贺兰山地区寒武系三山子组白云岩成因

沈　凡,邹楚悦,李凤杰,张　昊,陈政安,倪子尧

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059；2.成都理工大学 地球科学学院,成都 610059)

白云岩储层中的油气产量占世界油气总产量的1/4以上[1]。现今对于白云岩的研究已获得很多成果，但仍有不少问题有待解决。例如对白云岩的成因认识，存在多种成因机制模式，而成因模式的多样性恰恰也表明了白云岩成因研究的复杂性。鄂尔多斯盆地西北缘的贺兰山地区是寒武系发育良好的地区之一，该地区白云岩分布广泛、沉积厚度大[2]。近年来，随着油气勘探的深入，该地区白云岩油气获得较大突破。因此研究鄂尔多斯盆地上寒武统三山子组白云岩的成因，指导白云岩型储层的油气勘探具有重要意义。前人对于鄂尔多斯盆地三山子组白云岩的研究主要集中于盆地中南部和东南部的储层特征[3-5]，而对盆地西北缘的研究则相对较少。三山子组白云岩的形成受到中央古隆起和沉积环境的影响，具有回流渗透白云岩化、蒸发毛细管浓缩白云岩化、混合水白云岩化、埋藏混合水白云岩化、埋藏调整白云岩化等多种成因机制[5]。近年来，随着学者们不断质疑混合水白云岩化作用能否形成面积广泛的白云岩，该成因模式逐渐从白云岩的成因机制研究中淡出[6]。基于此，随着白云岩成因机制不断发展和完善，有必要运用新理论对该套白云岩的成因做进一步的研究[7]。本文以贺兰山同心青龙山鸽堂沟剖面与乌海东山口剖面的野外调查为基础，通过岩石学特征、镜下薄片的观察和地球化学分析，探讨鄂尔多斯盆地西北缘贺兰山地区三山子组白云岩的成因。

1　区域地质背景

贺兰山位于中国西部南北向巨型构造带上，地处阿拉善、华北、中祁连、松潘甘孜、华南等多地块的交接区域。贺兰山的走向基本上垂直于秦-祁加里东造山带，受多个板块复杂的裂解拼合过程的影响，形成了独特的沉积建造和构造样式[8-9](图1)，沉积变化不大，为平坦、稳定的陆表海广覆式沉积，沉积建造以碳酸盐岩为主。其北部发育局限台地、开阔台地、台地边缘相带，南部发育局限台地与潮坪相带[10-11]。鄂尔多斯盆地三山子组白云岩普遍发育，特别是盆地的南部，三山子组白云岩储层最厚，并向北部减薄至尖灭[3]。贺兰山区乌海与青龙山一带的三山子组地层厚度同样呈现从南向北逐渐变薄的特征。在盆地北缘乌海东山口剖面，白云岩主要分布于三山子组的下部和上部(图2),多为灰色细-粉晶白云岩。南缘同心青龙山鸽堂沟剖面，多为细晶白云岩和竹叶状白云岩。三山子组在寒武纪遭受了多次的海退，致使其在部分地区中晚期沉积缺失。

图1　贺兰山地区构造及剖面位置Fig.1　Regional tectonics and cross section location in the Helanshan area

图2　乌海东山口剖面三山子组白云岩沉积综合柱状图Fig.2　The sedimentary comprehensive histogram of dolomite of the Sanshanzi Formation in the Dongshankou section

2　岩石学特征

2.1　成岩期埋藏白云岩结构特征

贺兰山地区三山子组白云岩优质储层的原始岩性主要为颗粒灰岩和鲕粒灰岩，大部分样品在白云岩化作用中有质量分数(w)不少于90%的白云石。埋藏交代和重结晶成因的白云石主要有中晶、细晶和粉晶，部分可见环带状白云石和雾心亮边结构。按照白云石的结晶程度，可将三山子组埋藏成因白云岩分为3种类型：(1)原始结构保存较完整的细-粉晶白云岩；(2)重结晶为主的中晶白云岩；(3)原始结构消失的中-粗晶白云岩。通过对颗粒灰岩和鲕粒灰岩的结构，以及白云石晶体大小、晶形、结晶程度的研究，结合孔隙中充填物特征，可确认三山子组埋藏白云岩以早期和晚期2个成岩阶段为特征。

