塘古坳陷YL6井寒武系盐下变质岩地层厘定及地质意义

2018-12-27付小涛王孝明周浩栋李向云

现代地质 2018年6期

付小涛，王斌，王祥，王孝明，屈洋，任凭，周浩栋，李向云

(中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院，新疆库尔勒 841000)

0 引言

图1 塘古坳陷构造单元划分Fig.1 Tectonic units in the Tanggu Depression

YL6井是部署在塔里木盆地塘古坳陷玛东构造带上的一口预探井，其钻探目的为探索该区域寒武系盐下白云岩的含油气性，评价稳定构造带寒武系原生油气藏的勘探潜力。该井于2016年钻穿中寒武统膏盐岩层，后在6 997 m之下钻揭了一套厚约420 m的变质岩，因未能钻遇预计的下寒武统厚层白云岩目的层而失利。对于YL6井钻揭的这套变质岩地层时代还没有形成统一认识，如果其代表的是早寒武世塔南前震旦结晶基底在塘古坳陷的延伸，则意味着玛东构造带可能区域性缺失下寒武统，针对该区寒武系盐下的油气勘探则失去意义；若其为下寒武统白云岩经局部热变质形成，该区域应广泛发育未变质的下寒武统白云岩，变质现象可能仅在局部存在。因此，YL6井寒武系盐下的这套变质岩地层归属及变质成因是制约该区域寒武系盐下下步勘探方向和部署的重要问题，开展对YL6井寒武系盐下变质岩的地层厘定具有重要意义。本文拟从岩心、薄片、扫描电镜、地震、测井等资料入手，探讨YL6井底变质岩的岩石特征、变质成因及地层时代归属，并对该区寒武系盐下原生油气藏勘探前景进行了分析，为今后寒武系盐下白云岩油气勘探提供借鉴和参考。

1 地质概况

塘古坳陷位于塔里木盆地西南部，塔中、巴楚隆起以南，由玛东冲断带、塘北次凹、塘南台地、塘南次凹、塘南凸起等次级构造单元构成(图1)。其中玛东构造带位于塘古坳陷西部，是受古生代滑脱逆冲断裂控制的构造带，由5排近平行的NEE-SWW走向冲断层组成[1-2]，冲断层以中寒武统膏盐岩为滑脱面，向上延伸至志留系或石炭系底(图2)，在强烈的逆冲作用下，奥陶系大幅度抬升形成断垒带构造样式，寒武系盐下构造保持相对稳定。

图2 玛东冲断带地质结构剖面(剖面位置见图1)Fig.2 Geologic cross section of the Madong tectonic belt (location shown in Fig.1)

图3 YL6井底大理岩岩屑、岩心及镜下特征Fig.3 Features of the cores and slices of the marble in well YL6 (a)YL6井白色片状大理岩岩屑；(b)大理岩岩心见高角度裂缝，泥质充填；(c)岩心断面呈纯白色；(d)浅绿色蛇纹石条带；(e)6 979 m，岩屑薄片，白云石大理岩，嵌晶结构，白云石重结晶；(f)7 412 m，岩心薄片，大理岩段普遍发育的纤维状蛇纹石；(g)7 300 m，大理岩中常见硅灰石、透辉石、橄榄石等变质矿物

研究区已钻探井揭示该区自上而下发育新生界第四系、新近系、古近系和古生界二叠系、石炭系、奥陶系、寒武系中上统，目前尚无钻井钻揭下寒武统沉积岩。前人研究表明，塔西南在早寒武世—早中奥陶世发育一条近EW向塔南古陆[3-6]，受古隆起格局的控制，塘古坳陷在早寒武世发生第一次大规模海侵时主要为局限台地沉积，形成以白云岩和泥质白云岩为主的下寒武统[6-7]，其厚度向北呈现逐渐增厚的趋势，向南超覆尖灭于古隆起。

