塔中-巴麥地區(qū)下古生界不同結構類型白云巖元素地球化學特征

黃擎宇,劉 偉,石書緣,王 坤,孟祥豪

(1.中國石油 勘探開發(fā)研究院,北京 100083;2.成都理工大學 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程 國家重點實驗室,四川 成都 610059)

0 引 言

白云巖成因一直是碳酸鹽巖研究中的熱點和難點之一。前人通過大量地球化學測試和數(shù)值模擬等技術對白云石化流體的來源及運移方式進行了詳細解剖,從宏觀尺度建立了多種白云石化模式[1–5],為白云巖成因解釋提供了重要依據(jù)。微觀方面,除了晶粒大小之外,越來越多的研究開始關注白云巖/石的結構類型與成因之間的關系,如 Gregget al.[6]、Sibleyet al.[7]最早建立了白云巖結構分類方案,并認為溫度對于白云石晶面結構具有重要影響: 較低溫度條件下多形成具有平直晶面的白云石,而較高溫度條件下則形成非平直晶面白云石。隨后的研究發(fā)現(xiàn),除溫度之外,白云石化流體的 Mg/Ca比值或飽和度對于白云石結構也具有明顯控制作用[8–10]:具有較高Mg/Ca比值的白云石化流體可以導致晶體之間為爭奪生長空間而產(chǎn)生競爭性生長,同樣可以形成非平直晶面白云石,只是晶粒較小(通常為泥晶到粉晶)?？傮w上,白云巖的結構特征可以在一定程度上反映出其成因信息,特別是形成溫度和白云石化流體性質(zhì)。塔里木盆地下古生界白云巖發(fā)育廣泛,結構類型多變,成因復雜,已有較多學者從宏觀角度對其成因機制進行了卓有成效的研究,提出了多種白云石化模式[11–13]。目前對于其微觀方面的探索也不斷加強,并逐步認識到白云巖/石的結構類型與成因之間的相關關系[14–17]。因此,本文在前人研究的基礎上,從元素地球化學組成的角度對不同結構類型白云巖的成因進行研究,試圖尋找一些共性規(guī)律,從而為白云巖的成因解釋提供更多直觀依據(jù),其結果對于白云巖儲層的研究也具有重要借鑒意義。

1 地質(zhì)背景

塔里木盆地是一個由造山帶環(huán)繞而成的大型疊合盆地,其中部為穩(wěn)定的古生代克拉通海相盆地,邊緣環(huán)繞庫車、喀什、塔西南、塔東南等中新生代前陸沖斷帶[18]。盆地現(xiàn)今以南北向擠壓構造帶為主,受橫向調(diào)節(jié)性走滑斷裂的切割又顯示出東西分塊的性質(zhì),整體上具有“三隆四坳”的構造格局(圖1)。本次研究的區(qū)域主要集中在中央隆起區(qū),包括塔中低凸起、塔東凸起西部、巴楚凸起和麥蓋提斜坡東部的大部分地區(qū)。該區(qū)在寒武紀-中奧陶世時發(fā)育了一套穩(wěn)定的臺地相碳酸鹽巖沉積,灰?guī)r及白云巖均有發(fā)育,其中白云巖主要分布在寒武系和下奧陶統(tǒng),向上逐步過渡為灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r和純灰?guī)r(圖 1)。

2 樣品與方法

本次研究所采集的樣品來都自井下。研究中所使用的方法主要包括巖石薄片鑒定、陰極發(fā)光測試、全巖微量元素分析和電子探針分析等。其中,陰極發(fā)光測試在中國石油勘探開發(fā)研究院實驗中心完成,所用儀器為英國CITL公司生產(chǎn)的CL8200 MK5陰極發(fā)光儀,工作環(huán)境為束電壓15 kV;束電流320 μA。微量元素分析在成都理工大學材料與化學化工學院基礎化學實驗室完成,檢測儀器為電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES),儀器型號為 Elan DRC-e,檢測限為0.01～0.2μg/g,分析誤差為小于3%。電子探針在成都理工大學油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程重點實驗室EPMA-1720型電子探針分析儀上完成,工作條件: 加速電壓15 kV,電流10 nA,電子束斑直徑小于 1 μm。

