塔里木盆地西北缘奥陶系露头中的钙华特征及其石油地质意义

牛永斌,钟建华,王培俊,陈 鑫,李 佳

(1.中国石油大学地球资源与信息学院,山东青岛 266555;2.河南省生物遗迹与成矿过程重点实验室,河南焦作 454003)

塔里木盆地西北缘奥陶系露头中的钙华特征及其石油地质意义

牛永斌1,2,钟建华1,王培俊1,陈 鑫1,李 佳1

(1.中国石油大学地球资源与信息学院,山东青岛 266555;2.河南省生物遗迹与成矿过程重点实验室,河南焦作 454003)

依据野外观测,利用岩石切片、薄片鉴定和孔隙度与渗透率测试等分析手段,对塔里木盆地西北缘巴楚五道班和柯坪硫磺沟两处奥陶系露头中钙华沉积进行研究,并应用地貌学和岩溶动力学对这些钙华成因进行分析。结果表明:这些钙华沉积具有较高的孔隙度和渗透率,可作为一种优质储层;巴楚五道班奥陶系钙华沉积成因为富含 CO2的大气淡水溶蚀灰岩,在地下形成暗河,在暗河出口处的沼泽地带,由于压力下降,温度上升,造成岩溶水中 CO2逸出,CaCO3大量沉淀形成钙华;柯坪硫磺沟奥陶系钙华沉积的成因为裂缝溶蚀扩大形成溶洞,然后由钙华沉积物分期沉淀而成。

塔里木盆地;奥陶系;钙华沉积;碳酸盐岩;古岩溶

钙华又称石灰华,是在地表由泉、河、湖水沉积形成的大孔隙次生碳酸钙,一般具有多孔隙的海绵状结构以及薄层壳状、块状构造[1]。其成因是由于岩溶地区的地下水或地表水在适宜的环境下(且往往是在植物作用影响下)碳酸钙过饱和沉积形成[2-6]。它作为一种旅游景观前人进行过大量的研究[7-9],但是在石油地质上把它作为储集油气的空间进行研究国内还未见相关成果报道。笔者在 2009年 5—8月对塔里木盆地西北缘奥陶系露头碳酸盐岩地层考察时,在巴楚五道班和柯坪硫磺沟两处露头中发现大量的钙华沉积,这些钙华沉积疏松多孔,局部见油气充注或过油现象,可作为一种优质储层。因此,笔者依据野外观测,利用岩石切片、薄片鉴定和孔隙度与渗透率测试等分析手段对两处钙华沉积特征及其石油地质意义进行研究。

1 区域地质概况

图 1 研究区位置图Fig.1 Location of research area

研究区位于塔里木盆地的西北缘巴楚 -柯坪县境内(图 1)。五道班钙华沉积剖面位于巴楚县西北、三岔口西约 35 km处,构造位置位于柯坪塔格断隆与皮羌断裂的交汇处[10-12]。五道班奥陶系出露地层包括下奥陶统的蓬莱坝组、中 -下奥陶统的鹰山组、一间房组和上奥陶统的土木休克组与良里塔格组,钙华沉积位于中 -下奥陶统的鹰山组(图 2),厚约为 20～30 m。柯坪硫磺沟奥陶系钙华沉积剖面位于柯坪县西南 57 km处,构造位置位于柯坪塔格断隆与乔来买提断裂的交汇处[13-14],奥陶系出露地层主要是中奥陶统的一间房组、上奥陶统土木休克组和良里塔格组,钙华沉积属于中奥陶统的一间房组,厚度为 2～4.8 m。

2 钙华特征

2.1 钙华的产出特征

研究区内钙华沉积矿物成分主要为方解石,占90%以上。从钙华沉积侧向过渡为碎屑沉积,碎屑沉积物多为石英质碎屑岩类。钙华沉积多呈灰白色、土黄色。由于钙华沉积形成后长期暴露于空气中,其中所含的铁、锰元素及有机质发生氧化,使其表面出现黑色或红褐色斑块。钙华沉积体形态奇异多变,根据钙华沉积体的形态特征归纳为 6种类型:①层状/似层状钙华(图 3(a));②海绵状钙华 (图 3(b),(c));③钟乳石状钙华 (图 3(d));④钙质包壳钙华 (图 3 (e));⑤豆荚状/长条状钙华 (图 3(f),(g));⑥砂糖状钙华(图 3(h))。各类钙华特征描述见表 1。

表1 五道班 柯坪硫磺沟奥陶系钙华特征Table 1 Characteristics of Ordovician tufa in the fifth track and sulfur gulch

