2. 大港油田勘探开发研究院, 天津 300280;
3. 长春工程学院勘查与测绘工程学院, 长春 130021;
4. 辽宁省地震局, 沈阳 110034
2. Research Institute of Exploration and Development, Dagang Oilfield Company, PetroChina, Tianjin 300280, China;
3. School of Prospecting & Surveying Engineering, Changchun Institute of Technology, Changchun 130021, China;
4. Earthquake Administration of Liaoning Province, Shenyang 110034, China
0 引言
碳酸盐岩储层占据了地球一半的油气资源, 而碳酸盐岩中的油气有一半赋存在白云岩中[1-3], 因此白云岩在储层研究中备受重视; 但是对其成因争论了200多年还未有定论[4-5]。目前, 已经存在多种成因模式, 例如渗透回流模式[6]、蒸发泵吸模式[7]、埋藏白云岩模式[8]、混合水白云岩化模式[9]等。
歧口凹陷在沙一段时期发育了大面积的稳定白云岩[10], 引发了广泛的关注。前人对其进行了初步研究, 提出3种不同的成因模式, 即渗透回流模式[11]、埋藏白云岩化模式[12-13]、热液白云岩化模式[14]。但是由于白云岩成因本身是一个纷繁复杂的问题, 而且歧口凹陷沙一段白云岩分布广泛, 不同的区域呈现出不同的特点, 所以虽然有多种成因模式, 但意见并未统一。因此, 本文在借鉴前人资料的基础上, 对歧口凹陷沙一段白云岩进行碳氧同位素、锶同位素、主微量元素分析, 并结合X射线衍射等手段深入分析其白云岩化作用类型及机理, 以期进一步完善该地区白云岩成因研究。
1 地质背景歧口凹陷位于黄骅坳陷中北部, 是黄骅坳陷中最大的箕状凹陷。歧口凹陷南起埕宁隆起西北坡, 北至北大港构造带, 西到孔店凸起, 东临埕北断阶, 总体为北北东—北东走向。以南大港构造带为界, 其北侧为歧北凹陷, 南侧为歧南凹陷。研究区主要包括歧北凹陷和歧南凹陷 (图 1)。
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| ① 歧北凹陷; ② 歧南凹陷; ③ 歧口主陷; ④ 北大港构造带; ⑤ 南大港构造带; ⑥ 羊三木凸起; ⑦ 孔店凸起; ⑧ 沧东凹陷; ⑨ 沈清庄潜山构造带; ⑩ 板桥凹陷; ⑪ 埕宁隆起; ⑫ 埕北断阶; ⑬ 沧县隆起。 图 1 歧口凹陷构造单元及井位图 Figure 1 Tectonic partition and well locations in Qikou sag |
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作为新生代形成的渤海湾盆地的一部分, 黄骅坳陷自第三纪以来经历了由断陷到坳陷两大发育阶段。下第三系属于断陷期沉积, 上第三系属于坳陷期沉积。断陷期又可细分为初断期、扩张期、稳定期、衰减期4个次级演化阶段[15]。伴随着黄骅坳陷的演化, 歧口凹陷从始新世开始接受沉积, 自下而上依次发育孔店组、沙河街组、东营组、馆陶组、明化镇组以及平原组, 期间不仅形成了歧北凹陷、歧南凹陷、歧口主陷等负向构造单元, 还形成了北大港、孔店等诸多的潜山构造带 (图 1)。沙河街组由下至上依次可分为沙三段、沙二段、沙一段。研究目的层沙一段主要岩性为泥-微晶灰质白云岩 (白云质灰岩)、泥-微晶白云岩 (泥-微晶含灰白云岩)、亮晶生物碎屑灰质白云岩 (白云质灰岩) 及泥页岩 (图 2、表 1)。这种碎屑岩与碳酸盐岩混合沉积的方式有利于形成优质储层[16]。
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| a.f10-14泥晶含灰白云岩, 白云石晶形极好, 呈菱形、矩形, 排列紧密, SEM扫描电镜; b.k42-13亮晶生物碎屑白云质灰岩。Dol.白云石。 图 2 研究区白云岩镜下特征 Figure 2 Microscopic features of dolostone in the studied area |
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| 样品号 | 井深/m | 岩性 | ωB/% | Mg/Ca | 有序度 | |||
| CaO | MgO | Ca | Mg | |||||
| f10-3 | 2 768.7 | 泥晶含灰白云岩 | 25.30 | 13.60 | 56.01 | 43.99 | 0.79 | 0.32 |
| f10-4 | 2 769.1 | 微晶含灰白云岩 | 15.30 | 7.83 | 54.22 | 45.78 | 0.84 | 0.30 |
| f10-6 | 2 784.1 | 微晶含灰白云岩 | 10.60 | 4.73 | ||||
