白音查干凹陷沉积基底为古生界岩浆岩、变质岩, 沉积盖层自下而上为下白垩统、上白垩统以及古近系、新近系, 其中下白垩统厚度最大, 自下而上分为阿尔善组、腾格尔组、都红木组和赛汉塔拉组(图 2)。阿尔善组可进一步分为两段:一段以砂砾岩为主; 二段为泥岩和粉砂质泥岩互层。腾格尔组与下伏阿尔善组呈不整合接触, 岩性主要有泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、泥质白云岩、浅灰色砾状砂岩、含砾不等粒砂岩、细砂岩、粉砂岩和白云质粉砂岩等, 整体呈上粗下细的特征, 横向变化比较大, 由凹陷边缘往凹陷中心沉积物粒度由粗变细, 其中该组的泥质白云岩主要发育于腾格尔组上段的深湖— 半深湖相沉积中。都红木组与下伏腾格尔组呈整合接触, 可分为3段, 为连续沉积, 都红木组一段亦为泥质白云岩主要发育层段, 岩性以浅灰色— 深灰色泥岩、白云质泥岩和泥质白云岩为主, 夹浅灰色粉砂岩、泥质粉砂岩和粉砂质泥岩等, 凹陷边缘发育砾状砂岩; 都红木组二段、三段岩性主要为深灰色、灰色厚层泥岩、页岩夹灰色粉砂岩、泥质粉砂岩。赛汉塔拉组与下伏都红木组不整合接触, 岩性较粗, 以含砾不等粒砂岩为主。

图2

Fig.2

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	图2 白音查干凹陷下白垩统综合柱状图(资料来源于中原油田钻测井资料, 2008)Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of the Lower Cretaceous in Baiyinchagan Sag(from well log data of Zhongyuan Oilfield, 2008)

白音查干凹陷下白垩统代表一个湖侵— 湖退沉积旋回(张福顺, 2003, 2005)。阿尔善组一段沉积时期为开始张裂阶段, 凹陷南部和北部均为冲积扇沉积。阿尔善组二段沉积时期, 由于北部控盆断层沉积速率增大, 南北差异沉降明显, 凹陷南部缓坡发育辫状河三角洲沉积, 北部陡坡发育扇三角洲沉积; 腾格尔组下段沉积时期继承了阿尔善组二段沉积时期的沉积面貌; 腾格尔组上段— 都红木组沉积时期凹陷处于湖侵阶段, 深水区面积扩大, 辫状河三角洲和扇三角洲规模变小, 以湖相沉积为主。赛汉塔拉组沉积时期该凹陷处于湖退阶段, 边界断层活动基本停止, 湖盆水体变浅, 扇三角洲和辫状河三角洲停止发育, 河流相开始发育。

该凹陷下白垩统泥质白云岩与正常沉积形成的泥质白云岩成分有所不同。X衍射分析数据表明, 该泥质白云岩矿物组分以白云石(51.9%~70.9%)、钠长石(5.2%~30.7%)和钾长石(3.7%~18%)为主, 局部还含有较丰富的钠沸石(1.2%~23.7%), 而在正常沉积环境下形成的泥岩中常见的片状黏土矿物含量较少(表 1)。依据扫描电镜能谱分析及显微镜镜下观察, 个别样品中含有重晶石和水镁铁石(表 2)。该套泥质白云岩的这一特殊的物质组分为研究区首次发现。

表1

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表1(Table1)

表1 X射线衍射定量分析的泥质白云岩矿物含量 Table1 Quantitative analysis of mineral contents in muddy dolostone by X-ray diffraction 井名 井深/m 矿物含量/% 黏土矿物 钾长石 斜长石 白云石 菱铁矿 黄铁矿 钠沸石 X3-69井 1767.85 - 7.4 28.3 64.3 - - - 1770.57 - 9.1 16.9 63.9 - - 10.1 1774.84 - 9.1 20.6 70.3 - - - 1776.02 - 18 16.7 51.9 - 13.3 - 1811.66 - 4.5 25.6 69.9 - - - 1815.32 - 11.6 30.7 56.5 - - 1.2 X31井 2012.54 1.8 11.1 14.6 66.5 1.1 - 4.9 2022.42 3.2 9.4 21.4 60.8 - - 5.1 2031.88 - 3.7 5.2 70.9 - - 20.2 2058.24 1.2 10.7 12.2 52.1 - - 23.7 注:泥质白云岩X射线衍射由河南油田分公司石油勘探开发研究院实验中心分析; 仪器型号:D/max2500pc。

表1 X射线衍射定量分析的泥质白云岩矿物含量 Table1 Quantitative analysis of mineral contents in muddy dolostone by X-ray diffraction