2.1.1早期成岩阶段埋藏白云石化

该阶段主要为原始沉积结构保存较完整的灰质颗粒粉晶白云岩，颗粒的组分以砂、砾屑和鲕粒为主(图3-A)。鲕粒由很脏的他形-半自形粉晶白云石组成，部分可见栉壳状亮晶方解石等厚环边胶结结构，该结构在埋藏成岩过程中易被重结晶和溶蚀改造破坏；砂、砾屑结构的颗粒组分也是由脏的他形-半自形粉晶白云石组成，颗粒结构保存完好。此类型为早成岩阶段A期白云石化，以颗粒物优先被白云石化的选择性为主要特点。随着埋藏白云石化作用加深，A期所形成的灰质颗粒粉晶白云岩经B期溶解和轻微的重结晶，形成较发育的粒间溶孔(图3-B)，部分沿压裂缝发生白云石化，形成溶缝和溶孔，其填充物无外来物质，一般为溶蚀碎屑和沥青，而由溶蚀碎屑所堆积的示底构造较发育(图3-C),由此可确定早期成岩阶段溶蚀流体是与地表水无关的地层水。

图3　乌海东山口与青龙山剖面白云岩显微照片Fig.3　Microphotographs showing dolomite features from Wuhai Dongshankou and Qinglongshan sections(A)砂屑、鲕粒及岩溶脉，乌海东山口,(-);(B)残余砂屑结构，乌海东山口,(-);(C)溶孔、次生胶结中示底构造，青龙山,(-);(D)重结晶的中晶白云岩，乌海东山口,(-);(E)环带状白云石，青龙山,(-);(F)残留的重结晶的鲕粒(红色箭头所指)，以及白云石的晶内溶孔(黄色箭头所指)，青龙山,(-);(G)中-粗粒白云石晶孔被沥青充填，乌海东山口,(-);(H)马鞍状白云石波状消光及白云石斑块，缝合线，青龙山,(-);(I)砂砾边缘缝合线的海百合、瓣鳃，青龙山,(+)

2.1.2晚期成岩阶段埋藏白云石化

以重结晶的中晶(图3-D)和原始沉积结构都消失的中-粗晶白云岩为主，偶见残余的砂屑和鲕粒结构。中-粗晶白云石中常见菱形环带结构(图3-E)和马鞍状晶面(图3-F)，晶形较好，部分可见雾心亮边结构。强烈重结晶作用的发生，使白云石多面晶体间溶孔和晶形孔非常发育，孔内普遍充填炭化沥青。据此认为该阶段为晚成岩阶段A期。由于构造碎化和强烈重结晶作用的发生，部分晶形较好的粗晶白云石产生了破碎，沿裂缝的溶蚀孔、洞非常发育(图3-G)，其内常充填炭化沥青和自生石英晶体，非常有利于储层的发育。

2.2　后期构造热液白云石化

此阶段以鞍状白云石(图3-H)为主要特征，多分布于裂缝中，以粗粒为主，呈他形曲面鞍状接触，正交偏光下具波状消光，晶面比较污浊。颗粒灰岩的原始结构具有很高的孔渗性，可能广泛发生鞍形白云石胶结，在裂缝和断层附近呈条带状与角砾状构造，溶蚀缝、洞被沥青和少量硬石膏充填。

综上所述，三山子组白云岩主要经历了早期埋藏白云石化、晚期埋藏白云石化和后期构造热液白云石化叠加改造3个阶段。结合岩石结构特征以及含有的海百合、瓣鳃类碎片(图3-I)，推测三山子组溶蚀流体为与地表水无关的海源性地层水。不同白云岩结构类型，以及非常发育的溶蚀孔、洞和普遍充填的沥青，显示三山子组白云岩是较好的储层。

3　样品与实验方法

样品采自同心青龙山鸽堂沟剖面和乌海东山口剖面，均未发生蚀变或次生风化作用。其岩石类型主要包括细晶白云岩、残余砂屑白云岩、粉晶白云岩。在野外剖面观察的基础上，对样品进行了普通薄片和铸体薄片观察、碳氧同位素、痕量元素和稀土元素等分析。

普通薄片和铸体薄片鉴定由成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室完成，所有薄片都进行铁氰化钾与茜素红混合溶液染色。

碳、氧同位素测试分析由中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究中心地球化学测试部采用气体同位素质谱仪MAT252 测试完成，检测依据为GB/T6041-2002[12]，实验温度25℃。测试数据均按PDB标准计算。

