躍進地區奧陶系硅質巖地球化學特征及成因研究

洪才均，康仁東，韓俊，吳鮮，文山師，房曉璐

（中國石化西北油田分公司勘探開發研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

塔里木盆地下古生界海相碳酸鹽巖儲層是我國主要海相儲層之一，目前發現塔河、塔中、順北、順南等多個大油氣田[1-3]，該區碳酸鹽巖地層中常見各種形態產出的硅質巖。前人研究認為硅化作用是碳酸鹽巖儲層重要的成巖作用之一，眾多學者對塔里木盆地東部及西北部下古生界寒武系露頭剖面的硅質巖開展了廣泛研究[4-6]，認為露頭區寒武系層狀硅質巖為與上升洋流有關的熱水成因，也有學者對塔河及順南地區下古生界奧陶系鉆井巖心研究認為[7-8]，井下奧陶系硅質巖主要形成于巖漿熱液流體，巖漿熱液在沉淀石英的同時對碳酸鹽巖儲層溶蝕改造[7]。塔里木盆地躍進地區及順北地區奧陶系硅質巖普遍發育。目前，研究區硅質巖成因及對碳酸鹽巖儲層的影響作用尚未展開研究，本文以躍進一間房組硅質巖為研究對象，在鉆井巖心觀察描述、薄片鑒定及分析化驗資料基礎上，對硅質巖巖石學特征、地球化學特征進行研究，并對其可能的成因機制和對碳酸鹽巖儲層影響進行分析探討。

1 區域地質概況

躍進地區構造上位于順托果勒隆起北部-哈拉哈塘凹陷，西部為沙西凸起（圖1），研究區及鄰區奧陶系整體呈現中部高，兩側低的構造形態。受加里東期、海西期、印支-燕山期、喜山期等多期構造運動影響[9]，研究區及鄰區斷裂具早期形成、后期繼承的特點，尤其是加里東中期及海西晚期斷裂活動表現最強烈，斷裂最發育，平面上呈雁列式排列。塔里木盆地發生過4期重要地質熱事件[10]，其中發生于海西晚期的二疊紀火山活動在整個塔里木盆地廣泛存在[10]，研究區及鄰區鉆遇二疊系鉆井中見英安巖、玄武巖等噴出巖，厚度一般數十米到數百米不等，研究區中-南部形成一個二疊系火山巖異常增厚區域（圖1），巖性以英安巖為主，厚600～700 m，可見該期火山活動規模之大。一般來說，伴隨著火山作用往往有火山期后侵入巖形成[11]，研究區南部順北地區部分鉆井在奧陶系桑塔木組—志留系鉆遇到侵入巖體，侵入巖體巖性主要是輝綠巖。巖漿作用過程中分異大量熱液流體，將侵入巖附近的地層爐體加熱改造成熱液流體，奧陶系碳酸鹽巖在熱液作用下會產生大量微小溶蝕孔洞，改善碳酸鹽巖儲層物性[11]。

圖1 研究區構造劃分及位置圖Fig.1 Tectonic position map of YueJin area

2 硅質巖巖石學特征

塔里木盆地躍進地區奧陶系一間房組不同程度發育硅質巖，從層位深度分布來看，從淺至深，一間房組硅質巖發育程度呈增強趨勢，并以結核狀、團塊狀產出，其中以團塊狀硅質巖為主，結核狀硅質巖次之。研究區一間房組含硅灰巖段主要為碳酸鹽巖臺地相沉積，巖性為黃灰色微晶灰巖、泥晶砂屑灰巖、砂屑泥晶灰巖，以泥晶砂屑灰巖為主。硅質巖主要發育在一間房組中下部，通常為黑-灰黑色，單層厚度一般小于15 cm，多數為5～10 cm，呈結核狀及團塊狀產出，以團塊狀硅質巖為主，其中可見殘余石灰巖斑塊，在未完全硅化的灰巖中，常見結核狀硅質巖產出。硅質巖多沿層面分布，少數與層面呈交錯狀，裂縫較發育區域，硅質巖更發育，且隨著深度加深，硅質巖發育程度逐漸增強。硅質巖中硅質呈微隱晶狀、微晶狀，少量放射狀，常見少量未被交代徹底的灰巖原巖殘余，多見硅化的腕足、介形蟲、瓣腮等生物，部分薄片中見黑色粒狀螢石與硅質共生，掃描電鏡中見交代殘余灰巖的溶蝕孔洞中充填石英晶體，結晶程度較好。另躍進地區鄰區的順北地區鉆井在奧陶系碳酸鹽巖巖心中發現中酸性巖漿巖及硅質脈體，中酸性巖漿巖掃描電鏡見鑲嵌狀石英、角閃石、金紅石等熱液礦物。

