基于古鹽度、古水溫的白云巖成巖環境分析
——以鄂爾多斯盆地東南部延長探區馬五1亞段為例

高 飛，王念喜，喬向陽，劉 鵬.

(1.陜西延長石油集團有限責任公司研究院，陜西西安 710075;2.陜西省二氧化碳封存與提高采收率重點實驗室，陜西西安 710075)

近年來，鄂爾多斯盆地東南部延長探區下古生界白云巖儲層勘探獲得重大突破，證實了探區內下古生界馬家溝組具有良好的勘探前景。延長探區內馬家溝組油氣藏圈閉以巖溶白云巖儲層為主[1-9]，前人利用地球化學特征對白云巖成巖環境多有研究，楊華等通過碳、氧穩定同位素分析認為鄂爾多斯盆地中奧陶統馬家溝組原始同位素值的改變主要發生在早期成巖階段[16]；王琳霖等通過主微量元素分析認為鄂爾多斯盆地東緣馬家溝組整體沉積為咸水介質的沉積環境[17]；劉福田等通過碳氧同位素分析認為鄂爾多斯盆地西南緣中元古代氣候溫暖[12]；蘇中堂等通過稀土元素地球化學特征分析得出鄂爾多斯盆地馬家溝組泥微晶白云巖形成于相對低溫氧化環境，其巖溶流體可能為大氣淡水，而晶粒白云巖形成于相對高溫還原環境，白云化流體為海源流體[18]，碳氧同位素、微量元素等地球化學特征在鄂爾多斯盆地不同地區的成功應用表明，其能夠有效恢復白云巖成巖環境。但是眾多研究中缺乏對古鹽度、古水溫等成巖環境的詳細探討以及分析比對，本文試圖通過主微量元素以及碳氧同位素分析，應用不同方法恢復白云巖古鹽度以及古水溫等成巖環境，進一步提高對研究區白云巖成巖環境的再認識，為研究區下古生界馬家溝組天然氣勘探提供有利的認識支撐。

1 工區地質概況

研究區處于鄂爾多斯盆地東南部(見圖1)，鄂爾多斯盆地在大地構造上屬地臺型構造沉積盆地，基底為太古界及下元古界地層，沉積蓋層為中上元古界、古新生界地層。鄂爾多斯盆地總體構造為南北走向，呈東緩西陡，其局部構造不發育。研究區位于伊陜斜坡的東南部，整體與大的構造背景一致，表現為東高西低、向西傾的單斜。下古生界馬家溝組為海相碳酸鹽巖，有6個巖性段組成，其中一、三、五段為膏云巖與鹽巖發育段，二、四、六段為灰巖發育段。馬五段自上而下劃分為10個亞段，其中上部的馬五1亞段為主力氣層段。馬五1儲層主要為含膏白云巖，在風化殼期的大氣淡水淋溶作用下，含膏白云巖溶解形成溶孔型儲集體。研究區已有鉆探井部分在馬五1獲得高產工業氣流，證實了探區內馬五1有著巨大的天然氣勘探潛力。

圖1 研究區地理位置圖

2 樣品采集及測試

本次選取研究區內18口井48個樣品，樣品全部采自研究區內鉆井的新鮮巖心，層位屬于馬五1亞段，18口井井位分布如圖3，在研究區平面分布較為均勻，具有代表性。樣品主要巖石類型為泥晶白云巖(圖2a、圖2b)、微晶白云巖(圖2c)、亮晶白云巖(圖2d)。采樣時保持樣品的純潔性，通過對樣品進行陰極發光和鑄體薄片(茜素紅染色)的鏡下鑒定，確保了樣品分類的可靠性，樣品用瑪瑙研缽研磨并過200目篩后，分別送主量元素、微量元素、稀土元素以及碳氧同位素分析。所采集樣品的測試分析全部由中國科學研究院地球環境所完成，應用磷酸法，測試儀器為KielⅢ碳酸鹽裝置與MAT252氣體質譜儀聯機完成，采用PDB標準，樣品用HF+HNO3混合酸分解，采用RH內標法在電感等離子質譜儀ICP-MS測微量元素，誤差<2%。

