许杰, 肖笛, 苏文杰, 晏巍, 钟寿康, 杨鸣一, 杨梦颖, 谭秀成. (2022). 鄂尔多斯盆地东缘奥陶系马家沟组四段豹斑状云质灰岩特征及成因: 以关家崖剖面为例* [J]. 古地理学报, 24(2): 261-277.
Xu Jie, Xiao Di, Su Wen-Jie, Yan Wei, Zhong Shou-Kang, Yang Ming-Yi, Yang Meng-Ying, Tan Xiu-Cheng. (2022). Characteristics and genesis of leopard-spotted dolomitic limestone in the Member 4 of Ordovician Majiagou Formation: a case study from Guanjiaya section in eastern margin of Ordos Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 24(2): 261-277.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2022.02.018
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鄂尔多斯盆地东缘奥陶系马家沟组四段豹斑状云质灰岩特征及成因: 以关家崖剖面为例*
许杰1,2, 肖笛1,2, 苏文杰3, 晏巍4, 钟寿康1,2, 杨鸣一5, 杨梦颖1,2, 谭秀成1,2
1 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都 610500
2 中国石油集团碳酸盐岩储层重点实验室西南石油大学研究分室,四川成都 610500
3 中国石油长庆油田分公司第三采气厂,陕西西安 710018
4 中国石油长城钻探录井公司,辽宁盘锦 124000
5 中国石油长庆油田分公司勘探事业部,陕西西安 710018

通讯作者简介 肖笛,男,1989年生,博士,西南石油大学副研究员,主要从事沉积学与储层地质学研究。E-mail: super_xd_mm@126.com。

第一作者简介 许杰,男,1998年生,西南石油大学研究生,主要从事沉积学研究。E-mail: xujie731431@163.com。

收稿日期:2021-08-11 修回日期:2021-10-10
基金资助:*中国石油集团公司上游领域基础性前瞻性项目(编号: 2021DJ0501)资助
摘要

鄂尔多斯盆地东缘中奥陶统马家沟组发育豹斑状云质灰岩,因其分布广泛、成因复杂以及具有重要的油气储集意义而长期受到关注。文中以山西省兴县关家崖剖面马家沟组四段顶部为例,依据宏观、微观岩石学特征,结合碳氧稳定同位素、原位激光剥蚀的微量稀土元素等地球化学分析手段,分析了豹斑状云质灰岩的特征及其成因。研究表明,豹斑状云质灰岩的特征为: ( 1)常发育于(含颗粒)泥晶灰岩中,且向上白云石化程度增强,云质斑块内常伴有针状或板条状石膏假晶;( 2)按产状可大致分为水平、斜交和不规则花斑 3种类型,分别对应于向上变浅序列的下部、中部和上部,序列顶部多见近原地角砾化;( 3)基质灰岩与云质斑块的δ 13C、δ 18O值较同期海水略显负偏,顶部不规则云质斑块负偏程度最大;( 4)“豹斑”与基质灰岩均具有较低的 Mn、 Sr、 Ba等含量和低 Mn/Sr值;( 5)“豹斑”的 ΣREE含量较基质灰岩略低,且皆表现为轻稀土富集、重稀土亏损的稀土配分模式,δ Ce微弱负异常,δ Eu无异常。依据上述结果,推测关家崖剖面马四段豹斑状云质灰岩产状受到生物扰动和高频海平面驱动的早成岩期岩溶耦合控制,序列由下至上耦合改造由弱变强,形成下—中部以岩溶影响较小的水平和斜交虫迹为特征、上部叠合岩溶强改造形成不规则花斑的垂向序列组合;早成岩期的暴露岩溶不仅叠合改造生物潜穴,而且蒸发浓缩的有限重卤水沿叠合优势通道优先交代孔渗条件更好的区域,至埋藏时期白云石化作用进一步加强,从而形成了区内类型多样的豹斑状云质灰岩。研究结果还揭示出沉积期微地貌控制的早成岩期岩溶作用是马四段这类特殊的豹斑状云质灰岩或豹斑状云岩储集层形成的关键,且在很大程度上控制了这类储集层的分布,这一认识可为高频暴露驱动的早成岩期岩溶研究提供新的材料。

关键词: 鄂尔多斯盆地; 高频向上变浅序列; 早成岩期岩溶; 豹斑状云质灰岩; 马家沟组; 关家崖剖面
中图分类号:P618.13 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2022)02-0261-17
Characteristics and genesis of leopard-spotted dolomitic limestone in the Member 4 of Ordovician Majiagou Formation: a case study from Guanjiaya section in eastern margin of Ordos Basin
Xu Jie1,2, Xiao Di1,2, Su Wen-Jie3, Yan Wei4, Zhong Shou-Kang1,2, Yang Ming-Yi5, Yang Meng-Ying1,2, Tan Xiu-Cheng1,2
1 State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China
2 Research Branch of Southwest Petroleum University,Key Laboratory of Carbonate Reservoirs,CNPC,Chengdu 610500, China
3 No.3 Gas Production Plant of Changqing Oilfield Company,PetroChina,Xi’an 710018, China
4 GWDC Mud Logging Company,CNPC,Liaoning Panjin 124010, China
5 Exploration Division,Changqing Oilfield Company of PetroChina,Xi’an 710018, China

About the corresponding author Xiao Di,born in 1989,is an associate researcher at Southwest Petroleum University. He is mainly engaged in sedimentology and reservoir geology. E-mail: super_xd_mm@126.com。

About the first author Xu Jie,born in 1998,is a graduate student at Southwest Petroleum University. He is mainly engaged in sedimentology. E-mail: xujie731431@163.com。

