塔里木盆地順北地區中下奧陶統縫洞充填方解石地球化學特征及地質意義

王昱翔，王 斌，顧 憶，傅 強，萬旸璐，李映濤

(1.同濟大學 海洋與地球科學學院，上海 200092；2.中國石化 石油勘探開發研究院 無錫石油地質研究所， 江蘇 無錫 214126；3.中國地質大學(武漢) 資源學院，武漢 430074； 4.中國石化 西北油田分公司 勘探開發研究院，烏魯木齊 830011)

地質流體沿輸導體系運移過程中，因溫度、壓力等介質條件變化對圍巖持續改造，并在特定條件下在不同儲集空間內結晶或沉淀形成充填物，其蘊含大量的地質信息[1-3]。方解石作為一種最常見的碳酸鹽礦物，可分為2大成因類型和4種成因機制，成因類型包括原始沉積成因和成巖作用成因，后者又分為大氣淡水成因[4]、熱液成因[5]、地層水成因[6]和混源成因[7-9]，而明確充填物的成因，將直接影響對儲層形成機理的認識。

隨著塔里木盆地勘探程度的不斷加深，目標儲集體類型由風化殼向深層巖溶領域不斷深入[10]。順北油田的發現，直接推動了塔里木盆地勘探思路的轉變，與斷裂相關的深層碳酸鹽巖油氣藏成為增儲上產的主要類型[11]。順北地區宏觀斷裂帶發育，目前，該區沿主干斷裂帶多口滾動評價井均獲得高產工業油氣流，證實了順北地區的巨大勘探潛力。主干斷裂帶是該區規模儲集體發育的有利部位[12]，斷裂—裂縫體系是研究區最主要的儲集空間類型[13-14]。但該區儲集體微觀方面的研究較為薄弱，特別是對于中下奧陶統地質流體性質、來源和改造期次及其蘊含的油氣成藏信息尚不明確，制約了對儲集體成因的認識。因此，本文選取不同級別斷裂帶上典型取心井巖心，通過對不同類型儲集空間(脈體或孔洞)內充填物微區全脈體陰極發光掃描分析，確定不同期次充填物顆粒點位，利用LA-ICP-MS原位技術手段，對標定點位進行微量元素和稀土元素分析測試，揭示不同期次方解石地球化學特征及其受控因素和地質意義。

1 地質背景

順北油田位于順托果勒低隆北緩坡(圖1)，受盆地內部多期次構造運動以及多方向應力作用，順北地區形成一系列不同級別、規模大小不等的斷裂[15-16]。加里東早期斷裂活動在順北地區較強，表現為早期伸展構造環境下正斷層控制的地塹或半地塹。加里東中—晚期斷裂形成于近SN向弱擠壓應力場，在其作用下形成了一系列近南北向、北東—北北東向與北北西向的走滑斷層及其繼承性活動。海西早期，在北北西向差異擠壓應力場作用下順北地區斷裂活動加劇，表現為張扭斷層為主。海西晚期—印支期，受盆地北部南天山造山作用影響，順北地區先存斷裂繼續活動，形成走滑斷層或繼承性小型斷陷。燕山—喜馬拉雅期，順北地區由于距離盆地南部前陸盆地演化構造活躍區較遠，受影響較小，構造活動相對較弱。總的來看，順北地區斷裂具有多期形成、早期形成、后期繼承的特點[17-18]。

中下奧陶統地層埋深較大，平均7 500 m，主要產油層中奧陶統一間房組厚度約120 m，下奧陶統鷹山組僅1口鉆井鉆穿，深度約8 500 m，揭示鷹山組厚度較大。根據巖心薄片及巖性組合特征分析，一間房組和鷹山組上段主要為開闊臺地沉積，其中，一間房組主要發育以深灰色—淺灰色泥晶砂屑灰巖和砂屑泥晶灰巖為主的臺內低能灘；鷹山組上段主要發育以深灰色—灰色砂屑泥晶灰巖和泥晶灰巖為主的臺內低能灘和臺坪交互沉積。

