塔里木盆地塔中地區(qū)下奧陶統(tǒng)白云巖的成巖流體 演化：來自團(tuán)簇同位素的證據(jù)

劉嘉慶，李 忠，顏夢(mèng)珂，Peter K.Swart，楊 柳，盧朝進(jìn),5

(1.中國科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所 巖石圈演化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029； 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 3.邁阿密大學(xué) 羅森斯蒂爾海洋與大氣科學(xué)學(xué)院，佛羅里達(dá)州 邁阿密 33149； 4.中國石油 杭州地質(zhì)研究院， 浙江 杭州 310023； 5.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249)

近十幾年來隨著質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展，碳酸鹽的多種同位素體系得到更精準(zhǔn)的測量。團(tuán)簇同位素在近十年來逐漸成為一種新型代用指標(biāo)，因其具有獨(dú)特指示溫度的特性而在碳酸鹽的研究中占有重要地位[1]。團(tuán)簇同位素是指自然出現(xiàn)的、包含2個(gè)或多個(gè)重同位素(稀有同位素)的同位素體[2]。團(tuán)簇同位素體的相對(duì)豐度非常低，但是具有非常獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)。比如碳酸鹽礦物中13C18O16O的豐度對(duì)溫度具有敏感性，而與礦物的全巖同位素以及礦物形成時(shí)期的流體性質(zhì)無關(guān)，因此可以通過對(duì)碳酸鹽晶格離子團(tuán)中13C和18O相互成鍵程度的測量來獲得礦物形成時(shí)的溫度信息[3-5]，再利用礦物的氧同位素值(δ18Ocarb)，根據(jù)傳統(tǒng)的氧同位素溫度計(jì)原理，可以進(jìn)一步獲得礦物的生長流體的氧同位素值(δ18Ow)。

團(tuán)簇同位素主要應(yīng)用在古氣候(溫度)重建[6-10]、古高度恢復(fù)[11-14]、碳酸鹽巖成巖作用研究[15-21]以及甲烷成因分析[22-23]等方面。在成巖作用研究方面，主要集中在兩個(gè)方向：一是基于這些溫度和流體信息進(jìn)行成巖環(huán)境分析[15-19,24]；二是利用團(tuán)簇同位素進(jìn)行熱歷史恢復(fù)[25-26]。

碳酸鹽團(tuán)簇同位素溫度計(jì)的度量參數(shù)Δ47定義為碳酸鹽酸解生成的CO2分子中質(zhì)量數(shù)為47的分子豐度相對(duì)于隨機(jī)狀態(tài)下該分子豐度的差異程度[5]。T(Δ47)是指由質(zhì)量數(shù)47CO2得出的Δ47值所獲取的溫度。通過測礦物的Δ47值獲得礦物的成巖溫度和古流體的氧同位素值，既彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的包裹體測溫的缺陷，即隨著地層到深層-超深層，包裹體易發(fā)生泄漏或再平衡，所測溫度不能真實(shí)反映捕獲溫度，又克服了傳統(tǒng)氧同位素溫度計(jì)受生長流體的δ18Ow值制約的局限性，為進(jìn)行碳酸鹽巖成巖環(huán)境分析提供新的證據(jù)支持。且前人研究表明，團(tuán)簇同位素可以應(yīng)用到古老樣品分析中，如Bristow等[15]通過對(duì)陡山沱組蓋帽白云巖團(tuán)簇同位素分析認(rèn)為同位素異常為熱流體成因的結(jié)果，而非之前認(rèn)為的甲烷氧化的產(chǎn)物。

由于國內(nèi)目前可以進(jìn)行團(tuán)簇同位素測試的實(shí)驗(yàn)室并不多，團(tuán)簇同位素技術(shù)研究和地質(zhì)應(yīng)用工作在國內(nèi)開展得較少。目前研究集中在對(duì)該技術(shù)的方法介紹和理論研究[27-29]，碳酸鹽CO2的提取方法和團(tuán)簇同位素的測試方法[30]，以及團(tuán)簇同位素平衡的理論計(jì)算研究[31-32]方面，而將其應(yīng)用到地質(zhì)實(shí)例的研究[14,33-34]中較少。

本論文針對(duì)塔中地區(qū)下奧陶統(tǒng)典型白云巖樣品進(jìn)行了碳酸鹽團(tuán)簇同位素測試分析，以期獲得相應(yīng)礦物的生長溫度、不同膠結(jié)期次的形成溫度和流體的氧同位素值(δ18Ow)，厘定成巖流體性質(zhì)、來源，建立成巖流體演化路徑，認(rèn)識(shí)其對(duì)儲(chǔ)集空間的建設(shè)/破壞作用，從而明確儲(chǔ)層成因機(jī)制。

