熱液作用對塔東地區(qū)寒武系碳酸鹽巖儲集層的影響

邵紅梅，盧 曦，李國蓉，孟祥豪（1.中國地質(zhì)大學(xué)能源學(xué)院，北京10008；.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶1671；.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，成都610059）

熱液作用對塔東地區(qū)寒武系碳酸鹽巖儲集層的影響

邵紅梅1，2，盧 曦2，李國蓉3，孟祥豪3
（1.中國地質(zhì)大學(xué)能源學(xué)院，北京100083；2.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶163712；3.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，成都610059）

熱液活動對塔東地區(qū)白云巖儲集層的形成起著重要作用。綜合應(yīng)用巖石薄片顯微鏡鑒定、陰極發(fā)光分析、碳氧同位素分析、微量元素分析、稀土元素分析等技術(shù)，研究了熱液地質(zhì)作用對塔東地區(qū)寒武系白云巖儲集層的影響，建立了熱液作用的期次及其巖石礦物學(xué)和地球化學(xué)識別標(biāo)志。對寒武系碳酸鹽巖儲集層具有改造意義的熱液作用有兩期，Ⅰ期熱液作用發(fā)生在中-晚奧陶世，在寒武系白云巖中形成裂縫，而對泥灰?guī)r層段改造較弱或未改造；Ⅱ期熱液作用發(fā)生在二疊紀(jì)末，表現(xiàn)為研究區(qū)內(nèi)廣泛的熱液溶蝕作用，形成寒武系重要的溶蝕縫洞型白云巖儲集層。

塔里木盆地；塔東地區(qū)；熱液作用；熱液溶蝕作用；熱液成因白云巖；碳酸鹽巖儲集層

熱液地質(zhì)作用對碳酸鹽巖儲集層的形成和演化有重要的影響，前人對塔東地區(qū)熱液作用的研究認(rèn)為，熱液溶蝕作用和熱液白云巖化作用是碳酸鹽巖成巖演化過程中主要的建設(shè)性成巖作用，是熱液成因白云巖儲集層發(fā)育的主控因素[1-8]。塔里木盆地在漫長的演化歷史中主要發(fā)生過4期重要地質(zhì)熱事件，時間分別在震旦紀(jì)—寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)、二疊紀(jì)和白堊紀(jì)，以晚二疊世海西運(yùn)動晚期熱液作用發(fā)育[9]。本文綜合應(yīng)用巖石薄片顯微鏡鑒定、陰極發(fā)光分析、碳氧同位素分析、微量元素分析、稀土元素分析等技術(shù)，在塔東地區(qū)識別了兩期對儲集層有建設(shè)性改造意義的熱液作用，并建立了兩期熱液作用的巖石礦物學(xué)和地球化學(xué)識別標(biāo)志，研究了兩期熱液作用機(jī)制及其對儲滲空間形成的影響，對于寒武系白云巖及其儲集層的成因機(jī)制認(rèn)識具有重要意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

塔東地區(qū)位于塔里木盆地東部，受車爾臣和孔雀河2條邊界大斷層的控制，劃分為北部坳陷、塔東隆起、東南坳陷3個構(gòu)造單元[10]。本次研究范圍為古城低凸起、塔東隆起及羅布泊凸起（圖1），研究區(qū)發(fā)育寒武系—奧陶系碳酸鹽巖，據(jù)鉆井揭示，下寒武統(tǒng)西大山組—西山布拉克組主要以泥巖和硅質(zhì)巖為主，夾少量灰?guī)r和白云巖；中寒武統(tǒng)莫合爾山組總體上碳酸鹽巖增多，泥巖相對減少；上寒武統(tǒng)突爾沙克塔格群主要以白云巖和灰?guī)r為主，夾少量泥巖。塔東地區(qū)受多期構(gòu)造活動的改造[11-12]，高角度斷裂發(fā)育，成為熱液流體運(yùn)移擴(kuò)散的主要通道，對熱液成因白云巖以及溶蝕有一定的控制作用[13-15]。鉆井揭示，靠近直通基底斷裂的GC6井和GC8井在白云巖溶蝕縫洞型儲集層中獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流，而同一壘塊上遠(yuǎn)離斷裂的GC7井則未獲工業(yè)發(fā)現(xiàn)，證實(shí)熱液作用是塔東地區(qū)重要的成巖作用，可形成重要的熱液成因白云巖儲集層。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置

