楊　虎，石　堃，劉佳瑋

(1.延長石油油氣勘探公司 天然氣勘探開發(fā)部， 陜西 延安　716000；2.西安石油大學 地球科學與工程學院，陜西 西安　710065)

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·地球科學·

鄂爾多斯奧陶系白云巖巖相學及其碳、氧穩(wěn)定同位素特征

楊虎1，2，石堃2，劉佳瑋2

(1.延長石油油氣勘探公司 天然氣勘探開發(fā)部， 陜西 延安716000；2.西安石油大學 地球科學與工程學院，陜西 西安710065)

應用巖石薄片鑒定、陰極發(fā)光及電子探針技術,研究白云巖巖相特征,應用全巖及礦物微區(qū)碳、氧穩(wěn)定同位素測試及X衍射分析方法,研究白云巖地球化學及成巖環(huán)境特征。研究后可知，奧陶系白云巖主要有6類：① 形成于準同生白云化作用的塊狀泥晶云巖,以高白云石含量、泥晶結構、低有序度和較高的δ18O，δ13C為特征;② 形成于準同生及微生物白云化作用的生屑云巖和藻云巖,以高白云石含量、生物骨架結構、低有序度、較高δ18O和較低δ13C為特征;③ 形成于準同生白云化及淡水淋濾與溶蝕作用的角礫白云巖,以含灰質及溶孔、角礫結構、低有序度、較低δ13C為特征;④ 形成于鹵水回流滲透白云化作用的細—粉晶白云巖,以含殘余灰質、細粉晶結構、高有序度、較高δ18O和δ13C為特征,經(jīng)淡水淋濾之后發(fā)育晶間孔,同時δ13C明顯下降;⑤ 形成于海水交代白云化作用的殘余結構中—細晶白云巖,以含灰質組分及晶間孔、殘余顆粒結構、高有序度、高δ18O和δ13C為特征;⑥ 形成于埋藏封閉環(huán)境重結晶作用的鑲嵌結構中—粗晶白云巖,以高白云石含量、鑲嵌結構和似斑狀構造、異形白云石及高有序度、保持原巖δ18O和δ13C為特征?？?、縫中的熱液或淡水白云石均以高有序度、極低的δ13C為特征,淡水白云石較熱液白云石,具有較高的δ18O，F(xiàn)e2+及較低的Mn2+。研究結果表明,白云巖的δ18O，δ13C以及白云石有序度等地球化學參數(shù)是識別白云巖巖相、成巖條件和成巖環(huán)境的重要指標。

白云巖;碳、氧穩(wěn)定同位素;白云石有序度;奧陶系;鄂爾多斯盆地

鄂爾多斯盆地本部奧陶系以白云巖(方解石≤10%)、含灰云巖(10%<方解石≤25%)和灰云巖(25%<方解石<50%)為主,其巖性、地球化學特征以及沉積相前人已做過大量研究[1-3]。近年來，在前人研究的基礎上，開展了巖心描述、薄片鑒定及陰極發(fā)光等巖礦分析研究,補充了大量碳、氧穩(wěn)定同位素、常微量元素分析及全巖X衍射等多項地球化學實驗數(shù)據(jù),進一步探討了白云巖巖相的分類依據(jù)以及各類白云巖巖相的特征及其成因。

1　樣品采集與實驗

奧陶系白云巖樣品主要采自鄂爾多斯盆地周邊的露頭及盆地內(nèi)探井巖心(見圖1),層位包括下奧陶統(tǒng)冶里組(O1yl)和亮甲山組(O1ljs)、中奧陶統(tǒng)馬家溝組(O2m)和峰峰組(O2f)。用牙鉆對白云巖基質、顆粒、孔洞膠結物及裂縫充填物分別進行取樣,樣品的碳、氧穩(wěn)定同位素以及全巖X衍射實驗由中國科學院地球環(huán)境研究所國家重點實驗室完成。巖石薄片的微區(qū)碳、氧穩(wěn)定同位素測試完成于中石油西南油氣田分公司分析實驗中心,電子探針和陰極發(fā)光實驗由西安地質礦產(chǎn)研究所實驗測試中心完成。