Fund:China National Petroleum Corporation upstream field basic forward-looking project(No.2021DJ0501)
Abstract

The leopard-spotted dolomitic limestone are found in the Middle Ordovician Majiagou Formation in the eastern margin of the Ordos Basin. It has been concerned by sedimentologists and reservoir geologists due to the extensive development,complex genesis,and important reservoir significance. This paper takes the top of the Member 4 of the Majiagou Formation in Guanjiaya Section loacted at Xingxian of Shanxi Province as an example. Based on the macroscopic and microscopic petrological characteristics,the geochemical analysis including the stable carbon and oxygen isotopes and in-situ laser ablation of trace rare earth elements,the characteristics and genesis of leopard porphyritic dolomitic limestone are analyzed. The results show that(1)Leopard-spotted dolomitic limestone often develops in granular-bearing micrite limestone,and the degree of dolomitization is enhanced upward. The needle-like or lath-like gypsum pseudocrystals often develop in dolomitic patches;(2)Leopard-spotted dolomitic limestone can be roughly divided into three types based on orientation of rocks: Horizontal,oblique and irregular variegation,corresponding to the lower,middle and up parts of the upward shallowing sedimentary sequence. The near-situ brecciation is often found at the top of the sedimentary sequence;(3)The δ13C and δ18O of the matrix limestone and dolomitic patches are slightly negatively biased compared with the seawater of the same period,and the top irregular dolomitic patches are the most negatively biased;(4)Leopard spot and matrix in limestone both have low contents of Mn,Sr,Ba and other trace elements,and low Mn/Sr ratio;(5)The total REE content of the leopard spotted part is slightly lower than that of the matrix part of limestone,and the REE distribution pattern is characterized as enriched in LREE and depleted in HREE,with the slight negative δCe anomaly and no δEu anomaly. Comprehensive analysis shows that the occurrence of leopard porphyritic dolomitic limestone in the Member 4 is controlled by the coupling of eogenetic karsts driven by biological disturbance and high-frequency in changes of sea level. The coupling modification is from weak to strong level from bottom to top of the sedimentary sequence. The bottom-middle part of the sequence is characterized by horizontal and oblique insect traces that are less affected by the karst,and the upper superimposed karst is strongly transformed to form a vertical sequence combination of irregular mottling. The exposed karst in the early diagenesis period overlaps and transforms the biological burrows. The evaporative and concentrated heavy brine will preferentially replace the areas with high porosity and permeability along the overlapping dominant channels. The dolomitization during the burial period is further strengthened,thus forming various types of leopard porphyritic dolomitic limestone. The research results also indicate that the eogenetic karstification controlled by the micro-topography during the sedimentary period is the key to the formation of the special leopard porphyritic dolomitic limestone or leopard porphyritic dolomite reservoirs of the Member 4 of Majiagou Formation,and this type of reservoir. This understanding also provides new materials for the study of eogenetic karsts driven by high-frequency of exposure periods.

Key words: Ordos Basin; high-frequency upward shallowing sequence; eogenetic karst; leopard-spotted dolomitic limestone; Majiagou Formation; Guanjiaya section

开放科学(资源服务)标志码(OSID)

豹斑状云质灰岩是一类具有不规则白云质斑块的特殊岩石类型(翟淳, 1961; 陈战杰和张镔, 1991; 陈云峰等, 2007; 龙刚等, 2013; 韩波等, 2017), 岩性以灰质与云质组分不均匀分布组合为特征, 也有学者将其描述为花斑状构造、云斑石灰岩等(冯增昭等, 1989; 钱守荣, 1995; 张天付等, 2018)。豹斑状云质灰岩在世界范围内广泛分布且成因极其复杂, 自20世纪60年代以来受到地质学家们的持续关注, 一直是碳酸盐沉积领域研究的热点。豹斑状灰岩(云岩)的形成机制主要可归纳为4大类, 分别为生物扰动成因(翟淳, 1961; 冯增昭等, 1989; 陈战杰和张镔, 1991; 费安玮和张忠涛, 2002; 陈曦等, 2011; 董小波和牛永斌, 2015; 牛永斌等, 2017, 2018a, 2020)、岩溶成因(李定龙等, 1999; 郝毅等, 2012; Zhong et al., 2019)、构造成因(陈云峰等, 2007)以及机械重力成因(贾振远和马淑媛, 1984), 并以生物钻孔叠加选择性白云石化机制最为流行, 是目前全球主流观点(Gingras et al., 2004; Rameil, 2008; Jin et al., 2012; Baniak et al., 2013; Golab et al., 2017; Tarhan et al., 2018; Niu et al., 2020)。

近年来, 在中国西部三大海相盆地都相继发现了一批与豹斑灰岩(云岩)相关的规模性油气田, 以四川盆地安岳地区龙王庙组的“ 花斑” 状或“ 豹斑” 颗粒云岩特大型整装气藏最为突出(金民东等, 2014)。在鄂尔多斯盆地苏里格气田的中奥陶统马家沟组马五5亚段豹斑状云灰岩储集层中, 也获得了油气勘探发现(宁博等, 2015)。有意义的是, 豹斑状云灰岩在鄂尔多斯盆地所有的寒武系— 奥陶系地层中均有广泛分布, 并在海相碳酸盐岩地层中占有很大比例(贾振远和马淑媛, 1984), 预示着该区域这种特殊岩类储集层具巨大的勘探前景。针对鄂尔多斯盆地马家沟组豹斑状白云石化的成因, 过去主要认为与遗迹化石、生物钻孔经历埋藏期白云石化作用有关(陈曦等, 2011; 王起琮等, 2016; 胡亚洲等, 2019; 刘梦瑶等, 2020), 然而随着勘探的深入发现, 该认识似乎难以有效指导当前的实际勘探, 尤其是难以有效指导有利勘探区带的准确预测。

