靖边气田北部马家沟组马五段白云岩、方解石脉地球化学特征及成因

魏 丽，马尚伟，蒋子文

(1.陕西省地质调查规划研究中心(陕西省地质勘查基金中心)，陕西西安 710068; 2.丝绸之路地质科学院，陕西西安 710068； 3.中国地质调查局西安地质调查中心，陕西西安 710054; 4.青海大学地质工程系，青海西宁 810016)

全球碳酸盐岩储层中白云岩占比高达50%，而北美碳酸盐岩领域80%的油气赋存于白云岩储层中[1]。中国鄂尔多斯盆地下古生界奥陶系马家沟组碳酸盐岩(白云岩)蕴藏丰富的天然气资源[2-3]，特别是中国陆上曾经发现的最大气田——靖边气田，累积探明天然气地质储量达4 193.41×108m3[4]。而在碳酸盐岩储层的研究中，白云岩成因和(去)白云石化作用一直都是碳酸盐岩研究中的热点和难点。随着试验技术的进步和油气勘探开发的深入，前人围绕鄂尔多斯盆地马家沟组白云岩成因做了大量的研究工作，提出多种白云岩成因观点，包括准同生白云岩化[5-6]、混合水白云岩化[6]、渗透回流白云岩化[6]、埋藏白云岩化[2]、热液白云岩化[5]以及微生物白云岩化[7]等，主要以哪种成因类型为主，目前尚未达成共识。马家沟组白云岩中发育大量的方解石脉体，方解石脉体的成因及其与白云岩之间的关系研究甚少。大多数学者在白云岩成因研究中主要以研究成因模式为主，很少涉及白云岩形成的演化阶段。因此笔者以鄂尔多斯盆地靖边气田北部中奥陶统马家沟组马五段白云岩为研究对象，采用钻井岩心观察、岩石薄片鉴定、阴极发光、主微量元素、稀土元素、Sr和C/O同位素等试验测试方法，对马五段白云岩和方解石脉体的地球化学特征和成因进行分析，为研究区白云岩的形成演化提供理论支撑，为鄂尔多斯盆地马家沟组白云岩储层的分布预测提供借鉴。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地位于华北板块西部，是一个稳定的多旋回克拉通盆地。研究区位于鄂尔多斯盆地靖边气田北部，区域构造位于伊陕斜坡中部(图1(a))。早奥陶世，鄂尔多斯盆地整体处于低海平面时期，沉积范围较小，以环陆的潮坪沉积为主[8]。中奥陶世盆地开始大规模海侵，形成广阔的浅水陆表海沉积。马家沟期整个鄂尔多斯盆地遍布碳酸盐岩沉积，在内部拗陷形成大套蒸发岩，在外侧发育厚层的海相台地碳酸盐岩沉积[8]。晚奥陶世，受加里东运动的影响导致鄂尔多斯盆地主体隆升，遭受长达130 Ma的风化剥蚀和岩溶叠合改造[9]，形成统一的古陆[8]。

鄂尔多斯盆地中东部马家沟组经历3个明显的海退-海进旋回，在纵向上自下而上形成马一～马六共6个岩性段。其中马一、马三和马五段以沉积白云岩、硬石膏岩、石盐岩为主，偶夹少量的石灰岩；马二、马四、马六段以沉积石灰岩为主[10]。马五段自下而上划分为10个亚段，靖边气田主力产气层段主要位于马五1、马五2和马五4三个亚段，也是本次研究的主要目的层。岩心观察和岩石薄片鉴定表明，研究区目的层岩石类型以细粉晶白云岩为主，还有少量的泥晶白云岩、泥晶-粉晶白云岩、灰质白云岩；储集空间类型有晶间微孔、晶内溶孔、晶间溶孔、溶蚀孔洞、铸膜孔、成岩缝和构造缝。

2 样品采集与测试方法

本次研究的样品均来自于靖边气田北部30口井的钻井岩心(图1(b))，包括泥晶白云岩、泥晶-粉晶白云岩、细粉晶白云岩、灰质白云岩和灰岩，层位为马家沟组马五1、马五2和马五4亚段，取样深度位于2 968.2～3 596.3 m。

