關于風化殼巖溶型白云巖儲層的兩個問題思考

孫玉景，周立發(fā).

(1.東華理工大學地球科學學院，江西南昌 330013；2.西北大學地質(zhì)學系/大陸動力學國家重點實驗室，陜西西安 710069)

地球內(nèi)部油氣資源的三分之一賦存在碳酸鹽巖中，尤其是白云巖中分布著數(shù)量可觀的油氣資源。白云巖儲層在碳酸鹽巖油氣勘探中占據(jù)著舉足輕重的地位。我國的塔里木盆地、四川盆地、鄂爾多斯盆地中深部層系白云巖的研究近年來取得了突飛猛進的進展[1-3]。在適宜的古氣候環(huán)境和古水文條件下，白云巖中可以形成風化殼巖溶儲層，例如我國鄂爾多斯盆地奧陶系發(fā)育的巖溶儲層。此類儲層的研究有別于其他類型的碳酸鹽巖儲層，研究的難點在于“白云石化模式”的研究，重點在于“巖溶古地貌”的研究。這兩方面的問題共同構成了“風化殼巖溶型白云巖儲層”研究的核心問題，亟待解決。因此，本文針對風化殼巖溶型白云巖儲層，通過調(diào)研研究現(xiàn)狀，詳細剖析以上兩個關鍵科學問題，指明存在問題，提出改進建議，以期為今后此類儲層的分布預測和精細描述等提供更多的地質(zhì)依據(jù)。

1 白云石化模式

風化殼巖溶型白云巖儲層研究的難點在于“白云石化模式”。對白云石化模式的研究主要是通過對白云石化模式歸類，探究每一種模式下白云石化作用發(fā)生的環(huán)境、條件、機理，并分析存在的問題。

1.1 白云石化模式的分類

由古至今，白云巖的數(shù)量在遞減，特別是全新世以來，碳酸鹽巖地層中極少有白云石沉淀，現(xiàn)今自然界中幾乎不能形成白云巖[4-7]。起初，白云巖被認為主要是原生沉淀形成的，隨著研究的不斷深入，大量證據(jù)表明，白云巖的形成以次生交代為主[5]。Deelman曾經(jīng)合成了白云石并且總結了相應的合成條件，諸如溫度等[8]。但在Deelman的實驗之后，未見國內(nèi)外其他學者進行的重復實驗。截至目前，理想的白云石無法在實驗室特定的溫度和壓力條件下人工合成。1791年至今的兩個多世紀里，“白云巖問題”始終縈繞在地質(zhì)學家的心頭，該問題的研究也在不斷深入[3,9-10]。

關于白云石的生成有3種不同的化學反應機理[6]：

③2CaCO3+Mg2+=CaMg(CO3)2+Ca2+

②式和③式代表了次生白云石的反應機理，即“白云石化模式”的反應機理。白云石化模式的研究經(jīng)歷了相當漫長的階段，眾多研究者對其進行了實驗分析和歸納總結[6-7]。目前主要包括7種模式：蒸發(fā)模式、滲透回流模式、混合水成因模式、海水成因模式、埋藏成因模式、熱液成因模式、微生物白云石化模式(圖1)。

1.1.1 蒸發(fā)模式

蒸發(fā)模式(薩布哈模式)形成于20世紀60年代，以波斯灣準同生白云巖為代表，白云巖化深度<500 m，c(Mg2+)/c(Ca2+)在10～30之間，通常由海水滲透到碳酸鈣地層之后在蒸發(fā)作用下濃縮形成。石膏等蒸發(fā)巖礦物通常會出現(xiàn)在此類白云巖中[6,11]。

1.1.2 滲透回流模式

滲透回流模式最早由Adams等在1965年提出，以加勒比海小安得列斯群島更新統(tǒng)白云巖為代表，白云巖化深度<700 m，c(Mg2+)/c(Ca2+)在10～30之間，一般是在潟湖或潮坪環(huán)境中，由海水蒸發(fā)形成高鹽度鹵水之后向下滲透到碳酸鈣地層而形成。泥—粉晶白云巖是該模式下的主要白云巖類型[6,12]。