2 熱液作用識別標(biāo)志

2.1 巖石礦物學(xué)識別標(biāo)志

應(yīng)用巖石薄片鑒定、陰極發(fā)光分析技術(shù)，對塔東地區(qū)13口井200多個寒武系巖石薄片樣品進(jìn)行了精細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)熱液作用在巖石礦物學(xué)方面存在兩期差異。

（1）Ⅰ期熱液作用表現(xiàn)為各種形式的白云石發(fā)育：中-粗晶臟白云石、中-粗晶干凈白云石（圖2a）、重結(jié)晶中-粗晶白云石構(gòu)成的白云巖；灰?guī)r中的中-粗晶白云石斑塊；熱液溶蝕作用形成的孔洞及其中的鞍狀白云石（圖2b）；早期高鹽度成因白云巖熱液溶蝕縫洞中的中-粗晶白云石（圖2c）；構(gòu)造裂縫內(nèi)鞍狀白云石。Ⅱ期熱液作用主要表現(xiàn)為熱液重結(jié)晶作用形成的中-粗晶臟白云石發(fā)育（圖2d）；溶蝕縫洞內(nèi)鞍狀白云石或方解石生長（圖2e）；白云巖中熱液溶蝕作用形成的縫洞發(fā)育（圖2f）；構(gòu)造裂縫內(nèi)鞍狀白云石或方解石充填；縫洞內(nèi)自生石英生長；溶蝕縫洞內(nèi)羽毛狀伊利石生長；黃鐵礦斑點(diǎn)及晶形好、晶體大的黃鐵礦斑塊的發(fā)育。

（2）陰極射線下，Ⅰ期熱液成因白云石不發(fā)光或發(fā)光暗。具體表現(xiàn)為中-粗晶干凈白云石（圖2a）、重結(jié)晶中-粗晶白云石、構(gòu)造裂縫內(nèi)鞍狀白云石近于不發(fā)光；中-粗晶臟白云石、溶蝕縫洞邊緣鞍狀白云石（圖2b）、早期高鹽度成因白云巖中熱液溶蝕縫洞內(nèi)充填的中-粗晶白云石發(fā)暗玫紅色光（圖2c）。Ⅱ期熱液作用的顯著識別標(biāo)志是陰極射線下發(fā)光較強(qiáng)，熱液重結(jié)晶作用形成的中-粗晶白云石發(fā)亮桔紅色光（圖2d）；構(gòu)造裂縫及縫洞內(nèi)充填的方解石發(fā)亮桔黃色光（圖2e）；溶蝕縫洞邊緣及其內(nèi)生長的鞍狀白云石發(fā)亮桔紅色光（圖2f）。

圖2 塔東地區(qū)熱液作用巖礦學(xué)表現(xiàn)形式及陰極發(fā)光特征

（3）根據(jù)顯微鏡下觀察礦物切割關(guān)系，陰極射線下不發(fā)光的白云石明顯在發(fā)亮桔紅色光的鞍狀白云石之前，也證實(shí)了存在2期熱液作用。Ⅰ期熱液作用白云石晶間賦存瀝青，并可見受到平行層面縫合線改造，或受到加里東運(yùn)動晚期形成的不發(fā)光裂縫方解石或白云石的切割改造，因此確定Ⅰ期熱液作用的大致時間是中—晚奧陶世。Ⅱ期發(fā)桔紅色光的鞍狀白云石切割縫合線、縫洞內(nèi)瀝青、加里東運(yùn)動晚期構(gòu)造縫（陰極射線下不發(fā)光）和海西運(yùn)動早期構(gòu)造縫（陰極射線下發(fā)暗桔黃色光），并被印支－燕山運(yùn)動期構(gòu)造縫（陰極射線下發(fā)暗桔黃色光—近于不發(fā)光）切割改造，限定了Ⅱ期熱液作用的時間大致為二疊紀(jì)末期。