笔者近期在山西兴县关家崖剖面发现豹斑状云质灰岩产状并非过去认为的单一形态特征, 而是具有多种不同类型, 且垂向组合似乎与向上变浅序列密切相关, 由此认为针对鄂尔多斯盆地这套豹斑状灰岩/云岩的认识还有待进一步深化。鉴于此, 笔者以鄂尔多斯盆地东缘兴县关家崖剖面为例, 在总结前人研究资料基础上, 通过岩石学与地球化学的综合分析, 对马家沟组四段豹斑状云质灰岩及其成因机制进行研究, 并提出相应的演化模式, 以期为今后类似的豹斑状云质灰岩的成因研究以及相关储集层预测提供新的参考与借鉴。

1 地质背景

奥陶纪, 华北地台是一个巨大的碳酸盐岩台地。鄂尔多斯地块(此时期尚未形成盆地, 故称“ 地块” )处于华北地台西部, 发育一套以陆表海碳酸盐岩为主的沉积建造, 其中下奥陶统由冶里组和亮甲山组构成, 中奥陶统为马家沟组, 上奥陶统由平凉组和背锅山组构成(李文厚等, 2012)。中奥陶统马家沟组自下而上分为6段, 马一、三、五段以白云岩和蒸发岩为主, 形成于大规模海退时期, 主要为蒸发台地和局限台地沉积, 而马二、四、六段以灰岩为主, 形成于大规模海侵时期, 主要为开阔台地沉积(冯增昭和鲍志东, 1999)。马四段沉积期, 发生新的大规模海侵, 鄂尔多斯地块东缘马三段沉积时期的云坪面积大为减小, 开阔台地面积扩大, 而兴县及其东缘均为开阔— 半局限台地环境。中奥陶世末, 华北地台因加里东运动整体抬升, 并经历了约130 Ma的风化剥蚀, 导致马家沟组遭受了多期、长时间岩溶改造作用, 上部的马六段和马五段地层受到不同程度的剥蚀, 致使地台主体缺失晚奥陶世— 早石炭世沉积(侯方浩等, 2003)。

关家崖剖面位于山西省吕梁市兴县蔚汾镇关家崖村东侧, 地处兴县东北部山区(图 1-a)。从大地构造角度来看, 研究剖面位于鄂尔多斯盆地东缘的晋西挠褶带(图 1-b)(刘梦瑶等, 2020)。

图 1 鄂尔多斯盆地东缘关家崖剖面位置及中奥陶统马家沟组四段地层柱状示意图和样品采集
a— 关家崖剖面地理位置; b— 鄂尔多斯盆地构造单元划分及关家崖剖面的构造位置; c— 关家崖剖面马四段地层柱状示意图及样品采集位置Fig.1 Location of Guanjiaya section in eastern margin of Ordos Basin and stratigraphic column of the Member 4 of Middle Ordovician Majiagou Formation with sampling sites

关家崖剖面马家沟组四段出露良好, 笔者对该剖面马四段顶部厚约6.65 m的地层进行了实测, 并对其中地质现象较好的区域密集取样。实测剖面底部为厚约1.2 m的深灰色泥晶灰岩, 上覆厚度0.45 m的近原地角砾岩, 中部为具有云斑及虫迹发育的深灰色豹斑状灰岩, 厚达4.8 m, 顶部则为厚0.2 m的薄层土黄色泥质灰岩, 垂向序列整体表现为由泥晶灰岩到含云灰岩再到豹斑状云质灰岩的周期性交替出现(图 1-c)。

2 样品与方法

此次研究的样品取自山西省兴县关家崖剖面马四段顶部。共磨制薄片25件, 并用茜红素+铁氰化钾试剂进行染色。文中分别选取水平状、斜交管状、不规则状豹斑云质灰岩的云化斑块和对应的基质灰岩样品28件, 在西南石油大学碳酸盐岩沉积— 成岩地球化学实验室进行分析。

碳氧同位素测试具体步骤如下: 利用牙钻分别钻取云化斑块及与其对应的灰岩基质1 g/件; 用MAT 253 Plus稳定同位素比质谱仪在温度为24 ℃、湿度为60%的检测环境中, 将装有碳酸盐岩粉末的密封反应瓶用高纯氦气进行排空处理; 注入6~8滴无水磷酸恒温70 ℃反应1 h, 将反应过程中释放出的CO2气体由氦气带入同位素质谱仪进行检测。

微量元素和稀土元素测试采用原位激光剥蚀技术(LA-ICP-MS)。

选取6件样品在西南石油大学碳酸盐岩沉积— 成岩地球化学实验室完成, 测试仪器为电感耦合等离子质谱仪Agilent7800ICP-MS。样品准备工作包括磨制特殊的激光片及充分抛光, 上机测试时用超声波清洗、通风干燥。测试过程中, 激光点大小和频率为80 μ m和10 Hz, 针对云斑和基质灰岩不同组构分别进行激光打点。

3 结果
3.1 岩石学特征

豹斑状云质灰岩是指岩石表面具有暗色与浅色斑块交织共生的石灰岩, 可分为豹斑和基质两部分, 二者在外观上差别明显。野外观察发现, 山西兴县关家崖剖面马四段豹斑状云质灰岩的斑块(白云岩)为浅灰色— 土黄色, 基质(灰岩)为深灰色, 且斑块与基岩之间界限清晰, 表面平滑。在剖面的不同位置, 豹斑的产状形态发育不同, 根据其形貌特征大致分为3种类型: 水平状豹斑、斜交管状豹斑和不规则— 花斑状豹斑。

