高 飛，王念喜，喬向陽(yáng)，劉 鵬.

(1.陜西延長(zhǎng)石油集團(tuán)有限責(zé)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710075)

近年來(lái)，鄂爾多斯盆地東南部延長(zhǎng)探區(qū)下古生界白云巖儲(chǔ)層勘探獲得重大突破，證實(shí)了探區(qū)內(nèi)下古生界馬家溝組具有良好的勘探前景。延長(zhǎng)探區(qū)內(nèi)馬家溝組油氣藏圈閉以巖溶白云巖儲(chǔ)層為主[1-9]，前人利用地球化學(xué)特征對(duì)白云巖成巖環(huán)境多有研究，楊華等通過(guò)碳、氧穩(wěn)定同位素分析認(rèn)為鄂爾多斯盆地中奧陶統(tǒng)馬家溝組原始同位素值的改變主要發(fā)生在早期成巖階段[16]；王琳霖等通過(guò)主微量元素分析認(rèn)為鄂爾多斯盆地東緣馬家溝組整體沉積為咸水介質(zhì)的沉積環(huán)境[17]；劉福田等通過(guò)碳氧同位素分析認(rèn)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(guò)稀土元素地球化學(xué)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(duì)低溫氧化環(huán)境，其巖溶流體可能為大氣淡水，而晶粒白云巖形成于相對(duì)高溫還原環(huán)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(xué)特征在鄂爾多斯盆地不同地區(qū)的成功應(yīng)用表明，其能夠有效恢復(fù)白云巖成巖環(huán)境。但是眾多研究中缺乏對(duì)古鹽度、古水溫等成巖環(huán)境的詳細(xì)探討以及分析比對(duì)，本文試圖通過(guò)主微量元素以及碳氧同位素分析，應(yīng)用不同方法恢復(fù)白云巖古鹽度以及古水溫等成巖環(huán)境，進(jìn)一步提高對(duì)研究區(qū)白云巖成巖環(huán)境的再認(rèn)識(shí)，為研究區(qū)下古生界馬家溝組天然氣勘探提供有利的認(rèn)識(shí)支撐。

1 工區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)處于鄂爾多斯盆地東南部(見圖1)，鄂爾多斯盆地在大地構(gòu)造上屬地臺(tái)型構(gòu)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(gòu)造為南北走向，呈東緩西陡，其局部構(gòu)造不發(fā)育。研究區(qū)位于伊陜斜坡的東南部，整體與大的構(gòu)造背景一致，表現(xiàn)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(gè)巖性段組成，其中一、三、五段為膏云巖與鹽巖發(fā)育段，二、四、六段為灰?guī)r發(fā)育段。馬五段自上而下劃分為10個(gè)亞段，其中上部的馬五1亞段為主力氣層段。馬五1儲(chǔ)層主要為含膏白云巖，在風(fēng)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(chǔ)集體。研究區(qū)已有鉆探井部分在馬五1獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流，證實(shí)了探區(qū)內(nèi)馬五1有著巨大的天然氣勘探潛力。

圖1 研究區(qū)地理位置圖

2 樣品采集及測(cè)試

本次選取研究區(qū)內(nèi)18口井48個(gè)樣品，樣品全部采自研究區(qū)內(nèi)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(qū)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(shí)保持樣品的純潔性，通過(guò)對(duì)樣品進(jìn)行陰極發(fā)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(guò)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(cè)試分析全部由中國(guó)科學(xué)研究院地球環(huán)境所完成，應(yīng)用磷酸法，測(cè)試儀器為KielⅢ碳酸鹽裝置與MAT252氣體質(zhì)譜儀聯(lián)機(jī)完成，采用PDB標(biāo)準(zhǔn)，樣品用HF+HNO3混合酸分解，采用RH內(nèi)標(biāo)法在電感等離子質(zhì)譜儀ICP-MS測(cè)微量元素，誤差<2%。

