盧 曦

1 大慶油田有限責(zé)任公司勘探開(kāi)發(fā)研究院；2 中國(guó)石油集團(tuán)碳酸鹽巖儲(chǔ)層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室大慶油田研究分室

0 前 言

硅化作用對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層的改造具有雙重性：一方面，硅化流體可以溶蝕碳酸鹽巖形成溶孔、溶洞，增大碳酸鹽巖的孔隙度，改善儲(chǔ)層；另一方面，硅化流體可以結(jié)晶充填于孔洞或裂縫之中，破壞儲(chǔ)層［1-3］。研究硅質(zhì)流體的類型及其對(duì)于碳酸鹽巖儲(chǔ)層的影響，對(duì)有效開(kāi)展與硅質(zhì)相關(guān)儲(chǔ)層的油氣勘探有重要意義。前人認(rèn)為塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖中發(fā)育有隱晶質(zhì)硅質(zhì)結(jié)核或硅質(zhì)條帶，它們通常是沉積形成的［4-6］。但是，在塔里木盆地古城地區(qū)上寒武統(tǒng)—下奧陶統(tǒng)并未見(jiàn)到明顯的硅質(zhì)沉積層，這表明該套地層沉積時(shí)期不存在富硅海水而形成廣泛沉積。并且根據(jù)薄片觀察，硅質(zhì)交代現(xiàn)象普遍發(fā)育，尤其是在后期溶蝕改造比較發(fā)育的白云巖中，溶蝕孔洞中常充填或者部分充填晶形較好的石英晶體，這種硅化現(xiàn)象推斷是熱液流體造成的，熱液流體會(huì)對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層產(chǎn)生不同程度的溶蝕改造作用。

本文通過(guò)普通薄片、鑄體薄片、流體包裹體均一溫度、硅氧同位素以及石英的元素組成等巖石學(xué)和地球化學(xué)分析測(cè)試（硅氧同位素分析在中國(guó)石油集團(tuán)杭州地質(zhì)研究所實(shí)驗(yàn)中心完成，其他在大慶油田勘探開(kāi)發(fā)研究院實(shí)驗(yàn)中心完成），總結(jié)了塔里木盆地古城地區(qū)下古生界碳酸鹽巖儲(chǔ)層中硅化作用的巖石學(xué)和地球化學(xué)特征，探討了硅化作用的成因及對(duì)儲(chǔ)層的改造作用，這對(duì)下一步開(kāi)展有利儲(chǔ)層及勘探區(qū)帶預(yù)測(cè)具有積極意義。

1 地質(zhì)概況

古城低凸起位于塔里木盆地中央隆起帶的中東部，西南部以塔中I號(hào)斷裂與塔中隆起相鄰，東部以上寒武統(tǒng)—中下奧陶統(tǒng)坡折帶與塔東隆起相接，北部與滿加爾凹陷毗鄰（圖1a）。古城低凸起為北西傾的下古生界大型寬緩鼻狀構(gòu)造，北東向斷裂發(fā)育（圖1b），呈現(xiàn)出塹壘相間的斷塊構(gòu)造格局。本文研究區(qū)古城地區(qū)位于古城低凸起東段，下古生界碳酸鹽巖地層主要包括寒武系和奧陶系蓬萊壩組、鷹山組（自上而下分為鷹一段—鷹四段）、一間房組，主要發(fā)育局限臺(tái)地—半局限臺(tái)地—開(kāi)闊臺(tái)地相的白云巖、灰質(zhì)白云巖及石灰?guī)r。受加里東中期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，一間房組頂部地層遭受一定程度的剝蝕。多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的疊加使得古城地區(qū)縱向上形成了多套儲(chǔ)蓋組合，它們與滿加爾凹陷的烴源巖供給相匹配，具備優(yōu)越的油氣成藏條件。

圖1 塔里木盆地古城地區(qū)地質(zhì)概況Fig.1 Geological overview of Gucheng area in Tarim Basin