圖3 分析化驗井分布圖

3 結果與討論

3.1 結果分析

本次測試碳氧同位素分析化驗結果如表1，巖性為泥晶白云巖、微晶白云巖、亮晶白云巖，所屬層位為馬五1。其中δ13C同位素值的范圍-1.96‰～1.01‰，平均值為-0.428‰，δ18O同位素值的范圍-9.65‰～-7.35‰，平均值為-8.39‰。一些學者已經測定出奧陶紀海水的C、O同位素值，δ13C值域約在-2.0‰～+0.5‰，δ18O值在-9.0‰～-5.4‰之間，平均值為-7.6‰。

本次分析化驗共取得45塊樣品的微量元素值(見表2)，另測得Fe、Mn、Na元素含量如表3。微量元素Sr最大值為174×10-6，最小值為50.1×10-6，平均值為103.39×10-6，Ba最大值為79.7×10-6，最小值為2.95×10-6，平均值為13.64×10-6，Fe最大值17920×10-6，最小值1051×10-6，平均值3687×10-6，Mn最大值387.32×10-6，最小值77.46×10-6，平均值200.49×10-6，Na最大值445.16×10-6，最小值148.38×10-6，平均值219.02×10-6。碳酸鹽沉積后經過一定的成巖作用，其組成的原始地球化學元素發生一定的變化，前人通過多種方法判斷碳酸鹽后期成巖蝕變程度，趙彥彥等通過Fe、Mn含量以及Mn/Sr比值判斷成巖蝕變程度，認為Mn<300×10-6、Fe<3000×10-6以及Mn/Sr<3.0，則碳酸鹽巖保存了原始地球化學特征或者僅受弱的成巖作用影響[19]；胡作維等在四川東部華鎣山三疊系海相碳酸鹽巖中，將Mn<250×10-6以及Mn/Sr<2.0為經受較小的成巖蝕變，其地球化學信息很大程度可以代表原始海水[20]；張謙等通過碳氧同位素交匯，根據其相關性判斷成巖蝕變對碳氧同位素含量的影響[21]。結合前人研究成果，本次研究利用Mn、Fe、Mn/Sr以及碳氧同位素交匯分析相關系數值作為樣品成巖蝕變程度的判斷標準，具體標準為：Mn<300×10-6、Fe<3000×10-6、Mn/Sr<3.0以及碳氧同位素交匯相關系數<0.1為判定成巖蝕變程度小，其能夠代表原始沉積環境。

表1 碳酸鹽巖碳氧同位素分析結果

本次研究17個樣品中Fe最大值17920×10-6，最小值1051×10-6，剔除最大值17920×10-6和最小值1051×10-6，其平均值2914.33×10-6；Mn最大值387.32×10-6，最小值77.46×10-6，剔除最大值387.32×10-6和最小值77.46×10-6，其平均值為196.24×10-6；Mn/Sr比值最大值為3.87，最小值為0.625，剔除最大值3.87和最小值0.625，平均值為2.087；通過對碳氧同位素的交匯其相關性較差，相關系數為0.0765(圖4)，Mn、Fe、Mn/Sr以及碳氧同位素交匯相關系數表明研究區經過后期成巖作用后，原始地球化學特征雖有一定變化，但仍然可以代表原始海水地球化學信息。

表2 微量元素分析結果(10-6)

表3 其他元素分析結果表(10-6)

圖4 碳氧同位素交匯圖

3.2 古鹽度分析

(1)通過Sr/Ba同位素判斷鹽度。

當水體鹽度很低時，Sr、Ba均以重碳酸鹽的形式存在，隨著鹽度的增大，Ba首先從水體中沉淀出，當鹽度達到一定程度Sr也沉淀出，因此沉積物中SR/Ba值與鹽度呈良好正相關關系，Sr/Ba<1為淡水沉積，Sr/Ba>1海相沉積[13]。表2中數據45個樣品的Sr/Ba值全部大于1，樣品Sr/Ba比值范圍為1.34～23.55，平均值為11.02，具有很強的海源性質，表明研究區為鹽度較高的海相沉積環境。

