潘文静, 王清斌, 刘士磊, 冯冲, 田德瑞. (2017)渤海海域石臼坨地区古近系沙河街组湖相生屑白云岩成因* [J]. 古地理学报, 19(5): 835-848
Pan Wenjing, Wang Qingbin, Liu Shilei, Feng Chong, Tian Derui. (2017)Origin of lacustrine bioclastic dolostone in the Paleogene Shahejie Formation: A case study in Shijiutuo area,Bohai Sea[J]. Journal Of Palaeogeography, 19(5): 835-848.   
DOI:10.7605/gdlxb.2017.05.065
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渤海海域石臼坨地区古近系沙河街组湖相生屑白云岩成因*
潘文静, 王清斌, 刘士磊, 冯冲, 田德瑞
中海石油(中国)有限公司天津分公司渤海石油研究院,天津 300459

第一作者简介 潘文静,女, 1988年生, 2013年毕业于中国地质大学(武汉),硕士,中海石油(中国)有限公司天津分公司工程师,主要从事石油地质学研究。 E-mail: cugfry@163.com。

收稿日期:2016-12-19
基金:国家科技重大专项(编号: 2016ZX05024-003)资助。
摘要

渤海海域石臼坨地区石臼坨凸起东倾末端南北两侧的陡坡带在古近系沙河街组发育多套生屑白云岩,其中南侧生屑白云岩主要发育在沙河街组二段,北侧生屑白云岩集中在沙河街组一段。为了明确该区生屑白云岩的成因,通过古生物、岩石薄片和地球化学等资料对该区生屑白云岩的岩石学、地球化学特征进行较为系统的研究。按照岩石组分特征,研究区生屑白云岩可划分为亮晶生屑白云岩和泥晶生屑白云岩 2种类型。生屑的主要组分腹足类及介形类典型属种分析显示,南北两侧生屑白云岩均形成于浅水湖泊环境。地球化学 Pr/Ph(姥鲛烷 /植烷)参数反映,南侧生屑白云岩形成于氧化环境,北侧以还原性环境为主。碳氧同位素数据反映南侧生屑白云岩形成于低温高盐的封闭湖泊环境,以准同生期的回流渗透成因为主。北侧生屑白云岩的碳氧同位素相对分散,显示为受不同流体介质作用的结果,可以划分出 3种成因类型: 准同生期的回流渗透成因、埋藏期的铁白云石化交代成因和晚期局部受热液作用影响,因此,北侧生屑白云岩是多期次多成因综合作用的结果。该研究成果对开展这类中深层优质储集层预测具有重要意义。

关键词: 渤海海域; 沙河街组; 生屑白云岩; 古环境
中图分类号:P581 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2017)05-0835-14
Origin of lacustrine bioclastic dolostone in the Paleogene Shahejie Formation: A case study in Shijiutuo area,Bohai Sea
Pan Wenjing, Wang Qingbin, Liu Shilei, Feng Chong, Tian Derui
Bohai Oilfield Research Institute,CNOOC Ltd. Tianjin Branch,Tianjin 300459
Fund:[Financially supported by the National Science and Technology Major Project of China(No.2016ZX05024-003)]
Abstract

There are several sets of bioclastic dolostone in the Paleogene Shahejie Formation on the north and south of the eastern margin of Shijiutuo uplift,Shijiutuo area, Bohai Sea. The bioclastic dolostone on the south of the eastern margin of Shijiutuo uplift is mainly developed in the Member 2 of Shahejie Formation,while that on the north is mainly developed in the Member 1 of Shahejie Formation. Based on paleontology,thin sections,geochemical data,the petrological and geochemical characteristic are analyzed for the genetic mechanism of the widely developed bioclastic dolostone in this area. According to the rock composition of the bioclastic dolostone,they can be classified into sparry bioclastic dolostone and micrite bioclastic dolostone. Gastropods and ostracodes in the bioclastic dolostone indicate that the bioclastic dolostone on the north and south of Shijiutuo uplift were formed in shallow lake. Pr/Ph values indicate that the bioclastic dolostone in the south formed in an oxidizing environment,while in the north formed in a reducing environment. The carbon and oxygen isotopic values show that the bioclastic dolostone in the south formed in a closed lake with low-temperature and high-salinity environment,and was the result of seepage-reflux dolomitization during the penecontemporaneous period. The compostion of carbon and oxygen isotopes fluctuate greatly in the north. This indicates the bioclastic dolostone was affected by different fluid media in the north. The process of dolomitization in the north can be divided into three stages: seepage-reflux dolomitization during penecontemporaneous period,the isomorphous replacement during burial diagenesis period and hydrothermal action during the late period. It was the result of multi-stage and multi-genesis in the north. This study is of great significance for similar high-quality reservoir prediction.

