劉英輝

中海石油(中國)有限公司上海分公司，上海 200030

0 引言

湖相碳酸鹽巖廣泛發(fā)育于中國各陸相含油氣盆地，常具有良好的生油和儲集能力[1-3]，如銀根—額濟納旗盆地下白堊統(tǒng)巴音戈壁組[4]、青西凹陷下白堊統(tǒng)中溝組[5]碳酸鹽巖均具有良好的生烴能力，東濮凹陷和歧口凹陷漸新統(tǒng)沙河街組[6-7]、酒泉盆地下白堊統(tǒng)下溝組、泌陽凹陷古近系核桃園組及松遼盆地泰康地區(qū)下白堊統(tǒng)姚家組[8]均發(fā)育優(yōu)質的碳酸鹽巖儲層。湖相碳酸鹽巖具有巖性復雜、沉積環(huán)境及分布規(guī)律多樣等特點，一直是眾多學者研究的熱點。

針對湖相白云巖成因存在較多爭議。戴朝成等[9]指出渤海灣盆地沙河街組普遍發(fā)育含鐵紋層狀湖相白云巖，認為湖相白云巖可能受到熱液影響；李紅等[10]發(fā)現(xiàn)新疆烏魯木齊地區(qū)中二疊統(tǒng)蘆草溝組發(fā)育一套薄層狀暗色富含有機質的微晶白云巖，其成因多與微生物活動密切相關。眾多學者認為白云巖的分布與火山巖分布具有高度的一致性，火山活動與白云巖成因關系密切，從而與火山活動相關的白云巖成因模式應運而生。例如湖相“白煙型”噴流巖成因[11-16]、后期熱液改造重結晶成因[17]、玄武巖淋濾作用[18]、碳酸鹽質火山成因[19]及火山碎屑水解蝕變碳酸鹽化[20-22]等。

二疊系風城組是準噶爾盆地重要的烴源巖層系及云質巖類致密油勘探目的層。近年來勘探實踐已證實烏—夏地區(qū)風城組發(fā)育多源混合沉積，形成多種儲集巖石類型。其中，云質巖類儲層與烴源巖有序共生，形成有利的源內或者近源油氣聚集，是該地區(qū)致密油勘探的重要方向[23]。

前人[22-25]針對該套云質巖類沉積背景及古地理環(huán)境展開過一系列研究，認為云質巖類可能發(fā)育在海灣、海陸過渡、陸緣近海湖、殘留海、潟湖、咸化潟湖和濱淺湖等7種沉積環(huán)境內，其中陸緣近海湖、殘留海和咸化潟湖可能為其主要沉積環(huán)境；多數(shù)學者認同該套云質巖類與高鹽度的湖泊沉積環(huán)境關系密切[26-32]。烏—夏地區(qū)風城組云質巖成因引起了國內眾多學者的關注和討論：薛晶晶等[28]認為其形成于鹽度偏高的殘留海盆地，繼承的海水Mg2+交代方解石析出白云石；馮有良等[29-30]認為次生白云石是咸化湖水中同沉積的高鎂灰泥后期被交代所致，但未指出白云巖化作用與研究區(qū)的火山物質是否存在成因聯(lián)系；潘曉添[31]通過類比酒西盆地紋層狀白云巖，提出烏—夏地區(qū)云質巖為火山熱液“白煙囪”成因模式。總體而言，關于烏—夏地區(qū)風城組云質巖成因還存在較大爭議，其沉積環(huán)境及成因機理尚不明晰。

基于此，本次通過詳細的沉積背景和巖石學分析，查明了烏—夏地區(qū)風城組云質巖沉積環(huán)境和巖石類型特征，并通過碳氧同位素及包裹體樣品測試，揭示了風城組云質巖成因機制，以期為準噶爾盆地風城組云質巖類富烴區(qū)油氣勘探提供科學依據。

