塔里木盆地西北緣奧陶系露頭中的鈣華特征及其石油地質(zhì)意義

牛永斌,鐘建華,王培俊,陳 鑫,李 佳

(1.中國石油大學(xué)地球資源與信息學(xué)院,山東青島 266555;2.河南省生物遺跡與成礦過程重點實驗室,河南焦作 454003)

塔里木盆地西北緣奧陶系露頭中的鈣華特征及其石油地質(zhì)意義

牛永斌1,2,鐘建華1,王培俊1,陳 鑫1,李 佳1

(1.中國石油大學(xué)地球資源與信息學(xué)院,山東青島 266555;2.河南省生物遺跡與成礦過程重點實驗室,河南焦作 454003)

依據(jù)野外觀測,利用巖石切片、薄片鑒定和孔隙度與滲透率測試等分析手段,對塔里木盆地西北緣巴楚五道班和柯坪硫磺溝兩處奧陶系露頭中鈣華沉積進行研究,并應(yīng)用地貌學(xué)和巖溶動力學(xué)對這些鈣華成因進行分析。結(jié)果表明:這些鈣華沉積具有較高的孔隙度和滲透率,可作為一種優(yōu)質(zhì)儲層;巴楚五道班奧陶系鈣華沉積成因為富含 CO2的大氣淡水溶蝕灰?guī)r,在地下形成暗河,在暗河出口處的沼澤地帶,由于壓力下降,溫度上升,造成巖溶水中 CO2逸出,CaCO3大量沉淀形成鈣華;柯坪硫磺溝奧陶系鈣華沉積的成因為裂縫溶蝕擴大形成溶洞,然后由鈣華沉積物分期沉淀而成。

塔里木盆地;奧陶系;鈣華沉積;碳酸鹽巖;古巖溶

鈣華又稱石灰華,是在地表由泉、河、湖水沉積形成的大孔隙次生碳酸鈣,一般具有多孔隙的海綿狀結(jié)構(gòu)以及薄層殼狀、塊狀構(gòu)造[1]。其成因是由于巖溶地區(qū)的地下水或地表水在適宜的環(huán)境下(且往往是在植物作用影響下)碳酸鈣過飽和沉積形成[2-6]。它作為一種旅游景觀前人進行過大量的研究[7-9],但是在石油地質(zhì)上把它作為儲集油氣的空間進行研究國內(nèi)還未見相關(guān)成果報道。筆者在 2009年 5—8月對塔里木盆地西北緣奧陶系露頭碳酸鹽巖地層考察時,在巴楚五道班和柯坪硫磺溝兩處露頭中發(fā)現(xiàn)大量的鈣華沉積,這些鈣華沉積疏松多孔,局部見油氣充注或過油現(xiàn)象,可作為一種優(yōu)質(zhì)儲層。因此,筆者依據(jù)野外觀測,利用巖石切片、薄片鑒定和孔隙度與滲透率測試等分析手段對兩處鈣華沉積特征及其石油地質(zhì)意義進行研究。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

圖 1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location of research area

研究區(qū)位于塔里木盆地的西北緣巴楚 -柯坪縣境內(nèi)(圖 1)。五道班鈣華沉積剖面位于巴楚縣西北、三岔口西約 35 km處,構(gòu)造位置位于柯坪塔格斷隆與皮羌斷裂的交匯處[10-12]。五道班奧陶系出露地層包括下奧陶統(tǒng)的蓬萊壩組、中 -下奧陶統(tǒng)的鷹山組、一間房組和上奧陶統(tǒng)的土木休克組與良里塔格組,鈣華沉積位于中 -下奧陶統(tǒng)的鷹山組(圖 2),厚約為 20～30 m?？缕毫蚧菧蠆W陶系鈣華沉積剖面位于柯坪縣西南 57 km處,構(gòu)造位置位于柯坪塔格斷隆與喬來買提斷裂的交匯處[13-14],奧陶系出露地層主要是中奧陶統(tǒng)的一間房組、上奧陶統(tǒng)土木休克組和良里塔格組,鈣華沉積屬于中奧陶統(tǒng)的一間房組,厚度為 2～4.8 m。

