石油勘探与开发 >

2023 , Vol. 50 >Issue 1: 38 - 50

DOI: https://doi.org/10.11698/PED.20220219

油气勘探

准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组白云质岩储集层白云石成因

  • 唐勇 , 1 ,
  • 吕正祥 , 2, 3 ,
  • 何文军 4 ,
  • 卿元华 5 ,
  • 李响 2 ,
  • 宋修章 2, 6 ,
  • 杨森 4 ,
  • 曹勤明 2, 7 ,
  • 钱永新 4 ,
  • 赵辛楣 4
展开
  • 1.中国石油新疆油田公司，新疆克拉玛依 834000
  • 2.成都理工大学能源学院，成都 610059
  • 3.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室 成都理工大学，成都 610059
  • 4.中国石油新疆油田公司勘探开发研究院，新疆克拉玛依 834000
  • 5.成都师范学院史地与旅游学院，成都 611130
  • 6.中海油能源发展股份有限公司工程技术公司中海油实验中心，天津 300450
  • 7.中国石油化工股份有限公司西南油气公司，成都 610041
吕正祥（1965-），男，重庆永川人，博士，成都理工大学能源学院教授，主要从事油气地质研究工作。地址：四川省成都市成华区二仙桥东三路1号，邮政编码：610059。E-mail:

唐勇（1967-），男，重庆合川人，博士，中国石油新疆油田分公司教授级高级工程师，主要从事地质综合研究与风险勘探工作。地址：新疆克拉玛依市，中国石油新疆油田分公司，邮政编码：834000。E-mail:

收稿日期: 2022-03-25

  修回日期: 2022-12-22

  网络出版日期: 2023-01-12

基金资助

国家油气重大专项“准噶尔盆地致密油形成条件

资源潜力及有利区优选”(2016ZX05046-006)

收起

Origin of dolomites in the Permian dolomitic reservoirs of Fengcheng Formation in Mahu Sag, Junggar Basin, NW China

  • TANG Yong , 1 ,
  • LYU Zhengxiang , 2, 3 ,
  • HE Wenjun 4 ,
  • QING Yuanhua 5 ,
  • LI Xiang 2 ,
  • SONG Xiuzhang 2, 6 ,
  • YANG Sen 4 ,
  • CAO Qinming 2, 7 ,
  • QIAN Yongxin 4 ,
  • ZHAO Xinmei 4
Expand
  • 1. PetroChina Xinjiang Oilfield Company, Karamay 834000, China
  • 2. College of Energy Resources, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China
  • 3. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China
  • 4. Petroleum Exploration and Development Institute, PetroChina Xinjiang Oilfield Company, Karamay 834000, China
  • 5. School of History and Geography, Chengdu Normal University, Chengdu 611130, China
  • 6. CNOOC Experimental Center, CNOOC EnerTech-Drilling & Production Co., Tianjin 300450, China
  • 7. Sinopec Southwest Oil & Gas Company, Chengdu 610041, China

Received date: 2022-03-25

  Revised date: 2022-12-22

  Online published: 2023-01-12

Fold

摘要

针对准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组白云质岩储集层中自生白云石成因认识不清的问题，利用偏光、荧光薄片鉴定，扫描电镜分析，电子探针分析，碳、氧、锶同位素组成分析等技术，对玛湖凹陷风城组白云质岩中白云石赋存特征及成因演化进行深入研究。研究表明：①白云石发育准同生—浅埋藏期、中埋藏期和中—深埋藏期3期，主要形成于中二叠世早期的准同生—浅埋藏环境，其次是中二叠世中期的中埋藏环境。②白云石化流体为碱湖沉积背景下的高盐度咸水，准同生—浅埋藏期Mg2+主要由碱湖流体、火山玻璃脱玻化供给，中埋藏期Mg2+主要来自于黏土矿物转化、火山玻璃脱玻化以及长石等铝硅酸盐的溶蚀。③白云石生长过程中由早到晚Mg、Mn、Fe、Sr、Si等元素有规律的变化，主要与碱湖流体以及埋藏过程中风城组火山物质脱玻化、成岩蚀变的影响程度不同有关。④在碱湖微生物诱导作用下，准同生期泥晶—微晶白云石通过原生沉淀以及交代文石、高镁方解石等形成；浅埋藏期粉晶白云石主要由泥晶—微晶白云石的持续生长以及方解石、凝灰质等交代形成；中埋藏期白云石以粉晶、细晶为主，主要由白云石化流体对火山物质的交代形成。研究结果对玛湖凹陷及其他类似含油气区域白云石质致密储集层形成机理、发育规律的研究有一定借鉴意义。

关键词： 白云岩; 白云石成因; 致密油储集层; 二叠系风城组; 玛湖凹陷; 准噶尔盆地; 流体来源; 流体演化; 同位素组成

本文引用格式

唐勇 , 吕正祥 , 何文军 , 卿元华 , 李响 , 宋修章 , 杨森 , 曹勤明 , 钱永新 , 赵辛楣 . 准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组白云质岩储集层白云石成因[J]. 石油勘探与开发, 2023 , 50(1) : 38 -50 . DOI: 10.11698/PED.20220219

