0 引言

白云岩是塔里木盆地下古生界碳酸盐岩中的主要储集岩类，它的发育与否对油气储集有十分重要的影响^[1-7]。塔北地区是塔里木盆地勘探程度最高的区块之一，蕴藏着丰富的油气资源^[8]，尤其是塔北地区塔深1井，在8 000 m的深部地层仍然发育优质白云岩储层，并获得了不同级别的油气显示，有力地证明了深层白云岩较好的储集条件^[9]，也预示该区寒武系良好的勘探前景。目前，塔北地区共有6口井钻遇寒武系，其中大古1、大古2、星火2、塔深1、于奇6钻遇上寒武统下丘里塔格群白云岩地层，证实下丘里塔格群广泛发育厚层白云岩储层^[8]。考虑到白云石化与碳酸盐岩储层质量关系密切、影响较大，因此查明白云石化的各种成因机理，建立相应的成因模式有助于了解、预测深层白云岩储层在时间和空间上的展布规律，进而指导深层油气勘探。

1 岩石学特征

研究区位于塔里木盆地北部库车坳陷和沙雅隆起(图 1)。通过对该区5口井的岩心观察和岩石薄片及扫描电镜分析发现，下丘里塔格群储层岩石类型以晶粒白云岩为主，其次为(残余)颗粒白云岩和泥微晶白云岩，北部地区发育少量藻纹层白云岩，受构造破裂作用和岩溶作用改造的地区发育角砾状白云岩。

1.1 晶粒白云岩

塔北地区下丘里塔格群晶粒白云岩以粉晶、细晶和中—粗晶白云岩为主。其中：粉晶白云岩分布较广泛，岩石呈较均一的晶粒结构，发育晶间孔、晶间溶孔(图 2a)，是研究区重要的储集空间类型之一，镜下还可见具少量残余藻屑、砂屑的粉晶白云岩，局部呈残余粒屑结构(图 2b)；细晶白云岩晶体自形程度较高，多呈半自形—自形，晶间孔及晶间溶孔较发育，后期多数被石英、白云石和有机质等充填，连通性差(图 2c); 中—粗晶白云岩主要由中晶白云岩组成，发育少量粗晶，多呈他形，常见白云石环带结构(图 2d)，晶间孔和晶间溶孔发育较少(图 2e)。在中—粗晶白云岩裂缝和溶蚀孔洞中常见充填的鞍状白云石，且多与石英和伊利石共生，多呈半自形—自形(图 2f)，晶面较干净，在正交偏光镜下具波状消光特征(图 3a)，阴极发光显示鞍状白云石边缘发亮红色光，内部发暗红色光(图 3b)，在塔北地区于奇6井和塔深1井较常见。

1.2 (残余)颗粒白云岩

塔北地区下丘里塔格群(残余)颗粒白云岩类型较多，包括鲕粒、砂屑、砾屑、藻屑和团块等，受强烈的白云石化作用和重结晶作用，在薄片下多观察到颗粒的残余结构(图 3c、d)，阴极发光颗粒幻影结构较为清晰(图 3e、f)。溶蚀孔洞较发育，但后期多被石英和次生白云石充填(图 4a、b)。

1.3 泥微晶白云岩

下丘里塔格群泥微晶白云岩在塔北地区发育程度较低，主要在塔深1井区分布。该类白云岩中发育少量溶蚀孔洞和裂缝，后期多被白云石、石英和有机质等充填(图 4c)，偶见黄铁矿呈集合体分布(图 4d)。

1.4 藻纹层白云岩和角砾状白云岩

下丘里塔格群藻纹层白云岩主要在塔深1井发育，藻纹层由暗色泥—微晶级白云石组成，具藻丘、藻纹层结构、残余结构等(图 4e)。下丘里塔格群角砾状白云岩主要受构造破裂作用和风化壳岩溶作用的共同影响，同时也受热液溶蚀作用改造，主要在于奇6井、大古1井和大古2井比较常见，岩石被切割成角砾状、砂屑状或砾屑状，岩石较破碎，流体沿构造裂缝进入，可见明显的溶蚀改造痕迹(图 4f)。

