基于古盐度、古水温的白云岩成岩环境分析——以鄂尔多斯盆地东南部延长探区马五1亚段为例

高 飞，王念喜，乔向阳，刘 鹏.

(1.陕西延长石油集团有限责任公司研究院，陕西西安 710075;2.陕西省二氧化碳封存与提高采收率重点实验室，陕西西安 710075)

近年来，鄂尔多斯盆地东南部延长探区下古生界白云岩储层勘探获得重大突破，证实了探区内下古生界马家沟组具有良好的勘探前景。延长探区内马家沟组油气藏圈闭以岩溶白云岩储层为主[1-9]，前人利用地球化学特征对白云岩成岩环境多有研究，杨华等通过碳、氧稳定同位素分析认为鄂尔多斯盆地中奥陶统马家沟组原始同位素值的改变主要发生在早期成岩阶段[16]；王琳霖等通过主微量元素分析认为鄂尔多斯盆地东缘马家沟组整体沉积为咸水介质的沉积环境[17]；刘福田等通过碳氧同位素分析认为鄂尔多斯盆地西南缘中元古代气候温暖[12]；苏中堂等通过稀土元素地球化学特征分析得出鄂尔多斯盆地马家沟组泥微晶白云岩形成于相对低温氧化环境，其岩溶流体可能为大气淡水，而晶粒白云岩形成于相对高温还原环境，白云化流体为海源流体[18]，碳氧同位素、微量元素等地球化学特征在鄂尔多斯盆地不同地区的成功应用表明，其能够有效恢复白云岩成岩环境。但是众多研究中缺乏对古盐度、古水温等成岩环境的详细探讨以及分析比对，本文试图通过主微量元素以及碳氧同位素分析，应用不同方法恢复白云岩古盐度以及古水温等成岩环境，进一步提高对研究区白云岩成岩环境的再认识，为研究区下古生界马家沟组天然气勘探提供有利的认识支撑。

1 工区地质概况

研究区处于鄂尔多斯盆地东南部(见图1)，鄂尔多斯盆地在大地构造上属地台型构造沉积盆地，基底为太古界及下元古界地层，沉积盖层为中上元古界、古新生界地层。鄂尔多斯盆地总体构造为南北走向，呈东缓西陡，其局部构造不发育。研究区位于伊陕斜坡的东南部，整体与大的构造背景一致，表现为东高西低、向西倾的单斜。下古生界马家沟组为海相碳酸盐岩，有6个岩性段组成，其中一、三、五段为膏云岩与盐岩发育段，二、四、六段为灰岩发育段。马五段自上而下划分为10个亚段，其中上部的马五1亚段为主力气层段。马五1储层主要为含膏白云岩，在风化壳期的大气淡水淋溶作用下，含膏白云岩溶解形成溶孔型储集体。研究区已有钻探井部分在马五1获得高产工业气流，证实了探区内马五1有着巨大的天然气勘探潜力。

图1 研究区地理位置图

2 样品采集及测试

本次选取研究区内18口井48个样品，样品全部采自研究区内钻井的新鲜岩心，层位属于马五1亚段，18口井井位分布如图3，在研究区平面分布较为均匀，具有代表性。样品主要岩石类型为泥晶白云岩(图2a、图2b)、微晶白云岩(图2c)、亮晶白云岩(图2d)。采样时保持样品的纯洁性，通过对样品进行阴极发光和铸体薄片(茜素红染色)的镜下鉴定，确保了样品分类的可靠性，样品用玛瑙研钵研磨并过200目筛后，分别送主量元素、微量元素、稀土元素以及碳氧同位素分析。所采集样品的测试分析全部由中国科学研究院地球环境所完成，应用磷酸法，测试仪器为KielⅢ碳酸盐装置与MAT252气体质谱仪联机完成，采用PDB标准，样品用HF+HNO3混合酸分解，采用RH内标法在电感等离子质谱仪ICP-MS测微量元素，误差<2%。

图3 分析化验井分布图

3 结果与讨论

3.1 结果分析

本次测试碳氧同位素分析化验结果如表1，岩性为泥晶白云岩、微晶白云岩、亮晶白云岩，所属层位为马五1。其中δ13C同位素值的范围-1.96‰～1.01‰，平均值为-0.428‰，δ18O同位素值的范围-9.65‰～-7.35‰，平均值为-8.39‰。一些学者已经测定出奥陶纪海水的C、O同位素值，δ13C值域约在-2.0‰～+0.5‰，δ18O值在-9.0‰～-5.4‰之间，平均值为-7.6‰。

