鄂爾多斯盆地富縣地區(qū)馬五段碳酸鹽巖成巖作用研究

王小芬，楊 欣

（西安石油大學(xué)油氣資源學(xué)院）

鄂爾多斯盆地富縣地區(qū)馬五段碳酸鹽巖成巖作用研究

王小芬，楊 欣

（西安石油大學(xué)油氣資源學(xué)院）

鄂爾多斯盆地富縣地區(qū)馬家溝組沉積了一套以蒸發(fā)潮坪相為主的白云巖、含膏云巖等碳酸鹽巖沉積物。利用宏觀巖心、微觀常規(guī)薄片、鑄體薄片、X-射線衍射、氧碳同位素等資料，并結(jié)合物性資料，系統(tǒng)研究了富縣地區(qū)馬五段碳酸鹽巖的成巖作用類型和成巖環(huán)境。結(jié)果表明：馬五段碳酸鹽巖在成巖過(guò)程中經(jīng)歷了海水、混合水和大氣淡水成巖環(huán)境；成巖作用復(fù)雜多樣，其中溶蝕作用和回流滲透白云石化作用對(duì)儲(chǔ)層孔隙發(fā)育有利，各種礦物的充填作用、去白云石化作用、去膏化作用和壓實(shí)-壓溶作用對(duì)儲(chǔ)層孔隙發(fā)育不利。

碳酸鹽巖；成巖作用；富縣地區(qū)；鄂爾多斯盆地

1 地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地是我國(guó)的第二大沉積盆地，其下古生界包含寒武系和奧陶系2套海相碳酸鹽巖地層。奧陶系地層分布廣泛，厚度一般在1 000 m左右，最大達(dá)2 000 m以上。根據(jù)沉積環(huán)境的差異，奧陶系地層可分為東—中部、南部和西部[1］3個(gè)分布區(qū)，其中東—中部、南部為碳酸鹽巖分布區(qū)，西部為碳酸鹽巖與碎屑巖分布區(qū)。富縣地區(qū)構(gòu)造位置處于鄂爾多斯盆地陜北斜坡一級(jí)構(gòu)造單元的東南部，包括富縣及其周邊的黃陵、洛川、宜川、甘泉及延安等地區(qū)，面積 3 836.8 km2[2］。

2 馬家溝組地層分布特征

中奧陶世，鄂爾多斯盆地中部和東部沉積了一套以碳酸鹽巖為主夾蒸發(fā)巖的地層，稱作馬家溝組或馬家溝群[3］。盆地中部馬家溝組為陸表海碳酸鹽巖夾蒸發(fā)巖[4］，該組地層沉積后晚加里東運(yùn)動(dòng)使盆地抬升為陸，直至晚石炭世又接受沉積，其頂部遭到不同程度的剝蝕[3］。依據(jù)古生物特征、沉積旋回及區(qū)域性標(biāo)志層，將奧陶系馬家溝組分為5個(gè)地層巖性段，自下而上為馬一段至馬五段，巖性概括為“三云二灰”。馬一段、馬三段、馬五段為海退沉積，其中馬一段分布在研究區(qū)的東部、南部及西部，隆起部位缺失，巖性為灰黃色、土黃色泥質(zhì)白云巖、石膏質(zhì)白云巖夾粉砂巖；馬三段、馬五段巖性主要為深灰色泥晶云巖、泥質(zhì)云巖、膏巖及鹽巖。馬二段、馬四段為海進(jìn)沉積，巖性主要為深灰色泥晶灰?guī)r夾云巖。馬五段可進(jìn)一步劃分出海退（馬五10-6）—海進(jìn)（馬五5）—海退（馬五4-1）次級(jí)沉積旋回，該段是最重要的含氣層段，也是此次研究的目的層段[1］。

3 成巖作用類型及特征

奧陶系碳酸鹽巖屬于古老的沉積巖系。沉積后期，成巖環(huán)境的不斷變遷、交替，以及成巖介質(zhì)、溫度、壓力的不斷變化決定了成巖作用類型的多樣性[5-6］。通過(guò)對(duì)區(qū)內(nèi)鉆井巖心及薄片資料進(jìn)行觀察和研究，并利用電子探針、陰極發(fā)光等測(cè)試分析手段，得出研究區(qū)主要成巖作用類型有：準(zhǔn)同生白云石化作用、回流滲透白云石化作用、礦物充填作用、去白云石化作用、溶蝕作用、壓實(shí)-壓溶作用、去膏化作用等。

