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羌塘盆地隆鄂尼-昂达尔错古油藏带白云岩成岩特征

2018-04-09伊海生季长军李堃宇

关键词:羌塘白云石成岩

李 鑫, 伊海生, 金 峰, 季长军, 李堃宇

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059;2.甘肃勘探者地质矿产有限公司,兰州 730000;3.中国地质科学院,北京 100037)

羌塘盆地是中生界海相沉积盆地,与中东特提斯构造域富油气盆地具有相似的沉积演化特征和石油地质条件[1-2]。同时羌塘盆地中侏罗统布曲组广泛发育一套东至昂达尔错、西达毕洛错,东西方向延伸达100 km、南北方向宽20 km的巨厚层白云岩古油藏带[3]。

自20世纪末发现隆鄂尼-昂达尔错含油白云岩带并开展研究之后,先后有众多学者对其进行了详细的调查研究,但主要集中在含油白云岩的地质时代、纵向与横向展布、储层、油气显示等方面[4-9],而对白云岩的成因研究较少。关于羌塘盆地布曲组白云岩成因,目前提出的成因模式有同生期交代说[10]、深埋藏成因说[11],前者预示白云岩是低温近地表环境的产物,后者可归结为地下高温交代的结果;同时,关于白云石化学沉淀的流体性质,既可能存在浓缩的海水、超咸水或卤水,也有人认为是稀释的海水甚至淡化的地下水[5]。迄今为止,关于这一地区白云岩的成岩流体研究还没有取得一致意见。作者通过流体包裹体测温以及碳、氧同位素分析,结合野外调查,分析研究区白云岩成岩期次及成岩流体特征。

1 区域地质概况

羌塘盆地位于青藏高原腹部,平均海拔高度 5 km左右,地处于巨型特提斯-喜马拉雅构造域中段。该盆地南北宽250 km、东西长约640 km,面积约0.185×106km2[12],夹持于可可西里-金沙江缝合带与班公湖-怒江缝合带之间[3,13],东西向延伸的中央隆起带将羌塘盆地分为南羌塘拗陷和北羌塘拗陷。

羌塘盆地是发育在前泥盆纪结晶基底之上以中生界海相沉积为主的复合型残留盆地[3]。特提斯古大洋板块俯冲导致南羌塘拗陷在侏罗纪时期一直处于滨浅海沉积环境,发育典型成熟海盆沉积建造;在靠近中央隆起带的北部区域发育浅水台地沉积体系,南部发育陆棚-盆地相沉积体系[14]。羌塘盆地出露的地层以侏罗系为主,还发育少量三叠系、白垩系、古近系和新近系。侏罗系自下而上依次为曲色组、色哇组、莎巧木组、布曲组、夏里组和索瓦组。隆鄂尼-昂达尔错古油藏带以侏罗系布曲组为主。研究区位于西部的隆鄂尼区块以及中部的昂达尔错区块(图1)。

2 研究方法

研究样品采自于双湖隆1井、索日卡(DT)、隆鄂尼(LE)、巴格底加日(BG)、格鲁关那(GL)。其中隆1井样品取自于岩芯,索日卡(DT)、隆鄂尼(LE)、巴格底加日(BG)、格鲁关那(GL)样品采于野外露头。

在室内研究中,对磨制的岩石薄片进行了茜素红染色处理,观察岩石结构。在初步薄片鉴定的基础上,选取具有代表性样品做碳、氧同位素分析,同时磨制包裹体薄片和阴极发光薄片,送有关实验机构进行观察和测试。

全岩碳、氧同位素分析方法采用磷酸盐法,在75℃烘烤Gasbench线制样设备的样品管,烘干后将0.1 mg左右样品放入样品管中并封盖。再往样品管中通入高纯氦气,将样品管中的空气排出。待空气排净之后,用酸泵酸针向样品管中加过量的100%磷酸。磷酸与碳酸盐样品发生反应同时产生CO2气体。用高纯氦气将生成的CO2气体带入MAT253质谱仪测试C、O同位素组成。采用PDB标准,记为δ13CV-PDB和δ18OV-PDB,测量精度分别优于±0.1‰和±0.2‰。研究方法详情见刘汉彬等[15]专文论述。

包裹体测温采用英国 Linkam 产 THMSG600 型冷热台,测量精度为0.01℃,加热/冷冻速率:0.01~130℃/min;在加热冷冻过程中设置的控温速率一般为 20℃/min,相变点附近速率为 4℃/min。