1.1.3 混合水成因模式

混合水成因模式最早由Badiozamani于1973年提出。國外的典型代表是美國威斯康星中奧陶統(tǒng)米夫林段發(fā)育的白云巖，白云巖化深度<500 m，c(Mg2+)/c(Ca2+)在1.24～3.64之間，一般由大氣淡水與海水混合，再下滲到海平面以下地勢較高的灰?guī)r地層中發(fā)生反應[6,13]。國內(nèi)的典型代表是鄂爾多斯盆地奧陶系沉積的白云巖，白云巖化深度在500～1 500 m之間，c(Mg2+)/c(Ca2+)在1.24～3.64之間，通常是海水在自身的壓力下滲透到灰?guī)r地層當中，再與地下淡水形成混合水。開放環(huán)境中大氣淡水或地下水與海水混合之后的白云石化即此類成因模式，“霧心亮邊”是混合水成因白云石的一個顯著特點[6,14]。我國四川盆地中南部寒武系白云巖也可能為混合水白云石化作用形成的[15]。

1.1.4 海水成因模式

海水成因模式最早由Land于1985年提出，是指海水當中的Mg2+和Ca2+濃度均變化不大，當海水流經(jīng)方解石地層且濃度比達到一定要求時所發(fā)生的白云石化作用[16]。當白云巖化深度<700 m，c(Mg2+)/c(Ca2+)在5.2～10之間時，海水滲透到淺層灰?guī)r地層當中；當白云巖化深度介于700～2 000 m，c(Mg2+)/c(Ca2+)在5.2～10之間時，海水在自身的壓力下滲透到深層的灰?guī)r地層當中[6]。此種模式對海水本身的Mg2+濃度要求較高，最終形成的白云巖可能是結晶白云巖或者顆粒白云巖，典型代表是巴哈馬晚新生代發(fā)育的灘白云巖。

1.1.5 埋藏成因模式

埋藏成因模式的提出源于眾多研究者對有關地質(zhì)現(xiàn)象的反復觀察與深入思考。一些研究發(fā)現(xiàn)，白云巖的含量與地層深度可能存在一定的正比例關系，由此引發(fā)了對地層埋深在2 000 m以下的白云巖成因的探討。典型代表是加拿大新斯科合上侏羅統(tǒng)Abenaki地臺發(fā)育的白云巖，白云巖化深度在2 000～3 000 m之間，c(Mg2+)/c(Ca2+)在4～10之間，壓實作用下地層中的海水或其他成巖流體在地層中流動，創(chuàng)造了適宜的成巖環(huán)境[6]。埋藏成因模式得以成立的關鍵是深埋藏條件提供了有利的溫度和壓力，但Mg2+的多源性和相關的流體動力學機制等也成為值得進一步探討的問題[17]。

1.1.6 熱液成因模式

熱液成因模式源于Graham R. Davies等在AAPG主題專輯中提出的熱液白云巖理論，這種模式也引起了白云巖研究者的濃厚興趣[18]。典型代表是紐約州上奧陶統(tǒng)特倫頓-布萊克里弗群發(fā)育的白云巖，白云巖化深度通常>2 500 m，c(Mg2+)/c(Ca2+)在4～10之間，由于深部熱流體上涌或巖漿活動、底辟構造等，使溫壓較大的富Mg2+流體滲透到上覆的地層當中或沿斷層向上運移，進而引發(fā)白云石化作用[6,19]。熱液交代的過程中，同時具有一定程度的溶蝕性。此種成因的白云石化作用相比其他成因較易被理解，逐漸得到了廣泛的應用。

1.1.7 微生物白云石化模式

微生物白云石化模式起源于Compton在1988年提出的“有機成因白云巖模式”，隨后Vasconcelos等在1995年正式提出“微生物白云石化模式”，后者是對前者的進一步論證說明[20-21]。目前，已有大量室內(nèi)實驗證明，在有機質(zhì)和微生物驅(qū)動下發(fā)生的化學反應對碳酸鹽早期的沉積成巖有重要影響，凡是在微生物參與之下的硫酸鹽還原反應、甲烷厭氧化反應或者有氧呼吸等均有利于白云石的生成。故此種模式漸漸引起了人們的重視[6,22-26]。微生物白云石化模式表明有機質(zhì)、微生物、鹽度、溫度、Mg2+濃度是影響此類白云巖成因的因素，微生物活動在白云石生成過程中的影響可能大于n(Mg2+)/n(Ca2+)和蒸發(fā)作用等其他條件的影響[5,7]。不同種類的微生物廣泛分布于各種沉積環(huán)境中，在探究白云巖成因時，不論是哪個地質(zhì)歷史時期形成的，都不能忽略微生物的影響[7]。我國發(fā)育的典型微生物白云巖是四川盆地震旦系燈影組白云巖[27-29]。

