賀蘭山地區寒武系三山子組白云巖成因

沈　凡,鄒楚悅,李鳳杰,張　昊,陳政安,倪子堯

(1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室(成都理工大學)，成都 610059；2.成都理工大學 地球科學學院,成都 610059)

白云巖儲層中的油氣產量占世界油氣總產量的1/4以上[1]?，F今對于白云巖的研究已獲得很多成果，但仍有不少問題有待解決。例如對白云巖的成因認識，存在多種成因機制模式，而成因模式的多樣性恰恰也表明了白云巖成因研究的復雜性。鄂爾多斯盆地西北緣的賀蘭山地區是寒武系發育良好的地區之一，該地區白云巖分布廣泛、沉積厚度大[2]。近年來，隨著油氣勘探的深入，該地區白云巖油氣獲得較大突破。因此研究鄂爾多斯盆地上寒武統三山子組白云巖的成因，指導白云巖型儲層的油氣勘探具有重要意義。前人對于鄂爾多斯盆地三山子組白云巖的研究主要集中于盆地中南部和東南部的儲層特征[3-5]，而對盆地西北緣的研究則相對較少。三山子組白云巖的形成受到中央古隆起和沉積環境的影響，具有回流滲透白云巖化、蒸發毛細管濃縮白云巖化、混合水白云巖化、埋藏混合水白云巖化、埋藏調整白云巖化等多種成因機制[5]。近年來，隨著學者們不斷質疑混合水白云巖化作用能否形成面積廣泛的白云巖，該成因模式逐漸從白云巖的成因機制研究中淡出[6]?；诖?，隨著白云巖成因機制不斷發展和完善，有必要運用新理論對該套白云巖的成因做進一步的研究[7]。本文以賀蘭山同心青龍山鴿堂溝剖面與烏海東山口剖面的野外調查為基礎，通過巖石學特征、鏡下薄片的觀察和地球化學分析，探討鄂爾多斯盆地西北緣賀蘭山地區三山子組白云巖的成因。

1　區域地質背景

賀蘭山位于中國西部南北向巨型構造帶上，地處阿拉善、華北、中祁連、松潘甘孜、華南等多地塊的交接區域。賀蘭山的走向基本上垂直于秦-祁加里東造山帶，受多個板塊復雜的裂解拼合過程的影響，形成了獨特的沉積建造和構造樣式[8-9](圖1)，沉積變化不大，為平坦、穩定的陸表海廣覆式沉積，沉積建造以碳酸鹽巖為主。其北部發育局限臺地、開闊臺地、臺地邊緣相帶，南部發育局限臺地與潮坪相帶[10-11]。鄂爾多斯盆地三山子組白云巖普遍發育，特別是盆地的南部，三山子組白云巖儲層最厚，并向北部減薄至尖滅[3]。賀蘭山區烏海與青龍山一帶的三山子組地層厚度同樣呈現從南向北逐漸變薄的特征。在盆地北緣烏海東山口剖面，白云巖主要分布于三山子組的下部和上部(圖2),多為灰色細-粉晶白云巖。南緣同心青龍山鴿堂溝剖面，多為細晶白云巖和竹葉狀白云巖。三山子組在寒武紀遭受了多次的海退，致使其在部分地區中晚期沉積缺失。

圖1　賀蘭山地區構造及剖面位置Fig.1　Regional tectonics and cross section location in the Helanshan area

圖2　烏海東山口剖面三山子組白云巖沉積綜合柱狀圖Fig.2　The sedimentary comprehensive histogram of dolomite of the Sanshanzi Formation in the Dongshankou section

2　巖石學特征

2.1　成巖期埋藏白云巖結構特征

賀蘭山地區三山子組白云巖優質儲層的原始巖性主要為顆?；規r和鮞?；規r，大部分樣品在白云巖化作用中有質量分數(w)不少于90%的白云石。埋藏交代和重結晶成因的白云石主要有中晶、細晶和粉晶，部分可見環帶狀白云石和霧心亮邊結構。按照白云石的結晶程度，可將三山子組埋藏成因白云巖分為3種類型：(1)原始結構保存較完整的細-粉晶白云巖；(2)重結晶為主的中晶白云巖；(3)原始結構消失的中-粗晶白云巖。通過對顆?；規r和鮞?；規r的結構，以及白云石晶體大小、晶形、結晶程度的研究，結合孔隙中充填物特征，可確認三山子組埋藏白云巖以早期和晚期2個成巖階段為特征。

