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Journal of Tropical Oceanography >

2024 , Vol. 43 >Issue 2: 140 - 153

DOI: https://doi.org/10.11978/2023022

Marine Geology

The framework, reservoir characteristics and reef formation model of Miocene algal reef dolomite in the Xisha Islands*

  • CHEN Shu , 1, 2 ,
  • XU Hong 2, 3 ,
  • LU Shushen 3, 4 ,
  • Zhang Haiyang 5 ,
  • MA Yazeng 1, 2 ,
  • LUO Jinxiong , 1
Expand
  • 1. Yangtze University, Wuhan 430100, China
  • 2. The First Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Qingdao 266061, China
  • 3. Qingdao Institute of Marine Geology, China Geological Survey, Qingdao 266071, China
  • 4. China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China
  • 5. Baoding Center Seismic Station, Hebei Earthquake Agency, Baoding 071000, China
LUO Jinxiong. email:

Copy editor: YIN Bo

Received date: 2023-02-21

  Revised date: 2023-05-25

  Online published: 2023-06-14

Supported by

National Key Research and Development Program(2017FY201407)

National Key Basic Research and Development Program(2012CB956004)

National Key Oil and Gas Project(2011ZX05025-002-04)

National Natural Science Foundation of China(41106064)

Fold

Abstract

Traditional bioreef genesis theory either lacks evidences for algae forming strong bioreef anti-wave frameworks or attributes them to an accessory reef biotic community. In this paper, microfocal X-ray (X-CT) scanning imaging technology is used to study the core of the Aethesolithon nanhaiensis reef framework rocks and Halimeda reef proglottid rocks of Miocene age in Wells Xike 1 and Xiyong 2. Through three-dimensional tomography visual perspective images, it was found that the wave resistance structure of algal reef created by calcareous algal organisms, including typical Aethesolithon nanhaiensis reef framework structure, baffle-structure rocks and Halimeda reef proglottid structure. It also verifies that algal reefs are important Miocene oil-gas reservoirs in the South China Sea depositional basins by quantifying the throat, areal porosity and porosity parameters using threshold approach. Besides, the genetic model of algal reef is put forward: the reef-building calcium algal algae adapted to the sea level rise and fall gradually succession-replacement, and after calcification, burial and fossilization, dolomitization, sedimentary algal reef dolomitization, resulting in the growth of the longitudinal sequence of the Xisha Reef in Miocene.

Key words： Xisha Islands; calcareous algae organic framework; algal reef-building; three-dimensional tomography; porosity-permeability layer 3D reconstruction

Cite this article

CHEN Shu , XU Hong , LU Shushen , Zhang Haiyang , MA Yazeng , LUO Jinxiong . The framework, reservoir characteristics and reef formation model of Miocene algal reef dolomite in the Xisha Islands*[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2024 , 43(2) : 140 -153 . DOI: 10.11978/2023022

