张建勇，郭庆新，寿建峰，王彬，潘立银，周进高

新近纪海平面变化对白云石化的控制及对古老层系白云岩成因的启示

张建勇1，2，郭庆新1，2，寿建峰1，2，王彬1，潘立银1，2，周进高1，2

（1中国石油杭州地质研究院；2中国石油天然气集团公司碳酸盐岩储层重点实验室）

西沙群岛埋藏较浅的新近系白云岩主要发育在风化壳之下，沉积时处于海平面下降旋回，白云石化作用受海平面变化的控制。白云石化层段对应较低的温度和较高的盐度，冰期导致海平面下降并致海水浓缩，由此引起白云石化作用。冰期/间冰期的交替引起海平面变化并导致海水的性质周期性改变，最终引起白云石化作用也周期性地发生，从而导致白云岩与石灰岩周期性叠置。将新近系白云岩与古老层系白云岩的成因对比分析认为：通常认为的大面积分布的古老层系埋藏成因白云岩可能是准同生期因海水浓缩而形成的，只是遭受了埋藏流体改造而显示出埋藏白云石化特征。研究发现，西沙群岛新近系风化壳之上的石灰岩与风化壳之下的白云岩，孔隙类型及孔隙度几乎完全一样。

新近系；海平面变化；白云石化作用；白云岩成因

近年来，对古老层系白云岩的天然气勘探已在四川盆地、鄂尔多斯盆地、塔里木盆地获得突破，特别是四川盆地，已在二叠系长兴组生物礁、三叠系飞仙关组鲕粒滩、震旦系灯影组藻丘、寒武系龙王庙组颗粒滩相继获得巨大突破，这些地区和层系天然气富集的一个共同规律就是储层的岩性均为白云岩。已有的统计表明，白云石含量与储层孔隙度及渗透率具有比较明显的正相关关系［1］，因此白云岩成因以及白云石化机理已成为储层研究的重要内容。

油气勘探的突破促进了对储层研究的深入，据不完全统计，公开发表的与储层研究相关的文献就达数千篇、博士硕士论文也有数百篇，他们观点各异，尤其是在白云岩成因、储层孔隙类型及储层成因等方面分歧巨大，但总体上白云岩成因可以归纳为四类［1-10］：（1）准同生白云石化（包括混合水白云石化、渗透回流白云石化以及萨布哈白云石化）；（2）埋藏白云石化；（3）热液白云石化；（4）多种白云石化叠加。持准同生白云石化观点的学者多强调准同生溶蚀作用在优质储层形成中的重要性，持埋藏白云石化观点的学者多强调埋藏溶蚀在储层形成中的重要作用；持热液白云石化的学者多强调裂缝在储层形成中的重要性；持多种白云石化作用叠加的学者，多认为多种成岩作用相互叠加而形成优质储层。不同学者持有不同的认识，其原因之一是白云岩成因本身就具有复杂性，国际上对此一直存在争议；原因之二是不同学者采用的研究方法或者采用的证据各有侧重点，比如倡导准同生白云石化的学者主要依靠岩石学分析取得的证据，认为是埋藏白云石化亦或热液白云石化的学者则主要依靠地球化学分析数据（尤其是包裹体均一温度）或者其他高温成因矿物取得的证据。

古老层系的白云岩一般经历了较大的埋深及较长的埋藏时间，单纯的矿石学观察只能定性地分析白云石的期次而不能确定它的形成时间，而地球化学数据又难以区分是准同生的白云岩遭受了埋藏流体的改造还是埋藏白云石化作用导致了原始沉积的石灰岩转化成白云岩。

西沙群岛发育新近系白云岩，时代新（埋藏时间在2～16百万年），埋藏浅（埋深在200～600m），经历的成岩作用简单，笔者认为对它进行白云石化机理研究，然后与古老层系白云岩进行类比，或许能获得一些启示，对古老白云岩的成因研究能起到抛砖引玉的作用。

1 地质背景

西沙群岛，位于南海西北部海域陆坡区，由多个岛、屿、礁、滩组成，海底地形表现为东部和西部较高，中间较低，最大水深1500m（图1)。西沙群岛远离大陆，为孤立的碳酸盐岩台地，其沉积成岩作用受陆源物质影响较小，它与古老碳酸盐岩台地的孤立台地沉积环境具有可比性。

图1 南海西沙群岛海域水深及岛、礁位置图

目前在西沙群岛有多口钻井（如西科1井、西琛1井等）（图1），证实了在新近系中新统和上新统均发育白云岩，其岩性与古老层系白云岩层段的岩性相似，包括泥晶白云岩、礁骨架白云岩、生物碎屑白云岩以及礁灰岩、生物碎屑灰岩（图2）。其孔隙类型也与古老层系白云岩储层的孔隙类型相似，包括生物骨架溶孔、生物碎屑溶孔、礁格架孔、铸模孔、生物体腔孔、晶间孔等（图2）。