碳、氧穩(wěn)定同位素的分析結果以VPDB為標準,測試誤差<0.1‰,精度符合國家標準TTB1(GBW04405),δ13C優(yōu)于±0.06‰,δ18O優(yōu)于±0.08‰。

2　實驗結果

實驗數(shù)據(jù)(見表1)顯示，白云巖的δ13C，δ18O存在正相關性(見圖2),除裂縫中的白云石膠結物之外,δ13C與白云石有序度也存在一定正相關性(見圖3)。不同白云巖及其中不同結構組分的δ18O(-12.62‰～-4.79‰,平均-7.39‰)，δ13C(-6.33‰～1.37‰,平均-1.02‰)及白云石有序度(0.49～1.0,平均0.74)存在較大差異,這表明它們具有不同的成因機理。分析數(shù)據(jù)顯示，18O和13C含量隨溫度升高及介質鹽度減小而下降,其中δ18O主要受溫度影響[4],δ13C則主要受鹽度影響[5]。

表1　鄂爾多斯盆地奧陶系白云巖及白云石膠結物碳、氧穩(wěn)定同位素及X衍射白云石有序度測試數(shù)據(jù)

圖1　鄂爾多斯盆地構造區(qū)劃及采樣點Fig.1　The structuralbelt of Ordos Basinandsamplingpoints

圖2　鄂爾多斯盆地奧陶系白云巖及白云石膠結物δ18O-δ13C交會圖Fig.2　The cross plot of δ18O and δ13C of Ordoviciandolomite and its cement in Ordos Basin

圖3　鄂爾多斯盆地奧陶系白云巖δ13C-白云石有序度交會圖Fig.3　The cross plot of δ13Cvs.dolomite ordered degree of Ordoviciandolomitein OrdosBasin

成巖溫度計算公式為[6-7]:

T=16.9-4.38(δ18O-δ18Ow+2.7)+

0.1(δ18O-δ18Ow+2.7)2，

(1)

式中，δ18Ow為奧陶紀古海水的δ18Ow,取值-1.5‰,地表淡水的δ18Ow取值0‰(SMOW標準)[8]。

判斷碳酸鹽巖沉積與成巖環(huán)境的指標Z可以按經(jīng)驗公式計算[5]：

Z=2.048(δ13C+50)+0.498(δ18O+50)。

(2)

Z>120指示海水環(huán)境,Z≤120指示淡水環(huán)境。

3　討　論

每類白云巖都形成于特定的沉積與成巖環(huán)境,具有特征的巖性、結構、構造以及地化特征,其白云石有序度以及碳、氧穩(wěn)定同位素組成具有明顯的差別。

3.1塊狀泥晶云巖

此類白云巖致密無孔,呈塊狀構造,多見紋層及縫合線構造以及風暴磨圓角礫結構,白云石晶形差,呈致密鑲嵌結構的他形晶(見圖4A),常見顆粒狀黃鐵礦。

塊狀泥晶白云巖的δ18O(-5.63‰～-8.86‰,平均-7.65‰)和δ13C(-1.25‰～-0.33‰,平均-0.77‰)在所有樣品中相對居中,其白云石有序度較低(0.57～0.76,平均0.67)(見圖2)。

按公式(1)，(2)計算出泥晶云巖的成巖溫度平均為34℃(23～39℃),平均Z值大于120(120～123,平均122),顯示出蒸發(fā)環(huán)境的特征,屬于蒸發(fā)海水環(huán)境(鹽度>3.5%)的典型產(chǎn)物,是鹽坪毛細管濃縮白云化或潟湖硫酸鹽還原菌白云化作用的產(chǎn)物[9]。其δ13C隨淡水淋溶作用增強而降低,δ18O隨巖石滲透性增加而減小。

有觀點認為，富含Mg2+的蒸發(fā)海水可促進海水與方解石或文石之間的離子快速交代,從而限制了晶體發(fā)育,形成了低有序度的泥晶他形白云石。如果有大量競爭性Fe2+侵入,會進一步降低晶體發(fā)育程度及白云石有序度。

