苏东奥陶系马五5亚段碳酸盐岩成岩作用与孔隙演化

季明明 赵俊兴 李凤杰 伍宏远

（成都理工大学沉积地质研究院）

苏东奥陶系马五5亚段碳酸盐岩成岩作用与孔隙演化

季明明 赵俊兴 李凤杰 伍宏远

（成都理工大学沉积地质研究院）

利用岩心观察、薄片图像分析、X－射线衍射、地化分析等资料，分析认为苏里格地区东部马五5亚段碳酸盐岩在成岩过程中经历了海水、大气淡水、埋藏成岩环境；成岩作用复杂多样，其中溶蚀作用和白云石化作用对储层孔隙发育有利。马五5亚段白云岩成因可划分为准同生期白云岩化和埋藏期白云岩化两种。图4表2参14

碳酸盐岩 成岩作用 白云石化 孔隙演化 苏东地区

0 引言

苏里格气田位于鄂尔多斯盆地的中北部、中央古隆起东北侧，区域构造属于伊陕斜坡北部中带。依据古生物特征、沉积旋回和区域性标志层，马家沟组从下往上划分为马一—马六6段，其中马五段沉积厚度最大处约300 m，目前所发现的主要气层就是马五段顶部的碳酸盐岩风化壳储层，厚度约60～90 m。本文通过岩石薄片鉴定、薄片图像分析、测井资料以及地球化学分析等手段，对苏里格气田东部地区马五5亚段成岩作用和白云岩的成因有了进一步的了解，并取得一些新的认识。

1 地质背景及沉积环境

中奥陶统马家沟组沉积时期，由于南北秦岭和兴蒙洋壳俯冲，产生相向挤压作用力，苏里格地区整体表现为震荡性海退；盆地的北面、西面、南面共同隆起环绕，形成障壁强蒸发的陆棚边缘，是具高咸度、浅水、暴露的低能沉积环境，处于高频海平面变化相对低水位期［1］。马五期中央隆起出露水面，阻隔西边海水补给；东边华北地块海平面整体降低，海水因海底消能，涌入量相对减少；南边断裂作用减弱，海水补给量有限，所以盆地内海水循环性较差［2］（图1）。到了加里东末期，由于南北秦岭和兴蒙洋壳俯冲加速造成构造挤压，鄂尔多斯盆地腹地海退成陆，研究区马家沟组地层抬升地表遭受约1.5亿年的风化剥蚀；海西期，鄂尔多斯盆地整体下沉，研究区奥陶系地层结束了长期暴露溶蚀的历史，开始接受沉积；到了燕山－喜山中、深埋藏成岩期，该时期研究区持续坳陷，奥陶系处于较高温高压的深埋藏环境。

图1 研究区位置及奥陶系马五5亚段沉积环境

根据测井解释综合成果，将马五5亚段划分为马、、三个小层，对应的沉积亚相依次为潮上带、潮间带和潮下带。研究区内白云岩纵向上厚度变化较大，具东南厚西北薄的特点；岩性自上而下依次为微晶灰质白云岩、粉晶—中晶白云岩、微晶灰岩，由于纵横向上沉积环境变化和白云石化作用的差异性造成的［3］。总之，研究区内海水在马五5时期处于较低水位，蒸发作用较强，整体表现为海平面下降的特征。

2 岩石学特征

马家沟组马五5亚段岩性主要以白云岩、灰岩为主，其次为少量岩溶角砾岩。白云岩以灰色、浅灰色为主，晶粒结构，少数具有颗粒结构，多为泥晶、粉晶

和细晶，有少量的中晶、不等晶白云岩；主要矿物为白云石和方解石，常见自生石英和黄铁矿，含少量泥质。一些白云石晶粒具有雾心亮边结构。灰岩以深灰色、灰黑色为主，多为微晶灰岩，少量颗粒灰岩及次生灰岩及叠层灰岩；矿物以方解石为主，含黄铁矿，偶见石膏。岩溶角砾岩，按其成分，可以分为岩溶角砾灰岩和岩溶角砾白云岩（图2a）。

根据Gregg和Silbey所作常见的白云石结构分类［4］，依据形成温度的不同，将白云石化所结晶的晶体结构分为平直晶面和非平直晶面两种。形成平直晶面的白云石温度一般在50～60℃以下，颗粒细小，自形—半自形（图2b），形成于浅埋藏的或近地表的环境；而后者形成温度在50～60℃以上，颗粒粗大，半自形—他形（图2c），则是在中—深埋藏环境下形成的。

