鄂爾多斯盆地富縣地區馬五段碳酸鹽巖成巖作用研究

王小芬，楊 欣

（西安石油大學油氣資源學院）

鄂爾多斯盆地富縣地區馬五段碳酸鹽巖成巖作用研究

王小芬，楊 欣

（西安石油大學油氣資源學院）

鄂爾多斯盆地富縣地區馬家溝組沉積了一套以蒸發潮坪相為主的白云巖、含膏云巖等碳酸鹽巖沉積物。利用宏觀巖心、微觀常規薄片、鑄體薄片、X-射線衍射、氧碳同位素等資料，并結合物性資料，系統研究了富縣地區馬五段碳酸鹽巖的成巖作用類型和成巖環境。結果表明：馬五段碳酸鹽巖在成巖過程中經歷了海水、混合水和大氣淡水成巖環境；成巖作用復雜多樣，其中溶蝕作用和回流滲透白云石化作用對儲層孔隙發育有利，各種礦物的充填作用、去白云石化作用、去膏化作用和壓實-壓溶作用對儲層孔隙發育不利。

碳酸鹽巖；成巖作用；富縣地區；鄂爾多斯盆地

1 地質概況

鄂爾多斯盆地是我國的第二大沉積盆地，其下古生界包含寒武系和奧陶系2套海相碳酸鹽巖地層。奧陶系地層分布廣泛，厚度一般在1 000 m左右，最大達2 000 m以上。根據沉積環境的差異，奧陶系地層可分為東—中部、南部和西部[1］3個分布區，其中東—中部、南部為碳酸鹽巖分布區，西部為碳酸鹽巖與碎屑巖分布區。富縣地區構造位置處于鄂爾多斯盆地陜北斜坡一級構造單元的東南部，包括富縣及其周邊的黃陵、洛川、宜川、甘泉及延安等地區，面積 3 836.8 km2[2］。

2 馬家溝組地層分布特征

中奧陶世，鄂爾多斯盆地中部和東部沉積了一套以碳酸鹽巖為主夾蒸發巖的地層，稱作馬家溝組或馬家溝群[3］。盆地中部馬家溝組為陸表海碳酸鹽巖夾蒸發巖[4］，該組地層沉積后晚加里東運動使盆地抬升為陸，直至晚石炭世又接受沉積，其頂部遭到不同程度的剝蝕[3］。依據古生物特征、沉積旋回及區域性標志層，將奧陶系馬家溝組分為5個地層巖性段，自下而上為馬一段至馬五段，巖性概括為“三云二灰”。馬一段、馬三段、馬五段為海退沉積，其中馬一段分布在研究區的東部、南部及西部，隆起部位缺失，巖性為灰黃色、土黃色泥質白云巖、石膏質白云巖夾粉砂巖；馬三段、馬五段巖性主要為深灰色泥晶云巖、泥質云巖、膏巖及鹽巖。馬二段、馬四段為海進沉積，巖性主要為深灰色泥晶灰巖夾云巖。馬五段可進一步劃分出海退（馬五10-6）—海進（馬五5）—海退（馬五4-1）次級沉積旋回，該段是最重要的含氣層段，也是此次研究的目的層段[1］。

3 成巖作用類型及特征

奧陶系碳酸鹽巖屬于古老的沉積巖系。沉積后期，成巖環境的不斷變遷、交替，以及成巖介質、溫度、壓力的不斷變化決定了成巖作用類型的多樣性[5-6］。通過對區內鉆井巖心及薄片資料進行觀察和研究，并利用電子探針、陰極發光等測試分析手段，得出研究區主要成巖作用類型有：準同生白云石化作用、回流滲透白云石化作用、礦物充填作用、去白云石化作用、溶蝕作用、壓實-壓溶作用、去膏化作用等。

