李 淼，周雨雙，趙永強(qiáng)，耿 鋒，喬桂林，郝建龍

1.中國(guó)石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126；2.中國(guó)石化 西北油田分公司 勘探開發(fā)研究院，烏魯木齊 830011

塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖勘探領(lǐng)域近年來取得了大量突破與成果，尤其是位于麥蓋提斜坡的玉北地區(qū)顯示了良好的勘探前景。前人對(duì)玉北地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)層的成巖作用、巖溶特征、地震預(yù)測(cè)及主控因素等方面開展了大量的研究工作[1-4]，發(fā)現(xiàn)井間儲(chǔ)層分布規(guī)律不明，溶蝕流體性質(zhì)與來源不清，而不同流體改造作用是碳酸鹽巖儲(chǔ)層發(fā)育的重要控制因素。隨著后續(xù)對(duì)玉北地區(qū)斷裂解釋工作的開展，發(fā)現(xiàn)斷裂活動(dòng)存在分區(qū)分帶差異性，斷裂對(duì)不同區(qū)域的儲(chǔ)層發(fā)育特征影響明顯[5-7]。斷裂及伴生裂縫作為流體運(yùn)移的通道貫穿于儲(chǔ)層成巖作用的各個(gè)地質(zhì)階段[8-11]。微量元素中的稀土元素和鍶同位素地球化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，被認(rèn)為能夠反映海相與非海相流體之間及沉積環(huán)境演化導(dǎo)致的物質(zhì)交換關(guān)系[12]。

本文以玉北地區(qū)不同區(qū)域典型鉆井巖心樣品中的縫洞充填物為研究對(duì)象，基于巖心觀察，根據(jù)充填產(chǎn)狀將樣品劃分為高角度縫、孔洞、水平縫洞方解石；通過對(duì)不同產(chǎn)狀的充填物進(jìn)行薄片觀察、陰極發(fā)光分析，對(duì)方解石脈體發(fā)育期次進(jìn)行劃分，進(jìn)而結(jié)合其稀土元素及鍶同位素特征，揭示成巖流體的性質(zhì)，探究碳酸鹽巖儲(chǔ)層成因模式和流體類型差異。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

玉北地區(qū)位于塔里木盆地麥蓋提斜坡東段，北部與巴楚隆起南緣的瑪扎塔格構(gòu)造帶相接，南鄰塔西南坳陷的葉城凹陷、和田凹陷，西接麥蓋提斜坡西段，向東與塘古巴斯坳陷過渡[13]；內(nèi)部發(fā)育多個(gè)走向的斷裂帶，東部斷褶區(qū)斷裂發(fā)育密集，發(fā)育6排NE向逆沖斷裂帶；中西部地區(qū)斷裂發(fā)育程度相對(duì)較低，發(fā)育EW、NW 向的逆沖斷裂帶，以及NE向的走滑斷裂帶(圖1)。這些構(gòu)造帶多由蓋層滑脫型逆沖斷裂構(gòu)成，局部疊加走滑活動(dòng)，主要形成時(shí)期為加里東中期—海西晚期。

玉北地區(qū)經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和近地表的巖溶作用，受和田古隆起演化的控制，不同地區(qū)的中—下奧陶統(tǒng)暴露地表遭受剝蝕，東部斷褶區(qū)頂部缺失中上奧陶統(tǒng)及志留—泥盆系，斷裂帶之間的斷洼區(qū)發(fā)育上奧陶統(tǒng)，而良里塔格組(O3l)和志留—泥盆系僅在中西部地區(qū)分布[3]。區(qū)內(nèi)下奧陶統(tǒng)蓬萊壩組(O1p)為局限臺(tái)地相沉積，巖性為灰色中—細(xì)晶白云巖；鷹山組(O1-2y)下部為局限臺(tái)地相云質(zhì)灰?guī)r和灰質(zhì)云巖，上部為一套開闊臺(tái)地相泥晶灰?guī)r和亮晶顆?；?guī)r。良里塔格組為開闊臺(tái)地相，巖性主要為黃灰色泥晶灰?guī)r(圖1)。

