塔河地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)層深部熱液特征分析

李 輝，李國(guó)蓉，羅 韻，符 浩，高魚偉，朱永源，張 文

（1.成都理工大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059； 2.四川省核工業(yè)地質(zhì)局 二八二大隊(duì)，四川 德陽(yáng) 618000； 3.中國(guó)石油華北油田公司 第二采油廠，河北 霸州 065700）

0 引言

隨著許多沉積盆地?zé)嵋毫黧w作用的發(fā)現(xiàn)，沉積盆地的熱液流體地質(zhì)作用已成為沉積盆地研究和油氣地質(zhì)研究的熱點(diǎn).加拿大Parkland油田泥盆系發(fā)現(xiàn)熱液成因硅質(zhì)巖儲(chǔ)層[1]，加拿大西部泥盆系和美國(guó)東北部紐約奧陶系發(fā)現(xiàn)典型熱液白云巖儲(chǔ)層[2－3]，在塔里木盆地也發(fā)現(xiàn)與熱液地質(zhì)作用有關(guān)的白云巖儲(chǔ)層[4－8]，熱液流體對(duì)儲(chǔ)層的形成有重要貢獻(xiàn).

塔河地區(qū)也成為人們研究熱液流體的熱點(diǎn)區(qū)域，蔡春芳、李開(kāi)開(kāi)等[9－10]認(rèn)為成巖流體具有高溫、富含87Sr，并且攜帶熱化學(xué)硫酸鹽還原作用產(chǎn)物（H2S和CO2）的酸性流體的特征，可能是以大氣淡水為主的地層水，也可能為深部熱液流體；劉顯鳳等[11]研究發(fā)現(xiàn)該區(qū)少量樣品具有反映熱液作用特征的Eu正異常；朱東亞、藺軍、何治亮、孟祥豪等[12－15]認(rèn)為深部熱液流體主要沿?cái)嗔押筒徽厦婊顒?dòng)，熱液溶蝕形成的孔洞縫可構(gòu)成奧陶系主要的有效儲(chǔ)集空間，其活動(dòng)受火山巖漿作用和深大斷裂展布控制；李忠等[16]提出奧陶系碳酸鹽巖構(gòu)造—流體作用與儲(chǔ)層形成模式.目前對(duì)于該地區(qū)熱液流體的研究尚處于初級(jí)階段，深部熱液流體活動(dòng)的識(shí)別標(biāo)志與特征尚未做統(tǒng)一規(guī)定，特別是對(duì)中、上奧陶統(tǒng)灰?guī)r研究明顯缺乏.

根據(jù)巖石學(xué)與礦物學(xué)特征，筆者研究塔河地區(qū)奧陶系深部熱液流體活動(dòng)的識(shí)別標(biāo)志，并根據(jù)地球化學(xué)特征分析熱流體的性質(zhì)與來(lái)源，以及熱液溶蝕作用對(duì)該地區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層的影響，為豐富和完善熱液地質(zhì)作用的理論及其他類似地區(qū)的研究提供指導(dǎo).

1 樣品實(shí)驗(yàn)

塔河油田位于塔里木盆地北部（見(jiàn)圖1（a））.文中主要研究塔河地區(qū)中、上奧陶統(tǒng)灰?guī)r熱流體特征，觀察研究區(qū)60余口井的巖心，并磨制普通薄片進(jìn)一步觀察鑒定，挑選熱流體作用具有代表性的AT5、S119－3、T749、S110、S101等井（見(jiàn)圖1（b））的奧陶系樣品，進(jìn)行地球化學(xué)分析.測(cè)試樣品：碳、氧穩(wěn)定同位素、稀土微量元素、鍶同位素，測(cè)定陰極發(fā)光及流體包裹體均一溫度和鹽度.主要樣品：裂縫方解石（部分含熱液礦物）、溶蝕孔洞方解石（部分含熱液礦物）、不規(guī)則縫洞方解石（部分含熱液礦物）和較大型洞穴巨晶方解石，并采集無(wú)熱液改造影響的圍巖樣品分析作為參考.

