巴楚地區(qū)斷裂帶內(nèi)熱液流體活動及對碳酸鹽巖改造的特征分析

李朋，任建業(yè)，陽懷忠，胡德勝，張云鵬

(1.中國地質(zhì)大學 資源學院，湖北武漢430074;2.湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北 武漢430034;3.中國地質(zhì)大學構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室，湖北 武漢430074;4.教育部 含油氣盆地構(gòu)造研究中心，湖北 武漢430074;5.中海石油有限公司北京研究總院，北京100027;6.中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東湛江524057)

巴楚地區(qū)斷裂帶內(nèi)熱液流體活動及對碳酸鹽巖改造的特征分析

李朋1，2，任建業(yè)3，4，陽懷忠5，胡德勝6，張云鵬1

(1.中國地質(zhì)大學 資源學院，湖北武漢430074;2.湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北 武漢430034;3.中國地質(zhì)大學構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室，湖北 武漢430074;4.教育部 含油氣盆地構(gòu)造研究中心，湖北 武漢430074;5.中海石油有限公司北京研究總院，北京100027;6.中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東湛江524057)

以塔里木盆地巴楚隆起區(qū)良里塔格組露頭剖面為例，應用薄片觀察和陰極發(fā)光等巖石學分析方法以及碳氧同位素、87Sr/86Sr比值、常量元素和流體包裹體測溫等地球化學定量分析手段，綜合分析了構(gòu)造熱液活動對碳酸鹽巖的改造作用。研究結(jié)果顯示，發(fā)育在碳酸鹽巖內(nèi)的斷裂帶及其附近，局部白云巖化特征顯著;碳氧同位素表現(xiàn)異常，由斷裂的兩盤向斷裂帶靠近，δ13C和δ18O值逐漸降低;87Sr/86Sr比值要比同期海水比值高;斷裂帶控制的熱液作用區(qū)域碳酸鹽巖中的一些元素成分發(fā)生明顯的變化，F(xiàn)e、Mn、Si等元素含量增加;包裹體測溫結(jié)果在113～377℃之間，平均溫度210℃?；谏鲜鼋Y(jié)果，結(jié)合研究區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造特征分析，建立了本區(qū)碳酸鹽巖構(gòu)造熱液白云巖化作用模式。本項研究有助于深化塔里木盆地碳酸鹽巖構(gòu)造熱液白云巖化作用的認識，并為該區(qū)的碳酸鹽巖儲層的預測提供地質(zhì)依據(jù)。

構(gòu)造熱液;白云巖化;巴楚隆起;良里塔格組

0 引言

盆地內(nèi)油氣的運移、聚集以及成礦礦藏的分布，都與地質(zhì)流體有密切關(guān)系，而斷裂往往是地質(zhì)流體的重要疏導通道(金之鈞等，2006)。地殼中深部熱液流體沿深部斷裂運移到淺部巖層中，由于上部致密巖層的封堵而側(cè)向運移，進而與圍巖發(fā)生水－巖反應，導致圍巖物性的改變。尤其在灰?guī)r中，構(gòu)造熱液作用導致的水－巖相互反應可以使灰?guī)r轉(zhuǎn)變?yōu)闊嵋喊自茙r(金之鈞等，2006;Davies and Smith，2006;李榮等，2008)。研究表明，與原生的灰?guī)r孔隙度相比，同體積的熱液白云巖的孔隙度可以增加12%～13%。因此，近幾年來，碳酸鹽巖地區(qū)熱液白云巖的研究成為學術(shù)界和油田產(chǎn)業(yè)部門關(guān)注的研究領(lǐng)域。本文試圖以塔里木盆地巴楚隆起露頭區(qū)奧陶系灰?guī)r中斷裂帶及其附近的圍巖中詳細的采樣和測試分析為基礎，揭示和總結(jié)斷裂系統(tǒng)中熱液活動對碳酸鹽巖改造作用的特征和標志。

露頭區(qū)位于塔里木盆地巴楚隆起區(qū)西段，剖面呈NW-SE向展布。露頭區(qū)地層為中上奧陶統(tǒng)良里塔格組中下部地層，產(chǎn)狀較陡，由下至上巖性依次為深灰色薄層瘤狀泥晶灰?guī)r，瘤狀條帶較連續(xù)，夾中薄層團塊狀瘤狀灰?guī)r、深灰色薄層狀含生屑泥晶顆粒灰?guī)r及上部藻類為主的生屑灰?guī)r藻丘(圖1)。發(fā)育多條斷裂，斷裂產(chǎn)狀陡傾，根據(jù)露頭上斷裂兩盤運動學標志判斷，這些斷裂為具有右旋走滑分量的正斷層，斷裂帶內(nèi)充填多期纖維狀方解石脈，顯示斷裂帶內(nèi)流體活動明顯。本次研究重點針對露頭中部的2條斷裂展開，取樣點集中分布在這兩條斷裂帶內(nèi)部及其相鄰的兩盤(圖1)。