3 巖石學特征

研究區(qū)下古生界白云巖類型多樣,首先根據(jù)其產(chǎn)狀的差異分為基質(zhì)白云巖和孔洞充填白云石兩大類。其中基質(zhì)白云巖又可以根據(jù)其結構特征分為原始結構保留的白云巖和原始結構無法識別的結晶白云巖,原始結構保留的白云巖包括:(1) 泥-粉晶白云巖和(2) 顆粒白云巖;結晶白云巖主要由(3) 細晶、自形白云巖,(4) 細晶、半自形白云巖和(5) 中-粗晶、他形白云巖構成?？p洞充填白云石有兩類:(1) 細晶、自形-半自形白云石和(2) 中-粗晶、鞍形白云石(表1)。

3.1 基質(zhì)白云巖

(1) 泥-粉晶白云巖: 中下寒武統(tǒng)常見,巖芯上顯土黃色、灰色或深灰色等,薄-中層狀產(chǎn)出或是與膏巖呈互層狀產(chǎn)出。鏡下觀察,晶體細小,以泥晶為主,部分粉晶,晶體自形程度差,常見石膏、陸源泥質(zhì)以及陸源碎屑條帶等(圖 2a)。沉積環(huán)境以潮坪和潟湖為主,陰極發(fā)光測試基本不發(fā)光。

表1 研究區(qū)白云巖/石結構類型表Table 1 Classification of dolomite textures in the study area

圖2 研究區(qū)基質(zhì)白云巖特征Fig.2 Characteristics of matrix dolomites in the study area

(2) 顆粒白云巖: 下寒武肖爾布拉克組和上寒武統(tǒng)丘里塔格組最為發(fā)育。巖芯上通常為灰色、淺灰色或灰白色,粒屑結構特征明顯,顆粒主要由藻(藍細菌)砂屑、藻(藍細菌)凝塊、鮞粒、團塊和少量生屑構成(圖2b),受后期重結晶影響,部分顆粒內(nèi)部結構遭受不同程度破壞(圖2c)。陰極發(fā)光下該類白云巖整體以發(fā)暗紅色光或玫瑰紅色光為主(圖2d)。

(3) 細晶、自形白云巖: 主要出現(xiàn)在下奧陶統(tǒng)蓬萊壩組和鷹山組中下部。巖芯上通常為淺灰色或灰白色、呈中層狀或透鏡狀產(chǎn)出。鏡下觀察,以細晶為主,晶體自形程度高,多由具平直晶面的自形晶組成,晶間孔發(fā)育(圖 2e)。陰極發(fā)光下顯均勻的中等亮度紅色光到暗紅色光(圖2f)。

(4) 細晶、半自形白云巖: 常見于下奧陶統(tǒng)中,巖芯上觀察該類白云巖顏色略深,以深灰色或灰色為主。鏡下觀察,以細晶為主,其次為中晶或粉晶,晶體自形程度略差,多為平直晶面半自形晶,常見霧心亮邊或環(huán)帶結構,晶間孔發(fā)育程度低(圖 2g)。該類白云巖的陰極發(fā)光特征與細晶、自形白云巖類似或稍弱,部分樣品孔隙發(fā)育處可見亮紅色環(huán)邊。

(5) 中-粗晶、他形白云巖: 上寒武統(tǒng)較為常見,其次為下奧陶統(tǒng),以淺黃灰色、灰色或深灰色為主,可呈斑狀產(chǎn)出也可呈層狀分布。鏡下觀察,晶粒粗大,晶體自形程度差,主要由非平直晶面的他形晶組成,晶體之間凹凸或鑲嵌接觸,晶間孔不發(fā)育(圖2h)。部分樣品可見顆?；糜?預示晚期白云石化作用對早期形成白云巖的進一步改造。該類白云巖陰極發(fā)光性較差,整體顯極暗紅色光或基本不發(fā)光,局部可見暗紅色斑塊或環(huán)帶(圖2i)。

