2022, Vol. 34
2. 中国石化中原油田分公司 勘探开发研究院, 河南 濮阳 457000;
3. 中国石油辽河油田分公司 勘探开发研究院, 辽宁 盘锦 124010
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DAI Zongyang1,
LI Yang1,
HUANG Lei2,
GONG Zhenchao3,
ZHAO Xiaoyang1,
ZHOU Xiaolong3,
HUANG Lan1
2. Research Institute of Exploration and Development, Sinopec Zhongyuan Oilfield Company, Puyang 457000, Henan, China;
3. Research Institute of Exploration and Development, PetroChina Liaohe Oilfield Company, Panjin 124010, Liaoning, China
白云岩储层在世界范围内具有广泛的时空分布, 从元古宙到新近纪均发现有白云岩储层, 世界上约50% 的碳酸盐岩储层赋存于白云岩储层中[1-5]。近年来, 随着对湖相白云岩储层和白云岩化作用的研究, 认为湖相白云岩成因主要有3种:原生生物成因,准同生交代成因,热液成因[6-10]。戴朝成等[11]的研究认为, 旅大地区深凹陷沙河街组深湖相白云岩的微量元素具有深源气液型组合中的Sb, As, Zn和Ba等元素富集以及稀土元素总量(∑REE)较高的特征, 并认为其属于湖相热水沉积岩。赵会民[12]通过研究发现, 沙四段白云石有序度低, 晶粒小于0.03 mm, 是准同生期白云岩化。李乐[13]的研究发现, 塘沽地区沙河街组含方沸石白云岩中白云石有序度较低, 晶粒较小, 且在岩石中可观察到藻纹层, 并认为该区白云岩成因与蒸发作用有关, 方沸石化过程为其提供Mg2+来源。张小军等[14]通过研究发现, 柴西地区下干柴沟组白云石有序度普遍较低, Mg2+/Ca2+值低, 轻稀土元素富集, 氧同位素偏负, 认为该区白云岩形成于准同生期, 在蒸发作用下发生结晶分异, 高镁卤水下渗交代方解石而形成。苑雅轩等[15]利用地震资料进行分析, 认为塔河油田奥陶系莱坝组优质白云岩储层为热液成因, 强反射特征为该套优质白云岩储层在地震上的重要识别标志。杨雨然等[16]通过研究发现, 川西北地区栖霞组白云岩储集层中部分白云石发生过重结晶, 具亮红色阴极发光特征, 见典型埋藏期热液岩溶角砾, 白云岩具有"δ18O偏负、87Sr/86Sr偏正和高Mn低Sr"的特征, 综合认为该白云岩储层发生过热液溶蚀作用。渤海湾盆地古近系沙河街组普遍发育湖相白云岩, 并与致密油储层具有一定对应关系,具备较好的油气勘探价值[12, 17-20]。目前, 众多学者对辽河西部凹陷雷家地区沙四段白云岩的成因尚具有一定争议, 刘雪松等[21]认为, 雷家地区白云岩主要属于成岩埋藏白云岩和准同生白云岩; 王高飞[22]认为, 雷家地区白云岩有3种成因: 准同生白云石化、埋藏白云石化、玄武岩淋滤白云石化; 王晓光等[23]认为雷家地区湖相白云岩的成因与湖底热液有关。
对辽河西部凹陷雷家地区沙四段湖相白云岩进行岩石薄片鉴定、扫描电镜、电子探针、阴极发光、同位素分析等测试, 并根据其岩石学特征、地球化学特征, 讨论其形成模式, 以期对雷家地区沙四段湖相白云岩成因的研究提供一定借鉴。
1 地质概况在中新生代时期, 由于太平洋板块向欧亚大陆板块俯冲, 在中国大陆的东部边缘形成一个北东向展布的裂谷系——渤海裂谷系, 辽河坳陷就是位于该裂谷系东北端的一个断陷盆地。西部凹陷作为辽河坳陷的一部分, 是一个典型的箕状凹陷, 其形成与演化受边界断层控制。雷家地区位于西部凹陷中北部, 东至中央凸起西部边界(台安-大洼断层附近), 西接西部凸起斜坡带, 包括陈家、台安2个次级洼陷, 面积约800 km2。研究区的断裂数量多, 延伸较长, 以张性正断层为主, 大多近东西向北东向次之, 因多数东西向断层向西南方向逐渐陷落, 构造面貌总体呈北高南低的态势(图 1)。
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下载原图 图 1 辽河西部凹陷雷家地区地理位置(a)及岩性地层综合柱状图(b) Fig. 1 Geographical location(a)and stratigraphic column(b)of Leijia area in Western Liaohe Depression |
