四川盆地中部中二疊統(tǒng)熱液白云巖儲(chǔ)滲空間類型及成因

蔣裕強(qiáng) 谷一凡 李開鴻 李 順 羅明生 何 冰

近年來，四川盆地川西北地區(qū)多口鉆井在中二疊統(tǒng)棲霞組、茅口組中鉆遇大套優(yōu)質(zhì)的白云巖儲(chǔ)層，獲得了高產(chǎn)氣流，展現(xiàn)出該層系巨大的天然氣勘探潛力[1-2]，在川中地區(qū)鉆達(dá)中二疊統(tǒng)的40余口井中有28口井存在氣侵、氣測(cè)異常等良好顯示，試油的10口井中，獲工業(yè)氣井4口，低產(chǎn)井3口，也顯示出川中地區(qū)中二疊統(tǒng)較好的勘探潛力。因此，針對(duì)中二疊統(tǒng)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層成因研究，已成為多方持續(xù)關(guān)注熱點(diǎn)。很多學(xué)者認(rèn)為“東吳運(yùn)動(dòng)”造成的表生期古巖溶作用是形成優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的關(guān)鍵[3-5]，也有學(xué)者認(rèn)為白云石化作用是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層形成的關(guān)鍵，提出了混合水成因說[6-7]、埋藏成因說[8]、玄武巖淋濾成因說[9]、多期流體疊合說[10]、構(gòu)造—熱液成因說[11-16]等，對(duì)此一直未達(dá)成共識(shí)。筆者根據(jù)川中地區(qū)中二疊統(tǒng)高產(chǎn)井巖心樣品的巖相學(xué)特征和地球化學(xué)特征，認(rèn)為白云巖儲(chǔ)層段發(fā)育有熱液白云巖儲(chǔ)集相，即熱液流體對(duì)致密基質(zhì)灰?guī)r（宿主巖）進(jìn)行改造后形成的白云巖儲(chǔ)滲體。本文充分利用巖心及相關(guān)配套分析化驗(yàn)資料，闡明川中地區(qū)中二疊統(tǒng)熱液白云巖儲(chǔ)集相基本特征，分析其成因和控制因素，為油氣勘探提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

研究區(qū)位于四川盆地中部，構(gòu)造分區(qū)屬川中平緩構(gòu)造帶。四川盆地內(nèi)部及周緣發(fā)育多條基底斷裂[17-19]，本次研究區(qū)臨近華鎣山斷裂帶與梓潼—鄰水?dāng)嗔褞У慕徊鎱^(qū)域西南側(cè)[2]。本區(qū)棲霞組下部主要為深灰色薄層泥質(zhì)灰?guī)r與中薄層生屑泥晶灰?guī)r，上部為灰色中厚層生屑灰?guī)r，局部地區(qū)見白云石化，厚度約為100 m。茅口組分為四段，下部茅一段和中部茅三段多發(fā)育灰黑色中薄層生屑灰?guī)r及含泥質(zhì)灰?guī)r、泥巖和頁巖，見眼球狀構(gòu)造；茅二段和茅四段以厚層—塊狀生屑灰?guī)r為主，有時(shí)可見斑塊灰?guī)r和白云巖，該區(qū)茅四段被剝蝕[20-22]。茅口組總體厚度介于190～250 m（圖1）。

2 熱液作用證據(jù)

2.1 巖相學(xué)證據(jù)

在未受后期成巖作用改造前，區(qū)內(nèi)中二疊統(tǒng)基質(zhì)巖由泥晶生屑灰?guī)r、泥晶灰?guī)r、亮晶生屑灰?guī)r構(gòu)成，前兩者由晶粒小于30 μm的泥晶方解石和/或生屑組成，后者被方解石完全膠結(jié)，導(dǎo)致基質(zhì)巖巖性致密，不具備儲(chǔ)滲能力。針對(duì)4口取心井巖心觀察，結(jié)合薄片觀察，認(rèn)為中二疊統(tǒng)地層中存在MVT（Mississippi Valley Type）型熱液礦物：①鞍狀白云石（SD），宏觀上白云石為巨晶級(jí)，晶面具馬鞍狀彎曲現(xiàn)象（圖2-a），表明形成溫度至少大于白云石臨界粗糙溫度（CRT），被認(rèn)為是從熱液流體中直接沉淀出來[23]?；谶@些特征，Davies和Smith Jr等在討論熱液白云巖時(shí)，認(rèn)為“鞍狀白云石是熱液背景指示者（劑）”[24]。同時(shí)也可觀察到熱液活動(dòng)的典型代表——膨脹角礫結(jié)構(gòu)中鞍狀白云石半充填于膨脹角礫之間（圖2-b）；②螢石（Fl），微觀上呈暗黃色，主要充填在溶孔中（圖2-c）；③天青石（Cls），正交光下呈藍(lán)灰色，可見兩組完全解理（圖2-d）。

