塔河油田南部奥陶系热液作用分析

周吉羚,李国蓉,2,李 辉,雷和金,高鱼伟,符 浩

(1.成都理工大学能源学院,四川成都 610059; 2.成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都 610059)

塔河油田南部奥陶系热液作用分析

周吉羚1,李国蓉1,2,李 辉1,雷和金1,高鱼伟1,符 浩1

(1.成都理工大学能源学院,四川成都 610059; 2.成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都 610059)

塔河油田南部地区发生多次强烈的岩浆喷发活动,岩浆活动带来地壳深部的热液流体,对储层形成多种改造作用.根据岩心薄片观察资料,分析研究区热液作用模式与机制,结果表明,塔河油田南部奥陶系热液流体活动显著,岩石学特征主要表现为典型的热液成因硅化硅质岩、热液溶蚀缝孔洞发育.地球化学特征表现为热液作用缝洞方解石的稀土元素分配曲线较平缓,表现为LREE富集,显示明显的正Eu异常和较高的Y/Ho值,与研究区所经历的二叠纪岩浆一火山活动有关;热液成因方解石具有较低的87Sr/86Sr值,低于碳酸盐围岩与同期海水的,主要受幔源锶的控制及围岩重溶锶的缓冲影响;受高温高盐度热液流体影响,热液矿物的包裹体均一温度均高于奥陶系地层正常埋藏温度40℃以上,盐度质量分数为正常海水的3～5倍.该研究为塔河油田南部奥陶系碳酸盐储层的油气勘探提供参考.

奥陶系;热液流体;热液作用;稀土元素;锶同位素;流体包裹体;塔河油田

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.05.005

0　引言

20世纪80年代,国外学者提出热液白云石化模式[1],目前热液作用模式已形成较为完整的理论体系.Al-Aasm I S研究加拿大西部沉积盆地的热液成因白云石的地球化学特征,认为它具有温度高、盐度高、δ18O值偏负、δ13C和锶同位素值变化大的特征[2];Swnnen R等研究加拿大British Columbia地区Canadian Cordillera褶皱及冲断带Cathedral组条带白云岩,认为该地区条带白云石是晚期受断裂控制的热液作用产物[3];John A L研究Michigan盆地泥盆系Dundee组白云岩储层缝洞内的鞍形白云石,认为其形成与受断裂裂缝控制的深部热液活动有关[4];Packard J J等研究加拿大Packland油田泥盆系热液成因的硅质岩储层[5],得到类似结论.

我国四川盆地、塔里木盆地等相继发现典型的热液碳酸盐岩储层[6-7],热液流体通过溶蚀、交代和充填等作用改变碳酸盐岩储层特征.塔河油田南部地区奥陶系已成为油气勘探开发重点区域,岩心揭示该地区奥陶系储层受热液流体影响,与热液溶蚀作用有关的溶蚀缝孔洞是重要的储渗空间.杨宁、金之钧等认为二叠纪(海西晚期)塔里木盆地经历强烈的地热事件和热液活动[8-9];刘显凤等研究少量热液作用样品,发现样品具有可反映热液特征的Eu正异常特征[10];李开开等认为塔河油田地区下古生界地层中普遍存在热液流体,该流体具有高温、富含87Sr的特征,且含有酸性气体H2S、CO2及有机酸[11];张金川等认为塔河油田奥陶系流体具有多期次活动特征,其均一温度范围为60～80℃、90～105℃、110～140℃和145～170℃,盐度(NaCl)质量分数为0.5%～4.0%、5.0%～10.0%、10.0%～13.0%、14.0%～18.0%,以及小于18%,表明研究区奥陶系碳酸盐岩储层经历过4～5期热流体活动[12].目前,对塔河油田南部地区奥陶系的热液,特别是对中一上奥陶统灰岩段的研究尚处于初级阶段,同时对塔河油田热液作用模式和发生机制的研究不够深入.笔者考虑热液成因产物的岩石学、矿物学和地球化学特征、热液作用及热液溶蚀作用的地质地球化学条件,以及火山活动等因素,结合研究区沉积格局和热液作用调查研究成果等,分析热液作用发生的时期和热液流体的来源与性质,提出塔河油田南部奥陶系热液作用的机制和模式.

1　地质概况

塔河油田位于塔里木盆地塔北隆起中部的阿克库勒凸起西南斜坡,是一个被坳陷或凹陷环绕的构造高位,北部与雅克拉断凸相望,南邻满加尔坳陷,东西两侧分别为草湖凹陷和哈拉哈塘凹陷[13];凸起整体呈棱形,面积约为7 000 km2.研究区域位于塔河油田南部,紧邻顺托采勒隆起和满加尔坳陷(见图1红色框内).