| f10-7 | 2 793.8 | 微晶含灰白云岩 | 29.80 | 17.40 | 53.22 | 46.78 | 0.88 | 0.34 |
| f10-8 | 2 794.1 | 泥晶白云质灰岩 | 15.00 | 2.63 | ||||
| f10-9 | 2 794.3 | 微晶含灰白云岩 | 15.10 | 7.67 | ||||
| f10-10 | 2 794.6 | 微晶灰质白云岩 | 14.75 | 5.79 | 56.57 | 43.43 | 0.77 | 0.47 |
| f10-11 | 2 797.5 | 泥晶含灰白云岩 | 19.60 | 8.89 | 56.07 | 43.93 | 0.78 | 0.27 |
| f10-12 | 2 797.7 | 藻纹层灰质白云岩 | 24.20 | 9.42 | 57.14 | 42.86 | 0.75 | 0.28 |
| f10-13 | 2 800.5 | 泥晶白云质灰岩 | 11.55 | 2.79 | ||||
| f10-14 | 2 809.3 | 泥晶含灰白云岩 | 23.30 | 11.55 | 56.67 | 43.33 | 0.76 | 0.37 |
| f29-2 | 2 558.7 | 微晶含灰白云岩 | 7.47 | 4.00 | ||||
| f29-4 | 2 563.6 | 泥晶含白云石灰岩 | 18.35 | 2.43 | ||||
| f29-5 | 2 571.2 | 微晶白云质灰岩 | 7.75 | 2.39 | ||||
| f29-6 | 2 573.7 | 泥晶含白云石灰岩 | 19.60 | 1.68 | ||||
| f29-7 | 2 574.2 | 泥晶含白云石灰岩 | 20.90 | 1.60 | ||||
| f29-8 | 2 574.3 | 微晶白云质灰岩 | 20.20 | 1.74 | ||||
| f29-9 | 2 577.1 | 泥晶白云岩 | 27.60 | 17.35 | 53.19 | 46.81 | 0.88 | 0.26 |
| f29-11 | 2 589.9 | 微晶含灰白云岩 | 7.53 | 4.08 | ||||
| k42-1 | 2 281.1 | 泥晶白云岩 | 27.00 | 19.15 | 52.35 | 47.65 | 0.91 | 0.36 |
| k42-2 | 2 281.4 | 泥晶灰质白云岩 | 31.00 | 11.00 | 55.57 | 44.43 | 0.80 | 0.27 |
| k42-4 | 2 285.7 | 泥晶灰岩 | 31.50 | 1.06 | ||||
| k42-5 | 2 287.3 | 泥晶含白云石灰岩 | 27.20 | 1.41 | ||||
| k42-6 | 2 288.2 | 微晶白云岩 | 26.90 | 16.80 | 53.91 | 46.09 | 0.85 | 0.28 |
| k42-7 | 2 289.2 | 泥晶白云岩 | 25.70 | 16.60 | 54.07 | 45.93 | 0.85 | 0.22 |
| k42-8 | 2 291.1 | 泥晶含灰白云岩 | 25.00 | 12.00 | 55.88 | 44.12 | 0.79 | 0.31 |
| k42-10 | 2 292.9 | 泥晶含灰白云岩 | 25.60 | 14.35 | 54.38 | 45.62 | 0.84 | 0.26 |
| k42-11 | 2 293.6 | 微晶含灰白云岩 | 28.80 | 16.45 | 55.41 | 44.59 | 0.80 | 0.41 |
| k42-12 | 2 296.1 | 微晶灰质白云岩 | 24.70 | 6.22 | 56.70 | 43.30 | 0.76 | 0.53 |
| k42-13 | 2 297.8 | 亮晶生物碎屑白云质灰岩 | 45.00 | 5.39 | ||||
| k42-14 | 2 298.0 | 亮晶生物碎屑白云质灰岩 | 33.70 | 5.80 | ||||
| k42-15 | 2 299.9 | 微晶含白云石灰岩 | 12.95 | 0.68 | ||||
| k42-17 | 2 302.3 | 亮晶生物碎屑灰岩 | 42.90 | 1.10 | ||||
| w38-1 | 1 973.0 | 微晶灰质白云岩 | 9.14 | 2.46 | ||||
| w38-2 | 1 974.7 | 泥晶含灰白云岩 | 28.60 | 15.40 | 56.10 | 43.90 | 0.78 | 0.31 |
| w38-3 | 1 974.9 | 微晶含灰白云岩 | 18.00 | 9.29 | 56.41 | 43.59 | 0.77 | 0.43 |
| w38-5 | 1 976.3 | 泥晶灰质白云岩 | 31.00 | 8.56 | 57.67 | 42.33 | 0.73 | 0.44 |
| w38-6 | 1 976.6 | 微晶含灰白云岩 | 24.70 | 13.95 | 55.47 | 44.53 | 0.80 | 0.23 |
