鄂尔多斯盆地上三叠统延长组是重要的油气产层(邓秀芹等, 2011), 自上而下可分为长1— 长10共10个油层组, 长7油层组深湖— 半深湖相页岩是盆地主要的烃源岩(杨华和张文正, 2005; 张文正等, 2006, 2008)。依据沉积旋回, 将长7油层组自上而下划分为长7¹、长7²和长7³共3个油层, 其中长7³油层暗色泥岩及高阻泥岩为中生界主要优质烃源岩, 长7²和长7¹油层的浊积砂体是长7油藏的储集层(杨华等, 2010)。渭北地区是油页岩勘探和开发的主要地区, 长7油层组是勘探的主要层位, 主要分布在西起彬县、东至宜君马庄一带(图 1)。

图 1

Fig.1

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	图 1 鄂尔多斯盆地渭北地区野外剖面位置Fig.1 Location of field sections in Weibei area, Ordos Basin

鄂尔多斯盆地渭北地区长7油层组泥页岩中富含方解石和白云石2种类型的碳酸盐结核, 在宜君县套滩、铜川市印台区霸王庄、铜川市何家坊、耀县聂家河、彬县水北沟等剖面均有发育。但由于受构造或剖面出露影响, 长7油层组剖面出露大多不完整或不连续, 只能作为观察点进行局部观测。此外, 由于野外露头小层划分标志不明显, 对于结核的具体层位难以判断。

总体上, 碳酸盐结核在局部层段富集(如彬县水北沟剖面碳酸盐结核相对富集于剖面中段厚层灰色、黄绿色泥页岩中)(图 2), 在富集层段分布又相对较均匀。在纵向上, 优先分布于厚层泥页岩中(图 2; 图 3-B, 3-G)。综合多个剖面来看, 碳酸盐结核主要富集于长7²油层; 横向上, 部分结核所处层位相当, 顺层可发育多个大小和形状都不同的结核(图 3-B)。

图 2

Fig.2

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	图 2 鄂尔多斯盆地水北沟剖面长7油层组柱状图及碳酸盐结核富集段Fig.2 Stratigraphic column of the Chang 7 oil-bearing interval and concretion-rich location in Shuibeigou section of Ordos Basin

图 3

Fig.3

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图 3 鄂尔多斯盆地渭北地区长7油层组碳酸盐结核的宏观特征 A— 泥页岩同一水平层位上发育3个不同形状的结核, 从左至右分别为圆球形、透镜状、顶平底圆弧形的扁平状结核, 下部顶平底圆弧形的扁平状结核发生了旋转, 霸王庄剖面; B— 图A部分区域放大, 扁平状结核发生了旋转, 上覆的泥岩绕过结核沉积, 下伏的泥岩纹层发生了弯曲, 霸王庄剖面; C— 圆锥状方解石结核, 底部呈圆弧状, 向上变为锥状, 高约0.6im, 最宽处0.5im, 尖锥处宽约0.15im, 已脱离原始岩层, 推测尖锥部位向上, 霸王庄剖面; D— 不规则的透镜状白云石结核, 底部呈圆弧状, 顶部表现为折线状, 聂家河剖面; E— 透镜状白云石结核, 聂家河剖面; F— 6个透镜状和不规则薄层状的白云石结核, 聂家河剖面。D— F中的白云岩结核由于风化强烈, 表面呈褐黄色Fig.3 Macro-features of carbonate concretions of the Chang 7 oil-bearing interval in Weibei area, Ordos Basin

研究表明, 以泥岩为主岩的碳酸盐结核优先形成于有机质含量高的沉积物中(Selles-Martinez, 1996), 页岩中碳酸盐结核的空间分布可以反映腐烂有机质的沉积分布(Weeks, 1957; Raiswell and White, 1978; Coleman, 1993)。另外, 均匀分布的结核反映有机质含量高且分布均匀, 成群分布的结核反映生长位置有利或一个结核影响另一个结核的形成, 随机分布的结核反映有机质分布位置是随机的(Raiswell and White, 1978)。长7油层组的烃源岩有机质主要来源于湖生低等生物中的藻类, 有机质丰度高(杨华和张文正, 2005)。渭北地区长7油层组碳酸盐结核常呈较集中分布, 可能与其有机质含量高、结核的形成条件非常有利密切相关。