2 巖石學特征

通過對順北地區典型取心井一間房組和鷹山組14回次近500塊巖心及200余件鑄體薄片系統觀察，該區中下奧陶統巖性主要為泥晶灰巖、砂屑泥晶灰巖和泥晶砂屑灰巖(圖2a-c)。全巖礦物組成X衍射定量分析表明(表1)，方解石是最主要的礦物成分，此外含少量黏土礦物和石英。巖石結構組分包括生屑和砂屑，生屑分布局限，以三葉蟲、腕足和有孔蟲為主，大多破碎，總體平均含量低于15%；砂屑含量變化較大，變化區間10%～60%，偶見礫屑，粒徑0.5～2.0 mm，分布不均勻。儲集空間類型包括裂縫、溶蝕孔洞和少量孔隙，其中，裂縫主要為構造成因，包括高角度縫(圖2d)和水平縫(圖2e)2種；溶洞大小變化較大，從幾百微米至10 cm(圖2f)。

圖1 塔里木盆地順北地區構造位置(a)及采樣井位(b)示意Fig.1 Structural position (a) and well location (b), northern Shuntuoguole area, Tarim Basin

圖2 塔里木盆地順北地區中下奧陶統巖心、薄片及充填物特征

a.S5井，一間房組，7 331.37 m，泥晶灰巖，裂縫發育，縫寬約0.5～2.0 mm，被方解石完全充填，可見三葉蟲、有孔蟲等生屑碎片，無明顯可見孔隙，單偏光；b.SP3井，一間房組，7 432.05 m，砂屑泥晶灰巖，可見三葉蟲等生物碎屑，裂縫及孔隙被方解石完全充填，無可見孔隙，局部裂縫中瀝青充填，單偏光；c.S2井，一間房組，7 366.09 m，泥晶砂屑灰巖，顆粒間被方解石全充填，無可見孔隙，單偏光；d.SP3井，一間房組，7 436.87 m，灰色泥晶灰巖，連通高角度縫，縫寬1～2 mm，幾乎貫穿巖心，方解石全充填；e.SP3井，一間房組，7 437.06 m，灰色泥晶灰巖，發育水平縫，縫長4～6 cm，縫寬1.0～2.0 mm，半充填；f.S1-3井，一間房組，7 278.72 m，淺黃灰色砂屑泥晶灰巖，大型溶蝕孔洞被方解石晶簇半充填；g.SP2井，鷹山組上段，7 536.00～7 536.24 m，砂屑泥晶灰巖，見充填溶洞，洞長240 mm，洞寬繞巖心一周，內部被垮塌灰巖全充填，垮塌灰巖粒屑最大30 mm×40 mm，呈棱角狀，洞邊緣見一條寬20 mm灰白色硅質條帶；h.S2井，一間房組，7 442.63m，泥晶灰巖，可見左側硅質交代亮晶方解石顆粒，顆粒間和顆粒內部裂縫發育，被瀝青完全充填；i.與圖h對應的陰極發光片，方解石多期次膠結現象明顯，陰極發光表現為不發光—橙紅色—亮黃色3種特征

Fig.2 Cores, thin sections and fillings in Middle and Lower Ordovician, northern Shuntuoguole area, Tarim Basin

通過對不同類型儲集空間內充填物統計表明，充填物顆粒主要為方解石、瀝青和石英，其中方解石分布最為廣泛，平均充填占比約80.1%；瀝青主要附存于縫合線和水平縫中；石英平均充填占比約7.4%，主要在溶蝕孔洞內被觀測到，呈團塊狀或條帶狀分布(圖2g)。陰極發光片顯示縫洞內充填方解石存在多期膠結(圖2h，i)。在巖相學研究基礎上，結合脈體切割關系和充填物類型，劃分了成巖序列及相對時間順序(圖3)，流體改造期次及序列為：沉積早期成巖膠結(不發光方解石)—第一期構造破裂縫—第一期早期油氣充注(伴生成烴流體改造)—沉積后流體持續改造(橙紅色—橙黃色方解石，脈體孔洞充填)—第二期構造破裂—局部井區富硅流體改造(石英脈、團塊)—第二期晚期油氣充注(伴生成烴流體改造)。