3 岩石学特征

研究区碳酸盐岩主要发育在碳酸盐台地生物礁、生物滩相带以及开阔台地内,岩性主要包括砂糖状白云岩和介壳灰岩(图2-A);岩石多松散,敲击具有浓烈油气味,污手;新鲜面以黄褐色、深灰色为主,风化面呈灰色、灰白色,砂糖状晶粒结构十分明显,并以中、粗晶为主,薄-厚层块状构造。砂糖状白云岩大部分由于白云岩化作用,导致原始组构特征基本消失,但仍可见各种颗粒灰岩残余构造,例如残余介壳结构、残余藻屑结构、残余鲕粒结构等,代表了原岩产出于礁滩相沉积中,并经历了强烈的成岩作用。砂糖状介壳白云岩中介壳为灰白色双壳类化石,个体较大,保存完整,介壳多被亮晶方解石所充填,而介壳间为黑色、褐色白云石颗粒充填,其原石应为介壳灰岩。此外,砂糖状白云岩呈层状产出,并与介壳灰岩、生物碎屑灰岩、鲕粒灰岩及砂屑灰岩伴生,同时发育介壳白云岩(图2-B)或含生屑白云岩等(图2-C)。说明白云岩的原岩形成于高能环境,为典型海浪、风浪、潮汐作用活动强烈的台地边缘礁滩相沉积。

图1 隆鄂尼--昂达尔错古油藏带白云岩分布图Fig.1 Distribution pattern of dolomite in the ancient reservoir of Long’eni-Angdar Co(地质图据文献[29]修改)

图2 研究区野外露头及剖面柱状图Fig.2 Photograph showing field outcrops and histogram from cross-section (A)格鲁关那剖面; (B)格鲁关那介壳白云岩; (C)巴格底加日生屑白云岩; (D)地层柱状图

整体来说,研究区的白云岩可划分为以下类型:粉晶白云岩、细晶白云岩、中晶白云岩、粗晶白云岩以及不等晶白云岩等(图3)。粉晶白云岩晶型较好,以自形、半自形为主,大部分粉晶白云岩可见雾心亮边构造。细晶白云岩晶形较好,以自形、半自形为主,白云石雾心粗大,亮边窄小,具次生加大作用。中晶白云岩偶见雾心亮边结构,还可见具波状消光的鞍状白云岩。粗晶白云岩粗大晶粒多为他形白云石等,通常还可见相对细小的白云石晶粒,主要为半自形-他形晶粒状镶嵌结构。

图3 白云岩类型Fig.3 Type classification of dolomite (A)粉晶白云岩; (B)细晶白云岩; (C)中晶白云岩; (D)粗晶白云岩; (E)不等晶白云岩(中晶与粉晶白云岩); (F)不等晶白云岩(粗晶与粉晶白云岩)。所有照片均为单偏光照片, 蓝色部分为铸体充填

4 流体包裹体数据

沉积岩在沉积和成岩过程中形成新矿物的同时也会对流体包裹体进行捕获,针对这些包裹体数据以及资料的研究,可以获得沉积岩在成岩过程中非常重要的地质资料,如成岩过程中的压力、温度以及成岩流体的组成、密度等。对流体包裹体最重要的研究手段之一是温度与盐度的测量。包裹体的温度与盐度直接反映岩石在成岩过程中流体的温度与盐度,通过温度与盐度的分析,可以推测成岩时沉积物是否受到热流体的改造以及成岩时古海水的盐度等重要数据,这也是研究白云岩成因的重要资料。通过显微镜下观察白云石内部的包裹体,可以发现多种形态的白云岩流体包裹体颗粒,矩形、三角形、短柱状、不规则状均有产出(图4),大小主要集中在3~8 μm。研究区白云岩流体包裹体在白云岩中分布不具规律性,在白云石晶粒边缘、环带内部以及白云石间的胶结物中均可见;此外,白云石晶粒之间的胶结物以及填充于裂隙中的方解石脉中也可见包裹体。

对白云岩样品包裹体温度的测量,共得到116个盐水包裹体均一温度(t)数据(表1)。通过数据分析处理,得出了白云岩包裹体均一温度数据22个,均一温度的分布范围在72.2~187.1℃。通过包裹体均一温度分布区间直方图(图5)可以看出,有3个明显的分布区间,分别为70℃

5 碳氧同位素特征

5.1 碳氧同位素分布特征

碳氧同位素是解决白云岩成因的一个有效的方法,国内外学者已经发布的一系列的判别图解作为判别羌塘盆地白云岩模式的重要依据。但由于采集样品的地区、剖面、岩石类型不同,得出的结论也有差异。本文通过系统收集公开发表和科研报告中列述的侏罗系石灰岩样品碳氧同位素分析结果,首先观察布曲组和索瓦组碳氧同位素成分的分布特点,判断这2个层位埋藏深度不同、层位高低有别的碳氧同位素分布的异同点,明确埋藏深度或温度对碳氧同位素尤其是对温度变化特别敏感的氧同位素分布,阐明根据氧同位素古地温计计算的埋藏温度的有效性;同时以石灰岩的碳氧同位素作为地层埋藏过程中经历的正常地温变化的参考值,根据白云岩与石灰岩碳氧同位素分布的差异,研究白云石化过程是否存在异常高温作为判别热液白云石化的证据。

