塔中地区中2井良里塔格组溶洞方解石胶结序列及环境指示

胡华蕊, 严张磊, 邢凤存

(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)

塔里木盆地塔中地区上奥陶统良里塔格组发现了普遍的热流体活动记录并针对热流体的总体特征进行了系统研究[1-2]，但多期胶结背景下，不同期次流体特征元素迁移及演化过程还尚待进一步研究。在塔中地区南缘断裂带附近的中2井(图1)良里塔格组发现了方解石胶结物热流体活动记录，手标本难以区分胶结期次，而阴极发光和显微镜下观察却揭示了多期胶结结构。由于不同期次方解石胶结物均较薄，常规的全岩以及牙钻难以针对各期次胶结物取样，因此，流体活动期次和元素迁移变化有待进一步研究。为此，本文以中2井为例，在显微薄片观察基础上，通过阴极发光期次划分，针对不同期次胶结物的矿物学、流体包裹体和LA-ICP-MS原位的元素分析等微观综合分析，并与围岩进行对比，探讨良里塔格组碳酸盐岩溶蚀孔洞内热流体不同期次方解石胶结物的温度、盐度和元素等的特征和变化规律，进而探讨不同期次流体环境的演化过程。

图1 塔中地区构造及钻井位置图Fig.1 Regional structure map and location of drilling wells in Tazhong area

1 区域地质概况

塔中地区良里塔格组生物礁滩发育，且普遍经历了加里东中期的表生岩溶改造，是近几年来重要的油气勘探层位[3]，其岩性主要有浅灰色、灰色、深灰色中厚层状泥晶灰岩、生物碎屑灰岩、礁灰岩等[4]。

塔中地区划分为塔中Ⅰ号断裂构造带、中央断垒带以及塔中南坡台缘带3个构造单元(图1)。塔里木盆地漫长的演化历史中发生过4期重要的与岩浆活动相关的地质热事件，分别在震旦纪-寒武纪、早奥陶世、二叠纪和白垩纪等[5-6]。前2期地质热事件由于发生较早，均未影响到整个奥陶系。白垩纪岩浆活动主要局限于塔里木盆地周边地区，影响范围较小，只有二叠纪大规模火山活动在整个塔里木盆地表现最强烈，对研究区产生了明显的影响[1,6]。该时期岩浆活动多沿断裂带喷发为主，晚期主要表现为大规模岩墙群侵入，岩浆活动产生的高温岩浆与热液对围岩产生热影响，发育大量溶蚀孔洞及裂缝[1,7]。从海西运动早期到印支运动-喜马拉雅运动期，局部地区发生掀斜和调整，但主要表现为继承性的隆起运动[6,8]。

2 样品采集与测试方法

本次选取了位于塔中地区南部的南缘断裂带的中2井(图1)，在岩心观察基础上，在良里塔格组溶蚀孔洞内方解石胶结物发育的岩心段进行了取样。

流体包裹体测试分析是在中国地质大学(北京)流体包裹实验室由张文淮和朱惠燕老师完成。包裹体测试样品12件，首先在手标本上选择溶蚀孔洞胶结物发育的样品制作包裹体薄片。在显微镜下观察，划分出溶蚀孔洞内方解石胶结期次，主要识别出了纤维-柱状、粒状等形态的方解石胶结物。在此基础上，在LinkamTHMSG-600冷热台上针对不同期次包裹体进行荧光检测，排除油气包裹体，圈定原生盐水包裹体进行测试，包裹体气液比尽量控制在≈95∶5。流体包裹体的温度和盐度的测试方法和测试流程参见Gasparrini等[10-11]。

阴极发光实验在成都地质调查中心实验室使用CL8200MK5阴极发光仪(配以Leica偏光显微镜)完成，测试条件选择束电压15 kV、束电流300 μA，同时考虑到样品的可对照性，对所有样品都采用了相同的测试条件。