| w38-7 | 1 977.2 | 泥晶含白云石灰岩 | 22.30 | 1.74 | ||||
| w38-8 | 1 977.9 | 泥晶含白云石灰岩 | 26.60 | 1.50 | ||||
| w38-9 | 1 978.2 | 泥晶白云质灰岩 | 15.65 | 1.97 | ||||
| w38-10 | 1 978.7 | 泥晶含白云石灰岩 | 28.70 | 1.32 | ||||
| w38-11 | 1 986.5 | 亮晶生物碎屑灰质白云岩 | 37.40 | 12.20 | 56.73 | 43.27 | 0.76 | 0.22 |
| w38-12 | 1 987.0 | 亮晶生物碎屑含灰白云岩 | 26.10 | 12.20 | 56.73 | 43.27 | 0.76 | 0.32 |
| w38-13 | 1 987.5 | 亮晶生物碎屑白云质灰岩 | 41.80 | 5.71 | ||||
| w38-14 | 1 987.9 | 亮晶生物碎屑灰质白云岩 | 37.30 | 14.10 | 56.10 | 43.90 | 0.78 | 0.34 |
| w38-15 | 1 988.1 | 生物碎屑微晶白云质灰岩 | 40.60 | 4.56 | ||||
白云岩的出现表明研究区在沙一段时期发生过白云岩化作用, 那么本区白云岩化是如何发生的？白云岩化所需的Mg2+又是从何而来的呢？下文将围绕这两个问题进行研究。
2 样品采集及测试方法用于研究的样品来自歧北凹陷的房10井、房29井、旺38井和歧南凹陷的扣42井, 共计47个 (图 3)。先用微钻将样品表面的杂质剔除, 然后进行粗碎, 最后用玛瑙钵将经过粗碎的样品粉碎至200目。
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| 图 3 房10井、房29井、扣42井和旺38井沙一段地层柱状图及采样位置 Figure 3 Stratum histogram and positions of samples selected of well f10, well f29, well k42, well w38 |
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本次碳氧同位素的分析是在中国石油勘探开发研究院地质实验中心完成的, 所用仪器为Finnigan MAT252, 实验结果以PDB (pee dee belemnite) 的标准给出, 误差在10-4以内, 满足研究的要求。白云石有序度和钙物质的量的测定也在该实验中心完成, 所用仪器为D/max2500铜源X-射线衍射仪。锶同位素的分析是在中国地质大学 (武汉) 地质过程与矿产资源国家重点实验室中进行的, 使用NBS-987作为标样, 采用电感耦合等离子体质质谱法进行分析。主、微量元素在中国科学院广州地球化学研究所测定。其中主量元素所用仪器为ME-XRF06光谱仪, 标样采用GSR-12(白云石) 与GSR-13(石灰石), 利用X射线荧光光谱法 (XRF) 进行分析; 而测定微量元素使用了ME-MS41质谱仪, 所用的标样与主量元素一致, 采用了电感耦合等离子体质谱法进行分析。
3 白云岩地球化学特征 3.1 主量元素由于研究区岩石样品中的矿物颗粒多为泥晶、微晶级别, 镜下很难分辨出方解石和白云石 (图 2), 因此希望通过样品主量元素中MgO与CaO的质量分数来确定方解石与白云石的质量分数, 进而结合镜下特征, 判断研究区发育的岩石类型。研究区样品的主量元素见表 1, 其中CaO质量分数为7.47%~45.00%, MgO质量分数为0. 68%~19.15%。
3.2 有序度白云石的有序度指的是在白云石晶体结构中CaCO3分子层和MgCO3分子层按照规律重复性排列的程度。有序度的大小能够反映出白云石结晶时的速度及温压条件。通常温度、压力升高, 结晶速度会减慢, 有序度会变高, 反之则相反。因此沉积迅速的准同生白云石往往具有很低的有序度, 而温度更高、压力更大的埋藏环境下形成的白云石具有更高的有序度。通过有序度δ衍射图还可以求出MgCO3和CaCO3的物质的量分数[17], 而MgCO3和CaCO3的物质的量比 (Mg/Ca) 能够反映出交代的速度。
由表 1可知:研究区白云岩样品的有序度为0.22~0.53, 均值为0.33;钙质量分数分布在52.35%~57.67%, 平均值为55.50%;Mg/Ca值为0.73~0.91, 均值为0.80。
3.3 微量元素特征湖水和海水的微量元素丰度相差较大, 因此常常利用微量元素来判断沉积环境。Sr元素的富集往往和高盐度环境关系密切, 可作为判断成岩环境的指标。此外, 还可以利用微量元素比值来反映成岩环境, 如Sr/Ba、V/Ni、Th/U等。