Key words: Bohai Sea; Shahejie Formation; bioclastic dolostone; palaeoenvironment

目前世界上已发现的油气藏主要集中在碳酸盐岩地层中(Zenger et al., 1980; Roehl and Choquette, 1985)。相对海相碳酸盐岩而言, 湖相碳酸盐岩研究较少。受湖盆构造升降运动、湖平面变化等因素影响, 湖相碳酸盐岩具有分布范围小、非均质性强、相变快的特点(张建民等, 2010)。近年来, 陆相碳酸盐岩油气勘探获得巨大突破, 中国在准噶尔盆地(Lu et al., 2015; Wu et al., 2016)、四川盆地(张葳等, 2013)、松辽盆地(杨玉芳等, 2010)、苏北盆地(贾承造等, 2012)、柴达木盆地(陈能贵等, 2015)和渤海湾盆地(蒲秀刚等, 2011; 杨有星等, 2012)等国内主要油气产区均钻遇湖相碳酸盐岩地层, 且都表现出良好的勘探潜力, 与深层优质储集层相关的白云岩化作用成为湖相碳酸盐岩研究的热点之一。

渤海湾盆地古近系沙河街组湖相碳酸盐岩普遍发育, 而生屑白云岩是其中重要的油气储集层类型之一。渤海海域古近系沙河街组生屑白云岩中主要的储集空间类型有溶蚀孔、粒间孔和生物体腔孔, 多对应中高孔中高渗储集层(张建民等, 2010; 徐进成等, 2011)。前人针对这套生屑白云岩的成因、沉积特征及储集层特征等开展过大量研究:孙钰等(2008)、陈世悦等(2012)和霍沈君等(2015)认为, 炎热干旱的古气候条件、间歇的海侵、火山活动和热液作用均为湖相生屑白云岩的形成创造了条件; 李家康和李俊英(1999)、徐进成等(2011)及宋章强等(2013)研究认为, 古地貌及构造运动对生屑白云岩中古生物的生长、发育及沉积具有控制作用, 缓坡带及斜坡带为生屑白云岩的有利分布区域。

尽管前人从沉积、构造、古地貌和古气候等宏观角度对生屑白云岩的形成条件进行了深入探讨, 取得了许多重要认识, 但尚存在以下问题: (1)主要沿用海相碳酸盐岩的研究思路, 对湖相生屑白云岩中的重要组分湖相生物碎屑的古环境意义分析较少; (2)对生屑白云岩的白云岩化模式研究较少。文中结合石臼坨地区生屑白云岩分布广、古生物化石含量高且保存完整的有利条件, 通过古生物、岩石薄片、地球化学等资料对该地区沙河街组生屑白云岩的岩石学、地球化学特征进行较为系统的研究, 并对其成因展开探讨。这对开展该区广泛发育的湖相碳酸盐岩与陆源碎屑岩的混合沉积研究具有重要意义。

1 地质背景

石臼坨地区主要指石臼坨凸起及其东倾末端。石臼坨凸起位于渤海湾盆地渤中凹陷以北、秦南凹陷以南(图 1)。在石臼坨凸起东倾末端, 以石北2号断层为边界, 靠近秦南凹陷的一侧为北侧; 以石南1号断层为界, 毗邻渤中凹陷的一侧为南侧。石臼坨凸起南北两侧高差逾400 m。近年来, 在石臼坨凸起东倾末端南侧及北侧边界断裂下降盘断坡带上的Q36构造及Q29构造上均钻遇了一定厚度的湖相生屑白云岩, 其中Q36构造北靠石臼坨凸起、南邻渤中凹陷, Q29构造南依石臼坨凸起、北临秦南生烃凹陷。

