刘雪松，贾海燕，韩亚杰，赵会民

1.吉林大学 地球科学学院，长春 130061；2.吉林大学 地质博物馆,长春 130026；3.中国石油长城钻探工程公司 地质研究院, 辽宁 盘锦 124010

0 引言

碳酸盐岩油藏是一类重要的油藏[1--3]。湖相白云岩在渤海湾盆地古近系沙河街组普遍发育，且具有较好的油气勘探价值，其重要性不可忽视。近年来，前人对雷家白云岩油藏从构造、储层、生油和沉积等方面进行了深入探讨，取得了许多重要认识[4--6]，但对白云岩的成因研究较少。笔者通过对研究区内白云岩沉积特征的研究，深入探讨湖相白云岩成因机理、沉积环境及分布规律，这对雷家白云岩油藏勘探开发具有十分重要的科学意义和实用价值。

1 地质概况

雷家地区位于辽河西部凹陷中段，北邻高升油田，南靠冷家及曙光油田。构造上，雷家地区以陈家洼陷为主体，自东向西由东部陡坡带、陈家洼陷和西部斜坡带组成(图1)。该区油气资源丰富，石油地质条件优越。勘探初期，雷家地区在沙四段白云岩中获得高产工业油气流；2000年后，转以沙三下亚段砂砾岩为勘探目标；2006年，陈家洼陷雷77井沙四段火山角砾岩中首获油气，表明古近系油气勘探正在向纵深发展，沙三段—沙四段是雷家地区油气勘探的主要目的层系。

图1 研究区位置及井位图Fig.1 Geological map of study area and location of wells

雷家地区沙四段陆相沉积砂体岩性复杂，主要有碳酸盐岩类、砂砾岩类、泥岩和页岩等，局部发育火山角砾岩。这些岩性大多不纯，碳酸盐岩中含有一些碎屑岩矿物，碎屑岩中又含有较多的碳酸盐矿物。

2 沙四段岩石学及地球化学特征

2.1 岩石学特征

碳酸盐岩碳酸盐岩类是雷家地区沙四段主要岩石大类之一，分布于西部斜坡，如雷35井、雷59井等。区内碳酸盐岩类主要包括泥质白云岩、硅质白云岩、藻白云岩、泥晶白云岩、白云质灰岩、鲕粒灰岩、泥质灰岩及砂质云(灰)岩等。其中，白云岩多呈泥晶结构，微细水平层理，层厚0.03～0.5 mm。白云石一般与泥质(有机质)呈纹层状互层，暗色纹层为富含有机质的黏土层，亮色纹层为纯净的白云石纹层。该岩类发育溶蚀孔隙及构造缝，是油气藏的主要储层。

碎屑岩类雷家地区沙四段碎屑岩类分为砂(砾)岩类和泥质岩类。粗粒碎屑岩包括砾岩、砂砾岩、砂岩及粉砂岩，分布在东部陡坡带，如雷60井、雷42井等。泥岩类包括泥岩、油页岩，分布于陈家洼陷和西部斜坡，如曙90井、雷30井等。其中砂、泥岩类均不同程度上含有一定量的碳酸盐矿物，形成如白云质(灰质)砂岩、白云质(灰质)泥岩等。

火山角砾岩类火山角砾岩类分布在台安—大洼断层附近，如雷77井、雷63井等。该岩性属火山沉积岩，快速堆积、颗粒结构混杂。角砾成分主要为玄武岩、粗面玄武岩、玄武质粗面安山岩、玄武质安山岩、碱玄岩及碧玄武岩等火山碎屑物质。部分具碳酸盐化现象的火山角砾岩层段，油气显示良好(图2)。

a.泥质白云岩：雷37井，2 642.8 m,孔洞发育；b.碳酸盐化火山角砾岩：雷77井，3 721.83 m；c.纹层状泥质白云岩：雷35井，2 477.9 m，黄褐色白云质条带与黑褐色泥质条带互层；d.纹层状泥质白云岩：雷35井，2 502.6 m。 图2 雷家地区沙四段岩性特征Fig.2 Characteristics of petrography of Sha 4 Member in Leijia area

2.2 白云岩地球化学特征

Ca、Mg是白云岩的主要常量元素。在雷家地区沙四段白云岩分析样品中，Ca含量的变化范围为27.56%～39.47%，平均值为34.83%；Mg含量的变化范围为9.28%～16.45%，平均值为13.66%；CaO与MgO比值变化范围为1.68～4.25(表1)，表明碳酸盐岩主要类型是白云岩类。