钙藻化石发现和鉴定是藻礁成因理论的核心, 针对它们的研究可追溯至20世纪30年代甚至更早(Rao et al, 1936; Johnson et al, 1949; Johnson 1963); 自70年代以来, 中国不断报道来自新元古代—震旦亚界到奥陶—志留纪—始新世—中新世的古植物群、红藻、绿藻鉴定分析的成果(邢裕盛 等, 1973, 1980, 1982; 王玉净, 1976; 朱浩然, 1979; 钱凯 等, 1980, 1986; 曾鼎乾, 1981; 穆西南, 1982; 穆西南 等, 1985, 2003a, 2003b; 陈斯忠 等, 1987; 邢裕盛, 1987; 张明书 等, 1989; 刘志礼, 1990; 高林志 等, 1995; 范嘉松, 1996; 王玉净 等, 1996; 朱袁智 等, 1997; 李越 等, 2001, 2002; Xu et al, 2015)。
20世纪80年代, 中国海洋石油公司在珠江口发现多个生物礁油气田, 针对它们是属于藻礁还是珊瑚礁油气田产生了诸多争议, 这些争议推进了藻类造礁理论研究的进步(张明书 等, 1989; 许红 1992; 许红 等, 1999)。
植物藻类造礁理论研究面临诸多问题。一方面藻类造礁研究缺少特征岩芯, 另一方面, 造礁生物的研究以偏光显微镜和电子显微镜为主, 可以提供表层微区信息, 却难以观其内部及三维全貌; 特别是传统物性测试技术会导致样品损耗, 甚至毁坏珍贵化石。
针对南海中新世生物礁油气储层物性研究传统上多利用压汞法和氮气吸附测试法(赵永刚 等, 2006; 姚艳斌 等, 2010), 可测得孔隙度、孔径等参数, 但受限于孔隙连通度及孔隙大小(白斌 等, 2013)。此外, 利用传统方法制备测试样品过程中会破坏岩石的原生孔隙, 造成之后测试的较大误差。
微焦X光层析扫描成像技术(microfocal X-ray scanning imaging technology, X-CT)可以弥补这些传统技术方法的不足(Cnudde et al, 2013), 在医学、生物学、材料科学包括地质科学诸多领域已获得很好应用与发展(Christe et al, 2011; 马文国 等, 2011; Dewanckele et al, 2012; 孙海 等, 2014; 章海宁 等, 2014; 李菊花 等, 2015)。在石油地质学领域, X-CT技术已被用于三维数字岩芯研究, 例如针对颗粒大小、分选性与岩石弹性特征进行分析(章海宁 等, 2014); 对碳酸盐岩油藏孔隙分类(廉培庆 等, 2020); 利用全岩芯CT扫描在不破坏岩芯的前提下, 同时从二维和三维尺度完成遗迹化石的属种识别、发育形态和空间规模等研究工作(陈浩 等, 2018); 计算岩石孔隙分形维数和表征孔隙结构的分形特征(彭瑞东 等, 2011); 研究页岩数字岩芯和计算岩石孔隙度与渗透率关系(孙海 等, 2014); 评价低渗低孔页岩储层物性(李菊花 等, 2015); 对孔隙结构及孔隙流体成像, 以研究流体在页岩内部的分布形态, 包括裂缝及流体性质对其弹性模量影响的规律, 确定流动路径及模拟动力学过程并能达到四维时空模拟的水平(李玉彬 等, 2000; 侯健 等, 2008; 孙建孟 等, 2014); 由X-CT扫描可生成三维空间模型, 能在任意轴向上对岩石孔隙格架、喉道、拓扑性质定量分析和表征(Dewanckele et al, 2012), 高分辨率的CT扫描图像能准确分析低渗透或者特低渗透层岩石的微观孔隙裂缝结构、裂缝中流体及流体性质对储层弹性参数的影响规律, 模拟低孔低渗储层的注水微观驱替渗流机理(Hirono et al, 2003; 刘月田 等, 2005; 吴洁 等, 2012; Sato, 2013); 三维建模方法则运用于天然气水合物研究, 可模拟其生成与分解的动力学特征(蒋观利 等, 2005)。
本文基于X-CT技术, 选择最具代表性的具有营造藻礁格架功能的已知化石钙藻, 包括红藻门(Phodophyta)隐丝藻目(Cryptonemiales)珊瑚藻科(Corallinaceae)奇石藻属(Aethesolithon)新种——南海奇石藻(Aethesolithon nanhaiensis Wang sp. nov.)(王玉净 等, 1996; 许红 等, 1999)和绿藻门(Chloraphyta)管藻目(Siphonales)钙扇藻科(Udoteaceae)(原称海松藻科, Codiaceae)仙掌藻属(Halimeda, 未定种)。仙掌藻繁衍速度快(Hillis-colinvaux, 1980; Vroom et al, 2003; van Tussenbroek et al, 2010), 进化非常基础且钙化形式相当原始, 仙掌藻钙化过程和机制的研究受到广泛重视(Price et al, 2011; Ries, 2011; Hofmann et al, 2012), 仙掌藻节片化石化后成为生物礁建造乃至形成仙掌藻化石岩(马骁 等, 2021); 是热带-亚热带海域碳酸盐沉积物, 以及岛屿、碳酸盐台地建设的主要贡献者之一(Drew et al, 1988; Freile et al, 1995)。
实物岩芯分别取自西沙石岛(112°21′E, 16°51′N) “西科1井”和永兴岛(112°20′E, 16°50′N)“西永2井”的454.46~550m中新世井段, 是直观且具代表性意义的藻礁实物样品, 通过微焦层析成像技术定性定量透视分析它们的三维藻礁结构构造、成礁格架和孔渗层的特征。

