鄂尔多斯盆地大牛地地区奥陶系马家沟组马五5亚段白云岩地球化学特征及成因

于春勇,贾雨萌，任战利，王起琮,任虎俊

1中国煤炭地质总局水文地质局；2西北大学大陆动力学国家重点实验室；3西安石油大学油气资源学院

0 前言

鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组为一套以碳酸盐岩为主、夹蒸发岩的地层，自下而上可分为6个段，依次为马一段—马六段，马五段自上而下又可划分为10个亚段，依次为马五1—马五10亚段，其中马五5亚段白云岩在盆地中东部广泛发育，是马家沟组主要的天然气产出层位之一。近年来，马五5亚段白云岩的成因一直备受广大地质学者的关注，取得了一定的认识，但还存在以下问题：①成因机理仍存在较大分歧，尤其是结晶程度较高的白云岩的成因，存在混合水白云石化［1-2］、回流渗透白云石化［3-5］、埋藏白云石化［6-7］等多种认识；②已往研究多集中于中央古隆起东侧，对盆地东部马五5亚段白云岩成因的研究甚少，即便涉及研究区，也主要是在全盆地基础上通过沉积相对其进行推断，缺乏针对性、系统性的研究，因而制约了大牛地地区马五5亚段白云岩储层中天然气的勘探；③应用地球化学手段来判断白云岩成因，往往具有多解性，为确保解释结果的正确性，需通过多种地球化学或其他地质手段进行全面综合的分析，以便相互印证［8-12］。

本文结合岩石学特征，通过碳氧同位素、微量元素及流体包裹体等测试资料的综合分析，深入探讨大牛地地区马五5亚段白云岩的地球化学特征及成因机制，并建立研究区白云石化模式，以期为马五5亚段白云岩天然气的勘探工作提供科学依据。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地位于华北克拉通西部，是在太古宇和古元古界变质岩基底上发育的多旋回克拉通型盆地，是我国非常重要的大型含油气盆地之一［13］。盆内马家沟组碳酸盐岩地层相对平缓，且断层与褶皱不发育，整体呈东北向西南方向倾伏，倾角一般小于3°［9，14］。大牛地气田位于伊陕斜坡北缘（图1a），东北方向分别被伊盟隆起、晋西挠褶带所环绕，面积约为2 600 km2，构造为一以乌拉庙东为构造高点、呈NE—SW向展布的低缓隆起［15-16］。马五5亚段沉积时期，古气候转变为干热，海平面动荡升降，呈现出快速海侵、缓慢海退的特征，期间水下古隆起广泛发育，台地坡度缓，大牛地地区主要发育浅水碳酸盐台地相，以潮下带—潮间带沉积环境为主；岩性以灰色泥晶白云岩、深灰色藻砂屑灰岩、藻叠层石白云岩及含膏泥晶白云岩为主（图1b），纵向上岩性变化频繁。早期沉积的石灰岩经白云石化作用可形成有效白云岩储层，为后期天然气的富集奠定良好的基础［17-18］。

图1 鄂尔多斯盆地大牛地地区位置及马五5亚段岩性综合柱状图Fig.1 Location of the study area and comprehensive lithologic column of O1m55 in Daniudi area,Ordos Basin

2 样品与实验方法

样品均取自大牛地地区2口井（D48井、D78井）的马五5亚段白云岩岩心。为排除杂质及有机质的干扰，确保测试结果的可靠性，对测试样品逐一进行手标本观察后，均采用微型牙钻取样。测试分析内容主要包括4个方面：薄片鉴定（35件）、微量元素（33件）、碳氧同位素（20件）及流体包裹体（7件）。

薄片鉴定在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。观察前用茜素红与铁氰化钾混合溶液对薄片进行染色，采用DMLP-217400高倍显微镜进行观察，检测环境为室温。

微量元素测试在同济大学海洋地质国家重点实验室完成。采用电感耦合等离子体质谱仪(ICPMS)、离线测试系统（VGX7）测定，检测精度优于±5%。

同位素测试在中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室完成。测试前首先将碳酸盐岩样品置于25℃、真空条件下，与纯磷酸进行恒温反应，石灰岩样品反应24 h，白云岩样品反应72 h；然后将分离出的CO2送入MAT253-C033气相质谱仪进行碳氧稳定同位素测定（PDB标准），检测精度为±0.05%。

