玛湖凹陷二叠系风城组碱湖云质岩储层成岩作用

吕正祥，廖哲渊，李岳峰，宋修章，李 响，何文军，黄立良，卿元华，3

（1.成都理工大学能源学院，成都 610059；2.中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆克拉玛依 834000；3.成都师范学院史地与旅游学院，成都 610021）

0 引言

准噶尔盆地是我国重要的含油气盆地，玛湖凹陷为盆地内的一个二级构造单元。玛湖凹陷风城组的沉积环境为碱性湖泊环境［1］，相对淡水环境而言，具有胶结作用强、生烃早等特点，盐湖中细粒沉积岩的成岩演化比较复杂。在盐湖成岩作用早期，胶结作用比较发育，形成的胶结物占据了部分粒间孔，抑制了后期的压实作用，保留了大量原生孔隙，此外碳酸盐矿物在后期发生溶蚀，可以有效改善储层物性［2］。黄成刚等［3］对盐湖储层中成岩作用的实验模拟研究表明，部分盐类矿物的沉淀占据了部分粒间孔，使喉道变细或堵塞，成岩流体中富含的部分阳离子抑制了溶蚀作用，不利于次生溶蚀孔隙的形成。因此，盐湖沉积环境总体上不利于储层的发育。Macquaker 等［4］对巴西Campos 盆地盐下湖相碳酸盐岩储层成岩作用机制的研究表明，盐下湖相碳酸盐岩储层中的生物碎屑和镁硅酸盐会发生溶解、交代，且埋藏成岩蚀变与通过断裂系统运移的热流体有关，热液促进了白云石化、硅化和溶蚀作用的发生。

在玛湖凹陷风城组发现多种指示碱性环境及热液作用的矿物，这一沉积特征与美国绿河组碱湖沉积及现代碱湖沉积特征十分相似，因此众多学者认为玛湖凹陷风城组为碱湖沉积［5-7］，而目前对于碱湖沉积中矿物的形成时期存在较大争议。张志杰等［6］通过元素分析认为，碱性矿物的形成主要与2期热液活动有关，富硅硼钠石岩类的沉积时间与沉积范围受火山活动伴生的热液作用控制；王力宝等［7］根据现代碱湖不同温度下碱性矿物类型的差异特征，认为玛湖凹陷风城组碳钠钙石可能由蒸发浓缩形成，也可能是由早期的单斜钠钙石等矿物在埋藏之后转化而成；秦志军等［8］基于古沉积的地貌、气候、水深、盐度和水温等特征分析，认为碱性矿物形成于碱湖相对干旱时期，碳氢钠石和碳钠镁石是典型的高温矿物，形成于温度较高的水体中；余宽宏等［9］研究指出，火山活动对玛湖凹陷风城组沉积时期碱性矿物的沉淀起决定性的作用；李威等［10］通过与全球碱湖沉积实例对比分析，认为玛湖凹陷风城组碳氢钠石和碳钠钙石经成岩作用形成，钠硅酸盐矿物和特征矿物与火山活动及热液作用有关。早二叠世构造运动与火山活动频繁，形成了大量的白云石和盐类矿物［11］。研究表明，玛湖凹陷风城组发育较好的前陆碱湖高效烃源岩，其有机质丰度较高，有机质类型以Ⅱ型干酪根为主，成熟度中等［12］。普遍的白云石化作用使玛湖凹陷风城组岩石中的白云石较为发育，笔者将白云石体积分数超过10%的岩石统称为云质岩，且风城组储层分布与白云石特征关系密切。

通过典型薄片偏光与荧光显微观察，结合扫描电镜与能谱分析、X 射线衍射分析、微区原位碳氧同位素分析、流体包裹体分析等方法，对玛湖凹陷风城组云质岩的主要成岩作用特征与成岩演化序列进行研究，并分析风城组云质岩成储与油气充注成藏的耦合特征，以期为该区云质岩领域致密油气的勘探开发提供指导。

1 地质概况

玛湖凹陷位于准噶尔盆地中央凹陷西北部，其西侧为克百断裂带，北侧为乌夏断裂带，东侧为英西凹陷和夏盐凸起，东南和西南分别为达巴松凸起和中拐凸起［13］（图1a），区域构造作用强烈［14］。准噶尔盆地于石炭纪末期进入前陆盆地演化阶段，早石炭世—早二叠世盆地发生剧烈的周缘碰撞［15］，从早二叠世至早侏罗世整体持续沉降。玛湖凹陷是盆地的沉降中心，在三叠纪末期基本消亡［1］，燕山运动和喜马拉雅运动使玛湖凹陷整体抬升［16］。玛湖凹陷西北缘地层发育较为完整，从石炭纪（C）到白垩纪（K）均有分布，二叠系地层由老到新为下二叠统佳木河组（P1j）、风城组（P1f）和中二叠统夏子街组（P2x）、下乌尔禾组（P2w）。研究区目的层风城组为一套以咸化湖相黑色页岩与火山碎屑岩为主的沉积，自下而上划分为风一段（P1f1）、风二段（P1f2）和风三段（P1f3），其中风一段顶部及风二段和风三段下部岩性以云质岩为主［6］（图1b）。

