塔中奥陶系鹰山组海相碳酸盐岩成岩及充填特征❋

2019-05-21李倩倩

中国海洋大学学报（自然科学版） 2019年7期

李倩倩，邢磊

(1.中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东青岛 266100;2.青岛海洋科学与技术国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室，山东青岛 266100)

塔中隆起西与巴楚断隆相接，东与塔东低隆相连，北部靠近满加尔坳陷，南部为塘古孜巴斯坳陷，呈北西向展布。自北向南塔中隆起可分为北部斜坡、中部凸起及南部斜坡三个次级构造带，研究区位于北斜坡中部的勘探Ⅱ区(见图1)。前人分析表明，在早奥陶世末期至晚奥陶世早期，塔中地区发生整体隆升，北西向古隆起已具雏形，在隆起高部位地层剥蚀缺失，下奥陶统鹰山组裸露遭受强烈剥蚀和风化、淋滤，由于鹰山组为一套较纯灰岩，暴露风化壳附近形成了大量缝洞，塔中隆起中绝大部分缺失了中奥陶统及上奥陶统底部的吐木休克组，下奥陶统鹰山组从北向南剥蚀量逐渐增大。至晚奥陶世早期塔中开始接受上奥陶统良里塔格组沉积[1-6]。

奥陶系鹰山组缝洞型储层发育，是近年来塔里木油田勘探开发的重点区域之一[7]。目前勘探实践表明，该地区缝洞充填严重，鹰山组顶部风化壳面附近缝洞基本被泥质充填物充填，而较好储层却分布于此之下[8-10]。泥质充填物来源、古环境、与下部缝洞储层发育关系、甚至与岩溶作用关系等问题一直是该地区石油地质研究的难点。

图1 研究区构造位置图

塔中地区地层分布特征：自上而下为新生界、中生界白垩系、三叠系、上古生界二叠系、石炭系、泥盆系、下古生界志留系、奥陶系、寒武系。奥陶系地层主要为下奥陶统蓬莱坝组、鹰山组及上奥陶统良里塔格组、桑塔木组。上奥陶统与上覆的志留系和下伏的下奥陶统均为不整合接触(见图2)。近年来，塔中地区勘探表明，下奥陶统鹰山组发育有大型缝洞储层，是该地区碳酸盐岩油气产层[11]。

(1)桑塔木组

岩性以深灰色泥岩、钙质泥岩为主，夹有少量粉砂岩及薄层灰岩。中古8井区厚392～913 m。桑塔木组的泥岩直接覆盖于良里塔格组灰岩之上，是一套优质盖层。电性上以高自然伽玛和低电阻率为特征，在测井响应上较为容易识别，区域对比良好。

(2)良里塔格组

岩性主要为浅灰色亮晶砂屑生屑灰岩、生物骨架岩、生屑砂屑粘结岩、隐藻泥晶灰岩、隐藻凝块石灰岩及泥晶灰岩。良里塔格组可细分五个岩性段(从上而下为良一段～良五段)。中古8、中古10井区良里塔格组厚度177～321 m，局部缺失良四段～良五段，中古8井区还缺失良一段，地层厚度从东向西、从北向南厚度略有增加。中古43、中古51井、中古5井区良里塔格组厚度274～641 m，地层厚度从西向东有增厚的趋势，良一～良五未缺失。

(3)鹰山组

下奥陶统鹰山组岩性以浅灰、灰、深灰色薄-厚层状泥晶灰岩、藻粘结泥晶灰岩、细粉晶灰岩、泥粉晶砂屑灰岩、亮晶粒屑灰岩为主，夹薄层粉晶白云岩、砂屑白云岩。

前人研究显示鹰山组自上而下可分为四段。鹰山组一段：较低GR、高电阻，泥晶砂屑灰岩夹泥晶灰岩，层厚350 m左右；鹰山组二段：平直低GR夹尖峰高电阻，砂屑灰岩和云质灰岩，层厚300 m左右；鹰山组三段：锯齿尖峰高值GR，电阻率高值锯齿状，云质灰岩，层厚200 m左右。鹰山组四段：较平直夹尖峰GR，云质砂屑灰岩夹薄层云岩，层厚220 m左右。

