川西地區(qū)雷口坡組成巖流體期次及其來源

陳智遠，孟憲武，宋曉波，郝曉波，隆 軻

（1.中國石化西南油氣分公司博士后科研工作站，四川成都 610041；2.中國石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院，四川成都 610041；3.中國石油西部鉆探工程有限公司試油公司，新疆克拉瑪依 834000）

近年來，在川西地區(qū)雷口坡組取得了較為顯著的勘探成果，相繼在新場構造帶、龍門山前構造帶和廣漢斜坡帶馬井地區(qū)獲得了重大勘探突破，多口鉆井獲得了工業(yè)性氣流，證實了蒸發(fā)潮坪相（藻云坪、云坪）碳酸鹽巖同樣具有良好的勘探潛力［1-4］。當前對川西地區(qū)雷口坡組的研究多側重于沉積相展布及層序地層劃分［5］、儲層特征及其主控因素分析等領域［6］，但是對雷口坡組成巖流體期次、地化特征及其來源等問題研究并不深入，這就很大程度上制約了儲層的相關研究。礦物流體包裹體和穩(wěn)定同位素（碳、氧和鍶）蘊含了豐富的成巖、成礦流體信息，不僅能夠判斷成巖流體的成分，而且能夠作為流體示蹤劑用于古環(huán)境恢復、成巖流體來源和油氣運移期次等方面的研究［7-8］。

川西地區(qū)經歷了多期構造運動，成巖流體十分復雜，充填于巖石孔隙和裂縫中的礦物可以很好地記錄下不同地質歷史時期的成巖流體活動。因此，基于對川西地區(qū)雷口坡組鏡下巖石薄片、陰極發(fā)光的精細觀察，利用礦物流體包裹體和穩(wěn)定同位素（碳、氧和鍶）等地化分析資料，明確成巖流體的期次、地化特征及其來源，以期為川西地區(qū)雷口坡組下一步油氣勘探提供依據。

1 區(qū)域地質概況

川西地區(qū)位于四川盆地西部川西斷褶構造帶，其西部緊鄰龍門山斷裂帶，東部與川北構造帶和川中平緩褶皺帶相接（圖1），面積約為1.057×104km2。川西地區(qū)整體上形成了兩大隆起（龍門山前構造帶和新場構造帶）、兩大凹陷（成都凹陷和綿竹凹陷）以及兩大斜坡（廣漢斜坡和綿陽斜坡）的構造格局，經歷了包括海西期、印支期、燕山期和喜馬拉雅期在內的多期構造運動，在研究區(qū)西部形成了關口斷裂和彭縣斷裂，東部則形成了知新場斷裂、石泉場斷裂及龍泉山斷裂（圖1）。

川西地區(qū)雷口坡組形成于上揚子海域閉塞—半閉塞沉積環(huán)境，主要以臺地邊緣-局限臺地-蒸發(fā)臺地沉積為主。橫向上，以串珠狀形式發(fā)育臺緣淺灘和臺內灘；縱向上，以潟湖、間歇性干化潟湖和膏巖湖等不同沉積亞相形成多個旋回［9-10］。本次研究的重點層位為雷口坡組四段（雷四段，T2l4），其上部主要發(fā)育淺灰、灰色粉晶（藻團塊）白云巖和砂屑白云巖；下部則為灰色微晶白云巖、泥晶白云巖與灰色硬石膏不等厚互層。

2 巖石學特征與礦物充填序列

2.1 巖石學特征

川西地區(qū)雷四段碳酸鹽巖巖石類型豐富多樣，鏡下巖石薄片觀察結果（圖2）表明，主要發(fā)育灰?guī)r和白云巖兩大巖石類型，其中白云巖類是川西地區(qū)雷四段最為重要的儲層巖石類型，以微-粉晶白云巖（圖2a）、細-中晶白云巖（圖2b）、微晶藻白云巖（圖2c）、粉晶砂（礫）屑白云巖（圖2d）、微晶灰質白云巖（圖2e）以及鳥眼狀含膏質泥晶藻白云巖為主（圖2f）?；|白云巖中普遍可見孔隙、裂縫發(fā)育，常被不同期次的方解石、白云石等礦物半-全充填，豐富的充填礦物是研究成巖流體來源的重要基礎。

圖1 川西地區(qū)區(qū)域位置與構造區(qū)劃Fig.1 Regional location and tectonic division of Western Sichuan Basin

