川東北地區(qū)海相碳酸鹽巖儲(chǔ)層稀土元素地球化學(xué)特征研究

胡　倩

（四川礦產(chǎn)機(jī)電技師學(xué)院，四川成都611230）

川東北地區(qū)海相碳酸鹽巖儲(chǔ)層稀土元素地球化學(xué)特征研究

胡倩*

（四川礦產(chǎn)機(jī)電技師學(xué)院，四川成都611230）

川東北地區(qū)是四川盆地重要的天然氣富集區(qū)，也是目前四川盆地天然氣勘探的主要地區(qū)。依據(jù)川東北地區(qū)儲(chǔ)層中海相碳酸鹽巖及其配套脈體樣品的稀土元素測(cè)試資料，針對(duì)不同巖性，分類闡述了它們的REE總量和配分模式、LREE和HREE及其比值、δEu和δCe的地球化學(xué)特征。在此基礎(chǔ)上，利用稀土元素的遷移富集和分餾效應(yīng)，判別巖溶過(guò)程中的流體性質(zhì)和巖溶發(fā)育環(huán)境，并分析了深部流體的影響，為在巖溶巖地球化學(xué)特征與其形成環(huán)境及溶蝕程度間建立定量識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)提供了依據(jù)。

儲(chǔ)層；稀土元素；地球化學(xué)；巖溶環(huán)境；川東北

1　研究區(qū)概況

川東北是四川省東北部的簡(jiǎn)稱，涉及四川省境內(nèi)的萬(wàn)源、宣漢、達(dá)縣、開(kāi)江和重慶市境內(nèi)的梁平、開(kāi)縣、云陽(yáng)、城口和巫溪等縣（市），面積約20000km2。主要地形為丘陵和山區(qū)。該地區(qū)（溫泉井—鐵山坡區(qū)塊）位于大巴山前緣帶，處于大巴山弧形斷褶帶與川東弧形褶皺帶的交匯部位，構(gòu)造線主體走向?yàn)镹W向與NE向。川東北地區(qū)的構(gòu)造較發(fā)育?，F(xiàn)已查明有川東北侏羅系，白堊系臺(tái)鈾砂巖中存在規(guī)模宏大的斷裂帶。

2　樣品采集

采樣鉆井都分布在通南巴構(gòu)造帶區(qū)域。通南巴構(gòu)造位于四川盆地川東北褶皺帶的東北段?，F(xiàn)有的研究實(shí)驗(yàn)樣品來(lái)自于鉆井，篩選出飛仙關(guān)組層位稀土元素有效數(shù)據(jù)。

飛仙關(guān)組每套樣品都包括圍巖和脈體共16套樣品，金溪1井3套，屬于飛仙關(guān)三段；馬1井5套，屬于飛仙關(guān)一二段；馬2井3套，屬于飛仙關(guān)三段；河壩1井3套、屬于飛仙關(guān)四段；河壩2井1套，屬于飛仙關(guān)三段；河壩102井1套屬于飛仙關(guān)三段。飛仙關(guān)組有一、二、三、四段，一二三段厚度400～550m，巖性主要是灰色灰?guī)r、紫灰色泥質(zhì)灰?guī)r，上部夾鮞灰?guī)r，底為灰質(zhì)泥巖，可見(jiàn)方解石充填。四段厚度80～100m，巖性主要是灰紫色云巖與硬石膏。

3　結(jié)果與討論

根據(jù)研究區(qū)鉆井的布局，分別取了河壩1井，河壩102井，河壩2井，金溪1井，馬1井，馬2井巖芯樣品，圍巖與脈體進(jìn)行配套研究，將對(duì)各類碳酸鹽巖樣品的稀土元素地球化學(xué)特征進(jìn)行具體分析和討論。為討論方便可將所取得樣品分為3類［1］：非巖溶巖類，巖溶巖類（弱溶蝕巖溶巖和中等溶蝕多孔狀巖溶巖）和膠結(jié)物。