2 地球化学特征 2.1 碳氧同位素及电子探针特征

碳氧稳定同位素是解释白云岩成因的一种重要地球化学标志^[10]。通过对塔北地区下丘里塔格群白云岩80个样品碳氧同位素分析(表 1)，显示晶粒白云岩和颗粒白云岩δ¹⁸O_PDB值变化范围为-14.29‰~-4.45‰，平均值为-9.29‰，δ¹³C_PDB值变化范围为-3.07‰~1.48‰，平均值为-0.71‰。而缝洞充填白云石的δ¹⁸O_PDB值变化范围为-11.62‰~-5.13‰，平均值为-8.31‰，δ¹³C_PDB值变化范围为-1.26‰~1.74‰，平均值为-0.45‰(图 5a)。同时，不同类型基质白云岩的电子探针MgO与CaO质量分数差异较大(图 5b)，中—粗晶白云岩CaO质量分数大，成岩改造较强。

2.2 铁和锰微量元素特征

研究表明，利用白云石中Fe、Mn微量元素的质量分数来区分白云石化作用的环境比利用Sr、Ba微量元素更加有效^[11]。本次对46个Fe、Mn质量分数进行了分析(表 2)，缝洞充填白云石Fe、Mn元素质量分数较其他组分明显偏高，分别为(839.30~7 868.40)×10^-6(均值3 411.65×10^-6)和(90.00~180.40)×10^-6(均值140.80×10^-6)；(残余)砂屑白云岩普遍具有低Fe和高Mn质量分数特征；晶粒白云岩受结晶程度影响，Mn、Ba元素具有相对增高的趋势(图 6a, b)。这些反映了埋藏成岩环境的特征。

2.3 锶同位素特征

一般来说，⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值变化与海平面升降呈负相关，因此可以作为岩石成岩环境的参考依据^[12]。本次研究共测试和收集了35个下丘里塔格群基质白云岩和缝洞充填物的锶同位素数据(表 3)。前人^[13]研究认为近地表蒸发海水成因白云岩的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值变化于0.707 3 ~ 0.709 2之间，平均为0.708 3，而且研究区(残余)颗粒白云岩和泥微晶白云岩锶同位素比值较接近，这表明塔北地区大规模性质的白云石化流体主要为寒武纪时期的海水。塔北地区下丘里塔格群泥微晶白云岩、细晶白云岩、中—粗晶白云岩锶同位素比值呈逐渐增大的趋势(图 7)，充填白云石值与细晶白云石值相近，而鞍状白云石和缝洞方解石的Sr同位素值整体偏高。

2.4 镁同位素特征

前人^[14-15]研究认为海水具有较均一的Mg同位素组成，古代与现代海水的δ²⁶Mg=(-0.832±0.068)‰，δ²⁵Mg=(-0.432±0.053)‰，碳酸盐沉积物的白云石化作用会导致²⁶Mg的分馏，使δ²⁶Mg值降低1.0‰~2.0‰。本次研究共测试和收集了7个下丘里塔格群白云岩及充填物的样品(表 4)，显示各类白云岩和充填方解石的δ²⁶Mg值分布在-4.351‰~-1.713%之间，而充填方解石与充填白云石具有较大差别，这与两者间镁同位素具有明显的分馏效应相符，与塔里木盆地寒武系白云岩的δ²⁶Mg值很接近^[16]，表明盆地寒武系白云石化流体主要来源于海水，而深埋藏条件下的白云石化流体很可能是孔隙中保存的浓缩海水。泥晶白云岩、(残余)颗粒白云岩、粉细晶白云岩、缝洞充填物δ²⁶Mg值受成岩作用影响具有逐渐降低的趋势。

2.5 流体包裹体均一化温度

研究主要针对下丘里塔格群白云岩样品中气-液两相包裹体进行测温。流体包裹体均一温度数据显示：基质白云石中的流体包裹体均一温度分布在50~130 ℃之间，主峰区间为70~90 ℃；白云石充填物中的流体包裹体均一温度分布在70~170 ℃之间，且存在两个峰值区间90~110 ℃及150~170 ℃；方解石充填物中的流体包裹体均一温度分布在50~210 ℃之间，也存在两个峰值区间，即90~130 ℃及大于150 ℃的区间。上述表明下丘里塔格群埋藏白云石化持续时间长，且存在多期白云石化流体(图 8)。

