山西兴县关家崖剖面马五5亚段核形石灰岩特征及成因

李百强，王起琮，宁博，王妍，靳程光，石堃，刘佳玮，赵克里，孟刘，闫佐

（1西安石油大学；2青海油田公司英东采油厂；3新疆油田公司采油一厂第三采油作业区）



山西兴县关家崖剖面马五5亚段核形石灰岩特征及成因

李百强1，王起琮1，宁博1，王妍1，
靳程光1，石堃1，刘佳玮1，赵克里2，孟刘3，闫佐1

（1西安石油大学；2青海油田公司英东采油厂；3新疆油田公司采油一厂第三采油作业区）

摘 要在观察兴县关家崖野外露头剖面马五5亚段核形石灰岩岩性特征的基础上，进行了薄片镜下鉴定，开展了全岩X衍射，主、微量元素，锶和碳、氧稳定同位素及有机碳分析。研究结果表明，核形石灰岩形成于开阔海环境，准同生阶段核形石发生重结晶作用，浅埋藏期压实作用使巨晶方解石呈镶嵌接触并产生压力双晶纹；马五5亚段底部核形石灰岩形成于海平面上升过程，未受早期淡水溶蚀；马五5亚段顶部核形石灰岩形成于海平面下降过程，明显受早期大气淡水淋滤与溶蚀作用影响；在中—深埋藏阶段受地下热液影响，在水-岩作用过程中发生了同位素交换及有机质成熟及排烃作用。该套核形石灰岩的发现，明确了马五5亚段形成于开阔海环境，这对于马家沟组烃源岩的研究具有参考意义。

关键词核形石；石灰岩；马家沟组；关家崖剖面；山西

本文受国家科技重大专项专题“鄂尔多斯盆地南部奥陶系碳酸盐岩成岩作用与储层分布与演化”（编号：2011ZX05005-004-08HZ）和西安石油大学全日制硕士研究生创新基金项目“鄂尔多斯盆地马家沟组马五5亚段核形石灰岩特征及其成因”（编号：2014cx130218）共同资助

李百强：1989年生，西安石油大学地球科学与工程学院在读硕士研究生。从事沉积学与储层地质学研究。通讯地址：710065陕西省西安市雁塔区电子二路东段18号；E-mail：924374439@qq.com

核形石又称藻灰结核，由核心和包壳两部分构成，它是分泌黏液的蓝细菌粘结周围碳酸钙质点并围绕核心加积生长形成的［1-2］。前人将此类具细菌粘结结构的碳酸盐岩（如核形石灰岩、凝块石灰岩、叠层石灰岩及蓝细菌白云岩等）统称为微生物碳酸盐岩［3-4］。由于富含有机质并形成于独特的生态环境，近年来微生物碳酸盐岩逐渐成为地学界关注的热点［1，5-7］。笔者最近在山西兴县关家崖剖面的中奥陶统马家沟组五段5亚段（以下简称“马五5亚段”）的顶部和底部发现了多层核形石灰岩，本文将探讨该套核形石灰岩的特征、成因及意义。

1 野外露头基本情况

兴县关家崖［8］位于鄂尔多斯盆地中东部晋西挠褶带（图1）。关家崖剖面走向为北偏东30°（图2），局部构造呈低缓背斜，背斜轴部走向北西—南东向，东北翼较陡（倾角11°～24°），西南翼较缓（倾角3°～6°）。剖面出露马五段的马五7—马五3亚段，总厚度134.4m，背斜核部以下地层为马五8亚段（未出露），顶部覆盖石炭系本溪组铝土岩。

图1 兴县关家崖剖面地理位置图

该剖面马五5亚段厚28.3m（图3），顶部为3层总厚度达1.2m的深灰色核形石灰岩，底部为2层总厚度达1.2m的浅灰色核形石灰岩，中部则为具有云斑及生物扰动构造的厚层土黄色白云质灰岩夹薄层的浅黄色泥晶白云岩，总厚约25.4m。

图2 兴县关家崖奥陶系马家沟组五段地层实测剖面

图3 兴县关家崖剖面马五5亚段岩性综合柱状图

2 核形石灰岩岩相特征

一般根据核形石的形态、大小及纹层特征，可将核形石灰岩划分为椭球状同心纹层、椭圆状不规则纹层、叶状不连续纹层及迷雾状等4类［5，9］。关家崖剖面核形石灰岩的核形石具扁圆状纹层结构，故属于椭球状同心纹层核形石灰岩。

