中国碳酸盐岩油气勘探与白云岩研究最新成果: 第17届全国古地理学及沉积学学术会议成果综述*
许红1,2, 张莉3, 陈舒2,4, 付和平5, 韩超6, 马亚增6, 苏大鹏1
1 青岛海洋地质研究所,山东青岛 266237
2 自然资源部第一海洋研究所,山东青岛 266061
3 广州海洋地质调查局,广东广州 510075
4 长江大学,湖北武汉 430074
5 中国石油长庆油田分公司,陕西西安 710016
6 山东科技大学,山东青岛 266590
通讯作者简介 苏大鹏,男,1977年生,硕士,工程师,主要从事海洋地质与沉积动力学调查研究工作。E-mail: wlmz_008@sina.com

第一作者简介 许红,男,1957年生,博士,研究员,专职生物礁成因、油气与天然气水合物地质调查研究。E-mail: qdxuhong@163.com。张莉,女,1965年生,博士,教授级高级工程师,主要从事南海生物礁成因研究,油气地质调查与勘探。zhangligmgs@qq.com

摘要

简述了第 17届全国古地理学及沉积学大会碳酸盐岩油气勘探、白云岩、深层碳酸盐岩尤其是白云岩成因理论研究新成果。统计含 55个口头报告和 15个展板; 涉及塔里木、四川、鄂尔多斯、柴达木、吐哈和渤海湾等盆地白云岩成因与成储; 深层、万米超深层白云岩规模储集层形成、表征和保存机制; 生物岩和碳酸盐岩形成过程的定量评价等。值得推荐 10000 m超深层白云岩优质储集层特征和成因机制研究,坚持提出万米超深层白云岩勘探建议,成为白云岩成因理论研究指导生产实践的代表性成果,是 2022年国际沉积学大会及近年国际白云岩成因基础研究成果应用薄弱环节补充; 有关四川盆地深层白云岩储集层特征和成因机制的研究来自不同院校项目成果的总结。提出了深层白云岩成因成储、万米超深层白云岩优质储集层评价与勘探理论; 尤其激光剥蚀等离子体质谱 U- Pb定年技术得到普遍应用,实现了地质时期白云化作用特征和成因机制的定性定量分析; 生物岩的讨论颇具特色; 这些内容分别代表沉积学—岩相古地理学—矿物岩石学—新技术和白云岩成因理论研究与实际应用紧密结合成果,总体创新深度、研究手段、系统理论和在油气勘探部署中的应用特征显著,是本次学术会议亮点。不足之处: 仅见 1篇海洋岛礁白云岩论文出现在展板中,预期 18届克拉玛依会议将进一步深化上述领域的研究,海洋岛屿白云岩研究专题将备受重视。

关键词: 碳酸盐岩—白云岩新成果;; 古地理学与沉积学; 万米深层白云岩; 岛屿白云岩; 成因机制
中图分类号:P588.+5 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2024)02-0475-12
Recent achievements in carbonate oil and gas exploration and dolomite research in China: a summary of results of the 17th National Conference on Palaeogeography and Sedimentology
XU Hong1,2, ZHANG Li3, CHEN Shu2,4, FU Heping5, HAN Chao6, MA Yazeng6, SU Dapeng1
1 Qingdao Institute of Marine Geology,Shandong Qingdao 266237,China
2 First Institute of Oceanography,Ministry of Natural Resources,Shandong Qingdao 266061,China
3 Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou 510075,China
4 Yangtze University,Wuhan 430074,China
5 PetroChina Changqing Oilfield Company,Xi’an 710016,China
6 Shandong University of Science and Technology,Shandong Qingdao 266590, China
About the corresponding author SU Dapeng,born in 1977,is a master and an engineer. He is mainly engaged in marine geology and sedimentary dynamics investigation and research. E-mail: wlmz_008@sina.com.

About the first authors XU Hong,born in 1957,is a Ph.D. and researcher. He is specialized in biogenic reef formation,oil and gas hydrate geological investigation and research. E-mail: qdxuhong@163.com. ZHANG Li,born in 1965,is a Ph.D. and professor level senior engineer. She is mainly engaged in the South China Sea reef genesis research,oil and gas geological investigation and exploration.zhangligmgs@qq.com.

Abstract

This paper briefly describes the new achievements of oil and gas exploration in carbonates,deeply buried carbonate rocks,especially the genetic theory of dolomites at the 17th National Congress of Palaeogeography and Sedimentology. The relevant theme includes 55 oral presentations and 15 panels,which are related to(1)the genesis and reservoir of dolomite in Tarim,Sichuan,Ordos,Qaidam,Tuha and Bohai Bay basins,(2)formation,characteristics and preservation mechanism of deep and ultra-deep dolomite reservoirs,and(3)quantitative evaluation of bioliths and carbonate formation processes. It is worth recommending the study on the characteristics and genetic mechanism of high-quality,ultra-deep(10 km)dolomite reservoir,Exploration of the ultra-deep dolomite has become a representative result of the genetic theory of dolomite,guiding production practice. It is a supplement to the weak link in the application of basic research of dolomite genesis in the 21st International Sedimentology Congress(2022,Beijing)and in recent years. The summary of the characteristics and genetic mechanism of deep dolomite reservoirs in various parts of the Sichuan Basin comes from graduate students’ summary of the results of different university projects,which is very valuable. The theory of formation of deep dolomite reservoir,evaluation and exploration of high-quality ultra-deep dolomite reservoir is put forward. In particular,the laser ablation plasma mass spectrometry U-Pb dating technique has been widely used,which has realized the qualitative and quantitative analysis of the characteristics and genetic mechanism of dolomitization in geological time. The discussion of biolith is characteristic. They represent the close integration of sedimentology,lithofacies and paleogeography,mineralogy and petrology,new technology and dolomite genetic theory and practical application. The overall innovation depth,research means,system theory and application characteristics in oil and gas exploration deployment are significant,which is the highlight of this conference. Shortcomings are represented by the only one poster on marine reef dolomite. It is expected that the 18th Karamay Conference will further deepen the research in the above fields,and the topic of marine island dolomite research will be paid more attention.