痕量元素、稀土元素分析测试由四川冶金地质岩矿测试中心测试完成，对痕量元素的检测依据为DZG20-02[13]。

4　元素地球化学特征

4.1　碳氧同位素地球化学特征

样品数据来源的可靠性是进行白云岩成因分析解释的前提[14]。A.J.Kaufman等[15]认为只有在Mn/Sr<10范围内，碳同位素数据才具有真实性。测试结果表明除个别数据，其余所有数据都符合要求，因此δ13C数据可作为分析资料使用。由于成岩流体在白云岩沉积后期中有较大的影响，会对所测δ18O值造成偏差，所以，只有当δ18O>-10‰ 时才能作为有效数据使用；经过对比，本文的δ18O也可作为真实数据使用[15]。

本次研究共分析了27件白云岩的碳氧同位素，其中同心青龙山鸽堂沟剖面16件、乌海东山口剖面11件(表1)。

据研究分析：对稳定的碳氧同位素数据进行有效的测试分析，可以判别不同的成岩环境和成岩作用[16]，但是碳氧同位素的含量容易受到沉积环境的影响而产生一定变化[17]。一般来说，盐度升高，δ13C和δ18O值增大；温度升高，δ18O值降低；淡水淋滤和生物降解均可使δ13C和δ18O值降低[18-19]。M.L.Keith等[20]等把碳氧同位素结合起来用Z值来区分海相碳酸盐岩和陆相碳酸盐岩，其经验公式为

Z=2.048(δ13C+ 50) + 0.498(δ18O+ 50)

式中δ13C和δ18O均采用PDB标准。Z>120属于海相白云岩；Z<120属于陆相白云岩。从表1中可以看出Z值介于116.71～130.61，其中大部分值>120，属于海相环境；少数接近120。由于埋藏成岩作用早期地层水的渗入，导致沉积物中粒间水的性质发生了变化，致使孔隙水中δ13C和δ18O值降低，从而导致Z值偏低，并且Z值介于116～120之间(表1)；在埋藏环境中沉积物已脱离海水，孔隙水多为原生海水，其δ13C和δ18O值较高，使得Z值也偏高，并且>130(表1)。经分析可知贺兰山地区白云岩成岩环境与海水和埋藏白云石化作用有关。

贺兰山地区三山子组白云岩δ18O值明显偏负，可能是由于埋藏深度加大，温度骤变发生 “热同位素分馏作用”，使得较重和较轻的氧同位素发生分馏，分别进入到交代流体和白云石晶格中；也可能是在近地表较高的温度同样发生“热同位素分馏作用”而造成的。J.R.Allen等[21]统计出全球不同成因类型白云岩的δ18O值分布与成岩环境温度，提出了高温白云石和低温白云石的概念。从图4可知三山子组白云岩样品的δ18O值分别投影在高温白云岩区和高、低温白云岩混合区域，由此说明贺兰山地区三山子组白云岩的成岩环境较为复杂，可能有埋藏较深(高温)环境、近地表埋藏(中-低温)环境。

表1　贺兰山地区三山子组白云岩碳氧同位素组成Table 1　Carbon and oxygen isotopes of dolomite in Sanshanzi Formation from Helanshan Mountain area

4.2　痕量元素地球化学特征

本次研究选取23件白云岩进行了痕量元素分析(表2)，其中同心青龙山鸽堂沟剖面17件、乌海东山口剖面6件。

wSr/wBa比值对古盐度具有一定的指示作用[22-23]。当有机质晶体不断析出，水体的盐度不断升高。Ba2+首先以BaSO4形式沉淀，BaSO4饱和到一定程度时，Sr才会以SrSO4形式沉淀析出。wSr/wBa比值反映的沉积环境为: <0.5为淡水，0.5～0.8为半咸水，>0.8为咸水[24]。样品的wSr/wBa比值为0.12～10.68，平均为3.43，表明古环境整体为咸水环境，部分为淡水环境。

图4　贺兰山地区三山子组白云岩δ18O与统计的高低温白云岩对比图Fig.4　The comparison of δ18O of high temperature dolomites with that of the low temperature dolomites in Sanshanzi Formation from Helanshan Mountain area作图方法据J.R.Allen等(1993)[21]

表2　贺兰山地区三山子组白云岩中痕量元素组成Table 2　Trace elements of dolomite in Sanshanzi Formation from Helanshan Mountain area