圖1 巴楚隆起達吾孜塔格地區(qū)良里塔格組露頭剖面(黃色圓點為采樣位置)Fig.1 The outcrop of the Lianglitake Formation in the Dawuzitage area of Bachu uplift(The yellow points are sampling sites)

1 巖石學特征

沿斷裂帶采集的巖石樣品的薄片觀察及滴鹽酸反應后表明，在樣品的不同位置滴鹽酸都有氣泡產(chǎn)生，但強度不一樣，說明主礦物組成為方解石，斷裂帶內(nèi)樣品交代白云石明顯，大多數(shù)樣品中生物碎屑含量高。鏡下微裂縫發(fā)育，延伸較遠，且相互連通，有利于流體的運移(圖2a)。單偏光下，溶蝕孔洞被后期充填的現(xiàn)象明顯，充填礦物為白云石(圖2b)。

由于熱液流體通常具有很高的溫度，而且往往攜帶大量的CO2及H2S等酸性氣體，這種酸性的環(huán)境會與周圍碳酸鹽巖發(fā)生明顯的水－巖反應，從而改變原巖的成分、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造(圖2)。熱液流體沿著斷裂和裂縫活動過程中，隨著溫度壓力的改變，以及與周圍巖石的作用，往往會導致一些新礦物的產(chǎn)生(蔡春芳等，1997;陳代釗，2008)。

鏡下染色薄片觀察顯示，在裂隙附近及晶洞中發(fā)育白云石(圖2c、d中之白色區(qū)域)，白云石呈現(xiàn)新月形，存在內(nèi)生裂隙，為典型的次生成因。其他區(qū)域幾乎全被染成紅色，為方解石。這種現(xiàn)象說明研究區(qū)碳酸鹽巖經(jīng)歷過白云石化的改造。而且這種白云石化，都是沿著縫隙發(fā)育或充填于生物碎屑溶解的鑄?？?，這種現(xiàn)象隨著遠離斷層中心而變?nèi)酢Ｕf明先存碳酸鹽巖在后期由于流體沿著裂縫活動引起了這種變化。

對研究區(qū)的部分樣品進行的陰極發(fā)光測試(圖2e、f)顯示，陰極發(fā)光環(huán)境下，環(huán)帶結(jié)構(gòu)明顯，且環(huán)帶一般在裂隙的附近。環(huán)帶結(jié)構(gòu)反應了成巖期次及礦物成分的不同，從而表征了流體活動、礦物成分和酸堿度等指標的變化。

2 地球化學特征

2.1 碳氧同位素特征

碳、氧同位素分析能很好地示蹤古流體的來源(張學鋒等，2008;徐田武等，2009)。本研究在斷裂帶及其兩側(cè)共取20個樣進行碳、氧同位素分析，每個樣品在2mg以上，經(jīng)風干、粉碎處理后，用磨碎儀磨細至過200目篩。分析結(jié)果見表1。測試誤差均不超過±0.2‰。

表1 達吾孜塔格露頭區(qū)樣品中碳、氧穩(wěn)定同位素分析數(shù)據(jù)Table 1 Carbon and oxygen isotopic compositions of samples from the Dawuzitage outcrop

以PDB(北美皮狄組美洲擬箭石的縮略語)為標準的測試結(jié)果表明，研究區(qū)碳酸鹽巖的δ13C和δ18O值變化范圍較大。δ13C最小值為2.52‰，最大值為3.24‰，平均值為3.05‰。而δ18O的最小值為－6.35‰，最大值為－3.57‰，平均值為－5.8‰。

圖2 達吾孜塔格露頭區(qū)樣品薄片觀察(取樣位置見圖1)Fig.2 Microscopies of thin sections of samples from the Dawuzitage outcrop(sampling spots as Fig.1)