圖1 研究區(qū)地理位置及地層柱狀示意圖（地層柱狀圖據(jù)劉建強(qiáng)等[2]，有修改）

圖2 研究區(qū)中二疊統(tǒng)熱液礦物類型

2.2 地球化學(xué)證據(jù)

2.2.1 C、O同位素

本次研究碳、氧同位素測(cè)試結(jié)果表明：中二疊統(tǒng)泥晶生屑灰?guī)rδ13C均為正值且較為接近，分布范圍介于1.62 ‰～3.26 ‰（PDB），平均值為2.67 ‰；細(xì)—中晶云巖的δ13C分布范圍介于2.87 ‰～3.74 ‰，平均值為3.22 ‰；鞍狀白云石的δ13C分布范圍介于3.06 ‰～3.78 ‰，平均值為3.37 ‰。泥晶生屑灰?guī)r的氧同位素值分布范圍介于－7.14 ‰～－2.77 ‰，平均值為－5.04 ‰；細(xì)—中晶云巖的δ18O分布范圍介于－9.45 ‰～－4.08 ‰，平均值為－6.38 ‰；鞍狀白云石的δ18O分布范圍介于－8.27 ‰～－7.37 ‰，平均值為－7.86 ‰（表1）。

表1 研究區(qū)中二疊統(tǒng)不同巖石類型C、O同位素分析結(jié)果表

細(xì)—中晶云巖和鞍狀白云石δ18O值均明顯低于海相沉積石灰?guī)r（宿主石灰?guī)r）δ18O值，較為接近Geske等得到的熱液白云巖δ18O值[25]，表明白云巖形成過程中受到的成巖改造作用相對(duì)較強(qiáng)，氧同位素存在明顯的熱力學(xué)分餾效應(yīng)，推測(cè)其成因與較高的成巖環(huán)境溫度密切相關(guān)（圖3）。

圖3 研究區(qū)中二疊統(tǒng)白云巖各巖石類型Sr同位素及C、O同位素交會(huì)圖（部分?jǐn)?shù)據(jù)引自陳軒等[12]）

2.2.2 Sr同位素

本區(qū)泥晶生屑灰?guī)r87Sr/86Sr比值介于0.7070758～0.707 983 9，平均值為0.707 476 3；細(xì)—中晶云巖87Sr/86Sr比值介于0.707 745 0～0.707 992 3，平均值為0.707 823 6；鞍狀白云石的87Sr/86Sr比值介于0.707737 6～ 0.709 386 1，平均值為0.708 386 2（表2）。通過與全球二疊世正常海水對(duì)比，發(fā)現(xiàn)泥晶生屑灰?guī)r和泥晶灰?guī)r87Sr/86Sr比值均落在二疊系正常海水范圍內(nèi)[26-27]，而細(xì)—中晶云巖和鞍狀白云石87Sr/86Sr比值明顯高于同期正常海水（圖3）。由此可見白云巖和鞍狀白云石的形成過程受外部流體影響。

表2 研究區(qū)中二疊統(tǒng)不同巖石類型Sr同位素分析結(jié)果表

2.2.3 包裹體均一化溫度

選取該區(qū)GT2、MX42等井的巖心樣品，對(duì)中二疊統(tǒng)鞍狀白云石內(nèi)共計(jì)43個(gè)原生包裹體進(jìn)行測(cè)試，利用加熱法使包裹體內(nèi)回復(fù)單相均勻狀態(tài)，測(cè)得均一化溫度表明：茅口組鞍狀白云石均一化溫度分布范圍介于73～146 ℃，平均值為115 ℃，主要分布區(qū)間介于110～130 ℃；棲霞組鞍狀白云石均一化溫度分布范圍為98～143 ℃，平均值為123 ℃，主要分布區(qū)間介于120～140 ℃（圖4）。

圖4 研究區(qū)中二疊統(tǒng)鞍狀白云石包裹體均一化溫度分布圖

本區(qū)中二疊統(tǒng)鞍狀白云石包裹體鹽度均較高，是同期海水的3～5倍[12]。前人研究成果表明，棲霞組、茅口組白云巖儲(chǔ)層中普遍見瀝青充填，或見烴類包裹體，表明白云巖形成的時(shí)間要早于油氣大規(guī)模生成的時(shí)間；棲霞組、茅口組儲(chǔ)層內(nèi)油氣充注時(shí)間為侏羅紀(jì)，因此綜合構(gòu)造活動(dòng)和白云巖中含瀝青或烴類包裹體這兩個(gè)條件，基本可以確認(rèn)棲霞組、茅口組白云巖形成時(shí)間上限為侏羅紀(jì)。侏羅紀(jì)之前，GC2井棲霞組、茅口組的最大埋藏深度介于2 200～2500 m，取平均地溫梯度最大值4 ℃/100 m，那么侏羅紀(jì)時(shí)期埋藏地溫介于88～100 ℃[2]。鞍狀白云石形成時(shí)的流體溫度要明顯高于正常地溫梯度下中二疊統(tǒng)的地層溫度。因此為典型的熱液流體成因。