2 YL6井底变质岩特征

2.1 岩石学特征

YL6井深6 997 m以下岩屑呈白色片状，岩心断面为纯白色，裂缝发育(图3(a)-(c))，碳酸镁钙含量为75%～83%，碳酸钙含量为2%～9%，其他含量为12%～17%，岩心中常见浅绿色或墨绿色条带及斑块(图3(d))，具油脂光泽，扫描电镜显示其浅绿色成分主要为Mg、Si、O，其中Mg与Si摩尔比约1.5∶1(表1)，与蛇纹石分子式Mg6[Si4O10](OH)8[8]相符，镜下呈纤维状或叶片状集合体，正交光下呈一级灰白干涉色，旋转360°全亮，白色主体的碳酸盐岩类岩石镜下表现为粒状变晶结构(图3(e)-(f))，主要成分为白云石、方解石，另外在部分岩屑薄片中还见少量石膏及橄榄石、硅灰石等变质矿物(图3(g))。根据岩屑、岩心、扫描电镜及镜下特征，YL6井底变质岩主要为白云石大理岩，次为蛇纹石白云石大理岩、蛇纹石方解石大理岩、蛇纹岩。

表1YL6井大理岩段蛇纹石扫描电镜定量鉴定数据

Table1SEMquantitativeanalysisdataoftheserpentinefromthemarbleinwellYL6

元素质量分数/%原子百分含量/%净强度误差/%C12.7618.9150.79.9O49.4354.98874.18.18Mg23.0516.871 554.26.71Si14.239.011 157.76.21Ca0.530.2353.63.44

2.2 变质段与变质强度

图4 YL6寒武系白云岩过渡变质特征Fig.4 Transitional features of the Cambrian dolomite in well YL6

宏观上，YL6井岩屑呈现出肉眼可见的明显变化是在6 997 m之后，直至井底7 420 m都为纯白色片状岩屑，镜下鉴定主要为白云石大理岩或蛇纹石大理岩，而6 997 m之上以灰色、灰黑色白云岩、膏质云岩和石膏岩为主。通过此次对6 500 m之下的岩屑进行系统、密集的取样分析发现，在6 997 m之上的中寒武统膏质白云岩间也发现了大理岩，其最早出现的深度为6 893 m，层位为中寒武统沙依里克组，6 893～6 997 m之间主体岩性为含石膏泥质云岩、粉细晶云岩、泥质粉晶云岩以及泥质灰岩，但在6 900 m、6 957 m、6 974 m、6 979 m、6 983 m、6 992 m、6 996 m等深度的岩屑中都见到了大理岩岩屑，在6 974 m能见到白云岩岩屑部分发生大理岩化(图4)，表明白云岩向大理岩过渡的变质特征。取样间隔大，大理岩丰度低可能是导致前期研究未在6 997 m之上发现变质的主要原因。因此，YL6井大理岩并非“突变式”出现于6 997 m之下，而是在整个中下寒武统呈现出“渐变式”随深度增大逐渐增多的特征。

在大理岩段岩屑薄片中除广泛可见蛇纹石外，在镜下还发现了硅灰石、透辉石、透闪石、橄榄石等多种高温变质矿物，多呈星点状或片状分布于大理岩中，部分发生蛇纹石化，形成了硅灰石大理岩、透闪石大理岩、橄榄石大理岩等(图4)。这些特征变质矿物的出现随深度呈现出一定规律性:蛇纹石在整个变质岩段均见分布；硅灰石主要出现于7 100～7 300 m；透辉石、透闪石主要出现于7 250～7 360 m；橄榄石主要出现于7 350～7 420 m。变质矿物的分布随着深度的增加表现出由低级变质矿物向高级变质矿物过渡的特征(图4)。

2.3 酸性热液活动相关产物

图5 YL6井底酸性岩浆活动相关次生矿物镜下特征Fig.5 Microscopic features of the felsic magmatism-related secondary minerals in well YL6(a)7 095 m，花岗细晶岩岩屑；(b)7 125 m，花岗细晶岩岩屑；(c)7 115 m，粒状玉髓，主要由小米粒状玉髓组成；(d)7 413.06 m蛇纹石交代橄榄石假象；(e)7 412.46 m(岩心薄片)，蛇纹石交代方解石残余；(f)7 415.8 m(岩心薄片)，蛇纹石交代方解石、白云石残余

在YL6井大理岩段的部分岩屑薄片中还发现了花岗细晶岩和玉髓(图5(a)-(c))，花岗细晶岩成分以长石、正长石为主，晶粒较大，石英含量相对较少且晶粒细小，具嵌晶结构。花岗细晶岩与酸性岩浆的侵入有关，是花岗质岩浆演化晚期的产物[9]，因此它的出现说明大理岩的形成可能与其附近的酸性岩浆—热液体系的活动有关。在7 075 m和7 115 m深度的岩屑中还发现了小米粒状、纤状或放射状的玉髓，它的出现说明在成岩过程中有酸性热液的活动。

