鄂尔多斯盆地中东部米脂地区奥陶系马五5亚段叠层石白云岩特征及其地质意义

罗振锋，苏中堂，2，廖慧鸿，黄文明，马 慧，佘 伟

（1.成都理工大学沉积地质研究院，成都 610059；2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610059；3.中国石油川庆钻探工程有限公司苏里格项目经理部，成都 610051）

0 引言

鄂尔多斯盆地作为我国三大碳酸盐岩油气藏产区之一，是长庆油田稳产的重要保障领域。其中，鄂尔多斯盆地中东部马五5亚段发育的白云岩储层是长庆油田油气开发最现实的接替领域之一［1］。众多学者对盆地中东部马五段进行了大量研究，研究方向涵盖了沉积、成岩、储层等诸多方面，对白云岩沉积环境、成因机制、分布特征、发育的控制因素等进行了探讨，给出了各自的观点及认识［2-5］。长期以来对马五5亚段的沉积环境一直存在争议，多数学者认为马五5亚段为最大海泛期开阔台地［6-9］，但也有不少学者认为是潮坪环境［10-15］。鉴于马五5亚段丰富的资源储量，需要有更为准确的证据，使认知更接近实际情况。近期，在鄂尔多斯盆地中东部米脂一带马五5亚段底部发现了一套厚1.0～1.5 m 的叠层石白云岩，其区域上分布稳定，实测孔隙度可达12%，具有油气勘探价值。因叠层石具有良好的指相意义［16-19］,通过对这套叠层石白云岩的研究，或可准确确定该时期的沉积环境。

叠层石是以蓝细菌为主的微生物通过生长和新陈代谢作用黏附和沉淀矿物质或捕获矿物颗粒形成的一种生物沉积构造［20-21］。Burne 等［22］提出“微生物岩”这一概念，指出蓝细菌可诱导促使形成微生物碳酸盐岩，并将叠层石划归为微生物岩。而叠层石白云岩既可能是微生物白云岩化的产物，也可能是叠层石灰岩交代产物，其成因会影响潜在储层的预测方向。

通过鄂尔多斯盆地中东部米脂地区马五5亚段3 口钻井全取心，对叠层石白云岩岩石学特征、微量元素、全岩和微区碳氧同位素、Sr 同位素及包裹体等进行分析，确定马五5亚段沉积环境，并探讨叠层石白云岩的成因及其地质意义，以期为该区油气勘探提供基础地质资料。

1 区域地质背景

鄂尔多斯盆地位于华北板块西部，现今盆地内区域构造较为单一，可划分为伊盟隆起、西缘冲断带、天环坳陷、伊陕斜坡、晋西挠褶带、渭北隆起等6个Ⅰ级构造单元［23］，研究区位于盆地中东部的米脂地区（图1a）。奥陶纪马五段沉积时期盆地西缘、南缘及中东部地区接受沉积，形成西缘凹陷、南缘凹陷和陕北凹陷（米脂凹陷），陕北凹陷呈椭圆状，南北向展布，沉积中心位于米脂一带。在鄂托克旗—东胜—清水河以北及定边—环县—庆阳一带马五段减薄或缺失，形成了东西向展布的伊盟隆起和近南北向延伸的庆阳隆起。庆阳隆起向北延伸与伊盟隆起相连，形成了当时的中央古隆起。总体来看，鄂尔多斯盆地马五期为“一隆”（中央古隆起）、“三凹”（西缘凹陷、南缘凹陷和陕北凹陷）的古构造格局［24-25］。

根据灰岩和白云岩沉积旋回，鄂尔多斯盆地中东部米脂地区马家沟组自下而上可划分为马一—马六段。依据膏盐岩、白云岩和灰岩沉积序列，马五段自上而下可划分为10 个亚段，即马五1—马五10（M51—M510）［26-28］。马家沟组顶部长期遭受剥蚀，地层残缺不全，自西部隆起向东部洼地，马四段至马五1亚段依次出露，马六段在盆地内残缺不全［4，29］。本文主要研究马五5亚段，马五5亚段位于马五段中间，早期认为该亚段为海进时形成的灰黑色泥晶石灰岩，通常作为区域标志层，俗称“黑腰带”，地层厚度为25～30 m（图1b）［26，30］。下伏马五6亚段为海退期蒸发台地环境，岩性自西向东由泥粉晶云岩、膏质云岩转变为盐岩，是马家沟期最重要的膏盐岩沉积期［31］。上覆马五4亚段沉积时海平面大幅下降，自西向东形成含硬石膏结核云岩、膏质云岩及盐岩组合。

图1 鄂尔多斯盆地中东部米脂地区区域位置（a）（据文献［23］修改）及奥陶系马五5亚段地层柱状图（b）Fig.1 Location of Mizhi area of central-eastern Ordos Basin（a）and stratigraphic column of Ordovician Ma 55 submember（b）