1 样品与试验方法

1.1 样品采集

本次研究涉及5+1块岩芯。其中, 岩芯1 (图1a)来自“西科1井”454.46m, 清晰可见岩芯标本表面密密麻麻分布的仙掌藻化石节片, 手标本呈现白色、乳白色, 云泥成分居多, 固结程度中等, 结晶程度中等, 是典型的仙掌藻礁白云岩; 岩芯2来自“西科1井”547.38m, 岩芯标本表面清晰可见南海奇石藻化石, 手标本呈现灰白色、浅黄灰色, 可见该藻藻体密集发育, 固结程度高, 已经结晶形成白云岩(图1b); 岩芯3取自“西永2井”中新世550m (图1c), 岩芯4取自“西永2井”400m (图1d), 岩芯5取自“西永2井”(图1e), 三者可见岩芯表面疑似南海奇石藻化石点。岩芯6为岩芯5小块(图1f)。
图1 “西科1井”、“西永2井”藻礁白云岩微焦X光扫描分析样品

a. 岩芯1, 仙掌藻礁白云岩, “西科1井”454.46m; b. 岩芯2, 南海奇石藻白云岩, “西科1井”547.38m; c. 岩芯3, “西永2井”550m; d. 岩芯4, “西永2井”400m; e. 岩芯5, “西永2井”520m; f. 岩芯6, 岩芯5的一小块

Fig. 1 Microfocal X-ray scanning samples of algal reef dolomite from Wells Xike 1 and Xiyong 2.

(a) Core 1, dolomite of Halimeda Reef, Well Xike 1454.46 m; (b) Core 2, dolomite of Aethesolithon nanhaiensis, Well Xike 1547.38 m; (c) Core 3, Well Xiyong 2550 m; (d) Core 4, Well Xiyong 2400 m; (e) Core 5, Well Xiyong 2520 m; (f) core 6, a small piece of core 5

1.2 技术原理与方法

X-CT技术系统依靠X射线与物质间相互作用成像。过程中, X射线信号源对旋转的岩芯样品不停发射射线, 当射线照射并穿过岩芯时, 由于岩芯样品中各组分密度不同, 射线光子将会产生物质散射, 入射方向射线因样品密度差会发生衰减。微焦X射线扫描成像技术测定岩石样品参数及流体性质时, 主要测定一种线性衰减系数(µ)。线性衰减系数是指对穿过岩芯的那部分X射线的度量, 公式如下:
µ = ρ (a + b Z 3.8 / E 3.2 )
式中: ρ为被测物体密度(单位: g·cm-3); a、b为常数; Z为有效原子序数; E为X射线能量(单位: eV)。
在能量较低时, µ主要为Z的函数; 而高能量时, µ主要为ρ的函数。射线接收器接收到的便是X射线衰减后的信息, 接收源将接受到的射线信息以电信号的形式传递给数字转换器, 最后输入电子计算机进行处理。计算机得到的是X射线衰减后的数据, 软件可根据衰减系数的不同将这些数据转化为一定范围的数值, 通过灰度图像呈现出来。由于岩石组分密度的差异造成基质颜色深浅不同, 由此可以分辨出孔隙、矿物颗粒以及藻类等生物碎屑及其分布特征。通过将大量二维剖面组合起来便可以构建出三维透视空间图像。
试验仪器采用青岛海洋地质研究所的Phoenix v Tome X型工业CT。主要技术指标: 锥形束3D三代扫描; 空间分辨率随样品直径变化而变化, 直径100mm样品分辨率60μm, 直径50mm样品分辨率30μm, 直径25mm样品分辨率15μm, 直径5mm样品分辨率5μm; 有效扫描口径Φ100mm, 有效扫描高度100mm, 工件最大重量10kg, 射线穿透最大厚度35mm。对比灵敏度1%, 可进行图像重建(3D重建、单断层重建)和处理(数据管理、常用图像处理、二维测量、三维表面重建处理、不同密度分割、三维显示、三维交互测量、任意方向切片等)。试验步骤如下:
1) 选取直径不超过5~6cm干净岩芯样品, 用酒精清洗岩芯支架, 保证样品支架的清洁, 将岩芯黏结在支架上并固定好;
2) 打开电脑控制系统和X射线发射源, 根据样品的大小调节X射线能量, 本次试验电压为160kv, 电流为100μA, 对岩芯样品持续扫描;
3) 主控计算机对采集到的电信号进行校正、检验和图像重建等。试验者根据自己的需求在系统配套软件MimiCS上进行三维重构研究。
岩芯三维重构主要包括岩石整体重构、骨架重构和孔隙重构, 通过重构调节获得透视图, 对这些透视图进行旋转、放缩和灰度改变等拟真操作后, 岩芯内部孔隙结构及其空间展布特征得以清晰表达; 同时以不同角度的旋转及其不同颜色的标记, 使得图像更具立体感和直观逼真感。三维重构技术可以重建岩芯孔隙的三维空间构型, 通过孔隙涂色, 可以清晰透视观察到孔隙在空间的位置尤其是连通的情况。这是通过孔隙图像二值分割法实现的孔隙三维图像重构, 能准确表征透视研究对象真实孔隙微观特征。