2.2 礦物充填序列

川西地區(qū)雷四段孔隙和裂縫中蘊含著豐富的充填礦物，表明該層段經歷了復雜的流體活動，基于充填礦物晶粒的大小，將礦物分為以下4 類：微-粉晶礦物（粒徑為50～100 μm）、細晶礦物（粒徑為100～250 μm）、中晶礦物（粒徑為250～500 μm）和粗晶礦物（粒徑為500～1 000 μm）［11-12］。通過對川西地區(qū)雷四段孔隙和裂縫中充填礦物的薄片觀察發(fā)現，白云石和方解石在鏡下以及陰極發(fā)光下具有不同的特征（圖3a，3b），細粒白云石主要發(fā)暗紅色光，而方解石則發(fā)暗褐色光或不發(fā)光（圖3b）。

圖2 川西地區(qū)雷四段微觀巖石學特征Fig.2 Micro-petrological characteristics of T2l4，Western Sichuan Basin

圖3 川西地區(qū)雷四段孔隙和裂縫礦物充填序列Fig.3 Filling sequence of minerals in pores and fractures in T2l4，Western Sichuan Basin

川西地區(qū)雷四段巖心中孔隙和裂縫較為發(fā)育，礦物充填程度較高，以Z1井和Y1井為例，來說明研究區(qū)雷四段礦物充填序列。

Z1 井樣品基質巖性為灰色粉晶白云巖，孔隙中可見多期礦物充填現象（圖3c），孔隙邊緣主要發(fā)育微-粉晶等厚環(huán)邊白云石和微-粉晶方解石，其后發(fā)育細晶白云石和方解石，晶型較前者變大，向孔隙中心方向發(fā)育中晶白云石和方解石，晶型最大。

Y1井樣品基質巖性為藻砂屑白云巖，可見裂縫發(fā)育，且被白云石和方解石等礦物充填（圖3d），裂縫邊緣主要發(fā)育微-粉晶白云石和微-粉晶方解石，向裂縫中心方向礦物晶型變大，主要發(fā)育細晶白云石和細晶方解石，再向中心方向晶型繼續(xù)變大，主要發(fā)育中晶白云石。該樣品也可見晚期方解石被白云石交代，發(fā)育嵌晶白云石（圖3d）。

綜合鏡下薄片和陰極發(fā)光的觀察結果，認為川西地區(qū)雷四段儲層孔隙、裂縫中礦物充填序列具有相似的特征，其完整的礦物充填序列為：第Ⅰ期微-粉晶白云石和方解石、第Ⅱ期細晶白云石和方解石、第Ⅲ期中晶白云石和方解石及嵌晶白云石。

3 成巖流體捕獲時間

流體包裹體是礦物形成過程中，使正在形成或形成后的礦物產生各種缺陷，介質被礦物圈閉于這些缺陷中而保留、保存下來的地質流體，是地質歷史時期原始成巖成礦溶液的代表，其中包含了豐富的成巖流體信息，也是含油氣盆地中被用來研究成巖流體期次、來源和歷史的手段之一［13-15］。

通過對川西地區(qū)雷四段儲層流體包裹體鏡下觀察可知，孔隙和裂縫中不同粒級充填礦物均捕獲了包裹體，其主要賦存于微-粉晶白云石和方解石、細晶白云石和方解石、中晶白云石和方解石礦物表面或內部、晶粒裂隙中等；川西地區(qū)包裹體多以鹽水包裹體為主，其大小分布不均，直徑主要為3～12 μm，形態(tài)主要為圓、橢圓、長條及不規(guī)則狀，多成群成帶或與純氣相鹽水包裹體共生分布（圖4，表1）。結合包裹體均一溫度、冰點溫度及鹽度分析，進一步證明了川西地區(qū)雷四段礦物分為3期，3期礦物捕獲的包裹體對應的均一溫度分別為65～115，125～175和180～210 ℃（表1，圖5）。

流體包裹體均一溫度結合區(qū)域埋藏和熱演化史可用來確定成巖流體的捕獲時間［16］。根據區(qū)域地層分層數據、抬升剝蝕厚度和鏡質組反射率等資料，建立川西地區(qū)埋藏-熱演化史，結合包裹體均一溫度分布特征，可明確川西地區(qū)雷四段成巖流體的捕獲時間（圖6）：第Ⅰ期成巖流體的捕獲溫度為65～115 ℃，相當于晚三疊世早—晚期（距今232～214 Ma）；第Ⅱ期成巖流體的捕獲溫度為125～175 ℃，相當于晚三疊世末期—晚侏羅世末期（距今212～145 Ma）；第Ⅲ期成巖流體的捕獲溫度為180～210 ℃，相當于早白堊世—晚白堊世末期（距今142～70 Ma）（圖6）。