图2 南海西沙群岛中新统碳酸盐岩岩石特征与孔隙特征

从矿物学特征来看，存在两种类型的白云石——交代白云石和胶结物白云石，白云石具有雾心亮边结构，生物碎屑被交代形成白云石的雾心，生物碎屑周缘的亮边及孔隙中充填的亮晶白云石则为白云石胶结物。西沙群岛中新统及上新统具有雾心亮边结构的白云石（埋藏深度小于600m）与古老层系白云石具有相似的特征，说明雾心-亮边结构并非只有在深埋条件下才能形成，因此它不能作为判断白云石是否埋藏成因的标志。

2 海平面变化对白云石化作用的控制

2.1 新近纪全球海平面变化具有一致性

由于西沙群岛的新近系埋藏较浅，成岩作用相对较弱，可用来计算海平面变化的基础数据其多解性相对较少，因此不同学科学者计算出来的海平面变化规律具有一致性——无论是在南海北部，还是在南海南部（印度尼西亚纳土纳群岛和马来西亚沙捞越州的海域）进行计算，抑或是前人计算的全球海平面变化，均具有较高的一致性，因此这里的海平面变化曲线比较切实可靠［11-13］。

2.2 西沙群岛新近系白云岩发育的位置

白云岩发育在海平面下降旋回为了保证海平面变化曲线的可靠性，本文对南海地区其他学科学者所计算出的海平面变化曲线，在不做任何修改的情况下放到西沙群岛钻井岩性综合柱状图上，发现西沙群岛新近系白云岩均发育在海平面的下降半旋回（图3）。

图3 西沙群岛西琛1井层序地层综合柱状图（据赵强［13］修改）

图4 西沙群岛西科1井新近系层序地层综合柱状图

白云岩发育在风化壳之下西沙群岛的钻井结果（图4，图5）揭示，中新统宣德组和上新统永乐组的顶部均存在风化壳，白云岩发育在风化壳之下，自风化壳向下白云石化程度存在下降趋势。风化壳是海平面下降的标志，也印证了白云石化特征与海平面下降具有相关性。

2.3 新近系生物礁滩白云岩分布具有全球性

新近系白云岩不仅在南海北部的西沙群岛发育，从公开发表的文献看，在全球也广泛分布［14-16］（表1），因此新近纪白云石化作用是一个全球性的事件，而不是一个地区的孤立事件，这也从侧面印证了前文所述的白云石化作用受全球海平面变化的控制。

表1 全球新近系白云岩分布［14-16］

图5 西沙群岛西科1井新近系宣德组白云岩顶部及永乐组白云岩顶部风化壳标志

2.4 冰期/间冰期的交替导致海平面变化及海水性质改变

图3显示，白云石化层段的碳同位素值和氧同位素值均明显偏正。根据温度及盐度计算公式所计算出白云石化层段对应的温度与盐度（图6）：白云石化层段对应较低的温度和较高的盐度，说明该时期较低的气候温度对应冰期，冰期导致海平面下降，而海平面下降又导致海水浓缩，海水浓缩引起白云石化作用，最终将石灰岩转化为白云岩。

图6 西沙群岛新近纪温度与盐度变化曲线（据魏喜等［12］修改）

西沙群岛新近系白云岩的碳同位素值与氧同位素值具有共变性（图3），该特征揭示可能有某种引起碳、氧同位素同时变化的机制引起了白云石化。这种机制不太可能是海水对流、热液白云石化或者埋藏白云石化为主的机制，因为这些机制一般只影响氧同位素，而不影响碳同位素，这也从侧面提示可能是海平面变化导致的全球性海水浓缩作用引起了白云石化。

其他微量元素如Mg、Na、Sr的变化（图3，图7）也表明白云石化与海水浓缩有关。因此，冰期/间冰期的交替引起的海平面变化导致海水性质周期性变化，最终引起白云石化作用周期性地发生，从而导致白云岩与石灰岩周期性叠置，即白云岩多发育在不整合面之下，对应于海平面变化曲线的下降半旋回。

3 对古老层系白云岩成因研究的启示

3.1 重新审视古老层系白云岩成因

在研究古老层系中白云岩的成岩作用时，对于白云岩层段上下或者附近存在蒸发岩的地区，学者们大多采用萨布哈模式或者渗透回流模式来解释白云岩成因机理。而在蒸发岩不发育的层段，则一般采用埋藏白云石化模式解释白云岩成因机理，即便部分学者采用准同生模式解释这种白云岩的成因，也往往难以列出充足的证据，因为大多数地球化学特征都显示埋藏白云石化的特征。