圖3 分析化驗(yàn)井分布圖

3 結(jié)果與討論

3.1 結(jié)果分析

本次測(cè)試碳氧同位素分析化驗(yàn)結(jié)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(xué)者已經(jīng)測(cè)定出奧陶紀(jì)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(yàn)共取得45塊樣品的微量元素值(見表2)，另測(cè)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，F(xiàn)e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(jīng)過(guò)一定的成巖作用，其組成的原始地球化學(xué)元素發(fā)生一定的變化，前人通過(guò)多種方法判斷碳酸鹽后期成巖蝕變程度，趙彥彥等通過(guò)Fe、Mn含量以及Mn/Sr比值判斷成巖蝕變程度，認(rèn)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(xué)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(jīng)受較小的成巖蝕變，其地球化學(xué)信息很大程度可以代表原始海水[20]；張謙等通過(guò)碳氧同位素交匯，根據(jù)其相關(guān)性判斷成巖蝕變對(duì)碳氧同位素含量的影響[21]。結(jié)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(guān)系數(shù)值作為樣品成巖蝕變程度的判斷標(biāo)準(zhǔn)，具體標(biāo)準(zhǔn)為：Mn<300×10-6、Fe<3000×10-6、Mn/Sr<3.0以及碳氧同位素交匯相關(guān)系數(shù)<0.1為判定成巖蝕變程度小，其能夠代表原始沉積環(huán)境。

表1 碳酸鹽巖碳氧同位素分析結(jié)果

本次研究17個(gè)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(guò)對(duì)碳氧同位素的交匯其相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)為0.0765(圖4)，Mn、Fe、Mn/Sr以及碳氧同位素交匯相關(guān)系數(shù)表明研究區(qū)經(jīng)過(guò)后期成巖作用后，原始地球化學(xué)特征雖有一定變化，但仍然可以代表原始海水地球化學(xué)信息。

表2 微量元素分析結(jié)果(10-6)

表3 其他元素分析結(jié)果表(10-6)

圖4 碳氧同位素交匯圖

3.2 古鹽度分析

(1)通過(guò)Sr/Ba同位素判斷鹽度。

當(dāng)水體鹽度很低時(shí)，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(dāng)鹽度達(dá)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(guān)關(guān)系，Sr/Ba<1為淡水沉積，Sr/Ba>1海相沉積[13]。表2中數(shù)據(jù)45個(gè)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(qiáng)的海源性質(zhì)，表明研究區(qū)為鹽度較高的海相沉積環(huán)境。

(2)通過(guò)碳氧同位素判斷鹽度。

前人通過(guò)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(jīng)驗(yàn)公式如下：

Z=2.048×(δ13C+50)+0.498×(δ18O+50)

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

本次共對(duì)29塊白云巖樣品進(jìn)行分析化驗(yàn)(表2)，利用碳氧同位素結(jié)果計(jì)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(jié)果表明白云巖成巖環(huán)境為咸水的海相環(huán)境。

(3)通過(guò)碳同位素判斷鹽度。

一般沉積物中的同位素會(huì)因后期交換作用而發(fā)生變化，但對(duì)碳同位素比較弱，尤其是從寒武紀(jì)以來(lái)沒有顯著變化，因此用碳同位素區(qū)別海陸相是可行的[11]。一些研究者已經(jīng)測(cè)定鄂爾多斯盆地奧陶紀(jì)海水的C、O同位素值，其中碳同位素的值域?yàn)?2.0‰～0.5‰[14]，通過(guò)本次分析化驗(yàn)，C同位素的值域?yàn)?1.96‰～1.01‰，與奧陶紀(jì)海水的C同位素值域偏離較小，說(shuō)明碳酸鹽巖沉積環(huán)境為咸水海相沉積。

通過(guò)以上三種方法一致判斷認(rèn)為碳酸鹽巖的沉積環(huán)境為鹽度較高的咸水海相沉積環(huán)境，這與其沉積環(huán)境演化有一定的關(guān)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?guī)r沉積，其中馬五1亞段為干旱氣候條件下沉積，蒸發(fā)作用使得成巖環(huán)境鹽度較高，與本文研究結(jié)論相一致。

3.3 古水溫分析

前人對(duì)古溫度的恢復(fù)方法多樣，如早期學(xué)者張秀蓮等利用碳酸鹽巖中氧同位素恢復(fù)古水溫[11]，劉福田等利用氧同位素對(duì)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(duì)豫西南淅川地區(qū)燈影組古水溫進(jìn)行恢復(fù)[13]。本次研究利用以上方法對(duì)研究區(qū)的古水溫進(jìn)行恢復(fù)，并對(duì)比不同方法恢復(fù)結(jié)果進(jìn)行修正。

