0 引言

碳酸盐岩是世界上最重要的油气储层，约40%的油气赋存在碳酸盐岩储层中^[1]。碳酸盐岩对成岩作用的敏感性决定了其形成基质储层的非均质性；如含溶蚀孔、溶蚀洞以及“白云质砂屑团块”等的储层都属于成岩作用所形成的非均质储层。由于碳酸盐岩基质的孔隙度和渗透率一般相对较低，故对碳酸盐岩基质储层整体的孔、渗性起决定性作用的不是占据绝大部分体积的围岩基质，而是碳酸盐岩基质内部的溶蚀孔、溶蚀洞及“白云质砂屑团块” ^[1-6]。豫西奥陶系马家沟组三段大量发育的豹斑灰岩及其诱导的各类孔隙同“生物扰动”和“白云石化的不均匀”关系极为密切^[7-10]，且不均匀的白云石化常常发育在生物潜穴附近^[11-13]。目前，这种由（古）生物扰动和成岩作用（主要为白云石化作用、溶蚀作用）协同影响形成的“生物扰动型碳酸盐岩基质储层”在国内还未得到足够重视。

在国外，生物扰动型碳酸盐岩作为一种常见的非均质储集体，受到了较为广泛的关注。例如：Gingras et al.^[14-15]认为生物扰动会显著改善碳酸盐岩的物性，而且在油气的运移过程中，生物潜穴会充当油气运移的通道，随后也有大量研究得出了同样的结论^[16-25]。Pemberton et al.^[16]对生物扰动型储层的研究，发现碳酸盐岩型生物扰动储层由于其对成岩作用的敏感性，使得其孔隙演化极为复杂，将其统归于成岩非均质性；La Croix et al. ^[18]，Baniak et al. ^[19-22]，Dey et al.^[23]则对生物扰动型碳酸盐岩储层的孔隙特征及其表征方法进行了研究。近年来，国内一些学者对生物扰动型储层的研究，多集中在生物扰动对储层的改造效应等方面^[26-28]，对储层（尤其是碳酸盐岩储层）改造机制的研究相对较少。

基于笔者及科研团队的前期相关研究^{[7-10, 28-29]}，发现豫西焦作穆家寨地区奥陶系马家沟组受多期沉降—抬升作用影响，使得碳酸盐岩成岩作用复杂。前期研究主要对生物潜穴的选择性白云化及该类储层的重建与表征进行了相关探讨，并未对穆家寨地区生物潜穴的选择性溶蚀作用及孔隙演化特征进行分析。因此本文选取豫西奥陶系马家沟组三段中发育的生物扰动碳酸盐岩作为研究对象，对研究区奥陶系马家沟组三段碳酸盐岩中生物潜穴充填特征及其诱导孔隙演化规律进行研究。

1 区域地质背景

研究区位于河南省西部焦作市，地理上处于113°10x~113°19x E，35°20x~35°27x N之间（图 1）。研究区奥陶系地层下伏寒武系三山子组，上与二叠系本溪组均呈平行不整合接触^[30]（图 1），地质构造上处于华北盆地南缘，研究区奥陶系为稳定的陆表海台地沉积，马家沟组三段为典型的潮间带—潟湖沉积，因此本研究区发育的生物潜穴为典型的潮间带—潟湖遗迹组合^[7]，如：Thalassinoides，Helminthopsis，Chondrites，Palaeophycus，Planolites，Gordia等生物潜穴，其中以Thalassinoides，Helminthopsis及Chondrites三种类型最为发育（图 1）；受加里东—海西构造运动的影响，在中奥陶世晚期研究区地层开始抬升并在晚奥陶世整体上升成陆，此后一直处于表生成岩环境。直到晚石炭世末期，重新接受沉积形成了海陆交互相的含铁、铝、煤岩系，使得奥陶系地层处于埋藏成岩环境。印支期基本继承了晚海西期以来的构造格局和沉积特点，整体从海陆过渡相沉积转为陆相沉积；受晚侏罗世—早白垩世太平洋板块活动以及新生代以来印度洋板块与欧亚板块的碰撞和持续的陆内汇聚作用^[30-34]的影响，再度隆升成为剥蚀环境，使得研究区下古生界奥陶系露头出露良好，并使奥陶系地层处于第二期表生成岩环境^[30-34]。

2 生物潜穴类型及其充填特征

研究区马家沟组三段碳酸盐岩中生物潜穴发育：Thalassinoides, Helminthopsis, Chondrites, Palaeophycus, Planolites, Gordia, 其中以Thalassinoides, Helminthopsis及Chondrites三种类型最为发育，对于以上几种遗迹化石的发育环境、发育特征，笔者研究团队已有文献论述^[7]，此处不再赘述。本文仅以Thalassinoides、Helminthopsis和Chondrites这三类最为发育的生物潜穴为例，对生物潜穴的充填特征及孔隙演化进行介绍。

