石油勘探与开发 >

2022 , Vol. 49 >Issue 4: 637 - 647

DOI: https://doi.org/10.11698/PED.20220114

油气勘探

从准同生到埋藏环境的白云石化路径及其成储效应

  • 沈安江 , 1, 2 ,
  • 罗宪婴 , 1, 2 ,
  • 胡安平 1, 2 ,
  • 乔占峰 1, 2 ,
  • 张杰 1, 2
展开
  • 1 中国石油杭州地质研究院,杭州 310023
  • 2 中国石油天然气集团有限公司碳酸盐岩储层重点实验室,杭州 310023
罗宪婴（1977-）,女,浙江绍兴人,硕士,中国石油杭州地质研究院高级工程师,主要从事碳酸盐岩地球化学研究。地址：浙江省杭州市西湖区西溪路920号,中国石油杭州地质研究院。邮政编码：310023。E-mail：

沈安江（1965-）,男,浙江兰溪人,博士,中国石油杭州地质研究院教授级高级工程师,主要从事碳酸盐岩沉积储集层研究。地址：浙江省杭州市西湖区西溪路920号,中国石油杭州地质研究院,邮政编码：310023。E-mail：

Copy editor: 黄昌武

收稿日期: 2022-02-14

  修回日期: 2022-06-23

  网络出版日期: 2022-07-25

基金资助

国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”(2016ZX05004-002)

中国石油天然气股份有限公司直属院所基础研究和战略储备技术研究基金(2018D-5008-03)

中国石油天然气股份有限公司科技项目“深层碳酸盐岩-膏盐岩组合沉积建模、成储机理研究与储层实验技术研究”(2019-5009-16)

收起

Dolomitization evolution and its effects on hydrocarbon reservoir formation from penecontemporaneous to deep burial environment

  • Anjiang SHEN , 1, 2 ,
  • Xianying LUO , 1, 2 ,
  • Anping HU 1, 2 ,
  • Zhanfeng QIAO 1, 2 ,
  • Jie ZHANG 1, 2
Expand
  • 1 PetroChina Hangzhou Institute of Petroleum Geology, Hangzhou 310023, China
  • 2 Key Laboratory of Carbonate Reservoirs, CNPC, Hangzhou 310023, China

Received date: 2022-02-14

  Revised date: 2022-06-23

  Online published: 2022-07-25

Fold

摘要

以塔里木、四川和鄂尔多斯盆地多层系白云岩为研究对象,应用矿物岩石学分析、团簇同位素测温及U-Pb同位素测年等技术手段,开展白云石化路径及其成储效应研究。识别出保留原岩结构白云岩（微生物结构和泥晶结构）、埋藏交代白云岩Ⅰ（半自形—自形细、中、粗晶结构）、埋藏交代白云岩Ⅱ（他形—半自形细、中、粗晶结构）、埋藏沉淀白云石、粗晶鞍状白云石5种结构组分。前3者以岩石的形式存在,后两者以充填孔洞和裂缝的白云石矿物形式存在,并建立了5种白云岩结构矿物岩石学和地球化学特征识别图版。基于5种白云石结构组分的识别,建立了白云岩保持型、白云岩改造型和灰岩埋藏白云石化型等3类储集层的6种白云石化路径。白云石化前的原岩初始孔隙和白云石化路径是控制白云岩储集层发育的关键因素,白云岩保持型和白云岩改造型白云石化路径的成储效应最佳,且发育分布具有相控性和规模性特征,是深层碳酸盐岩油气勘探的首选对象。

关键词： 白云石化作用; 白云石化路径; 白云岩储集层; 碳酸盐岩; 准同生环境; 埋藏环境; 白云岩成因; 识别图版

本文引用格式

沈安江 , 罗宪婴 , 胡安平 , 乔占峰 , 张杰 . 从准同生到埋藏环境的白云石化路径及其成储效应[J]. 石油勘探与开发, 2022 , 49(4) : 637 -647 . DOI: 10.11698/PED.20220114

Abstract

Aiming at the scientific problem that only part of dolomite acts as dolomite reservoir, this paper takes the multiple dolomite-bearing formations in the Tarim, Sichuan and Ordos basins as the study object, by means of mineral petrological analysis and geochemical methods including carbonate clumped isotope, U-Pb isotopic dating, etc., to rebuild the dolomitization pathway and evaluate its effects on reservoir formation. On the basis of detailed rock thin section observation, five dolomitic structural components are identified, including original fabric-retained dolomite (microbial and/or micrite structure), buried metasomatic dolomite I (subhedral-euhedral fine, medium and coarse crystalline structure), buried metasomatic dolomite II (allotriomorphic-subhedral fine, medium and coarse crystalline structure), buried precipitation dolomite and coarse crystalline saddle dolomite. Among them, the first three exist in the form of rocks, the latter two occur as dolomite minerals filling in pores and fractures. The corresponding petrological and geochemical identification templates for them are established. Based on the identification of the five dolomitic structural components, six dolomitization pathways for three types of reservoirs (preserved dolomite, reworked dolomite and limestone buried dolomitization) are distinguished. The initial porosity of the original rock before dolomitization and the dolomitization pathway are the main factors controlling the development of dolomite reservoirs. The preserved dolomite and reworked dolomite types have the most favorable dolomitization pathway for reservoir formation, and are large scale and controlled by sedimentary facies in development and distribution, making them the first choices for oil and gas exploration in deep carbonate formations.