圖1 塔里木盆地玉北地區(qū)構(gòu)造—沉積背景

2 樣品處理與測(cè)試

本次研究主要對(duì)玉北地區(qū)奧陶系鉆井巖心中的縫洞充填方解石進(jìn)行系統(tǒng)采樣和分析，取樣位置見圖2。為了保證縫洞充填方解石樣品能夠反映流體性質(zhì)，需要對(duì)方解石樣品是否受到雜質(zhì)污染進(jìn)行檢驗(yàn)。首先, 在采集巖心標(biāo)本時(shí)選取方解石潔凈、顏色均勻一致的樣品(圖2a-c)；然后對(duì)薄片進(jìn)行高清2D全景顯微鏡掃描確保進(jìn)行微區(qū)測(cè)試的方解石礦物晶型完好、不混入雜質(zhì)(圖2d)。此外, 陰極發(fā)光特征通常可以用來判斷碳酸鹽礦物組成是否均一,期次是否一致。為了保證選定的樣品測(cè)試點(diǎn)位能夠?qū)α黧w作用類型具有全面的反映, 選樣前還利用CL8200 MK5 型陰極發(fā)光儀對(duì)不同產(chǎn)狀的方解石樣品拍攝了陰極發(fā)光圖像(圖2e-f)。原位微區(qū)稀土元素通過ICP-MS進(jìn)行分析，所用儀器為Analytikjena PlasmaQuant MS Elite型 ICP-MS及與之配套的Newwave UP 193 nm準(zhǔn)分子激光剝蝕系統(tǒng)；原位鍶同位素通過Neptune Plus MC-ICP-MS測(cè)試完成。

圖2 塔里木盆地玉北地區(qū)縫洞充填方解石取樣位置與鏡下微觀特征

3 方解石形成期次和地球化學(xué)特征

3.1 方解石充填期次與陰極發(fā)光特征

鏡下觀察研究區(qū)縫洞充填物樣品發(fā)現(xiàn)，不同產(chǎn)狀方解石陰極發(fā)光特征具有明顯差異且存在相互交切關(guān)系。方解石充填物的陰極發(fā)光特征主要與Fe/Mn 比值相關(guān)，而Fe、Mn 元素含量主要受控于古流體來源與沉積環(huán)境[14]，因此方解石脈體陰極發(fā)光特征可作為劃分古流體形成期次的依據(jù)。在巖心觀察的基礎(chǔ)上，根據(jù)樣品的產(chǎn)狀與陰極發(fā)光特征，認(rèn)為該地區(qū)方解石充填物可分為3期：第一期(C1)為孔洞充填方解石，陰極發(fā)光顏色為不發(fā)光—暗紅色，邊緣可見溶蝕殘余痕跡，脈體中可見溶蝕殘留圍巖顆粒(圖3a-f)；第二期(C2)為水平縫洞充填方解石，切割C1方解石脈(圖3c-d)，部分充填于C1充填后的殘余空間中(圖3g-h)，陰極發(fā)光顏色為玫瑰紅色(圖3g-j)；第三期(C3)為高角度縫充填方解石脈，切穿C1、C2方解石脈體，陰極發(fā)光顏色為橙黃色(圖3a-d，k-l)。

圖3 塔里木盆地玉北地區(qū)縫洞充填方解石陰極發(fā)光特征

3.2 稀土元素與鍶同位素地球化學(xué)特征

對(duì)相同期次的縫洞充填物樣品進(jìn)行稀土元素和鍶同位素測(cè)試，結(jié)果表明：玉北地區(qū)方解石充填物的稀土含量(ΣREE)、輕重稀土比值(LREE/HREE)、Eu/Eu*和Ce/Ce*平均值分別為3.15×10-6，0.90，1.23，0.87(表1) 。經(jīng)澳大利亞后太古宙平均頁巖(Post-Archean Australian Shale，PAAS)[15]標(biāo)準(zhǔn)化后的玉北地區(qū)方解石充填物稀土元素配分模式表明，各井間稀土元素分布模式有著明顯的規(guī)律性，稀土元素分布模式上主要分為兩種類型：部分樣品顯示具有典型的海水稀土配分模式特點(diǎn)，表現(xiàn)為重稀土元素相對(duì)輕稀土元素富集的左傾特征，伴隨明顯的La的正異常和Ce的負(fù)異常；但樣品主體具有淡水的稀土配分模式特點(diǎn)，具體表現(xiàn)為平坦的稀土元素配分曲線，無明顯的元素異常(圖4)。

