塔里木盆地順北地區(qū)中下奧陶統(tǒng)縫洞充填方解石地球化學(xué)特征及地質(zhì)意義

王昱翔，王 斌，顧 憶，傅 強(qiáng)，萬旸璐，李映濤

(1.同濟(jì)大學(xué) 海洋與地球科學(xué)學(xué)院，上海 200092；2.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；3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 資源學(xué)院，武漢 430074； 4.中國石化 西北油田分公司 勘探開發(fā)研究院，烏魯木齊 830011)

地質(zhì)流體沿輸導(dǎo)體系運(yùn)移過程中，因溫度、壓力等介質(zhì)條件變化對圍巖持續(xù)改造，并在特定條件下在不同儲(chǔ)集空間內(nèi)結(jié)晶或沉淀形成充填物，其蘊(yùn)含大量的地質(zhì)信息[1-3]。方解石作為一種最常見的碳酸鹽礦物，可分為2大成因類型和4種成因機(jī)制，成因類型包括原始沉積成因和成巖作用成因，后者又分為大氣淡水成因[4]、熱液成因[5]、地層水成因[6]和混源成因[7-9]，而明確充填物的成因，將直接影響對儲(chǔ)層形成機(jī)理的認(rèn)識(shí)。

隨著塔里木盆地勘探程度的不斷加深，目標(biāo)儲(chǔ)集體類型由風(fēng)化殼向深層巖溶領(lǐng)域不斷深入[10]。順北油田的發(fā)現(xiàn)，直接推動(dòng)了塔里木盆地勘探思路的轉(zhuǎn)變，與斷裂相關(guān)的深層碳酸鹽巖油氣藏成為增儲(chǔ)上產(chǎn)的主要類型[11]。順北地區(qū)宏觀斷裂帶發(fā)育，目前，該區(qū)沿主干斷裂帶多口滾動(dòng)評(píng)價(jià)井均獲得高產(chǎn)工業(yè)油氣流，證實(shí)了順北地區(qū)的巨大勘探潛力。主干斷裂帶是該區(qū)規(guī)模儲(chǔ)集體發(fā)育的有利部位[12]，斷裂—裂縫體系是研究區(qū)最主要的儲(chǔ)集空間類型[13-14]。但該區(qū)儲(chǔ)集體微觀方面的研究較為薄弱，特別是對于中下奧陶統(tǒng)地質(zhì)流體性質(zhì)、來源和改造期次及其蘊(yùn)含的油氣成藏信息尚不明確，制約了對儲(chǔ)集體成因的認(rèn)識(shí)。因此，本文選取不同級(jí)別斷裂帶上典型取心井巖心，通過對不同類型儲(chǔ)集空間(脈體或孔洞)內(nèi)充填物微區(qū)全脈體陰極發(fā)光掃描分析，確定不同期次充填物顆粒點(diǎn)位，利用LA-ICP-MS原位技術(shù)手段，對標(biāo)定點(diǎn)位進(jìn)行微量元素和稀土元素分析測試，揭示不同期次方解石地球化學(xué)特征及其受控因素和地質(zhì)意義。

1 地質(zhì)背景

順北油田位于順托果勒低隆北緩坡(圖1)，受盆地內(nèi)部多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以及多方向應(yīng)力作用，順北地區(qū)形成一系列不同級(jí)別、規(guī)模大小不等的斷裂[15-16]。加里東早期斷裂活動(dòng)在順北地區(qū)較強(qiáng)，表現(xiàn)為早期伸展構(gòu)造環(huán)境下正斷層控制的地塹或半地塹。加里東中—晚期斷裂形成于近SN向弱擠壓應(yīng)力場，在其作用下形成了一系列近南北向、北東—北北東向與北北西向的走滑斷層及其繼承性活動(dòng)。海西早期，在北北西向差異擠壓應(yīng)力場作用下順北地區(qū)斷裂活動(dòng)加劇，表現(xiàn)為張扭斷層為主。海西晚期—印支期，受盆地北部南天山造山作用影響，順北地區(qū)先存斷裂繼續(xù)活動(dòng)，形成走滑斷層或繼承性小型斷陷。燕山—喜馬拉雅期，順北地區(qū)由于距離盆地南部前陸盆地演化構(gòu)造活躍區(qū)較遠(yuǎn)，受影響較小，構(gòu)造活動(dòng)相對較弱?？偟膩砜矗槺钡貐^(qū)斷裂具有多期形成、早期形成、后期繼承的特點(diǎn)[17-18]。