Key words： dolomitization; dolomitization pathway; dolomite reservoir; carbonates; penecontemporaneous environment; burial environment; dolomite genesis; identification template

0 引言

白云岩是非常重要的油气储集层,据全球226个大中型及以上碳酸盐岩油气田（占全球碳酸盐岩油气储量的90%）的统计[1],前寒武系—下古生界及三叠系碳酸盐岩油气田几乎全为白云岩储集层,上古生界和侏罗系碳酸盐岩油气田白云岩储集层和灰岩储集层的比例相当,白垩系和第三系则以灰岩储集层为主。
正因为白云岩储集层具有重要的油气勘探价值,白云岩成因多年来一直是研究热点,许多学者提出了很多白云石化模式[2⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-10]。不管有多少种白云石化模式,白云石化作用不外乎发生于两个阶段[11]：准同生阶段及埋藏阶段。准同生阶段的白云石化主要与干旱气候背景有关,形成的白云岩往往保留原岩结构;埋藏阶段的白云石化主要与深部富镁成岩介质有关,形成的白云岩往往为细晶级以上的晶粒白云岩,原岩为灰岩或准同生阶段形成的白云岩。
白云岩的成因不能等同于白云岩储集层的成因,因为并不是所有的白云岩都是储集层。白云石化在孔隙建造中的作用,长期以来都是争论的焦点[12⇓-14]。由于前寒武系—下古生界储集层大多发育于白云岩中,很多学者[6⇓-8]都认为白云岩储集层中的孔隙是白云石化作用的产物,但这无法解释同样发生了白云石化的致密白云岩问题。近几年有学者[9,15 -16]提出白云岩储集层中的孔隙主要是对原岩孔隙的继承和调整,而非白云石化作用,但这无法解释同样是多孔的礁滩相沉积,白云石化后有的孔隙得到了很好地继承,如川中古隆起震旦系灯影组微生物白云岩储集层、元坝地区二叠系长兴组礁滩白云岩储集层,而有的白云石化后则成为致密白云岩,如塔里木盆地奥陶系鹰山组、四川盆地二叠系栖霞组和茅口组等。白云岩形成过程及其成储效应不明确,导致储集层预测思路不清,成为勘探失利的重要因素之一。
本文通过地质和储集层地球化学分析相结合的方法,开展不同白云石成岩组构的产状和镜下显微特征、白云石有序度、激光碳氧稳定同位素组成、锶同位素、微量稀土元素、激光U-Pb同位素测年和团簇同位素测温等分析测试,研究从准同生到埋藏环境的白云石化路径和成储效应,建立了白云石化路径识别图版,指出初始孔隙和白云石化路径主控白云岩储集层的发育,为白云岩储集层评价和预测提供了理论依据。

1 样品和方法

1.1 样品特征和产状

在详细的岩石薄片观察基础上,选取以下6类样品：①保留原岩结构的白云岩（见图1a、图1b）,为微生物白云岩和泥粉晶白云岩,原岩结构清晰可辨,样品来自四川盆地峨边先锋剖面、南江杨坝剖面的震旦系灯影组1-2段,塔里木阿克苏地区奇格布拉克剖面震旦系奇格布拉克组,鄂尔多斯盆地靳6井下奥陶统马家沟组;②埋藏交代白云岩Ⅰ（见图1c、图1d）,为细中晶白云岩,白云石多为自形—半自形,经原岩结构恢复后,可见白云石晶体排列受原岩组构约束,部分表现为残余颗粒结构（见图1c、图1d）,样品主要来自塔里木盆地巴楚地区露头剖面蓬莱坝组;③埋藏交代白云岩Ⅱ（见图1e、图1f）,为细中晶—中粗晶白云岩,白云石多为他形—半自形,晶体排列与沉积组构无关,部分白云石晶体内部可识别出原岩结构,样品主要来自塔里木盆地塔东古城601井鹰山组三段;④埋藏沉淀白云石（见图1g）,为充填于孔洞中的白云石晶体,多为自形晶,样品来自四川盆地峨边先锋剖面、南江杨坝剖面的震旦系灯影组1-2段,四川盆地川西北磨溪42井和矿2井栖霞组,为充填于溶蚀孔洞和裂缝中的自形晶细晶白云石;⑤粗晶鞍状白云石（见图1h）,多充填于孔洞中,可伴生石膏、萤石和重晶石等,样品来自四川盆地峨边先锋剖面、南江杨坝剖面的震旦系灯影组1-2段,四川盆地川西北磨溪42井和矿2井栖霞组,充填于溶蚀孔洞和裂缝中;⑥未蚀变生屑粒泥灰岩（见图1i）,样品来自塔里木盆地中古43-1井鹰山组上段。上述样品中的5类白云石基本代表了塔里木、四川和鄂尔多斯盆地白云岩/石的成因类型,未蚀变生屑粒泥灰岩样品的选取是为了设定白云石化前地球化学特征指标,为白云石化前后储集层地球化学特征的对比建立标准。
图1 样品特征和产状

