1、鄂尔多斯盆地中部马五段白云岩成因机理研究第 26 卷第 5 期2005 年 9 】石油ACTAPETROIEISINICAVo1.26NO.5Sept.2005文章编号:02552697(2005)O5()038 04鄂尔多斯盆地中部马五段白云岩成因机理研究赵俊兴!陈洪德张锦泉刘小丽付锁堂(1.成都胖 【:人 i)C 移!所叫 J_I 成都 610059;2.中国石油长庆油田公司陕西西安710021)摘要:对鄂尔多斯盆地中部气田马五段白云岩的岩石学 ,矿物学和沉积地球化学特征进行了研究,讨论了白云岩成因,并建立了本地区白云岩的形成模式.区内马五期沉积环境为陆表海潮下潮间坪碳酸盐沉积,白云岩产状
2、呈透镜体状,具有穿层,爬坡特征,岩性以微晶,粉晶白云岩为主;微量元素表现为低锰 ,低锶,低钠; 碳氧同位素特征为:8“C 值在零值附近,而 8()值偏负.该地区的白云岩成因为潮间潮下环境下的准同生期成岩早期海水一淡水混合白云岩化作用形成的结果.关键词:鄂尔多斯盆地;马家匀组;白云岩戎因;地球化学特征;白云岩化作用模式中图分类号:FE112.221 文献标识码:AGenesisofdolomiteinthefifthmemberofMajiagouFormationinthemiddle0rdosBasinZHA()Junxing.(,HENHongdeZHANGJinquanIIUXiaoli
3、FUSuotang(1.5edimenlaryInstitute,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China;2.Petro(Thina(hangqingOiljieldCompany,XrdH71002I,Cina)Abstract:Thecharacteristicoflithology,mineralogyandsedimentarygeochemistryofdolomiteinthefifthmemberofmajiagouFormationinthemiddle()rdosBasinwereanalyzed.Thegenesi
4、sofdolomiteinthisareawasdiscussed,andtheformationmodeofdolomiteinthisareawasestablished.IhcdepositionenvironmentofthefifthmemberofMajiagouFormationistheintertidalsubtidalzoneofcontinentalsea,andtheshapeofdolomitestoneshowslentoidwithCROSSbedandclimbingproperties.Thetraceelementanalysisindicatesthatt
5、hecontentsofmanganese,sodiumandstrontiumarelow.Meanwhile,theisotopeof8“Cisaroundnull,andthevaluesof8()displaynegativedistribution.A11theseevidencesindicatethatthedolomiteisresultedfromdolomitizationduetomixtureofseawaterwithfreshwaterfromthepenesyngeneticperiodtotheearlydiageneticstageintheenvironme
6、ntofintertidalsubtidalzoneofcontinentalsea.Keywords:()rdosBasin;MajiagouFormation;dolomitegenesis;geochemistrycharacteristics;dolomitizationmode1 沉积背景鄂尔多斯盆地位于华北地台的部奥陶纪时为陆表海环境,沉积了浅水碳酸岩盐沉积物.马家沟晚期是本地区早奥陶世海侵范围最大期,海侵方向主要来自南边的秦祈海及东边的华北海.其中马五期沉积最为明显.除北部的乌兰格尔陆,阿拉善古陆和南部的庆阳占陆依然残存外,其他广大地全部被海水淹没,在盆地中部形成潮坪沉积格局.马
7、段岩性主要由灰岩和白云岩组成.灰岩为深灰色至灰黑色的厚层及薄层微晶灰岩,泥晶灰岩,泥晶球粒从岩,具有水平层理;含有少量的生物化石,主要为介形虫,也有少量的三叶虫,双壳类化碎片,以广盐度生物为主.白云岩为灰色,深灰色薄层至中厚层状的微晶白云岩,粉晶白云岩及夹有球粒白云岩,发育有水平层理,波状叠层石,膏模孔等沉积构造.为潮坪环境产物.2 白云岩成因特征2.1 白云岩类型与产状特征白云岩的结构及白云岩自形程度等岩石学特征是判别白云岩成因的主要标志之一.对于准同生期及早期成岩阶段形成的白云岩,其结构一般为微晶,粉晶,细晶,白云石呈半自形到他形;成岩晚期形成的白云石的结构为中晶至巨晶砂糖状.区内马五段白