Abstract

The origin of authigenic dolomites in the dolomitic reservoir of the Permian Fengcheng Formation in the Mahu Sag, the Junggar Basin, is unclear. The occurrence and genetic evolution of such authigenic dolomites in the dolomitic rock reservoir of the Fengcheng Formation in Mahu Sag were analyzed by polarized and fluorescence thin sections, scanning electron microscope (SEM) analysis, electron microprobe (EMP) analysis, C, O and Sr isotopes analysis, and other techniques. (1) Dolomites were mainly precipitated in three stages: penecontemporaneous-shallow burial stage (early stage of Middle Permian), middle burial stage (middle stage of Middle Permian), and middle-deep burial stage, with the former two stages in dominance. (2) The dolomitization fluid was high-salinity brine in the alkaline-lake sedimentary setting. In the penecontemporaneous-shallow burial stage, Mg2+ was mainly supplied by alkaline-lake fluid and devitrification of volcanic glass. In the middle burial stage, Mg2+ mainly came from the transformation of clay minerals, devitrification of volcanic glass and dissolution of aluminosilicates such as feldspar. (3) The regular changes of Mg, Mn, Fe, Sr, Si and other elements during the growth of dolomite were mainly related to the alkaline-lake fluid, and the different influences of devitrification and diagenetic alteration of volcanic materials in the Fengcheng Formation during the burial. (4) Induced by alkaline-lake microorganisms, in the penecontemporaneous stage, the micritic-microcrystalline dolomites were formed by primary precipitation, replacement of aragonite and high-Mg calcite, and other processes; in the shallow burial stage, the silt-sized dolomite was formed by the continuous growth of micritic-microcrystalline dolomite and replacement of calcite, tuffs and other substances; in the middle burial stage, the dolomite, mainly silt- and fine-sized, was formed by the replacement of volcanic materials by dolomitization fluid. The research results are referential for investigating the formation mechanism and distribution patterns of tight dolomitic reservoirs in the Mahu Sag and other similar oil and gas bearing areas.

Key words： dolomitic rock; dolomites origin; tight oil reservoir; Permian Fengcheng Formation; Mahu Sag; Junggar Basin; fluid source; fluid evolution; isotopic composition

0 引言

准噶尔盆地玛湖凹陷下二叠统风城组（P1f）源内含油气系统的油气类型主要为致密油，且主要蕴藏在细粒白云质岩中。如凹陷区的玛湖28、玛湖33等井钻遇厚层细粒白云质岩且油气显示段厚度大，并获得高产工业油流；特别是在玛湖凹陷北部实施的玛页1井钻获白云质岩累计厚度达235 m，且均见油气显示，测试日产油23.33 t[1]，白云质岩是该地区最重要的致密油有效储集层[2]。玛湖凹陷风城组白云质岩储集层形成机制不清晰制约对该类储集层的有效预测与进一步勘探[3]，其中一个关键制约因素就是白云石成因不明确。因此，对玛湖凹陷风城组白云质岩中的白云石成因研究，有助于弄清该地区致密油储集层形成机制[3]，对指导玛湖凹陷致密油勘探开发有重要意义。
按湖水化学组分差异，可将陆相盐湖（矿化度大于3.5%）划分为碳酸盐型（碱湖）、硫酸盐型和氯化物型3种[4]。陆相白云岩（或白云石）主要发育于盐湖环境[5]。盐湖中发育大量嗜盐细菌、藻类[4]，许多学者利用微生物白云石化模式解释盐湖白云石成因[6-7]。一些学者根据微生物在白云石形成过程中的作用，将其视为一种诱导媒介而不是独立的白云石化模式[4,8 -9]。页岩——细粒沉积岩的典型代表，在埋深达到1 000~1 500 m时保留的孔隙度仍超过30%[10]，湖盆蒸发形成的高浓度富Mg2+卤水，在重力作用下沿斜坡回流使下伏沉积物发生白云石化，因此，可用回流渗透白云石化模式解释浅埋藏期湖相白云石的成因[11]。在湖相白云岩成因研究中，准同生白云石化常作为一种主要的机制[5,7,11⇓ -13]。目前埋藏白云石化通常作为早期白云石化加强或调整的过程[8]。玛湖凹陷风城组是典型的陆相碱湖沉积[3]，碱性矿物（包括碳钠钙石、碳氢钠石等）较发育，且白云石化作用广泛，形成富含白云石的白云质岩。关于玛湖凹陷二叠系风城组白云石的主要成因，目前存在3种不同的观点：①准同生白云石化与埋藏白云石化[14-15]。②白云石主要源于回流-渗透白云石化，埋藏白云石化对其进一步改造[2,16]。③白云石主要与火山热液有关[17-18]。上述3种观点主要基于一般盐湖（硫酸盐型和氯化物型）和海相白云石形成模式解释玛湖凹陷风城组白云石成因，未考虑碱湖沉积-成岩环境下白云石形成的特殊性。
一般情况下，碱湖pH值为9~11，总矿化度为100~350 g/L，主要阳离子有K+、Na+、Ca2+和Mg2+[4]，其特殊的流体地球化学条件使碱湖沉积岩具有不同于一般盐湖的成岩演化特征[19]，且玛湖凹陷风城组碱湖沉积形成与周缘火山岩及同沉积火山活动密切相关[20]，一般盐湖白云石的形成模式难以直接用于解释碱湖白云石的成因。同位素、微量元素和稀土元素等地球化学分析方法提高了白云石成因解释的精度，但是，如果缺乏有效的约束条件，在分析白云石成因时则存在多解性。因此，本文以钻井岩心、薄片分析为基础，研究白云质岩的岩石矿物学以及成岩特征，结合扫描电镜、同位素、包裹体、X-射线衍射、元素、电子探针、能谱等测试分析手段，对白云质岩储集层中自生白云石成因进行系统研究，以期为寻找优质白云质岩储集层提供理论支撑。