为探讨方解石脉体和白云岩之间地球化学特征差异，排除不同井、不同深度的影响，选取6口井同一块样品中方解石脉体和白云岩进行Sr、C/O同位素测试，取样位置见图2。

主、微量元素测试在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成，共计36组测试样品，其中白云岩样品35块，灰岩1块，样品特征为粉末。主量元素测试是通过 X 射线荧光(Rigaku RIX2100) 玻璃熔饼法完成，分析精度优于2%，详细仪器参数及测试过程见文献 [11]。微量元素使用的是多接收器等离子质谱仪，采用含量权重的线性拟合方式对样品进行最终的校正计算，相对误差一般小于5%。

锶同位素测试在核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成，共计38块样品，其中白云岩样品31块，灰岩1块，方解石脉体6块，样品特征为粉末，实验室湿度为45%，温度为20 ℃，测试仪器为PHOENIX-9444，检测方法和依据为国家标准《岩石中铅锶钕同位素测定方法(GB/T 17672-1999)》，测定误差以2σ(±)表示。

图1 研究区区域位置及前石炭纪地质图附采样井位Fig.1 Study area location and Pre Carboniferous geological map with sampling well location

图2 方解石脉体测试取样位置(绿色为白云岩、红色为方解石脉体)Fig.2 Sampling point for testing of calcite vein(green for dolomite, red for calcite veins)

碳、氧同位素测试在中国科学院地质与地球物理研究所完成，共计38块样品，其中白云岩样品31块，灰岩1块，方解石脉体6块，测试样品为粉末，样品采用Gas Bench与MAT253同位素比值质谱仪在线测定完成，测试结果采用碳同位素国际标准(PDB标准)，测试精度小于等于0.2‰。

3 地球化学特征

3.1 主量元素特征

前人研究表明，白云岩中MgO和CaO的质量分数与白云石化作用类型有关，准同生期白云石化作用形成的白云岩，MgO质量分数随CaO的质量分数的增加而增加，呈正相关；而埋藏较深的白云岩，CaO的质量分数随MgO的增加而减少[12-13]，呈负相关。36件样品主量元素测试结果表明，马五段白云岩MgO质量分数为12.75%～21.72%，平均值为19.38%；CaO质量分数为25.87%～36.78%，平均值为31.29%。MgO和CaO质量分数大多呈负相关，为埋藏交代成因；另有一小部分呈正相关，为准同生白云石化成因(图3(a))。从层位上来看，马五1、马五2和马五4的样品中MgO和CaO质量分数都既有负相关(图3(b))，又有正相关，无明显规律。

图3 鄂尔多斯盆地靖边气田北部马五段白云岩中MgO和CaO的质量分数成因Fig.3 Genetic analysis of MgO and CaO mass fraction in dolomite of the 5th member of Majiagou Formation in the northern Jingbian gas field, Ordos Basin

3.2 微量元素特征

微量元素Na、Sr、Fe、Mn等元素是指示岩石沉积成岩环境和成岩流体性质的重要指标，可有效分析白云岩的成因[14]。前人研究表明，在海相碳酸盐岩埋藏成岩的过程中，低铁、低锰是准同生白云岩的特征，而高铁、高锰则反映埋藏白云石化的特征，且Fe、Mn元素质量分数随成岩作用程度加深而增加，Na、Sr元素质量分数在不断降低[14]。