1 地質背景

烏—夏地區(qū)位于準噶爾盆地西北部，北靠哈拉阿拉特山，南臨瑪湖凹陷，西起扎伊爾山，東至紅旗壩地區(qū)(圖1a)。構造上主要位于烏—夏斷裂帶，包括瑪湖凹陷西斜坡區(qū)，東西長70 km、南北寬30 km，面積約2 000 km2。研究區(qū)自下而上發(fā)育石炭系、二疊系(圖1b)、三疊系、侏羅系和白堊系。本次研究重點為二疊系風城組。研究區(qū)風城組厚度為800～1 500 m，巖石類型豐富多樣，風城組白云巖化巖類礦物組成中白云石平均體積分數(shù)為24.0%[22]，主要巖類為白云質(化)凝灰?guī)r、白云質(化)粉砂巖和凝灰質白云巖，本文統(tǒng)稱為云質巖。

圖1 烏—夏地區(qū)位置(a)及二疊系綜合柱狀圖(b)

2 樣品與測試分析

本文風城組樣品均來自鉆井巖心，在巖心觀察的基礎上，按照云質巖特征選取了風城地區(qū)(風5、風7、風15、風20、風503)、烏爾禾地區(qū)(風南1、風南3、風南4、風南5、風南7、風城011、艾克1)、百口泉地區(qū)(百泉1)共13口井的巖心樣品。巖心觀察表明，風城組混積巖主要包括云質巖、凝灰?guī)r、砂巖、泥巖和鹽巖等5大類型，本文重點選取云質巖和鹽巖樣品。樣品制備挑選云質巖相對富集段，用針、牙鉆、微鉆分別剔下來制作樣品，樣品大小1 mm×2 mm～5 mm×10 mm，主要進行了顯微薄片、掃描電鏡(含能譜分析)、碳氧同位素及包裹體等分析測試。

顯微薄片鑒定采用Zeiss Axio Scope A1偏光顯微鏡，共選取64塊風城組樣品制作顯微薄片。掃描電鏡及能譜分析采用FEI公司Quanta 200F型場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡，加速電壓為200～30 000V，分辨率1.2 nm，放大倍率25～2×105，掃描模式為高真空模式，本次共制作55塊樣品，能譜分析80點次。碳氧穩(wěn)定同位素測試儀器型號為Finngan MAT-252，測試依據為《碳酸鹽巖碳氧同位素測定磷酸法》(SY/T 6039—1994)[33]，共選取具有代表性的34塊風城組樣品進行碳酸鹽礦物的碳氧穩(wěn)定同位素分析，測試結果分別用相對于PDB的δ13C和δ18O表示，分析精度為±0.2‰。包裹體分析儀器型號為GP600包裹體分析儀，測試依據為《沉積巖包裹體均一溫度和鹽度測定方法》(SY/T 6010—1994)[34]，檢測條件為常溫，選取13塊風城組樣品完成測試(紋層狀粉細晶云質巖因晶體太小無法找到明顯鹽水包裹體)。

3 分析測試結果

3.1 云質巖巖石學特征

通過巖心及顯微薄片觀察，根據云質巖宏、微觀特征，可將研究區(qū)云質巖劃分為紋層狀、星散狀、絲絮狀、團塊狀和不規(guī)則層狀等5種類型(圖2、3)。

紋層狀云質巖：白云石紋層連續(xù)分布，與暗色紋層互層呈波紋層狀，紋層厚度為0.05～5.00 mm，一般小于2.00 mm(圖2a、b)，成因與沉積因素有關，暗色紋層為灰黑色的細?；鹕侥椅镔|，黃鐵礦分布普遍，為深水環(huán)境產物。鏡下白云石單晶晶粒一般小于0.05 mm，為微—粉晶白云石，晶形以他形為主(圖3a、b)。巖性主要為白云質凝灰?guī)r，其中白云石的體積分數(shù)相比其他類型云質巖要低。紋層狀云質巖經后期成巖改造可形成絲絮狀、團塊狀云質巖。

星散狀云質巖：星散狀云質巖常見于遠離主斷裂的裂縫欠發(fā)育區(qū)，巖心顯示灰黑色致密凝灰?guī)r上均勻分布著白色星散狀白云石集合體，白云石集合體直徑一般小于1.00 mm，大小基本一致，巖心全井段密集、均勻分布(圖2c)。鏡下晶體呈半自形—自形，晶粒一般大于0.05 mm，粉—細晶，分布均勻，具霧心亮邊交代殘余結構(圖3c、d)。