图1 渤海海域石臼坨地区构造位置Fig.1 Tectonic location of Shijiutuo area, Bohai Sea

石臼坨凸起东倾末端已经钻遇的地层从上而下包括第四系平原组、新近系明化镇组和馆陶组、古近系东营组和沙河街组、白垩系义县组及二叠系和石炭系。古近系沙河街组可进一步细分为4段, 地层从老到新分别是沙河街组四段、沙河街组三段、沙河街组二段、沙河街组一段(以下分别简称沙四段、沙三段、沙二段和沙一段)。沙四段顶部发育中层泥晶白云岩, 整体以厚层灰色泥岩为主, 局部夹红色泥岩。沙三段为厚层泥岩夹灰质粉砂岩, 局部发育中厚层泥晶白云岩。沙二段和沙一段在凸起的南北两侧岩性有所不同。南侧沙二段为生屑白云岩与白云质砂砾岩及含生屑砂砾岩混合沉积为主, 而北侧沙二段为厚层砂岩与砂砾岩。南侧沙一段发育中厚层泥岩夹薄层粉砂岩, 而北侧沙一段发育生屑白云岩与含生屑白云质砂砾岩混合沉积(图 2)。沙一段、沙二段沉积时期相对平静的构造环境, 为湖相生屑白云岩的形成提供了条件。探井揭示, 石臼坨凸起东倾末端北侧湖相生屑白云岩集中在沙一段, 以Q29构造上的Q4、Q5井为代表; 南侧生屑白云岩集中在沙二段, 以Q36构造上的Q3632井最为典型。这3口探井在生屑白云岩井段均对应较好的油气显示。

石臼坨凸起东倾末段凸起基岩主要以中生界火成岩和石炭系— 二叠系砂砾岩为主, 火成岩成分与研究区南北两侧沙一段、沙二段中陆源火山质碎屑成分相同, 推测火山质物源主要来自凸起区。在沙二段沉积时期, 石南1号边界断层活动基本停止, 其上升盘的隆起幅度不大, 物源有限(倪军娥等, 2013; 于海波等, 2015)。而在沙一段沉积时期, 北侧的石北2号断层活动强度较大, 上升盘的隆起幅度相对较大, 导致北侧沙一段沉积时期受石臼坨凸起东倾末端物源影响较大。

图2 渤海海域石臼坨凸起东倾末段古近系沙河街组综合柱状图Fig.2 Comprehensive column of the Paleogene Shahejie Formation on the eastern margin of Shijiutuo uplift, Bohai Sea

2 岩石学特征
2.1 岩石类型与分布

石臼坨凸起东倾末端南北两侧生屑白云岩具有明显差异。

南侧沙二段发育3套生屑白云岩沉积, 单层厚度达7~10, m。主要由生物碎屑、陆源碎屑和粒屑间亮晶、泥晶白云石组成, 以亮晶生屑白云岩(图 3-a)为主, 泥晶生屑白云岩相对少见。呈现出生屑含量高、陆源碎屑少的特点。生物碎屑主要为介形虫及腹足类化石或碎屑, 杂乱堆积, 镜下局部生屑含量高达80%以上(图 3-b, 3-c, 3-d, 3-e)。生屑白云岩井段实测平均孔隙度约23%, 主要以生屑体腔孔和粒间溶蚀孔(图 3-e, 3-f, 4-a)为主。

北侧沙一段有多套生屑白云岩的薄夹层发育, 厚度均约1, m, 在显微镜下可以细分为泥晶生屑白云岩(图 4-b)和亮晶生屑白云岩(图 4-c)2种类型。岩石主要由生物碎屑、陆源碎屑和分布其间的泥晶方解石、白云石组成, 见大量黄铁矿, 受火山质陆源碎屑影响大。生物碎屑主要为腹足类及介形虫化石, 部分化石壳体被白云石交代, 化石轮廓保存完整, 体腔多已被溶蚀或胶结(图 4-d, 4-e)。岩石孔隙发育较好, 主要见粒间溶蚀孔、粒内孔和生屑体腔孔(图 4-f), 偶见裂缝。生屑白云岩井段实测平均孔隙度约16%。

