鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组五段富铁白云石成因

张军涛,何治亮,岳小娟,孙宜朴,金晓辉,陈 霞

[1.中国石化 石油勘探开发研究院,北京100083; 2.中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京 102249]

鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组五段富铁白云石成因

张军涛1,何治亮1,岳小娟2,孙宜朴1,金晓辉1,陈 霞1

[1.中国石化 石油勘探开发研究院,北京100083; 2.中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京 102249]

鄂尔多斯盆地马家沟组五段白云岩，按照晶粒可分为两种类型：晶粒较细的M型微晶白云岩和晶粒相对较粗的F型粉细晶白云岩。这两类白云岩都具有较高的Fe含量，但Fe并不是均一分布的。在M型微晶白云岩中，基质白云石的铁含量为583×10-6～3 811×10-6，富铁白云石主要以膏溶铸模孔的孔隙充填物的形式存在，粗晶白云石充填物铁含量29 112×10-6～47 148×10-6，均匀分布于晶体之中;而粉晶白云石充填物，铁含量最可达81 752×10-6，仅富集于白云石的边缘。在F型粉-细晶白云岩中，其基质白云石的铁含量为233×10-6～2 007×10-6;裂缝和孔隙内充填的白云石的铁含量较高，可达9 178×10-6，均匀分布。铁的富集可能与孔隙的发育有一定联系。孔隙越发育，容易富集铁。M型微晶白云石的δ13C(V-PDB)值为-3.5‰～1.4‰，δ18O(V-PDB)值为-6.5‰～-8.0‰;孔隙充填物粉晶白云石δ13C(V-PDB)值为-0.7‰～-2.7‰，δ18O(V-PDB)值在-9.8‰～-11.5‰;粗晶白云石的δ13C(V-PDB)值范围为-1.7‰～-2.9‰，δ18O(V-PDB)值范围为-9.9‰～-11.3‰，可能受到过较高温度流体的影响。F型粉细晶白云岩的δ13C(V-PDB)值为-0.4‰～-0.8‰，δ18O(V-PDB)值为-5.3‰～-6.6‰，与海水较为接近。两类白云岩的Fe可能来源于上覆的铁质粘土岩。白云岩形成后，后经历了漫长的风化暴露剥蚀，形成了大量的储集空间，并残存形成了上覆铁质粘土岩。当再次进入埋藏期后，铁质粘土岩中富铁的流体在重力的作用下，向下部的地层运移，且到一定深度时，氧化态Fe3+转化为还原态的Fe2+，且已具有相对较高的地温，使得Fe2+更容易进入白云石晶格，形成了富铁的白云岩层系。

孔隙;富铁白云岩;马家沟组;奥陶系;鄂尔多斯盆地

白云岩在形成和成岩演化过程中，容易受到各种流体的改造和影响，发生各种变化[1-3]。由于Fe离子和Mg离子、Ca离子的半径较为接近，所以流体中的Fe进入白云石变得可能[4-6]。白云石中Fe含量往往能反映流体的性质，学者也多利用白云石中的Fe含量来分析流体的性质。

前人的诸多研究都显示，鄂尔多斯盆地不同地区马家沟组马五段的白云岩都具有较高的Fe含量，中部奥陶系马五段Fe含量平均可达3 040×10-6[7]，中东部陕8井中Fe含量为5 720×10-6[8]，龙探1井中Fe的含量一般为5 000×10-6～25 000×10-6[9]，中南部Fe 含量值平均值为5 599 ×10-6[10]。

孔隙的发育程度与Fe含量也有一定的对应关系，泥晶白云石基质中Fe含量平均值为1 673×10-6；孔隙内充填白云石中Fe含量可达23 005×10-6[11]。靖边气田马五1—马五4亚段白云岩中Fe含量平均为 11 617.2×10-6，其中孔隙发育的白云岩具有较高的铁含量(2 345.6×10-6～11 255.60×10-6)，而孔隙不发育的白云岩Fe含量相对较低(230.50×10-6～675.80×10-6)[12]。而其他盆地奥陶系白云岩铁含量并不如鄂尔多斯盆地高，塔里木盆地中部奥陶系粉晶细晶白云岩的铁含量在175×10-6～325×10-6，最高的中粗晶白云岩均值也仅为650×10-6[13]。