3.1 準同生白云石化作用

泥—粉晶白云巖是研究區馬五段最普遍的巖石類型，一般認為其形成與沉積環境鹽度高、pH值高、Mg2+和Ca2+含量及氣候干旱等因素有關，屬原生白云巖類，多產于潮上云坪、泥云坪、云泥坪以及潮上膏云坪[7］。準同生白云石化是指沉積期富含Mg2+的超咸海水通過蒸發作用或毛管濃縮作用交代文石或高鎂方解石沉積物形成的白云巖，這種白云巖以泥晶結構為主，呈薄層、紋層狀產出。在顆粒白云巖中，準同生白云石化不破壞沉積顆粒的原始結構和構造，顆?；颈Ａ糁练e期的結構和形態。研究認為，富縣地區馬五段地層中的泥晶白云巖、粉晶白云巖主要由準同生期白云石化作用所形成。

3.2 回流滲透白云石化作用

由于毛管濃縮作用或蒸發泵作用所產生的高Mg2+/Ca2+比率的粒間鹽水，在引起并完成表層的準同生白云石化作用后，繼續穿過下伏碳酸鈣沉積物或石灰巖，使其白云石化，從而形成白云巖或部分白云石化的石灰巖，這就是回流滲透白云石化作用。該作用生成的白云巖主要特點是晶粒較粗、晶形好（圖版Ⅰ-1、圖版Ⅰ-2），多為粉晶以上的晶級，常具交代殘余結構，顯示出原巖為顆粒結構的原始特征；陰極射線下回流滲透白云石發光均勻（圖版Ⅰ-3、圖版Ⅰ-4）。

3.3 溶蝕作用與礦物充填作用

溶蝕作用在各個成巖階段均可發生，研究區馬五段溶蝕作用主要表現為：形成了大量的溶蝕角礫，其大小不均，排列無序，大多屬于同層物質的溶蝕坍塌，且未經位移，系原地堆積而成（圖版Ⅰ-5）；一些由白云巖中球狀膏類、鹽類結核的選擇性溶解而形成的圓形溶孔特別發育，而且還伴隨著充填作用的發生，孔洞底部充填滲流泥云質（原巖），孔洞中部析出淡水方解石（圖版Ⅰ-6、圖版Ⅰ-7）、淡水白云石（圖版Ⅰ-8），見少量的石英晶體，偶見纖維狀或葉片狀的玉髓集合體[8］。充填物主要為淡水方解石。經淡水淋濾的白云石在陰極射線下發暗紅色光，鹽類假晶被溶蝕，充填方解石，其陰極發光比較暗淡，表明是在大氣淡水條件下鹽類假晶溶解，并發生淡水方解石化。

3.4 壓實-壓溶作用

縫合線是壓溶作用的產物，常作為壓溶作用的標志[9］。顯微鏡下觀察該區馬五段碳酸鹽巖壓實作用強烈，礫間縫合線接觸，壓實形變顯著，云膏質呈結核狀、不規則條帶狀、透鏡狀分布；細—中晶次生灰巖為殘余紋層結構，方解石呈蠶蛹狀，經壓實滑動形成腸狀構造，表明在進入埋藏成巖環境之前的近地表成巖期和表生巖溶成巖期，碳酸鹽沉積物未固結成巖，而在后來的埋藏壓實作用下受壓明顯。

3.5 去白云石化作用

去白云石化作用是奧陶系常見的交代作用。在具備高鈣離子的成巖介質條件下，白云巖層會不可避免地發生不同程度的去白云石化作用。徹底的去白云石化作用可以形成次生灰巖，但由于晶體中或多或少地殘留有白云石晶體，所以形成的部分石灰巖比較污濁。

3.6 去膏化作用

去膏化是一個復雜的過程，假晶雖為方解石，但其中存在殘余圍巖白云石和殘余球粒暗影，陰極射線下假晶方解石普遍具有亮黃色、暗橙色發光特征。

該區FG7井去膏化作用強烈，原巖為膏巖、膏云巖或云膏巖，灰化交代后形成細—中晶、巨晶次生灰巖；交代膏云巖或云膏巖所形成的方解石呈蠶蛹狀，經壓實滑動形成腸狀構造。方解石交代膏云巖或云膏巖造成巖石體積略有增加，一般使巖石變得致密，對孔隙的發育不利。

