塔里木盆地巴楚隆起奧陶系巖溶縫洞化學(xué)充填物成因分析

毛 毳, 鐘建華, 王有智, 魏荷花, 邵珠福, 劉金霖, 劉晶晶

(1.東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,黑龍江大慶 163318; 2.中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島 266580;3.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; 4.中國石化石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083)

溶洞化學(xué)充填是溶洞充填的重要類型。Loucks等[1-2]對大量現(xiàn)代近地表巖溶露頭進行研究,將溶洞內(nèi)充填的巖相分為洞穴沉積充填、裂紋角礫與混雜角礫三大類。肖玉茹等[3-4]依據(jù)充填物的成因,將塔河油田溶洞充填物劃分為流水機械沉積、垮塌堆積和化學(xué)沉(淀)積三大類。金強等[5]認為巖溶縫洞系統(tǒng)中地下河縫洞空間被巖溶期沉積的砂泥、垮塌角礫充填,埋藏期充填了大量方解石等化學(xué)充填物,以致縫洞的充填率達到了75%以上。多期巖溶及溶洞充填作用對油氣儲層的形成具有控制作用[6]。溶洞化學(xué)充填在洞穴充填中普遍存在,充填物類型多樣、成因復(fù)雜,充填物本身是重要的礦產(chǎn)資源,充填物內(nèi)的孔洞也是油氣和礦產(chǎn)富集的重要場所,因此對溶洞化學(xué)充填物的研究具有重要理論意義和經(jīng)濟價值。古巖溶縫洞是早期溶洞經(jīng)過埋藏、坍塌、充填及多期構(gòu)造改造形成的地質(zhì)體,很難取心,只有通過觀察古巖溶露頭才能較全面了解溶洞充填情況。筆者以塔里木盆地北部巴楚古巖溶露頭化學(xué)充填物為研究對象,分析充填物的類型、微觀特征和宏觀分布;結(jié)合常量、同位素和包裹體等地化測試手段,探討不同類型化學(xué)充填物的成因。

1 地區(qū)概況

巴楚露頭位于塔里木盆地西北部的巴楚隆起上,該區(qū)奧陶系地層出露完整、發(fā)育齊全,沿著南疆314國道分布(圖1),其出露的一間房組和鷹山組地層,與塔河油田地層具有極強的可對比性。巴楚地區(qū)在加里東中期至海西期隆升遭受大氣淡水淋濾風(fēng)化溶蝕,裂縫和古溶洞廣泛發(fā)育;石炭系后發(fā)生沉降,縫洞被部分充填;燕山晚期運動后,再次抬升為現(xiàn)今的隆起,成為良好的古巖溶露頭[7-8]。巴楚露頭是塔里木盆地奧陶紀(jì)碳酸鹽巖巖溶考察的經(jīng)典地區(qū)之一[9-12]。

圖1 巴楚露頭考察位置Fig.1 Location of Bachu outcrop

2 古溶洞化學(xué)充填物和儲集空間類型

塔北露頭古溶洞充填物非常復(fù)雜,類型多、變化大、分布不均一,尤其是化學(xué)充填特殊而典型。塔北露頭溶洞化學(xué)充填物主要有古鈣華、方解石、硫磺、石膏、螢石等5種類型;化學(xué)膠結(jié)的充填物主要為垮塌鈣華角礫巖和包殼礫巖。其中五道班溶洞主要為鈣華、方解石、螢石;硫磺溝溶洞主要為垮塌的鈣華角礫巖、鈣華、包殼礫巖、硫磺和石膏。

2.1 化學(xué)充填物

2.1.1 古鈣華

塔北古溶洞充填體中的鈣華具有明顯的特殊性,鈣華中有古油藏的充注,推斷其形成時間與縫洞早期充填(燕山運動前)時間相近,因此稱之為古鈣華。古鈣華顏色為黃褐色和灰白色間互、部分飽含瀝青顏色為黑色和灰色間互,大多呈紋層狀,少部分呈塊狀或環(huán)狀包裹礫石。硫磺溝和五道班地區(qū)的古溶洞和裂縫中均有分布。受沉積環(huán)境和沉淀速度的影響,單層厚度為1 mm～1.5 cm(圖2)。