研究区古近系地层自下而上依次为房身泡组、沙河街组、东营组, 其中沙河街组可划分为4段, 与下伏房身泡组呈假整合或角度不整合接触。沙四段地层以底部及中上部的厚层碳酸盐岩为标志, 可分为2个部分: 下部主要对应于高升油层, 上部主要对应于杜家台油层。
2 白云岩特征 2.1 分布特征在岩心观察的基础上, 对辽河西部凹陷雷家地区沙四段175个薄片样品进行鉴定(图 2), 发现白云石晶粒较小, 主要为泥晶级。根据分布特征, 将其划分为2种类型: 均匀分散和纹层状富集。前者因与其他矿物混杂而难以分辨其晶形, 依稀可见似球形结构; 后者多与富有机质层、富方沸石层等互层出现, 通常呈黄褐色或褐黄色, 扫描电镜下晶形明显。
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下载原图 图 2 辽河西部凹陷雷家地区沙四段不同类型白云岩镜下特征 (a)泥质泥晶云岩与泥粉晶云岩互层, A14-15井, 2 630.60 m, (+); (b)粒屑云岩, A71井, 1 656.70 m, 铸体片(-); (c)灰质云岩, 白云石呈纹层状富集, A42井, 2 375.96 m, (+); (d)含泥方沸石质泥晶云岩, A78井, 2 879.88 m, (+); (e)泥质泥晶云岩, 方解石充填裂缝, A78井, 2 875.30 m, (+); (f)泥质泥晶云岩, 成分以泥晶白云石为主, 少量黏土矿物, A21井, 2 515.90 m, (-) Fig. 2 Microscopic characteristics of different types of dolomites of the fourth member of Shahejie Formation in Leijia area, Western Liaohe Depression |
(1) 白云石。在研究区沙四段广泛发育, 且电子探针分析及X射线衍射全岩分析表明, 沙四段白云石主要为含铁白云石, FeO的质量分数为4.4%~ 11.4%, 扫描电镜下主要呈半自形(图 3a)。
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下载原图 图 3 辽河西部凹陷雷家地区沙四段不同矿物扫描电镜特征 (a)含泥灰质云岩, 以半自形白云石为主, 黏土矿物绕白云石发育, A42井, 2 344.70 m, SEM; (b)含泥泥晶云岩, 裂缝发育, 被微晶石英充填, A3井, 2 444.40 m, SEM; (c)泥晶云岩, 高岭石发育, G25-21井, 1 866.67 m, SEM; (d)泥岩, 可见片状伊利石黏土及圆球状白云石, A25井, 2 742.11 m, SEM; (e)含泥方沸石质泥晶云岩, 孔、缝发育, 被自形方沸石充填, A21井, 2 562.60 m, SEM; (f)泥质白云岩, 镜下可见莓球状黄铁矿, A47井, 3 093.97 m, SEM Fig. 3 SEM characteristics of different minerals of the fourth member of Shahejie Formation in Leijia area, Western Liaohe Depression |
(2) 石英。在沙四段地层中含量较高, 石英质量分数为0.4%~64.0%(图 3b)。
(3) 黏土矿物。在沙四段中质量分数为1%~ 61%, 主要包括高岭石、伊利石、绿泥石、蒙皂石等(图 3c, 3d)。
(4) 方沸石。方沸石是沙四段的重要自生矿物, 其质量分数小于60%, 在扫描电镜下晶体近似于球形, 表面粗糙(图 3e)。
(5) 黄铁矿。沙四段样品中黄铁矿含量较少, 通常分布在含方沸石白云岩中, 其质量分数为0.48%~15.03%, 扫描电镜下呈莓球状(图 3f)
2.3 构造特征该区沙四段纹层构造及同生变形构造十分发育。沙四段出现的韵律性层理主要为亮色白云质条带与暗色泥质条带形成的交替纹层(图 4a, 4b); 比较发育的变形构造为揉皱及微断层(图 4c-4f)。在镜下可见热水角砾结构(图 5)。