本次分析化验共取得45块样品的微量元素值(见表2)，另测得Fe、Mn、Na元素含量如表3。微量元素Sr最大值为174×10-6，最小值为50.1×10-6，平均值为103.39×10-6，Ba最大值为79.7×10-6，最小值为2.95×10-6，平均值为13.64×10-6，Fe最大值17920×10-6，最小值1051×10-6，平均值3687×10-6，Mn最大值387.32×10-6，最小值77.46×10-6，平均值200.49×10-6，Na最大值445.16×10-6，最小值148.38×10-6，平均值219.02×10-6。碳酸盐沉积后经过一定的成岩作用，其组成的原始地球化学元素发生一定的变化，前人通过多种方法判断碳酸盐后期成岩蚀变程度，赵彦彦等通过Fe、Mn含量以及Mn/Sr比值判断成岩蚀变程度，认为Mn<300×10-6、Fe<3000×10-6以及Mn/Sr<3.0，则碳酸盐岩保存了原始地球化学特征或者仅受弱的成岩作用影响[19]；胡作维等在四川东部华蓥山三叠系海相碳酸盐岩中，将Mn<250×10-6以及Mn/Sr<2.0为经受较小的成岩蚀变，其地球化学信息很大程度可以代表原始海水[20]；张谦等通过碳氧同位素交汇，根据其相关性判断成岩蚀变对碳氧同位素含量的影响[21]。结合前人研究成果，本次研究利用Mn、Fe、Mn/Sr以及碳氧同位素交汇分析相关系数值作为样品成岩蚀变程度的判断标准，具体标准为：Mn<300×10-6、Fe<3000×10-6、Mn/Sr<3.0以及碳氧同位素交汇相关系数<0.1为判定成岩蚀变程度小，其能够代表原始沉积环境。

表1 碳酸盐岩碳氧同位素分析结果

本次研究17个样品中Fe最大值17920×10-6，最小值1051×10-6，剔除最大值17920×10-6和最小值1051×10-6，其平均值2914.33×10-6；Mn最大值387.32×10-6，最小值77.46×10-6，剔除最大值387.32×10-6和最小值77.46×10-6，其平均值为196.24×10-6；Mn/Sr比值最大值为3.87，最小值为0.625，剔除最大值3.87和最小值0.625，平均值为2.087；通过对碳氧同位素的交汇其相关性较差，相关系数为0.0765(图4)，Mn、Fe、Mn/Sr以及碳氧同位素交汇相关系数表明研究区经过后期成岩作用后，原始地球化学特征虽有一定变化，但仍然可以代表原始海水地球化学信息。

表2 微量元素分析结果(10-6)

表3 其他元素分析结果表(10-6)

图4 碳氧同位素交汇图

3.2 古盐度分析

(1)通过Sr/Ba同位素判断盐度。

当水体盐度很低时，Sr、Ba均以重碳酸盐的形式存在，随着盐度的增大，Ba首先从水体中沉淀出，当盐度达到一定程度Sr也沉淀出，因此沉积物中SR/Ba值与盐度呈良好正相关关系，Sr/Ba<1为淡水沉积，Sr/Ba>1海相沉积[13]。表2中数据45个样品的Sr/Ba值全部大于1，样品Sr/Ba比值范围为1.34～23.55，平均值为11.02，具有很强的海源性质，表明研究区为盐度较高的海相沉积环境。

(2)通过碳氧同位素判断盐度。

前人通过研究表明，碳酸盐岩沉积物中C、O同位素值随着盐度的升高而增大，其经验公式如下：

Z=2.048×(δ13C+50)+0.498×(δ18O+50)

Z值>120为海水环境，Z<120为淡水环境，Z=120为不定型，在成岩环境中虽然C、O同位素发生交换，但Z值仍能大致反映海水的盐度[10-12]。

本次共对29块白云岩样品进行分析化验(表2)，利用碳氧同位素结果计算Z值，其中Z值小于120的有三块样品，其余都大于120，分析结果表明白云岩成岩环境为咸水的海相环境。

(3)通过碳同位素判断盐度。

一般沉积物中的同位素会因后期交换作用而发生变化，但对碳同位素比较弱，尤其是从寒武纪以来没有显著变化，因此用碳同位素区别海陆相是可行的[11]。一些研究者已经测定鄂尔多斯盆地奥陶纪海水的C、O同位素值，其中碳同位素的值域为-2.0‰～0.5‰[14]，通过本次分析化验，C同位素的值域为-1.96‰～1.01‰，与奥陶纪海水的C同位素值域偏离较小，说明碳酸盐岩沉积环境为咸水海相沉积。

通过以上三种方法一致判断认为碳酸盐岩的沉积环境为盐度较高的咸水海相沉积环境，这与其沉积环境演化有一定的关系。马家沟组沉积分为马一至马六段，其中一、三、五段为膏云岩和盐岩沉积，二、四、六段为石灰岩沉积，其中马五1亚段为干旱气候条件下沉积，蒸发作用使得成岩环境盐度较高，与本文研究结论相一致。

3.3 古水温分析

前人对古温度的恢复方法多样，如早期学者张秀莲等利用碳酸盐岩中氧同位素恢复古水温[11]，刘福田等利用氧同位素对鄂尔多斯盆地西南缘蓟县系[12]，郑德顺等利用微量元素U/TH以及Sr元素对豫西南淅川地区灯影组古水温进行恢复[13]。本次研究利用以上方法对研究区的古水温进行恢复，并对比不同方法恢复结果进行修正。