1 地质背景

玛湖凹陷位于准噶尔盆地西北缘（见图1a），面积约6 800 km2，是准噶尔盆地重要的富烃凹陷，自20世纪80年代开始勘探以来，发现多个亿吨级储量区，是准噶尔盆地近期增储上产的主要区域[21]。早二叠世风城组沉积期，玛湖凹陷为一封闭湖泊，总体上为干旱—半干旱气候，广泛发育碱湖沉积[22]，白云质岩（指岩样中白云石含量超过10%的岩石的统称[2,14]）在地层中大量分布。碱湖环境一直持续到中二叠统夏子街组沉积晚期[23]，三叠纪末期玛湖凹陷基本消亡[2]。研究区下二叠统风城组厚200~1 400 m，白云质岩累计厚度为100~300 m。风城组自下而上划分为3段（见图1b）：①风一段（P1f1），厚度30~370 m，下部、中部以火山岩、凝灰岩为主，上部主要为富含有机质的泥岩和白云质岩类互层，夹盐岩，白云质岩累计厚度10~235 m；②风二段（P1f2），厚度30~650 m，以白云质凝灰岩、白云质泥岩为主，并发育多套盐岩，白云质岩累计厚度5~236 m；③风三段（P1f3），厚度30~560 m，下、中部以白云质泥岩为主，上部以白云质粉砂岩、泥岩为主，白云质岩累计厚度10~128 m。白云质岩主要分布于风一段上部、风二段和风三段下部[14]。风城组是玛湖凹陷的主要烃源岩层和产油气层[2,21]。
图1 玛湖凹陷构造位置图（a）和风城组岩性柱状图（b）

2 样品与方法

根据钻井中白云质岩的含油气显示情况，分别在玛湖凹陷北部、中部和南部各选取含油气显示较好的14口井制备了164块薄片，应用配置有荧光发射装置的光学显微镜（徕卡DM2500）进行岩矿鉴定、成岩作用、油气充注特征分析等。为准确落实各种成岩现象发生的先后顺序，进一步选择30块样品进行扫描电镜（SEM）分析，对光学显微镜下未能识别出的矿物进行能谱分析（EDS），扫描电镜仪器为CARL ZEISS EVO MA15/LS 15，能谱仪为TEAMTM XLT EDS电制冷能谱仪。针对研究区白云石赋存方式、形成期次多样以及部分白云石晶粒细小难识别的特点，进一步选取了29块薄片进行阴极发光（CL）分析，观察其发光特点。
根据风城组白云质岩颗粒细、盐类矿物在磨制薄片过程中易溶解的特点，利用显微薄片观察结果，选择48块发育不同赋存状态白云石的样品进行矿物组成分析（XRD）[24]，仪器为D/max-2500pc型X射线衍射分析仪。在此基础上，从MY1、K207、FN052等6口井选择27个样品进行常量元素、微量元素检测[25-26]，仪器为NexION 350X电感耦合等离子体质谱仪和PW2404型X荧光光谱仪（XRF）。
根据不同白云石的晶形及其赋存方式，选择了MY1、K207和FN14等5口井的18个样品，利用D/MAX-ⅢC型衍射仪测定白云石的有序度。为获得自生白云石形成温度和形成时的流体特征等，磨制了MY1、MH28和K207等6口井的8块流体包裹体+微区碳氧同位素多用片，首先采用Linkam THMS-600冷热台测定其均一温度和冰点温度[27]，然后用激光取样器采取同一白云石晶体样品进行质谱仪分析[28]；同时还选取13个白云石等碳酸盐矿物组成单一的样品（来自MY1、MY2及FN14等7口井）进行全岩碳氧同位素组成分析，对原位同位素组成分析进行补充。
因为锶同位素组成具有较好的年代指示特征，为更好约束碳、氧同位素组成、常量与微量元素反映的成岩流体信息，选取碳酸盐矿物组成单一的10个白云质岩样品进行微钻取样，采用Triton Plus热电离同位素质谱仪测定87Sr/86Sr值[29]。为获得这些白云石沉淀过程中的流体化学特征，选取8个样品进行了共30点的电子探针成分分析，对具环带生长构造的白云石在同一白云石晶体上进行了从晶体中央到晶体边缘的连续采样分析，测定Al2O3、MgO和FeO等9种微区成分。
常量与微量元素、原位微区碳氧同位素组成、流体包裹体测温、扫描电镜（能谱）实验分析在中海油实验中心完成；全岩碳氧同位素组成测试由中国石油天然气成藏与开发重点实验室完成；成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室完成了薄片制备及观察、全岩矿物X射线衍射、白云石有序度、锶同位素组成、阴极发光和电子探针等分析。