图1 玛湖凹陷区域构造位置（a）与二叠系岩性地层综合柱状图（b）Fig.1 Regional tectonic location（a）and stratigraphic column of Permian（b）in Mahu Sag

2 岩石学特征

玛湖凹陷风城组为一套典型的古老碱湖沉积，岩石类型多样，包括陆源沉积的砂（砾）岩、粉砂岩、泥岩，火山活动形成的火山熔岩、火山碎屑岩和熔结凝灰岩，以及碱湖沉积形成的盐质岩。近年来玛湖凹陷的油气勘探在风城断鼻处发现高产工业油流，主要的甜点储层为含白云石的火成岩［17-18］。研究区风城组云质岩可划分为云质火成岩类、云质砂（砾）岩类和云质泥岩—粉砂岩类，其中云质火成岩类的占比最高，达81.3%，包括云质凝灰岩、云质沉凝灰岩和云质熔结凝灰岩，以云质凝灰岩和云质沉凝灰岩为主，占比分别为43.2%和50.5%。分布最广的云质沉凝灰岩中的陆源组分粒径较细，主要为粉砂，其次是细砂和泥质；颗粒组分以长石为主，其次是石英；凝灰质组分主要为火山玻璃、玻屑和火山尘，其次是长石晶屑，分选性较差（图2a，2b）。云质凝灰岩的凝灰质组分与云质沉凝灰岩类似，但其晶屑含量略高（图2c）。

图2 玛湖凹陷二叠系风城组主要云质岩岩石学特征Fig.2 Petrological characteristics of main dolomitic rocks of Permian Fengcheng Formation in Mahu Sag

根据全岩X 射线衍射分析数据（表1），玛湖凹陷风城组云质岩中的矿物组分以斜长石为主，质量分数主要为5.0%～20.0%，平均为31.0%；其次是白云石，质量分数主要为5.0%～25.0%，平均为23.8%；石英质量分数平均为22.6%；盐类矿物质量分数平均为7.6%，其中非钙镁碳酸盐等盐类矿物以天然碱为主，平均质量分数为2.6%，其次为碳氢钠石、石盐、碳钠钙石和针钠铁矾等。这些盐类矿物的发育表明玛湖凹陷风城组云质岩沉积时气候干热，因此沉淀了暖相的碱性矿物和广温相盐类矿物［19］。

表1 玛湖凹陷二叠系风城组云质岩矿物质量分数Table 1 Mineral composition of dolomitic rocks of Permian Fengcheng Formation in Mahu Sag

3 成岩作用特征

3.1 脱玻化作用

脱玻化作用是由火山喷出时岩浆在快速冷却和凝结过程中形成的火山玻璃，在温度、压力和外部环境的改变下，由于水介质的存在，其部分物质经过重结晶作用而形成微小晶体的作用［20］。脱玻化作用是玛湖凹陷凝灰岩中主要的成岩作用之一，主要表现为火山玻璃、玻屑、火山尘等结晶形成长石、沸石、微晶石英等［21］（图3a，3b），在脱玻化过程中由于固体体积缩小形成较多的纳米级微孔（图3c—3e），部分孔隙中有油气充注，发草绿色荧光（图3f）。

图3 玛湖凹陷二叠系风城组云质岩中的脱玻化作用Fig.3 Devitrification in dolomitic rocks of Permian Fengcheng Formation in Mahu Sag

3.2 成岩矿物析出

玛湖凹陷二叠系风城组云质岩在同生期和埋藏期形成了多种类型的自生矿物。根据X 射线衍射、岩心观察、薄片鉴定和能谱分析，研究区风城组自生矿物具有以下几类：碳钠钙石、碳氢钠石、碳钠镁石、天然碱、苏打石等重碳酸盐矿物，石盐、氯碳钠镁石、硬石膏、针钠铁钒、硅硼钠石等盐类矿物［22］（图4a—4c），钾长石、钠长石、沸石等铝硅酸盐矿物，白云石、方解石等钙镁碳酸盐矿物，以及蛋白石、石英、燧石等硅质矿物，石英主要表现为加大石英和充填石英（图4d）。其中尤以白云石最为发育，其次是方解石，根据晶型可分为它形、半自形、半自形—自形、自形等（图4e，4f）。