由研究区白云岩同位素及微量元素统计表 (表 2) 可知:Sr质量分数为345×10-6~2 960×10-6, 平均值是1 569×10-6; Sr/Ba值为0.4~4.9, 平均值是2.3, 有3个样品的Sr/Ba值小于1.0(k42-15、w38-2和w38-11), 其中k42-15样品的Z值 (盐度指数) 为123, 受海侵影响较小, 而w38-2和w38-11的Ba质量分数很高, 分别为3 900×10-6和3 390×10-6, 推断是受到了热液作用的影响; V/Ni值为1.3~7.1, 均值为3.6;灰岩的Th/U值分布在1.4~5.1。
| 样品号 | δ13C/‰ | δ18O/‰ | Z | T/℃ | 87Sr/86Sr | ωB/10-6 | V/Ni | Sr/Ba | Th/U | |||||
| V | Ni | Sr | Ba | Th | U | |||||||||
| f10-3 | 15.2 | -2.7 | 157 | 26 | 0.710 77 | 58 | 14 | 1 170 | 1 050 | 2.4 | 0.9 | 4.1 | 1.1 | 2.7 |
| f10-4 | 10.7 | -4.4 | 147 | 35 | 0.710 67 | 89 | 30 | 986 | 936 | 8.2 | 2.9 | 3.0 | 1.1 | 2.8 |
| f10-6 | 5.9 | -6.4 | 136 | 45 | 0.710 45 | 102 | 39 | 964 | 927 | 10.6 | 3.4 | 2.6 | 1.0 | 3.1 |
| f10-7 | 17.3 | -0.5 | 162 | 16 | 0.710 32 | 16 | 7 | 1 470 | 835 | 1.1 | 0.4 | 2.3 | 1.8 | 2.7 |
| f10-8 | 4.7 | -8.1 | 133 | 53 | 0.710 25 | 116 | 36 | 2 960 | 1 065 | 11.1 | 4.4 | 3.2 | 2.8 | 2.5 |
| f10-9 | 8.8 | -4.7 | 143 | 36 | 0.710 55 | 73 | 41 | 968 | 729 | 9.0 | 2.9 | 1.8 | 1.3 | 3.1 |
| f10-10 | 8.4 | -6.0 | 142 | 43 | 0.710 37 | 88 | 31 | 1 335 | 826 | 9.5 | 3.5 | 2.8 | 1.6 | 2.7 |
| f10-11 | 13.4 | -3.9 | 153 | 32 | 0.710 34 | 89 | 18 | 905 | 707 | 4.8 | 1.8 | 4.9 | 1.3 | 2.7 |
| f10-12 | 11.1 | -4.7 | 148 | 36 | 0.710 23 | 75 | 17 | 2 340 | 715 | 4.5 | 1.7 | 4.4 | 3.3 | 2.7 |
| f10-13 | 3.7 | -9.0 | 130 | 58 | 0.710 42 | 93 | 36 | 2 780 | 950 | 10.4 | 3.2 | 2.6 | 2.9 | 3.3 |
| f10-14 | 8.7 | -2.8 | 144 | 27 | 0.709 77 | 58 | 9 | 2 330 | 817 | 2.9 | 1.1 | 6.4 | 2.9 | 2.5 |
| f29-2 | 2.5 | -6.6 | 129 | 46 | 0.710 53 | 108 | 46 | 813 | 725 | 10.9 | 3.2 | 2.3 | 1.1 | 3.4 |
| f29-4 | 1.6 | -9.2 | 126 | 59 | 0.710 72 | 105 | 29 | 1 375 | 682 | 8.9 | 3.2 | 3.6 | 2.0 | 2.8 |
| f29-5 | 2.0 | -7.8 | 128 | 52 | 0.710 64 | 136 | 40 | 893 | 778 | 12.2 | 3.0 | 3.4 | 1.1 | 4.1 |
| f29-6 | 2.0 | -9.8 | 127 | 62 | 0.710 46 | 108 | 32 | 1 375 | 608 | 9.3 | 3.4 | 3.4 | 2.3 | 2.7 |
| f29-7 | 1.9 | -9.7 | 126 | 62 | 0.710 50 | 109 | 30 | 1 400 | 599 | 8.7 | 3.2 | 3.6 | 2.3 | 2.7 |
| f29-8 | 2.3 | -9.2 | 127 | 59 | 0.710 56 | 100 | 32 | 1 400 | 575 | 9.0 | 3.5 | 3.1 | 2.4 | 2.6 |
| f29-9 | 17.5 | -2.4 | 162 | 25 | 0.710 67 | 57 | 8 | 1 300 | 904 | 1.5 | 0.5 | 7.1 | 1.4 | 2.9 |
| f29-11 | 5.8 | -6.1 | 136 | 43 | 0.710 34 | 91 | 34 | 839 | 824 | 11.1 | 3.3 | 2.7 | 1.0 | 3.3 |