Key words: carbonate rocks-dolomites new achievements; palaeogeography and sedimentology; dolomites at 10000 m depth; islands dolomite; genetic mechanism

第17届全国古地理和沉积学大会, 于2023年8月在美丽的青岛中国石油大学(华东)校区召开。“ 本届会议共收到论文摘要696篇, 大会报告15个, 分21个专题会场及口头报告379个(含主题报告69个); 展示成果104份” 。“ 与会的专家学者以中青年为主, 学生代表占47%, 最小22岁, 45岁以下达65%, 45~60岁占30%, 60岁以上5%。不仅拥有学识渊博、见闻丰富的老专家, 年富力强、 学术思想活跃的中年专家, 关键还有大批志存高远、求知若渴的青年才俊, 反映出中国古地理学和沉积学研究领域, 后继有人” (陈世悦(① 陈世悦. 2023. 第17届全国古地理学及沉积学学术会议总结.https://mp.weixin.qq.com/s?biz=MzAxMzE4NDcyNQ=& mid=2649935103& idx=1& sn=b77733ddf5c7be1f60346f29f24c1cb3& chksm=83a01745b4d79e53cd4d40c00372a2138f664cafee70815316cda3317adda55d364edd1ecd6e& token=1206793096& lang=zh_CN#rd), 2023)。鉴于会后有专家质疑碳酸盐岩研究乏力, 作者有感而发, 把第12专题白云岩口头报告会场所见和其他专题白云岩— 碳酸盐岩研究口头报告, 参观展板报告体会与感受整理如下。

本次会议涉及白云岩— 碳酸盐岩成果专题4个: 白云岩成因与成储, 生物岩的形成机制、古地理及资源、环境意义, 超深储集层表征与规模优质储集层形成、保存机理, 沉积作用与岩相古地理。集中展示报告45个, 加上其他专题口头报告总数逾55个; 在104个展板成果中, 至少15个涉及白云岩— 碳酸盐岩。这些报告聚焦四川盆地、鄂尔多斯盆地、塔里木盆地、吐哈盆地、济阳坳陷和琼东南盆地之资料, 集白云岩、深层— 超深层白云岩优质储集层成因、表征、控制因素和成储研究, 列举了大量深层— 超深层碳酸盐岩油气勘探需求推动研究之实例。作者针对本次会议白云岩— 碳酸盐岩研究口头、展板报告等成果作介绍。

1 白云岩成因与成储研究是亮点

第12专题有23个口头报告含3个主题报告。主要有2个亮点: (1)绝对年龄约束下的古老白云岩成因机理研究。出现在多个单位涉多个盆地不同作者报告中, 不但反应沉积盆地白云岩定年技术普及和技术手段的显著进步, 而且突出展示深层古老白云岩研究解决实际需求的研究成果。(2)现今深层(8000 m)古老白云岩乃至未来超深层(10000 m)白云岩勘探理论和研究认识, 建议推进勘探部署, 代表前沿研究成果。主题报告“ 白云岩成因机理与万米深层重大勘探领域” (朱光有)的关键内容, 不但刻画了震旦系、寒武系等多套白云岩储集层在塔里木盆地的空间展布, 明确提出万米深层油气勘探新领域(Zhu et al., 2023c), 建议万米勘探部署!在国际范围尚属首次, 对于中西部万米超深层白云岩优质储集层勘探极具示范性的意义。同时, 白云岩研究进展与新方法(朱光有和李茜, 2023)分别涉及微生物与白云岩形成的古海洋环境控制作用与前寒武— 寒武纪大面积白云岩形成特征和机制; 以Mg同位素与沉积旋回周期性揭示厚层白云岩特征, 因不同白云化作用在时空尺度上叠加, 每个沉积旋回Mg同位素变化趋势指示不同期次白云化过程及白云化流体运移方向(图 1; 图 2; Zhu et al., 2023a); 通过白云岩晶格缺陷研究, 发现白云石晶芽能够促进白云化作用, 通过不同初始矿物成分的白云石化实验, 发现纯方解石发生白云化时间为9~12 d, 而加入5%白云石的岩石发生白云化时间为6~9 d; 也就是说, 白云石晶核加入显著缩短了白云化作用的时间, 促进了白云石的生长Yang等(2022a); 通过不同溶液体系中方解石、白云石典型晶面溶蚀模拟和分子计算, 揭示方解石、白云石典型晶面非均相溶蚀和孔隙形成的本质(Zhu et al., 2023b); 揭示方解石白云化作用机制、方解石和白云石(104)/(110)面性质及其在碳酸盐溶液中的溶蚀机理; 从原子角度阐明白云化过程限制因素和深埋环境白云岩储集层保持机制(Zhu et al., 2023b); 通过激光原位U-Pb同位素定年技术测试样品绝对年龄, 以此对比四川、塔里木盆地古老白云岩白云化作用时间和孔隙形成期: 白云化作用发生在沉积后50 Ma以内的准同生期和浅埋藏阶段, 孔隙形成于准同生期— 早成岩期。不言而喻, 朱光有(② 朱光有. 2023. 白云岩成因机理与万米深层重大勘探领域. 第17届全国古地理学及沉积学学术会议第12专题“ 白云岩成因与成储” 主题报告.)在白云岩专题的主题报告, 代表国有公司基础研究者成果应用在盆地深层— 超深层白云岩, 推动中国石油工业迈入万米深层白云岩储集层勘探新征程的巨大进步, 在多年中国白云岩成因基础理论研究和实践中也较为少见, 与勘探实际投入和研究者创新研究取得系统认识和理论有关。