玉北地區(qū)樣品的87Sr/86Sr 比值為0.707 67～0.711 08，平均為0.709 12；高角度縫方解石87Sr/86Sr 比值為0.708 60～0.711 08, 平均為0.709 40；水平縫洞方解石87Sr/86Sr 比值為0.708 62～0.709 86，平均為0.709 15；孔洞方解石87Sr/86Sr 比值為0.708 62～0.711 77，平均值為0.708 89(表1)。玉北地區(qū)全部樣品的87Sr/86Sr平均值為0.709 12，略高于McARTHUR等[16]通過擬合曲線數(shù)據(jù)化獲得的全球奧陶紀(jì)海水的87Sr/86Sr 背景值(0.707 96～0.709 10)。

4 討論

4.1 稀土元素特征與流體性質(zhì)變化的關(guān)系

前人研究認(rèn)為，不同流體來源形成的碳酸鹽礦物的稀土配分模式具有明顯差別[17-20]。本文研究的樣品中，不同鉆井、不同產(chǎn)狀的方解石充填物的稀土元素配分模式具有較大差異(圖4和圖5)，一方面反映了玉北地區(qū)成巖流體種類具有多樣性和復(fù)雜性；另一方面也說明玉北地區(qū)碳酸鹽巖在成巖過程中受到非海相流體的影響，反映了成巖系統(tǒng)具有一定的開放性。

銪( Eu)正異常通常與高溫(>200 ℃)、還原性熱液流體相關(guān)[21-25]，而低溫?zé)嵋簞t無明顯的Eu正異常特征[26]。高角度裂縫充填方解石樣品除YB3-3-1(Eu/Eu*=2.09)外，其余樣品的Eu/Eu*的平均值為1.00；孔洞方解石樣品中除少數(shù)樣品具有Eu正異常外，其余樣品的Eu/Eu*的平均值為0.99；大部分水平縫洞充填方解石樣品中Eu/Eu*的平均值為1.05。結(jié)果表明，本文中大部分樣品不具有明顯的Eu正異常，與之相關(guān)的流體不具有明顯的高溫?zé)嵋禾卣鳎砻髟搮^(qū)域受熱液流體影響的范圍不大。

不同類型流體的REE的PAAS 標(biāo)準(zhǔn)化配分模式存在明顯差異[27]：海相自生碳酸鹽巖REE配分模式具有富集重稀土元素的左傾特征[28-29]；淡水表現(xiàn)為無明顯元素異常的平坦形態(tài)特征[30-31]；熱液流體則表現(xiàn)為明顯的Eu正異常特征[32-34]。對(duì)不同井位樣品稀土元素測(cè)試結(jié)果進(jìn)行PAAS標(biāo)準(zhǔn)化后可以發(fā)現(xiàn)，玉北地區(qū)主要存在2種不同稀土元素配分模式特征的流體類型(圖4)。玉北地區(qū)7口鉆井均有部分樣品呈現(xiàn)出輕稀土元素虧損、重稀土元素富集的左傾型以及Ce負(fù)異常的典型海水的稀土元素特征；但玉北地區(qū)大部分方解石充填物樣品的稀土配分模式表現(xiàn)為相對(duì)平坦、無明顯元素異常的淡水流體特征。