絲絮狀云質巖：絲絮狀云質巖是充填在微裂縫中的白云石集合體，或是改造紋層狀云質巖(圖2d)，集合體呈絲絮狀或長條狀(圖3e、f)，一般大于0.1 cm×10.0 cm。鏡下半自形—自形，粉—細晶白云石，晶粒大小為0.05～0.20 mm，多有霧心亮邊交代殘余結構。

團塊狀云質巖：團塊狀云質巖是一種常見的云質巖類型，在凝灰?guī)r中順層或順斷裂分布大量白云石透鏡體，大小和分布不均勻，晶粒一般大于5 mm×10 mm，表現(xiàn)為團塊狀、斑點狀、脈狀或泄水縫充填狀(圖2e)。鏡下白云石為細晶，少見中、粗晶，晶粒大于0.10 mm，半自形—自形(圖3g)，具霧心亮邊、環(huán)帶交代殘余結構。團塊狀云質巖是研究區(qū)最常見的云質巖類型，體積分數(shù)約為42%。

不規(guī)則層狀云質巖：巖心上，常見白云巖呈不規(guī)則層狀分布，富Mg流體受低滲透巖層隔擋形成(圖2f)。鏡下薄片觀察，白云石呈半自形—自形，晶粒大于0.1 mm，呈細—中晶白云石，白云石晶體分布受縫合線控制。在縫合線一側見大量“霧心亮邊”的成巖交代白云石晶體，而在縫合線另一側沒有白云石晶體出現(xiàn)，由此反映出大規(guī)模白云巖化作用發(fā)生在縫合線形成之后(圖3h)?？p合線或層間縫可能為白云巖化提供了流體運移的通道。不規(guī)則層狀云質巖在研究區(qū)普遍發(fā)育，體積分數(shù)約為30%。

a.紋層狀云質巖，發(fā)育泄水構造，泄水縫、層間縫白云巖化較強烈，風南1井，4 423.70 m；b.紋層狀云質巖，云質巖中白云巖和硅質條帶揉皺變形，風南1井，4 236.10 m；c.星散狀云質巖，風19井，3 784.60 m；d.絲絮狀云質巖，順層白云石條帶見溶蝕孔洞，風南4井，4 403.20 m；e.團塊狀云質巖，風城011井，3 861.10 m；f.不規(guī)則層狀云質巖，夾層阻擋白云巖化流體，風5井，3 476.60 m。

a.紋層狀云質巖，微晶白云石，風5井，3 224.45 m，單偏光；b.紋層狀云質巖，微晶白云石，風503井，3 093.96 m，單偏光；c.霧心亮邊白云石，粗晶白云石，風7井，3 186.50 m，單偏光；d.強烈白云巖化的沉凝灰?guī)r，具霧心亮邊，風南4井，4 258.51 m，單偏光；e、f.絲絮狀白云石，準同生微晶白云石，后沿裂縫發(fā)生交代，呈條帶狀細晶白云石，風7井，3 195.50 m，單偏光；g.團塊狀凝灰質白云巖，半自形—自形，粉晶—細晶，風7井，3 187.45 m，單偏光；h.硅質條帶白云巖，縫合線對白云石的控制作用，一側發(fā)育自形白云石，另一側未發(fā)育白云石，風5井，3 248.70 m，單偏光。

3.2 鹽巖巖石學特征

風城組發(fā)育一套罕見的鹽巖組合，主要有硅硼鈉石(NaBSi3O8)(reedmergnerite)、碳鈉鈣石(Na2Ca2(CO3)3)(shortite)、碳酸氫鈉石(Na5(HCO3)3(CO3))(wegscheiderite)、碳酸鈉(Na2CO3)、硬石膏(CaSO4)和石膏(CaSO4·4H2O)等。烏—夏地區(qū)風城組硅硼鈉石最早被孫玉善[35]發(fā)現(xiàn)。硅硼鈉石無色透明，具玻璃光澤，硬度較大(>5)，滴鹽酸不起泡；薄片鑒定表明，硅硼鈉石無色透明，單體呈楔形，粒徑為0.8～4.0 mm，干涉色為一級灰白至二級藍綠；陰極發(fā)光中發(fā)青灰色光；掃描電鏡下，晶體以板柱狀、長條狀為主(圖4)。該鹽類礦物多與白云石伴生，呈紋層狀、團塊狀和雪花狀產出。