同时，在7 116～7 144 m井段的多处岩屑中均见到了墨绿色蛇纹石。蛇纹石是一种高镁矿物，它既可以由橄榄石等高含镁硅酸盐矿物受热蚀变形成，也可以由富硅的热液与镁质碳酸盐岩类岩石(如白云岩或云质灰岩等)发生蛇纹石化形成蛇纹石大理岩[10-11]。镜下可见YL6井底蛇纹石中有橄榄石蚀变残余以及橄榄石被完全蚀变后的假象(图5(d))，但这种类型的蛇纹石主要见于大理岩段底部(即橄榄石发育段)，而绝大部分蛇纹石为热液交代白云石或方解石形成，镜下常见白云石或方解石残余(图5(e)-(f))。大理岩中伴生的花岗细晶岩、玉髓以及大量蛇纹石的出现说明大理岩原岩的变质过程与酸性岩浆以及与其相关的气态或液态溶液引起的变质作用密切相关。

2.4 海绵骨针

图6 YL6井底海绵骨针井下特征Fig.6 Features of sponge spicules from well YL6(a)6 959 m，硅质海绵骨针化石，放射状、纤状玉髓交代方解石；(b)7 025 m，多轴海绵骨针，硅质云岩；(c)-(d)7 002 m，单偏光(c)和正交光(d)下海绵骨针碎片形态，硅质云岩

海绵动物是一种在寒武纪开始大量繁盛并且迅速演化的原始多细胞动物，目前最可靠、时代最老的海绵骨针化石产自于下寒武统梅树村阶底部的岩石中[12-13]。在YL6井6 950～7 025 m井段发现大量海绵骨针，密集出现段为6 990～7 002 m，位于以大理岩为主的岩性段，镜下形态以呈柱状、米粒状、棒状、纺锤状为主，个别可见完整的三轴骨针形态(图6)，其所在单个岩屑的岩性主要为云岩、硅质岩及硅质云岩，常见白云石局部硅化，形成纤维状或放射状硅质岩，反映了骨针硅质岩的白云岩交代成因，其原岩为浅水沉积产物，而非广泛发育于玉尔吐斯组的深水沉积成因硅质岩[14]，因此这套大理岩出现海绵骨针的层段(大理岩段顶部7 000 m附近)并不能与寒武系底部玉尔吐斯组相对应。

3 变质岩成因分析

通过对YL6井寒武系盐下大理岩的分析，我们认为这套大理岩的原岩为在塔里木台盆区广泛分布的下寒武统巨厚层白云岩，而非代表前寒武系区域变质基底，与岩浆活动相关的局部热变质是导致大理岩形成的主要原因。总结理由主要有以下几点。

(1)区域变质作用形成的大理岩因受到强大定向压力的作用往往具有明显的片理构造，重结晶晶粒通常具有定向拉长的特征，且成分比较复杂[15]，而YL6井大理岩镜下可见不具有定向拉长的特征，成分比较单一，与区域变质岩有明显区别。此外，塔里木台盆区钻揭前寒武的探井(方1、和4、巴探5、玛北1、楚探1等)揭示前寒武变质基底岩性主要为玄武岩、千枚岩、片麻岩等火山岩或典型区域变质岩，未发现大理岩的变质基底。

(2)大理岩如果是早期形成的区域变质基底，则基底之上的地层应为未变质的中上寒武统，前述研究结果表明大理岩在中寒武统膏质云岩中也有分布，只是出现频率有所降低，并非在未变质的云岩之下以“突变式”的形式出现，而在厚层膏盐之上则再未发现云岩变质现象，这可能与巨厚膏盐岩层导热性较碳酸盐岩差以及对变质流体的封挡有关。同时，在大理岩中发现的特征变质矿物也反映了从浅至深变质强度由低变高的变质序列。无论是大理岩的分布特征还是特征变质矿物的分布规律，都符合深部变质热源在向上传导的过程中热量逐渐散失而导致变质强度逐渐减弱的特征。

图7 过YL6井地震剖面Fig.7 Through-well seismic profile of well YL6

图8 YL6井寒武系盐下地层测井解释成果图Fig.8 Logging interpretation diagram of the Cambrian sub-salt sequences in well YL6