| k42-1 | 11.7 | 0.8 | 152 | 10 | 0.708 05 | 21 | 5 | 2 170 | 635 | 1.9 | 0.6 | 4.2 | 3.4 | 3.3 |
| k42-2 | 9.0 | -6.1 | 143 | 43 | 0.710 89 | 34 | 5 | 1 245 | 507 | 2.8 | 0.9 | 6.8 | 2.5 | 3.2 |
| k42-4 | 3.3 | -10.0 | 129 | 63 | 0.710 28 | 79 | 26 | 1 845 | 399 | 5.6 | 3.4 | 3.0 | 4.6 | 1.6 |
| k42-5 | 2.4 | -9.4 | 128 | 60 | 0.710 10 | 90 | 22 | 2 100 | 431 | 7.8 | 4.3 | 4.1 | 4.9 | 1.8 |
| k42-6 | 12.8 | -0.7 | 153 | 17 | 0.710 07 | 31 | 7 | 1 640 | 609 | 1.6 | 0.7 | 4.4 | 2.7 | 2.3 |
| k42-7 | 13.7 | -1.0 | 155 | 18 | 0.710 50 | 29 | 6 | 1 730 | 581 | 2.0 | 0.8 | 4.8 | 3.0 | 2.5 |
| k42-8 | 12.5 | -3.3 | 151 | 29 | 0.710 36 | 51 | 10 | 1 520 | 672 | 4.3 | 1.9 | 5.1 | 2.3 | 2.3 |
| k42-10 | 11.0 | -2.9 | 148 | 27 | 0.709 77 | 44 | 7 | 1 645 | 673 | 3.4 | 1.3 | 6.3 | 2.4 | 2.7 |
| k42-11 | 10.8 | -2.7 | 148 | 26 | 0.710 20 | 19 | 6 | 1 635 | 782 | 1.1 | 0.5 | 3.2 | 2.1 | 2.1 |
| k42-12 | 8.2 | -6.2 | 141 | 44 | 0.710 07 | 62 | 20 | 2 760 | 800 | 6.6 | 2.6 | 3.1 | 3.5 | 2.5 |
| k42-13 | 2.9 | -11.2 | 128 | 70 | 0.709 51 | 9 | 5 | 1 730 | 473 | 1.4 | 1.0 | 1.8 | 3.7 | 1.4 |
| k42-14 | 2.3 | -11.3 | 126 | 70 | 0.709 43 | 13 | 9 | 1 670 | 781 | 2.6 | 1.2 | 1.4 | 2.1 | 2.2 |
| k42-15 | 0.4 | -11.1 | 123 | 69 | 0.709 05 | 19 | 10 | 345 | 538 | 4.8 | 0.9 | 1.9 | 0.6 | 5.1 |
| k42-17 | 6.7 | -6.2 | 138 | 44 | 0.709 33 | 16 | 6 | 1 055 | 262 | 2.6 | 1.0 | 2.7 | 4.0 | 2.5 |
| w38-1 | 3.0 | -8.9 | 129 | 57 | 0.710 38 | 106 | 33 | 1 920 | 1 015 | 11.6 | 2.9 | 3.2 | 1.9 | 3.9 |
| w38-2 | 14.2 | -3.5 | 155 | 30 | 0.710 42 | 22 | 5 | 1 580 | 3 900 | 2.8 | 1.6 | 4.4 | 0.4 | 1.8 |
| w38-3 | 3.8 | -5.6 | 132 | 41 | 0.710 72 | 45 | 14 | 1 430 | 1 140 | 8.8 | 4.3 | 3.2 | 1.3 | 2.0 |
| w38-5 | -0.1 | -7.8 | 123 | 52 | 0.710 38 | 27 | 7 | 1 485 | 889 | 4.4 | 1.5 | 3.9 | 1.7 | 3.0 |
| w38-6 | 9.1 | -4.8 | 144 | 37 | 0.710 34 | 41 | 9 | 1 325 | 781 | 3.5 | 1.5 | 4.6 | 1.7 | 2.4 |
| w38-7 | 2.5 | -9.5 | 128 | 61 | 0.710 64 | 96 | 26 | 1 660 | 666 | 7.9 | 3.1 | 3.7 | 2.5 | 2.5 |
| w38-8 | 2.7 | -9.9 | 128 | 63 | 0.710 27 | 83 | 23 | 1 845 | 685 | 7.1 | 3.2 | 3.6 | 2.7 | 2.2 |
| w38-9 | 1.0 | -9.7 | 125 | 62 | 0.710 42 | 102 | 31 | 1 610 | 603 | 10.4 | 3.3 | 3.3 | 2.7 | 3.2 |