2 试验岩芯切片与三维重构特征结果分析

2.1 试验岩芯切片特征分析

2.1.1 “西科1井”仙掌藻白云岩切片的特征

切片图像中可以清楚分辨出孔隙、矿物颗粒、生物碎屑以及藻类等的分布特征。图2a为分别沿样品x、y、z轴多位置切片, 清晰可见80%系混合堆积仙掌藻化石节片, 各个位置孔隙发育好, 非均质性较强。图2b所示为仙掌藻节片生物屑, 为有孔虫、珊瑚藻等; 图2c浅绿色部分为孔隙, 见大量原生粒间孔; 由于样品蚀变强烈, 原生矿物被淋滤溶蚀发育形成粒内溶孔; 最大孔隙直径4~5mm; 见许多微细裂缝-喉道, 它们在三维空间体系中连通众多孤立孔隙, 形成粒间溶孔-微裂缝型孔隙组合结构, 对于油气勘探具有重要意义。
图2 “西科1井”岩心1在x、y、z轴方向取得切片

a. 每隔400μm取得切片; b和c. 沿z轴d=19.03mm处切片图像, 图c中的数字为测量的孔隙直径

Fig. 2 Images of core1 from XK-1 triaxially sliced.

(a) The slice taken every 400 μm; (b) and (c) The slice images at d = 19.03 mm along z, numbers in figure c are the measured pore diameters

2.1.2 “西科1井”南海奇石藻白云岩切片的特征

图3为“西科1井”547.38m南海奇石藻岩芯。 z轴切片清晰可见南海奇石藻化石呈柱状、长条状顺层排列, 密集分布在岩石基质当中。测量南海奇石藻化石直径, 3.43~24.65mm不等; 沿化石长轴方向测得最长长度为24.65mm, 可见化石的保存较为完善, 沉积水动力条件较弱。
图3 “西科1井”岩心2 z轴方向取得切片

a. 沿z轴d=0mm处切片图像; b. 沿z轴d=5mm处切片图像; c. 沿z轴d=10mm处切片图像

Fig. 3 Images of Core 2 from XK-1triaxially sliced.

(a) The slice images at d = 0 mm along z; (b) The slice images at d = 5 mm along z; (c) The slice images at d = 10 mm along z

2.1.3 “西永2井”岩芯3切片特征

岩芯3为“西永2井”中新世550m岩芯, 不同位置棒/柱状南海奇石藻藻体密集叠置分布是该岩石样品内部藻体的重要特征(图4)。
图4 岩芯3沿x轴每隔400μm切片

Fig. 4 Images of Core 3 sliced along x at 400 μm intervals

根据切片, 可见该岩石遭受了强烈的蚀变作用生成可明显区分的粒内孔隙和粒间溶孔, 可见较多单个南海奇石藻藻体化石被溶蚀形成粒内次生孔和铸模孔, 这些铸模孔沿藻体内部中心分布, 可能是藻体孢囊被淋滤溶蚀, 而藻体皮层则保存, 结果只可见原始藻体部分的结构特征; 反映了埋藏成岩和淡水淋滤溶蚀作用的特征。从薄片中可见大部分藻体遭受淋滤溶蚀作用后被不同期次结壳状微晶-亮晶白云石充填。在微晶沉积物中发育窗格状组构, 与颗粒桥连及气泡形成有关, 或也可因其他作用所致; 结果有利于最终形成优质油气储层。

2.1.4 “西永2井”岩芯4切片的特征

从扫描后获得的图像上可以清晰地分辨颗粒的边界, 直接观察到孔隙的大小、形状、分布以及颗粒的形状、大小和密度。对于岩芯4我们沿z轴方向选取了一系列连续的切片图像(图5), 相邻两张切片的距离约2mm, 研究发现即使在切面内及切片之间, 岩芯中孔隙大小、形状、类型及矿物质都发生显著变化, 这意味着藻礁岩芯具有较大的非均质性, 这种非均质性主要受成岩作用、沉积作用和压实程度控制。
图5 岩芯4沿z轴扫描所得CT切片

d为距第一张切片的距离

Fig. 5 Images of Core 4 sliced along z.