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下载原图 图 4 辽河西部凹陷雷家地区沙四段纹层构造及变形构造 (a)纹层状白云岩, 暗色为泥质白云岩, 亮色为白云岩, 见揉皱构造, A21井, 2 569.50 m; (b)深灰色泥质白云岩, 灰白色白云质条带与深灰色泥质条带互层, 滑塌变形构造, A21井, 2 685.70 m; (c)泥质云岩, 暗色泥质条带与亮色云质条带互层发育变形构造, 揉皱及裂缝, A0井, 2 631.60 m, 铸体片(-)10×25;(d)灰质泥岩, 褐灰色泥质条带与浅灰色灰质条带互层, 夹白色方沸石条带, 发育揉皱及断层, A22井, 2 726.56 m; (e)深灰色泥质灰岩, 见多条灰白色方解石脉, 发育小型揉皱等变形构造, A47井, 3 152.00 m; (f)泥质泥晶白云岩, 灰黄色白云质条带与褐灰色泥质条带互层发育微裂缝, 揉皱构造, A3井, 2 4480.00 m, 铸体片(-)10×25 Fig. 4 Laminar structure and deformed structure of the fourth member of Shahejie Formation in Leijia area, Western Liaohe Depression |
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下载原图 图 5 辽河西部凹陷雷家地区沙四段热水角砾结构 (a)含方沸石泥晶云岩, 发育破碎角砾构造, 角砾间充填方沸石, A42井, 2 363.85 m, (-); (b)泥晶云岩, 发育热水角砾结构, A42井, 2 358.42 m, (-) Fig. 5 Hot water breccia structure of the fourth member of Shahejie Formation in Leijia area, Western Liaohe Depression |
Fe2+和Mn2+的含量控制着碳酸盐岩的发光性。辽河西部凹陷雷家地区白云石的发光性受Fe2+猝灭的作用, 抑制发光, 而Mn2+是荧光的来源, 刺激发光[24], Mn2+/Fe2+的值以及白云石晶体的大小决定了其荧光强度, 同时, 泥质含量较高也会影响荧光强度(使白云石样品较暗)。对研究区53块白云石样品进行阴极发光测试(图 6), 结合电子探针分析结果, 具体发光特征为: 生屑砂屑云岩发橘黄色光, 泥晶白云岩发昏暗-暗红色光, 粉晶白云岩不发光。
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下载原图 图 6 辽河西部凹陷雷家地区沙四段白云岩阴极发光特征 (a)泥质泥晶云岩, 泥晶白云石发昏暗光, 充填裂缝白云石发昏暗-暗红色光, 微粒长石发暗蓝灰色光, (+); (b)泥质泥晶云岩, 泥晶白云石发昏暗光, 充填裂缝白云石发昏暗光-暗红色光, 微粒长石发暗蓝灰色光, (+); (c)泥质泥晶云岩, 泥晶白云石发昏暗光, 泥质不发光, 鸟眼孔中充填白云石发暗红-红色光, 长石微粒发暗蓝色光, 裂缝中充填的方解石发红色光, (+); (d)泥质泥晶云岩, 泥晶白云石发昏暗光, 泥质不发光, 鸟眼孔中充填白云石发暗红光-红色光, 长石微粒发暗蓝色光, 裂缝中充填的方解石发红色光, (+); (e)纹层状泥质泥晶云岩, 含泥质泥晶白云石发昏暗光, 泥晶白云石不发光, 微粒长石发蓝色光, (+); (f)纹层状泥质泥晶云岩, 含泥质泥晶白云石发昏暗光, 泥晶白云石不发光, 微粒长石发蓝色光, (+); (g)生屑砂屑云岩, 同生屑砂屑几乎不发光, 粒间微晶粒状白云石胶结物发橘黄色光, 长石发暗蓝色光, 阴极发光(+); (h)生屑砂屑云岩, 同生屑砂屑几乎不发光, 粒间微晶粒状白云石胶结物发橘黄色光, 长石发暗蓝色光, 阴极发光(+) Fig. 6 Cathodoluminescence characteristics of dolomites of the fourth member of Shahejie Formation in Leijia area, Western Liaohe Depression |
因Fe2+的猝灭作用, FeO含量较高的粉晶白云石和泥晶白云石不发光或发昏暗光; 结合电子探针分析, 与方沸石共生的白云石也不发光或发昏暗光, 而FeO含量略低的泥晶白云石和生屑砂屑白云岩中的白云石分别发暗红色光和橘黄色光。