2.1 岩石矿物组分及结构特征

全岩X衍射分析结果表明，核形石灰岩皆由方解石构成，黏土等其他组分含量极微（＜1﹪）。

岩石具颗粒支撑结构。马五5亚段顶部的核形石呈椭球状，长轴介于6～8cm，由深灰色巨晶方解石构成，晶粒直径介于5～8㎜，核形石之间充填大量白色方解石胶结物，含量约30﹪（图4a），胶结物中可见被溶蚀残余的巨晶方解石（图4b），颗粒间灰质杂基组分很少。马五5亚段底部的核形石较顶部的要大，长轴介于8～10㎝，由浅灰色细晶方解石构成，晶粒直径介于0.125～0.25㎜，核形石之间的白色方解石胶结物充填较少，含量约10﹪，有少量灰质杂基组分（图4c）。

2.2 核形石内部及微观结构

核形石由“核心与纹层”构成。核心是核形石形成的物质基础，通常为生物碎屑、内碎屑、球粒以及蓝细菌颗粒；纹层是包裹核心的、由细菌形成的层状包壳，在不同沉积环境中形成的纹层的类型、形状、厚度、圈层数目以及纹层连续程度均会有所不同。核形石核心的大小和形状也影响着核形石外部层状包壳的形状、大小及圈层数目，但随着包壳厚度增加，核心对其影响程度逐渐减弱［6］。

2.2.1 内部结构

图4 兴县关家崖剖面马五5亚段核形石灰岩宏观特征

据露头观察，核形石核心多为深灰色椭球状颗粒，长轴约1㎝，经镜下鉴定，它主要由大量蓝细菌鞘钙化丝状体缠绕形成，其外部包壳的纹层构造清晰，连续性好，纹层数目多，一般约6～10层，总厚度介于2～3㎝，主要成分为暗色方解石。靠近核形石核心的初期核形石呈椭球状，随着核形石变大，短轴方向纹层厚度增加，逐渐转变为近球状核形石（图4d）。核形石内、外形态的变化有可能源于核形石生长过程中，其上部向光侧蓝细菌生长及纹层厚度快速增加，之后在动荡的水体以及重力作用下，蓝细菌自身缠绕形成的团块不断发生旋转，周而往复直至核形石表面受光均匀，纹层等轴生长，形成近圆球状的核形石纹层。

2.2.2 微观结构

核形石纹层普遍发生了重结晶作用，单偏光镜下可见到方解石巨晶中含大量深灰色蓝细菌斑点（图5a1）；在荧光下观察，发现纹层中还包含大量发亮蓝色荧光的、具特征生物结构的蓝细菌鞘钙化丝状体（图5a2），表明核形石纹层中除蓝细菌之外，还包含大量其他生物碎屑。在正交偏光镜下观察，发现巨晶方解石颗粒皆彼此镶嵌接触（图5b），具不同消光角度的晶体大致呈层状分布（图5c）。另外，在单偏光和正交偏光镜下观察，巨晶方解石普遍发育明暗相间的压力双晶纹；在阴极发光下巨晶方解石发弱的橘红色光，但微裂缝中的胶结物则发明亮的橙黄色光（图5d）。

3 核形石灰岩地球化学特征

3.1 氧、碳稳定同位素特征

氧、碳稳定同位素是确定石灰岩沉积、成岩环境及成因类型的重要指标，研究发现正常海水成因的泥晶灰岩具有较高的δ18O和δ13C值，而早期及表生淡水方解石胶结物具有较低的δ18O和δ13C值，晚期热液方解石胶结物呈异常低的δ18O和δ13C值［10］。

图5 兴县关家崖剖面马五5亚段顶部核形石灰岩微观特征

Allan等［11］根据大量测试数据确定了奥陶纪海水方解石胶结物及化石的δ18O（-6.60‰～-4.00‰）和δ13C（-2.00‰～0.50‰）的分布范围。与此界限值对比的结果发现，马五5亚段的泥晶灰岩及核形石灰岩的δ18O和δ13C普遍偏低（表1），核形石之间的胶结物具有更低的δ18O和δ13C（图6）。实验结果表明，鄂尔多斯盆地奥陶系碳酸盐岩受埋藏成岩作用影响较大，为了与富含轻同位素（12C、16O）的地下热液达到平衡，水、岩之间发生离子及同位素交换作用，从而明显降低了岩石的δ18O和δ13C。