在包裹体观察和测试基础上，针对包裹体薄片溶蚀孔洞内不同胶结期次进行选样圈定进行原位的LA-ICP-MS测试，LA-ICP-MS测试工作在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室(GPMR)利用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)完成。该LA-ICP-MS系统主要由激光剥蚀装置(LA)、电感耦合等离子体源(ICP)和质谱检测器(MS) 三大部分所组成。其中，LA对样品进行剥蚀完成取样功能，ICP将形成的样品气溶胶通过高温(约7 000 K)等离子体将其离子化，MS作为质量过滤器检测离子[7]，具体测试方法信息见文献[12]，该测试方法获得的元素含量已经得到普遍认可[13]。测试过程中，充分考虑了围岩、溶蚀孔洞内胶结物的期次性和胶结结构的差异性，以及各自的代表性。

3 方解石胶结物特征

3.1 岩矿特征

中2井良里塔格组溶蚀孔洞内胶结物结构宏观上具有一定相似性，围岩主要为浅灰色、灰色泥晶灰岩和粉屑灰岩(图2-A、B)。溶蚀孔洞多呈圆形或椭圆形，大小不等，孔洞直径<1.5 cm，并具有与方解石脉和微裂缝共存的特点；溶蚀孔洞与围岩接触处普遍具有暗色环边；溶蚀孔洞内主要为白色方解石胶结物，胶结物在肉眼下难于进行进一步的期次划分，但可见从洞壁向孔隙中部透明度增强的趋势，部分溶蚀孔洞中部见残余孔隙(图2-A、B)和沥青充填。

显微镜下观察显示，该溶蚀孔洞内白色胶结物并非单一期次的胶结，由洞壁向孔隙内部可依次出现纤维状-柱状方解石、晶粒状方解石胶结(图2-C、D)，而后者部分可进一步划分出2个胶结世代(图2-D)。

3.2 包裹体岩相学特征

中2井的粒状方解石包裹体均一温度在111～329℃，均一温度峰值分别为120～160℃和200～240℃，平均温度为193℃(图3-A)；盐度(wNaCl)在7.31%～14.46%，平均为10.8%。温度变化范围较大，盐度较高，基本上高温对应高盐度，低温对应低盐度(图3-B)。纤维状-柱状方解石胶结物包裹体难捕获，均一温度和盐度的测定比较困难，测得6个均一温度、3个盐度数据，均一温度为254～433℃，平均为336℃，均一温度峰值分别为280～300℃和400～440℃(图3-C)；盐度主要在7.95%～9.86%，平均为9.06%，基本上是高温对应高盐度(图3-D)。方解石脉的均一温度为103～320℃，峰值在120～160℃，平均为160℃(图3-E)；盐度较低，为0.53%～8.00%，平均为4.41%(图3-F)。

由图4看出，溶洞内方解石胶结物总体可分为4个相对区间，即Ⅰ区为粒状方解石，表现为高盐度相对的中低温度特征；Ⅱ区主要对应大部分方解石脉，表现为相对的中低温度和中低盐度；Ⅲ区主要为方解石脉，表现为低温低盐度；Ⅳ区为纤维状方解石和部分方解石脉，表现为相对的高温及中高盐度。

图2 溶蚀孔洞内胶结物的典型特征Fig.2 Typical characteristics of calcite cements in carbonate vugs

图3 包裹体温度和盐度直方图Fig.3 Histogram showing temperature and salinity of different cement inclusions

图4 包裹体温度-盐度交会图Fig.4 Cross plot of temperature and salinity from calcite cement inclusions of different stages

3.3 阴极发光特征

针对溶蚀孔洞内胶结物进行阴极发光测试，可识别出3～4期具不同阴极发光强度的环带，方解石晶体的环带厚度不等。纤维状-柱状方解石胶结物阴极发光性较粒状方解石胶结物的阴极发

光性暗(图5)，围岩与纤维-柱状方解石胶结物之间有一期发光性较弱的环带，后期充填的颗粒较大、自形程度高的方解石胶结物发光性较强且具有多期环带状的阴极发光[12,14]。