3 硅質巖地球化學特征

本次研究的硅質巖地球化學分析包括主量元素、微量元素及稀土元素分析，選取硅質巖發育程度較好的井段逐層采樣，所采樣品由核工業北京地質研究院分析測試研究中心用AB-104L,PW2404X射線熒光光譜儀測試主量元素，用ELEMENT XR等離子體質譜分析儀測試稀土元素和微量元素。

3.1 主量元素地球化學特征

躍進地區一間房組硅質巖純度較高，Si含量為69.56%～92.74%，平均81.447%，次為CaO，平均含量9.75%，其它組分含量相對較低（表1）。

利用硅質巖主量元素特征可區分熱水沉積硅質巖與正常海水沉積的硅質巖。Yamamoto通過研究提出運用Al，Fe，Mn的含量區分熱液成因硅質巖與生物成因硅質巖[12]，其中Fe，Mn的富集主要與熱液參與有關，而Al的富集多與陸源物質的介入相關。將本文數據投影到Al-Fe-Mn三端元圖上（圖2），可看出，一間房組硅質巖樣品數據點均落在熱水沉積區。Bostrom等提出Al/(Al+Fe+Mn)比值是判斷硅質巖成因的重要參數[13]，以Al/(Al+Fe+Mn)值0.4為界劃定海相沉積的成因，小于0.4的為熱液成因，大于0.4反映碎屑來源。研究區一間房組硅質巖的Al/(Al+Fe+Mn)比值為0.05～0.21，平均0.13。Murray等還認為可用Fe/Ti、（Fe+Mn）/Ti等值來鑒別是否為熱水沉積[14]，典型熱水沉積物的Fe/Ti值>20、（Fe+Mn）/Ti>（20±5）。研究區一間房組硅質巖樣品中，Fe/Ti=45.5～179.4，（Fe+Mn）/Ti=45.7～180.1，均遠大于 20。以上主量元素特征表明，研究區一間房組硅質巖的形成主要與熱液相關。

表1 一間房組硅質巖中主量元素含量Table 1 Major element content of siliceous rocks of Yijianfang Formation

圖2 一間房組硅質巖的Al-Fe-Mn三角圖Fig.2 Al-Fe-Mn triangle diagram of the Yijianfang Formation siliceous rocks

3.2 微量元素地球化學特征

Bostrom、Marching、McLennan等學者研究認為[15-17]，微量元素含量特征如Co/Ni、Th/U、Rb/Sr值是判斷硅質巖是熱水沉積還是非熱水沉積的重要指標，國內也有學者運用Th/U和Rb/Sr值判斷塔里木盆地下寒武統硅質巖流體來源[5]，海相沉積硅質巖Th/U比值較高，當硅質流體來自深部地殼或上地幔時，Th/U比值非常低[9]。一般認為，Co/Ni值小于1可作為熱水沉積的重要指標，熱水沉積硅質巖的Th/U＜1，Rb/Sr值偏低，非熱水沉積硅質巖的Th/U>1，Rb/Sr值偏高。研究區硅質巖樣品的Co/Ni為0.17～0.21，平均0.19，Th/U為0.12～0.37，平均0.23，Rb/Sr為0.01～0.05，平均0.03，所有樣品的 Co/Ni值、Th/U值均小于1，Rb/Sr值偏低，微量元素特征反映出本區硅質巖為熱液沉積。研究區極低的Th/U和Rb/Sr值表明，該區硅質巖具有較多的富鐵鎂質的加入[17]，這些物質可能來自深部流體，如下地殼或上地幔（表 2）[5,18]。

陳永權等報道了塔里木盆地東部羅西斜坡寒武系層狀硅質巖與交代殘余結構硅質巖的Th/U-Y/Ho關系（層狀硅質巖為正常海水沉積成因，交代殘余結構硅質巖為熱液交代成因）[6]，沉積成因的層狀硅質巖分布在高Th/U比值，低Y/Ho比值區，交代殘余結構硅質巖分布在低Th/U比值，高Y/Ho比值區，研究區一間房組硅質巖與該報道中的交代殘余結構硅質巖具相同分布區（圖3），體現了深部熱液特征。