3.1 準(zhǔn)同生白云石化作用

泥—粉晶白云巖是研究區(qū)馬五段最普遍的巖石類型，一般認(rèn)為其形成與沉積環(huán)境鹽度高、pH值高、Mg2+和Ca2+含量及氣候干旱等因素有關(guān)，屬原生白云巖類，多產(chǎn)于潮上云坪、泥云坪、云泥坪以及潮上膏云坪[7］。準(zhǔn)同生白云石化是指沉積期富含Mg2+的超咸海水通過(guò)蒸發(fā)作用或毛管濃縮作用交代文石或高鎂方解石沉積物形成的白云巖，這種白云巖以泥晶結(jié)構(gòu)為主，呈薄層、紋層狀產(chǎn)出。在顆粒白云巖中，準(zhǔn)同生白云石化不破壞沉積顆粒的原始結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，顆粒基本保留著沉積期的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。研究認(rèn)為，富縣地區(qū)馬五段地層中的泥晶白云巖、粉晶白云巖主要由準(zhǔn)同生期白云石化作用所形成。

3.2 回流滲透白云石化作用

由于毛管濃縮作用或蒸發(fā)泵作用所產(chǎn)生的高M(jìn)g2+/Ca2+比率的粒間鹽水，在引起并完成表層的準(zhǔn)同生白云石化作用后，繼續(xù)穿過(guò)下伏碳酸鈣沉積物或石灰?guī)r，使其白云石化，從而形成白云巖或部分白云石化的石灰?guī)r，這就是回流滲透白云石化作用。該作用生成的白云巖主要特點(diǎn)是晶粒較粗、晶形好（圖版Ⅰ-1、圖版Ⅰ-2），多為粉晶以上的晶級(jí)，常具交代殘余結(jié)構(gòu)，顯示出原巖為顆粒結(jié)構(gòu)的原始特征；陰極射線下回流滲透白云石發(fā)光均勻（圖版Ⅰ-3、圖版Ⅰ-4）。

3.3 溶蝕作用與礦物充填作用

溶蝕作用在各個(gè)成巖階段均可發(fā)生，研究區(qū)馬五段溶蝕作用主要表現(xiàn)為：形成了大量的溶蝕角礫，其大小不均，排列無(wú)序，大多屬于同層物質(zhì)的溶蝕坍塌，且未經(jīng)位移，系原地堆積而成（圖版Ⅰ-5）；一些由白云巖中球狀膏類、鹽類結(jié)核的選擇性溶解而形成的圓形溶孔特別發(fā)育，而且還伴隨著充填作用的發(fā)生，孔洞底部充填滲流泥云質(zhì)（原巖），孔洞中部析出淡水方解石（圖版Ⅰ-6、圖版Ⅰ-7）、淡水白云石（圖版Ⅰ-8），見(jiàn)少量的石英晶體，偶見(jiàn)纖維狀或葉片狀的玉髓集合體[8］。充填物主要為淡水方解石。經(jīng)淡水淋濾的白云石在陰極射線下發(fā)暗紅色光，鹽類假晶被溶蝕，充填方解石，其陰極發(fā)光比較暗淡，表明是在大氣淡水條件下鹽類假晶溶解，并發(fā)生淡水方解石化。

3.4 壓實(shí)-壓溶作用

縫合線是壓溶作用的產(chǎn)物，常作為壓溶作用的標(biāo)志[9］。顯微鏡下觀察該區(qū)馬五段碳酸鹽巖壓實(shí)作用強(qiáng)烈，礫間縫合線接觸，壓實(shí)形變顯著，云膏質(zhì)呈結(jié)核狀、不規(guī)則條帶狀、透鏡狀分布；細(xì)—中晶次生灰?guī)r為殘余紋層結(jié)構(gòu)，方解石呈蠶蛹狀，經(jīng)壓實(shí)滑動(dòng)形成腸狀構(gòu)造，表明在進(jìn)入埋藏成巖環(huán)境之前的近地表成巖期和表生巖溶成巖期，碳酸鹽沉積物未固結(jié)成巖，而在后來(lái)的埋藏壓實(shí)作用下受壓明顯。

