羌塘盆地角木茶卡地區(qū)展金組白云巖巖石學(xué)及地球化學(xué)特征

胡俊杰，李琦，汪雙清，沈斌，陳若瑜，葛東升

羌塘盆地角木茶卡地區(qū)展金組白云巖巖石學(xué)及地球化學(xué)特征

胡俊杰1，李琦1，汪雙清2，沈斌2，陳若瑜1，葛東升1

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）海洋學(xué)院，北京100083；2.國家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測試中心，北京100037）

目前學(xué)術(shù)界對于羌塘盆地的油氣研究大多集中于侏羅系，針對古生界的相關(guān)研究較少。利用薄片分析、X射線衍射、陰極發(fā)光、元素地球化學(xué)和碳、氧同位素等資料，綜合研究了羌塘盆地角木茶卡地區(qū)羌資5井二疊系展金組白云巖的巖石學(xué)和地球化學(xué)特征，并探討了其成因機(jī)制。結(jié)果表明：細(xì)晶和粉晶白云巖主要發(fā)育在局限碳酸鹽臺地中的潮坪相帶，以霧心亮邊結(jié)構(gòu)、生長環(huán)帶結(jié)構(gòu)和殘余顆粒結(jié)構(gòu)為典型組構(gòu)特征，交代現(xiàn)象明顯；δ13C為低—中正值（2.7‰～4.4‰），δ18O為低—高負(fù)值（-8.4‰～-2.8‰）；成巖溫度大部分低于44℃，屬于低溫白云巖;鹽度為20.98‰～30.16‰，低于海水鹽度；白云石有序度整體為中值，Mg/Ca值（0.44～0.47）及Fe，Mn和Sr含量相對較低，稀土元素配分模式顯示具有埋藏白云石化特征。綜合分析認(rèn)為，羌塘盆地展金組白云巖主要形成于早期淺埋藏階段，其白云巖形成溫度較低，在成巖過程中可能受到大氣降水的影響。

白云巖；巖石學(xué)特征；地球化學(xué)特征；展金組；羌塘盆地

0 引言

羌塘盆地是我國最具勘探前景的大型含油氣盆地，在古生界—中生界地層中廣泛發(fā)育有白云巖，構(gòu)成了盆地內(nèi)最具勘探潛力的含油氣儲層。前人利用X射線衍射，主、微量元素分析，同位素分析和陰極發(fā)光等測試技術(shù)，對該盆地侏羅系白云巖的巖石學(xué)特征和地球化學(xué)特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究。朱井泉等［1］通過對巖石學(xué)和白云石有序度的研究，將羌北侏羅系白云巖歸為毛細(xì)管濃縮作用和混合水成因2種類型；劉建清等［2］通過對該盆地隆鄂尼古油藏白云石地球化學(xué)特征的研究，認(rèn)為侏羅系布曲組白云巖屬混合水交代成因；伊海生等［3］針對雙湖地區(qū)古油藏白云巖的研究，認(rèn)為流體交代灰?guī)r的白云石化過程極大地改善了儲層性能。

前人對羌塘盆地白云巖的成因研究，多集中在混合水成因模式上［1-5］。近年來，伴隨著地球化學(xué)測試序列的改進(jìn)和研究的深入，混合水白云石化模式受到學(xué)術(shù)界的質(zhì)疑［6］，在此背景下，結(jié)合巖石學(xué)和地球化學(xué)重新研究盆地內(nèi)白云巖特征及成因機(jī)制。目前，該盆地白云巖儲層研究主要集中在中生界，而對古生界白云巖的巖石學(xué)特征、成巖作用和成因機(jī)制等各項(xiàng)研究則較為欠缺。宋春彥等［7］在羌塘盆地角木茶卡地區(qū)的研究中發(fā)現(xiàn)了二疊系古油藏，證實(shí)了區(qū)內(nèi)古生界含油白云巖具有良好的生油和儲油潛力。因此，加強(qiáng)對盆地古生界白云巖的各項(xiàng)研究顯得尤為重要。筆者以取自角木茶卡地區(qū)羌資5井二疊系白云巖巖心為研究對象，在巖石學(xué)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合主、微量元素地球化學(xué)特征和碳、氧同位素分析，系統(tǒng)總結(jié)下二疊統(tǒng)展金組白云巖特征，探討其成因機(jī)制，為盆地古生界白云巖的認(rèn)識和上古生界油氣資源研究提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

圖1 羌塘盆地構(gòu)造簡圖及角木茶卡地區(qū)羌資5井地理位置（據(jù)文獻(xiàn)［8］修改）Fig.1Simplified tectonic map of Qiangtang Basin and location of Qiangzi 5 well

