新疆準噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組云質(zhì)巖地球化學特征

楊焱鈞,柳益群,蔣宜勤,楊 召,周鼎武,焦 鑫,周 鵬,5,李 旭,靳夢琪,6

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司,陜西 西安 710077;2.西北大學大陸動力學國家重點實驗室 西北大學地質(zhì)學系,陜西 西安 710069;3.中國石油新疆油田分公司實驗檢測研究院,新疆 克拉瑪依 834000;4.山東科技大學地質(zhì)科學與工程學院,山東 青島 266510;5.中國石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院,新疆 庫爾勒 841000;6.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心,陜西 西安 710054)

引言

吉木薩爾凹陷為準噶爾盆地東部隆起的二級構造帶,盆地內(nèi)蘆草溝組(P2l)是最好的烴源巖,也是致密油勘探的有利層位[1-5]。構成該層位的主要巖性是一套白云石及硅酸鹽礦物以不同比例混合而成的極細粒沉積巖[1-2,4],本文將其統(tǒng)稱為云質(zhì)巖,也有學者稱其為混積巖[4]。開展精細的礦物學、地球化學展示其形成原因以及形成環(huán)境對于區(qū)內(nèi)油氣勘探開發(fā)具有重要意義[6]。 然而受限于其粒度較細且成分十分混雜,目前主要以研究其儲層物性方面為主[3,5,7-8],關于其巖礦學及地球化學研究較少。本文從地球化學角度分析了研究區(qū)云質(zhì)巖儲層的物質(zhì)來源和沉積環(huán)境,對致密油儲層的勘探和研究具有一定探索意義。

圖1 吉木薩爾凹陷位置分布圖Fig.1 Location of the Jimusar depression in the Junggar Basin,Xinjiang

1 區(qū)域地質(zhì)概況

吉木薩爾凹陷位于準噶爾盆地東部隆起的西南緣,是一個相對獨立的箕狀凹陷,其北以吉木薩爾斷裂為界,南以三臺斷裂為界,西以老莊灣斷裂和西地斷裂為界,向東逐步過渡為奇臺凸起,構造單元面積1278km2(圖1)。

吉木薩爾凹陷地層由上至下出露有第四系、新近系、古近系、白堊系、侏羅系齊古組、頭屯河組、西山窯組、三工河組、八道灣組,三疊系克拉瑪依組、燒房溝組、韭菜園組,二疊系梧桐溝組、蘆草溝組、將軍廟組和石炭系。經(jīng)歷了多期構造運動改造后,形成了4個區(qū)域性不整合,即古近系與下伏地層之間不整合、侏羅系八道灣組與下伏地層之間不整合、二疊系梧桐溝組與下伏地層之間不整合、石炭系與上覆地層之間不整合,缺失的地層為三疊系郝家溝組和黃山街組。

2 云質(zhì)巖巖石學特征

準噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組巖石主要為機械沉積和化學沉積的過渡性巖類,巖性以云質(zhì)巖類和凝灰質(zhì)巖類為主;其中白云巖類為化學沉積的產(chǎn)物,而凝灰質(zhì)巖為火山物質(zhì)湖底噴發(fā)或鄰區(qū)火山物質(zhì)飄落并機械擴散沉積而成。研究區(qū)的云質(zhì)巖類儲層非常特殊,與目前國內(nèi)外常見的白云巖類儲層具有較大的差異,形成于內(nèi)碎屑為主的欠補償湖盆中,缺乏大量陸源碎屑的輸入。本次研究將泥(粉)晶白云巖(圖2A、2B)、含凝灰質(zhì)白云巖(圖2C)、凝灰質(zhì)白云巖、以及白云質(zhì)凝灰?guī)r(圖2D)等巖石組分中含有25%以上白云石的巖性統(tǒng)稱為云質(zhì)巖類。通過全巖礦物X射線衍射與電子探針分析發(fā)現(xiàn),云質(zhì)巖的主要造巖礦物為白云石、方解石、石英、鈉長石和正長石。