此類泥晶白云巖普遍分布于馬家溝組馬一、三、五段。

3.2生屑骨架云巖相及藻紋層云巖

生屑骨架結構白云巖由軟體動物外殼堆砌而成,生屑呈長蛹狀,長度1～3 mm,直徑0.2～1 mm。粒內(nèi)充填物主要為石鹽及亮晶白云石,粒間主要為球粒泥晶云巖,細菌及藻類鉆孔使生屑外殼普遍泥晶化(見圖4B)。藻云巖由暗色富藻和淺色富云紋層疊置而成,具潮汐層理(見圖4C),含大量硫酸鹽還原菌形成的黃鐵礦顆粒。

生屑白云巖和藻云巖的δ18O(-7.08‰～-6.19‰,平均-6.49‰)較高,δ13C(生屑白云巖δ13C:-2.25‰；藻云巖δ13C:-3.12‰～-2.46‰,平均-2.88‰)低于泥晶云巖和角礫泥、粉晶云巖的δ13C,白云石有序度(0.49～0.63,平均0.59)也為低值。

據(jù)計算，其成巖溫度介于26～29℃,平均28℃,生屑白云巖的Z值為124,具有蒸發(fā)海水環(huán)境特征,蛹狀軟體動物應屬于澙湖窄鹽度動物,鹽度增加時批量滅絕并被埋藏,之后在硫酸鹽還原菌的云化作用下[9]形成骨架支撐的生屑白云巖,且未受地表淡水影響。藻云巖的Z值平均118(118～119),顯示潮間帶淡水或混合水環(huán)境特征。由于有機體相對富集12C,因此兩者的δ13C均為低值。

生屑白云巖主要見于馬家溝組三段,而藻云巖普遍分布于馬家溝組五段。

3.3角礫泥、粉晶云巖

角礫結構泥、粉晶云巖的孔隙及滲透性好,普遍含有蒸發(fā)鹽結核鑄?？?并多具示底構造(見圖4D),常見灰質蒸發(fā)鹽假晶構造(見圖4E),多呈坍塌及原地堆積角礫結構,角礫間或見淡水方解石膠結物,并常與去膏化及去云化成因的次生灰?guī)r互層。

角礫泥、粉晶云巖的δ18O(-9.23‰～-7.82‰,平均-8.66‰)和δ13C(-3.22‰～-1.43‰,平均-1.92‰)較泥晶云巖低。淺埋期被低溫熱液滲濾的角礫泥、粉晶云巖以及表生期被淡水淋濾的角礫云巖具有更低的δ18O(-11.35‰～-8.11‰,平均-9.76‰)和δ13C(-5.82‰～-3.47‰,平均-4.36‰)。其白云石有序度普遍較低(0.49-0.81,平均0.54)。

據(jù)公式(1)，(2)計算，角礫泥、粉晶云巖的成巖溫度平均42℃(34～53℃),Z值平均115(110～120),具有淺埋藏期淡水或混合水成巖環(huán)境的特征。淡水淋溶作用強烈改造了含膏、鹽泥晶云巖,其中碳、氧穩(wěn)定同位素發(fā)生分餾作用,降低了巖石的δ18O和δ13C。如果低溫熱液再次滲透,則同位素分餾作用會進一步降低δ18O和δ13C。

角礫泥、粉晶云巖相主要分布于馬家溝組五段馬五1亞段。

3.4塊狀粉、細晶云巖

粉、細晶白云巖的白云石結晶度高，自形度好,發(fā)育大量晶間孔,晶間有灰質組分殘留(見圖4F),多見殘余砂屑結構。粉、細晶白云巖與上、下巖層往往構成特征的巖石組合,其上部多為膏巖或去膏化次生灰?guī)r,其下部通常為泥云巖及云斑灰云巖。

孔隙發(fā)育較差的粉、細晶云巖,其δ18O(-5.87‰)，δ13C(0.42‰)以及白云石有序度(0.96)均為高值,其成巖溫度24℃,Z值為125,具有蒸發(fā)海水成巖環(huán)境特征。結合其縱向巖性組合特征,應屬于干旱氣候下的蒸發(fā)臺地及局限海臺地環(huán)境,是鹵水回流滲透白云化作用[10]或泥晶云巖重結晶作用的產(chǎn)物。

