在世界范围内的沉积盆地，特别是中国的湖相或海相沉积盆地中，富含碳酸盐矿物的暗色页岩中常发育平行纹层方向的方解石脉。这些方解石脉含有与成岩流体、有机质以及页岩矿物成岩演化相关的有价值信息。研究纹层状方解石脉的成因有助于追踪页岩中有机和无机成岩演化的相互作用过程,甚至可以作为页岩储层评价的依据。
2020年初，中国陆相断陷盆地页岩油勘探在东营凹陷取得了里程碑式的重大突破。勘探揭示了古近系沙河街组三段下亚段（Es3X）-沙河街组四段上亚段（Es4S）是页岩油的重要储层，储层发育的关键因素在于与纹层状亮晶方解石脉相伴生的层间缝的广泛发育。在页岩中，纹层状方解石脉的分布具有显著的非均质性特征，造成了有利储层预测的困难，解决问题的重点在于明确纹层状方解石脉的形成过程和机理。针对上述问题，中国石油大学（华东）地球科学与技术学院王冠民教授在前人研究的基础上，对东营凹陷Es3X - Es4S层段页岩中的方解石脉采用薄片观察、阴极发光、包裹体测温、电子探针微区元素分析和碳氧同位素测试等多种手段，进一步研究了纹层状方解石脉形成的物质来源、形成时期和结晶过程。结果发现，页岩中发育了两种岩相学差异显著的方解石脉体：晶粒状方解石脉和亮晶方解石脉。结合脉体形态、晶粒大小、伴生矿物、油气荧光显示以及包裹体测温、同位素和微区元素分析等证据（图1-图2），认为两种脉体的形成时期不同，前者形成于浅埋藏期，而后者与有机质热演化成熟生、排烃阶段相匹配。两类脉体的成脉的物质来源均为湖泊中早期自生沉淀的泥晶方解石。在浅埋藏阶段，硫酸盐细菌还原作用和页岩欠压实作用导致的超压，对晶粒状方解石脉的形成起到关键的促进作用。随着埋深的增加，硫酸盐细菌的影响逐渐减弱，而有机质热演化逐步达到成熟阶段，有机酸溶解作用和生烃过程中产生的超压成为驱动亮晶方解石脉形成的重要因素。脉体的形成是成脉流体不断运移、汇聚和最终结晶的过程，单一脉体可能是一期快速结晶，也可能是多期次结晶形成的，并且晚期的亮晶方解石脉可以与早期晶粒状方解石脉组合形成复合脉体。在脉体形成以后，依旧受到后期流体继续的改造。该成果在纹层状方解石脉的成因及页岩有机-无机协同成岩演化过程等方面提出了新的认识，并将纹层状方解石脉发育有利岩相预测等纳入到后续的研究中。
图2 不同方解石脉体的Fe、Mn含量变化特征
该成果近期发表在石油学科领域国际重要期刊Petroleum Science。论文第一作者和通讯作者为中国石油大学（华东）地球科学与技术学院王冠民教授，合作作者包括张云蛟、殷梓原、朱睿、侯植耀和白玉。该研究受到国家自然科学基金面上项目（No. 41572123）资助。
论文信息：Wang, G., Zhang, Y., Yin, Z., Zhu, R., Hou, Z., & Bai, Y. Further study on the genesis of lamellar calcite veins in lacustrine black shale -A case study of Paleogene in Dongying depression, China. Petroleum Science, 21(3), 1508-1523 (2024). https://doi.org/10.1016/j.petsci.2023.12.022