“d” indicates the distance from the first slice

从扫描切片上我们可以看到岩芯4主要由0.3mm~5mm的颗粒组成, 分选一般, 有少量较大残余藻类节片, 在岩芯4的切片上分布较多的灰白色柱状物藻类片段, 它占据了这块藻礁岩芯的大部分。对比周围基质的颜色, 发现其颜色偏向白色, 说明其密度较大; 基质多为灰质或方解石胶结物, 藻类节片主体为白云岩, 说明后期经历了白云石化作用。另外, 岩芯中可以发现许多文石矿物区已经被完全淋滤溶蚀, 形成铸模孔, 但由于残存了孢囊和颗粒轮廓, 通过切片仍可以清晰识别生物颗粒。切片中可见存在裂缝, 主要是压溶作用形成的。孔隙大量发育且基本连通。可见一枝几乎贯穿岩芯的藻体及大量藻体不同方向截面。有藻体中空, 其中的孔隙是强烈淋滤溶蚀作用结果。测量岩芯内部钙藻, 测得最长藻体为23.25mm, 直径为3mm (图6)。
图6 “西科1井”岩心4切片

a. 原始切片; b. 经过处理后的切片, 红色部分表示致密部分; c. 切片x、y、z轴3个方向的展示; d. 样品中最长一根藻类, 红色线条表示测量部位, 数字表示藻体的长度和宽度

Fig.6 Images of Core 4 sliced of Well Sike 1.

(a) Original slice; (b) slice after treatment, the red spots indicate tight parts; (c) presentations of the slice along x, y, and z; (d) the longest alga among the samples. The red line indicates the measuring position. The numbers are the length and width of the algae

2.2 藻礁生物结构特征三维重构分析

2.2.1 “西科1井”仙掌藻岩芯节片结构三维重构分析

样品切片形象地展示出仙掌藻节片呈不规则片状和长条状, 且分布密集(图2)。对其进行三维重构后, 确定了仙掌藻的空间分布特征(图7)。在重构的图像中, 发现仙掌藻节片是岩石主要的成分构成, 占据了绝大多数岩石空间; 主要分布于样品上部, 节片呈密集堆积叠置状, 相互支撑, 组成典型绿藻仙掌藻礁节片藻架。选择其中两个节片进行了测量和数据标定(图7a, 7b), 确定图7a切片的长轴9.81 mm, 短轴4.74mm, 图7b切片长短轴分别为4.27mm和3.65mm。
图7 “西科1井”仙掌藻化石三维空间表征

a. 长9.81mm, 宽4.74mm的节片; b. 长4.27mm, 宽3.65mm的节片; c. 叠置在一起的节片。以不同颜色区分叠置在一起仙掌藻节片

Fig. 7 Spatial representation of the Halimeda fossils from XK-1.

(a) Segments 9.81 mm long and 4.74 mm wide; (b) Segments 4.27 mm long and 3.65 mm wide; (c) Segments stacked together. Superimposed together in different colors

2.2.2 “西科1井”南海奇石藻礁格架结构三维重构分析

对“西科1井”南海奇石藻白云岩岩芯完成三维重构(图8), 由于南海奇石藻化石粗大保存较好, 在重构图像中极易透视直观, 清晰观察到了南海奇石藻在岩芯内部空间中藻体展布的状态。较仙掌藻节片状化石而言, 南海奇石藻化石表现出沿y轴方向呈顺序性规律堆积排列的特征, 占岩石体积百分比大大小于绿藻仙掌藻, 显然与南海奇石藻原始古生态和沉积环境有关。藻类相互穿插叠置, 典型格架支撑, 周围填充碳酸盐岩碎屑, 印证了南海奇石藻形成藻礁典型藻架的能力。
图8 “西科1井”南海奇石藻三维重构图

a、b为整体重构图; c、d为珊瑚藻重构图。绿色部分为南海奇石藻藻体; 紫色部分为基质

Fig. 8 3D reconstructions of the Aethesolithon nanhaiensis from XK-1.

(a) and (b) are the whole reconstructions; (c) and (d) are reconstructions of the coralline algae. The green part is the algal body of Aethesolithon nanhaiensis; The purple part is the matrix

2.2.3 “西永2井”南海奇石藻礁岩芯4格架三维重构分析

运用VGStuito软件进行分割和重构, 还原岩芯样品表面的特殊微细结构(图9a); 根据沉积物碎屑和藻类化石密度的差异, 去除大部分碎屑沉积物, 很好地展示出了南海奇石藻体的形态、数量、空间分布及构型特征(图9b)。
图9 “西永2井”岩心4三维重构图

a. 高精度CT重构后的岩石样品表面; b. 透析后藻类在样品中的分布; c. 可区分出碳酸盐岩中的重矿物; d. 高精度CT扫描断层横切面

Fig. 9 Three-dimensional recomposition of core 4 in Well 2 of Xiyong.