孔隙性好的粉、細晶白云巖的δ18O為-8.73‰,δ13C為-1.34‰,與淡水淋溶泥、粉晶白云巖類似,白云石有序度為0.9。其成巖溫度為39℃,Z值120,具有早期淺埋藏淡水或混合水成巖環(huán)境的特征,是回流滲透或重結晶粉、細晶云巖在早期淡水淋濾、溶蝕作用下的產(chǎn)物(見圖4G)。

根據(jù)露頭及巖心觀察,粉、細晶白云巖主要出現(xiàn)于馬家溝組馬五5亞段。

3.5殘余結構細、中晶云巖

細、中晶白云巖的典型特征是具有明顯的殘余顆粒結構。其白云石結晶程度好,晶間發(fā)育大量晶間孔及晶間溶孔,陰極發(fā)光下晶體普遍呈環(huán)帶結構(見圖4H)。

實驗數(shù)據(jù)顯示，此類白云巖的δ18O，δ13C普遍較高(見圖2),其中晶體較小的粉細晶白云巖的δ13C(-0.10‰～1.37‰,平均0.7‰)為最高值,其次為晶體較大的細、中晶白云巖的δ13C(-0.89‰～0.41‰,平均-0.12‰),二者的δ18O(-7.88‰～-5.75‰,平均-6.65‰)及其白云石有序度(0.58～1.0,平均0.82)也為高值。

據(jù)計算，其成巖溫度平均28℃(24～34℃),Z值平均125(124～127),具有正常海水成巖環(huán)境(14℃<溫度<37℃,123

3.6鑲嵌結構重結晶中、粗晶白云巖

處于深埋藏環(huán)境的致密重結晶中、粗異形晶白云巖由馬鞍狀白云石構成,具鑲嵌結構及似斑狀構造(見圖4I),在重結晶殘余礫屑白云巖中除異形白云石外,也有部分自形白云石,殘余礫屑內(nèi)的晶體較礫屑間的晶體大,晶間有少量重結晶過程中析出的泥質組分(見圖4J)。

異形晶白云巖的δ18O(-6.97‰～-6.95‰, 平均-6.96‰)和δ13C(-0.13‰～-0.03‰, 平均-0.08‰)較高;殘余礫屑白云巖的δ18O(-5.91‰)和δ13C(-2.66‰)與淡水淋濾泥晶云巖的數(shù)值相近;二者白云石有序度皆為高值(1.0)。

據(jù)計算，異形晶白云巖的成巖溫度為30℃,Z值為124,數(shù)據(jù)顯示其原巖應為蒸發(fā)海水成巖環(huán)境的泥晶云巖;由于重結晶作用完成于封閉環(huán)境,物質組分與外界未發(fā)生交換作用[14]，其碳、氧穩(wěn)定同位素組成仍保持了原巖的地球化學及成巖環(huán)境特征。殘余礫屑白云巖的成巖溫度為25℃，Z值為119,具有受早期淡水淋濾影響的膏、鹽溶角礫云巖的特征。

重結晶異形晶白云巖主要分布于下奧陶統(tǒng)冶里及亮甲山組。

3.7亮晶白云石膠結物

孔隙及裂縫中的亮晶白云石膠結物包括淡水和熱液白云石兩類。淡水白云石膠結物多呈自形-半自形晶充填于孔隙與裂縫(見圖4K),由于含少量Fe2+,缺乏Mn2+,陰極發(fā)光暗淡。熱液白云石膠結物多呈他形晶填充于溶孔及裂縫(見圖4L),由于富含Mn2+,且Fe/Mn介于7～200,因此陰極發(fā)光明亮[15]。

淡水白云石δ18O(-9.38‰～-8.87‰,平均-9.12‰)和δ13C(-6.33‰～-5.63‰,平均-5.98‰)呈低值,而熱液白云石δ18O(-17.12‰～-10.38‰,平均-14.10‰)和δ13C(-7.57‰～-2.97‰,平均-5.04‰)為最低值。兩者白云石有序度皆為1.0。

