柴北緣西段鄂博梁構(gòu)造帶儲層碳酸鹽膠結(jié)物成因及其油氣地質(zhì)意義①——來自碳、氧同位素的約束

付鎖堂 王震亮 張永庶 王愛國 孔紅喜 范昌育

(1．中國石油青海油田分公司 甘肅敦煌 736202;2．西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710069;3．西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系 西安 710069)

0 引言

在沉積盆地內(nèi)，流體在沿砂體或裂縫流動的過程中，往往會與圍巖發(fā)生復(fù)雜的流體—巖石相互作用，從而形成一些成巖礦物。碳酸鹽膠結(jié)物是砂巖儲層中常見的一類成巖產(chǎn)物，具有分布普遍性、形成多期性、成因多樣性的重要特點(diǎn)［1-2］。它充填裂縫和孔隙，對儲層物性主要起破壞性作用，是致密儲層、巖性圈閉等形成的主要原因之一［3-5］，也是分析盆地邊界斷層是否能夠作為油氣運(yùn)移通道，促使油氣發(fā)生幕式運(yùn)移的重要證據(jù)［6-7］。不同的成巖環(huán)境下，碳酸鹽膠結(jié)物中碳氧同位素組成有明顯的差別和一定的規(guī)律，可為判斷其形成時的地球化學(xué)環(huán)境特征和物質(zhì)來源等提供重要信息，特別是碳同位素組成可以指示成巖流體中碳的來源。碳酸鹽膠結(jié)物的化學(xué)性質(zhì)活潑，對孔隙流體的酸堿性異常敏感，極易發(fā)生溶解—沉淀—再溶解—再沉淀過程，因而是成巖環(huán)境酸堿度變化的良好礦物指示計(jì)［1］。因而，碳酸鹽膠結(jié)物常被用來分析成巖環(huán)境及成巖流體的演化［8-9］。

柴達(dá)木盆地鄂博梁構(gòu)造帶勘探難度大、勘探程度較低，目前對其儲層特征及控制因素、流體活動規(guī)律等的研究還不夠深入，在一定程度上制約了該區(qū)油氣成藏規(guī)律的認(rèn)識和油氣的進(jìn)一步勘探。前人曾在盆地西部古近紀(jì)致密鹽湖碳酸鹽巖儲層內(nèi)發(fā)現(xiàn)了裂隙膠結(jié)物［10］。本文作者在野外和巖芯觀察發(fā)現(xiàn)，該區(qū)砂巖儲層中含有大量的碳酸鹽膠結(jié)物，因而查明其成因機(jī)理，探討與油氣充注的關(guān)系，是十分必要的。本文綜合巖石學(xué)、礦物學(xué)、地球化學(xué)等多種研究方法和手段，探討了柴北緣西段鄂博梁構(gòu)造帶侏羅系、古近系、新近系儲層中碳酸鹽膠結(jié)物的成因機(jī)制及其油氣地質(zhì)意義。

1 地質(zhì)背景

柴達(dá)木盆地位于青藏高原北部，是在前侏羅系基底上發(fā)育起來的一個中、新生代陸內(nèi)沉積盆地。四周被祁連山、阿爾金山和昆侖山脈包圍，大致呈一不規(guī)則菱形，面積約 12×104km2［8-9］。鄂博梁構(gòu)造帶位于盆地中北部，由一系列北西—南東向延伸的大型背斜構(gòu)造(圖1)，自西向東依次為鄂博梁I號、鄂博梁II號、葫蘆山、鄂博梁III號、鴨湖構(gòu)造。

圖1 柴達(dá)木盆地北緣西段鄂博梁構(gòu)造帶范圍及所處的構(gòu)造單元Fig．1 The range of Eboliang structure belt in the west section of the northern margin of Qaidam Basin and its tectonic unit

鄂博梁構(gòu)造帶的構(gòu)造演化與柴北緣的形成和演化緊密相關(guān)，經(jīng)歷了早—中侏羅世的斷坳盆地、晚侏羅世—白堊紀(jì)的坳陷盆地、白堊紀(jì)末期的擠壓抬升剝蝕、古近紀(jì)坳陷盆地和新近紀(jì)擠壓坳陷盆地等演化階段［11］。其中～Q是柴北緣構(gòu)造圈閉形成和調(diào)整改造的兩個主要時期［12-13］。區(qū)內(nèi)不同構(gòu)造的活動時間具有明顯差異［14］，鄂博梁構(gòu)造帶主要形成于新近系以后，即從鄂博梁I號開始，向東依次形成鄂博梁Ⅰ號、鄂博梁Ⅱ號、葫蘆山、鄂博梁III號等構(gòu)造。