图 1 塔里木盆地肖尔布拉克西沟剖面下寒武统肖尔布拉克组岩相学、主微量元素、碳、氧同位素与Mg同位素垂向变化趋势图(据朱光有和李茜, 2023)Fig.1 Vertical variation trend of the Lower Cambrian Sholbulak Formation petrography, major and trace elements, carbon, oxygen isotopes and Mg isotopes in Sholbulak Xigou Section, Tarim Basin(after Zhu and Li, 2023)

图 2 不同时代白云岩的镁同位素组成(据朱光友和李茜, 2023)Fig.2 Mg isotopic compositions of dolomites in different ages(after Zhu and Li, 2023)

图 1表明, 根据层序地层学基本原理, 在研究区肖尔布拉克组精细岩相学描述基础上, 结合主微量元素及碳、氧同位素在垂向上的变化规律, 将研究剖面肖尔布拉克组划分为1个四级旋回和7个五级旋回。五级旋回层序以相邻岩相组合变化及相关地球化学指标突变为分界面。旋回1由泥— 微晶白云岩和粉晶细晶白云岩组成, 指示潮间带至潮上带沉积环境; 旋回2-旋回7均由粉晶白云岩和细晶白云岩组成, 指示潮间带下部至潮上带下部沉积环境。这些高频旋回指示了肖尔布拉克组沉积时期相对海平面的周期性波动下降过程。

此外, 将δ 26Mg值与肖尔布拉克组白云岩垂向剖面对应分析, 发现δ 26Mg值的垂向演化趋势与沉积旋回之间存在密切联系。在沉积旋回的界面处, 其δ 26Mg值会发生较大幅度的波动, 说明层序界面是云化流体迁移的起点与通道。在沉积旋回内部, 肖尔布拉克组白云岩Mg同位素垂向变化趋势与相对海平面升降之间呈显著关联性, 这表明海平面升降对肖尔布拉克组白云石化过程起主要的控制作用。因此, 肖尔布拉克组云岩的形成受控于海平面的周期性升降, 白云石化作用起始于海平面下降的过程。当海平面下降时, 隆起区核部暴露出海平面, 受到大气淡水的淋滤作用, 发生准同生期层间岩溶, 形成大量溶蚀孔隙, 早期白云岩发育的原生孔和表生溶孔, 构成超深层优质储集层的基础。

图 2来自近20年来白云岩Mg同位素研究数据统计。新生代白云岩的δ 26Mg变化范围为-3.46‰ ~-0.38‰ , 中生代白云岩的δ 26Mg变化范围为-2.49‰ ~-0.45‰ , 古生代白云岩的δ 26Mg变化范围为-3.25‰ ~-0.55‰ , 前寒武纪白云岩的δ 26Mg变化范围为-3.02‰ ~-0.5‰ 。对比可知, 不同时代的白云岩Mg同位素存在差异, 古代(深层)白云岩比现代白云岩更重。由于大规模白云石化的流体主要来自海水, 并且白云岩的Mg同位素主要受控于流体的Mg同位素组成, 所以可以推测古代与现代海水的Mg同位素组成具有差异, 这种海水化学性质的差异可能是控制古代(深层)白云岩广泛发育、而现代白云岩相对缺乏的一个重要因素。

范俊佳等(2022)报告代表了12专题绝大多数报告极具新意的特征。通过定量激光拉曼系列新技术, 检测不同流体包裹体的特征, 分析白云岩流体组分或其物理化学中PTtCi的演化及其意义, 讨论多种类型白云石油气流体包裹体特征和年代学, 建立了四川盆地蓬莱地区震旦系灯影组白云岩13个成岩— 成藏演化序列: 泥晶白云石— 早期隐晶质石英— 纤状白云石— 纹层白云石— 细晶白云石— 早期沥青— 中粗晶白云石— 鞍状白云石— 原油裂解— 硫酸盐热化学还原作用+沥青— 铅锌矿化作用— 晚期石英— 萤石— 构造裂缝; 量化震旦系灯影组二段多期成藏演化特征与规律: 在志留纪末形成第1期古油藏, 于海西期发生破坏, 三叠纪中— 晚期第2次原油规模成藏; 侏罗纪— 早白垩世古油藏裂解形成古气藏; 至晚白垩世— 现今, 古气藏调整改造保存; 蓬莱地区古气藏保存至今主要与晚侏罗世— 晚白垩世持续超压的喜马拉雅期构造抬升, 天然气扩散, 原超压气藏演化为现今常压气藏有关。