目前对马五段白云岩的成因一直存在争议，流体的来源可能有蒸发海水、地层水、热液活动等[8,14-15]，而关于白云石的富铁原因目前更缺乏专门的讨论。

本文以鄂尔多斯盆地奥陶系马五段白云岩为研究对象，通过分析白云石的内部组分、微量元素和碳氧同位素特征，来探讨富铁白云石中Fe来源，进而分析对储层的影响。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地奥陶系马五段沉积环境为蒸发台地(图1)，为一套白云岩为主，富含蒸发盐矿物的沉积层系[16-17]。海平面频繁变化，纵向上又分为10个亚段，每个亚段的沉积相和岩性并不相同，其中马五1—马五4、马五6和马五8为含膏层系，而马五5、马五7和马五9为较纯的白云岩或灰岩。成岩之后，这套地层经历了漫长的加里东期的风化暴露剥蚀，石炭纪后又继续进入埋藏期，受各种成岩作用影响[18-19]。

2 样品采集与分析方法

样品采集于鄂尔多斯盆地南部的富县地区、中部的大牛地地区和西部的苏里格等地区28口钻井，以及盆地东部晋西地区野外剖面马五段。首先对钻井取心段和野外剖面进行详细观察描述，然后在显微镜下鉴定分析白云岩类型，最后选择合适的样品，进行碳酸盐岩的阴极发光和电子探针分析以及碳、氧同位素分析。

图1 鄂尔多斯盆地奥陶系马五段综合柱状图Fig.1 Stratigraphic Column of the 5th member of the Majiagou in the Ordovician,Ordos Basin

电子探针分析在中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所完成，测试仪器为JEOL JXA-8230。碳氧同位素分析在核工业地质分析测试研究中心完成，分析仪器为MAT 253，测试方法见国家行业标准《碳酸盐矿物或岩石中碳、氧同位素组成的磷酸法测定》(DZ/T 0184.17—1997)。

3 白云岩岩石学特征

鄂尔多斯盆地马家沟组五段白云岩，按照Sibley 和 Gregg(1987)[20]晶粒大小和形态可分为两种类型：晶粒较细的微晶白云岩(M型)和晶粒相对较粗的粉细晶白云岩(F型)，在矿物结构和组成上有一定的差别。

M型微晶白云岩多发育于马五段的马五1—马五4、马五6和马五8亚段。白云石多为自形，晶粒较细，为微晶，在扫描电镜下可见晶间孔。在鄂尔多斯盆地马五段，微晶白云岩中常含有泥质和石膏，泥质多以条纹状产出，石膏以柱状单晶和圆形或次圆形结核存在于白云岩中。在表生岩溶期，硬石膏结核和单晶被溶解后，形成膏溶铸模孔，后又多有方解石、粉晶白云石、粗晶白云石或石英充填其中，粗晶白云石经茜素红和铁氰化钾染色后呈天蓝色(图2a)。在阴极发光下，基质白云石为暗红色，粉晶白云石充填物内部与基质相似，而边缘为亮红色(图2b)。M型微晶白云岩沉积环境主要为蒸发潮坪，形成于萨布哈白云岩化作用，这是靖边气田马五段最主要的储层岩石类型。

F型粉-细晶白云岩多发育于马五段的马五5、马五7和马五9亚段。白云石多为自形-半自形，晶粒相对较粗，往往具有重结晶的特征，部分样品中可以见到颗粒幻影结构，裂缝、晶间孔和不规则溶孔发育，且有石英、白云石或方解石半充填(图2c)。在阴极发光下，基质白云石呈暗红色，白云石和石英充填物不发光(图2d)，白云岩化程度在不同地区存在差异，西部地区要优于东部地区，也存在未完全云化的过渡岩性，对于干旱的马五段沉积时期而言，其沉积环境为相对海进的潮坪-颗粒滩，原岩为灰岩，白云岩化作用可能发生于浅埋藏期，这类岩石是今年来奥陶系实现突破的新领域。