表1 塔里木盆地順北地區典型井中下奧陶統全巖X衍射測試分析
Table 1 X-Ray diffraction of whole rock from Middle and Lower Ordovicianin typical wells, northern Shuntuoguole area, Tarim Basin

%

井號層位井深/m黏土石英鉀長石斜長石方解石白云石菱鐵礦黃鐵礦石膏硬石膏S1-3S1-3S1-7S1-7S1-7S2S2S2S2一間房組一間房組一間房組鷹山組7356.984.12.4--91.80.10.11.4-0.17357.985.23.5--89.90.20.50.50.10.17351.716.12.3-0.489.80.30.20.8-0.17355.985.31.8-0.590.70.90.30.4-0.17357.983.64.4-0.389.30.30.11.9-0.17358.322.91.7-1.492.60.70.00.50.10.17355.759.12.70.10.186.80.20.10.60.10.27356.754.31.7-0.792.30.10.20.7--7525.843.46.50.10.887.61.10.20.3--

注：實驗測試在中國石化石勘院無錫石油地質研究所實驗研究中心完成，實驗檢測儀器為D8 Advance，X射線衍射儀為YQ2-14-03。數據表中白云石含量包含鐵白云石，黃鐵礦含量包含赤鐵礦。

圖3 塔里木盆地順北地區中下奧陶統中方解石充填物陰極發光特征及裂隙交切關系

a-b.SP3井，鷹山組，7 540.95 m，早期成巖膠結方解石陰極不發光(藍色圈)，晚期方解石顆粒陰極發光橙紅色，早期方解石破裂縫中見一期瀝青充填(顆粒內黃線)，陰極不發光或弱紅色(C1、C2)；c-d.S2井，鷹山組，7 524.00 m，泥晶灰巖，早期成巖方解石陰極不發光，被一期破裂縫切割，縫中充填一期陰極發光為橙紅色的早期瀝青(藍色線條)；e-f.SP3井，一間房組，7 433.17 m，泥晶灰巖，可見兩期次方解石，早期陰極不發光(藍色線條)，顆粒內有破裂縫并被早期橙紅色陰極發光特征瀝青充填(粉色線條)，第二期方解石橙黃色陰極發光(黑色線條)，與早期方解石線接觸，顆粒間縫有亮黃色晚期瀝青充填(綠色線條)，局部存在埋藏期外源流體改造形成亮黃色方解石(紫色箭頭)；g-h.S1-7井，一間房組，7 437.35 m，晚期方解石顆粒陰極發光橙紅色(黑色圈)，可見晚期構造破裂縫發育在顆粒內部或貫穿顆粒(綠色線條)，構造節理縫被亮黃色晚期瀝青充填 C1.第一期早期不發陰極光方解石；C2.第二期不發陰極光方解石

Fig.3 Cathodoluminescence characteristics of calcite fillings and intersection relation between fractures, Middle and Lower Ordovician, northern Shuntuoguole area, Tarim Basin

3 樣品采集及分析測試

為明確不同產狀方解石元素地球化學特征并探討其地質意義，本文選取主干斷裂帶、次級斷裂帶和主干與次級斷裂帶之間不同位置的6口典型取心井(圖1紅色標記)，主要針對不同產狀方解石充填物開展原位微區地球化學分析測試。其中，高角度縫方解石樣品2個，水平縫方解石樣品1個，溶蝕孔洞方解石樣品3個(表2)。測試工作進行前，首先將樣品微區靶片進行高清2D全景顯微鏡掃描，通過對方解石充填物全脈體(溶蝕孔洞)進行微區陰極發光掃描和不同期次方解石點位的電子標定，確定不同期次方解石顆粒靶位，利用LA-ICP-MS對標定點位進行原位顆粒稀土元素和微量元素分析測試。

樣品測試在中國石化石勘院無錫石油地質研究所實驗研究中心完成，實驗儀器ICP-MS X-Ⅱ型，激光波長193 nm，束斑直徑為35 μm，剝蝕長度200 μm，激光能量密度為2.86 J/cm2，頻率8 Hz，預剝蝕時間24 s，元素含量碳酸鹽巖標樣MACS-3為內標，NIST612作為監控盲樣。