图3 渤海海域石臼坨地区Q3632井古近系沙河街组生屑白云岩特征
a— 3773.5, m, 亮晶生屑白云岩, 可见腹足类化石壳体轮廓(Bio), 生屑壳体多被溶蚀, 体腔孔保存完好, 单偏光; b— 3850, m, 亮晶生屑白云岩, 腹足类化石壳体(Bio)已经完全白云岩化, 化石为拟黑螺(未定种)Melanoides sp., 壳体中等大小, 呈长锥形, 壳高8.9, mm, 壳宽3.1, mm, 具螺环4~5个, 末螺环高大, 单偏光; c— 3850, m, 亮晶生屑白云岩, 同b, 正交光; d— 3776.2, m, 保存完好的盘螺化石(Bio), 壳体微小, 壳宽约1.6, mm, 平盘形, 由3个螺环所组成, 扫描电镜; e— 3777.7, m, 大量生屑壳体(Ost)堆积, 生屑尺寸变化范围大, 多0.2~2, mm, 保存完好的介形虫壳体生屑体腔孔极发育, 扫描电镜; f— 3773.3, m, 生屑体腔孔, 生屑壳体白云岩化, 白云石(Dol)呈自形菱面体状晶型, 扫描电镜Fig.3 Photos showing lithologic characteristics of bioclastic dolostones from the Paleogene Shahejie Formation in Well Q3632 of Shijiutuo area, Bohai Sea

图4 渤海海域石臼坨地区古近系沙河街组生屑白云岩特征
a— Q3632井, 3777.5, m, 生屑白云岩, 可见大量生屑壳体及生屑铸模孔, 岩心; b— Q5井, 3433.2 m, 泥晶生屑白云岩, 介形虫壳体保存完好, 单偏光; c— Q4井, 3311.5, m, 亮晶生屑白云岩, 见微裂缝发育, 单偏光; d— Q4井, 3400, m, 泥晶生屑白云岩, 腹足类化石保存完整, 被泥晶白云石充填, 单偏光; e— Q2井, 3353.5 m, 亮晶生屑白云岩, 生屑体腔孔发育, 单偏光; f— Q5井, 3383.6, m, 生屑白云岩, 见大量腹足类和介形虫化石, 生屑铸模孔极发育, 岩心Fig.4 Photos showing lithologic characteristics of bioclastic dolostones from the Paleogene Shahejie Formation in Shijiutuo area, Bohai Sea

2.2 生屑特征

对石臼坨凸起东倾末端南北两侧生屑白云岩的生屑含量进行镜下统计发现, 腹足类化石丰度最高, 介形类其次, 双壳类具有一定含量(图 5-a)。此外, 南侧化石丰度整体高于北侧, 但是南北两侧化石主要属种类型差异较大。其中南侧以适宜咸水环境的属种类型如坛状狭口螺(Stenothyra ampulliformis)、豆状狭口螺(Stenothyra fabariformis)(图 5-b)等常见为特征。沙二段沉积时期渤海海域主要以适宜于淡水生活的古生物大量繁盛为特征(刘士磊等, 2012), 而研究区适宜咸水环境化石的发育, 指示南侧沙二段沉积时期可能处于相对封闭的古环境, 导致水体出现咸化现象。而渤海螺属(Bohaispira)、恒河螺属(Gangetia)(图 5-c)等多指示半咸水环境(石油化学工业部石油勘探开发规划研究院, 1978)的腹足类仅在北侧发现, 与前人对渤海湾盆地沙一段的古盐度为微咸— 半咸水的研究认识(杜庆祥等, 2016)相一致。

介形类化石十分繁盛, 坨庄玻璃介(Candona tuozhuangensis)(图 5-d)、惠民小豆介(Phacocypris huiminensis)(图 5-e, 5-f)、腹凹华花介(Chinocythere ventriconcava)(图 5-g)等指示浅水近岸环境的属种类型在南北两侧均常见, 说明研究区生屑白云岩主要发育于浅水湖盆。