(a) Rock sample surface after high-precision CT reconstruction; (b) Distribution of dialyzed algae in the sample; (c) heavy minerals in the carbonatite can be distinguished; (d) Cross section of high-precision CT scan tomography

南海奇石藻长短不一, 不同于与“西科1井”的顺向排列, 它们在空间无规律分布(图9b), 藻体整体破碎, 多数断裂, 且占据了较多的样品空间。藻体之间相互连接, 有助于形成坚固格架。
因为重矿物和碳酸钙对X射线的阻挡程度具有指数倍差异, 所以通过三维重构能够很容易标定重矿物在岩芯内部的分布情况。图9c为岩芯样品的矿物分布图, 红色为基质, 黄色为矿物颗粒。矿物颗粒呈星点状, 含量较低, 不均匀分布在基质中。

2.2.4 “西永2井”南海奇石藻礁岩芯5、6格架三维重构分析

完成岩芯5和岩芯6的三维重构, 获得图10。对于孔隙涂色, 可以最大程度展示较大孔隙的空间位置及其连通性。样品岩芯5的立体模型中孔隙以蓝色表示, 样品岩芯6的孔隙以黄色表示, 可见二者孔隙密度、孔隙空间分布特征等具有明显差别, 体现出岩芯的非均质性。岩芯5孔隙密度相对较大, 孔隙较细小但含量较大, 连通性好; 岩芯6大孔隙较发育, 但存在直径较小的孤立分布的不连通孔隙。
图10 岩芯5、6的三维重构图

a. 岩芯5的整体重构图; b. 岩芯5的骨架重构图; c. 岩芯5的孔隙重构图; d. 岩芯6的整体重构图; e. 岩芯6的骨架重构图; f. 岩芯6的孔隙重构图; 绿色为基质, 蓝色为孔隙; 红色为基质, 黄色为孔隙

Fig. 10 3D reconstructions of cores 5 and 6.

(a), (b) and (c) are the whole reconstruction, core skeleton reconstruction and pore reconstruction of core 5, respectively; (d), (e) and (f) are the whole reconstruction, core skeleton reconstruction and pore reconstruction of core 6, respectively; Green is the matrix, blue is the pores, red is the matrix and yellow is the pores

2.3 岩芯三维孔隙空间重构分析

为了更好地展示孔隙结构的三维特征并计算孔隙度, 将原不规则样品岩芯1切割为规整的矩形, 规整后的样品长25.00mm, 宽13.19mm, 高16.19mm。利用mimics软件对切片进行了二值化分割, 完成了每张切片阈值分割计算, 标定孔隙基质颗粒, 拟合多切片连续性变化不大的孔隙, 生成孔隙与基质三维图像(图11)。建立孔隙的三维重构图后, 利用阈值分割, 将样品中的孔隙分布特征进行独立展示, 可见孔隙形态多样, 分布清晰直观, 比切片更加一目了然。统计所有拟合数据, 获得规整后样品的总体积, 为5463.06mm3; 样品的总孔隙体积, 为997.05mm3; 最后获得样品的总孔隙度, 为18.25%。显然, 此孔隙度为岩芯的绝对孔隙度。
图11 “西科1井”岩心1孔隙三维重构图

a. z轴距第一张切片d=1.32mm的切片; b. 岩芯三维透视图; c. 图a切片孔隙展示; d. 图b岩芯孔隙三维重构, 图中黑色实线分别指示长、宽、高, 长为25mm, 宽为13.19mm, 高为16.19mm

Fig. 11 3D pore reconstruction of the core1 from XK-1.

(a) Slice along z at d = 1.32 mm from the first slice; (b) 3D perspective of the core; (c) pore presentation of slice a; (d) 3D pore reconstruction of core b. The solid black lines in the figure indicate the length, width, and height respectively. The length is 25 mm, the width is 13.19 mm, and the height is 16.19 mm