4 成巖環境

鄂爾多斯盆地大部分地區屬于潮緣局限臺地和蒸發臺地，只有盆地西南緣屬于開闊海臺地。富縣地區處于伊陜斜坡東南緣，其下古生界馬家溝組屬于局限臺地蒸發潮坪相的沉積環境，其間有多次的海水進退，形成頻繁的潮上、潮下多旋回沉積組合[10］。

分析表1及圖1可知：馬五段碳酸鹽巖在成巖過程中經歷了海水、混合水和大氣淡水成巖環境，在海水滲流帶或潛流帶發生膠結作用、準同生白云石化作用和回流滲透白云石化作用。準同生白云巖δ18O介于-8‰～-6‰，平均值為-7‰，δ13C介于-4‰～-0.5‰，平均值為-2.25‰；回流滲透白云巖δ18O介于 -8‰～-5‰，平均值為 -6.5‰，δ13C介于-0.5‰～1‰，平均值為 0.25‰（圖 1）。

研究區處于臺地邊緣，海平面稍一下降便易轉化為大氣淡水成巖環境。在淡水滲流帶成巖作用以溶解、淋濾、膠結為主，巖石次生孔隙大大增加，往往伴隨有礦物的充填，如淡水白云石、淡水方解石、石英等充填；因土壤層及大氣淡水中輕同位素含量高，造成大氣淡水滲流帶的δ18O和δ13C含量明顯偏低，所以形成的淡水白云石和淡水方解石膠結物均具有低δ18O和δ13C的特征，其中δ18O介于-12‰～-8‰，平均值為-10‰，δ13C 介于-8‰～-2‰，平均值為 -4‰（圖 1）。

表1 富縣地區馬五段碳酸鹽巖樣品碳氧同位素數據表Table 1 Carbon and oxygen isotope date of carbonate rock samples of the fifth member of Majiagou Formation in Fuxian area

圖1 富縣地區馬五段碳氧同位素分析Fig.1 Carbon and oxygen isotope analysis of the fifth member of Majiagou Formation in Fuxian area

在混合水帶常發生白云石化作用。由于海平面動蕩可形成短暫的埋藏成巖環境，顆粒碳酸鹽巖易被壓實、壓溶并發生破碎、變形。后期大氣淡水環境淋濾作用發育，去白云石化、去膏化作用也隨之發生。

5 成巖作用綜合分析

研究區屬于局限臺地蒸發潮坪相的沉積環境，以咸化海水為特征，早期經準同生白云石化作用先形成了以泥晶結構為主的泥晶白云巖，δ18O介于-8‰～-6‰，δ13C介于-3‰～1‰，白云石有序度分布在0.49～0.72。當對表層沉積物的白云石化基本完成后，高鎂鹽水就穿過下伏碳酸鈣沉積物，使其白云石化，從而形成回流滲透白云巖。這種白云巖晶粒較粗，晶形好，一般為粉晶以上晶級，晶間孔隙發育，孔隙度較高，其δ18O介于-8‰～-5‰，平均值為-6.5‰，δ13C介于-0.5‰～1‰，平均值為0.25‰，白云石有序度分布在0.88～1（圖2）。

回流滲透白云石氧同位素含量與準同生白云石含量基本一致，但都低于現代鹽坪準同生白云巖的δ18O（3‰～4‰），是成巖過程中溫度升高的結果；對于碳同位素來說，回流滲透白云石含量略高于準同生白云石含量，而且從準同生白云石到回流滲透白云石，即從泥晶到粉晶（及以上晶級）的轉化，白云石有序度也隨之升高[11］，部分回流滲透白云石已經完全有序，白云石有序度為1（圖2）。

圖2 J1井馬五段碳酸鹽巖成巖作用圖Fig.2 Carbonate diagenesis of the fifth member of Majiagou Formation in J1 well

6 結論

（1）研究區馬五段天然氣儲層巖石經歷的成巖作用復雜多樣，其中溶蝕作用和回流滲透白云石化作用對儲層孔隙發育有利，各種礦物的充填作用、去白云石化作用、去膏化作用和壓實-壓溶作用對儲層孔隙發育不利。