图4 白云岩包裹体形态特征Fig.4 Morphological characteristics of inclusions in dolomite (A)发育于白云石内部的包裹体; (B)发育于白云石晶粒边缘的包裹体;(C)发育于白云石粒间胶结物的包裹体; (D)发育于白云石环带内的包裹体

表1 研究区白云岩包裹体数据分析Table 1 Analysis of dolomite inclusions in the study area

图5 包裹体均一温度区间直方图Fig.5 Histogram showing uniform temperature interval from inclusions

图6 双湖地区索瓦组和布曲组石灰岩碳氧同位素分布对比图Fig.6 Distribution of carbon and oxygen isotopes for the Suowa Formation and Buqu Formation in Shuanghu Area

图6是收集的布曲组和索瓦组石灰岩、泥灰岩同位素在δ18O-δ13C坐标系的投影图,石灰岩类包括生屑灰岩、介壳灰岩、鲕粒灰岩、藻屑灰岩、球粒灰岩、砂屑灰岩、微晶灰岩以及泥灰岩。数据来源包括刘建清等[16]发表的龙尾错地区侏罗系剖面、梁文君等[17]发表的安多东巧地区沙木罗组剖面、谭富文等[18]发表的安多雁石坪剖面和双湖那底岗日剖面、伊海生等[11]双湖隆额尼-昂达尔错地区数据。从图中可见,索瓦组和布曲组无论是δ18O还是δ13C成分,分布极为分散;但索瓦组样品的δ18O与布曲组δ18O有重叠,并且索瓦组δ18O比布曲组偏正。根据氧同位素分馏理论和分馏方程,水体(海水、淡水和地层水)中氧同位素一般随着温度升高而减小,即δ18O偏向负值,这说明布曲组比索瓦组经历了更高的温度。在羌塘盆地地层序列中,索瓦组沉积于晚侏罗世,布曲组的时代为中侏罗世,索瓦组层位相对于布曲组埋藏浅,它所经历的埋藏温度比布曲组低。

图7是本文作者采集的尼1井白云岩以及收集的资料。白云岩碳氧同位素分析数据来源于刘建清等[10]、伊海生等[11]以及陈浩等[19]发表的双湖隆额尼-昂达尔错地区的分析结果。为了对比分析白云岩与互层的石灰岩的碳氧同位素是否存在差异,图7中δ18O-δ13C坐标系的投影图同时标定了布曲组石灰岩和白云岩的分布区间。从图7中可见,白云岩与石灰岩的δ18O值的分布区间基本重叠,差别不大;但二者之间δ13C分布差别极为明显,其中石灰岩的δ13CPDB多数<3‰,而白云岩δ13C明显富集,部分样品δ13CPDB>3‰,隆1井有1件白云岩样品δ13CPDB高达6.43‰。可以认为该区的白云岩以重碳同位素异常富集为特征。

图7 双湖地区布曲组石灰岩与白云岩碳氧同位素分布对比图Fig.7 Comparison of carbon and oxygen isotopes of limestone with that of dolomite from the Buqu Formation in Shuanghu area

图8 热水体系白云石碳同位素分馏曲线Fig.8 Fractionation curve of carbon isotope for dolomite in hot water system

5.2 碳氧同位素数据分析

研究区共选取20个白云岩样品,岩性包括粉晶白云岩、细粉晶白云岩、细晶白云岩、中晶白云岩、中粗晶白云岩以及粗晶白云岩,分析结果见表2。白云岩样品中δ13CPDB为0.6‰~6.4‰,平均为2.73‰;δ18OPDB为-5‰~14.8‰,平均为-9.76‰。通过数据可知研究区δ13CPDB为正且接近于0,但是δ18OPDB明显为负且变化范围较大。碳、氧同位素作为成岩作用研究的重要手段,δ18OPDB出现明显的负值情况主要为大气淡水影响、深埋藏高温影响以及深部的热液流体影响等[22],δ13CPDB均为正值表明研究区白云岩受大气影响较小。

按照Allan等[23]的分类,地表或近地表潮上带塞卜哈、渗透回流、混合水成因的低温白云岩,其δ18OPDB普遍为>-2.5‰;而在埋藏晚期形成的高温白云岩或热液成因的白云岩,δ18OPDB一般为<-6.5‰。研究区白云岩δ18OPDB为-5‰~-14.8‰,平均为-9.76‰,白云岩的碳、氧同位素主要分布在高温白云岩区(图9),仅个别分布在高温与低温白云岩叠加区。

表2 白云岩碳氧同位素地球化学特征Table 2 Geochemical characteristics of carbon and oxygen isotopes for dolomite