图1　塔河油田构造位置Fig.1 Diagram of tectonic location in the Tahe oilfield

塔河油田南部奥陶系发育较为齐全,自下而上发育下奥陶统蓬莱坝组、中一下奥陶统鹰山组、中奥陶统一间房组,以及上奥陶统恰尔巴克组、良里塔格组和桑塔木组,研究区地层沉积厚度差异较大.

塔里木盆地奥陶系地层经历4次地热事件,其中二叠纪岩浆活动影响最大.塔里木盆地满加尔坳陷西部、塔中隆起和塔西南坳陷等大量发育早一中二叠世的岩浆岩[14],其中玄武岩分布最为广泛[15].强烈的岩浆活动及大面积分布的玄武岩伴随大规模的热液流体活动,对研究区成烃作用和储层改造产生重要影响.

2　样品与实验

研究塔河油田南部地区中、上奥陶统灰岩热液地质作用特征,选取研究区40余口井的岩心,磨制岩心薄片进行观察鉴定;挑选具有代表性热流体作用的AT5、AT5-2、AT21X、S110、S101、S60、T913等井岩心的奥陶系样品,进行地球化学分析,包括微量稀土元素、锶同位素及流体包裹体均一温度、盐度测定等.样品主要为鞍形白云石、裂缝方解石、热液矿物萤石和不规则缝洞方解石,分析以无热液流体改造的围岩样品相关地球化学分析结果作为参考值.

稀土元素测试使用德国Finnigan-MAT公司生产的离子体质谱仪,在成都理工大学核工系核分析实验室完成;锶同位素测试使用MAT261同位素质谱仪(美国国家标准局标准样品NBS987的测定误差小于0.02‰),在成都理工大学测试中心完成;流体包裹体均一化温度和盐度测试使用英国Linkam科仪公司生产的THMSG600冷热台,在成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室完成.

3　热液作用的岩石学特征

热液流体具有酸性性质,沿断裂、裂缝运移时,对碳酸盐岩产生溶蚀现象,主要表现为溶蚀孔洞沿缝发育,呈串珠状分布(见图2(a)).孔洞常见萤石、鞍形白云石、重晶石及石英等热液矿物充填(见图2(b));往往远离不整合面发育,且热液矿物具有较高的均一温度和盐度.热液成因方解石稀土元素显示明显的正Eu异常,表明溶蚀作用是由深部热液形成的.受热对流机制和深部流体所含挥发成分浮力控制,深部热液流体在向上运移过程中流动性较弱、量较少,对碳酸盐岩的溶蚀难以形成大型溶蚀孔洞[15],仅在碳酸盐岩中产生稀疏且相对较小的溶孔.

另外,孔洞间还可见热液成因硅化硅质岩,主要表现为硅化作用破坏原岩结构,富含长柱状石英晶体(见图2(c)),明显区别于在成岩分异过程中形成的硅化结核.该类岩石溶蚀孔洞发育(见图2(d)),孔洞内见萤石和重晶石等典型热液矿物充填.硅化硅质岩稀土元素具有明显的正Eu异常和较高的Y/Ho值,硅化流体通常来源于深部热液,是热液作用的产物.

图2　研究区热液作用岩石学特征Fig.2 The petrological characteristics of hydrothermal activity in the study area

4　热液作用地球化学特征

4.1稀土元素

热液流体的稀土元素具有明显的轻稀土元素富集、重稀土元素亏损分配模式,以及Eu强烈正异常的特征.对研究区奥陶系8件海西晚期热液作用缝洞方解石样品、6件加里东晚期一海西早期岩溶缝洞方解石、1件微晶灰岩样品,以及1件火成岩样品进行稀土元素分析,测试结果见图3.由图3可见:

(1)微晶灰岩样品的稀土元素质量分数约为42.1×10-6;加里东晚期一海西早期岩溶缝洞方解石样品的稀土元素质量分数约为41.7×10-6,与微晶灰岩样品的相近,两者的稀土元配分曲线相似(见图3(a));海西晚期热液作用缝洞方解石样品的稀土元素质量分数约为107.7×10-6,明显高于微晶灰岩的;中二叠系玄武岩(火成岩)样品的稀土元素质量分数很高,约为617.6×10-6.