圖4 塔里木盆地玉北地區(qū)不同鉆井方解石樣品稀土元素配分模式

對(duì)不同產(chǎn)狀的方解石樣品的REE采用PAAS標(biāo)準(zhǔn)化(圖5)后，樣品配分模式有如下特點(diǎn)：(1)高角度裂縫充填方解石總體具有典型淡水相對(duì)平坦的REE配分模式，LREE/HREE的平均值為0.98；(2)水平縫洞方解石REE配分模式表現(xiàn)為平坦型和左傾型兩類稀土元素配分模式，反映了流體組成中淡水與海水混合的特征；(3)孔洞方解石中具有左傾型海水REE配分模式的樣品在三種產(chǎn)狀樣品中占比最高。同時(shí)，由于大氣淡水的淋濾作用會(huì)使巖石中的REE遷移析出，造成顯著的REE虧損[35-36]，三種產(chǎn)狀樣品的ΣREE值(高角度裂縫、水平縫洞、孔洞方解石樣品ΣREE平均值分別為2.31×10-6，3.26×10-6，3.55×10-6)呈現(xiàn)逐漸減低的趨勢(shì)也印證了淡水流體改造的減弱(表1)。

圖5 塔里木盆地玉北地區(qū)不同產(chǎn)狀方解石樣品稀土元素配分模式

表1 塔里木盆地玉北地區(qū)奧陶系縫洞方解石稀土元素和鍶同位素組成

玉北地區(qū)縫洞充填方解石樣品主體表現(xiàn)出了顯著的淡水流體REE配分模式特征，表明研究區(qū)在整體的海相環(huán)境背景下受到了顯著的淡水流體作用的改造。通過對(duì)不同產(chǎn)狀的方解石樣品進(jìn)行分析表明，這類淡水流體主要集中在高角度縫和水平縫洞方解石樣品中，孔洞方解石總體保留著正常海水的REE配分模式特征。

4.2 鍶同位素組成與流體性質(zhì)變化的關(guān)系

鍶在海水中的居留時(shí)間遠(yuǎn)大于海水混合需要的時(shí)間，因此可以認(rèn)為任意一個(gè)確定地質(zhì)歷史時(shí)期內(nèi)全球范圍內(nèi)海水的鍶同位素組成是統(tǒng)一的[37]。海洋中外源鍶同位素輸入主要有2個(gè)源區(qū)：具有較高87Sr/86Sr比值的殼源鍶(87Sr/86Sr比值約為0.711 9)和較低87Sr/86Sr比值的深部熱液鍶(87Sr/86Sr比值約為0.703 5)[38-39]。因此，Sr同位素組成變化是表征非海相物質(zhì)輸入的可靠指標(biāo)。

根據(jù)采樣鉆井由東向西空間分布，位于東部的YB3、YB3-1、YB6A、YB7井中方解石樣品的87Sr/86Sr平均值為0.709 43，明顯高于MCARTHUR等[16]通過擬合曲線數(shù)據(jù)化獲得的全球奧陶紀(jì)海水的87Sr/86Sr 背景值(0.707 96～0.709 10)；中西部的YB4、YB8井中方解石樣品的87Sr/86Sr比值的平均值為0.708 70，基本處于同時(shí)期海水的87Sr/86Sr 值變化范圍內(nèi)(圖6)。

圖6 塔里木盆地玉北地區(qū)不同鉆井方解石87Sr/86Sr比值散點(diǎn)圖

高角度裂縫方解石的87Sr/86Sr比值的平均值為0.709 40，明顯高于奧陶紀(jì)海水的鍶同位素比值變化范圍[16](圖7)，說明與這一類型方解石形成相關(guān)的流體中存在非海相流體輸入。這一流體可能是外來地表淡水或正常埋藏地層流體。但從圖7可見，被認(rèn)為反映地層流體的水平縫洞方解石的鍶同位素組成(87Sr/86Sr平均值為0.709 15)相對(duì)接近同時(shí)代海水的鍶同位素組成，因此推斷高角度裂縫方解石中非海相流體應(yīng)為陸源地表淡水而非層間流體。這表明大氣淡水及殼源物質(zhì)對(duì)玉北地區(qū)奧陶系水巖反應(yīng)產(chǎn)生顯著的影響。