1)水平状豹斑。多分布于序列的下部。宏观上, 斑块与基质呈水平纹层状韵律(图 2-a), 向上过渡为条带状豹斑(图 2-b)。层面上呈管状或树枝状, 具有典型的水平虫迹特征(图 2-c, 2-d); 斑块较薄, 厚0.3~0.8 cm, 基质灰岩厚0.7~2.6 cm。镜下可见斑块白云石化, 由泥粉晶白云石构成, 部分斑块内部可见介形虫碎片(图 2-f), 基岩为(含生屑)泥晶灰岩。

图 2 鄂尔多斯盆地东缘关家崖剖面中奥陶统马家沟组四段豹斑状云质灰岩中的不同类型豹斑特征
a, b— 水平状豹斑, 基岩为泥晶灰岩; c— 水平斑块, 由泥粉晶白云石构成, 单偏光, GJY-2-2; d— 管状、树枝状斑块(层面); e— 斜交管状豹斑; f— 介形虫碎片, 单偏光, GJY-3-1; g— 云质斑块与基质泥晶灰岩, 单偏光, GJY-3-2; h— 灰质粉晶云岩斑块与含云质泥晶灰岩基质, 单偏光, GJY-3-3; i— 斑块内部为半自形粉晶白云石, 单偏光, GJY-3-3Fig.2 Characteristics of different types of Leopard spots in leopard-spotted dolomitic limestones of the Member 4 of Middle Ordovician Majiagou Formation at Guanjiaya section in eastern margin of Ordos Basin

2)斜交管状豹斑。多发育于序列中部, 与其下水平状豹斑渐变过渡。横切面上豹斑呈管状、树枝状斜交层面, 且向序列上部斜交角度增大。豹斑与基质界线清晰、圆滑(图 2-e), 斑块宽度为0.4~1.5 cm, 长1.5~8cm。基质为泥晶灰岩或含云质泥晶灰岩(图 2-g, 2-h)。管状云斑主要由半自形粉晶白云石构成, 多具镶嵌结构, 可见残余灰质(图 2-i)。

3)不规则— 花斑状豹斑。常分布在序列上部和顶部。斑块呈杂乱无序网状, 分布密度较下部更大(图 3-a), 且常因斑块切割而呈现角砾化特征, 序列顶部为凹凸不平的岩性突变面(图 3-b、图 3-c)。斑块与基质呈渐变或突变接触(图 3-d, 3-f), 边界不圆滑。云斑内部组构更趋复杂, 常由灰质砂、砾、半自形— 自形粉晶白云石及灰质交代残余构成(图 3-d, 3-e)。斑块和基质中皆可见少量石膏假晶(图 3-f)。

图 3 鄂尔多斯盆地东缘关家崖剖面中奥陶统马家沟组四段豹斑状云质灰岩中的不规则— 花斑状豹斑特征
a— 不规则— 花斑状斑块, 具有边界扩溶与角砾化特征; b— 序列顶部的岩性突变面; c— 斑块交叉切割与角砾化; d— 网状斑块与角砾化, 斑块由灰质砂砾和粉晶白云石构成, 图a局部镜下照片; e— 斑块内的半自形— 自形粉晶白云石与交代的残余灰质; f— 斑块与基质渐变过渡, 见方解石交代形成的石膏假晶Fig.3 Characteristics of irregular-pigmented leopard spots in leopard-spotted dolomitic limestones of the Member 4 of Middle Ordovician Majiagou Formation at Guanjiaya section in eastern margin of Ordos Basin

3.2 垂向序列特征

基于对研究剖面岩石宏观特征精细观察与描述, 结合薄片分析, 发现关家崖剖面马四段顶部以多个向上变浅序列的高频叠置为特征(图 4)。

图 4 鄂尔多斯盆地东缘关家崖剖面中奥陶统马家沟组四段的向上变浅垂向序列特征
照片中的地质现象: a— 向上变浅沉积序列1; b— a图局部放大, 可见近原地角砾化; c— 向上变浅沉积序列2; d— c图局部放大, 可见虫迹与溶沟叠合斑块; e— c图局部放大, 可见微超覆特征Fig.4 Characteristics of upward shallow vertical sequence of the Member 4 of Middle Ordovician Majiagou Formation at Guanjiaya section in eastern margin of Ordos Basin

序列1(图 4-a)的特征为:底部为水平薄纹层层状豹斑灰岩(图 2-a), 与下伏的近原地角砾岩(图 4-b)构成不平整岩性突变面, 界面之上的水平纹层状豹斑灰岩具有向微地貌高地超覆特征(图 2-b); 中上部为斜交的、边界平滑的虫迹含生屑云质灰岩(图 2-e); 上部云斑密度增加, 演变为不规则— 花斑状豹斑云质灰岩(图 3-a)。

序列2(图 4-c)的特征为:底部与序列1顶部呈突变接触; 中部主要由水平条带状云斑与斜交垂直云斑交叉混合的云质灰岩构成(图 3-b); 上部为不规则豹斑状云质泥晶灰岩, 暗色斑块为深灰色泥晶灰岩, 浅色斑块为土黄色渗流物、角砾和砂混合充填(图 4-d); 顶部的不平整界面上覆后期发育的初始海泛沉积的土黄色泥质灰岩, 并具有典型的微超覆特征(图 4-e)。

