鄂尔多斯盆地奥陶系白云岩成因及白云岩储层发育特征

鄂尔多斯盆地奥陶系白云岩成因及白云岩储层发育特征包洪平1,2 杨帆1,2 蔡郑红1,2 王前平1,2 武春英1,21.中国石油长庆油田公司2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室摘要：白云岩是鄂尔多斯盆地奥陶系最重要的有效储集岩类，由于岩石结构及产状特征复杂多变，对其成因认识尚存在争议。

为此，综合宏观区域地质背景、微观岩石结构、矿物学及岩石地球化学等分析研究成果，将该区奥陶系白云岩划分为泥—细粉晶、粗粉晶、细（中）晶3种类型，指出其分别形成于“蒸发泵吸准同生云化”“淡水与富镁卤水混合水云化” “回流—渗透云化”3种不同的白云岩化成岩作用环境，并在层位及空间展布上表现出明显的“层控性”及“区位性”分布特征。

进而探讨了白云岩的成因，结果认为：①3种白云岩化作用在时空演化特征上表现出一定的相关性，即均与蒸发背景下的膏盐矿物沉淀有着密切的成因联系；②白云岩中所发育的溶孔、白云石晶间孔及生物格架孔等主要孔隙类型分别形成于3种白云岩类型中，对白云岩类型表现出一定的“专属性”，表明孔隙成因与白云岩化成岩作用环境密切相关；③白云岩有效储层的发育与分布主要受原始沉积相带、大区白云岩化的成岩作用环境、相对海平面变化产生的层序界面等3类要素的控制。

关键词：鄂尔多斯盆地奥陶纪白云岩成因地球化学储集层白云岩分布层控性区位性白云石化作用及白云岩成因长期以来一直是地学界争论的难点问题，因涉及Mg2+来源、白云石化交代作用的热力学、地质背景的稳定性以及成岩流体的循环动力学等诸多复杂问题，而一直未能得到完满的解决，只是形成了各种不同的成因假说，影响较大的主要有萨布哈蒸发泵模式、渗透回流模式、毛细管浓缩模式、地下混合水带模式、区域性深埋藏模式以及热液白云石化模式等[1-2]，对于不同的地区可能各有一定的适应性。

近年来，有关热液作用及微生物对白云岩化的影响受到越来越多的关注[3-5]，尤其是针对现代盐湖环境中白云石自生沉淀物的考察及模拟自然环境的微生物白云石沉淀实验，基本证实了表生条件下的白云石化作用具有一定普遍性[6-8]。

此外，对新近纪海相沉积白云石化的研究，也初步证实了在（近地表）浅埋藏环境下也具备发生规模白云岩化作用的基本条件[9]。

鄂尔多斯盆地奥陶系广泛发育海相碳酸盐岩及蒸发岩沉积层，其中白云岩是最重要的有效储层岩石类型，因而也是该盆地下古生界天然气勘探关注的重点。

由于该区白云岩岩石结构及产状特征复杂多变，对其成因的认识自然也存在各种不同的观点[10-14]。

笔者试图通过对该区奥陶系白云岩结构、地球化学及区域分布规律的分析，结合对白云岩与共生岩类的岩石组合特征及其与层序演化关系的研究，探讨白云岩成因的区域地质背景及可能的成因机理，并为白云岩中有效储层发育与分布规律的认识寻找可能的线索。

1 白云岩类型划分如果暂不考虑残余沉积结构、原始沉积构造等方面的因素，仅就晶粒结构的粗细而言，可将该区奥陶系白云岩划分为泥—细粉晶白云岩、粗粉晶白云岩、细（中）晶白云岩3个主要的结构类型，因其在层位分布及空间展布等方面表现出一定的“规律性”（表1），也便于从宏观地质背景的分析入手，构建各自不同的成因机理模型。

表1 鄂尔多斯盆地主要白云岩的结构产状及分布特征简表主要白云岩类型晶粒大小/μm产状特征共生矿物（假晶）共生组合岩石主要分布层位马五1—马五4，马五8、马五10，马五6的部分层段，马三段、马一段粗粉晶白云岩50～80中厚层偶见石膏假晶石灰岩马五5、马五7、马五9、马五6的部分层段泥—细粉晶白云岩5～30中薄层硬石膏、石盐硬石膏岩、石盐岩细（中）晶白云岩100～300厚层块状较纯白云岩石灰岩马四段（桌子山组）、盆地南缘马六段白云石晶粒细小、粒径多介于5～30 μm，因而一般多保留有较多的原始沉积结构及构造特征（图1-a、1-b）。

