塔里木盆地順北地區(qū)中下奧陶統(tǒng)硅質(zhì)巖特征及其成因

王昱翔， 顧 憶， 傅 強(qiáng)， 王 斌， 于曉東

(1.中國石化石油物探技術(shù)研究院， 南京 211100； 2.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院， 無錫石油地質(zhì)研究所， 無錫 214126； 3.同濟(jì)大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院， 上海 200092)

2013年中石化西北局部署的順南4井在鷹山組內(nèi)幕取得突破，揭示了鷹山組內(nèi)幕發(fā)育儲集性較好的硅質(zhì)巖儲層[1]，開拓了下古生界碳酸鹽巖勘探領(lǐng)域，預(yù)示了超深層碳酸鹽巖具備形成規(guī)模油藏的地質(zhì)條件[2-3]。硅質(zhì)巖作為一類特殊的沉積巖，其形成往往代表了特殊的沉積-成巖環(huán)境，隱含了特殊時期古氣候、古地理、古構(gòu)造、地質(zhì)流體、物源和成巖成礦等多種地質(zhì)信息，且特定環(huán)境下形成的硅質(zhì)巖經(jīng)常與礦藏伴生，因此，一直以來都備受廣大專家和學(xué)者的關(guān)注[4-6]。2015年，中石化部署在塔里木盆地順托果勒低隆北斜坡主干斷裂帶上的順北1井取得重大油氣突破，順北油田的發(fā)現(xiàn)直接推動了塔里木盆地勘探思路的轉(zhuǎn)變，目標(biāo)儲集體類型由風(fēng)化殼向深層巖溶領(lǐng)域不斷深入[7-8]。

順北地區(qū)的SP2井首次在第四回次鷹山組上段取心中發(fā)現(xiàn)硅質(zhì)巖發(fā)育層段，但與順南4井揭示的優(yōu)質(zhì)硅質(zhì)巖儲層不同，SP2井硅質(zhì)巖段巖心致密，儲集性能較差。許多專家學(xué)者認(rèn)為斷裂-裂縫體系是研究區(qū)最主要的儲集空間類型，針對斷裂帶開展了一系列研究[9-11]，對于斷裂特征、演化和成因的研究不斷深入[12-13]，但受限于取心資料的豐富程度和代表性，目前對于順北地區(qū)深層碳酸鹽巖儲集體微觀方面的認(rèn)識較為薄弱，制約了油氣的精細(xì)勘探進(jìn)程。為此，選取不同斷裂帶井區(qū)硅質(zhì)巖樣品，通過對不同井區(qū)硅質(zhì)巖的巖石學(xué)特征分析，針對不同產(chǎn)狀硅質(zhì)巖顆粒進(jìn)行微量元素、稀土元素和硅氧同位素地球化學(xué)特征分析，揭示硅質(zhì)巖中硅質(zhì)來源及其成因。研究成果有助于加深對順北地區(qū)儲集體成因的認(rèn)識，具有一定的理論價值和勘探指導(dǎo)意義。

1 油田概況

順北油田位于塔里木盆地的中西部，地理位置隸屬新疆維吾爾自治區(qū)阿瓦提縣和沙雅縣，構(gòu)造位置處于阿瓦提坳陷、沙雅隆起以及順托果勒低隆起的過渡部位(圖1)。

圖1 順北油田概況Fig.1 General situation of Shunbei Oilfield

隨著塔里木盆地勘探程度的不斷加深，目標(biāo)儲集體類型由古潛山-喀斯特-斷溶體逐步深入，呈現(xiàn)出“由表層向內(nèi)幕、由單一巖溶縫洞型向多類型復(fù)合、由隆起向斜坡”3個拓展趨勢[14-15]。2016年順北油田的發(fā)現(xiàn)，直接推動了中石化塔里木盆地勘探思路的轉(zhuǎn)變[16-19]，新型斷溶體油氣藏成為增儲上產(chǎn)的主要類型。目前順北地區(qū)勘探主要圍繞區(qū)域內(nèi)主干斷裂帶及其分支和次級斷裂帶部署井位，在順北1號帶、4號帶和5號帶斷裂帶相繼取得油氣突破，已建成年產(chǎn)100萬t原油生產(chǎn)能力，落實(shí)控制石油地質(zhì)儲量4 000萬t，拓展了新的勘探領(lǐng)域。

