近年来，许多学者稀土元素地球化学资料广泛应用于沉积岩物源及形成环境、白云岩成因及其后期成岩演化、恢复古海水的稀土元素组成等方面取得一系列进展(韩银学等，2009；吴仕强等，2009；韩伟等，2010；陈琪等，2011；苏中堂等，2012；杨扬等，2014)。古城6井(2012年)、古城8井(2013年)、古城9井(2014年)均在中下奥陶统白云岩储集层获得26.65×10⁴ m³、47.84×10⁴ m³、107.89×10⁴ m³的工业性高产气流，表明中下奥陶统白云岩储集层是该地区目前油气勘探的主力储集层之一。作者基于研究区中下奥陶统白云岩的岩石学特征，系统分析古城7井和古城8井2口重点井的REE特征，并对该地区白云岩成因特征进行了初步探讨，为古城地区下一步油气勘探部署提供理论依据。

塔里木盆地为古生界克拉通盆地和中、新生界前陆盆地构成的叠合盆地(贾承造，1997)，构造演化复杂，历经了海相到陆相的沉积演化，石油地质条件极为复杂。盆地划分为“四隆五坳”9个一级构造单元，塔东地区包括北部坳陷、塔东隆起、东南坳陷3个一级构造单元，表现为“两坳夹一隆”构造格局。古城低凸起位于塔里木盆地北部坳陷区中南部，东部与塔东隆起相邻，西部与塔中隆起相接，是在上寒武统-下奥陶统台地边缘相带上发育的一个东北倾大型宽缓鼻状构造，面积约为6100 km²。古城地区中下奥陶统划分系统与命名见表 1。

图 1

图 1 塔里木盆地古城地区构造位置 Fig. 1 The tectonic location of the Gucheng area in the Tarim Basin

表 1

表 1 塔里木盆地古城地区奥陶系地层简表 Table 1 A simplified stratigraphic table of the Ordovician strata in the Gucheng area in the Tarim Basin 地层 厚度/m 主要岩性 系 统 组 奥陶系 中︱下统 一间房组 77～101 岩性以褐灰色亮晶砂屑灰岩、藻砂屑灰岩、亮晶棘屑砂屑灰岩、藻鲕灰岩、泥晶粉屑灰岩、生屑泥晶灰岩为主 鹰山组 619～821 上部以灰岩为主，中下部以灰色含云灰岩灰色云质灰岩为主，局部夹有灰质白云岩 蓬莱坝组 186～223 上部以灰质白云岩为主，下部以灰岩为主，中间夹白云质灰岩和含云灰岩

表 1 塔里木盆地古城地区奥陶系地层简表 Table 1 A simplified stratigraphic table of the Ordovician strata in the Gucheng area in the Tarim Basin

研究区中下奥陶统白云岩类型较多，按结构特征将其分为，粉-微晶白云石、粉-细晶级他形脏白云石、粉-中晶级自形白云石、中-粗晶脏白云石、中-粗晶干净白云石、鞍形白云石等6种类型(图 2)。

图 2

图 2 塔里木盆地古城地区白云岩微观照片 Fig. 2 Microphotos of dolomite of the Gucheng area in the Tarim Basin (a)GC7，粉-微晶白云岩，6190 m，10×10(-)；(b)GC8，粉-细晶白云岩，6395.5 m，10×4(-)，正交下弱波状消光；(c)GC7，粉-中晶白云岩，晶间孔充填有机质，6192.3 m，10×4(-)；(d)GC6，中-粗晶脏白云岩，6108 m，10×10(-)；(e)GC7，中-粗晶干净白云岩，见晶间孔及其沥青充注， 6150 m，10×10(-)；(f)GC7，鞍形白云岩，6510 m，10×4(+)，波状消光

粉-微晶白云石主要由晶径均小于0.05 mm的晶体白云石组成，晶体形态以他形为主，少量半自形，结构较均一，表面较脏，晶体之间多为致密镶嵌接触，缺乏晶间孔，晶间含有泥质，可明显被缝合线和多期裂缝切割改造，岩石致密不发育储集空间。岩石中均未见到任何颗粒或其交代残余，表明其为微晶灰岩的白云石化产物(图 2a)。