8、云岩的主要类型有微晶白云岩,粉晶白云岩,细晶白云岩,灰质白云岩及云化微晶灰岩,其中以微晶白云岩,粉晶白云基金项目:1 家茕点基础研究发腥规划(c73) 项 fJ(2003CB2I4601)资助.作者简介:赵俊兴,197241-531 乍,20()3毕,世于成都理工大学 ,讲师,博士后,现从事沉积学与层序地层学专业研究.Email:axing163.conl第 5 期赵俊兴等:鄂尔多斯盆地中部马五段白云岩成因机理研究 39岩为主.微晶白云岩在马五中分布广,晶粒大小为 0.020.04mm,呈深灰色;显微镜下具有典型的微晶结构,晶形相对较差,以他形为主.粉晶白云岩晶粒大小为0.040.06ram,
9、以半自形为主,少量自形和他形镶嵌,显微镜下具有“雾心亮边 “结构.云化微晶灰岩中自云石晶体多数为自形,“漂浮 “在微晶在方解石中.无论是微晶白云岩,粉晶白云岩还是云化微晶灰岩中的白云石晶体,一般其中心模糊而边缘干净清楚,具有雾心亮边的特点,这是由于在混合水成岩作用下成岩孔隙立体的演化而造成的.鄂尔多斯盆地奥陶系马五段在区域七主要是微晶灰岩,而局部(如 Shl96 井,Shl98 井)主要为粉晶白云岩.总的特点是白云岩夹于灰岩中,呈透镜状,厚度为022m.白云岩产状复杂,根据白云岩产出层位及其与灰岩的关系,产状主要有以下特点:马五段五亚段中白云岩呈透镜状,最大透镜体厚为 22m,长为 45kin
10、,多数透镜体厚为 28m,长从儿百米到 2kin,呈不连续的叠置状分布.白云岩具有穿时性及分带性,从南向北,白云岩出现的层位逐渐变高.靖边以南白云岩主要分布于马五段中下部.靖边以北横山以西地区白云岩主要分布在马五段的上部层位.由于白云岩化作用从南向北出现了先后次序,表现出了白云岩的分布具有穿层性,爬坡性及分带性等特点.2.2 白云岩的沉积地球化学特征白云岩的地球化学参数包括:主要元素 Ca 和 Mg的成分变化和伴生晶体的有序度;微量元素 Fe,Mn,Na,Sr 的含量变化以及碳和氧同位素成分.运用这些特征对解释白云岩成因的化学性质或白云岩介质流体的性质至关重要?.2.2.1 主要元素的变化和晶
11、体的有序度白云石中主要元素成分的变化通常以 CaCO 的质量浓度表示.白云石中 CaCO,的质量浓度及有序度与形成条件有着明显的关系,Ca 在白云石中的富集程度由沉积溶液的 Mg/Ca 值反映出来.Folk 和Iand(1975)认为在控制白云石结晶的因素中,盐度和 Mg/Ca 值这 2 个参数最为重要,影响着白云石结晶速度和有序度.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石,所以,在高盐度环境中,Mg/Ca 值要超过 5 或10;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.Shl98 井和 Sh196 井中马五段白云
12、岩中 CaCO质量浓度计算可以看出(表 1),微晶白云岩,细晶白云岩在晶体大小或结构上有所不同,但白云石中 CaCO质量浓度为 50%-52%,接近理想白云岩 .这说明马五中的白云岩是在 Mg/Ca 值低(0.91)的溶液中,为较潮湿无蒸发作用变盐度环境,如混合水环境.表 1Sh66 井,Sh196 井,Sh198 井马五段白云岩 X 射线分析结果Table1DolomiteX.rayanalysisofthreewellsinthefifthmemberofMajiagouFormation3()243()2530263()2730283029Sh1963()323()333()333034
13、30353()36细粉晶白云岩细粉晶白云岩粗粉晶白云岩粉晶白云岩粗晶白云岩粗晶白云岩O.810.96()810.870.960.83().96白云石的有序度是根据 X 射线衍射的超结构反射峰(021,()15 和 11O),I(015)/I(110)值来测定的.经测试,马五段白云岩样品虽然白云岩结构上有不同,但有序度均为好及较好.这是由于在 Mg/Ca 值低的溶液中,结晶速度缓慢,这时,Ca,Mg“,CO,.就可以很容易地形成有序的白云石晶格.从有序度与白云石中 CaCO 质量浓度的关系(图 1)中可以看出,微晶白云岩,粉晶白云岩及细晶白云岩基本上是重叠的,说明它们是同一沉积环境下的产物.1.
