塔里木盆地顺南地区奥陶系鹰山组白云岩形成机制及其发育模式

2020-12-02康仁东孟万斌肖春晖

石油实验地质 2020年6期

康仁东，孟万斌，肖春晖

(1.中国石化西北油田分公司勘探开发研究院，乌鲁木齐 830011；2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都理工大学沉积地质研究院，成都 610059；3.海底科学与探测技术教育部重点实验室，中国海洋大学地球科学学院，山东青岛 266100)

近20年来，在碳酸盐岩储层的研究中，白云石化作用一直是国内外学者聚焦的热点。由于其“地质历史时期广泛分布，但在现代沉积物中罕见，且常温常压下无法通过无机实验合成”的特点[1-3]，使得白云石的成因问题一直争论不断，但始终没有得到解决。中国是全球罕见的几乎各个地质历史时期的地层中都发育有白云岩的国家，白云岩地层中可发育并保存良好的储集空间，形成优质白云岩储层，表现出巨大的油气勘探潜力[4-10]。特别是在深度大于4 500 m的深层，甚至深度大于6 000 m的超深层，白云岩储层更成为重点勘探和关注的对象[11-12]。

塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩中蕴藏了90%以上的探明储量[13]，天然气主要赋存于中—下奥陶统鹰山组下段的白云岩储层中，是油气勘探的重要突破目标之一[14]。位于塔中隆起北部围斜区的顺南地区，寒武系白云岩具有超深埋藏和超高地温的特点，而其上覆的中—下奥陶统蓬莱坝组和鹰山组下段白云岩是目前勘探研究的现实层系[8]。目前，已在该区鹰山组白云岩储层中取得了重大油气发现[15-16]。

塔里木盆地白云岩地层具有岩性复杂、岩石组构多样、年代久、埋深大、地温高且经历了多期构造运动和成岩作用后期改造的特点[15,17-19]，其成因机制及发育模式十分复杂[8]，前人对此已有许多研究[16,20-26]。为了进一步深化对顺南地区白云岩储层的认识，明确鹰山组白云岩的形成机制和发育模式，促进油气勘探，提高储层预测成功率和开发效益，本文研究了该区鹰山组白云岩储层的岩相学特征以及地球化学特征，分析了白云岩的形成机制，并构建了不同成因类型的白云岩发育模式，以期为白云岩储层预测和评价提供参考。

1 区域地质背景

塔中隆起位于塔里木盆地中央隆起带中部，为一NW-SE展布的巨型稳定古隆起[27]；顺南地区位于塔中Ⅰ号断裂带下盘的碳酸盐台地—台缘带，构造单元涵盖顺托果勒低隆起东南部、古城墟隆起及古城凸起西部[8](图1)。

图1 塔里木盆地顺南地区构造位置据文献[8]修改。Fig.1 Structural location of Shunnan area in Tarim Basin

2 样品与方法

样品采自顺南地区部分钻井鹰山组白云岩储层(图1)。

2.1 阴极发光分析

阴极发光分析利用安装在Leica显微镜载物台上的英国CL8200 MK5阴极发光仪完成。将待测薄片放入真空舱，于0.3 Pa完成抽真空后，激发并将束流稳定在100～500 μA，阴极高压达到10～15 kV时，观察记录发光情况并采集图像。

2.2 电子探针分析

电子探针分析测试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，使用日本岛津公司EPMA-1720H 电子探针微区分析仪。在镜下显微观察和阴极发光分析的基础上，选取薄片中代表性白云石矿物进行标记和编号，用真空喷镀仪在待测薄片上喷镀一层约20 nm厚的导电碳膜，然后将其放入真空样品舱，在加速电压15 kV、束流10 nA条件下进行微区元素定量分析。

2.3 碳氧同位素分析

将研磨至200目的粉末样品加入12 mL的Labco Exetainer反应瓶中密闭，用流速100 mL/min的纯度大于99.999%的高纯氦气对样品进行排空处理。在真空条件下采用Gasbench连续流磷酸法测定，反应中释放出的CO2在流经加热至70 ℃的气相色谱柱而与其他杂质气体分离。分离后的CO2进入Finnigan MAT-253气体稳定同位素质谱仪(Thermo Fisher公司，美国)进行检测。