圖2 吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組云質(zhì)巖類型Fig.2 Types of the dolomitic rocks from the Lucaogou Formation in the Junggar Basin,Xinjiang

3 樣品分析與測試

本研究在吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組全取心的吉174井中由老至新連續(xù)選取11件云質(zhì)巖樣品。將選擇的樣品磨碎至200目,送西北大學大陸動力學國家重點實驗室測試常量元素(儀器名稱:X熒光光譜儀;儀器型號:RIX2100)和微量元素(儀器名稱:等離子質(zhì)譜儀;儀器型號ELAN6100DRC;分析精度分析精度高于10%)。

本研究在吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組全取心的吉174井中由老至新連續(xù)選取21件云質(zhì)巖樣品,粉碎至80目,送往中國科學院蘭州地質(zhì)研究所化學測試部分析無機碳和氧同位素(測試儀器:MAT252質(zhì)譜儀,采用PDB標定,分析精度優(yōu)于±0.01%)。

4 云質(zhì)巖地球化學特征

研究區(qū)蘆草溝組云質(zhì)巖的巖石類型多樣、非均質(zhì)性較強且粒度較細,無法利用微區(qū)取樣方法獲取高純度的單礦物進行精確的地球化學分析,為實驗數(shù)據(jù)的分析帶來一定困難。本論文通過常量元素、微量元素、無機碳-氧同位素等現(xiàn)代分析測試手段對準噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組云質(zhì)巖進行地球化學分析,初步探討了云質(zhì)巖的形成環(huán)境及其物質(zhì)來源,為研究本區(qū)云質(zhì)巖成因提供依據(jù)。

4.1 常量元素特征

通常海相白云巖的c(Mg)/c(Ca)比值為0.93~1.02,而陸相白云巖的c(Mg)/c(Ca)比值變化較大[9]。由c(Mg)與c(Ca)散點圖(圖3)可見,研究區(qū)蘆草溝組云質(zhì)巖c(Mg)與c(Ca)非常離散,不存在線性相關。由c(Mg)/c(Ca)頻率含量百分比圖(圖4)可見,c(Mg)/c(Ca)比值主要分布于0~0.5之間,約占64%。由c(Mg)/c(Ca)垂向變化曲線圖(圖5)可見,研究區(qū)蘆草溝組云質(zhì)巖的c(Mg)/c(Ca)比值在垂向上的變化范圍較大,且不具有明顯的遞變規(guī)律,c(Mg)/c(Ca)比值為0.03~1.44,平均值0.51。綜上所述,研究區(qū)蘆草溝組云質(zhì)巖形成于陸相環(huán)境,且不同沉積期Mg2+的供應差異較大。

Mg2+濃度是白云巖形成的重要因素,研究區(qū)蘆草溝組白云巖的形成需要供給大量的Mg2+。該區(qū)蘆草溝組白云石形成過程中Mg2+的來源可能有:(1)黏土礦物成巖轉(zhuǎn)化釋放的Mg2+;(2)火山玻璃脫玻化分離的Mg2+;(3)深部巖漿熱液攜帶的Mg2+。全巖礦物X射線衍射和巖石薄片觀察可見,蘆草溝組黏土礦物和火山玻璃含量相對較少,故作者更傾向于Mg離子主要來源于深部巖漿熱液。來自地幔的流體在上升過程中使地殼中的超基性巖發(fā)生蛇紋石化,從而釋放出大量的Mg2+和Fe2+[10]。地幔熱液間歇性上涌,這可能是造成研究區(qū)蘆草溝組不同沉積期Mg2+的供應變化較大的主要因素。

圖3 云質(zhì)巖c(Mg)與c(Ca)散點圖Fig.3 Scatter diagram showing the distribution of c(Mg)and c(Ca)values for the dolomitic rocks