由于中生代晚期的抬升剝蝕，侏羅系僅殘存下侏羅統(tǒng)，以河流和沼澤相為主［15］。古近系、新近系發(fā)育較完整，整體上為一套辮狀河—三角洲—湖相沉積。下侏羅統(tǒng)是本區(qū)的有效烴源巖，主要分布于一里坪坳陷和昆特依凹陷，分布范圍約 2×104km2［13］。

2 樣品與方法

本次研究從6口探井和野外露頭共采集了36個樣品。每個樣品均磨制鑄體、熒光和光片三套薄片。使用鐵氰化鉀和茜素紅的混合溶液對鑄體薄片染色，染色后方解石呈橘紅色，含鐵方解石呈紫紅色或深紅色，含鐵白云石呈藍(lán)色。本研究在西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，采用Olympus BX51熒光/偏光顯微鏡對薄片進(jìn)行巖相學(xué)、熒光觀察。對于鏡下無法確認(rèn)的細(xì)小礦物和物質(zhì)，利用FEI Quanta 400 FEG掃描電鏡進(jìn)行觀察、分析，并給出相關(guān)礦物的能譜曲線。陰極發(fā)光測試在BII CLF-1陰極發(fā)光儀下完成。鑄體薄片觀察和陰極發(fā)光測試后，選擇碳酸鹽膠結(jié)物類型單一且含量較高的巖芯樣品，研磨后用磷酸法釋放CO2在Finnigan MAT253質(zhì)譜儀中測定了碳酸鹽膠結(jié)物的碳氧同位素，分析精度±0．1‰。對于具有不同陰極發(fā)光條帶的方解石脈體，利用微鉆對不同發(fā)光條帶鉆孔取樣，孔徑0．5～0．9 mm，然后在Kiel IV碳酸鹽反應(yīng)裝置與Finnigan MAT253質(zhì)譜聯(lián)機(jī)裝置中在線測定了其碳氧同位素，分析精度±0．1‰。微鉆取樣與碳氧同位素測試工作在中科院地質(zhì)與地球物理研究所完成。

3 碳酸鹽膠結(jié)物類型及成巖序列

3．1 巖相學(xué)特征

經(jīng)鏡下觀察，鄂博梁構(gòu)造帶儲層中的膠結(jié)物類型在不同構(gòu)造間存在明顯差異:鄂博梁I號構(gòu)造以高嶺石和方解石為主，鄂博梁III號—鴨湖構(gòu)造以含鐵白云石、含鐵方解石、硬石膏為主(圖2)，揭示了鄂博梁構(gòu)造帶流體活動的差異性。同時也看出，碳酸鹽膠結(jié)物是鄂博梁構(gòu)造帶的最為發(fā)育的膠結(jié)物。

圖2 鄂博梁構(gòu)造帶儲層膠結(jié)物含量分布Fig．2 Cement content distribution in reservoir rocks in Eboliang structure belt

碳酸鹽膠結(jié)物充填粒間孔隙和裂縫，交代碎屑顆粒、雜基和早期的膠結(jié)物(圖4)，對儲集空間破壞嚴(yán)重。為了刻畫它們對儲集空間的改造程度，定義“碳酸鹽膠結(jié)強(qiáng)度”如下:

碳酸鹽膠結(jié)強(qiáng)度越大，表明碳酸鹽膠結(jié)物對儲集空間的占有率越大，當(dāng)碳酸鹽膠結(jié)強(qiáng)度達(dá)到100%時，表明儲層被碳酸鹽膠結(jié)物完全膠結(jié)。經(jīng)計(jì)算(圖3)，鄂博梁構(gòu)造帶碳酸鹽膠結(jié)強(qiáng)度分布不均一，在25% ～100%之間。其中，鄂博梁I號構(gòu)造碳酸鹽膠結(jié)強(qiáng)度較大，EI2井和露頭幾乎被碳酸鹽膠結(jié)物完全充填。其它井碳酸鹽膠結(jié)強(qiáng)度較低的原因除了存在其它膠結(jié)物外，最主要的原因是存在溶蝕作用。溶蝕作用主要表現(xiàn)為各種易溶的組分發(fā)生部分、甚至全部溶蝕，并形成多種類型的次生孔隙。如圖5所示，在1．4 m的范圍內(nèi)，巖石類型變化不大，頂端和底端方解石膠結(jié)作用發(fā)育，孔隙被完全充填(圖5A，C)，但在中間部位溶蝕作用發(fā)生，可見碎屑和方解石溶蝕(圖5B)，其發(fā)育的孔隙全部為溶蝕孔隙。