3 白云质岩岩石学特征及白云石微观特征

3.1 白云质岩岩石学特征

玛湖凹陷风城组岩性复杂，主要包括陆源碎屑岩、火山岩、火山碎屑岩、白云质岩，在凹陷区白云质岩最为发育。风城组白云质岩主要包括白云质火山碎屑岩类、白云质砂（砾）岩类、白云质火山熔岩类和白云质泥岩-粉砂岩类，其中占比最高的是白云质凝灰岩类。风城组白云质岩主要由石英、钾长石、斜长石、白云石、盐类矿物、火山玻璃组成。自生矿物以白云石为主，方解石及其他盐类矿物（包括碳钠钙石、碳酸氢钠石、天然碱、苏打石、硅硼钠石等）也广泛分布；脱玻化和溶蚀作用产生的蛋白石、石英等硅质矿物以及自生长石、沸石等铝硅酸盐矿物也常见。

3.2 自生白云石微观特征

玛湖凹陷风城组白云质岩中，分布最广泛、含量最高的是半自形、半自形—自形白云石（见图2）。为方便对比分析，将白云石过渡晶形如他形—半自形、半自形—自形等划归半自形，从而将白云石晶形分为自形、半自形和他形3种。白云石晶体以微晶、粉晶、细晶为主，其中含量最高的是粉晶。白云石含量在不同类型岩石中存在较大差异，整体而言，颗粒较细的白云质凝灰岩、陆源碎屑岩中白云石含量高。白云质凝灰岩中的白云石主要以粉晶、细晶半自形白云石为主，表现为斑状、团块状和条带状等（见图2c—图2e）。在相对较粗的陆源碎屑岩中，白云石主要以他形为主，以胶结和交代颗粒形式出现，多表现为连晶状（见图2f）。
图2 玛湖凹陷风城组白云质岩中白云石微观特征

（a）FN14井，4 162.77 m，P1f2，细晶—粉晶半自形—自形白云石呈漂浮状分布于凝灰质中，正交偏光；（b）白云石阴极发光为橘红色，与（a）同视域，阴极发光；（c）MY1井，4 669.85 m，P1f2，粉晶半自形白云石呈条带状分布，有序度0.49，单偏光；（d）白云石阴极发光为橘红色—橘黄色，具有环带状构造，与（c）同视域，阴极发光；（e）MY1井，P1f3，4 595.34 m，细晶—粉晶半自形白云石呈条带状分布，阴极发光主要为橘红色，具有环带状构造，阴极发光；（f）K204井，4 348.05 m，P1f3，交代火山碎屑的白云石（白色箭头），有序度0.71，正交偏光；（g）白云石不具阴极发光，方解石阴极发光为橘红色，与（f）为同一视域，阴极发光；（h）MY1井，P1f2，4 814.13 m，裂缝中充填细晶半自形—自形白云石（白色箭头），有序度0.97，正交偏光；（i）裂缝中充填白云石不具阴极发光，与（h）为同一视域，阴极发光

对比白云质岩中主要的白云石晶形差异及其物性特点，反映出物性相对好的白云质岩中主要发育半自形类白云石，而自形白云石为主的白云质岩的孔隙度较低。因此在对玛湖凹陷风城组自生白云石成因分析时，重点针对半自形白云石。

4 白云石形成时期

白云石的形成是元素、同位素迁移和重新组合的过程，在不同成岩阶段或不同成岩条件下，其迁移特征发生不同程度的变化[30]。弄清白云石的形成时期，可以约束白云石形成环境的物理、化学条件，从而更好的解释不同成岩阶段白云石的物质来源、演化和形成机制[30]。因此，首先通过微观分析识别出各类晶形白云石的赋存特征，明确其形成的先后顺序；再通过包裹体温度、原位氧同位素组成计算温度，并结合荧光特征，以及烃源岩演化特征等，确定白云石的形成时期。

4.1 基于微观赋存特征识别白云石形成序列

玛湖凹陷风城组微晶、粉晶半自形白云石的阴极发光以橘红、橘红—橘黄色为主（见图2b、图2d、图2e），并且常在收缩缝及层理面附近聚集（见图2a、图2c）。火山熔浆及泥岩干裂形成的收缩缝，主要形成于同生—早成岩阶段，说明半自形白云石主要沉淀于准同生—浅埋藏期。呈充填状、交代状的他形白云石阴极发光以暗红色、不发光为主（见图2g），主要形成于中埋藏期。构造裂缝和溶蚀孔洞中充填的细晶白云石（见图2h），不具阴极发光（见图2i），流体包裹体均一温度多大于120 ℃，说明其多形成于中—深埋藏期。