3.4 元素特征

3.4.1 主元素

表1展示了中2井样品主元素的测试结果：Fe质量分数(wFe)为(20.26～75 497.35)×10-6，变化范围较大；Mn质量分数(wMn)为(3.71～447.15)×10-6；Na质量分数(wNa)为(0～100.03)×10-6；K含量具有波动特征，多个样品测试K的质量分数(wK)为0，个别样品高达1 046.64×10-6；wFe/wMn主要在1.09～168.84，以溶洞内晶形较大的粒状方解石胶结物wFe/wMn总体最高，其次为围岩、纤维状方解石胶结物，晶形较小的粒状方解石胶结物的wFe/wMn最低。

围岩→纤维状-柱状方解石→粒状方解石不同胶结期次主元素具有差异性，样品4(2-65)-1多出一期粒状方解石胶结。从图6中可以看出，总体上，K、Na具有由围岩→纤维状-柱状方解石→粒状方解石具有降低的特点，尤其是粒状方解石胶结物降低明显；Mn含量具有先降低再升高的特点，即纤维状-柱状方解石胶结物Mn含量最低，其次是围岩，而最后一期粒状方解石胶结物含量最高；Fe、Al的含量总体由围岩→纤维状-粒状方解石快速降低，样品4(2-65)-1晶形较小的粒状方解石和样品4(32-65)-1的粒状方解石表现为低幅度下降特点，但样品4(2-65)-1的晶形较大的粒状方解石则具有Fe、Al含量明显增加的特点。2件样品对比显示，与围岩相比，总体上Fe、Al、Na、K具有相近趋势，除Fe具有先降后升趋势外，其余均具有下降趋势；而Mn由围岩→纤维状-柱状方解石→粒状方解石具有相反的趋势。

图5 溶蚀孔洞内不同期次方解石胶结物典型阴极发光及点位对应照片Fig.5 Typical CL images and corresponding positions of different calcite cements in dissolving holes

样品编号样品点NaAlKMnFeFe/Mn4(2-65)-1Z2-1-113.0287.500.00447.1575497.35168.84Z2-1-22.640.310.0018.5320.261.09Z2-1-362.548.373.043.7122.416.05Z2-1-4100.031627.00745.6719.95622.7231.22平均值59.41574.33249.57163.1125387.584(32-65)-1Z2-2-10.000.910.0022.6926.661.17Z2-2-295.223.800.004.8927.235.56Z2-2-390.782334.001046.6410.51727.5069.20平均值62.00779.54348.8812.70260.46

3.4.2 痕量元素

研究区痕量元素测试结果见表2，其中Sr的质量分数(wSr)为(50.27～215.30)×10-6；Cr的质量分数(wCr)为(0～65.24)×10-6；Ba含量极低，质量分数(wBa)为(0.05～6.97)×10-6；Ti含量变化较大，质量分数(wTi)为(0～514.38)×10-6；Ni的质量分数(wNi)为(0～5.19)×10-6；Sc和V含量很低，质量分数分别为(0～0.53)×10-6和(0～4.73)×10-6。

围岩与不同胶结期次方解石的痕量元素同样具有差异性(图6)。Sr含量变化幅度小，表现为先增加再减少，总体围岩中含量最高；Ba含量总体为降低，即纤维状-柱状方解石的Ba含量最低；Ni和Ti的含量快速降低然后再升高，其中方解石中Ti含量高于围岩，Ni含量与围岩相差不多； V含量表现出快速减少再增加的趋势；Sc含量变化不一，总体为降低趋势；Cr含量有明显的增加和减少，变化复杂。

3.4.3 稀土元素

对测井岩心稀土元素分析测试，相关REE 参数和球粒陨石[15]标准化配分模式分别如表3和图6所示。

由表3可知研究区稀土的总质量分数(wΣREE)为(0.07～10.34)×10-6，wLREE/wHREE为0.23～13.46，(wLa/wSm)N和(wGd/wYb)N分别为0.28～4.13和0.65～3.97(由于测试误差，导致个别元素含量未测出来)。根据岩性观察，围岩的ΣREE含量最高，其次是纤维状-柱状方解石，粒状方解石的ΣREE含量最低，总体呈下降趋势；围岩wLREE/wHREE值高，纤维状方解石则明显降低，而纤维状-柱状方解石→粒状方解石又具有增高的趋势；δCe平均值为为0.86；δEu为0.00～0.94，平均值为0.51(δEu>1.05为正异常，δEu<0.95为负异常)。