據(jù)計算， 淡水白云石的成巖溫度平均41℃(40～42℃),Z值平均111(110～111)。 這表明淡水白云石形成于淺埋藏中—低溫淡水或混合水開放環(huán)境; 熱液白云石的成巖溫度平均70℃(48～90℃),表明其形成于開放性的中—高溫環(huán)境。由于隨溫度升高同位素分餾程度降低,因此熱液白云石的δ18O，δ13C均為低值,據(jù)此計算的Z值(104～112)不能作為鹽度的指標。

4　結　論

鄂爾多斯盆地奧陶系主要有6大類白云巖,具有明顯不同的巖相及碳、氧穩(wěn)定同位素組合特征。

1)泥晶云巖致密無孔,形成于蒸發(fā)臺地準同生白云化作用,白云石含量高并呈他形晶鑲嵌接觸,白云石有序度普遍較低;其δ18O和δ13C較高,δ13C隨淡水淋濾作用增強逐漸減小。

2)生屑云巖及藻云巖為澙湖及潮間帶準同生或微生物白云化產(chǎn)物,前者具生物骨架結構,后者發(fā)育藻紋層構造,白云石含量高,有序度低;其δ18O相對較高,δ13C隨有機質含量增加而降低。

A 風暴角礫泥晶云巖，顆粒成分復雜，定向排列(掃描電鏡)，D32-35,2 844.7 m，O2m54; B 生屑骨架泥晶云巖，蛹形軟體生物殼堆積形成骨架結構，孔隙被云質泥晶及石鹽充填(單偏光)，E4-6，3 418.72 m，O2m3; C 藻紋層構造泥晶云巖，暗色富藻紋層與淺色貧藻紋層交互沉積(單偏光)，HJ-74，O2m53; D 膏、鹽溶蝕角礫粉晶云巖,埋藏期酸性地層水溶蝕，孔隙中早期方解石膠結物(鑄體薄片),FG7-68, 2 960.0 m, O2m56; E 石鹽假晶泥晶含灰云巖(單偏光)，J1-75，3 053.0m,O2m; F 殘余砂屑粉晶灰質云巖(茜素紅染色薄片)，HJ-67,O2m2; G 粉、細晶云巖，含大量晶間孔，部分晶間孔充填灰質(鑄體薄片)，D30-2，3 022.0 m，O2m55; H 殘余鮞粒中、細晶白云巖，含晶間孔及晶間溶孔(陰極發(fā)光圖像)，J1-16,3 303.15 m，O2m; I 鑲嵌結構粗、中晶白云巖，含大量異型白云石，具似斑狀構造，巖石致密無孔(單偏光)，E4-11，3 491.6 m,O1yl; J 殘余竹葉狀礫屑云巖，礫屑重結晶晶體小，礫間基質重結晶晶體大，泥質分布在晶間孔中(單偏光)，HJ-57,O1ljs; K 淡水白云石膠結物,裂縫中的自形—半自形晶體(電子探針背散射圖像)，F(xiàn)G7-58, 2 962.6 m,O2m56; I 熱液白云石膠結物呈他形晶充填于溶蝕孔(電子探針背散射圖像)，D84-1, 2 732.0 m,O2m52圖4　鄂爾多斯盆地奧陶系白云巖混合水及埋藏成巖相巖相特征Fig.4　The petrographic characteristics of mixing water and burial diagenetic facies of Ordoviciandolomitein Ordos Basin

3)膏、鹽溶蝕角礫泥、粉晶云巖為準同生白云化產(chǎn)物,受早期及表生期淡水淋濾及溶蝕作用影響,含灰質假晶、鑄?？准暗[間溶孔等,常與次生灰?guī)r互層,白云石有序度低,其δ18O和δ13C較低并隨淡水淋溶而減小;孔、縫中的淡水白云石為自形晶,陰極發(fā)光暗淡無光,有序度為1,δ13C為低值;部分孔、縫充填他形熱液白云石,陰極發(fā)光明亮,有序度為1,其δ18O和δ13C均為最低值。