3 儲(chǔ)集相儲(chǔ)滲空間類型

區(qū)域大地構(gòu)造研究成果表明：中二疊世之后，四川盆地晚二疊世—晚三疊世的峨眉地裂運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為張性斷裂活動(dòng)，發(fā)育華鎣山區(qū)域性大斷裂等基底斷裂活動(dòng)，體現(xiàn)在中二疊統(tǒng)白云巖地層中存在輝綠巖等淺層侵入巖體[28]；也可表現(xiàn)為華鎣山構(gòu)造軸部及其附近的玄武巖噴溢[29]。基底斷裂活動(dòng)引起的熱液流體沿拉張性基底斷裂帶及派生的裂隙系統(tǒng)向上移動(dòng)，對(duì)致密基質(zhì)灰?guī)r地層進(jìn)行改造形成多種儲(chǔ)滲空間構(gòu)成的熱液白云巖儲(chǔ)集相（表3）。

3.1 熱液溶孔

川中地區(qū)中二疊統(tǒng)熱液流體的異常高溫（較地層溫度高10～30 ℃）特征，會(huì)對(duì)基質(zhì)灰?guī)r發(fā)生強(qiáng)烈的溶蝕作用。具體表現(xiàn)為當(dāng)深大基底斷裂發(fā)生時(shí)，深部熱液流體沿著拉張或者扭張性斷層向上流動(dòng)，先于熱液流體存在的斷裂/裂縫體系也可以為熱液流體的運(yùn)移提供很好的通道。區(qū)內(nèi)熱液溶孔一般具有不規(guī)則的“港灣狀”溶蝕邊緣，孔徑介于200～2 000 μm（圖5-a），面孔率可達(dá)8%，沿孔隙邊緣可見鞍狀白云石半充填，其在陰極射線下呈光亮發(fā)光，具環(huán)帶結(jié)構(gòu)（圖5-b）。

3.2 熱液擴(kuò)溶縫

該類儲(chǔ)集空間在區(qū)內(nèi)巖心上較為常見，即在構(gòu)造裂縫基礎(chǔ)上，熱液流體對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步溶蝕，縫寬擴(kuò)大，最大可達(dá)8 mm（圖5-c），沿縫壁普遍半充填或充填鞍狀白云石（陰極射線下光亮發(fā)光，環(huán)帶結(jié)構(gòu)明顯），但由于鞍狀白云石晶體較大（一般介于200～1 200 μm）。因此晶體間的剩余空間仍可以作為有效的滲流通道（圖5-d）。

表3 研究區(qū)中二疊統(tǒng)熱液白云巖儲(chǔ)集相特征表

圖5 研究區(qū)熱液白云巖儲(chǔ)集相儲(chǔ)滲空間類型

3.3 熱液溶洞

熱液溶洞構(gòu)成了中二疊統(tǒng)另一類重要儲(chǔ)集空間。與熱液溶孔成因相同，均為熱液流體對(duì)泥晶生屑灰?guī)r、泥晶灰?guī)r等基質(zhì)灰?guī)r溶蝕后的產(chǎn)物，但其大小一般介于2～10 mm，最大可超過20 mm，溶洞內(nèi)可見鞍狀白云石（圖5-e）或后期方解石（Cal）半充填，常沿?zé)嵋簲U(kuò)溶縫周緣分散狀分布（圖5-f）。

3.4 熱液白云巖晶間孔

晶間孔是熱液白云巖中較常見的一種孔隙類型。中二疊統(tǒng)基質(zhì)灰?guī)r通常由泥晶方解石（3～5 μm）構(gòu)成，晶粒一般不超過10 μm。因此基質(zhì)灰?guī)r中晶間孔不發(fā)育。在熱液流體的交代作用下，形成細(xì)—中晶云巖，自形—半自形白云石晶體（50～200 μm）間發(fā)育大量晶間孔。熱液作用較強(qiáng)的區(qū)域，白云石晶粒可大于300 μm，甚至具有鞍狀白云石的某些特性，如晶面發(fā)生明顯彎曲、正交光下呈波狀消光（圖5-g）。