3.2 縫洞充填白云石

(1) 細晶、自形-半自形白云石充填物: 通常作為孔隙的首期充填物緊貼其內(nèi)壁生長,以細晶為主,少量中晶,晶體自形程度較好,晶面干凈明亮,部分晶體內(nèi)可見較規(guī)則的環(huán)帶發(fā)育(圖 3a)。陰極發(fā)光下該類白云石充填物與細晶、自形白云巖和細晶、半自形白云巖類似或略暗,預示其成因的相似性。

圖3 研究區(qū)縫洞充填白云石特征Fig.3 Characteristics of fracture/void-filling dolomite cements in the study area

(2) 中-粗晶、鞍形白云石充填物: 多為淺灰白色或杏白色,晶粒粗大,以中-粗晶為主,部分可達巨晶級(圖3b);鏡下觀察,鞍形白云石晶面彎曲,呈鐮刀狀或階梯狀生長,晶體內(nèi)解理及微裂縫發(fā)育,并包裹大量包裹體,正交偏光下波狀消光特征明顯(圖 3c)。通常與自生石英、螢石、重晶石或黃鐵礦等礦物共生。陰極發(fā)光測試多為暗紅色光,部分樣品邊緣可見明暗相間的環(huán)帶(圖 3d),說明形成該類白云石的成巖流體性質(zhì)多變。

4 全巖微量元素特征

本次研究中共測試了 60件不同結構白云巖的全巖微量元素特征,具體分析結果見表2。

4.1 Sr

由于Sr的離子半徑明顯大于Mg離子而接近Ca離子,導致 Sr在白云石中的分配系數(shù)低于其在方解石中的分配系數(shù)[19],因此白云石化過程也是一個 Sr含量降低的過程[20],亦即 Sr含量與白云石化程度或是成巖強度有關。另外,蒸發(fā)環(huán)境中形成的白云石多具有較高的Sr含量,可達500～700 μg/g[21];同時,早期碳酸鹽礦物也影響著白云石的 Sr含量: 如果白云石交代具有高Sr含量的海相文石(8000～10000 μg/g),那么新形成的白云石的Sr含量可達500～600 μg/g;如果交代Sr含量為1000～2000 μg/g的海相高鎂方解石,白云石的Sr含量大致為 200～300 μg/g;而交代成巖期低鎂方解石形成的白云石則具有很低的Sr含量(50 μg/g左右),也就是說早期形成的白云石明顯較晚期形成的白云石具有更高的Sr含量[1]。綜上所述,白云巖中的Sr含量受白云石的結晶習性[20]、成巖流體性質(zhì)(如鹽度)[22–23]以及被交代的先驅(qū)礦物[24]等因素共同控制。

研究區(qū)下古生界不同類型白云巖具有明顯不同的Sr含量,總體上有以下特征。

(1) 各類白云巖/石的Sr含量明顯低于灰?guī)r的Sr含量(圖 4),主要與 Sr在白云石中的分配系數(shù)較低有關,即方解石的白云石化過程是一個Sr丟失的過程,交代形成的白云石往往具有較低的Sr含量。

(2) 原始結構保留的白云巖中,泥-粉晶白云巖的Sr含量最高(平均249 μg/g),說明其形成時的流體鹽度較高(如蒸發(fā)海水)、形成時間較早且后期重結晶不強烈;而顆粒白云巖Sr含量較低(平均 78.8 μg/g),可能與微生物礦化作用或者前驅(qū)礦物類型有關,前人對微生物白云巖的研究中也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象[25]。

(3) 晶粒白云巖中,細晶、自形白云巖→細晶、半自形白云巖→中-粗晶、他形白云巖的 Sr平均含量(168 μg/g→144 μg/g→135 μg/g)具有依次遞減的特征,應與細晶、自形/半自形白云巖形成時間較早(推測其交代前驅(qū)礦物為富Sr的文石、高Mg方解石等礦物)而中-粗晶、他形白云巖形成時間相對較晚(推測其多交代貧Sr、已經(jīng)穩(wěn)定化的低Mg方解石)有關[24],或是后者在埋藏過程中經(jīng)歷了重結晶作用的影響[26]。