塔中地区鹰山组主要钻遇鹰一段及鹰二段，自下至上岩性、电性变化特征可分为4个亚段，①鹰二下亚段：岩性为褐灰、灰色厚层状云岩、泥-粉晶灰岩及云质灰岩，夹燧石结核云岩、灰岩。自然伽玛曲线跳跃。②鹰二上亚段：岩性以灰色结晶云岩、灰色灰质云岩、泥晶灰岩、泥晶颗粒灰岩、亮晶颗粒灰岩不等厚互层为特征。自然伽玛曲线为低值跳跃状，电阻率曲线呈高值跳跃状。③鹰一下亚段：以褐灰、灰褐色巨厚层泥-粉晶灰岩为主，夹含泥灰岩、灰质云岩、砂屑灰岩。自然伽玛曲线较为平直，电阻率曲线无明显特点。为储层发育相对集中的层段。④鹰一上亚段段岩性以褐灰、灰褐色巨厚层泥-粉晶灰岩为主，夹含泥灰岩、灰质云岩。本层段自然伽玛曲线呈低值平直状态，与其上覆良里塔格组交界处自然伽玛往往出现一个高峰值，可能与隆起暴露缺失有关[12]。

图2 塔中地区上奥陶统综合柱状图

1 鹰山组碳酸盐岩充填物特征及充填时期

1.1 缝洞充填物类型

根据岩芯观察、薄片鉴定塔中Ⅱ区奥陶系缝洞充填物可归纳为以下三种类型：(1)化学充填物：主要为方解石，其次还包括萤石、石英等(见图3，4)。(2)机械充填物：主要有两类，一是成岩早期残余泥质，一般含残余有机质，主要见于储集意义不大成岩微缝中。另一类是缝洞中充填的钙泥岩、角砾岩(见图5)，为流水机械搬运成因，或垮塌成因，测井上一般为高GR。(3)其它充填物：包括有机充填物如有机质、干沥青、油侵，特殊成岩自生矿物，如黄铁矿等。

图3 高角度裂缝被粗晶方解石充填，宽约10mm

对取芯井缝洞充填物总结发现，总体上塔中Ⅱ区鹰山组化学充填物欠发育，主要以高GR的泥质充填物为主。

图4 偏光镜显示岩心薄片缝内方解石包裹体

图5 溶洞钙泥质及角砾充填物

1.2 高GR段测井特征及类型划分

高GR段为测井曲线上GR值相对上下泥岩基线有较显著增高，而电阻率值降低的一段。因此通过GR曲线可以识别GR段，对各井GR测井曲线形态进行分析，发现高GR曲线形态多样，总体上按曲线形态可分为齿状和峰状高GR段，划分标准为曲线最高峰GR值是否大于75API。其中齿状又分为单齿状、多齿状，峰状分为单峰状、双峰状及钟型多峰状、锥型多峰状及山型多峰状(见表1)。

表1 高GR段形态分类

1.3 高GR段岩石学及地球化学特征

高GR段取芯较少，仅在ZG43-1、TZ201-1H取到部分样品。ZG43-1取样位置位于内部高GR段上部、TZ201-1H为上部高GR中下部，因此取样仅具有一定代表性。

1.3.1 岩石学特征通过对ZG43-1充填物岩芯观察及薄片鉴定，发现高GR段主要为灰色-灰绿色泥质及小角砾充填，泥质滴酸起泡。显微定名充填物岩性为含砂砾岩、砂岩、含砂泥岩及泥岩。其中角砾成分主要为泥微晶灰岩、砂屑灰岩，泥质成分为显微鳞片状的绢云母、高岭石等粘土矿物组成物质，胶结物为钙质。整体上由泥微晶或砂屑灰岩屑组成碎屑物含量约70%～80%，杂基为粘土矿物组成含量约12%～18%，胶结物为5%～8%，其中颗粒支撑物中无长石和石英，灰岩屑具有一定分选，磨圆为次棱角状-次圆状(见图6)。