2 硅化作用特征

2.1 微觀特征

基于古城地區(qū)10 口井（井位見(jiàn)圖1b）的薄片觀察，區(qū)內(nèi)硅化作用普遍發(fā)育。根據(jù)硅質(zhì)晶體形態(tài)特征，硅化作用可分為兩類：早期的隱晶硅質(zhì)對(duì)碳酸鹽巖的交代，晚期的石英充填。

2.1.1 早期的隱晶硅質(zhì)對(duì)碳酸鹽巖的交代

據(jù)鏡下觀察，隱晶硅質(zhì)對(duì)碳酸鹽巖的交代現(xiàn)象具有2 種存在形式：①局部交代。在白云巖中主要發(fā)育于細(xì)中晶白云巖中，表現(xiàn)為在白云石晶間交代或沿裂縫充填并對(duì)圍巖溶蝕交代，可見(jiàn)硅質(zhì)重結(jié)晶成為微晶石英顆粒，被隱晶硅質(zhì)包圍（圖2a，2b）；在灰?guī)r中表現(xiàn)為沿通道（裂縫，孔洞）侵入式溶蝕并交代（圖2c），伴隨著流體中離子濃度、飽和度的升高，溶蝕能力降低。②大面積交代。表現(xiàn)為對(duì)圍巖進(jìn)行溶蝕并交代，單偏光下常見(jiàn)顆粒殘余結(jié)構(gòu)（圖2d），在白云巖硅質(zhì)之中還常見(jiàn)細(xì)—中晶自形白云石以及具有溶蝕邊緣的他形殘余白云石（圖2e，2f）。

圖2 古城地區(qū)下古生界碳酸鹽巖隱晶硅質(zhì)交代特征（普通薄片，單偏光）Fig.2 Microscopic characteristics of cryptocrystalline siliceous metasomatism of the Lower Paleozoic carbonate rocks in Gucheng area(ordinary thin section,single polarized light)

2.1.2 晚期的石英充填及溶蝕

石英充填普遍晚于隱晶硅質(zhì)交代。這可能是晶體成因的約束造成石英顆粒結(jié)晶較慢，也可能是由于晚期硅質(zhì)流體濃度與溫度降低導(dǎo)致硅質(zhì)流體普遍結(jié)晶為石英晶體。根據(jù)結(jié)晶空間位置的不同，石英晶體主要有2種發(fā)育形式（圖3）：①發(fā)育于裂縫之間（圖3a），晶形一般為細(xì)—中晶，第1期沿圍巖發(fā)育馬牙狀、櫛殼狀石英，第2期為長(zhǎng)條狀、柱狀石英，有時(shí)見(jiàn)第3期晶粒狀石英，為鑲嵌狀接觸；②主要充填于白云巖晶間孔洞（圖3b），有時(shí)見(jiàn)明顯的溶蝕現(xiàn)象。

圖3 古城地區(qū)下古生界石英充填特征Fig.3 Microscopic characteristics of quartz filling of Lower Paleozoic in Gucheng area

2.2 宏觀分布

基于薄片觀察結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析，研究區(qū)下古生界硅化現(xiàn)象橫向上在各個(gè)井均有發(fā)育，縱向上主要發(fā)育于寒武系、奧陶系蓬萊壩組和鷹四段、鷹三段（圖4）。

圖4 古城地區(qū)硅化作用分布連井對(duì)比Fig.4 Inter-well correlation section of silicification distribution in Gucheng area

3 硅質(zhì)流體性質(zhì)探討

對(duì)古城地區(qū)巖心硅質(zhì)巖樣品和縫洞內(nèi)充填的石英樣品進(jìn)行流體包裹體均一溫度、主微量元素測(cè)試分析，結(jié)果表明硅質(zhì)來(lái)源為巖漿熱液流體，進(jìn)一步結(jié)合硅氧同位素特征，判斷硅質(zhì)流體應(yīng)為酸性巖漿熱液。