（a）藻叠层白云岩,藻架孔发育,保留原岩结构,上震旦统灯影组二段,南江杨坝剖面,铸体薄片,四川盆地;（b）泥晶白云岩,石盐晶体溶解形成的铸模孔,下奥陶统马家沟组马五4亚段,靳6井,铸体薄片,鄂尔多斯盆地;（c）细晶白云岩,晶间孔发育,下奥陶统蓬莱坝组,巴楚地区永安坝水库剖面,铸体薄片,塔里木盆地;（d）颗粒白云岩,颗粒由细晶白云石构成,粒间孔发育,下奥陶统蓬莱坝组,巴楚地区永安坝水库剖面,普通薄片,塔里木盆地;（e）砂屑灰岩,斑块状白云石化,白云石他形—半自形晶,下奥陶统鹰山组,古城601井,普通薄片,塔里木盆地;（f）中晶白云岩,发育少量晶间孔,白云石他形—半自形晶,下奥陶统鹰山组,古城601井,铸体薄片,塔里木盆地;（g）中粗晶白云岩,溶蚀孔洞中充填自形细晶白云石,中二叠统栖霞组,矿2井,岩心,四川盆地;（h）中粗晶白云岩,溶蚀孔洞中充填鞍状白云石,中二叠统栖霞组,矿2井,岩心,四川盆地;（i）生屑粒泥灰岩,中下奥陶统鹰山组上段,中古43-1井,普通薄片,塔里木盆地

保留原岩结构的白云岩被认为是准同生阶段形成,与干旱蒸发气候背景有关[15-16],结构组分由泥晶白云石构成,如经历埋藏白云石化的叠加改造,晶粒可变粗变大,原岩组构被破坏或残留部分原岩组构。埋藏交代白云岩Ⅰ指埋藏环境富Mg2+成岩介质交代先存白云石,使白云石晶体变粗变大,形成有序度更高、自形程度更好的细中晶白云岩。埋藏交代白云岩Ⅱ指埋藏环境富Mg2+成岩介质交代先存灰岩导致灰岩白云石化形成的白云岩;埋藏沉淀白云石指埋藏环境富Mg2+成岩介质在裂缝或溶蚀孔洞中通过沉淀作用形成的高有序度和高自形程度的白云石[17],以细中晶白云石为主,自身不构成白云岩,围岩为灰岩或白云岩。粗晶鞍状白云石指深部热流体侵入碳酸盐岩地层,在裂缝或溶蚀孔洞中通过沉淀作用形成的高有序度和高自形程度的白云石[17],主要为粗晶白云石,与埋藏沉淀白云石一样,自身不构成白云岩,围岩为灰岩或白云岩。如何区分上述5种成因类型的白云石,尤其是埋藏交代白云岩Ⅰ和埋藏交代白云岩Ⅱ,直接关系到白云岩成储效应评价和有效储集层预测。

1.2 样品制备和测试

在大量露头、岩心和岩石薄片观察的基础上,对选取的6类样品开展白云石有序度、激光碳氧稳定同位素组成、锶同位素组成、Fe/Mn等微量元素、Ce/Eu/Y等稀土元素、激光U-Pb同位素年龄和团簇同位素温度等分析测试。
本文的分析测试严格以结构组分为检测单元,以避免不同成因结构组分的混样。对较大的结构组分样品,用牙钻获取相应质量要求的粉末样品,对较小的结构组分样品,用微钻获取相应质量要求的粉末样品。溶液法测试时粉末样品的化学前处理在中国石油集团碳酸盐岩储层超净实验室完成。对于更小的结构组分,采用激光法测试,薄片厚100 μm。

2 测试结果

本文重点论述保留原岩结构白云岩、埋藏交代白云岩Ⅰ、埋藏交代白云岩Ⅱ、埋藏沉淀白云石、粗晶鞍状白云石和未蚀变生屑粒泥灰岩等6类结构组分的地球化学特征及差异,据此建立地质和地球化学特征识别图版。