2 鈣華特征

2.1 鈣華的產(chǎn)出特征

研究區(qū)內(nèi)鈣華沉積礦物成分主要為方解石,占90%以上。從鈣華沉積側(cè)向過渡為碎屑沉積,碎屑沉積物多為石英質(zhì)碎屑巖類。鈣華沉積多呈灰白色、土黃色。由于鈣華沉積形成后長期暴露于空氣中,其中所含的鐵、錳元素及有機質(zhì)發(fā)生氧化,使其表面出現(xiàn)黑色或紅褐色斑塊。鈣華沉積體形態(tài)奇異多變,根據(jù)鈣華沉積體的形態(tài)特征歸納為 6種類型:①層狀/似層狀鈣華(圖 3(a));②海綿狀鈣華 (圖 3(b),(c));③鐘乳石狀鈣華 (圖 3(d));④鈣質(zhì)包殼鈣華 (圖 3 (e));⑤豆莢狀/長條狀鈣華 (圖 3(f),(g));⑥砂糖狀鈣華(圖 3(h))。各類鈣華特征描述見表 1。

表1 五道班 柯坪硫磺溝奧陶系鈣華特征Table 1 Characteristics of Ordovician tufa in the fifth track and sulfur gulch

2.2 鈣華的孔隙特征

從研究區(qū)野外露頭照片和各類鈣華的室內(nèi)巖石切片照片 (圖 3(a),(b),(c),(e),(i),(j),(k), (l))上可以看出鈣華沉積體內(nèi)孔隙發(fā)育 (占巖石總體積的 10%～30%),且大小不等,具有較強的連通性。圖 3(a),(b),(c),(d),(e),(h),(i),(j), (k),(l)為五道班鈣華,(f),(g)為硫磺溝鈣華。依據(jù)孔隙大小可以分為 5個等級,即微型孔、小型孔、中型孔、大型孔和超大型孔[15];各類孔隙的分類標(biāo)準(zhǔn)及所占比例統(tǒng)計見表示。由表 2可知,鈣華沉積體孔隙數(shù)量上雖然以微型為主,但是在孔隙體積上以中小型孔隙所占比例最大,這些孔隙有原始?xì)埩艨紫逗秃笃诘娜芪g孔隙,特別是原生殘留孔隙相當(dāng)發(fā)育。

圖 2 巴楚地區(qū)五道班剖面奧陶系鷹山組綜合柱狀圖Fig.2 Section synthetic column of Y ingshan formation of Ordovician beside the fifth track in Bachu county

從圖 3(i)～(l)所示的巖石切片可發(fā)現(xiàn)占孔隙體積最多的中型、大型和超大型孔洞多呈不規(guī)則的扁球狀,長軸方向多近平行于層面,推測多為原生殘留孔隙在壓實作用下變形而成和順層溶蝕形成的孔隙,孔洞內(nèi)偶見后期充填的碎屑顆粒。此外野外和室內(nèi)標(biāo)本觀察都發(fā)現(xiàn)鈣華沉積體有灰色或灰黑色礫灰?guī)r呈點接觸或線接觸后被鈣質(zhì)膠結(jié)而成。鈣質(zhì)膠結(jié)物發(fā)生重結(jié)晶,長柱狀方解石晶體交織生長形成空洞構(gòu)造,孔洞內(nèi)方解石晶體長度為 3～8 mm,孔洞間具有較好的連通性。

表 2 研究區(qū)奧陶系鈣華孔隙分類Table 2 Classification of Ordovician tufa pore in research area

鈣華中的小型和微型孔隙要在顯微鏡下才能觀察到。圖 4((a),(b),(c),(d),(e),(f),(h),(i)為五道班鈣華,(g)為硫磺溝鈣華)所示為偏光顯微鏡下觀察到的各類鈣華孔隙特征。層狀/似層狀鈣華和海綿狀鈣華沉積具有以下特征:①鈣華沉積殘留孔隙發(fā)育,孔隙內(nèi)常見石英或其他碎屑顆粒,薄片上表現(xiàn)為被鑄體膠或瀝青充填 (圖 4(a),(b), (c));②沉積殘留孔周圍藻絲體發(fā)育 (推測為一種絲藻)(圖 4(d),(e),(f)),它與沉積殘留孔的形成密切相關(guān);③沉積殘留孔壁由硬質(zhì)方解石晶體構(gòu)成,晶體直徑為 0.02～0.2 mm,易被茜素紅染成紅色,見聚片雙晶條紋,為細(xì) -中晶方解石 (圖 4(a))。鐘乳石鈣華、豆莢狀鈣華和砂糖狀鈣華沉積晶間裂隙也較發(fā)育,且裂隙間相互交織成網(wǎng)狀具有很好的連通性,在節(jié)點處溶蝕擴大成囊狀,薄片上多被固體膠或瀝青充填(圖 4(g),(h),(i))。