此类白云石化相对较强，其白云石晶体大小变化范围较大，介于0.01～0.25 m，由粉晶到细晶级，晶体自形程度普遍较差，呈他形晶，晶体表面普遍较脏，表面昏暗，个别保留了原来颗粒结构的幻影，晶体之间往往为镶嵌状接触，偶见黄铁矿斑点，白云石晶体仍可受到缝合线、各期破裂作用及裂缝的切割改造，可受到各期溶蚀作用的改造(图 2b)。

粉-中晶自形白云石在古城地区相对粉-微晶白云石、粉-中晶自形白云石比较发育。此类白云石晶体大小在0.01～0.5 mm，晶形为半自形-自形，晶体表面较脏或较干净，可见雾心亮边结构，具有云雾状核心和洁净明亮的边缘，常见晶间孔，晶间溶孔较发育，晶间孔内见灰质残余、泥质、沥青等，可构成储集层，并对早期烃类充注有重要意义(图 2c)。

中-粗晶脏白云石在古城地区碳酸盐岩中极为发育。此类白云石晶体主要在0.25～1.00 mm，晶形较差，局部有自形-半自形，晶体表面较脏，晶粒之间镶嵌接触，局部晶间孔、晶间溶孔、溶蚀孔洞较发育，并且晶间(溶)孔内见沥青完全充填或有沥青残余(图 2d)。

中-粗晶干净白云石在古城地区碳酸盐岩中也极为发育。此类白云石晶体粗大，一般为0.50～2 mm，主要为半自形-自形晶粒状晶体表面干净，晶体之间镶嵌接触，局部晶间孔发育，晶间孔内见有沥青，为古城地区主要储集空间。粗晶白云石在正交偏光显微镜下都具有波状消光特征，说明受到了热液改造的影响(图 2e)。

此类白云石主要发育分布于裂缝和溶蚀孔洞内，晶体大小可达中-粗晶，晶体表面较干净，晶面弯曲，正交光下波状消光特征明显为其主要特征，常伴有方解石、石英、沥青(图 2f)。

稀土元素研究的样品主要取自古城地区的GC7、GC8井2口井，共计16个样品，层位主要是中下奥陶统鹰山组和蓬莱坝组。样品测试由成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室完成，分析结果均达国家标准(表 2)。

表 2

表 2 古城地区中下奥陶统白云岩稀土元素含量及特征值 Table 2 REE compositions and characteristic values of the Middle-Lower Ordovician dolostone in Gucheng area 序号 井名 深度/m 层位 岩性 La Ce Pr Nd Sm Eu Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu REE LREE HREE LREE/HREE LaN/YbN δEu δCe 1 GC7 6499 蓬莱坝组 粉-微晶白云石 2.82 1.97 2.38 4.06 1.03 0.61 0.61 0.48 0.40 0.39 0.04 0.41 0.42 15.62 12.87 2.75 4.67 6.86 0.75 0.76 2 GC7 6161 鹰山组 粉-中晶较自形脏白云石 1.43 1.11 1.36 2.59 0.67 0.37 0.46 0.39 0.33 0.33 0.04 0.38 0.42 9.89 7.53 2.36 3.20 3.78 0.65 0.80 3 GC7 6230 鹰山组 粉-中晶较自形脏白云石 0.63 0.47 0.53 1.64 0.24 0.14 0.15 0.12 0.10 0.10 0.01 0.09 0.09 4.29 3.65 0.64 5.67 7.30 0.71 0.82 4 GC7 6110 鹰山组 粉-中晶他形脏白云石 1.85 1.54 1.77 3.21 0.83 0.45 0.55 0.43 0.36 0.36 0.04 0.39 0.39 12.16 9.65 2.52 3.84 4.77 0.65 0.85 5 GC7 6192.3 鹰山组 粉-中晶他形脏白云石 0.96 0.67 0.80 1.77 0.33 0.19 0.21 0.16 0.14 0.12 0.01 0.14 0.12 5.63 4.73 0.90 5.25 6.95 0.70 0.76 6 GC7 6429.5 鹰山组 粉-中晶他形脏白云石 1.29 0.92 1.08 2.27 0.46 0.31 0.27 0.20 0.18 0.17 0.02 0.18 0.18 7.54 6.34 1.20 5.27 7.11 0.85 0.77 7 GC8 6310 鹰山组 中-粗晶干净白云石 4.04 3.79 2.15 1.30 0.91 0.48 0.55 0.40 0.35 0.36 0.03 0.34 0.33 15.04 12.67 2.37 5.35 11.72 0.65 1.23 8 GC8 6403.6 蓬莱坝组 中-粗晶干净白云石 3.05 3.17 1.65 0.98 0.71 0.37 0.44 0.34 0.29 0.29 0.03 0.29 0.30 11.91 9.92 1.99 4.98 10.43 0.64 1.35 9 GC8 6071.3 鹰山组 中-粗晶干净白云石 2.28 2.07 1.11 0.70 0.48 0.29 0.32 0.24 0.21 0.21 0.02 0.19 0.21 8.32 6.93 1.40 4.96 12.20 0.72 1.23 10 GC8 6073 鹰山组 中-粗晶脏白云石 1.10 1.03 0.55 0.35 0.30 0.31 0.19 0.13 0.13 0.13 0.01 0.12 0.12 4.47 3.64 0.83 4.39 9.17 1.27 1.25 11 GC8 6073.2 鹰山组 中-粗晶脏白云石 1.29 1.14 0.62 0.47 0.34 0.34 0.19 0.16 0.15 0.14 0.02 0.12 0.12 5.12 4.21 0.91 4.63 10.40 1.28 1.19 12 GC8 6077.2 鹰山组 中-粗晶脏白云石 0.75 0.47 0.34 0.53 0.50 0.72 0.15 0.11 0.10 0.11 0.02 0.11 0.09 3.99 3.30 0.69 4.82 6.77 2.22 0.86 13 GC8 6077.5 鹰山组 中-粗晶脏白云石 0.87 0.80 0.42 0.29 0.24 0.23 0.13 0.11 0.10 0.10 0.01 0.09 0.09 3.47 2.84 0.62 4.55 9.55 1.28 1.24 14 GC8 6077.8 鹰山组 中-粗晶脏白云石 0.99 0.64 0.61 0.82 0.56 0.61 0.19 0.19 0.13 0.12 0.02 0.11 0.12 5.12 4.24 0.87 4.85 8.65 1.64 0.80 15 GC8 6403.6 蓬莱坝组 中-粗晶脏白云石 1.03 0.65 0.54 0.62 0.60 0.64 0.21 0.10 0.10 0.12 0.01 0.10 0.09 4.81 4.08 0.73 5.62 10.75 1.58 0.83 16 GC8 6167 鹰山组 鞍形白云石 1.95 1.86 0.96 0.58 0.41 0.20 0.25 0.20 0.18 0.17 0.02 0.16 0.18 7.13 5.97 1.17 5.11 12.36 0.62 1.28