4 深大基底斷裂對(duì)熱液白云巖儲(chǔ)集相發(fā)育的影響

Davies等首次提出熱液白云巖儲(chǔ)集相的概念時(shí)，認(rèn)為其發(fā)育和分布受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制，即溝通盆地深部或基底的深大走滑（或伸展）斷裂，能為深部熱液流體的大規(guī)模運(yùn)移提供流動(dòng)通道[24]。由此引發(fā)的一系列地質(zhì)作用一般集中在：①伸展（正）斷層，特別是斷層的上盤；②深大扭張（走滑拉分）斷層，特別在釋壓斷錯(cuò)處（releasing oあsets）；③上述斷層（包括轉(zhuǎn)換斷層）的交匯處，尤其是走滑拉分?jǐn)嗔褞?，由于斷層拆離造成的地層下沉作用，在巖層頂部，即“負(fù)花狀”構(gòu)造之上形成轉(zhuǎn)換拉張塌陷（sag）[24]，在地震剖面上往往表現(xiàn)為“下凹”反射特征；當(dāng)上述斷裂活動(dòng)發(fā)生時(shí)，伴生大量網(wǎng)狀分布、產(chǎn)狀平直的構(gòu)造縫（圖6），進(jìn)一步擴(kuò)展了熱液流動(dòng)通道，沿這些裂縫熱液流體對(duì)致密基質(zhì)灰?guī)r進(jìn)行成巖改造，包括溶蝕作用、交代作用（熱液白云石化作用）等建設(shè)性成巖作用，形成多種儲(chǔ)滲空間。諸如美國Trenton-Black River?Albion-Scipio等低孔隙低滲透石灰?guī)r地層為主的油氣田勘探過程中，這種“下凹”塌陷是熱液流體改造的重點(diǎn)部位，其與熱液白云巖儲(chǔ)集相的相關(guān)性非常顯著[24]。本區(qū)上覆上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M致密泥頁巖的封堵、下伏多套烴源巖的溝通、深部震旦系燈影組三段—南華系澄江組巨厚碎屑巖熱液儲(chǔ)庫的有機(jī)組合[30-31]，都為熱液白云巖儲(chǔ)集相的發(fā)育提供了良好條件。在過GC2井和NJ井的茅口組白云巖段地震剖面上，均可見“下凹”地震反射特征[12]，進(jìn)一步證實(shí)構(gòu)造控制下熱液白云巖儲(chǔ)集相的存在（圖6）。構(gòu)造控制熱液白云巖儲(chǔ)集相的認(rèn)識(shí)對(duì)深化川中地區(qū)乃至四川盆地中二疊統(tǒng)有利儲(chǔ)層的成因及分布有借鑒作用。

5 結(jié)論

1）巖相學(xué)、地球化學(xué)證據(jù)表明，川中地區(qū)中二疊統(tǒng)茅口組、棲霞組石灰?guī)r地層經(jīng)歷了構(gòu)造控制熱液活動(dòng)，發(fā)育螢石、鞍狀白云石、天青石的熱液礦物組合和膨脹角礫結(jié)構(gòu)；相比宿主石灰?guī)r（包括泥晶灰?guī)r、泥晶生屑灰?guī)r等），細(xì)—中晶云巖、鞍狀白云石均呈現(xiàn)出δ18O負(fù)偏移、87Sr/86Sr正偏移。

圖6 研究區(qū)中二疊統(tǒng)熱液白云巖儲(chǔ)集相發(fā)育模式示意圖（地震剖面圖據(jù)陳軒等[12]）

2）因熱液流體對(duì)致密基質(zhì)灰?guī)r改造，形成由熱液溶孔、熱液白云巖晶間孔、熱液溶洞、熱液擴(kuò)溶縫4種儲(chǔ)滲空間構(gòu)成的熱液白云巖儲(chǔ)集相。其與表生巖溶儲(chǔ)層區(qū)別在于，儲(chǔ)滲空間內(nèi)的充填物為鞍狀白云石、螢石等熱液礦物，而非巖溶角礫、鋁土質(zhì)黏土、煤塊等。

3）受峨眉地裂運(yùn)動(dòng)主導(dǎo)的基底斷裂活動(dòng)（包括深大伸展斷層和走滑斷層）控制，熱液白云巖儲(chǔ)集相主要沿深大斷裂及伴生裂縫系統(tǒng)呈“透鏡狀”分布，分布于具“下凹”或“負(fù)花狀”地震反射特征的區(qū)域。下伏烴源巖和上覆龍?zhí)督M泥頁巖封堵層與之形成有效組合，可以構(gòu)成有利的勘探目標(biāo)。

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