3.3 地球化学特征

3.3.1 碳、氧同位素特征

对不同类型豹斑及基质灰岩碳氧同位素的测试(图 5; 表 1)表明: (1)水平型豹斑状云质灰岩中云斑的δ 13C(VPDB, 下同)值为-1.64‰ ~-0.82‰ (平均值-1.23‰ ), δ 18O(VPDB, 下同)值为-9.34‰ ~-8.80‰ (平均值-9.12‰ ); (2)斜交管状型豹斑状云质灰岩中云斑的δ 13C值为-1.36‰ ~-0.43‰ (平均值-0.89‰ ), δ 18O值为-9.08‰ ~-8.30‰ (平均值-8.68‰ ); (3)不规则— 花斑型豹斑状云质灰岩中云斑的δ 13C值为-2.22‰ ~-0.61‰ (平均值-1.59‰ ), δ 18O值为-10.09‰ ~-8.75‰ (平均值-9.53‰ ); (4)基质灰岩中的δ 13C值为-2.01‰ ~-0.58‰ (平均值-1.26‰ ), δ 18O值为-10.09‰ ~-8.54‰ (平均值-9.05‰ )。此外, 从纵向上的向上变浅序列可以看出, 豹斑与基质灰岩的碳、氧同位素在剖面垂向上的协同变化具有一定的旋回规律, 且在序列顶部的一定范围内, δ 13C与 δ 18O 的值均呈现出微跳跃式的变化, 常表现为一定程度的负偏, 豹斑的负偏程度较基质灰岩更强, 随着自上而下距向上变浅序列顶界越远, 其负偏程度逐渐减弱(图 4)。

图 5 鄂尔多斯盆地东缘关家崖剖面中奥陶统马家沟组四段不同类型豹斑与基质灰岩的碳氧稳定同位素分布Fig.5 Carbon and oxygen isotope distribution in different types of leopard spot and matrix limestone of the Member 4 of Middle Ordovician Majiagou Formation at Guanjiaya section in eastern margin of Ordos Basin

表 1 鄂尔多斯盆地东缘关家崖剖面中奥陶统马家沟组四段不同类型豹斑与基质灰岩的碳氧稳定同位素测试结果 Table1 Test results of carbon and oxygen stable isotopes in different types of leopard spot and matrix limestone of the Member 4 of

3.3.2 微量元素和稀土元素特征

针对不同组构的微量元素, 本次重点分析了Mn、Sr、Ba元素(图 6; 表 2)。测试结果表明: 水平状豹斑具有最低的Mn含量(平均值15.64 μ g/g), Mn/Sr值最低(平均值0.15), 这与基质灰岩相同; 斜交管状豹斑的Mn含量比水平状豹斑更高(平均值27.95 μ g/g), 具有最高的Sr含量(平均值152.30 μ g/g)和较低的Mn/Sr值(平均值0.19); 不规则— 花斑状豹斑的Mn含量最高(平均值41.10 μ g/g), Sr含量最低(平均值82.05 μ g/g), 因而Mn/Sr值最高(平均值0.53)。所有组构的Ba含量都比较低, 分布范围在1.68~7.96 μ g/g之间, Sr/Ba值远大于1(平均值29.82), 其中不规则— 花斑状豹斑Sr/Ba值最低(平均值24.75)。

图 6 鄂尔多斯盆地东缘关家崖剖面中奥陶统马家沟组四段不同类型豹斑与基质灰岩的Sr、Mn分布Fig.6 Distribution of Sr and Mn in different types of leopard spot and matrix limestone of the Member 4 of Middle Ordovician Majiagou Formation at Guanjiaya section in eastern margin of Ordos Basin

表 2 鄂尔多斯盆地东缘关家崖剖面中奥陶统马家沟组四段豹斑状云质灰岩原位激光测试结果 Table2 In-situ laser test results of leopard-spot dolomitic limestone of the Member 4 of Middle Ordovician Majiagou Formation at Guanjiaya section in eastern margin of Ordos Basin 单位: μ g/g

稀土元素分析(图 7; 表 2)表明, 水平状豹斑、斜交管状豹斑、不规则— 花斑状豹斑与基质灰岩具有相似的REE+Y配分特征, 都整体表现为LREE(La, Ce, Pr, Nd)略微富集、HREE(Ho, Er, Tm, Yb, Lu)亏损的右倾型配分模式。其中, 基质灰岩稀土元素含量较其他3类豹斑更高, 因而具有最高的Σ REE+Y含量(平均值15.956 μ g/g), 不规则— 花斑状豹斑的Σ REE+Y含量最低(平均值6.081 μ g/g)。对于δ Ce值, 不规则— 花斑状豹斑的值最低(平均值0.77), 其他2类豹斑的值相对较高, 范围在0.91~0.99之间, 基质灰岩最高(平均值0.97)。对于δ Eu值, 不规则— 花斑状豹斑的值最高, 范围在0.95~1.07之间, 其他2类豹斑和基质灰岩的值都普遍小于1。对于δ Pr的值, 除1个样品外, 其他所有样品的值均略微大于1, 平均值为1.05。

图 7 鄂尔多斯盆地东缘关家崖剖面中奥陶统马家沟组四段不同类型豹斑与基质灰岩的PAAS标准化REE+Y配分模式Fig.7 REE+Y distribution pattern of PAAS standardization of different types of leopard spot and matrix limestone of the Member 4 of Middle Ordovician Majiagou Formation at Guanjiaya section in eastern margin of Ordos Basin