2 超深古老白云岩— 碳酸盐岩成因— 成储及机制研究

第17专题针对中国西部诸盆地超深层白云岩— 碳酸盐岩储集层, 瞄准超深储集层表征与规模碳酸盐岩优质储集层形成、保存机理开展研究, 作为支撑中国未来油气勘探、上产最为重要基础研究领域, 研究内容核心聚焦相、(构造)流体、非均质性分布和勘探下限深度识别, 深入研究建立了多种超深优质储集层发育模式, 为超深层油气勘探提供了重要的理论基础, 本专题设16个报告含3个主题报告。

张自力(① 张自力. 2023. 深层— 超深层碳酸盐岩优质储层成因机理及主控因素. 第17届全国古地理学及沉积学学术会议第17专题“ 超深储层表征与规模优质储层形成、保存机理” 主题报告.)报告了四川蓬莱气区灯影组深层— 超深层白云岩优质储集层成因机理, 确定蓬莱气区灯影组白云岩储集层以次生溶孔、溶洞为主并具有垂向叠置、横向连片展布特征, 丘滩复合体沉积是主要储集层体系, 存在优质储集层、主要储集层、差储集层3类; 依次经历同生— 准同生阶段、浅埋藏阶段、表生阶段、埋藏阶段和深埋藏调整5个发育阶段。深层— 超深层优质白云岩储集层相控形成, 岩石组构影响储集层孔隙发育演化, 多期成岩流体进一步调整改善深部储集层物性, 强烈非均质性受多因素联合控制与多阶段形成; 与之相关的岩性、构造— 岩性圈闭集群式大面积分布, 勘探下限深度识别将是深层— 超深层白云岩储集层预测及圈闭刻画的关键。

乔占峰等(乔占峰等. 2023. 古老深层白云岩形成路径及其成储效应. 第17届全国古地理学及沉积学学术会议第17专题“ 超深储层表征与规模优质储层形成、保存机理” 主题报告.)总结了中国海相叠合盆地深层白云岩研究现状, 指出年代老、埋藏深、改造强与强烈非均质性特征, 传统白云化作用研究对白云岩储集层主要成因机制的认识不足以解释大量白云岩储集层质量较差的现象。通过先进微量稀土元素面扫和激光U-Pb定年技术, 分析塔里木盆地蓬莱坝组白云岩孔隙演化过程, 指出白云化作用本身对孔隙形成贡献不大, 但白云化作用发生阶段, 即白云岩形成路径对储集层的形成和演化意义重大。蓬莱坝组晶粒白云岩存在2种形成路径, 一种是准同生即发生云化, 浅埋藏期再云化重结晶, 形成现今细中晶白云岩; 该类白云岩中白云石的排列受先期沉积组构约束, 分布具有相控性和规模性。另一种准同生期未发生白云化作用, 是灰岩在浅埋藏期云化交代, 灰岩直接形成中粗晶白云岩。该类白云岩具有非组构选择特点, 是前者的延伸, 或形成于断控热液活动。原岩结构恢复揭示不同路径下形成的白云岩储集层发育潜力2大路径: 路径一是白云岩中的晶间孔系粒间孔或铸模孔转换形成, 发育分布具有相控性; 路径二是白云岩白云石粗大, 对先期孔隙破坏性充填, 未经溶蚀改造, 不利于储集层规模发育。

陈强路(③ 陈强路. 2023. 超深层碳酸盐岩储层成岩流体识别与成储效应: 以顺托果勒地区为例. 第17届全国古地理学及沉积学学术会议报告.)研究了塔里木盆地顺托果勒地区逾6000 m的中下奥陶统碳酸盐岩缝洞体储集层特征, 回答了缝洞体成因与表生岩溶作用明显不同的流体来源、性质、流体对储集层的改造作用问题。针对热液流体对储集层的改造, 开展机制研究并预测塔里木盆地顺托果勒地区有利的储集层发育带和层段, 预测成果已钻井证实。

黎雨航(④ 黎雨航. 2023. 塔河油田深层碳酸盐岩断控型储层裂缝发育特征及控制因素. 第17届全国古地理学及沉积学学术会议第17专题报告.)报告了塔河油田奥陶系鹰山组深层碳酸盐岩油气分布面积广, 资源丰富, 明显受断层控制; 但是进一步勘探开发受到制约, 强调鹰山组深层碳酸盐岩断控型储集层裂缝研究的勘探价值, 理清了裂缝成因类型及发育特征。