对“西永2井”岩芯4、5、6进行了孔隙度计算和分析。设原始切片图像孔隙为黑色, 为了获得岩芯中孔隙所占体积, 利用mimics软件进行二值化分割, 对扫描所得每张切片的孔隙度和基质颗粒做标定, 通过计算图像中孔隙所占像素数比较岩芯整体的像素数, 得到切片的孔隙度; 对连续变化不大的图像做拟合, 最后重构这些二维图像, 形成三维图像(图12), 最后统计它们的体积, 计算获得孔隙度(表1)。岩芯4、5、6的面孔率分别为26%、19%、21%; 孔隙度分别为21.9%、12.59%、10.32%; 与利用需要柱塞状样品测试孔隙度的传统113型氦孔隙度仪测试方法结果比较, 后者测试岩芯1获得的孔隙度为24.13%。应当肯定二者数据相差不多, 但通过本技术获得的面孔率及孔隙度显然精确度更高。
图12 岩芯4、岩芯5不同方向扫描图片的二值化处理后图像

a, b, c为岩芯4的x, y, z轴切片, 红色部分为颗粒和基质, 黄色部分为孔隙; d为重构图像; e, f, g为岩芯5的x, y, z轴切片, 绿色部分为颗粒和基质, 蓝色部分为孔隙; h为重构图像

Fig. 12 Binarized scan images of core 4 and core 5 in different directions.

(a), (b) and (c) are slices along x, y, z of core 4, the red spots indicate grains and matrixes, the yellow spots indicate pores; (d) reconstruction image; (e), (f) and (g) are slices along x, y, z of core 5, the green spots indicate grains and matrixes, the blue spots indicate pores; (h) reconstruction image

表1 岩芯4、5、6孔隙结构参数的CT测量结果

Tab. 1 CT measurements of pore structure parameters of cores 4, 5 and 6

样品 孔隙表面积/mm2 孔隙体积/mm3 岩石骨架体积/mm3 总体积/mm3 孔隙度/% 平均面孔率/%
岩芯4 172500.80 18649.50 66521.56 85171.06 21.90 26
岩芯5 121500.00 12778.40 88688.95 101467.30 12.59 19
岩芯6 97.08 2.12 18.41 20.52 10.32 21

3 讨论

3.1 藻礁生物格架

西沙群岛中新世普遍发育以仙掌藻和南海奇石藻为主两大类型钙藻, 形成典型生物格架结构、节片结构和障积结构(图13)。其中, 下部发育直立生长圆柱-分枝状珊瑚藻南海奇石藻, 为主形成生物格架-障积结构: 在密集分布层段藻体, 呈多角度支撑状, 横向上相互靠紧, 粗细错落及略具弯曲状藻体间距小于1~2cm时, 构成典型生物格架结构; 当藻体间距加大, 超过2cm至较稀疏分布时, 构成生物障积结构。上部一些层段绿藻门仙掌藻异常发育, 含量可超过90%, 独立形成仙掌藻生物节片结构。它们分别与有孔虫、灰砂等附礁生物, 或还被分泌丰富黏结物质的其他生物黏结, 与细小的不同类型生物碎屑、钙质壳、碳酸盐岩颗粒黏结一起, 最终钙化-埋藏化石化-白云石化, 形成南海奇石藻格架白云岩、障积白云岩和仙掌藻节片白云岩。
图13 两类钙藻岩石结构及其岩石类型图[据许红等(1999)修改]

a. 南海奇石藻格架-障积结构(绘图); b. 仙掌藻节片结构(偏光显微镜照片)

Fig. 13 Images showing the rock structures and rock types of the two calcareous algae (Xu, 1999, with modification).

(a) Aethesolithon nanhaiensis framework-baffle structure (plot); (b) Halimeda proglottid structure (polarized photomicrograph)