长7油层组泥页岩中的方解石结核以铜川霸王庄剖面最为发育且形态类型最为丰富, 有圆球形、圆锥状、透镜状、扁圆状等。圆锥状结核底部呈圆弧状, 向上变为锥状(图 3-C); 透镜状结核底部和上部都呈圆弧形(图 3-A); 扁圆状结核多为底部平坦而上部呈圆弧状(见董杰等(2017)的图 3-B, 3-D, 3-E), 但也常见底部圆弧状而顶部平坦状的结核(图 3-A, 3-B)。碳酸盐结核大小差异悬殊, 个体较大的结核宽可达50icm、高可达60icm(图 3-C); 个体较小的扁平状和透镜状方解石结核较为常见(图 3-A), 大多顺层保存在地层中, 偶见透镜状结核发生了旋转(图 3-A, 3-B)。耀县聂家河和彬县水北沟剖面主要发育透镜状(图 3-D, 3-E)或不规则薄层状(图 3-F)白云石结核, 由于风化强烈, 结核表面呈褐黄色; 透镜状结核的顶部有时呈不规则状(图 3-D)。

结核与围岩中层理的变化特征, 是判断结核形成时间及与压实作用关系的重要指标(Selles-Martinez, 1996)。渭北地区长7油层组碳酸盐结核虽然形态多样, 但结核的长轴方向基本上都平行于围岩地层。虽然较大的结核由于油页岩的开采而脱离原来的层位, 但对于现今仍保存于地层中的较小的结核, 它们仍顺层保存于油页岩中, 且未切穿层理, 其上覆页岩层绕过结核沉积, 页岩层在结核上、下弯曲(图 3); 同时, 这些碳酸盐结核中含有的方解石和白云石圆球粒绝大部分都保存完整。可以推测, 这些结核形成的时间较早, 可能为成岩早期的产物, 与董杰等(2017)的认识一致。

铸体薄片鉴定表明, 鄂尔多斯盆地渭北地区长7油层组碳酸盐结核有方解石和白云石结核2种类型, 其中方解石结核又包含球粒方解石和晶粒方解石结核2种类型。

3.1 球粒方解石结核

是由纤维状或刃片状方解石集合体构成的球粒状方解石颗粒再组成的结核, 具有放射状结构, 杨华等(2016)称为“ 次生球粒灰岩” 。具有相似结构的颗粒在多种陆相沉积环境(尤其是盐湖和超碱性湖泊)的碳酸盐沉积中皆可发育, 常被称之为“ 球状方解石颗粒(spherulitic calcite grains)” (Mercedes-Martí n et al., 2016)。因此, 文中将具有这类结构的碳酸盐结核称之为球粒方解石结核。

在球粒方解石结核中, 球粒主要由纤状方解石组成(图 4-A至4-I), 少数由刃片状方解石组成图 4-G至4-I), 具放射状结构。单偏光下, 纤维状和刃片状方解石呈较深的黄褐色(图 4-A, 4-C, 4-E), 但前者局部颜色较浅并在正交偏光下呈十字消光(图 4-E)。球粒间因压实作用而贴面结合(图 4-A, 4-C)或充填粉晶方解石(图 4-A至4-D)。在球粒之间或纤维状方解石周围, 可见粒径为10~20iμ m的白云石或方解石圆球粒(董杰等, 2017)。部分球粒的核部经重结晶后, 形成多晶镶嵌状或巨晶状方解石。