36件样品微量元素测试结果表明，马五段白云岩Fe质量分数为(1 400～18 433)×10-6，平均为6 325×10-6；Mn质量分数为0～775×10-6，平均为211×10-6；Na元素质量分数为(74～890)×10-6，平均为317×10-6，Sr元素质量分数为(47～715)×10-6，平均为94×10-6(图4)。现代海洋中以文石为主的灰泥中Fe质量分数在(1 800～9 730)×10-6，平均为4 720×10-6；Mn质量分数一般小于200×10-6[15-16]。现代海水中白云石Na质量分数高达(3 000～10 000)×10-6[17]，古代白云石 Na 质量分数为(900～1 000)×10-6[18]；海相高镁方解石和低镁方解石Sr的质量分数在(2 000～10 000)×10-6，将形成Sr质量分数为(300～2 000)×10-6的白云石[16,18]。相比之下，研究区马五段白云岩Fe、Mn质量分数分布范围较大，但平均值均高于现代海洋中的质量分数，Na、Sr元素远低于现代海洋中的质量分数，揭示白云石化作用发生在埋藏成岩环境中。w(Mn)/w(Sr)反映成岩环境改造的强度，比值越小说明成岩改造强度越弱，一般w(Mn)/w(Sr)小于2则受到的成岩改造强度较小[19-20]。研究区w(Mn)/w(Sr)平均值为2.25，表明白云岩经历中等强度的成岩改造。从层位来看，Fe、Mn质量分数马五2>马五1>马五4, Na、Sr质量分数马五4>马五2>马五1，且w(Mn)/w(Sr)值马五2(3.74)>马五1(3.39)>马五4(0.92)，说明马五1和马五2白云岩受到成岩改造作用强于马五4。

3.3 稀土元素特征

自然界中不同来源的流体具有不同的稀土元素特征，而白云岩中的稀土元素是成岩流体和原岩相互作用的结果[21]，因此稀土元素的质量分数及其配分模式可反映碳酸盐岩沉积和成岩流体特征[21]。一般而言，纯白云岩的稀土元素质量分数(REE)都很低[21-22]，如果质量分数超过30×10-6，就应该分析样品的纯度。前人一般选用球粒陨石或页岩的稀土元素数据进行白云岩稀土的标准化处理[23-24]，但白云岩的形成与球粒陨石、页岩没有内在的关系，而与海水有直接或间接的关系[22]。已有研究表明，泥晶灰岩与同沉积时期海水中的稀土元素的组成特征基本一致，能够一定程度反映碳酸盐岩沉积时期的海水稀土元素的信息[24]，白云岩基本都是灰岩在成岩作用演化中形成的，本文中将白云岩样品稀土元素数据选用泥晶灰岩稀土元素数据进行标准化，稀土元素数据来自苏中堂[25]。

36个样品稀土元素分析表明，马五段白云岩稀土元素总质量分数(ΣwREE)为(4.24～66.89)×10-6，平均值为16.30×10-6；其中5件样品的ΣwREE>30×10-6。轻稀土元素(LREE)与重稀土元素(HREE)的质量分数比值为4.07～23.14，平均值为7.61，说明轻稀土元素相对富集，重稀土元素相对亏损。从研究区马家沟组马五段白云岩的稀土元素配分模式可知(图5(a))，δEu介于1.02～1.73，平均值为1.42，多呈明显的正异常；δCe介于0.78～1.01，平均值为0.93，多呈弱的负异常；轻稀土富集、δEu正异常特征表明白云岩后期经历强烈的热液改造[21]，热液流体交代白云岩时，Eu2+会替换白云岩中的Ga2+，使得交代后的白云岩呈现Eu正异常。同时稀土元素总质量分数(ΣwREE)超过30×10-6的5件样品，均含有热液矿物硅质组分和孔隙中充填黄铁矿，同样证明白云岩经历热液改造[21]。

图4 靖边气田北部马五段碳酸盐岩Fe、Mn、Na、Sr质量分数Fig.4 Line chart of Fe, Mn, Na and Sr mass fraction in carbonate rocks of the 5th member of Majiagou Formation in the northern Jingbian gas field, Ordos Basin

图5 靖边气田北部马五段白云岩稀土元素配分Fig.5 REE distribution of dolomite in the 5th member of Majiagou Formation in the north of Jingbian gas field

白云岩化作用使得REE元素丢失，将含溶孔的白云岩(15块)与不含溶孔白云岩(20块)的稀土元素分别统计，取平均值进行对比(图5(b))，马五1、马五2和马五4不含溶孔的白云岩均比含溶孔白云岩明显富集稀土元素，且两者的配分模式基本一致。因此后期溶蚀流体带走了岩石中的稀土元素，并未改变岩石的稀土配分模式。