2.1 白云石有序度

白云石有序度反映白云石的形成环境和晶体生长速度[18]。本文中5种白云石结构组分的有序度呈现明显的变化规律（见图2a）。保留原岩结构白云岩的有序度普遍小于0.5,氧同位素组成为0~5‰,代表早期低温蒸发环境高盐度介质中沉淀或交代成因的白云石,往往因富Ca2+浓度和高晶体生长速率,有序度低。埋藏交代白云岩Ⅰ的有序度平均为0.8,大于埋藏交代白云岩Ⅱ的有序度（平均0.65）,氧同位素组成差异不大,为-10‰~5‰,反映两者形成的温度相近。有序度高低不但与Mg2+和晶体生长速度有关,还与原岩Mg2+及初始有序度有关,在漫长地质历史过程中,低有序度白云石经历交代和重结晶作用后,可使有序度升高[18],埋藏交代白云岩Ⅰ的原岩可能为有一定初始Mg2+浓度和有序度的白云岩,埋藏交代白云岩Ⅱ的原岩可能为灰岩。埋藏沉淀白云石和粗晶鞍状白云石的有序度普遍较高,为0.8~1.0,且对应明显偏负值的氧同位素组成（小于-10‰）,反映是从高温富Mg2+成岩介质中缓慢且直接沉淀的产物。
图2 不同成因类型白云石地球化学特征识别图版
总之,早期低温沉淀或交代成因的白云石,往往因富Ca2+浓度和高晶体生长速率,有序度低。埋藏环境高温沉淀或交代的白云石,往往因富Mg2+和低晶体生长速率,有序度更高。

2.2 碳氧同位素组成

碳氧同位素组成是推测成岩矿物的成岩介质属性和温压条件的重要手段[19]。6种碳酸岩结构组分的碳氧同位素组成呈现明显的规律性特征（见图2b）。碳同位素组成整体变化不大,表现为低负值—低正值。未蚀变生屑粒泥灰岩、保留原岩结构白云岩的氧同位素组成也整体表现为低负值—低正值,与准同生期海水胶结物的碳氧同位素值相近[20]。埋藏交代白云岩Ⅰ和埋藏交代白云岩Ⅱ的氧同位素组成整体为-10‰~-5‰,与埋藏胶结物的碳氧同位素组成值相近[20],但埋藏交代白云岩Ⅰ的碳同位素为低负值,而埋藏交代白云岩Ⅱ的碳同位素为低正值。两类白云石碳同位素组成的差异可能与埋藏交代白云石化前的原岩有关。原岩为白云岩时,碳同位素组成表现为低负值;原岩为灰岩时,残留在生屑粒泥灰岩中的有机质发酵,导致碳同位素组成明显表现为正值[20]。埋藏沉淀白云石和粗晶鞍状白云石氧同位素组成整体表现为高负值,前者范围为-15‰~-10‰,后者范围为-20‰~-15‰。
总之,氧同位素组成变化与温度及分馏作用相关,温度升高可以导致氧同位素组成明显负偏移,碳同位素组成变化与温度关系不大,主要取决于生物分馏作用、水体中碳同位素成分、有机质的分解作用[13]。

2.3 锶同位素组成

锶同位素比值可用于判断成岩矿物的成岩介质属性和年代意义[19,21 -22]。6种碳酸盐矿物结构组分的锶同位素比值呈现明显的变化规律（见图2c）。未蚀变生屑粒泥灰岩、保留原岩结构白云岩的锶同位素值整体偏低（87Sr/86Sr值小于0.709）,代表了同期海水87Sr/86Sr的期望值[22]。埋藏交代白云岩Ⅰ和埋藏交代白云岩Ⅱ的锶同位素比值明显偏高,显然与成岩介质富锶和分馏效应有关,油田卤水和地下深处埋藏水的Sr含量普遍高于海水,但埋藏交代白云岩Ⅱ和未蚀变生屑粒泥灰岩的锶同位素值更相近,可能与原岩为灰岩有关。埋藏沉淀白云石和粗晶鞍状白云石的锶同位素高度富集,前者锶同位素比值整体为0.710~0.711,后者整体为0.711~0.712,同样与成岩介质富锶和分馏效应有关,尤其是地幔物质及产物富含放射性同位素（尤其是87Rb）时,均可使成岩介质的87Sr高度富集,并通过分馏作用体现在成岩产物上。
总之,成岩矿物锶同位素含量主要受控于成岩介质锶的含量和分馏效应,未蚀变生屑粒泥灰岩、保留原岩结构的早期白云岩锶同位素值与同期海水相当,埋藏交代白云岩锶含量普遍高于海水值,埋藏沉淀白云石和粗晶鞍状白云石锶同位素高度富集。