中下奧陶統(tǒng)地層埋深較大，平均7 500 m，主要產(chǎn)油層中奧陶統(tǒng)一間房組厚度約120 m，下奧陶統(tǒng)鷹山組僅1口鉆井鉆穿，深度約8 500 m，揭示鷹山組厚度較大。根據(jù)巖心薄片及巖性組合特征分析，一間房組和鷹山組上段主要為開闊臺(tái)地沉積，其中，一間房組主要發(fā)育以深灰色—淺灰色泥晶砂屑灰?guī)r和砂屑泥晶灰?guī)r為主的臺(tái)內(nèi)低能灘；鷹山組上段主要發(fā)育以深灰色—灰色砂屑泥晶灰?guī)r和泥晶灰?guī)r為主的臺(tái)內(nèi)低能灘和臺(tái)坪交互沉積。

2 巖石學(xué)特征

通過對順北地區(qū)典型取心井一間房組和鷹山組14回次近500塊巖心及200余件鑄體薄片系統(tǒng)觀察，該區(qū)中下奧陶統(tǒng)巖性主要為泥晶灰?guī)r、砂屑泥晶灰?guī)r和泥晶砂屑灰?guī)r(圖2a-c)。全巖礦物組成X衍射定量分析表明(表1)，方解石是最主要的礦物成分，此外含少量黏土礦物和石英。巖石結(jié)構(gòu)組分包括生屑和砂屑，生屑分布局限，以三葉蟲、腕足和有孔蟲為主，大多破碎，總體平均含量低于15%；砂屑含量變化較大，變化區(qū)間10%～60%，偶見礫屑，粒徑0.5～2.0 mm，分布不均勻。儲(chǔ)集空間類型包括裂縫、溶蝕孔洞和少量孔隙，其中，裂縫主要為構(gòu)造成因，包括高角度縫(圖2d)和水平縫(圖2e)2種；溶洞大小變化較大，從幾百微米至10 cm(圖2f)。

圖1 塔里木盆地順北地區(qū)構(gòu)造位置(a)及采樣井位(b)示意Fig.1 Structural position (a) and well location (b), northern Shuntuoguole area, Tarim Basin

圖2 塔里木盆地順北地區(qū)中下奧陶統(tǒng)巖心、薄片及充填物特征

a.S5井，一間房組，7 331.37 m，泥晶灰?guī)r，裂縫發(fā)育，縫寬約0.5～2.0 mm，被方解石完全充填，可見三葉蟲、有孔蟲等生屑碎片，無明顯可見孔隙，單偏光；b.SP3井，一間房組，7 432.05 m，砂屑泥晶灰?guī)r，可見三葉蟲等生物碎屑，裂縫及孔隙被方解石完全充填，無可見孔隙，局部裂縫中瀝青充填，單偏光；c.S2井，一間房組，7 366.09 m，泥晶砂屑灰?guī)r，顆粒間被方解石全充填，無可見孔隙，單偏光；d.SP3井，一間房組，7 436.87 m，灰色泥晶灰?guī)r，連通高角度縫，縫寬1～2 mm，幾乎貫穿巖心，方解石全充填；e.SP3井，一間房組，7 437.06 m，灰色泥晶灰?guī)r，發(fā)育水平縫，縫長4～6 cm，縫寬1.0～2.0 mm，半充填；f.S1-3井，一間房組，7 278.72 m，淺黃灰色砂屑泥晶灰?guī)r，大型溶蝕孔洞被方解石晶簇半充填；g.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；h.S2井，一間房組，7 442.63m，泥晶灰?guī)r，可見左側(cè)硅質(zhì)交代亮晶方解石顆粒，顆粒間和顆粒內(nèi)部裂縫發(fā)育，被瀝青完全充填；i.與圖h對應(yīng)的陰極發(fā)光片，方解石多期次膠結(jié)現(xiàn)象明顯，陰極發(fā)光表現(xiàn)為不發(fā)光—橙紅色—亮黃色3種特征

Fig.2 Cores, thin sections and fillings in Middle and Lower Ordovician, northern Shuntuoguole area, Tarim Basin

通過對不同類型儲(chǔ)集空間內(nèi)充填物統(tǒng)計(jì)表明，充填物顆粒主要為方解石、瀝青和石英，其中方解石分布最為廣泛，平均充填占比約80.1%；瀝青主要附存于縫合線和水平縫中；石英平均充填占比約7.4%，主要在溶蝕孔洞內(nèi)被觀測到，呈團(tuán)塊狀或條帶狀分布(圖2g)。陰極發(fā)光片顯示縫洞內(nèi)充填方解石存在多期膠結(jié)(圖2h，i)。在巖相學(xué)研究基礎(chǔ)上，結(jié)合脈體切割關(guān)系和充填物類型，劃分了成巖序列及相對時(shí)間順序(圖3)，流體改造期次及序列為：沉積早期成巖膠結(jié)(不發(fā)光方解石)—第一期構(gòu)造破裂縫—第一期早期油氣充注(伴生成烴流體改造)—沉積后流體持續(xù)改造(橙紅色—橙黃色方解石，脈體孔洞充填)—第二期構(gòu)造破裂—局部井區(qū)富硅流體改造(石英脈、團(tuán)塊)—第二期晚期油氣充注(伴生成烴流體改造)。