3.4 锶同位素特征

锶同位素的组成可以反映白云石化流体来源[14]。海相白云岩的锶同位素比值w(87Sr)/w(86Sr)主要受同期海水的w(87Sr)/w(86Sr)，以及表生期大气淡水或深部热液带来的锶同位素比值的影响[26]。

38个样品w(87Sr)/w(86Sr)测试结果表明(图6(a))，白云岩w(87Sr)/w(86Sr)在0.708 67～0.710 333，脉体方解石w(87Sr)/w(86Sr)在0.708 988～0.710 837，灰岩w(87Sr)/w(86Sr)为0.709 14。马五段不同岩性碳酸盐岩w(87Sr)/w(86Sr)的平均值为：泥晶-粉晶白云岩(0.709 765)>脉体方解石(0.709 608)>泥晶白云岩(0.709 480)>细粉晶白云岩(0.709 475)>灰质白云岩(0.709 169)>灰岩(0.709 140)。

图6 靖边气田北部马五段碳酸盐岩w(87Sr)/w(86Sr)分布特征Fig.6 Distribution characteristics of w(87Sr)/w(86Sr) in the 5th member of Majiagou Formation in the northern Jingbian gas field

3.4.1 白云岩锶同位素分布特征

鄂尔多斯盆地晚寒武世—早-中奥陶世古海水的w(87Sr)/w(86Sr)约为0.708 7～0.709 2[27]。研究区马五段碳酸盐岩锶同位素比值测试结果表明(图6(b))，灰岩w(87Sr)/w(86Sr)与海水锶同位素比值相当，大部分白云岩样品w(87Sr)/w(86Sr)大于海水，少部分与海水相当，表明马五段白云岩具有2种成因：一种为埋藏成因，成岩演化中富含高放射性87Sr的流体交代了白云岩；一种为准同生成因，形成的白云岩规模相对较小。从深度、距不整合距离的关系来看(图6(b)、(c))，碳酸盐岩w(87Sr)/w(86Sr)相关性不明显。从层位上来看，马五1、马五2和马五4的碳酸盐岩w(87Sr)/w(86Sr)无明显的相关性(图6(d))。同一口井上、下层位碳酸盐岩w(87Sr)/w(86Sr)变化也无明显对应关系。表明白云岩成岩演化中深源热流体与浅部地层流体混合程度的多变性及流体活动的复杂性。

3.4.2 脉体方解石锶同位素特征

6件脉体方解石w(87Sr)/w(86Sr)基本都大于海水锶比值(1个样品除外)(图6(b))，表明脉体方解石主要为埋藏成因。同一块样品中脉体方解石和白云岩w(87Sr)/w(86Sr)具有明显差异，代表不同性质流体交代形成的。前人研究认为，阴极发光下碳酸盐岩呈暗棕色光(图7)为公认的准同生环境成因[20]；碳酸盐岩呈亮红色或者橙红色光，认为形成于一定埋深的成岩作用[20]。w(87Sr)/w(86Sr)大于海水锶比值的5个脉体方解石样品，阴极发光下均发亮红色或者橙红色光(图7)，由一定埋深的成岩作用形成；w(87Sr)/w(86Sr)小于海水锶比值的1个脉体方解石样品，阴极发光下发暗棕色光(图7)，认为是早期准同生环境成因。S52井白云岩和脉体方解石w(87Sr)/w(86Sr)较接近且大于海水锶比值，阴极发光下均发亮橙红色光(图7)，表明均形成于一定埋深的成岩作用；S50井白云岩和脉体方解石w(87Sr)/w(86Sr)均小于海水锶比值，阴极发光下均发暗棕色光(图7)，表明均为准同生环境成因。

图7 同一块样品脉体方解石和白云岩w(87Sr)/w(86Sr)对比Fig.7 Comparison of w(87Sr)/w(86Sr) of vein calcite and dolomite in the same sample

