塔里木盆地玉北地區(qū)奧陶系縫洞充填方解石地球化學(xué)特征及其儲層流體分析

李 淼，周雨雙，趙永強，耿 鋒，喬桂林，郝建龍

1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126；2.中國石化 西北油田分公司 勘探開發(fā)研究院，烏魯木齊 830011

塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖勘探領(lǐng)域近年來取得了大量突破與成果，尤其是位于麥蓋提斜坡的玉北地區(qū)顯示了良好的勘探前景。前人對玉北地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖儲層的成巖作用、巖溶特征、地震預(yù)測及主控因素等方面開展了大量的研究工作[1-4]，發(fā)現(xiàn)井間儲層分布規(guī)律不明，溶蝕流體性質(zhì)與來源不清，而不同流體改造作用是碳酸鹽巖儲層發(fā)育的重要控制因素。隨著后續(xù)對玉北地區(qū)斷裂解釋工作的開展，發(fā)現(xiàn)斷裂活動存在分區(qū)分帶差異性，斷裂對不同區(qū)域的儲層發(fā)育特征影響明顯[5-7]。斷裂及伴生裂縫作為流體運移的通道貫穿于儲層成巖作用的各個地質(zhì)階段[8-11]。微量元素中的稀土元素和鍶同位素地球化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，被認為能夠反映海相與非海相流體之間及沉積環(huán)境演化導(dǎo)致的物質(zhì)交換關(guān)系[12]。

本文以玉北地區(qū)不同區(qū)域典型鉆井巖心樣品中的縫洞充填物為研究對象，基于巖心觀察，根據(jù)充填產(chǎn)狀將樣品劃分為高角度縫、孔洞、水平縫洞方解石；通過對不同產(chǎn)狀的充填物進行薄片觀察、陰極發(fā)光分析，對方解石脈體發(fā)育期次進行劃分，進而結(jié)合其稀土元素及鍶同位素特征，揭示成巖流體的性質(zhì)，探究碳酸鹽巖儲層成因模式和流體類型差異。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

玉北地區(qū)位于塔里木盆地麥蓋提斜坡東段，北部與巴楚隆起南緣的瑪扎塔格構(gòu)造帶相接，南鄰塔西南坳陷的葉城凹陷、和田凹陷，西接麥蓋提斜坡西段，向東與塘古巴斯坳陷過渡[13]；內(nèi)部發(fā)育多個走向的斷裂帶，東部斷褶區(qū)斷裂發(fā)育密集，發(fā)育6排NE向逆沖斷裂帶；中西部地區(qū)斷裂發(fā)育程度相對較低，發(fā)育EW、NW 向的逆沖斷裂帶，以及NE向的走滑斷裂帶(圖1)。這些構(gòu)造帶多由蓋層滑脫型逆沖斷裂構(gòu)成，局部疊加走滑活動，主要形成時期為加里東中期—海西晚期。

玉北地區(qū)經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動和近地表的巖溶作用，受和田古隆起演化的控制，不同地區(qū)的中—下奧陶統(tǒng)暴露地表遭受剝蝕，東部斷褶區(qū)頂部缺失中上奧陶統(tǒng)及志留—泥盆系，斷裂帶之間的斷洼區(qū)發(fā)育上奧陶統(tǒng)，而良里塔格組(O3l)和志留—泥盆系僅在中西部地區(qū)分布[3]。區(qū)內(nèi)下奧陶統(tǒng)蓬萊壩組(O1p)為局限臺地相沉積，巖性為灰色中—細晶白云巖；鷹山組(O1-2y)下部為局限臺地相云質(zhì)灰?guī)r和灰質(zhì)云巖，上部為一套開闊臺地相泥晶灰?guī)r和亮晶顆?；?guī)r。良里塔格組為開闊臺地相，巖性主要為黃灰色泥晶灰?guī)r(圖1)。