3.1稀土元素組成特征

取樣分析得出各井中稀土元素組成特征如表1所示。

3.2稀土元素配分模式

對(duì)每種類型巖溶巖樣品的REE采用球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化后建立的REE配分模式圖，都具有各自相似的配分模式，表明對(duì)于樣品的選樣和分類是可靠的［2-3］。分別按照河壩1井、河壩102井、河壩2井、金溪1井、馬1井、馬2井里的圍巖與脈體的配套樣品對(duì)其進(jìn)行球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化后建立的REE配分模式圖如圖1～圖6所示。

3.3δCe和δEu特征

稀土元素屬于過(guò)渡類元素，但緊靠金屬元素類，有很強(qiáng)的金屬性。研究表明Ce和Eu的變價(jià)現(xiàn)象最為突出，在強(qiáng)堿性氧化環(huán)境中，Ce3+將不斷氧化而遷移［4-6］：Ce3++4OH-=Ce（OH）4+e-，Ce（OH）4=Ce4++4OH-，呈難溶的CeO遷出而出現(xiàn)負(fù)異常；在強(qiáng)酸性還原環(huán)境中，Eu3+將被還原而遷移：Eu3++e-=Eu2+，易溶的Eu2+被遷移而出現(xiàn)負(fù)異常。這就決定了Ce和Eu隨環(huán)境變遷，易于與3價(jià)稀土元素相分離，成為稀土元素地球化學(xué)的重要研究對(duì)象，決定了Ce和Eu異常成為判別流體環(huán)境和性質(zhì)最重要的指標(biāo)。

（1）據(jù)表1可見(jiàn)，河壩1井中，無(wú)論可溶巖還是非可溶巖，δEu值均大于零而小于1，屬銪虧損型，稀土元素分布曲線在銪處呈谷狀。其圍巖的δEu（0.63～0.85），其值接近1，范圍不大，都比較接近，說(shuō)明溶蝕過(guò)程中Eu的虧損不強(qiáng)。而δCe值均小于1，且相當(dāng)接近于1，與δEu相比，δCe變化幅度小，分餾不明顯，屬鈰弱虧損型，稀土元素分布曲線在鈰處呈不明顯谷狀。

表1　各井中樣品稀土元素含量［WB（10-6）］

圖1　河壩1井樣品圍巖稀土元素配分模式圖

圖2　河壩102井樣品稀土元素配分模式圖

（2）河壩2井中，金溪1井，馬1井中無(wú)論可溶巖還是非可溶巖，還有膠結(jié)物其δEu值和δCe均大于1，顯示正異常。稀土元素分布曲線在銪處出現(xiàn)峰值。

（3）馬2井中，巖溶巖類在飛仙關(guān)組中，出現(xiàn)其δEu值小于1，且接近1，范圍不大，都比較接近，說(shuō)明溶蝕過(guò)程中Eu的虧損不強(qiáng)，屬鈰弱虧損型，分餾不明顯。而δCe值也是小于1并接近1。

3.4巖溶環(huán)境的判別

δCe和δEu異?？捎靡耘袆e開(kāi)放環(huán)境中沉淀碳酸鹽礦物的流體物化條件，如δCe向低值方向遷移時(shí)為氧化性流體的環(huán)境標(biāo)志，δEu的負(fù)異常則出現(xiàn)在堿性還原或低溫流體環(huán)境中。

根據(jù)對(duì)研究區(qū)鉆取的樣品δCe和δEu異常的結(jié)果分析，在河壩1井中的樣品，其δCe和δEu均出現(xiàn)小于1，并接近1的情況，屬于Ce和Eu的弱虧損型，圍巖的這種Ce和Eu的異常和脈體方解石的Ce和Eu異常相似。