4.2 流体包裹体及氧同位素地质温度计测温

利用同时获得了均一温度和原位氧同位素组成的8个样品反演矿物形成时的流体氧同位素组成[31-32]。根据4个收缩缝中的方解石、白云石样点δ18O值，计算得到流体δ18O值为3.86‰~5.55‰，显著高于二叠纪平均海水δ18O值[33]，位于油田卤水δ18O值范围内[33]。取其均值4.69‰为流体氧同位素组成来反演埋藏白云石和早期其他碳酸盐矿物的形成温度。4个晚期缝洞中充填粗晶白云石样点的流体δ18O值为14.46‰~15.78‰，具有显著偏正特点，接近岩浆热液δ18O值[33]，推测主要是受到深部热流体的影响，取其均值15.06‰反演风城组热液白云石的形成温度。早期盐类矿物（碳钠钙石、氯碳钠镁石）形成温度为17~28 ℃（平均值为24 ℃），与研究区早二叠世干热气候条件以及现代全球暖相盐类矿物主要分布于16~25 ℃温度带[4]的特征吻合较好，说明了成岩流体氧同位素组成取值较合理。
综合包裹体均一温度和氧同位素组成计算温度可知，玛湖凹陷风城组白云石主要形成于60~90 ℃、90~120 ℃和120~150 ℃ 3个温度区间（见图3），半自形白云石主要形成温度区间分别为60~90 ℃和90~120 ℃。根据一些学者对埋藏环境深度的界定[34-35]以及玛湖凹陷风城组埋藏史[36]可知，研究区3期白云石分别形成于中二叠世早期的浅埋藏环境、中二叠世中期的中埋藏环境和中二叠世晚期的中—深埋藏环境。半自形白云石主要形成于中二叠世早期—中期，属于早成岩阶段的沉淀矿物。
图3 玛湖凹陷风城组白云石和其他碳酸盐矿物形成温度分布图

4.3 基于显微荧光推断白云石沉淀温度

根据玛湖凹陷风城组中半自形白云石流体包裹体的荧光及其温度特征，未捕获油气包裹体的白云石的沉淀温度为58.07~69.96 ℃，其古埋深多小于1 000 m（见图4a）；具橙黄、黄色荧光油气包裹体的白云石（见图4b—图4c）沉淀温度为86.06~97.40 ℃，对应第Ⅰ期油气充注；具有绿色、黄绿色荧光的油气包裹体的白云石（见图4d—图4e）的沉淀温度为120.9~122.8 ℃，对应第Ⅱ期油气充注，说明黄色荧光包裹体形成早，绿色荧光形成晚。部分半自形具有环带状荧光，由中部到晶体边部，荧光由黄色向绿色变化（见图4f），说明其沉淀初期为烃源岩低成熟期，而晶体外围生长时，烃源岩已进入成熟期。因此，根据风城组半自形白云石主要为橙黄色、黄色荧光特点，可以间接推断其主要形成于浅埋藏期的早成岩阶段。
图4 玛湖凹陷风城组白云质岩中白云石及其共生矿物流体包裹体与荧光特征

（a）MY1井，4 899.86 m，P1f1，细晶半自形白云石中盐水包裹体，均一温度为68 ℃，δ13C=2.07‰，δ18O=-0.86‰（激光同位素），单偏光；（b）FN14井，4 165.90 m，P1f2，半白云石中油气包裹体，均一温度为91 ℃，单偏光；（c）半白云石包裹体具橙黄色荧光，与（b）同一视域，显微荧光；（d）K207井，4 854.30 m，P1f2，溶孔中的粗晶白云石油气包裹体，均一温度为121 ℃，δ13C=3.65‰，δ18O=2.29‰（激光同位素），单偏光；（e）白云石中油气包裹体具绿色荧光，与（d）同一视域，显微荧光；（f）K204井，4 333.05 m，P1f3，半自形白云石具环带状荧光，显微荧光

4.4 基于白云石有序度推断形成时期

风城组中各类白云石的有序度分布特征为：半自形的为0.49~0.76（见图2c），均值为0.59；他形的为0.64~0.79（见图2f），均值为0.70；自形的有两种：①低有序度（小于0.7），有序度为0.43；②高有序度（大于等于0.7），为0.71~0.97，平均值为0.79。根据有序度与白云石化机制的相关关系[12,31]，风城组低有序度自形白云石、半自形白云石相当于准同生期形成，他形白云石、高有序度自形白云石相当于中—深埋藏期形成。
综上可知，风城组中白云石主要形成于中二叠世早期的浅埋藏环境，其次为中二叠世中期的中埋藏环境。