图2 鄂尔多斯盆地马五段两种不同类型的白云岩Fig.2 Two types of dolostones in the 5th member of the Ordovician Majiagou Formation,Ordos Basina.M型泥-粉晶白云岩，硬石膏铸模孔发育，有粗晶白云石充填，陕338井，奥陶系马五段；b.M型泥-粉晶白云岩，硬石膏铸模孔发育，有粗晶白云石和粉晶白云石充填，莲5井，奥陶系马五段，阴极发光；c.F型粉-细晶白云岩，不规则溶孔发育，可见颗粒幻影，苏345井，马五段，单偏光； d. F型粉-细晶白云岩，不规则溶孔发育，有粗晶白云石充填，苏234井，马五段，阴极发光;CD.白云石充填物;CDF.粉晶白云石充填物;CDC.粗晶白云石充填物；MD.白云石基质

4 白云岩地球化学特征

4.1 白云岩中的铁及其变化

虽然鄂尔多斯盆地马五段具有较高的Fe含量，但Fe在两类白云岩内部中并不是均一分布的(图3)。

在M型微晶白云岩中，基质白云石的铁含量相对较高，在583×10-6～3 811×10-6(图3)，富铁白云石主要以于膏溶铸模孔的孔隙充填物的形式存在，但也并不是所有的白云石充填物都富含铁。粉晶白云石充填物在孔隙多以示顶底半充填于孔隙之中，与M型基质白云石相似，铁含量在887×10-6～2 582×10-6。虽然在部分样品中，粉晶白云石也富集铁元素，电子探针背散射照片显示，铁仅富集于粉晶白云石的边缘，且呈不规则浸染状(图4a，b)，这与阴极发光下的特征也一致。但铁含量最可达81 752×10-6，同时也具有较高的锰含量在565×10-6～1 588×10-6。粗晶白云石充填物多为半自形，部分为晶面弯曲呈鞍状，铁茜素红染色后为天蓝色(图2a)，正交光下呈波状消光，电子探针微区分析显示铁含量普遍较高(图4c)，铁含量在29 112×10-6～47 148×10-6，均匀分布于晶体之中。

在F型粉-细晶白云岩中，其基质白云石的铁含量略低于M型泥-粉晶白云岩(图3)，但仍高于同期灰岩，最高为2 007×10-6，最低为233×10-6；同样，裂缝和孔隙内充填的白云石的铁含量也是这类白云岩最高的组构，这类白云石与M型白云岩中的粗晶白云石充填物相类似，电子探针背散射图像显示铁在白云石充填物均匀分布(图4d)，铁含量可达9 178×10-6。另外，在孔隙发育区的基质白云石边缘也常常受到铁质浸染(图4d)，铁含量在4 021×10-6～13 963×10-6。

其中，M型白云岩中的粗晶白云石孔隙充填物和F型白云岩中孔隙充填物整体铁含量都较高，而M型白云岩中的粉晶白云石孔隙充填物边缘和F型白云岩中孔隙附近白云石晶体中只有边缘部分受浸染，具有较高Fe含量。越靠近孔隙，Fe则越容易富集(图3)，这与肖晖和赵靖舟(2013)[11]的认识相一致。Mn含量与Fe含量有非常好的相关性，但是M型微晶白云岩中锰含量要远远的高于F型泥粉-晶白云岩。

4.2 碳、氧同位素特征

M型微晶白云石的δ13C(V-PDB)值在-3.5‰～1.4‰，δ18O(V-PDB)值在-6.5‰～-8.0‰，碳同位素与同期海水值(0.5‰～-2‰)较为接近(图5)，氧同位素比同期海水(-6.6‰～-4.5‰)略微偏负，这与萨布哈白云岩化18O同位素更为富集，氧同位素偏正的认识相悖，这可能是与长期的暴露大气降水的影响有关。孔隙充填物粉晶白云石δ13C(V-PDB)值在-0.7‰～-2.7‰，δ18O(V-PDB)值在-9.8‰～-11.5‰，碳同位素接近同期海水值，氧同位素相比同期海水以及基质更为偏负，说明其受到流体的影响更为强烈，可能与边缘Fe的浸染有一定的联系。孔隙充填物粗晶白云石的δ13C(V-PDB)值范围在-1.7‰～-2.9‰，δ18O(V-PDB)值范围在-9.9‰～-11.3‰，粗晶白云石的碳氧同位素值较基质白云石都明显偏负，反映了基质白云石成因差异，且可能受到过热水或者大气降水的改造。

图3 鄂尔多斯盆地马五段白云岩Fe-Mn含量Fig.3 Fe and Mn content in the dolostones from the 5th member of the Ordovician Majiagou Formation,Ordos Basina.M型微晶白云岩；b.F型粉-细晶白云岩