(2)海西晚期热液作用缝洞方解石整体呈现高稀土元素质量分数特征,样品的稀土元素配分曲线较平缓,约为3.18,表现为LREE富集,显示明显的正Eu异常(见图3(b)).虽然海西晚期热液作用缝洞方解石与中二叠玄武岩样品的稀土质量分数差别较大,但均具有LREE富集、HREE亏损的特征,且大部分稀土元素具有较高的Y/Ho值,表明热液缝洞方解石受幔源岩浆热液的影响.热液的来源应与研究区经历的二叠纪岩浆一火山活动有关.该时期热液作用缝洞方解石与曾志刚等[16]揭示的印度洋中脊区热液成因矿物的稀土元素组成具有一定的相似性.

4.2锶同位素

碳酸盐矿物所记录的成岩流体锶同位素组成主要由近同期全球海水、壳源锶和幔源锶的锶同位素来源决定.近同期全球海水锶同位素组成与来自于不同时期海水相关,全球平均为0.708 0.海水中锶主要受壳源锶和幔源锶共同控制,因大陆古老的硅铝质岩石的风化作用相对富放射成因的锶,锶同位素比值较高,壳源锶全球平均为0.711 9;幔源锶来源于洋中脊热液系统向海水提供的相对贫放射成因的锶,锶同位素比值较低,全球平均为0.703 5[17].

图3　研究区缝洞方解石的REE分配模式Fig.3 The composition and REE distribution patterns of calcite of seams and holes in the study area

挑选研究区奥陶系7件海西晚期热液成因缝洞方解石、2件海西早期岩溶缝洞方解石和1件微晶灰岩(碳酸盐围岩)样品进行锶同位素分析,结果见表1.由表1可见:

表1　热液成因缝洞方解石的锶同位素组成Table 1 The strontium isotopic composition of calcite in the hydrothermal seams and holes

(1)热液成因缝洞方解石的87Sr/86Sr较低,主要分布在0.705 688～0.708 003之间,平均为0.706 588,低于正常海相微晶灰岩与同期海水的,揭示热液成因方解石的成岩流体主要受幔源锶的控制.根据流体Eu异常,以及流体包裹体具有较高的均一化温度和盐度特征,认为其受地壳深部热液流体改造,与研究区经历的二叠纪岩浆一火山活动相关.所有样品的87Sr/86Sr均高于幔源锶值(0.703 5),表明该流体在地壳深部向上运移过程中受围岩重溶锶缓冲作用的影响.同时,流体所携带的物质成分,以及不同围岩、构造背景及深度等因素下沉淀的方解石锶值具有明显的差异.

(2)海西早期岩溶缝洞方解石的87Sr/86Sr高于微晶灰岩与同期海水的,揭示它主要受壳源锶及围岩重溶锶的影响.这与塔河油田海西早期为壳源锶的主要提供时期和二叠纪为幔源锶的主要提供时期[18]相吻合.

4.3流体包裹体

在碳酸盐岩的不同成岩环境和成岩阶段,其矿物晶体均可捕获包裹体,含有流体包裹体的碳酸盐岩样品反映成矿时的物理化学条件[19].为研究奥陶系热液地质作用,选取热液成因方解石、热液矿物萤石和鞍形白云石进行流体包裹体分析.

4.3.1热液成因方解石

观察研究区35件含盐水包裹体的热液成因方解石样品(见图4),其中包括19件裂缝方解石、10件溶蚀孔洞方解石、3件大型缝洞方解石和3件巨晶方解石样品.选择形态规则的124个包裹体,进行均一温度和盐度测定.

图4　热液成因缝洞方解石流体包裹体Fig.4 The calcite fluid inclusion in fracture cave of the hydrothermal cause

热液成因方解石包裹体均一温度分布范围较宽,主要分布在135～250℃之间(见图5),平均为171℃.塔里木盆地地温梯度在17～32℃/km之间,平均为(22.6±3.0)℃/km[20-21],设地表温度为20℃,地温梯度为25℃/km[6],计算250℃温度对应的地下埋藏深度为9.2 km,深于正常埋藏深度,表明研究区方解石形成时得到外部高温流体加入.方解石成岩温度高于奥陶系经历的最高温度30～40℃以上,原因是受深部高温热液流体的影响.正常成因方解石流体包裹体均一温度范围在60～130℃之间,少数包裹体均一温度较低,一般受外界压力变化、或在构造运动后期晶体微裂缝中形成的次生包裹体的影响.

图5　热液成因缝孔洞方解石盐水包裹体均一温度分布Fig.5 The calcite brine inclusions uniform temperature distribution in the hydrothermal seams and holes

选取5个热液成因方解石的盐水包裹体进行盐度测试,结果见表2.由表2可见,热液方解石的流体包裹体盐度平均质量分数为19.8%,是奥陶系海水盐度平均质量分数(5.5%)的3.6倍左右,说明热液成因方解石形成于高盐度深部热液流体条件.