表1 塔里木盆地順北地區(qū)典型井中下奧陶統(tǒng)全巖X衍射測試分析
Table 1 X-Ray diffraction of whole rock from Middle and Lower Ordovicianin typical wells, northern Shuntuoguole area, Tarim Basin

%

井號(hào)層位井深/m黏土石英鉀長石斜長石方解石白云石菱鐵礦黃鐵礦石膏硬石膏S1-3S1-3S1-7S1-7S1-7S2S2S2S2一間房組一間房組一間房組鷹山組7356.984.12.4--91.80.10.11.4-0.17357.985.23.5--89.90.20.50.50.10.17351.716.12.3-0.489.80.30.20.8-0.17355.985.31.8-0.590.70.90.30.4-0.17357.983.64.4-0.389.30.30.11.9-0.17358.322.91.7-1.492.60.70.00.50.10.17355.759.12.70.10.186.80.20.10.60.10.27356.754.31.7-0.792.30.10.20.7--7525.843.46.50.10.887.61.10.20.3--

注：實(shí)驗(yàn)測試在中國石化石勘院無錫石油地質(zhì)研究所實(shí)驗(yàn)研究中心完成，實(shí)驗(yàn)檢測儀器為D8 Advance，X射線衍射儀為YQ2-14-03。數(shù)據(jù)表中白云石含量包含鐵白云石，黃鐵礦含量包含赤鐵礦。

圖3 塔里木盆地順北地區(qū)中下奧陶統(tǒng)中方解石充填物陰極發(fā)光特征及裂隙交切關(guān)系

a-b.SP3井，鷹山組，7 540.95 m，早期成巖膠結(jié)方解石陰極不發(fā)光(藍(lán)色圈)，晚期方解石顆粒陰極發(fā)光橙紅色，早期方解石破裂縫中見一期瀝青充填(顆粒內(nèi)黃線)，陰極不發(fā)光或弱紅色(C1、C2)；c-d.S2井，鷹山組，7 524.00 m，泥晶灰?guī)r，早期成巖方解石陰極不發(fā)光，被一期破裂縫切割，縫中充填一期陰極發(fā)光為橙紅色的早期瀝青(藍(lán)色線條)；e-f.SP3井，一間房組，7 433.17 m，泥晶灰?guī)r，可見兩期次方解石，早期陰極不發(fā)光(藍(lán)色線條)，顆粒內(nèi)有破裂縫并被早期橙紅色陰極發(fā)光特征瀝青充填(粉色線條)，第二期方解石橙黃色陰極發(fā)光(黑色線條)，與早期方解石線接觸，顆粒間縫有亮黃色晚期瀝青充填(綠色線條)，局部存在埋藏期外源流體改造形成亮黃色方解石(紫色箭頭)；g-h.S1-7井，一間房組，7 437.35 m，晚期方解石顆粒陰極發(fā)光橙紅色(黑色圈)，可見晚期構(gòu)造破裂縫發(fā)育在顆粒內(nèi)部或貫穿顆粒(綠色線條)，構(gòu)造節(jié)理縫被亮黃色晚期瀝青充填 C1.第一期早期不發(fā)陰極光方解石；C2.第二期不發(fā)陰極光方解石

Fig.3 Cathodoluminescence characteristics of calcite fillings and intersection relation between fractures, Middle and Lower Ordovician, northern Shuntuoguole area, Tarim Basin

3 樣品采集及分析測試

為明確不同產(chǎn)狀方解石元素地球化學(xué)特征并探討其地質(zhì)意義，本文選取主干斷裂帶、次級(jí)斷裂帶和主干與次級(jí)斷裂帶之間不同位置的6口典型取心井(圖1紅色標(biāo)記)，主要針對不同產(chǎn)狀方解石充填物開展原位微區(qū)地球化學(xué)分析測試。其中，高角度縫方解石樣品2個(gè)，水平縫方解石樣品1個(gè)，溶蝕孔洞方解石樣品3個(gè)(表2)。測試工作進(jìn)行前，首先將樣品微區(qū)靶片進(jìn)行高清2D全景顯微鏡掃描，通過對方解石充填物全脈體(溶蝕孔洞)進(jìn)行微區(qū)陰極發(fā)光掃描和不同期次方解石點(diǎn)位的電子標(biāo)定，確定不同期次方解石顆粒靶位，利用LA-ICP-MS對標(biāo)定點(diǎn)位進(jìn)行原位顆粒稀土元素和微量元素分析測試。

樣品測試在中國石化石勘院無錫石油地質(zhì)研究所實(shí)驗(yàn)研究中心完成，實(shí)驗(yàn)儀器ICP-MS X-Ⅱ型，激光波長193 nm，束斑直徑為35 μm，剝蝕長度200 μm，激光能量密度為2.86 J/cm2，頻率8 Hz，預(yù)剝蝕時(shí)間24 s，元素含量碳酸鹽巖標(biāo)樣MACS-3為內(nèi)標(biāo)，NIST612作為監(jiān)控盲樣。