2.1.1早期成巖階段埋藏白云石化

該階段主要為原始沉積結構保存較完整的灰質顆粒粉晶白云巖，顆粒的組分以砂、礫屑和鮞粒為主(圖3-A)。鮞粒由很臟的他形-半自形粉晶白云石組成，部分可見櫛殼狀亮晶方解石等厚環邊膠結結構，該結構在埋藏成巖過程中易被重結晶和溶蝕改造破壞；砂、礫屑結構的顆粒組分也是由臟的他形-半自形粉晶白云石組成，顆粒結構保存完好。此類型為早成巖階段A期白云石化，以顆粒物優先被白云石化的選擇性為主要特點。隨著埋藏白云石化作用加深，A期所形成的灰質顆粒粉晶白云巖經B期溶解和輕微的重結晶，形成較發育的粒間溶孔(圖3-B)，部分沿壓裂縫發生白云石化，形成溶縫和溶孔，其填充物無外來物質，一般為溶蝕碎屑和瀝青，而由溶蝕碎屑所堆積的示底構造較發育(圖3-C),由此可確定早期成巖階段溶蝕流體是與地表水無關的地層水。

圖3　烏海東山口與青龍山剖面白云巖顯微照片Fig.3　Microphotographs showing dolomite features from Wuhai Dongshankou and Qinglongshan sections(A)砂屑、鮞粒及巖溶脈，烏海東山口,(-);(B)殘余砂屑結構，烏海東山口,(-);(C)溶孔、次生膠結中示底構造，青龍山,(-);(D)重結晶的中晶白云巖，烏海東山口,(-);(E)環帶狀白云石，青龍山,(-);(F)殘留的重結晶的鮞粒(紅色箭頭所指)，以及白云石的晶內溶孔(黃色箭頭所指)，青龍山,(-);(G)中-粗粒白云石晶孔被瀝青充填，烏海東山口,(-);(H)馬鞍狀白云石波狀消光及白云石斑塊，縫合線，青龍山,(-);(I)砂礫邊緣縫合線的海百合、瓣鰓，青龍山,(+)

2.1.2晚期成巖階段埋藏白云石化

以重結晶的中晶(圖3-D)和原始沉積結構都消失的中-粗晶白云巖為主，偶見殘余的砂屑和鮞粒結構。中-粗晶白云石中常見菱形環帶結構(圖3-E)和馬鞍狀晶面(圖3-F)，晶形較好，部分可見霧心亮邊結構。強烈重結晶作用的發生，使白云石多面晶體間溶孔和晶形孔非常發育，孔內普遍充填炭化瀝青。據此認為該階段為晚成巖階段A期。由于構造碎化和強烈重結晶作用的發生，部分晶形較好的粗晶白云石產生了破碎，沿裂縫的溶蝕孔、洞非常發育(圖3-G)，其內常充填炭化瀝青和自生石英晶體，非常有利于儲層的發育。

2.2　后期構造熱液白云石化

此階段以鞍狀白云石(圖3-H)為主要特征，多分布于裂縫中，以粗粒為主，呈他形曲面鞍狀接觸，正交偏光下具波狀消光，晶面比較污濁。顆?；規r的原始結構具有很高的孔滲性，可能廣泛發生鞍形白云石膠結，在裂縫和斷層附近呈條帶狀與角礫狀構造，溶蝕縫、洞被瀝青和少量硬石膏充填。

綜上所述，三山子組白云巖主要經歷了早期埋藏白云石化、晚期埋藏白云石化和后期構造熱液白云石化疊加改造3個階段。結合巖石結構特征以及含有的海百合、瓣鰓類碎片(圖3-I)，推測三山子組溶蝕流體為與地表水無關的海源性地層水。不同白云巖結構類型，以及非常發育的溶蝕孔、洞和普遍充填的瀝青，顯示三山子組白云巖是較好的儲層。

3　樣品與實驗方法

樣品采自同心青龍山鴿堂溝剖面和烏海東山口剖面，均未發生蝕變或次生風化作用。其巖石類型主要包括細晶白云巖、殘余砂屑白云巖、粉晶白云巖。在野外剖面觀察的基礎上，對樣品進行了普通薄片和鑄體薄片觀察、碳氧同位素、痕量元素和稀土元素等分析。

普通薄片和鑄體薄片鑒定由成都理工大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室完成，所有薄片都進行鐵氰化鉀與茜素紅混合溶液染色。

碳、氧同位素測試分析由中國科學院地質與地球物理研究所蘭州油氣資源研究中心地球化學測試部采用氣體同位素質譜儀MAT252 測試完成，檢測依據為GB/T6041-2002[12]，實驗溫度25℃。測試數據均按PDB標準計算。