羌塘盆地位于青藏高原中北部，屬于特提斯構(gòu)造域中段，盆地南北分別以班公湖—怒江縫合帶和拉竹龍—金沙江縫合帶為界（圖1），為在岡瓦納大陸與歐亞大陸組合而成的地塊上形成的古生代—中生代海相沉積復(fù)合盆地。角木茶卡地區(qū)位于盆地中央隆起帶的北部（圖1），出露的地層以二疊系為主，包括下二疊統(tǒng)展金組和中二疊統(tǒng)龍格組，兩者呈整合接觸。展金組巖性以泥巖和砂巖為主，含少量火山碎屑巖、硅質(zhì)巖和白云巖［7］。研究樣品取自角木茶卡地區(qū)羌資5井展金組底部的白云巖段巖心。展金組自上而下主要發(fā)育細(xì)碎屑巖、火山角礫巖和白云巖地層組合，其中白云巖段以細(xì)晶白云巖和粉晶白云巖為主，夾少量薄層狀微晶灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖以及黏土質(zhì)泥巖（圖2）。結(jié)合鉆井巖心的巖石學(xué)特征和沉積構(gòu)造標(biāo)志分析，認(rèn)為展金組白云巖為局限碳酸鹽臺地環(huán)境，并可進(jìn)一步劃分為以發(fā)育泥晶灰?guī)r為主的潟湖環(huán)境和以發(fā)育穩(wěn)定延伸的白云巖及紋層灰?guī)r為主的潮坪環(huán)境。

圖2 羌塘盆地角木茶卡地區(qū)羌資5井展金組地層沉積相分析Fig.2Sedimentary facies analysis of Zhanjin Formation in Qiangzi 5 well in Jiaomuchaka area,Qiangtang Basin

2 巖石學(xué)特征

2.1 礦物成分特征

羌塘盆地展金組白云巖的主要礦物成分為白云石和方解石，含少量黃鐵礦和自生石英，部分樣品中局部見硅質(zhì)充填裂縫。白云石體積分?jǐn)?shù)為75%～90%，細(xì)晶—中晶顆粒呈自形—半自形，微晶則以它形為主。晶粒直徑變化范圍較大，微晶與中晶相間分布，多呈嵌晶狀，晶棱較為平直，常具霧心亮邊結(jié)構(gòu)及環(huán)帶構(gòu)造。陰極發(fā)光顯微鏡下，白云石一般呈棕褐—橘紅色；霧心亮邊白云石呈不均勻的橘紅色；粒屑邊緣泥晶白云石及重結(jié)晶白云石呈暗紅色；具有環(huán)帶狀白云石的內(nèi)生長環(huán)帶呈橘紅色，外生長環(huán)帶呈橘黃色（圖版Ⅰ-1）。方解石體積分?jǐn)?shù)為10%～25%，其在白云巖中呈不等粒變晶結(jié)構(gòu)，以交代殘余方解石、泥晶方解石和后期方解石脈的形式不均勻分布。陰極發(fā)光顯微鏡下，殘余方解石呈暗橘紅色，點(diǎn)狀分布；后期方解石脈顆粒較粗，表面干凈，多為后期富Ca碳酸鹽水溶液沿構(gòu)造孔縫重結(jié)晶而成，表現(xiàn)出明顯的多期次性充填。一期充填方解石呈棕褐色，二期充填方解石呈橘黃色，表明該區(qū)存在多期構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生的裂縫，且被多期次方解石充填（圖版Ⅰ-2～Ⅰ-3）。

2.2 巖石組構(gòu)特征

根據(jù)巖心觀察和室內(nèi)鏡下薄片鑒定資料，在展金組白云巖中主要識別出霧心亮邊結(jié)構(gòu)、不等粒結(jié)構(gòu)及殘余粒屑結(jié)構(gòu)（圖版Ⅰ）。

（1）霧心亮邊結(jié)構(gòu)。研究區(qū)大部分白云巖具有霧心亮邊結(jié)構(gòu)（圖版Ⅰ-4），鏡下表現(xiàn)出自形—半自形，白云石晶粒中心呈多邊形或渾圓形陰影，四周邊緣清潔明亮，但核心和環(huán)邊光性一致。在白云石晶體中出現(xiàn)的霧心和亮邊現(xiàn)象，通常被認(rèn)為是成巖孔隙流體與淡水作用的結(jié)果［3］。白云石核心陰影是孔隙流體中的Mg/Ca值較高且快速結(jié)晶的結(jié)果，隨著淡水的稀釋，鹽度和Mg/Ca值下降，從而生成干凈、明亮和無包體的淡水白云石環(huán)邊。

（2）不等粒結(jié)構(gòu)。展金組樣品多為不等粒白云巖，其中以微—細(xì)粒白云石為主，少量為中—粗粒白云石。微—細(xì)粒白云石表面灰泥較多，鏡下呈霧狀，以半自形—它形為主，呈嵌晶狀，部分白云石呈殘余粒屑影；粗粒白云石表面干凈，晶棱平直，多呈規(guī)則的自形晶。