4 讨论
4.1 早成岩期岩溶作用

早成岩期岩溶作用通常是指成岩早期的沉积物在海退和向上变浅沉积旋回中, 由于相对海平面的周期性短暂下降而出露海面并遭受淡水淋溶改造的早期暴露岩溶(陈景山等, 2007; 王振宇等, 2008; 芦飞凡等, 2020)。该过程往往自一个序列顶部暴露开始, 直至下一序列初始海泛结束(谭秀成等, 2015; Xiao et al., 2016)。

野外露头剖面资料显示, 在研究剖面向上变浅序列的顶部常发育多期次不平整岩性突变面。岩性界面之上的充填地层具有典型的地层微地貌向上渐次超覆特征, 沉积有下一次高频初始海侵沉积的土黄色泥质灰岩(图 8-a, 8-d)。岩性界面之下可见溶沟、溶缝等岩溶组构多垂直于层面, 延伸方向不定并相互交叉切割, 形成不规则— 花斑状豹斑(图 3-b, 8-b), 且不规则— 花斑状豹斑内部被少量白云石渗流粉砂、岩溶角砾和后期初始海侵沉积物混合充填(图 8-e)。此外, 序列顶部常具有近原地角砾化特征, 发育示顶底构造(图 8-c, 8-f)。上述岩石学证据表明, 多期次的岩性突变面即为高频暴露面(Xiong et al., 2019; 李明隆等, 2020), 说明马四段顶部可能存在多期次的大气淡水淋滤溶蚀作用, 也揭示出研究剖面向上变浅序列顶部可能遭受由高频海平面升降驱动的早成岩期暴露岩溶影响。

图 8 鄂尔多斯盆地东缘关家崖剖面中奥陶统马家沟组四段早成岩期岩溶作用的岩石学证据
a— 土黄色泥质灰岩渐次向岩溶地貌高地上超; b— 暴露面之下花斑状岩溶系统, 溶沟、溶缝垂直层面发育; c— 近原地角砾, 序列顶部; d— 图a局部放大特征, 岩性突变面, 上为泥质灰岩, 下为云质灰岩; e— 图c局部微观特征, 斑块岩溶系统内充填大量岩溶角砾、渗流粉砂及不溶残余物, 单偏光, X02-5; f— 云质灰岩, 发育示顶底构造, 单偏光, X02-4Fig.8 Petrological evidence of eogenetic karst in the Member 4 of Middle Ordovician Majiagou Formation at Guanjiaya section in eastern margin of Ordos Basin

地球化学测试结果与上述岩石学特征吻合较好。在蒸发过程中, 由于较轻的 16O 优先进入大气循环当中, 因而大气淡水中的 18O 存在明显偏轻的特征; 而暴露环境中参与到地上旋回的淡水往往会溶解大量的腐殖质, 继而造成有机碳和无机碳同时偏轻, 也就是说大气淡水常会导致δ 13C和 δ 18O 值减小(Nicolaides, 1997; Kirmaci and Akdag, 2005)。研究层段的同位素地球化学数据显示, 在靠近或位于暴露面之下的一定范围内, 样品的δ 13C值与 δ 18O 值均呈现出微跳跃式变化, 表现为一定程度的负偏(图 4), 且自上而下随着与高频暴露面(向上变浅序列顶部)距离的增加, 其负偏程度逐渐减弱, 这与单旋回内自上而下岩溶发育程度总体表现为逐渐变弱的特征(谢康等, 2020)相类似。上述距离暴露面越近受到的大气淡水淋滤和岩溶改造作用越强的特征, 也从序列特征上印证了具有此类特征的岩溶与高频暴露驱动的早成岩期岩溶作用密切相关。此外, 与同时期海水碳、氧同位素(Shields et al., 2003)相比, 基质灰岩、水平状豹斑、斜交管状豹斑、不规则— 花斑状豹斑的碳氧同位素均呈现一定的负偏, 其中序列顶部的不规则— 花斑状豹斑的负偏程度最大(图 5), 这说明高频向上变浅序列顶部受到了暴露和大气淡水岩溶叠合影响形成花斑状溶蚀系统, 而序列中、下部受早成岩期岩溶改造相对较弱, 因此保存了生物扰动或潜穴等组构的原始形态(图 2-e)。

4.2 白云石化作用

关家崖剖面马家沟组四段豹斑状云质灰岩以发育(云斑)豹斑构造为特征, 含生屑泥晶灰岩中普遍发育由生物潜穴叠合岩溶改造而成的豹斑。豹斑主要为黄色— 土黄色, 斑块中的白云石多以泥粉晶为主。

生物潜穴的形态主要取决于水动力、水体含氧量、沉积物营养水平、生物类型等条件(董小波和牛永斌, 2015; Tarhan, 2018)。一般来说, 当沉积水体能量较弱或者沉积物内营养物质丰富时, 潜穴形状一般为近水平条带状分布, 而当沉积水体能量较强时, 生物会被迫往深处钻孔, 故潜穴形状会出现倾斜交叉甚至垂直分布的特征(陈战杰和张镔, 1991)。关家崖剖面马四段沉积序列顶部潜穴形态多呈网状、垂直管和高角度斜交潜穴管空间链接的结果, 横向连续性较好(图 2-e; 图 3-b), 与Thalassinoides类遗迹组构相似。此类遗迹组构是一种居住和进食的潜穴, 常产出于滨海潮间带附近, 代表水体能量相对较高的潮间带或台坪等沉积环境(牛永斌等, 2018b), 表明向上沉积水体能量有所增强。结合高频向上变浅的序列岩性组合来看, 在垂向上呈现出从水平状豹斑灰岩→ 斜交虫迹含生屑泥晶灰岩→ 不规则状豹斑云质灰岩的变化及向上白云石化程度逐渐增强的成岩序列(图 4), 且云质豹斑往往与板条状或针状石膏伴生(图 3-f), 推测沉积水体向上变浅至暴露, 环境逐渐封隔浓缩和受限咸化, 白云石化作用可能发生在准同生近暴露同期。