综上所述, 研究区南北两侧生屑白云岩均形成于具有一定盐度的浅水湖盆。

图5 渤海海域石臼坨地区古近系沙河街组生屑白云岩中典型化石照片
a— Q5井, 3375.5, m, 从生屑白云岩岩心样品中挑出大量的腹足类化石; b— Q3632井, 3945, m, 豆状狭口螺Stenothyra fabariformis, 背视, 壳体小, 壳高1.5, mm, 壳宽1.3, mm, 圆三角形, 由4个螺环组成, 顶部螺环保存不完整, 螺塔低锥形, 末螺环高, 壳面光滑; c— Q5井, 3355, m, 恒河螺未定种Gangetia sp., 背视, 壳体小, 壳高2.1, mm, 壳宽1.8, mm, 近圆形, 3个螺环组成, 螺塔低, 壳面光滑; d— Q3632井, 3945, m, 坨庄玻璃介Candona tuozhuangensis, 右视, 中等大小, 壳长1.3, mm, 宽0.72, mm, 壳体伸长, 背缘直, 向前倾, 腹缘中凹, 后极端中线之下锐圆, 壳面光滑, 扫描电镜; e— Q5井, 3375.8, m, 惠民小豆介Phacocypris huiminensis, 左视, 壳体小, 壳长0.6, mm, 宽0.28, mm, 肾形, 背缘中部呈拱状凸起, 向两端倾斜, 腹缘中凹, 前端圆, 后端窄圆, 壳面光滑, 扫描电镜; f— Q5井, 3380.5, m, 惠民小豆介Phacocypris huiminensis, 右视, 壳体小, 壳长0.54, mm, 宽0.27, mm, 肾形, 背缘中凸, 腹缘中凹, 后端较前端窄圆, 壳面光滑, 扫描电镜; g— Q3632井, 3765, m, 腹凹华花介Chinocythere ventriconcava, 右视, 壳体小, 壳长0.5, mm, 宽0.25, mm, 近长方形, 背缘直且长, 腹缘中部强烈内凹, 壳面光滑, 扫描电镜Fig.5 Photos showing typical fossils of bioclastic dolostones from the Paleogene Shahejie Formation in Shijiutuo area, Bohai Sea

3 地球化学特征
3.1 Pr/Ph(姥鲛烷/植烷)值特征

姥鲛烷Pr、植烷Ph是生物的叶绿素成分在后期成岩过程中分别经过脱羟基和脱水作用形成的产物, 通常氧化条件下更易脱羟基形成姥鲛烷Pr, 还原条件下易脱水形成植烷Ph, 因此Pr/Ph值在一定程度上能反映地史时期氧化还原条件(Didyk et al., 1978; Large and Gize, 1996; Shalaby et al., 2012)。Didyk等(1978)认为, Pr/Ph值小于0.5为强还原性膏盐沉积环境, 0.5~1.0为还原环境, 1.0~2.0指示弱还原— 弱氧化环境, 大于2为偏氧化性环境。

为了明确研究区南北两侧目的层位氧化还原条件, 对南北两侧3口典型探井沙一段、沙二段的Pr/Ph值进行测试。所有测试样品均为自然晾干的岩屑样品, 采样深度见表1。测试在钻采工程研究院渤海实验中心完成, 运用HP-6890气相色谱仪分析。结果显示:研究区北侧2口探井Pr/Ph值为0.39~0.72, Q4井平均值为0.58、Q5井平均值为0.54, 指示形成于还原环境; 而南侧探井Pr/Ph值为1.04~3.04, 平均值为2.14, 指示形成于氧化环境(表 1)。

表1 渤海海域石臼坨地区古近系沙河街组生屑白云岩Pr/Ph值分析 Table1 Pr/Ph analysis data of bioclastic dolostones from the Paleogene Shahejie Formation in Shijiutuo area, Bohai Sea
3.2 碳氧同位素特征

白云岩的碳氧同位素组成与白云岩化对象的碳、氧同位素组成以及引起白云岩化的流体介质有密切联系, 并对介质的盐度和温度变化反映敏感(Keith and Weber, 1964; Weber et al., 1964)。因此, 白云岩的碳氧同位素数据可以近似地反映其成岩环境, 是判断白云岩成因的常用方法之一。

从南北两侧3口典型探井中选取了18件生屑白云岩的岩心样品进行碳氧同位素测试。首先将采集的岩心样品进行铸体薄片观察, 确定岩石显微组分, 选取未受明显后期成岩作用影响的区域进行标定, 然后再在相应的岩心上微区取样。所有样品均在核工业北京地质研究院通过MAT-253质谱仪采用碳酸盐矿物或岩石中碳、氧同位素组成的磷酸法测试完成, 误差为± 0.005%。