a.星散狀分布的硅硼鈉石，風南7井，4 588.33 m，巖心照片；b.星散狀分布的硅硼鈉石，風南7井，4 588.33 m，陰極發(fā)光；c.星散狀分布的硅硼鈉石，風南7井，4 588.33 m，單偏光；d.星散狀分布的硅硼鈉石，風南7井，4 588.33 m，正交光；e.含硅硼鈉石凝灰?guī)r，長條狀硅硼鈉石，風南7井，4 592.78 m，掃描電鏡；f.含硅硼鈉石凝灰?guī)r，長條狀硅硼鈉石，風南7井，4 592.78 m，能譜分析。

3.3 碳氧同位素特征

研究區(qū)風城組云質巖巖心樣品(粉末)中碳酸鹽礦物的δ13CPDB和δ18OPDB測試結果(表1、圖5)表明，云質巖樣品白云石δ13CPDB、δ18OPDB值集中分布在A區(qū)(高碳高氧)、B區(qū)(中碳低氧)2個數(shù)值區(qū)[36]。δ13CPDB值全部位于蒸發(fā)碳酸鹽巖范圍(0～7‰)，部分與海相碳酸鹽巖范圍(0±2.5‰)重疊；表明白云巖化流體為高鹽度咸水(大于海水鹽度)[37]。

表1 烏—夏地區(qū)風城組云質巖巖石樣品碳氧同位素特征

風7井樣品中可見未白云巖化的方解石，其具有一定的晶型，是火山物質中的斜長石蝕變產物，未被鎂離子交代，δ13CPDB、δ18OPDB值具中碳高氧特征，分布在C區(qū)。風南5、風南7、艾克1井常見的碳鈣鈉石等鹽類礦物碳氧同位素值相對集中，反映成巖期次只有1次，成巖時間相對集中，以蒸發(fā)成巖為主。

A區(qū)：δ13CPDB值集中分布在4.0‰～6.5‰之間，δ18OPDB集中在-1.0‰～4.0‰之間，重碳和重氧含量高，表明成巖流體鹽度高。同時，A區(qū)重氧含量高，推測其形成時期較早，且對應白云石類型以紋層狀微晶、粉晶為主。說明A區(qū)白云石以準同生白云巖化作用為主。

B區(qū)：δ13CPDB值相對A區(qū)偏低，分布在1.0‰～5.0‰之間，說明成巖流體仍為咸水范圍，但主體已不是A區(qū)代表的咸水地層水，而是過渡為鹽度較低的咸水地層水。而δ18OPDB值整體偏負，出現(xiàn)在-8.0‰～-2.0‰之間，對應霧心亮邊型細晶、中晶白云石。說明B區(qū)白云石以成巖后期埋藏交代為主。

C區(qū)：δ13CPDB值相對較低(3.0‰)，但δ18OPDB值整體偏正，分布在2.0‰～3.0‰之間，與A區(qū)接近。同B區(qū)白云石樣品對比，重氧含量高。說明未經過后期鹽度(w(NaCl))相對較低的地層水滲透、交代，是準同生期形成的方解石殘余。

由圖5可知：A區(qū)白云石主要位于滲透回流、蒸發(fā)鹽巖相關白云巖范圍內，且所對應白云石主要為微晶、粉晶，類型主要為紋層狀，說明A區(qū)白云石主要為準同生成因。B區(qū)白云石主要位于埋藏及埋藏鐵白云石范圍內，所對應白云石主要為霧心亮邊細晶、中晶，主要類型為團塊狀、絲絮狀，說明B區(qū)白云石主要為后期埋藏交代成因；部分B區(qū)投點δ13CPDB值較高，位于埋藏白云巖區(qū)上部，說明相對典型埋藏白云石成巖鹽度更大，δ13CPDB值更高。C區(qū)為未發(fā)生明顯白云巖化的殘余方解石。