研究区奥陶系马家沟组三段碳酸盐岩中生物潜穴多呈全充填、半充填，潜穴充填物主要以白云石和方解石为主，局部生物潜穴呈现未充填状态，详细特征如下所述。

2.1 生物潜穴充填物的宏观特征

通过对豫西奥陶系马家沟组三段的野外观察，发现风化面生物潜穴的充填物表现为灰黑色，新鲜面颜色为灰白色，充填物为白云岩。进一步观察发现，生物潜穴充填物发育选择性溶蚀，且生物潜穴中可发育不同特征的溶蚀现象（图 2）。

总体看来，豫西马家沟组生物潜穴的选择性溶蚀在宏观上共发育四种特征：

（1）离散的点状凹坑（图 2A），凹坑局限在生物潜穴的内部，初始形成的溶蚀凹坑一般较小，呈直径约1~8 mm的半球形、椭球形散布在生物潜穴内部，溶蚀凹坑的深度一般不大，仅有1~3 mm，初始阶段溶蚀凹坑的分布并不连续。

（2）串珠状溶蚀凹坑（图 2B），但也有溶蚀凹坑呈离散状发育，溶蚀凹坑呈半球状，直径约1~2 cm，溶蚀凹坑深度可达1 cm，此种特征的溶蚀凹坑已经呈现出连续分布的趋势。

（3）凹进岩石中的不规则线条（图 2C），线条长度可达1 m，深度约1 cm，可顺层、斜交层面或垂直层面发育，线条的形态取决于溶蚀作用所发育的生物潜穴的类型，在遭受更进一步的溶蚀作用之后，该种溶蚀特征表现为溶蚀区域总体上沿着生物潜穴所在的区域发育。

（4）凹凸不平、蜂窝状的溶蚀区域（图 2D），生物潜穴充填物被完全溶蚀，还有部分潜穴边缘的围岩也受到溶蚀作用的影响，层面上表现为不规则状的蜂窝状溶蚀面。

2.2 生物潜穴充填物的微观特征 2.2.1 白云石充填物

生物潜穴充填物大多发生了白云化作用，但潜穴类型的差异使潜穴充填物出现了不同。通过对显微镜下生物潜穴的观察发现，生物潜穴中所充填白云石的类型可分为四类：1）自形—半自形晶白云石（图 3A，B），白云石粒径约30~100 μm，白云石具有平直晶面，无定向性，颗粒之间呈点—线接触；2）他形密集发育白云石晶体（图 3C~F），他形嵌晶结构白云石，白云石含量超过90%，白云石粒径约30~120 μm，白云石不具有平直晶面，无定向性，白云石颗粒之间呈凹凸接触，阴极发光下生物潜穴中充填的白云石呈亮红色；3）他形离散发育白云石(图 4A，B)，生物潜穴充填物整体呈暗色调，仅有部分亮晶物质分布其中，阴极发光显微镜下充填物颜色整体仍为红色但带有橙色调，该充填物中的白云石晶体被橙色晕带所环绕；4）微晶白云石（图 3G，H、图 4C，D），生物潜穴边界的偏光显微特征指示其充填物中分布有较多的亮晶物质，亮晶颗粒整体较小；阴极发光下充填物整体发橙色光，指示其充填物大部分为方解石，且橙色发光核心处有极小红色发光，指示其具有白云石核心，为微晶白云石。

2.2.2 方解石充填物

生物潜穴的方解石充填物有两类：1）微晶方解石（图 3G，H、图 4C，D），生物潜穴边界的偏光显微特征指示其充填物中分布有较多的亮晶物质，亮晶颗粒整体较小；阴极发光下充填物整体发橙色光，指示其充填物大部分为微晶方解石；2）亮晶方解石胶结物（图 3E，G），多发育在溶蚀孔隙中，不同形成期次溶蚀孔隙的胶结物镜下特征有差异，该类充填物的发育受溶蚀孔缝控制。

2.2.3 微观孔缝分布特征

通过偏光、阴极发光镜和扫描电镜的观察，发现生物潜穴充填物在成岩作用、构造作用的改造下溶蚀裂隙、溶蚀孔隙及构造裂隙相较于围岩要更为发育。具体表现为：发育在生物潜穴充填物中的粒间孔最为发育，这类孔隙直径大小一般为1~3 μm，且分布密度极大，孔隙之间的连通性也很高（图 5），能形成有效的储集空间。扫描电镜下生物潜穴充填物内孔隙形态大致可分为三类：1）近圆形孔隙（图 5A），孔隙之间连通性较好；2）长条形孔隙（图 5C），孔隙间连通性要优于近圆形孔隙；3）港湾状孔隙（图 5D），为典型的溶蚀成因孔隙，各孔隙间的连通性较好。

