躍進地區(qū)奧陶系硅質(zhì)巖地球化學特征及成因研究

洪才均，康仁東，韓俊，吳鮮，文山師，房曉璐

（中國石化西北油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

塔里木盆地下古生界海相碳酸鹽巖儲層是我國主要海相儲層之一，目前發(fā)現(xiàn)塔河、塔中、順北、順南等多個大油氣田[1-3]，該區(qū)碳酸鹽巖地層中常見各種形態(tài)產(chǎn)出的硅質(zhì)巖。前人研究認為硅化作用是碳酸鹽巖儲層重要的成巖作用之一，眾多學者對塔里木盆地東部及西北部下古生界寒武系露頭剖面的硅質(zhì)巖開展了廣泛研究[4-6]，認為露頭區(qū)寒武系層狀硅質(zhì)巖為與上升洋流有關(guān)的熱水成因，也有學者對塔河及順南地區(qū)下古生界奧陶系鉆井巖心研究認為[7-8]，井下奧陶系硅質(zhì)巖主要形成于巖漿熱液流體，巖漿熱液在沉淀石英的同時對碳酸鹽巖儲層溶蝕改造[7]。塔里木盆地躍進地區(qū)及順北地區(qū)奧陶系硅質(zhì)巖普遍發(fā)育。目前，研究區(qū)硅質(zhì)巖成因及對碳酸鹽巖儲層的影響作用尚未展開研究，本文以躍進一間房組硅質(zhì)巖為研究對象，在鉆井巖心觀察描述、薄片鑒定及分析化驗資料基礎(chǔ)上，對硅質(zhì)巖巖石學特征、地球化學特征進行研究，并對其可能的成因機制和對碳酸鹽巖儲層影響進行分析探討。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

躍進地區(qū)構(gòu)造上位于順托果勒隆起北部-哈拉哈塘凹陷，西部為沙西凸起（圖1），研究區(qū)及鄰區(qū)奧陶系整體呈現(xiàn)中部高，兩側(cè)低的構(gòu)造形態(tài)。受加里東期、海西期、印支-燕山期、喜山期等多期構(gòu)造運動影響[9]，研究區(qū)及鄰區(qū)斷裂具早期形成、后期繼承的特點，尤其是加里東中期及海西晚期斷裂活動表現(xiàn)最強烈，斷裂最發(fā)育，平面上呈雁列式排列。塔里木盆地發(fā)生過4期重要地質(zhì)熱事件[10]，其中發(fā)生于海西晚期的二疊紀火山活動在整個塔里木盆地廣泛存在[10]，研究區(qū)及鄰區(qū)鉆遇二疊系鉆井中見英安巖、玄武巖等噴出巖，厚度一般數(shù)十米到數(shù)百米不等，研究區(qū)中-南部形成一個二疊系火山巖異常增厚區(qū)域（圖1），巖性以英安巖為主，厚600～700 m，可見該期火山活動規(guī)模之大。一般來說，伴隨著火山作用往往有火山期后侵入巖形成[11]，研究區(qū)南部順北地區(qū)部分鉆井在奧陶系桑塔木組—志留系鉆遇到侵入巖體，侵入巖體巖性主要是輝綠巖。巖漿作用過程中分異大量熱液流體，將侵入巖附近的地層爐體加熱改造成熱液流體，奧陶系碳酸鹽巖在熱液作用下會產(chǎn)生大量微小溶蝕孔洞，改善碳酸鹽巖儲層物性[11]。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造劃分及位置圖Fig.1 Tectonic position map of YueJin area