全球范圍內(nèi)自寒武紀到白堊紀地層中構(gòu)造熱液成因的鞍狀白云石的大部分氧同位素δ18O都為－18.0‰～－2.5‰，最常見為－12‰～－5‰;碳同位素δ13C主要為－17‰～+6‰，大部分為－3‰～+5‰(Davies and Smith，2006)。本研究所測數(shù)據(jù)與熱液特征碳氧同位素含量相吻合。

圖3 達吾孜塔格露頭區(qū)斷裂系統(tǒng)C、O同位素分布Fig.3 The δ13C-δ18O plot of samples from the fault system at Dawuzitage area

碳氧同位素分布投點圖(圖3)顯示，樣品的碳、氧同位素值一般都落在C區(qū)域的頂部邊界。研究區(qū)在奧陶系沉積時期屬于濱淺海沉積環(huán)境，露頭為一礁灘相沉積，與礁灘相豐富的生物活動可以相對應。但在生物活動過程中，可以帶走一部分12C，從而使13C相對富集。張秀蓮(1985)曾對我國各地寒武紀－奧陶紀的一些碳酸鹽巖樣品的同位素組成進行了分析，認為在成巖作用過程中，13C和12C的交換作用要比18O與16O之間弱得多。一些學者也發(fā)現(xiàn)，自寒武紀以來，δ13C值沒有顯著的變化。綜合上述分析可以推測研究區(qū)為先期海相碳酸鹽巖經(jīng)后期熱液改造所致。

由圖4可知，斷裂帶附近碳、氧同位素的測試值低，隨著距離斷裂帶距離的增大，測試值逐漸增大。δ18O值與δ13C值在變化規(guī)律上保持一定的相關(guān)性。但由于氧同位素在后期成巖作用過程中更容易受到外部環(huán)境的影響，因此δ18O值往往會顯示出一定的異常。氧同位素的波動范圍要比碳同位素的波動范圍明顯。但δ18O值與δ13C值的高低與距離斷裂帶遠近的密切關(guān)系的這種規(guī)律，反映了斷裂與灰?guī)r的熱液改造作用相關(guān)，Hecht等(1999)對加拿大西部和美國東部古生代構(gòu)造熱液活動對碳酸鹽巖改造的研究，也證實了熱液白云巖具有類似的變化規(guī)律。

圖4 達吾孜塔格露頭碳、氧同位素測試值在平面的展布規(guī)律Fig.4 The variation of carbon and oxygen isotopic compositions for samples from the outcrop

將δ18O值與δ13C值代入鹽度計算公式:Z=2.48(δ13C+50)+0.498(δ18O+50)，可計算出本區(qū)碳酸鹽巖的鹽度范圍為152～153，屬于高鹽度范圍。這與一般認為的本區(qū)奧陶紀成巖期屬于淺層海水區(qū)域(趙宗舉等，2009)，鹽度應該屬于正常海水范圍的認識相矛盾。顯然，斷裂帶內(nèi)的灰?guī)r后期經(jīng)過了高鹽度熱液流體的改造。

2.2 鍶同位素特征

鍶同位素測試標樣為 NBS987，87Sr/86Sr=0.710256±8。10件樣品的測試結(jié)果(表2)顯示，87Sr/86Sr最低值為 0.70816，最高值0.710294，平均值0.7087673。根據(jù)前人資料(Goldherg，1986;McArthur et al.，1992;Burke et al.，1982;Gao and Land，1991;Kikuchi et al.，1997;Denison et al.，1994;Howarth and McArthur，1997;黃思靜，1997;江茂生等，2002)，全球晚奧陶世海水的87Sr/86Sr值小于 0.7082，Qing et al.(1998)和 Denison et al.(1998)測試數(shù)據(jù)的平均值為0.707970。然而，江茂生等(2002)獲得的塔里木盆地塔中12井晚奧陶世末海相碳酸鹽巖的87Sr/86Sr值中，有相當數(shù)量的樣品大于0.7082，最大值達到0.70887。

表2顯示，F(xiàn)58測試結(jié)果最低，F(xiàn)68測試結(jié)果最高，分析其主要原因在于，F(xiàn)58采樣位置巖性為泥晶灰?guī)r，裂縫不發(fā)育，不利于熱液的活動;而F68為泥晶顆?；?guī)r，藻類含量高，裂縫發(fā)育，同時露頭觀察發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)68位置可能存在一隱伏斷層，有利于熱液的活動，因此造成了鍶同位素比值的升高。