| w38-10 | 2.7 | -9.6 | 128 | 61 | 0.710 52 | 81 | 25 | 1 960 | 721 | 6.2 | 2.8 | 3.2 | 2.7 | 2.2 |
| w38-11 | 5.8 | -6.5 | 136 | 45 | 0.710 28 | 15 | 12 | 1 785 | 3 390 | 0.9 | 0.7 | 1.3 | 0.5 | 1.3 |
| w38-12 | 7.6 | -6.2 | 140 | 44 | 0.710 35 | 37 | 7 | 1 225 | 713 | 3.4 | 1.7 | 5.3 | 1.7 | 2.0 |
| w38-13 | 4.4 | -8.0 | 132 | 53 | 0.710 59 | 17 | 6 | 1 670 | 417 | 2.0 | 1.0 | 2.8 | 4.0 | 2.0 |
| w38-14 | 7.1 | -5.0 | 139 | 38 | 0.710 50 | 13 | 5 | 2 140 | 770 | 0.5 | 0.4 | 2.6 | 2.8 | 1.3 |
| w38-15 | 4.6 | -8.3 | 133 | 54 | 0.710 50 | 21 | 7 | 1 395 | 438 | 2.6 | 0.8 | 3.0 | 3.2 | 3.1 |
| 注:Z为盐度指数; T为成岩温度。 | ||||||||||||||
在碳酸盐岩中, 碳、氧同位素值与温度和盐度存在密切的关系。一般来说, 盐度升高, δ13C、δ18O值变大[18]。此外, δ18O值还受温度的控制, 温度升高1 ℃, δ18O值减小0.24‰[19]。研究区白云岩碳、氧、锶同位素及Z值测试结果见表 2。
由表 2可以看出, 研究区样品的δ13C值和δ18O值变化范围较大:δ13C值为-0.1‰~17.5‰, 平均值是6.8‰, 只有一个样品 (w38-5) 的δ13C为负值, 该样品的Z值为123, 在所有样品中最低, 表明成岩流体与海水的联系较小; δ18O的值为-11.3‰~0.8‰, 平均值是-6.4‰, 只有一个样品的δ18O值大于0, 推断该样品离地表较近, 蒸发作用强烈导致δ18O值偏高。通常湖相原生碳酸盐岩的δ13C值为-2‰~6‰[20], 而研究区部分湖相白云岩的δ13C值比标准区间高得多, 推断是受到了成岩作用的影响。
通过Keith等[21]的经验公式可以得出白云岩形成时的盐度指数与温度。盐度指数公式为
式中的δ13C和δ18O采用PDB标准。当Z＞120时, 指示海相环境; 当Z＜120时, 指示陆相环境。本区白云岩的盐度指数分布在123.0~162.0, 均值为138.0, 反映白云岩生成环境的盐度很高。用Z值来反映盐度的变化需要验证其可行性。从图 4可以看出:Z与δ13C的相关系数为0.998, 两者具有很高的相关性; Z与δ18O相关系数为0.920, 相关性也很高。因此, Z值可以很好地反映古盐度的变化。研究表明, 白云石一般形成于28~35 ℃或更高的温度条件下[22]。温度公式为
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| n.样品数; R.相关系数。 图 4 歧口凹陷沙一段白云岩碳氧同位素和Z值相关关系 Figure 4 Relationship between carbon and oxygen isotope composition and Z value of dolomites from Es1 in Qikou sag |
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经过计算得出本区白云岩成岩温度集中分布在40~65 ℃, 满足白云石结晶的条件。
3.5 锶同位素在同一时期, 由于Sr来源不同, 不同沉积环境的87Sr/86Sr值会有所差别。因此可以通过87Sr/86Sr值反映出Sr的来源, 进而确定成岩环境和成岩流体来源。前人通过研究建立了不同时期的87Sr/86Sr背景值, 使87Sr/86Sr值成为判断白云岩成岩环境及成岩流体来源的重要指标[23-24]。研究区白云岩的87Sr/86Sr值为0.708 05~0.710 89, 集中分布在0.710 00~0.710 50;只有一个样品的87Sr/86Sr值小于0.709 00, 整体波动不大。
4 讨论本文根据白云岩的主量元素、微量元素、有序度、碳氧同位素、锶同位素特征, 并结合古环境对白云岩成岩的影响等方面的研究, 对歧口凹陷古近系沙一段白云岩进行了分析, 确定了研究区白云岩的岩石类型和成岩环境, 并对白云岩化机理进行了探讨。
4.1 岩石类型特征将白云石当作理想白云石处理, 通过CaO和MgO的质量分数 (表 1) 可以计算出白云岩样品中CaCO3(方解石) 和CaMg (CO3)2(白云石) 的相对质量分数, 推理过程如下:
设CaO质量为m1, MgO质量为m2, 则CaO中Ca2+的物质的量为
