早埋藏成巖期、表生期以及晚埋藏成巖期四個時期。

（2）成巖演化序列為機械壓實、壓溶、早期白云石化→淡水溶解→角礫化→淡水方解石、白云石充填→去白云石化、去膏化→有機酸溶蝕→深埋藏溶解、埋藏白云巖化→重結(jié)晶、方解石、石英充填。

（3）溶蝕作用和白云巖化作用是最為有利建設(shè)性成巖作用。白云巖化作用可分為準(zhǔn)同生期、淺埋藏期和深埋藏期三種。

1 侯方浩，方少仙，董兆雄，等.鄂爾多斯盆地中奧陶統(tǒng)馬家溝組沉積環(huán)境與巖相發(fā)育特征［J］.沉積學(xué)報，2003，21（1）：106－112.

2 袁志祥.鄂爾多斯盆地塔巴廟地區(qū)奧陶系風(fēng)化殼喀斯特相特征［J］.成都理工學(xué)院學(xué)報，2002，29（3）：219－225.

3 陳志遠，馬振芳，張錦泉.鄂爾多斯盆地中部奧陶系馬五5亞段白云巖成因［J］.石油勘探與開發(fā)，1998.25（6）：20－22.

4 WARREN J.Dolomite：Occurrence，Evolution and Economically Importent As sociations［J］.Earth－Science Review，2000，52（1－3）：1－81.

5 HARDIE LA.Dolomitization：a critical view of some cur rentviews［J］.Journal of Sedimentary Pet rology，1987，57（1）：166－183.

6 王保全，強子同，張帆，等.鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組馬五段白云巖的同位素地球化學(xué)特征［J］.地球化學(xué). 2009，38（5）：472－479.

7 Allen JR，Wiggins W D.Dolomite reservoirs：Geochemical techniques for evaluating origin and distribution（AAPG Continuting Education Course Note Series No.36）［M］.Tulsa：AAPG，1993：36－129.

8 Popp B N，Anderson T F，Sandberg PA.Brachiopods as indicators of original isotopic compositions in some Paleozoic limestones［J］.GSA Bull，1986，97（10）：1262－1269.

9 黃擎宇，張哨楠，丁曉琪，等.鄂爾多斯盆地西南緣奧陶系馬家溝組白云巖成因研究［J］.石油實驗地質(zhì)，2010，（4）：147－153.

10 張永生.鄂爾多斯地區(qū)奧陶系馬家溝群中部塊狀白云巖的深埋藏白云石化機制［J］.沉積學(xué)報，2000，18（3）：424－430.

11 蘇中堂，陳洪德，朱平，等.鄂爾多斯盆地南部馬家溝組孔隙類型及其演化［J］.海相油氣地質(zhì)，2010，15（4）：6－13.

12 喬琳，沈昭國，方少仙，等.鄂爾多斯盆地靖邊潛臺及其周邊地區(qū)中奧陶統(tǒng)馬家溝組馬五1－4亞段儲層非均質(zhì)性主要控制因素［J］.海相油氣地質(zhì).2007，12（1）：12－20.

13 蘇中堂，陳洪德，趙俊興，等.鄂爾多斯盆地靖邊北部奧陶系馬五4－1段成巖作用特征［J］.成都理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）.2008.35（2）：194－200.

14 Hairuo Qing，鄧禮正，張子樞，等.加拿大西部盆地沉積Presqu’ile障壁島粗晶熱液白云巖儲層的成因［J］.天然氣勘探與開發(fā)1995，（2）：27－43.

（修改回稿日期 2013－07－07 編輯 王曉清）

季明明，男，1987年出生，碩士研究生，主要從事沉積學(xué)和巖石學(xué)研究。地址：（610059）四川成都市二仙橋東三路成都理工大學(xué)。電話：18200121071。E－mail：627142134＠qq.com