2种不同的测试结果表明, 研究区沙四段白云岩成因可能不同, 前者可能为热水白云岩化成因, 后者可能为准同生白云岩化成因。
3.2 主量元素特征本次研究在对雷家地区沙四段的白云石及方沸石等主要矿物进行X射线衍射全岩分析及薄片鉴定的基础上, 进行了电子探针分析(表 1)。
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下载CSV 表 1 辽河西部凹陷雷家地区沙四段主要矿物电子探针分析结果 Table 1 Electron probe analysis results of main minerals of the fourth member of Shahejie Formation in Leijia area, Western Liaohe Depression |
高翔等[25]将FeO质量分数大于2.117% 的白云石定为含铁白云石, 王璞等[26]将含有CaO, MgO, FeO等成分的白云石进行严格规定: FeO含量大于MgO含量为铁白云石; FeO含量小于MgO含量为含铁白云石。据电子探针分析结果, 研究区沙四段白云石FeO质量分数平均为6.252%, 小于MgO的质量分数平均值, 含铁白云石较为发育, 可见铁白云石。其中, A69井所选2个探针点的FeO含量最高, 是与方沸石纹层互层出现的纹层状富集型白云石。所选样品白云石CaO质量分数为20.472%~28.953%, 平均值为25.948%, 低于理想白云石CaO的质量分数(30.400%)[27]; MgO质量分数为8.656%~17.935%, 平均值为12.942%, 低于理想白云石MgO的质量分数(21.700%)[27]; Mg2+与Ca2+的摩尔比值平均为0.692。
3.3 微量元素特征微量元素在碳酸盐岩中可以判别沉积环境和研究成岩变化, 实验分析中7种微量元素的详细分析结果如表 2所列, 对比发现, 沙四段所选白云岩样品中以Co, Ni, Cr为代表的深源地幔型微量元素的丰度值相对地壳元素克拉克值低; Sr和Ba的丰度值较高; Co与Ni的平均丰度比值为0.45, 明显小于1, 具非正常沉积微量元素组成特征。雷家地区碳酸盐岩Sr同位素测试结果表明, 87Sr和86Sr的丰度比值为0.707 5~0.711 3, 平均为0.710 1, 略高于同期海水87Sr与86Sr的丰度比值(0.707 8), 且Sr丰度值偏高, 表明该区白云岩造岩组分为壳-幔混源[28]。
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下载CSV 表 2 辽河西部凹陷雷家地区沙四段含方沸石白云岩微量元素丰度 Table 2 Trace element abundance of analcite-bearing dolomites of the fourth member of Shahejie Formation in Leijia area, Western Liaohe Depression |
正常湖相碳酸盐岩的δ13C值为-2.0‰~6.0‰, δ18O值为-8.0‰~-4.0‰[29-31]。对沙四段含方沸石白云岩样品与不含方沸石白云岩样品进行碳氧同位素分析, 结果表明, 研究区整体具有碳同位素偏正、氧同位素偏负的特点。其中, 不含方沸石白云岩中, δ18O值为-6.2‰~-2.7‰(平均值为-4.4‰), δ13C值为6.9‰~10.2‰(均值为8.7‰), δ13C值比含方沸石白云岩更偏正(图 7a), 说明在与大气进行CO2交换时, 含12C的CO2先逸出, 在蒸发作用下, 湖泊水量减少时δ13C值升高。含方沸石白云岩中, δ18O值为-10.1‰~-2.3‰(均值-7.8‰), δ13C值为2.8‰~8.2‰(均值为4.9‰), δ18O值比含方沸石白云岩更偏负(图 7b), 说明其形成时的温度(T)较高, 且δ18O值随温度升高而降低, 随盐度(S)增大而升高, 具有热液流体和湖水共同作用的特征(图 8)
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下载原图 图 7 辽河西部凹陷雷家地区沙四段所选样品δ13CPDB(a)值与δ18OPDB值(b) Fig. 7 Values of δ13CPDB(a)and δ18OPDB(b)of selected samples of the fourth member of Shahejie Formation in Leijia area, Western Liaohe Depression |