图4 玛湖凹陷二叠系风城组云质岩中析出的主要成岩矿物特征Fig.4 Main diagenetic mineral characteristics precipitated from dolomitic rocks of Permian Fengcheng Formation in Mahu Sag

3.3 溶蚀作用

溶蚀作用在玛湖凹陷二叠系风城组云质岩中普遍发育，溶蚀的矿物类型较多，可分为以下几类：①钙镁碳酸盐矿物的溶蚀，主要为白云石和方解石的溶蚀（图5a，5b），该类溶蚀较常见，但溶蚀程度有限。②铝硅酸盐矿物的溶蚀，主要为钠长石沿解理溶蚀形成粒内孔，其次是沿裂缝附近发生的沸石胶结物溶蚀（图5c，5d）。长石溶孔是研究区风城组岩石中最常见，也是对储层孔隙贡献最大的一类溶孔。③非钙镁碳酸盐矿物的溶蚀，主要包括天然碱、碳氢钠石、碳钠钙石等的溶蚀，也偶见石盐等的溶蚀（图5e—5h），岩心上常表现为大的孔洞。④硅质矿物的溶蚀，主要为石英、蛋白石和燧石的溶蚀（图5i），其分布较为局限。

图5 玛湖凹陷二叠系风城组云质岩中的溶蚀作用Fig.5 Dissolution in dolomitic rocks in Permian Fengcheng Formation in Mahu Sag

3.4 破裂作用

研究区风城组云质岩发育多种类型的裂缝。①收缩缝：为沉积物干裂收缩而形成，主要呈网状分布，且具有不定向性，常被沥青充填（图6a，6b），在火山玻璃发育的云质岩中尤为常见，推测为喷出的熔浆沉积后发生脱气收缩而形成，也有部分发育在泥质岩中，因气候干燥而形成。②成岩缝：主要表现为岩石在较大的地层压力下受压溶作用而形成的缝合线，常充填黄铁矿和沥青（图6c）。③构造缝：研究区风城组沉积埋藏后经历了多期构造运动，形成了多期构造裂缝（图6d，6e），常见构造裂缝切割早期的收缩缝和缝合线，其充填方式分为未充填、半充填和全充填（图6f）。

3.5 压实、压溶作用

研究区风城组埋深一般大于4 000 m，压实作用是破坏风城组孔隙的主要成岩作用。塑性物质如云母、玻屑等受挤压变形的现象较为常见，多数层段因发生压溶作用而产生了缝合线［23］（图6c）。较强的压实和压溶作用使得残余粒间孔的数量极少，严重损失了云质岩的孔隙。

图6 玛湖凹陷二叠系风城组云质岩中发育的裂缝Fig.6 Fractures developed in dolomitic rocks of Permian Fengcheng Formation in Mahu Sag

3.6 油气充注作用

通过薄片荧光观察，发现玛湖凹陷风城组具有多期油气充注的特征，且油气充注特点与其发育的碱湖优质烃源岩相关，主要有如下几种油气充注痕迹：①第1 期油气充注表现为残余炭质沥青和胶质沥青（图7a），无荧光显示，主要分布在收缩缝和残余粒间孔中，为第1 期充注的油在后期的成岩作用过程中受到破坏而蚀变为固体沥青；②第2 期油气充注表现为自生矿物在生长过程中沿解理捕获的成带状或球状分布的橙黄色荧光包裹体，以及伴随自生白云石生长期充注的油气，使白云石晶体显示出环带荧光（图7b，7c）；③第3 期油气充注表现为孔隙和裂缝中的草绿色荧光或在某些自生矿物中捕获的绿色荧光包裹体，为轻质油充注（图7d—7f）。

图7 玛湖凹陷二叠系风城组储层中充注油气的微观荧光显示特征Fig.7 Microscopic fluorescence display characteristics of hydrocarbon charged reservoirs of Permian Fengcheng Formation in Mahu Sag

4 成岩演化序列

4.1 成岩阶段

玛湖凹陷二叠系风城组泥岩的镜质体反射率（Ro）为0.56%～1.14%，平均值为0.8%，处于成熟演化阶段，对应中成岩B 期［16］。烃源岩岩石热解峰值Tmax为435～450 ℃的样品超过60%，说明绝大部分的有机质演化程度已经达到了成熟阶段，对应中成岩A 期［24］。同时，根据自生矿物包裹体测温数据，包裹体最大温度为122.8 ℃，处于中成岩A 期。由此判断玛湖凹陷风城组大部分储层处于中成岩A期，少量样品已进入中成岩B 期。