表1 兴县地区奥陶系马五5亚段石灰岩样品地球化学分析数据

图6 兴县地区关家崖马五5亚段石灰岩及其胶结物δ18O和δ13C交会图

3.2 锶含量及其同位素特征

不同沉积和成岩环境下形成的岩石，其微量元素类型及含量存在明显差异。海水是碳酸盐沉积与成岩的主要介质，具有富锶、钠、镁而缺乏铁、锰、锌等元素的特征［12］。因此海水成因的泥晶灰岩及核形石灰岩都具有类似的特征，表现为由于贫锰而显示弱的阴极发光特征。

沉积与成岩体系中的87Sr/86Sr大小与变化，受其中陆源锶和幔源锶相对含量的控制，全球陆源锶的87Sr/86Sr平均为0.712 000（±0.001 000），幔源锶的87Sr/86Sr平均为0.703000（±0.001000）［12］。因此，如果沉积与成岩体系中有大量陆源锶输入，会导致87Sr/86Sr明显升高，而大量幔源锶输入，则会导致87Sr/86Sr明显降低［13］。

兴县地区各类石灰岩样品的锶含量与87Sr/86Sr散点图显示（图7），正常海水成因的核形石灰岩与泥晶灰岩具有锶含量高的特征，一般大于100×10-6，而在早期淡水环境下由去石膏化及去白云石化作用形成的结晶次生灰岩则含少量的锶，一般低于100×10-6。

图7 兴县关家崖马五5亚段石灰岩及其方解石胶结物的锶含量与87Sr/86Sr交会图

马五5亚段顶部的核形石灰岩87Sr/86Sr为0.709181，明显高于奥陶纪海水87Sr/86Sr值（0.708500～0.708 800）［12］，而底部核形石灰岩的87Sr/86Sr为0.708 614，与奥陶纪海水的87Sr/86Sr基本一致，核形石之间的白色方解石胶结物的锶含量偏低（152.690～167.850）×10-6、87Sr/86Sr 为0.709 155，这些数据均表明，马五5亚段顶部的核形石灰岩形成并发生重结晶作用之后，在早期大气淡水或混合水环境中，个别核形石被溶解，随后被胶结，胶结物中可见溶蚀残余组分。而马五5亚段底部的核形石灰岩形成之后，即进入浅埋藏环境，未受早期地表淡水的影响。

3.3 锰、铁元素含量与阴极发光特征

碳酸盐矿物的阴极发光强度主要受其中Mn2+和Fe2+含量所控制，Mn2+是阴极发光的激活剂，而Fe2+是猝灭剂。研究发现，当Mn2+含量＜20×10-6或Fe2+含量＞10000×10-6时，碳酸盐矿物不具有阴极发光；当Mn2+含量介于（20～40）×10-6或Fe2+含量介于（5000～10000）×10-6时，碳酸盐矿物具有弱的阴极发光；当Mn2+含量＞40×10-6且Fe2+含量＜5000×10-6时，若Fe2+/Mn2+＞30，则具弱的阴极发光；若7＜Fe2+/Mn2+＜30，则具中等强度的阴极发光；若Fe2+/ Mn2+＜7，则具有强的阴极发光。据此标准绘制的模板（图8），可用于判断样品的阴极发光特征［14］。

图8 兴县关家崖马五5亚段石灰岩及其方解石胶结物的阴极发光特征与铁、锰含量的关系（据文献［14］）

核形石灰岩与正常海水成因的泥晶灰岩的Mn2+含量普遍偏低（＜40×10-6），均处于图8中的Ⅰ区和Ⅲ-1区，阴极发光强度弱甚至不发光；核形石之间的方解石胶结物与去石膏化、去白云石化的次生灰岩，由于受地表淡水的影响，含大量Mn2+（＞40×10-6），虽然Fe2+含量也较高，但未达到猝灭发光的含量，故处于模板的中等到强阴极发光区域。

3.4 有机地球化学特征

细菌的富集是油气生成的有利条件［15］。在镜下观察发现，核形石灰岩中含大量的蓝细菌以及蓝细菌鞘钙化丝状体，表明具有丰富的有机质。另外，在样品研磨过程中，发现样品粉末散发出浓烈的疑似游离烃气味，但其有机碳（TOC）却偏低，仅介于0.09﹪～0.1﹪。