2.2 地球化學(xué)特征與熱液流體性質(zhì)恢復(fù)

2.2.1 碳氧穩(wěn)定同位素組成特征

研究區(qū)61個寒武系白云巖樣品碳氧穩(wěn)定同位素分析揭示，寒武系兩期熱液成因產(chǎn)物的碳氧穩(wěn)定同位素組成特征具有明顯差異。

Ⅰ期熱液作用重結(jié)晶形成的中-粗晶白云石、熱液溶蝕作用形成的縫洞內(nèi)沉淀的鞍狀白云石、受到Ⅰ期熱液作用改造的同生期高鹽度或淺埋藏成因的粉-細(xì)晶白云巖的碳氧穩(wěn)定同位素組成極其相似，分布于同一個區(qū)域（圖3）。Ⅰ期熱液重結(jié)晶作用形成的中-粗晶白云石的δ13C為-1.20‰~0.04‰，平均值-0.57‰，δ18O為-11.59‰~-8.59‰，平均值-9.79‰；Ⅰ期熱液溶蝕作用形成的縫洞內(nèi)沉淀的鞍狀白云石的δ13C值-1.29‰~-0.04‰，平均值-0.77‰，δ18O為-11.13‰~-8.60‰，平均值-9.87‰；受到Ⅰ期熱液作用改造的同生期高鹽度或淺埋藏成因的粉-細(xì)晶白云巖的δ13C為-1.54‰~-0.02‰，平均值-0.59‰，δ18O為-10.89‰~-8.22‰，平均值-9.44‰.

圖3 寒武系熱液成因白云石的碳氧穩(wěn)定同位素特征

Ⅱ期熱液成因白云巖的δ13C為0.87‰~1.68‰，平均值1.31‰，δ18O為-12.69‰~-10.75‰，平均值-11.97‰.縫洞內(nèi)Ⅱ期熱液成因鞍狀白云石的δ13C為0.53‰~ 1.79‰，平均值1.23‰；δ18O為-13.88‰~-10.88‰，平均值-12.59‰.Ⅱ期熱液作用改造的白云巖的δ13C為0.58‰~2.06‰，平均值1.23‰，δ18O為-12.07‰~-7.72‰，平均值-9.64‰.Ⅱ期熱液成因白云巖與縫洞內(nèi)Ⅱ期熱液成因鞍狀白云石分布于同一個區(qū)域（圖3），Ⅱ期熱液作用改造的白云石分布于Ⅱ期熱液成因白云石與未改造白云石的過渡區(qū)域，與Ⅰ期熱液成因白云石相比較，Ⅱ期熱液成因白云石的δ18O更偏負(fù)，δ13C為正值是顯著特征，顯然與上寒武統(tǒng)碳酸鹽巖的δ13C負(fù)值背景不一致，揭示了參與白云巖形成或改造的碳來源不是上寒武統(tǒng)，而是來源于巖漿。

通過包裹體均一溫度測試，研究區(qū)內(nèi)Ⅰ期熱液成因白云石鹽水包裹體均一溫度為137.1~152.0℃，平均值為146.4℃；Ⅱ期熱液成因白云石鹽水包裹體均一溫度為165.4~184.9℃，平均值為175.6℃.

按照文獻(xiàn)［16］提出的公式，可以計算得到流體的氧同位素值（SMOW），即

式中T——絕對溫度，K；

δ18OD——白云石的氧同位素值（SMOW）；

δ18OF——流體的氧同位素值（SMOW）。

（1）式中的氧同位素值（SMOW）為標(biāo)準(zhǔn)平均海水國際標(biāo)準(zhǔn)，可依據(jù)美國調(diào)查處推薦的公式（δ18OSMOW= 1.030 86δ18OPDB+30.86）與上文中所使用的同位素PDB標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行換算。

計算得到：Ⅰ期熱液流體的δ18OSMOW為3.37‰~ 5.93‰，Ⅱ期熱液流體的δ18OSMOW為2.83‰~6.01‰，與Taylor（1979）建議的地幔來源的初生水的δ18OSMOW（6.0‰±1.0‰）接近，揭示了巖漿熱液，特別是基性巖漿熱液，對寒武系早期白云巖的改造作用。