（2）馬五段碳酸鹽巖在成巖過程中經歷了海水、混合水和大氣淡水成巖環境。在海水滲流帶或潛流帶發生膠結作用、準同生白云石化作用和回流滲透白云石化作用；在淡水滲流帶成巖作用以溶解、淋濾、膠結為主；短暫的埋藏成巖環境中，顆粒碳酸鹽巖易被壓實、壓溶并發生破碎、變形。

[1]何自新，楊奕華.鄂爾多斯盆地奧陶系儲層圖冊[M］.北京：石油工業出版社，2004：1-5.

[2]李春玉，劉紹光，劉新剛，等.陜北富縣探區古生界勘探潛力分析[J］.斷塊油氣田，2001，8（2）：12-14.

[3]張敏，王正允，王麗云，等.靖邊潛臺南部地區馬家溝組儲集巖的成巖作用及成巖相[J］.巖性油氣藏，2009，21（1）：27-33.

[4]雷卞軍，張吉，王彩麗，等.高分辨率層序地層對微相和儲層的控制作用——以靖邊氣田統5井區馬五段上部為例[J］.巖性油氣藏，2008，20（1）：1-7.

[5]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，1998，25（6）：20-22.

[6]張紅梅，雷卞軍，劉永剛，等.靖邊氣田陜200井區馬五1亞段成巖作用研究[J］.重慶科技學院學報：自然科學版，2010，12（1）：33-35.

[7]馮增昭，陳繼新，張吉森.鄂爾多斯地區早古生代巖相古地理[M］.北京：地質出版社，1991：99.

[8]黃思靜，黃培培，王慶東，等.膠結作用在深埋藏砂巖孔隙保存中的意義[J］.巖性油氣藏，2007，19（3）：7-13.

[9]李世臨，雷卞軍，張文濟，等.靖邊氣田東北部馬五1亞段主要成巖作用研究[J］.巖性油氣藏，2009，21（1）：22-26.

[10]黃桂雄，孫明莉.陜北富縣探區奧陶系馬家溝組儲層特征及氣層改造技術研究[J］.斷塊油氣藏，2002，9（3）：26-28.

[11]鐘倩倩，黃思靜，鄒明亮，等.碳酸鹽巖中白云石有序度的控制因素——來自塔河下古生界和川東北三疊系的研究[J］.巖性油氣藏，2009，21（3）：50-55.

Carbonate diagenesis of the fifth member of Majiagou Formation in Fuxian area,Ordos Basin

WANG Xiao-fen，YANG Xin
（School of Petroleum Resources， Xi’an Shiyou University， Xi’an 710065， China）

The Majiagou Formation in Fuxian area,Ordos Basin mainly deposited evaporation and tidal flat carbonateconsistingofdolomites and gypsum-dolomite.The core observation,conventional thin section and casting thin section,X diffraction,carbon and oxygen isotope analysis combining with reservoir properties are used to study the carbonate diagenesis types and diagenetic environment ofthe fifth member ofMajiagou Formation in Fuxian area.The result shows that the carbonate rocks ofthe fifth member ofMajiagou Formation experienced the diagenetic environment of sea water,mixed water and fresh water.Dissolution and reflux dolomitization are constructive to the reservoir pore development,while mineral filling,dedolomitization and compaction-pressure solution are destructive.

carbonate rocks； diagenesis； Fuxian area； Ordos Basin

TE122.2

A

1673-8926（2011）03-0075-05

2010-09-24；

2010-12-13

受中國石化國家重大專項“十一五”計劃專題“鄂爾多斯盆地下古生界海相碳酸鹽巖儲層特征及天然氣有利區域優選”（編號：2008ZX05005-004-08HZ）資助。

王小芬，1986年生，女，西安石油大學在讀碩士研究生，研究方向為儲層地質學。地址：（710065）陜西省西安市電子二路東段18號西安石油大學 118信箱。E-mail：xiaofeixasy@163.com

圖版Ⅰ

于惠宇）