在δCe和∑REE關(guān)系圖中（圖7），未溶蝕的微晶灰?guī)r和膠結(jié)物的δCe均小于并接近1，而大部分δCe投點(diǎn)落在0.9～1的范圍內(nèi)，略顯虧損δCe負(fù)異常與其特殊的地球化學(xué)性質(zhì)有關(guān)［1］：根據(jù)Ce的Eh-pH圖解（成都地質(zhì)學(xué)院沉積所，1989），表明在強(qiáng)氧化條件下Ce3+易氧化成難溶的Ce4+，以CeO2，的形式析出與其3價(jià)離子分離而難以進(jìn)入大氣水流體，因而被大氣水流體溶蝕改造后再沉積形成的巖溶巖和直接由大氣水流體沉淀的膠結(jié)物均出現(xiàn)一定的Ce負(fù)異常。顯而易見(jiàn)，巖溶巖類主要形成于滲流—活躍潛流帶，Ce的虧損與表生期巖溶流體處于開(kāi)放性氧化環(huán)境有直接關(guān)系，同樣也不難理解形成于弱氧化環(huán)境的角礫問(wèn)或孔、洞、縫問(wèn)的淡水膠結(jié)物也應(yīng)該具有Ce負(fù)異常。

圖3　河壩2井樣品稀土元素配分模式圖

圖4　金溪1井樣品稀土元素配分模式圖

圖5　馬1井樣品稀土元素配分模式圖

圖6　馬2井樣品稀土元素配分模式圖

在δEu和∑REE關(guān)系圖中（圖8），各類巖石和膠結(jié)物δEu投點(diǎn)位于0.6～1之間，與δCe特征相比較，分布范圍更廣和離散度更大，相關(guān)性較差而負(fù)Eu異常更明顯。排除物源因素，可解釋為Eu3+在還原性或低溫流體中轉(zhuǎn)化成Eu2+而被遷移貧化的環(huán)境影響所致。研究認(rèn)為，本研究區(qū)處于古陸邊緣，其沉積成巖過(guò)程主要處于開(kāi)放性的氧化環(huán)境，特別是受晚石炭世表生期開(kāi)放條件下形成的巖溶巖類Eu負(fù)異常，難以用還原性流體來(lái)解釋，從而可從另一個(gè)側(cè)面證明該儲(chǔ)層的負(fù)Eu異常形成于低溫流體環(huán)境中。由巖溶巖類和淡水膠結(jié)物δEu與∑REE相關(guān)性較差的關(guān)系，表明巖溶作用的強(qiáng)弱對(duì)Eu負(fù)異常和∑REE的差異影響較小，原因應(yīng)該與巖溶過(guò)程的不均一性有關(guān)。

但在河壩2井中，金溪1井，馬1井中發(fā)現(xiàn)有明顯的Eu和Ce的正異常（δEu和δCe值大于1），如河壩2井樣品不管是巖溶巖，非巖溶巖還是膠結(jié)物，其δEu變化范圍為1.02～5，而δEu為2.16～7.52，范圍更大。其他井如金溪1井，具有更高的δEu和δCe值，推測(cè)可能與這些鉆井的位置有關(guān)，位于深部大斷裂附近，經(jīng)過(guò)后期的構(gòu)造活動(dòng)影響，火山熱液溶蝕作用后而變化。丁振舉等［8］的研究表明熱水系統(tǒng)之間稀土元素濃度差別很大，但全球范圍內(nèi)海底高溫?zé)崃黧w高的正Eu異常特征，主要是在高溫下Eu容易由+3還原為+2，與其他稀土元素分離而產(chǎn)生異常。

圖7　河壩1井各類巖溶巖和膠結(jié)物的δCe-∑REE關(guān)系圖

圖8　馬2井各類巖溶巖和膠結(jié)物的δEu-∑REE關(guān)系圖

3.5深部流體活動(dòng)的判別

鉆井資料表明，該區(qū)普遍缺失雷口坡組上部地層，雷口坡組頂面為一個(gè)區(qū)域性剝蝕面，地面露頭上雷口坡組與須家河組之間為假整合接觸，須家河組在鉆井剖面上未見(jiàn)明顯缺失，地面露頭上須家河組與上覆侏羅系珍珠沖組為整合接觸關(guān)系。故在該地區(qū)，早印支運(yùn)動(dòng)較晚印支運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)更明顯。飛仙關(guān)組主要是經(jīng)歷了中三疊世末的早印支運(yùn)動(dòng)、晚侏羅世末的中燕山運(yùn)動(dòng)及早第三紀(jì)末的早喜山運(yùn)動(dòng)，才演變成現(xiàn)今的構(gòu)造面貌。鑒于該區(qū)廣泛發(fā)育斷裂構(gòu)造，一些學(xué)者認(rèn)為此區(qū)應(yīng)屬地臺(tái)期后的構(gòu)造活化區(qū)。