3.2 成礁模式

生物礁是具有一定数量的原地造礁生物格架、能够抗击较强的风浪、独立的碳酸盐沉积体, 造礁生物的种类和数量决定了生物礁的构造和成分特征。
对“西科1井”和“西永2井”的研究证实, 新近纪中晚期钙质藻类珊瑚藻南海奇石藻极为发育, 是南海造礁生物群落的重要参与者。南海奇石藻的生长受到浅海沉积环境变化与季节性海流与潮流的影响, 原始生长种群随环境变化(如水体逐渐变浅)逐渐弱化直至灭绝, 同时由原位埋藏过渡到近原地的变位埋藏。在505.6~509.14m、514.0~526.0m水深的南海奇石藻富集层段, 沉积环境稳定, 水流强度较小, 水深相对大一些, 沉积物以细晶为主, 藻体向上生长且原位埋藏的特征明显。藻体呈圆柱状、分枝状等多种产状, 粗细相间, 垂向上可互相接触, 横向上有一定间距, 大部分保持了典型的原始直立生长型埋藏状态。在水深468.0~ 483.74m, 藻体明显变细, 数量减少, 直立式枝状藻体的弱枝、细枝出现折断或倒伏, 呈现原地的变位埋藏。但藻体骨骼的变位仅仅是在藻枝折断、倒伏后相互接触基础上的藻体位置变动, 主要的还是保持原始直立生长型埋藏状态。
随着生物群落的迁移, 南海奇石藻在470m水深处绝灭, 绿藻仙掌藻在水深450m处逐渐繁荣并成为主要的造礁者。仙掌藻藻体在连接藻枝的软体组织腐烂之后, 节片状藻体纷纷脱离原始母体, 藻体倾斜。在密集分布层段(447.9~448m、436~428.4m、422.86~416.8m、 402.5~403.2m、392.5~390.5m、387~385.8m)的切片中发现, 除了少数节片断裂、破碎成两块或多块外, 岩芯中可见仙掌藻的大多数节片呈现杂乱无章状叠置, 未见水流冲刷导致节片方向性排列的现象, 这代表了447.9~387m沉积区间主要的埋藏特征。原地藻体化石节片的无序堆积和叠置埋藏反映出海退型潟湖沉积环境水体稳定、平静, 扰动因素较小, 尤其介质pH值较高, 从而导致仙掌藻藻体节片高密度多层位石化、堆积和叠置, 埋藏并白云石化。这种埋藏特征, 代表了直立有节类绿藻的埋藏方式。
南海奇石藻到绿藻仙掌藻由演替阶段到完全取代, 环境也产生了由滨岸碎屑滩相、生物礁-滩相到潟湖相的转变, 这是正常浅海沉积环境被潟湖浅水沉积环境取代, 这种环境转变是全球性冰川型海退事件的直接结果。中新世西沙纵向礁序列的增长, 是不同生物化石群落造礁生物适应海面升降逐步演替到取代的结果(图14)。
图14 “西科1井”新近系藻礁成因综合模式图

Fig. 14 Composite diagenetic model diagram of the Neogene algal reefs in the Xisha Islands

我们可以看到, 地质历史时期西沙群岛的钙质藻类不仅是早期生物礁环境的开启者, 还是主要的骨架建筑和古海洋变化的适应者。它们是重要的构架和造岩生物群。西沙生物礁的形成发育具有示范性、继承性特征。成岩早期西沙生物礁种类繁盛, 庞大的钙藻植物群落一方面依靠自养的优势繁衍, 另一方面为其他造礁生物提供良好的栖息地, 保证了生物礁环境生物大范围生长发育, 沉积成岩开始后, 特殊的钙藻生物结构在生物礁区形成足以抵抗最强烈风浪的钙藻长垣, 为后期生物礁的成岩演化提供最好的物质基础和成岩环境。生物礁碳酸盐岩经大气淡水、海水和埋藏成岩环境的复杂混合沉积-成岩作用改造, 形成以原生藻类营造的生物格架孔、节片孔为主的多种孔隙类型组合, 特别是在白云化作用过程中形成次生溶蚀孔、发育高孔高渗物性层。因此, 藻礁最终成为南海中新世各大沉积盆地重要的油气储层。

4 结论与讨论

微焦X射线扫描成像透视图像证实, 红藻门珊瑚藻科南海奇石藻和绿藻门仙掌藻在岩芯内部形成多种代表性藻礁化石的结构构造, 包括典型红藻柱状格架结构、障积结构和绿藻仙掌藻节片结构。
通过直观计算机三维图像专业软件二值化技术重构分析计算, 分析了“西科1井”、“西永2井”代表性钙藻岩芯样品基质、孔隙的特征, 通过藻礁岩芯三维透视模型, 获得不同藻礁的喉道、孔隙空间分布、大小及其连通性的特征; 获得精确的总孔隙体积、面孔率、孔隙度等岩石物性参数, 三者数据略大于传统岩石孔渗层测试试验方法数据, 精细度更高。该方法无损样品且简单快捷, 具有重要的实际应用前景。
中新世是西沙生物礁不断增生的重要时期, 造礁钙藻由南海奇石藻逐步演替为仙掌藻, 这种群落演替与取代代表了钙藻随古海变化发育的适者生存。南海奇石藻和绿藻仙掌藻与有孔虫、灰砂等附礁生物或生物碎屑、钙质壳、碳酸盐岩颗粒黏结一起, 形成红藻南海奇石藻珊瑚藻礁格架-障积结构和绿藻仙掌藻礁节片结构, 最终钙化-埋藏化石化-白云石化, 形成南海奇石藻格架白云岩、障积白云岩和仙掌藻节片白云岩。原生藻类营造多种原生孔与次生溶蚀孔、发育高孔高渗物性层。因此藻礁最终成为南海中新世各大沉积盆地重要的油气储层。

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