表 2 古城地区中下奥陶统白云岩稀土元素含量及特征值 Table 2 REE compositions and characteristic values of the Middle-Lower Ordovician dolostone in Gucheng area

所有样品的稀土总量(REE)变化不大，为3.47×10^-6～15.62×10^-6，平均值为7.78×10^-6(表 2)，REE值小于20×10^-6，表明实验结果比较可靠(基本上不受黏土矿物的影响)，且均属于正常海相碳酸盐岩(海相碳酸盐岩REE小于100×10^-6)(胡忠贵等，2009)。不同白云石类型具有不同的REE值，与La_N/Yb_N、LREE/HREE大致呈正相关(图 3)，反映研究区白云石形成过程中轻稀土元素优先富集。

图 3

图 3 古城地区中下奥陶统白云岩LaN/YbN-REE和LREE/HREE-REE相关图 Fig. 3 Plots of LaN/YbN vs. REE and LREE/HREE vs. REE of the Middle-Lower Ordovician dolomite in the Gucheng area

LREE、HREE及LREE/HREE是衡量稀土元素分异程度的重要参数。不同类型的白云岩轻、重稀土富集不同，但总体上LREE、HREE含量基本呈线性关系(图 4)。不同类型的白云岩的LREE/HREE均大于1(为3.1951～5.6654)，表明研究区白云石形成过程中轻稀土元素优先富集。

图 4

图 4 古城地区中下奥陶统白云岩LREE-HREE、δEu-δCe相关图 Fig. 4 Plots of LREE vs. HREE and δEu vs. δCe of the Middle-Lower Ordovician dolomite in the Gucheng area

不同类型白云石的δEu-δCe 分布差异明显，二者相关性不强(图 4):①粉-微晶白云石、粉-细晶他形脏白云石、粉-中晶较自形白云石：0.5＜δEu＜1，0.5＜δCe＜1；②中-粗晶较干净白云石和鞍形白云石：0.5＜δEu＜1，δCe＞1.2；③部分中-粗晶脏白云石：δCe＞1.1，δEu＞1.2；④少量中-粗晶脏白云石：δEu＞1.5，0.7＜δCe＜0.9。δEu、δCe异常特征显示了白云石在白云石化作用过程中，受到了盐度和热液的影响，造成了白云石中的δEu、δCe异常。古城地区白云岩样品的δEu、δCe与REE的相关性较差(图 5)，这可能表明REE受成岩作用影响较小。