表1 雷家地区沙四段碳酸盐岩化学成分表

通过对指示性微量元素变化规律的研究，可以用来区别岩石的沉积环境、判断古盐度。尤其是Sr/Ba的比值，可作为判断古盐度、区分淡水和咸水沉积环境的标志。在雷家地区沙四段白云岩中，微量元素Sr/Ba的比值都>1，介于2.47～5.41(表1)，因此可认为沙四段沉积时期的水体应为咸水、半咸水环境。

3 白云岩形成机理

白云质岩类是区内白云岩油藏形成的重要物质基础。目前，经过“白云岩化”作用形成白云岩已逐渐成为主流观点，并提出了各种得以实现白云岩化的模式，如同生白云岩、准同生白云岩、成岩白云岩和后生白云岩等成因类型[7--8]。雷家地区沙四段白云岩也是“白云岩化”的产物，主要属于成岩埋藏白云岩和准同生白云岩。

3.1 成岩埋藏白云岩

成岩埋藏白云岩是指沉积物(即早期生成的灰岩或白云石，这种白云石常富含Fe)被埋藏以后，在高温、高压条件下，黏土矿物会发生转化，并释放出Mg2+，其生成白云石所需的Mg2+来自泥岩。在压实作用下，Mg2+靠残余孔隙流体和成岩作用过程中产生的流体运移到灰岩中，进而形成白云岩[9--10]。区内与泥岩互层的白云岩多形成于埋藏白云岩化作用，如泥质白云岩(图3a)。与此类似的还有在东部陡坡带扇三角洲边缘、靠近洼陷区域发育与白云质(或灰质)细砂岩互层的泥质白云岩，如雷62井(图3b)。

a.雷59井泥质白云岩与泥岩互层;b.雷62井泥质白云岩与灰质砂岩互层;c.高19井泥质白云岩与鲕状灰岩互层;d.高601井泥质白云岩与油页岩互层。图3 雷家地区沙四段白云岩产出特征Fig.3 Occurrence feature of lacustrine dolostone in Sha 4 Member in Leijia area

3.2 准同生白云岩

准同生白云岩其原理为毛细管浓缩作用(蒸发泵作用)[11--12]，是指碳酸钙刚刚形成，即被白云石交代而形成的白云岩。雷家地区发育的藻云岩和与假鲕粒灰岩互层的白云岩多为准同生白云岩，如高19井(图3c)。湖水中的古生物死亡后形成以碳酸钙为主的生物灰岩。古近纪时期，渤海湾盆地(包括雷家地区)可能与外海有过短暂的沟通[13]，导致湖水中Mg2+的相对浓度不断增加。这些来自海水中的Mg2+交代了早期生物灰岩中的Ca2+，形成分布于生物滩和鲕粒滩之间湖湾区的准同生泥晶白云岩。

另一类准同生白云岩是与褐色油页岩共生的白云岩。此类白云岩主要分布于远离物源的中西部地区，如高601井、雷1井和雷55井等(图3d)。在湖平面上升时期，水深加深，生物死亡速率加快，提高了有机质堆积速度，形成油页岩；在湖平面下降时期，生物死亡速率恢复平稳，陆源碎屑物质供应减少，在准同生白云岩化作用下，形成泥(粉)晶白云岩和泥质白云岩(图4)。

图4 雷家地区西部斜坡沙四段碳酸盐岩成因模式图Fig.4 Genetic model of carbonate rocks in Sha 4 Member in western slope of Leijia area

综上所述，本区白云岩的成因机理主要有准同生白云岩化和埋藏白云岩化。比较而言，应以准同生白云岩化为主。其理由如下：

首先，在准同生成岩环境中，由于Mg2+快速置换了Ca2+，使白云石晶出时间变短，造成白云石的晶形细小,自形程度差,有序度低[14]。本区白云石属于低有序度白云石。白云石的结晶特征显示，泥质白云岩或是纯白云岩都以泥晶或微晶为主。其次，有学者曾计算过，如果要使一立方分米的灰岩白云岩化，就要求好几百立方米的页岩受到压实改造才能产生足够的白云岩化流体，表明埋藏白云岩化只能在局部范围发生，其白云岩化的规模也比较有限。因而，雷家地区沙四段白云岩的形成应以准同生白云岩化作用为主[15]。