4 測試結果

4.1 稀土元素

對6個樣品中標定的19個不同期次方解石和附近圍巖顆粒利用LA—ICP—MS進行原位稀土元素測試，部分結果見表2。研究區單礦物方解石樣品的稀土元素總量(ΣREE)較低，為0.735～24.538 μg/g，平均為4.963 μg/g。胡文瑄等[19]總結了不同流體作用下白云巖的稀土元素判別模式，認為未受黏土等雜質影響的白云巖ΣREE一般為1～30 μg/g，反之會使ΣREE明顯偏高。結合研究區方解石ΣREE值認為，順北地區方解石充填物樣品基本未受其他雜質礦物的影響，且稀土元素表現為輕稀土元素含量較高和重稀土含量較低的右傾型配分模式(圖4)。

Nd/Yb比值是判定輕、重稀土元素相對富集程度的參數[20]，研究區樣品平均Nd/Yb值達39.05，表明其輕稀土元素明顯富集，而重稀土元素相對虧損，輕、重稀土元素具有明顯分異。變價元素Ce和Eu容易隨物理化學條件的變化而與稀土元素分離呈現出異常特征，能有效指示沉積物形成時的氧化還原狀態[21-22]。其中，Ce常與其他三價元素發生分餾，在氧化條件下，常使成巖流體呈現出Ce負異常特征。Eu異常主要與Eu在不同環境下的地球化學行為有關。在常溫常壓下，除極度還原環境外，溶液中的Eu主要以Eu3+形式存在[23]，而當溫度足夠高的時候，流體中的Eu主要以Eu2+形式存在，從而與其他稀土元素發生分異[24-25]。將樣品數據標準化后進行δEu和δCe投點(圖5)，可以看出樣品具有輕微正Ce異常(δCe平均值1.064)和明顯正Eu異常(δEu平均值1.393)，表明儲集體經歷過熱液流體改造且成巖過程發生于相對封閉的還原環境中。

表2 塔里木盆地順北地區中下奧陶統中不同陰極發光的方解石顆粒原位稀土元素部分測試結果
Table 2 In situ REE measurement of calcite particles with different cathodoluminescence,Middle and Lower Ordovician, northern Shuntuoguole area, Tarim Basinμg/g

取心井及樣品編號儲集空間類型陰極點位LaCePrNdSmEuGdYbΣREELREE/HREENd/YbSP2井WQ-07SP3井WQ-15SP3井WQ-20SP1井WQ-16Z1井WQ-21S5井WQ-33高角度裂縫水平裂縫溶蝕孔洞不發光0.2300.02930.1320.0260.0040.0140.0240.0070.7351.4313.17橙紅色0.7910.0280.1310.0180.0030.0260.0350.0071.0280.6312.57圍巖0.9330.1080.6060.1070.0120.0650.0810.0213.2481.2925.09不發光0.3570.0560.2310.0450.0070.0550.0370.0121.0492.5093.75橙紅色0.9450.1590.6630.1310.0110.1380.1120.0092.6193.57914.60亮黃色1.1040.1540.7700.0710.0300.1320.1110.0072.7724.41810.14圍巖1.1110.1560.8370.1410.0260.1410.1520.0093.1113.45015.67橙紅色2.0000.3892.0000.3980.0880.5020.6100.0117.0313.25136.18亮黃色3.8500.6903.3000.7100.1400.8700.7900.00911.9793.95278.89圍巖5.9901.0505.3100.8400.1600.9100.8000.01116.9505.30176.40不發光0.3830.0380.2380.0570.0140.0330.0180.0090.9763.2886.33橙紅色0.4030.0400.2020.0300.0050.0610.0330.0101.0332.5343.00圍巖0.6750.1020.5510.0450.0270.0800.0670.0131.7675.1643.46橙紅色4.7401.1125.4602.3400.5322.9902.5500.00624.5382.332390.00圍巖0.1680.0320.1350.0280.0090.0200.0270.0071.6730.3074.00不發光0.7170.9830.1220.4390.1040.0230.1020.0042.6558.9519.75橙紅色1.0350.1380.7060.1090.0290.1140.1020.0072.7863.25415.57圍巖1.3500.1880.8790.1430.0290.1130.1050.0063.3853.95923.80