研究区生屑白云岩的碳氧同位素测试结果见表2和图6, 并根据Keith和Weber(1964)提出的古盐度以及古温度计算公式, 分别计算了生屑白云岩的成岩古盐度及古温度。总体上, 石臼坨凸起南侧生屑白云岩的稳定碳氧同位素值十分稳定, δ13CPDB值为3.7‰ ~4.3‰ , 平均值为4.03‰ , 且均为正值; δ18OPDB值为-3.1‰ ~-2.6‰ , 平均值为-2.95‰ , 均为负值。北侧样品稳定碳氧同位素波动较大, δ13CPDB值为-3.3‰ ~1.9‰ , 平均值为-0.59‰ , 其中7个值为负值, 3个正值; δ18OPDB值为-15.2‰ ~-1.1‰ , 平均值为-9.34‰ , 且均为负值。

对于不同的生屑白云岩类型, 样品的碳氧同位素值变化幅度均较大, 没有明显的规律性。而南北两侧的差异性十分明显, 其中北侧生屑白云岩的碳氧同位素普遍低于南侧。这种碳氧同位素区域性的明显分异可能主要是由沉积环境变化以及白云岩化过程的差异性引起的。

前人研究认为, 典型湖相碳酸盐岩的 δ13CPDB值为-2‰ ~6‰ (Kelts and Talbot, 1990; 潘立银等, 2009), δ18OPDB的变化范围为-8‰ ~-4‰ (王大锐, 2000; 袁剑英等, 2015)。对比显示, 研究区南北两侧的碳同位素组成基本符合典型湖相碳酸盐岩特征, 且南侧碳同位素值相对北侧正偏, 但是氧同位素表现出较大的差异性, 北侧的氧同位素值除2个样品在前人研究的典型湖相碳酸盐岩范围内, 样品测试结果整体较典型湖相碳酸盐岩呈明显负偏移, 而南侧氧同位素组成呈明显的正偏移。

通常白云岩中 δ13CPDB富集与生物埋藏速率快和水体盐度两者密切相关(王兵杰等, 2014)。结合石臼坨凸起东倾末端南北两侧生屑白云岩碳氧同位素计算的成岩古盐度显示南北两侧古盐度均值均较高, 且南侧古盐度高于北侧, 此外南侧生屑更发育, 这两者可能是造成南侧碳同位素值相对北侧正偏的重要原因。

南侧生屑白云岩形成于相对封闭的古环境, 水体盐度高、受地表径流影响小, 这可能是造成其 δ 18O 相对典型湖相碳酸盐岩偏高的原因。相对南侧而言, 北侧生屑白云岩沉积环境相对动荡, 且局部受热液影响, 这些均是造成北侧 δ 18O 波动较大且整体相对偏低的重要原因。

表2 渤海海域石臼坨地区古近系沙河街组生屑白云岩碳、氧同位素分析 Table2 Analysis data of carbon and oxygen isotopes in bioclastic dolostones from the Paleogene Shahejie Formation in Shijiutuo area, Bohai Sea

Kelts和Talbot(1990)、伊海生等(2007)对现代湖泊中碳酸盐岩碳氧同位素与湖泊环境相关性的研究表明, 开放型淡水湖泊中碳氧同位素之间相关性弱, 且均为负值, 如以色列的Huleh、瑞士的Greifensee以及美国的Henderson均呈现这样的规律性。而封闭性湖泊的碳同位素多为正值, 且碳氧同位素之间相关性强, 多大于0.7, 如非洲的Natron-magadi和Turkana以及北美的Great Salt Lake。研究区碳氧同位素值投点显示南侧生屑白云岩形成于封闭的咸化湖泊环境(图6)。北侧碳氧同位素值投点相对分散, 分布在第二、三象限(图6)。结合样品数值分布特征, 将北侧碳氧同位素值划分为3个组合(图6):组合1主要分布在第二象限, 其相关系数为0.85, 指示具有一定封闭性的湖泊环境; 组合2主要分布在第三象限, δ 18O值为-11.3‰ ~-7.6‰ , δ 13C值为-1.4‰ ~-0.2‰ , δ 18O和δ 13C均在现代开放型淡水湖泊的碳氧同位素数值变化范围内, 且相关系数为0.64, 指示开放型淡水湖泊环境; 组合3的2个生屑白云岩样品的氧同位素值分别为-15.2‰ 和-14‰ , 明显低于现代开放型淡水湖泊的氧同位素值。贺训云等(2014)研究认为, 受热液影响的 δ 18O 值多小于-10.0‰ , 说明北侧局部生屑白云岩成因可能受热液影响。此外, 通过碳氧同位素计算, 其形成温度为85.25~92.10, ℃, 远高于组合2中生屑白云岩的形成均温(63.75, ℃)。上述3组分异明显的碳氧同位素值组合反映北侧生屑白云岩的成因受不同类型流体介质作用的影响。