表2　热液成因方解石盐水包裹体盐度测试结果Table 2 The calcite brine inclusion salinity test results of the hydrothermal cause

4.3.2萤石

流体包裹体的均一温度和盐度反映成岩矿物结晶温度和孔隙流体的盐度.选取研究区10件萤石样品(见图6)进行流体包裹体均一温度和盐度测试,样品均为气液两相盐水包裹体,测试结果见表3.由表3可见,萤石的均一温度主要分布在197.7～231.5℃之间,平均为214.4℃;盐度质量分数主要分布在22.5%～24.3%,平均为23.5%.研究区萤石成岩结晶时受深部高温高盐度流体的影响,具有较高的温度和盐度,与塔河油田奥陶系碳酸盐岩存在岩浆期后的热水作用[22]相吻合.

图6　萤石盐水包裹体Fig.6 The fluorite brine inclusion

表3　萤石盐水包裹体分析数据Table 3 The analysis of fluorite brine inclusion data

4.3.3鞍形白云石

选取3口井的12件鞍形白云石样品(见图7)进行流体包裹体均一温度和盐度测试,样品为气液两相盐水包裹体,测试结果见表4.由表4可见,鞍形白云石包裹体均一温度主要分布在158.2～219.2℃之间,平均为184.7℃.鞍形白云石是热液背景的重要指示物,样品测试成岩温度比同时期埋藏温度高40～50℃,盐度质量分数主要分布在17.4%～23.1%,平均为21.4%,相当于正常海水盐度的3～5倍,表明研究区鞍形白云石形成于高温高盐度热液环境.3口井的鞍形白云石样品流体包裹体均一温度存在差异,原因是所处位置不同,特别是与断裂的距离,导致受高温流体影响的程度不同.

图7　鞍形白云石盐水包裹体Fig.7 The saddle dolomite brine inclusion

表4　鞍形白云石盐水包裹体测试结果Table 4 The analysis data table of the saddle dolomite brine inclusion

5　热液作用机制与模式

5.1热液作用时期

王嵩、杨海军等认为塔里木盆地在二叠纪发生强烈的岩浆一火山活动,广泛发育玄武岩,伴随强烈的深部热液流体活动[23-24];厉子龙等认为在塔中和塔西北柯坪地区发育分布的玄武岩K-Ar稀释法定年分别为(285.224±6.17)Ma和(293.25±7.70)Ma,为早二叠世火山喷发产物,具有稀土元素总量高、LREE富集和HREE亏损,无Eu异常的特征,且没有受到明显的后期热事件扰动迹象[25].结合塔里木盆地构造演化背景,以及研究区玄武岩与塔中和塔西北地区玄武岩具有一致性特征,认为研究区热液作用发生于早二叠世,即海西晚期运动期间.

根据岩心和薄片观察资料,结合阴极发光分析,研究区热液作用特征包括构造缝或不规则缝洞明显切割缝合线,有机质侵染斑块及切割海西早期构造裂缝(见图8);海西晚期热液缝洞方解石和热液改造围岩,与加里东中期、海西早期缝洞方解石和围岩的阴极发光特征具有明显差别[26],反映热液作用发生在加里东期及海西早期后.热液可以溶蚀海西早期构造一风化裂缝及岩溶缝洞方解石,也反映热液溶蚀作用发生在海西早期后.与加里东中期和海西早期剩余孔洞被沥青充填不同,研究区溶蚀孔洞内部较干净,或被少量原油或沥青充填,反映研究区储渗空间形成与油气充注时间较晚,且未经受强烈水洗和沥青充填.结合研究区地质构造演化历史,研究区热液作用与热液溶蚀作用主要发生于海西晚期.

图8　海西晚期热液作用构造特征Fig.8 The structure feature of hydrothermal action in late Hercynian period

5.2热液流体的来源与性质

海西晚期(二叠纪)塔里木盆地经历强烈的岩浆一火山活动,研究区大量发育岩浆岩,其中玄武岩分布最为广泛,在塔中地区可见大量辉绿岩侵入岩及高达数米的萤石地层发育,表明该地区热液活动主要受同时期岩浆热液流体的影响.