3.1 流體包裹體均一溫度

如前所述，古城地區(qū)自生石英充填孔洞的現(xiàn)象很常見(jiàn)，特別是在蓬萊壩組中可見(jiàn)大量石英充填裂縫或孔洞，有些石英甚至呈櫛殼狀、環(huán)帶狀將縫洞空間全部充填。石英中的包裹體均一溫度分布在121~206 ℃之間（表1），主要集中在150~175 ℃范圍。這一均一溫度范圍與指示熱液成巖環(huán)境的鞍狀白云石的成巖溫度(100~180 ℃)相當(dāng)［7］，結(jié)合塔里木盆地?zé)崾费芯浚?］,認(rèn)為沉淀形成石英的流體應(yīng)該是巖漿熱液流體，而不是地層內(nèi)部的地層水［9］。

表1 古城地區(qū)流體包裹體均一溫度數(shù)據(jù)Table 1 Homogenization temperature data of fluid inclusions in Gucheng area

3.2 主微量元素

硅質(zhì)巖的主微量元素含量和富集特征，是判斷硅質(zhì)來(lái)源及成因最有效的地球化學(xué)手段之一［7，10］。熱液硅質(zhì)通常以Fe、Al、Mn 三端元含量中Fe 的相對(duì)百分含量較高為特征，這種方法應(yīng)用較為廣泛［11-15］。

對(duì)研究區(qū)不同產(chǎn)狀的硅質(zhì)進(jìn)行主微量元素測(cè)試分析，將Fe、Al、Mn 的相對(duì)百分含量投影到三角圖（圖5）上，由圖可見(jiàn)：區(qū)內(nèi)硅質(zhì)主微量元素多以Fe、Mn 的相對(duì)百分含量高，Al 的相對(duì)百分含量低為特征，結(jié)合石英包裹體均一溫度范圍，綜合判斷硅質(zhì)流體主要為后期活動(dòng)的熱液。

圖5 古城地區(qū)下古生界硅質(zhì)樣品主微量元素Fe、Mn、Al三端元圖（成因解釋模式據(jù)文獻(xiàn)［11］）Fig.5 Ternary diagram of major and trace elements of Fe,Mn and Al in Lower Paleozoic siliceous samples in Gucheng area(origin model from reference［11］)

3.3 硅氧同位素

交代成因硅質(zhì)巖的δ30Si 值可達(dá)2.4‰~3.8‰［16］，熱液結(jié)晶石英的δ30Si值一般在-2.1‰~0‰之間［17-20］。δ30Si 值的明顯變化，通常取決于白云巖在被硅質(zhì)交代過(guò)程中硅同位素的變化，其反應(yīng)機(jī)理如下［21］：

這種由H4SiO4組成的硅酸往往溶蝕能力更強(qiáng)，通過(guò)對(duì)白云巖的交代使得δ30Si 值升高。古城地區(qū)硅質(zhì)樣品δ18O 值在12.7‰~27.9‰之間，δ30Si 值在0.1‰~3.6‰之間，大部分在2‰~3.6‰之間（圖6）。這種偏重的硅同位素組成往往反映交代作用成因。根據(jù)硅質(zhì)流體氧同位素的計(jì)算公式［22］：

圖6 古城地區(qū)下古生界硅質(zhì)樣品硅氧同位素分布圖Fig.6 Diagram of silicon,oxygen isotope distribution of Lower Paleozoic siliceous samples in Gucheng area