磷(P)元素對古環(huán)境的變化反應較為靈敏,通常情況下,沉積過程中水介質(zhì)溫度和鹽度的劇烈變化會引發(fā)生物的集體死亡并沉淀到水體底部,從而使上述沉積層位的磷(P)元素相對富集。研究區(qū)蘆草溝組沉積期火山活動強烈,可提供豐富的氮、磷和金屬元素等營養(yǎng)[11-13],因此,蘆草溝組云質(zhì)巖中生物繁盛,與火山活動密切相關。吉174井3151.8m處樣品的磷(P)元素含量異常高,反映了該層段沉積期湖水物化條件存在劇烈變化,生物集體死亡并沉淀到水體底部,這與樣品巖性為“生物碎屑灰?guī)r”相吻合。如圖6所示,研究區(qū)蘆草溝組11件樣品中除1件磷(P)含量為17282.58×10-6外,其余10件均小于700×10-6。剔除最高值后磷(P)元素的平均值為427.70×10-6,與北美頁巖(480.07×10-6)非常接近[14],反映出研究區(qū)蘆草溝組沉積期生物活動十分繁盛的特征。

圖4 云質(zhì)巖c(Mg)/c(Ca)頻率含量百分比圖Fig.4 Histogram showing frequency distribution of c(Mg)/c(Ca)ratios for the dolomitic rocks

4.2 微量元素特征

V、Ni、Cr、U等氧化還原敏感金屬元素的溶解度明顯受沉積環(huán)境氧化還原狀態(tài)控制,其含量及比值提供了古氧化還原環(huán)境的有益信息(表1)。Th/U比值常被用來指示海洋沉積物的氧化還原環(huán)境,Th/U比值<2表征缺氧環(huán)境[14-16]。蘆草溝組沉積巖樣品顯示為較低的Th/U比值(0.58~1.99),反映了缺氧的沉積環(huán)境。V/Cr比值也常被用來判斷海洋沉積物的氧化還原環(huán)境,在缺氧的條件下,V被優(yōu)先富集[17],高的V/(V+Ni)(>0.6)和V/Cr(>2)比值指示缺氧條件。研究區(qū)樣品V/(V+Ni)比率0.60~0.89,V/Cr比率1.25~6.38,反映了較為缺氧的形成環(huán)境。V的富集可用Sc的豐度來校正,V/Sc在缺氧環(huán)境中高,而在氧化環(huán)境中低[18]。研究區(qū)云質(zhì)巖樣品V/Sc比值變化范圍3.65~16.19,也證明了研究區(qū)當時處于缺氧環(huán)境。綜上所述,微量元素地球化學特征顯示吉木薩爾凹陷蘆草溝組形成于相對還原的沉積環(huán)境中。在礦化度低、硫酸根離子含量低的水體環(huán)境中,鍶(Sr)、鋇(Ba)離子以重碳酸鹽的形式保存。隨著礦化度的增大及硫酸根離子含量的增高,鋇(Ba)元素首先以硫酸鋇的形式沉淀,而鍶只有當水體(湖水或海水)濃縮到一定程度才能夠產(chǎn)生硫酸鍶沉淀[19]。咸化湖泊中高含量的硫酸根離子易于與鍶形成化合物,致使沉積物具有較高的Sr/Ba比值。Sr/Ba>1為咸水介質(zhì),Sr/Ba<1則指示淡水沉積環(huán)境,異常高值可標識高度堿化條件下的堿湖沉積[20]。由表1可見,吉木薩爾凹陷蘆草溝組Sr/Ba比值除1個樣品值為0.55,其余樣品的Sr/Ba比值均大于1,最高可達8.25,平均值為3.93,反映古鹽度較高。同時,Sr/Ba比值變化頻繁,差值高達15倍之多,顯示研究區(qū)蘆草溝組沉積期湖泊鹽度具頻繁變化的特征。

圖5 c(Mg)/c(Ca)與垂向變化曲線圖Fig.5 Curve diagram showing vertical changes in c(Mg)/c(Ca)ratios for the dolomitic rocks

圖6 磷(P)含量垂向變化曲線圖Fig.6 Curve diagram showing vertical changes in phosphorus contents in the dolomitic rocks