4.2 成岩现象的微观特征

玛湖凹陷风城组典型样品的薄片鉴定与扫描电镜分析结果显示：①脱玻化微孔中充填沥青，沥青为第1 期油气充注的产物（图8a），且可见脱玻化石英充填于早期形成的白云石晶间孔隙（图8b），表现出从早期到晚期经历它形—半自形白云石形成→脱玻化→第1 期油气充注，脱玻化晚于早期自生白云石但早于第1 期油气充注。②自生白云石缝合线中充填沥青（图8c），具环带橙黄色荧光的半自形—自形白云石（图8d），以及环带草绿色荧光半自形—自形白云石（图8e），均被草绿色荧光的构造裂缝切割，因此缝合线早于第1 期油气充注，自生白云石明显早于构造裂缝，构造裂缝形成后仍有轻质油充注。③具有3期油气充注，第1 期为残余黑色沥青，第2 期发橙黄色荧光，第3 期发草绿色荧光，其中第3 期分布最为广泛（图8d—8g）。④湖盆咸化初期沉淀出早期白云石和方解石，随着碱湖咸化程度的升高，Mg2+和Ca2+浓度降低，Na+与HCO3-结合并形成碳氢钠石、天然碱等盐类矿物［25-26］，镜下可见碳氢钠石包裹白云石，而石盐包裹碳氢钠石，还可见氯碳钠镁石交代碳氢钠石（图8h，8i），因此盐类矿物从早期到晚期的沉淀序列为：早期白云石→碳钠钙石→碳钠镁石→碳氢钠石→氯碳钠镁石→石盐。

图8 玛湖凹陷二叠系风城组储层中的成岩现象共生关系Fig.8 Symbiotic relationship of diagenetic phenomena in reservoirs of Permian Fengcheng Formation in Mahu Sag

4.3 主要成岩矿物形成时期

根据成岩矿物中包裹体均一温度和微区同位素分析测得的氧同位素，确定了玛湖凹陷风城组主要成岩矿物的形成时期（表2）。研究区自生白云石共有3 个不同的温度区间，其中有荧光显示的白云石温度分别为94.2～97.4 ℃和120.9～122.8 ℃，没有荧光显示的白云石温度为68.0 ℃，硅硼钠石（橙黄色荧光包裹体）、石英（绿色荧光包裹体）和方解石（有橙黄色荧光包裹体）捕获的包裹体温度分别为94.2～97.4 ℃，111.4 ℃和85.6～88.0 ℃。根据上述特征，推测第2 期油气充注时的古温度为80.0～100.0 ℃，此时风城组烃源岩也正处于生油窗；第3期油气充注的温度高于110.0 ℃，属于风城组烃源岩的排烃高峰期。根据温度特征，大量的具有荧光和无荧光的白云石形成于中成岩A 期，自生石英和最后2 期油气充注也主要发生在中成岩A 期。通过激光微区采样测得氧同位素值，利用同位素地质温度计反演出遇酸或遇水易溶的盐类矿物如碳氢钠石、天然碱、氯碳钠镁石、碳钠钙石、碳钠镁石等形成时的温度为24.40～27.90 ℃，这一温度区间接近风城组沉积时期的古地表温度，因此这些盐类矿物的形成时期主要为同生期，与碱湖水体的高度浓缩有关。

表2 玛湖凹陷二叠系风城组包裹体均一温度及同位素反演古温度数据Table 2 Data of inclusion homogenization temperature and isotopic inversion of paleotemperature of Permian Fengcheng Formation in Mahu Sag

4.4 成岩演化序列

根据玛湖凹陷风城组云质岩的成岩阶段分析、主要成岩现象的微观特征以及典型矿物的形成古温度等，明确了该区风城组云质岩的成岩演化序列特征（图9）：①脱玻化作用发育于早成岩A 期；②白云石的形成可分为3 期，其中最主要的为早成岩B期；③遇酸或遇水易溶的盐类矿物主要形成于同生期；④发生了3 期溶蚀作用，自早成岩晚期到中成岩B 期均有溶蚀作用发生，其中第2 期溶蚀作用最强；⑤存在3 期油气充注，其中第1 期充注时期较早，为早成岩B 期，中成岩阶段发育2 期油气充注，且充注持续时间长。

图9 玛湖凹陷二叠系风城组成岩演化序列特征Fig.9 Characteristics of diagenetic evolution sequence of Permian Fengcheng Formation in Mahu Sag

