0 引言

受早古生代加里东等构造运动的影响，华北地台整体抬升，鄂尔多斯盆地早奥陶世沉积后，有长达1.5亿年的沉积间断，缺失了志留系—泥盆系地层，经过长期的风化淋滤，在奥陶系顶区域不整合面之下形成了一套孔、洞、缝相互交织的风化壳岩溶储层^[1]，进而形成了目前鄂尔多斯盆地奥陶系的主力产气层，靖边气田的成功勘探也证实了奥陶系天然气的勘探和开发潜力^[2-3]。前人研究认为鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组含膏白云岩坪的发育为古岩溶孔、洞型储层的形成奠定了物质基础^[4-6]，在储层后期改造过程中，相继形成了准同生期、裸露风化壳期和埋藏期的3期岩溶，其中埋藏期岩溶对研究区马家沟组的孔洞型储层的最终表现形式起到了重要的作用^[7-10]，而溶孔型储层中孔隙的产生、充填、溶蚀过程对天然气成藏具有重要作用。大量研究表明^{[5, 7-10]}，准确分析碳酸盐岩储层溶孔的形成机理和过程对研究碳酸盐岩储层具有重要作用，由于碳酸盐岩储层溶孔是多期次形成的，不同期次的溶孔在形成过程和充填过程中必然存在一定的差异，进而影响到了储层物性，因此，孔隙内充填物的类型及充填程度是碳酸盐岩溶孔型储层物性最直接和有效的影响。准确认识碳酸盐岩储层孔隙内充填物的类型、充填程度既能反应出储层孔隙固有的特征，也能反推出储层孔隙的形成期次与过程，因此，分析膏模孔类型及充填过程对认识碳酸盐岩储层具有重要意义。

目前，关于碳酸岩储层膏模孔的研究主要侧重于其孔隙特征和物性方面的分析，对孔隙内充填物的类型和充填程度缺乏更进一步的精细刻画，尤其是对膏模孔的形成及充填过程方面的研究不够深入，制约着膏模孔储层形成及改造机理方面的认识。本文通过岩芯观察描述、铸体薄片镜下观察，详细描述了研究区马五₄¹古岩溶储层的孔隙类型，进而对最主要的膏模孔及其内充填物充填类型、程度及特征进行了分析；利用MAT-252气体稳定同位素质谱仪，对膏模孔内不同充填物的碳氧同位素进行了分析，查明了不同充填物的成岩环境特征；在此基础上，探讨了膏模孔内充填物的充填期次及其形成机理。通过该研究以期丰富和补充碳酸盐岩储层膏模孔的形成机理研究理论，为研究区奥陶系马五₄天然气勘探开发起到实际的指导作用。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地是我国第二大沉积盆地，面积约25×10⁴ km²，其内蕴藏着丰富的油气资源^[11-12]。奥陶系沉积时期，存在着“三隆两鞍一坳陷”的沉积格局，三隆即伊蒙隆起、韩城古隆起及中央古隆起，两鞍即三隆之间的衔接部位，一坳陷即米脂坳陷^[9]。研究区北抵府谷，南达洛川，西起吴起，东至柳林(图 1)，构造上位于中央古隆起东北侧。鄂尔多斯盆地奥陶系地层先后经历了准同生期岩溶、裸露风化壳期岩溶及深埋藏期岩溶三期岩溶作用的相互叠加改造，自西向东形成了岩溶高地、岩溶斜坡、岩溶盆地等古地貌单元^[13-14]。奥陶系马家沟组地层为一套浅海碳酸盐岩台地背景下的碳酸盐岩沉积，有广泛的石膏、硬石膏发育^[15]，依据沉积旋回可将其自上而下划分为马六段—马一段六个岩性段(表 1)，“三云三灰”岩性组成代表三次完整的海进海退沉积序列，其中马五段是奥陶系马家沟组地层沉积厚度最大一段，自上而下可以分为马五₁—马五₁₀十个岩性亚段^[16-17]，马五₄亚段自上而下可以分为马五₄¹、马五₄²、马五₄³三个小层^[18]。研究区马五₄₁小层岩性主要为(含)硬石膏泥粉晶白云岩及泥粉晶白云岩，自西向东(硬)石膏含量整体上增多，依次发育含膏云坪、膏质云坪及云膏坪沉积相，其储集空间主要是石膏或结核溶蚀之后的膏模孔。