2.2.2 微量元素組成特征

研究區(qū)54個寒武系白云石樣品微量元素分析揭示，Ⅰ期熱液成因白云石與其他類型白云石錳、鍶元素含量相比差別明顯（圖4），從錳含量變化特征上可劃分為兩類：一類錳含量較高，為82.89×10-6~1 407.10× 10-6；另一類錳含量較低，為40.60×10-6~66.48×10-6.錳含量高者，可能暗示了基性巖漿熱液流體的影響；錳含量較低者，可能暗示了酸性巖漿熱液流體的影響[17]。Ⅱ期熱液成因中-粗晶白云巖和縫洞內(nèi)生長的鞍狀白云石，具有錳含量更高、鍶含量低、錳鍶比值高的特征：錳含量為730.72×10-6~2 339.70×10-6，平均值1 315.97× 10-6；鍶含量為36.65×10-6~126.28×10-6，平均值76.25× 10-6；錳鍶比值為6.82~36.88，平均值19.67.而受熱液作用改造的早期白云巖，具有錳含量較高、鍶含量較低、錳鍶比值較高的特征：錳含量為114.78×10-6~1 417.90× 10-6，平均值663.77×10-6；鍶含量為34.79×10-6~ 249.07×10-6，平均值94.68×10-6；錳鍶比值為1.48~ 23.80，平均值9.36，明顯不同于未受熱液作用改造的早期白云巖，后者錳含量為183.43×10-6~235.04×10-6，平均值209.24×10-6；鍶含量為131.13×10-6~283.42×10-6，平均值207.28×10-6；錳鍶比值為0.647~1.792，平均值1.22，明顯不同于Ⅰ期熱液成因白云石（圖4）。

圖4 塔東地區(qū)寒武系熱液成因白云石與其他類型白云石的錳、鍶含量對比

兩期熱液成因白云巖的微量元素對比分析表明。①Ⅰ期熱液成因白云石與Ⅱ期熱液成因白云石的錳含量差別較大，前者錳含量相對較低，平均104× 10-6~111.8×10-6；后者錳含量相對較高，平均1 057.6× 10-6~1 574.3×10-6，結(jié)合碳氧穩(wěn)定同位素分析結(jié)果，可以確定研究區(qū)至少存在兩期熱液作用。②受到熱液流體影響的白云石，其錳含量總體相對較高。③對于同一種類型的白云石（Ⅱ期熱液成因白云石除外），錳含量與鍶含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；④Ⅰ期熱液成因白云石與Ⅱ期熱液成因白云石的鍶含量分布范圍基本一致。寒武系不同類型白云石在未受改造→Ⅰ期熱液作用改造→Ⅱ期熱液作用改造過程中，錳鍶比值逐漸增大，這種變化趨勢揭示在白云巖化作用過程中，熱液作用改造形成白云石的微量元素含量差別大，說明熱液流體來源不同，可能有基性巖漿熱液和中酸性巖漿熱液2種來源。

2.2.3 稀土元素組成特征

研究區(qū)21個寒武系白云巖稀土元素分析揭示，Ⅰ期熱液成因白云石的稀土元素分布模式表現(xiàn)為2種類型：一是正銪異常型（圖5a），即與同時期的臺地相亮晶砂屑灰?guī)r相比，整體富集輕稀土元素、貧重稀土元素；二是負(fù)銪異常型（圖5b），即整體富集輕稀土、貧重稀土特征更加明顯。揭示了寒武系存在2種類型的熱液地質(zhì)作用，正銪異常者代表了基性巖漿熱液地質(zhì)作用；負(fù)銪異常者代表了酸性花崗巖質(zhì)巖漿熱液地質(zhì)作用[17]。

Ⅱ期熱液成因縫洞內(nèi)鞍狀白云石的稀土元素總量為50×10-6~500×10-6，分配曲線具有2種類型：一種曲線向右傾斜，表示輕稀土元素富集，重稀土元素貧乏，具正銪異常特征（圖5c）；另一種曲線整體趨于平坦，表示輕稀土元素和重稀土元素富集程度相當(dāng)，具負(fù)銪異常特征（圖5d）。中-粗晶白云巖具輕稀土元素富集和重稀土元素貧乏的特征，稀土元素總量約為40×10-6~180×10-6，曲線向右傾斜，具負(fù)銪異常特征（圖5d）。