(3)前文所述花岗细晶岩的发现反映了大理岩的形成与附近酸性岩浆的活动密切相关，而岩浆活动过程中所析出的气态或液态流体是形成玉髓化岩、蛇纹岩、硅质岩的物质基础。这说明YL6井大理岩的形成是局部构造—岩浆活动的结果。

(4)海绵骨针化石的发现进一步证实其附近深度的大理岩原岩最可靠的时代应为早寒武世，而自井深7 025 m以后未能再发现海绵骨针可能与大理岩变质程度有关:随着深度的增大，变质作用的增强导致含海绵骨针的原岩发生强烈蚀变，致使骨针形态难以辨认。

(5)地震资料显示YL6井寒武系盐层及盐下地层发生构造变形，盐底区域上表现为低中频、较强振幅、较连续反射特征，盐下地层表现为杂乱反射特征，杂乱反射体两侧地层反射轴连续(图7)。一般而言厚层白云岩具有连续性和平行性好的地震反射特征，后期由于变形、变质或岩浆侵入等改造作用容易形成杂乱、空白反射特征[16]，因此YL6盐下的杂乱反射可能是后期构造破碎与变质作用综合导致的。测井资料显示大理岩段地层倾角15°～55°不等，井眼地应力方向为NW-SE向，井周发育高角度裂缝，且裂缝倾向主要为NEE向(图8)。地震与测井资料反映寒武系膏盐层及下部地层受北西—南东向构造应力的强烈影响，可能与加里东中晚期阿尔金地体与塔里木地体的碰撞挤压有关[17-18]，受构造挤压作用形成的断裂破碎带是沟通深部热源导致下寒武统白云岩变质的主要因素。

4 玛东寒武系盐下勘探潜力

目前在玛东冲断带周缘已发现玉北1油田、和田河气田、鸟山气藏、罗斯2气藏等8个油气田(藏)，玛东地区的玛东1、玛东2、玛参1等井奥陶系均有油气显示，表明玛东冲断带具有良好的油源条件，研究表明，塘古坳陷油气源主要来自寒武系或更古老地层，而发育于盆地西南部的南华纪裂谷沉积可能是最重要的生烃中心[19-20]。巴楚及塔中地区已钻揭寒武系盐下白云岩井的岩心资料表明盐下白云岩储层主要为裂缝—孔洞型储层，孔隙度0.19%～16.6%，渗透率0.002×10-3～982×10-3μm2，说明基质孔隙非均质性较强，测井解释结果表明肖尔布拉克组普遍发育I、II类储层(图9)，平均储地比15%。另外，中寒武统膏盐岩是一套在盆地中西部广泛分布的区域优质盖层，YL6井钻揭中寒武纯膏盐岩、泥岩厚达214 m。因此玛东地区寒武系盐下具有良好的生储盖条件。

研究表明，玛东构造带寒武系盐下构造自早加里东期形成以来保持相对稳定[21]，晚海西期是油气大规模充注期[22-24]，寒武系盐下圈闭可捕获油气形成原生油气藏，喜山期的构造反转导致寒武系盐下油气藏重新调整，但并未对寒武系盐下圈闭形成破坏。地震资料表明，类似YL6井寒武系盐下杂乱反射仅在局部形成，且塔西南地区石炭系沉积前并没有发生大规模的火山活动，因此玛东地区应发育正常的寒武系盐下白云岩，在变质作用未影响下寒武统的广大区域仍有发现原生油气藏的潜力，而下寒武统发生变质的区域则可寻找岩性—构造复合油气藏。

5 下寒武统厚度探讨

已钻井资料表明，台盆区下寒武统白云岩厚度一般在160～300 m，其中肖尔布拉克组厚度一般80～200 m，YL6井钻揭了420 m厚大理岩，其母岩可能并不全是下寒武统白云岩。测井资料显示，YL6井电阻率曲线在7 290 m之后出现明显升高，数值比7 290之上高约一个数量级，此外7 290 m以下的GR曲线也较平直，与上部剧烈跳跃的特征有显著差别。成像测井资料显示7 290 m为一个岩石性质发生明显改变的界面，界面之下的大理岩质地均一，裂缝发育较少，与上部地层有明显区别。因此，YL6井钻揭大理岩的母岩可能是整个下寒武统以及部分震旦系奇格布拉克组白云岩，寒武系底的界限可能在7 290 m左右，YL6井下寒武统白云岩厚度大约为290 m。因资料有限，目前对于YL6井寒武系底的界限还无法进行精确界定，在此仅作探讨。