2 硅質(zhì)巖巖石學特征

塔里木盆地躍進地區(qū)奧陶系一間房組不同程度發(fā)育硅質(zhì)巖，從層位深度分布來看，從淺至深，一間房組硅質(zhì)巖發(fā)育程度呈增強趨勢，并以結(jié)核狀、團塊狀產(chǎn)出，其中以團塊狀硅質(zhì)巖為主，結(jié)核狀硅質(zhì)巖次之。研究區(qū)一間房組含硅灰?guī)r段主要為碳酸鹽巖臺地相沉積，巖性為黃灰色微晶灰?guī)r、泥晶砂屑灰?guī)r、砂屑泥晶灰?guī)r，以泥晶砂屑灰?guī)r為主。硅質(zhì)巖主要發(fā)育在一間房組中下部，通常為黑-灰黑色，單層厚度一般小于15 cm，多數(shù)為5～10 cm，呈結(jié)核狀及團塊狀產(chǎn)出，以團塊狀硅質(zhì)巖為主，其中可見殘余石灰?guī)r斑塊，在未完全硅化的灰?guī)r中，常見結(jié)核狀硅質(zhì)巖產(chǎn)出。硅質(zhì)巖多沿層面分布，少數(shù)與層面呈交錯狀，裂縫較發(fā)育區(qū)域，硅質(zhì)巖更發(fā)育，且隨著深度加深，硅質(zhì)巖發(fā)育程度逐漸增強。硅質(zhì)巖中硅質(zhì)呈微隱晶狀、微晶狀，少量放射狀，常見少量未被交代徹底的灰?guī)r原巖殘余，多見硅化的腕足、介形蟲、瓣腮等生物，部分薄片中見黑色粒狀螢石與硅質(zhì)共生，掃描電鏡中見交代殘余灰?guī)r的溶蝕孔洞中充填石英晶體，結(jié)晶程度較好。另躍進地區(qū)鄰區(qū)的順北地區(qū)鉆井在奧陶系碳酸鹽巖巖心中發(fā)現(xiàn)中酸性巖漿巖及硅質(zhì)脈體，中酸性巖漿巖掃描電鏡見鑲嵌狀石英、角閃石、金紅石等熱液礦物。

3 硅質(zhì)巖地球化學特征

本次研究的硅質(zhì)巖地球化學分析包括主量元素、微量元素及稀土元素分析，選取硅質(zhì)巖發(fā)育程度較好的井段逐層采樣，所采樣品由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試研究中心用AB-104L,PW2404X射線熒光光譜儀測試主量元素，用ELEMENT XR等離子體質(zhì)譜分析儀測試稀土元素和微量元素。

3.1 主量元素地球化學特征

躍進地區(qū)一間房組硅質(zhì)巖純度較高，Si含量為69.56%～92.74%，平均81.447%，次為CaO，平均含量9.75%，其它組分含量相對較低（表1）。

利用硅質(zhì)巖主量元素特征可區(qū)分熱水沉積硅質(zhì)巖與正常海水沉積的硅質(zhì)巖。Yamamoto通過研究提出運用Al，F(xiàn)e，Mn的含量區(qū)分熱液成因硅質(zhì)巖與生物成因硅質(zhì)巖[12]，其中Fe，Mn的富集主要與熱液參與有關(guān)，而Al的富集多與陸源物質(zhì)的介入相關(guān)。將本文數(shù)據(jù)投影到Al-Fe-Mn三端元圖上（圖2），可看出，一間房組硅質(zhì)巖樣品數(shù)據(jù)點均落在熱水沉積區(qū)。Bostrom等提出Al/(Al+Fe+Mn)比值是判斷硅質(zhì)巖成因的重要參數(shù)[13]，以Al/(Al+Fe+Mn)值0.4為界劃定海相沉積的成因，小于0.4的為熱液成因，大于0.4反映碎屑來源。研究區(qū)一間房組硅質(zhì)巖的Al/(Al+Fe+Mn)比值為0.05～0.21，平均0.13。Murray等還認為可用Fe/Ti、（Fe+Mn）/Ti等值來鑒別是否為熱水沉積[14]，典型熱水沉積物的Fe/Ti值>20、（Fe+Mn）/Ti>（20±5）。研究區(qū)一間房組硅質(zhì)巖樣品中，F(xiàn)e/Ti=45.5～179.4，（Fe+Mn）/Ti=45.7～180.1，均遠大于 20。以上主量元素特征表明，研究區(qū)一間房組硅質(zhì)巖的形成主要與熱液相關(guān)。

表1 一間房組硅質(zhì)巖中主量元素含量Table 1 Major element content of siliceous rocks of Yijianfang Formation

圖2 一間房組硅質(zhì)巖的Al-Fe-Mn三角圖Fig.2 Al-Fe-Mn triangle diagram of the Yijianfang Formation siliceous rocks