1 地質(zhì)背景

塔里木盆地是一個(gè)具有大陸地殼、由前震旦系構(gòu)成結(jié)晶基底、由不同時(shí)期不同屬性的原型盆地疊置復(fù)合而成的多旋回性復(fù)合盆地[35-36]，可以分為“三隆四坳”的構(gòu)造格局，即：中央隆起、塔北隆起、東南隆起及北部坳陷、西南坳陷、庫車坳陷、東南坳陷。本次研究的塔中地區(qū)位于塔里木盆地中央隆起帶中東段(圖1)，是塔里木盆地重要的油氣勘探區(qū)。塔中隆起是一個(gè)寒武系-奧陶系巨型褶皺背斜基礎(chǔ)上長期發(fā)育的繼承性古隆起，形成于早奧陶世末，泥盆系沉積前基本定型[35,37]。受多期構(gòu)造活動(dòng)影響，塔中地區(qū)斷裂體系發(fā)育，主要發(fā)育3組斷裂：晚奧陶世北西向逆沖斷裂、志留紀(jì)—泥盆紀(jì)北東向走滑斷裂和局部二疊紀(jì)張裂[38-39]，后期經(jīng)歷了多期構(gòu)造-流體活動(dòng)的疊加改造[40]。

圖1 研究區(qū)位置(a)和樣品井分布(b)Fig.1 Location of the study area(a)and distribution of sampled wells(b)

塔里木盆地早奧陶世處于赤道附近，塔中在早、中奧陶世為碳酸鹽巖臺(tái)地。臺(tái)地沉積范圍廣闊,從西向東依次發(fā)育局限海臺(tái)地相、開闊海臺(tái)地相、臺(tái)地邊緣相、斜坡相和盆地相[41-42]。根據(jù)巖性特征，塔里木盆地下奧陶統(tǒng)鷹山組可劃分為4段，從下至上為灰云巖段、云灰?guī)r段、純灰?guī)r段和顆?；?guī)r段。鷹(山組)一段和鷹二上亞段以灰?guī)r為主，從鷹二下亞段開始白云巖含量增多，到鷹三段和鷹四段為白云巖與灰?guī)r互層段，且向下白云巖層段逐漸變厚(圖2)。下奧陶統(tǒng)白云巖是塔里木盆地非常重要的勘探接替領(lǐng)域，但由于白云巖埋藏深度大，目前鉆井取心資料較少，對(duì)于鷹山組白云巖儲(chǔ)層成因認(rèn)識(shí)仍存在較大爭議[43-54]。塔里木盆地下奧陶統(tǒng)鷹山組白云巖是未來潛在的勘探領(lǐng)域，儲(chǔ)層成因認(rèn)識(shí)仍不清楚，這制約了該領(lǐng)域的進(jìn)一步勘探。

2 實(shí)驗(yàn)方法

團(tuán)簇同位素分析在美國邁阿密大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院穩(wěn)定同位素實(shí)驗(yàn)室完成。選取了3口井10個(gè)樣品，針對(duì)基質(zhì)(孔隙發(fā)育)、孔洞內(nèi)充填方解石和裂縫內(nèi)充填方解石，所有分析樣品均為微鉆取樣儀在薄片下鉆取的粉末。為了獲得純凈的CO2用于團(tuán)簇同位素分析，將10～15 mg樣品溶解在104%磷酸中，反應(yīng)時(shí)間約30～45 min；所得氣體通過液氮和-90 ℃酒精在真空管線中通過一系列CO2/H2O分離，并使氣體通過PORAPAKTM過濾器轉(zhuǎn)移以減少有機(jī)質(zhì)污染；最終將獲得的純凈CO2氣體冷凍到轉(zhuǎn)移容器中，將氣體導(dǎo)入MAT-253質(zhì)譜儀中進(jìn)行測試分析。具體提取流程參考文獻(xiàn)[55]。

每個(gè)樣品前處理約2 h，上機(jī)測試時(shí)間為3 h。團(tuán)簇同位素測試過程中需要的標(biāo)樣包括方解石和氣體CO2。氣體CO2標(biāo)樣包括常溫25 ℃下在密封容器內(nèi)制備的水平衡氣體與加熱至1 000 ℃的CO2氣體(heated gas)。方解石標(biāo)樣為ETH-1，ETH-2，ETH-3和ETH-4[56-58]。標(biāo)準(zhǔn)樣品主要用來構(gòu)建Δ47數(shù)據(jù)的絕對(duì)參考系(ARF)[59-60],從而進(jìn)行MAT-253質(zhì)譜儀的非線性校正。