薄片觀察顯示鈣華微觀形態(tài)(圖3)主要有3個特點:① 晶間縫發(fā)育位于簇狀方解石晶體之間,縫寬約為20 μm,沿晶體生長方向,垂直于層面分布(圖3(a)),平行層面及垂直于晶體生長方向,橫剖面上方解石晶體呈不規(guī)則多邊形,晶間縫呈網(wǎng)狀,縫寬較均勻,連通性極好(圖3(c));② 層間縫發(fā)育于方解石紋層之間,縫寬為20～70 μm,沿單層層面分布,受層面生長控制,順層連通性好(圖3(b));③ 晶間孔、晶內(nèi)溶蝕孔和層間溶蝕孔,即方解石晶體間、紋層間溶蝕形成或晶體內(nèi)部或表面溶蝕作用形成的孔隙,孔徑為10～200 μm,相差懸殊,形態(tài)各異。掃描電鏡下古鈣華儲集空間的微觀形態(tài)有晶間孔、晶內(nèi)溶蝕孔、晶體表面溶蝕孔(裂口狀,三角形)、晶間縫和晶間溶蝕縫5種類型(圖4)。古鈣華微觀孔縫形態(tài)多樣,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,受流水溶蝕改造明顯。古鈣華不同類型的儲集空間相互連通,形成一個孔縫網(wǎng)絡(luò),對油氣儲集有重要意義。

圖2 古鈣華露頭巖樣Fig.2 Outcrop samples of ancient tufa

圖3 古鈣華顯微特征Fig.3 Microscopic characteristics of ancient tufa

圖4 古鈣華巖樣及掃描電鏡特征Fig.4 Ancient tufa samples and characteristics of scanning electron microscope

2.1.2 方解石和螢石

方解石充填古溶洞及裂縫是極普遍的現(xiàn)象,其形態(tài)有巨晶方解石,包殼礫石外殼的方解石晶簇,還有沿裂縫對稱生長的馬牙狀方解石(圖5(a))。方解石顆粒之間保留了大量的殘留孔洞。五道班的巨晶方解石,常呈塊狀、帶狀或順層分布充填縫洞,普遍純凈不含油,主要是斷裂作用和熱液作用影響下重結(jié)晶而形成[13]。

塔里木盆地西北部巴楚-柯坪露頭區(qū)螢石礦有如下特點:①螢石呈串珠狀或呈脈狀賦存于巖溶的縫洞中,距古風(fēng)化殼頂面約10～50 m,主要發(fā)育在一間房和五道班古溶洞;②古巖溶的基巖為中—下奧陶統(tǒng)鷹山組礁灘相砂屑灰?guī)r;③螢石呈淺紫色—紫色,半自形—自形晶,粒徑5～10 mm,具玻璃光澤,解理完全;④與方解石相伴生(圖5(b)),巨晶方解石脈是一間房螢石礦出現(xiàn)的標(biāo)志,螢石礦富集帶已達到工業(yè)開采標(biāo)準(zhǔn)[14]。

圖5 溶洞中充填的方解石和螢石Fig.5 Calcite and fluorite filled in karst caves

2.1.3 硫磺和石膏

柯坪硫磺溝的由來是發(fā)育了大量的自然硫,已作為硫礦床開采。硫磺溝古溶洞硫磺大部分呈薄層狀產(chǎn)出(圖6(a)),厚度為1～2 mm,少數(shù)成集合顆粒狀,顆粒粒徑約為3～5 mm,常與石膏伴生充填在構(gòu)造裂縫中,或呈薄層分布在灰?guī)r、古鈣華和石膏表面(圖6(b))。石膏主要發(fā)育在硫磺2號溝和硫磺3號溝溶洞中,呈塊狀、囊塊狀,表層有黃色硫磺析出。