((岩石主要由碎屑物和杂基、胶结物组成。碎屑物主要为灰岩岩屑(A)，主要由显微粒状的方解石(粒度多在0.004～0.03 mm间)嵌布组成，含量约80%，杂基为显微鳞片状的绢云母、高岭石(C)，含量约18%胶结物为他形粒状的方解石(D)，含量约2%显微鉴定无石英矿物。Rocks are mainly composed of debris,impurities and cements.The debris is mainly composed of limeclast(A),which is mainly composed of microcrystalline calcite(with a mainly grain size of 0.004-0.003 mm)with a content of about 80%.The impurities are micro-scale sericite and kaolinite(C).The content of microcrystalline calcite(D) is about 18% with other granular calcite.The content of (D)is quartz-free minerals with microscopically identified. )

图6 溶洞中含砾砂岩，ZG43-1

Fig.6 Gravel bearing sandstone in karst cave, ZG43-1

对TZ201-1H的充填物岩芯观察及鉴定显示，与ZG43-1高GR成分有所不同，从岩芯观察上发现二者具有一定区别，ZG43-1充填物泥岩污手、质软，而TZ201-1H质脆、硬，几乎不污手。显微鉴定TZ201-1H充填物泥质含量低于ZG43-1，深色细粒物质主要为灰岩岩屑与粘土矿物的混合物，显微鉴定杂基为粘土矿物，屑物质为泥微晶或砂屑灰岩屑(见图7)。

(灰岩砾为砂屑(A)、凝块(B)、砾屑(C)，砾间主要由他形粒状的亮晶方解石及显微鳞片状的水云母及高岭石(E)填隙胶结。Limestone gravel is composed of sandy debris(A),agglomerate(B) and gravel(C).The interstitial cementation between the gravels is mainly composed of other-shaped granular sparking calcite,micro-scale hydromica and kaolinite(E).)

图7 溶缝泥质及角砾充填，角砾为亮晶粒屑灰岩(右)，TZ201-1H

Fig.7 The mudstone and breccia are filled in the dissolution joint, and the breccia is bright grain limestone (right), TZ201-1H

1.3.2 孢粉鉴定从植物界的演化观点分析，在泥盆纪以前植物界均为海生的藻菌植物，为微古植物，前泥盆纪微古植物研究一直是难点[13]。陆生植物的发育是在泥盆纪以后，因此目前技术下奥陶纪沉积物中无法鉴定出孢粉。在ZG43-1溶洞中取泥质充填物进行孢粉植物化石鉴定，发现有1粒三角锥刺孢属Lophotriletes、1粒单束松粉属Abietineaepollenites、3粒两气囊花粉Disacciatrileti和3粒未知类型的化石(见图8)。

三角锥刺孢属Lophotriletes全球分布于古生代至中生代，单束松粉属Abietineaepollenites全球分布于中、新生代，所以该样品孢粉组合反映的时代为中生代[14]。即如样品无污染的情况下，泥质充填物可能来源于中生代地层，但塔中地区构造史及埋藏史分析发现，除非受断裂影响，中生代泥岩一般不会进入古生代碳酸盐岩中，因此上述鉴定结果表明样品可能为取样时受污染。

(32μ，ZG43-1(左图)；两气囊花粉Disacciatrileti，32μ，ZG43-1(右图。ZG43-1 (left); Two air bag pollen Disacciatrileti, 32, ZG43-1 (right).)

图8 三角锥刺孢属
Fig.8 The genus Lophotriletes

1.3.3 碳氧同位素特征对塔中地区缝洞泥质充填物及其附近基岩取样分析，按泥质充填物、基岩及角砾充填物三类进行碳氧同位素交汇。出现带状分布，即除7号样外，其余样品δ18O值较集中分布于-6‰～-8‰之间，而δ13C值分布于-1‰～1‰。取样的基岩为鹰山组灰岩，形成于海相沉积环境，因此可以用充填物碳氧同位素值与基岩值对比，以此判断环境。基岩δ13C值-0.8‰～0.5‰，δ18O值-6‰～-8‰，说明在这范围的充填物可能形成于海相环境如1、6、9、8、3号。而7号δ18O值更偏负，可能受淡水影响(见图9)。