2.4 稀土元素分析

将样品研磨至200目，准确称取40.00 mg样品放入聚四氟乙烯的溶样瓶中，加入1.50 mL高纯HNO3、1.50 mL高纯HF摇匀。将聚四氟乙烯内胆瓶密封后放入不锈钢消解罐中，旋紧外盖后放入烘箱，保持190 ℃加热48 h以上，冷却后取出内胆瓶，开盖状态下置于电热板上蒸至湿盐状，再加入1 mL的HNO3蒸干(确保将残余的HF完全赶出)，然后加入3 mL高纯HNO3配制的1∶1硝酸溶液，保持150 ℃加热24 h，以保证对样品的完全提取；冷却后将提取液转移至干净的聚酯瓶中，用2%稀HNO3定容至80.00 g，待测。

使用Varian 820电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS，美国瓦里安公司制造)测定了La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu等稀土元素。所测定元素的相对标准偏差(RSD)均小于5%，符合实验规范。

3 白云岩发育特征

3.1 岩石学特征

依据岩心观察和薄片鉴定，顺南地区鹰山组碳酸盐岩地层中的白云岩(石)主要以下述几种形态产出：

(1)粉—细晶白云岩(石)。此类白云岩在顺南地区鹰山组下段广泛分布，岩石呈现泥—粉晶结构，多具明显的纹层构造(图2a，c)，也可见呈斑状或团块状分布于灰质云岩或云质灰岩中(图2b)；晶形较差，主要由他形—半自形的白云石晶体组成，见雾心亮边结构，岩石中还常见粒状黄铁矿产出(图2l)。

(2)细—中晶白云岩(石)。此类白云岩(石)广泛分布于研究区鹰山组碳酸盐岩地层中，可见2种产出状态：一种为云质灰岩中沿缝合线呈斑块状产出的细、中晶白云石，晶形较好，多呈半自形—自形，雾心亮边结构较明显(图2k)；另一种为块状白云岩，由结构均匀的中晶白云石组成，白云石自形程度好，以自形—半自形为主(图2g)，该类白云岩多发育白云石晶间孔和晶间溶孔，是顺南地区鹰山组储层孔隙性相对较发育的一类白云岩。

(3)充填于溶蚀孔洞和构造裂缝内的中—粗晶白云石。该类白云石在鹰山组中相对少见，仅在部分样品中发现，主要充填于溶蚀孔洞和裂缝中，与地层层序和沉积相关系不大；晶体粗大，以中、粗晶为主，晶形较好，多呈晶面平直的菱面体自形晶或弧形晶面的白云石(图2i)。

3.2 阴极发光特征

研究区样品阴极发光结果显示，不同类型的白云石具有不同的发光性(表1)。

粉—细晶白云石不发光或者发光较弱，多呈很暗的红色光(图2d)；沿缝合线分布的细—中晶白云石阴极发光显示出明显的雾心亮边环带特征，呈“雾心”的中间部分不发光或发光较弱，而“亮边”环带发光较强，呈亮橘红光(图2h)；溶蚀孔洞内充填的中—粗晶白云石边缘部分发光较弱，而中间部分发光较强，呈红色(图2e, f)。

图2 塔里木盆地顺南地区鹰山组白云岩(石)显微岩石学特征

表1 塔里木盆地顺南地区鹰山组不同类型白云石阴极发光特征Table 1 Cathodoluminescence characteristics of different types of dolomites from Yingshan Formation in Shunnan area, Tarim Basin

3.3 地球化学特征

3.3.1 微量元素特征

表2列出了研究区鹰山组不同类型白云岩(石)Mn、Sr含量特征。粉—细晶白云石中Mn含量最高，平均122.68×10-6，平均Sr含量为261.82×10-6；充填于溶蚀孔洞和裂缝内的中—粗晶白云石Sr含量最高，平均值可达434.53×10-6，Mn含量较低，平均值为109.52×10-6，与灰岩中的Mn、Sr含量相差很大；分布在缝合线周围的细—中晶白云石的Sr含量介于上述二者之间，平均282.97×10-6，Mn含量最低。

表2 塔里木盆地顺南地区鹰山组不同类型白云石微量元素电子探针分析Table 2 Trace element analysis of different types of dolomites from Yingshan Formation in Shunnan area, Tarim Basin