圖6 硫磺溝硫磺與石膏Fig.6 Sulfur and gypsum in Liuhuanggou

2.2 化學(xué)膠結(jié)的充填物

2.2.1 垮塌鈣華角礫巖

垮塌鈣華角礫來源于溶洞頂部或側(cè)壁垮塌的鈣華,后被膠結(jié)而形成鈣華角礫巖,其特征是呈黃灰色、灰褐色或雜色,粒徑為2～100 mm,混雜無序,部分角礫棱角分明,分選磨圓較差,可見鈣華紋層(圖7(a)),角礫邊緣常見粒間孔隙和貼?？p,主要分布于硫磺溝古溶洞的下部。

2.2.2 包殼礫巖

包殼礫巖[15]是根據(jù)巖石的形態(tài)、性質(zhì)和結(jié)構(gòu)命名的一種巖石類型,方解石圍繞核心向外生長,形成包裹礫石的復(fù)合結(jié)構(gòu),稱為包殼礫巖。由兩部分組成,即包殼和核心(圖5),包殼是由鈣華或方解石晶簇組成,核心是灰?guī)r礫石、化學(xué)沉積后垮塌角礫或礫石、碎屑沉積砂或礫。按包殼礫巖的形態(tài)和結(jié)構(gòu)總體可以分為同心環(huán)狀包殼礫巖、放射狀包殼礫巖和均勻包殼礫巖3大類[15]?？梢姲鼩ぜy層間縫、貼?？p、殘余粒間孔、晶間縫,主要分布于硫磺溝古溶洞。

蒸汽低溫烹飪對烤雞翅感官的影響如表3所示。結(jié)果顯示，SV 70+Roast組烹飪的雞翅表皮脆度、口感及總體得分均顯著高于Roast組烹飪的雞翅(p<0.05)。不同烹飪組的雞翅色澤、氣味和多汁性得分差異不顯著(p>0.05)。表皮脆度得分越高，表明雞翅燒烤后表皮越脆，吃起來更有燒烤的焦香味。

圖7 垮塌鈣華角礫和包殼礫巖Fig.7 Collapsed tufa breccia and cladding conglomerate

3 溶洞充填物的地球化學(xué)特征及成因

3.1 古溶洞充填物常量組分特征

常量元素分析結(jié)果顯示(表1),五道班的Mg、Si、Fe、K等元素含量高于硫磺溝,呈聚集趨勢,而Ca低于硫磺溝,呈遷出趨勢。兩剖面的常量組分含量與地殼灰?guī)r平均值均有不同程度差異。五道班SiO2、Al2O3、Fe2O3、TiO2等不活潑難溶元素相對聚集(圖8),顯示五道班溶洞的充填主要為陸源碎屑即地下河河道的砂泥充填,少部分為化學(xué)充填即早期沉淀形成的鈣華。硫磺溝溶洞S、CaO等元素或氧化物富集,顯示主要為化學(xué)充填,受熱液作用的影響充填物主要為硫磺、石膏以及鈣華。

塔北露頭巖溶產(chǎn)物的常量元素,反映了碳酸鹽巖礦物在古風(fēng)化殼形成過程中的穩(wěn)定性有明顯差異,塔北奧陶系碳酸鹽巖經(jīng)歷了長期巖溶風(fēng)化淋濾作用。溶洞發(fā)育的主要時期塔北處于中低緯度(12°～26°),熱帶或亞熱帶氣候,有利于巖溶發(fā)育[16]。溶洞充填作用五道班地區(qū)主要為地下潛流的碎屑充填為主,局部為鈣華、方解石和螢石;硫磺溝地區(qū)以鈣華、方解石、硫磺和石膏為主。

表1 塔北巴楚露頭不同巖性常量元素含量Table 1 Macro element content in different lithology of outcrop in Bachu, Tabei %

圖8 硫磺溝和五道班巖溶產(chǎn)物常量元素含量Fig.8 Macroelement content of karst product in Liuhuanggou and Wudaoban