豫西马家沟组三段碳酸盐岩基质成份主要为泥晶灰岩，基质内溶蚀孔隙不发育，构造裂隙可交切潜穴后延伸到围岩基质中。扫描电镜下显示围岩基质微孔不发育，仅有少量孔隙分布在其中（图 5B）。通过对比观察还发现，随着白云石含量的降低，构造裂隙、溶蚀缝隙的发育程度逐渐降低。

3 生物潜穴充填物成因机制及其诱导孔隙演化规律

生物潜穴充填物中的孔隙以粒间孔为主，此类型孔隙的形成主要受白云化作用及溶蚀作用的影响。

3.1 白云化作用

豫西奥陶系马三段生物潜穴充填物的类型较为单一，多数为白云石充填，总体看来白云石的含量在85%以上，白云石的晶体形态及其阴极发光特征有明显差异，本区白云石经历了不同期次、不同成因类型的白云岩化作用。但总体看来，白云岩化对孔隙的影响主要在三个方面：1）准同生期白云化作用，其形成的白云石微晶会降低生物潜穴中沉积物的孔隙度，使整体的孔隙度降低；2）埋藏白云石化作用，在白云石化的过程中由于同摩尔体积的白云石体积要远低于方解石的体积^[35]，所以在白云岩化的过程中（形成自形—半自形白云石），使得生物潜穴充填物的孔隙度会增大，即白云岩化作用对孔隙有建设性作用；3）过白云化作用，即自形—半自形白云石的继续白云化作用，白云石的晶体形态发生变化，由自形—半自形点、线接触的白云石（图 3A，B）逐渐变为他形、凹凸接触的白云石（图 3C，E），进一步受白云化作用的影响，白云石晶间孔被增大、变形的白云石充填，即过白云化作用导致生物潜穴充填物孔隙度降低。

对于研究区奥陶系马家沟组生物潜穴的选择性白云化成因，笔者将有专文进行论述。

3.2 溶蚀作用 3.2.1 溶蚀作用的发育特征

前人对于华北盆地太行山地区构造历史的研究表明^[30-34]，豫西奥陶系马家沟组经历了两期表生溶蚀作用。第一期发生在奥陶纪末期，受此期表生溶蚀作用的影响生物潜穴中出现了大量的溶蚀孔隙，显微镜下所观察到的溶蚀孔隙多为此阶段形成；第二期发生在印支运动后，华北地台整体隆升，马家沟组又抬升至地表经受第二期溶蚀作用的影响。

对于两期表生溶蚀作用形成的孔缝可通过以下两方面特征进行识别：1）海西期表生成岩环境的溶蚀孔隙多被方解石所胶结，且方解石的胶结特征一般表现为多期次胶结（图 3G，H），也有部分溶蚀孔隙仅被一期方解石所胶结，但其胶结物可明显观察到被自形—半自形及他形白云石所交切（图 3E）；2）印支期以来的表生成岩作用常表现为喀斯特溶蚀现象（图 2），溶蚀孔隙常呈半充填或未充填，显微镜下生物潜穴边缘常见溶蚀缝隙（图 3A）。

3.2.2 溶蚀作用的发育机理

通常认为，同等条件下白云石的溶解度要低于方解石^[36]。而影响两者溶解度的因素主要取决于两点：1）埋藏深度，随着埋藏深度的增加，白云石的溶解度的增长速率要高于方解石，这就使得白云石和方解石溶解速率之间的差异被缩小^[36-37]；2）晶体的结晶程度，一般认为晶体的结晶情况越好，越容易受溶蚀作用的影响^[38]。豫西焦作地区马家沟组三段生物潜穴充填物多为白云石，且其晶体结晶程度明显优于围岩的方解石。另一方面，选择性溶蚀作用的发育还需要溶质和溶液之间存在浓度差，这利于溶质离子向溶液中持续扩散，从而促进溶蚀作用的进行^[37]。董小波等^[28]对豫西地区马家沟组三段含生物潜穴的岩石样品进行了柱塞实验，发现含生物扰动样品的孔隙度和渗透率都远高于不含生物扰动的围岩基质^[28]，这就使得生物潜穴在成岩作用的过程中，会优先成为运移流体的通道、生物潜穴充填物与溶液之间长久保持着浓度差，促进生物潜穴充填物发生选择性溶蚀作用。以上原因使得潜穴充填物遭受到的溶蚀作用明显优于围岩。