式中：δ18O硅質(zhì)巖為硅質(zhì)巖的氧同位素組成，‰；δ18O水為流體的氧同位素組成，‰；T為熱力學(xué)溫度，℃，古城地區(qū)石英樣品的平均均一溫度為170 ℃。由古城地區(qū)實(shí)測(cè)的硅質(zhì)巖氧同位素組成的數(shù)值范圍，根據(jù)上述（1）式可相應(yīng)求得交代流體的δ18O 值為8.23‰~12.65‰，其遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于早古生代海水（-8.9‰），與中—酸性巖漿水的δ18O［21］基本相當(dāng)。因此，認(rèn)為古城地區(qū)下古生界碳酸鹽巖中的隱晶硅質(zhì)、自生石英的形成與中—酸性巖漿水相關(guān)。

4 硅化作用對(duì)儲(chǔ)層的控制

薄片觀察發(fā)現(xiàn)，古城地區(qū)早期的隱晶硅質(zhì)大多充填孔隙或者大面積交代原巖（圖2d），應(yīng)為高溫高鹽度流體的產(chǎn)物，其發(fā)育部位未見(jiàn)明顯孔隙，可見(jiàn)對(duì)儲(chǔ)層沒(méi)有明顯改善。同時(shí)，硅化作用使巖石本身的抗壓、抗風(fēng)化能力增強(qiáng)，使得巖石不易發(fā)生破裂和溶蝕作用，不利于產(chǎn)生新的儲(chǔ)集空間。因此，早期的隱晶硅質(zhì)交代作用對(duì)儲(chǔ)集空間的發(fā)育具有破壞作用［3］。

晚期的自生石英往往代表酸性流體的產(chǎn)物。這種酸性熱液對(duì)碳酸鹽礦物產(chǎn)生顯著的溶蝕，形成溶蝕孔洞、溶蝕縫；隨著硅質(zhì)流體濃度的降低，在孔隙空間充足的部位，硅質(zhì)開(kāi)始緩慢結(jié)晶形成石英（圖3b）。晚期的硅化作用對(duì)儲(chǔ)層起到了一定的建設(shè)作用。從古城地區(qū)硅化作用發(fā)育的層位看（圖4），寒武系和鷹三段晚期的硅化作用相對(duì)較發(fā)育，可能對(duì)儲(chǔ)層物性的改善程度較高；而蓬萊壩組、鷹四段以早期的硅化作用為主，儲(chǔ)層改善相對(duì)較弱。

5 結(jié) 論

（1）塔里木盆地古城地區(qū)下古生界硅化現(xiàn)象主要發(fā)育于寒武系，奧陶系蓬萊壩組、鷹山組三段—四段和一間房組，表現(xiàn)為2種形式：一種以隱晶硅質(zhì)交代碳酸鹽巖并充填孔隙；另一種以自生石英的方式充填孔洞，晚于隱晶硅質(zhì)發(fā)育，有時(shí)見(jiàn)明顯的溶蝕現(xiàn)象。

（2）硅質(zhì)流體包裹體均一溫度范圍為121~206℃，主要集中在150~175℃之間；硅質(zhì)的主微量元素的相對(duì)百分含量表現(xiàn)為高Fe、Mn，低Al 的特征；硅 質(zhì) 的δ30Si‰值 在0.1‰~3.6‰ 之 間，δ18O 值 在12.7‰~27.9‰之間，計(jì)算得到硅質(zhì)交代流體的δ18O值在8.23‰~12.65‰之間，與中—酸性巖漿水的δ18O 相當(dāng)。綜合分析認(rèn)為，研究區(qū)下古生界硅化作用的流體來(lái)源為中—酸性巖漿熱液。

（3）早期的隱晶硅質(zhì)大多充填孔隙或者大面積交代原巖，對(duì)儲(chǔ)層性能未見(jiàn)明顯改善；晚期的自生石英代表了酸性流體背景下的產(chǎn)物，這類流體對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層起到了一定的建設(shè)作用。早期硅化作用主要發(fā)育于寒武系、奧陶系蓬萊壩組和鷹四段、鷹三段，而晚期硅化作用主要發(fā)育于寒武系和鷹三段。相對(duì)而言，硅化作用對(duì)寒武系和鷹三段儲(chǔ)層的改善更大一些。