4 測試結(jié)果

4.1 稀土元素

對6個(gè)樣品中標(biāo)定的19個(gè)不同期次方解石和附近圍巖顆粒利用LA—ICP—MS進(jìn)行原位稀土元素測試，部分結(jié)果見表2。研究區(qū)單礦物方解石樣品的稀土元素總量(ΣREE)較低，為0.735～24.538 μg/g，平均為4.963 μg/g。胡文瑄等[19]總結(jié)了不同流體作用下白云巖的稀土元素判別模式，認(rèn)為未受黏土等雜質(zhì)影響的白云巖ΣREE一般為1～30 μg/g，反之會(huì)使ΣREE明顯偏高。結(jié)合研究區(qū)方解石ΣREE值認(rèn)為，順北地區(qū)方解石充填物樣品基本未受其他雜質(zhì)礦物的影響，且稀土元素表現(xiàn)為輕稀土元素含量較高和重稀土含量較低的右傾型配分模式(圖4)。

Nd/Yb比值是判定輕、重稀土元素相對富集程度的參數(shù)[20]，研究區(qū)樣品平均Nd/Yb值達(dá)39.05，表明其輕稀土元素明顯富集，而重稀土元素相對虧損，輕、重稀土元素具有明顯分異。變價(jià)元素Ce和Eu容易隨物理化學(xué)條件的變化而與稀土元素分離呈現(xiàn)出異常特征，能有效指示沉積物形成時(shí)的氧化還原狀態(tài)[21-22]。其中，Ce常與其他三價(jià)元素發(fā)生分餾，在氧化條件下，常使成巖流體呈現(xiàn)出Ce負(fù)異常特征。Eu異常主要與Eu在不同環(huán)境下的地球化學(xué)行為有關(guān)。在常溫常壓下，除極度還原環(huán)境外，溶液中的Eu主要以Eu3+形式存在[23]，而當(dāng)溫度足夠高的時(shí)候，流體中的Eu主要以Eu2+形式存在，從而與其他稀土元素發(fā)生分異[24-25]。將樣品數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后進(jìn)行δEu和δCe投點(diǎn)(圖5)，可以看出樣品具有輕微正Ce異常(δCe平均值1.064)和明顯正Eu異常(δEu平均值1.393)，表明儲(chǔ)集體經(jīng)歷過熱液流體改造且成巖過程發(fā)生于相對封閉的還原環(huán)境中。

表2 塔里木盆地順北地區(qū)中下奧陶統(tǒng)中不同陰極發(fā)光的方解石顆粒原位稀土元素部分測試結(jié)果
Table 2 In situ REE measurement of calcite particles with different cathodoluminescence,Middle and Lower Ordovician, northern Shuntuoguole area, Tarim Basinμg/g

取心井及樣品編號(hào)儲(chǔ)集空間類型陰極點(diǎn)位LaCePrNdSmEuGdYbΣREELREE/HREENd/YbSP2井WQ-07SP3井WQ-15SP3井WQ-20SP1井WQ-16Z1井WQ-21S5井WQ-33高角度裂縫水平裂縫溶蝕孔洞不發(fā)光0.2300.02930.1320.0260.0040.0140.0240.0070.7351.4313.17橙紅色0.7910.0280.1310.0180.0030.0260.0350.0071.0280.6312.57圍巖0.9330.1080.6060.1070.0120.0650.0810.0213.2481.2925.09不發(fā)光0.3570.0560.2310.0450.0070.0550.0370.0121.0492.5093.75橙紅色0.9450.1590.6630.1310.0110.1380.1120.0092.6193.57914.60亮黃色1.1040.1540.7700.0710.0300.1320.1110.0072.7724.41810.14圍巖1.1110.1560.8370.1410.0260.1410.1520.0093.1113.45015.67橙紅色2.0000.3892.0000.3980.0880.5020.6100.0117.0313.25136.18亮黃色3.8500.6903.3000.7100.1400.8700.7900.00911.9793.95278.89圍巖5.9901.0505.3100.8400.1600.9100.8000.01116.9505.30176.40不發(fā)光0.3830.0380.2380.0570.0140.0330.0180.0090.9763.2886.33橙紅色0.4030.0400.2020.0300.0050.0610.0330.0101.0332.5343.00圍巖0.6750.1020.5510.0450.0270.0800.0670.0131.7675.1643.46橙紅色4.7401.1125.4602.3400.5322.9902.5500.00624.5382.332390.00圍巖0.1680.0320.1350.0280.0090.0200.0270.0071.6730.3074.00不發(fā)光0.7170.9830.1220.4390.1040.0230.1020.0042.6558.9519.75橙紅色1.0350.1380.7060.1090.0290.1140.1020.0072.7863.25415.57圍巖1.3500.1880.8790.1430.0290.1130.1050.0063.3853.95923.80