3.2.3 溶蚀作用的演化过程

野外及镜下观察都表明，潜穴的选择性溶蚀作用大多从生物潜穴的边缘开始发育。首先，充填物的粒间孔隙在未受到溶蚀流体的影响时呈现近圆形（图 5A）；而这些粒间孔隙在遭受到流体的持续溶蚀作用后，可能会形成较为密集、有定向性、较大的溶蚀粒间孔（图 5C）；这些较大的溶蚀粒间孔可能仍会受到流体的影响而持续发育溶蚀作用，形成一些典型的港湾状溶蚀孔（图 5D）。以上溶蚀作用的影响使得潜穴充填物和围岩之间的连接变得较为脆弱，在后期的溶蚀作用及其他作用（如：构造破碎）的综合影响下，使得宏观上生物潜穴的选择性溶蚀得以顺利进行。

豫西奥陶系马家沟组生物潜穴的选择性溶蚀宏观上可划分为四个阶段：

第一阶段：该阶段生物潜穴的溶蚀现象表现为从无溶蚀凹坑的全充填生物潜穴（图 6A），到具有离散点状凹坑的生物潜穴（图 6B），凹坑局限在生物潜穴的内部，初始形成的溶蚀凹坑一般较小，呈半球形、椭球形散布在生物潜穴内部，溶蚀凹坑的深度一般不大，初始阶段的溶蚀凹坑并不连续分布；

第二阶段：离散的凹坑受到进一步的溶蚀作用，在生物潜穴内部不断发育溶蚀凹坑，溶蚀凹坑在生物潜穴中的分布密度逐渐增大，野外露头上呈现为串珠状溶蚀凹坑（图 6C），但也有其他溶蚀凹坑离散发育，此时溶蚀凹坑仍呈现半球状，该阶段的溶蚀凹坑已经呈现出连续分布的趋势；

第三阶段：受进一步溶蚀作用影响，溶蚀凹坑在生物潜穴中的分布更为密集，逐渐将生物潜穴的充填物全部溶蚀，没有或仅有部分围岩受到强烈的溶蚀作用，形成溶蚀凹坑，溶蚀作用表现为凹进岩石中的一条不规则的线条（图 6D），可顺层、斜交层面或垂直层面发育，线条的形态取决于溶蚀作用所发育的生物潜穴的类型，在遭受更进一步的溶蚀作用之后，该阶段的溶蚀特征表现为溶蚀区域总体上沿着生物潜穴所在的区域发育，但也有部分潜穴周边的区域被溶蚀；

第四阶段：溶蚀作用会继续作用于处于完全溶蚀阶段的生物潜穴，此时处于溶蚀作用影响区域内的生物潜穴充填物大多已被全部溶蚀，溶蚀作用主要作用在剩余的围岩，经过后期的进一步溶蚀作用，支撑整个岩层面的围岩也被剥蚀，最终在岩石表面会形成凹凸不平、蜂窝状的溶蚀区域（图 6E）。

3.3 生物潜穴诱导孔隙的演化规律

豫西奥陶系马家沟组三段生物潜穴诱导孔隙的演化较为复杂。研究区奥陶系马家沟组碳酸盐岩沉积物形成后，先后经受生物的掘穴作用、碳酸盐岩沉积物的充填作用、机械压实作用、多期白云岩化作用、构造破裂作用、压溶作用、多期胶结作用以及溶蚀作用。