2 叠层石白云岩岩石学特征与分布

本文研究的叠层石白云岩产于鄂尔多斯盆地中东部米脂地区，在M60，M75，M116 这3 口钻井中皆有发现。在鄂尔多斯盆地中东部多口未取心钻井中，测井曲线显示该套厚1.0～1.5 m 的叠层石在盆地中东部广泛发育。

鄂尔多斯盆地中东部米脂地区叠层石白云岩岩心呈灰色—浅灰色，发育有明显的叠层构造，叠层石与围岩界线明显，在纵切面上可见其由深灰黑色的暗色纹层和浅灰色的亮色纹层组成。暗色纹层和亮色纹层的厚度均小于l mm，叠层石间充填有灰色灰泥，原始结构保存良好。研究区叠层石按形态特征可划分为柱状和枝状，在此基础上，参照Raaben 等［32］的分类方案，依据其各自特征，又可细分成如下4 种类型。

（1）Gymnosolenidae型叠层石（图2a）。该类型叠层石由规则的次圆柱体组成，母柱体分叉成2～3个子柱体，子柱体以同样方式二次分叉，柱体分叉呈“y”形，直立平行。母柱体直径为3.0～4.0 cm，子柱体直径为1.0～3.0 cm，子柱体的次级柱体直径约为1.0 cm。柱体间间隙较窄，一般为0.2～0.5 cm，其中有灰色灰泥充填。

（2）Tungussidae型叠层石（图2b）。该类型叠层石由规则的次圆柱体组成，母柱体分叉成2～3个子柱体，子柱体彼此之间不平行，斜歪生长，子柱体以同样的方式二次分叉。母柱体直径为3.0～4.5 cm，子柱体直径为2.0～2.5 cm，子柱体的次级柱体直径一般不足1.0 cm。

（3）Illictidae型叠层石（图2c）。该类型叠层石由宽度不等的柱体组成。柱体分叉，母柱体分叉成2 个子柱体（少数为3 个），子柱体形状差异大。母柱体直径为5.0～6.5 cm，子柱体直径变化较大，为1.0～3.5 cm，柱体直径逐步增大或减小。

（4）Conophytonida型叠层石（图2d—2g）。该类型叠层石由次圆柱体组成。柱体宽1～3 cm，以1～2 cm 为主，柱体大致垂直于层面生长，局部收缩，部分有弯曲现象，柱体在纵断面上呈现明显的宽窄变化，偶有叠层体发生截断，不连续（图2e）。

图2 鄂尔多斯盆地中东部米脂地区奥陶系马五5亚段叠层石形态特征（a）枝状叠层石，2 424.66 m，M116 井；（b）枝状叠层石，2 423.78 m，M60 井；（c）枝状叠层石，2 424.20 m，M60 井；（d）柱状叠层石，2 424.79 m，M116 井；（e）柱状叠层石，2 425.07 m，M116 井；（f）柱状叠层石，2 549.90 m，M75 井；（g）柱状叠层石，2 425.32 m，M116 井Morphological characteristics of stromatoliteFig.2 Morphological characteristics of stromatolites of Ordovician Ma 55 submember in Mizhi area，central-eastern Ordos Basin

鄂尔多斯盆地中东部米脂地区叠层石白云岩在透光镜下呈微—粉晶结构，常见有叠层石构造发育（图3a），叠层石暗层间为藻白云石，亮层以微晶白云石为主，白云石体积分数为75%～98%，一般为90%，叠层石间充填有石膏及藻屑，格架孔发育（图3b），格架孔中亦常有石膏充填（图3c），偶有亮晶方解石，石膏体积分数为1%～12%，泥质含量较少，体积分数为1%～5%。叠层石白云岩阴极发光总体显示为褐红色和暗红色，明、暗层无明显差别（图3d—3f），扫描电镜下叠层石白云岩晶体呈粒状产出，未见球状或哑铃状白云石出现（图3g—3i）。

图3 鄂尔多斯盆地中东部米脂地区奥陶系马五5亚段叠层石白云岩岩石学特征（a）叠层石构造，2 548.50 m，M75 井，正交偏光；（b）叠层石白云岩，2 324.05 m，M60 井，正交偏光；（c）叠层石间的充填物，2 548.50 m，M75 井，正交偏光；（d）叠层石层间，2 548.50 m，M75 井，阴极发光；（e）藻屑间白云石与暗层白云石，2 549.43 m，M75 井，阴极发光；（f）叠层石白云岩，2 423.05 m，M60 井，阴极发光；（g）叠层石白云岩，2 423.05 m，M60 井，扫描电镜；（h）叠层石白云岩，2 548.50 m，M75 井，扫描电镜；（i）叠层石白云岩，2 549.43 m，M75 井，扫描电镜Fig.3 Petrological characteristics of stromatolite dolomites of Ordovician Ma 55 submember in Mizhi area，central-eastern Ordos Basin