注：不發光為早期方解石，橙紅色和亮黃色為晚期方解石；ΣREE為稀土元素總量，LREE/HREE為輕重稀土分異值。實驗測試在中國石化石勘院無錫石油地質研究所實驗研究中心完成。

圖4 塔里木盆地順北地區中下奧陶統縫洞充填物方解石顆粒原位稀土元素含量分布Fig.4 In situ REE contents in calcite particles filled in fractures and vugs, Middle and Lower Ordovician, northern Shuntuoguole area, Tarim Basin

4.2 微量元素

對19個標定的不同期次的方解石顆粒利用LA—ICP—MS測試微量元素，部分測試結果見表3。研究區樣品中Sc含量為0.098～1.870 μg/g，平均0.259 μg/g，Th含量為0.004～0.79 μg/g，平均0.185 μg/g，均遠遠低于上地殼中含量[26](Sc≈14.9 μg/g，Th≈2.3 μg/g)，表明研究區樣品基本未受陸源沉積物的影響。根據前人的研究，U/Th值是用來判識碳酸鹽巖氧化還原環境常用的地球化學指標，高U/Th值(>1.25)往往指示還原環境，低U/Th值(<0.75)指示氧化環境[27]。研究區方解石U/Th值為0.44～4.91，平均值1.59，其中改造較強的方解石顆粒U/Th值較高，不發光和改造較弱的方解石顆粒U/Th值為0.4～2.6，表明研究區方解石主要形成于相對還原的成巖環境中。Co在氧化環境中以Co2+形式溶于海水中，在缺氧環境下形成不溶的CoS，并以固態形式進入黃鐵礦[28]；Ni在氧化性質的海洋環境中以Ni2+、NiCl和可溶的NiCO3形式存在，在還原環境下Ni會釋放并進入海水或孔隙水[29]。上述元素均會在還原環境海相沉積物中富集，用來指示碳酸鹽巖氧化還原環境，一般來說，Ni/Co<5指示氧化環境，Ni/Co>7指示還原環境[30]。研究區方解石Ni/Co值為1.06～17.92，(表3)平均值7.46，也指示方解石主要形成于還原環境中。

圖5 塔里木盆地順北地區中下奧陶統縫洞充填物方解石標準化δEu和δCe交會圖

δCe=Ce/Ce*=2CeSW/(LaSW+PrSW)，δEu=Eu/Eu*=2EuSW/(SmSW+GdSW)，CeSW、LaSW、PrSW、EuSW、SmSW和GdSW分別為該元素實測值海水標準化數值，海水稀土含量參見文獻[25]。

Fig.5 StandardizedδEu andδCe correlation of calcite particles filled in fractures and vugs, Middle and Lower Ordovician, northern Shuntuoguole area, Tarim Basin

碳酸鹽巖中微量元素含量和特定某些元素的比值已經在判識古氣候和古環境方面得到廣泛的應用，但控制和影響碳酸鹽巖中微量元素分布的因素十分復雜，單一的元素含量或某幾個元素比值并不能真實地反映沉積環境信息，需要進行多參數的聯合校驗[31]。本文主要選取了Sr/Ba、Sr/Cu值2種常用的碳酸鹽巖沉積環境判別環境參數開展研究。黃思靜等[32]認為，能較好代表均一化海水樣品的Sr含量下限值為200 μg/g，研究區樣品Sr含量為49.38～340.67 μg/g(表3)，平均值197.65 μg/g，與前人研究結果基本一致，表明研究區方解石主要為海相沉積成因。史忠生等[33]提出Sr、Ba的沉積主要與蒸發作用有關，沉積物中的Sr、Ba總含量以及Sr/Ba值在一定程度上能夠反映沉積區古氣候環境信息，其大小還可反映成巖流體的鹽度。通常認為Sr/Ba>1為海相沉積，Sr/Ba<1為陸相沉積[34]，且Sr/Ba比值越大，海水鹽度越高。研究區方解石Sr/Ba值為32.61～1 543.30(表3)，平均449.16，顯示出高度咸化條件下的海相沉積特征。此外，Sr/Cu值也常被用來指示碳酸鹽巖沉積時期古氣候信息，一般認為Sr/Cu值介于1.3～5.0指示潮濕氣候，而大于5.0則指示干旱氣候[35]。研究區方解石顆粒Sr/Cu值普遍很高，為143.6～2 271.6(表3)，平均487.9，反映出方解石形成時期研究區氣候異常干旱。