包裹体测温在中国地质大学（武汉）构造与油气资源教育部重点实验室完成。采用Olympus显微镜及THMSG600冷热台进行显微测温，分析精度为±0.1℃。

3 实验结果

3.1 岩石学特征

薄片观察发现，大牛地地区马五5亚段主要发育白云岩、石灰岩及其过渡岩石类型（如灰质白云岩、白云质灰岩）。根据岩石结构及成因，白云岩可进一步划分为泥晶白云岩和粉细晶白云岩2种类型。

泥晶白云岩主要发育于马五5亚段底部。晶粒主要呈他形—半自形结构，粒径一般小于40μm，晶体形态较难识别，可见近水平藻纹层、少量针状石膏假晶及生物钻孔等原始沉积构造（图2a，2b）；孔隙相对不发育；白云石有序度较低，平均值为0.63。

粉细晶白云岩主要发育于马五5亚段中上部，占整个马五5亚段白云岩的50%以上。晶粒以自形—半自形结构为主，呈镶嵌式接触，粒径一般介于50～200μm，常与黄铁矿共生，常见溶蚀残余砂屑及雾心亮边等结构（图2c，2d）；晶间孔及溶蚀孔发育；晶间可见残余泥灰质，局部可见白云石化交代不彻底现象（图2e）；缝合线发育，多切割白云石晶粒（图2c，2f）；白云石有序度偏高，平均值为0.89。

3.2 碳氧同位素特征

大牛地地区马五5亚段不同岩性的碳氧同位素特征有差别。泥晶灰岩的δ13CPDB值分布范围为-1.74‰～-0.42‰，平均值为-1.05‰；δ18OPDB值分布范围为-9.79‰～-6.42‰，平均值为-8.24‰。泥晶白云岩和粉细晶白云岩δ13CPDB值分布范围分别为-1.15‰～0.10‰、-1.96‰～-0.45‰，平均值分别为-0.65‰、-1.33‰，均与同期海水值一致(早奥陶世海水的δ13C值分布范围约为-2.0‰～0.5‰［10］)；δ18OPDB值分布范围分别为-7.06‰～-6.07‰、-9.82‰～-7.82‰，平均值分别为-6.65‰、-8.91‰，与同期海水值(早奥陶世海水的δ18O值分布范围约为-6.6‰～-4.0‰)相比，均表现为显著偏负的特征［5，19］。

3.3 微量元素特征

研究区泥晶灰岩的Fe含量介于195～410μg/g，平均值为349μg/g；Mn含量介于12～36μg/g，平均值为25μg/g；Sr含量介于143～197μg/g，平均值为164μg/g；Na含量介 于234～285μg/g，平 均 值为265μg/g。与泥晶灰岩相比，白云岩的Fe、Mn、Na元素含量均偏高，Sr元素含量相对偏低：泥晶白云岩的Fe、Mn、Sr、Na元素含量平均值分别为1 202μg/g、49μg/g、151μg/g、488μg/g；粉细晶白云岩的Fe、Mn、Sr、Na元素含量平均值分别为1 974μg/g、77μg/g、78μg/g、426μg/g。粉细晶白云岩的Fe、Mn元素含量显著高于泥晶白云岩，而Sr、Na元素含量明显偏低，这一特征表明粉细晶白云岩后期可能遭受风化淋滤的改造，说明二者应具有不同的沉积环境和成岩演化史。

3.4 包裹体特征

大牛地地区马五5亚段泥晶白云岩和粉细晶白云岩晶体内部、晶体环带及晶体边缘广泛发育包裹体，且以白云石晶体内部赋存为主。包裹体多呈长方形或椭圆形规则状、轮廓清晰，大小一般介于3～10μm，多呈气-液两相存在，气液比一般介于5%～15%。包裹体常以5～9个的组合形式出现，还可见少量单一液相与气-液两相包裹体共存（图3），共存频率约为1/5。共存包裹体多发育于同一晶体内不同区域或晶体环带内，大小相近，呈离散状分布，与两相包裹体无明显配对关系。对原生气-液两相包裹体进行显微测温，获得研究区白云岩中包裹体的均一温度和冰点温度（表1）。

图3 鄂尔多斯盆地大牛地地区马五5亚段白云岩包裹体微观照片Fig.3 Micrographs of dolomite inclusions of O1m55 in Daniudi area,Ordos Basin