3.3.2 碳氧同位素特征

鹰山组不同类型白云石碳、氧同位素分析显示(表3，图3)，斑状粉、细晶白云石δ13CVPDB值介于-0.25‰～0.24‰，平均-0.02‰，δ18OVPDB值的变化较大，介于-13.47‰～-6.44‰，平均-9.28‰。细—中晶白云岩的δ13CVPDB值介于-2.59‰～-2.00‰，平均-2.29‰，δ18OVPDB值较集中，介于-13.47‰～-12.35‰，平均-12.80‰。

3.3.3 稀土元素特征

本文分析了细—中晶白云岩5件，粉晶白云岩3件，同期灰岩样品2件，其稀土元素特征见表4。

表3 塔里木盆地顺南地区鹰山组碳酸盐岩样品碳、氧同位素组成Table 3 Carbon and oxygen isotope compositions of different types of dolomites from Yingshan Formation in Shunnan area, Tarim Basin

图3 塔里木盆地顺南地区鹰山组不同类型碳酸盐矿物的碳、氧同位素特征Fig.3 Carbon and oxygen isotope characteristicsof different types of carbonate minerals in Yingshan Formationin Shunnan area, Tarim Basin

各类样品∑REE平均值的变化介于(6.62～23.40)×10-6，平均10.87×10-6，∑REE整体处于较低水平，其中以细—中晶白云石的ΣREE最高，平均为11.96×10-6，而同时期未发生白云石化的灰岩ΣREE最小，仅6.62×10-6(表4)。轻、重稀土元素的比值∑LREE/∑HREE介于4.71～7.05；各类样品都具有不同程度Ce和Eu异常，δCe介于0.61～0.89，平均0.78，呈明显Ce负异常，δEu介于0.75～1.33，平均0.99，略小于1，仅个别样品呈Eu的正异常。球粒陨石标准化[34]后的REE配分曲线为“右倾”型(图4)。

4 白云岩形成机制及发育模式

前述分析表明，顺南地区鹰山组白云岩(石)类型较为复杂，不同类型的白云岩(石)具有不同的岩相学和地球化学特征，表明其具有不同的形成环境，经历了不同成岩过程并遭受不同成岩流体的改造。

前人研究表明，大气淡水中的Mn含量较高，而Sr则在海相环境中富集，是海相环境的重要示踪剂，当Mn含量高而Sr含量低时，指示其成岩环境较开放，且与大气淡水关系密切，反之则表明成岩环境较为封闭[35]。碳酸盐矿物的阴极发光特征主要取决于矿物晶格中铁和锰元素的含量，其中锰是激发剂，而铁是猝灭剂[36-38]。现代海水中的铁、锰含量极低[35,39]，故而海相白云岩通常具有很低的铁、锰含量，且发光性弱，大气淡水中的锰含量相对较高，而地层孔隙水、深部热液等成岩流体与正常海水相比通常具有较高的盐度，加之成岩过程中Fe和Mn可通过离子置换反应取代白云石分子式中的Ca，使之进一步获得更高的铁、锰含量，从而表现出较强的发光特征。

表4 塔里木盆地顺南地区鹰山组不同白云岩的稀土元素特征Table 4 REE characteristics of different types of dolostones in Yingshan Formation in Shunnan area, Tarim Basin

图4 塔里木盆地顺南地区鹰山组不同类型白云岩稀土元素配分曲线蓝色曲线表示细—中晶白云岩，橙色曲线表示粉晶白云岩，绿色曲线表示未经白云石化的灰岩Fig.4 REE distribution of different typesof dolomites in Shunnan area, Tarim Basin

不同盐度下的碳酸盐岩对应的碳氧同位素值亦不同，淡水碳酸盐岩的δ13CVPDB一般介于-5‰～-15‰，δ18OVPDB值为-19.02‰～-4.39‰，而盐度较高的海相(咸水)碳酸盐岩δ13CVPDB值介于-5‰～5‰，δ18OVPDB值介于-4.39‰～-0.49‰及以上[40-41]。VEIZER等[42]研究结果表明，早奥陶世海相碳酸盐岩的δ18OVPDB值介于-8‰～-6‰，δ13CVPDB值介于-2‰～0‰。此外，碳酸盐岩的碳氧同位素特征不仅与形成时水介质的氧同位素特征相关，还与成岩后期经历的温度变化有关。而碳酸盐矿物中稀土元素的相对丰度主要受控于流体中稀土元素的含量和地球化学特征，故而可以根据不同类型白云石的REE特征来判断白云石化流体的来源[43]。整体较低的∑REE含量和“右倾”型的REE配分曲线，指示研究区鹰山组白云石形成时的流体性质与正常海水或其衍生地层水相关[44]。