5 形成白云石的物质来源及流体演化

5.1 物质来源

5.1.1 岩石化学成分示踪

本次研究中观察到的风城组白云质岩中的白云石均为沉淀形成，不发育陆源碎屑白云石。
玛湖凹陷风城组白云质岩常量元素配分模式与中国平均中性、中—酸性岩元素配分模式相似，说明白云质岩中碎屑物质来源主要是中性、中—酸性火山岩（见图5）。白云质岩常量、微量元素配分模式与盐湖、海相泥岩相应配分模式相似（见图5）；白云质岩相对富集Mg、Ca、Na、K与Li、Ni、Cu、Sr、Mo、U元素，分析其主要原因是这些元素在风化作用过程中迁移能力较强，容易在碱湖水体中聚集[37]。因此，风城组中白云石的形成与碱湖流体具有成因联系。
图5 玛湖凹陷风城组白云质岩常量元素（a）与微量元素（b）配分模式图（火成岩（中国）数据据文献[38-39]；盐湖黏土数据据文献[40-41]；页岩、海相泥岩数据据文献[37]）

5.1.2 同位素示踪

风城组中自生白云石的δ13C值与二叠系海相（咸水）碳酸盐δ13C值[42]和古代海相白云石δ13C值[43]大致相当，且以重碳同位素组成为主，约87%的样品δ13C值大于0。约68%的样品δ18O值为-8.03‰~2.38‰，与二叠系海相（咸水）碳酸盐δ18O值[42]和古代海相白云石δ18O值[43]相近。
采用Keith和Weber根据δ18O、δ13C建立的古盐度（Z）的计算公式[42]，计算得到白云石Z值为118~142，约95%的样品Z值大于120，指示咸水环境。
利用冰点温度计算得到风城组中白云石沉淀时的溶液浓度为13.99%~20.27%[27]，也说明白云石化流体为高盐度卤水。
综上可知，风城组白云石化的流体性质主要为高盐度咸水。
风城组白云石碳氧同位素组成分布范围与国内外现代和古代与受火山活动显著影响的碱湖碳氧同位素组成分布范围基本一致[6,31]。风城组大部分白云石δ18O偏负，而δ13C明显偏正，难以用传统的埋藏白云石化作用对其成因进行合理解释。风城组中自生白云石δ13C值为2.07‰~5.74‰，平均值为3.69‰，接近无机碳δ13C值[33]（-9.00‰~2.70‰），远高于现代盐湖同生白云石δ13C值（1.31‰）[43]（见图6a）及有机碳δ13C值[33]（-35.00‰~-19.40‰）。第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期白云石δ13C值基本未发生变化（见图6a），说明埋藏过程有机质演化产生的CO2对δ13C值几乎没有影响。因此，风城组自生白云石中的碳除了部分来源于碱湖沉积水体之外，火山物质提供的富13C的CO2是碳的重要来源。
图6 玛湖凹陷风城组白云质岩中白云石平均δ13C值（a）与平均δ18O值（b）分布直方图（现代盐湖同生白云石δ13C、δ18O值据文献[43]，N为样品数量）
风城组自生白云石δ18O值为-10.54‰~6.32‰，平均为-2.21‰，明显高于现代盐湖同生白云石δ18O值（-4.65‰）[43]（见图6b）。第Ⅱ期白云石δ18O值远低于第Ⅰ期白云石δ18O值（见图6b），反映了埋藏过程中升温导致的18O亏损。第Ⅰ期白云石δ18O值一般为-4.53‰~0.63‰，代表了浅埋藏低温条件下碱湖水体氧同位素组成，部分δ18O正值主要是因火山热液的影响。第Ⅱ期白云石δ18O值分布区间为-8.03‰~-5.05‰，平均值为-6.60‰，主要与埋藏升温有关。第Ⅲ期白云石δ18O值为-10.54‰~2.38‰，平均值为-2.03‰，整体差异较大，δ18O负值主要与埋藏升温有关，δ18O正值主要与富18O的火山物质有关。
根据风城组白云石的锶同位素分析数据，除一个样品外，87Sr/86Sr值均低于全球二叠纪海水及海相碳酸盐87Sr/86Sr值[37]，远低于现代河流87Sr/86Sr值[32]，接近现今幔源锶87Sr/86Sr值[32]（见图7）。白云质岩中自生白云石普遍交代火山碎屑、火山玻璃，整体继承了火山物质的锶同位素组成，是造成87Sr/86Sr值接近幔源锶的重要原因之一。
图7 玛湖凹陷风城组白云质岩中白云石与其他锶源的87Sr/86Sr值分布图