图9 白云岩成因对比图Fig.9 Diagram for the comparison of dolomite genesis

5.3 流体同位素成分计算

以包裹体测温作为古温度的变化区间,再利用氧同位素分馏方程进行估算成岩过程中流体的氧同位素值,可以推算出流体性质的演化过程。根据人工合成碳酸盐矿物的实验研究,在平衡状态下,采用Land方程[24]计算白云石与流体的同位素分馏关系

1000 lnα白云石-水=3.2×106T-2-3.3

其中:α为分馏系数;T为热力学温度。

分馏方程中白云石与水溶液的计量标准均为SMOW,我们采用Coplen等[25]的公式来计算SMOW与PDB的关系

δ18OSMOW=1.03091δ18OPDB+30.91

δ18OPDB=0.97002δ18OSMOW-29.98

图10 白云岩-流体氧同位素关系图Fig.10 Diagram showing the flow oxygen isotope for dolomite

根据包裹体测温数据,包裹体温度比较集中的区间有3个,分别是70℃

当温度区间为110℃

图11 白云岩-流体氧同位素关系图Fig.11 Diagram showing the flow oxygen isotope for dolomite

为了进一步研究白云岩化流体的性质,解决白云岩成因争论,我们可以根据包裹体测温结果,通过计算流体碳同位素成分,说明白云岩化流体的性质。根据白云岩的形成温度,如果我们假设白云石沉淀过程中发生在气体(CO2)、碳酸(H2CO3)和白云石矿物平衡状态下,则可根据Ohmoto[21]提出的Dol(m)-CO2(g)、HCO3(l)-CO2(g)分馏方程计算恒温条件下白云石碳同位素反映的流体碳同位素变化,结果如图12所示。根据包裹体测温数据和分布,设定白云石化发生的温度分别为110℃和190℃,可求得白云石碳同位素与流体碳同位素的关系。布曲组白云石碳同位素异常高值变化域为3.0‰~4.5‰(PDB),则对应的流体碳同位素变化区间在0.4‰~1.9‰(PDB)之间。现代海洋表层海水平均值δ13CPDB=1.5‰,地下水δ13CPDB=-7.5‰,而一般盐湖水δ13CPDB=4‰,对比来看,研究区白云岩化流体类似。

图12 白云岩碳同位素-流体氧同位素关系图Fig.12 Correlation of carbon isotope and fluid oxygen isotope for dolomite

6 白云岩成岩分析

通过野外调查以及对于白云岩形态、碳氧同位素和包裹体测温分析,同时结合前人资料,认为研究区白云岩存在3个成岩期。

研究区白云岩中可见各种颗粒灰岩残余构造,例如残余介壳结构、残余藻屑结构、残余鲕粒结构等,局部可见石膏等蒸发岩类,伴随着海水的蒸发作用及渗滤作用为准同生白云岩的形成提供了条件。此类白云岩以粉-细晶为主,晶形较好,自形程度较高。同时白云岩δ18OPDB变化范围大,存在高温与低温重叠的白云岩。本文认为早期为低温准同生白云岩成岩期。

研究区白云岩δ18OPDB为-5‰~-14.8‰,平均为-9.76‰,白云岩碳、氧同位素主要分布在高温白云岩区。同时,白云岩的包裹体温度均在110℃以上,如果按地球平均地温梯度值为0.3℃/km来计算,地表温度取20℃[11],高温白云岩埋藏深度为3 km左右。而羌塘盆地布曲组最大古埋深为 3 013~4 219 m[12],进一步表明研究区高温白云岩为深埋藏成因。随着深度不断增加,地层温压增大,在深埋藏过程中,高温卤水伴随岩石孔隙、裂缝等通道进入岩体,形成高温白云岩。这类白云岩以中-粗晶为主,偶见巨晶,晶形以自形半自形为主。本文认为该期次为白云岩中高温以及高温埋藏期。

综上所述,羌塘盆地隆鄂尼—昂达尔错白云岩经历了3个成岩期,其中低温准同生白云岩成岩流体为海水,局部具有混合水白云岩化;而中高温埋藏期白云岩以及高温埋藏期白云岩成岩流体为地下卤水。

7 结 论

a.根据野外实测及室内研究,结合沉积学标志,研究区白云岩的原岩形成于高能环境,为典型海浪、风浪、潮汐作用活动强烈的台地边缘礁滩相沉积。

b.研究区布曲组白云岩δ18OPDB变化范围较大,却均小于零,并向负值偏移,表明其成因较为复杂,至少具有3期成岩时期:中低温准同生成岩期、中高温埋藏成岩期以及高温深埋藏成岩期。

c.根据Land分馏方程,可以判断研究区的中低温准同生白云岩为海水白云岩,局部具有混合水白云岩化,中高温埋藏白云岩以及高温深埋藏白云岩成岩流体为深埋藏环境下地层水,地层水来自于高温地下卤水。

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