2.2 钙华的孔隙特征

从研究区野外露头照片和各类钙华的室内岩石切片照片 (图 3(a),(b),(c),(e),(i),(j),(k), (l))上可以看出钙华沉积体内孔隙发育 (占岩石总体积的 10%～30%),且大小不等,具有较强的连通性。图 3(a),(b),(c),(d),(e),(h),(i),(j), (k),(l)为五道班钙华,(f),(g)为硫磺沟钙华。依据孔隙大小可以分为 5个等级,即微型孔、小型孔、中型孔、大型孔和超大型孔[15];各类孔隙的分类标准及所占比例统计见表示。由表 2可知,钙华沉积体孔隙数量上虽然以微型为主,但是在孔隙体积上以中小型孔隙所占比例最大,这些孔隙有原始残留孔隙和后期的溶蚀孔隙,特别是原生残留孔隙相当发育。

图 2 巴楚地区五道班剖面奥陶系鹰山组综合柱状图Fig.2 Section synthetic column of Y ingshan formation of Ordovician beside the fifth track in Bachu county

从图 3(i)～(l)所示的岩石切片可发现占孔隙体积最多的中型、大型和超大型孔洞多呈不规则的扁球状,长轴方向多近平行于层面,推测多为原生残留孔隙在压实作用下变形而成和顺层溶蚀形成的孔隙,孔洞内偶见后期充填的碎屑颗粒。此外野外和室内标本观察都发现钙华沉积体有灰色或灰黑色砾灰岩呈点接触或线接触后被钙质胶结而成。钙质胶结物发生重结晶,长柱状方解石晶体交织生长形成空洞构造,孔洞内方解石晶体长度为 3～8 mm,孔洞间具有较好的连通性。

表 2 研究区奥陶系钙华孔隙分类Table 2 Classification of Ordovician tufa pore in research area

钙华中的小型和微型孔隙要在显微镜下才能观察到。图 4((a),(b),(c),(d),(e),(f),(h),(i)为五道班钙华,(g)为硫磺沟钙华)所示为偏光显微镜下观察到的各类钙华孔隙特征。层状/似层状钙华和海绵状钙华沉积具有以下特征:①钙华沉积残留孔隙发育,孔隙内常见石英或其他碎屑颗粒,薄片上表现为被铸体胶或沥青充填 (图 4(a),(b), (c));②沉积残留孔周围藻丝体发育 (推测为一种丝藻)(图 4(d),(e),(f)),它与沉积残留孔的形成密切相关;③沉积残留孔壁由硬质方解石晶体构成,晶体直径为 0.02～0.2 mm,易被茜素红染成红色,见聚片双晶条纹,为细 -中晶方解石 (图 4(a))。钟乳石钙华、豆荚状钙华和砂糖状钙华沉积晶间裂隙也较发育,且裂隙间相互交织成网状具有很好的连通性,在节点处溶蚀扩大成囊状,薄片上多被固体胶或沥青充填(图 4(g),(h),(i))。

图3 五道班 柯坪硫磺沟奥陶系钙华露头和岩石切片特征Fig.3 Characteristics of outcrop and rock slice of Ordovician tufa from the fifth track and Keping sulfur gulch

2.3 钙华的成因探讨

前人对钙华沉积的成因进行过大量研究,提出2种成因(冷成因和热成因),4种沉积模式 (泉水、河流障、湖泊和沼泽沉积)和 5种地质影响因素(气候、地质地貌、水文地质条件、水体物理化学性质和生物)。2种成因的实质是针对钙华沉积中所需CO2的来源:冷成因论者认为钙华沉积系统中的CO2来源于高寒冷成因的 CO2气源,也就是气候成因;热成因论者认为钙华沉积系统中 CO2来源于地壳深部的 CO2气源,也称为内生成因。4种沉积模式说明了形成钙华的地理位置和沉积环境密切相关,同时受到多种沉积因素的影响。在多种地质因素的共同作用下决定了钙华沉积的最终面貌[1-9]。

塔里木盆地西北缘在奥陶纪位于北纬 10°附近,古气候以温暖潮湿的热带气候为主,有时与干旱、半干旱的热带、亚热带气候交替出现。研究区奥陶系钙华分布区基岩多为碳酸盐岩类,构造运动和岩溶作用强烈,断裂较发育。这为岩溶水提供了良好的径流通道,而且为钙华的形成提供了物质基础。