图2 苏东地区马五5亚段白云岩显微镜下照片特征

3 成岩作用

借助于地球化学分析手段，对该区成岩作用及成岩环境的变化有了进一步的认识。微量元素方面，研究区白云岩的Sr和Na含量较低，Fe、Mn含量相对灰岩则升高。白云岩样品中Sr含量很低（0.004%～0.016%，平均值0.0084%），灰岩样品中Sr含量也很低，这说明该区白云石化的母体是低镁方解石。Na含量（0.02%～0.17%，平均值0.078%，）大大低于近代生物成因的碳酸盐岩Na含量（0.5%～0.8%）［4］，表明是在成岩过程中流体受到大气水的稀释。与该区内灰岩样品相比，白云岩中Fe（0.10%～1.68%，平均值0.47%）和Mn（0.0027%～0.035%，平均值0.01%）含量要增高，因为随着埋藏深度的增加，在还原环境下进行的成岩作用使Fe、Mn进入白云石晶格中。碳、氧同位素测试结果显示，δ13C和δ18O都为负值（δ13C为－3.08‰～－0.71‰，平均值－1.63‰；δ18O为－7.1‰～－10.3‰，平均值－8.9‰），这是由于大气淡水加入的原因。大气淡水的混入，促使白云石的氧于大气水中的氧进行了交换，使δ18O向负值偏离更高。δ13C主要取决于初始沉积环境中流体的性质，其值与灰岩中δ13C相似，代表了当时沉积初期海水的信息，这表明白云石化的流体性质为海水。

根据地球化学分析，沉积物从沉积埋藏到后期变质之前共经历了海水成岩环境、大气淡水成岩环境和埋藏成岩环境。因此，笔者结合区域地质演化将成岩过程划分为准同生期、早期藏成岩期、大气淡水－表生期、晚埋藏成岩晚期4个阶段。研究区内的成岩作用主要包括白云岩化作用、溶蚀作用、压实和压溶作用、重结晶作用、去育化作用、去白云岩化作用和盐铁矿化作用共七种类型。其中溶蚀作用和白云岩化作用对储层的改造最为有利。

3.1 白云石化

研究区内的主要储层为白云岩，主要集中分布于北部的苏东39－61井—桃33井一带，呈近北东—南西向展布，白云岩厚度自0～28.7 m，平面上呈串珠状分布，反映出有效储层横向变化快、规模小的特点；有效储层基本上继承了白云岩的分布范围。气藏与白云岩之间存在很好的对应关系，气藏均分布于白云岩分布区和有效储层的分布区范围之内。该区白云岩的成因主要为准同生期白云岩化和埋藏白云岩化两种，早期沉积形成的准同生白云岩岩石致密，孔渗极低，不利于孔隙水的赋存和流动；而早期的粒屑灰岩相对孔隙度较大，经埋藏作用发生白云岩化，形成

的晶粒粉晶—中晶白云岩，孔隙发育，是气藏富存的重要空间。根据白云岩化的时期不同以及其镜下岩石学特征差异，将研究区内白云岩类型划分为三类，分别为准同期形成的白云岩和浅埋藏期早成岩期白云岩及中—深埋藏晚成岩期形成的白云岩。这三类白云岩在岩石学特征上有不同（表1）。

表1 三类白云岩特征对比

产于潮上云坪、泥云坪、云泥坪的准同生白云岩，泥晶—微晶，颜色多为浅灰色或土黄色，含泥多，晶形较差，无核心、无环带构造，其结构细，有水平纹层。在阴极射线照射下，此类白云石发较暗的棕红色光；这是由于浅水的潮坪环境处于氧化条件下，Mn2＋和Fe2＋无法进入泥晶白云石的晶格中。进入埋藏环境后，泥晶、微晶白云石颗粒变粗，有序度增大，逐渐形成半自形—自形粉晶白云石；而早期灰岩在白云石化流体持续供给下，其基质和颗粒部分会发生白云石化。这些白云石干净，泥质较少，可见环带构造（“雾心亮边”）；在阴极发光照射下具有环带发光性，呈橙黄色，且核部不发光（图2d）。在显微镜下晶体结构为平直晶面，反映了较浅的埋藏环境及相对较低的温度。

到了中—深埋藏阶段，白云岩形成的动力学障碍大大降低，多数流体都可能成为白云石化流体［5］。这些流体一方面对原始灰岩进行交代，另一方面导致早期形成的白云岩发生重结晶。随着温度和压力的增加，白云石晶体快速生长，晶面发生曲面化；此时形成的白云石的多为细—中晶，呈它形晶，晶体紧密堆积，非平直晶面［6］。其薄片在阴极射线照射下发淡暗红色光，因为周围物理化学环境发生变化，致使少量Mn2＋和Fe2＋进入白云石晶格中，可见其薄片在阴极射线照射下发淡暗红色光。缝合线的出现以及孔隙中充填的异性白云石颗粒（非平直晶面，波状消光（图2e）），也是埋藏的标志之一，表明深度至少达到600 m，温度应在50～60℃以上。