目前普遍认可的泥页岩有效烃源岩TOC下限为0.4﹪～0.5﹪；而对碳酸盐岩烃源岩的TOC下限则争议很大，多数人坚持认为0.5﹪为下限［16-18］，但也有学者认为由于碳酸盐岩与泥页岩烃源岩存在不同的生、排烃机制，其TOC下限可以降低到0.05﹪［19-20］。首先碳酸盐岩吸附烃的能力远小于泥页岩，因而具有更高的排烃效率；其次碳酸盐岩属于源储共生型岩石，其生、排烃效率高，具更短的油气运移距离及更小的油气散失量［21］，因此，作者认可碳酸盐岩烃源岩的TOC下限应该比泥页岩更低，而不应将TOC＜0.5﹪作为碳酸盐岩烃源岩的下限。

霍志鹏等［19］认为碳酸盐岩烃源岩的TOC下限随有机质成熟度升高而降低，提出未成熟及低成熟阶段（Ro＜0.75﹪）的TOC下限为1.41﹪，成熟阶段（Ro为0.75﹪～1.30﹪）的TOC下限为0.1﹪～1.41﹪，高、过成熟阶段（Ro＞1.30﹪）碳酸盐岩有效烃源岩的TOC下限为0.1﹪。大量镜质体反射率测试数据表明，马家沟组有机质成熟度处于成熟及高成熟阶段（Ro为1.60﹪～2.20﹪）［22］，按照上述标准，兴县地区的核形石灰岩（表1）应该属于有效烃源岩。

在苏里格地区东部的岩心观察中（岩心观察点的位置见图1所示），也发现了与兴县关家崖剖面马五5亚段同层位的蓝细菌成因的凝块石灰岩，其有机碳含量介于0.08﹪～0.11﹪。该套广泛分布于盆地内马五5亚段的顶部和底部的高成熟及低有机碳含量的核形石灰岩的发现，可能预示着这是一套具有较好生烃潜力和较高排烃效率的烃源岩，即使这不是一套起决定作用的烃源岩层，但对于马家沟组碳酸盐岩油气藏的形成也有着不可忽略的作用。这对于重新评价马家沟组碳酸盐岩烃源岩的生烃潜力具有一定的参考意义。

4 核形石灰岩成因

4.1 生态环境

在显微镜下观察到的大量细菌斑点及蓝细菌鞘钙化丝状体，说明细菌是构成核形石灰岩主要的微生物类型。刘效曾［15］认为构成核形石的细菌通常是一类呈非固着状态生长的蓝细菌，它对不同水深、盐度、温度具有较强适应能力。温度介于20～35℃、pH值介于7.9～9.5、水深小于20m的近岸极浅水环境是蓝细菌大量分布的区域［15］。兴县关家崖马五5亚段沉积相属于开阔台地亚相中的潮坪微相，其水深、盐度、光照条件适宜，营养物质丰富，是适合蓝细菌生长的有利场所。马五5亚段核形石灰岩皆由球状及椭球状核形石构成，表明其形成于动荡的水体，在水体连续搅动的过程中，蓝细菌形成的团块受光面均一，围绕核形石核心不断生长缠绕，并捕获周围碳酸盐颗粒形成核形石。

4.2 沉积环境

马五5亚段底部核形石灰岩的锶含量及87Sr/86Sr值与奥陶纪海水的锶含量及87Sr/86Sr值一致，铁、锰含量低，阴极发光弱或不发光，表明沉积环境为正常海水环境，核形石灰岩形成于海平面持续不断的上升过程，未受大气淡水影响；而马五5亚段顶部的核形石灰岩的锶含量与奥陶纪海水的锶含量一致，铁、锰含量较低，阴极发光弱，但其87Sr/86Sr值则高于奥陶纪海水的87Sr/86Sr值，表明该核形石灰岩形成于正常海水环境，但在海平面下降过程中，明显受到早期大气淡水的影响；核形石之间的方解石胶结物的锶含量低，87Sr/86Sr值高于奥陶纪海水的87Sr/86Sr值，铁、锰含量较高，处于强阴极发光区域，δ13C明显偏低，表明该方解石胶结物属于淡水成因。