2.4 微量稀土元素

微量稀土元素可示踪沉积、成岩产物的介质特征和氧化还原环境[23⇓⇓⇓-27]。本文以塔里木盆地中下奥陶统蓬莱坝组和鹰山组下段白云岩为例,阐述两类白云岩的微量稀土元素特征,建立识别图版。前者被认为属埋藏交代白云岩Ⅰ,后者被认为属埋藏交代白云岩Ⅱ[28-29]。两者白云石有序度、碳氧稳定同位素组成和锶同位素组成特征见图2,其具有明显差异。
蓬莱坝组和鹰山组下段白云石微量元素特征具有明显差异（见图3a）。鹰山组下段白云石Mg/Ca值普遍偏低,小于0.6,Mn/Fe值为0.005~0.025,与晶粒大小无关,这与图2a的低有序度特征一致,即使是鹰山组上段的灰岩,Mg/Ca值也能达到0.2,说明已经发生微弱的白云石化,这说明埋藏交代白云石化是在早期弱白云石化灰岩基础上的进一步叠加改造,埋藏交代白云石化前的原岩为灰岩。蓬莱坝组白云石Mg/Ca值普遍偏高,大于0.6,这与图2a的高有序度特征一致,与晶粒大小无关;Mn/Fe值与鹰山组下段白云石相比,不但跨度大,范围为0~0.035,而且与晶粒大小有关,细晶白云石的Mn/Fe值明显低于中晶白云石,埋藏交代白云石化过程中随白云石晶体粒度加大,Mn元素发生富集。蓬莱坝组灰岩的Mg/Ca值几乎为零,这说明埋藏交代白云石化的原岩不是灰岩。
图3 埋藏交代白云岩Ⅰ和埋藏交代白云岩Ⅱ的微量和稀土元素特征
蓬莱坝组和鹰山组下段白云石稀土元素特征具有明显差异（见图3b、图3c）。蓬莱坝组和鹰山组下段白云石稀土元素的配分型式完全不同,总体表现为蓬莱坝组白云石富稀土元素, 鹰山组下段白云石轻稀土元素（见图3b）。在表生氧化环境下,Ce3+很容易被氧化成难溶的Ce4+,出现Ce负异常,在埋藏还原环境中,随温度升高,Ce3+易被还原为难溶解的Ce2+,使Ce富集出现正异常,Eu、Gd、Dy和Ho则表现出与Ce完全不同的地球化学特征,如在表生氧化环境,Eu3+易被氧化为难溶解的Eu4+,出现Eu正异常[30]。蓬莱坝组白云岩Eu、Gd、Dy、Ho元素的正异常说明白云石化起始于表生氧化环境,而鹰山组下段白云岩Eu、Gd、Dy、Ho元素的负异常恰恰说明白云石化起始于埋藏还原环境。蓬莱坝组和鹰山组下段白云石Eu/Eu*、Ce/Ce*值也具有明显差异（见图3c）,蓬莱坝组白云石的Eu/Eu*值小于1.0,Ce/Ce*值大于1.0,而鹰山组下段白云石的Eu/Eu*值大于1.0,Ce/Ce*值小于1.0,同样反映前者为氧化的白云石化环境,后者为还原的白云石化环境。两种埋藏交代白云石稀土元素的差异主要体现在含量上,配分型式相似,这与埋藏白云岩的成因有关。无论是埋藏交代白云岩Ⅰ还是埋藏交代白云岩Ⅱ,都不是早期成因的,而是埋藏白云石化作用的产物,其稀土配分型式已不受古海洋环境的控制。两种埋藏交代白云石稀土配分型式的相似性与埋藏环境分馏机理的相似性有关,含量的不同则与成岩介质含量的差异有关。

2.5 团簇同位素温度

团簇同位素（Δ47）是近十几年新兴的一种同位素地球化学指标,对温度效应非常敏感,是新型碳酸盐矿物温度计,被广泛用于古温度重建和成岩流体示踪研究[31⇓⇓⇓⇓-36]。本文重点开展了保留原岩结构白云岩、埋藏沉淀白云石、粗晶鞍状白云石和未蚀变生屑粒泥灰岩4种结构组分的团簇同位素测试工作（见图4）。保留原岩结构白云岩的团簇同位素温度较低,与未蚀变生屑粒泥灰岩的团簇同位素温度相当,基本代表了沉积或极浅埋藏成岩环境的温度,反映白云石化发生于早期。埋藏沉淀白云石具有较高的团簇同位素温度或包裹体均一温度（125~171 ℃）,粗晶鞍状白云石具有更高的团簇同位素温度或包裹体均一温度（172~230 ℃）,反映两者不但形成于较深的埋藏成岩环境,而且具有多期次性。
图4 不同结构组分团簇同位素温度直方图