经过前人对白云岩中碳、氧同位素的研究，其影响因素主要为成岩溶液的温度和盐度。资料显示［7－8］，奥陶纪海水的稳定同位素值大约为δ18O：－6.6‰～－4.0‰；δ13C：－2.0‰～＋0.5‰。对研究区内三种白云岩样品地球化学测试分析，结果表明（表1）Ⅰ类白云岩δ18O同位素值与奥陶系海水中的数值范围大致相同，反映了准同生期白云岩形成的时代及环境为奥陶系较浅的蒸发海水环境。Ⅱ类白云岩较陶系海水及Ⅰ类白云岩的δ18O同位素值偏负，表明成岩环境已经不再是蒸发海水环境；而进入埋藏环境。在埋藏条件下，发生白云石化作用，由于比近地表温度高，发生“热同位素分馏作用”，相对较重稳定同位素18O进入到交代流体中，相对较轻的稳定同位素16O进入到白云石晶格中。这样埋藏白云石化形成的白云岩必然就具有比奥陶纪海水要偏负的氧稳定同位素值。Ⅲ类白云岩的δ18O同位素值的分布范围和平均值与Ⅱ类很相近，说明白云石化流体为同一流体源。造成两类白云石的稳定同位素值微弱差别的主要原因是其形成环境的不同，后者形成与埋藏较深的环境下，高温状态下促进氧同位素的分馏作用。研究区三类白云岩中δ13C平均值分别为－2.1‰、－1.25‰和－1.45‰，Ⅰ类白云岩相对于典型的准同生期白云岩相比明显偏负，可能与原岩中藻类有关［9］；Ⅱ、Ⅲ类白云岩的内白云岩的碳同位素值与奥陶系海水中碳同位素值范围大致相同，表明成岩流体的来源均为奥陶系海水，非混合水模式的白云岩化；Ⅲ类白云岩较Ⅱ类白云岩向负值偏移的原因可能为较深埋

藏环境下生油期有机质的介入有关。

3.2 溶蚀作用

本文中溶蚀作用为广义的溶蚀作用，可分为淡水溶蚀和埋藏溶蚀。研究区域内大量可见溶孔、洞、缝等构造，证明了溶蚀作用发生。而溶蚀作用是一种建设性的成岩作用，能够扩大孔隙度，使得孔缝相连，增加渗透率，改善储层储集性能。

（1）淡水溶蚀

淡水溶蚀包括准同生期淡水间歇性的选择性溶蚀和表生时期长期暴露的非选择溶蚀［10］。表1中Ⅱ类白云岩、Ⅲ类白云岩较Ⅰ类白云岩中Fe、Mn含量升高，Na、Sr含量降低表明这两类白云岩在形成过程中受淡水影响。准同生时期，以组分选择性溶蚀为特征，最先被溶蚀的为石膏、石盐以及颗粒灰岩中的胶结物等不稳定组分。在成岩早期，由于沉积环境不是十分稳定，海水发生周期性震荡，地层会周期性的暴露于地表，经大气淡水的淋滤，不稳定组分被溶解，形成溶孔、晶间溶孔、铸模孔以及垂直的溶蚀孔洞（图2f）。在加里东运动时期末期，由于构造挤压抬升，使奥陶系马家沟组地层暴露并长时间的遭到风化剥蚀，位于古风化壳的顶部，进入表生成岩环境。可溶性岩石受到地表风化环境和地下水的长期作用，使岩石发生溶解。石膏溶蚀，对围岩释压，使其产生裂隙［11］，经大气淡水淋虑形成溶蚀裂隙。裂隙继续扩溶，伴随地下水系统，形成大量的角砾岩和陷角砾岩，角砾大小不均，角砾间被更小角砾充填，角砾被后期方解石胶结［12］。上部的白云石坍塌，从而形成溶蚀角砾白云岩。

（2）埋藏溶蚀作用

进入中石炭世，鄂尔多斯盆地下沉，进入封闭的埋藏环境。埋藏溶蚀作用包括上覆的石炭纪煤系地层浅埋藏压释酸性水溶蚀、燕山—喜马拉雅期中深埋藏排烃有机酸溶蚀以及深部热水溶蚀［13］。酸性液体沿着裂缝向下渗透，发生溶解作用，是之前的溶蚀孔缝扩大，孔隙度也随之增加。另外，深部热液对碳酸盐的溶蚀也起了一定的作用［14］。