白云石自形程度相对偏低、多为半自形—他形晶粒，相互间多呈致密镶嵌结构，因而岩石基质通常较致密、孔隙性较差；此类白云岩在岩石结构上多具微细纹层状构造，部分层段多含有膏盐矿物假晶或铸模孔隙，反映其与蒸发岩类矿物在成因上具有一定的相关性；泥—细粉晶白云岩在横向分布上多与膏岩、盐岩呈横向相变或过渡关系，泥—细粉晶白云岩与膏盐岩在纵向上也常呈互层或夹层状产出的“共生组合”关系，也反映出其与膏岩、盐岩类蒸发岩具有密切的成因联系。

1.2 粗粉晶白云岩白云石晶粒相对偏粗，粒径多在50～80 μm，晶粒大小较均一，白云石自形程度明显偏高、多为自形—半自形晶粒结构（图1-c、1-d），部分层段晶间孔发育，因而可做为有效的晶间孔型白云岩储层；由于受重结晶改造较强，白云石晶粒较粗，原始的沉积构造及结构多保留不全，岩石大多呈较均一的块状构造特征，层理也不显著；部分晶粒结构不均一的层段中也可显示较明显的残余颗粒结构特征。

纵向上常有与泥—细粉晶白云岩呈中厚层状交互层的接触关系，横向上则相变为泥晶灰岩或呈薄夹层状分布于泥晶灰岩中，尤其在下奥陶统马家沟组马五段的马五5小层中，粗粉晶白云岩与石灰岩的这种共生组合关系表现尤为突出。

图1 鄂尔多斯盆地奥陶系不同结构类型白云岩的微观结构特征图此类白云岩即前人所谓的“砂糖状白云岩”。

白云石晶粒明显较粗，粒径多在100～300 μm，晶粒大小均一，白云石自形程度常较高、多为半自形—自形晶粒结构，大部分层段可见分布均匀的白云石晶间孔隙，常发育为较好的晶间孔型白云岩储层（图1-e、1-f）。

这类白云岩多呈厚层块状产出，横向上也与大段厚层的块状石灰岩呈相变接触关系，或呈夹层状分布于厚层石灰岩中，这种共生组合关系在鄂尔多斯盆地的马四段表现最为突出。

纵向上细（中）晶白云岩则与石灰岩或膏盐岩（以及与膏盐岩呈相变关系的泥—细粉晶白云岩等）呈截变接触关系。

2 产状及分布特征2.1 奥陶系总体的区域岩性分布格局图2为横切鄂尔多斯盆地的东西向岩性剖面示意图。

如图2所示，从大的区域岩性分布格局看，鄂尔多斯盆地奥陶系总体上可分为中东部膏盐岩—碳酸盐岩交互区、中央古隆起白云岩分布区、西部石灰岩—白云岩分布区3个大的岩性分区。

图2 鄂尔多斯盆地奥陶纪沉积岩相及白云岩分布剖面图（东西向）2.1.1 中东部地区的膏盐岩—碳酸盐岩交互区中东部地区除东南缘在局地发育奥陶系冶里—亮甲山组的硅质白云岩地层外，整体上表现为蒸发膏盐岩与碳酸盐岩交互的旋回性岩性分布特征。

其中马一段、马三段、马五段主要为蒸发膏盐岩层（向米脂盐洼两侧相变为白云岩）；马二段、马四段、马六段则是石灰岩为主的碳酸盐岩地层为主（马六段因加里东末期以后的风化剥蚀而仅在局部存在少量残留）。

2.1.2 中央古隆起区的白云岩分布区该区奥陶系岩性单一，基本全为白云岩地层，主体为大段厚层的块状白云岩，多为细晶—中晶晶粒结构。

2.1.3 西部地区的石灰岩—白云岩分布区处于中央古隆起以西的盆地西部地区，其奥陶系主要为碳酸盐岩或泥质碳酸盐岩沉积层，主体岩性下部（三道坎组—桌子山组—克里摩里组）以石灰岩和白云岩交互的岩性为主，向上白云岩有明显减少的趋势；上部（乌拉力克组—公乌素组—蛇山组）则以泥质石灰岩、泥灰岩及泥页岩为主，泥质含量向上逐渐增多，主要反映较深水的斜坡相环境的沉积特征，基本未见白云岩地层。