4 沙四段沉积环境及分布规律

4.1 沉积环境

本区白云岩矿物成分中白云石纯度偏低，泥质及有机质含量偏高。自生矿物除黄铁矿外，还有胶磷矿，说明在组成岩性的矿物上，雷家地区水的性质为碱性。本区白云岩多为层状，晶体可常见纹理和韵律层理(白云岩与泥质或有机质交互)。岩心观察可见生物搅动、泥裂及包卷层理等构造，说明沉积时水较浅。而浅水中常常是各种生物生息繁衍的主要场所。经光合作用，将消耗水中大量CO2，从而加快OU-和游离氧的结合，使水中Ca2+、Mg2+活度大大提高，进而促进HCO3-分解，形成碳酸盐沉淀下来。在多雨季节，陆上水系将不断注入湖水，加之碎屑供给使湖面上升，这时多为泥质沉积；在干旱炎热季节，蒸发量大，湖面降低水介质矿化度提高而显弱碱性，此时则是白云岩沉淀的有利时期。

粒屑灰岩(包括鲕状、假鲕灰岩)沉淀除满足水介质维持CaCO3沉淀的临界状态外，还必须要求水体处于不停地搅动状态之中。在搅动的时间和空间条件充许下，发生层状沉淀，缓慢地形成鲕粒。本区高升油层中多为假鲕或表鲕，核由生物泥、陆源碎屑组成，经波浪往复拖显曳于水底滚动而成，应为近岸浅水环境。

以上特征说明，近岸、气候较干旱及水介质应呈弱碱--碱性(pH>8)的沉积环境是白云岩形成的有利条件。

4.2 沉积背景及分布规律

在东陡西缓的构造格局下，雷家地区不同构造部位岩石组合类型不同。晚白垩世晚期—古近纪早期，由于太平洋板块俯冲方向由NNW转为NW，郯庐断裂带由左旋挤压为主转变为以NW--SE方向的水平拉张为主[16]。此时，辽河地区热地幔上拱，地壳拉伸变薄，形成以台安—大洼断层为代表的一系列NE走向高角度、深切割、大型伸展正断层。同时，基性岩浆沿断面上涌且喷出地表，在雷家地区形成巨厚的玄武岩岩被，构成了沙四段沉积古地貌背景。始新世沙四段沉积时期，台安—大洼断层活动加剧，拉伸幅度加大，雷家地区形成以陈家洼陷为沉积中心的半封闭湖湾和平缓宽阔的滨浅湖环境。此时，气候干旱炎热，湖盆宽阔宁静，西部斜坡地势平缓而相带宽，水动力微弱，水质呈弱碱--碱性。在玄武岩台地，湖水中的古生物死亡后形成以碳酸钙为主的生物灰岩。因与外海有过短暂沟通，导致湖水中Mg2+的相对浓度不断增加。这些来自海水中的Mg2+交代了早期生物灰岩中的Ca2+，形成了准同生泥晶白云岩；部分与泥岩接触的灰岩则发生埋藏白云岩化作用。雷家地区沙四段岩性分布平面特征表明(图5)，从陈家洼陷至西部斜坡，沙四段岩性依次发生渐变：白云质泥岩和泥岩发育于半深湖--深湖的沉积中心，泥质白云岩和白云岩发育于滨浅湖的斜坡区域，粒屑灰岩发育于近岸水下隆起周围。即从湖区向滨岸，岩性依次由泥岩、白云质泥岩和泥质白云岩渐变为白云岩，在湖平面上升的最大时期则发育油页岩沉积。同时，受当时碳酸盐含量较高的湖水水质的改造，在东部陡坡附近沉积了成分不纯、含碳酸盐的砂砾岩；在台安—大洼断层附近，上地幔喷发的火山碎屑物质沉入湖中形成碳酸盐化的火山角砾岩堆积。这些在特定地质条件下形成的白云岩类、砂砾岩类和碳酸盐化的火山角砾岩类构成了雷家地区沙四段类型多样、结构复杂的油气储层。

图5 雷家地区沙四段岩性分布图Fig.5 Distribution of lithology of Sha 4 Member in Leijia area

5 结论

(1)雷家地区沙四段陆相沉积砂体岩性复杂，主要有碳酸盐岩类、砂砾岩、泥岩及页岩等，局部发育火山角砾岩。其中，碳酸盐岩以白云岩类为主。

(2)雷家地区白云岩成因属于准同生白云岩和成岩埋藏白云岩(以准同生白云岩为主)，且近岸、气候较干旱、水介质呈弱碱--碱性的沉积环境是白云岩形成的有利条件。

(3)雷家地区不同构造部位岩石组合类型不同，沙四段岩性分布规律显示：从陈家洼陷至西部斜坡，白云质泥岩和泥岩发育于半深湖--深湖的沉积中心；泥质白云岩和白云岩发育于滨浅湖的斜坡区域；粒屑灰岩发育于近岸水下隆起周围。同时，在东部陡坡附近沉积了含碳酸盐的砂砾岩；在台安—大洼断层附近堆积了碳酸盐化的火山角砾岩。