3 四川盆地白云岩成因特征和机制研究典型成果

四川盆地白云岩研究是中国沉积盆地白云岩研究典范, 会议期间报告最多, 取得重要成果。涉及储集层特征和机制研究的内容是多个口头报告的重点, 主要属于高校与油气公司研究院所成果。来自西南石油大学的张鑫哲(⑤ 张鑫哲. 2023. 四川盆地海相白云岩成因类型及特征. 第17届全国古地理学及沉积学学术会议第12专题报告.)归纳了该校承担中石油多个项目有关四川盆地各地白云岩成因类型、特征和机制研究的成果, 提出(准)同生白云岩(细分为微生物白云岩和蒸发白云岩)、埋藏白云岩(细分为残余颗粒白云岩和晶粒白云岩)、构造— 热液白云岩3类成因机制, 分别来自针对四川盆地南部、中部、西北部和东北部白云岩成因特征和机制研究项目成果报告的总结, 是四川盆地相关白云岩成因特征和机制研究的现今认识, 包括: 生物白云岩形成于高盐度碱性环境, 发育藻格架溶蚀孔; 干旱蒸发环境形成蒸发白云岩; 受大气淡水作用影响发生组构选择性和非选择性淋滤溶蚀, 形成晶间孔、粒间孔、粒内溶孔和铸模孔。埋藏白云岩储集层发育粒状结构白云岩和结晶结构白云岩, 成岩流体中Mg含量决定粒状结构或结晶结构白云岩以及白云岩中不同类型孔隙的形成。颗粒灰岩在浅埋藏环境中历经富Mg地层水交代、重结晶形成残余颗粒白云岩, 形成粒内溶孔和晶间孔; 当原岩颗粒大小小于白云岩晶粒大小, 且成岩流体中Mg供给充足易形成晶粒白云岩, 以晶间孔+晶间溶蚀孔为主。深埋环境中富Mg2+热液流体交代和沉淀作用发生在断裂或不整合面, 形成构造— 热液白云岩, 发育晶间孔、晶间溶孔和溶蚀孔洞。这些认识表明, 四川盆地具体层系与位置白云岩是多成因机制的产物, 该研究显然还存在提升的空间。

4 湖相碳酸盐岩研究

现今, 全球碳酸盐岩— 白云岩最新和最为突出油气发现位于湖相环境。其中, 中国近年来先后在四川、渤海湾和柴达木等盆地中发现了68个湖相碳酸盐岩油气田, 探明石油地质储量3.5× 108t, 天然气地质储量 625× 108 m3。在国外, 最为突出发现和研究成果位于巴西海域岸外深水盆地, 包括水深1000~1518 m的桑托斯盆地(Santos, 面积32× 104 km2)和坎帕斯盆地(Campos, 面积15.58× 104 km2), 二者先后发现盐下湖相碳酸盐岩大油田: 获得重大发现的工作始于2006年, 迄今达17年; 已经发现了38个碳酸盐岩油田; 累计探明地质储量已逾250× 108t油当量(孙旭东等, 2021; 何文渊等, 2023)。

庞旭等(① 庞旭等. 2023. 桑托斯盆地湖相碳酸盐岩成岩研究认识及展望. 第17届全国古地理学及沉积学学术会议展板.)研究桑托斯盆地盐下白垩系 Barra Velha 组湖相碳酸盐岩沉积特征和机制, 认为盐下白垩系 Barra Velha 组湖相碳酸盐岩发育的波状消光树枝状、十字消光球粒状结构组分, 不同于国内常规湖相碳酸盐岩沉积成因, 而是在特殊构造演化阶段形成的、具有特殊矿物特征和岩石结构的高温浅水化学沉积岩。

王剑等(② 王剑等. 2023. 湖相白云岩成因机理:以准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组为例. 第17届全国古地理学及沉积学学术会议摘要.)研究准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组白云岩的典型湖相成因特征, 发现分散型、纹层型、条带— 团块集合体、典型鞍状白云石δ 13C为1.0‰ ~7.1‰ , 平均4.33‰ ; δ 18O为-15.1‰ ~4.4‰ , 平均-2.94‰ 。属于2种成因: (1)热液— 蒸发沉积成因, 热液侵入及干旱强蒸发作用, 以高Mg/Ca值、高pH值、高盐度湖盆水体为特征, 形成纹层状白云石; (2)埋藏— 热液交代成因, 主要是深部热流沿断裂上升侵入, 促进埋藏白云岩化作用形成条带— 团块状白云石。

李翔等(③ 李翔等. 2023. 柴达木盆地西部始新统湖相微生物岩的形成与保存:岩相学、矿物学和地球化学约束. 第17届全国古地理学及沉积学学术会议展板.)讨论柴达木盆地西部始新统湖相微生物形成保存的岩相学、矿物学和地球化学特征, 属于始新世湖相沉积体系, 规模凝块岩(厚度 0.4~1 m)一般形成于近岸环境, 凝块岩具有迷宫状、皮质状、紧密结合和复合聚集等4种结构; 小尺度叠层石、凝块状和复合状微生物岩(厘米级)表现为圆顶状、柱状和层状, 发育于浅水环境。早期成岩作用形成内部的层状和凝块结构; 与始新世— 渐新世气候过渡期青藏高原强烈蒸发的湖水条件有关。白云岩— 过饱和孔隙流体中的微生物成矿作用即早期白云化成因。微生物岩中— 粗晶矿物组分主要由方解石矿物组成, 大量自生硫酸盐(天青石— 重晶石)和硫化物(莓状黄铁矿)矿物分布在泥— 微晶白云岩、层状和凝块微生物结构中。推断盐湖条件和矿物溶蚀作用(碳酸盐和陆源颗粒)促成了 SrSO4和 BaSO4过饱和, 使天青石、重晶石结晶成为可能。青藏高原东北部始新统湖相微生物岩的发育为广泛分布的湖泊微生物碳酸盐记录提供了佐证, 为微生物岩复杂成岩与成矿过程提供新视角。