圖4 鄂博梁構(gòu)造帶儲層中碳酸鹽膠結(jié)物的產(chǎn)狀a．方解石孔隙型膠結(jié)，鄂博梁I號構(gòu)造，野外露頭;b．方解石交代石英巖巖屑，EI2井，4 048．78 m;c．方解石交代雜基，EI2井，4 838．74 m;d．方解石交代瀝青浸染的高嶺石，N1井，2 232．9 m;e．含鐵方解石交代硬石膏，YC3井，4 048．31 m;f．含鐵方解石交代含鐵白云石，ES2井，3 032．73 m。Fig．4 Occurrence of carbonate cements in reservoir rocks in Eboliang structure belta．calcite in pore，outcrop in Eboliang I structure;b．the replacement of quartzite lithic by calcite，EI2 Well，4 048．78 m;c．the replacement of matrix by calcite，EI2 Well，4 838．74 m;d．the replacement of asphalt disseminated kaolinite by calcite，N1 Well，2 232．9 m;e．the replacement of anhydrite by Fe-rich calcite，YC3 Well，4 048．31 m;f．the replacement of Fe-rich dolmite by Fe-rich calcite，ES2 Well，3 032．73 m．

圖5 鄂博梁I號構(gòu)造N1井2 226．07～2 227．47 m(J1)范圍內(nèi)的成巖特征Fig．5 Diagenetic characteristics in 2 226．07 ～2 227．47 m(J1)of N1 Well in Eboliang I structure

圖6 鄂博梁I號構(gòu)造N1井2 229．72 m處鑄體薄片和熒光薄片的顯微照片F(xiàn)ig．6 Micrographs of cast and fluorescence thin section of reservoir rocks in 2 229．72 m of N1 Well in Eboliang I structure

3．2 成巖序列

由于流體活動的不均一性，鄂博梁構(gòu)造帶不同構(gòu)造間甚至不同井間的成巖作用序列存在一定的差別。如N1井，方解石交代瀝青浸染的高嶺石，揭示了高嶺石—油氣充注—方解石的成巖序列(圖4d)。隨后，方解石被酸性流體溶蝕，溶蝕孔隙又被第II期油氣充填(圖5、6);而在EI2井，方解石交代碎屑顆粒和雜基，是儲層中唯一的膠結(jié)物;在鄂博梁III號—鴨湖構(gòu)造，含鐵方解石晚于硬石膏和含鐵白云石(圖4e，f)，而早于溶蝕作用。

4 碳酸鹽膠結(jié)物的成因

在陰極發(fā)光顯微鏡下，方解石膠結(jié)物主體不發(fā)光，邊緣發(fā)暗紅色光(圖7);圖10中，方解石脈體自邊緣至核部呈現(xiàn)無光、紅色、橘黃色光帶，說明在鄂博梁I號構(gòu)造可能存在多期堿性流體活動。含鐵方解石通體發(fā)紅色光(圖8)，顏色較純，說明在鄂博梁III號—鴨湖構(gòu)造可能只經(jīng)歷了一期堿性流體活動。

圖7 方解石膠結(jié)物的陰極發(fā)光特征(N1井，2 232．57 m)Fig．7 Cathodoluminescence characteristics of calcite cements(N1 Well，2 232．57 m)

圖8 含鐵方解石膠結(jié)物的陰極發(fā)光特征(ES2井，3 032．73 m)Fig．8 Cathodoluminescence characteristics of Fe-rich calcite cements(ES2 Well，3 032．73 m)

表1 鄂博梁構(gòu)造帶碳酸鹽膠結(jié)物的碳、氧同位素分析結(jié)果Table 1 Carbon and oxygen isotope data of carbonate cements in Eboliang structure belt

表2 鄂博梁I號構(gòu)造N1井中方解石脈體不同陰極發(fā)光條帶的C、O同位素分析結(jié)果Table 2 Carbon and oxygen isotope data in different cathodoluminescence stripes of calcite veins in N1 Well in Eboliang I structure