2.6 激光U-Pb同位素年龄

激光U-Pb定年技术近年取得长足进步,可准确限定碳酸盐矿物的形成或改造年龄,为限定白云石化作用发生以及白云石重结晶的绝对年龄,并根据其与地层年龄的相关关系判断成岩阶段提供了良好的约束[37]。本文对5种白云石结构组分别开展了激光U-Pb同位素测年,结果见表1。保留原岩结构白云岩的同位素年龄与地层年龄（埃迪卡拉系,距今时间大于542 Ma）相当,这说明白云石化发生在早期。埋藏交代白云岩Ⅰ或Ⅱ的同位素年龄有可能代表地层的年龄,也有可能代表白云石化的年龄,也有可能介于两者之间。从测试结果分析,细中晶白云石的年龄更接近于埋藏交代白云石化的年龄,而且是晚期的,泥粉晶白云石的年龄更接近于地层年龄。埋藏沉淀白云石和粗晶鞍状白云石的同位素年龄应该代表白云石晶体的形成年龄,从解剖实例测试结果分析,它们均晚于地层年龄,并具有多期次性,与多期次的构造旋回和热液活动有关。
表1 5种白云石结构组分激光U-Pb同位素年龄
结构组分 样品编号 产地 层位 产状 年龄/Ma
保留原岩
结构白云岩		 XF-Z2dn1-B1① 四川峨边先锋剖面 灯影组一段 围岩：藻纹层泥晶白云石 584±26
YB-Z2dn2-B7① 四川南江杨坝剖面 灯影组二段 592±24
Q-58-1-2① 塔里木阿克苏地区
奇格布拉克剖面		 震旦系奇格布拉克组 围岩：泥晶白云石 576±16
Q-76-1① 560±26
埋藏交代
白云岩Ⅰ		 y-jp4-9 塔里木巴楚地区
永安坝水库剖面		 蓬莱坝组 细中晶白云岩 428±22
埋藏交代
白云岩Ⅱ		 Tlm-GC601-3 塔里木盆地塔东
古城601井		 鹰山组下段 泥粉晶白云岩 474±11
Tlm-GC601-4 467±19
Tlm-GC601-6 鹰山组下段 细晶白云岩 429±26
埋藏沉淀
白云石		 YB-Z2dn2-B2① 四川南江杨坝剖面 灯影组二段 充填于溶蚀孔洞中的自形晶细—
中晶白云石		 487±21
K2-18 川西北地区矿2井 栖霞组 235±7.7
MX42-11 川西北磨溪42井 栖霞组 247±11
粗晶鞍状
白云石		 YB-Z2dn2-B7① 四川南江杨坝剖面 灯影组二段 充填于溶蚀孔洞及裂缝中的鞍状白云石 268±45
XF-Z2dn1-B3 四川峨边先锋剖面 灯影组一段 充填于溶蚀孔洞及裂缝中的鞍状白云石 115±69
YB-Z2dn2-B2① 四川南江杨坝剖面 灯影组二段 91±83
K2-11 川西北地区矿2井 栖霞组 198±43
K2-18 川西北地区矿2井 栖霞组 234±9.0

3 讨论

以下重点讨论从准同生到埋藏环境的白云石化路径及其成储效应问题,这对白云岩储集层分布规律认识和预测具重要指导意义。

3.1 不同白云石成因结构组分识别图版

综合上述地质特征和产状、地球化学特征、团簇同位素温度（或包裹体均一温度）和U-Pb同位素年龄,建立了5种白云石成因结构组分的识别图版（见表2、图1—图4）。
表2 5种白云石结构组分的地质和地球化学特征
结构
组分		 地质特征
和产状		 地球化学特征 均一温度/
Δ47温度		 U-Pb同位素
年龄
有序度 碳氧同位素
组成		 锶同位素比值
（87Sr/86Sr）		 微量和稀土元素
保留原岩
结构白云岩		 保留原岩结构,
结构组分由泥晶白云石构成		 小于0.5 δ18O为-5‰~0,
δ13C为低负值—
低正值		 小于
0.709		 低温（地表—极浅埋藏） 与地层年龄相当,近似于白云石化年龄
埋藏交代
白云岩Ⅰ		 细、中、粗晶半
自形—自形晶
白云岩		 0.8 δ18O为-10‰~
-5‰,δ13C为
低负值		 0.708 0~
0.710 5		 Mg/Ca值大于0.6,
Mn/Fe值为0~0.035,
Ce负异常,
Eu、Gd、Dy、Ho正异常,
Eu3+/Eu4+值大于2.0,Y/Ho值小于1.0		 包裹体少见,Δ47温度不代表埋藏白云石的形成温度 介于地层年龄和白云石化年龄之间,晶粒越粗越接近白云石化年龄
埋藏交代
白云岩Ⅱ		 细、中、粗晶他
形—半自形晶
白云岩		 0.65 δ18O为-10‰~
-5‰,δ13C为
低正值		 0.708~
0.710		 Mg/Ca值小于0.6,
Mn/Fe值为0.005~0.025,
Ce正异常,
Eu、Gd、Dy、Ho异负常,
Eu3+/Eu4+值小于2.0,Y/Ho值大于1.0		 包裹体少见,Δ47温度不代表埋藏白云石的形成温度
埋藏沉淀
白云石		 细—中晶自形
晶白云石,充填
于裂缝及孔洞中		 0.8~0.9 δ18O为-15‰~-10‰,δ13C为
低负值—低正值		 0.710~
0.711		 中高温多期
（100~180 ℃）		 代表白云石沉淀的年龄,多期
粗晶鞍状
白云石		 粗晶自形晶白
云石,充填于
裂缝及孔洞中		 0.9~1.0 δ18O为-20‰~
-15‰,δ13C为
低负值—低正值		 0.711~
0.712		 高温多期
（160~240 ℃）		 代表白云石沉淀的年龄,多期
自然界白云石（岩）主要发育以上5种成因类型的结构组分,虽然具有期次性,但其地质特征和产状、地球化学特征、形成温度和年龄均具专属性,是可以识别的。不同成因结构组分白云石的识别为白云石化路径和成储效应研究奠定了基础。