注：不發(fā)光為早期方解石，橙紅色和亮黃色為晚期方解石；ΣREE為稀土元素總量，LREE/HREE為輕重稀土分異值。實(shí)驗(yàn)測試在中國石化石勘院無錫石油地質(zhì)研究所實(shí)驗(yàn)研究中心完成。

圖4 塔里木盆地順北地區(qū)中下奧陶統(tǒng)縫洞充填物方解石顆粒原位稀土元素含量分布Fig.4 In situ REE contents in calcite particles filled in fractures and vugs, Middle and Lower Ordovician, northern Shuntuoguole area, Tarim Basin

4.2 微量元素

對19個(gè)標(biāo)定的不同期次的方解石顆粒利用LA—ICP—MS測試微量元素，部分測試結(jié)果見表3。研究區(qū)樣品中Sc含量為0.098～1.870 μg/g，平均0.259 μg/g，Th含量為0.004～0.79 μg/g，平均0.185 μg/g，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于上地殼中含量[26](Sc≈14.9 μg/g，Th≈2.3 μg/g)，表明研究區(qū)樣品基本未受陸源沉積物的影響。根據(jù)前人的研究，U/Th值是用來判識(shí)碳酸鹽巖氧化還原環(huán)境常用的地球化學(xué)指標(biāo)，高U/Th值(>1.25)往往指示還原環(huán)境，低U/Th值(<0.75)指示氧化環(huán)境[27]。研究區(qū)方解石U/Th值為0.44～4.91，平均值1.59，其中改造較強(qiáng)的方解石顆粒U/Th值較高，不發(fā)光和改造較弱的方解石顆粒U/Th值為0.4～2.6，表明研究區(qū)方解石主要形成于相對還原的成巖環(huán)境中。Co在氧化環(huán)境中以Co2+形式溶于海水中，在缺氧環(huán)境下形成不溶的CoS，并以固態(tài)形式進(jìn)入黃鐵礦[28]；Ni在氧化性質(zhì)的海洋環(huán)境中以Ni2+、NiCl和可溶的NiCO3形式存在，在還原環(huán)境下Ni會(huì)釋放并進(jìn)入海水或孔隙水[29]。上述元素均會(huì)在還原環(huán)境海相沉積物中富集，用來指示碳酸鹽巖氧化還原環(huán)境，一般來說，Ni/Co<5指示氧化環(huán)境，Ni/Co>7指示還原環(huán)境[30]。研究區(qū)方解石Ni/Co值為1.06～17.92，(表3)平均值7.46，也指示方解石主要形成于還原環(huán)境中。

圖5 塔里木盆地順北地區(qū)中下奧陶統(tǒng)縫洞充填物方解石標(biāo)準(zhǔn)化δEu和δCe交會(huì)圖

δCe=Ce/Ce*=2CeSW/(LaSW+PrSW)，δEu=Eu/Eu*=2EuSW/(SmSW+GdSW)，CeSW、LaSW、PrSW、EuSW、SmSW和GdSW分別為該元素實(shí)測值海水標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值，海水稀土含量參見文獻(xiàn)[25]。

Fig.5 StandardizedδEu andδCe correlation of calcite particles filled in fractures and vugs, Middle and Lower Ordovician, northern Shuntuoguole area, Tarim Basin

碳酸鹽巖中微量元素含量和特定某些元素的比值已經(jīng)在判識(shí)古氣候和古環(huán)境方面得到廣泛的應(yīng)用，但控制和影響碳酸鹽巖中微量元素分布的因素十分復(fù)雜，單一的元素含量或某幾個(gè)元素比值并不能真實(shí)地反映沉積環(huán)境信息，需要進(jìn)行多參數(shù)的聯(lián)合校驗(yàn)[31]。本文主要選取了Sr/Ba、Sr/Cu值2種常用的碳酸鹽巖沉積環(huán)境判別環(huán)境參數(shù)開展研究。黃思靜等[32]認(rèn)為，能較好代表均一化海水樣品的Sr含量下限值為200 μg/g，研究區(qū)樣品Sr含量為49.38～340.67 μg/g(表3)，平均值197.65 μg/g，與前人研究結(jié)果基本一致，表明研究區(qū)方解石主要為海相沉積成因。史忠生等[33]提出Sr、Ba的沉積主要與蒸發(fā)作用有關(guān)，沉積物中的Sr、Ba總含量以及Sr/Ba值在一定程度上能夠反映沉積區(qū)古氣候環(huán)境信息，其大小還可反映成巖流體的鹽度。通常認(rèn)為Sr/Ba>1為海相沉積，Sr/Ba<1為陸相沉積[34]，且Sr/Ba比值越大，海水鹽度越高。研究區(qū)方解石Sr/Ba值為32.61～1 543.30(表3)，平均449.16，顯示出高度咸化條件下的海相沉積特征。此外，Sr/Cu值也常被用來指示碳酸鹽巖沉積時(shí)期古氣候信息，一般認(rèn)為Sr/Cu值介于1.3～5.0指示潮濕氣候，而大于5.0則指示干旱氣候[35]。研究區(qū)方解石顆粒Sr/Cu值普遍很高，為143.6～2 271.6(表3)，平均487.9，反映出方解石形成時(shí)期研究區(qū)氣候異常干旱。