5 生物岩研究进展

微生物岩是研究的新方向、前沿和热点(AAPG2016)。本次会议设立“ 生物岩的形成机制、古地理及资源、环境意义” 专题, 涉及10个报告(含3个主题报告)。

吴亚生的主题报告“ 生物岩概念、分类和应用” , 对定义、研究内容、方法及意义进行归纳总结、陈述和定义(吴亚生, 2023a, 2023b)。认为由生物遗骸、生物骨骼组成的岩石和生物作用形成的岩石即生物岩, 含生物礁岩、非造礁生物骨骼碳酸盐岩、微生物岩和其他微生物成因岩, 提出生物岩分类系统。在对部分岩石定义进行补充修正完善后, 讨论了生物岩研究中的 4个问题。其中, 认为生物岩石学是研究所有微生物成因岩石特征、形成机制、资源和环境意义的科学, 主要研究内容包括生物矿化作用、现代微生物礁、古代生物礁、现代微生物岩和古代微生物岩。认为生物岩石学在资源、寻找地外生命以及在地球系统演变研究中都有重要作用, 生物岩石学正在向超微尺度、古老深变领域和全球尺度研究3个方向发展, 正在为实现地球系统演变、国家资源战略和国家双碳服务3个目标进发。事实上, 生物岩石学也正在宇宙和行星科学探索研究中取得重要进展。

韩作振(① 韩作振. 2023. 微生物诱导白云石沉淀和白云石化的特征与机制. 第17届全国古地理学及沉积学学术会议第13专题“ 生物岩的形成机制、古地理及资源、环境意义” 主题报告.)的主题报告基于“ 将今论古” 思想, 依托矿物学、生物学、有机化学和实验岩石学系统理论, 利用现代微生物在模拟古环境条件下开展矿化实验取得进展。发现极端嗜盐菌在高盐度环境下可以成功诱导产生微生物白云石, 矿物表面呈球形和哑铃型, 表面残留大量微生物遗迹遗痕, 溶液的高Mg/Ca值迫使微生物产生酸性更强的氨基酸, 进而促进镁离子去水化, 是促进白云石沉淀的重要原因(Zhao et al., 2021); 嗜盐细菌不仅可以促进白云石直接沉淀, 还可以促进方解石前体转变为白云石(白云石化), 该过程可分为方解石溶解和白云石形成2个过程; 微生物岩能够减弱镁离子的水合作用, 在EPS作用下在方解石表面形成白云石, 即表面白云石化(Wang et al., 2022)。此外, 对柴达木盆地SG-1钻孔揭露的更新统连续沉积微生物白云石开展了详细的形貌学和地球化学研究, 认为微生物诱导的低有序度白云石能够在百万年尺度的埋藏过程中, 发生显著的结构有序化, 建立了微生物白云石模式与大规模白云岩形成的桥梁(Zhao et al., 2023)。

魏柳武(② 魏柳武. 2023. 鄂尔多斯盆地马家沟组碳酸盐岩— 膏盐岩体系微生物岩特征、成因及分布. 第17届全国古地理学及沉积学学术会议第13专题“ 生物岩的形成机制、古地理及资源、环境意义” 主题报告.)主题报告涉及鄂尔多斯盆地马家沟组碳酸盐岩— 膏盐岩体系微生物岩特征、成因及分布等研究成果, 发现了多种微生物岩类型, 观察发现发育叠层石、凝块石、核型石和均一石等, 是形成微生物层以及微生物岩丘滩复合体的主要岩石; 微生物空间展布具有明显的“ 层控性” 及“ 区位性” 。这些微生物岩的发育受高频层序旋回及有利沉积相控制, 建立了蒸发潮坪及台内滩丘复合体2种微生物岩发育模式, 提出区域岩性相变带、古隆起及坡折带是微生物岩勘探的有利区带。

6 展板及其他成果

本次会议展板成果水平也较高, 未进入口头报告及展板展示的摘要成果也较突出, 很多成果具有相当高学术研究水平, 值得特别介绍。

李茜等(③ 李茜, 鲍志东等. 2023. 应用Mg同位素示踪塔里木盆地寒武系下丘里塔格组白云岩成因及构造— 热液活动下Mg同位素稳定机制. 第17届全国古地理学及沉积学学术会议摘要.)提交大会的摘要“ 应用Mg同位素示踪塔里木盆地寒武系下丘里塔格组白云岩成因及构造— 热液活动下Mg同位素稳定机制” , 认为塔里木盆地塔中地区下丘里塔格组白云岩经历了3期白云石化流体作用, 分别为准同生期— 浅埋藏期浓缩海源流体下的渗透回流白云石化作用、中— 深埋藏期地层残余孔隙海水下的埋藏白云石化作用和构造活动期高温富Mg热液流体下的构造— 热液白云石化作用。储集空间主要形成于准同生期— 浅埋藏期, 孔隙类型为原生基质孔和大气淡水溶蚀扩孔; 中— 深埋藏期和构造活动期主要表现为降孔作用。下丘里塔格组白云岩 δ 26MgDMS-3值分布区间为-2.20‰ ~-1.90‰ , 波动范围极小, 且中— 深埋藏期和造活动期形成的白云岩与准同生期— 浅埋藏期白云岩 δ 26MgDMS-3值高度相似, 这说明埋藏和构造— 热液活动作用下Mg同位素具有较好稳定性, 白云岩原始的Mg同位素信号不受埋藏和构造— 热液活动的影响而失真。