圖4 川西地區(qū)雷四段流體包裹體鏡下特征Fig.4 Microscopic characteristics of fluid inclusions in T2l4，Western Sichuan Basin

表1 不同期次礦物中流體包裹體信息綜合統計結果Table1 Statistical results of fluid inclusions in different mineral sequestrations

圖5 川西地區(qū)雷四段流體包裹體均一溫度分布Fig.5 Temperature distributionhistogram offluid inclusions in T2l4，WesternSichuanBasin

4 成巖流體來源

4.1 碳氧同位素特征

碳酸鹽巖中碳氧同位素組成可以反映成巖流體的信息，其主要受控于溫度、海平面升降、元素來源、埋藏速率及氧化-還原條件等因素［17］。沉積環(huán)境及后期成巖流體的作用，同樣可引起巖石、充填礦物同位素的變化，因此，碳氧同位素組成可以很好地反映成巖流體變化。DERRY等研究指出，碳同位素較為穩(wěn)定，δ13C 不易受溫度的影響，能夠較為客觀地反映原始基質的特征；而δ18O受溫度影響較大，也同樣受到成巖流體的影響［18］。DEINES 等研究認為，不同來源的成巖礦物，碳氧同位素組成具有明顯的差異性，海相碳酸鹽巖δ13CV-PDB主要為-5‰～5‰，δ18OV-SMOW主要為10‰～30‰；地幔深部流體δ13CV-PDB主要為-9‰～-3‰，δ18OV-SMOW主要為5.5‰～9.0‰；大氣淡水δ13CV-PDB主要為-30‰～-20‰，δ18OV-SMOW多小于0［19-21］。

由圖7 可見，川西地區(qū)雷四段基質白云巖和孔縫充填物δ13CV-PDB主要為-2.77‰～5.62‰，δ18OV-PDB主要為-9.67‰～-0.75‰，數據絕大部分落在海相碳酸鹽巖沉積區(qū)間，說明川西地區(qū)雷四段具有正常海相碳酸鹽巖沉積的地化特征，成巖礦物和流體來源于海相碳酸鹽巖的無機成分，排除了地幔深部流體和大氣淡水等因素的影響。此外，雷四段有少數基質白云巖、孔縫充填物樣品的δ13CV-PDB小于0，可能與有機質熱演化過程中帶來的有機酸有關［22］，從而導致碳同位素偏負值。

4.2 鍶同位素特征

圖6 川西地區(qū)雷四段埋藏和熱演化史及成巖流體捕獲時間Fig.6 Burial and thermal evolution history and capture time of diagenetic fluid in T2l4，Western Sichuan Basin

圖7 川西地區(qū)雷四段基質白云巖和孔縫充填物碳氧同位素分布（據文獻［19-21］修改）Fig.7 δ13C and δ18O of matrix dolomite and pore fillings in T2l4，Western Sichuan Basin（Modified according to References［19-21］）

鍶同位素（87Sr）是由87Rb衰變而來，其形成具有不可逆性，并且該同位素性質非常穩(wěn)定，因此，可以作為判斷成巖流體來源的重要參數，海水中鍶同位素的組成主要受控于陸源富鍶流體和幔源貧鍶流體，87Sr/86Sr 是兩種鍶來源共同作用的結果，而沉積環(huán)境的差異也是影響碳酸鹽巖87Sr/86Sr 組成的重要原因［23］。目前為止，地史中的鍶同位素組成及其演化資料較為豐富，從前寒武紀到第四紀均被完整覆蓋［24］。

將川西地區(qū)雷四段基質白云巖和孔縫充填物的鍶同位素投到下三疊統嘉陵江組—上三疊統須家河組87Sr/86Sr演化曲線上，全球范圍內雷四段沉積時期正常海水87Sr/86Sr 值主要為0.707 602～0.707 629，而川西地區(qū)雷四段幾乎所有基質白云巖和孔縫充填物樣品87Sr/86Sr 值均高于該時期的正常海水范圍（圖8）。出現87Sr/86Sr 高值的原因主要為：①沉積時期海平面下降。②成巖期地表淡水富鍶流體的滲入。③相鄰層位富鍶流體的跨層流動。④處于封閉且蒸發(fā)較強的沉積環(huán)境［17］。