圖3 五道班 柯坪硫磺溝奧陶系鈣華露頭和巖石切片特征Fig.3 Characteristics of outcrop and rock slice of Ordovician tufa from the fifth track and Keping sulfur gulch

2.3 鈣華的成因探討

前人對鈣華沉積的成因進行過大量研究,提出2種成因(冷成因和熱成因),4種沉積模式 (泉水、河流障、湖泊和沼澤沉積)和 5種地質(zhì)影響因素(氣候、地質(zhì)地貌、水文地質(zhì)條件、水體物理化學(xué)性質(zhì)和生物)。2種成因的實質(zhì)是針對鈣華沉積中所需CO2的來源:冷成因論者認(rèn)為鈣華沉積系統(tǒng)中的CO2來源于高寒冷成因的 CO2氣源,也就是氣候成因;熱成因論者認(rèn)為鈣華沉積系統(tǒng)中 CO2來源于地殼深部的 CO2氣源,也稱為內(nèi)生成因。4種沉積模式說明了形成鈣華的地理位置和沉積環(huán)境密切相關(guān),同時受到多種沉積因素的影響。在多種地質(zhì)因素的共同作用下決定了鈣華沉積的最終面貌[1-9]。

塔里木盆地西北緣在奧陶紀(jì)位于北緯 10°附近,古氣候以溫暖潮濕的熱帶氣候為主,有時與干旱、半干旱的熱帶、亞熱帶氣候交替出現(xiàn)。研究區(qū)奧陶系鈣華分布區(qū)基巖多為碳酸鹽巖類,構(gòu)造運動和巖溶作用強烈,斷裂較發(fā)育。這為巖溶水提供了良好的徑流通道,而且為鈣華的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

筆者通過對巴楚五道班奧陶系的鈣華沉積研究分析認(rèn)為它屬于冷成因鈣華,所需 CO2的來源主要是大氣淡水。它的沉積模式不能簡單用前人總結(jié)的泉水、河流障、湖泊和沼澤沉積 4種沉積模式中的任何一種簡單概括,它有自己獨特的形成過程——暗河 -沼澤成因。推測它的形成過程是:研究區(qū)在加里東期構(gòu)造運動下地層抬升并與塔中隆起分離,形成相對獨立的碳酸鹽巖臺地;海西期受南天山洋俯沖、消減的影響,在北西 -南東方向擠壓應(yīng)力作用下,北部形成隆起;隆起上、下古生界遭受了強烈剝蝕,同時發(fā)生了長期的淡水淋濾溶蝕作用;大氣淡水中含有豐富的 CO2,CO2溶于水形成碳酸,碳酸溶蝕地表灰?guī)r,形成落水洞和天坑等喀斯特地貌;隨著溶蝕作用的深入,地下灰?guī)r發(fā)生溶蝕形成暗河;暗河內(nèi)灰?guī)r繼續(xù)溶蝕,形成富含 Ca(HCO3)2的巖溶水,巖溶水在流出暗河后,在暗河出口處 (陸表海的沼澤地帶),壓力下降,溫度上升,造成水流中有大量的低壓 CO2氣泡逸出,鈣質(zhì)物質(zhì)大量沉積,形成如今見到的大量鈣華沉積(圖 5)。

圖4 五道班 柯坪硫磺溝奧陶系巖樣鈣華孔隙顯微特征Fig.4 M icro-characteristics of tufa pore of Ordovician rock sample from the fifth track and Keping sulfur gulch

圖 5 巴楚五道班奧陶系鈣華成因示意圖Fig.5 D iagram of Ordovici an tufa form ing beside the fifth track in Bachu county

大氣中的CO2 與H2O化合成碳酸對灰?guī)r發(fā)生溶蝕作用方程式(1)高濃度Ca2+ 和HCO3-以離子狀態(tài)存在于水中;隨暗流流向低處方程式(2)在溫度和壓力發(fā)生變化下沉淀,形成鈣華沉積(如鐘乳石等)

整個形成過程可以用下面的化學(xué)方程式表達(dá):方程式(1),(2)分別為

從巴楚 -柯坪地區(qū)的遙感影像圖上可以發(fā)現(xiàn)(圖 6),在巴楚五道班地區(qū)地質(zhì)歷史上曾經(jīng)發(fā)育地下暗河的區(qū)域,容易被后期的構(gòu)造運動破壞發(fā)生垮塌形成斷裂(如皮羌斷裂),進而發(fā)育成今天遙感圖上所見到的山谷沖溝地貌。