圖7 塔里木盆地玉北地區(qū)不同產(chǎn)狀方解石87Sr/86Sr比值散點(diǎn)圖殼源87Sr/86Sr平均值引自PALMER和EDMOND[39]；奧陶紀(jì)海水87Sr/86Sr范圍引自MCARTHUR等[16]。

綜上，玉北地區(qū)由東向西分布的鉆井中方解石樣品的87Sr/86Sr比值整體下降的變化趨勢(shì)反映了其形成流體中殼源物質(zhì)輸入的逐漸減少，表明其形成流體的性質(zhì)由海水—淡水混合流體向海水轉(zhuǎn)化。結(jié)合不同產(chǎn)狀樣品87Sr/86Sr比值變化特征，玉北地區(qū)奧陶紀(jì)東強(qiáng)西弱的構(gòu)造演化背景可能是造成這一現(xiàn)象的原因，具有高87Sr/86Sr值的陸源物質(zhì)隨著地表徑流向深部下滲過程中，由于構(gòu)造活動(dòng)產(chǎn)生的裂縫通道減少，陸源流體輸入逐漸變少, 并與碳酸鹽巖圍巖發(fā)生水巖作用或者與地層水發(fā)生混合，沉淀形成的方解石87Sr/86Sr值也隨之減小。

4.3 玉北地區(qū)流體演化過程

玉北地區(qū)奧陶系孔洞和裂縫中所充填的方解石在稀土元素和Sr同位素組成方面的差異反映了流體作用的差異。玉北地區(qū)方解石樣品的地球化學(xué)特征主要有2種類型, 分別與陸源淡水和海相流體相關(guān)。

從LREE/HREE和87Sr/86Sr 關(guān)系圖(圖8)上可以發(fā)現(xiàn), 大部分稀土配分曲線相對(duì)左傾的樣品的87Sr/86Sr比值在同期海水范圍內(nèi)，而稀土配分曲線相對(duì)平坦的樣品的87Sr/86Sr比值則集中在高于奧陶紀(jì)海水變化范圍內(nèi)，二者之間較好的相關(guān)性表明了樣品的流體類型以淡水和海水為主。本次研究中的高角度裂縫方解石樣品的87Sr/86Sr平均值明顯高于奧陶紀(jì)海水值(圖5)，說明重Sr同位素富集并超過了海水值，大量的大氣淡水已經(jīng)和巖石發(fā)生了相互作用，并克服了海相碳酸鹽巖Sr的緩沖作用[40]，表明存在顯著的殼源鍶的加入。

圖8 塔里木盆地玉北地區(qū)不同鉆井方解石87Sr/86Sr和LREE/HREE關(guān)系

根據(jù)鉆井的空間位置，由東向西分布的鉆井中方解石樣品之間87Sr/86Sr平均值表現(xiàn)為逐漸變小的趨勢(shì)，表明流體組成中陸源物質(zhì)輸入的減少(圖6)。這與該地區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)表現(xiàn)出早期強(qiáng)晚期弱、東部強(qiáng)中西部弱的特點(diǎn)相吻合[41-42]?？傮w上，玉北地區(qū)經(jīng)歷了加里東中期—海西晚期多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和海平面變化，和田古隆起的隆升及遷移導(dǎo)致不同地區(qū)斷裂發(fā)育程度與地層暴露剝蝕存在差異[43]。玉北地區(qū)東部斷壘帶受加里東中期Ⅰ幕—海西早期的構(gòu)造活動(dòng)影響, 形成了奧陶系與上覆石炭系的多期不整合接觸關(guān)系，奧陶系碳酸鹽巖被抬升暴露至地表遭受強(qiáng)烈的大氣淡水改造，緊閉型逆沖滑脫斷裂形成大量高角度裂縫，為大氣淡水的滲濾提供了通道，導(dǎo)致沉淀形成的方解石也具有較重的87Sr/86Sr 值；而玉北中西部地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)較弱，僅存在加里東中期Ⅲ幕—海西早期暴露剝蝕，斷裂—裂縫欠發(fā)育，影響了玉北中西部地區(qū)大氣淡水改造的強(qiáng)度。玉北地區(qū)各鉆井之間主要流體作用類型的差異，是由該區(qū)構(gòu)造演化和沉積環(huán)境的變化等因素綜合作用導(dǎo)致的結(jié)果。