对ZG43-1高GR段及上下基岩碳氧同位素分析，溶洞上下基岩碳氧同位素值较接近，位于交汇图左边(10-13号样及18号样)，而溶洞泥质充填物碳氧同位素值与基岩具有差别，主要体现在基岩δ13C值为负值(-0.86‰～0‰)，而溶洞泥质充填物为正值(0.6‰～1.04‰)，因此主要位于分布图右边(14～17号样)，说明溶洞充填物形成环境与基岩形成不同。而δ18O值基岩与溶洞泥岩充填物差别不大，为-5.5‰～-8.5‰。上部层间缝泥质充填物(9号样)碳氧同位素值与基岩值差别不大，说明二者形成环境差别不大。

图9 奥陶系基岩及缝洞泥质、角砾充填物碳氧同位素交汇图

因此，结合上述数据比较，δ13C是判断溶洞泥质充填物形成环境的关键。首先δ13C的来源与盐度有关。如果δ13C 来自淡水，那么此环境中沉积的淡水碳酸盐沉积物的δ13C多介于-5～-15之间；如果大气中CO2含量很小，溶解在淡水中的CO2多来自土壤和腐植质，那么δ13C为高负值。如果来自海相灰岩，则δ13C值介于-5～+5之间，所以CO2的来源环境不同，那么δ13C值就差别较大。其次是随着埋深的加大，温度和压力的增加，δ13C相对较为稳定。成岩过程中主要影响δ13C值因素是岩石中有机碳的含量和碳氢化合物(CH4)的转化和成因。溶洞泥质充填物由于吸附性好一般比溶洞基岩有机质含量高，因此必须考虑有机质含量及成岩过程中有机质转化引起δ13C原始值的变化，该因素降低了其指示原始环境的可靠性。

综合上述分析，ZG43-1溶洞钙泥质充填物没有出现典型的淡水环境条件下δ13C极大负偏值，溶洞钙泥质充填物δ13C为正值，说明泥岩充填物可能充填于海相环境。溶洞中小角砾δ13C为-0.13‰，δ18O为-6.29‰(见图10中5号样)，与基岩值几乎一致，说明了溶洞中小角砾与基岩密切相关(基岩角砾)，薄片鉴定发现小角砾岩性为微晶灰岩、砂屑灰岩，与基岩岩性也较一致，因此可以认为溶洞内小角砾为基岩垮塌或破碎形成。

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1.3.4 稀土元素REE组合特征为认识鹰山组溶洞泥质充填物的来源，对塔中地区奥陶系良里塔格组底部泥灰岩、泥质条带灰岩中泥质条带、一间房组灰岩、鹰山组灰岩及良里塔格组和鹰山组缝洞充填泥岩进行了系统采样，并进行综合分析。碎屑岩中REE含量主要受控于它的物源区岩石成分，并反映物源区的地球化学特征[15-17]。

REE分配模式，通常利用一种选定的参照物中相应的REE浓度(含量)，对岩石或矿物样品的REE浓度进行标准化(本次选择北美页岩REE标准化)，其目的在于消除原子序数为奇数和偶数的REE间的丰度变化(元素奇偶效应-Oddo-Harskin法则)，使成分—丰度曲线得到平滑；识别岩石样品相对参照物的REE分馏情况；将样品中每种REE的丰度除以参照物中各REE的丰度，得到标准化丰度，然后以10为底取对数，再以此对数值为纵坐标及以原子序数为横坐标作图，连接每个投影点，便得到样品的REE分配模式图(见图10，11，12)。

图10 ZG43-1鹰山组缝洞钙泥质REE分配模式图

图11 鹰山组灰岩REE分配模式图

图12 良里塔格组底部泥灰岩REE分配模式图

通过比较分配模式图，缝洞钙泥岩与鹰山组基岩REE分配模式相差较大，而与良里塔格组底部泥灰岩REE分配模式，二者曲线形态近似，相似度较高。个别差异主要是：(1)溶洞泥，δEu<1，铕亏损，而良里塔格组底部泥灰岩δEu>1。(2)二者各元素值相差较大。溶洞泥δEu亏损原因为，受环境影响，Eu，Ce是变价元素，溶洞泥岩埋藏期成烃、细菌等引发偏酸性还原环境，使得3价Eu转化为2价Eu，造成了溶洞泥岩Eu亏损。