图5 鄂尔多斯盆地马五段白云岩碳、氧同位素交会图Fig.5 Crossplot showing C and O isotope values in dolomites from the 5th member of the Ordovician Majiagou Formation,Ordos Basin

F型粉-细晶白云岩的δ13C(V-PDB)值在-0.4‰～-0.8‰，δ18O(V-PDB)值在-5.3‰～-6.6‰，碳同位素和氧同位素都与同期海水值较为接近，说明其白云岩化流体来源于海水，且形成时，应处于浅埋藏阶段，而且由于岩溶时期其埋藏较深，受大气降水的影响较弱。

5 富铁白云石成因

5.1 铁的来源

M型微晶白云岩富含蒸发矿物，是准同生期萨布哈白云岩化作用的产物[21]，但是长期的暴露，大气降水的影响使得氧同位素偏负，F型粉-细晶白云岩的形成流体具有海水的特征，其形成可能略晚于萨布哈白云岩化作用，可能为浅埋藏期渗透回流白云岩化作用的产物。这两类白云岩基质形成的深度都相对近地表，不具备富集Fe条件。

由于Fe2+只有在较高的温度、还原条件下才能进入白云石晶格交代白云石中Mg2+，因此富铁白云石无法在同生和准同生时期海水环境中形成，只有在埋藏条件下，较高温度的流体中才能生成。而Fe在两类白云岩中的分布富集特征，也展示了Fe来源于后期改造，而非原生沉积。故而，诸多学者[22]认为粉-细晶白云岩高含Fe和Mn的原因是经历了深埋藏环境下热水岩溶作用的结果。

鄂尔多斯盆地马五段的白云岩富含铁又是非常普遍的，在整个盆地马五段不同岩性的白云岩中都有一定含量的铁。假如富铁白云岩来源于热水，则需要一个与之相匹配的遍布全盆的热水事件相对应。但是除了盆地西缘南缘有构造热事件报道外[23-24]，在盆地内部缺少构造热水活动的证据，这也是鄂尔多斯盆地与四川盆地和塔里木盆地不同之处。另外，富铁白云石，特别是F型白云岩碳、氧同位素与典型的热水改造白云岩[25]差别明显，反而与同时期海水的同位素特征更为接近。因此热水并非是马五段白云岩中的主要铁源，可能另有其源。

马五段白云岩中广泛分布的富铁白云岩，需要同样广泛分布的Fe源。在盆地内马五段的顶部恰恰有一套富铁的地层本溪组含矿层系，该层自下而上可划分为3 段(图6)：下段为铁质粘土岩建造，Fe2O3含量可达15.6%～24.41%[26]。中段为粘土岩、铝土矿和硬质粘土矿建造,为主要含矿层位。上段为含碳泥质粉砂岩、泥质灰岩建造夹煤层，这套层系为马家沟组经长期风化剥蚀残积而成[27]。而在盆地内广泛分布的马五段之上的铁质粘土岩，可作为白云岩中铁质的直接来源。

实际上，这层本溪组含矿层系又作为一套区域的“盖层”，层系之下的流体，包括后期的油气活动，都受到它的限制，铁质粘土岩及以下的马家沟组白云岩自成封闭体系，使之能够具备还原的条件。另外，马五段气藏可能发生过硫酸盐热化学还原反应(TSR)[28]，酸性有机流体以及相关的TSR反应都能够使Fe3+转化为还原态的Fe2+，在本溪组与马五段地层中黄铁矿都较为常见，也可能是这种还原反应的产物(图4b)。

图6 鄂尔多斯盆地马五段富铁白云石形成演化模式Fig.6 Formation pattern of iron-rich dolomites from the 5thmember of the Ordovician Majiagou Formation,Ordos Basin

埋藏到一定深度时，地层具有相对较高的地温，Fe2+更容易进入白云石晶格(图6)。Mn与Fe具有相似的地球化学特征和富集过程。在表生氧化条件下形成高价稳定的Mn4+氧化物，从碳酸盐岩中残积，在风化壳中富集[29]，而进入埋藏期后又与Fe类似被还原为低价Mn2+而进入白云石晶格，从而Mn含量与Fe含量表现出很好的相关性。而含量的差异可能与分布的范围有关，位于盆地中西部的F型白云岩，上覆铝土矿较薄，位于盆地中东部的M型白云岩，上覆铝土矿较厚，对应最高含量的铁和锰。