3 白云石化模式

白云岩的成因研究对白云岩储集层的分布预测有重要的意义^[17-18]。根据塔北地区上寒武统下丘里塔格群白云岩形成的沉积、成岩和地球化学特征，认为发育的白云石化模式有：渗透回流白云石化、埋藏白云石化及构造-热液白云石化^[19]。

3.1 渗透回流白云石化模式

塔北地区晚寒武世主要为碳酸盐岩开阔台地及台地边缘环境^[20]，海平面的升降及台缘带的迁移都将会促进渗透回流白云石化作用的发生。高盐度海水在台缘滩内侧下部形成含石膏泥微晶白云岩(图 4c)，而在台缘滩及其外侧的下部则形成颗粒白云岩(图 4a、b)。阴极发光显示塔北地区藻屑白云岩发暗红色光，颗粒间的胶结物则发亮红色光(图 3f)，表明颗粒白云石化作用要早于胶结物的充填作用。

碳氧同位素分析显示：颗粒白云岩(残余砂屑白云岩、藻屑白云岩)的δ¹⁸O_PDB值分布在-13.10‰~-5.61‰及-11.78‰~-5.64‰两个区间，δ¹³C_PDB值主要分布在-3.07‰~1.48‰之间，平均值均高于细晶白云岩、中晶白云岩及中—粗晶白云岩的δ¹⁸O、δ¹³C值；泥微晶白云岩的δ¹⁸O和δ¹³C值较颗粒白云岩高(图 5a)，与渗透回流白云石化过程中的浓缩海水特征一致，表明其形成于近地表环境中。微量元素存在明显差异，个别(残余)砂屑白云岩受后期埋藏环境中重结晶作用的影响具有较高的Fe、Mn质量分数外，其余残余砂屑白云岩的Fe、Mn质量分数略低于泥微晶白云岩(图 6a)，此外，(残余)砂屑白云岩Sr的质量分数平均值低于粉晶白云岩和泥微晶白云岩(图 6b)，而Ba元素则相反。

综合岩石学特征和地球化学测试分析认为：塔北下丘里塔格群白云石化模式如图 9所示，低盐度海水进入台地区后，在蒸发作用下，海水盐度升高、密度增加，形成密度差驱动高密度的海水下沉并向海方向运移，进入台缘滩对碳酸盐颗粒沉积进行交代，形成残余颗粒幻影结构的粉晶白云岩。在渗透回流作用下，高离子浓度的蒸发卤水从台地边缘滩或台内滩内侧向海一侧回流过程中，其中的Ca²⁺、Mg²⁺、Fe²⁺、Mn²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺等离子逐渐沉淀，浓度降低，因此在滩体靠近盆地一侧碳酸盐颗粒沉积物的白云石化过程中伴随沉淀的离子逐渐减少，从而导致粉晶颗粒白云岩中这些元素质量分数略低于泥微晶白云岩，但部分砂屑白云岩可能遭受后期流体改造。

3.2 埋藏白云石化模式

塔北地区下丘里塔格群已全部被白云岩化，以粉晶结构为主，细晶较发育，阴极发光显示细—中晶白云岩残余颗粒边缘发亮红色光，重结晶程度高的位置发红色光(图 3e)，表明埋藏成岩作用特征较为明显。

碳氧同位素分析显示，下丘里塔格群晶粒白云岩及部分残余砂屑白云岩呈现氧同位素偏负、碳同位素偏正特征，充填白云石明显较基质白云岩偏负(图 5a)，表明其可能遭受了后期成岩流体的改造或白云石发生了重结晶作用^{[13, 21]}。电子探针分析数据显示细晶白云岩、细—中晶白云岩、中—粗晶白云岩中基质白云岩的MgO与CaO质量分数呈负相关趋势(图 5b)，晶粒白云岩在微量元素上整体表现出相对富Mn贫Fe的特征，同时Ba元素质量分数明显高于泥微晶灰岩。锶同位素分析表明晶粒白云岩⁸⁷Sr/⁸⁶Sr分布范围为0.707 3 ~0.710 0，比充填白云石⁸⁷Sr/⁸⁶Sr偏低(图 7)，说明其白云石化流体为残余海水，受埋藏环境下放射源⁸⁷Sr影响较大。