14、2,1.00o恤0.6白云岩中 CaCO3 质量浓度/%图 1 马五段白云岩中有序度与 CaCO 质量浓度的关系Fig.1RelationshipbetweendegreeoforderandmolepercentofCaCO3indolomite2.2.2 微量元素特征白云岩中微量元素的含量为估计沉淀介质性质提供了依据,表 2 给出 Shl96,Shl98,Shl97 及 Sh66 井白云岩及微晶灰岩中微量元素 Fe,Mn,Sr,Na 的含量,总的特点是 Fe 含量高,Sr 和 Mn 含量低.在白云石晶格中,Sr 主要取代 Ca 离子而不是 Mg40 石油 2005 年第 26 卷离子,现代
15、海相方解石沉积物 Sr 含量约为 0.1%0.12%,交代后白云石化形成的白云石 sr 含量减低,如阿拉伯湾,巴哈马和佛罗里达礁岛上的现代潮上白云石中含有 0.06%左右的 Sr;在巴哈马 Carribbean 地区大面积的上新世一更新世混合水成因的白云岩中Sr 含量仅为 0.007%().025%. 现代研究表明,引起白云岩中 sr 含量降低的因素有:与原始碳酸盐的矿物性质及白云化作用的时间有关,交代文石形成的白云石 Sr 含量高,交代高 Mg 方解石和低 Mg 方解石(特别是低 Mg 方解石)形成的白云石中 Sr 含量低;成岩早期比成岩晚期形成的白云石 sr 含量高.因白云石有效分配系数
16、K 小于 1,任何一种白云岩的重结晶作用都是一种失去 sr 的过程.与白云化作用形成机制有关,蒸发泵作用和渗透回流作用形成的白云岩形成的白云岩中 Sr 含量高于大气混合水作用,埋藏及热液作用形成的白云岩.研究区马五段白云岩中 Sr 含量仅为 0.0054%0.0081%,平均 0.00654%.引起白云岩 sr 含量极低的原因显然与晚期成岩,重结晶作用等因素无关,而是与白云岩化作用形成于大气淡水与海水混合带有关.由于大气淡水的混入不仅使白云岩中的 Sr 含量降低 ,同时也使得与之相伴生的灰岩中 sr 含量也降低,远远低于海水.其中灰岩中 sr 含量为 0.0057%0.0146%,平均 0.0
17、083%.说明了马五中灰岩在成岩晚期也受到了大气水注入的影响.Na 在白云岩中是替代阳离子还是位于流体包裹体中难以确定,因此对白云岩中 Na 含量的解释是困难的.不过一般认为高盐度环境下形成的白云岩中Na 含量高,而马五中 Na 含量为 0.04%0.085%,灰岩中 Na 含量为 0.027%0.075%. 这一数据远远低于近代生物成因的碳酸盐中 Na 含量(约 0.5%0.8%),也低于佛罗里达 ,巴哈马群岛,阿拉伯湾及巴芬湾的现代白云石 Na 含量(0.1% 0.3%).因此马五碳酸盐岩中 Na 含量低,说明其沉积及成岩环境不是蒸发环境,而是在成岩过程中受到大气水稀释作用的结果.白云岩中
18、的 Fe 和 Mn2 种元素是用于判别氧化还原作用的敏感元素,它们的有效分配系数 K 大于1,所以在还原环境中,有利于 Fe,Mn 保存在孔隙流体中,在成岩过程中更容易进入白云石品格中.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.在马五段的白云岩中,Mn 含量相对较低(0.0025% 0.01%),Fe 含量高(达 0.215%0.495%,平均为 0.304%)(表 2),说明了马五段白云岩不是在氧化的潮上条件下形成的,而是形成于浅埋藏环境.对碳酸盐成岩作用的研究表明,碳,氧同位素地球化学指标能定量或半定量地反映