圖1 塔河油田位置與取樣井點(diǎn)分布Fig.1 The map of location of Tahe oilfield and the sample wells distribution

碳、氧穩(wěn)定同位素由中國(guó)石油西南油氣田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院MAT252質(zhì)譜儀測(cè)定；稀土微量元素由北京核工業(yè)部地質(zhì)研究所，利用德國(guó)Finnigan－MAT公司生產(chǎn)的EL－EMENTⅠ（離子體質(zhì)譜儀）測(cè)定；鍶同位素由成都理工大學(xué)測(cè)試中心MAT261同位素質(zhì)譜儀測(cè)定，該質(zhì)譜儀對(duì)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局標(biāo)準(zhǔn)樣品NBS987的測(cè)定誤差小于0.02‰；流體包裹體均一溫度由成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，利用英國(guó)Linkam科儀公司的THMSG600冷熱臺(tái)測(cè)定.

2 巖石學(xué)和礦物學(xué)特征

深部熱液流體不僅具有較高的溫度，還富含大量化學(xué)活動(dòng)性強(qiáng)的物質(zhì)組分，如CO2、H2S和SO2等[17]酸性氣體，在沿裂縫上涌活動(dòng)過(guò)程中，隨著溫度、壓力條件的改變，進(jìn)入奧陶系碳酸鹽巖地層后與圍巖發(fā)生顯著水—巖反應(yīng)，從而改變圍巖的顏色、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造，乃至化學(xué)成分[18]；同時(shí)，在適當(dāng)?shù)臈l件下沉淀特殊的熱液礦物，它為深部熱液流體活動(dòng)留下豐富的巖石學(xué)和礦物學(xué)證據(jù)（見(jiàn)圖2）.

2.1 巖石學(xué)特征

在沿?cái)嗔?、裂縫運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，深部熱液流體與圍巖發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，可見(jiàn)典型的熱液現(xiàn)象，如熱褪色和不規(guī)則熱液破裂縫現(xiàn)象，其特征與裂縫的距離越近反映越明顯.

（1）熱褪色.主要沿裂縫兩側(cè)發(fā)育，規(guī)模一般不大，為0.5～2.0cm，表現(xiàn)為海西晚期裂縫中熱液成因粒狀亮晶方解石充填，縫壁泥灰?guī)r圍巖發(fā)生褪色現(xiàn)象，由紫紅色褪色為灰綠色.此外，局部還有灰綠色褪色斑塊（見(jiàn)圖2（a）、（b））.

（2）不規(guī)則熱液破裂縫[19].相對(duì)圍巖“高溫高壓”的熱液流體的侵入，導(dǎo)致原巖溫壓條件突變，使巖石顆粒體積膨脹或沸騰出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象而產(chǎn)生熱液破裂縫，角礫巖有多條不規(guī)則的網(wǎng)狀裂隙；這些裂隙使灰?guī)r角礫破碎成許多小塊，裂隙不具有方向性和連續(xù)性（見(jiàn)圖2（c））.

2.2 礦物學(xué)特征

塔河地區(qū)發(fā)現(xiàn)與熱液流體作用有關(guān)的熱液礦物，如螢石、鞍形白云石、重晶石、石英、硬石膏、黃鐵礦等，常見(jiàn)螢石—石英、重晶石—硬石膏等礦物組合.

（1）螢石.主要充填高角度構(gòu)造風(fēng)化裂縫、斷層，在硅化硅質(zhì)巖中可見(jiàn)螢石交代；多以微晶或粉晶形式產(chǎn)出，螢石形態(tài)多為半自形—他形晶體，顯微鏡下無(wú)色透明，低突起，完全解理，正交光下全消光（見(jiàn)圖2（d）、（e）），伴生礦物有石英、重晶石、黃鐵礦等.趙霞、朱東亞等[20－21]認(rèn)為螢石的形成主要與巖漿期后熱液作用有關(guān).

圖2 熱流體作用的巖石學(xué)和礦物學(xué)特征Fig.2 The characteristic of petrology and mineralogy of hydrothermal fluid activity

（2）鞍形白云石.主要見(jiàn)于溶蝕孔洞和裂縫，是熱液背景的重要指示物；白云石晶體呈粉晶—細(xì)晶，晶形較好，晶體集合通常顯示晶面彎曲的特征，正交光下波狀消光特征明顯或具弱波狀消光（見(jiàn)圖2（f））；陰極發(fā)光下測(cè)試不發(fā)光，可見(jiàn)黃鐵礦與溶蝕孔洞內(nèi)鞍形白云石伴生.

（3）石英.主要見(jiàn)于自生石英，在硅質(zhì)巖中常見(jiàn)，一些鮞?；?guī)r的溶蝕孔洞中自生石英生長(zhǎng)，可見(jiàn)自生石英與螢石相伴生（見(jiàn)圖2（g））.