3 叠层石白云岩地球化学特征

3.1 微量元素特征

鄂尔多斯盆地中东部米脂地区微量元素测试结果（表1）显示：叠层石白云岩Mn 元素质量分数为（44.77～54.52）×10-6，平均值为50.91×10-6；Fe 元素质量分数为（2 252.40～2 951.91）×10-6，平均值为2691.56×10-6；Na元素质量分数为（50.55～105.84）×10-6，平均值为81.32×10-6；Sr元素质量分数为（20.52～25.95）×10-6，平均值为23.65×10-6。相较于同期灰岩Fe，Mn，Na 等元素的含量整体偏高，Sr 元素含量整体偏低。

表1 鄂尔多斯盆地中东部米脂地区奥陶系马五5亚段微量元素测试分析结果Table 1 Trace elements test and analysis results of Ordovician Ma 55 submember in Mizhi area，central-eastern Ordos Basin

3.2 碳氧同位素特征

为了探究叠层石亮、暗层之间是否存在差异，对鄂尔多斯盆地中东部米脂地区马五5亚段叠层石白云岩样品进行全岩及微区碳氧同位素测试分析。样品分析结果（表2）表明：叠层石白云岩全岩δ13CPDB值一般为-1.08‰～-0.80‰，δ18OPDB值一般为-7.10‰～-6.62‰；微区δ13CPDB值一般为-4.15‰～-0.88‰，δ18OPDB值一般为-13.19‰～-8.09‰。亮层δ13CPDB平均值为-2.88‰，暗层δ13CPDB平均值为-2.00‰；亮层δ18OPDB平均值为-11.37‰，暗层δ18OPDB平均值为-9.47‰。总体来看，叠层石白云岩亮、暗层之间δ13CPDB与δ18OPDB值虽存在差别，但整体差别不大。从米脂地区奥陶系马五5亚段叠层石白云岩碳氧同位素分布图（图4）可看出，δ13CPDB值总体位于同期海水值范围内，δ18OPDB值与同期海水值相比明显偏负［3］。

图4 鄂尔多斯盆地中东部米脂地区奥陶系马五5亚段叠层石白云岩碳氧同位素分布（奥陶纪海水值范围据文献［3］）Fig.4 Carbon and oxygen isotope distribution of stromatolite dolomites Ordovician Ma 55 submember in Mizhi area，central-eastern Ordos Basin

3.3 锶同位素特征

锶同位素组成常被应用于对碳酸盐岩成岩作用的解释，且海相碳酸盐岩87Sr/86Sr 值与同期海水的87Sr/86Sr 值紧密相关［33］。鄂尔多斯盆地中东部米脂地区马五5亚段叠层石白云岩87Sr/86Sr 值为0.708 9～0.709 8（表3），平均值为0.709 5，相对于奥陶系马家沟组碳酸盐岩沉积时期海水87Sr/86Sr 值（0.708 7～0.709 2）［34］来说整体偏高。

表3 鄂尔多斯盆地中东部米脂地区马五5亚段叠层石白云岩锶同位素测试分析结果Table 3 Strontium isotope test and analysis results of stromatolite dolomites of Ordovician Ma 55 submember in Mizhi area，central-eastern Ordos Basin

3.4 包裹体特征

鄂尔多斯盆地中东部米脂地区马五5亚段叠层石白云岩中发现的包裹体主要赋存于白云石晶体中（图5a，5b），皆为单液相盐水包裹体（图5c，5d）。包裹体颜色为无色透明，多为椭圆—长椭圆状，大小仅有1～2µm，在白云石晶体中散乱分布，数量不多，部分存在定向聚集分布的特征，可能均为低温（＜50 ℃）捕获产物。

图5 鄂尔多斯盆地中东部米脂地区奥陶系马五5亚段叠层石白云岩包裹体微观照片（a）宿主矿物，2 549.43 m，M75 井；（b）宿主矿物，2 549.43 m，M75 井；（c）图（a）红色方框处放大照片；（d）图（b）红色方框处放大照片Fig.5 Microscopic photographs of stromatolite dolomite inclusions of Ordovician Ma 55 submember in Mizhi area，central-eastern Ordos Basin