通过计算得到白云石和方解石的质量分数后, 可以据此对样品进行定名。结合显微镜下观察到的结构特征 (图 2), 确定歧口凹陷古近系沙一段主要发育泥-微晶灰质白云岩 (白云质灰岩)、泥-微晶白云岩、亮晶生物碎屑灰质白云岩。这些类型的白云岩与泥页岩呈互层产出。
4.2 海侵作用通常, 河、湖相淡水沉积物的Sr/Ba值与V/Ni值均小于1, 海相沉积物的Sr/Ba值与V/Ni值均大于1[25]。本区白云岩的Sr/Ba值为0.4~4.9, 平均值是2.3, V/Ni值为1.3~7.1, 均值为3.6;Sr/Ba和V/Ni值大于1者占多数, 反映了研究区白云岩形成于盐度较高的环境。陆相沉积物中的Th质量分数比海相沉积物中的要高, U则相反, 而海相灰岩Th/U值比较低 (＜2)[26]; 因此经常用Th/U值来反映成岩环境。本区灰岩Th/U值为1.4~5.1, 表明其受到了海水的影响。
碳酸盐岩中的Sr主要来源于海水, 因此Sr含量越高, 样品对海水的代表性越好[27]。现代海水的Sr质量分数为1 000×10-6~1 200×10-6 [28]。本区白云岩的Sr质量分数为345×10-6~2 960×10-6, 平均值为1 569×10-6, 比海水高, 推断成岩流体受到了海水的影响, 同时也说明了白云岩化时间较早, Sr没有大量流失[29]。
Sr在海水中滞留的时间比海水混合的时间长得多, 所以任一时代的锶同位素都是均一的[30]。古近系海水的87Sr/86Sr值为0.707 90~0.709 90[31]。基性岩浆岩的87Sr/86Sr值为0.704 40[32], 中酸性火成岩的87Sr/86Sr值较高[33]。研究区白云岩的87Sr/86Sr值是0.708 05~0.710 89, 均值为0.710 30, 接近又略高于同期海水。因此推断研究区的87Sr/86Sr值受海水和热液的共同控制。
综上所述, 研究区白云岩微量元素的比值 (Sr/Ba、V/Ni、Th/U) 显示海相环境的特征; Z值和Sr质量分数都很高, 反映高盐度的成岩环境; 锶同位素的比值与海水很接近。这表明歧口凹陷在沙一段时期发生了海侵事件, 使白云岩的成岩环境受到了海水的影响。
海侵为白云岩化的发生提供了3个便利条件。1) 海水中的Mg2+浓度约为5.2×10-2 mol/L, 是湖水的260倍[34]; 因此海侵会为湖盆带来大量的Mg2+, 为白云岩化提供必要的物质支持。2) 海水的侵入使湖盆咸化, 水体盐度升高为白云岩化提供了介质条件。3) 研究表明, 白云石通常形成于高pH值环境[35], 海水的pH值比淡水高, 白云石在弱碱性-碱性的条件下更容易发生沉淀; 因此海侵为白云岩化创造了环境条件。
4.3 成岩环境在陆相湖泊环境中, 碳氧同位素会因为环境的改变而产生相应的变化, 因此其常常作为指示碳酸盐岩成岩环境的信号[21, 36-37]。碳酸盐岩中的δ18O会随着水温的升高而变小, 随着盐度的升高而变大, 因此δ18O可以反映环境温度和盐度的变化; 而δ13C对温度不敏感, 主要受盐度和微生物活动的影响。前人通过研究证明, 当沉积物处于甲烷生成的环境中时, δ13C值会升高[38], 而处在甲烷被氧化的环境中时, δ13C值会降至-25‰以下[39]。
Nelson等[40]建立了碳酸盐岩δ13C-δ18O关系图, 用来判断碳酸盐岩的成岩环境, 将本区样品的碳氧同位素值投影在此关系图 (图 5) 上。从图 5可以看出, 大部分白云岩的碳氧同位素值落在埋藏胶结物和与发酵作用有关的胶结物区域; 表明本区的白云岩化作用发生在埋藏环境, 同时受到了发酵作用的影响。
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| 图 5 碳酸盐岩成岩环境判别图 Figure 5 Diagram of identification of carbonate diagenesis environment |
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研究区白云岩的成岩温度集中分布在40~65 ℃, 微生物在超过70 ℃的环境中活性会降低, 而本区白云岩明显受到了产甲烷菌的影响; 显微镜下观察, 白云岩多为泥-微晶结构 (图 2), 而中深埋藏环境下形成的白云石往往结晶程度高、颗粒大。因此本区白云岩化作用应该发生在离地表较近的浅埋藏环境。
本区白云岩δ13C值为-0.1‰~17.5‰(表 2), 平均值是6.8‰, 部分样品的δ13C表现为高值正偏。而且通过相关性分析可以看出, 随着白云石质量分数的升高, δ13C值不断变大 (图 6), 推测原因有两个:1) 发酵作用的影响。正如图 5所描绘, 与发酵作用有关的胶结物往往具有较高的δ13C值。研究区的白云岩多和泥页岩呈薄互层产出 (图 3), 这些暗色的泥岩富含有机质。在埋藏较浅的环境下, 有机质被产甲烷菌分解产生甲烷[37], 甲烷具有很低的δ13C值, 但是被分解的有机质中δ13C会很高; 因此当残余有机质中的δ13C参与到成岩作用时, 碳酸盐岩的δ13C值便会随之变高[41], 使δ13C值达到15‰[42]。2) 盐度的不断升高使得δ13C值变大。有证据表明, 咸水湖中碳酸盐岩δ13C值最高可以到5‰, 在超咸水湖中沉淀的方解石可以达到13‰[43]。通过相关性分析可以看出, 随着白云石质量分数的升高, 盐度不断上升, 而盐度与δ13C值呈正相关关系 (图 4、图 6)。