综合岩石学特征和地球化学测试分析认为：塔北地区下丘里塔格群埋藏白云石化模式如图 10所示，地层经历了长期的埋藏压实作用，浅埋藏时期保留下来的孔隙水及地层压实流体在地温不断增加的条件下发生上涌，与来自于盆地区的泥岩压实流体及浓缩孔隙水发生对流^[22]，促使微—粉晶白云岩发生重结晶作用形成晶形完整的白云石，增加了白云石晶体间的孔隙，为孔隙水的流动提供良好条件，促进原岩全部被白云石化，形成细晶白云岩和中—粗晶白云岩，是晶间孔隙形成的重要时期。

3.3 构造-热液白云石化模式

近年来，热液成因模式渐受关注，并取得了较大的进展^[23-26]。热液白云石化的主要观点是地层深部的富Mg²⁺热液流经上覆灰岩地层，并对其进行白云石化改造^[27-28]。塔北地区寒武系下丘里塔格群白云岩中发育大量鞍状充填白云石(图 2f)，阴极发光发红色-亮红色光，其中鞍状白云石外缘为亮红色光(图 3b)，粉晶白云岩、颗粒白云岩中孔隙、溶蚀孔洞及裂缝边缘的发光强度明显高于白云石晶体或颗粒内部的白云石，表明流体在孔、洞、缝边缘对白云石有明显的改造作用。

碳氧同位素分析显示下丘里塔格群晶粒白云岩及颗粒白云岩中部分样品的δ¹⁸O_PDB值明显偏负(图 5a)，在镜下观察到的大量硅质充填(图 2c)。镁同位素分析显示白云石充填物δ²⁶Mg值分布在-2.303左右(表 4)，与基质白云岩δ²⁶Mg值相似，而与充填方解石比较有偏重的趋势，表明两者间存在镁同位素的分馏效应。下丘里塔格群微量元素具有富Mn贫Fe、氧同位素负偏明显，基质白云岩中大部分样品⁸⁷Sr/⁸⁶Sr与寒武纪海水值相近，表明基质白云岩遭受到了岩浆热液流体的部分改造。

综合岩石学特征和地球化学测试分析认为：塔北地区具备构造热液白云石化作用的多起构造-热液事件^[29-30]，形成了构造-热液白云石化模式(图 11)。

在地层深埋藏作用期间，拉张性基底的断裂活动使底部深埋藏的热液流体沿断层和裂缝向上运移，在孔、洞、缝边缘发生溶蚀作用或重结晶作用，形成大量溶蚀孔洞和晶粒粗大的白云石充填物，基质白云石被溶蚀后的Ca²⁺、Mg²⁺等其他成分一并进入热液流体中，当流体中的Ca²⁺、Mg²⁺逐渐饱和达到白云石的溶度积时，遂沉淀形成鞍状白云石；当Mg²⁺消耗到不足以沉淀白云石时，则沉淀出方解石、重晶石、硬石膏、黄铁矿及硅质。在偏光显微镜下通常表现为孔隙裂缝边缘充填鞍状白云石，围绕鞍状白云石发育紧密接触的嵌晶状方解石，且部分鞍状白云石的边缘被方解石交代，降低了储层的储集空间。

4 结论

1) 塔北地区下丘里塔格群白云岩作用发育，其中晶粒白云岩分布较广泛，其次为(残余)颗粒白云岩、泥微晶白云岩以及少量藻纹层白云岩；晶间孔和晶间溶孔是重要的储集空间类型。

2) 浅埋藏环境下流体在台缘带的迁移促进了渗透回流白云石化作用发生，高浓度卤水形成残余颗粒幻影结构的粉晶白云岩，具有碳氧同位素负偏和微量元素Fe、Mn、Sr、Ba质量分数较低的特征。

3) 埋藏白云石化流体主要为地层孔隙残余高盐度海水，在压实作用下与盆内压实流体发生对流，促使微—粉晶白云岩发生重结晶作用并全部白云石化，形成了广泛发育的晶粒结构，具有同位素碳正氧负，微量元素呈现富Mn贫Fe和低Sr高Ba的特征，是晶间孔和晶间溶孔发育的主要时期。

4) 基底断裂活动是塔北地区构造-热液白云石化作用的主要原因，高温富镁热液流体沿基底断裂上涌，形成大量鞍状白云石和硅质等充填物，具有富Mn贫Fe、氧同位素负偏明显等特征，充填作用减少了部分孔隙。