Davies and Smith(2006)對加拿大西部和美國東部的研究顯示，構(gòu)造熱液原因造成的87Sr/86Sr值升高，系深部硅質(zhì)碎屑含水層沿斷裂帶向上運移到目的層發(fā)生交代作用的結(jié)果。巴楚地區(qū)寒武系玉爾圖斯組及下丘里塔格群含有多套的硅質(zhì)碎屑巖層，但更重要的來源應該是殼源物質(zhì)的向上運移。

表2 達吾孜塔格地區(qū)87Sr/86Sr同位素分析結(jié)果Table 2 87Sr/86Sr ratios for samples from the Dawuzitage Area

2.3 常量元素特征

常量元素分析是從元素地球化學的角度對斷裂帶及其兩側(cè)的元素含量變化規(guī)律來揭示構(gòu)造熱液對圍巖的改造作用，其中Mn、Fe分別作為陰極發(fā)光的激發(fā)劑和催滅劑，其含量的變化正好與陰極發(fā)光強度相對應。本次所選樣品與碳氧同位素測試樣品是在相同條件下制作的，測試結(jié)果經(jīng)分析處理，投點圖5。

圖5 達吾孜塔格露頭區(qū)常量元素含量變化曲線Fig.5 Variation of major elements for samples from the outcrop

圖5顯示，Si含量在0.07%～2.97%之間，F(xiàn)e為0.029%～0.53%，Mg為 0.17%～0.87%，Mn為0.009%～0.024%。一般來講，裂縫的熱液溶蝕改造灰?guī)r與未被溶蝕的原始灰?guī)r在元素組成上存在較大的差別。斷裂附近常量元素值要比其他區(qū)域高。由圖5可以看到Si、Mg的含量一般大于0.2%，局部地區(qū)還存在異常值。SiO2的沉淀產(chǎn)出，表明熱液流體為酸性，且具有較高的溫度，只有這樣的流體才能攜帶較多的SiO2進入圍巖裂隙沉淀析出。富含F(xiàn)e的流體在與周圍碳酸鹽巖相互作用過程中，導致部分Ca流失、Mg含量相對升高。物質(zhì)成分的變化導致礦物成分的改變，方解石向白云石的過渡就是Ca流失、Mg富集的過程。

2.4 流體包裹體證據(jù)

由于碳、氧同位素特征在漫長的地質(zhì)歷史過程中遭受了一定程度的改造，在反映熱液流體對碳酸鹽巖的改造上可能產(chǎn)生一定的誤差，而礦物包裹體是迄今保留下來的最完整和最直接的原始成礦流體(熔體)，對其進行詳細研究，可獲得有關(guān)成巖成礦作用的可靠信息(金之鈞等，2002;Breesch et al.，2006)。因此，本文選擇流體包裹體測溫的方法來進一步論證研究區(qū)斷裂帶構(gòu)造熱液活動特征。

本次包裹體溫度測試共選擇樣品30個，得到測溫結(jié)果346個，包裹體在樣品中分布范圍較廣，且相對較集中(圖6)，大小一般在3～8μm左右，氣液比大部分在5%～8%，個別樣品可達10%。包裹體類型均為原生型。每個樣品都選擇5～15個包裹體進行溫度測試，最終所測包裹體溫度最高377℃，最低103℃，平均210℃。溫度變化范圍大，溫度高，主要溫度范圍為150～250℃。從兩條斷裂附近所選樣品的包裹體測溫數(shù)據(jù)分布圖(圖7)可以看出，本區(qū)熱液活動至少經(jīng)歷過兩期，其溫度范圍分別為180～235℃、250～330℃。

3 構(gòu)造熱液白云巖化模式

以巖石學特征、碳、氧、鍶同位素及包裹體測溫等分析為基礎，結(jié)合研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)特征，建立了本區(qū)碳酸鹽巖地層內(nèi)構(gòu)造熱液活動白云巖化模式圖(圖8)。圖8顯示，富含CO2、H2S和SO2的深部熱液在沿斷裂從深部運移到淺層過程中，同時沿著斷層兩側(cè)裂縫系統(tǒng)橫向運移，從而對斷裂帶附近產(chǎn)生明顯的白云石化。在這些明顯影響區(qū)，碳、氧同位素值要比斷裂帶兩盤低，Mn、Fe、Si等元素也顯示出明顯的漸變性。同時，深部熱液流體攜帶了大量的硅質(zhì)碎屑巖層物質(zhì)及殼源物質(zhì)運移到良里塔格組地層，從而提高了該組地層的87Sr/86Sr值。