2 孔隙类型

根据研究区岩芯及薄片观察统计，马五₄₁碳酸盐岩储集层在漫长、复杂的地史演化过程中，经历了多期次的反复成岩作用改造，原生孔隙基本消失殆尽，主要发育溶蚀孔(洞)、晶间孔、晶间溶孔与微裂缝，总面孔率为4.21%。

溶蚀孔(洞)包括膏模孔及其他溶孔。膏模孔(图 2A)是溶蚀流体将含膏云岩等原岩中的石膏晶体、结核部分或全部溶解所形成的组构选择性溶蚀孔隙，而石膏晶体的轮廓假象被保留，一般呈圆形或椭圆形^[18]，孔径0.50~5.00 mm不等，大部分被半充填或者全充填。作为研究区最主要的储集空间，其面孔率达到2.18%，主要分布在靖边一带、乌审旗南部及吴起东部、志丹东部地区；其他溶孔是岩石非组构选择性溶蚀后而形成的孔隙或者溶洞，孔径0.20~4.00 mm不等，无充填或者被方解石、硅质、泥质等部分或者完全充填^[18]。

晶间孔(图 2B)是碳酸盐岩矿物晶体之间的孔隙，主要为白云石在重结晶过程中形成的微晶、细粉晶及细晶晶粒结构中的晶间孔，其面孔率为0.94%，孔径0.01~0.03 mm不等，为风化壳储层及其改造创造了先决条件，是一种重要的储集空间。

晶间溶孔(图 2C)是沿白云石晶体或者方解石胶结物晶体间孔隙溶蚀扩大而成，孔径略小，一般介于0.01~0.03 mm，其面孔率为0.96%。它与溶蚀孔的区别在于晶体本身受到溶蚀作用较少，为地下水沿晶间或灰泥(云泥)的收缩空间内运动造成的晶间物质选择性溶蚀的产物^[18]。

构造溶蚀缝(图 2D)是由构造应力、溶蚀扩大形成，缝宽0.10~0.20 mm，其面孔率为0.13%，缝内有含铁白云石、含铁方解石充填，所以，仅有少量晚期构造缝成为有效裂缝；压溶缝及缝合线是在成岩过程中由于压溶作用形成，呈蛇曲状及锯齿状，属于未开启的压性缝，被泥质或方解石充填^[18]。

3 膏模孔类型及特征

通过对142口井(近1 600 m)的岩芯观察、200张薄片镜下观察发现，研究区膏模孔内充填物具有一定的差异，膏模孔内充填物有白云石、方解石、石英、黄铁矿、渗流粉砂、硬石膏、泥质及有机质、高岭石、铁方解石等，其中以白云石、方解石、硬石膏为主^[18]。依据膏模孔内充填物充填程度，将膏模孔划分为半充填型及全充填型。半充填型膏模孔多由风化淋滤期形成的白云石渗流粉砂及后埋藏期形成的自生石英及铁白云石组成；相比之下，全充填型更富集方解石，多以风化淋滤期形成的白云石渗流粉砂为主，加之后埋藏期形成的自生石英、方解石及硬石膏。

另外，依据充填物类型，可将研究区的膏模孔充填作用分为六种组合类型(图 3)：白云岩粉砂半充填、白云岩粉砂+石英半充填、白云岩粉砂+铁白云石半充填、白云岩粉砂+方解石全充填、白云岩粉砂+石英+方解石全充填及白云岩粉砂+硬石膏全充填。整体上，充填物均以白云石为主，其晶体类型与成岩环境及成岩期次相关。近地表大气淡水及海水潜流环境和表生岩溶环境的孔洞中多见自形程度较好的白云岩粉砂充填；中—深埋藏成岩环境中以他形的粗晶白云石和铁白云石充填为主^[18]。另外，方解石的含量是膏模孔充填程度变化的关键，在研究区白云石晶间孔、晶间溶孔、溶孔洞缝中广泛分布，对储集性影响最大，破坏最强。根据其成分不同，可分为深灰色淡水方解石和白色亮晶方解石两类。