5.2 富铁的形成模式

两类白云岩分别形成于准同生和浅埋藏阶段，其后在奥陶纪末期，开始了漫长的风化剥蚀，在白云岩中形成了大量的硬石膏铸模孔、晶间孔和不规则溶孔，并在其上残积了一套富铁的本溪组地层。当马五段及上覆的铁质粘土岩再次进入埋藏期，铁质粘土岩中富铁的流体在重力的作用下，向下部的地层运移，由于环境的变化，氧化态Fe3+转化为还原态的Fe2+，当到一定温度时，Fe2+更容易进入白云石晶格，形成富铁白云岩。

富铁流体的运移和富集与岩层的孔渗条件有密切的联系，只有在较高孔渗条件的岩层，富铁流体才能进入。因此铁的富集可能与孔隙的发育有一定联系。在孔隙发育区，如M型白云岩的膏溶铸模孔和F型白云岩的晶间孔和裂缝中，富铁流体不断汇集，在孔隙中富铁的白云石充填物[30]，并对孔隙周围的粉晶白云石充填物以及基质发生浸染，使得晶体部分富集铁元素。

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(编辑 董 立)

Genesis of iron-rich dolostones in the 5th member of the Majiagou Formation of the Ordovician in Ordos Basin

Zhang Juntao1,He Zhiliang1,Yue Xiaojuan2,Sun Yipu1,Jin Xiaohui1,Chen Xia1

[1.PetroleumExplorationandProductionResearchInstitute,SINOPEC,Beijing100083,China; 2.SchoolofGeosciences,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249,China]

According to the crystalline form and size,dolostones from the 5thmember of the Ordovician Majiagou Formation,Ordos Basin,can be divided into two types:M-type microcrystalline dolostone and F-type silt-to-fine-sized crystalline dolostone. Both types have a high Fe content. However,Fe is not uniformly distributed in the two types of dolostonees. In the M-type dolostone,the matrix dolomite has a Fe content of 583×10-6to 3 811×10-6and the iron-rich dolomite mainly occurs as filling material in dissolved mold pores,the coarse crystalline pore-filling dolomites have a Fe content of 29 112×10-6to 47 148×10-6and the Fe is evenly distributed in the crystalline,and the silt-sized crystalline pore-filling dolomites have a Fe content up to 81 752×10-6,and the Fe concentrate only at the edge of the dolomites. In the F-type dolostones,the matrix has a Fe content of 233 × 10-6to 2 007×10-6,dolomites filled up fractures and pores have an evenly distributed Fe with a content up to 9 178×10-6. There might be a correlation between the Fe enrichment and pore development. Well-developed pores generally mean higher concentration of Fe. The value ranges of δ13C(V-PDB) and δ18O(V-PDB) of the M-type microcrystalline dolomites are -3.5‰ to 1.4‰ and-6.5‰ to -8.0‰,respectively. Those of silt-sized crystalline pore-filling dolomites are -0.7‰ to -2.7‰ and -9.8‰ to -11.5‰,and those of coarse crystalline pore-filling dolomites are -1.7‰ to -2.9‰ and -9.9‰ to -11.3‰,indicating possible influences of hydrothemal fluids. The value ranges of δ13C(V-PDB) and δ18O(V-PDB) of the F-type are -0.4‰ to -0.8‰ and -5.3‰ to -6.6‰.The two types may have their Fe derived from the overlying ferruginous clay rocks. After long exposure to weathering and erosion,the dolomites harbored a large number of pores with some residual overburden of ferruginous clay rocks,from which Fe-rich fluids migrated downward by gravity during burial process,and Fe3+was transformed into F2+when the fluid reaches a certain temperature and depth making it easier for F2+to enter into dolomite lattice and forming iron-rich dolomites.

pore,iron-rich dolomite,Majiagou Formation,Ordovician,Ordos Basin

2016-08-15;

2017-07-05。

张军涛(1981—)，男，高级工程师，碳酸盐岩储层。E-mail:zhangjt.syky@sinopec.com。

国家自然科学基金重点资助项目(U1663209);国家科技重大专项(2016ZX05005)；中国科学院A类战略性先导科技专项(XDAXX010200)。

0253-9985(2017)04-0776-08

10.11743/ogg20170414

TE121.3

A