(2)通過碳氧同位素判斷鹽度。

前人通過研究表明，碳酸鹽巖沉積物中C、O同位素值隨著鹽度的升高而增大，其經驗公式如下：

Z=2.048×(δ13C+50)+0.498×(δ18O+50)

Z值>120為海水環境，Z<120為淡水環境，Z=120為不定型，在成巖環境中雖然C、O同位素發生交換，但Z值仍能大致反映海水的鹽度[10-12]。

本次共對29塊白云巖樣品進行分析化驗(表2)，利用碳氧同位素結果計算Z值，其中Z值小于120的有三塊樣品，其余都大于120，分析結果表明白云巖成巖環境為咸水的海相環境。

(3)通過碳同位素判斷鹽度。

一般沉積物中的同位素會因后期交換作用而發生變化，但對碳同位素比較弱，尤其是從寒武紀以來沒有顯著變化，因此用碳同位素區別海陸相是可行的[11]。一些研究者已經測定鄂爾多斯盆地奧陶紀海水的C、O同位素值，其中碳同位素的值域為-2.0‰～0.5‰[14]，通過本次分析化驗，C同位素的值域為-1.96‰～1.01‰，與奧陶紀海水的C同位素值域偏離較小，說明碳酸鹽巖沉積環境為咸水海相沉積。

通過以上三種方法一致判斷認為碳酸鹽巖的沉積環境為鹽度較高的咸水海相沉積環境，這與其沉積環境演化有一定的關系。馬家溝組沉積分為馬一至馬六段，其中一、三、五段為膏云巖和鹽巖沉積，二、四、六段為石灰巖沉積，其中馬五1亞段為干旱氣候條件下沉積，蒸發作用使得成巖環境鹽度較高，與本文研究結論相一致。

3.3 古水溫分析

前人對古溫度的恢復方法多樣，如早期學者張秀蓮等利用碳酸鹽巖中氧同位素恢復古水溫[11]，劉福田等利用氧同位素對鄂爾多斯盆地西南緣薊縣系[12]，鄭德順等利用微量元素U/TH以及Sr元素對豫西南淅川地區燈影組古水溫進行恢復[13]。本次研究利用以上方法對研究區的古水溫進行恢復，并對比不同方法恢復結果進行修正。

(1)利用微量元素Sr值計算古水溫。

前人通過經驗公式來計算成巖溫度[12]，其公式：

y(Sr)=2578-80.8T

通過計算其溫度范圍為29.25～31.29 ℃，平均值為30.6 ℃如表1。碳酸鹽巖沉積后經常受大氣降水的影響，而大氣降水含有較少的Sr元素，導致Sr含量降低，所以通過此經驗公式計算得到的古水溫偏高。

(2)利用氧同位素計算古水溫。

前人已有研究，認為利用氧同位素值可以計算白云巖形成的環境溫度[12]，[15]，其計算公式：

T=13.85-4.54×δ18O+0.04×(δ18O)2

通過對研究區的氧同位素計算得到T的范圍為47.34～61.39 ℃，平均值為54.32 ℃(表1)。與通過Sr同位素計算得到的溫度對比，通過氧同位素計算得到的溫度明顯偏高，因為氧同位素經過后期成巖作用后發生較強烈的交換作用，導致氧同位素值比同期海水偏負有以下兩種原因：其一大氣淡水能夠降低氧同位素；其二埋藏期溫度較高，較重氧同位素進入流體中，較輕氧同位素進入到白云巖中，導致氧同位素偏負，這降低了氧同位素指示古水溫的意義。