以上7種白云石化模式的實質(zhì)都是在一定的地質(zhì)條件下鈣質(zhì)碳酸鹽與富鎂流體結合，進而發(fā)生白云石化作用。各種白云石化模式的區(qū)別主要在于白云石化作用的相對深度、c(Mg2+)/c(Ca2+)及流體動力學機制。c(Mg2+)/c(Ca2+)和流體動力學條件是制約白云石化作用的兩個重要因素，其中動力學條件主要是指溫度和微生物活動[6-7]。

1.2 存在問題

根據(jù)前述白云石化模式的分類及每一種白云石化模式的具體特征，發(fā)現(xiàn)目前的研究中主要存在以下3個問題，制約著今后的相關研究和應用。

1.2.1 熱液成因模式和埋藏成因模式的混淆

由于熱液成因模式和埋藏成因模式的白云巖化深度較大且接近，普遍大于2 000 m，這兩者的應用不可避免地出現(xiàn)過混亂。例如，在發(fā)現(xiàn)了沖斷帶附近的熱液流體運動之后，威尼斯南部侏羅系的白云巖才被明確地解釋為熱液成因白云巖[30-31]。已有的相關研究中，對于淺層白云石化已經(jīng)有了較清楚的認識，但是對于深層白云石化的機理尚不完全明確。在現(xiàn)今的實驗條件下，難以模擬深層高溫高壓的成巖環(huán)境，因此深層條件下的熱液成因模式和埋藏成因模式還有非常大的研究空間。

1.2.2 微生物白云石化模式的忽略

微生物白云石化模式是7種白云石化模式中發(fā)現(xiàn)最晚的一種模式。在白云石化模式探究的過程中，如果過于強調(diào)蒸發(fā)作用、強調(diào)c(Mg2+)/c(Ca2+)或者強調(diào)其他因素，便會忽略微生物的活動，很可能將微生物白云石化模式解釋為其他6種模式，導致白云石化模式應用的錯誤。由于微生物白云石化模式發(fā)現(xiàn)較晚，今后也存在很大的研究空間。

1.2.3 白云石化模式的局限性

根據(jù)以上7種確定的白云石化模式，并不能建立基于白云石化模式的具有系統(tǒng)性和連續(xù)性的白云巖成因類型。換言之，前述7種白云石化模式僅僅可以解決相應的環(huán)境下某一特定地區(qū)特定層位白云巖的成因，并不具有普適性，每一種模式的應用都存在一定的環(huán)境局限性。因此，對于一個新的研究區(qū)域研究層位，如何從7種模式中快速準確地甄別出與之相適應的模式，值得思索。

圖1 白云石化模式示意Fig.1 A sketch of dolomitization model

1.3 改進建議

白云石化模式的研究是一個具有一定難度、進展相對緩慢的課題，針對某一特定地區(qū)特定時期的白云巖，其白云石化模式的研究需要做科學而具體的分析，通過白云巖化深度、白云巖化流體中的鎂鈣比、形成環(huán)境、典型礦物來判斷白云石化模式。埋藏成因模式相對來說更具有普遍性，埋藏白云巖中δ18O多為負值，Sr和Na等微量元素含量很低；熱液成因模式中應尋找熱流體、斷裂活動等典型證據(jù)；微生物白云石化模式中尤其要重視細菌的活動。總體來說，重點應從以下兩個方面進行改進。

1.3.1 研究思路的調(diào)整

隨著白云巖相關研究的不斷深入，白云石化模式的研究應逐漸地由“定性研究”轉(zhuǎn)變到“定量研究”、由“概念模型”轉(zhuǎn)變到“數(shù)值模型”。白云石化模式的研究不能再單純依靠沉積學中關于礦物巖石的基礎理論和實驗分析，而應該與地質(zhì)建模和數(shù)值模擬相結合，通過設置合理的地質(zhì)參數(shù)及模型，對各種成因模式中涉及的白云石化流體流量、流動機制、c(Mg2+)等展開定量研究。