笔者通过对巴楚五道班奥陶系的钙华沉积研究分析认为它属于冷成因钙华,所需 CO2的来源主要是大气淡水。它的沉积模式不能简单用前人总结的泉水、河流障、湖泊和沼泽沉积 4种沉积模式中的任何一种简单概括,它有自己独特的形成过程——暗河 -沼泽成因。推测它的形成过程是:研究区在加里东期构造运动下地层抬升并与塔中隆起分离,形成相对独立的碳酸盐岩台地;海西期受南天山洋俯冲、消减的影响,在北西 -南东方向挤压应力作用下,北部形成隆起;隆起上、下古生界遭受了强烈剥蚀,同时发生了长期的淡水淋滤溶蚀作用;大气淡水中含有丰富的 CO2,CO2溶于水形成碳酸,碳酸溶蚀地表灰岩,形成落水洞和天坑等喀斯特地貌;随着溶蚀作用的深入,地下灰岩发生溶蚀形成暗河;暗河内灰岩继续溶蚀,形成富含 Ca(HCO3)2的岩溶水,岩溶水在流出暗河后,在暗河出口处 (陆表海的沼泽地带),压力下降,温度上升,造成水流中有大量的低压 CO2气泡逸出,钙质物质大量沉积,形成如今见到的大量钙华沉积(图 5)。

图4 五道班 柯坪硫磺沟奥陶系岩样钙华孔隙显微特征Fig.4 M icro-characteristics of tufa pore of Ordovician rock sample from the fifth track and Keping sulfur gulch

图 5 巴楚五道班奥陶系钙华成因示意图Fig.5 D iagram of Ordovici an tufa form ing beside the fifth track in Bachu county

大气中的CO2 与H2O化合成碳酸对灰岩发生溶蚀作用方程式(1)高浓度Ca2+ 和HCO3-以离子状态存在于水中;随暗流流向低处方程式(2)在温度和压力发生变化下沉淀,形成钙华沉积(如钟乳石等)

整个形成过程可以用下面的化学方程式表达:方程式(1),(2)分别为

从巴楚 -柯坪地区的遥感影像图上可以发现(图 6),在巴楚五道班地区地质历史上曾经发育地下暗河的区域,容易被后期的构造运动破坏发生垮塌形成断裂(如皮羌断裂),进而发育成今天遥感图上所见到的山谷冲沟地貌。

柯坪硫磺沟奥陶系露头岩性以生物碎屑灰岩为主,为该区钙华沉积提供了物质基础。钙华沉积体位于柯坪塔格断隆和乔来买提断裂的交汇处,构造裂缝发育,为钙华沉积提供了运移的通道和沉积空间。硫磺沟奥陶系钙华沉积形成过程(图 7)为:①构造运动促使研究区脆性灰岩断裂产生裂缝,构造运动的演化和继承使裂缝宽度加大;②富含 CO2的大气淡水溶蚀裂缝周缘的灰岩形成富含 Ca (HCO3)2的岩溶水,沿裂缝向低处流动,同时在裂缝抗腐蚀性差的区域形成溶孔、溶洞;③岩溶水在流动的过程中,由于外界条件的变化 (主要是压力的下降和气温的上升),在形成的溶洞处发生溶蚀作用的同时发生沉积作用(类似于交代作用),形成钙华沉积。

随着钙华过程的深入和构造运动的挤压作用,部分溶洞最终被完全充填后保存了下来,形成今天见到的面貌。由于整个行程是分期的,各期钙华沉积的物性不完全相同,在内外力的作用下各期钙华界面容易形成新的微裂缝,同时重结晶作用也在晶体周围形成了大量的贴粒缝,这些微裂缝的存在使其成为了一种优质储层。

此外,研究区奥陶系钙华薄片上还发现有大量的古藻类 (图 4(d),(e),(f)),通过鉴定认为主要有葛万藻 (Girvanella)、威萨德藻 (W ethredella)、蠕孔藻 (Ver m iporella)和努亚藻 (Nuia),它们在钙华沉积的形成过程中起着非常重要的生物控制作用。蠕孔藻 (Ver m iporella)依靠胶质管、柄等黏附结构在小突起、陡坎及障碍物上附生,而后通过光合、黏结、分泌、结壳和捕获等生物岩溶沉积作用,直接在藻体表面进行碳酸钙原位沉积,同时后期形成的藻席也为其他的生物入侵和生长提供了良好的附着面。另外,藻类的光合作用导致水体中短期内 CO2减少也可使水体达到饱和而形成钙华沉积。因此,藻类等作为钙华沉积的重要组分而又同时作为方解石沉积依附的骨架形成疏松多孔的钙华沉积。

3 钙华的石油地质意义

钙华沉积体具有非常发育的储集空间,又处于塔里木盆地重要的产油层位——奥陶系,塔河油田、轮南油田、塔中油田、和田油田和巴楚地区均在奥陶系发现大量的油气资源[16-17],因此对塔里木盆地西北缘奥陶系钙华沉积的研究具有非常重要的石油地质意义。主要体现在以下两个方面:

(1)巴楚五道班奥陶系层状/似层状钙华和海绵状的钙华沉积体疏松多孔,具有很高的孔隙度和良好的连通性。从表 3所示孔隙度和渗透率统计结果可知:层状钙华孔隙度最大可达10.92%,渗透率最大可达 38.55×10-3μm2,是非常良好的碳酸盐岩储层;而海绵状钙华孔隙度和渗透率更高,孔隙度最高可达18.41%,渗透率最高可达 2210×10-3μm2,也就是说海绵状钙华具有更大的储集空间和更好的连通性。而柯坪硫磺沟溶洞内的钙华充填体裂缝相当发育,常相互交织成网状且具有很好的连通性 (图 4(g)),也可以作为一种优质的储层。此外,钙质包壳钙华、砂糖状钙华沉积体也具有较高的孔隙度和渗透率,可作为碳酸盐岩中非常优秀的储集空间。因此,在未来该区奥陶系石油勘探时,这些钙华沉积发育区可以作为碳酸盐岩储层的一个“甜点”。

表3 巴楚 柯坪奥陶系钙华孔隙度和渗透率Table 3 Porosity and permeability of Ordovician tufa from Bachu-Keping county

(2)塔里木盆地西北缘奥陶系碳酸盐岩钙华沉积常和地下暗河或溶洞相伴出现,因此它可以作为判定暗河或溶洞的标志[18]。研究区奥陶系经历了加里东中期和海西期早期两次岩溶发育期,具有形成钙华沉积的大环境,此外研究区奥陶系岩性多以灰岩为主,具有形成钙华沉积的物质基础,这些因素造成塔里木盆地西北缘奥陶系钙华沉积相对较为发育,使钙华沉积作为该区一种优质储层成为可能。

4 结 论

(1)在塔里木盆西北缘巴楚五道班和柯坪硫磺沟奥陶系露头区发现的钙华沉积依据产出形态可划分为层状/似层状钙华、海绵状钙华、钟乳石状钙华、钙质包壳钙华、豆荚状/长条状钙华、砂糖状钙华。各类钙华沉积体均具有较高的孔隙度和渗透率,可作为一种优质储层。

(2)巴楚五道班奥陶系钙华沉积的成因为富含CO2的大气淡水溶蚀灰岩,在地下形成暗河,岩溶水在流出暗河后,在暗河出口处——陆表海边缘的沼泽地带,由于压力下降,温度上升,造成岩溶水中低压 CO2气泡逸出,CaCO3大量沉淀而成。柯坪硫磺沟奥陶系钙华沉积的成因为裂缝溶蚀扩大形成溶洞,然后由钙华沉积物分期沉淀而成。

(3)研究区奥陶系钙华沉积常与地下暗河、溶洞或裂缝的形成有关,因此可作为判定地下暗河、岩溶出现的一种标志,这对该区的油气勘探具有重要的借鉴意义。

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(编辑 徐会永)

Tufa character and its oil-gas sign ificance of Ordovician outcrops in the northwestmargin of Tari m Basin

N IU Yong-bin1,2,ZHONG Jian-hua1,WANG Pei-jun1,CHEN Xin1,L IJia1
(1.College of Geo-Resources and Info rmation in China University of Petroleum,Q ingdao266555,China; 2.Key Laboratory of B iology Trace and M ining Process of Henan Province,Jiaozuo454003,China)

By usingmethods of rock slice,thin-section analysis and porosity and per meability testing,the tufa sedimentary characteristicswere studied,and the origin of tufa were analyzed through the analysis of geomorphology and karst dynamics. The sampleswere collected from Ordovician outcrops in the fifth track ofBachu county and Keping sulfur gulch based on field observation.The results show that the tufa deposition is a good kind of reservoirwith high porosity and per meability.The origin of tufa ofOrdovician in the fifth track ofBachu county is that the fresh waterwhich was rich in CO2corroded li mestone, then the underground river produced.When the karstwater flowed outof the underground river,CO2escaped and CaCO3deposited largely in themarsh of epicontinentalmarginwith the pressure declining and the temperature rising.The origin of tufa sedi mentation ofOrdovician in Keping sulfur gulch is that fracture corroded to enlarge into karat cave,then tufa for med as CaCO3deposited by stage.

Tarim Basin;Ordovician;tufa sedimentation;carbonate rock;karst

TE 121.32

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.04.005

1673-5005(2010)04-0025-08

2010-02-17

国家油气重大专项课题(2008ZX05014-002-002HZ);河南省生物遗迹与成矿过程重点实验室开发基金项目(OT MP0903)

牛永斌(1980-),男(汉族),河南淮阳人,博士研究生,主要从事沉积学与岩相古地理研究。