3.2 微量元素地球化學特征

Bostrom、Marching、McLennan等學者研究認為[15-17]，微量元素含量特征如Co/Ni、Th/U、Rb/Sr值是判斷硅質(zhì)巖是熱水沉積還是非熱水沉積的重要指標，國內(nèi)也有學者運用Th/U和Rb/Sr值判斷塔里木盆地下寒武統(tǒng)硅質(zhì)巖流體來源[5]，海相沉積硅質(zhì)巖Th/U比值較高，當硅質(zhì)流體來自深部地殼或上地幔時，Th/U比值非常低[9]。一般認為，Co/Ni值小于1可作為熱水沉積的重要指標，熱水沉積硅質(zhì)巖的Th/U＜1，Rb/Sr值偏低，非熱水沉積硅質(zhì)巖的Th/U>1，Rb/Sr值偏高。研究區(qū)硅質(zhì)巖樣品的Co/Ni為0.17～0.21，平均0.19，Th/U為0.12～0.37，平均0.23，Rb/Sr為0.01～0.05，平均0.03，所有樣品的 Co/Ni值、Th/U值均小于1，Rb/Sr值偏低，微量元素特征反映出本區(qū)硅質(zhì)巖為熱液沉積。研究區(qū)極低的Th/U和Rb/Sr值表明，該區(qū)硅質(zhì)巖具有較多的富鐵鎂質(zhì)的加入[17]，這些物質(zhì)可能來自深部流體，如下地殼或上地幔（表 2）[5,18]。

陳永權(quán)等報道了塔里木盆地東部羅西斜坡寒武系層狀硅質(zhì)巖與交代殘余結(jié)構(gòu)硅質(zhì)巖的Th/U-Y/Ho關(guān)系（層狀硅質(zhì)巖為正常海水沉積成因，交代殘余結(jié)構(gòu)硅質(zhì)巖為熱液交代成因）[6]，沉積成因的層狀硅質(zhì)巖分布在高Th/U比值，低Y/Ho比值區(qū)，交代殘余結(jié)構(gòu)硅質(zhì)巖分布在低Th/U比值，高Y/Ho比值區(qū)，研究區(qū)一間房組硅質(zhì)巖與該報道中的交代殘余結(jié)構(gòu)硅質(zhì)巖具相同分布區(qū)（圖3），體現(xiàn)了深部熱液特征。

3.3 稀土元素地球化學特征

稀土元素是一組特殊的微量元素，由于原子序數(shù)相近，因此具相似的化學性質(zhì)且活動具整體性[19]。研究區(qū)硅質(zhì)巖樣品稀土測試結(jié)果見表3，分布模式見圖4-a。從稀土元素分布模式圖可看出，分布曲線右傾，硅質(zhì)巖具輕稀土富集特征，其LREE/HREE為3.855～3.909，平均 3.888，LaN/YbN為 8.764～13.668，平均11.085，遠大于1，說明輕重稀土分餾程度較高。11個樣品測試數(shù)據(jù)中，9個樣品數(shù)據(jù)具較明顯的Eu負異常，δEu為0.299～0.681，平均0.448，遠小于1，另2個樣品為Eu正異常，δEu為1.016和1.177。多數(shù)樣品的Ce具不明顯的負異常，7個樣品數(shù)據(jù)δEu為 0.774～0.926，平均 0.899，其余 4 個樣品δEu為1.03～1.184，平均1.086。前人通過對塔河地區(qū)海西期火成巖地球化學特征研究認為[20]，塔河地區(qū)英安巖稀土元素Eu具明顯的負異常（圖4-b），英安巖的LREE/HREE、LaN/YbN、δEu 和δCe平均值分別為3.837、13.586、0.545和0.909，從稀土元素分布模式和參數(shù)來看（圖4，表3），研究區(qū)硅質(zhì)巖與塔河地區(qū)英安巖較接近，說明它們具相似成因，研究區(qū)一間房組沉淀硅質(zhì)巖流體是與英安巖活動有關(guān)的巖漿熱液流體。

圖3 一間房組硅質(zhì)巖Th/U-Y/Ho關(guān)系圖Fig.3 Th/U-Y/Ho diagram of the Yijianfang Formation siliceous rocks