表3 塔里木盆地順北地區中下奧陶統中不同陰極發光的方解石顆粒原位微量元素部分測試結果
Table 3 In situ REE measurement of calcite particles with different cathodoluminescence,Middle and Lower Ordovician, northern Shuntuoguole area, Tarim Basinμg/g

取心井及樣品編號儲集空間類型陰極點位ScThSrFeMnSr/CuSr/BaFe/MnNi/CoU/ThSP2井WQ-07SP3井WQ-15S3井WQ-20SP1井WQ-16Z1井WQ-21S5井WQ-33高角度裂縫水平裂縫溶蝕孔洞不發光0.1000.12749.3886.075.66143.6645.5715.201.060.698橙紅色0.0980.155102.5389.744.88353.6293.7818.384.131.274圍巖0.1280.320301.091124.206.02149.1538.62186.7412.651.349不發光0.1640.008108.9991.4730.80681.2471.812.9710.380.720橙紅色0.1270.008146.8990.9825.88299.2246.453.511.341.231亮黃色0.1580.006157.52118.7744.69189.3199.862.651.431.596圍巖0.2180.320300.56336.4917.45816.7417.4019.289.751.608橙紅色0.1170.300247.25218.2944.46802.864.384.905.920.740亮黃色0.1970.240238.19200.8451.72524.689.883.885.642.650圍巖0.4960.790340.671661.0565.40295.442.5325.306.133.840不發光0.1310.150151.02111.378.90287.1715.7312.5017.920.443橙紅色0.1250.096164.6195.409.88216.61151.109.6510.731.143圍巖0.1470.380132.94157.888.91805.7596.1417.700.811.211橙紅色1.8700.025310.812601.67161.04186.1296.0016.1516.720.970圍巖0.1340.054313.4896.633.102271.61543.3031.177.081.050不發光0.1470.02463.1461.8310.05175.932.616.157.100.492橙紅色0.1320.004137.5730.1319.28253.2416.581.566.922.610圍巖0.1640.320290.96150.3911.21329.9322.9313.408.574.910

通過對19個不同陰極特征方解石和圍巖顆粒點位的Fe、Mn微量元素地球化學特征進行分析(表3)，除ZT1井WQ-21號樣品外，其余井區方解石顆粒具有較低的Fe和Mn含量，Fe含量為30.13～218.29 μg/g，平均108.63 μg/g；Mn含量為4.88～51.72 μg/g，平均23.29 μg/g。圍巖具有高Fe含量和較低Mn含量，Fe含量為150.39～1 661.05 μg/g，平均686 μg/g；Mn含量為6.02～65.4 μg/g，平均21.8 μg/g。ZT1井WQ-21號樣品方解石顆粒具有最高的Fe和Mn含量，而圍巖點位Fe和Mn含量比其余樣品均低，分別僅為96.63 μg/g和3.10 μg/g。