3.2 硫同位素

為準(zhǔn)確判斷硫磺及伴生石膏的成因,對硫磺、石膏及圍巖進行硫同位素分析。硫有4種穩(wěn)定同位素,其豐度分別為32S占95.1%,33S占0.74%,34S占 4.2%,36S 占 0.016%。由于33S和36S 在自然界中含量較低,其變化不易測定,因此一般用34S/32S 比值,并常用其值與標(biāo)準(zhǔn)樣品相比的千分偏差值δ34S(CDT,‰)來表示[17-18]。硫磺的δ34S介于-16.87‰～-17.29‰,石膏的δ34S介于-7.68‰～-9.52‰(表2),正常蒸發(fā)成因的石膏具有很重的硫同位素組成,一般δ34S大于10‰,硫酸根在被厭氧菌還原時會產(chǎn)生硫同位素分餾,即32S 會優(yōu)先被還原,而殘留的硫酸鹽富34S[19]。因此研究區(qū)的石膏顯然不是蒸發(fā)沉積形成的,而是熱液成巖的產(chǎn)物。

表2 硫磺、石膏及圍巖的硫同位素組成

3.3 流體包裹體特征

據(jù)39塊露頭奧陶系碳酸鹽巖樣品中包裹體的測定結(jié)果顯示,塔北巖溶露頭方解石中單相包裹體較發(fā)育,氣液兩相包裹體相對較少(露頭樣品測試難度較大),包裹體常成群分布,呈橢圓形,直徑約為5 μm(圖9),主要集中在60～90 ℃、90～120 ℃和140～200 ℃。五道班溶洞充填物均一溫度一般低于140 ℃、少部分低于170 ℃,硫磺溝溶洞充填物均一溫度高于140 ℃的包裹體占測試總數(shù)的40%以上,表明五道班溶洞充填物主要為正常沉淀形成、少部分熱液影響,硫磺溝巖溶作用后經(jīng)歷過較強的熱液作用。

3.4 溶洞充填物成因

3.4.1 古鈣華的成因

塔北柯坪-巴楚地區(qū)奧陶系灰?guī)r在表生風(fēng)化溶蝕期處于溫暖濕潤的氣候環(huán)境[15],有利于巖溶作用發(fā)生和低等菌藻類繁育(在五道班同一套地層中可見約2 m厚的藻灰?guī)r)[20]。由常量元素(表1)、碳氧同位素(表3)、流體包裹體(圖9)分析可知,五道班溶洞中的鈣華為正常古氣候環(huán)境下,富含Ca(HCO3)2的巖溶水,從暗河的出口處流出,由于壓力減小CO2逸散,CaCO3過飽和析出,與藻類生物的共同作用下形成,薄片可見波狀的藻類作用紋層及殘余的藻絲體。本文中觀點與牛永斌等[21-22]討論的鈣華成因基本一致。

硫磺溝古鈣華常常與硫磺伴生,鈣華表面附著硫磺(圖10)或鈣華與硫磺互層,說明鈣華的形成時間與硫磺的形成時間相距較近,且鈣華的形成與熱液密切相關(guān),由硫同位素(表2)、碳氧同位素(表3)和流體包裹體(圖9)分析亦可知。鐘建華等[20]討論過柯坪硫磺溝鈣華成因,認為從巖溶地區(qū)流出的富含CaCO3和Ca(HCO3)2地下水,由于壓力減小,從泉口流出后逸出大量的CO2,使CaCO3飽和析出,在微生物的作用下,在泉口及其附近的河流中形成,但未明確是冷水成因或熱水成因,本文中認為硫磺溝的鈣華為熱水成因,是對其成因的補充。

圖9 巴楚溶洞充填物流體包裹體及均一溫度分布直方圖Fig.9 Fluid inclusion of cave fillings and histogram of homogenization temperature in Bachu