圖1 塔里木盆地玉北地區(qū)構(gòu)造—沉積背景

2 樣品處理與測試

本次研究主要對玉北地區(qū)奧陶系鉆井巖心中的縫洞充填方解石進行系統(tǒng)采樣和分析，取樣位置見圖2。為了保證縫洞充填方解石樣品能夠反映流體性質(zhì)，需要對方解石樣品是否受到雜質(zhì)污染進行檢驗。首先, 在采集巖心標(biāo)本時選取方解石潔凈、顏色均勻一致的樣品(圖2a-c)；然后對薄片進行高清2D全景顯微鏡掃描確保進行微區(qū)測試的方解石礦物晶型完好、不混入雜質(zhì)(圖2d)。此外, 陰極發(fā)光特征通常可以用來判斷碳酸鹽礦物組成是否均一,期次是否一致。為了保證選定的樣品測試點位能夠?qū)α黧w作用類型具有全面的反映, 選樣前還利用CL8200 MK5 型陰極發(fā)光儀對不同產(chǎn)狀的方解石樣品拍攝了陰極發(fā)光圖像(圖2e-f)。原位微區(qū)稀土元素通過ICP-MS進行分析，所用儀器為Analytikjena PlasmaQuant MS Elite型 ICP-MS及與之配套的Newwave UP 193 nm準(zhǔn)分子激光剝蝕系統(tǒng)；原位鍶同位素通過Neptune Plus MC-ICP-MS測試完成。

圖2 塔里木盆地玉北地區(qū)縫洞充填方解石取樣位置與鏡下微觀特征

3 方解石形成期次和地球化學(xué)特征

3.1 方解石充填期次與陰極發(fā)光特征

鏡下觀察研究區(qū)縫洞充填物樣品發(fā)現(xiàn)，不同產(chǎn)狀方解石陰極發(fā)光特征具有明顯差異且存在相互交切關(guān)系。方解石充填物的陰極發(fā)光特征主要與Fe/Mn 比值相關(guān)，而Fe、Mn 元素含量主要受控于古流體來源與沉積環(huán)境[14]，因此方解石脈體陰極發(fā)光特征可作為劃分古流體形成期次的依據(jù)。在巖心觀察的基礎(chǔ)上，根據(jù)樣品的產(chǎn)狀與陰極發(fā)光特征，認為該地區(qū)方解石充填物可分為3期：第一期(C1)為孔洞充填方解石，陰極發(fā)光顏色為不發(fā)光—暗紅色，邊緣可見溶蝕殘余痕跡，脈體中可見溶蝕殘留圍巖顆粒(圖3a-f)；第二期(C2)為水平縫洞充填方解石，切割C1方解石脈(圖3c-d)，部分充填于C1充填后的殘余空間中(圖3g-h)，陰極發(fā)光顏色為玫瑰紅色(圖3g-j)；第三期(C3)為高角度縫充填方解石脈，切穿C1、C2方解石脈體，陰極發(fā)光顏色為橙黃色(圖3a-d，k-l)。

圖3 塔里木盆地玉北地區(qū)縫洞充填方解石陰極發(fā)光特征

3.2 稀土元素與鍶同位素地球化學(xué)特征

對相同期次的縫洞充填物樣品進行稀土元素和鍶同位素測試，結(jié)果表明：玉北地區(qū)方解石充填物的稀土含量(ΣREE)、輕重稀土比值(LREE/HREE)、Eu/Eu*和Ce/Ce*平均值分別為3.15×10-6，0.90，1.23，0.87(表1) 。經(jīng)澳大利亞后太古宙平均頁巖(Post-Archean Australian Shale，PAAS)[15]標(biāo)準(zhǔn)化后的玉北地區(qū)方解石充填物稀土元素配分模式表明，各井間稀土元素分布模式有著明顯的規(guī)律性，稀土元素分布模式上主要分為兩種類型：部分樣品顯示具有典型的海水稀土配分模式特點，表現(xiàn)為重稀土元素相對輕稀土元素富集的左傾特征，伴隨明顯的La的正異常和Ce的負異常；但樣品主體具有淡水的稀土配分模式特點，具體表現(xiàn)為平坦的稀土元素配分曲線，無明顯的元素異常(圖4)。

玉北地區(qū)樣品的87Sr/86Sr 比值為0.707 67～0.711 08，平均為0.709 12；高角度縫方解石87Sr/86Sr 比值為0.708 60～0.711 08, 平均為0.709 40；水平縫洞方解石87Sr/86Sr 比值為0.708 62～0.709 86，平均為0.709 15；孔洞方解石87Sr/86Sr 比值為0.708 62～0.711 77，平均值為0.708 89(表1)。玉北地區(qū)全部樣品的87Sr/86Sr平均值為0.709 12，略高于McARTHUR等[16]通過擬合曲線數(shù)據(jù)化獲得的全球奧陶紀(jì)海水的87Sr/86Sr 背景值(0.707 96～0.709 10)。

4 討論

4.1 稀土元素特征與流體性質(zhì)變化的關(guān)系

前人研究認為，不同流體來源形成的碳酸鹽礦物的稀土配分模式具有明顯差別[17-20]。本文研究的樣品中，不同鉆井、不同產(chǎn)狀的方解石充填物的稀土元素配分模式具有較大差異(圖4和圖5)，一方面反映了玉北地區(qū)成巖流體種類具有多樣性和復(fù)雜性；另一方面也說明玉北地區(qū)碳酸鹽巖在成巖過程中受到非海相流體的影響，反映了成巖系統(tǒng)具有一定的開放性。