（4）重晶石.重晶石是判別熱水沉積成因的特征礦物，呈板狀、兩組相交的解理，晶面完整，結(jié)晶程度高，多為自形晶，多表現(xiàn)為構(gòu)造裂縫內(nèi)重晶石沉淀或交代，可與硬石膏及熱液成因硅化硅質(zhì)巖伴生（見(jiàn)圖2（h））.

3 地球化學(xué)特征

3.1 微量元素

塔河地區(qū)熱液成因縫洞方解石微量元素組成見(jiàn)表1.由表1可以看出，微晶灰?guī)r具有較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Ba和Mn及很低的w（Mn）／w（Sr）值，揭示微晶灰?guī)r沒(méi)有經(jīng)過(guò)后期成巖作用的蝕變，對(duì)海水的保存性很好[22]；受熱液流體改造的縫洞方解石富含Ba、Mn，較微晶灰?guī)r高十幾倍甚至幾十倍，Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加主要受熱液流體影響[23－24]，且具有較高的w（Mn）／w（Sr）值，說(shuō)明受熱液流體改造的方解石經(jīng)歷較強(qiáng)的成巖作用的蝕變，揭示地殼深部熱液流體富含Ba、Mn元素，熱液流體與巖漿活動(dòng)密切相關(guān).

表1 塔河地區(qū)奧陶系熱液成因縫洞方解石微量元素組成Table 1 Trace element composition of ordovician hydrothermal calcites filled in fissure－cave in Tahe area

3.2 稀土元素

稀土元素測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3.由圖3可以看出，熱液成因方解石樣品的配分曲線總體較平緩，大多表現(xiàn)輕稀土富集，顯示明顯的正Eu異常，與曾志剛等[25]、蔣少涌等[26]揭示的大西洋中脊26.08°N的TAG熱液區(qū)，以及與曹振華等[27]揭示的印度洋中脊區(qū)熱液成因礦物的稀土元素組成具有相似性，表明塔河地區(qū)奧陶系受深部高溫?zé)嵋毫黧w的影響，與拉張背景及其玄武巖噴發(fā)活動(dòng)有關(guān)[28].

圖3 塔河地區(qū)奧陶系熱液成因縫洞方解石的REE配分模式Fig.3 REE distribution pattern of Ordovician hydrothermal calcites filled in fissure－cave in Tahe area

3.3 陰極發(fā)光

為了分析深部熱液流體對(duì)碳酸鹽巖的影響，選取有海西晚期熱液流體改造的縫洞方解石和圍巖，與其他期次未經(jīng)深部熱液流體影響的裂縫方解石進(jìn)行陰極發(fā)光測(cè)試分析（見(jiàn)圖4）.由圖4可以看出，其他期次裂縫方解石發(fā)光顏色較暗（見(jiàn)圖4（a）），海西晚期熱液成因裂縫方解石發(fā)光較強(qiáng)，發(fā)亮桔紅色光（見(jiàn)圖4（b）），受海西晚期熱液改造的縫洞方解石部位也往往發(fā)較強(qiáng)的亮桔紅色光（見(jiàn)圖4（c）），海西晚期熱液褪色改造的泥灰?guī)r部位也發(fā)亮桔紅色光（見(jiàn)圖4（d））.

碳酸鹽礦物的陰極發(fā)光與其礦物中w（Mn）及w（Fe）／w（Mn）值有關(guān)[29－30]，揭示由地下深處來(lái)源的熱液中，Mn2＋較高，并致方解石晶格中w（Fe）／w（Mn）值較低，陰極發(fā)光較強(qiáng)，這與金之鈞等[18]采用電子探針?lè)治鼋沂镜氖軣嵋毫黧w影響的方解石具有較高M(jìn)n質(zhì)量分?jǐn)?shù)的結(jié)論一致，進(jìn)一步證實(shí)深部熱液流體富含Mn.

圖4 塔河地區(qū)奧陶系陰極發(fā)光顏色Fig.4 The comparison of Ordovician luminescence colors in Tahe area

3.4 碳、氧同位素

分析塔河地區(qū)內(nèi)奧陶系縫洞方解石C、O穩(wěn)定同位素（48個(gè)），其中有8個(gè)未受熱液改造縫洞方解石和2個(gè)微晶灰?guī)r圍巖（見(jiàn)圖5）.由圖5可以看出：

（1）按氧同位素的不同將熱液改造方解石分為Ⅰ型熱液改造方解石和Ⅱ型熱液改造方解石，Ⅰ型熱液改造方解石與未受熱液改造方解石、圍巖的δ13C值相似，揭示δ13C變化不是很明顯；Ⅱ型熱液改造方解石較圍巖、未受熱液改造方解石的δ13C稍低，巖漿熱液來(lái)源流體的C元素部分隨揮發(fā)分流失，使Ⅱ型熱液改造方解石δ13C值較圍巖的偏低.