同時(shí)，針對(duì)取自5口井的28個(gè)樣品進(jìn)行了傳統(tǒng)的碳、氧穩(wěn)定同位素測試，分析在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究穩(wěn)定同位素實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。按照測試要求，用牙鉆采集樣品粉末，在90 ℃高溫中烘干樣品10 h；在300～350 ℃的真空中加熱抽空2 h，除去有機(jī)質(zhì)；應(yīng)用正磷酸法使樣品在高真空條件下與100%的磷酸進(jìn)行恒溫反應(yīng)；灰?guī)r在25.0 ℃±0.1 ℃(24 h)進(jìn)行充分反應(yīng)；此后，將收集起來的CO2氣體送入MAT-251質(zhì)譜儀測定碳、氧同位素組成，測試結(jié)果以PDB標(biāo)準(zhǔn)給出，單個(gè)測試結(jié)果重復(fù)精度高于0.08‰。

3 結(jié)果

3.1 樣品巖石學(xué)特征

巖心以及薄片的鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，塔中地區(qū)下奧陶統(tǒng)鷹山組在白云巖地層中普遍可見溶蝕作用，而與白云巖相鄰的灰?guī)r地層并未見到明顯的溶蝕作用發(fā)生。在巖心尺度上，溶蝕以眾多的針孔為特征，針孔密集發(fā)育部位則形成類似蜂窩狀的溶蝕孔洞(圖3a,b,e)。有的白云石被溶蝕而形成的不規(guī)則孔洞，部分孔洞直徑達(dá)到1～7 cm(圖3c,d)。巖心上裂縫發(fā)育，內(nèi)部方解石半充填，且多見瀝青充注(圖3b,f)。

圖3 塔中地區(qū)下奧陶統(tǒng)鷹山組白云巖宏觀巖石學(xué)特征和團(tuán)簇同位素測試分析位置Fig.3 Petrological characteristics of dolomite from the Lower Ordovician Yingshan Formation in Tazhong area, and location of clumped isotope testsa.樣品ZG9-2，細(xì)晶白云巖，針孔-蜂窩孔大量發(fā)育，埋深6 261.62 m；b.樣品ZG512-5，粉晶、中-細(xì)晶云巖，孔隙優(yōu)選發(fā)育在中-細(xì)晶云巖中，多組細(xì)裂縫發(fā)育，內(nèi)方解石半充填，埋深5 587.94 m；c.樣品ZG512-6，中-粗晶云巖，溶蝕孔洞發(fā)育，埋深5 588.51 m；d.樣品ZG512-7，粉-細(xì)晶云巖，孔洞內(nèi)白云石充填，埋深5 589.66 m；e.樣品ZG512-8，粉-細(xì)晶云巖，孔隙發(fā)育，埋深5 589.77 m；f.樣品TZ12-3，粉晶白云 巖，細(xì)裂縫內(nèi)白云石半充填，見瀝青充注，埋深5 297.90 m(藍(lán)色圓圈為團(tuán)簇同位素測試分析點(diǎn)的位置。)

通過薄片的鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，鷹山組白云巖可以劃分為泥-粉晶、細(xì)晶、中晶、粗晶和鞍狀5種白云巖：1)泥-粉晶白云巖晶粒粒徑小于100 μm，自形-半自形晶，晶間有少量粘土礦物(圖4b,f)；2)細(xì)晶白云巖平均晶粒粒徑約為100～250 μm,以自形-半自形晶為主，少量呈致密他形鑲嵌，具殘留結(jié)構(gòu)，局部層段晶間溶孔發(fā)育；3)中晶白云巖晶粒粒徑約為250～500 μm，以自形-半自形晶為主，緊密鑲嵌，局部層段晶間(溶)孔極為發(fā)育(圖4a,b)；4)粗晶白云巖晶粒粒徑大于500 μm，半自形-他形晶，緊密鑲嵌，多具殘留顆粒結(jié)構(gòu)，局部層段晶間孔極為發(fā)育(圖4a)；5)鞍狀白云石晶粒較大，晶面彎曲，具有波狀消光，產(chǎn)出于白云石的裂隙和溶孔中(圖4c,d)。

目前所觀察的鉆井中白云巖的溶蝕作用具有明顯的結(jié)構(gòu)選擇性，更傾向于在巖石中相對(duì)較粗的部分發(fā)生溶蝕，晶粒較細(xì)的白云巖溶蝕作用微弱或者未見溶蝕(圖4b)。中-粗晶白云巖，白云石多為半自形-他形晶，晶體內(nèi)部可見殘留原巖亮晶顆粒結(jié)構(gòu)(圖4a,b)，說明原巖為灘相顆?；?guī)r，交代特征清楚，呈鑲嵌狀，晶形扭曲，晶間孔和晶間溶孔發(fā)育。溶孔內(nèi)有瀝青充注(圖4a,b)，說明白云石溶蝕后發(fā)生了油氣充注。在中-粗晶白云石中針孔密集發(fā)育；而粉-細(xì)晶白云石較為致密，孔隙不發(fā)育(圖3b,e)。大的溶蝕縫洞內(nèi)方解石充填(圖4e)。