根据资料[22]显示：表生成岩过程中，Th与U容易受环境影响发生分离，其比值的变化趋势可以指示海相和陆相环境。在风化过程中，Th易吸附在黏土矿物中，使其富集在土壤和风化岩石的残留物中；U易被氧化和淋失。所以在陆相沉积环境中，wTh/wU比值可高达7以上；而在海相沉积环境中，wTh/wU比值小于2[25]。样品中wTh/wU比值为0.36～6.21，平均值为1.97，说明当时是海水环境。

通常认为：V来自磁铁矿，在氧化环境易富集；而Ni在还原环境易富集[26]。wV/wV+Ni≥0.46指示还原环境，wV/wV+Ni≥0.54指示强还原环境[27]。研究区wV/wV+Ni比值为0.04～0.59，平均值为0.28，说明该区水体为还原环境。

4.3　稀土元素特征

本次研究选取16件白云岩进行稀土元素分析(表3)，其中同心青龙山鸽堂沟剖面11件、乌海东山口剖面5件。

由表3可知：贺兰山地区三山子组白云岩中总稀土质量分数(w∑REE)为51.14×10-6～6.62×10-6，16件样品的平均值为22.03×10-6，最大差值为44.52×10-6，且均处于海相碳酸盐岩w∑REE<100×10-6范围内[28]。轻稀土的质量分数(wLREE)为1.278×10-6～55.481×10-6，平均值为18.476×10-6。 重稀土的质量分数(wHREE)为0.174×10-6～10.503×10-6，平均值为2.382×10-6。轻稀土相对于重稀土较富集。在碳酸盐岩成岩期后的地质演化过程中，受到不同的地质环境影响可能会发生改变，但一般条件下碳酸盐岩都会保留原岩的稀土元素信息。不少研究表明：成岩作用会改变Ce的异常值，并会导致δCe与δEu 具有较好的相关性、δCe与∑REE含量具较好的正相关性[29]。研究区白云岩样品δCe与δEu、δCe与∑REE含量不具有明显的相关性(图5)，说明成岩作用对稀土元素影响较小，其所测样品数据可用。δCe的质量分数为0.788×10-6～1.172×10-6，平均值为0.959×10-6。δEu的质量分数为0.770×10-6～1.264×10-6，平均值为0.992×10-6。δLa的质量分数为1.028×10-6～2.108×10-6，平均值为1.330×10-6，表现为正δLa异常。

稀土元素分配模式能够反映白云石化流体性质及形成环境[30]，本文采用页岩(PAAS) 对三山子组白云岩的稀土元素进行标准化，以此反映研究区域稀土平均丰度，并对样品值采用对比PASS标准投点(图6)。通过模式图可以发现：大部分曲线发生右倾(仅P03-86样品左倾)，显示轻稀土相对富集、重稀土相对亏损的特点。前人的研究表明，随着白云石化程度的增加，轻稀土会发生富集，重稀土亏损[31]，这也说明了贺兰山白云石化程度较深。

图6所示，各样品整体呈正δLa异常，具有典型海水稀土元素的特征，也反映了贺兰山地区的白云岩总体具有海源性特征。对图形的整理分析可归纳出2种异常组合：弱负δCe异常-正δEu异常、弱负δCe异常-负δEu异常，还有部分样品显示弱正δCe异常。成岩流体中Ce易被氧化成难溶的Ce4+，从而显示负δCe异常[32-33]。样品中弱负δCe异常总体表现贺兰山地区白云石化总体具有一定的还原性。Eu异常主要受氧化-还原电位控制，在高温还原条件下，Eu3+被还原为Eu2+，后者因与Ca2+具有相近的离子半径会优先进入矿物相中，使碳酸盐矿物中出现正δEu异常[34]。除此之外，热液沉积物稀土元素值经过标准化后往往会表现出正δEu异常[35]；在低温、近地表条件，含水地球化学Eu应以3价为主；但是在还原碱性的孔隙水、缺氧的环境或者温度>250℃时，2价Eu应占主导地位[36]。其显示的负δEu异常可能是由于具有还原碱性的孔隙水和围岩反应不够彻底，或者是因为反应温度<250℃。

对以上发生正δLa异常、弱负δCe异常-正δEu异常、弱负δCe异常-负δEu异常的分配模式可以确定贺兰山地区白云石化流体具有海源性的特征，并且贺兰山地区白云岩形成于相对还原碱性、又受到了热液流体改造的沉积环境。