圖8 川西地區(qū)雷四段基質白云巖和孔縫充填物鍶同位素分布（據MCARTHUR等［24］修改）Fig.8 Distribution of 87Sr/86 Sr of matrix dolomite and pore fillings in T2l4，Western Sichuan Basin（Modified according to MCARTHUR et al［24］）

據前人研究可知，整體上，雷三段沉積晚期—雷四段沉積晚期，川西地區(qū)海平面處于上升階段，從膏巖湖逐漸過渡到蒸發(fā)潮坪沉積［25］，因此沉積時期海平面上升并非是造成該區(qū)雷四段87Sr/86Sr 高值的原因。此外，前已述及，碳氧同位素組成表明成巖流體并非來源于地表大氣淡水，因此排除了地表富鍶淡水的影響。另外，川西地區(qū)雷四段87Sr/86Sr高值與下伏雷三段—雷一段、嘉陵江組沉積時期以及上覆馬鞍塘組—小塘子組、須家河組沉積時期海水的87Sr/86Sr分布范圍具有明顯差異，因此也排除了相鄰層位富鍶流體跨層流動的影響（圖8）。

川西地區(qū)在中三疊世雷口坡組沉積時期，受造山運動構造擠壓的影響，在臺內形成了潟湖、咸化鹽湖發(fā)育的基底，川西地區(qū)雷四段沉積時期主要發(fā)育潟湖、間歇性干化潟湖、膏巖湖等沉積亞相，此外，伽馬蠟烷和碳氧同位素特征等研究資料也表明，川西地區(qū)雷口坡組沉積時期處于較為封閉、咸化、鹽度較高的蒸發(fā)環(huán)境中［9，26］，進而可以推斷出川西地區(qū)雷四段基質白云石、孔縫充填物87Sr/86Sr高值是由于沉積時期海水蒸發(fā)濃縮、處于相對封閉的沉積環(huán)境所致。

5 成巖流體侵入模式

圖9 川西地區(qū)雷四段成巖流體侵入模式Fig.9 Intrusion models of diagenetic fluid in T2l4，Western Sichuan Basin

如圖9所示，雷四段沉積時期，川西地區(qū)整體表現為蒸發(fā)潮坪環(huán)境，在此背景下，海水被特大潮汐或風暴潮帶到炎熱的潮上帶，在毛細管濃縮作用下，海水漸進蒸發(fā)、濃縮，鹽度增大，在同生-準同生期，這種高鹽度濃縮海水下沉進入早期形成的孔縫系統中，從而成為早期成巖流體的來源之一。此外，在潮間帶靠海一側和海平面以下，當海水循環(huán)受限，且蒸發(fā)背景較強時，海水鹽度和比重升高，流體通過早期未固結或滲透性較好的沉積物發(fā)生滲透回流作用，進入早期形成的孔縫系統中，這是早期成巖流體的另一來源。

進入埋藏期后，早期保存于孔隙中的高鹽度封存海水（鹵水）在上覆巖層的壓實作用下釋放，流體沿早期孔隙或成巖縫運移，進入目的層附近滲透性較好的儲集體中，成為晚期成巖流體的來源（圖9）。

綜上所述，川西地區(qū)雷四段87Sr/86Sr高值是蒸發(fā)潮坪環(huán)境下同生-準同生期毛細管濃縮作用、滲透回流作用以及埋藏期封存海水釋放作用的流體侵入所致。

6 結論

川西地區(qū)雷四段礦物充填序列復雜，雷四段儲層孔隙和裂縫中礦物充填序列具有相似特征，其完整的礦物充填序列為：第Ⅰ期微-粉晶白云石和方解石、第Ⅱ期細晶白云石和方解石以及第Ⅲ期中晶白云石、方解石和嵌晶白云石。

流體包裹體分析結果顯示，川西地區(qū)雷四段成巖流體同樣分為3期。研究區(qū)雷四段基質白云巖與孔縫充填物碳、氧和鍶同位素分析結果表明，雷四段成巖流體并非來源于地幔流體、大氣淡水及相鄰層位流體，而是具有正常海相碳酸鹽巖的地化特征。

川西地區(qū)成巖流體來源復雜，通過沉積環(huán)境和成巖礦物地化特征綜合分析認為，川西地區(qū)雷四段87Sr/86Sr高值主要是由蒸發(fā)潮坪環(huán)境下同生-準同生期毛細管濃縮作用、滲透回流作用以及埋藏期封存海水釋放作用的流體侵入造成的。