圖4 塔中地區(qū)下奧陶統(tǒng)鷹山組白云巖顯微鏡下微觀特征Fig.4 Photomicrographs of dolomite from the Lower Ordovician Yingshan Formation in Tazhong areaa.樣品ZG9-2，中-粗晶白云巖，自形程度差，溶孔大量發(fā)育，內(nèi)有烴類和瀝青充注，埋深6 261.62 m；b.樣品ZG9-8，左側(cè)為中-細(xì)云巖，溶蝕孔隙發(fā)育，內(nèi)見有機(jī)質(zhì)，右側(cè)為粉晶云巖，致密，兩者中間縫合線發(fā)育，內(nèi)有機(jī)質(zhì)充注，埋深6 267.90 m； c.樣品ZG512-5，粉晶、中-細(xì)晶云巖，縫洞內(nèi)鞍狀白云石發(fā)育，鞍狀白云石后方解石充填，埋深5 587.94 m；d.圖c中紅色框區(qū)域的放大；e.樣品ZG512-6，中-粗晶云巖，縫洞發(fā)育， 內(nèi)方解石充填，埋深5 588.51 m；f.樣品ZG512-7，粉-細(xì)晶云巖，自形程度差，溶蝕孔洞發(fā)育，埋深5 589.66 m

掃描電鏡背散射圖像顯示，細(xì)晶白云巖中發(fā)育大量晶間溶蝕孔隙，見港灣狀溶蝕邊及溶蝕殘余白云石(圖5a,b)。溶孔內(nèi)經(jīng)常充填方解石，且有方解石溶解跡象(圖5c)。部分孔隙白云石充填物后期又被方解石交代，發(fā)生去云化作用(圖5c,d)。

塔中地區(qū)下奧陶統(tǒng)鷹山組白云巖地層至少經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段的成巖變化：1)由早期較細(xì)的白云巖改造成相對(duì)較粗的白云巖；2)第一期溶蝕孔形成；3)第一期溶蝕孔被方解石充填；4)第二期溶蝕作用發(fā)生，對(duì)白云巖及第一期溶孔中的方解石產(chǎn)生溶蝕，形成第二期溶孔；5)有機(jī)質(zhì)注入孔隙。

3.2 團(tuán)簇同位素結(jié)果

基質(zhì)白云石(孔隙發(fā)育)的Δ47值介于0.513‰～0.581‰(平均值為0.536‰，樣品數(shù)n=5)，形成溫度T(Δ47)為71～113 ℃(平均值為99 ℃，n=5)，δ13Ccarb(VPDB)值分布范圍為-2.10‰～0.88‰(平均值為0.58‰，n=5)，碳酸鹽δ18Ocarb(VPDB)值分布范圍為-9.28‰～-3.73‰(平均值為-5.69‰，n=5)，流體δ18Ow(SMOW)值分布范圍為+1.81‰～+8.95‰(平均值為+5.36‰，n=5)；孔洞內(nèi)充填碳酸鹽的Δ47值介于0.472‰～0.573‰，T(Δ47)為75～147 ℃，δ13Ccarb(VPDB)值范圍為-2.31‰～-1.69‰，碳酸鹽δ18Ocarb(VPDB)值范圍為-12.01‰～-3.32‰，流體δ18Ow(SMOW)值范圍為+4.79‰～+8.80‰；裂縫內(nèi)充填碳酸鹽的Δ47值介于0.488‰～0.585‰，T(Δ47)為69～133 ℃，δ13Ccarb(VPDB)值范圍為-3.20‰～-1.35‰，碳酸鹽δ18Ocarb(VPDB)值范圍為-9.10‰～-3.13‰，流體δ18Ow(SMOW)值范圍為+4.04‰～+9.42‰。分析結(jié)果詳見圖6和表1。

圖5 塔中地區(qū)下奧陶統(tǒng)鷹山組白云巖掃描電鏡背散射下微觀特征Fig.5 Back-scattered-electron images of dolomite from the Lower Ordovician Yingshan Formation in Tazhong area a，b.樣品ZG9-8，中晶白云巖，白云石溶孔發(fā)育，埋深6 267.90 m；c.樣品ZG46-3H-6，細(xì)晶白云巖，孔隙發(fā)育，部分孔內(nèi)方解石充填，去云化作用，埋深5 595.90 m；d.樣品TZ12-3，粉晶白云巖，多數(shù)孔隙被方解石充填，埋深5 297.90 m；e.樣品ZG9-7，細(xì)晶云巖，孔隙內(nèi)方解石充填， 埋深6 262.20 m；f.圖e中硫的能譜