銪( Eu)正異常通常與高溫(>200 ℃)、還原性熱液流體相關(guān)[21-25]，而低溫?zé)嵋簞t無明顯的Eu正異常特征[26]。高角度裂縫充填方解石樣品除YB3-3-1(Eu/Eu*=2.09)外，其余樣品的Eu/Eu*的平均值為1.00；孔洞方解石樣品中除少數(shù)樣品具有Eu正異常外，其余樣品的Eu/Eu*的平均值為0.99；大部分水平縫洞充填方解石樣品中Eu/Eu*的平均值為1.05。結(jié)果表明，本文中大部分樣品不具有明顯的Eu正異常，與之相關(guān)的流體不具有明顯的高溫?zé)嵋禾卣?，表明該區(qū)域受熱液流體影響的范圍不大。

不同類型流體的REE的PAAS 標(biāo)準(zhǔn)化配分模式存在明顯差異[27]：海相自生碳酸鹽巖REE配分模式具有富集重稀土元素的左傾特征[28-29]；淡水表現(xiàn)為無明顯元素異常的平坦形態(tài)特征[30-31]；熱液流體則表現(xiàn)為明顯的Eu正異常特征[32-34]。對不同井位樣品稀土元素測試結(jié)果進行PAAS標(biāo)準(zhǔn)化后可以發(fā)現(xiàn)，玉北地區(qū)主要存在2種不同稀土元素配分模式特征的流體類型(圖4)。玉北地區(qū)7口鉆井均有部分樣品呈現(xiàn)出輕稀土元素虧損、重稀土元素富集的左傾型以及Ce負異常的典型海水的稀土元素特征；但玉北地區(qū)大部分方解石充填物樣品的稀土配分模式表現(xiàn)為相對平坦、無明顯元素異常的淡水流體特征。

圖4 塔里木盆地玉北地區(qū)不同鉆井方解石樣品稀土元素配分模式

對不同產(chǎn)狀的方解石樣品的REE采用PAAS標(biāo)準(zhǔn)化(圖5)后，樣品配分模式有如下特點：(1)高角度裂縫充填方解石總體具有典型淡水相對平坦的REE配分模式，LREE/HREE的平均值為0.98；(2)水平縫洞方解石REE配分模式表現(xiàn)為平坦型和左傾型兩類稀土元素配分模式，反映了流體組成中淡水與海水混合的特征；(3)孔洞方解石中具有左傾型海水REE配分模式的樣品在三種產(chǎn)狀樣品中占比最高。同時，由于大氣淡水的淋濾作用會使巖石中的REE遷移析出，造成顯著的REE虧損[35-36]，三種產(chǎn)狀樣品的ΣREE值(高角度裂縫、水平縫洞、孔洞方解石樣品ΣREE平均值分別為2.31×10-6，3.26×10-6，3.55×10-6)呈現(xiàn)逐漸減低的趨勢也印證了淡水流體改造的減弱(表1)。

圖5 塔里木盆地玉北地區(qū)不同產(chǎn)狀方解石樣品稀土元素配分模式

表1 塔里木盆地玉北地區(qū)奧陶系縫洞方解石稀土元素和鍶同位素組成

玉北地區(qū)縫洞充填方解石樣品主體表現(xiàn)出了顯著的淡水流體REE配分模式特征，表明研究區(qū)在整體的海相環(huán)境背景下受到了顯著的淡水流體作用的改造。通過對不同產(chǎn)狀的方解石樣品進行分析表明，這類淡水流體主要集中在高角度縫和水平縫洞方解石樣品中，孔洞方解石總體保留著正常海水的REE配分模式特征。

4.2 鍶同位素組成與流體性質(zhì)變化的關(guān)系

鍶在海水中的居留時間遠大于海水混合需要的時間，因此可以認為任意一個確定地質(zhì)歷史時期內(nèi)全球范圍內(nèi)海水的鍶同位素組成是統(tǒng)一的[37]。海洋中外源鍶同位素輸入主要有2個源區(qū)：具有較高87Sr/86Sr比值的殼源鍶(87Sr/86Sr比值約為0.711 9)和較低87Sr/86Sr比值的深部熱液鍶(87Sr/86Sr比值約為0.703 5)[38-39]。因此，Sr同位素組成變化是表征非海相物質(zhì)輸入的可靠指標(biāo)。