3.2 白云石化路径及成储效应评价

上述5种白云石结构组分中,保留原岩结构白云岩、埋藏交代白云岩Ⅰ和埋藏交代白云岩Ⅱ以岩石的形式存在,尽管可能经历多期次的埋藏交代白云石化作用,形成不同粒级（细晶、中晶、粗晶）的白云岩,而埋藏沉淀白云石和粗晶鞍状白云石是在埋藏环境从成岩介质中直接沉淀出来的,主要以矿物的形式充填于岩石的粒间孔、裂缝和孔洞中,本身不构成岩石,白云石矿物的载体可以是灰岩,也可以是白云岩。尽管解剖案例中埋藏沉淀白云石和热液相关鞍状白云石的沉淀时间远晚于地层年龄,但是理论上而言,埋藏沉淀白云石和热液相关的鞍状白云石只要在合适的条件下即可沉淀,如热液白云石沉淀只需热液进入地层即可发生,与埋藏深度和时间无关,并且可能存在多期次。据此,建立了从准同生到埋藏环境的3类6种白云石化成岩路径（见表3）,为白云石化成储效应评价奠定了基础。
表3 3类6种白云石化成岩路径及成储效应评价[15-16,38 -39]
白云石化路径 白云石化的成储效应 储集层特征 储集层评价
白云岩保持型 保留原岩结构白云岩 干旱气候背景缺方解石胶结物,有利于原生孔保存;易于
发生同沉积期暴露和石膏等易溶矿物的溶解形成次生孔;
早期白云石化有利于埋藏期孔隙的保存;有利于TSR作用
的发生以形成埋藏溶蚀孔洞		 礁（丘）滩白云岩、
膏云岩（泥晶）,格架
孔、粒间孔、膏模孔		 Ⅰ
保留原岩结构白云岩→埋藏沉淀/
粗晶鞍状白云石		 Ⅰ—Ⅱ
白云岩改造型 保留原岩结构白云岩→
埋藏交代白云岩Ⅰ		 原岩（白云岩）有较高的初始孔隙度和渗透率;埋藏交代白
云石化作用使初始孔隙得以继承和调整;晶粒白云岩脆性抗
压实有利于孔隙的保存和裂缝、砾间孔缝的发育;埋藏溶蚀
改造有利于埋藏溶蚀孔洞的发育		 细晶、中晶、粗晶白云
岩,半自形—自形晶,
残留部分原岩结构,晶
间孔及晶间溶孔、裂缝		 Ⅰ
保留原岩结构白云岩→埋藏交代白云岩Ⅰ→埋藏沉淀/粗晶鞍状白云石 Ⅰ—Ⅱ
灰岩埋藏白云石化型 灰岩→埋藏交代白云岩Ⅱ 灰岩埋藏过程中发生的压溶作用初始孔隙大多被充填,原岩
物性差;埋藏交代白云石化不新增孔隙;晶粒白云岩脆性抗
压实有利于裂缝、砾间孔缝的发育;埋藏溶蚀改造有利于埋
藏溶蚀孔洞的发育		 细晶、中晶、粗晶白云
岩,他形—半自形晶,
残留部分原岩结构,晶
间孔及晶间溶孔、裂缝		 Ⅲ—Ⅳ
灰岩→埋藏交代白云岩Ⅱ→
埋藏沉淀/粗晶鞍状白云石		 Ⅲ—Ⅳ
由于白云岩储集层的孔隙是对原岩孔隙的继承和调整,白云石化本身对孔隙新增的贡献不大,但早期白云石化导致岩石具较强的抗压实和压溶能力,有利于先存孔隙的保存[16],因此,白云石化前的原岩初始孔隙和白云石化路径主控白云岩储集层的发育[40]。这很好地解释了白云岩保持型和白云岩改造型白云石化路径的成储效应最佳的原因,灰岩埋藏白云石化型往往因埋藏白云石化之前,灰岩经历压实和压溶作用,初始孔隙消失殆尽,加上白云石化作用对孔隙新增的贡献不大,难以形成有效储集层（见图5）。
图5 白云石化路径的成储效应模式图
白云岩保持型储集层的典型代表有四川盆地震旦系灯影组、塔里木盆地寒武系肖尔布拉克组和鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组上组合,均为优质储集层,基本未见埋藏交代白云石化的叠加改造,孔隙主要以沉积原生孔和早表生溶孔为主,埋藏和热液溶蚀作用可以形成少量溶蚀孔洞,但不是主要贡献者,同时热液矿物（包括埋藏沉淀白云石和粗晶鞍状白云石）的充填是破坏孔隙的。初始孔隙得以保持,应主要归功于早期白云石化。
白云岩改造型储集层的典型代表有塔里木盆地蓬莱坝组、四川盆地栖霞组与长兴组—飞仙关组和鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组中下组合,均为优质储集层,虽然经历了埋藏交代白云石化的叠加改造,形成了晶间孔、晶间溶孔,但这些孔隙主要是对原岩初始孔隙的继承和调整,是储集空间的主要贡献者,埋藏和热液溶蚀作用可以形成少量溶蚀孔洞,但先存孔隙是基础,同时热液矿物（包括埋藏沉淀白云石和粗晶鞍状白云石）的充填是破坏孔隙的。
灰岩埋藏白云石化型储集层的典型代表有塔东鹰山组下段、四川盆地茅口组,其与白云岩改造型储集层的最大区别是经历埋藏交代白云石化叠加改造前,因灰岩（尤其是古老灰岩地层）的压实和压溶作用,原岩的初始孔隙已基本消失殆尽,即使后期再经历埋藏和热液溶蚀作用可以形成少量溶蚀孔洞,甚至局部富集,但也很难形成规模优质储集层。
综上所述,5种白云石结构组分地质和地球化学识别图版的建立为白云石化路径的判识奠定了基础,不同白云石化路径的成储效应不同,白云岩保持型和白云岩改造型白云石化路径的成储效应最佳。这很好地解释了高初始孔隙度礁滩灰岩,同样都发生了白云石化,有的成为优质白云岩储集层,有的则为致密白云岩的科学问题,指出初始孔隙和白云石化路径主控白云岩储集层的发育,从而很好地解释了灰岩经历白云石化后有的成为优质白云岩储集层,有的则为致密白云岩的现象。

