靖边气田马五段白云岩储层地球化学特征研究

田 雯，肖 晖 （西安石油大学地球科学与工程学院，陕西 西安710065）

1 区域地质概况

靖边气田位于鄂尔多斯盆地中部伊陕斜坡的主体部位，北起乌审旗，南至永宁，东起子洲，西抵安边，面积约为4.8×104km2。现今构造面貌为区域性西倾大单斜，坡降7～10m／km2，倾角不足1°。奥陶系马家沟组为一套碳酸盐岩为主夹蒸发岩的地层，自下而上可分为6段。马家沟组气藏以下古生界奥陶系马五段碳酸盐岩气藏为主，其上部地层发育上古生界二叠系砂岩气藏，部分地区叠合连片。马五段岩性以白云岩为主，夹石灰岩及蒸发岩，纵向上岩性变化较大，平均厚度197.3m。马五段顶部受古岩溶作用的影响，形成了层位较稳定的溶蚀孔洞白云岩储层。

2 样品采集及测试

采集的白云岩样品来自于鄂尔多斯盆地靖边气田部分钻井的岩心，对应层位为马五段，深度范围为3353.3～4300.05m。采样时保证了样品的纯洁性，随后对样品进行了铸体薄片 （茜素红染色）镜下鉴定，以确保样品分析的可靠性。样品用玛瑙研钵研磨并过200目筛后，用塑料样品袋包装，分别进行了主要元素、微量元素和稀土元素以及C、O、Sr同位素的分析，每份样品重量保证大于或等于10g。

主量元素和微量元素及稀土元素测试由北京核工业地质研究所完成，测量仪器采用ELEMENT等离子体质谱分析仪，测量标准为国标GSS-5、GSR-6、GSD-12及DZ∑-1，测量误差一般可控在5%以下。C、O同位素测试也由北京核工业地质研究所测试完成，测量仪器采用MAT253气体同位素质谱仪，分析误差为0.01%，所有分析结果以PDB为标准。Sr同位素比值测定采用Finni gan MTA公司生产的MAT-261型固体质谱仪进行比值测定。

3 分析结果

3.1 储层岩性特征

白云岩是马家沟组的主要赋存岩类，包括泥晶白云岩和粉晶、细粉-微晶白云岩以及岩溶角砾白云岩等，以泥晶白云岩和晶粒白云岩为主，发育颗粒结构、泥晶结构、晶粒结构和交代残余结构。泥晶白云岩主要发育于马五41下段。岩石外观致密，呈暗灰色或深灰色，微观上具有典型的泥晶结构，主要矿物成分为泥晶白云石，还有少量粘土矿物。粉晶、细粉-微晶白云岩一般具粉-细晶结构，主要由半自形-他形白云石晶体组成，含极少量自生石英和充填在晶间孔中的石膏，含石膏假晶的泥粉晶白云岩多呈灰色、褐灰色。

马家沟组白云石化主要发生在准同生期和早成岩作用阶段，该类型白云石以半自形或他形泥晶结构为主，少数为细晶。少部分充填于溶蚀孔缝中的自形的、晶体粗大的白云石和铁白云石形成于晚成岩作用阶段，该阶段处于强还原环境，形成的白云石无阴极发光或发光很暗。

3.2 白云岩地球化学特征

1）主量元素和微量元素特征 从化学元素组成来看，白云岩主量元素包括Ca和Mg，微量元素包括Fe、Mn、Sr等，研究这些元素的地球化学特征对于解释白云岩成因的化学性质或介质流体性质意义重大。

沉积溶液的Mg／Ca比值直接反映了主要元素Ca在白云石中的富集程度。在一般情况下，与蒸发盐相伴生的细晶白云石中Ca含量低于不与蒸发盐相伴生的细晶白云岩，所以在高盐度环境中，Mg／Ca值要超过5或10；而在正常海水中，Mg／Ca值约为1，溶液的淡化作用对白云石的形成是有利的［1］。由表1可知，白云岩样品的Mg／Ca比值小于1，因而马家沟组白云石形成于混合水环境。