（2）碳酸鹽礦δ18O值變化主要受介質(zhì)性質(zhì)和溫度的控制，熱液縫洞方解石的δ18O值較低，小于－10‰，揭示的不是大氣水加入的作用，而是熱液溫度升高增強(qiáng)熱力分餾作用，導(dǎo)致熱液方解石的δ18O值更低；Ⅱ型熱液改造方解石的δ18O值低于Ⅰ型熱液改造方解石的，原因是受溫度影響，熱液改造的程度不同.

圖5 塔河地區(qū)奧陶系各類方解石的碳、氧穩(wěn)定同位素分布特征Fig.5 The distribution feature of carbon and oxygen stable isotopic of Ordovician different calcites in Tahe area

3.5 Sr同位素

Sr同位素測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)87Sr／86Sr值范圍較寬，介于0.707 521～0.714 133（樣品n＝12），除個(gè)別樣品外，大多數(shù)樣品的87Sr／86Sr同位素比值較高，均高于碳酸鹽巖圍巖與同期海水的（87Sr／86Sr≈0.708 000），平均為0.710 668（見(jiàn)表2），顯示具有外來(lái)的、富含87Sr的流體的貢獻(xiàn)；結(jié)合3.1具有較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Ba、Mn元素，Eu異常等特征，表明該流體來(lái)自深部的熱液流體，與塔里木盆地在二疊紀(jì)發(fā)生的火山活動(dòng)密切相關(guān).該流體中Sr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)受幔源Sr（87Sr／86Sr≈0.704 000）的控制，流經(jīng)基底前寒武碎屑巖，碎屑巖提供豐富的Sr元素，致使充填的縫洞方解石具有較高的87Sr／86Sr值；流體所攜帶的物質(zhì)成分、圍巖、構(gòu)造背景及深度等因素形成方解石的Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有明顯的差異.

表2 塔河地區(qū)奧陶系熱液成因縫洞方解石的Sr元素組成Table 2 Sr elements characteristics of Ordovician hydrothermal calcites filled in fissure－cave in Tahe area

3.6 流體包裹體

觀察研究區(qū)熱液成因方解石樣品（裂縫充填、溶蝕孔洞充填、大型縫洞充填、巨晶方解石）的鹽水包裹體，選擇形態(tài)規(guī)則的包裹體，測(cè)定均一溫度和鹽度，均一溫度分布范圍較寬（見(jiàn)圖6），主要集中于130～190℃，平均為161℃，表明方解石形成時(shí)的流體溫度明顯高于奧陶系所經(jīng)歷的最高溫度10℃以上，原因是受深部熱液流體的影響.此外，出現(xiàn)3個(gè)主峰值的正態(tài)溫度分布模式，3個(gè)主峰值和變化區(qū)間分別為140℃（130～150℃）、160℃（150～170℃）、180℃（170～190℃），揭示熱液成因方解石經(jīng)歷至少有同期次的3期熱液流體活動(dòng).李純?nèi)?、張金川等[31－32]研究認(rèn)為塔河地區(qū)奧陶系經(jīng)歷5期熱流體活動(dòng)，也證實(shí)塔河地區(qū)奧陶系深部熱液流體具有多期次活動(dòng)的特點(diǎn)；有少數(shù)包裹體均一溫度較低，可能是后期晶體微裂縫中形成的次生包裹體.馬紅強(qiáng)等[33]認(rèn)為塔河地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖存在巖漿期后的熱液作用，螢石中鹽水包裹體均一溫度分布在208.5～218.5℃之間，平均為213.6℃，也證實(shí)該地區(qū)存在高溫流體的影響.

此外，挑選5個(gè)熱液成因方解石中鹽水包裹體進(jìn)行鹽度測(cè)試（見(jiàn)表3）.由表3看出，熱液成因方解石包裹體鹽度依次為18.9%、19.3%、18.7%、20.6%、21.4%，包裹體平均鹽度為19.7%，由于奧陶系海水的平均鹽度約為5.5%，熱液方解石中包裹體的鹽度是同時(shí)期海水鹽度的3.5倍左右，說(shuō)明熱液成因方解石是在高鹽度條件下形成的，揭示深部熱液流體具有高鹽度特征.