3.3 白云石化路径的油气地质意义

白云石化路径对白云岩乃至白云岩储集层的形成和发育分布具有重要控制作用,影响相关领域的勘探方向确定。中国3大克拉通盆地白云岩均具有年代老、改造强的特点,除四川盆地震旦系灯影组、长兴组和飞仙关组、塔里木盆地寒武系肖尔布拉克组和鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组等部分地层中发育保留原岩结构白云岩及白云岩保持型储集层之外,相当一部分准同生白云岩和灰岩在埋藏期又经历了复杂的白云石化作用改造,或准同生白云岩转变为白云岩改造型,或者形成了灰岩埋藏白云石化型,二者均表现为晶粒白云岩[41-42]。由于传统上对白云石化路径认识不够深刻,导致勘探经历了一定的挫折,如四川盆地栖霞组。以往根据白云石晶体粗大,鞍状白云石发育,认为四川盆地栖霞组白云岩是单一的热液白云岩成因,因此,勘探主要围绕着大型断裂展开,效果欠佳。后期通过岩石学与地球化学手段结合研究,认识到所谓的晶粒白云岩经原岩结构恢复后为颗粒白云岩,白云石晶体排列受到了原岩结构的约束,围岩的U-Pb年龄与孔洞中充填方解石的U-Pb年龄差异明显[43],均显示晶粒白云岩为准同生期白云岩在埋藏期经过白云石化作用进一步改造而形成,为典型白云岩改造型。由于准同生颗粒白云岩主要发育于高能丘滩相带,自此而形成的白云岩改造型也具有明显的相控性,尽管由于埋藏沉淀白云石对部分孔隙可能造成一定充填,储集层非均质性加强,但是总体上储集层发育的基础为高能丘滩带。因此,油气勘探方向应围绕高能丘滩相带展开。根据该思路,在岩相古地理研究的基础上,进行白云岩储集层预测,在四川盆地陆续取得了角探1井、平探1井等一系列突破,使得栖霞组勘探摆脱了断裂的约束。相对地,塔里木盆地塔东地区鹰山组的勘探中,前期以滩相颗粒白云岩为勘探思路一直效果欠佳,主要原因可能在于其属于灰岩埋藏白云石化型,埋藏白云石化作用发生的时候灰岩已经过矿物稳定化并且在浅埋藏沉积期基质孔丢失严重,白云石化作用主要表现为对先期孔隙的充填,储集层的形成和发育主要受控于晚期沿断裂发生的热液白云石化和溶蚀改造,因此发现井均位于沿断裂附近。
总之,对于古老白云岩的成因判断中,不能仅以晶体特征和地球化学特征判定,应充分考虑白云岩所经历的完整形成路径,进而判定白云岩及白云岩储集层的发育分布规律,才能为油气勘探方向提供更可靠的指导。

4 结论

在详细岩石薄片观察基础上,识别出保留原岩结构白云岩（泥晶结构）、埋藏交代白云岩Ⅰ（半自形—自形细、中、粗晶结构）、埋藏交代白云岩Ⅱ（他形—半自形细、中、粗晶结构）、埋藏沉淀白云石和粗晶鞍状白云石5种结构组分,前3者以岩石的形式存在,后两者以充填孔洞和裂缝的白云石矿物形式存在,并分别建立了地质和地球化学特征识别图版。基于5种白云石结构组分的岩石学与地球化学特征揭示的成岩改造序列,建立了从准同生期到埋藏期白云岩形成演化过程中存在的3类白云石化路径,即白云岩保持型、白云岩改造型和灰岩埋藏白云石化型,进一步细分出6种白云石化路径,不同路径下形成的白云岩/白云石在岩石学、矿物学和地球化学特征以及宏观发育分布上存在明显差异。指出白云石化前的原岩初始孔隙和白云石化路径主控白云岩储集层的发育,白云岩保持型和白云岩改造型白云石化路径的成储效应最佳,因为白云岩储集层的孔隙是对原岩孔隙的继承和调整,早期白云石化有利于原岩初始孔隙的保存,储集层发育具有相控性和规模性,为深层油气勘探的首选对象。

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