图6 围岩和溶洞内不同期次方解石胶结物LA-ICP-MS全元素迁移变化趋势图Fig.6 Trends of total element migration of calcite cements in different phases of host rocks and caverns by LA-ICP-MS

样品编号样品点ΣREELR/HRδCeδEuLa/SmGd/Yb4(2-65)-1Z2-1-10.8213.460.920.941.370.00Z2-1-21.025.390.860.990.000.00Z2-1-30.295.580.000.760.280.00Z2-1-410.346.230.820.584.131.844(32-65)-1Z2-2-10.171.640.740.170.000.65Z2-2-20.070.230.000.000.000.00Z2-2-35.2710.510.940.053.723.97

4 流体性质及演化

4.1 热流体来源

由塔中地区奥陶系埋藏史(图7)可以看出，奥陶系在古生代所经历的最高温度为80～105℃[16]，在二叠纪经历的温度应该为120～150℃，因此在古生代期间沉淀的缝洞充填物的均一温度>105℃即可指示为热流体成因。但近400℃(图3)的高温难于来自下部地层水，而应该来自岩浆活动的影响。前人对该地区良里塔格组碳酸盐岩的研究认为热流体与二叠纪岩浆活动相关[17-18]，因此推断中2井的热流体很可能与二叠纪的岩浆热液作用形成的热流体相关。

塔里木盆地早-中二叠世基性岩浆岩的稀土元素的wLREE/wHREE值为8.21，(wLa/wYb)N值为8.839，δEu值为0.966[19]，岩浆更富集稀土元素，轻、重稀土分馏程度明显，均略高于本文测试结果(表3)，可能反映岩浆流体加热地层水或者与地层水交换后的水体性质，而非岩浆直接注入到良里塔格组内。

4.2 围岩及胶结物的流体环境特点

a.围岩

前人研究揭示良里塔格组的碳酸盐岩为正常海水沉积环境，其稀土总质量分数平均为8.65×10-6[21]，而本次测试结果中围岩的稀土总量与奥陶纪正常海水的相近[22-23]。中2井中围岩的个别wFe/wMn值异常高，为30～60，可能受到了热流体提供的铁质来源影响。前人研究也揭示了塔中地区奥陶系发育大量的黄铁矿[23-24]，但是大部分的wFe/wMn值处于原始奥陶纪海水中的wFe/wMn值(0.033～2)变化范围内[25]。围岩中Sr的质量分数在200×10-6左右(表2)，与美国Iowa和Missouri的Mississppi系Bainingdun灰岩中Sr的质量分数(160×10-6)以及美国Tennessee东部Rongling地区上奥陶统灰岩中的Sr含量近似[26]。此外，前人研究得出碳酸盐岩的Sr含量也可以由于成岩过程中大气淡水环境的重结晶作用而减少[26]，塔中地区海相碳酸盐岩在后期遭受抬升剥蚀过程中受到了大气淡水的淋虑，因此可能会降低Sr含量。碳酸盐岩中Na元素是判断沉积环境的有效指标之一[27-28]。围岩Na的质量分数为100×10-6左右，与美国Tennessee东部Tongling地区上奥陶统灰岩中Na的质量分数(82×10-6)相近，被认为是淡水存在下的海洋碳酸盐沉积物的新生变形标志[28-29]。这表明塔中地区海相碳酸盐岩一定程度上经历了后期淡水参与[30-31]，这也与研究区良里塔格组后期普遍的表生岩溶改造具有对应性[31]。而围岩中方解石脉的低温和低盐度特征指示了大气淡水的活动特征，也进一步证实了围岩曾经经历过大气淡水改造(图3-E、F，图4)；同时方解石脉的低温和低盐度特征也说明其并未受到明显的热流体改造(表4)。