表1 鄂尔多斯盆地大牛地地区马五5亚段白云岩包裹体特征参数Table 1 Characteristics and parameters of dolomite inclusions of O1m55 in Daniudi area,Ordos Basin

4 讨论

4.1 成岩蚀变的影响

若海相碳酸盐岩后期遭受强烈的成岩蚀变作用，这种情况下利用碳氧同位素分析白云岩的成岩环境及成因机理，结果往往是不正确的。已有研究表明，Mn/Sr值可用来判断碳酸盐矿物的成岩蚀变程度：当Mn/Sr值＜2时，原岩发生了较弱的成岩蚀变，碳酸盐岩基本保持了原始海水同位素的信息［19，21-23］。大牛地地区马五5亚段样品的Mn/Sr值均小于2，说明白云岩后期未遭受强烈的成岩蚀变作用。此外，Kaufman等［24］认为碳氧同位素之间若存在相关性，则碳氧同位素值不能够代表原始沉积信息。分析表明，大牛地地区样品碳氧同位素之间整体不具有明显相关性（图4）。因此，测试样品未遭受强烈成岩蚀变作用，所测得的碳氧同位素值能够用来解释研究区白云岩的成岩环境和成因机理。

图4 鄂尔多斯盆地大牛地地区马五5亚段碳酸盐岩碳氧同位素组成相关关系Fig.4 Correlation between carbon and oxygen isotopic compositions of carbonate rocks of O1m55 in Daniudi area,Ordos Basin

4.2 碳氧稳定同位素对白云岩成因的指示

碳氧同位素常用于白云岩成因解释。白云岩的碳氧同位素组成特征主要受控于白云石化对象自身的碳氧同位素组成及成岩流体的盐度和温度［19，25］。局限蒸发环境下形成的白云岩，其δ13C和δ18O值均较高；高温高压深埋藏条件下形成的白云岩，其δ18O值较低；热液环境下形成的白云岩，其δ18O值多数小于-10.0‰［19］。同沉积期海水的碳氧同位素值是不同成因白云岩的碳氧同位素值变化的基础，故需将白云岩碳氧同位素值与同期海水进行对比才能更合理地进行成因解释［26］。

如前所述，大牛地地区马五5亚段白云岩的δ13C值与同期海水一致，δ18O值与同期海水相比显著偏负，这与黄正良等［27］的认识一致。由图4可知，研究区白云岩样品的δ18O值均大于-10.0‰，基本排除了白云岩为热液成因的可能性；δ13C值全部位于同期海水值范围的现象，则表明研究区白云石化流体应主要为海源性流体。已有研究表明，白云岩的δ13C值主要受有机质以及硫酸盐还原反应（TSR）的影响，温度对其影响相对较小，后期成岩过程中δ13C值通常不发生显著变化，仍表现为原岩特征；而白云岩的δ18O值偏负的原因，则可能主要与大气淡水混入和埋藏环境下的高温有关［19］。研究区白云岩的δ13C值与同期海水一致，排除了受上述因素影响的可能性。泥晶白云岩位于马五5亚段底部，镜下观察发现其未遭受明显的大气淡水改造，且与泥晶灰岩相比具有相对偏高的δ18O值，反映其应形成于高盐度的蒸发环境。粉细晶白云岩位于马五5亚段中上部，其δ18O值相对更为偏负（图4），考虑晚中生代伊陕斜坡发生构造反转可能使其间歇性暴露于地表这一因素，粉细晶白云岩可能是早期大气淡水改造与埋藏增温叠加作用的结果，至少反映了其受到埋藏增温作用的影响。

此外，根据Keith等［28］提出的由碳氧同位素推导盐度指数（Z）的经验关系式Z=2.048×(δ13CPDB+50)+0.498×(δ18OPDB+50),对大牛地地区不同类型白云岩的成岩环境进行恢复。研究区马五5亚段泥晶白云岩Z值均大于120，粉细晶白云岩虽然部分样品低于120，但仍与120接近，表明白云石化流体均主要为海源性流体，且泥晶白云岩形成于盐度较高的咸化海水成岩环境，粉细晶白云岩形成于盐度较低的浅埋藏环境。