1.3.2 研究方法的完善

不同的成因模式代表著白云巖形成的不同內(nèi)涵，這就需要借助于對巖石、礦物、元素從宏觀到微觀進行地球化學特征的詳細分析來深入研究。目前，白云石化模式的研究方法主要有：電子探針分析、陰極發(fā)光分析、稀土元素分析、碳氧同位素分析、X射線衍射分析。通過對不同成巖環(huán)境中流體成分與特性、流體活動、成巖作用、巖石與礦物的分析，以及微生物活動的分析等，為特定的白云石化模式提供證據(jù)。隨著地質(zhì)學領域先進技術手段的不斷發(fā)展，在傳統(tǒng)的地球化學分析測試的基礎上，也可以結合同位素定年、古地磁分析、原子力顯微鏡等方法和儀器來研究白云巖的微觀晶體結構。

研究思路的調(diào)整和研究方法的完善會為白云石化模式的研究提供更多更可靠的理論依據(jù)和事實依據(jù)，不僅能針對性地解決目前存在的3個問題，還能為未來白云石化模式的研究奠定更加堅實的基礎。

2 巖溶古地貌

巖溶古地貌的研究對于風化殼巖溶型白云巖儲層的研究來說是重中之重，對于此類儲層的分布預測、儲層的精細描述等具有實際意義[32-36]。通過古地貌的恢復進行古地貌單元的劃分，同時結合巖溶垂向分帶，有助于尋找?guī)r溶儲層的空間分布規(guī)律并建立巖溶發(fā)育模式。20世紀50年代古地貌研究逐漸興起，而國內(nèi)的古地貌研究起步于20世紀70年代。不同地區(qū)的巖溶古地貌在宏觀上主要受當時的古氣候類型、構造運動、暴露時間的影響，在微觀上主要受礦物的類型、顆粒的大小及巖石孔滲性的影響[37-39]。暴露在現(xiàn)代地形中的巖溶古地貌容易觀察和研究，然而深埋藏條件下的喀斯特地貌卻難以清楚地進行描繪和解釋[40]。古地貌恢復的直接成果是古地貌地質(zhì)圖，圖中可以展現(xiàn)出物源區(qū)和沉積區(qū)等[39,41]。

2.1 巖溶古地貌恢復

古地貌恢復的方法包括：殘厚法、印模法、回剝法、沉積學方法、層序地層法、地球物理法等[37-39,41-43]。殘厚法是最直接的一種恢復方法，其實質(zhì)是繪制出不整合面之上殘余地層的厚度等值線圖，鄂爾多斯盆地的巖溶古地貌曾經(jīng)使用這種方法來恢復[44-45]。印模法的實質(zhì)是確立風化殼之上的某一標志層，繪制出標志層與不整合面之間的地層厚度圖，是一種間接方法。殘厚法和印模法兩者常常被結合起來[46-49]，如“下薄+上薄”型、“下厚+上厚”型為二級古地貌的劃分依據(jù)，“下厚+上薄”型、“下薄+上厚”型為三級古地貌的劃分依據(jù)[48]，這大大提高了古地貌恢復的精度。回剝法的實質(zhì)是在模擬盆地埋藏史與沉積史的基礎上，確定研究區(qū)目的層的埋藏深度，再利用鏡像原理，反演出當時的古地貌形態(tài)[50-51]。沉積學方法的實質(zhì)是將基礎地質(zhì)圖件與古構造、古環(huán)境、古水流等多種沉積學信息結合起來恢復古地貌，典型的代表是鄂爾多斯盆地侏羅紀沉積前古地貌的恢復[52]。層序地層法的實質(zhì)是依據(jù)層序地層學原理建立等時地層格架，以兩個地層等時界面之間的厚度來反應研究區(qū)的古地貌，新疆塔河地區(qū)的古地貌曾經(jīng)使用這種方法來恢復[53]。地球物理法的實質(zhì)是利用相關地震資料，采用波阻抗反演法、正演模型法等來識別地貌的高低起伏并建立與研究區(qū)對應的識別模型，鄂爾多斯盆地神木—榆林地區(qū)和延長地區(qū)的古地貌都曾經(jīng)使用這種方法來恢復[54-55]。