圖10 古鈣華實驗樣品Fig.10 Sample of ancient tufa

采樣地巖性δ13CPDB/‰δ18OPDB/‰δ18OSMOW/‰古溫度/℃古鹽度Z值測試個數(shù) 五道班藻灰?guī)r2.4～3.1-9.5～-8.6-2.03～-0.9319.95～24.93127.78～129.077 平均值2.84-9.27-1.6022.97128.51古鈣華-0.60～2.00-10.5～-6.9-2.83～0.5712.87～28.75121.57～127.2014平均值0.92-8.67-1.00120.46124.87 硫磺溝古鈣華-7.8～-4.6-15.50～-11.6081.53～111.43104.25～112.1016平均值-5.49-13.9399.00109.11

3.4.2 硫磺和石膏的成因

由硫同位素和包裹體分析可知,硫磺、石膏的形成是受熱液影響產(chǎn)生。塔里木盆地在演化過程中經(jīng)歷了4期重要的地質(zhì)熱時間,分別在震旦紀(jì)—寒武紀(jì)、早奧陶世、二疊紀(jì)和白堊紀(jì)[23]。震旦紀(jì)—寒武紀(jì)和早奧陶世熱事件發(fā)生較早,奧陶系地層巖溶作用還未發(fā)生。白堊紀(jì)巖漿活動范圍較小,主要局限在塔里木盆地周邊地區(qū),只有二疊紀(jì)火山活動在整個塔里木盆地,包括西部、北部和塔中地區(qū)廣泛存在,對盆地影響較大[24]。塔里木盆地二疊紀(jì)時發(fā)生了強烈的火山作用,與之相關(guān)的熱液流體沿著斷裂、裂縫以及不整合面活動,并與所經(jīng)碳酸鹽巖圍巖發(fā)生反應(yīng)[25]。

地下的熱液沿裂縫上涌,熱液攜帶硫酸和硫化氫溶液溶解碳酸鹽巖巖層,在平靜處比如洞穴或地下暗河出口,溫度降低,壓力減小,硫酸鈣(石膏)或者硫磺逐漸從中析出,隨著硫酸鈣的溶解量增大,硫磺或石膏的生長速度也變快,形成礦藏。硫磺和石膏形成過程的反應(yīng)式為

H2S+2O2+CaCO3=CaSO4+H2O+CO2↑,

2H2S+O2=2H2O+2S,

2H2S+3O2+CaCO3=CaSO4+S+H2O+CO2↑.

硫化氫可能來源是有機物的熱裂解,這種來源的硫,其δ34S值會比較低,由此形成的硫磺或石膏δ34S值也比較低,該來源與表2的輕δ34S值符合。

巖漿及熱液活動的證據(jù)主要有:①在柯坪志留系的砂巖中能見到近直立侵入的暗色基性巖脈;②塔河油田二區(qū)奧陶系巖心有明顯的熱液溶蝕和熱退色現(xiàn)象;③沉淀生成多種熱液礦物組合,如閃鋅礦-綠泥石-方解石組合、重晶石-石英-黃鐵礦-菱鐵礦組合[25]、螢石-巨晶方解石組合、硫磺-石膏組合。

4 結(jié) 論

(1)塔北露頭古溶洞化學(xué)充填物豐富多樣,巴楚五道班和硫磺溝溶洞充填物有明顯差異。五道班古溶洞化學(xué)充填主要為鈣華、方解石、螢石;硫磺溝古溶洞垮塌化學(xué)膠結(jié)和化學(xué)充填主要為垮塌的鈣華角礫巖、鈣華、包殼礫巖、硫磺和石膏。

(2)硫磺溝鈣華、硫磺和石膏均與熱液密切相關(guān)。五道班的鈣華主要是巖溶水沉淀形成,螢石與伴生的巨晶方解石為熱液成因。溶洞的化學(xué)充填可形成方解石、硫磺、石膏和螢石等礦床。

致謝感謝中國石化勘探院、中國石油西北石油局的大力支持,感謝河南理工大學(xué)牛永斌、中國石油大學(xué)(華東)李勇和倪良田的幫助!