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下载原图 图 8 辽河西部凹陷雷家地区沙四段含方沸石样品T和S与δ18OPDB的关系 Fig. 8 Relationships of δ18OPDB with T and S of analcitebearing dolomites of the fourth member of Shahejie Formation in Leijia area, Western Liaohe Depression |
稀土元素(REE)具有稳定的地球化学特征, 且其配分模式在成岩过程中受到的影响较小, 自然界中不同来源的流体具有不同的稀土元素特征, 所以可用其示踪成岩流体[32-34]。稀土元素实验分析结果显示, 样品的稀土总量较高, ΣREE为127.09~204.08 μg/g (平均为170.16 μg/g), 沙四段下伏房身泡组玄武岩为98.01~119.07 μg/g(平均为108.54 μg/g), 同层位碱玄岩为136.32~174.14 μg/g(平均为158.15 μg/g)。
根据稀土元素配分模式[35]可知, 沙四段与方沸石共生的白云石与下伏房身泡组玄武岩以及同层位碱玄岩呈现出轻稀土富集, 重稀土亏损的特征, 表现出良好的亲缘性, 呈明显的右倾型(图 9)。沙四段样品δCe为1.69~2.04, 平均值为1.90, δEu为1.20~1.44, 平均值为1.32, 总体上表现出弱-中度Eu正异常以及明显的Ce正异常。Eu正异常通常是由于Eu3+被还原成Eu2+而与相邻元素的性质发生分异所引起, 碳酸盐岩的Eu正异常一般是由于热液、尘埃或河水的影响而引起[36-37]。Ce可指示氧化还原条件, 在热液白云岩中Ce往往较富集[38]。说明研究区与方沸石共生的白云石形成于偏碱性的缺氧热水环境中, 而下伏房身泡组的玄武岩以及与同层位的碱玄岩同源的湖底热液为其提供物质来源。
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下载原图 图 9 辽河西部凹陷雷家地区沙四段含方沸石岩类与区域火山岩稀土配分模式 Fig. 9 Rare earth element distribution model of analcitebearing rocks and regional volcanic rocks of the fourth member of Shahejie Formation in Leijia area, Western Liaohe Depression |
B, Sr, Ba等的含量可以反映介质盐度, 较高的B, Sr, Ba含量往往反映较高盐度的成岩环境[39-41]。据表 2可知, 辽河西部凹陷雷家地区沙四段Ba的质量分数的为518.00~831.00 μg/g(均值为699.60 μg/g), 远高于海相沉积碳酸盐岩中的Ba的质量分数(10.00~30.00 μg/g)[42]; Sr的质量分数为521.00~ 1 159.00 μg/g(均值约为828.00 μg/g)。较高丰度的B, Sr反映出白云石形成于咸水环境。
温度计算公式T=13.85-4.54δ18OPDB+0.04(δ18OPDB)2, 可以反映成岩时的温度变化趋势[43]。根据计算结果得出: 研究区沙四段不含方沸石白云岩类的成岩温度较高, 为26.40~43.54℃, 平均为34.79℃; 含方沸石白云岩类的成岩温度为42.03~63.79℃, 平均为55.59℃, 表明其形成于高温环境。
4.1.2 氧化还原条件V/(Ni+V)常作为识别沉积水体氧化还原环境的判别指标[44-46], 研究区碳酸盐岩V/(Ni+V)为0.49~0.93, 平均值为0.72, 表明该期水体为强还原环境[28]。
此外, 根据岩心观察和薄片鉴定, 雷家地区沙四段普遍发育水平层理, 偶见滑动变形沉积构造; 化石有介形类、鱼鳞、钙质超微化石及少量腹足类等, 并见少量异地生物碎屑, 含炭屑及植物碎片化石, 发育星点状黄铁矿等自生矿物, 指示缺氧还原环境。