4 孔隙演化

4.1 孔隙类型

研究区内马五5亚段碳酸盐的孔隙包括孔隙以及裂缝，其中孔隙包括微孔、粒间孔、晶间孔；缝包括微缝、晶间缝、溶缝和破裂缝。

4.2 孔隙物性特征

研究区的物性资料分析结果（表2）表明，孔隙度分布范围为0.46%～13.10%，渗透率分布范围为0.0008～5.38 mD在各种类型的岩石中，中晶、细晶和粉晶白云岩的储层物性最好，孔隙度和渗透率都很高，为优质储层发育的主要岩性基础；微晶白云岩孔隙度中等，渗透率中等，储集性能一般；灰质白云岩孔隙度较好，但是其渗透率较差，不利于油气的运移；微晶云质灰岩以及微晶灰岩孔隙度很低，基本上不具备成为储层的能力，而微晶灰岩中由于裂缝的存在，其渗透能力有所提高。

表2 不同岩性储层物性特征统计表

4.3 孔隙演化

根据将成岩作用的发生时间建立一个较为清晰的演化序列（图4）：机械压实、压溶、早期白云石化→淡水溶解→角砾化→淡水方解石、白云石充填→去白云石化、去膏化→有机酸溶蚀→深埋藏溶解、埋藏白云岩化→重结晶、方解石、石英充填。孔隙演化与成岩演化的具有十分密切的关系，成岩后生阶段的压实作用、压溶作用及充填作用可依次减少孔隙度，而后来的淡水－有机质水及深部热水溶蚀作用及白云石化作用又可使增加孔隙。

在早期大气淡水环境时期，碳酸盐沉积物（岩）周期性暴露于地表中，与大气淡水接触，从而发生了早期的白云石化作用及大气淡水溶解作用，并伴随充填作用，导致部分溶蚀空洞被充填，岩石早期原始孔隙度明显减少至5%～10%（据薄片中颗粒接触关系估算而得）。进入浅埋藏环境后，沉积物可以继续发生白云石化；同时，由于上覆压力使得沉积物脱水收缩，形成大量网状缝。此时，沉积物经过压实、压溶作

用并发生破碎、变形。到了加里东末期，由于南北秦岭和兴蒙洋壳俯冲加速造成构造挤压，鄂尔多斯盆地腹地海退成陆，马家沟组抬升地表遭受约1.5亿年的风化剥蚀。由于大气淡水的渗流及选择性溶解作用，致使溶蚀垮塌，角砾间孔、砾内孔及溶蚀孔成为了新的储及空间，此时的孔隙度以增加为主，约10%～15%左右（据后期充填物含量估算得到）。另外，去膏化作用和作用形成了膏模孔、溶孔，去白云山化使孔缝略微减少。到了海西期，鄂尔多斯盆地整体下沉，接受沉积，上覆地层的有机酸性地层水沿各种渠道进入奥陶系地层，产生不同程度的溶解作用，将前期各种孔洞扩大，边缘表现为溶蚀港湾状。浅埋藏白云石化作用形成白云石多成斑块状，晶间孔较发育，进入到中、深埋藏成岩期后，白云石化形成的白云石颗粒粗大，镶嵌式接触，充填于孔隙中。此时，奥陶系处于较高的温压环境，压溶、重结晶作用使岩石致密化，原生孔隙降低。在深埋藏成岩期，自生石英、方解石等充填溶蚀孔洞，使储集性降低，最终铸体薄片中观察孔隙度约为5%左右。

图4 苏东地区奥陶系马家沟组马五5亚段孔隙演化模式图

5 结论

（1）马五5亚段碳酸盐岩成岩演化经历了海水、大气渗流及埋藏环境，成岩阶段可划分为海水准同生期、早埋藏成岩期、表生期以及晚埋藏成岩期四个时期。

（2）成岩演化序列为机械压实、压溶、早期白云石化→淡水溶解→角砾化→淡水方解石、白云石充填→去白云石化、去膏化→有机酸溶蚀→深埋藏溶解、埋藏白云岩化→重结晶、方解石、石英充填。

（3）溶蚀作用和白云岩化作用是最为有利建设性成岩作用。白云岩化作用可分为准同生期、浅埋藏期和深埋藏期三种。

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（修改回稿日期 2013－07－07 编辑 王晓清）

季明明，男，1987年出生，硕士研究生，主要从事沉积学和岩石学研究。地址：（610059）四川成都市二仙桥东三路成都理工大学。电话：18200121071。E－mail：627142134＠qq.com