4.3 微量元素对白云岩成因的指示

微量元素的变化特征可以用来判断白云石化流体的性质及沉积和成岩环境，其中Fe、Mn、Sr、Na、K在碳酸盐岩成岩作用和流体性质判别方面尤为有效。Fe、Mn含量在海水中通常较低，而在地层孔隙水中则相对较高，且随成岩作用强度的增加，呈现逐渐增加的趋势，这主要与Fe、Mn元素对还原环境的敏感性有关，即还原性越强，越容易以类质同象方式进入白云石的晶格［28］。Sr作为常用的示踪元素，主要富集于海水中，随成岩作用强度的增加，Sr含量逐渐减少。Na含量可用来反映成岩流体的盐度［29-30］。

有学者认为埋藏作用为鄂尔多斯盆地马五5亚段白云岩的主要成因机制，马五5亚段白云岩中Sr、Na贫乏，Fe、Mn富集［31］。这一观点与研究区的实际资料不符：如前所述，大牛地地区马五5亚段白云岩中Fe、Mn、Na、K含量总体相对较高，Sr含量相对较低。由图5a与图5b可知，随着成岩作用的加强，白云岩中Fe、Mn含量整体呈增加的趋势：泥晶白云岩的增加趋势不显著，反映其形成环境具有一定的氧化性；粉晶白云岩的增加趋势显著，反映其形成环境具有一定的还原性。泥晶白云岩的Na含量较泥晶灰岩的高，平均值为488μg/g，其与墨西哥湾、阿拉伯海湾现代海洋白云石的Na含量（1 000～10 000μg/g）接近［32-34］。这表明泥晶白云岩形成于盐度较高的海水中，符合近地表蒸发环境准同生白云石化成因的特征。由图5c可知，粉细晶白云岩的Na含量介于泥晶灰岩和泥晶白云岩之间，且多数样品的Na含量仍分布在泥晶白云岩的Na含量范围内，说明三者之间流体具有一定的继承性。对于粉细晶白云岩，白云石化流体为中等盐度，可能主要与浅埋藏阶段回流渗透作用有关［35］。研究区粉细晶白云岩的Mn含量平均值为77μg/g，Na含量平均值为42μg/g，应为浅埋藏期回流渗透白云石化作用的产物［10］。有研究表明：早奥陶世马五5亚段沉积初期，主要发育海退旋回，气候干热；马五5亚段沉积末期，主要发育海侵旋回，气候相对潮湿［3-4］。这与由微量元素推断的沉积环境相吻合。

图5 鄂尔多斯盆地大牛地地区马五5亚段碳酸盐岩微量元素含量交会图Fig.5 Crossplots of trace element contents of carbonate rocks of O1m55 in Daniudi area,Ordos Basin

4.4 包裹体温度与盐度对白云岩成因的指示

流体包裹体作为研究地层流体的一种重要地质手段，亦可应用于判断白云石化流体性质。为确保包裹体显微测温数据的可靠性，首先结合包裹体形态特征，对单一液相包裹体进行冷冻、人工拉伸处理，单一液相包裹体未能获取气泡，排除了单一液相包裹体是由卡脖子及非亚稳态造成的可能性，同时也表明单一液相包裹体形成于近地表环境且温度低于50℃［22］。由表1可知：泥晶白云岩原生包裹体均一温度为82.5～138.4℃，平均值为112.6℃；粉细晶白云岩为105.7～155.8℃，平均值为140.8℃。两者相比，前者整体上明显偏低（图6）。

图6 鄂尔多斯盆地大牛地地区马五5亚段白云岩包裹体均一温度直方图Fig.6 Homogenization temperature histogram of dolomite inclusions of O1m55 in Daniudi area,Ordos Basin

根据Potter等［20］提出的盐度（S）与冰点温度(Ti)的换算公式S=0.00+1.769 58Ti-0.042 384Ti2+0.000 527 78Ti3±0.028，计算得到大牛地地区马五5亚段粉细晶白云岩中包裹体的盐度（平均值为22.6%）较泥晶白云岩（平均值为24.2%）略微偏低，反映粉细晶白云岩的Mg2+来源应为回流渗透机制的下渗富Mg2+卤水，近地表低水体的岩层不断吸入海水是导致粉细晶白云岩的盐度较泥晶白云岩偏低的主要原因［19］。

5 白云岩成因模式及油气地质意义

早奥陶世马五5亚段沉积时期，鄂尔多斯盆地位于赤道附近［36］，气候整体干旱，海水强烈蒸发浓缩，促使大牛地地区浅水碳酸盐岩台地潮坪海水盐度不断升高，高盐度的海水不仅为白云石化提供了大量Mg2+，促使泥晶白云岩的形成，还为后期浅埋藏阶段回流渗透白云石化提供了较强的水体动力，即为粉细晶白云岩的形成奠定了良好基础［37］。