圖6 塔中地區(qū)下奧陶統(tǒng)鷹山組白云巖團(tuán)簇同位素?cái)?shù)據(jù)Fig.6 Data of the clumped isotopes of dolomite from the Lower Ordovician Yingshan Formation in Tazhong areaa.礦物碳、氧同位素值分布，其中黑色部分為微鉆取樣傳統(tǒng)方法所測碳、氧同位素值，彩色部分為團(tuán)簇同位素測試數(shù)據(jù)； b.團(tuán)簇同位素形成溫度T(Δ47)與古流體δ18Ow值的關(guān)系

表1 塔中地區(qū)下奧陶統(tǒng)鷹山組白云巖團(tuán)簇同位素分析結(jié)果
Table 1 Clumped isotopic data of dolomite from the Lower Ordovician Yingshan Formation in Tazhong area

井號(hào)樣品號(hào)深度/m巖石類型產(chǎn)狀δ13C(VPDB)/‰δ18O(VPDB)/‰Δ47/‰δ18Ow(SMOW)/‰T/℃ZG9ZG9-26 261.62中-粗晶白云巖基質(zhì)白云石(孔隙發(fā)育)0.88-5.390.5425.19940.77-5.590.5811.81710.83-5.490.5623.5083ZG512ZG512-55 587.94粉晶中-細(xì)晶云巖基質(zhì)白云石(孔隙發(fā)育)-2.10-3.730.5168.95111裂縫內(nèi)充填方解石-3.20-9.100.4889.42 133ZG512ZG512-65 588.51中-粗晶云巖基質(zhì)白云石(孔隙發(fā)育)-1.39-9.280.5272.39104孔洞內(nèi)充填方解石-2.31-12.010.4727.93147ZG512ZG512-75 589.66粉-細(xì)晶云巖孔洞內(nèi)充填白云石-1.69-3.930.5158.80112ZG512ZG512-85 589.77粉-細(xì)晶云巖基質(zhì)白云石(孔隙發(fā)育)-1.07-4.440.5138.46113孔洞內(nèi)充填白云石-1.91-3.320.5734.7975ZG503ZG503-16 060.40灰質(zhì)云巖裂縫內(nèi)充填方解石-2.04-9.030.4929.13130TZ12TZ12-35 297.90粉晶白云巖裂縫內(nèi)充填方解石-1.35-3.130.5854.0469

其中，Δ47值轉(zhuǎn)換為形成溫度使用Staudigel等[61]的公式(1)；δ18Ow值根據(jù)Horita等[62]建立的公式(2)和公式(3)，利用碳酸鹽的形成溫度和δ18Ocarb值，得到白云石的δ18Ow值。

(1)

3.14(±0.11)

(2)

(3)

式中:Δ47為碳酸鹽團(tuán)簇同位素值，‰；T為碳酸鹽的形成溫度，K，T=T(Δ47)(℃)+273.15；αdolomite-water為氧同位素分餾系數(shù)，無量綱；δ18Ocarb為碳酸鹽氧同位素值，‰；δ18Ow為流體氧同位素值，‰。

3.3 傳統(tǒng)碳、氧同位素

基質(zhì)白云石(致密)的δ18Ocarb(VPDB)值分布范圍為-5.80‰～-3.50‰(平均值為-4.47‰，n=4)，δ13Ccarb(VPDB)值分布范圍為-1.93‰～0.89‰(平均值為-1.05‰，n=4)；基質(zhì)白云石(孔隙發(fā)育)的δ18Ocarb(VPDB)值范圍為-8.37‰～-4.51‰(平均值為-6.35‰，n=5)，δ13Ccarb(VPDB)值范圍為-2.04‰～0.40‰(平均值為-1.07‰，n=5)；孔洞內(nèi)充填碳酸鹽膠結(jié)物的δ18Ocarb(VPDB)值范圍為-17.38‰～5.84‰(平均值為-10.71‰，n=9)，δ13Ccarb(VPDB)值范圍為-3.57‰～-1.33‰(平均值為-2.40‰，n=9)；裂縫內(nèi)充填碳酸鹽膠結(jié)物的δ18Ocarb(VPDB)值范圍為-13.07‰～-6.14‰(平均值為-9.39‰，n=11)，δ13Ccarb(VPDB)值范圍為-3.35‰～-1.46‰(平均值為-2.59‰，n=11)。分析結(jié)果詳見表2和圖6。