(3)修正氧同位素后計算古水溫。

Shields等根據大量在成巖作用中變化最小的樣品-腕足碳酸鹽巖分析結果，中奧陶世碳酸鹽巖的δ18O值在-9.0‰～-5.4‰之間，平均值為-7.6‰[16]。而第四紀海相石灰巖δ18O平均值為-1.2‰。這與中奧陶世δ18O平均值為-7.6‰，偏移-6.4‰。將表2中的氧同位素值偏移-6.4‰，將偏移后的δ18O值代入目前較為廣泛的計算公式：

T=16.9-4.54×(δ18O+0.22)

+0.13×(δ18O+0.22)2

其結果如表1中的T1值。通過修正后的氧同位素，計算的溫度范圍為20.2 ℃～31.57 ℃，平均值為25.28 ℃，與通過Sr同位素計算得到溫度值范圍為29.25 ℃～31.29 ℃，平均值為30.6 ℃，有所差距。

對比三種方法恢復古水溫，利用氧同位素恢復古水溫明顯偏高，利用Sr元素計算得到的古水溫也偏高，而利用修正后的氧同位素值計算得到的溫度最低，可以利用Sr元素計算的結果與利用修正后的氧同位素計算的結果求平均值28.6 ℃為估算古水溫，說明馬五1亞段成巖環境為溫暖氣候。

4 沉積環境

研究區內馬五1亞段白云巖成巖蝕變較小，分析樣品中Fe平均值3687×10-6，Mn的平均值200.49×10-6，Mn/Sr比值平均值為2.11，碳氧同位素的交匯相關系數為0.0765，表明其地球化學特征能夠代表原始沉積環境信息，可以利用地球化學信息分析白云巖成巖環境。研究區δ18O值的范圍-9.65‰～-7.35‰，平均值為-8.39‰，較同期海水δ18O值偏負0.65‰～1.95‰，δ13C值與同期海水相當，這種偏負主要是由于埋藏作用下溫度較高，導致較重氧同位素進入交代流體中，較輕氧同位素進入白云巖中，說明研究區馬家溝組白云巖經過(準)同生期白云化作用以及埋藏白云化作用，因為氧同位素的偏負可能由大氣淡水淋濾以及埋藏作用下造成，但是馬五期屬于干旱氣候條件，無法提供充足的大氣淡水，不可能發生大規模的白云化作用。通過利用碳氧同位素以及微量元素，判斷研究區馬五1亞段成巖環境為鹽度較高的咸水海洋環境，溫度為28.6 ℃，這與馬家溝組馬五期沉積演化相一致，馬家溝組馬一、馬三、馬五為蒸發巖沉積階段，馬二、馬四、馬六為正常淺海的石灰巖、白云巖沉積，馬五又分為馬五1-馬五10，馬五為海退期，從馬五10至馬五1為海水逐漸退去，海平面逐漸降低，至馬五1暴露程度增加，形成蒸發巖沉積。

5 結論

通過對鄂爾多斯盆地東南部延長探區馬五1亞段白云巖的微量元素以及碳氧同位素進行分析表明：

(1)研究區Mn最大值387.32×10-6，最小值77.46×10-6，平均值200.49×10-6，Mn/Sr比值最大值為3.87，最小值為0.625，平均值為2.11；通過碳氧同位素交匯，其相關性較差，相關系數為0.076 5。多數據表明碳酸鹽巖經過成巖作用后地球化學特征依然能夠指示成巖環境信息。

(2)研究區Sr/Ba值全部大于1，Z值有90%的大于120，C同位素值與同期海水值相當，三項數據表明白云巖成巖環境為咸水海相環境。

(3)利用氧同位素計算古水溫平均值為54.32 ℃，表明氧同位素值經過后期成巖作用后變化較大，已經不能夠代表成巖環境信息；利用Sr元素判斷其古水溫為30.6 ℃，Sr元素經過后期沉積丟失后變小，計算出的溫度會偏大；利用修正后的氧同位素判斷古水溫平均值為25.28 ℃；將Sr元素計算的古水溫與修正氧同位素計算古水溫值求平均，估算古水溫為27.67 ℃，表明其成巖環境為相對溫暖氣候。