圖6 部分包裹體樣品鏡下觀察圖Fig.6 Microscopies of inclusions

圖7 斷裂附近包裹體溫度分布示意圖Fig.7 Variation of homogenization temperature of inclusions in samples from the fault zones

圖8 巴楚地區(qū)構(gòu)造熱液活動模式圖Fig.8 Model illustration of the structurally controlled hydrothermal dolomite in the Bachu area

熱液作用一般與斷裂系統(tǒng)密切相關(guān)，多期的構(gòu)造活動可能導致某一特征不明顯或產(chǎn)生誤差，但綜合各方面因素可以對流體的期次進行判定(Luczaj et al.，2006)。熱液流體沿斷裂上涌過程中經(jīng)裂縫、不整合面、孔隙滲透等進入圍巖，并與之發(fā)生反應，通常在斷裂附近這種作用強烈，且在裂縫發(fā)育或孔隙聯(lián)通好的條件下，可延伸很遠，導致非常顯著的原巖改造作用。

奧陶紀碳酸鹽巖地層是塔里木盆地重要的油氣儲層，研究表明次生孔隙是油氣的主要儲集空間。在次生孔隙成因上，目前受到廣泛關(guān)注且研究較多的是與大氣降水相關(guān)的地表、近地表巖溶作用。本文的研究表明，與熱事件相關(guān)的熱液流體也能對碳酸鹽巖產(chǎn)生明顯的溶蝕作用，雖然目前這方面的研究鮮有文獻涉及。塔里木盆地在震旦紀－寒武紀、早奧陶世、二疊紀和白堊紀先后經(jīng)歷了4次地質(zhì)熱事件，前兩期發(fā)育較早，未影響到奧陶系，白堊紀地質(zhì)熱事件主要局限于塔里木盆地周邊地區(qū)，二疊紀時期整個塔里木盆地廣泛存在巖漿火山活動(陳漢林等，1997;賈承造，1997;鄔光輝等，2009)。由此產(chǎn)生的構(gòu)造熱液作用有可能改造塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖，而且，在多期構(gòu)造活動和熱事件背景下，塔里木盆地受到熱液改造的地層范圍肯定很大，一旦油氣的生儲蓋組合具備，這種改造地層應該成為油氣勘探的有利目標區(qū)。

致謝:本文樣品測試在中國地質(zhì)大學(武漢)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室完成，資源學院焦養(yǎng)泉教授對露頭采樣做了指導性工作。焦養(yǎng)泉教授和中國地質(zhì)大學(北京)林暢松教授在審稿過程中提出了許多有價值的意見，增加了本文的含金量，在此一并表示衷心的感謝!

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Hydrothermal Activities in the Fault System and their Effects on Carbonate Rocks in the Bachu Area

LI Peng1，2，REN Jianye3，4，YANG Huaizhong5，HU Desheng6and ZHANG Yunpeng1
(1.Faculty of Earth Resources，China University of Geosciences，Wuhan430074，Hubei，China;2.Hubei Institute of Geological Survey，Wuhan430043，Hubei，China;3.Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources，Ministry of Education;China University of Geosciences，Wuhan430074，Hubei，China;4.Structral Research Center of Oil＆Gas Bearing Basin，Ministry of Education，Wuhan430074，Hubei，China;5.Beijing Research Institute，
CNOOC，Beiing100024，China;6.Zhanjiang Branch of CNOOC Ltd.，Zhanjiang524057，Guangdong，China)

Petrological and geochemical investigations have carried out on the Lianglitake Formation outcrop at the Bachu area of Tarim basin.The results show that dolomitization of carbonate rocks in the fault zone and nearby is obvious.The alteration resulted in the decrease of δ13C and δ18O values and increase of87Sr/86Sr values and Mn，F(xiàn)e，Si contents in the fault zone.Homogenization temperatures of the inclusions range from 113℃ to 377℃ with an average of 210℃.The results show that the hydrothermal dolomitization in the Tarim basin was structurally controlled.

tectonic-hydrothermal;dolomitization;Bachu uplift;Lianglitake Formation

TE121.2;P59

A

1001-1552(2011)03-0378-008

2010－08－31;改回日期:2010－12－08

項目資助:國家自然科學基金(No.40672089);國家科技重大專項(2008ZX05025-002)。

李朋(1984－)，男，碩士研究生，專業(yè)方向為沉積盆地構(gòu)造－地層分析。Email:pengli198666@163.com