2 巖石學(xué)特征

通過對硅質(zhì)巖發(fā)育的SP2井、S2井和S5井近200余塊巖心及100余件薄片系統(tǒng)觀察，硅質(zhì)以灰黑色條帶狀、團(tuán)塊狀和灰白色條帶狀分布于灰?guī)r之間，條帶寬度可達(dá)2 cm，長度約20 cm，團(tuán)塊大小約100 mm×70 mm[圖2(a)]；硅質(zhì)團(tuán)塊最大30 mm×70 mm，平均25 mm×50 mm，與基質(zhì)灰?guī)r粒屑鑲嵌發(fā)育[圖2(b)]。巖心斷面局部可見生物碎屑，種類為貝殼類和介殼類[圖2(c)]，海綿骨針等硅質(zhì)生屑未見。貝殼類生屑放射狀條紋清晰可見，大小2 mm×5 mm～15 mm×15 mm，介殼類呈條狀，最長10 mm。但海綿骨針等硅質(zhì)生屑未見，推測順北地區(qū)硅質(zhì)巖并非生物成因。顯微鏡下觀察可見放射狀的玉髓和隱晶質(zhì)硅沿裂縫充填，見交代殘余顆粒結(jié)構(gòu)[圖2(d)]，陰極發(fā)光觀察表明硅質(zhì)基本不具備陰極發(fā)光[圖2(f)]。硅質(zhì)與圍巖接觸邊緣發(fā)育明顯的溶蝕作用，但整體以充填為主，未見明顯孔隙。硅化程度較強(qiáng)的巖心區(qū)域原巖結(jié)構(gòu)逐漸消失。

通過X射線衍射對6件硅質(zhì)巖樣品開展礦物組分定量分析，結(jié)果如表1所示，石英平均含量達(dá)85%以上，方解石約占6%、黏土約占3.5%，此外，還有少量的白云石等礦物成分。鏡下觀測表明硅質(zhì)不具備顆粒形態(tài)，呈連片斑狀富集[圖2(e)]，并非原始沉積構(gòu)造形成的硅質(zhì)結(jié)核狀分布。硅質(zhì)巖內(nèi)可見基質(zhì)孔隙但全部被瀝青充填，充填率100%，表明硅質(zhì)形成期與油氣充注期關(guān)系密切。

表1 SP2井硅質(zhì)巖X衍射測試分析表(N=6)Table 1 SP2 wells X-ray diffraction test and analysis table of siliceous rock(N=6)

3 測試分析

3.1 稀土元素

通過對SP2井和S2井26個硅質(zhì)巖樣品開展稀土元素測試，測試結(jié)果見表2。研究區(qū)硅質(zhì)巖樣品稀土元素含量非常低，分布區(qū)間0.057～2.018 μg/g，平均0.3 μg/g。稀土元素表現(xiàn)為輕稀土元素含量較高、重稀土含量較低的地化特征(圖3)。通過將稀土元素?cái)?shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，δEu分布區(qū)間0.67～3.64，平均1.48，δCe分布區(qū)間0.82～1.96，平均1.27，具有明顯的正Eu異常和正Ce異常，參考前人研究成果[20-21]，綜合分析認(rèn)為硅質(zhì)巖形成與深部熱液流體改造有關(guān)。

a.SP2井，鷹山組上段，7 536.00～7 536.24 m，砂屑泥晶灰?guī)r，見充填溶洞，洞長240 mm，洞寬繞巖心一周，內(nèi)部被垮塌灰?guī)r全充填，垮塌灰?guī)r粒屑最大30 mm×40 mm，呈棱角狀，洞邊緣見一條寬20 mm灰白色硅質(zhì)條帶；b.SP2井，鷹山組上段，7 536.10 m，砂屑泥晶灰?guī)r，可見溶蝕孔洞被灰色硅質(zhì)團(tuán)塊及瀝青充填；c.SP2井，一間房組，7 520.12 m，砂屑灰?guī)r，見少量貝殼類生屑，放射狀條紋清晰可見，最大約3 mm×4 mm；d. S1-7井，7357.11 m，O2yj，硅質(zhì)灰?guī)r，見殘余原巖結(jié)構(gòu)，單偏光，×10倍；e. S2井，7442.63 m，O2yj，硅質(zhì)灰?guī)r，硅質(zhì)呈斑塊狀富集，原巖 結(jié)構(gòu)消失；f. e對應(yīng)的陰極發(fā)光片，硅質(zhì)基本不發(fā)陰極發(fā)光，為不發(fā)光-昏暗色發(fā)光圖2 順北地區(qū)硅質(zhì)巖巖心及薄片照片F(xiàn)ig.2 Photographs of siliceous rock cores and thin sections in Shunbei Area

表2 塔里木盆地順北地區(qū)中下奧陶統(tǒng)鷹山組硅質(zhì)巖稀土元素原位LA-ICP-MS測試結(jié)果Table 2 In situ LA-ICP-MS results of REE in the middle lower Ordovician Yingshan formation of Shunbei Area, Tarim Basin

圖3 順北地區(qū)中下奧陶統(tǒng)鷹山組和一間房組硅質(zhì)巖 稀土元素含量分布Fig.3 REE content distribution of siliceous rocks in Yingshan Formation and Yijianfang Formation of Middle-Lower Ordovician in Shunbei area