3.3 稀土元素地球化學特征

稀土元素是一組特殊的微量元素，由于原子序數相近，因此具相似的化學性質且活動具整體性[19]。研究區硅質巖樣品稀土測試結果見表3，分布模式見圖4-a。從稀土元素分布模式圖可看出，分布曲線右傾，硅質巖具輕稀土富集特征，其LREE/HREE為3.855～3.909，平均 3.888，LaN/YbN為 8.764～13.668，平均11.085，遠大于1，說明輕重稀土分餾程度較高。11個樣品測試數據中，9個樣品數據具較明顯的Eu負異常，δEu為0.299～0.681，平均0.448，遠小于1，另2個樣品為Eu正異常，δEu為1.016和1.177。多數樣品的Ce具不明顯的負異常，7個樣品數據δEu為 0.774～0.926，平均 0.899，其余 4 個樣品δEu為1.03～1.184，平均1.086。前人通過對塔河地區海西期火成巖地球化學特征研究認為[20]，塔河地區英安巖稀土元素Eu具明顯的負異常（圖4-b），英安巖的LREE/HREE、LaN/YbN、δEu 和δCe平均值分別為3.837、13.586、0.545和0.909，從稀土元素分布模式和參數來看（圖4，表3），研究區硅質巖與塔河地區英安巖較接近，說明它們具相似成因，研究區一間房組沉淀硅質巖流體是與英安巖活動有關的巖漿熱液流體。

圖3 一間房組硅質巖Th/U-Y/Ho關系圖Fig.3 Th/U-Y/Ho diagram of the Yijianfang Formation siliceous rocks

表2 一間房組硅質巖中微量元素含量Table 2 Trace element content of siliceous rocks of Yijianfang Formation 單位：×10-6

表3 一間房組硅質巖中稀土元素含量Table 3 Rare earth element content of siliceous rocks of Yijianfang Formation 單位：×10-6

圖4 一間房組硅質巖和塔河英安巖稀土元素球粒隕石標準化模式Fig.4 Chondrite-normalized rare earth element patterns of siliceous rocks in Yijianfang Formation and Dacite in Tahe area

4 成因機制探討及對儲層的影響

從硅質巖與圍巖接觸關系看出，躍進地區奧陶系硅質巖為硅質交代碳酸鹽巖形成的殘余結構硅質巖。硅質巖地球化學特征表明，躍進地區一間房組沉淀硅質巖的流體是與英安巖活動有關的富含硅質的巖漿熱液流體，從硅質巖伴生的角閃石、螢石及金紅石等高-低熱液礦物組成上看出，巖漿熱液直接參與了成巖作用。

海西晚期研究區發育斷穿基底與二疊系的深大斷裂，海西晚期火山活動為該區奧陶系碳酸鹽巖的硅化提供了熱源及硅質來源。富含硅質的巖漿熱液沿斷裂及裂縫進入一間房組碳酸鹽巖沉積物中，與圍巖發生水巖反應，碳酸鹽巖部分被溶解，同時硅質交代碳酸鹽礦物形成殘余結構硅質巖。

前人研究認為，硅化是優質埋藏巖溶型碳酸鹽巖儲層的指示劑[6]，硅化作用對碳酸鹽巖儲層具雙重作用，既能對碳酸鹽巖產生溶蝕作用，提高碳酸鹽巖儲集性能，同時也可充填碳酸鹽巖儲集空間，產生破壞性作用。從躍進地區奧陶系巖心儲層發育特征來看，硅質巖發育段儲層物性差，主要為充填作用，且硅質巖為隱晶-微晶結構，孔隙并不發育，不利于儲集油氣。富含硅質的巖漿熱液流體溶解原巖、沉淀硅質的同時，是否發生酸性熱水溶蝕碳酸鹽巖地層形成大量溶蝕孔隙，目前還需進一步研究。

5 結論

（1）研究區一間房組硅質巖多見灰巖殘余，為SiO2交代碳酸鹽巖，硅質巖為交代成因，與硅質巖伴生的角閃石、螢石、金紅石等熱液礦物表明硅質巖為熱液成因，躍進地區硅質巖廣泛發育，表明躍進地區熱液活動較強。

（2）硅質巖中Si含量較高，樣品點在Al-Fe-Mn三端元圖中投影位于富鐵端，主量元素Al/(Al+Fe+Mn)、Fe/Ti、（Fe+Mn）/Ti值的特征均表明硅質巖的形成與熱液有關。微量元素Co/Ni、Th/U、Rb/Sr表明沉積硅質巖流體有來自下地殼或上地幔的深部熱液流體的參與。硅質巖稀土元素分布曲線及LREE/HREE、LaN/YbN、δEu和δCe值與塔河二疊系英安巖接近，表明沉積硅質巖流體與二疊系英安巖具同源特征。

（3）海西晚期研究區斷穿基底的深大斷裂為該區巖漿熱液流體提供了運移通道，富硅的熱液流體沿斷-縫系統進入一間房組，與碳酸鹽巖發生反應，硅質流體交代碳酸鹽巖沉積物并沉淀形成硅質巖。

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