柯坪硫磺溝奧陶系露頭巖性以生物碎屑灰?guī)r為主,為該區(qū)鈣華沉積提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。鈣華沉積體位于柯坪塔格斷隆和喬來買提斷裂的交匯處,構(gòu)造裂縫發(fā)育,為鈣華沉積提供了運移的通道和沉積空間。硫磺溝奧陶系鈣華沉積形成過程(圖 7)為:①構(gòu)造運動促使研究區(qū)脆性灰?guī)r斷裂產(chǎn)生裂縫,構(gòu)造運動的演化和繼承使裂縫寬度加大;②富含 CO2的大氣淡水溶蝕裂縫周緣的灰?guī)r形成富含 Ca (HCO3)2的巖溶水,沿裂縫向低處流動,同時在裂縫抗腐蝕性差的區(qū)域形成溶孔、溶洞;③巖溶水在流動的過程中,由于外界條件的變化 (主要是壓力的下降和氣溫的上升),在形成的溶洞處發(fā)生溶蝕作用的同時發(fā)生沉積作用(類似于交代作用),形成鈣華沉積。

隨著鈣華過程的深入和構(gòu)造運動的擠壓作用,部分溶洞最終被完全充填后保存了下來,形成今天見到的面貌。由于整個行程是分期的,各期鈣華沉積的物性不完全相同,在內(nèi)外力的作用下各期鈣華界面容易形成新的微裂縫,同時重結(jié)晶作用也在晶體周圍形成了大量的貼?？p,這些微裂縫的存在使其成為了一種優(yōu)質(zhì)儲層。

此外,研究區(qū)奧陶系鈣華薄片上還發(fā)現(xiàn)有大量的古藻類 (圖 4(d),(e),(f)),通過鑒定認(rèn)為主要有葛萬藻 (Girvanella)、威薩德藻 (W ethredella)、蠕孔藻 (Ver m iporella)和努亞藻 (Nuia),它們在鈣華沉積的形成過程中起著非常重要的生物控制作用。蠕孔藻 (Ver m iporella)依靠膠質(zhì)管、柄等黏附結(jié)構(gòu)在小突起、陡坎及障礙物上附生,而后通過光合、黏結(jié)、分泌、結(jié)殼和捕獲等生物巖溶沉積作用,直接在藻體表面進行碳酸鈣原位沉積,同時后期形成的藻席也為其他的生物入侵和生長提供了良好的附著面。另外,藻類的光合作用導(dǎo)致水體中短期內(nèi) CO2減少也可使水體達(dá)到飽和而形成鈣華沉積。因此,藻類等作為鈣華沉積的重要組分而又同時作為方解石沉積依附的骨架形成疏松多孔的鈣華沉積。

3 鈣華的石油地質(zhì)意義

鈣華沉積體具有非常發(fā)育的儲集空間,又處于塔里木盆地重要的產(chǎn)油層位——奧陶系,塔河油田、輪南油田、塔中油田、和田油田和巴楚地區(qū)均在奧陶系發(fā)現(xiàn)大量的油氣資源[16-17],因此對塔里木盆地西北緣奧陶系鈣華沉積的研究具有非常重要的石油地質(zhì)意義。主要體現(xiàn)在以下兩個方面:

(1)巴楚五道班奧陶系層狀/似層狀鈣華和海綿狀的鈣華沉積體疏松多孔,具有很高的孔隙度和良好的連通性。從表 3所示孔隙度和滲透率統(tǒng)計結(jié)果可知:層狀鈣華孔隙度最大可達(dá)10.92%,滲透率最大可達(dá) 38.55×10-3μm2,是非常良好的碳酸鹽巖儲層;而海綿狀鈣華孔隙度和滲透率更高,孔隙度最高可達(dá)18.41%,滲透率最高可達(dá) 2210×10-3μm2,也就是說海綿狀鈣華具有更大的儲集空間和更好的連通性。而柯坪硫磺溝溶洞內(nèi)的鈣華充填體裂縫相當(dāng)發(fā)育,常相互交織成網(wǎng)狀且具有很好的連通性 (圖 4(g)),也可以作為一種優(yōu)質(zhì)的儲層。此外,鈣質(zhì)包殼鈣華、砂糖狀鈣華沉積體也具有較高的孔隙度和滲透率,可作為碳酸鹽巖中非常優(yōu)秀的儲集空間。因此,在未來該區(qū)奧陶系石油勘探時,這些鈣華沉積發(fā)育區(qū)可以作為碳酸鹽巖儲層的一個“甜點”。