4 叠层石白云岩成因讨论及其地质意义

4.1 叠层石白云岩成因

鄂尔多斯盆地中东部米脂地区叠层石白云岩晶粒为微晶级，相较微生物白云岩泥晶级和粉晶级的晶粒更大［35］，镜下未见微生物白云岩特有的球状或哑铃状形态白云石（参见图3g—3i），δ13CPDB值为-4.15‰～-0.80‰，不在微生物白云岩δ13CPDB值（-20‰～-5‰，0.4‰～13.8‰）范围内，δ18OPDB值为-13.19‰～-6.62‰（参见表2），与微生物白云岩δ18OPDB值（-6.7‰～5.6‰）有略微重叠，但整体偏负，明显不同于微生物白云岩［36-37］。

鄂尔多斯盆地中东部米脂地区叠层石白云岩亮、暗层的δ13CPDB和δ18OPDB值虽存在一定的差别，但总体差别不大，表明是在同一期流体下形成，因微生物昼夜习性差异致使形成差异明显的亮层与暗层［38］。其中叠层石白云岩δ13CPDB值总体位于同期海水值范围内，δ18OPDB值与同期海水值相比明显偏负，表明白云石化流体可能与同期海水有关，并受到了大气淡水或深埋环境高温的影响［34，39-40］。包裹体测温显示叠层石白云岩成岩温度（小于50 ℃）较低，表明叠层石白云岩成岩并无深埋高温影响。研究区马五5亚段叠层石白云岩87Sr/86Sr 值相较于马家沟组碳酸盐岩沉积时期海水87Sr/86Sr 值（0.708 7～0.709 2）整体偏高，表明成岩流体受到了地表水的影响，造成其锶同位素值增加［3，41］，与碳氧同位素分析结果相吻合。研究区叠层石白云岩Fe，Mn，Na 含量相对较高，Sr 含量相对较低，阴极发光颜色呈暗红色、褐红色（参见图3g—3i），这一特征与赵卫卫等［3］得出的苏里格地区马家沟组白云岩特征及王振峰等［42］得出的西沙群岛西科1 井中新统—上新统白云岩主要为回流渗透成因机制结论相吻合。综上所述，研究区马五5亚段叠层石白云岩白云石化流体主要为海源性流体，且早期有大气淡水的混入，为局限台地潮间—潮下带浅埋藏渗透回流作用的产物。

4.2 地质意义

叠层石形态的差异主要与造席微生物群落及沉积环境密切相关，其中海水的进退变化亦会对叠层石的分布造成影响［43-48］。鄂尔多斯盆地中东部米脂地区马五5亚段叠层石个体较小，按形态特征的差异可划分成枝状叠层石与柱状叠层石2 种类型。柱状叠层石常发育于潮间带以及潮下带，而枝状叠层石常产出于局限台地潮坪环境的潮间带［47,49-53］，因此，这2 类叠层石形成于局限台地潮坪环境的潮间带。由此推测鄂尔多斯盆地中东部地区马五5期环境整体比较局限，尚不足以达到前人认为的开阔台地环境。研究区马五5期自下而上发育有2 个灰岩-灰质白云岩旋回，其后小型柱状、枝状叠层石白云岩及晶粒白云岩出现，并伴随有一定的生物扰动。这一套岩石组合序列表明了马五5期可能是由2 次海侵—海退旋回形成的2 个水体由深变浅的沉积序列构成［54］，且叠层石白云岩形成于海侵早期盐岩沉积水体向中等盐度海水转换的过渡时期。

微生物的形态结构与其生长的沉积环境密切相关［55-56］，而微生物的结构是微生物白云岩储集空间和孔隙结构的主要控制因素之一，这是与一般碳酸盐岩储层所不同的地方［57］。依据研究区叠层石白云岩的岩石学及沉积地球化学特征，推断该套叠层石白云岩并非微生物诱导白云岩化所形成，而应为局限台地潮间—潮下带浅埋藏期回流渗透作用阶段的产物。该套叠层石白云岩厚1.0～1.5 m，区域上分布稳定，具有良好的勘探意义。根据成因及沉积环境分析结果，这套白云岩的勘探应关注海侵初期海水盐度转换的潮间带区域。

5 结论

（1）鄂尔多斯盆地中东部米脂地区马五5亚段叠层石按形态特征可分成柱状与枝状。依据枝状及柱状叠层石对环境的指相性推测：鄂尔多斯盆地中东部马五5亚段的沉积环境为潮坪环境，盆地中东部在马家沟期环境整体比较局限。

（2）鄂尔多斯盆地中东部米脂地区马五5亚段叠层石白云岩δ13C 值总体位于同期海水值范围内，δ18O 值与同期海水值相比明显偏负；87Sr/86Sr 较同期海水整体偏高；Fe，Mn，Na 含量相对较高，Sr 含量相对较低，表明研究区马五5亚段叠层石白云岩白云石化流体主要为海源性流体，早期有大气淡水的混入，为浅埋藏渗透回流作用的产物。海侵初期海水盐度转换的潮间带叠层石白云岩为勘探有利区域。