3.5 去白云石化作用

去白云石化作用是奧陶系常見(jiàn)的交代作用。在具備高鈣離子的成巖介質(zhì)條件下，白云巖層會(huì)不可避免地發(fā)生不同程度的去白云石化作用。徹底的去白云石化作用可以形成次生灰?guī)r，但由于晶體中或多或少地殘留有白云石晶體，所以形成的部分石灰?guī)r比較污濁。

3.6 去膏化作用

去膏化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，假晶雖為方解石，但其中存在殘余圍巖白云石和殘余球粒暗影，陰極射線下假晶方解石普遍具有亮黃色、暗橙色發(fā)光特征。

該區(qū)FG7井去膏化作用強(qiáng)烈，原巖為膏巖、膏云巖或云膏巖，灰化交代后形成細(xì)—中晶、巨晶次生灰?guī)r；交代膏云巖或云膏巖所形成的方解石呈蠶蛹狀，經(jīng)壓實(shí)滑動(dòng)形成腸狀構(gòu)造。方解石交代膏云巖或云膏巖造成巖石體積略有增加，一般使巖石變得致密，對(duì)孔隙的發(fā)育不利。

4 成巖環(huán)境

鄂爾多斯盆地大部分地區(qū)屬于潮緣局限臺(tái)地和蒸發(fā)臺(tái)地，只有盆地西南緣屬于開(kāi)闊海臺(tái)地。富縣地區(qū)處于伊陜斜坡東南緣，其下古生界馬家溝組屬于局限臺(tái)地蒸發(fā)潮坪相的沉積環(huán)境，其間有多次的海水進(jìn)退，形成頻繁的潮上、潮下多旋回沉積組合[10］。

分析表1及圖1可知：馬五段碳酸鹽巖在成巖過(guò)程中經(jīng)歷了海水、混合水和大氣淡水成巖環(huán)境，在海水滲流帶或潛流帶發(fā)生膠結(jié)作用、準(zhǔn)同生白云石化作用和回流滲透白云石化作用。準(zhǔn)同生白云巖δ18O介于-8‰～-6‰，平均值為-7‰，δ13C介于-4‰～-0.5‰，平均值為-2.25‰；回流滲透白云巖δ18O介于 -8‰～-5‰，平均值為 -6.5‰，δ13C介于-0.5‰～1‰，平均值為 0.25‰（圖 1）。

研究區(qū)處于臺(tái)地邊緣，海平面稍一下降便易轉(zhuǎn)化為大氣淡水成巖環(huán)境。在淡水滲流帶成巖作用以溶解、淋濾、膠結(jié)為主，巖石次生孔隙大大增加，往往伴隨有礦物的充填，如淡水白云石、淡水方解石、石英等充填；因土壤層及大氣淡水中輕同位素含量高，造成大氣淡水滲流帶的δ18O和δ13C含量明顯偏低，所以形成的淡水白云石和淡水方解石膠結(jié)物均具有低δ18O和δ13C的特征，其中δ18O介于-12‰～-8‰，平均值為-10‰，δ13C 介于-8‰～-2‰，平均值為 -4‰（圖 1）。

表1 富縣地區(qū)馬五段碳酸鹽巖樣品碳氧同位素?cái)?shù)據(jù)表Table 1 Carbon and oxygen isotope date of carbonate rock samples of the fifth member of Majiagou Formation in Fuxian area

圖1 富縣地區(qū)馬五段碳氧同位素分析Fig.1 Carbon and oxygen isotope analysis of the fifth member of Majiagou Formation in Fuxian area

在混合水帶常發(fā)生白云石化作用。由于海平面動(dòng)蕩可形成短暫的埋藏成巖環(huán)境，顆粒碳酸鹽巖易被壓實(shí)、壓溶并發(fā)生破碎、變形。后期大氣淡水環(huán)境淋濾作用發(fā)育，去白云石化、去膏化作用也隨之發(fā)生。