痕量元素、稀土元素分析測試由四川冶金地質巖礦測試中心測試完成，對痕量元素的檢測依據為DZG20-02[13]。

4　元素地球化學特征

4.1　碳氧同位素地球化學特征

樣品數據來源的可靠性是進行白云巖成因分析解釋的前提[14]。A.J.Kaufman等[15]認為只有在Mn/Sr<10范圍內，碳同位素數據才具有真實性。測試結果表明除個別數據，其余所有數據都符合要求，因此δ13C數據可作為分析資料使用。由于成巖流體在白云巖沉積后期中有較大的影響，會對所測δ18O值造成偏差，所以，只有當δ18O>-10‰ 時才能作為有效數據使用；經過對比，本文的δ18O也可作為真實數據使用[15]。

本次研究共分析了27件白云巖的碳氧同位素，其中同心青龍山鴿堂溝剖面16件、烏海東山口剖面11件(表1)。

據研究分析：對穩定的碳氧同位素數據進行有效的測試分析，可以判別不同的成巖環境和成巖作用[16]，但是碳氧同位素的含量容易受到沉積環境的影響而產生一定變化[17]。一般來說，鹽度升高，δ13C和δ18O值增大；溫度升高，δ18O值降低；淡水淋濾和生物降解均可使δ13C和δ18O值降低[18-19]。M.L.Keith等[20]等把碳氧同位素結合起來用Z值來區分海相碳酸鹽巖和陸相碳酸鹽巖，其經驗公式為

Z=2.048(δ13C+ 50) + 0.498(δ18O+ 50)

式中δ13C和δ18O均采用PDB標準。Z>120屬于海相白云巖；Z<120屬于陸相白云巖。從表1中可以看出Z值介于116.71～130.61，其中大部分值>120，屬于海相環境；少數接近120。由于埋藏成巖作用早期地層水的滲入，導致沉積物中粒間水的性質發生了變化，致使孔隙水中δ13C和δ18O值降低，從而導致Z值偏低，并且Z值介于116～120之間(表1)；在埋藏環境中沉積物已脫離海水，孔隙水多為原生海水，其δ13C和δ18O值較高，使得Z值也偏高，并且>130(表1)。經分析可知賀蘭山地區白云巖成巖環境與海水和埋藏白云石化作用有關。

賀蘭山地區三山子組白云巖δ18O值明顯偏負，可能是由于埋藏深度加大，溫度驟變發生 “熱同位素分餾作用”，使得較重和較輕的氧同位素發生分餾，分別進入到交代流體和白云石晶格中；也可能是在近地表較高的溫度同樣發生“熱同位素分餾作用”而造成的。J.R.Allen等[21]統計出全球不同成因類型白云巖的δ18O值分布與成巖環境溫度，提出了高溫白云石和低溫白云石的概念。從圖4可知三山子組白云巖樣品的δ18O值分別投影在高溫白云巖區和高、低溫白云巖混合區域，由此說明賀蘭山地區三山子組白云巖的成巖環境較為復雜，可能有埋藏較深(高溫)環境、近地表埋藏(中-低溫)環境。

表1　賀蘭山地區三山子組白云巖碳氧同位素組成Table 1　Carbon and oxygen isotopes of dolomite in Sanshanzi Formation from Helanshan Mountain area

4.2　痕量元素地球化學特征

本次研究選取23件白云巖進行了痕量元素分析(表2)，其中同心青龍山鴿堂溝剖面17件、烏海東山口剖面6件。

wSr/wBa比值對古鹽度具有一定的指示作用[22-23]。當有機質晶體不斷析出，水體的鹽度不斷升高。Ba2+首先以BaSO4形式沉淀，BaSO4飽和到一定程度時，Sr才會以SrSO4形式沉淀析出。wSr/wBa比值反映的沉積環境為: <0.5為淡水，0.5～0.8為半咸水，>0.8為咸水[24]。樣品的wSr/wBa比值為0.12～10.68，平均為3.43，表明古環境整體為咸水環境，部分為淡水環境。

圖4　賀蘭山地區三山子組白云巖δ18O與統計的高低溫白云巖對比圖Fig.4　The comparison of δ18O of high temperature dolomites with that of the low temperature dolomites in Sanshanzi Formation from Helanshan Mountain area作圖方法據J.R.Allen等(1993)[21]

表2　賀蘭山地區三山子組白云巖中痕量元素組成Table 2　Trace elements of dolomite in Sanshanzi Formation from Helanshan Mountain area