19、成岩溶液的某些特征,碳,氧同位素资料越来越多地被用于白云岩的成因表 2Sh198 井 ,Sh197 井,Sh196 井和 Sh66 井白云岩沉积地球化学特征Table2GeochemicalcharacteristicsofdolomitestoneinSh198,Shl97,Sh196andSh66wells第 5 期赵俊兴等:鄂尔多斯盆地中部马五段白云岩成因机理研究 41解释当中,将同位素资料与微量元素,岩石学特征相结合,对于查明白云岩的成因很有帮助.白云石中 6O含量一般受水一白云间平衡交换反应的影响,故温度和白云石形成溶液中()的含量是直接决定白云石 O 分布的因素.当补给缺乏或者强烈
20、蒸发而导致海水盐度增高时,其沉积物中的()和 C 值增高,相反亦然.马五段白云岩中的 6“C 值在零值附近,变化范围为 0.052%.一().787%o(PDB),十分相近于灰岩中的 C 值(6C= 一 1.258%o0.278%.).而 6O 值偏负,为一 5.440%o一 11.312%o(PDB),白云岩和灰岩中的 O 值也相近.这与现代海相碳酸盐碳,氧同位素组成相比明显偏负.白云岩中具有较低氧同位素值,这表明它们|j 大气水有同位素交换.同时,碳,氧同位素的变化具有正相关关系(图 2).这种特点也是混合白云岩化作用形成白云石的重要特征,反映了白云岩化发生在具有不同的海水一淡水混合组成的
21、介质水体中.s:.三三二_2:一-细晶白; 粤21o一l一23x溶洞中充填的淡水白云岩图 2 马五段白云岩碳,氧同位素分布Fig.2Distributionfor6Oand6CvaluesofdolomiteinthefifthmemberofMajiazgouFormation3 白云岩化作用模式目前,白云岩的成冈仍然是碳酸盐沉积学中的一个主要问题.前人研究认为,白云石的形成需要 3个条件:Mg 的外部供给,且 c()的补给必须足以形成所观察到的白云石;必须具有一种输送机制 ,一般是以流体的形式将这些离子输送到白云石化作用场所;必须具备有利的化学条件,使得白云石在其堆积场所沉淀.白云岩化的一
22、个重要结果,特别是晚期成岩白云石化使孑 L 隙度增大,白云石化的这种特性的这种特性对于烃的储集非常重要,世界上许多油田就是产生在白云岩中,如加拿大的西部油田】.对于现代碳酸盐沉积物白云岩化作用模式,通常有以下 5 种类型:与蒸发岩有关的蒸发泵及萨布哈模式;渗透回流机制;大气水与海水混合白云岩化模式;埋藏压实作用;调整白云岩化作用等“.研究区内马五期沉积环境为陆表海碳酸盐沉积,属于潮下一潮问坪沉积.其中自云岩主要出现于潮坪环境,其产状呈透镜体状,穿层,爬坡特征,岩性以微晶白云岩,粉晶白云岩为主;微量元素具有低 Mn,低 Sr,低 Na 特点;C 值在零值附近,而 O 值偏负.同时,碳,氧同位素的变化具有正相关特征.这说明白云岩化过程中有淡水的加入,是为海水一淡水混合白云岩化作用形成的.在混合水模式中,白云岩化作用是在潜流带地下淡水与海水的混合带内发生的,白云岩化作用所需的 Mg 主要来自海水,其输送机制是淡水流所引起的海水不断循环.根据现代尤卡坦地区中地下水与海水的混合液对方解石和白云石的饱和程度