4.2 Na

碳酸鹽巖中的 Na含量通常被認為是海水古鹽度的指示劑[27]。盡管現(xiàn)在還不清楚 Na是以 Mg2+/Ca2+代替物的形式還是以包裹體的形式賦存于白云石晶格中,但海水或蒸發(fā)海水中較高的 Na/Ca比值依然預示著形成于海源流體中的白云石可能具有較高的Na含量。例如阿拉伯灣、加勒比海等地區(qū)現(xiàn)代海相白云巖的Na含量可達1000～3000 μg/g[28];而許多古代白云巖的 Na含量則僅有幾百 μg/g。另外,Veizeret al.[29]發(fā)現(xiàn)早期形成的高Sr白云巖也具有較高的Na含量,而較晚成巖期形成的白云巖則具有較低的Na含量。

研究區(qū)泥-粉晶白云巖和顆粒白云巖的 Na含量(平均值分別為3325 μg/g和3188 μg/g)明顯高于各類結晶白云巖(圖 5),推測保留原始結構的泥-粉晶白云巖和顆粒白云巖多形成于超鹽度海水中且形成時間較早,而晶粒白云巖則形成于中等鹽度海水或正常鹽度海水中且形成時間相對較晚。

4.3 Fe、Mn

在成巖過程中,碳酸鹽巖的元素遷移總體上具有 Sr、Na、Mg 減少以及 Fe、Mn、Zn 增加的趨勢[24]。由于海水中Fe、Mn元素含量大大低于地層水,且還原環(huán)境有利于 Fe、Mn作為類質(zhì)同像離子置換白云石晶格中的Ca、Mg離子,加之Fe、Mn在白云石中的分配系數(shù)較大,因此埋藏階段形成的白云巖往往具有相對較高的Fe、Mn含量[30]。

研究區(qū)下古生界各類白云巖的Fe、Mn含量總體上具有很強的規(guī)律性,即由泥-粉晶白云巖→顆粒白云巖→細晶、自形白云巖→細晶、半自形白云巖→中-粗晶、他形白云巖→鞍形白云石充填物的 Fe、Mn含量依次升高(圖6),說明其形成過程中還原性成巖流體的交代作用增強。

圖4 研究區(qū)各類白云巖的Sr含量特征Fig.4 Histogram of Sr content of different types of dolomites in the study area

圖5 研究區(qū)各類白云巖的Na含量特征Fig.5 Histogram of the Na content of different types of dolomites in the study area

圖6 研究區(qū)各類白云巖的Fe和Mn含量分布圖Fig.6 Histogram of the Fe and Mn contents of different types of dolomites in the study area

另外,縫洞充填的鞍形白云石的 Fe、Mn含量(分別為 99.6～1341 μg/g 和 36.0～70.8 μg/g)變化范圍較大,既有與基質(zhì)白云巖相似的樣品也有部分明顯不同的樣品,預示兩者在成因上既有繼承性又有差異性。

4.4 其他元素(Ba和Zn)

除了上述元素之外,本次研究中還發(fā)現(xiàn) Ba和Zn在充填物白云石中富集而基質(zhì)白云巖中匱乏的現(xiàn)象(圖7)。其原因主要是個別樣品中極高的Zn和Ba含量所致,也就是說一些鞍形白云石在形成過程中可能有來自深部的、富Zn和Ba成巖流體的混入或是與有機質(zhì)成熟過程有關;前人對該類白云石的包裹體測溫分析顯示其形成溫度較高[31],因此鞍形白云石中較高的Zn和Ba含量可能與高溫流體有關;同時,較高的形成溫度也有利于這些原子半徑較大的離子進入到白云石晶格中[32–33]。

5 單礦物微量元素特征

本次研究中還對縫洞充填物中的白云石單礦物成分進行了電子探針分析(表3),以期獲得這些成巖礦物在微觀方面的變化規(guī)律,從而能夠更精確地示蹤成巖流體及成巖環(huán)境。

圖7 研究區(qū)各類碳酸鹽巖Zn和Ba含量特征Fig.7 Histogram of the Zn and Ba content of different types of dolomites in the study area