5.1.3 自生白云石阴极发光示踪

玛湖凹陷风城组白云质岩中白云石阴极发光颜色与白云质岩基质成分相关性弱，如基性、酸性岩基质中的白云石阴极发光相似，说明其阴极发光特征主要受成岩流体控制。风城组中最发育的充填状、条带状、漂浮状半自形白云石阴极发光主要呈橘红、橘红—橘黄色（见图2d—图2e），有序度低，主要形成于准同生—浅埋藏期；该类白云石常具有明显的环带发光特征，反映了白云石在晶体生长初期的流体与碱湖流体密切相关，但在其生长晚期则与埋藏成岩流体关系更为密切。而呈交代、裂缝充填状的白云石则具暗红色，或者不发光（见图2g、图2i），主要是交代状白云石继承了火成岩的高Fe元素含量，充填裂缝的白云石与埋藏成岩过程中Fe元素的富集[32]或富含Fe元素的火山热液有关。
根据玛湖凹陷风城组白云石的氧、碳、锶同位素组成、阴极发光以及白云质岩的化学组成特征等，推断风城组白云质岩中白云石的物质来源主要与火山喷发物质在准同生期—浅埋藏期的蚀变有关，早期白云石也受到了碱湖流体的影响。

5.2 流体演化

风城组中部分半自形白云石表现出环带生长特征（见图8a—图8d），由边缘到中部MgO、MnO、SrO含量逐渐降低，SiO2、FeO、Na2O含量逐渐升高（见表1），白云石晶体边缘则因为Fe元素含量高导致阴极发光猝灭[32]而不发光或者发很暗的褐黄色光（见图8b）。SiO2、Na2O含量升高与火山玻璃脱玻化释放的Si4+、Na+相关，而FeO的显著升高与火山物质的埋藏蚀变有关。交代状白云石部分继承了被交代碎屑的化学组成，但沿晶体生长方向（由边缘到中部）表现出与环带状白云石相似变化特征（见图8e、表1）。因此，白云石沉淀初期，其流体来源主要与碱湖流体相关；随后在埋藏过程中，大规模脱玻化作用和铝硅酸盐矿物的蚀变释放出Na+、Al3+，相对晚期白云石中Na2O降低而Al2O3增加。裂缝充填白云石中最显著的特征是铁含量明显高于其他白云石（见图8f、表1），与其形成于较深埋藏环境有关。
图8 电子探针点号位置及玛湖凹陷风城组白云石微观特征

（a）MY1，4 610.86 m，P1f2，环带状白云石电子探针点号位置（白色圆点，数字为点号），扫描电镜；（b）白云石阴极发光呈环带状，与（a）为同一样品，阴极发光；（c）MY1，4 669.85 m，P1f2，条带状白云石电子探针点号位置，扫描电镜；（d）白云石阴极发光呈环带状，与（c）为同一样品，阴极发光；（e）MY1，4 852.18 m，P1f1，交代状白云石电子探针点号位置，背散射电子图像；（f）MY1，4 814.13 m，P1f1，裂缝充填白云石，扫描电镜

表1 玛湖凹陷MY1井风城组白云质岩中不同产状白云石电子探针数据
井深/
m		 点号 白云石产状 质量分数/% Fe/Mn
MgO SiO2 MnO SrO Na2O CaO FeO Al2O3 K2O
4 610.86 1 环带状 36.54 4.68 0.58 0.37 0.50 56.60 0.16 0.42 0.15 0.27
2 34.67 5.47 0.50 0.31 0.60 57.44 0.37 0.37 0.27 0.75
3 30.80 5.96 0.43 0.17 0.19 56.84 4.14 1.22 0.25 9.82
4 30.84 3.95 0.40 0 0.18 59.46 4.45 0.37 0.35 11.42
5 33.38 2.62 0.37 0.38 0.26 62.40 0.51 0.02 0.06 1.39
4 669.85 1 条带状 29.26 0.88 6.78 0.41 0.25 62.19 0.15 0.05 0.04 0.02
2 33.17 1.38 0.27 0.40 0.29 64.00 0.05 0.26 0.18 0.18
3 30.49 4.15 0.04 0.65 0.73 62.67 0.16 1.02 0.09 4.56
4 852.18 1 交代状 22.95 20.19 0.49 0.00 0.28 43.98 1.63 5.71 4.77 3.36
2 33.92 4.16 0.40 0.51 0.78 59.77 0.08 0.15 0.23 0.20
3 32.52 5.31 0.52 0.47 0.94 59.41 0.28 0.23 0.32 0.54
4 814.13 1 裂缝充填 26.96 1.51 0.15 0.16 0.17 64.21 6.46 0.02 0.36 42.61