图 5

图 5 古城地区中下奥陶统白云岩δEu-REE和δCe-REE相关图 Fig. 5 Plots of δEu vs. REE and δCe vs. REE of the Middle-Lower Ordovician dolomite in the Gucheng area

对研究区各类型样品的REE采用球粒陨石(Boynton，1984)标准化后建立REE配分模式图。从图 6可以看出，除中-粗晶脏白云石外，其他样品的Eu处均出现一个“V”形，即Eu呈负异常；La-Eu段相对于Tb-Lu段稀土曲线较陡、斜率大，表现为略向“右倾”，显示轻稀土略微富集。

图 6

图 6 古城地区中下奥陶统白云岩稀土元素配分模式图 Fig. 6 REE distribution patterns of the Middle-Lower Ordovician Dolomite in the Gucheng area

稀土元素组成分配模式表明粉-微晶白云石为开放体系(图 6)，Ce、Eu的富集与亏损主要取决于含钙造岩矿物的Ce、Eu亏损反映了表生作用的氧化条件，准同生白云石主要形成于潮上蒸发云坪环境。由表 2可知，粉-微晶白云石样品的δEu、δCe均小于1，Ce、Eu亏损比较严重，这可能是因为潮上蒸发作用使水体中盐度变大，Mg/Ca值增高。稀土总量REE为15.62，LREE/HREE为4.67，La_N/Yb_N为6.86，判别为大洋岛弧未切割的岩浆弧背景，在白云石成因分类标准2.89～10.69内，属于准同生期的产物。

由中下奥陶统粉-中晶他形脏白云石稀土元素组成(表 2)及计算结果可以看出：REE为5.63～12.16，平均值为8.45；LREE/HREE为3.84～5.27，平均值为4.79；La_N/Yb_N为4.77～7.11，平均值为6.28；δEu为0.65～0.85，平均值0.73(＜1)，δCe为0.76～0.85，平均值0.80(＜1)。稀土元素组成分配模式表明粉-中晶他形脏白云石为弱开放体系(图 6)，各项指标比粉-微晶白云石稀土元素指标低，这表明粉-中晶他形脏白云石盐度没有蒸发泵背景下的白云石化作用形成的白云石盐度高，海水中Mg/Ca比有增高趋势，为渗透回流成因白云石。

由粉-中晶较自形白云石稀土元素组成(表 2)及分配模式(图 6)及计算结果可以看出，REE为4.29～9.89，平均值为7.09；LREE/HREE为3.20～5.67，平均值为4.43；La_N/Yb_N为3.78～7.30，平均值为5.54；δEu为0.68(＜1)，δCe为0.81(＜1)。粉-中晶较自形白云石的各项指标接近正常，比正常海相灰岩指标高，但低于前两类白云石，亏损与富集不明显，Mg/Ca比降低，表面Ca²⁺富集，造成了亏损不明显，为封闭环境，为浅埋藏环境。

中-粗晶白云石：REE为3.47～15.04，平均值为6.92，LREE/HREE为4.39～5.62，平均值为4.90，La_N/Yb_N为6.771～12.20，平均值为9.96，δEu平均值为1.25(>1)，δCe平均值为1.11(>1)，表明Eu、Ce富集、正异常；La_N/Yb_N平均值为9.96，处于异形构造白云石(6.34～17.41)之间，切割的岩浆弧，分析为与中基性岩浆外来物源有关(表 2)。

鞍形白云石：REE为7.13，LREE/HREE为5.11，La_N/Yb_N为12.36，δEu为0.62(＜1)，δCe为1.27(＞1)，这种鞍形白云石为热液白云石化作用形成，流体与中酸性岩浆来源有关(表 2)。

(1)由研究区白云岩稀土元素地球化学特征可知，不同类型白云石稀土元素配分曲线具有相似性，均为总体平缓、略向右倾，显示轻稀土略微富集，与正常海相碳酸盐岩特征一致，且受成岩作用影响较小。

(2)不同成因类型白云石反映了不用的成岩环境和流体来源，为古城地区以后开展此类研究工作提供了有关基础资料。