圖6 塔河地區(qū)奧陶系熱液成因的縫孔洞方解石鹽水包裹體均一溫度分布Fig.6 The homogeneous temperature distribution of Ordovician hydrothermal calcites filled in fissure－cave salt－water inclusion in Tahe area

表3 塔河地區(qū)奧陶系熱液成因方解石鹽水包裹體鹽度測(cè)試結(jié)果Table 3 The salinity chart of Ordovician hydrothermal calcites salt－water inclusion in Tahe area

4 熱液溶蝕對(duì)儲(chǔ)層的影響

深部熱液流體富含CO2、H2S、S，以及少量的 CO、H2、HCl、NH3、NH4Cl、HF等酸性流體[34]，在沿裂縫上涌活動(dòng)過(guò)程中，流體對(duì)奧陶系碳酸鹽巖進(jìn)行各種改造作用，最具典型的是熱液溶蝕作用，熱液溶蝕是塔河地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖次生孔隙發(fā)育的一個(gè)重要因素.

觀察巖心和薄片，熱液溶蝕現(xiàn)象在塔河地區(qū)奧陶系中較為多見(jiàn)，且主要表現(xiàn)為5種形式：

（1）沿構(gòu)造裂縫或沿切割縫合線的構(gòu)造裂縫方解石受熱液溶蝕，形成溶蝕孔洞或串珠狀孔洞（見(jiàn)圖7（a）、（b））；

（2）熱液成因白云石斑塊內(nèi)部受溶蝕形成溶蝕孔洞（見(jiàn)圖7（c））；

（3）熱液成因硅化硅質(zhì)巖中殘余灰?guī)r受溶蝕作用改造形成溶蝕孔洞（見(jiàn)圖7（d））；

（4）沿早期不規(guī)則縫洞方解石受溶蝕形成溶蝕孔洞（見(jiàn)圖7（e））；

（5）灘相顆?；?guī)r粒間受溶蝕形成粒間溶孔或粒間溶蝕孔洞（見(jiàn)圖7（f））.這些溶蝕孔隙或溶蝕孔洞內(nèi)部可見(jiàn)少量粒狀干凈方解石生長(zhǎng)，未充填的剩余空間或見(jiàn)原油進(jìn)入，它們是有效儲(chǔ)集空間的重要標(biāo)志，熱液溶蝕孔洞可構(gòu)成研究區(qū)重要的儲(chǔ)滲空間.

圖7 塔河地區(qū)深部熱液流體作用下碳酸鹽巖的溶蝕作用Fig.7 Dissolution of carbonates by deep hydrothermal fluid in Tahe area

5 結(jié)論

（1）塔河地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖具有異常明顯的熱液流體活動(dòng)，明確塔河地區(qū)深部熱流體作用的識(shí)別標(biāo)志，典型的巖石熱褪色、不規(guī)則熱液破裂縫、熱液礦物和熱液礦物組合的發(fā)育，如螢石、鞍形白云石、重晶石、石英、硬石膏、黃鐵礦等，常見(jiàn)螢石—石英、重晶石—硬石膏等礦物組合.

（2）塔河地區(qū)熱液活動(dòng)異常，熱液流體具有高溫、高鹽度、酸性的特點(diǎn)，富含87Sr、Ba、Mn等元素.

（3）流體包裹體均一溫度主要集中在130～190℃之間，出現(xiàn)3個(gè)主要峰值，分別為140、160、180℃，塔河地區(qū)奧陶系深部熱液流體具有多期次活動(dòng)的特點(diǎn)，該流體來(lái)源于地殼深部，與二疊紀(jì)巖漿活動(dòng)密切相關(guān).

（4）熱液流體對(duì)塔河地區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層具有一定的改造作用.該地區(qū)主要發(fā)育沿縫串珠狀溶蝕孔洞、白云石斑塊內(nèi)部溶蝕孔洞、硅化硅質(zhì)巖內(nèi)部溶蝕孔洞、早期縫洞方解石溶孔及顆?；?guī)r粒間溶孔的熱液溶蝕次生孔隙，對(duì)奧陶系儲(chǔ)層的形成具有重要貢獻(xiàn).

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