表3 研究區(qū)白云石縫洞充填物電子探針分析數(shù)據(jù)(%)Table 3 Electron microprobe analysis data(%) of different fracture/void-filling dolomite cements in the study area

結果表明,細晶、自形-半自形白云石充填物總體上具有與基質(zhì)白云巖相似的Sr、Fe、Mn含量,僅僅是晶體邊緣部分具有略高的Fe含量(圖8a和8b),因此,認為該期充填物白云石的形成環(huán)境與細晶、自形/半自形白云巖相近,成巖流體相對單一,變化不明顯。

相比之下,縫洞鞍形白云石充填物微量元素則顯示出明顯的變化特征(圖8c～8f)。主要體現(xiàn)在兩個方面: 一是不同地區(qū)的鞍形白云石充填物在微量元素含量方面截然不同,例如塔中地區(qū)Z3-1-1樣品中的鞍形白云石具有明顯較高的 Fe含量(0.013%～0.376%,平均 0.201%),而麥蓋提斜坡區(qū) YB1-2x-3樣品中鞍形白云石充填物的 Fe含量并不高(0.011～0.061%,平均0.047%);二是單個鞍形白云石充填物內(nèi)部不同部位的微量元素也具有明顯差別,如Z3-1-1樣品鞍形白云石充填物的內(nèi)核相對貧Fe、Mn,而邊緣則相對富集這兩種元素,說明其形成過程中孔隙水的性質(zhì)復雜多變。

6 討 論

根據(jù)本次研究所測定的元素地球化學特征以及前人在沉積環(huán)境和巖石結構方面的成果,對不同結構類型白云巖的成因進行分析。

圖8 縫洞白云石充填物電子探針分析結果Fig.8 Results of electron microprobe analysis for different types of fracture/void-filling dolomite cements in the study area

研究區(qū)泥-粉晶白云巖往往與蒸發(fā)巖層系相伴生,并常見泥裂、鳥眼、泥質(zhì)紋層、硬石膏結核等薩布哈環(huán)境的沉積構造,其Sr、Na含量明顯較其他類型白云巖高,說明流體鹽度高,而極低的Fe、Mn含量則與近地表偏氧化的成巖環(huán)境有關,因此認為該類白云巖形成于同生/準同生期的超鹽度海水中,白云石化模式以蒸發(fā)泵為主。

顆粒白云巖能夠不同程度地保留有原巖結構特征,一方面與較低的成巖溫度和擬態(tài)交代有關[4,34];另一方面可能是微生物調(diào)制作用所致[35–36],例如研究區(qū)中常見的藻凝塊、藻砂屑白云巖等具有微生物結構的白云巖;另外,原始礦物成分(如文石或高鎂方解石)對于組構的保存也具有重要影響[37]。研究區(qū)顆粒白云巖具有和泥-粉晶白云巖相似的 Na、Fe和Mn組成,說明兩者成巖環(huán)境具有一定相似性,均為近地表白云石化的產(chǎn)物。顆粒白云巖較低的Sr元素可能與微生物作用或是該類沉積物形成過程中能量較高、黏土礦物較少(黏土礦物可吸附大量Sr)有關。由于該類白云巖多分布在臺地內(nèi)部丘灘體中,縱向上可與蒸發(fā)巖疊置[38],因此準同生期的滲透回流白云石化可能是其主要形成模式。