上述特征表明，溶洞泥岩与良里塔格组底部泥灰岩REE分配曲线相似，说明它们之间具有较大的亲缘关系，溶洞泥岩物源很可能来自良里塔格组泥灰岩。

1.3.5 微量元素特征溶洞充填物中以CaO含量最高35%～40%，其次SiO2、Al2O3、Fe2O3也具有较高含量。粘土矿物的主要成分为铝硅酸盐，因此粘土矿物含量近似等于SiO2+Al2O3+Fe2O3含量之和。溶洞充填物粘土矿物含量约为12%～27%，与基岩测试结果相差较大。整体上溶洞充填物钙质含量高，粘土质次之。这与薄片鉴定结果较为一致，说明塔中溶洞充填物主要为大量大小不一的碳酸盐岩碎屑，这些碎屑为泥微晶或砂屑灰岩破碎形成，这与鹰山组基岩岩性较为一致，碎屑物间含粘土物质。

除常量元素外，对充填物微量元素进行测试，本文选取Sr、Ba两个参数作为判断充填环境依据。Sr/Ba比值随着盐度增加存在明显增大的趋势，研究表明在粘土或泥岩中该比值大于1者为海洋沉积，小于1为大陆沉积。测试结果显示研究区溶洞充填物Sr含量为100×10-6～108×10-6，Ba为3×10-6～7×10-6，Sr/Ba为22～25，值远大于1，说明充填物为海洋环境形成。

综上通过多项测试，对高GR段充填物成分、充填环境及泥岩来源进行了探讨，认识到高GR段主要岩性为泥砂岩、砂砾岩。其中颗粒物主要为大小不一泥微晶或砂屑灰岩屑，杂基为粘土矿物，胶结物为钙质，ZG43-1胶结物含量低于TZ201-1H，因此更松散污手。而充填角砾成分为灰岩屑颗粒与围岩岩性几乎一致，说明角砾来源于鹰山组地层。碳氧同位素判断泥岩充填环境主要为海相环境，微量元素Sr/Ba值也说明充填物与海相环境有关。而ZG43-1稀土元素分析表明高GR泥岩物质来源并非鹰山组地层或层间缝泥质，因此推测溶洞泥岩可能来源于良里塔格期海洋，即暴露期溶洞形成后，良里塔格期海水上涨将泥质带入洞穴。此外，海水冲击打碎了鹰山组弱成岩灰岩，破碎颗粒充填于溶洞中，形成了碳酸盐岩角砾或碎屑与泥质岩混合的高GR段。

2 鹰山组高GR段泥质充填物地质成因

在塔中北斜坡多数井在测井上鹰一、鹰二段见0.2～20 m不等的高GR段。勘探表明，高GR附近，尤其下部是鹰山组储层集中发育段。因此，分析高GR特征及成因，掌握高GR与下部储层甚至与古岩溶作用关系，对指导该地区油气勘探具有重要作用。

2.1 方解石充填物碳氧同位素特征及充填环境分析

通过分析化学充填物碳氧同位素地球化学特征以及方解石包裹体地球化学特征，以此判断充填物充填期次。采集样品16块，取样主要为溶洞及溶缝中方解石充填物。一般来说，影响δ13C的因素主要取决于介质水中13C的来源即与盐度有关。

而δ18O值为负值，既可以为低温淡水成因，也可以为高温盆地流体或热液流体形成。主要是由于方解石氧同位素值受原始沉积环境及后期成岩温度影响。

研究区充填物方解石δ13C为-2.95‰～0.98‰，δ18O为-15.09‰～-5.76‰，一般来说，δ13C和δ18O均随介质盐度升高而升高，其中δ13C与古盐度关系最为密切，且受温度影响较小。而16，12样品δ13C，δ18O明显出现负漂移，δ18O为负值, 既可以为低温淡水成因, 也可以为高温盆地流体或热液流体成因。考虑到塔里木盆地目前处于地质历史上北纬最高处，计算显示，加里东期塔里木盆地淡水的δ18O值约比现今重2.5‰，约为-7‰～-11‰，12号样为淡水成因。按照O’N eil 等的方程[19]：1000 ln a =2.78×106 /T2-2.89，δ18O为-14.5‰的方解石不可能是<50℃加里东期淡水环境下沉淀的，很可能来自深埋藏条件下深部高温流体，如样品16，5，6。16号样受石油裂解影响，δ13C比5，6偏负，而其余样方解石为浅埋藏成因(见图13)。