图 4

Fig.4

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图 4 鄂尔多斯盆地霸王庄剖面长7油层组放射状球粒方解石结核的显微特征 A— 方解石球粒部分呈贴面结合, 部分球粒间充填粉晶方解石和有机质, 单偏光; B— A对应的阴极发光特征, 纤维状方解石有桔红色和暗红色2种发光, 表明其生长具有期次性; C— 方解石球粒呈贴面结合, 单偏光; D— C对应的阴极发光特征, 纤维状方解石有桔红色和暗红色2种发光; E— 纤维状方解石具有颜色较深的黄褐色和局部颜色较浅2种颜色, 颜色较浅的方解石具十字消光, 正交偏光; F— E对应的阴极发光特征, 2种颜色的纤维状方解石发光相同; G— 刃片状方解石组成的方解石球粒, 单偏光; H— G对应的阴极发光特征, 刃片状方解石不发光; I— 残余的刃片状方解石, 不发光, 阴极发光照片Fig.4 Micro-features of radioactive calcite concretions of the Chang 7 oil-bearing interval in Bawangzhuang section of Ordos Basin

在阴极发光下, 纤维状方解石发光有所不同, 整体上呈桔红色和暗红色2种光(图 4-B, 4-D, 4-F)。同一方解石球粒外缘的纤维状方解石, 发光也明显不同(图 4-B, 4-D), 反映纤维状方解石球粒具有多期生长。刃片状方解石不发光(图 4-H, 4-I)。在这种情况下, 早、晚期方解石胶结物在结核中的沉淀过程就很清楚, 即早期纤维状和刃片状方解石胶结作用不完全, 结核内部保留的孔隙被晚期粉晶方解石胶结物充填。

3.2 晶粒方解石结核

粉— 细晶方解石结核中, 方解石呈他形、粒状, 晶体表面脏污, 富含有机质包裹体, 粒间含有大量有机质(图 5-A, 5-C, 5-D, 5-F, 5-G, 5-I)。部分方解石晶体含纤维状残余; 部分细晶方解石中保留有放射状球粒的幻影, 放射状圈层部位由沿C轴延伸的长条形方解石组成(图 5-F)。方解石晶体还见于方解石球粒之间(图 4-A; 图 5-G), 或球粒的核心部位(图 5-D, 5-I)。

图 5

Fig.5

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图 5 鄂尔多斯盆地霸王庄剖面长7油层组晶粒方解石结核的显微特征 A— 粉晶方解石结核, 方解石呈粉晶、他形、粒状, 晶体表面脏, 富含有机质包裹体, 粒间富大量有机质, 单偏光; B— A对应的阴极发光特征, 他形方解石主要发暗红色光, 少量方解石晶体中央发亮桔红色光; C— 粉晶方解石, 含纤维状方解石残余, 局部白云石圆球粒富集, 单偏光; D— 粉晶方解石结核, 含较多纤维状方解石残余, 局部方解石呈他形细晶, 单偏光; E— D对应的阴极发光特征, 粉晶方解石整体发桔红色光, 纤维状方解石残余不发光, 细晶方解石整体发暗红色光和局部发桔红色光; F— 细晶方解石结核中保留有放射状球粒的幻影, 放射状圈层部位由沿C轴延伸的长条形方解石组成, 核心由他形、含有机质的细晶方解石组成, 单偏光; G— 纤维状球粒方解石结核, 粉晶方解石充填于纤维状方解石球粒间, 单偏光; H— G对应的阴极发光特征, 纤维状方解石球粒发暗红色光, 粉晶方解石发暗红色和桔红色2种颜色的光, 发桔红色光的粉晶方解石为充填裂缝成因; I— 球粒方解石结核, 球粒的核心由晶粒方解石构成, 单偏光Fig.5 Micro-features of crystalline calcites concretions of the Chang 7 oil-bearing interval in Bawangzhuang section of Ordos Basin

在阴极发光下, 粉晶方解石结核中的他形方解石晶体主要发暗红色光(图 5-B, 5-E, 5-H)。但少量方解石晶体发光不均匀, 部分晶体中央发亮桔红色光(图 5-B), 部分晶体边缘发亮桔红色光。方解石球粒间充填的粉晶方解石晶体发桔红色光(图 4-B)或不发光(图 5-H)。