根據(jù)采樣鉆井由東向西空間分布，位于東部的YB3、YB3-1、YB6A、YB7井中方解石樣品的87Sr/86Sr平均值為0.709 43，明顯高于MCARTHUR等[16]通過擬合曲線數(shù)據(jù)化獲得的全球奧陶紀(jì)海水的87Sr/86Sr 背景值(0.707 96～0.709 10)；中西部的YB4、YB8井中方解石樣品的87Sr/86Sr比值的平均值為0.708 70，基本處于同時期海水的87Sr/86Sr 值變化范圍內(nèi)(圖6)。

圖6 塔里木盆地玉北地區(qū)不同鉆井方解石87Sr/86Sr比值散點圖

高角度裂縫方解石的87Sr/86Sr比值的平均值為0.709 40，明顯高于奧陶紀(jì)海水的鍶同位素比值變化范圍[16](圖7)，說明與這一類型方解石形成相關(guān)的流體中存在非海相流體輸入。這一流體可能是外來地表淡水或正常埋藏地層流體。但從圖7可見，被認為反映地層流體的水平縫洞方解石的鍶同位素組成(87Sr/86Sr平均值為0.709 15)相對接近同時代海水的鍶同位素組成，因此推斷高角度裂縫方解石中非海相流體應(yīng)為陸源地表淡水而非層間流體。這表明大氣淡水及殼源物質(zhì)對玉北地區(qū)奧陶系水巖反應(yīng)產(chǎn)生顯著的影響。

圖7 塔里木盆地玉北地區(qū)不同產(chǎn)狀方解石87Sr/86Sr比值散點圖殼源87Sr/86Sr平均值引自PALMER和EDMOND[39]；奧陶紀(jì)海水87Sr/86Sr范圍引自MCARTHUR等[16]。

綜上，玉北地區(qū)由東向西分布的鉆井中方解石樣品的87Sr/86Sr比值整體下降的變化趨勢反映了其形成流體中殼源物質(zhì)輸入的逐漸減少，表明其形成流體的性質(zhì)由海水—淡水混合流體向海水轉(zhuǎn)化。結(jié)合不同產(chǎn)狀樣品87Sr/86Sr比值變化特征，玉北地區(qū)奧陶紀(jì)東強西弱的構(gòu)造演化背景可能是造成這一現(xiàn)象的原因，具有高87Sr/86Sr值的陸源物質(zhì)隨著地表徑流向深部下滲過程中，由于構(gòu)造活動產(chǎn)生的裂縫通道減少，陸源流體輸入逐漸變少, 并與碳酸鹽巖圍巖發(fā)生水巖作用或者與地層水發(fā)生混合，沉淀形成的方解石87Sr/86Sr值也隨之減小。

4.3 玉北地區(qū)流體演化過程

玉北地區(qū)奧陶系孔洞和裂縫中所充填的方解石在稀土元素和Sr同位素組成方面的差異反映了流體作用的差異。玉北地區(qū)方解石樣品的地球化學(xué)特征主要有2種類型, 分別與陸源淡水和海相流體相關(guān)。

從LREE/HREE和87Sr/86Sr 關(guān)系圖(圖8)上可以發(fā)現(xiàn), 大部分稀土配分曲線相對左傾的樣品的87Sr/86Sr比值在同期海水范圍內(nèi)，而稀土配分曲線相對平坦的樣品的87Sr/86Sr比值則集中在高于奧陶紀(jì)海水變化范圍內(nèi)，二者之間較好的相關(guān)性表明了樣品的流體類型以淡水和海水為主。本次研究中的高角度裂縫方解石樣品的87Sr/86Sr平均值明顯高于奧陶紀(jì)海水值(圖5)，說明重Sr同位素富集并超過了海水值，大量的大氣淡水已經(jīng)和巖石發(fā)生了相互作用，并克服了海相碳酸鹽巖Sr的緩沖作用[40]，表明存在顯著的殼源鍶的加入。