研究区马五5亚段沉积初期，发育海侵旋回，沉积了一套以泥晶灰岩为主的地层。马五5亚段沉积中期，发育海退旋回，研究区表现为水体受限、盐度较高、以蒸发为主的浅陆表海沉积环境，充足的高盐度海水迅速交代早期沉积物表层的灰泥岩，形成了一套层薄、横向不稳定、颗粒相对较小的准同生泥晶白云岩（图7）。至马五5亚段沉积末期，虽然盆地东部局部发生构造反转，但沉积物埋深依旧相对增大，使得地层还原性增强，地层温度相应升高；在上覆沉积物和横向挤压应力的共同作用下，高盐度的富Mg2+海水向下伏尚未被压实的石灰岩发生缓慢渗流，不断驱替沉积物中的原生孔隙水，发生交代白云石化作用，最终形成层厚、横向稳定、颗粒较粗的粉细晶白云岩（图7）。然而，由于回流渗透作用具有一定限度，地层深部往往发育交代不彻底的灰质白云岩、白云质灰岩等过渡岩类。

图7 鄂尔多斯盆地大牛地地区马五5亚段白云石化作用模式Fig.7 Dolomitization model of O1m55 in Daniudi area,Ordos Basin

白云石化的一个重要结果就是岩石孔隙度的增加，尤其是晚期成岩白云石化作用，对高孔、高渗优质白云岩储层的形成起着至关重要的作用。与马五5亚段中上部相比，研究区马五5亚段底部泥晶白云岩的白云石化作用发育程度较低，白云石化不彻底，白云石化作用对储层储集空间的保存相对较弱，储层非均质性较强，储层质量差。回流渗透白云石化成因的粉细晶白云岩，其孔隙度明显高于蒸发浓缩白云石化成因的泥晶白云岩［5］，马五5亚段中上部储集层基质孔隙度、渗透率平均值分别为4.57%、0.041×10-3μm2，显著高于马五5亚段底部（孔隙度1.6%，渗透率0.011×10-3μm2）。结合马五5亚段主要滩体及白云岩的分布特征［9］,从成岩作用角度对大牛地地区马五5亚段有利白云岩储层发育区进行预测，认为马五5亚段中上部白云岩发育，而且横向上滩体大面积稳定分布，因而储层均质性强、物性好，为研究区有利勘探层位（图7）。

尽管当前针对马五5亚段中上部优质白云岩的勘探主要集中在大牛地地区，但依据本文白云岩成因模式分析，马五5亚段优质白云岩储层亦可向大牛地南部地区延伸（靖西地区东部）。靖西地区以马五5亚段白云岩储层为含气层的多个含气区的发现［38］充分印证了上述认识。该研究成果为后期扩展天然气勘探区带及评价资源总量提供了科学依据。

6 结论

（1）鄂尔多斯盆地大牛地地区奥陶系马五5亚段主要发育泥晶白云岩和粉细晶白云岩，泥晶白云岩主要发育于马五5亚段底部，粉细晶白云岩主要发育于马五5亚段中上部。泥晶白云岩中发育鸟眼、针状膏岩假晶及水平藻纹层等原始沉积构造，白云石有序度低；粉细晶白云岩常见残余砂屑和雾心亮边结构，晶间孔、溶蚀孔发育，白云石有序度相对较高。

（2）泥晶白云岩和粉细晶白云岩的δ13C值与同期海水一致，δ18O值显著偏负，微量元素Fe、Mn、Na、K含量相对较高，Sr含量低。相较粉细晶白云岩，泥晶白云岩δ18O值及Sr、Na含量偏高，Fe、Mn含量偏低。两类白云岩形成时期的盐度分别为24.2%、22.6%。泥晶白云岩应为准同生阶段的产物，粉细晶白云岩应为回流渗透作用的产物，白云石化流体主要为海源性流体，无大气淡水和热液流体的参与。

（3）基于岩石学和地球化学的系统分析，建立了研究区准同生和回流渗透两种白云石化模式，马五5亚段中上部白云岩具备大规模发育的地质条件，大牛地南部地区可成为扩大天然气勘探的新勘探领域。