不同產(chǎn)狀方解石樣品的地球化學(xué)特征反映出玉北地區(qū)流體作用的主要機(jī)制(圖5和圖7)?？锥捶浇馐瘶悠返?7Sr/86Sr平均值介于奧陶紀(jì)海水值變化范圍內(nèi)，稀土配分模式以海水具有的左傾型特征為主，推測(cè)這一期孔洞可能的形成機(jī)制為碳酸鹽巖地層暴露地表發(fā)生短暫大氣淡水溶蝕，開放環(huán)境下被海水膠結(jié)沉淀出的方解石充填，并繼承了海相流體特征。隨著流體沿古隆起抬升及斷裂發(fā)育過程中產(chǎn)生的高角度裂縫逐漸向深部滲透，在相對(duì)封閉的體系下溶解圍巖，水巖比的升高使得沉淀形成的方解石充填物保留了陸源物質(zhì)混入特征。

綜合以上分析可以看出, 研究區(qū)縫洞充填方解石所表現(xiàn)出的稀土元素、Sr同位素地球化學(xué)特征與其地質(zhì)背景相吻合。玉北地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖中流體作用類型，主要受構(gòu)造演化作用的影響。大氣淡水首先在近地表環(huán)境下對(duì)碳酸鹽巖圍巖進(jìn)行溶蝕，形成小規(guī)?？锥?，而由于這些孔洞是在一個(gè)相對(duì)開放的環(huán)境中形成的，不斷供應(yīng)的富Ca流體會(huì)使得這些空間很快被方解石沉淀充填，對(duì)研究區(qū)有效儲(chǔ)層的形成貢獻(xiàn)有限；另一部分流體在沿裂縫繼續(xù)向下運(yùn)移的過程中，體系封閉性增強(qiáng)，與海相流體的交換相對(duì)減弱，隨著對(duì)碳酸鹽巖圍巖的不斷溶解而逐漸達(dá)到飽和；再進(jìn)一步向深部地層滲透，與層間海相流體之間不斷混合，便會(huì)沉淀形成沿水平裂縫充填的方解石(圖9)。

圖9 塔里木盆地玉北地區(qū)不同類型流體作用模式

5 結(jié)論

(1)玉北地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖發(fā)育3期方解石充填物，不同產(chǎn)狀的同期次方解石充填物的稀土元素和Sr同位素特征具有一定差異性，反映了地層在成巖過程中流體作用的多樣性以及成巖系統(tǒng)的開放性。

(2)玉北地區(qū)高角度縫方解石與孔洞方解石中淡水流體特征的差異，一方面表明構(gòu)造活動(dòng)產(chǎn)生的裂縫可作為地表徑流運(yùn)移的通道，影響著儲(chǔ)層發(fā)育過程中流體次生改造作用的強(qiáng)度；另一方面表明溶蝕孔洞則主要形成于短期暴露溶蝕，海水膠結(jié)沉淀出的方解石表現(xiàn)出同期海水特征。這種機(jī)制下形成的小規(guī)模孔洞均被方解石充填，對(duì)研究區(qū)有效儲(chǔ)層的形成貢獻(xiàn)有限。

(3)玉北地區(qū)由東向西表現(xiàn)出的流體作用差異，是由東西2個(gè)地區(qū)不同的構(gòu)造活動(dòng)背景決定的。東部斷壘帶奧陶系經(jīng)歷了加里東中期Ⅰ幕—海西早期多期構(gòu)造改造作用，由此產(chǎn)生高角度裂縫利于地表徑流下滲，因此其所經(jīng)歷的淡水改造作用相對(duì)強(qiáng)于受構(gòu)造活動(dòng)影響較弱的中西部地區(qū)。