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| 图 6 歧口凹陷沙一段白云岩碳氧同位素、Z值、Mg/Ca值与白云石质量分数关系 Figure 6 Relationships between carbon and oxygen isotope composition, Z value, Mg/Ca radio and dolomite content of dolomites from Es1 in Qikou sag |
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蒸发泵-渗透回流模式形成的准同生白云岩Sr质量分数最高, 大约为318.50×10-6, 混合水成因的白云岩Sr质量分数为23.25×10-6, 埋藏成因的白云岩约为175.00×10-6 [44]。Sr是高盐度流体的产物, Sr质量分数可以反映盐度的变化。研究区的Sr质量分数为345×10-6~2 960×10-6, 平均值为1 569×10-6, 表明本区白云岩形成于高盐度的环境, 准同生白云岩最为接近。本区白云岩Sr值最高可以达到2 960×10-6, 这种异常高的Sr质量分数不会是盐度单一作用的结果。前人[45]通过实验证明, 白云岩中异常高的Sr值与微生物作用有很大的关联, 因此推断本区白云岩的形成受到了微生物作用的影响。
综合以上证据分析认为, 歧口凹陷古近系沙一段白云岩形成于盐度很高的浅埋藏环境, 在成岩过程中受到了发酵作用的影响。
4.4 白云岩化机理从含白云石灰岩到白云岩, 随着白云石组分质量分数的升高, 本区白云岩的δ18O值和Mg/Ca值不断升高 (图 6), 说明方解石和白云石沉淀发生在同一水体中[46]。在高盐度的浅埋藏环境中, 白云石是由方解石交代而来的, 排除了原生白云岩的可能性。
湖相白云岩的白云石有序度往往比较低[11]。例如:塘沽地区沙河街组渗透回流微晶白云石有序度分布在0.21~0.64, 均值是0.40[47]; 东营凹陷沙河街组的渗透回流白云石有序度平均为0.70, 该地区蒸发台地毛细管浓缩白云石有序度低至0.30[48]; 辽东湾盆地热水沉积白云石有序度为0.33~0.76 [49]。研究区白云岩样品的有序度分布在0.22~0.53(表 1), 均值为0.33, 比东营凹陷蒸发台地毛细管浓缩白云岩略高, 比塘沽地区渗透回流微晶白云岩略低, 基本上反映了准同生白云岩的特征。理想白云石的Mg/Ca值为1, 本区白云岩的Mg/Ca值为0.73~0.91, 均值为0.80;表现为富钙低镁的特征。通常有序度低而且富钙低镁的泥晶白云岩在成分上不是理想状态的白云岩[19], 形成于成核结晶速度较快的相对不太稳定的准同生成岩环境[50]。在这种环境下, 流体中的金属阳离子丰度高, Mg2+置换Ca2+的速度较快, 在离子表面来不及进行有规律的排列, 从而成为有序度的较低的白云岩[47]。综合以上分析认为, 本区白云石形成于准同生期, 结晶速度较快。
本区白云岩是形成于温度较低、盐度很高的浅埋藏环境的准同生白云岩, 结合古地理环境分析认为, 歧口凹陷古近系沙一段白云岩化机理为渗透回流白云岩化。
研究区的渗透回流白云岩化模式主要发生在洼地, 形成有序度较低的泥-微晶白云岩。在歧北凹陷的六间房、齐家务地区和歧南凹陷的扣村附近多发育局限洼地, 遭受到海侵后, 海水进入湖盆, 带来大量的Mg2+, 并且造成了湖盆的咸化和弱碱化。在蒸发作用的影响下, 空气和液面交界处的湖水盐度变高, 表层较重的浓盐水下沉并逐渐扩散[51]。钙离子的浓度会伴随着蒸发作用而不断上升直至饱和, 这时文石、高镁方解石开始沉积。钙离子浓度不断下降使Mg/Ca值升高、镁离子浓度相对升高, 形成了富镁的重盐水。密度大的富镁盐水下沉到湖底会形成密度驱动流, 富镁盐水会向着低洼处不断聚集, 这时会形成以向洼地倾斜的密度层, 上部是补给的淡水, 下部是回流的重盐水[11]。回流重盐水向下穿过湖底的表面, 透入到浅埋藏的灰质沉积层导致白云岩化的发生[52]。
5 结论1) 歧口凹陷古近系沙一段主要发育泥-微晶灰质白云岩 (白云质灰岩)、泥-微晶白云岩、亮晶生物碎屑灰质白云岩, 具有富钙低镁、有序度较低的特征, 是快速交代的准同生期产物。
2) 研究区白云岩的微量元素比值、87Sr/86Sr、δ13C及盐度表明, 歧口凹陷在沙一段时期发生过海侵事件, 海侵作用为白云岩化带来了大量的Mg2+, 同时也造成了湖盆咸化和弱碱化, 满足了白云岩化所需的环境条件。
3) 碳氧同位素分析表明, 歧口凹陷沙一段白云岩形成于浅埋藏环境中, 结合有序度及镜下结构特征分析认为, 本区白云岩的成因模式为渗透回流白云岩化, 形成过程中受到了微生物代谢活动的影响。
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