注：表中数据为归一化处理结果；点号位置见图8

6 白云石成因

玛湖凹陷风城组白云质岩中白云石化作用普遍，整体白云石含量较低，平均值为19.42%，反映白云石化过程中物质来源受限，其中一个重要的限制条件就是白云石的埋藏成因。由于玛湖凹陷风城组白云质岩中半自形白云石最为发育且发育半自形白云石的白云质岩物性最好，因此，主要讨论白云质岩中半自形白云石的形成机制。为了更准确的解释玛湖凹陷风城组白云石成因，将不同时期的白云石微观特征与地球化学指标建立联系（见表2），克服利用单一指标进行解释的模糊性。根据不同时期白云石的白云石化流体性质、来源以及白云石化机制，建立了玛湖凹陷风城组白云质岩中半自形白云石形成模式（见图9）。
表2 玛湖凹陷风城组白云质岩中不同时期白云石特征
形成时期 样品温度/℃ 晶体特征 主要产状 荧光颜色 阴极发光 有序度 δ18O/‰ Mg2+来源 形成机制
准同生期—
浅埋藏期		 55~89 自形、半自形；
微晶、粉晶		 条带状、
漂浮状		 无荧光，
褐黄色		 橙红色，
橙黄色		 0.43~0.66 -4.53~0.63 碱湖高盐度咸水 微生物诱导下的准同生白云石化，回流-渗透白云石化
中埋藏期 91~118 半自形；
粉晶、细晶		 充填粒间孔，
交代状		 橙黄色 暗红色，
不发光		 0.64~0.79 -8.03~-5.05 火山玻璃脱玻化，
岩石基质的酸性溶蚀		 埋藏白云石化
中—深
埋藏期		 121~144 自形、他形；
细晶		 交代状，充填
裂缝、溶孔		 绿色 橙红色，
不发光		 0.71~0.97 -10.54~2.38 岩石基质的溶蚀，
火山热液		 埋藏白云石化，
热液交代白云石化
图9 玛湖凹陷风城组白云质岩中半自形白云石形成机制
风城组沉积期，玛湖凹陷为一封闭性碱湖，沉积水体中微生物极为繁盛[4]。同生期，因火山碎屑水解后释放出Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+等，首先沉淀出碳钠钙石、泡碱等盐类矿物以及文石、高镁方解石和方解石[4,44 -45]，使沉积水体中Na+、K+、Ca2+减少而相对富集Mg2+，在微生物诱导作用下，通过原生沉淀以及同生交代文石、高镁方解石和方解石形成大量泥晶—微晶白云石[6,9]，主要呈分散状分布于岩石基质中（见图9a）。
准同生—浅埋藏条件下，沉积物保留大量孔隙（孔隙度大于30%）[10]，高盐度卤水向下渗透过程中不断与围岩发生反应，火山玻璃大规模的脱玻化释放出大量的Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+等，盐类矿物继续沉淀，因温度、压力较高，Mg2+水化程度降低，持续供给的Mg2+使同生期形成的泥晶—微晶白云石持续生长，以及进一步交代高镁方解石、方解石和凝灰质，形成粉晶白云石，主要呈斑块状、纹层状产出（见图9b）。
中埋藏阶段，岩石孔隙度持续降低，地层流体大幅减少，黏土矿物释放出大量层间水[10]是该阶段白云石化流体的重要补充；烃源岩大量排酸[10]，溶蚀岩石颗粒，玻璃质脱玻化也得到加强。Mg2+主要来源于黏土矿物转化、火山玻璃脱玻化以及含镁硅酸盐矿物溶蚀，Na+、Ca2+以盐类矿物、自生长石等形式被除去。至该阶段晚期孔隙度显著减少，地层流体量较少以及运移较困难，使该阶段形成的白云石分布范围较局限，主要表现为早期白云石的继续生长，以及白云石对凝灰质的进一步交代（见图9c），白云石以粉晶、细晶为主。
中—深埋藏阶段，岩石基质已经变得非常致密，且由于浅埋藏、中埋藏阶段Mg2+的不断消耗，难以发生大规模的白云石化，主要表现为局部的白云石胶结、交代，以细晶他形白云石为主。

7 结论

玛湖凹陷风城组白云质岩中的白云石以半自形粉晶、细晶白云石为主，主要呈飘浮状、条带状、团块状等形式产出。风城组致密油储集层主要分布在富含半自形白云石的白云质岩中。
玛湖凹陷风城组白云质岩中白云石主要形成于中二叠世早期的准同生—浅埋藏环境，其次是中二叠世中期的中埋藏环境，少量形成于中二叠世晚期的中—深埋藏环境。
玛湖凹陷风城组白云质岩中，白云石化流体为碱湖沉积背景下的高盐度咸水，Mg2+主要来源于碱湖流体以及火山喷发物的蚀变。
玛湖凹陷风城组白云质岩中半自形白云石常具有环带状阴极发光特征，化学组成的变化与碱湖流体以及埋藏过程中风城组火山物质的脱玻化、成岩蚀变等相关。
准同生期，Mg2+主要来源于碱湖流体，玛湖凹陷风城组白云质岩中泥晶—微晶白云石通过原生沉淀以及交代文石、高镁方解石等形成。浅埋藏期，火山玻璃脱玻化释放大量Mg2+，粉晶白云石主要源于准同生期泥晶—微晶白云石的持续生长以及对方解石、凝灰质等的交代。中埋藏期，Mg2+主要来自于黏土矿物转化、火山玻璃脱玻化以及长石等铝硅酸盐的溶蚀，埋藏交代形成粉晶、细晶白云石。
玛湖凹陷风城组白云质岩致密储集层主要发育于富含半自形白云石的白云质岩中，因此，白云质岩致密储集层勘探应重点关注此类储集层。

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