4 討論

4.1 重排

對(duì)于古老碳酸鹽巖樣品，碳酸鹽礦物在后期高溫過程中，13C-18O鍵可能發(fā)生固態(tài)重排，從而導(dǎo)致根據(jù)Δ47值獲得的形成溫度T(Δ47)和沉淀流體的δ18Ow值不能代表礦物原始生長時(shí)期的信息，制約了經(jīng)歷深埋藏演化的碳酸鹽巖早期成巖流體的恢復(fù)[63-64]。前人研究表明，對(duì)于溫度小于300 ℃的白云巖樣品能夠抵抗固態(tài)鍵的重排[65]。結(jié)合區(qū)域埋藏史曲線(圖7)，研究區(qū)下奧陶統(tǒng)鷹山組經(jīng)歷的最大埋深時(shí)溫度為140 ℃，該溫度遠(yuǎn)低于白云石發(fā)生重排的溫度。此外，由于δ18Ow值依賴于溫度，重排會(huì)引起溫度和δ18Ow值之間的正相關(guān)性，而研究區(qū)樣品團(tuán)簇同位素Δ47值獲得的T(Δ47)和δ18Ow值之間沒有明顯相關(guān)性(圖6)，這也進(jìn)一步說明測試的數(shù)據(jù)可以記錄當(dāng)時(shí)的成巖流體信息。

方解石抵抗重排溫度比白云石低，為100 ℃[64]。判斷其是否重排有兩個(gè)指標(biāo)：一是看樣品隨著深度變化溫度是否增加；二是樣品團(tuán)簇溫度和其他地化參數(shù)(礦物碳、氧同位素和微量元素等)之間有無相關(guān)性。本次團(tuán)簇同位素測試的方解石樣品的深度分別為5 587.94，5 588.51和6 060.40 m，對(duì)應(yīng)的溫度分別為133，147和130 ℃，并未呈現(xiàn)溫度隨深度增加而增加的趨勢(shì)。且團(tuán)簇溫度和礦物碳、氧同位素之間存在一定相關(guān)性，亦說明方解石數(shù)據(jù)沒有受到重排影響，因此其數(shù)據(jù)記錄可以代表當(dāng)時(shí)成巖流體信息。

表2 塔中地區(qū)下奧陶統(tǒng)鷹山組白云巖碳、氧同位素測試結(jié)果Table 2 Carbon and oxygen isotopic data of dolomite from the Lower Ordovician Yingshan Formation in Tazhong area

4.2 流體性質(zhì)及演化

Veizer等[66]通過統(tǒng)計(jì)全球的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)認(rèn)為，早奧陶世海相碳酸鹽巖的δ18Ocarb(VPDB)值為-8‰～-6‰，δ13Ccarb(VPDB)值為-2‰～0。Henkes等[10]通過團(tuán)簇同位素恢復(fù)的早奧陶世全球海水的δ18Oseawater(SMOW)值在-2‰～+2‰。碳酸鹽氧同位素組成既受碳酸鹽沉淀時(shí)水體氧同位素組成的影響，又受溫度的控制[67]，這使得基于礦物的δ18Ocarb分析流體性質(zhì)時(shí)具有多解性。碳酸鹽的孔洞和裂縫內(nèi)充填碳酸鹽的碳、氧同位素分布范圍較寬，δ18Ocarb(VPDB)值為-17.38‰～-5.84‰，δ13Ccarb(VPDB)值為-3.57‰～-1.33‰，揭示了多期次流體活動(dòng)的疊加改造。

團(tuán)簇同位素研究結(jié)果顯示，云巖全巖形成溫度T(Δ47)在71～113 ℃，流體氧同位素(δ18Ow，SMOW)值的分布范圍為+1.81‰～+8.95‰。其中，樣品ZG9-2溫度為71 ℃，δ18Ow(SMOW)值為+1.81‰，與海水值接近，可能為海水成因。其他全巖樣品T(Δ47)為94～113 ℃，δ18Ow(SMOW)值分布在+5.19‰～+8.95‰，為埋藏環(huán)境鹵水流體。巖礦分析和背散射掃描電鏡分析顯示，白云巖部分發(fā)育有交代作用(圖5c,d)，這也解釋了全巖具有比較高的溫度。樣品ZG512-6孔隙發(fā)育處的基質(zhì)云巖表現(xiàn)為異常趨勢(shì)，其溫度值較高，但是δ18Ow值卻變小，可能反應(yīng)為高的水/巖比開放體系(例如，流體緩沖)或者混入了18O虧損的大氣水。膠結(jié)物沉淀在可能有大氣淡水流體參與的埋藏環(huán)境中，也可能發(fā)生在抬升過程中。碳酸鹽碳同位素δ13Ccarb值普遍偏負(fù)，指示可能受到大氣水影響。