4.3 碳、氧同位素地球化學特征

碳酸鹽礦物的無機碳、氧同位素是古環(huán)境研究中常用的手段,在恢復水體的古溫度、古鹽度和研究沉積物成巖作用等方面已愈來愈受到沉積學家的重視。準噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組中含有大量碳酸鹽礦物,對其碳、氧穩(wěn)定同位素組成特征進行研究,將有助于了解二疊系蘆草溝組的形成環(huán)境及沉積成巖歷史。

表1 云質(zhì)巖的常量元素(wt%)、微量元素和稀土元素(×10-6)含量Table 1 Contents of major elements(wt%),trace elements and rare earth elements(×10-6)in the dolomitic rocks

表2 吉木薩爾凹陷蘆草溝組噴流沉積巖中碳酸鹽礦物無機碳、氧同位素分析結(jié)果Table 2 Carbon and oxygen isotopic data for the carbonate minerals in the exhalative sedimentary rocks in the Lucaogou Formation

圖7 研究區(qū)蘆草溝組云質(zhì)巖樣品碳、氧同位素散點圖Fig.7 Scatter diagram of carbon and oxygen isotopic data for the dolomitic rocks in the Lucaogou Formation

4.3.1 數(shù)據(jù)可靠性評估

本研究選取未經(jīng)蝕變的新鮮巖樣,并盡可能避開方解石脈和黃鐵礦發(fā)育部位,以降低成巖蝕變對無機碳、氧同位素組成的影響。前人研究認為,當δ18O(PDB)小于-5‰時,表明樣品已遭受蝕變,當δ18O(PDB)小于-10‰(或-11‰)時,測試數(shù)據(jù)不宜使用[21-22]。碳、氧同位素的相關性也可作為判斷碳酸鹽巖樣品是否遭受成巖蝕變的依據(jù),若存在線性相關,表明其受到成巖蝕變的影響[21]。由表2可見,21個樣品中有6個樣品的δ18O(PDB)小于-10‰,在圖8中以δ18O(PDB)=0為界線將這些樣品劃歸不可靠數(shù)據(jù),剔除。大部分樣品的δ18O(PDB)大于-10‰,部分樣品大于-5‰,而且在碳、氧同位素散點圖(圖7)上各個樣品點十分離散,不存在線性相關,表明該部分可靠,可用于成巖環(huán)境的分析。

4.3.2 分析結(jié)果

(1)δ13C和δ18O的古鹽度意義

通常情況下,δ13C和δ18O值均具有隨介質(zhì)鹽度升高而升高的特征,其中δ13C與古鹽度的關系更為密切,且受溫度的影響較小。Keith與Weber(1964)提出了利用δ13C和δ18O定量指示古鹽度Z值的公式:

Z=2.048×(δ13C+50)+0.498×(δ18O+50)

式中δ13C和δ18O值均采用PDB標準。當Z值大于120時為海水或咸水碳酸鹽巖;Z值小于120時則為淡水碳酸鹽巖。由于碳酸鹽形成后其碳同位素難以交換,因而δ13C值較為穩(wěn)定,且δ13C值對Z值的影響遠遠大于δ18O值,本研究采用Z值表示二疊系蘆草溝組(P2l)樣品形成時的古鹽度是較為準確的。

研究區(qū)蘆草溝組21個樣品中除1個樣品的Z值為119,其它樣品的Z值均大于120,最高可達140,顯示研究區(qū)蘆草溝組噴流沉積巖形成于咸水環(huán)境。剔除δ13O(PDB)小于-10‰的6個可能受到成巖蝕變樣品,剩余樣品的Z值隨深度的加深而增大(圖8),表明研究區(qū)蘆草溝組沉積期由早至晚古鹽度有逐漸降低的趨勢。

(2)δ18O的古溫度意義

氧同位素地質(zhì)溫度計已被廣泛應用于研究地球上的各種巖石與礦物,甚至隕石及月巖物質(zhì)的形成溫度。本研究對二疊系蘆草溝組全巖樣品只測定一種固相的同位素組成,假定礦物沉淀時介質(zhì)水的同位素δ18O為0(通常認為顯生宙以來的古海水與現(xiàn)代海水的氧同位素相同,即δ18O=0),則可通過礦物與水之間的同位素分餾系數(shù)計算礦物的形成溫度。