地球化学测试结果较好地印证了上述推测。3类豹斑与基质灰岩的δ 13C值均大致分布在同期海水(Shields et al., 2003)范围内, 说明豹斑中的白云石化成因可能与海水相关; 同时, 3类豹斑的δ 13C值和 δ 18O 值较同期海水略显负偏(图 5), 自上而下距向上变浅序列顶界越远, 其负偏程度逐渐减弱(图 4), 表明白云石的形成过程可能受到大气淡水与海水的混合影响。碳酸盐岩的Mn/Sr值可指示成岩作用的改造强度, 且认为该值大于2时, 样品便受到较强烈的成岩作用, 而白云岩稀土含量受母岩、白云石化流体等因素的影响(Banner et al., 1988)。微量元素、稀土元素测试结果显示, 关家崖剖面马四段豹斑状云质灰岩中的豹斑部分总体继承了基质灰岩的REE+Y配分模式(图 7), 即稀土配分模式均为轻稀土富集、重稀土亏损的右倾型; 3类豹斑与基质灰岩的Mn/Sr值(平均值0.25)均远小于2, 说明豹斑与基质灰岩受到的成岩改造作用并不强烈, 白云石化流体更多地保留了原始海水的信息(Xiao et al., 2020)。Sr/Ba值可以反映古盐度变化(Zhang et al., 2016; Xiong et al., 2021), 而所有样品的Sr/Ba值(平均值29.82)均远大于1, 由此反映了高度咸化条件下的局限沉积环境, 这被岩石中存在硬石膏假晶所印证(图 3-f)。此外, 豹斑与基质灰岩的δ Eu异常不明显(表 2), Ba含量(平均值4.40 μ g/g)低于20 μ g/g, 且研究区内并无其他热液特征响应, 说明未受热液影响。另一方面, 为了避免La异常富集对Ce异常响应可能造成的影响, 通过δ Ce与δ Pr相结合对Ce异常进行了判别(Bau and Dulski, 1996)。

在δ Ce和δ Pr的交会图(图 9)中, 3类豹斑与基质灰岩的样品点总体落在δ Ce< 1和δ Pr> 1的区域内, 不规则豹斑的δ Ce(平均值0.77)值最低、以及δ Pr(平均值1.15)均大于其他2类豹斑与基质灰岩, 表明序列顶部氧化程度更强, 而在氧化水体中, 可溶Ce3+会被氧化成不溶于水的Ce4+, 会优先进入到有机质或黏土颗粒中, 使沉积水体中出现Ce亏损, 这说明白云石形成于氧化环境(Bau and Dulski, 1996)。从水平状豹斑到斜交管状豹斑再到不规则— 花斑状豹斑, 稀土含量Σ REE+Y呈逐渐减少的趋势, 其中不规则花斑状豹斑具有最高Mn/Sr值(平均值0.52)(图 6)和最低稀土含量Σ REE+Y(平均值6.081 μ g/g), 以及LREE富集、HREE亏损等特征(图 7), 暗示了序列顶部白云石化过程可能伴随大气淡水的影响更强(Nothdurft et al., 2004; Webb et al., 2009), 从而使得矿物晶格中HREE更容易和碳酸根结合, 并从白云石晶格中流出而进入活动流体中, 在沉积物中表现出HREE亏损(胡文瑄等, 2010)、Σ REE+Y减少的现象。

图 9 鄂尔多斯盆地东缘关家崖剖面中奥陶统马家沟组四段不同类型豹斑与基质灰岩的δ Ce和δ Pr关系Fig.9 δ Ce and δ Pr relationship of different types of leopard spot and matrix limestone of the Member 4 of Middle Ordovician Majiagou Formation at Guanjiaya section in eastern margin of Ordos Basin

对于鄂尔多斯盆地类似的豹斑状灰岩的白云石化成因, 前人更多地认为其主要形成于埋藏阶段, 是富Mg2+海水渗入生物钻孔后渗透回流的结果(陈曦等, 2011; 王起琮等, 2016; 刘梦瑶等, 2020)。然而上述分析表明, 关家崖剖面马四段豹斑状云质灰岩中的白云石化过程极有可能发生在一个含氧量较高的近地表蒸发环境中, 白云石化时间可能为准同生期暴露溶蚀之后或近同期, 白云石化作用受到早期具有氧化性质大气水流体与海源流体的混合影响, 但白云石化流体主要来自于前期储存于孔隙中的海源流体被蒸发浓缩后形成的大量富Mg2+卤水。潜穴、岩溶叠合改造系统为富Mg2+流体提供了优势通道, 因此优先交代孔渗较好的区域。而后, 由于成岩作用过程中埋藏作用增强所带来的还原— 高温环境, 可能促进含泥云斑内的泥质进一步溶解, 释放出部分Mg2+, 导致成岩流体Mg2+浓度增加, 同时重结晶等作用调整白云石内部晶格结构, 白云石晶粒增大, 白云石化作用进一步加强。

4.3 豹斑成因及模式

如前所述, 关家崖剖面马四段豹斑状云质灰岩产状受生物扰动(或潜穴)和高频海平面升降驱动的早成岩期岩溶耦合控制, 向上变浅序列由下至上耦合改造由弱变强, 形成了下— 中部以岩溶影响较小的水平和斜交管状豹斑为特征、上部叠合岩溶强改造形成不规则— 花斑状豹斑的垂向序列组合。结合岩石学证据及地球化学特征分析, 建立了针对关家崖剖面马家沟组四段豹斑状云质灰岩的成因演化模式(图10)。