4)細、粉晶云巖形成于回流滲透白云化作用,晶形好,有序度高,含殘余灰質組分;其δ18O和δ13C較高,淡水溶蝕后晶間灰質組分被溶蝕,形成晶間孔發(fā)育的儲層,其δ18O和δ13C也隨之降低。

5)殘余顆粒中、細晶云巖形成于海水交代白云化作用,其白云石含量高，晶形好,有序度高,δ18O和δ13C普遍為高值。經(jīng)早期淡水淋濾、溶蝕后,形成大量晶間孔,成為良好的晶間孔型儲層。

6)鑲嵌結構中、粗晶云巖形成于封閉系統(tǒng)的重結晶作用,以馬鞍狀異形白云石為主,晶體彼此鑲嵌接觸,有序度為1,常見殘余角礫結構及似斑狀構造;其δ18O和δ13C保持原巖的特征。

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(編輯雷雁林)

The characteristics of Ordovician Dolomite petrography and its composition of Carbon and Oxygen stable isotope in Ordos Basin

YANG Hu1，2, SHI Kun2, LIU Jia-wei2

(1.Department of Natural Gas Exploration and Development, Yanchang Oil and Gas Exploration Company, Yan′an 716000， China; 2.School of Earth Sciences And Engineering, Xi′an Shiyou University, Xi′an 710065, China)

The lithofacies characteristics such as lithology, texture andstructure have been studied by the means of thin section, cathodoluminescence image analysis, electron probe and wave spectrum. Based on carbon and oxygen stable isotope testing and dolomite X diffraction analysis of whole-rock and mineral microarea, the dolomite geochemistry and diagenetic conditions and environment have been studied.The results show that, the Ordovician dolomite can be divided into the following six major types. (1) the blocky micrite dolomite: shaped under the penecontemporaneous dolomitization, with features of high dolomite content, vivid micritic structure, low dolomite ordered index, and higherδ18O andδ13C; (2) the biological framework dolomite: formed in penecontemporaneous and microbial dolomitization and charactered by high dolomite content, clear biological skeleton structure, low dolomite ordered index, and higherδ18O and lowerδ13C; (3) the breccia dolomite: shaped under the penecontemporaneous dolomitizationand freshwater leaching in early diagenesis and epidiagenetic on carbonate platform, with properties of gray pseudocrystal, dissolved pore, brecciated structure,lower dolomite ordered index, and lowerδ13C; (4) the block powder-fine crystal dolomite: made in seepage-reflux dolomitization, particularly containing different amounts of gray component, fine powder, high-ordered dolomite, and higherδ18O andδ13C,ifleached byfreshwater in early diagenesistergranular pores appeared andδ13Cdecreased; (5) residual grain structure fine-middle dolomite: built up during seawater replacing dolomitization and distinguished by containing different amounts of gray component or intergranular pores, residual particles structure, high dolomite ordered index, and highδ18O andδ13C; (6) the mosaic structure middle-coarse crystalline dolomite: generated by recrystallization in buried closed environment with peculiarities as high content of dolomite, mosaic structure, porphyritic-like structure, saddle-shaped dolomite and high ordered index, as well as maintaining the original rockδ18O andδ13C. Hydrothermal and freshwater dolsparite cements in fissure and dissolved pores are high dolomite ordered index and extremely lowδ13C. Compared with the hydrothermal dolomite, freshwater dolomite has higherδ18O, contains micro Fe2+and lacks Mn2+. Therefore,δ13C,δ18O and dolomite ordered index are all the important indication to identify dolomite types, diagenesis condition and environment.

dolomite; Carbon and Oxygen stable isotope; dolomite ordered index; Ordovician; Ordos Basin

2015-04-14

中石化國家油氣重大專項專題基金資助項目(2011ZX05005-004-08HZ);國家自然科學基金資助項目(41173035)

楊虎,男,陜西鳳翔人,高工,從事天然氣勘探開發(fā)研究。

TE122.23

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-03-020