研究區(qū)方解石膠結(jié)物碳、氧同位素分布范圍為:－13．47‰＜δ13CPDB＜2．54‰，－15．93‰ ＜δ18OPDB＜－4．74‰(表1、圖 9)。碳、氧同位素分布較散，揭示了方解石膠結(jié)物成因較復(fù)雜。而含鐵方解石膠結(jié)物的碳、氧同位素分布則相對集中，具有相同的成因［16］。N1井中方解石脈體不同陰極發(fā)光條帶的碳、氧同位素呈現(xiàn)兩個明顯的點(diǎn)群，反映了兩期堿性流體活動(表2、圖9)。

在沉積盆地內(nèi)，沉積碳酸鹽和有機(jī)質(zhì)是兩種主要的碳儲集，二者在碳同位素上差別明顯。大多數(shù)海相碳酸鹽巖的 δ13CPDB為－4‰ ～4‰，而有機(jī)碳明顯偏負(fù)，介于－35‰ ～ －20‰［16］。柴達(dá)木盆地侏羅系的烴源巖和古近系、新近系的沉積碳酸鹽是本區(qū)的兩大碳源。在鄂博梁構(gòu)造帶，前人尚未對沉積碳酸鹽的碳、氧同位素作系統(tǒng)測試，但據(jù)尹成明［17］對鄰區(qū)紅三旱地區(qū)(見圖1)的研究，古近系沉積碳酸鹽的碳、氧同位素的分布區(qū)間為－5．5‰＜δ13CPDB＜－0．3‰，－8．4‰＜δ18OPDB＜－3．9‰(圖 9 中方框)。在本次測試樣品中，樣6為灰質(zhì)泥巖(表1)，其碳、氧同位素亦落入此范圍。因此，將此分布區(qū)間作為研究區(qū)沉積碳酸鹽碳、氧同位素的分布范圍。

圖9 鄂博梁構(gòu)造帶碳酸鹽膠結(jié)物和脈體的碳、氧同位素分布Fig．9 Carbon and oxygen isotope distribution of carbonate cements and veins in Eboliang structure belt

碳同位素分餾對溫度不敏感，其值主要反映了不同碳源的混合程度，而氧同位素分餾明顯受控于溫度［19］。據(jù)研究，溫度每變化6℃ ～10℃將導(dǎo)致形成的白云石的 δ18OPDB發(fā)生 1‰的漂移［18-19］。在 N1 井2 232．57 m處的方解石脈體中，各個陰極發(fā)光帶的碳同位素比較穩(wěn)定，但明顯偏負(fù)，表明存在有機(jī)碳的混入。氧同位素具有明顯的差異性，且方解石形成時間越晚，其值越偏負(fù)，揭示了形成方解石脈體的流體溫度越來越高(圖10)。從氧同位素上看，至少存在兩期混有有機(jī)CO2的堿性流體活動。

在含該方解石脈體的樣品中，也存在非常發(fā)育的方解石膠結(jié)物(圖9，樣2)。通過對比，發(fā)現(xiàn)方解石膠結(jié)物的碳、氧同位素與第I期方解石脈體的非常接近，說明方解石膠結(jié)物應(yīng)該為第I期堿性流體活動的產(chǎn)物。另外，N1井淺層的樣1與第I、II期方解石脈的碳同位素也相似，但氧同位素分別偏正3．39‰～4．45‰、6．69‰ ～7．32‰(圖 9)。這兩個樣品深度相差1 070 m，以古近紀(jì)以來2．2～2．7℃/100m的古地溫梯度計(jì)算，地層古地溫相差24℃ ～29℃。按上述溫度對δ18OPDB的影響程度估算，該溫差將導(dǎo)致方解石膠結(jié)物的δ18OPDB相差 2．4‰ ～4．8‰，恰好與樣1 與第I期方解石脈體的δ18OPDB差值相符合，說明樣1也是第I期堿性流體活動產(chǎn)物。利用同樣的方法，EI2井中樣4的氧同位素也與第I期堿性流體的一致，因此二者在時間上是相近的。在碳同位素方面，樣4明顯偏負(fù)，說明有機(jī)碳的混入程度較高，這可能與樣4鄰近大面積的厚層烴源巖，“近水樓臺先得月”有關(guān)(圖1)。