表2

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表2(Table2)

表2 白云石及共生矿物的能谱测试分析数据 Table2 Mineral spectrum test analysis data of dolomites and paragenetic minerals 元素和 氧化物类型 矿物序号、类型及含量/% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 钠沸石 铁白云石 钠沸石 水镁铁石 黄铁矿 铁白云石 水镁铁石 钠沸石 重晶石 S - - - - 55.51 - - - - Fe - - - - 44.49 - - - - Na2O 17.41 - 13.76 - - - - 12.91 - MgO - 30.37 - 46.80 - 33.18 51.07 - - Al2O3 28.03 - 29.22 - - - - 28.67 - SiO2 54.56 2.07 57.02 1.11 - - - 58.42 0.90 K2O - - - - - - - - - CaO - 54.45 - 0.57 - 49.15 1.00 - - FeO - 13.11 - 50.30 - 17.05 46.85 - - MnO - - - 1.23 - 0.62 1.09 - - SO3 - - - - - - - - 31.88 BaO - - - - - - - - 67.21 注:表中的矿物序号与下文中照片中数字序号一一对应, 即表中各矿物能谱数据为下文中照片中所标数字处矿物的采集数据; 单矿物元素由中国石油勘探开发研究院石油地质实验研究中心朱德升高级工程师分析, 仪器型号:TESCAN-VEGA\LMU。

表2 白云石及共生矿物的能谱测试分析数据 Table2 Mineral spectrum test analysis data of dolomites and paragenetic minerals

根据扫描电镜能谱分析结果, 并结合矿物的单偏光及正交光特性及X射线衍射分析数据, 确定了各矿物的类型(表 2)及特征。研究区白云石及共生矿物组合主要有3种结构特征:泥晶结构、微晶结构和中— 细晶斑块状结构。

1)泥晶结构。泥晶白云石(含铁或铁质)大小均匀, 晶形较差, 多呈球粒及他形, 与板片状泥级钠长石、少量的黏土矿物混杂沉积(图 5-a), 构成泥质白云岩的基质部分。该基质部分含较多的黄铁矿。

图5

Fig.5

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	图5 白音查干凹陷下白垩统泥质白云岩的镜下特征(Ⅰ )Fig.5 Microscopic characteristics of muddy dolostone of the Lower Cretaceous in Baiyinchagan Sag(Ⅰ )

2)微— 隐晶结构。矿物为微晶白云石(含铁或铁质), 含少量微晶的长石、钠沸石(其中微晶的长石、钠沸石在偏光镜下不易识别, 但扫描电镜能谱分析测试数据显示含有该矿物), 呈纹层状产出(图 5-b, 5-c)。

3)中— 细晶斑块状结构。此结构中的矿物组合类型较多, 主要为钠沸石— 黄铁矿组合(图 6-a), 其次为钠沸石— 铁白云石组合(铁白云石交代钠沸石)(图 5-d), 钠沸石— 水镁铁石— 黄铁矿组合(图 6-b)、铁白云石— 水镁铁石组合(图 6-c)、钠沸石— 重晶石— 黄铁矿组合(图 6-d)较为少见。其中, 钠沸石多呈晶形较好的中— 细晶, 正交光下多为一级灰白, 可见一级浅黄、负低突起、一组解理完全、片状(图 5-d, 6-a, 6-b); 铁白云石多为中— 细晶, 高级白干涉色、两组解理发育、正高突起(图 5-d)。

图6

Fig.6

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	图6 白音查干凹陷下白垩统泥质白云岩的镜下特征(Ⅱ )Fig.6 Microscopic characteristics of muddy dolostone of the Lower Cretaceous in Baiyinchagan Sag(Ⅱ )

白音查干凹陷下白垩统泥质白云岩的许多构造特征与正常沉积岩不同, 主要有以下几种:

1)纹层状构造。可分为两类:第1类由微晶白云石(含铁或铁质)和少量微晶的长石(钠长石、钾长石)、钠沸石组成, 纹层单层厚度多为0.2~0.8, mm, 局部发生同生变形(图 5-c), 并与泥岩、白云质泥岩、有机质构成互层; 第2类的特征为“ 斑块” 在纵剖面上呈定向性分布, 构成纹层和条带状, 纹层厚度数厘米至数十厘米, 显示出沉积韵律特征(图 7-a), 但横剖面上多为1~3, mm大小的“ 斑块” 均匀分布在泥质白云质基质中(图 7-b)。