(1)利用微量元素Sr值计算古水温。

前人通过经验公式来计算成岩温度[12]，其公式：

y(Sr)=2578-80.8T

通过计算其温度范围为29.25～31.29 ℃，平均值为30.6 ℃如表1。碳酸盐岩沉积后经常受大气降水的影响，而大气降水含有较少的Sr元素，导致Sr含量降低，所以通过此经验公式计算得到的古水温偏高。

(2)利用氧同位素计算古水温。

前人已有研究，认为利用氧同位素值可以计算白云岩形成的环境温度[12]，[15]，其计算公式：

T=13.85-4.54×δ18O+0.04×(δ18O)2

通过对研究区的氧同位素计算得到T的范围为47.34～61.39 ℃，平均值为54.32 ℃(表1)。与通过Sr同位素计算得到的温度对比，通过氧同位素计算得到的温度明显偏高，因为氧同位素经过后期成岩作用后发生较强烈的交换作用，导致氧同位素值比同期海水偏负有以下两种原因：其一大气淡水能够降低氧同位素；其二埋藏期温度较高，较重氧同位素进入流体中，较轻氧同位素进入到白云岩中，导致氧同位素偏负，这降低了氧同位素指示古水温的意义。

(3)修正氧同位素后计算古水温。

Shields等根据大量在成岩作用中变化最小的样品-腕足碳酸盐岩分析结果，中奥陶世碳酸盐岩的δ18O值在-9.0‰～-5.4‰之间，平均值为-7.6‰[16]。而第四纪海相石灰岩δ18O平均值为-1.2‰。这与中奥陶世δ18O平均值为-7.6‰，偏移-6.4‰。将表2中的氧同位素值偏移-6.4‰，将偏移后的δ18O值代入目前较为广泛的计算公式：

T=16.9-4.54×(δ18O+0.22)

+0.13×(δ18O+0.22)2

其结果如表1中的T1值。通过修正后的氧同位素，计算的温度范围为20.2 ℃～31.57 ℃，平均值为25.28 ℃，与通过Sr同位素计算得到温度值范围为29.25 ℃～31.29 ℃，平均值为30.6 ℃，有所差距。

对比三种方法恢复古水温，利用氧同位素恢复古水温明显偏高，利用Sr元素计算得到的古水温也偏高，而利用修正后的氧同位素值计算得到的温度最低，可以利用Sr元素计算的结果与利用修正后的氧同位素计算的结果求平均值28.6 ℃为估算古水温，说明马五1亚段成岩环境为温暖气候。

4 沉积环境

研究区内马五1亚段白云岩成岩蚀变较小，分析样品中Fe平均值3687×10-6，Mn的平均值200.49×10-6，Mn/Sr比值平均值为2.11，碳氧同位素的交汇相关系数为0.0765，表明其地球化学特征能够代表原始沉积环境信息，可以利用地球化学信息分析白云岩成岩环境。研究区δ18O值的范围-9.65‰～-7.35‰，平均值为-8.39‰，较同期海水δ18O值偏负0.65‰～1.95‰，δ13C值与同期海水相当，这种偏负主要是由于埋藏作用下温度较高，导致较重氧同位素进入交代流体中，较轻氧同位素进入白云岩中，说明研究区马家沟组白云岩经过(准)同生期白云化作用以及埋藏白云化作用，因为氧同位素的偏负可能由大气淡水淋滤以及埋藏作用下造成，但是马五期属于干旱气候条件，无法提供充足的大气淡水，不可能发生大规模的白云化作用。通过利用碳氧同位素以及微量元素，判断研究区马五1亚段成岩环境为盐度较高的咸水海洋环境，温度为28.6 ℃，这与马家沟组马五期沉积演化相一致，马家沟组马一、马三、马五为蒸发岩沉积阶段，马二、马四、马六为正常浅海的石灰岩、白云岩沉积，马五又分为马五1-马五10，马五为海退期，从马五10至马五1为海水逐渐退去，海平面逐渐降低，至马五1暴露程度增加，形成蒸发岩沉积。

5 结论

通过对鄂尔多斯盆地东南部延长探区马五1亚段白云岩的微量元素以及碳氧同位素进行分析表明：

(1)研究区Mn最大值387.32×10-6，最小值77.46×10-6，平均值200.49×10-6，Mn/Sr比值最大值为3.87，最小值为0.625，平均值为2.11；通过碳氧同位素交汇，其相关性较差，相关系数为0.076 5。多数据表明碳酸盐岩经过成岩作用后地球化学特征依然能够指示成岩环境信息。

(2)研究区Sr/Ba值全部大于1，Z值有90%的大于120，C同位素值与同期海水值相当，三项数据表明白云岩成岩环境为咸水海相环境。

(3)利用氧同位素计算古水温平均值为54.32 ℃，表明氧同位素值经过后期成岩作用后变化较大，已经不能够代表成岩环境信息；利用Sr元素判断其古水温为30.6 ℃，Sr元素经过后期沉积丢失后变小，计算出的温度会偏大；利用修正后的氧同位素判断古水温平均值为25.28 ℃；将Sr元素计算的古水温与修正氧同位素计算古水温值求平均，估算古水温为27.67 ℃，表明其成岩环境为相对温暖气候。