3.2 微量元素

研究區(qū)硅質(zhì)巖樣品顆粒Ni/Co=6.53～55.45，平均值23.7，指示硅質(zhì)巖主要形成于還原環(huán)境中。通過對硅質(zhì)巖顆粒Fe、Mn微量元素地球化學(xué)特征進(jìn)行分析，測試結(jié)果見表3，研究結(jié)果表明硅質(zhì)巖顆粒具有高Fe含量和低Mn含量，這與陰極發(fā)光觀測所表現(xiàn)出來的不發(fā)光特性結(jié)果一致，F(xiàn)e含量為2.95～1 047.12 μg/g，平均263.43 μg/g；Mn含量為0.059～12.75 μg/g，平均1.02 μg/g。Fe/Mn分布范圍23.41～1 301.79，平均534.48。

表3 塔里木盆地順北地區(qū)中下奧陶統(tǒng)硅質(zhì)巖微量元素原位LA-ICP-MS測試結(jié)果Table 3 In situ LA-ICP-MS results of trace elements in the middle lower Ordovician of Shunbei Area, Tarim Basin

3.3 硅氧同位素

硅質(zhì)巖的δ30Si‰同位素可指示硅質(zhì)巖的成因。前人研究認(rèn)為沉積硅質(zhì)巖δ30Si‰值為1.1‰～1.4‰[22-26]；交代成因硅質(zhì)巖值可達(dá)δ30Si‰：2.4～3.8‰[27]，熱液石英δ30Si‰值一般變化在-2.1‰～0之間[28]。陳永權(quán)等[29]通過對硅質(zhì)巖的硅氧同位素分析指出，硅化成因的硅質(zhì)巖的δ30Si‰一般在1.0‰～3.8‰。放射狀硅化巖的δ30Si‰在1.7‰左右，層狀硅質(zhì)巖的δ30Si‰范圍在0.9‰～1.4‰之間。陳紅漢等[30]指出硅同位素的分餾主要受以下幾方面因素影響。

(1)硅化溫度低，硅化速度慢，則硅化過程中選擇性更好，導(dǎo)致δ30Si‰更高。

(2)水巖比值越高也會使δ30Si‰更高。

(3)交代物質(zhì)差異-交代云巖的δ30Si‰往往高于交代灰?guī)r的δ30Si‰。通過對順北地區(qū)典型井硅質(zhì)巖16件硅氧同位素測試分析(圖4)，結(jié)果表明黑色斑塊狀硅質(zhì)δ30Si‰值分布范圍0.6‰～1.76‰，平均值1.32‰，δ18O值分布范圍22.8‰～28.2‰，平均26.14‰；黑色條帶狀(塊狀)硅質(zhì)δ30Si‰值分布范圍0.96‰～1.86‰，平均1.55‰，δ18O值分布范圍26.06‰～27.74‰，平均27.12‰；白色條帶狀硅質(zhì)常被黑色硅質(zhì)包裹，δ30Si‰值分布范圍1.96‰～2.74‰，平均2.36‰，δ18O值分布范圍19.85‰～29.29‰，平均27.05‰?？梢钥闯?，順北地區(qū)Si同位素由黑色斑塊狀—黑色條帶狀—白色條帶狀逐步升高，大部分硅質(zhì)均處于硅化巖之中(1.0～3.8)，局部落入層狀硅質(zhì)巖區(qū)域內(nèi)甚至低于沉積硅質(zhì)巖。通過與順南4井硅質(zhì)巖硅氧同位素?cái)?shù)據(jù)對比[1]，發(fā)現(xiàn)順北地區(qū)硅質(zhì)礦物的δ30Si‰整體低于順南地區(qū)，但δ18O高于順南地區(qū)。從硅質(zhì)巖的硅氧同位素組成來看，順北地區(qū)的硅質(zhì)成因應(yīng)該交代成因?yàn)橹?，形成溫度可能比順南硅化巖低，從而硅化速度較慢，致使δ30Si‰更高。

圖4 順北地區(qū)不同產(chǎn)狀硅質(zhì)巖Si、O同位素組成圖Fig.4 Si and O isotopic compositions of siliceous rocks in different occurrences in Shunbei area

