塔里木盆地玉北地区奥陶系缝洞充填方解石地球化学特征及其储层流体分析

李 淼，周雨双，赵永强，耿 锋，乔桂林，郝建龙

1.中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214126；2.中国石化 西北油田分公司 勘探开发研究院，乌鲁木齐 830011

塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩勘探领域近年来取得了大量突破与成果，尤其是位于麦盖提斜坡的玉北地区显示了良好的勘探前景。前人对玉北地区奥陶系碳酸盐岩储层的成岩作用、岩溶特征、地震预测及主控因素等方面开展了大量的研究工作[1-4]，发现井间储层分布规律不明，溶蚀流体性质与来源不清，而不同流体改造作用是碳酸盐岩储层发育的重要控制因素。随着后续对玉北地区断裂解释工作的开展，发现断裂活动存在分区分带差异性，断裂对不同区域的储层发育特征影响明显[5-7]。断裂及伴生裂缝作为流体运移的通道贯穿于储层成岩作用的各个地质阶段[8-11]。微量元素中的稀土元素和锶同位素地球化学性质稳定，被认为能够反映海相与非海相流体之间及沉积环境演化导致的物质交换关系[12]。

本文以玉北地区不同区域典型钻井岩心样品中的缝洞充填物为研究对象，基于岩心观察，根据充填产状将样品划分为高角度缝、孔洞、水平缝洞方解石；通过对不同产状的充填物进行薄片观察、阴极发光分析，对方解石脉体发育期次进行划分，进而结合其稀土元素及锶同位素特征，揭示成岩流体的性质，探究碳酸盐岩储层成因模式和流体类型差异。

1 区域地质概况

玉北地区位于塔里木盆地麦盖提斜坡东段，北部与巴楚隆起南缘的玛扎塔格构造带相接，南邻塔西南坳陷的叶城凹陷、和田凹陷，西接麦盖提斜坡西段，向东与塘古巴斯坳陷过渡[13]；内部发育多个走向的断裂带，东部断褶区断裂发育密集，发育6排NE向逆冲断裂带；中西部地区断裂发育程度相对较低，发育EW、NW 向的逆冲断裂带，以及NE向的走滑断裂带(图1)。这些构造带多由盖层滑脱型逆冲断裂构成，局部叠加走滑活动，主要形成时期为加里东中期—海西晚期。

玉北地区经历了多期构造运动和近地表的岩溶作用，受和田古隆起演化的控制，不同地区的中—下奥陶统暴露地表遭受剥蚀，东部断褶区顶部缺失中上奥陶统及志留—泥盆系，断裂带之间的断洼区发育上奥陶统，而良里塔格组(O3l)和志留—泥盆系仅在中西部地区分布[3]。区内下奥陶统蓬莱坝组(O1p)为局限台地相沉积，岩性为灰色中—细晶白云岩；鹰山组(O1-2y)下部为局限台地相云质灰岩和灰质云岩，上部为一套开阔台地相泥晶灰岩和亮晶颗粒灰岩。良里塔格组为开阔台地相，岩性主要为黄灰色泥晶灰岩(图1)。

图1 塔里木盆地玉北地区构造—沉积背景

2 样品处理与测试

本次研究主要对玉北地区奥陶系钻井岩心中的缝洞充填方解石进行系统采样和分析，取样位置见图2。为了保证缝洞充填方解石样品能够反映流体性质，需要对方解石样品是否受到杂质污染进行检验。首先, 在采集岩心标本时选取方解石洁净、颜色均匀一致的样品(图2a-c)；然后对薄片进行高清2D全景显微镜扫描确保进行微区测试的方解石矿物晶型完好、不混入杂质(图2d)。此外, 阴极发光特征通常可以用来判断碳酸盐矿物组成是否均一,期次是否一致。为了保证选定的样品测试点位能够对流体作用类型具有全面的反映, 选样前还利用CL8200 MK5 型阴极发光仪对不同产状的方解石样品拍摄了阴极发光图像(图2e-f)。原位微区稀土元素通过ICP-MS进行分析，所用仪器为Analytikjena PlasmaQuant MS Elite型 ICP-MS及与之配套的Newwave UP 193 nm准分子激光剥蚀系统；原位锶同位素通过Neptune Plus MC-ICP-MS测试完成。