高达等(④ 高达, 周慧, 黄理力, 戴逸晨, 王斌. 2023. 塔西南麦盖提斜坡中— 下奥陶统多期白云石化作用及其对有利储层控制. 第17届全国古地理学及沉积学学术会议摘要.)通过中— 下奥陶统岩相分析, 发现塔西南麦盖提斜坡地区主要赋存粉晶云岩、颗粒云岩、灰质云岩、中晶云岩和白云石充填物, 形成于局限台地颗粒滩和潮坪环境。通过研究多期白云化作用及对有利储集层控制的作用, 发现油气储集层多发育在局限台地/内缓坡背景下的颗粒滩— 白云岩坪体系域, 其中白云岩岩石类型及成因复杂, 确定白云化作用多期叠加性质, 建立了多期白云化作用模式。

张景琦(① 张景琦. 2023. 玄武岩淋滤深循环白云化: 以四川盆地中二叠统为例. 第17届全国古地理学及沉积学学术会议摘要.)研究了四川盆地中二叠统玄武岩淋滤深循环白云化作用特征, 以往提出的白云岩形成机理无法对该区白云岩的分布和地球化学特征进行合理解释, 但张景琦提出了一种新的白云化解释模式: 玄武岩淋滤深循环白云化模式, 这一模式白云化流体镁离子来自玄武岩中铁镁矿物的风化分解, 白云化流体为淋滤峨眉山玄武岩的大气降水。在地形和地温梯度驱动下, 流体通过深循环从四川盆地西南方(玄武岩覆盖区, 高地温梯度区)向东北方(吴家坪组覆盖区, 低地温梯度区)流动, 导致了中二叠统大规模的白云化。流体运移过程中温度逐渐降低, 白云岩主要分布在玄武岩覆盖区和相邻具遮挡条件地层的覆盖区(龙潭组(页岩)覆盖区)。

胡忠亚等(② 胡忠亚等. 2023. 晚新生代以来海洋Mg/Ca变化之谜: 南海岛礁碳酸盐岩的镁同位素记录. 第17届全国古地理学及沉积学学术会议展板报告.)研究晚新生代以来南海岛礁碳酸盐岩的镁同位素记录, 指出海水Mg/Ca值在最近的2300万年里快速升高了近3倍, 反映了这一时期以来海洋和陆地“ 源-汇过程” 的整体快速演变, 表生镁循环过程与碳循环过程伴随着显著的镁同位素分馏。通过西沙石岛西科1井白云岩镁同位素测试分析, 发现尽管同时期全球海水镁钙离子浓度以及Mg/Ca值发生了显著变化, 但“ 矛盾” 的是海水镁同位素组成却保持稳定。通过数值模拟, 支持晚新生代以来, 海水镁钙比值变化在大陆风化剥蚀过程演变以及海洋白云岩化和自生黏土矿物沉积作用减弱导致海水镁离子浓度升高, “ 迫使” 海洋碱度升高; 远洋碳酸钙沉积通量增加, 维持大洋碱度平衡同时消耗海水的钙离子; 这些耦合演化过程使得晚新生代以来海水Mg/Ca值不断上升, 构建西科1井白云岩镁同位素记录的演化模式。

7 讨论

白云岩发现于232年前(De Dolomieu, 1791)。时至今日, 仍然还是野外、实验室、能源和环境研究的前沿与热点(Zenger et al., 1980; Warren, 2000; Machel, 2004, Ren and Jones, 2016a)。作为一种常见的碳酸盐矿物, 白云石在地质历史时期大量发育, 却在现代海洋沉积环境中鲜见; 在实验室模拟常温海洋海水条件下, 完美有序的白云石也几乎无法在低温合成; 这被称为“ 白云石问题” , 也被认为是地质学历史上最为有趣、 讨论时间最为长久的科学问题。所以, 白云岩特殊的成因机制和模式备受研究者青睐, 通过不断发现的新环境去研究白云石成因的新机制, 提出解决白云石问题的新方案, 仍然还是今天白云岩问题研究的前沿(Ana et al., 2014; Gregg et al., 2015; Ren et al., 2016a, 2016b; Xu et al., 2018), 事实上, 不乏针对各种白云化作用及成因模式的总结和应用(Machel, 2004; 胡作维等, 2011), 本次会议披露最新研究的成果之广度和深度不但涵盖中国塔里木、四川、鄂尔多斯、柴达木、吐哈和渤海湾等盆地, 而且白云岩相关认识已经正在催生全新的认识和成因模式诞生, 尽管它们尚还有待成熟(表 1)。

表 1 四川盆地不同白云岩成因类型特征统计(据张鑫哲, 2023; 有修改) Table1 Statistical analysis of genetic types of different dolomites in Sichuan Basin(modified from Zhang, 2023)

纵观本次会议最可圈可点的白云岩研究认识, 是有关白云岩优质储集层在油气勘探中的实际应用, 尤其是勘探向万米超深层白云岩储集层进军的建议和研究报告, 反应白云岩研究紧密结合深层— 超深层油气成储的重大需求, 这在国际上尚不多见。作为备受全球研究者青睐的研究领域, 白云岩已被列为下一届国际沉积学大会重要专题, 微生物、冷水(Li et al., 2023)、深层成因将是热点内容(朱筱敏(③朱筱敏. 2023. 沉积地质学热点关注与思考. 第17届全国古地理学及沉积学术会议特邀报告.), 2023)。