埋藏白云石化模式建立在富镁流体来自附近或者上下富泥岩段的条件上（图8a）,而有些学者［17］计算证实：要实现石灰岩向白云岩的转化，富镁流体的体积需要达到岩石本身体积的几百倍甚至上千倍，显然周围的泥岩段难以提供如此足够的富镁流体。

目前西沙群岛已白云石化的地层周围仍然被海水包围（图8b），而前文的各种数据表明是海水浓缩导致的白云石化，只是海水没有浓缩到足够沉积蒸发岩而已。因此，我们有足够的想象空间，认为古老层系的白云岩也是在准同生期因海水浓缩而形成的，只是在后期的埋藏过程中埋藏流体改造了这种准同生的白云岩，使得我们目前测试的地球化学数据多显示为埋藏白云石化的特征。

图7 白云石化与冰期的关系图（据魏喜等［12］修改）

图8 新近系海水浓缩白云石化与古老层系埋藏白云石化模式对比

3.2 应更多关注深埋环境下孔隙保存的有利因素

图9 西沙群岛新近系风化壳上下岩性及孔隙类型对比

过去以及目前的研究过多地强调了埋藏环境下孔隙的形成，而不是关注准同生期的孔隙是在什么条件下还能在深埋环境中保存，因为研究者们的潜意识里不愿意接受准同生期的孔隙经历上亿年、埋深超过7000m还能保存至今。但是对西沙群岛新近系白云岩的研究发现，无论是在风化壳之上的石灰岩还是风化壳之下的白云岩，孔隙类型完全一样（图9）。

这一方面说明了风化壳之下的白云岩不是埋藏成因，因为风化壳之上孔隙同样发育的石灰岩没有白云石化，另一方面引起我们思考的是，是什么原因导致了石灰岩的孔隙在深埋过程中几乎全部消失，而白云岩的孔隙得以保存（例如，四川盆地深部层系孔隙型储层几乎均为白云岩,而石灰岩的孔隙几乎丧失殆尽）？

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编辑：赵国宪

Control of Neogene Global Eustasy on Dolomitization: Revelation to the Origin of Dolomitization in Paleostrata

Zhang Jianyong,Guo Qingxin,Shou Jianfeng, Wang Bin,Pan Liyin,Zhou Jingao

Dolostones in palaeostrata suffered complex diagenesis,so the origin of dolomization has been a multiple solution problem.Core samples of the shallow-buried Neogene dolostones from drilled wells in the Xisha Islands,South China Sea, is chosen for studying the origin of dolomization to presume upon some revelation for the dolomization in palaeostrata.It is shown that the dolostones develop under the weathering crust,which means they were in the cycles of sea level decline during deposition,and it is proved that dolomization is controlled by periodic global eustasy.The fact that the beds with dolomitization correspond to relatively low palaeotemperature and relatively high palaeosalinity of seawater reveals that glacial periods lead to sea level declines and lead to seawater condensation,which brings about the dolomization.The alternating glacial/interglacial periods bring in sea level changes which lead to periodical changes of seawater nature and accordingly periodical dolomization to take place.That is the reason why there are the situations of periodical dolostone/ limestone superposition in the Xisha Islands.By correlating the origin of dolostones in Neogene strata with that of dolostones in palaeostrata,it is enlightened that the so-called burial dolostone distributed extensively in palaeostrata should be derive from penecontemporaneous dolostone that has suffered burial fluid reformation due to seawater condensation so that they exhibit the characteristics of burial dolostone.It is discovered also that the limestones above weathering crusts are of almost same pore type and porosity with the dolostones under weathering crusts in the Xisha Islands.

Neogene;Eustasy;Dolomization;Dolostone origin

TE112.23

A

10.3969/j.issn.1672-9854.2013.04.007

1672-9854(2013)-04-0046-07

2013-05-30；改回日期：2013-08-28

本文受国家科技重大专项“四川、塔里木、鄂尔多斯盆地碳酸盐岩储层形成机理与有利储层分布预测”（编号：2011ZX05004-002）和国家重点基础研究发展计划（973计划）项目“南海深水盆地油气资源形成与分布的基础性研究”（编号：2009CB119400）资助

张建勇：1978年生，博士，高级工程师。主要从事油气地质、沉积储层、油气地球化学研究。通讯地址：310023浙江省杭州市西溪路920号

Zhang Jiangyong：male,D Sc,Senior Geology Engineer.Add:PetroChina Hangzhou Institute of Geology,920 Xixi Rd.,Hangzhou,Zhejiang,310023,China