图13 塔中Ⅱ区充填物碳氧同位素交汇图

综上，方解石充填物碳氧同位素分析表明塔中Ⅱ区经历了多期化学充填作用，测试结果一方面为判断充填环境提供依据，另一方面认识了塔中地区鹰山组缝洞充填过程。研究认为塔中化学充填作用主要经历了淡水充填环境、海水充填环境、埋藏环境及热液作用环境，多环境多期次的充填作用造成塔中鹰山组储层储集性变差。

2.2 高GR段成因分析

塔中地区高GR段成因，主要分为以下两类：

(1)含泥地层：正常沉积的泥质灰岩层、泥岩层。

(2)充填物：裂缝或溶洞充填泥岩，也包含密集发育溶孔段泥质充填、洞穴中具层理的泥岩层。

此外结合高GR段发育位置，可具体分为：上部高GR泥灰岩沉积成因及上部高GR缝洞层充填泥质成因、上部高GR泥灰岩层+缝洞充填泥混合成因、内部高GR缝洞充填泥质成因及内部高GR含泥灰岩沉积成因。

2.2.1 上部高GR泥灰岩沉积成因高GR段归为良里塔格组底部地层。成像测井显示这类高GR段具有暗黄色与亮色互层显示，表现为沉积层理结构，与上覆地层连续，无明显不整合，而与下伏鹰山组亮黄色块状地层呈削截或波浪状不整合接触关系。因此这类高GR归为良里塔格组底部泥质灰岩层。GR形态特征一般为单齿状、低峰状或钟型多峰状在良里塔格组及鹰山组界线附近分布(见图14)。

2.2.2 上部高GR缝洞泥质充填成因 GR段为良里塔格组/鹰山组界面以下0～20 m缝洞泥质充填成因。成像测井显示这类高GR段位于大套亮黄色块状显示内部，具有暗色、暗黄色及班点状显示，上下为不规则与亮黄色显示接触，应归为溶洞或溶缝泥质充填，此外斑点状显示还可能指示溶洞内有灰岩角砾充填。GR形态特征一般为峰状或多峰状在良里塔格组及鹰山组界面及下部分布，其中每一较高缝为一层溶洞(缝)泥质充填(见图15)。

图14 ZG44上部高GR为良里塔格组泥质灰岩层

图15 ZG441上部高GR为表层溶洞泥质充填

2.2.3 上部高GR泥灰岩层+缝洞充填泥混合成因即一段高GR上部为良里塔格组底部泥灰岩成因下部为鹰山组顶部缝洞充填泥岩成因。成像测井显示上部高GR段具有暗黄色与亮色互层显示，表现为沉积层理结构，与上覆地层连续，无明显不整合，而下部出现暗色块状内亮色-亮黄色斑状或斑点状显示。上部部分低GR处位于良里塔格组泥岩基线内，而下部低GR处已具有鹰山组较低基线的特征。说明上部高GR成因为良里塔格组底部泥灰岩，而下部为鹰山组顶部溶洞充填，斑状显示可能为洞穴角砾充填(见图16)。

图16 上部高GR为良里塔格组泥灰岩及鹰山组顶部溶洞泥岩

2.2.4 内部高GR缝洞充填泥质成因为鹰山组顶面20 m以下缝洞泥质充填成因。成像测井显示这类高GR段位于大套亮黄色块状显示内部，具有一段或多段暗色、暗黄色及班点状显示，上下为不规则与亮黄色显示接触。为溶洞或溶缝泥质充填，此外斑点状显示还可能指示溶洞内有灰岩角砾充填。GR形态特征一般为单峰状、双峰或多峰状在鹰山组界面20 m下部分布，其中每一较高缝可能为一层溶洞(缝)泥质充填。统计发现，研究区40余口井内部高GR段是溶洞(缝)成因，普遍内部高GR段具有多峰特征(见图17)。