图2 塔里木盆地玉北地区缝洞充填方解石取样位置与镜下微观特征

3 方解石形成期次和地球化学特征

3.1 方解石充填期次与阴极发光特征

镜下观察研究区缝洞充填物样品发现，不同产状方解石阴极发光特征具有明显差异且存在相互交切关系。方解石充填物的阴极发光特征主要与Fe/Mn 比值相关，而Fe、Mn 元素含量主要受控于古流体来源与沉积环境[14]，因此方解石脉体阴极发光特征可作为划分古流体形成期次的依据。在岩心观察的基础上，根据样品的产状与阴极发光特征，认为该地区方解石充填物可分为3期：第一期(C1)为孔洞充填方解石，阴极发光颜色为不发光—暗红色，边缘可见溶蚀残余痕迹，脉体中可见溶蚀残留围岩颗粒(图3a-f)；第二期(C2)为水平缝洞充填方解石，切割C1方解石脉(图3c-d)，部分充填于C1充填后的残余空间中(图3g-h)，阴极发光颜色为玫瑰红色(图3g-j)；第三期(C3)为高角度缝充填方解石脉，切穿C1、C2方解石脉体，阴极发光颜色为橙黄色(图3a-d，k-l)。

图3 塔里木盆地玉北地区缝洞充填方解石阴极发光特征

3.2 稀土元素与锶同位素地球化学特征

对相同期次的缝洞充填物样品进行稀土元素和锶同位素测试，结果表明：玉北地区方解石充填物的稀土含量(ΣREE)、轻重稀土比值(LREE/HREE)、Eu/Eu*和Ce/Ce*平均值分别为3.15×10-6，0.90，1.23，0.87(表1) 。经澳大利亚后太古宙平均页岩(Post-Archean Australian Shale，PAAS)[15]标准化后的玉北地区方解石充填物稀土元素配分模式表明，各井间稀土元素分布模式有着明显的规律性，稀土元素分布模式上主要分为两种类型：部分样品显示具有典型的海水稀土配分模式特点，表现为重稀土元素相对轻稀土元素富集的左倾特征，伴随明显的La的正异常和Ce的负异常；但样品主体具有淡水的稀土配分模式特点，具体表现为平坦的稀土元素配分曲线，无明显的元素异常(图4)。

玉北地区样品的87Sr/86Sr 比值为0.707 67～0.711 08，平均为0.709 12；高角度缝方解石87Sr/86Sr 比值为0.708 60～0.711 08, 平均为0.709 40；水平缝洞方解石87Sr/86Sr 比值为0.708 62～0.709 86，平均为0.709 15；孔洞方解石87Sr/86Sr 比值为0.708 62～0.711 77，平均值为0.708 89(表1)。玉北地区全部样品的87Sr/86Sr平均值为0.709 12，略高于McARTHUR等[16]通过拟合曲线数据化获得的全球奥陶纪海水的87Sr/86Sr 背景值(0.707 96～0.709 10)。

4 讨论

4.1 稀土元素特征与流体性质变化的关系

前人研究认为，不同流体来源形成的碳酸盐矿物的稀土配分模式具有明显差别[17-20]。本文研究的样品中，不同钻井、不同产状的方解石充填物的稀土元素配分模式具有较大差异(图4和图5)，一方面反映了玉北地区成岩流体种类具有多样性和复杂性；另一方面也说明玉北地区碳酸盐岩在成岩过程中受到非海相流体的影响，反映了成岩系统具有一定的开放性。

铕( Eu)正异常通常与高温(>200 ℃)、还原性热液流体相关[21-25]，而低温热液则无明显的Eu正异常特征[26]。高角度裂缝充填方解石样品除YB3-3-1(Eu/Eu*=2.09)外，其余样品的Eu/Eu*的平均值为1.00；孔洞方解石样品中除少数样品具有Eu正异常外，其余样品的Eu/Eu*的平均值为0.99；大部分水平缝洞充填方解石样品中Eu/Eu*的平均值为1.05。结果表明，本文中大部分样品不具有明显的Eu正异常，与之相关的流体不具有明显的高温热液特征，表明该区域受热液流体影响的范围不大。

不同类型流体的REE的PAAS 标准化配分模式存在明显差异[27]：海相自生碳酸盐岩REE配分模式具有富集重稀土元素的左倾特征[28-29]；淡水表现为无明显元素异常的平坦形态特征[30-31]；热液流体则表现为明显的Eu正异常特征[32-34]。对不同井位样品稀土元素测试结果进行PAAS标准化后可以发现，玉北地区主要存在2种不同稀土元素配分模式特征的流体类型(图4)。玉北地区7口钻井均有部分样品呈现出轻稀土元素亏损、重稀土元素富集的左倾型以及Ce负异常的典型海水的稀土元素特征；但玉北地区大部分方解石充填物样品的稀土配分模式表现为相对平坦、无明显元素异常的淡水流体特征。