3.5 碳、氧同位素特征

白云岩碳、氧同位素组成与引起白云石化的成岩流体密切相关[26]，一般高盐度的蒸发海水中具有比同期海水偏正的碳、氧同位素值，大气淡水或埋藏成岩坏境中流体具有比同期海水偏负的碳、氧同位素值。

研究区马五段31个白云岩的δ13C分布于-7.25‰～1.28‰，平均值为-0.52‰；δ18O分布于-9.94‰～-6.32‰，平均值为-7.98‰；1个灰岩样品的δ13C为-0.84‰，δ18O为-6.32‰。奥陶纪海水的碳同位素值为-2.0‰～0.5‰，氧同位素值为-6.6‰～-4.0‰[28]。相比之下，白云岩δ13C值与奥陶纪海水值相当，δ18O值大部分比奥陶纪海水值偏负，仅2个样品值落在同期海水范围内(图8)，表明白云岩大部分为大气淡水或埋藏成岩环境成因，2个样品为准同生白云岩化成因。

6个脉体方解石的δ13C分布在-7.36‰～-3.36‰，平均值为-5.20‰；δ18O分布在-14.20‰～-11.65‰，平均值为-13.53‰。脉体方解石的δ13C和δ18O同位素均比海水值偏负(图8)，且同一块样品的脉体方解石δ13C和δ18O同位素均比白云岩偏负(图9(a)、(b))，表明方解石脉体形成温度高于白云岩，形成时间较晚，为埋藏成岩成因。

图9 靖边气田北部马五段同一块样品碳、氧同位素对比Fig.9 Comparison of carbon and oxygen isotopes in the same sample in the 5th member of Majiagou Formation in northern Jingbian gas field

4 白云岩、方解石脉体成因探讨

4.1 白云岩成因

鄂尔多斯盆地靖边气田北部马五段白云岩多为细粉晶白云岩和泥晶白云岩，阴极发光下呈桔红色和暗棕色，初步判断为准同生环境和埋藏环境中发生白云石化作用。MgO和CaO质量分数大多数呈负相关，反映交代成因，另一小部分MgO和CaO质量分数呈正相关，形成于准同生环境。白云岩中Fe、Mn元素质量分数较高，Na、Sr元素质量分数较低，且w(Mn)/w(Sr)为2.25，δEu呈明显的正异常，δCe呈弱的负异常，反映白云石化作用发生在埋藏成岩环境中，经历中等强度的成岩改造。白云岩w(87Sr)/w(86Sr)大部分大于海水，反映白云岩发生埋藏成岩交代作用，小部分w(87Sr)/w(86Sr)和海水相当，说明为准同生白云石化成因。

马五段白云岩碳、氧同位素之间没有明显的相关性，因此不具有混合水白云岩的特征(图8)。通过经验公式：Z=2.048(δ13C+50)+0.498(δ18O+50)可计算盐度指数Z，若Z大于120则代表海水成岩环境，小于120代表淡水成岩环境[17]。计算结果表明，研究区马五段白云岩样品Z均大于120，灰质白云岩样品Z小于120(图10(a))，表明白云岩成岩环境为海水环境，说明加里东运动时期，马五段暴露地表，大气淡水对白云岩的改造微乎甚微。从图10(b)、(c)显示，马五段白云岩样品点大部分落在埋藏白云岩区域和高温白云石区域，2个样品落在奥陶纪海水δ18O值区域和高、低温白云石混合区域，无样品落在渗透回流白云岩和低温白云石区域，表明大部分白云岩是在埋藏环境中形成的，也有少量的白云岩在同期海水准同生期形成的。其中埋藏成因的白云岩主要为来自石炭—二叠系煤系地层的流体通过硅质碎屑岩层时，将硅酸盐矿物中的高放射性87Sr带入到流体中，这种具有高放射性87Sr的流体流入马五段，交代碳酸盐岩发生白云石化，最终导致马五段白云岩w(87Sr)/w(86Sr)增加。