4.2 沉积模式(1) 准同生白云岩化。研究区的生屑砂屑云岩及不含方沸石的泥晶云岩, 晶粒细小, 白云石有序度较低, 富钙贫镁(参见表 2), 部分阴极发光呈暗红色、橘黄色光, 含有莓球状黄铁矿等成岩早期矿物, 具有准同生期形成的白云岩的特征。因此, 可以推测为在高盐度的湖水环境中由准同生交代作用形成。上述分析结果表明, 沙四段湖盆相对稳定, 盐度较高。当Ca2+达到饱和时, 首先沉积的是文石以及芒硝等盐类矿物[47]的沉淀, 使得Mg2+富集; 随着Ca2+不断消耗, Mg2+进一步富集, Mg与Ca的摩尔比值提高, 从而形成Mg2+浓度高的重盐水; 富镁重盐水在密度差、重力作用下发生分异, 沿湖盆底部扩散; 下渗至多孔的碳酸盐层时, Mg2+会取代其中的Ca2+使之发生白云岩化(图 10)。
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下载原图 图 10 辽河西部凹陷雷家地区沙四段准同生白云岩化模式 Fig. 10 Quasi-syngenetic dolomitization model of the fourth member of Shahejie Formation in Leijia area, Western Liaohe Depression |
(2) 热水沉积白云岩化。研究区围绕大断裂分布的含方沸石白云岩, 为一套互层混合沉积岩。亮色纹层主要为富铁白云石纹层及富方沸石纹层, 暗色纹层为富含有机质的黏土层。阴极发光下不发光或发昏暗光, 氧同位素具有负异常及稀土元素Eu正异常、LREE相对富集、ΣREE与下伏房身泡组玄武岩和同层位碱玄岩非常接近等特征, 推测其为湖相热水成因白云岩, 是区域伸展背景下的封闭断陷湖盆中热液与湖水混合作用的产物。进一步将该区裂缝预测图与含方沸石白云岩等值线图叠合, 可知含方沸石白云岩的富集区呈北东向展布, 与沙四段的断裂体系的展布具有较强的相关性。结合主测线L4834(图 11a)与联络线T2384(图 11b)的层位与断裂解释, 处于裂缝强预测区的A20井, 其含方沸石白云岩含量高(图 12)。
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下载原图 图 11 辽河西部凹陷雷家地区沙四段地震测线解释 Fig. 11 Interpretation of seismic survey line of the fourth member of Shahejie Formation in Leijia area, Western Liaohe Depression |
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下载原图 图 12 辽河西部凹陷雷家地区沙四段裂缝预测与白云岩等值线叠合图 Fig. 12 Superposition map of fracture prediction and do-lomite contours of the fourth member of Shahejie Forma-tion in Leijia area, Western Liaohe Depression |
研究区沙四段沉积时期盆地处于裂陷初期, 主要发育北东向断裂体系, 持续活动的同沉积断层和基底断裂为湖盆内流体活动提供了良好的通道。深部热液流体在沿断裂通道上涌的过程中, 携带大量Mg2+, Fe2+, Si4+, Al3+, Na+等, 蚀变房身泡组玄武岩被, 最终喷涌出地表并与湖水混合, 从而形成热水沉积岩(图 13)。
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下载原图 图 13 辽河西部凹陷雷家地区沙四段热水沉积白云岩化模式 Fig. 13 Dolomitization model of hydrothermal sediment of the fourth member of Shahejie Formation in Leijia area, Western Liaohe Depression |
(1) 辽河西部凹陷雷家地区在沙四段沉积期湖盆水体较咸, 水动力较弱, 处于强还原环境。
(2) 辽河西部凹陷雷家地区古近系沙四段湖相白云岩有2种成因, 分别为准同生白云岩化和热水沉积白云岩化。准同生期, 随着强烈的蒸发作用及结晶分异, 重盐水在浓度及重力作用下下渗交代方解石而形成生屑砂屑云岩及不含方沸石泥晶云岩; 热液流体上涌与高盐度湖水相互作用形成含方沸石白云岩。
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