图4 塔里木盆地玉北地区不同钻井方解石样品稀土元素配分模式

对不同产状的方解石样品的REE采用PAAS标准化(图5)后，样品配分模式有如下特点：(1)高角度裂缝充填方解石总体具有典型淡水相对平坦的REE配分模式，LREE/HREE的平均值为0.98；(2)水平缝洞方解石REE配分模式表现为平坦型和左倾型两类稀土元素配分模式，反映了流体组成中淡水与海水混合的特征；(3)孔洞方解石中具有左倾型海水REE配分模式的样品在三种产状样品中占比最高。同时，由于大气淡水的淋滤作用会使岩石中的REE迁移析出，造成显著的REE亏损[35-36]，三种产状样品的ΣREE值(高角度裂缝、水平缝洞、孔洞方解石样品ΣREE平均值分别为2.31×10-6，3.26×10-6，3.55×10-6)呈现逐渐减低的趋势也印证了淡水流体改造的减弱(表1)。

图5 塔里木盆地玉北地区不同产状方解石样品稀土元素配分模式

表1 塔里木盆地玉北地区奥陶系缝洞方解石稀土元素和锶同位素组成

玉北地区缝洞充填方解石样品主体表现出了显著的淡水流体REE配分模式特征，表明研究区在整体的海相环境背景下受到了显著的淡水流体作用的改造。通过对不同产状的方解石样品进行分析表明，这类淡水流体主要集中在高角度缝和水平缝洞方解石样品中，孔洞方解石总体保留着正常海水的REE配分模式特征。

4.2 锶同位素组成与流体性质变化的关系

锶在海水中的居留时间远大于海水混合需要的时间，因此可以认为任意一个确定地质历史时期内全球范围内海水的锶同位素组成是统一的[37]。海洋中外源锶同位素输入主要有2个源区：具有较高87Sr/86Sr比值的壳源锶(87Sr/86Sr比值约为0.711 9)和较低87Sr/86Sr比值的深部热液锶(87Sr/86Sr比值约为0.703 5)[38-39]。因此，Sr同位素组成变化是表征非海相物质输入的可靠指标。

根据采样钻井由东向西空间分布，位于东部的YB3、YB3-1、YB6A、YB7井中方解石样品的87Sr/86Sr平均值为0.709 43，明显高于MCARTHUR等[16]通过拟合曲线数据化获得的全球奥陶纪海水的87Sr/86Sr 背景值(0.707 96～0.709 10)；中西部的YB4、YB8井中方解石样品的87Sr/86Sr比值的平均值为0.708 70，基本处于同时期海水的87Sr/86Sr 值变化范围内(图6)。

图6 塔里木盆地玉北地区不同钻井方解石87Sr/86Sr比值散点图

高角度裂缝方解石的87Sr/86Sr比值的平均值为0.709 40，明显高于奥陶纪海水的锶同位素比值变化范围[16](图7)，说明与这一类型方解石形成相关的流体中存在非海相流体输入。这一流体可能是外来地表淡水或正常埋藏地层流体。但从图7可见，被认为反映地层流体的水平缝洞方解石的锶同位素组成(87Sr/86Sr平均值为0.709 15)相对接近同时代海水的锶同位素组成，因此推断高角度裂缝方解石中非海相流体应为陆源地表淡水而非层间流体。这表明大气淡水及壳源物质对玉北地区奥陶系水岩反应产生显著的影响。

图7 塔里木盆地玉北地区不同产状方解石87Sr/86Sr比值散点图壳源87Sr/86Sr平均值引自PALMER和EDMOND[39]；奥陶纪海水87Sr/86Sr范围引自MCARTHUR等[16]。

综上，玉北地区由东向西分布的钻井中方解石样品的87Sr/86Sr比值整体下降的变化趋势反映了其形成流体中壳源物质输入的逐渐减少，表明其形成流体的性质由海水—淡水混合流体向海水转化。结合不同产状样品87Sr/86Sr比值变化特征，玉北地区奥陶纪东强西弱的构造演化背景可能是造成这一现象的原因，具有高87Sr/86Sr值的陆源物质随着地表径流向深部下渗过程中，由于构造活动产生的裂缝通道减少，陆源流体输入逐渐变少, 并与碳酸盐岩围岩发生水岩作用或者与地层水发生混合，沉淀形成的方解石87Sr/86Sr值也随之减小。

4.3 玉北地区流体演化过程

玉北地区奥陶系孔洞和裂缝中所充填的方解石在稀土元素和Sr同位素组成方面的差异反映了流体作用的差异。玉北地区方解石样品的地球化学特征主要有2种类型, 分别与陆源淡水和海相流体相关。