結晶白云巖總體上具有較低的Sr、Na含量和較高的Fe、Mn含量,說明成巖環(huán)境的還原性增強。但相比其他地區(qū)埋藏白云巖的Fe、Mn含量(通常Fe ＞1000 μg/g、Mn ＞ 100μg/g)[39–41],研究區(qū)寒武-奧陶系結晶白云巖 Fe、Mn含量的絕對值并不高(Fe平均569.15 μg/g,Mn 平均 54.23 μg/g)。Budd[5]認為只有當 Fe 含量大于 1000 μg/g、Mn 含量大于 10～100 μg/g時才可指示白云巖形成于強還原條件下或是成巖過程中有外部來源的、富Fe-Mn流體的參與。而且從各類白云巖的 Fe-Mn交匯圖上也可以發(fā)現(xiàn),晶粒白云巖Fe、Mn之間的相關性并不好(圖9),如果這些白云巖都是在埋藏條件下形成的,那么其 Fe、Mn的增加應該是大致同步的[24]。因此,研究區(qū)結晶白云巖并非完全是深埋藏環(huán)境、強還原條件下的產(chǎn)物,很可能形成于還原性不是很強的淺到中埋藏階段。再結合其晶體結構特征分析認為,具有平直晶面的細晶、自形白云巖和細晶、半自形白云巖多形成于成巖溫度相對較低的淺埋藏成巖階段,而以非平直晶面為主的中-粗晶、他形白云巖則形成于溫度逐步升高的中埋藏階段。

縫洞充填物白云石方面: 細晶、自形-半自形白云石充填物具有與結晶白云巖特別是細晶、半自形白云巖相似的微量元素組成,因此認為其屬于淺埋藏階段低溫白云石化的產(chǎn)物;中-粗晶、鞍形白云石充填物的形成通常與熱液活動有關,熱流體的來源可能是巖漿期后熱液、封存的地層熱鹵水、深循環(huán)大氣淡水、亦或是它們的混合流體[42–45],因此不同性質(zhì)不同來源的熱液往往會導致鞍形白云石充填物在微量元素組成上的差異。塔中東南部下奧陶統(tǒng)Z3-1-1樣品明顯較高的 Fe、Mn含量很可能是深循環(huán)大氣淡水的混入(圖8c和8d): 由于該區(qū)經(jīng)歷了多期構造隆升的影響,表生巖溶作用強烈,斷裂發(fā)育程度高,巖溶期大氣水流經(jīng)上覆碎屑巖地層后帶入大量 Fe、Mn元素,在深部與其他高溫流體相混合,從而形成具有高Fe、Mn含量的鞍形白云石充填物;相比之下,麥蓋提斜坡區(qū)下奧陶統(tǒng)鞍形白云石樣品的Fe、Mn含量并不高(圖7e和7f),大部分與中-粗晶、他形基質(zhì)白云巖相似,少量樣品具有較高的Ba和 Zn含量(表2和圖 6),因此推測其形成流體以地層熱鹵水為主,并伴隨少量深部巖漿期后熱液。

7 結 論

(1) 研究區(qū)泥-粉晶白云巖具有較高的 Sr、Na含量和低的Fe、Mn含量,層位上多與膏鹽巖相伴生,認為其成因機制為準同生期蒸發(fā)泵白云石化作用。顆粒白云巖的 Na、Fe、Mn含量與泥粉晶白云巖相似,但其 Sr含量較低,可能與微生物作用有關,形成模式主要為準同生期的滲透回流白云石化。

(2) 晶粒白云巖有較低的Sr、Na含量和相對較高的Fe、Mn含量,說明其成巖環(huán)境還原性增強,結合晶體結構特征分析認為: 具有平直晶面的細晶、自形白云巖和細晶、半自形白云巖形成于成巖溫度相對較低的淺埋藏成巖階段,而以非平直晶面為主的中-粗晶、他形白云巖則形成于溫度逐步升高的中埋藏階段。

圖9 研究區(qū)各類白云巖/石Fe-Mn含量交匯圖Fig.9 Cross-plot of Fe versus Mn values of different types of dolomites in the study area

(3) 細晶、自形-半自形白云石充填物具有和細晶、半自形基質(zhì)白云巖相似的微量元素組成,推測其同樣形成于淺埋藏階段。鞍形白云石充填物則因流體來源及后期構造活動的差異而具有不同的形成機制: 塔中東南部鞍形白云石充填物的形成與深循環(huán)大氣淡水和深部熱液的混合有關,而麥蓋提斜坡東部的鞍形白云石充填物的成巖流體則以地層熱鹵水為主并伴隨少量巖漿期后熱液。不同結構類型白云巖/石具有明顯不同的元素地球化學組成,因此可以利用其結構類型對成因進行初步判斷。

感謝匿名審稿人提出的寶貴修改意見。

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