綜合來看，殘厚法和印模法是較為常用的兩種方法，最終通過地層厚度可以直接判別古地貌的高低形態(tài)等；回剝法與印模法有相似之處，區(qū)別在于回剝法需要進行盆地埋藏史和沉積史的模擬；沉積學方法需要掌握大量研究區(qū)的地質(zhì)資料，如果研究區(qū)地質(zhì)資料的數(shù)量較少、質(zhì)量較低，古地貌恢復的結果將會與實際產(chǎn)生較大偏差；層序地層法是伴隨層序地層學的發(fā)展而逐漸應用的一種方法，可以預見未來的古地貌恢復研究中高分辨率層序地層學方法將會發(fā)揮越來越重要的作用；地球物理法不僅是油氣勘探過程中必不可少的一種方法，更是古地貌恢復時一項關鍵的技術手段。實際應用時，需結合研究區(qū)地質(zhì)概況及相關地質(zhì)資料，選擇更加準確和適宜的古地貌恢復法。

巖溶古地貌恢復之后，一般可在平面上劃分3種不同類型的二級古地貌，分別為巖溶高地、巖溶斜坡、巖溶盆地，以及若干三級古地貌，諸如臺地、溝槽、谷地、洼地、殘丘等。目前的古地貌劃分很少進一步細劃到四級古地貌。二級古地貌的準確劃分和三級古地貌的精細劃分共同決定著某一區(qū)域能否成為優(yōu)質(zhì)儲層。不同的古地貌對儲層的影響需要結合實例具體分析。一般來說，二級古地貌中的巖溶斜坡區(qū)是優(yōu)勢儲層發(fā)育區(qū)，三級古地貌的殘丘等部位是優(yōu)勢儲層發(fā)育區(qū)。

2.2 存在問題

巖溶古地貌的恢復是一項綜合性很強的工作，通過以上對巖溶古地貌恢復方法及古地貌恢復結果(古地貌單元的確立)的一系列調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前的研究中主要存在以下問題。

2.2.1 缺少巖溶古地貌定量研究

巖溶古地貌恢復的研究大都停留在定性階段，涉及定量的研究并不是特別成熟，一些定量化的手段有待進一步開發(fā)研究。目前存在的主要問題是對二級古地貌的恢復不準確、對三級古地貌的刻畫不精細，尚不能通過精準的數(shù)值來準確定位二級古地貌單元和三級古地貌單元的界限及范圍，使其接近實際。

2.2.2 古地貌恢復結果互相矛盾

一般情況下，通過單一的恢復方法并不能使宏觀古地貌的格局與局部古地貌的刻畫有機統(tǒng)一。借助不同的方法來恢復巖溶古地貌，其結果之間可能多多少少地存在矛盾與沖突，例如“印模法”與“殘厚法”。因此，矛盾與沖突的消除對于最終古地貌的形態(tài)特征的確定就顯得格外重要。

2.2.3 三級古地貌的命名不統(tǒng)一

二級古地貌的命名在學術界已得到了一致認可，即巖溶高地、巖溶斜坡、巖溶盆地，但對于三級古地貌的命名并未完全統(tǒng)一。目前出現(xiàn)的三級古地貌單元名稱有：臺地、階坪、階地、溝谷、溝槽、殘丘、溶丘、溶坑、淺洼等。同一種三級古地貌單元可能出現(xiàn)兩種甚至三種不同的命名。命名的混亂非常不利于對三級古地貌單元的深入研究。

2.3 改進建議

產(chǎn)生這些問題的原因是多方面的，應分別從以下3個方面有針對性地解決問題。

2.3.1 開展巖溶古地貌的定量研究

以往的研究中出現(xiàn)過一種定量研究方法，通過風化殼上下地層厚度的組合方式來劃分古地貌[48]，但這種厚度界限值僅適用于研究區(qū)。如果換做其他研究區(qū)，這種厚度界限值就不再適用。因此，這種方法需要做進一步的探究。在實際的研究中，可以將各個特征參數(shù)(如古水深、殘余地層厚度、剝蝕地層厚度等)與屬性參數(shù)(如古物源、古環(huán)境等)進行有機結合，通過各參數(shù)的分析對比，與最終恢復的古地貌相互佐證。在巖溶斜坡區(qū)，如果需要進行坡度計算，可以利用不同點之間地層厚度的差值和兩點之間的水平距離來計算。