图7 塔中地区中2井地层埋藏史、构造演化史图Fig.7 Burial and tectonic evolution for the Well Zhong-2 in Tazhong area

b.纤维状-柱状方解石

纤维状-柱状方解石胶结物的wFe/wMn值为5～6，前人将该范围归属于大气淡水成因范围[25,28]，Na的平均质量分数为75×10-6左右，与美国Tennessee东部Tongling地区上奥陶统灰岩中Na的质量分数(82×10-6)相近，被认为是淡水存在下的海洋碳酸盐沉积物的新生变形标志[29,32]。但是前文包裹体测试结果分析得出纤维状-柱状方解石胶结物包裹体盐度(图3-D)远远高于大气淡水的盐度，并具有高温特征(254～433℃，wNaCl=7.95%～9.86%)，REE表现为强烈亏损流失的特点[33]，认为REE可能与构造热液作用引起的REE活化迁移有关[34-35]。δEu为0.00～0.76(δEu>1.05为正异常，δEu<0.95为负异常)[36-37]。前人研究表明，Eu的弱正异常通常反映了热液影响或是与氧化环境有关[38]；此外，纤维状-柱状方解石阴极发光显示不发光性，Sr含量(质量分数为200×10-6左右)与围岩相似。综上，推断纤维状-柱状方解石成岩流体性质很可能是受岩浆热液影响的地层水与大气淡水的混合产物(表4)。

c.粒状方解石

由表2可知，晶粒较小的粒状方解石Na的质量分数为2.64×10-6，晶粒大的粒状方解石Na的质量分数为13.02×10-6，说明晶粒较小的粒状方解石盐度相对较低，对应前文研究的阴极发光性及包裹体盐度特征：晶形小的粒状方解石胶结物(图5-B)具有较强发光性，具中高盐度(wNaCl=7.31%～9.98%)，晶形大的粒状方解石胶结物包裹体盐度为10.24%～14.46%；此外，粒状方解石胶结物的包裹体温度分别为120～160℃、200～240℃，属于高温包裹体，受到了热流体的影响。从Sr含量来看，较小粒状方解石胶结物wSr=90.67×10-6，晶粒大的粒状方解石wSr=105.79×10-6，均低于围岩中Sr的含量，热流体驱使元素发生迁移。δEu为0.94、0.99， 表现为弱氧化环境[36]。晶粒小的粒状方解石wFe/wMn值为1.09，属于海水的范围内(0.033～2)[25]；晶粒大的粒状方解石wFe/wMn值为168.84，完全失去阴极发光性。而具有如此高的wFe/wMn值，猜测与样品中暗色环边黄铁矿富集(图2)指示富含铁离子的流体背景有关。前人研究该地区发育大量深部热流体影响下硫酸盐发生热化学还原(TSR)作用形成了普遍的黄铁矿[27-28]，更加印证了热流体的存在。认为晶粒大的方解石成岩热流体温度高于晶粒小的粒状的方解石胶结物，且晶粒大的方解石成岩流体为热流体改造的大气淡水，晶粒小的方解石成岩流体可能为热流体改造下的奥陶系海水成因(表4)。

表4塔中地区中2井良里塔格组热流体胶结物演化过程及演化模式
Table4Hot fluid cementation process and evolution model for the Upper Ordovician Lianglitage Formation, Tazhong area

5 结 论

a.塔里木盆地塔中地区上奥陶统良里塔格组溶蚀孔洞内发育一期纤维状-柱状方解石和两期主要的粒状方解石胶结物，其明显经历了二叠纪岩浆活动相关的热流体改造影响，且具有地层水、大气淡水等多种和多期流体活动的综合影响。

b.不同期次胶结物记录了热流体影响下的成岩流体环境的明显变化特征：纤维状-柱状方解石胶结物具有高温、中高盐度特征，指示了热流体影响下有大气淡水影响的流体环境。而粒状方解石胶结物具有2种特征，第一种晶粒小的具有中温、中高盐度特征，指示了弱氧化条件下热流体和大气淡水混合流体环境；第二种晶粒大的方解石胶结物具有高温、高盐度特征，可能记录了弱氧化条件下热流体和地层水联合影响的流体环境。

c.大气淡水是来自早期地层水，还是来自热流体事件时期的表层大气淡水，有待进一步探讨。