圖10 方解石脈體不同陰極發(fā)光帶的C、O同位素(N1，2 232．57 m)Fig．10 Carbon and oxygen isotope distribution in different cathodoluminescence stripes of calcite veins

表3 鄂博梁III號—鴨湖構(gòu)造和紅三旱地區(qū)蒸發(fā)巖分布統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistical table of evaporite rocks in Eboliang III-Yahu structure and Hongsanhan area

古近紀(jì)和新近紀(jì)柴達(dá)木盆地為鹽湖沉積［10，17，20-21］，發(fā)育灰質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r、白云巖、膏巖等蒸發(fā)巖地層(表3)。這些地層排出的壓實(shí)水中，富含Ca2+、Mg2+和等離子。在條件合適的情況下，這些流體會進(jìn)入砂巖儲層形成碳酸鹽膠結(jié)物。在這個過程中，碳同位素分餾不明顯，但由于地層溫度升高，氧同位素會發(fā)生負(fù)向偏移。與沉積碳酸鹽相比，新近系含鐵方解石(圖9，樣7～12)碳同位素相近，氧同位素負(fù)向漂移，其成因與沉積碳酸巖地層排出的流體有關(guān)。如表3所示，研究區(qū)鄂博梁III—鴨湖構(gòu)造沉積碳酸鹽地層不發(fā)育，且比樣品位置淺。鄰區(qū)紅三旱地區(qū)沉積碳酸鹽發(fā)育且廣泛分布于新近系中，結(jié)合坳陷—構(gòu)造帶的空間配置關(guān)系(圖1)，鄂博梁III—鴨湖構(gòu)造儲層中含鐵方解石的成因應(yīng)該為一里坪坳陷內(nèi)沉積碳酸鹽地層的壓實(shí)排水。

沉積有機(jī)質(zhì)在演化過程中一般會經(jīng)歷氧化作用、細(xì)菌硫酸鹽還原作用、甲烷生成作用和有機(jī)質(zhì)脫羧作用。其中，只有甲烷生成作用帶內(nèi)生成的碳酸鹽相對富集13C，其 δ13CPDB可高達(dá) 15‰［16］。由此可見，高δ13CPDB的樣3的形成可能與甲烷生成作用有關(guān)。

總之，研究區(qū)至少存在四種碳酸鹽膠結(jié)物成因機(jī)制:①有機(jī)質(zhì)脫羧作用;②同生—準(zhǔn)同生作用;③甲烷生成作用;④沉積碳酸鹽壓實(shí)水沉淀作用。其中，與①有關(guān)的堿性流體活動至少存在兩期［22］。

5 結(jié)論和認(rèn)識

(1)與有機(jī)質(zhì)脫羧作用有關(guān)的碳酸鹽膠結(jié)物稍晚于油氣充注，可作為油氣充注或運(yùn)移的特征自生礦物。鄂博梁構(gòu)造帶西端侏羅系儲層中的碳酸鹽膠結(jié)物均為此類膠結(jié)物，可見其與侏羅系烴源巖的密切關(guān)系。而在古近系和新近系儲層中，與有機(jī)質(zhì)脫羧作用有關(guān)的碳酸鹽膠結(jié)物僅出現(xiàn)在N1井中，其原因可能與N1井區(qū)侏羅系存在流體上移的通道(如斷層)有關(guān)。N1井區(qū)后來發(fā)生的溶蝕作用以及油氣充注，也應(yīng)與斷層對流體的垂向輸導(dǎo)有關(guān)。

(2)鄂博梁I號構(gòu)造內(nèi)，來自侏羅系的堿性流體活動、古近系—新近系的同生—準(zhǔn)同生作用和甲烷生成作用形成的碳酸鹽膠結(jié)物，將儲層改造為致密儲層。但后期的酸性流體活動又將部分致密儲層溶蝕改造，釋放出部分儲集空間，因溶蝕的不均一性又可形成側(cè)向封堵，從而有利于形成巖性圈閉。因而，巖性油氣藏可作為鄂博梁I號構(gòu)造下一步的勘探重點(diǎn)。而在鄂博梁III號—鴨湖構(gòu)造，新近系儲層中碳酸鹽膠結(jié)物的形成與有機(jī)質(zhì)脫羧作用無關(guān)，油氣運(yùn)聚可能發(fā)生在含鐵方解石膠結(jié)之后。

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