底圖據文獻[36]。

3.4 包裹體特征

13個風城組巖石樣品中包裹體測溫和測鹽數(shù)據結果(表2)顯示，碳酸鹽礦物的形成溫度較高，非沉積成因，而是在后期埋藏成巖環(huán)境下形成的。

表2 烏—夏地區(qū)風城組碳酸鹽礦物中流體包裹體特征

研究區(qū)風城組沉積時期，火山活動頻繁，以水下密度流和空中飄落的形式沉積了大量的火山碎屑物質。包裹體測溫表明，礦物集中形成于60.0～68.0 ℃之間，平均65.3 ℃，表明火山物質的蝕變特別是方解石化過程出現(xiàn)在埋藏溫度60.0～68.0 ℃之間。包裹體具有高鹽度特征(11.0%～23.0%)，通常高于15.0%，平均17.7%，顯示早期火山物質蝕變時，火山玻璃之中大量金屬離子溶于咸化的沉積成因地層水中，地層鹽度較高。

白云石的形成溫度范圍較大，為75.0～113.0 ℃，均一溫度明顯高于蝕變方解石，表明成巖白云石形成于蝕變方解石之后。后期富含鎂離子的鹵水滲濾交代蝕變火山物質中的方解石礦物，形成大量的埋藏白云石。

4 沉積環(huán)境及成因

4.1 沉積環(huán)境

前人針對該套云質巖類沉積環(huán)境開展過大量研究[22-32]，主要觀點有陸緣近海湖、殘留海和咸化潟湖等觀點，多數(shù)學者認同該套云質巖類與高鹽度的湖泊沉積環(huán)境關系密切(表3)，主要依據地球化學、硼含量、古生物化石和鹽巖等蒸發(fā)類礦物資料。

表3 關于烏—夏地區(qū)風城組沉積環(huán)境觀點認識及其證據匯總

本次研究在前人認識基礎上，綜合巖心觀察、薄片鑒定、碳氧同位素和包裹體等測試分析，認為研究區(qū)風城組為四面環(huán)山的“高山深盆”封閉咸化湖泊，氣候炎熱干燥，淡水及碎屑物質來源較少，火山活動頻繁，沉積物以細粒火山凝灰物質為主。主要證據如下：

1)巖心、薄片中見大量的富含暗色有機質的沉積紋層，X衍射及掃描電鏡中普遍見黃鐵礦，總體表明沉積環(huán)境為低能深水還原環(huán)境，為非潮坪和潟湖等古環(huán)境的沉積產物。

2)風城組發(fā)育一套罕見的鹽巖(碳鈣鈉石、硅硼鈉石、石膏等)組合，說明地層水中富含大量的Na、Ca、Mg等金屬離子，伴生深灰色的細粒凝灰物質，為典型的咸湖環(huán)境沉積產物，并證實深水還原環(huán)境。

3)利用碳氧同位素分析，指示半咸水—咸水沉積環(huán)境。一般情況下，δ13CPDB和δ18OPDB均隨介質鹽度升高而增大。Warren[38]指出不同沉積環(huán)境中碳酸鹽礦物δ13CPDB值分布特征(圖5)，認為水介質鹽度越大，其δ13CPDB值越大。烏—夏地區(qū)風城組34塊樣品碳氧同位素分析數(shù)據進一步證實了存在咸水、半咸水環(huán)境。δ13CPDB平均值為4.0‰，全部大于0‰，介于0～3.0‰之間的樣品約占17.6%，而3.0‰～6.0‰之間的樣品占73.5%，大于6.0‰的樣品占8.8%。由此可知，烏—夏地區(qū)風城組沉積物的形成背景為半咸水—咸水環(huán)境。