孔洞內(nèi)充填物和裂縫內(nèi)充填物分析結(jié)果揭示了3期流體活動(dòng)。第一期流體的T(Δ47)分布范圍為69～94 ℃，δ18Ow(SMOW)值分布范圍為+1.81‰～+5.19‰，流體形成在低-中等的溫度，其δ18Ow(SMOW)值總體高于當(dāng)時(shí)海水的δ18Ow值，反映為淺-中埋藏環(huán)境下改造的海水。

圖7 塔中地區(qū)TZ12井埋藏史曲線Fig.7 Burial history diagrams of Well TZ12 in Tazhong area

第二期流體的T(Δ47)為111～113 ℃，δ18Ow(SMOW)值為+8.46‰～+8.95‰。與第一期流體相比，第二期流體展示了更高的溫度和更富集的δ18Ow。從第一期流體的中-低溫、低δ18Ow值到第二期流體升高的溫度和高δ18Ow值，很可能反映了深埋過程中礦物的重結(jié)晶作用。這些埋藏環(huán)境表現(xiàn)特征為隨著低的水/巖比(W/R)，由于水-巖相互作用，流體的δ18Ow值增加[68]。有機(jī)質(zhì)成巖過程中釋放的有機(jī)酸是一種重要的溶蝕性流體。塔中地區(qū)白云巖中普遍可見白云巖溶孔內(nèi)和縫合線內(nèi)充填瀝青等有機(jī)質(zhì)(圖4b)，因此伴隨生、排烴的有機(jī)酸可能是溶孔形成的一種流體來源。此外，在ZG9井中可見硫充填于溶蝕孔內(nèi)(圖5e,f)，硫的發(fā)育可能暗示了硫酸鹽熱化學(xué)還原作用(TSR)是存在的。較低的碳同位素值說明，這期流體活動(dòng)可能與TSR作用有關(guān)。前人研究表明，在ZG9井區(qū)附近可能發(fā)生TSR作用[51,69]，發(fā)生TSR作用的白云巖井段儲(chǔ)層物性較好，對(duì)深埋儲(chǔ)層的改善具有促進(jìn)作用。

第三期流體裂縫內(nèi)和孔洞內(nèi)充填方解石的T(Δ47)為130～147 ℃，δ18Ow(SMOW)值為+7.93‰～+9.42‰，為高溫?zé)猁u水。測試分析的ZG512和ZG503井位于志留紀(jì)—泥盆紀(jì)北東向走滑斷裂帶附近(圖1)，根據(jù)埋藏史曲線(圖7)，這期斷裂活動(dòng)時(shí)地溫低于80 ℃，而斷裂內(nèi)充填物的團(tuán)簇同位素T(Δ47)大于130 ℃。根據(jù)定義，熱流體是指其形成的流體溫度明顯高于環(huán)境流體溫度(至少>5 ℃)的外部流體[70]，因此推測該期流體活動(dòng)受到了熱流體活動(dòng)的影響。該期流體活動(dòng)沿著斷裂發(fā)育，且伴隨鞍狀白云石發(fā)育，如ZG512井白云巖中發(fā)育鞍狀白云石，并且鞍狀白云石以孔洞充填物產(chǎn)出(圖4c,d)。前人研究表明，鞍狀白云石多形成于溫度高的熱流體環(huán)境中[71-72]，被普遍認(rèn)為是熱流體作用的標(biāo)型礦物。研究區(qū)鞍狀白云石發(fā)育井多在北東向斷裂帶附近。

第三期流體T(Δ47)比第二期流體高20～30 ℃，雖然第三期流體氧同位素與第二期流體氧同位素接近，但是第三期流體的礦物氧同位素明顯偏負(fù)(圖6a)。且流體包裹體分析顯示，裂縫內(nèi)充填方解石與白云石相比，具有更高的溫度(120～150 ℃)和鹽度(NaCl重量百分?jǐn)?shù)為17.5%～25.0%)[51]。結(jié)合前人研究發(fā)現(xiàn)，熱流體活動(dòng)在塔中地區(qū)發(fā)育[40,48-50]，綜合分析認(rèn)為第三期流體可能為熱流體活動(dòng)。樣品ZG512-6孔洞內(nèi)充填方解石T(Δ47)為147 ℃，大于地層經(jīng)歷最大埋深時(shí)溫度(140 ℃)，因此亦反映可能受到了熱流體活動(dòng)影響。

因此，早期白云巖在深埋藏過程中受埋藏重結(jié)晶和構(gòu)造-熱流體白云石化的影響，形成細(xì)晶-粗晶他形白云巖和縫洞鞍狀白云石充填物，該階段白云石化流體主要來自于地層內(nèi)封存的海源流體，部分來自于深部熱流體。