2.2 分层段的白云岩发育及分布特征2.2.1 海退层序旋回中的白云岩发育及分布特征主要形成于大规模海退的蒸发岩形成期。

在鄂尔多斯盆地东部的米脂盐洼区主要发育硬石膏岩、石盐岩等蒸发岩类沉积层；而在邻近中央古隆起的靖边—安边地区则相变为蒸发潮坪环境的白云岩，且多为泥粉晶结构的白云岩，部分白云岩层段中常含有膏云质结核，受后来风化壳期岩溶改造后，可发育为较好的风化壳溶孔型白云岩储层。

靖边地区的马五1+2气层即主要发育在此种类型的白云岩地层中。

2.2.2 短期海侵层序中的白云岩发育及分布特征主要指长期海退背景下次一级的短期海侵层序中发育的白云岩。

以马五段地层中的马五5亚段为例，马五段沉积期整体处于大的蒸发岩旋回的低水位期（即海退旋回中），但其间也伴随有短期海进旋回，马五5亚段沉积期即是夹在其间的一次较重要的短期海侵沉积。

马五5亚段沉积期的岩相古地理格局自东向西呈环带展布的特征，东部处于低洼部位的潮下带沉积环境，主要以石灰岩为主，向西至邻近中央古隆起的沉积区则主要处于相对浅水的台坪沉积环境，逐渐相变为白云岩为主的地层结构，表现出具明显“相控性”的白云岩发育及分布特征。

此种类型的白云岩主要为粗粉晶白云石的晶粒结构，白云石自形度较高，多发育有一定的晶间孔隙，常可作为有效的白云岩晶间孔型储层。

2.2.3 长期海侵层序中的白云岩发育及分布特征此类白云岩主要发育在马四段、马六段等长周期的海侵层序中。

白云岩多呈大段厚层块状产出于纯碳酸盐岩地层中，与纯石灰岩呈共生组合（伴生）关系；岩石结构主体以白云石细晶晶粒结构为主，但也有部分层段晶粒稍粗呈中晶晶粒结构、或晶粒偏细呈粉晶结构。

在分布区位上马四段白云岩主要发育在中央古隆起及邻近地区，马六段（克里摩里组）则主要发育在盆地南缘台缘相带的白云岩化礁滩体地层中。

纵向上此类白云岩则与海退及高位体系域的蒸发膏盐岩及泥粉晶白云岩呈大的旋回性分布特征。

2.3 白云岩地层分布的宏观规律性2.3.1 纵向分布具有显著的层控性在鄂尔多斯盆地奥陶系，白云岩地层具有显著的“层控性”分布的特征，即对于同一地区而言，同样是大套的碳酸盐岩地层，某些层段白云岩化极为强烈，大段地层几乎全部白云岩化，而有些层段却几乎没有什么白云岩化的迹象。

如图3所示，在鄂尔多斯盆地南缘的奥陶系中，马家沟组上部的马六段几乎全为大段的白云岩层段，而紧邻其上的平凉组及背锅山组则全为石灰岩及泥质灰岩、几乎没有白云岩，白云岩化作用似乎对“地质层位”表现出“强烈的选择性”特征。

图3 鄂尔多斯盆地南缘奥陶系对比剖面图（近东西向）2.3.2 横向分布具有明显的区位性鄂尔多斯盆地奥陶系白云岩地层分布的另一特征是其具有明显的“区位性”。

即对于同一层位而言，在同一套碳酸盐岩地层中，某些区域白云岩化强烈，大段地层几乎全部为白云岩，而另一些区域却白云岩化相对较弱，仅局部层段发生白云岩化，大段地层仍以石灰岩为主，白云岩多呈夹层状分布于大套石灰岩地层中、或与石灰岩呈互层状产出，整体表现出较为明显的“区位性”分布的趋势。

以鄂尔多斯盆地中东部地区的马五5亚段为例，其地层厚23～28 m，为一套纯的碳酸盐岩地层，其岩性横向上表现出十分明显的“区位性”分布的特征（图4）。

即在靖边以西地区整体以粉晶结构的白云岩为主，向东至靖边及以东地区则相变为以石灰岩为主，局部夹白云岩薄层。

这种相对较薄的短期海侵层序中白云岩区位性分布的原因可能主要与白云岩化作用受沉积相带的控制及其继承性的影响有关。

3 成因机理探讨通过对该区奥陶系白云岩宏观分布、地质产状及结构特征等方面的综合分析认为，其成因主要受“蒸发泵吸准同生云化”“淡水与富镁卤水混合水云化”“回流—渗透云化”3种白云岩化机理控制，分别对应于该区的“泥—细粉晶白云岩”“粗粉晶白云岩”“细（中）晶白云岩”这3种最主要的白云岩类型。