图5　贺兰山地区三山子组白云岩δCe-δEu、δCe-∑REE相关性图Fig.5　Correlations of δCe-δEu and δCe-∑REE of dolostones in Sanshanzi Formation from Helanshan Mountain area

图6　贺兰山地区三山子组白云岩的PASS标准化稀土元素分配模式图Fig.6　Plots of PASS normalized REE of dolostones from Sanshanzi Formation in Helanshan Mountain area

5　白云岩成因模式

根据上述所采集的样品沉积相特征、岩石学镜下特征和碳氧同位素、痕量元素、稀土元素等分析测试数据，分析认为鄂尔多斯盆地贺兰山地区三山子组发育2种成因的白云岩(图7)。

5.1　埋藏白云石化成因模式

埋藏白云石化主要发生在后期成岩阶段，其形成深度较大。由于在较深的条件下，容易形成高温高压的环境，使得裂缝和缝合线发育，形成晶粒白云岩。不少研究者认为埋藏白云石化与地层水密切相关[39]，显微镜下所观察的环带状白云石化斑块可能是由于海源性流体透过裂缝或者缝合线形成。稀土元素数据分析显示晶粒白云石化流体具有海源性的特征，大量的Mg2+可以储存在一些晶粒的晶内溶孔中。随着上覆沉积物的不断增加，由于重力作用和压实作用使得富Mg2+流体沿着非均质岩层水平运移。这种破坏性流体运移破坏了颗粒灰岩原始结构，形成残余砂屑结构白云岩。

图7　贺兰山地区三山子组白云石化成因模式Fig.7　The formation model of dolomitization of the Sanshanzi Formation in Helanshan Mountain area

5.2　构造热液白云石化成因模式

热液的标准是侵入灰岩的流体温度要高于环境温度5℃以上[40]，由区域构造、岩浆侵入、火山以及变质作用等来源的热液侵入上覆地层形成热液白云岩(HTD)。不少研究者认为热液白云岩受晚期热液活动影响，分布多局限在破碎带附近，沿断层分布[41]，鞍形白云石是标型矿物[42-43]。正δEu异常显示贺兰山三山子组白云岩受热液作用的影响，从显微镜下观察也可知白云岩裂缝和缝合线发育。贺兰山地区断裂构造活动发育(图1)，为其提供发生热溶蚀的动力条件。当鄂尔多斯盆地贺兰山地区发生突发性构造活动时，较深处的富Mg2+热液或者热液带走上层的高盐度卤水，侵入裂缝和晶粒晶内溶孔，并衬壁胶结形成鞍型白云石。

6　结 论

a.根据白云石的结晶程度，以及孔隙中填充自生矿物的类型，可将贺兰山地区三山子组白云岩划分为埋藏和热液2种成因类型。由于没有发现淡水透镜体的存在，所以不再考虑前人所提出的大气水、混合水和渗透回流白云石化模式。

b.埋藏白云岩可分为早、晚2个成岩阶段。不同类型的晶粒白云岩显示较高的盐度(wSr/wBa>0.8)、较强的还原性(wV/wV+Ni≥0.28)，δ18O值明显偏负也说明埋藏白云石化在高温高压的条件下进行，并且发生“热同位素分馏作用”，缝合线和晶内孔发育。热液白云岩以鞍状白云石和正δEu异常为主要特征，多分布于裂缝中，伴生矿物有沥青和硬石膏。

c.由Z值(>120)、wTh/wU比值(<2)和正δLa异常、弱负δCe异常，结合显微镜下见海相生物化石，可以得出鄂尔多斯盆地贺兰山地区三山子组白云石化流体具有海源性的特征。富含高盐度海源性流体作用与具有良好孔渗性的颗粒灰岩，形成了多期次交代成因的三山子组白云岩。

d.有2个值得进一步探索的研究热点：①多期次交代成因的三山子组白云岩的海源性流体与贺兰山地区发生的多次海侵有关，致使高Sr高盐的海源性流体遗留在岩石的孔隙和裂缝中。②对热液白云岩最新研究表明，热液成因的白云岩储层常处在平行或接近平行于碳酸盐岩陆架-盆地边缘的相带，此特征也应该是贺兰山东部、西部白云岩台地边缘分布的控制因素。