根據(jù)的δ30Si‰差異性成因分析可以認(rèn)為，細(xì)小斑塊狀黑色硅質(zhì)的δ30Si‰往往具有較低值，而塊狀、團(tuán)塊黑色硅質(zhì)常具有較高的δ30Si‰值。這種差異與水巖反應(yīng)比值密切相關(guān)，團(tuán)塊狀侵入圍巖的硅質(zhì)以更大的交代面積，較為充分的水巖反應(yīng)因此具有較高的δ30Si‰。交代越充分，硅質(zhì)交代區(qū)域越大的δ30Si‰顯示其同位素較高。相比于黑色硅質(zhì)，白色條帶狀硅質(zhì)多發(fā)育與黑色硅質(zhì)結(jié)晶之后，其δ30Si‰顯示相比于黑色硅質(zhì)，具有較高的δ30Si‰值。研究認(rèn)為：隨著硅質(zhì)侵入圍巖發(fā)生開始，隨著溫度降低，硅質(zhì)發(fā)生沉淀，當(dāng)溫度降至一定程度時，析出沉淀的硅質(zhì)由黑色斑塊狀硅質(zhì)進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)槲龀鲇袼杌蛭⒕㈩惖陌咨栀|(zhì)，這種硅質(zhì)的δ30Si‰顯示往往較高，造成δ30Si‰的差異因素應(yīng)與溫度相關(guān)。此外，局部有些黑色硅質(zhì)的δ30Si‰落入沉積區(qū)域甚至更低，該類硅質(zhì)巖石學(xué)特征與大部分交代成因硅質(zhì)相一致，推測其成因應(yīng)也一致。而較低的δ30Si‰值往往與富硅流體的溫度密切相關(guān)，高溫硅質(zhì)流體具有相對較低的δ30Si‰，在侵入圍巖之中未發(fā)生快速降溫便迅速沉淀導(dǎo)致該類樣品具有較低的δ30Si‰，局部落入沉積硅質(zhì)巖的范圍之中。

4 硅質(zhì)來源及其成因

前人研究表明，硅質(zhì)巖中硅質(zhì)來源主要包括硅質(zhì)生物來源、火山硅質(zhì)來源和富硅流體改造3種形式[31-34]。通過對研究區(qū)硅質(zhì)巖巖心及薄片觀察，海綿骨針等硅質(zhì)生物不發(fā)育，推測順北地區(qū)硅質(zhì)巖并非生物成因。塔里木盆地海西期存在大規(guī)?；鹕交顒?，但在順北地區(qū)現(xiàn)有幾十口勘探井資料顯示，并未在中下奧陶統(tǒng)一間房組和鷹山組觀測到火成巖和火山相關(guān)證據(jù)礦物，因此，推測認(rèn)為雖然具備大規(guī)?；鹕交顒拥幕A(chǔ)但受控于斷裂帶活動期次和斷開層位，火山運(yùn)動并未影響一間房組和鷹山組硅質(zhì)巖發(fā)育。

順北地區(qū)硅質(zhì)巖形成主要受富硅流體控制，斷裂帶和裂縫體系為富硅流體運(yùn)移提供了通道，在斷裂活動時期流體從下覆地層向上運(yùn)移進(jìn)入鷹山組和一間房組地層，在顆?；?guī)r發(fā)育相帶交代圍巖形成硅質(zhì)巖，但由于富硅流體整體規(guī)模有限僅局部改造儲集體，因此順北地區(qū)并未形成規(guī)模硅質(zhì)巖儲層，而且流體交代圍巖致使原巖中顆粒孔隙降低，形成的硅質(zhì)巖以充填物形式富集于裂縫、孔隙和溶蝕孔洞內(nèi)造成整體儲集性能變差，從改造結(jié)果來看，流體改造為破壞性成巖作用。

5 結(jié)論

(1)順北地區(qū)硅質(zhì)以灰黑色條帶狀、團(tuán)塊狀和灰白色條帶狀分布于灰?guī)r之間，顯微鏡下觀察可見交代殘余顆粒結(jié)構(gòu)，硅質(zhì)與圍巖接觸邊緣發(fā)育明顯的溶蝕作用，但整體以充填為主，未見明顯孔隙，且硅化程度較強(qiáng)的巖心區(qū)域原巖結(jié)構(gòu)逐漸消失。

(2)順北地區(qū)硅質(zhì)巖樣品地球化學(xué)特征表明其稀土元素含量很低，整體表現(xiàn)為輕稀土富集、重稀土虧損，兩者分異明顯且具有明顯正Eu和正Ce異常，指示熱液流體對硅質(zhì)巖形成具有重要影響且主要形成于相對還原的成巖環(huán)境中，從硅氧同位素組成來看，硅質(zhì)以交代成因?yàn)橹鳌?/p>

(3)順北地區(qū)硅質(zhì)巖形成主要受富硅流體控制，斷裂帶和裂縫體系為富硅流體運(yùn)移提供了通道，在斷裂活動時期流體從下覆地層向上運(yùn)移進(jìn)入鷹山組和一間房組地層，在顆?；?guī)r發(fā)育相帶交代圍巖形成硅質(zhì)巖，但由于富硅流體整體規(guī)模有限且僅局部改造儲集體，因此順北地區(qū)并未形成規(guī)模硅質(zhì)巖儲層，勘探開發(fā)目標(biāo)仍應(yīng)以斷裂控制的斷溶體油藏為主。