圖8 古鹽度(Z值)垂向變化規(guī)律圖Fig.8 Diagram showing vertical changes in the palaeosalinities(Z values)of the dolomitic rocks in the Lucaogou Formation

本研究采用Horbe和Oba(1972)提出的古溫度t值計方程:

式中δCc為礦物氧同位素組成,δW為礦物沉淀時介質(zhì)水氧同位素,均為PDB標準。

利用氧同位素地質(zhì)溫度計換算出蘆草溝組噴流沉積巖的平衡溫度(計算結(jié)果僅用于反映溫度的變化趨勢,并不代表真實成巖溫度),最低34℃,最高114℃,平均64℃,氧同位素地質(zhì)溫度計的劇烈變化恰巧反映了蘆草溝組(P2l)沉積期熱液流體與湖水相互作用的特征。剔除δ13O(PDB)小于-10‰的6個可能受到成巖蝕變樣品,剩余樣品的古溫度(t值)隨深度的增加而降低(圖9),表明研究區(qū)蘆草溝組沉積期由早至晚古溫度有逐漸增加的趨勢。

由表2可見,所有研究樣品中只有1個樣品的δ13C(PDB)值為-0.39‰,其余樣品的δ13C(PDB)值均大于0‰,平均值為5.10‰,該平均值高于二疊系海水碳同位素平均值(約2‰)。造成這種結(jié)果的原因可能是研究區(qū)蘆草溝組有機碳含量較高,形成于咸化湖水中。高鹽度造成湖水中CO2溶解度的降低和碳酸鹽溶解度的升高,而快速的有機碳埋藏速率需要大量的CO2來源補充。在CO2“供不應求”的條件下必然導致生物分餾過程中更加富集12C,湖水中與之平衡的13C相對富集并最終體現(xiàn)在碳酸鹽的同位素組成中,從而造成碳同位素的正漂移。

綜上所述,研究區(qū)蘆草溝組主要形成于溫度較高的咸水環(huán)境中,由早至晚蘆草溝組沉積期具有溫度升高而鹽度降低的趨勢,溫度的升高引起的蒸發(fā)量增大并沒有帶來湖水鹽度的增加,這種碳酸鹽碳、氧同位素反向變化關系可能由于蘆草溝組沉積后期不斷有外源淡水的輸入造成。

5 結(jié)論

通過對準噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組云質(zhì)巖的元素地球化學和同位素地球化學研究初步獲得以下結(jié)論:

(1)云質(zhì)巖樣品Th/U比值為0.58~2.00,V/(V+Ni)比值為0.60~0.89,V/Cr比值為1.25~6.38,V/Sc比值為3.65~16.19,Sr/Ba比值平均可達3.93,古鹽度Z值平均可達134,反映研究區(qū)蘆草溝組云質(zhì)巖形成于咸水還原沉積環(huán)境。

(2)云質(zhì)巖樣品的c(Mg)/c(Ca)比值在垂向上的變化范圍較大,且不具有明顯的遞變規(guī)律,c(Mg)/c(Ca)比值為0.03~1.44,平均值為0.51;研究區(qū)蘆草溝組黏土礦物和火山玻璃含量相對較少,反映了研究區(qū)蘆草溝組云質(zhì)巖形成于陸相環(huán)境,推斷Mg離子主要來源于深部巖漿熱液,且不同沉積期Mg2+的供應差異較大。

(3)云質(zhì)巖樣品碳氧同位素反映了蘆草溝組沉積期從早至晚具有溫度升高而鹽度降低的趨勢,溫度的升高引起的蒸發(fā)量增大并沒有帶來湖水鹽度的增加,這種碳酸鹽碳、氧同位素反向變化關系可能由于蘆草溝組沉積后期不斷有外源淡水的輸入造成。