4)鹽水包裹體測試表明，古鹽度值平均13.0%，是海水的數(shù)倍，指示咸水環(huán)境。

4.2 云質巖成因

前人對風城組云質巖成因存在眾多爭議，多數(shù)學者認同該套云質巖類與咸化湖盆環(huán)境以及火山活動關系密切[23-30]，但未指出不同產狀云質巖成因的差異性。本文通過詳細的沉積背景、巖石學、地球化學特征分析認為，研究區(qū)風城組云質巖巖心上發(fā)育的網狀裂縫很可能是后期形成的異常高壓水力破裂縫。其中：白云石具較為典型的霧心亮邊交代殘余，與構造-熱液、熱水沉積和碳酸質巖漿成因關聯(lián)較小；白云石流體包裹體均一溫度介于85.4～102.5 ℃之間，且不存在熱水白云石具有的δ18OPDB值偏負、鞍狀特征(-20.0‰～-10.0‰)。以上數(shù)據進一步證實該套白云石沒有明顯的火山熱液特征。本文綜合分析認為，紋層狀微—粉晶白云石多為準同生成因，而星散狀、絲絮狀、團塊狀、不規(guī)則層狀細晶白云石普遍具霧心亮邊交代殘余，很可能是后期埋藏交代成因。

紋層狀云質巖伴生蒸發(fā)鹽巖類礦物為“高山深盆”鹽湖鹵水分層成因(圖6)。風城組沉積時期，研究區(qū)四面環(huán)山，且山體規(guī)模均比現(xiàn)在要大得多，為“高山深盆”模式；同時火山活動頻繁，帶來大量的鹽類及Mg2+、Fe2+，下伏海相鹵水也會沿深層斷裂上升至湖泊水中，氣候干旱，淡水來源較少，僅西北緣見小規(guī)模碎屑巖沉積，形成封閉的咸化湖泊。隨著鹽度的不斷增大，形成鹽水分層，咸湖鹵水分界面以下，鹵水礦化度極大，可以達到多種礦物的飽和狀態(tài)，隨著季節(jié)性變化析出紋層狀碳酸鹽灰泥、文石、高鎂方解石及碳鈣鈉石等鹽巖類礦物，主要分布在深湖水深最大處。

圖6 烏—夏地區(qū)風城組紋層狀云質巖及伴生鹽巖類成因模式圖

團塊狀、不規(guī)則層狀、絲絮狀、星散狀云質巖晶體呈自形—半自形，以粉—細晶為主，普遍發(fā)育霧心亮邊、環(huán)帶交代殘余結構(圖3c、d)，指示埋藏交代成因。其形成機理是細粒的火山碎屑物質在埋藏期水解蝕變產生碳酸鹽灰泥，之后被Mg2+交代形成具霧心亮邊白云石[39-40]。埋藏白云石不僅脆性大，且易于發(fā)生溶蝕，巖石白云巖化后有利于產生有效儲集空間，儲層質量得到改善。埋藏交代成因白云石的分布在很大程度上受斷裂和微裂縫控制。

5 結論

1)烏—夏地區(qū)風城組云質巖類根據其白云石宏觀特征可識別5種類型：紋層狀、星散狀、絲絮狀、團塊狀和不規(guī)則層狀，且以團塊狀和不規(guī)則層狀為主(體積分數(shù)約72%)。

2)34塊云質巖樣品白云石δ13CPDB、δ18OPDB值集中分布在A區(qū)(高碳高氧)、B區(qū)(中碳低氧)2個數(shù)值區(qū)，A區(qū)以紋層狀微—粉晶白云石為主，B區(qū)以星散狀、絲絮狀、團塊狀和不規(guī)則層狀細—中晶白云石為主。

3)研究區(qū)風城組形成于四面環(huán)山的“高山深盆”封閉咸化湖泊，氣候炎熱干燥，淡水及碎屑物質來源較少，火山活動頻繁，沉積物以細粒火山凝灰物質為主。

4)研究區(qū)紋層狀微—粉晶白云石為“高山深盆”鹽湖鹵水分層形成的準同生白云石，星散狀、絲絮狀、團塊狀和不規(guī)則層狀細晶白云石普遍具霧心亮邊交代殘余，是后期埋藏交代成因。埋藏交代成因白云石多緊鄰斷裂發(fā)育，是有利勘探區(qū)帶優(yōu)選方向。