2.3.2 選擇合適的古地貌恢復方法

古地貌恢復方法的選擇首先需要明確區(qū)域地質(zhì)背景，其次要參考所掌握的地質(zhì)資料，最后進行古地貌方法的選擇。古地貌恢復方法直接決定著巖溶古地貌能否準確恢復和精細刻畫。由于每一種恢復方法的原理和側(cè)重點不同，例如殘厚法對局部古地貌的刻畫較為精準，印模法對宏觀古地貌的刻畫較為真實，當不同方法的恢復結果之間出現(xiàn)矛盾與沖突時，要科學分析問題，去偽存真，大膽取舍，選擇符合古地貌演化規(guī)律的恢復結果。

2.3.3 逐步統(tǒng)一三級古地貌的命名

三級古地貌單元命名的統(tǒng)一還需要國內(nèi)外專家學者的共同努力，在深入認識不同三級古地貌單元的特征與性質(zhì)的基礎上，逐步統(tǒng)一命名。不同的三級古地貌單元內(nèi)，白云巖儲層的破壞和改造程度不同，造成巖溶儲層的物性不同。因此，命名統(tǒng)一以后，三級古地貌單元與巖溶儲層之間的關系會更加明確，巖溶儲層空間分布規(guī)律也會有更加深入的認識。

3 展望

進入20世紀90年代中后期，在水文學、巖溶學、沉積學、油氣儲層地質(zhì)學等多學科巖溶研究的基礎上，地球化學、常規(guī)測井、成像測井、地震勘探等技術手段開始用于巖溶的系統(tǒng)化及定量化研究，涵蓋了風化殼巖溶的演化、巖溶作用的期次與強度、巖溶儲層的儲集性能、碳酸鹽巖溶洞的識別、風化殼儲層的預測、風化殼巖溶發(fā)育模式等內(nèi)容[56-61]。通過對我國的一些典型巖溶儲層進行分析，巖溶識別標志、巖溶相帶劃分方法、溶蝕孔洞縫發(fā)育機理、巖溶發(fā)育主控因素等得到了更加深入的研究[62]。

總體上，國內(nèi)外關于風化殼巖溶型白云巖儲層的研究逐漸從“理論研究”轉(zhuǎn)向“應用研究”、從“定性描述”轉(zhuǎn)向“定量描述”、從“宏觀預測”轉(zhuǎn)向“微觀剖析”[63]。儲層評價已經(jīng)從“單因素評價”發(fā)展到“多因素評價”，在最初地質(zhì)參數(shù)評價的基礎上，測井參數(shù)(聲波時差、電阻率等)和地震參數(shù)(地震振幅、地震相干、波阻抗反演等)評價也越來越廣泛地應用在實際中。多參數(shù)評價體系的確立有助于從多角度展開對儲層的精細描述[64-67]。具體來說，主要是通過多種手段、多種參數(shù)確定某一特定地區(qū)特定層位“風化殼巖溶型白云巖儲層”的白云石化模式、巖溶古地貌等，最終明確優(yōu)勢儲層發(fā)育區(qū)，同時展開儲層精細描述。

“白云石化模式”和“巖溶古地貌”這兩個問題直接影響著風化殼巖溶型白云巖儲層的分布預測，即優(yōu)勢儲層發(fā)育區(qū)的確定。針對這兩方面的問題，今后應注重對研究方法和技術手段的改進，充分利用巖心、薄片、錄井、測井、地震及測試等各項地質(zhì)資料，宏觀與微觀相結合、靜態(tài)地質(zhì)資料和動態(tài)測試資料相結合的方法，對儲層的宏觀和微觀的儲集特征進行分析，尤其是加強對白云石化模式的甄別和對巖溶古地貌的刻畫，最終明確巖溶儲層的主控因素及成因機理。