表3 塔里木盆地順北地區(qū)中下奧陶統(tǒng)中不同陰極發(fā)光的方解石顆粒原位微量元素部分測試結(jié)果
Table 3 In situ REE measurement of calcite particles with different cathodoluminescence,Middle and Lower Ordovician, northern Shuntuoguole area, Tarim Basinμg/g

取心井及樣品編號(hào)儲(chǔ)集空間類型陰極點(diǎn)位ScThSrFeMnSr/CuSr/BaFe/MnNi/CoU/ThSP2井WQ-07SP3井WQ-15S3井WQ-20SP1井WQ-16Z1井WQ-21S5井WQ-33高角度裂縫水平裂縫溶蝕孔洞不發(fā)光0.1000.12749.3886.075.66143.6645.5715.201.060.698橙紅色0.0980.155102.5389.744.88353.6293.7818.384.131.274圍巖0.1280.320301.091124.206.02149.1538.62186.7412.651.349不發(fā)光0.1640.008108.9991.4730.80681.2471.812.9710.380.720橙紅色0.1270.008146.8990.9825.88299.2246.453.511.341.231亮黃色0.1580.006157.52118.7744.69189.3199.862.651.431.596圍巖0.2180.320300.56336.4917.45816.7417.4019.289.751.608橙紅色0.1170.300247.25218.2944.46802.864.384.905.920.740亮黃色0.1970.240238.19200.8451.72524.689.883.885.642.650圍巖0.4960.790340.671661.0565.40295.442.5325.306.133.840不發(fā)光0.1310.150151.02111.378.90287.1715.7312.5017.920.443橙紅色0.1250.096164.6195.409.88216.61151.109.6510.731.143圍巖0.1470.380132.94157.888.91805.7596.1417.700.811.211橙紅色1.8700.025310.812601.67161.04186.1296.0016.1516.720.970圍巖0.1340.054313.4896.633.102271.61543.3031.177.081.050不發(fā)光0.1470.02463.1461.8310.05175.932.616.157.100.492橙紅色0.1320.004137.5730.1319.28253.2416.581.566.922.610圍巖0.1640.320290.96150.3911.21329.9322.9313.408.574.910

通過對19個(gè)不同陰極特征方解石和圍巖顆粒點(diǎn)位的Fe、Mn微量元素地球化學(xué)特征進(jìn)行分析(表3)，除ZT1井WQ-21號(hào)樣品外，其余井區(qū)方解石顆粒具有較低的Fe和Mn含量，F(xiàn)e含量為30.13～218.29 μg/g，平均108.63 μg/g；Mn含量為4.88～51.72 μg/g，平均23.29 μg/g。圍巖具有高Fe含量和較低Mn含量，F(xiàn)e含量為150.39～1 661.05 μg/g，平均686 μg/g；Mn含量為6.02～65.4 μg/g，平均21.8 μg/g。ZT1井WQ-21號(hào)樣品方解石顆粒具有最高的Fe和Mn含量，而圍巖點(diǎn)位Fe和Mn含量比其余樣品均低，分別僅為96.63 μg/g和3.10 μg/g。

5 討論

5.1 稀土元素來源及受控因素

近年來，稀土元素地球化學(xué)特征在研究碳酸鹽巖物源、形成環(huán)境和流體來源方面取得重要進(jìn)展[36-38]。前人研究表明，與含水溶液達(dá)到平衡的礦物將繼承其沉淀的母溶液或圍巖的稀土元素組成特征，即沉積物的稀土元素組成主要取決于沉淀時(shí)流體或圍巖稀土元素組成特征[20]。研究區(qū)除ZT1井WQ-21號(hào)樣品外，其余所有井區(qū)樣品均具有附近圍巖稀土元素總量大于方解石充填物稀土元素總量的特征(表2)，指示該區(qū)原始沉積圍巖內(nèi)稀土元素富集。為進(jìn)一步明確樣品差異性原因和方解石顆粒稀土元素來源，對ZT1井WQ-21號(hào)樣品進(jìn)行重點(diǎn)剖析。巖心觀察發(fā)現(xiàn)，ZT1井WQ-21號(hào)樣品充填物為大塊方解石晶簇，與其他井區(qū)充填物富集特征差異明顯，指示經(jīng)歷流體改造較強(qiáng)，且方解石生長空間大，流體改造時(shí)間長，具備元素進(jìn)入方解石晶格的條件。從WQ-21號(hào)樣品REE配分來看(圖6a)，除存在一定的Eu正異常外，與前人大氣水改造模式基本一致(圖6b)，而大氣水本身稀土元素含量非常低[39]，且大氣水富含CO2，可形成較低pH值的酸性環(huán)境，有利于稀土元素溶解，以絡(luò)合物或自由離子的形式遷移析出進(jìn)入膠結(jié)物晶格，造成巖石REE嚴(yán)重虧損，導(dǎo)致整體稀土元素總量很低。研究區(qū)Eu異常推測存在一期熱液流體改造。綜上所述，認(rèn)為WQ-21號(hào)樣品經(jīng)歷過大氣水的強(qiáng)烈改造，圍巖稀土元素貧化嚴(yán)重，而方解石稀土元素富集，其方解石顆粒中稀土元素繼承于附近圍巖，而非來源于地質(zhì)流體本身且受控于流體改造強(qiáng)度。