5 成巖作用綜合分析

研究區(qū)屬于局限臺(tái)地蒸發(fā)潮坪相的沉積環(huán)境，以咸化海水為特征，早期經(jīng)準(zhǔn)同生白云石化作用先形成了以泥晶結(jié)構(gòu)為主的泥晶白云巖，δ18O介于-8‰～-6‰，δ13C介于-3‰～1‰，白云石有序度分布在0.49～0.72。當(dāng)對(duì)表層沉積物的白云石化基本完成后，高鎂鹽水就穿過(guò)下伏碳酸鈣沉積物，使其白云石化，從而形成回流滲透白云巖。這種白云巖晶粒較粗，晶形好，一般為粉晶以上晶級(jí)，晶間孔隙發(fā)育，孔隙度較高，其δ18O介于-8‰～-5‰，平均值為-6.5‰，δ13C介于-0.5‰～1‰，平均值為0.25‰，白云石有序度分布在0.88～1（圖2）。

回流滲透白云石氧同位素含量與準(zhǔn)同生白云石含量基本一致，但都低于現(xiàn)代鹽坪準(zhǔn)同生白云巖的δ18O（3‰～4‰），是成巖過(guò)程中溫度升高的結(jié)果；對(duì)于碳同位素來(lái)說(shuō)，回流滲透白云石含量略高于準(zhǔn)同生白云石含量，而且從準(zhǔn)同生白云石到回流滲透白云石，即從泥晶到粉晶（及以上晶級(jí)）的轉(zhuǎn)化，白云石有序度也隨之升高[11］，部分回流滲透白云石已經(jīng)完全有序，白云石有序度為1（圖2）。

圖2 J1井馬五段碳酸鹽巖成巖作用圖Fig.2 Carbonate diagenesis of the fifth member of Majiagou Formation in J1 well

6 結(jié)論

（1）研究區(qū)馬五段天然氣儲(chǔ)層巖石經(jīng)歷的成巖作用復(fù)雜多樣，其中溶蝕作用和回流滲透白云石化作用對(duì)儲(chǔ)層孔隙發(fā)育有利，各種礦物的充填作用、去白云石化作用、去膏化作用和壓實(shí)-壓溶作用對(duì)儲(chǔ)層孔隙發(fā)育不利。

（2）馬五段碳酸鹽巖在成巖過(guò)程中經(jīng)歷了海水、混合水和大氣淡水成巖環(huán)境。在海水滲流帶或潛流帶發(fā)生膠結(jié)作用、準(zhǔn)同生白云石化作用和回流滲透白云石化作用；在淡水滲流帶成巖作用以溶解、淋濾、膠結(jié)為主；短暫的埋藏成巖環(huán)境中，顆粒碳酸鹽巖易被壓實(shí)、壓溶并發(fā)生破碎、變形。

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Carbonate diagenesis of the fifth member of Majiagou Formation in Fuxian area,Ordos Basin

WANG Xiao-fen，YANG Xin
（School of Petroleum Resources， Xi’an Shiyou University， Xi’an 710065， China）

The Majiagou Formation in Fuxian area,Ordos Basin mainly deposited evaporation and tidal flat carbonateconsistingofdolomites and gypsum-dolomite.The core observation,conventional thin section and casting thin section,X diffraction,carbon and oxygen isotope analysis combining with reservoir properties are used to study the carbonate diagenesis types and diagenetic environment ofthe fifth member ofMajiagou Formation in Fuxian area.The result shows that the carbonate rocks ofthe fifth member ofMajiagou Formation experienced the diagenetic environment of sea water,mixed water and fresh water.Dissolution and reflux dolomitization are constructive to the reservoir pore development,while mineral filling,dedolomitization and compaction-pressure solution are destructive.

carbonate rocks； diagenesis； Fuxian area； Ordos Basin

TE122.2

A

1673-8926（2011）03-0075-05

2010-09-24；

2010-12-13

受中國(guó)石化國(guó)家重大專項(xiàng)“十一五”計(jì)劃專題“鄂爾多斯盆地下古生界海相碳酸鹽巖儲(chǔ)層特征及天然氣有利區(qū)域優(yōu)選”（編號(hào)：2008ZX05005-004-08HZ）資助。

王小芬，1986年生，女，西安石油大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)閮?chǔ)層地質(zhì)學(xué)。地址：（710065）陜西省西安市電子二路東段18號(hào)西安石油大學(xué) 118信箱。E-mail：xiaofeixasy@163.com

圖版Ⅰ

于惠宇）