(1)利用微量元素Sr值計(jì)算古水溫。

前人通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算成巖溫度[12]，其公式：

y(Sr)=2578-80.8T

通過(guò)計(jì)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(jīng)常受大氣降水的影響，而大氣降水含有較少的Sr元素，導(dǎo)致Sr含量降低，所以通過(guò)此經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的古水溫偏高。

(2)利用氧同位素計(jì)算古水溫。

前人已有研究，認(rèn)為利用氧同位素值可以計(jì)算白云巖形成的環(huán)境溫度[12]，[15]，其計(jì)算公式：

T=13.85-4.54×δ18O+0.04×(δ18O)2

通過(guò)對(duì)研究區(qū)的氧同位素計(jì)算得到T的范圍為47.34～61.39 ℃，平均值為54.32 ℃(表1)。與通過(guò)Sr同位素計(jì)算得到的溫度對(duì)比，通過(guò)氧同位素計(jì)算得到的溫度明顯偏高，因?yàn)檠跬凰亟?jīng)過(guò)后期成巖作用后發(fā)生較強(qiáng)烈的交換作用，導(dǎo)致氧同位素值比同期海水偏負(fù)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(jìn)入流體中，較輕氧同位素進(jìn)入到白云巖中，導(dǎo)致氧同位素偏負(fù)，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(jì)算古水溫。

Shields等根據(jù)大量在成巖作用中變化最小的樣品-腕足碳酸鹽巖分析結(jié)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(jì)海相石灰?guī)rδ18O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(jì)算公式：

T=16.9-4.54×(δ18O+0.22)

+0.13×(δ18O+0.22)2

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

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

4 沉積環(huán)境

研究區(qū)內(nèi)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(guān)系數(shù)為0.0765，表明其地球化學(xué)特征能夠代表原始沉積環(huán)境信息，可以利用地球化學(xué)信息分析白云巖成巖環(huán)境。研究區(qū)δ18O值的范圍-9.65‰～-7.35‰，平均值為-8.39‰，較同期海水δ18O值偏負(fù)0.65‰～1.95‰，δ13C值與同期海水相當(dāng)，這種偏負(fù)主要是由于埋藏作用下溫度較高，導(dǎo)致較重氧同位素進(jìn)入交代流體中，較輕氧同位素進(jìn)入白云巖中，說(shuō)明研究區(qū)馬家溝組白云巖經(jīng)過(guò)(準(zhǔn))同生期白云化作用以及埋藏白云化作用，因?yàn)檠跬凰氐钠?fù)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(wú)法提供充足的大氣淡水，不可能發(fā)生大規(guī)模的白云化作用。通過(guò)利用碳氧同位素以及微量元素，判斷研究區(qū)馬五1亞段成巖環(huán)境為鹽度較高的咸水海洋環(huán)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(fā)巖沉積階段，馬二、馬四、馬六為正常淺海的石灰?guī)r、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(fā)巖沉積。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鄂爾多斯盆地東南部延長(zhǎng)探區(qū)馬五1亞段白云巖的微量元素以及碳氧同位素進(jìn)行分析表明：

(1)研究區(qū)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(guò)碳氧同位素交匯，其相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)為0.076 5。多數(shù)據(jù)表明碳酸鹽巖經(jīng)過(guò)成巖作用后地球化學(xué)特征依然能夠指示成巖環(huán)境信息。

(2)研究區(qū)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(dāng)，三項(xiàng)數(shù)據(jù)表明白云巖成巖環(huán)境為咸水海相環(huán)境。

(3)利用氧同位素計(jì)算古水溫平均值為54.32 ℃，表明氧同位素值經(jīng)過(guò)后期成巖作用后變化較大，已經(jīng)不能夠代表成巖環(huán)境信息；利用Sr元素判斷其古水溫為30.6 ℃，Sr元素經(jīng)過(guò)后期沉積丟失后變小，計(jì)算出的溫度會(huì)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(jì)算的古水溫與修正氧同位素計(jì)算古水溫值求平均，估算古水溫為27.67 ℃，表明其成巖環(huán)境為相對(duì)溫暖氣候。