微量元素地球化学特征对于研究碳酸盐岩成岩作用和流体性质具有重要意义。Mn、Fe是大气水成岩环境中强烈富集的元素。一般来说，可以用Mn、Fe的含量用来判别氧化还原作用，由此反映成岩强度和埋藏深度。随着埋深以及成岩强度的增加，Mn、Fe的含量增加，反之则减小。因此，氧化环境形成的白云岩的Fe、Mn含量低于还原环境形成的白云岩，近地表早期白云岩比埋藏白云岩中的Fe、Mn含量低。马五段白云岩中，Mn含量相对较低 （0.01%～0.031%），Fe含量高 （0.1%～0.85%）（见表1），说明马五段白云岩不是在氧化的潮上条件下形成，而是形成于埋藏环境。此外，白云石Fe／Mn比值高，这是大部分白云石具有暗的或无阴极发光的主要原因。微量元素Sr是海水及其派生流体最重要的示踪元素，其在白云石化作用中交代Ca离子而不是Mg离子，交代后白云石化形成的白云石Sr含量很低，这与白云岩化作用形成于大气淡水与海水混合带有关。

2）稀土元素特征 对于白云岩来说，交代流体不同，会直接导致稀土元素的分布不尽相同［2］。从马家沟组稀土元素配分模式图 （见图1）中可以看出，泥晶云岩、粉晶云岩和细-粗晶云岩具有相似的REE（稀土元素）配分模式，这说明白云岩化流体具有同源性；稀土元素配分模式整体表现出LREE（轻稀土元素）富集特征［2］，富集相对程度 La／Yb比值在9.78；泥晶云岩异常δEu值为0.66，泥粉晶为0.64，细-粗晶平均值为0.6，表明后2白云岩形成环境的温度高于泥微晶白云石；流体Mg／Ca相对较高，具偏碱性环境。

图1 靖边气田马家沟组白云岩稀土元素配分模式图

3）碳氧同位素特征 根据取自3353.3～4300.05m的白云岩样品分析，发现马家沟组岩样δ18O PDB值介于-6.4‰～-14.5‰，平均-10.48‰；δ13C PDB值在0.6‰～-3.8‰，平均-2.18‰。其中，马五段晶粒白云岩的δ13C值在-3.8‰～-1‰，平均-2.18‰；δ18O值在-14.5‰～-6.9‰，平均-10.48‰。马五段泥微晶白云岩的δ13C值在0.2‰～0.6‰，平均-2.18‰；δ18O值为-7.4‰～-6.4‰，平均值为-10.48‰。

图2 靖边气田马家沟组白云岩C-O同位素特征

前人认为不同成因白云岩C、O同位素值变化的基础是海水C、O同位素的值，奥陶纪海水C、O同位素的值分别为δ18O 在 -6.6‰ ～ -4.0‰ 和 δ13C 在-2.0‰～＋0.5‰［3］。靖 边 气 田 马 家 沟组白云岩C-O同位素特征如图2所示。从图2可以看出，马家沟组马五段晶粒白云岩的稳定同位素C、O值分布在碳、氧十字图的左侧，与奥陶纪海水相比偏负。一般情况下，“温度效应”、“淡水效应”以及 “转化作用”均有可能造成白云岩碳氧同位素值偏负［4］。转化作用会造成原δ18O值偏负，但不会使其达到埋藏白云石的δ18O值，所以，马五段晶粒白云石的δ18O值偏负不是准同生和渗透回流白云岩的欠稳定富钙白云石在埋藏条件下的转化作用引起的。“温度效应”引起马五段白云岩δ18O值比奥陶纪海水的值偏负，因为白云石化作用发生在埋藏条件下，温度极高，相对轻的稳定同位素进入到白云石的晶格中，相对较重的稳定同位素进入到交代流体中，发生 “热同位素分馏作用”，导致δ18O值比奥陶纪海水偏负，即白云石化发生在埋藏 （高温）环境中。由于所有晶粒白云岩均位于坐标轴左下方，整体δ18O值偏负，表明晶粒白云岩是在埋藏高温环境形成的；泥微晶白云岩处于坐标轴左上方，δ18O与δ13C值位于奥陶纪海水胶结物的稳定同位素值范围之内 （δ18O在-6.6‰～-4.0‰；δ13C在-2.0‰～＋0.5‰），说明这类白云岩白云化流体主要为海水或与海水有关的海源流体，而且有可能受到后来大气淡水的改造，且其形成于近地表环境下，因而是同生环境下作用形成的白云石。此外，有机碳对成岩流体是否有影响是通过白云岩的δ13C值来反映的。靖边地区马五段白云岩的δ13C值 （-5‰～0.3‰）与奥陶纪海水δ13C值 （-2.0‰～-0.5‰）相比偏负。由此证明，在白云石化过程中，有机碳对其有一定程度的影响，使12C富集，进而导致马五段白云岩δ13C值偏负。