δ13C值可反映交代流体是否含有有机碳，间接反映白云岩的形成阶段。研究区马五段白云岩大部分δ13C值分布在奥陶纪海水值变化范围内，所有白云岩样品都与有机酸脱羧基作用无关(图10(d))，可见白云岩化过程中没有受到有机碳的影响。但小部分白云岩样品δ13C值偏正，说明这部分白云岩白云石化作用发生在生物化学气阶段，生物化学生气阶段产生的CH4富12C，在成岩演化中12C的流出引起白云岩相对富集13C，因此埋藏白云石化作用主要发生在油气生成之前的浅—中等埋藏阶段，但在生物化学气阶段也有白云石化作用的发生。从岩性上来看，灰岩、灰质白云岩、泥晶白云岩、泥晶-粉晶白云岩和部分细粉晶白云岩属于成岩碳酸盐岩，部分细粉晶白云岩属于与生物气有关的碳酸盐岩(图10(d))。

4.2 方解石脉体成因

靖边气田北部马五段脉体方解石样品w(87Sr)/w(86Sr)多数大于海水(1个样品除外)，δ13C和δ18O同位素值都比海水值偏负，且δ18O值全部低于-10‰，说明脉体方解石属于受高温热液影响的埋藏成因。同一块样品中脉体方解石δ13C和δ18O同位素均比白云岩偏负，说明方解石脉体形成温度高于白云岩且形成时间较晚；图10(b)、(c)两个图版显示，脉体方解石全部落在埋藏白云岩、高温白云石区域，表明脉体方解石是在后期埋藏(高温)环境中形成的。从图10(d)中显示，脉体方解石落在Ⅲ区与有机酸脱羧基作用有关的碳酸盐范围内，说明脉体方解石形成于烃源岩排烃之后的中—深埋藏阶段。值得注意的是方解石脉体和部分充填溶蚀孔洞的方解石胶结物的阴极发光颜色为橙色，说明含烃碱性流体形成的方解石胶结物不但充填裂缝，而且还充填早期的溶蚀孔洞，对储层物性破坏极大。

图10 靖边气田北部马五段碳酸盐岩成因分析图版Fig.10 Chart of carbonate rock genetic analysis in the 5th member of Majiagou Formation in the northern Jingbian gas field

4.3 白云岩和脉体方解石成因的研究意义

马五段碳酸盐岩白云岩化作用发生在油气生成之前的浅—中等埋藏阶段，产生大量的溶蚀孔洞，为油气的储存提供有利场所。脉体方解石形成于烃源岩排烃之后的中—深埋藏阶段，充填早期的溶蚀孔洞，减小储层的储集空间，这为研究区储层先成藏后致密研究提供依据。研究得出的准同生化成因的白云岩相对致密均一，见弯曲状微细脉，溶蚀孔和裂缝不发育，埋藏成因的白云岩溶孔和裂缝较发育，这为鄂尔多斯盆地北部马家沟组白云岩储层的分布预测提供依据。研究还发现1个脉体方解石样品w(87Sr)/w(86Sr)与海水锶比值相当，且阴极发光为暗棕色，指示准同生化阶段也发生脉体方解石的充填作用，这为研究区白云岩储层的成岩演化研究提供依据。

5 结 论

(1)主微量元素、稀土元素和锶同位素分析结果表明，靖边气田北部马家沟组马五段白云岩大多数为埋藏交代成因，小部分为准同生白云石化成因。白云岩中w(Mn)/w(Sr)为2.25，δEu呈明显的正异常，δCe呈弱的负异常，进一步表明白云岩后期经历中等强度的热液成岩改造。

(2)碳、氧同位素分析结果表明，靖边气田北部马家沟组马五段白云岩大部分在埋藏环境中形成的，也有少量的白云岩在同期海水准同生期形成的，且埋藏白云岩化作用主要发生在油气生成之前的浅—中等埋藏阶段，少量发生在生物化学生气阶段。脉体方解石为受高温热液影响的埋藏成因，形成于烃源岩排烃之后的中—深埋藏阶段。