3.4 裂缝充填碳酸盐矿物

在方解石结核中, 较常见微裂缝及充填微裂缝的方解石和白云石胶结物。这些胶结物常表现为沿两边缝壁垂直生长的纤维状、放射状集合体(图 6-E至6-I), 未完全充满的裂缝中间还会继续充填晶粒状方解石或白云石(图 6-G, 6-H, 6-I)。在阴极发光下, 纤维状方解石发暗红色光(图 6-F)或不发光(图 6-I)。

图 6

Fig.6

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图 6 鄂尔多斯盆地长7油层组白云石结核及裂缝充填碳酸盐矿物的显微特征 A— 泥晶白云石结核, 单偏光, 聂家河剖面; B— 粉晶白云石结核, 沿裂缝壁生长纤柱白云石, 单偏光, 宜君县五里镇剖面; C— B对应的阴极发光特征, 白云石发暗红色光, 沿裂缝壁生长纤柱状白云石发红色光, 宜君县五里镇剖面; D— 粉晶白云石结核, 单偏光, 聂家河剖面; E— 方解石球粒中的裂缝充填纤维状方解石, 单偏光, 铜川霸王庄剖面; F— E对应的阴极发光特征, 方解石球粒中的裂缝充填纤维状方解石发暗红色光, 铜川霸王庄剖面; G— 球粒方解石结核中, 沿裂缝生长的放射状纤状方解石中间充填晶粒方解石, 单偏光, 铜川霸王庄剖面; H— 方解石球粒中的裂缝充填纤维状方解石和晶粒方解石, 单偏光, 铜川霸王庄剖面; I— H对应的阴极发光特征, 沿裂缝生长的放射状纤状白云石发暗红色光, 晶粒方解石发桔红色光, 铜川霸王庄剖面Fig.6 Micro-features of dolomites concretions and filling-cracks carbonates in carbonate concretions of the Chang 7 oil-bearing interval in Ordos Basin

如果碳酸盐结核自形成后经历了埋藏期间的复杂胶结作用, 那么判断这些结核中不同形态自生碳酸盐形成序列的依据包括:自生碳酸盐矿物相的岩石结构(Allison and Pye, 1994)、原始沉积结构的保留(Raiswell and Fisher, 2000)、自生和碎屑物质的结构关系、带状晶体(Raiswell, 1988; Mozley, 1989; Raiswell and Fisher, 2000)、地球化学和同位素特征(Feistner, 1989; Mozley, 1996; Fisher et al., 1998; Lash and Blood, 2004; Hendry et al., 2006; Dale et al., 2014; Loyd et al., 2014)等。某些情况下, 早、晚期碳酸盐胶结物在整个结核中沉淀过程很清楚, 早期胶结作用不完全, 结核内部保留明显的孔隙被晚期胶结物充填(Mozley, 1989; Huggett, 1994)。

虽然有学者认为球粒方解石结核中纤维状方解石是交代成因的, 如加拿大安大略省西南部上泥盆统Kettle Point组黑色页岩中方解石集合体的中心由假亮晶组成, 边缘由纤维状方解石环边组成(Coniglio and Cameron, 1990), 但渭北地区长7油层组碳酸盐结核中由放射状排列的纤维状或刃片状方解石构成的方解石球形多晶体集合体(即方解石球粒)内部缺乏其他沉积物, 方解石球粒之间因压实作用而呈规则的贴面结合(图 4-A至4-H), 表明这些方解石集合体是在沉积物— 孔隙水界面处由于矿物晶体持续生长而成的, 而不是沉积物内部交代而成的。同时, 这些方解石球粒具有多期生长的特征, 表现为组成球粒的纤维状方解石在单偏光下的颜色(图 4-A)和阴极发光下的发光颜色(图 4-B)具有圈层分布的特征, 部分未完全充填的孔隙空间在晚期被有机质和粉晶方解石充填(图 4-A, 4-G)。

长7油层组晶粒方解石结核中, 部分方解石晶体含有机质和纤维状残余包裹体, 且方解石晶体间保留有纤维状方解石(图 5-A至5-E)或刃片状方解石(图 5-F)的残余和球粒方解石结构的幻影, 表明这些方解石晶体可能为交代成因。