在海平面上升阶段, 澙湖中位于浪基面之下的低能环境以发育灰泥沉积物为主, 此时沉积物尚未完全固结, 造迹生物在水动力较弱的环境下进行水平潜穴的挖掘, 潜穴形态近水平状发育(图 10-a)。接着, 海平面下降, 沉积物处于浪基面附近, 沉积水体能量加强, 造迹生物被迫往更深处且富含营养物质的地方挖掘, 从而形成斜交、高角度的虫迹斑块(图 10-b)。之后, 海平面持续下降到最低位, 沉积物暴露于地表, 受到早成岩期大气淡水的岩溶改造, 且早期生物扰动和潜穴充填物具有较基质灰岩相对更高的孔渗, 可作为暴露岩溶期大气淡水的优势通道, 对基岩进一步扩溶, 故形成一系列如花斑状溶蚀、溶沟等不规则的岩溶组构(图 10-c)。在该阶段, 一方面早成岩期暴露岩溶叠合改造生物扰动和潜穴, 另一方面潜穴、岩溶叠合改造的三维系统对内部充填物起到一定保护支撑作用, 从而较好地保护了内部的孔渗条件。与此同时, 前期储存于孔隙中的海水通过毛细管蒸发作用形成大量富Mg2+卤水, 富Mg2+卤水优先渗入岩溶优势通道、生物潜穴等孔渗较好的地方, 发生蒸发浓缩导致白云石晶核的形成(图 10-d)。最后, 随着上覆沉积物的快速堆积而进入早期浅埋藏阶段, 在地层温压和成岩流体的作用下, 云斑内部或附近的泥质发生溶解, 释放出部分Mg2+, 同时重结晶作用进一步调整白云石结构及有序度, 白云石化作用加强, 并最终演化为类型多样的豹斑状云质灰岩(图 10-e)。

图 10 鄂尔多斯盆地东缘关家崖剖面中奥陶统马家沟组四段豹斑状云质灰岩成因演化模式(注: 纵向比例略微扩大)Fig.10 Genesis and evolution model of leopard-spot dolomitic limestone of the Member 4 of Middle Ordovician Majiagou Formation at Guanjiaya section in eastern margin of Ordos Basin(the vertical scale is slightly enlarged)

4.4 油气勘探意义

随着勘探工作的持续开展, 在鄂尔多斯盆地奥陶系下组合马四段的豹斑状云质灰岩储集层段多口测试井获得低产气流(徐旺林等, 2021), 表明这套豹斑状云质灰岩储集层具有良好的勘探前景。由于鄂尔多斯盆地内马四段广为发育的不规则云质豹斑主要为生物虫迹叠合高频海平面升降驱动的早成岩期暴露岩溶改造形成的高孔渗层, 并进一步叠加准同生期白云石化所致, 而局部一些云化豹斑可能未受生物扰动影响, 完全是早成岩期岩溶改造叠加准同生期白云石化的结果, 因此云化豹斑往往具有较好的储集性能。相比较而言, 在缺乏明显岩溶改造或单一的生物扰动区域, 尽管已彻底白云石化, 但其储集物性相较于灰质组分并没有得明显的改善, 这暗示了岩溶作用的改造才是储集层形成的关键(陈景山等, 2007)。

综上, 马四段豹斑状云质灰岩储集层的形成主要可能受沉积微地貌高地区域的控制, 该区域在海平面高频振荡过程中极易遭受早成岩期大气淡水的溶蚀改造, 从而对原始孔隙进行扩溶(Xiao et al., 2019), 由此奠定了良好的孔渗基础。该孔渗体为白云石化流体的优势改造场所, 而被白云石化后形成的白云岩晶粒较灰岩具有更好的抗压能力(Schmoker and Halley, 1982), 进而有利于埋藏阶段储集空间的保存。鉴于此, 今后针对这类特殊的豹斑状云质灰岩的储集层预测, 应该寻找相应沉积期的微地貌高地。该认识可为类似储集体的勘探提供理论依据。

5 结论

1)鄂尔多斯盆地东缘关家崖剖面中奥陶统马家沟组四段的豹斑状(或虫迹)云质灰岩往往发育于(含颗粒)泥晶灰岩中, 且向上白云石化程度增强, 豹斑类型按产状分为水平状、斜交管状、不规则— 花斑状3种类型, 分别对应于向上变浅序列的下部、中部和上部。

2)马四段豹斑状云质灰岩产状受生物扰动(或潜穴)和高频海平面驱动的早成岩期岩溶耦合控制, 序列由下至上耦合改造由弱变强, 形成了下— 中部以岩溶影响较小的水平和斜交虫迹为特征、上部叠合岩溶强烈改造并形成不规则花斑的垂向序列组合。蒸发浓缩作用诱发的大量富Mg2+卤水优先渗入岩溶优势通道、生物潜穴等孔渗较好的区域并发生交代作用, 后期埋藏阶段的重结晶作用进一步调整白云石结构及有序度, 最终演化为类型多样的豹斑。

3)豹斑状云质灰岩储集层的形成受早成岩期岩溶和准同生期白云石化作用的联合控制, 今后针对这类储集层的勘探预测应重视沉积期微地貌高地。该认识可为具类似地质背景的地质体研究提供参考。

(责任编辑 张西娟; 英文审校 刘贺娟)

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