圖5 塔東地區(qū)上寒武統(tǒng)熱液成因白云石稀土元素分配模式

顯然，兩期熱液成因白云巖化作用形成的白云石的稀土元素組成及分配模式上具有多樣性，這與研究區(qū)內(nèi)火成巖類型的多樣性，既有基性火山巖（玄武巖）和侵入巖（輝綠巖），又有中酸性火山巖和侵入巖，是相吻合的。稀土元素組成特征和分配模式，是這些巖漿熱液來源的指示[17]，這也揭示了寒武系不同類型的白云巖經(jīng)過了兩期熱液流體改造。

3 熱液作用對儲集層形成與演化影響分析

3.1 Ⅰ期熱液作用

Ⅰ期熱液作用形成寒武系重結(jié)晶中-粗晶白云石及中-粗晶白云石斑塊、破裂裂縫或破裂角礫化及鞍狀白云石充填現(xiàn)象、溶蝕縫洞及鞍狀白云石生長現(xiàn)象。分析認(rèn)為，Ⅰ期熱液作用發(fā)生時，寒武系早期成因白云巖可能已固結(jié)成巖，巖石脆性程度相對較高，構(gòu)造應(yīng)力作用下，更易產(chǎn)生裂縫[18-19]，熱液流動的通道條件相對優(yōu)越，熱液上來后也容易產(chǎn)生破裂縫，使得通道條件進(jìn)一步優(yōu)化，因而表現(xiàn)出較強(qiáng)的熱液作用；而寒武系微晶灰?guī)r、泥灰?guī)r及泥巖層段，因塑性較強(qiáng)不易產(chǎn)生裂縫，缺乏熱液流體運(yùn)動通道，因而，Ⅰ期熱液對其改造較弱，甚或缺乏改造。

3.2 Ⅱ期熱液作用

Ⅱ期熱液溶蝕作用在區(qū)內(nèi)發(fā)育分布廣泛，研究區(qū)13口井剖面上均可見到，且主要在白云巖中發(fā)育。表現(xiàn)為晶間溶孔、溶蝕孔隙、溶蝕孔洞、縫狀溶蝕孔洞、沿縫合線溶蝕孔隙或溶蝕孔洞、沿構(gòu)造裂縫溶蝕孔隙或溶蝕孔洞的發(fā)育。溶蝕縫孔洞內(nèi)干凈、缺乏瀝青充填物，陰極射線下，溶蝕縫孔洞壁具亮桔紅色發(fā)光暈圈或不規(guī)則亮桔紅色發(fā)光環(huán)邊。同時也見到與石英生長及交代現(xiàn)象共生。

鉆井揭示，縱向上，上寒武統(tǒng)白云巖是Ⅱ期熱液溶蝕作用的主要發(fā)育層段，蓬萊壩組及鷹山組下部白云巖較為發(fā)育，是Ⅱ期熱液作用發(fā)育的較有利層段；中奧陶統(tǒng)一間房組白云巖不發(fā)育。平面上，由盆地相、斜坡相至臺地相，白云巖逐漸增多[20-21]。白云巖與斷裂疊合區(qū)域，此期溶蝕作用發(fā)育，如GC7井和GC8井寒武系為臺地相沉積，白云巖發(fā)育，并處于斷裂疊合部位，Ⅱ期熱液溶蝕作用強(qiáng)；YD1井、YD2井和ML1井寒武系為斜坡相沉積，白云巖較發(fā)育，并處于斷裂疊加部位，此期熱液溶蝕作用較強(qiáng)；而GC4井和LX1井寒武系雖然也屬于臺地相沉積，但相對遠(yuǎn)離斷裂，Ⅱ期熱液溶蝕作用相對較弱；TD1井和TD2井寒武系為盆地相沉積，盡管處于斷裂部位，但白云巖不發(fā)育，此期溶蝕作用也較弱。

