富县地区马家沟组马五～马六段白云岩成因

杨宇宁，何 赛，王雨辰

（四川省自然资源投资集团物探勘查院有限公司，四川成都 610072）

鄂尔多斯盆地是我国陆上超级含油气盆地的典型代表[1]，自20 世纪80 年代开始，鄂尔多斯盆地富县地区马家沟组的天然气勘探工作持续取得重大突破，陆续在靖边、靖西、黄龙、大牛地等地区发现多个大型海相气田[2]，探明天然气储量超过万亿立方米，揭示出奥陶系碳酸盐岩层系的巨大勘探潜力[3]。富县地区亦为奥陶系天然气勘探的重点攻关区块之一，区内相关钻井结果揭示马家沟组优质储层集中发育在白云岩中[4]，白云石化作用是储层发育的重要基础，针对白云岩及其成因机制的研究对于区内天然气勘探具有积极意义。前人对区内不同类型白云岩及其成因进行了探讨，认为区内白云石主要为蒸发泵白云石化、渗透回流白云石化及埋藏白云石化的产物[5]，但目前的研究对区内发育白云岩类型的认识尚不全面，大多忽略了奥陶系地层中鞍形白云石的存在，对其成因机制缺乏统一认识。鉴于以上问题，本文通过岩心-薄片观察，综合多种地球化学测试分析手段，对富县地区马家沟组马五～马六段白云岩类型进行系统梳理，明确不同类型白云岩特征及成因机制，完整建立相关白云石化模式。研究成果旨在为区内奥陶系后续天然气勘探工作提供一定的参考。

1 地质背景

富县地区位于鄂尔多斯盆地中东部[4]，面积约为3 834 km2，大地构造上处于伊陕斜坡南部[6-7]。从奥陶系风化壳喀斯特角度，该区与靖边气田同处于喀斯特古地貌斜坡部位[8]，具有良好的天然气成藏环境。

中奥陶世马家沟组马五段沉积时期，研究区主要发育一套炎热干旱气候背景下的陆表海局限台地沉积体系[9]，表现出云-膏-泥共生沉积的特点；马五段沉积期后，盆地整体经历了奥陶纪以来最大规模的一次海侵。马六段沉积时期，研究区主要发育一套温暖潮湿气候背景下的开阔台地沉积体系，沉积岩石类型主要为较纯的微晶灰岩；晚奥陶世，受加里东运动的影响，盆地整体发生构造抬升，经历了1.4 亿年的风化剥蚀，奥陶系顶部的不整合面在整个华北地台区广泛发育，具有区域上的可对比性[10]；晚石炭世，盆地再次沉降开始接受本溪组沉积，发育一套滨海平原相泥质粉砂岩地层，与下伏马家沟组地层呈平行不整合接触。

2 白云岩类型及岩石学特征

基于岩心、薄片观察鉴定及阴极发光分析，考虑白云石的晶体大小、晶体形态及白云石的产出状态，将富县地区马家沟组马五～马六段白云岩细分成微晶白云石（D1）、粉晶白云石（D2）、鞍形白云石（D3）3 种类型。

2.1 微晶白云石（D1）

微晶白云石以晶体细小、晶体自形程度差（它形晶）、表面脏为特征（图1a），其产状形式多呈层状分布，在马五段中普遍发育，构成区内主要白云岩类型；阴极射线下往往发暗玫瑰红色光（图1b），可能是白云石中Mn 含量低、Mn/Fe 比值低的反映，指示其形成于地表、近地表条件下。此类白云石可受到加里东-海西期喀斯特作用改造（图1c），指示出微晶白云石形成时间较早，是沉积物中最早的成岩事件之一。

图1 富县地区马家沟组马五～马六段不同类型白云岩微观-阴极发光特征

2.2 粉晶白云石（D2）

粉晶白云石以晶体细小、自形程度较高（往往为菱形晶）、晶体表面较干净为特征，主要以交代微晶灰泥的形式在区内马六段微晶灰岩或颗粒微晶灰岩中发育，其产状多表现为斑状密集分布（图1d）；阴极射线下，此类白云石发暗玫瑰红色光（图1e），与马六段微晶灰岩的发光特征基本一致，指示出白云石化流体来源于地层内部，为封存的沉积时期高盐度海水。

2.3 鞍形白云石（D3）

鞍形白云石以晶体较粗大（可达中-巨晶）、晶形不好、晶面扭曲、正交光下波状消光为特征，在马五段和马六段地层中均有发育，可表现为两种产状：其一是构造裂缝内鞍形白云石（图1f）；其二是微晶云岩中膏模孔或膏溶孔洞内鞍形白云石沉淀生长（图1h）；阴极射线下，这两种产状的鞍形白云石均不发光（图1g、图1i），可能是白云石中Fe、Mn 含量均高的反映，指示了成岩流体不是奥陶系地层内部流体，应有外部流体的加入。

3 白云岩地球化学特征

3.1 碳氧稳定同位素特征

碳酸盐岩的δ18OPDB值主要受控于成岩流体性质及温度，因此，可以凭借其特征分析成岩时的古温度、流体的性质及来源，进而推测成岩环境。富县地区马家沟组马五～马六段白云岩碳氧稳定同位素分析结果及碳氧稳定同位素组成分布特征（图2）揭示出不同类型白云岩的碳氧稳定同位素分布存在明显差异。