5.2 地質(zhì)流體來源

通過稀土元素配分模式進(jìn)行流體來源的示蹤是目前較為常用的一種手段。前人總結(jié)了不同流體作用下白云巖的稀土元素判別模式，認(rèn)為經(jīng)海水標(biāo)準(zhǔn)化后的海水來源白云巖的稀土元素特征表現(xiàn)為全巖ΣREE小于20 μg/g，具有一定程度的Ce正異常，輕稀土元素(LREE)稍富集以及重稀土元素(HREE)的配分曲線較為平坦的特征[19]。研究區(qū)方解石稀土元素配分模式特征與海源流體改造配分模式特征有較好的相似性，但均存在一定的Eu正異常。其中WQ-16號(hào)樣品Eu正異常最為顯著，WQ-21號(hào)樣品Eu正異常相對最弱，說明順北地區(qū)普遍遭受深部熱液作用影響，且WQ-16號(hào)和WQ-07號(hào)樣品受到熱液作用的改造可能更強(qiáng)。針對Eu正異常最為顯著的上述2口井進(jìn)行巖心系統(tǒng)觀察發(fā)現(xiàn)，局部發(fā)育條帶狀或團(tuán)塊狀硅質(zhì)巖。在對不同產(chǎn)狀的硅質(zhì)巖樣品進(jìn)行稀土元素測試后發(fā)現(xiàn)，其特征與方解石相似，ΣREE較低，為1.403～3.556 μg/g，平均為1.783 μg/g，Nd/Yb平均值為16.6，表明輕稀土元素明顯富集，而重稀土元素相對虧損，輕、重稀土分異明顯；且Eu存在明顯正異常，δEu平均值1.38，δCe平均值0.99。硅質(zhì)巖主要富集于裂縫和溶洞儲(chǔ)集空間，由此推斷這一期深部熱液流體可能為富硅熱液流體。

圖6 塔里木盆地順北地區(qū)中下奧陶統(tǒng)WQ-21號(hào)巖心樣品稀土元素配分與前人大氣水稀土元素配分對比Fig.6 Comparison of REE distribution of WQ-21 core sample and former atmospheric water modification, Middle and Lower Ordovician, northern Shuntuoguole area, Tarim Basin