根据研究区奥陶系露头潜穴充填特征和充填物及围岩的微观特征，分析认为生物潜穴诱导的孔隙演化经历以下过程：1）成岩作用的准备阶段，此阶段自碳酸盐岩沉积开始（图 7-①），造迹生物便开始在碳酸盐岩底质上进行掘穴活动，在碳酸盐沉积底质上形成不同类型的生物潜穴，各类生物潜穴又能够沟通海水和沉积底质，充分改造沉积物的物性，这种改造可形成中空的潜穴管，并使生物潜穴管附近沉积物的物性发生改变（图 7-②），这种改变会在后期的成岩过程中产生持续的影响；2）生物废弃所建造的生物潜穴，而后被一些碳酸盐沉积物充填，经过同生—准同生期的成岩作用，在生物潜穴中充填了一些碳酸盐岩泥，该时期的成岩作用及充填物的充填作用会使生物潜穴管被堵塞，使整体物性变差（图 7-③）；需要指出的是同生—准同生期成岩作用发育的位置并不局限于潜穴内部，潜穴周围的碳酸盐沉积物也会受到成岩作用改造；3）浅埋藏阶段，此阶段生物潜穴充填物逐渐发育白云化作用，受白云化作用影响，生物潜穴充填物的孔隙类型由微晶碳酸盐岩颗粒的粒间孔转变为自形—半自形白云石之间的晶间孔、粒间孔（图 7-④），孔隙性显著增强，在浅埋藏的过程中地层逐渐向下沉降，已成岩的生物潜穴边缘会受构造作用影响产生破裂，进一步增强生物潜穴充填物的物性（图 7-⑥）；4）中—深埋藏成岩阶段，部分生物潜穴充填物仍会受白云化流体的持续交代作用，晶体形态逐渐由自形—半自形、点线接触白云石转变为他形、凹凸接触白云石（图 7-⑤），在此过程中，生物潜穴充填物的孔隙性可能发生一定程度的降低，但仍有部分的自形—半自形的白云石未受到持续的白云化流体的交代作用，保持了原有的晶体形态；5）埋藏溶蚀阶段，受深部溶蚀作用的影响，生物潜穴及潜穴边界围岩会产生一些溶蚀孔、缝（图 7-⑦，⑧），这些溶蚀孔、缝会改善生物潜穴的物性，在埋藏阶段这些溶蚀孔可能会被方解石充填（图 7-⑨，⑩）；6）构造抬升阶段，受构造应力作用，在生物潜穴充填物中及其与围岩的边界形成构造裂隙（图 7-⑪，⑫），通过其充填物的阴极发光特征可看出这些构造裂隙有着多期发育的特点，应是在抬升的过程中不断发育的构造裂隙，这些构造裂隙对生物潜穴的物性有建设性作用；7）胶结充填阶段，在地层抬升的过程中，围岩及上覆地层中的碳酸盐岩发生溶解，在3）和4）两个阶段所形成的溶蚀孔、缝及构造裂隙中沉淀、胶结，逐渐将先前受溶蚀作用及构造作用所形成的孔隙、裂隙充填、堵塞（图 7-⑬，⑭），受本阶段方解石胶结充填作用的影响，整体孔隙度降低；8）表生溶蚀阶段，在大气水与地下水的影响下，生物潜穴在宏观上表现出了不同的溶蚀形态，本期溶蚀作用大大促进了岩石物性（图 7-⑮，⑯）。

结合研究区地层埋藏史、阴极发光特征和单偏光特征，得出研究区奥陶系马家沟组三段埋藏沉降史、成岩作用及生物潜穴诱导孔隙的演化规律（图 8）。

4 结论

（1）研究区奥陶系马家沟三段碳酸盐岩中生物潜穴多呈全充填和半充填状态，潜穴充填物主要以白云石和方解石为主，其中白云石又可划分为自形—半自形晶白云石，他形嵌晶结构白云石，他形离散发育白云石，微晶白云石；方解石则由泥晶方解石和胶结在孔隙和裂隙中的亮晶方解石所组成；局部生物潜穴呈现未充填状态。

（2）生物潜穴充填物主要受到白云化作用和溶蚀作用的影响，溶蚀作用主要发育在奥陶纪末期和印支运动以来的表生成岩环境中；其中奥陶纪末期的表生成岩环境下的溶蚀孔隙多被方解石所胶结，印支运动以来表生成岩环境下的溶蚀作用表现为宏观的选择性溶蚀及微观下发育在生物潜穴边缘未被胶结的溶蚀缝隙和潜穴中的溶蚀孔隙。

（3）受成岩作用的影响，宏观上生物潜穴诱导型孔隙经历了由离散点状溶蚀到串珠状溶蚀再到生物潜穴完全被溶蚀的条带状溶蚀的过程；微观下生物潜穴诱导型孔隙的演化经历了：1）生物掘穴作用，为后期沉积物充填提供容纳空间并为成岩作用提供了发生的可能性；2）同生—准同生期成岩作用，主要是在生物潜穴中充填碳酸盐泥，且部分灰泥受大气CO₂的影响发生了溶蚀；3）浅埋藏成岩作用，生物潜穴充填物发生了白云岩化，形成了自形—半自形白云石，充填物物性增强；4）中—深埋藏成岩作用，主要是白云石晶体的进一步增大和埋藏溶蚀作用，总体来看，中—深埋藏成岩作用会降低充填物物性；5）奥陶纪末期到海西期和印支运动以来的两期表生溶蚀作用主要表现为对生物潜穴的选择性溶蚀以及方解石在溶蚀缝隙、构造裂隙中的重结晶。