粉—细晶白云石阴极发光结果表现为不发光或者发光较弱，多呈很暗的红色光(图2d)，呈高Mn低Sr的特征(表2)，δ13CVPDB值平均为-0.02‰，δ18OVPDB值平均为-9.28‰，指示其是在盐度较高的水体环境中发生白云石化形成的[41,45-46]。表明该类白云石的成岩环境相对开放，原始沉积时的水介质主要来自正常海水，但受大气淡水影响明显，使得氧同位素呈现负向偏移。粉—细晶白云石的纹层状构造、阴极发光结果以及地球化学特征均指示其主要形成于早期成岩作用阶段。粉晶白云石形成于地表或近地表较低温的浓缩海水环境中，随着海水蒸发，沉积环境盐度升高，伴随着白云石快速结晶析出，因而该类白云石粒度细小，晶形较差；部分细晶白云石则可能经历了准同生期一定的浅埋藏重结晶作用。因此，推测该类白云岩(石)主要为近地表环境蒸发泵白云石化的产物(图5a)。

沿缝合线发育的晶形较好的细—中晶白云石中Mn含量低，表明该类白云石的成岩环境相对封闭，与大气淡水关系较小，但REE结果表明其成岩流体与同期海水及其衍生流体相关。综合其岩相学和阴极发光特征，认为该类白云石是在浅埋藏环境中形成的。缝合线为白云石的形成提供了成岩流体通道，白云石化流体可能来自正常海水或比正常海水盐度略高的地层孔隙水，在地层的压实作用下，地层孔隙水为白云石化提供了必需的Mg2+，并在缝合线附近形成了细—中晶白云石。然而由于地层孔隙水供应有限、缓慢且持续，所以白云石结晶缓慢，自形程度较高，但受限于流体镁离子供应，白云石化作用往往不够彻底。该类白云石多沿缝合线呈斑状、分散状分布(图5b)。

图5 塔里木盆地顺南地区鹰山组碳酸盐岩中不同成因白云石化模式据参考文献[47]，有修改。Fig.5 Dolomitization models of different genesis in carbonate rocks of Yingshan Formation in Shunnan area, Tarim Basin

细—中晶白云岩的δ13CVPDB值平均-2.29‰，δ18OVPDB值平均-12.80‰，表现出16O相对富集而贫18O的特征，指示该类白云石形成于温度较高的中—深埋藏环境中，由于埋藏较深引起温度升高，从而导致δ18O减小[46]。此外，该类白云石的δ18OVPDB值甚至比热液硅化岩中方解石脉的δ18OVPDB值还低，推测部分白云石的形成可能也受到热液流体的影响。随着沉积—成岩作用的进行，岩石由浅埋藏环境逐渐进入中—深埋藏环境，压实作用产生的地层压力可以驱使下伏地层中的富Mg2+流体经由裂缝、顺层发育的溶蚀孔洞等通道上涌进入鹰山组地层，并顺层发育大面积白云石化，形成规模化的细—中晶白云岩(图5c)。此类白云岩的晶间孔和晶间溶孔比较发育，因此，此阶段的白云石化作用对顺南地区鹰山组白云岩储层贡献最大。

赋存于溶蚀孔洞和裂缝内的中—粗晶白云石的Sr含量最高，而Mn含量较低，与灰岩中的Mn、Sr含量相差很大，表明该类白云石的成因与同时期的海水性质关系较小，是后期成岩流体在封闭的环境中发生白云石化形成的。该类白云石的产状和时空分布与上述其他几类白云岩(石)的分布以及鹰山组沉积相之间无密切关系，揭示此类白云石化是成岩晚期的成岩事件。该类白云石的成岩流体的来源和性质与其他几类白云石明显不同，与此类白云石共生的裂缝充填方解石的流体包裹体均一温度介于133.5～166.4 ℃，平均为148.9 ℃[47]，揭示白云石化流体来源与热液密切相关，主要是构造—热液白云石化的产物。深部热液在构造作用或者岩浆作用的驱动下进入裂缝以及早期形成的溶蚀孔洞中，并沿着溶蚀孔洞和裂缝的边缘，在其内沉淀了中—粗晶白云石(图5d)，阴极发光结果则指示溶蚀孔洞中充填了至少2期白云石(图2e,f)。