长7油层组白云石结核有泥晶和粉晶2种类型。据董杰等(2017)提供的X射线衍射数据, 白云石为含铁白云石或铁白云石。在野外露头上, 几乎所有的白云石结核都显示褐色, 这可能与出露地表后铁的淋滤析出有关。泥晶(1~10iμ m)白云石结核中, 经常出现单一的白云石矿物(如图 6-A)且未见明显的后期改造现象, 此时难以从晶体结构的岩石学特征来推断结核生长的信息。考虑到宏观上未切穿层理, 泥晶白云石可能代表了早期胶结作用。而粉晶白云石结核中, 粉晶白云石晶间往往含有较多泥质, 沿泥质条带或有机质条带发育纤柱状白云石, 因此粉晶白云石可能是早期交代而成, 而纤柱状白云石则为较晚期充填微裂缝而成。

沿裂缝生长的纤维状、放射状、纤柱状集合体, 可能代表了结核形成后在埋藏成岩期间的胶结作用。在球粒方解石结核中, 见球粒呈线接触或贴面结合, 而微裂缝切穿了这些紧密接触的球粒(图 6-E, 6-F), 因此该裂缝的发育时间是在结核经历了较强压实作用之后才形成的。充填裂缝的碳酸盐矿物可能具有期次性, 如部分沿着裂缝未完全充填的空间在后期又充填了晶粒方解石(图 6-G, 6-H, 6-I)。

综上所述, 鄂尔多斯盆地渭北地区长7油层组碳酸盐结核中含有方解石和白云石2种碳酸盐矿物, 它们具有不同的形成期次、成因类型和复杂的胶结作用。为了准确地获得结核的成因, 必须对这些碳酸盐结核进行详细的岩石学观察和分析, 只有代表其早期成因的碳酸盐矿物的特征才能准确地反映结核形成的信息。长7油层组碳酸盐结核中, 球粒方解石、泥晶白云石代表了结核开始形成时的胶结作用, 可以准确地反映结核的成因; 粉晶方解石、粉晶白云石反映了交代成因, 而裂缝中充填的纤维状、放射状、纤柱状方解石和白云石集合体则为结核经历了较强压实作用之后充填裂缝而成。

1)鄂尔多斯盆地南缘渭北地区上三叠统延长组长7油层组油页岩中含有方解石和白云石2种类型的结核, 它们为成岩早期的产物。方解石结核有圆球形、圆锥状、透镜状、扁圆状等多种形态类型, 大小差异悬殊; 白云石结核多呈透镜状和不规则薄层状。结核未切穿层理, 结核中富含的方解石和白云石球粒绝大部分保存完整, 因此结核的形成时间较早。

2)鄂尔多斯盆地渭北地区长7油层组碳酸盐结核中自生碳酸盐矿物特征非常明显。具放射状结构的球粒方解石主要由放射状纤状或刃片状放射状方解石组成, 球粒间充填粉晶方解石或因压实作用而呈贴面结合, 部分纤状方解石发桔红色和暗红色2种光, 刃片状方解石不发光。在粉晶方解石结核中, 方解石呈他形粒状, 富含有机质包裹体或含纤维状残余, 粒间含有大量有机质, 方解石主要发暗红色光, 少量发光不均匀。白云石结核有泥晶白云石和粉晶白云石2种晶体类型, 粉晶白云石结核含有较多泥质, 粉晶白云石发暗红色光, 垂直微裂缝生长的纤柱状白云石晶体发红色光。在方解石结核中, 较常见沿两边缝壁垂直生长的纤维状、放射状方解石和白云石集合体, 其发暗红色光或不发光。

3)鄂尔多斯盆地渭北地区长7油层组碳酸盐结核中含有方解石和白云石2种碳酸盐矿物, 它们具有不同的形成期次、成因类型和复杂的胶结作用。球粒方解石、泥晶白云石代表了结核开始形成时的胶结作用, 可以准确地反映结核的成因; 粉晶方解石、粉晶白云石反映了交代成因, 而裂缝中充填的纤维状、放射状、纤柱状方解石和白云石集合体则为结核经历了较强压实作用之后充填裂缝而成。