4 膏模孔形成过程分析

膏模孔充填物类型及特征是成岩环境的有效指示^[19]。研究区马五₄¹储层的膏模孔内主要充填物是白云石、方解石两大类。碳酸盐矿物中的碳氧同位素组成可以定量地恢复成岩环境，为了查明这两类充填物的充填环境、充填期次及充填特征，本次研究分别对基质白云石、孔洞内充填的白云岩粉砂及孔洞内充填的方解石进行碳氧同位素分析。样品分析由中国科学院油气资源研究重点实验室完成，CO₂的制备采用纯磷酸法，将所获得的CO₂在MAT-252气体稳定同位素比值质谱仪上进行质谱分析，结果采用PDB标准，以δ值表示，分析结果见图 4。

4.1 充填矿物成岩环境分析

基质白云石δ¹³C分布在-2.28‰~0.17‰，平均为-0.97‰，δ¹⁸O分布在-9.91‰~-6.72‰，平均为-7.96‰，Z值多大于120，白云石有序度0.54~0.93，比普通的粉晶白云岩要高，反映白云岩形成于海相环境，自准同生形成后经历过重结晶作用。孔洞内充填的白云岩粉砂δ¹³C分布在-2.25‰~-1.13‰，δ¹⁸O分布在-12.31‰~-8.91‰，与基质白云石碳氧同位素分析数据差异不大，在同一范围内，应属于同一成因。根据自然界碳同位素分馏机理，正常的海相碳酸盐岩和碳酸盐胶结物的δ¹³C分布在-4.0‰~4.0‰范围间，属于无机碳源，说明孔洞内充填的白云岩粉砂的形成时间较早，与有机质的脱羧基作用关系不大^[20]，即裸露风化壳期受大气淡水淋滤作用，上覆已经形成的上奥陶统白云岩中被抬升剥蚀下来的白云石颗粒由大气水携带向下运移至下奥陶统的岩石孔缝之中^[21]，常见自下而上密度减小、晶径增大(图 2A)，进一步也说明地表淡水向下渗流的过程中必定会对岩石产生溶蚀，同时也反映了白云岩粉砂充填物的形成主要处于相对开放的体系中，与裸露风化壳期的溶蚀环境相对应^[1]。但其δ¹⁸O较基质白云石偏负，反映其形成于沉积同生期的低温环境，但在后期成岩晚期阶段，由于地层埋藏深度大，温度压力逐渐升高，部分白云石经历了高温的重结晶改造^[22]，镜下常见白云石连晶状分布；而部分白云石由于成岩环境的改变，在高温缺氧的还原环境下，转变为(含)铁白云石。

方解石是研究区膏模孔充填程度变化的关键，镜下可以发现两种类型的方解石充填，一种为深灰色方解石，另一种为白色亮晶方解石。深灰色方解石δ¹³C分布在-4.76‰~-1.83‰，δ¹⁸O分布在-10.82‰~-6.79‰，可能与海相碳酸钙过饱和及沉积时的碱性环境有关，形成时间相对较早^[21]，研究区深灰色方解石充填的膏模孔基本上都为全充填。而白色亮晶方解石δ¹³C分布在-8.64‰~-4.13‰，δ¹⁸O分布在-15.43‰~-9.93‰，较低的δ¹³C说明这类方解石中有一定量的有机碳加入，其形成明显与有机质的脱羧基作用有关^[23]。发生这些成岩现象的主要原因是随着沉积物的不断埋深，进入深埋藏岩溶作用阶段，其温度压力升高，烃源岩中的有机质发生脱羧基并释放部分CO₂，溶于地层水中形成较强溶蚀能力的有机酸和碳酸溶液，酸性条件下不可能形成碳酸盐胶结，但可以对其中的长石、岩屑等少量陆源矿物进行溶蚀，释放出部分二氧化硅，进而在局部地区形成自生石英充填物；后期达到生烃高峰期，烃类的加入使得酸性环境逐渐变为碱性环境，物质供应充足时可以形成白色亮晶方解石充填，其碳源主要为有机碳，因此碳同位素组成必然较轻，其沉淀时间主要在深埋藏岩溶作用阶段，晚成岩阶段早期，温度在100℃~130℃^[24]。所以，白色亮晶方解石形成期比深灰色方解石晚，形成温度较高。