从LREE/HREE和87Sr/86Sr 关系图(图8)上可以发现, 大部分稀土配分曲线相对左倾的样品的87Sr/86Sr比值在同期海水范围内，而稀土配分曲线相对平坦的样品的87Sr/86Sr比值则集中在高于奥陶纪海水变化范围内，二者之间较好的相关性表明了样品的流体类型以淡水和海水为主。本次研究中的高角度裂缝方解石样品的87Sr/86Sr平均值明显高于奥陶纪海水值(图5)，说明重Sr同位素富集并超过了海水值，大量的大气淡水已经和岩石发生了相互作用，并克服了海相碳酸盐岩Sr的缓冲作用[40]，表明存在显著的壳源锶的加入。

图8 塔里木盆地玉北地区不同钻井方解石87Sr/86Sr和LREE/HREE关系

根据钻井的空间位置，由东向西分布的钻井中方解石样品之间87Sr/86Sr平均值表现为逐渐变小的趋势，表明流体组成中陆源物质输入的减少(图6)。这与该地区的构造活动表现出早期强晚期弱、东部强中西部弱的特点相吻合[41-42]。总体上，玉北地区经历了加里东中期—海西晚期多次构造运动和海平面变化，和田古隆起的隆升及迁移导致不同地区断裂发育程度与地层暴露剥蚀存在差异[43]。玉北地区东部断垒带受加里东中期Ⅰ幕—海西早期的构造活动影响, 形成了奥陶系与上覆石炭系的多期不整合接触关系，奥陶系碳酸盐岩被抬升暴露至地表遭受强烈的大气淡水改造，紧闭型逆冲滑脱断裂形成大量高角度裂缝，为大气淡水的渗滤提供了通道，导致沉淀形成的方解石也具有较重的87Sr/86Sr 值；而玉北中西部地区构造活动相对较弱，仅存在加里东中期Ⅲ幕—海西早期暴露剥蚀，断裂—裂缝欠发育，影响了玉北中西部地区大气淡水改造的强度。玉北地区各钻井之间主要流体作用类型的差异，是由该区构造演化和沉积环境的变化等因素综合作用导致的结果。

不同产状方解石样品的地球化学特征反映出玉北地区流体作用的主要机制(图5和图7)。孔洞方解石样品的87Sr/86Sr平均值介于奥陶纪海水值变化范围内，稀土配分模式以海水具有的左倾型特征为主，推测这一期孔洞可能的形成机制为碳酸盐岩地层暴露地表发生短暂大气淡水溶蚀，开放环境下被海水胶结沉淀出的方解石充填，并继承了海相流体特征。随着流体沿古隆起抬升及断裂发育过程中产生的高角度裂缝逐渐向深部渗透，在相对封闭的体系下溶解围岩，水岩比的升高使得沉淀形成的方解石充填物保留了陆源物质混入特征。

综合以上分析可以看出, 研究区缝洞充填方解石所表现出的稀土元素、Sr同位素地球化学特征与其地质背景相吻合。玉北地区奥陶系碳酸盐岩中流体作用类型，主要受构造演化作用的影响。大气淡水首先在近地表环境下对碳酸盐岩围岩进行溶蚀，形成小规模孔洞，而由于这些孔洞是在一个相对开放的环境中形成的，不断供应的富Ca流体会使得这些空间很快被方解石沉淀充填，对研究区有效储层的形成贡献有限；另一部分流体在沿裂缝继续向下运移的过程中，体系封闭性增强，与海相流体的交换相对减弱，随着对碳酸盐岩围岩的不断溶解而逐渐达到饱和；再进一步向深部地层渗透，与层间海相流体之间不断混合，便会沉淀形成沿水平裂缝充填的方解石(图9)。

图9 塔里木盆地玉北地区不同类型流体作用模式

5 结论

(1)玉北地区奥陶系碳酸盐岩发育3期方解石充填物，不同产状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异性，反映了地层在成岩过程中流体作用的多样性以及成岩系统的开放性。

(2)玉北地区高角度缝方解石与孔洞方解石中淡水流体特征的差异，一方面表明构造活动产生的裂缝可作为地表径流运移的通道，影响着储层发育过程中流体次生改造作用的强度；另一方面表明溶蚀孔洞则主要形成于短期暴露溶蚀，海水胶结沉淀出的方解石表现出同期海水特征。这种机制下形成的小规模孔洞均被方解石充填，对研究区有效储层的形成贡献有限。

(3)玉北地区由东向西表现出的流体作用差异，是由东西2个地区不同的构造活动背景决定的。东部断垒带奥陶系经历了加里东中期Ⅰ幕—海西早期多期构造改造作用，由此产生高角度裂缝利于地表径流下渗，因此其所经历的淡水改造作用相对强于受构造活动影响较弱的中西部地区。