表3 巴楚 柯坪奧陶系鈣華孔隙度和滲透率Table 3 Porosity and permeability of Ordovician tufa from Bachu-Keping county

(2)塔里木盆地西北緣奧陶系碳酸鹽巖鈣華沉積常和地下暗河或溶洞相伴出現(xiàn),因此它可以作為判定暗河或溶洞的標(biāo)志[18]。研究區(qū)奧陶系經(jīng)歷了加里東中期和海西期早期兩次巖溶發(fā)育期,具有形成鈣華沉積的大環(huán)境,此外研究區(qū)奧陶系巖性多以灰?guī)r為主,具有形成鈣華沉積的物質(zhì)基礎(chǔ),這些因素造成塔里木盆地西北緣奧陶系鈣華沉積相對較為發(fā)育,使鈣華沉積作為該區(qū)一種優(yōu)質(zhì)儲層成為可能。

4 結(jié) 論

(1)在塔里木盆西北緣巴楚五道班和柯坪硫磺溝奧陶系露頭區(qū)發(fā)現(xiàn)的鈣華沉積依據(jù)產(chǎn)出形態(tài)可劃分為層狀/似層狀鈣華、海綿狀鈣華、鐘乳石狀鈣華、鈣質(zhì)包殼鈣華、豆莢狀/長條狀鈣華、砂糖狀鈣華。各類鈣華沉積體均具有較高的孔隙度和滲透率,可作為一種優(yōu)質(zhì)儲層。

(2)巴楚五道班奧陶系鈣華沉積的成因為富含CO2的大氣淡水溶蝕灰?guī)r,在地下形成暗河,巖溶水在流出暗河后,在暗河出口處——陸表海邊緣的沼澤地帶,由于壓力下降,溫度上升,造成巖溶水中低壓 CO2氣泡逸出,CaCO3大量沉淀而成。柯坪硫磺溝奧陶系鈣華沉積的成因為裂縫溶蝕擴大形成溶洞,然后由鈣華沉積物分期沉淀而成。

(3)研究區(qū)奧陶系鈣華沉積常與地下暗河、溶洞或裂縫的形成有關(guān),因此可作為判定地下暗河、巖溶出現(xiàn)的一種標(biāo)志,這對該區(qū)的油氣勘探具有重要的借鑒意義。

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(編輯 徐會永)

Tufa character and its oil-gas sign ificance of Ordovician outcrops in the northwestmargin of Tari m Basin

N IU Yong-bin1,2,ZHONG Jian-hua1,WANG Pei-jun1,CHEN Xin1,L IJia1
(1.College of Geo-Resources and Info rmation in China University of Petroleum,Q ingdao266555,China; 2.Key Laboratory of B iology Trace and M ining Process of Henan Province,Jiaozuo454003,China)

By usingmethods of rock slice,thin-section analysis and porosity and per meability testing,the tufa sedimentary characteristicswere studied,and the origin of tufa were analyzed through the analysis of geomorphology and karst dynamics. The sampleswere collected from Ordovician outcrops in the fifth track ofBachu county and Keping sulfur gulch based on field observation.The results show that the tufa deposition is a good kind of reservoirwith high porosity and per meability.The origin of tufa ofOrdovician in the fifth track ofBachu county is that the fresh waterwhich was rich in CO2corroded li mestone, then the underground river produced.When the karstwater flowed outof the underground river,CO2escaped and CaCO3deposited largely in themarsh of epicontinentalmarginwith the pressure declining and the temperature rising.The origin of tufa sedi mentation ofOrdovician in Keping sulfur gulch is that fracture corroded to enlarge into karat cave,then tufa for med as CaCO3deposited by stage.

Tarim Basin;Ordovician;tufa sedimentation;carbonate rock;karst

TE 121.32

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.04.005

1673-5005(2010)04-0025-08

2010-02-17

國家油氣重大專項課題(2008ZX05014-002-002HZ);河南省生物遺跡與成礦過程重點實驗室開發(fā)基金項目(OT MP0903)

牛永斌(1980-),男(漢族),河南淮陽人,博士研究生,主要從事沉積學(xué)與巖相古地理研究。