图6 渤海海域石臼坨地区古近系沙河街组生屑白云岩碳氧同位素组成与沉积环境(底图据Kelts and Talbot, 1990)Fig.6 Carbon and oxygen isotopic composition of bioclastic dolostones and sedimentary environment of the Paleogene Shahejie Formation in Shijiutuo area, Bohai Sea(base map after Kelts and Talbot, 1990)

4 生屑白云岩成因

结合以上对生屑白云岩岩性、古生物和地球化学特征及其古环境的分析, 认为研究区生屑白云岩南北两侧成因差异较大, 并且生屑白云岩的成因对其储集层物性具有重要影响。

4.1 南侧生屑白云岩成因

通过生屑中的腹足类以及介形类化石生态研究, 结合碳氧同位素分析, 认为南侧生屑白云岩形成于相对封闭的咸化浅水湖盆。而沙二段沉积时期整体相对干热的气候背景加强了水体的蒸发作用, 使水体浓缩, 增大了Mg2+浓度。强蒸发作用使重盐水在密度差的驱动力作用下向湖底沉积物中渗透, 是输送含Mg2+流体的重要途径。

生屑白云岩中含有大量泥晶白云石胶结物, 且形成于封闭的高盐度浅水环境, 结合Mg2+来源, 以及生屑白云岩碳氧同位素指示的矿物形成温度(25.92~28.79, ℃, 平均温度仅27.59, ℃), 推测南侧生屑白云岩为近地表回流渗透作用形成。结合各项实验分析结果, 南侧生屑白云岩的近地表回流渗透作用形成过程可总结如下: 干旱炎热的气候条件导致封闭湖盆的湖水蒸发作用加强、水体盐度增高、Mg2+浓度增加, 在密度流的驱动下, 向湖底沉积物中渗透, 加速了早期在稳定湖盆中形成的碳酸盐沉积物的白云岩化。

地下碳酸盐岩溶蚀量与温度呈反比、与压力呈正比, 且温度效应大于压力效应, 因此浅层低温环境是碳酸盐岩溶孔储集层规模发育的有利条件(余敏等, 2016)。研究证实南侧生屑白云岩较长时间处于浅层低温环境, 这可能是造成研究区南侧生屑白云岩物性较好的重要原因之一。

4.2 北侧生屑白云岩成因

碳氧同位素计算的北侧生屑白云岩的形成温度波动区间较大, 从18.89~92.10, ℃均有分布。结合沉积古地貌以及岩石矿物特征, 对北侧生屑白云岩的形成过程进行恢复, 认为北侧生屑白云岩的形成经历了3个阶段: 早期受回流渗透作用形成泥晶生屑白云岩, 中期形成大量埋藏成因的生屑白云岩, 局部地区晚期可能受到热液作用影响。

图7 渤海海域石臼坨地区Q5井古近系沙河街组一段综合柱状图Fig.7 Comprehensive column of the Member 1 of Paleogene Shahejie Formation of Well Q5 in Shijiutuo area, Bohai Sea

在准同生成岩阶段, 研究区北侧处于半封闭浅水环境, 碳氧同位素计算的成岩温度最低值仅18.89, ℃, 指示低温地表成因。微量元素Sr/Ba值能在一定程度反映古水体盐度变化, 当Sr/Ba值大于1指示海洋环境, 小于1指示陆相沉积, 且Sr/Ba值介于0.6~1之间为半咸水环境(陈洪德等, 2011)。研究区Q5井区微量元素Sr/Ba值指标记录了2次明显的水体咸化过程(图 7), 说明当时可能存在2次高盐度流体侵入。与此同时, 根据碳氧同位素计算的生屑白云岩的成岩水体盐度指数为113.57~130.64, 换算成古盐度为19.55‰ ~33.65‰ (表 2), 均反映水体盐度波动较大。频繁的水体变换一方面带来了新的营养物质, 促进生物大发展, 另一方面携带大量离子, 为多期次的碳酸盐岩的白云岩化提供物质基础, 加快反应进行, 这可能也是造成北侧发育多套薄层生屑白云岩的重要原因之一。