图7

Fig.7

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	图7 白音查干凹陷下白垩统泥质白云岩的沉积构造特征Fig.7 Sedimentary structure characteristics of muddy dolostone of the Lower Cretaceous in Baiyinchagan Sag

2)热水碎屑结构。内碎屑主要由微— 细晶铁白云石、方沸石、黄铁矿的单矿物或复矿物集合体构成; 这些棱角状内碎屑呈“ 漂浮状” 分布于泥质白云岩中, 颗粒大小不一, 多为0.5~3.5, cm, 最大为5 cm(图 7-c)。

3)星散状构造。其横剖面特征与纹层状构造中的第2类相似, 但在纵剖面上, “ 斑块” 则杂乱的分布于泥质白云岩中(图 7-d)。

4)同生塑性变形。此构造中变形部分的矿物组分与“ 斑块” 矿物组分相似, 主要为钠沸石和铁白云石, 且形似底辟构造, 起伏高度约为0.5~1 cm(图 7-e)。

5)网脉状构造。岩石中的裂缝多数被铁白云石、沸石、钠长石充填(图 7-f), 亦可见黄铁矿脉体, 脉体宽度多为0.5~1, mm, 个别可达3, mm, 产状多为高角度裂缝和垂直缝; 此外还可见到萤石矿物沿岩层面呈蜂窝状充填(图 7-g)。

白音查干凹陷是在早白垩世太平洋构造域俯冲所产生的弧后深部作用及地幔物质快速向上运动过程中形成的, 因此在该阶段, 研究区具有高热流背景, 古地温梯度值为5.24~7.22 ℃/100 m(张振亮等, 2008)。同时, 在二连盆地的洪浩尔舒特凹陷阿尔善组和腾格尔组发育有3套火山岩(主要为安山岩)(路占军等, 2011), 亦进一步说明早白垩世该盆地存在深部的热液活动(火山活动), 也反映出白音查干凹陷除正常沉积外, 可能存在与火山活动相关的热水沉积。

进一步分析表明, 下白垩统阿尔善组— 都红木组一段沉积时期白音查干凹陷处于盆地强裂陷期(管穆兰等, 2005), 该地层中震积岩的发现(岳信东等, 2009)也说明了此阶段处于区域伸展构造背景, 且地震、构造活动较为强烈, 发育一系列NE走向的生长断层。由于存在深部热液的活动, 因此频繁的地震、构造活动产生的断层与同沉积断层可成为热水沉积的通道并控制着热水沉积物的分布。泥质白云岩主要分布于白音查干凹陷桑和次洼北部陡坡带和南部缓坡带靠近湖盆的断裂带处, 与断裂构造方位展布一致(图 4), 说明该套岩性主要受基底中的北东向张性活动断裂控制, 部分的次级断裂也很可能与基底断裂沟通, 从而成为地下热水系统上涌喷流的线型喷流带。

泥质白云岩的物质组分非常特殊, 主要由白云石(铁白云石或含铁白云石为主)、泥级钠长石(钠长石、钾长石)、钠沸石组成, 其次, 还含有重晶石、水镁铁石等非正常沉积成因的矿物, 也表明其属于一类具有特殊成因意义的热水沉积白云岩。

另外, 泥质白云岩的构造特征亦具有不同的成因意义。如纹层状构造的发育可能与湖底热水脉动式喷流及分带性沉积有关。热水碎屑结构成因与热水喷流休眠期的持续增温和增压后, 由内压力突破上覆沉积物和底层水的静水负荷压力, 在造成喷流口热水沸腾爆炸作用的同时, 将喷流口内、外先期沉积的喷流岩震碎, 湍急的喷流将细碎屑携带到距离喷流口较远的宁静热卤水聚积区有关。星散状构造是间断时间很短的脉动性喷流或持续时间较长的喷流形成的。同生塑性变形为热水沉积物分散不均形成的差异性沉积受重力作用影响形成的。网脉状构造中具有网脉状充填在下、层状体在上的空间分带顺序和系统演化关系, 且网脉状矿物与沉积矿物组合类型一致或相近, 被认为是热水沉积作用发生的最典型的标志, 同时脉状充填特征被视为识别指示热水沉积喷流口所在位置的最重要标志之一。以上这些构造特征均可显示该套泥质白云岩为热水喷流沉积(陈先沛, 1988; 陈先沛等, 1992; 方适宜和郑大瑜, 1993; 肖荣阁等, 2001; 郑荣才等, 2003, 2006; 熊永柱等, 2005)。