为分析海西晚期热液流体性质,对热液作用缝洞方解石样品进行流体包裹体和碳氧同位素分析,流体包裹体均一温度分布在135～250℃之间,平均为171℃;δ18O值为-17.46‰～-10.12‰PDB[25],根据Friedman和O'Neil公式[27],恢复得到热液作用缝洞方解石的成岩流体的δ18O值为4.52‰～7.64‰SMOW,平均为5.78‰SMOW.同位素与流体包裹体均一温度投点见图9,反映它与该期热液作用缝洞方解石成岩流体与地幔来源的流体δ18O值(5.5‰～9.0‰SMOW)相似,说明成岩流体为岩浆热液.

分析热液矿物萤石、热液成因方解石和鞍形白云石等矿物地球化学特征,其中热液矿物萤石流体包裹体的均一温度主要分布在197.7～231.5℃之间,平均温度约为214.4℃;盐度主要分布在17.4%～24.3%之间,平均为23.5%,与认为萤石是高含氟岩浆热液产物的观点[28-29]一致.热液成因方解石流体包裹体均一温度主要分布130～250℃之间,平均为171℃,反映受到外来高温流体的影响.热液成因方解石平均87Sr/86Sr为0.710 668,显示受到外来的、富含87Sr流体的影响;其微量元素、稀土元素和阴极发光等显示该流体来自地壳深部的岩浆热液,与岩浆成因矿物的性质[30]具有一致性,表明该期热液流体为岩浆热液流体.

5.3热液作用机制与模式

塔河油田南部地区主要受到海西晚期(二叠纪)深部岩浆热液作用的影响.该时期研究区断裂活动强烈,断裂系统较发育,热液流体伴随岩浆喷发地质作用经过深大断裂向上运移至沉积盆地,释放热能及压力,导致大量不规则裂缝发育,再沿着与深大断裂相通的古张性断层及相应裂缝系统进入奥陶系储层;流体以裂缝为中心,不断向围岩两侧进行各种热液改造,如热褪色、不规则热液破裂缝形成、硅质交代及热液溶蚀等.同时,溶蚀孔洞、裂缝发生热液矿物(萤石、鞍形白云石、重晶石、石英、黄铁矿等)及方解石的沉淀和交代作用.随着热液流体的冷却,深部热液流体对碳酸盐岩的溶蚀改造结束,少量粒状干净方解石重新充填于沿缝方解石溶蚀孔洞、不规则溶蚀缝洞、溶蚀孔洞及溶蚀孔隙.这些热液溶蚀缝孔洞一般是不完全充填或未充填,可构成良好的储层.演化过程构成塔河油田南部奥陶系热液作用模式(见图10).

图9　热液成因方解石流体包裹体均一化温度和氧同位素组成投点Fig.9 The point chart of the oxygen isotope composition and fluid inclusion homogenization temperature of the hydrothermal calcite

图10　塔河油田南部奥陶系热液作用模式Fig.10 The hydrothermal function pattern of Ordovician in southern part of Tahe oilfield

6　结论

(1)塔河油田南部奥陶系岩心观察和薄片鉴定结果表明,研究区奥陶系具有明显热液流体活动特征,岩石学特征主要表现为典型的热液成因硅化硅质岩及热液溶蚀缝孔洞普遍发育.

(2)研究区热液作用的地球化学特征表现为热液作用缝洞方解石的稀土元素分配曲线总体较平缓,多表现为LREE富集,以及明显的正Eu异常和较高的Y/Ho值,与研究区所经历的二叠纪岩浆一火山活动有关;热液成因方解石具有较低的87Sr/86Sr值,低于碳酸盐围岩与同期海水的,主要受幔源锶的控制及围岩重溶锶的缓冲影响.

(3)热液矿物萤石流体包裹体均一温度分布在197.7～231.5℃之间,平均为214.4℃,盐度质量分数分布在22.5%～24.3%之间,平均为23.5%;鞍形白云石流体包裹体均一温度主要分布在158.2～219.2℃之间,平均为184.7℃,盐度质量分数分布在17.4%～23.1%之间,平均为21.4%;被热液改造方解石流体包裹体均一温度分布在135～250℃之间,盐度质量分数分布在17.8%～24.8%之间.受到高温高盐度热液流体的影响,这些矿物的均一温度高于奥陶系地层正常埋藏温度40℃以上,盐度质量分数为正常海水的3～5倍.

(4)研究区热液作用流体来源于地壳深部的岩浆热液,与海西晚期运动期间的岩浆活动密切相关,热液作用主要沿断裂及断裂带附近发育.

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TE122

A

2095-4107(2015)05-0041-11

2015-06-01;编辑:张兆虹

国家自然科学基金项目(41272150)

周吉羚(1991-),女,硕士研究生,主要从事储层地质学与地球化学方面的研究.

李国蓉,E-mail:liguorong@cdut.cn