表2 一間房組硅質(zhì)巖中微量元素含量Table 2 Trace element content of siliceous rocks of Yijianfang Formation 單位：×10-6

表3 一間房組硅質(zhì)巖中稀土元素含量Table 3 Rare earth element content of siliceous rocks of Yijianfang Formation 單位：×10-6

圖4 一間房組硅質(zhì)巖和塔河英安巖稀土元素球粒隕石標準化模式Fig.4 Chondrite-normalized rare earth element patterns of siliceous rocks in Yijianfang Formation and Dacite in Tahe area

4 成因機制探討及對儲層的影響

從硅質(zhì)巖與圍巖接觸關(guān)系看出，躍進地區(qū)奧陶系硅質(zhì)巖為硅質(zhì)交代碳酸鹽巖形成的殘余結(jié)構(gòu)硅質(zhì)巖。硅質(zhì)巖地球化學特征表明，躍進地區(qū)一間房組沉淀硅質(zhì)巖的流體是與英安巖活動有關(guān)的富含硅質(zhì)的巖漿熱液流體，從硅質(zhì)巖伴生的角閃石、螢石及金紅石等高-低熱液礦物組成上看出，巖漿熱液直接參與了成巖作用。

海西晚期研究區(qū)發(fā)育斷穿基底與二疊系的深大斷裂，海西晚期火山活動為該區(qū)奧陶系碳酸鹽巖的硅化提供了熱源及硅質(zhì)來源。富含硅質(zhì)的巖漿熱液沿斷裂及裂縫進入一間房組碳酸鹽巖沉積物中，與圍巖發(fā)生水巖反應，碳酸鹽巖部分被溶解，同時硅質(zhì)交代碳酸鹽礦物形成殘余結(jié)構(gòu)硅質(zhì)巖。

前人研究認為，硅化是優(yōu)質(zhì)埋藏巖溶型碳酸鹽巖儲層的指示劑[6]，硅化作用對碳酸鹽巖儲層具雙重作用，既能對碳酸鹽巖產(chǎn)生溶蝕作用，提高碳酸鹽巖儲集性能，同時也可充填碳酸鹽巖儲集空間，產(chǎn)生破壞性作用。從躍進地區(qū)奧陶系巖心儲層發(fā)育特征來看，硅質(zhì)巖發(fā)育段儲層物性差，主要為充填作用，且硅質(zhì)巖為隱晶-微晶結(jié)構(gòu)，孔隙并不發(fā)育，不利于儲集油氣。富含硅質(zhì)的巖漿熱液流體溶解原巖、沉淀硅質(zhì)的同時，是否發(fā)生酸性熱水溶蝕碳酸鹽巖地層形成大量溶蝕孔隙，目前還需進一步研究。

5 結(jié)論

（1）研究區(qū)一間房組硅質(zhì)巖多見灰?guī)r殘余，為SiO2交代碳酸鹽巖，硅質(zhì)巖為交代成因，與硅質(zhì)巖伴生的角閃石、螢石、金紅石等熱液礦物表明硅質(zhì)巖為熱液成因，躍進地區(qū)硅質(zhì)巖廣泛發(fā)育，表明躍進地區(qū)熱液活動較強。

（2）硅質(zhì)巖中Si含量較高，樣品點在Al-Fe-Mn三端元圖中投影位于富鐵端，主量元素Al/(Al+Fe+Mn)、Fe/Ti、（Fe+Mn）/Ti值的特征均表明硅質(zhì)巖的形成與熱液有關(guān)。微量元素Co/Ni、Th/U、Rb/Sr表明沉積硅質(zhì)巖流體有來自下地殼或上地幔的深部熱液流體的參與。硅質(zhì)巖稀土元素分布曲線及LREE/HREE、LaN/YbN、δEu和δCe值與塔河二疊系英安巖接近，表明沉積硅質(zhì)巖流體與二疊系英安巖具同源特征。

（3）海西晚期研究區(qū)斷穿基底的深大斷裂為該區(qū)巖漿熱液流體提供了運移通道，富硅的熱液流體沿斷-縫系統(tǒng)進入一間房組，與碳酸鹽巖發(fā)生反應，硅質(zhì)流體交代碳酸鹽巖沉積物并沉淀形成硅質(zhì)巖。

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