根據資料[22]顯示：表生成巖過程中，Th與U容易受環境影響發生分離，其比值的變化趨勢可以指示海相和陸相環境。在風化過程中，Th易吸附在黏土礦物中，使其富集在土壤和風化巖石的殘留物中；U易被氧化和淋失。所以在陸相沉積環境中，wTh/wU比值可高達7以上；而在海相沉積環境中，wTh/wU比值小于2[25]。樣品中wTh/wU比值為0.36～6.21，平均值為1.97，說明當時是海水環境。

通常認為：V來自磁鐵礦，在氧化環境易富集；而Ni在還原環境易富集[26]。wV/wV+Ni≥0.46指示還原環境，wV/wV+Ni≥0.54指示強還原環境[27]。研究區wV/wV+Ni比值為0.04～0.59，平均值為0.28，說明該區水體為還原環境。

4.3　稀土元素特征

本次研究選取16件白云巖進行稀土元素分析(表3)，其中同心青龍山鴿堂溝剖面11件、烏海東山口剖面5件。

由表3可知：賀蘭山地區三山子組白云巖中總稀土質量分數(w∑REE)為51.14×10-6～6.62×10-6，16件樣品的平均值為22.03×10-6，最大差值為44.52×10-6，且均處于海相碳酸鹽巖w∑REE<100×10-6范圍內[28]。輕稀土的質量分數(wLREE)為1.278×10-6～55.481×10-6，平均值為18.476×10-6。 重稀土的質量分數(wHREE)為0.174×10-6～10.503×10-6，平均值為2.382×10-6。輕稀土相對于重稀土較富集。在碳酸鹽巖成巖期后的地質演化過程中，受到不同的地質環境影響可能會發生改變，但一般條件下碳酸鹽巖都會保留原巖的稀土元素信息。不少研究表明：成巖作用會改變Ce的異常值，并會導致δCe與δEu 具有較好的相關性、δCe與∑REE含量具較好的正相關性[29]。研究區白云巖樣品δCe與δEu、δCe與∑REE含量不具有明顯的相關性(圖5)，說明成巖作用對稀土元素影響較小，其所測樣品數據可用。δCe的質量分數為0.788×10-6～1.172×10-6，平均值為0.959×10-6。δEu的質量分數為0.770×10-6～1.264×10-6，平均值為0.992×10-6。δLa的質量分數為1.028×10-6～2.108×10-6，平均值為1.330×10-6，表現為正δLa異常。

稀土元素分配模式能夠反映白云石化流體性質及形成環境[30]，本文采用頁巖(PAAS) 對三山子組白云巖的稀土元素進行標準化，以此反映研究區域稀土平均豐度，并對樣品值采用對比PASS標準投點(圖6)。通過模式圖可以發現：大部分曲線發生右傾(僅P03-86樣品左傾)，顯示輕稀土相對富集、重稀土相對虧損的特點。前人的研究表明，隨著白云石化程度的增加，輕稀土會發生富集，重稀土虧損[31]，這也說明了賀蘭山白云石化程度較深。

圖6所示，各樣品整體呈正δLa異常，具有典型海水稀土元素的特征，也反映了賀蘭山地區的白云巖總體具有海源性特征。對圖形的整理分析可歸納出2種異常組合：弱負δCe異常-正δEu異常、弱負δCe異常-負δEu異常，還有部分樣品顯示弱正δCe異常。成巖流體中Ce易被氧化成難溶的Ce4+，從而顯示負δCe異常[32-33]。樣品中弱負δCe異?？傮w表現賀蘭山地區白云石化總體具有一定的還原性。Eu異常主要受氧化-還原電位控制，在高溫還原條件下，Eu3+被還原為Eu2+，后者因與Ca2+具有相近的離子半徑會優先進入礦物相中，使碳酸鹽礦物中出現正δEu異常[34]。除此之外，熱液沉積物稀土元素值經過標準化后往往會表現出正δEu異常[35]；在低溫、近地表條件，含水地球化學Eu應以3價為主；但是在還原堿性的孔隙水、缺氧的環境或者溫度>250℃時，2價Eu應占主導地位[36]。其顯示的負δEu異?？赡苁怯捎诰哂羞€原堿性的孔隙水和圍巖反應不夠徹底，或者是因為反應溫度<250℃。

對以上發生正δLa異常、弱負δCe異常-正δEu異常、弱負δCe異常-負δEu異常的分配模式可以確定賀蘭山地區白云石化流體具有海源性的特征，并且賀蘭山地區白云巖形成于相對還原堿性、又受到了熱液流體改造的沉積環境。