图3 马五段白云岩87Sr／86Sr值分布图

4）Sr同位素度 Sr的相对丰度通常用87Sr／86Sr比值来表征，这2种铯的同位素有不同的来源，87Rb放射性衰变形成87Sr，而86Sr则为非放射性成因。海水的Sr同位素比值在某一地质时期一般是相对恒定的［5］。马家沟组碳酸盐岩是在87Sr／86Sr比值约为0.70876的环境中沉积的，因而岩石的Sr同位素比值应与海水的Sr同位素比值相似。但白云岩是一种成岩相，白云石化流体交代马家沟组碳酸盐岩沉积物或岩石形成白云岩，若交代流体是海水、蒸发海水，则白云岩的锶87Sr／86Sr值应当与海水的锶87Sr／86Sr值相当；若交代流体是地层卤水，则白云岩锶87Sr／86Sr值高于海水锶87Sr／86Sr比值［6］，因为交代流体中有放射性87Sr进入，所以马五段白云岩Sr同位素比值比海水Sr同位素比值要高，由此可推断其在埋藏条件下发生白云石化作用。

马五段白云岩Sr同位素分析结果表明，马五段白云岩岩样的的87Sr／86Sr比值在0.708230～0.712618之间，平均值0.7108064，大于奥陶纪时海水的87Sr／86Sr比值 （见图3），这说明成岩流体中的Sr来源于流经的富含放射性成因87Sr的外部地层。石炭-二叠系煤系地层为马家沟组上覆地层，酸性的孔隙水能够溶解硅酸盐矿物，最终直接导致87Sr／86Sr比值增加。再者，鄂尔多斯盆地的整体抬升期间，硅酸盐被大气淡水对所溶解，向海相碳酸盐提供了壳源锶，87Sr／86Sr比值得以增加，因而马五段晶粒白云岩的87Sr／86Sr比值较高，说明马五段晶粒白云岩不可能是回流白云岩和准同生白云岩，而是埋藏白云岩［7］。

4 结 论

（1）靖边气田周边下奥陶统马家沟组马五段白云岩主要以泥微晶白云岩和晶粒白云岩为主。

（2）马五段白云岩Mg／Ca比值小于1，说明白云岩形成于混合水环境，微量元素Fe含量较高，Mn、Sr含量较低，且白云石化过程中受到有机碳的影响。

（3）稀土元素具有相似的REE配分模式，说明白云岩化流体具有同源性且δEu值显示具偏碱性环境。

（4）δ18O、δ13C值与奥陶纪海水值相比明显偏负，而87Sr／86Sr比值比奥陶系海水比值高，说明晶粒白云岩是埋藏白云岩。

［1］赵俊兴，陈洪德，张锦泉，等 .鄂尔多斯盆地中部马五段白云岩成因机理研究 ［J］.石油学报，2005，26（5）：38-47.

［2］姚泾利，王保全，王一，等 .鄂尔多斯盆地下奥陶统马家沟组马五段白云岩的地球化学特征 ［J］.沉积学报，2009，27（3）：382-389.

［3］Allan J R，Wiggins W D.Dolomite reservoirs：Geo-chemical techniques for evaluating origin and distribution （AAPG Continuing Education Course Notes Series No.36）［M］.Tulsa：AAPG，1993：36-129.

［4］王保全，强子同，张帆，等 .鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组马五段白云岩的同位素地球化学特征 ［J］.地球化学，2009，38（5）：472-479.

［5］余志伟 .氧、碳同位素在白云岩成因研究中的应用 ［J］.矿物岩石地球化学通报，1999，18（2）：103-106.

［6］Azmy K，Knight I，Lavoie D，et al.Origin of dolomites in the Boat Harbour Formation，St.George，in western Newfoundland，Canada：implications for porosity development［J］.Bulletin of Canadian Petroleum Geology，2009，57 （1）：81-104.

［7］赵卫卫，王宝清 .鄂尔多斯盆地苏里格地区奥陶系马家沟组马五段白云岩的地球化学特征 ［J］.地球学报，2011，32（6）：681-690.