研究發(fā)現(xiàn)，Sr/Ba最高值出現(xiàn)在WQ-21號(hào)樣品的基巖顆粒內(nèi)，平均1 543.3，而其方解石內(nèi)Sr/Ba平均值僅296(表3)，證實(shí)流體性質(zhì)存在變化，地質(zhì)流體鹽度變低，分析認(rèn)為是由于大氣淡水的混入導(dǎo)致流體鹽度的下降。從Fe/Mn值來看，圍巖普遍高于方解石顆粒，其他井區(qū)樣品方解石顆粒Fe/Mn值最低(表3)，說明沉積期研究區(qū)圍巖富含F(xiàn)e元素。由于WQ-21號(hào)樣品圍巖被改造程度最強(qiáng)且地質(zhì)流體為下滲大氣水富含F(xiàn)e，因此，導(dǎo)致形成的方解石繼承了圍巖的Fe元素。前人研究表明，大氣水淋濾會(huì)使Fe、Mn以高價(jià)狀態(tài)充填于巖石顆粒中，導(dǎo)致其含量增加[40]，據(jù)此推斷WQ-21號(hào)樣品方解石為大氣淡水成因，而其余樣品方解石均為地層水成因。此外，為進(jìn)一步聯(lián)合校驗(yàn)上述認(rèn)識(shí)，對6件樣品脈體(孔洞)內(nèi)方解石充填物顆粒進(jìn)行微鉆取樣開展Sr同位素測試分析。WQ-21號(hào)樣品的87Sr/86Sr值明顯高于其他樣品，為0.710 395，分析認(rèn)為正是由于該樣品受大氣淡水強(qiáng)烈改造，導(dǎo)致陸源Sr的混入，致使Sr同位素表現(xiàn)為高值；其余樣品87Sr/86Sr值為0.708 574～0.709 370，平均0.708 876，基本位于前人中奧陶世海水值范圍(0.708 505～0.708 988)[41]，這也與上述對于順北地區(qū)中下奧陶統(tǒng)地質(zhì)流體來源的認(rèn)識(shí)一致。此外，對6口典型取心井樣品稀土元素的平均值經(jīng)海水標(biāo)準(zhǔn)化處理后，建立了全井區(qū)不同期次方解石稀土元素配分曲線(圖7)，結(jié)果表明圍巖稀土元素含量較高，不同陰極發(fā)光特征的方解石顆粒點(diǎn)位稀土元素含量有所差異，但均具有相似的稀土元素配分曲線，且輕稀土元素相對于重稀土元素輕微富集。從圖7可以看出，受流體改造程度的不斷加強(qiáng)，沉積早期海水改造伴生的同期不發(fā)陰極光方解石，其稀土元素總量最低，沒有明顯Ce和Eu異常。沉積期后受斷裂活動(dòng)影響，開啟的斷裂通道可作為流體的運(yùn)移通道，利于外源流體(大氣淡水或富硅流體)沿?cái)嗔褞нM(jìn)入與地層水發(fā)生混合，對圍巖改造膠結(jié)后形成第二期橙紅色和亮黃色方解石，且從陰極發(fā)光特征統(tǒng)計(jì)來看，這一期方解石分布范圍最廣，是研究區(qū)主要的方解石成因類型。這期方解石稀土元素含量較早期方解石有所增加，ΣREE為1.028～11.979 μg/g，平均含量3.545 μg/g，結(jié)合上述改造越強(qiáng)、稀土元素總量越高的認(rèn)識(shí)，認(rèn)為地層水與外源流體的混合可使流體溶解度提高，致使圍巖持續(xù)溶解導(dǎo)致稀土元素從圍巖進(jìn)入方解石顆粒。此外，硅質(zhì)巖發(fā)育層段的方解石樣品(WQ-07和WQ-16)還呈現(xiàn)出明顯的正Eu異常和弱正Ce異常特征，表明富硅熱液流體活動(dòng)對于儲(chǔ)集空間也有一定的影響。結(jié)合地質(zhì)背景及上述地質(zhì)流體主要來源于地層海水改造的認(rèn)識(shí)，可以推斷，在斷裂發(fā)育的背景下，斷裂帶可以作為流體運(yùn)移通道，使地表或埋深流體對儲(chǔ)集體進(jìn)行改造。但稀土元素、微量元素以及Sr同位素測試結(jié)果表明，研究區(qū)僅WQ-21號(hào)樣品所在井區(qū)經(jīng)歷過大氣淡水改造，形成方解石晶簇，其余井區(qū)并未遭受大氣水改造；也就是說，可能受控于斷裂帶強(qiáng)度、斷開的層位以及流體飽和度的影響，上覆地層中的地質(zhì)流體不是研究區(qū)主要的地質(zhì)流體來源。綜上所述，研究區(qū)形成方解石的地質(zhì)流體主要來源于具有海水性質(zhì)的地層水，僅局部井區(qū)存在大氣水和富硅熱液流體與地層水的混源疊加改造。

圖7 塔里木盆地順北地區(qū)中下奧陶統(tǒng)不同期次方解石充填物稀土元素配分圖版Fig.7 REE partition plate of calcite fillings in different periods, Middle and Lower Ordovician, northern Shuntuoguole area, Tarim Basin

6 結(jié)論

(1)順北地區(qū)中下奧陶統(tǒng)儲(chǔ)集體巖性主要為泥晶灰?guī)r、砂屑泥晶灰?guī)r和泥晶砂屑灰?guī)r，含少量硅質(zhì)巖，白云巖不發(fā)育。儲(chǔ)集體類型主要為裂縫型和裂縫—孔洞型，裂縫是最主要的儲(chǔ)集空間但大多被充填，充填物類型包括方解石、瀝青和石英，其中方解石分布最為廣泛。

(2)方解石顆粒稀土元素總量較低、輕重稀土元素分異明顯且輕稀土元素相對重稀土元素富集，具有輕微正Ce異常和明顯正Eu異常。方解石顆粒中稀土元素主要繼承于附近原始沉積圍巖，但稀土元素含量及其分異程度受控于流體對圍巖的改造強(qiáng)度。

(3)順北地區(qū)中下奧陶統(tǒng)改造儲(chǔ)集體的地質(zhì)流體主要來源于干旱環(huán)境下具有高度咸化海水性質(zhì)的地層水，受斷裂活動(dòng)影響，外源流體可借助開啟裂縫進(jìn)入儲(chǔ)集體，導(dǎo)致研究區(qū)方解石具有多期次特征。但不同期次方解石具有基本一致的稀土元素配分特征，說明地層水是影響儲(chǔ)集體發(fā)育的關(guān)鍵因素之一。