4.3 對(duì)儲(chǔ)層影響

塔中地區(qū)下奧陶統(tǒng)鷹山組隨著地層埋深增加，白云石含量增多，從鷹二下亞段云質(zhì)含量的40%，到鷹三段云質(zhì)含量可到95%。顯微結(jié)構(gòu)與巖石物性分析表明，這種過渡巖類中經(jīng)過埋藏溶蝕和熱流體活動(dòng)改造的云巖儲(chǔ)層物性明顯變好。以ZG442H井為例，與成巖改造較弱的云巖和相鄰灰?guī)r段相比，其云巖儲(chǔ)層孔隙度可以增加4%(圖8)。

巖心和薄片觀察分析表明，塔中地區(qū)下奧陶統(tǒng)鷹山組白云巖發(fā)育厚層白云巖及優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，儲(chǔ)集空間主要為白云石晶間溶孔和溶蝕孔洞。白云巖的溶蝕作用存在多期性。從目前的分析看，至少存在兩期溶蝕作用，形成兩期溶蝕孔隙。其中，第一期溶孔普遍被方解石膠結(jié)物完全充填；而第二期溶蝕作用不僅在白云石晶體間形成新的溶蝕孔，也對(duì)第一期溶孔內(nèi)充填的方解石發(fā)生了溶蝕(圖5c)，第二期溶蝕作用形成的溶蝕孔普遍保存較好，并且普遍可見瀝青質(zhì)對(duì)溶孔的充填(圖4a,b)。前人的研究表明，油氣的充注對(duì)于膠結(jié)作用具有一定的抑制作用，第二期溶孔內(nèi)的瀝青質(zhì)充填可能也是孔隙保存下來的重要原因之一。因此，塔中地區(qū)下奧陶統(tǒng)鷹山組白云巖溶蝕孔洞型儲(chǔ)層主要為早期孔隙經(jīng)歷埋藏溶蝕作用形成，局部疊加熱流體活動(dòng)改造。埋藏溶蝕作用和斷裂帶附近的熱流體活動(dòng)疊加是鷹山組白云巖儲(chǔ)層發(fā)育的主要建設(shè)性成巖作用。

5 結(jié)論

1)塔中地區(qū)下奧陶統(tǒng)鷹山組主要發(fā)育粉晶、細(xì)晶、中晶、粗晶和鞍狀5種白云巖。結(jié)合巖石學(xué)和團(tuán)簇同位素體數(shù)據(jù)，孔隙發(fā)育處的粉-細(xì)晶云巖形成于淺-深埋藏環(huán)境，形成溫度T(Δ47)為71～113 ℃，δ18Ow(SMOW)值分布范圍為+1.81‰～+8.95‰，成巖流體為海水-鹵水；孔洞內(nèi)的膠結(jié)物為細(xì)-中晶、粗晶白云石，局部為鞍狀白云石，T(Δ47)范圍較大(75～147 ℃)，形成于淺-中埋藏和深埋藏環(huán)境，δ18Ow(SMOW)值為+4.79‰～+8.80‰，主要來源于孔隙內(nèi)的殘余海水，局部可能受到熱流體改造；裂縫內(nèi)的膠結(jié)物主要為細(xì)-中晶和鞍狀白云石，T(Δ47)為69～133 ℃，δ18Ow(SMOW)值為+4.04‰～+9.42‰，成巖流體為熱鹵水，熱流體活動(dòng)明顯。

2)塔中地區(qū)下奧陶統(tǒng)白云巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間主要為晶間溶孔和溶蝕孔洞。儲(chǔ)層發(fā)育與埋藏溶蝕和熱流體活動(dòng)關(guān)系密切，也可能受到大氣水巖溶作用的疊加改造?；以茙r過渡巖類里經(jīng)過埋藏溶蝕作用和熱流體活動(dòng)改造的白云巖段孔隙有明顯增加，是下一步深層油氣勘探的潛在優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層。

圖8 塔中地區(qū)下奧陶統(tǒng)鷹山組云巖段和灰?guī)r段孔隙度差異對(duì)比Fig.8 Comparison of porosity differences between dolomite and limestone from the Lower Ordovician Yingshan Formation in Tazhong areaa.巖性垂向分布；b.不同成巖改造云巖和相鄰灰?guī)r孔隙度統(tǒng)計(jì)

3)相比傳統(tǒng)同位素在流體性質(zhì)解析時(shí)的多解性和流體包裹體溫度分析時(shí)的不確定性，團(tuán)簇同位素應(yīng)用于古老碳酸鹽研究時(shí)可提供過去環(huán)境的溫度和流體信息，為深埋白云巖儲(chǔ)層的成巖流體活動(dòng)演化提供有用的見解，對(duì)于研究儲(chǔ)層成因機(jī)理具有重要意義。