圖5　賀蘭山地區三山子組白云巖δCe-δEu、δCe-∑REE相關性圖Fig.5　Correlations of δCe-δEu and δCe-∑REE of dolostones in Sanshanzi Formation from Helanshan Mountain area

圖6　賀蘭山地區三山子組白云巖的PASS標準化稀土元素分配模式圖Fig.6　Plots of PASS normalized REE of dolostones from Sanshanzi Formation in Helanshan Mountain area

5　白云巖成因模式

根據上述所采集的樣品沉積相特征、巖石學鏡下特征和碳氧同位素、痕量元素、稀土元素等分析測試數據，分析認為鄂爾多斯盆地賀蘭山地區三山子組發育2種成因的白云巖(圖7)。

5.1　埋藏白云石化成因模式

埋藏白云石化主要發生在后期成巖階段，其形成深度較大。由于在較深的條件下，容易形成高溫高壓的環境，使得裂縫和縫合線發育，形成晶粒白云巖。不少研究者認為埋藏白云石化與地層水密切相關[39]，顯微鏡下所觀察的環帶狀白云石化斑塊可能是由于海源性流體透過裂縫或者縫合線形成。稀土元素數據分析顯示晶粒白云石化流體具有海源性的特征，大量的Mg2+可以儲存在一些晶粒的晶內溶孔中。隨著上覆沉積物的不斷增加，由于重力作用和壓實作用使得富Mg2+流體沿著非均質巖層水平運移。這種破壞性流體運移破壞了顆?；規r原始結構，形成殘余砂屑結構白云巖。

圖7　賀蘭山地區三山子組白云石化成因模式Fig.7　The formation model of dolomitization of the Sanshanzi Formation in Helanshan Mountain area

5.2　構造熱液白云石化成因模式

熱液的標準是侵入灰巖的流體溫度要高于環境溫度5℃以上[40]，由區域構造、巖漿侵入、火山以及變質作用等來源的熱液侵入上覆地層形成熱液白云巖(HTD)。不少研究者認為熱液白云巖受晚期熱液活動影響，分布多局限在破碎帶附近，沿斷層分布[41]，鞍形白云石是標型礦物[42-43]。正δEu異常顯示賀蘭山三山子組白云巖受熱液作用的影響，從顯微鏡下觀察也可知白云巖裂縫和縫合線發育。賀蘭山地區斷裂構造活動發育(圖1)，為其提供發生熱溶蝕的動力條件。當鄂爾多斯盆地賀蘭山地區發生突發性構造活動時，較深處的富Mg2+熱液或者熱液帶走上層的高鹽度鹵水，侵入裂縫和晶粒晶內溶孔，并襯壁膠結形成鞍型白云石。

6　結 論

a.根據白云石的結晶程度，以及孔隙中填充自生礦物的類型，可將賀蘭山地區三山子組白云巖劃分為埋藏和熱液2種成因類型。由于沒有發現淡水透鏡體的存在，所以不再考慮前人所提出的大氣水、混合水和滲透回流白云石化模式。

b.埋藏白云巖可分為早、晚2個成巖階段。不同類型的晶粒白云巖顯示較高的鹽度(wSr/wBa>0.8)、較強的還原性(wV/wV+Ni≥0.28)，δ18O值明顯偏負也說明埋藏白云石化在高溫高壓的條件下進行，并且發生“熱同位素分餾作用”，縫合線和晶內孔發育。熱液白云巖以鞍狀白云石和正δEu異常為主要特征，多分布于裂縫中，伴生礦物有瀝青和硬石膏。

c.由Z值(>120)、wTh/wU比值(<2)和正δLa異常、弱負δCe異常，結合顯微鏡下見海相生物化石，可以得出鄂爾多斯盆地賀蘭山地區三山子組白云石化流體具有海源性的特征。富含高鹽度海源性流體作用與具有良好孔滲性的顆?；規r，形成了多期次交代成因的三山子組白云巖。

d.有2個值得進一步探索的研究熱點：①多期次交代成因的三山子組白云巖的海源性流體與賀蘭山地區發生的多次海侵有關，致使高Sr高鹽的海源性流體遺留在巖石的孔隙和裂縫中。②對熱液白云巖最新研究表明，熱液成因的白云巖儲層常處在平行或接近平行于碳酸鹽巖陸架-盆地邊緣的相帶，此特征也應該是賀蘭山東部、西部白云巖臺地邊緣分布的控制因素。