图2 富县地区马家沟组马五～马六段不同类型白云岩碳氧稳定同位素分布特征

区内马五段微晶白云石的δ13CPDB、δ18OPDB值相对较高，其中δ13CPDB值在0.05‰～-4.21‰，平均值为-1.89‰，δ18OPDB值在-7.33‰～-14.52‰，平均值为-9.79‰；马六段粉晶白云石的δ13CPDB、δ18OPDB值略低，δ13CPDB值在-1.49‰～-2.67‰，平均值为-2.20‰，δ18OPDB值在-9.22‰～-13.74‰，平均值为-10.80‰；构造裂缝和膏溶孔洞内鞍形白云石的δ13CPDB、δ18OPDB值均较低，δ13CPDB值在-4.99‰～-5.67‰，平均值为-5.23‰，δ18OPDB值为-13.87‰～-16.67‰，平均值为-14.84‰。

综合阴极发光特征分析认为，研究区马五段微晶白云石的成岩流体为沉积期的高盐度海水，马六段粉晶白云石的成岩流体则为浅埋藏环境下封存的沉积时期高盐度海水，而构造裂缝和膏溶孔洞内鞍形白云石的δ18OPDB值明显偏低，则是后期热液流体影响下的高温成岩环境的反映。

3.2 锶同位素特征

海水中锶的同位素组成主要由三种锶源决定：（1）大陆壳硅铝质岩石经风化剥蚀提供的锶源，具有极高的87Sr/86Sr 值，平均值为0.720 000；（2）地幔铁镁质岩石通过海底扩张或火山活动提供的锶源，其87Sr/86Sr 值低达0.704 000；（3）古老海相碳酸盐岩重溶提供的锶源，其87Sr/86Sr 值在前两者之间，平均值为0.708 000。各个时期海水及碳酸盐岩的87Sr/86Sr 值具有一定差异，奥陶系海相碳酸盐岩87Sr/86Sr 值处于0.708 500～0.709 300[11]。

富县地区马五段微晶白云石样品的87Sr/86Sr 值在0.708 564～0.709 299，平均值为0.709 029，与奥陶系海水及海相碳酸盐岩的范围一致，指示海源流体成因；马六段粉晶白云石样品的87Sr/86Sr 值在0.708 758～0.709 048，平均值为0.708 895，同样指示海源流体成因；马六段构造裂缝内鞍形白云石样品的87Sr/86Sr 值为0.709 204，相对较高，指示了外部流体加入的作用（图3）。

图3 富县地区马家沟组马五～马六段不同类型白云岩锶同位素分布特征

4 白云岩成因机制及模式

依据前述不同类型白云岩的岩石学、地球化学特征认识，本次研究明确了区内白云岩成因机制和模式，具体包括（准）同生期高盐度海水白云石化模式、早成岩期浅埋藏白云石化模式、晚成岩期热液白云石化模式。

4.1 （准）同生期高盐度海水白云石化模式

区内马五段微晶白云石往往与石膏、硬石膏及其假晶共生，其代表性样品的碳氧稳定同位素、锶同位素特征揭示出其白云石化流体是马五段沉积期的高盐度海水，是快速白云石化的产物，此类白云石发育分布往往与区内陆表海潮坪、泻湖等沉积环境相联系，可以认定此类白云石主要是（准）同生期蒸发泵白云石化作用和渗透回流白云石化作用的产物（图4a）。

图4 富县地区马家沟组马五～马六段不同类型白云岩成因模式

4.2 早成岩期浅埋藏白云石化模式

粉晶白云石在形成过程中主要交代马六段微晶灰泥，晶体自形程度较高，但晶体较小，阴极发光特征与围岩相似，暗示白云石化流体来源于地层内部，为封存的沉积时期高盐度海水。此类白云石形成于沉积后、暴露风化剥蚀前的浅埋藏过程中，随后晚奥陶世的暴露风化剥蚀则终止了这一白云石化过程，由于马六埋藏期太短，因此，没有长出较大的白云石晶体。区内马五5亚段同样存在发育此类白云岩的可能性，上覆马五1-4亚段地层中封存的高盐度海水下渗进入马五5 亚段地层，改造先前发育的微晶云岩（图4b）。

4.3 晚成岩期热液白云石化模式

构造裂缝及膏模孔、膏溶孔洞内鞍形白云石阴极射线下不发光、低δ18OPDB值、高87Sr/86Sr 值的特征均指明海西期之后的晚成岩阶段中深部幔源热液流体加入到鞍形白云石的形成过程中。早白垩世，中国北方整体处于拉张背景，鄂尔多斯盆地转为拉张构造环境，盆内构造作用表现为断块活动，盆地内部、周缘及外围区域有早白垩世火成岩体活动；伴随着拉张断裂活动和火山活动，地下深部的岩浆期后热液沿基底拉张断裂进入到奥陶系地层，并与奥陶系本身的地层水导致了构造裂缝、膏模孔、膏溶孔洞内鞍形白云石的沉淀充填（图4c）。

5 结论

（1）富县地区马家沟组马五～马六段发育白云岩全部为晶粒结构，包括微晶白云石、粉晶白云石以及鞍形白云石3 种类型。

（2）微晶白云石和粉晶白云石的地球化学特征具有一定相似性，均表现出δ13CPDB、δ18OPDB和87Sr/86Sr 低值，鞍形白云石的地球化学特征与前两类白云石的差异较大，表现出更低的δ18OPDB值以及极高的87Sr/86Sr值，指示出鞍形白云石的成岩流体来源明显区别于前两类白云石。

（3）微晶白云石的成因机制为（准）同生期高盐度海水白云石化作用，粉晶白云石的成因机制为早成岩期浅埋藏白云石化作用，鞍形白云石的成因机制为晚成岩期热液白云石化作用。