4.3 成岩作用

巨晶方解石之间的镶嵌结构和普遍发育的压力双晶纹，以及胶结物中包裹的巨晶方解石残余等现象，均表明核形石的重结晶作用发生于准同生阶段。顶部核形石灰岩具有巨晶结构、胶结物含量高、核形石溶蚀作用明显等特征，表明淡水及混合水环境进一步促进了核形石灰岩的重结晶作用；进入浅埋藏环境之后，在压实作用下，巨晶方解石产生一系列压力双晶纹，这表明重结晶作用发生在压实作用之前；而且，明显偏低的碳、氧稳定同位素测试数据表明，进入中—深埋藏环境之后，包括核形石灰岩在内的所有地层，普遍受到了来自于埋藏环境的地下热液影响，水-岩体系在达到再平衡的过程中，发生了离子及同位素交换，同时伴随着有机质的成熟以及烃类的排出。

5 结 论

（1）兴县关家崖马五5亚段顶部核形石灰岩的核形石团块较小，呈椭球状，重结晶作用较强，主要由深灰色巨晶方解石组成，核形石团块之间的白色方解石胶结物含量较高；底部核形石灰岩的核形石团块较大，重结晶作用较弱，由浅灰色细晶方解石组成，核形石团块之间的方解石胶结物含量少。

（2）各类地化数据表明，核形石灰岩形成于开阔海环境，而核形石之间的方解石胶结物可能形成于混合水环境，顶部核形石灰岩遭受早期大气淡水淋滤作用较强，而底部核形石灰岩受大气淡水影响很小。

（3）研究区核形石灰岩的重结晶作用发生于准同生阶段，早期大气淡水及混合水的溶蚀淋滤使重结晶作用进一步加强，大量核形石出现了溶蚀残余现象并伴有白色方解石胶结物的形成；进入浅埋藏期后，压实作用使巨晶方解石产生了一系列压力双晶纹；到达中—深埋藏阶段时，核形石普遍受到了来自地下热液的影响，发生了同位素交换，并伴随有机质的成熟及烃类的排出。

（4）基于碳酸盐岩烃源岩生排烃的独特性及其TOC下限评价标准，推测极富蓝细菌有机质的马五5亚段核形石灰岩可能是一套良好的烃源岩，即使不是起决定作用的烃源岩层，但其对于马家沟组油气藏形成的贡献也是不应忽视的。

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编辑：赵国宪，黄革萍

Li Baiqiang：Master degree in progress at Xi′an Petroleum University. Add：Xi'an Petroleum University，Dong-18 Dianzi Er Rd.，Xi'an，Shanxi，710065，China

机理·模式

Characteristics and Genesis of Middle Ordovician Majiagou Submember-55Oncolitic Limestone at Guanjiaya Outcrop in Xingxian，Shanxi

Li Baiqiang，Wang Qicong，Ning Bo，Wang Yan，Jin Chengguang，Shi Kun，Liu Jiawei，Zhao Keli，Meng Liu，Yan Zuo

Abstract：Several layers of oncolitic limestone that are subordinate to Middle Ordovician Majiagou Submember -55are discovered at Guanjiaya outcrop in Xingxian area，Ordos Basin. Based on the outcrop observation and microscopic thin-section identification to lithologic characteristics of the oncolitic limestone，some experimental analysis of outcrop samples were carried out，including whole rock X-ray diffraction，major and trace elements，C，O and Sr stable isotopes and organic carbon. It is indicated that the oncolitic limestone formed in tidal flat environment in open sea，and recrystallization of oncolite took place in the penecontemporaneous stage. Megacrystalline calcites presented mosaic contact under compaction and pressuring twin-crystal lamellae formed in shallow burial stage. The oncolitic limestone at the bottom of Submember-55，which formed during sea level rising，was not affected by early freshwater leaching and corrosion. Otherwise，the oncolitic limestone on the uppermost，which formed during sea level falling，was evidently affected by the leaching and corrosion. Led by underground hydrotherm，isotope exchange，organic maturation and hydrocarbon expulsion took place in water-rock interaction during the moderate-deep burial stage. The discovery of this set of oncolitic limestone makes it clear that the Majiagou Submember-55limestone formed in the environment of open sea，which can provide important reference for the research of Ordovician Majiagou source rock.

Key words：Middle Ordovician；Oncolite；Limestone；Lithologic characteristics；Petrogenesis；Majiagou Fm.；Guanjiaya outcrop；Shanxi；Ordos Basin

中图分类号：TE122.1+13

文献标识码：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-9854.2016.02.007

文章编号：1672-9854（2016）-02-0057-08

收稿日期：2015-08-12；改回日期：2015-12-05