5 討論

5.1 稀土元素來源及受控因素

近年來，稀土元素地球化學特征在研究碳酸鹽巖物源、形成環境和流體來源方面取得重要進展[36-38]。前人研究表明，與含水溶液達到平衡的礦物將繼承其沉淀的母溶液或圍巖的稀土元素組成特征，即沉積物的稀土元素組成主要取決于沉淀時流體或圍巖稀土元素組成特征[20]。研究區除ZT1井WQ-21號樣品外，其余所有井區樣品均具有附近圍巖稀土元素總量大于方解石充填物稀土元素總量的特征(表2)，指示該區原始沉積圍巖內稀土元素富集。為進一步明確樣品差異性原因和方解石顆粒稀土元素來源，對ZT1井WQ-21號樣品進行重點剖析。巖心觀察發現，ZT1井WQ-21號樣品充填物為大塊方解石晶簇，與其他井區充填物富集特征差異明顯，指示經歷流體改造較強，且方解石生長空間大，流體改造時間長，具備元素進入方解石晶格的條件。從WQ-21號樣品REE配分來看(圖6a)，除存在一定的Eu正異常外，與前人大氣水改造模式基本一致(圖6b)，而大氣水本身稀土元素含量非常低[39]，且大氣水富含CO2，可形成較低pH值的酸性環境，有利于稀土元素溶解，以絡合物或自由離子的形式遷移析出進入膠結物晶格，造成巖石REE嚴重虧損，導致整體稀土元素總量很低。研究區Eu異常推測存在一期熱液流體改造。綜上所述，認為WQ-21號樣品經歷過大氣水的強烈改造，圍巖稀土元素貧化嚴重，而方解石稀土元素富集，其方解石顆粒中稀土元素繼承于附近圍巖，而非來源于地質流體本身且受控于流體改造強度。

5.2 地質流體來源

通過稀土元素配分模式進行流體來源的示蹤是目前較為常用的一種手段。前人總結了不同流體作用下白云巖的稀土元素判別模式，認為經海水標準化后的海水來源白云巖的稀土元素特征表現為全巖ΣREE小于20 μg/g，具有一定程度的Ce正異常，輕稀土元素(LREE)稍富集以及重稀土元素(HREE)的配分曲線較為平坦的特征[19]。研究區方解石稀土元素配分模式特征與海源流體改造配分模式特征有較好的相似性，但均存在一定的Eu正異常。其中WQ-16號樣品Eu正異常最為顯著，WQ-21號樣品Eu正異常相對最弱，說明順北地區普遍遭受深部熱液作用影響，且WQ-16號和WQ-07號樣品受到熱液作用的改造可能更強。針對Eu正異常最為顯著的上述2口井進行巖心系統觀察發現，局部發育條帶狀或團塊狀硅質巖。在對不同產狀的硅質巖樣品進行稀土元素測試后發現，其特征與方解石相似，ΣREE較低，為1.403～3.556 μg/g，平均為1.783 μg/g，Nd/Yb平均值為16.6，表明輕稀土元素明顯富集，而重稀土元素相對虧損，輕、重稀土分異明顯；且Eu存在明顯正異常，δEu平均值1.38，δCe平均值0.99。硅質巖主要富集于裂縫和溶洞儲集空間，由此推斷這一期深部熱液流體可能為富硅熱液流體。

圖6 塔里木盆地順北地區中下奧陶統WQ-21號巖心樣品稀土元素配分與前人大氣水稀土元素配分對比Fig.6 Comparison of REE distribution of WQ-21 core sample and former atmospheric water modification, Middle and Lower Ordovician, northern Shuntuoguole area, Tarim Basin