根据以上泥质白云岩的矿物组分、沉积特征和形成背景, 笔者认为白音查干凹陷下白垩统泥质白云岩的形成可能与火山活动和湖底热液作用有关, 是一种与岩浆作用、深部热液相关的热水沉积白云岩。其形成原因可能是:早白垩世强裂陷期, 地幔隆起, 深部热液不断向上运移、喷流, 由于喷流口附近至喷流口远端存在物理化学条件的变化梯度(是驱动热水扩散的主要驱动力), 从而控制热水矿物结晶分异和岩石类型分带性沉积及各类成因矿物的共生组合(柳益群等, 2010), 在喷流口附近形成白云石(含铁或铁质)、沸石及其他热液成因矿物。当深部热液携带大量的Si^2-、Al³⁺、Na⁺进入湖盆并在喷流口附近与湖水混合, 此时喷流口附近的湖水中可出现大量的SiO₂、Al₂O₃胶体物质, 这两种带相反电荷的胶体可发生中和而聚沉, 由于大量Na⁺的存在和湖水浓度、pH值的增大, 可加速胶体物质的聚沉, 使之形成钠— 铝硅酸盐凝胶(海, 1978; 周建民等, 1995), 在凝聚过程中易捕获其他矿物质, 从而在湖底发生沉淀, 形成絮斑状形态。这可能就是斑块状沸石岩形成的主要机理, 也是斑块中矿物组合类型较多的原因, 同时也为研究区黄铁矿、重晶石等矿物呈捕虏体出现在钠沸石晶体中作出了很好的成因解释。斑块中的大部分沸石矿物晶形都较好, 可能是在后期成岩阶段的适当条件下, 絮斑状的钠— 铝硅酸盐凝胶降低自由能而发生重结晶形成的晶形较好的钠质沸石(周建民等, 1995)。热水来源的Ca²⁺、Mg²⁺、Fe²⁺较活泼, 可作远离喷流口的长距离搬运(郑荣才等, 2003), 并由于与湖水混合及湖相沉积物的加入, 温度快速降低(一般小于2, ℃)(Von Darnm, 2001), 因此在喷流口较远地带, 出现泥质白云岩、白云质泥岩等岩石类型, 甚至在远离喷流口和常温、常压条件下的凹陷边缘浅水区, 呈粉砂岩、砂砾岩的胶结物或夹层出现, 这也很好地解释了白音查干凹陷碎屑岩储集层中大量出现白云石、铁白云石胶结物的现象(许书堂等, 2005)。

1)白音查干凹陷泥质白云岩主要分布于凹陷北部陡坡带和南部缓坡带靠近湖盆的断裂带处, 与断裂构造方位展布一致, 说明凹陷内的同沉积断层为热水上涌喷流的主要通道, 并控制着白云岩沿断裂带的下降盘呈线型展布。

2)白音查干凹陷下白垩统内的泥质白云岩矿物组分以白云石、钠长石、钾长石为主, 并含有较丰富的钠沸石, 黏土矿物含量较少, 局部可见重晶石和水镁铁石; 按白云石及共生矿物组合特征, 可分为泥晶结构、微晶结构、中— 细晶斑状结构, 其中, 中— 细晶斑状结构又可分为5种矿物组合类型; 还发现纹层状构造、热水碎屑结构、星散状构造、同生塑性变形构造、网脉状构造等。上述特征表明, 该区白云岩为不同于正常沉积的热水沉积白云岩。

1)二连盆地白音查干凹陷下白垩统湖相热水白云岩的发现, 为热水沉积岩和湖相白云岩的研究增添了新的内容和领域。镁离子的来源是白云岩形成的重要因素, 热水沉积理论模式很好地解决了这个问题, 但在深部热液上涌喷流至湖盆、并与湖水混合、形成特定的水介质物理化学条件时, 其是否可直接形成原生白云岩?还需要进一步深入研究。

2)该文内容仅仅介绍了白音查干凹陷下白垩统热水沉积白云岩的宏观和微观地质特征, 并提出其热水成因的观点, 如能进一步补充地球化学方面的证据, 包括微量元素、稀土元素、同位素等, 可进一步加强和深入研究此类热水沉积岩的热流体成因、来源和物质组分。

3)在研究区发现以热水沉积物作为主要岩性的缝洞型储集层, 通过压裂试油获得稳产(梁国胜, 2010)。该类储集层虽然岩性粒度很细, 但因其主要由沸石质、白云质矿物组成, 岩性很脆, 极易遭受构造破裂和溶蚀改造, 形成裂缝和溶缝, 裂缝和溶缝沟通岩性中易溶组分(白云石、沸石), 形成裂缝— 溶蚀孔洞型储集层, 但这类储集层的溶蚀特征及分布规律尚不明确, 需要进一步深入研究, 并指导相应的储集层分布预测及勘探。