5 云质岩成储与油气充注成藏耦合特征

玛湖凹陷二叠系风城组主要为碱湖环境中的细粒岩沉积，岩石普遍致密，但发育厚度大、生烃能力强的优质烃源岩，且具有较好的封盖能力，因此其成藏的关键主要取决于储层的发育状况。风城组中发育较为致密的云质岩储层，其烃源岩在演化过程中排出的油气即可进入储层中形成致密油气藏。勘探开发成果表明，风城组储集性相对较好的云质岩是玛湖凹陷致密油聚集的主要场所，主要以互层或透镜体状分布于烃源岩中（图10）。

图10 玛湖凹陷二叠系风城组成藏模式Fig.10 Reservoir accumulation model of Permian Fengcheng Formation in Mahu Sag

玛湖凹陷风城组云质岩经历的成岩作用比较复杂，不同类型的云质岩成储与油气充注具有不同的耦合特征。根据云质岩孔隙的形成时期与油气充注特征等，建立了玛湖凹陷风城组云质岩成储与油气充注成藏耦合模式图（图11）。研究区风城组沉积时火山喷发频繁，且以酸性熔浆为主，喷出物中具有较多的火山玻璃基质、玻屑等，其沉积后因碱湖干旱气候发生收缩形成大量的网状缝，并在浅埋藏过程中由于温度、压力和流体性质等的变化，发生脱玻化作用，形成较发育的微孔，为随后的第1期油气充注贡献了储集空间，形成与脱玻化作用相关的油气藏。碱湖也因为高盐度，在同生期沉淀碳氢钠石、天然碱、小苏打、碳钠钙石等而形成盐壳，有效保护了浅埋藏脱玻化作用形成的微孔。这些盐类矿物多数遇酸或遇水易溶，为后期云质岩发生溶蚀提供了物质基础。早成岩末期—中成岩A 期，云质岩分布在风城组碱湖优质烃源岩中，且碱湖烃源岩具有生烃早、生排烃高峰持续时间长等特征，因此，排出了丰富的酸性流体，导致云质岩中的长石、盐类矿物等发生溶蚀，为第2 期和第3 期油气充注提供了良好的储集空间，并形成了与烃源岩演化排出的酸性流体导致的溶蚀作用相关的另一类油气藏。中成岩B 期，玛湖凹陷在构造作用下形成了较广泛分布的裂缝，裂缝发育区云质岩中的盐类矿物、长石等发生溶蚀后形成储集空间或进一步提高了储集性，同时也为第3 期油气充注提供了良好的运移通道，为油气成藏创造了良好的条件，形成与构造裂缝叠加溶蚀相关的一类油气藏。由此可见，玛湖凹陷风城组云质岩因其复杂多样的成储模式与多阶段的油气充注，形成了广泛分布于凹陷不同位置的多种致密油气藏。

图11 玛湖凹陷二叠系风城组云质岩成储与油气充注成藏耦合特征Fig.11 Coupling characteristics of dolomitic reservoir formation and hydrocarbon charging of Permian Fengcheng Formation in Mahu Sag

6 结论

（1）玛湖凹陷二叠系风城组云质岩主要包括火成岩类、砂（砾）岩类、泥岩—粉砂岩类等三大类，其中云质火成岩类中的云质凝灰岩和云质沉凝灰岩最为发育。

（2）研究区风城组云质岩成岩作用复杂，尤以脱玻化作用、多种成岩矿物析出、多期油气充注最具特色。析出的成岩矿物主要有钙镁碳酸盐矿物、与碱湖环境相关的非钙镁碳酸盐易溶盐类矿物、长石和沸石等铝硅酸盐矿物及硅质矿物；溶蚀作用广泛发育，其中铝硅酸盐矿物的溶蚀和非钙镁碳酸盐盐类矿物的溶蚀最为发育；除构造形成多期裂缝外，还发育较多的收缩缝。

（3）研究区风城组云质岩储层大多数处于中成岩A 期，部分进入中成岩B 期。脱玻化作用形成于早成岩A 期，并形成了较多的纳米级微孔；发育早、中、晚3 期白云石，主要发育于早成岩B 期；非钙镁碳酸盐盐类矿物主要形成于同生期，为后期溶蚀作用奠定了物质基础；发育3 期溶蚀作用，以第2 期溶蚀作用为主；存在3 期油气充注，其中第2 期和第3期油气充注间隔时间短，且第3 期充注持续时间长。

（4）研究区风城组云质岩成储的多样性与油气充注的多期性具有多种耦合特征，形成了不同类型的致密油气藏，扩大了玛湖凹陷风城组云质岩致密油勘探领域。