在埋藏成岩阶段, 白云岩化作用一方面表现为在地层流体及较高温压条件下形成新的白云岩, 另一方面是对早期形成的生屑白云岩进行调整和加强白云岩化。埋藏成因白云岩的直接证据体现在以方解石为主要矿物成分的生屑壳体的铁白云岩化(图 8)。

根据碳氧同位素测试结果计算的生屑白云岩成岩温度为50.66~70.26, ℃, 远高于指示近地表成因的南侧生屑白云岩成岩均温(27.59, ℃), 指示其为具有一定埋深的成岩温度。埋藏成因白云岩的Mg2+主要来源于该区广泛发育的玄武质砾石风化作用。玄武岩中MgO含量均值为6.60%~7.71%, FeO为7.95%~8.00%(Manson, 1967; Le Maitre, 1984), 在较高温压的还原性成岩环境下易释放出富含Mg2+、Fe2+的碱性水流体(朱筱敏等, 2016), 为生屑壳体及围岩的铁白云岩化提供了条件。

图8 渤海海域石臼坨地区古近系沙河街组生屑壳体铁白云岩化显微特征
a— Q5井, 3495~3500, m, 亮晶生屑白云岩, 铁白云石胶结粒间孔隙, 正交光; b— Q5井, 3495~3500 m, 钙质生屑壳体被铁白云石交代, 正交光Fig.8 Microscopic characteristics of iron dolomitization of shell bioclastic of the Paleogene Shahejie Formation in Shijiutuo area, Bohai Sea

热液白云岩在北侧分布相对局限, 主要证据体现在Q4及Q5井区部分生屑白云岩的氧同位素强烈负偏。贺训云等(2014)研究认为, 受热液影响的 δ 18O 值多小于-10.0‰ , 而研究区Q4井 δ 18O 值达-15.2‰ ~-14.0‰ , 成岩温度均达到85, ℃以上。同时, 在生屑白云岩发育井段有大量黄铁矿赋存, 而Bajwah等(1987)研究认为, 沉积型黄铁矿Co/Ni值小于1, 热液成因黄铁矿Co/Ni值大于1。Q5井黄铁矿电子探针部分分析数据如表3所示, 可以看出生屑白云岩发育井段3376.17, m处黄铁矿电子探针Co/Ni值均大于1, 指示其为热液成因。

表3 渤海海域石臼坨地区Q5井古近系沙河街组黄铁矿电子探针数据 Table3 Analysis data of electron microprobe in pyrite of the Paleogene Shahejie Formation from Well Q5 in Shijiutuo area, Bohai Sea
5 结论

1)渤海海域石臼坨地区石臼坨凸起东倾末端南北两侧生屑白云岩的类型及形成古环境具有较大差异性。南侧生屑白云岩集中在沙二段, 沉积厚度大, 生屑含量高, 受陆源碎屑影响相对较少, 以亮晶生屑白云岩为主。北侧生屑白云岩多以薄夹层的形式发育于沙一段, 受陆源碎屑影响大, 镜下可以区分出亮晶生屑白云岩与泥晶生屑白云岩2种主要类型。古生物特征显示南北两侧生屑白云岩均形成于具有一定盐度的浅水湖泊环境。此外, Pr/Ph(姥鲛烷/植烷)值特征显示南侧生屑白云岩较长时间处于近地表的氧化环境, 而北侧生屑白云岩主要形成于还原性环境。碳氧同位素特征表明, 南侧生屑白云岩形成于低温高盐的封闭浅湖环境, 北侧生屑白云岩的形成温度及盐度波动较为频繁, 反映其遭受多期流体作用。

2)渤海海域石臼坨地区石臼坨凸起东倾末端南北两侧生屑白云岩的成因机制不尽相同。南侧生屑白云岩以浅埋藏的回流渗透成因为主。北侧生屑白云岩的形成可以划分为准同生期阶段的回流渗透成因阶段和中期埋藏成因阶段, 晚期局部受热液作用影响, 是多期次多成因综合作用的结果。

The authors have declared that no competing interests exist.

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