对于膏模孔内充填的硬石膏，主要分布在研究区东部岩溶盆地范围内，东部岩溶盆地在裸露风化壳期以充填沉淀作用为主，先期形成的石膏在深埋藏期由于成岩环境的变化逐渐变成硬石膏。

4.2 膏模孔充填期次及形成过程

研究区奥陶系沉积时期，正常海水对方解石和白云石是饱和的，伴随蒸发作用不断增强，当海水略微浓缩，方解石(文石)便先沉淀出来；随着海水进一步浓缩，Mg²⁺浓度增高，Mg与Ca的比率增大，对先期形成的方解石(文石)进行交代，即形成准同生成因的白云岩。在干旱的条件下，当海水蒸发浓缩至原体积19%以下，含盐度达到15%~17%以上时，硬石膏开始从海水中沉淀出来^[25]，交代早期沉积的粉晶白云岩，进而形成含膏云岩，为后期膏模孔的发育奠定了沉积基础。准同生期由于地壳运动或海水周期性振荡，导致碳酸盐岩沉积间歇性的暴露于地表环境中，受大气淡水及混合水作用，石膏等易溶矿物发生溶蚀；表生期裸露风化壳环境下大气淡水下渗发生强烈的去膏化作用及溶蚀作用，硬石膏的溶解度大于方解石、白云石等矿物，所以硬石膏晶体先得到溶解，保留了石膏晶体的轮廓，形成膏模孔(图 5A)；加之深埋藏期岩溶作用对膏模孔的叠加和改造，三期岩溶作用对膏模孔的作用形成了目前所看到的被充填物充填的膏模孔(图 5B)。

另外，研究区中奥陶世末期至早石炭世，鄂尔多斯盆地地势西高东低，长期的风化剥蚀及岩溶作用使其自西向东依次发育岩溶高地、岩溶斜坡和岩溶盆地。不同的岩溶古地貌，其大气淡水淋滤作用方向不同，强度不同，形成膏模孔的富集程度也不同。通过上述不同充填物成岩环境分析，研究区膏模孔自表生期形成以来，充填物充填顺序依次为裸露风化壳期形成白云岩粉砂及深灰色淡水方解石，深埋藏期形成自生石英、白色亮晶方解石、铁白云石及硬石膏沉淀(图 5C)。从而在不同岩溶古地貌、不同成岩环境下形成6种不同类型的膏模孔内充填物组合类型。

5 结论

(1) 研究区奥陶系马五₄₁碳酸盐岩储集层主要的孔隙类型包括溶蚀孔(膏模孔和其他溶孔)、晶间孔、晶间溶孔和微裂缝，总面孔率为4.21%；其中以膏模孔为主，其面孔率为2.18%。

(2) 依据膏模孔内充填物充填程度，将研究区奥陶系马五₄¹碳酸盐岩储集层膏模孔划分为2种充填类型6种充填物组合类型：半充填型(白云岩粉砂半充填、白云岩粉砂+石英半充填、白云岩粉砂+铁白云石半充填)，全充填型(白云岩粉砂+方解石全充填、白云岩粉砂+石英+方解石全充填、白云岩粉砂+硬石膏全充填)。

(3) 膏模孔形成于裸露风化壳期石膏等晶体的溶蚀，而后发生充填沉淀作用。首先裸露风化壳期充填白云岩粉砂及深灰色方解石；其次，深埋藏期充填自生石英、白色亮晶方解石及硬石膏。