鑒于研究區(qū)內(nèi)灰?guī)r地層中同生期溶蝕、早期巖溶作用形成的溶蝕縫孔洞或?yàn)槌蓭r礦物嚴(yán)重充填，或賦存瀝青，降低了儲集性能；白云巖地層中，淺埋藏白云巖化作用形成的晶間孔被泥質(zhì)或?yàn)r青充填嚴(yán)重，Ⅰ期熱液溶蝕作用形成的縫孔洞被成巖礦物及瀝青充填嚴(yán)重，埋藏條件下有機(jī)酸溶蝕形成的晶間溶孔、溶蝕孔隙、溶蝕孔洞被瀝青充填嚴(yán)重，致使這些早期儲集空間的儲集有效性降低。因此，由Ⅱ期熱液溶蝕作用形成的溶蝕縫孔洞，熱液成因的礦物未充填或半充填，構(gòu)成了區(qū)內(nèi)天然氣聚集成藏的主要儲滲空間。

4 結(jié)論

（1）對寒武系碳酸鹽巖儲集層具有改造意義的熱液作用有兩期，巖石礦物學(xué)和地球化學(xué)特征不同。Ⅰ期熱液作用以形成各種形態(tài)的白云石為特征，陰極射線下不發(fā)光或發(fā)光暗；Ⅱ期熱液作用表現(xiàn)為發(fā)育鞍狀白云石和溶蝕縫孔洞，陰極射線下鞍狀白云石發(fā)亮桔紅色光。

（2）Ⅰ期熱液作用使寒武系早期脆性較強(qiáng)的白云巖破裂，產(chǎn)生裂縫優(yōu)化了通道條件，而對塑性較強(qiáng)的泥灰?guī)r改造較弱。Ⅱ期熱液作用形成的溶蝕縫洞是研究區(qū)內(nèi)天然氣聚集成藏的有效儲集空間。

（3）Ⅱ期熱液溶蝕作用形成的縫洞半充填或未充填，形成寒武系重要的縫洞型儲集層，在白云巖與斷裂構(gòu)造疊合部位應(yīng)是塔東地區(qū)有利勘探目標(biāo)區(qū)之一。

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Hydrothermal Process and Its Effect on Cambrian Carbonate Reservoirs in Tadong Area

SHAO Hongmei1,2,LU Xi2,LI Guorong3,MENG Xianghao3
（1.College of Energy Resources,ChinaUniversity of Geosciences,Bejing,100083,China;2.Research Institute of Exploration and Development,DaqingOilfield Company Ltd,Daqing,Heilongjiang 163712,China;3.College of Energy Resources, Chengdu University of Technology,Chengdu,Sichuan 610059,China）

Hydrothermal activity played an important part in the formation of dolostone reservoirs in Tadong area(eastern Tarim basin).By applying the technologies of rock thin section microscopic identification,cathodoluminescence analysis,carbon and oxygen isotope analy?sis,trace element,rare earth element analysis,etc,the hydrothermal process and formed Cambrian hydrothermal dolostone reservoirs in Ta?dong area were studied.There are two stages of hydrothermal processes with transformed effect significance on the Cambrian carbonate res?ervoirs,and corresponding rock mineralogical and geochemical identification marks of the two hydrothermal processes are established.The Stage?Ⅰhydrothermal process took place in the Middle-Late Ordovician,its transformed effect on the Early Cambrian consolidated dolomites was dominated by formation of fractures rather than on the Cambrian microcrystalline limestone,marl and mudstone intervals.The Stage?Ⅱhydrothermal process took place in late hercynian at the end of Permian,and its transformed effect created wide distribution of hydrother?mal dissolution and formed Cambrian important dissolution fractured?vuggy reservoirs in this area.

Tarim basin;Tadongarea;eastern Tarim basin;hydrothermal process;hydrothermal genetic dolomite:carbonate reservoir

TE112.221

A

1001-3873（2015）03-0277-06

10.7657/XJPG20150305

2015-03-30

2015-04-16

國家自然科學(xué)基金（41272150）

邵紅梅（1970-），女，黑龍江大慶人，高級工程師，博士研究生，油氣儲層評價，（Tel）0459-5508441（E-mail）shhm@ petrochina.com.cn