本次会议仅为国内部分研究成果, 除了深层— 超深层白云岩— 碳酸盐岩储集层油气发现、成因特征和机制研究成果的总结, 还涉及超深层白云岩勘探优质储集层特征、识别, 赋存分布和评价, 反映了中国白云岩问题研究新常态。最大基础共识是, 聚焦深层— 超深层白云岩优质储集层形成、保存和成储表征研究, 基于灰岩形成白云岩孔隙度增大12.9%的实验数据、和被勘探证实超深层白云岩也是最好的油气储集层, 并早已纳入教科书为定律(刘宝珺, 1980)的白云岩基础实验研究成果。

但是, 深层— 超深层白云岩优质储集层评价问题, 仍然需要基础理论深层次的扩展与刻画, 需要国家自然科学基金项目包括产业部门资金资助支持, 对于青年学子尤为现实, 也是新认识、新成果持续不断和中国白云岩基础及应用研究达到世界一流的基础。

岛屿是公认的白云岩研究最好的天然实验室(Budd, 1997; Ren and Jones, 2018), 经典的岛屿白云化作用的同心圆模式(Ren and Jones, 2018), 这是白云岩问题海陆域研究材料和内容双翼之重要一翼, 其优势在于全海洋环境和全取心钻井的岩心, 对应于白云岩成因基础研究, 它比陆域沉积盆地深层— 超深层白云岩具有岩心资料先天优势, 因为所有深层白云岩尤其超深层白云岩油气钻井岩心都很少, 而且也不可能连续。但本次会议缺乏来自中国岛屿白云岩研究的报告, 尽管展板中可见胡忠亚等西沙群岛2300万年以来镁同位素研究成果, 却只部分代表中国岛屿白云岩研究进展。事实上, 岛屿深层铁白云岩、致密白云岩研究可启示弥补沉积盆地研究不足(Xu et al., 2018; 许红等, 2021), 发现川西南中二叠统栖霞组(井深3530~3635 m和4940~5040 m)、川东南盆地中二叠统茅口组(井深5490.3~5527.4 m)白云岩成岩流体均一化温度155± 11℃~158± 11℃(Yang et al., 2022b), 竟然可比西沙岛屿千米致密白云岩流体包裹体均一化温度低20℃(董刚等, 2021), 而后者成因特征机制为研究空白。

本次会议古老探井中白云岩的U-Pb绝对年龄测定分析成果引人注目, 这正是全球岛屿白云岩研究的软肋。因为缺乏铁磁性物质, 前人有关西科1井年代研究, 采用定性逼近和对比分析方法, 利用古生物(许红和王玉净, 1999; 祝幼华等, 2016)、古地磁和井磁极性序列与全球地磁极性年表对比 ATNTS2012(Hilgen et al., 2012; 王振峰等, 2016)的方法。也就是说, 目前岛屿白云岩尚不能实施U-Pb绝对年龄测定, 这是新近纪岛屿白云岩年代学研究关键难题; 尽管曾使用过230Th 法, 却只是测定浅部乐东组灰岩的绝对年龄(王振峰等, 2016; 罗威等, 2018)。

LA-ICP-MS碳酸盐矿物U-Pb定年技术又称激光剥蚀等离子体质谱U-Pb定年技术, 见于四川盆地古老白云岩(沈安江等, 2019); 秦岭西部金矿同生白云岩(Gao et al., 2022)和四川盆地中二叠统栖霞组白云岩(潘立银等, 2022)研究等, 分别获得交代白云石(围岩)、自形白云石胶结物或鞍状白云石胶结物的U-Pb年龄; 但是, 它们均为上亿年古老白云岩, 非岛屿几百万— 千万年新近纪贫含U白云岩。

2004年, Machel发表对于过去20~25年白云岩研究现状总结和批判性的评价: “ 经过200多年的深入研究, 白云石的起源仍然是一个谜, 矿物和岩石仍然产生相当大的争议。最新的实验研究基本上证实了早期的结果。然而, 人们对白云岩形成的机理仍然知之甚少” 。不难发现, 本次会议白云岩研究重点成果与油气勘探和深层— 超深层白云岩储集层大油气田发现有关, 都得益于勘探需求推动; 新技术如团簇同位素、原位U-Pb定年、原位激光拉曼和FIB-CT孔隙表征等得到应用, 推进了白云岩沉积、成岩、储集层孔隙成因和机制等研究的进程。专家携后起之秀, 正在取得白云岩深层次研究成果, 不断完善Machel的知之甚少!聚焦上述, 还有: 为何全球中新元古代沉积的白云岩为原生的, 而这之后的寒武纪以来发育的白云岩却主要是次生的 ?5.42亿年前后的沉积环境到底发生了哪些颠覆性变化(鲍志东等, 2019; Bao et al., 2022)?这是中国白云岩研究重大发现也是关键问题, 与深层— 超深层白云岩储集层成因有关, 作为基础研究重大发现和重点研究内容, 将极大支持深层— 超深层白云岩油气勘探继续取得突破, 同时也说明中国白云岩问题理论研究来到世界前沿, 并为白云岩问题持续不断的突破贡献中国认识和中国方案。

(责任编辑 郑秀娟; 英文审校 陈吉涛)

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