根據(jù)鉆井所取得的樣品中脈體方解石，將其稀土元素含量與地球圈層物質(zhì)當(dāng)中稀土元素進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)過(guò)處理后得出稀土元素參數(shù)如表2所示。

表2　與地球各圈層對(duì)比的稀土元素特征參數(shù)

從表2可以看出，該研究區(qū)中的脈體方解石∑REE值范圍為1.211～24.185，LREE/HREE值明顯偏高，顯示出輕稀土富集的特征，而δEu和δCe值接近并且大于1，普遍顯示正異常。

將樣本數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化后的配分模式圖如圖9所示。

可以看出，各井中的脈體與地球地殼的稀土元素配分模式傾向趨勢(shì)大致相同，都是右傾，就是∑REE值范圍比地球地殼的小很多，而馬2井中的脈體稀土元素配分模式與原始地幔的接近，據(jù)前人對(duì)川東北的研究，一般出現(xiàn)Eu和Ce的負(fù)異常，而觀看圖中脈體中Eu和Ce出現(xiàn)正異常，推測(cè)可能是受流體環(huán)境的影響，以及深部流體活動(dòng)的影響較大，尤其是馬2井中的脈體配分模式，與原始地幔的重稀土含量基本相似，而輕稀土分餾明顯。

圖9　巖脈與地球各圈層對(duì)比球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)配分模式圖

4　結(jié)論

此次以川東北地區(qū)為研究區(qū)，分析鉆井河壩1井、河壩102井、河壩2井、金溪1井、馬1井、馬2井里的圍巖與脈體的配套樣品，以稀土元素為研究手段，來(lái)評(píng)價(jià)此區(qū)域儲(chǔ)層的一些特征，結(jié)果主要如下：

（1）根據(jù)稀土元素特征可知，井中樣品圍巖和脈體稀土元素地球化學(xué)征具有相似性，也有差異性，均為稀土元素配分模式均為右傾型，一些井中有明顯的輕稀土富集，從La/Yb比可以看出，輕稀土存在一定程度的分餾。

（2）河壩1井中以及馬2井中的飛仙關(guān)組的樣品，無(wú)論可溶巖還是非可溶巖，δEu值均大于零而小于1，并且結(jié)合δEu和δCe分別與∑REE的關(guān)系可以看出，在強(qiáng)氧化條件下，Ce3+易氧化成難溶的Ce4+而出現(xiàn)負(fù)異常，表明流體環(huán)境為開(kāi)放性的氧化環(huán)境。而其他井中δEu大于1，表現(xiàn)正異常，推測(cè)是熱水溶蝕作用及流體活動(dòng)的影響。丁振舉等的研究表明熱水系統(tǒng)之間稀土元素濃度差別很大，但全球范圍內(nèi)海底高溫?zé)崃黧w高的正Eu異常特征，主要是在高溫下Eu容易由+3還原為+2，與其他稀土元素分離而產(chǎn)生異常。

（3）對(duì)比脈體與地球的稀土元素配分模式，并結(jié)合研究區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造，存在大量斷裂，看出馬2井的脈體與原始地幔的稀土配分模式存在一定的相似性，從而推測(cè)可能受到地幔物質(zhì)流體的活動(dòng)影響。

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1004-5716（2016）08-0201-05

2015-08-20

2015-08-27

胡倩（1987-），女（漢族），四川成都人，助理講師，現(xiàn)從事教學(xué)工作。