研究發現，Sr/Ba最高值出現在WQ-21號樣品的基巖顆粒內，平均1 543.3，而其方解石內Sr/Ba平均值僅296(表3)，證實流體性質存在變化，地質流體鹽度變低，分析認為是由于大氣淡水的混入導致流體鹽度的下降。從Fe/Mn值來看，圍巖普遍高于方解石顆粒，其他井區樣品方解石顆粒Fe/Mn值最低(表3)，說明沉積期研究區圍巖富含Fe元素。由于WQ-21號樣品圍巖被改造程度最強且地質流體為下滲大氣水富含Fe，因此，導致形成的方解石繼承了圍巖的Fe元素。前人研究表明，大氣水淋濾會使Fe、Mn以高價狀態充填于巖石顆粒中，導致其含量增加[40]，據此推斷WQ-21號樣品方解石為大氣淡水成因，而其余樣品方解石均為地層水成因。此外，為進一步聯合校驗上述認識，對6件樣品脈體(孔洞)內方解石充填物顆粒進行微鉆取樣開展Sr同位素測試分析。WQ-21號樣品的87Sr/86Sr值明顯高于其他樣品，為0.710 395，分析認為正是由于該樣品受大氣淡水強烈改造，導致陸源Sr的混入，致使Sr同位素表現為高值；其余樣品87Sr/86Sr值為0.708 574～0.709 370，平均0.708 876，基本位于前人中奧陶世海水值范圍(0.708 505～0.708 988)[41]，這也與上述對于順北地區中下奧陶統地質流體來源的認識一致。此外，對6口典型取心井樣品稀土元素的平均值經海水標準化處理后，建立了全井區不同期次方解石稀土元素配分曲線(圖7)，結果表明圍巖稀土元素含量較高，不同陰極發光特征的方解石顆粒點位稀土元素含量有所差異，但均具有相似的稀土元素配分曲線，且輕稀土元素相對于重稀土元素輕微富集。從圖7可以看出，受流體改造程度的不斷加強，沉積早期海水改造伴生的同期不發陰極光方解石，其稀土元素總量最低，沒有明顯Ce和Eu異常。沉積期后受斷裂活動影響，開啟的斷裂通道可作為流體的運移通道，利于外源流體(大氣淡水或富硅流體)沿斷裂帶進入與地層水發生混合，對圍巖改造膠結后形成第二期橙紅色和亮黃色方解石，且從陰極發光特征統計來看，這一期方解石分布范圍最廣，是研究區主要的方解石成因類型。這期方解石稀土元素含量較早期方解石有所增加，ΣREE為1.028～11.979 μg/g，平均含量3.545 μg/g，結合上述改造越強、稀土元素總量越高的認識，認為地層水與外源流體的混合可使流體溶解度提高，致使圍巖持續溶解導致稀土元素從圍巖進入方解石顆粒。此外，硅質巖發育層段的方解石樣品(WQ-07和WQ-16)還呈現出明顯的正Eu異常和弱正Ce異常特征，表明富硅熱液流體活動對于儲集空間也有一定的影響。結合地質背景及上述地質流體主要來源于地層海水改造的認識，可以推斷，在斷裂發育的背景下，斷裂帶可以作為流體運移通道，使地表或埋深流體對儲集體進行改造。但稀土元素、微量元素以及Sr同位素測試結果表明，研究區僅WQ-21號樣品所在井區經歷過大氣淡水改造，形成方解石晶簇，其余井區并未遭受大氣水改造；也就是說，可能受控于斷裂帶強度、斷開的層位以及流體飽和度的影響，上覆地層中的地質流體不是研究區主要的地質流體來源。綜上所述，研究區形成方解石的地質流體主要來源于具有海水性質的地層水，僅局部井區存在大氣水和富硅熱液流體與地層水的混源疊加改造。

圖7 塔里木盆地順北地區中下奧陶統不同期次方解石充填物稀土元素配分圖版Fig.7 REE partition plate of calcite fillings in different periods, Middle and Lower Ordovician, northern Shuntuoguole area, Tarim Basin

6 結論

(1)順北地區中下奧陶統儲集體巖性主要為泥晶灰巖、砂屑泥晶灰巖和泥晶砂屑灰巖，含少量硅質巖，白云巖不發育。儲集體類型主要為裂縫型和裂縫—孔洞型，裂縫是最主要的儲集空間但大多被充填，充填物類型包括方解石、瀝青和石英，其中方解石分布最為廣泛。

(2)方解石顆粒稀土元素總量較低、輕重稀土元素分異明顯且輕稀土元素相對重稀土元素富集，具有輕微正Ce異常和明顯正Eu異常。方解石顆粒中稀土元素主要繼承于附近原始沉積圍巖，但稀土元素含量及其分異程度受控于流體對圍巖的改造強度。

(3)順北地區中下奧陶統改造儲集體的地質流體主要來源于干旱環境下具有高度咸化海水性質的地層水，受斷裂活動影響，外源流體可借助開啟裂縫進入儲集體，導致研究區方解石具有多期次特征。但不同期次方解石具有基本一致的稀土元素配分特征，說明地層水是影響儲集體發育的關鍵因素之一。