圖8 塔里木盆地玉北地區(qū)不同鉆井方解石87Sr/86Sr和LREE/HREE關(guān)系

根據(jù)鉆井的空間位置，由東向西分布的鉆井中方解石樣品之間87Sr/86Sr平均值表現(xiàn)為逐漸變小的趨勢，表明流體組成中陸源物質(zhì)輸入的減少(圖6)。這與該地區(qū)的構(gòu)造活動表現(xiàn)出早期強晚期弱、東部強中西部弱的特點相吻合[41-42]?？傮w上，玉北地區(qū)經(jīng)歷了加里東中期—海西晚期多次構(gòu)造運動和海平面變化，和田古隆起的隆升及遷移導(dǎo)致不同地區(qū)斷裂發(fā)育程度與地層暴露剝蝕存在差異[43]。玉北地區(qū)東部斷壘帶受加里東中期Ⅰ幕—海西早期的構(gòu)造活動影響, 形成了奧陶系與上覆石炭系的多期不整合接觸關(guān)系，奧陶系碳酸鹽巖被抬升暴露至地表遭受強烈的大氣淡水改造，緊閉型逆沖滑脫斷裂形成大量高角度裂縫，為大氣淡水的滲濾提供了通道，導(dǎo)致沉淀形成的方解石也具有較重的87Sr/86Sr 值；而玉北中西部地區(qū)構(gòu)造活動相對較弱，僅存在加里東中期Ⅲ幕—海西早期暴露剝蝕，斷裂—裂縫欠發(fā)育，影響了玉北中西部地區(qū)大氣淡水改造的強度。玉北地區(qū)各鉆井之間主要流體作用類型的差異，是由該區(qū)構(gòu)造演化和沉積環(huán)境的變化等因素綜合作用導(dǎo)致的結(jié)果。

不同產(chǎn)狀方解石樣品的地球化學(xué)特征反映出玉北地區(qū)流體作用的主要機制(圖5和圖7)?？锥捶浇馐瘶悠返?7Sr/86Sr平均值介于奧陶紀(jì)海水值變化范圍內(nèi)，稀土配分模式以海水具有的左傾型特征為主，推測這一期孔洞可能的形成機制為碳酸鹽巖地層暴露地表發(fā)生短暫大氣淡水溶蝕，開放環(huán)境下被海水膠結(jié)沉淀出的方解石充填，并繼承了海相流體特征。隨著流體沿古隆起抬升及斷裂發(fā)育過程中產(chǎn)生的高角度裂縫逐漸向深部滲透，在相對封閉的體系下溶解圍巖，水巖比的升高使得沉淀形成的方解石充填物保留了陸源物質(zhì)混入特征。

綜合以上分析可以看出, 研究區(qū)縫洞充填方解石所表現(xiàn)出的稀土元素、Sr同位素地球化學(xué)特征與其地質(zhì)背景相吻合。玉北地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖中流體作用類型，主要受構(gòu)造演化作用的影響。大氣淡水首先在近地表環(huán)境下對碳酸鹽巖圍巖進行溶蝕，形成小規(guī)模孔洞，而由于這些孔洞是在一個相對開放的環(huán)境中形成的，不斷供應(yīng)的富Ca流體會使得這些空間很快被方解石沉淀充填，對研究區(qū)有效儲層的形成貢獻有限；另一部分流體在沿裂縫繼續(xù)向下運移的過程中，體系封閉性增強，與海相流體的交換相對減弱，隨著對碳酸鹽巖圍巖的不斷溶解而逐漸達到飽和；再進一步向深部地層滲透，與層間海相流體之間不斷混合，便會沉淀形成沿水平裂縫充填的方解石(圖9)。

圖9 塔里木盆地玉北地區(qū)不同類型流體作用模式

5 結(jié)論

(1)玉北地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖發(fā)育3期方解石充填物，不同產(chǎn)狀的同期次方解石充填物的稀土元素和Sr同位素特征具有一定差異性，反映了地層在成巖過程中流體作用的多樣性以及成巖系統(tǒng)的開放性。

(2)玉北地區(qū)高角度縫方解石與孔洞方解石中淡水流體特征的差異，一方面表明構(gòu)造活動產(chǎn)生的裂縫可作為地表徑流運移的通道，影響著儲層發(fā)育過程中流體次生改造作用的強度；另一方面表明溶蝕孔洞則主要形成于短期暴露溶蝕，海水膠結(jié)沉淀出的方解石表現(xiàn)出同期海水特征。這種機制下形成的小規(guī)?？锥淳环浇馐涮?，對研究區(qū)有效儲層的形成貢獻有限。

(3)玉北地區(qū)由東向西表現(xiàn)出的流體作用差異，是由東西2個地區(qū)不同的構(gòu)造活動背景決定的。東部斷壘帶奧陶系經(jīng)歷了加里東中期Ⅰ幕—海西早期多期構(gòu)造改造作用，由此產(chǎn)生高角度裂縫利于地表徑流下滲，因此其所經(jīng)歷的淡水改造作用相對強于受構(gòu)造活動影響較弱的中西部地區(qū)。