（3）殘余粒屑結(jié)構(gòu)。為研究區(qū)主要的原生組構(gòu)特征，粒屑以棘屑、藻屑、苔蘚蟲、雙殼等生屑及內(nèi)碎屑顆粒為主，并且富含有機(jī)質(zhì)，鏡下多呈暗色，大部分顆粒被徹底交代，均由泥晶白云石充填，顆粒邊界模糊（圖版Ⅰ-5～Ⅰ-6）。

2.3 白云石晶體有序度特征

大多數(shù)白云石晶體的有序度為0～1。根據(jù)X射線衍射分析結(jié)果（表1），展金組白云石有序度變化較大，為0.45～0.86（平均為0.64），整體為中值，反映了快速結(jié)晶的沉積環(huán)境；CaCO3摩爾分?jǐn)?shù)整體接近50%（平均為50.88%），表明研究區(qū)可能處于低鹽度的水介質(zhì)環(huán)境［9］。前人研究表明，白云石的有序度及CaCO3摩爾分?jǐn)?shù)可以反映出白云石形成時的環(huán)境，從而為白云石化模式提供證據(jù)［9-10］。滲流—回流白云石化模式和蒸發(fā)泵白云石化機(jī)制均要求具有高鹽度水體，并且Mg2+/Ca2+值為10～30［10］，與研究區(qū)CaCO3摩爾分?jǐn)?shù)顯示出的流體Mg2+/Ca2+值近似為1的情況不一致，且鉆井揭示地層中并未發(fā)育蒸發(fā)環(huán)境下伴生的膏鹽。展金組白云石有序度特征與以上2種白云石化模式呈現(xiàn)出明顯不同。

表1 羌塘盆地角木茶卡地區(qū)展金組白云巖樣品X射線衍射數(shù)據(jù)Table 1X-ray diffraction date of dolomite samples of Zhanjin Formation in Jiaomuchaka area,Qiangtang Basin

3 地球化學(xué)特征

3.1 主、微量元素地球化學(xué)特征

展金組白云巖主、微量及稀土元素分析結(jié)果如表2所列。

表2 羌塘盆地角木茶卡地區(qū)展金組白云巖主、微量和稀土元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)及相關(guān)比值Table 2Content of major,trace and rare earth elements and related ratios of dolomites of Zhanjin Formation in Jiaomuchaka area,Qiangtang Basin

白云巖中Ca的富集程度可以由沉積溶液中的Mg/Ca值反映出來（與蒸發(fā)鹽相伴生的高鹽度環(huán)境中的Mg/Ca值偏高，一般情況下為5～10），在正常海水中，Mg/Ca值約為1。展金組白云巖Mg/Ca值偏低（為0.44～0.47），反映出研究區(qū)濃縮海水白云石化形成的可能性不大，推測沉積環(huán)境為潮濕無蒸發(fā)作用的變鹽度環(huán)境或埋藏環(huán)境，并且有相當(dāng)部分的淡水參與了白云石化過程［11］；MgO-CaO呈線性負(fù)相關(guān)性（R為-0.14），反映白云石為交代或重結(jié)晶成因［12］，符合埋藏白云石化特征。

Fe和Mn較難以低價進(jìn)入礦物晶格中，只有在深埋藏成巖（向高Fe和Mn，低Sr轉(zhuǎn)化）的還原環(huán)境中才能作為類質(zhì)同象離子置換白云石晶格中的Ca和Mg［13］。因此，相對于晚埋藏期，近地表或早埋藏期形成的白云石其Fe和Mn含量偏低［14］。研究區(qū)Fe和Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為700～3 500 μg/g和200～400 μg/g，與深埋藏白云巖相差一個數(shù)量級［15］。例如Azmy等報道的巴西Sao Francisco盆地前寒武紀(jì)晚埋藏白云巖Fe和Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為22009 μg/g和2 094 μg/g［11］，與塔里木塔中地區(qū)奧陶系鷹山組淺埋藏白云巖相比，研究區(qū)Mn含量較高，推測可能與大氣淡水提供的Mn來源致使Mn含量增加有關(guān)，這與巖石組分和Mg/Ca值顯示出的有淡水參與白云石化過程的特征相吻合。

Sr的含量可以反映海相沉積物的介質(zhì)特征，現(xiàn)代海水Sr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95.2～266.0 μg/g［16］。展金組白云巖Sr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.095～0.266 mg/g（平均值為136.4 μg/g），表現(xiàn)出Sr大量流失的特征，推測與白云巖埋藏成巖作用過程有關(guān)。

3.2 稀土元素地球化學(xué)特征

展金組白云巖稀土元素總量（∑REE）為9.73～90.43 μg/g，平均為41.98 μg/g，總體處于正常海相碳酸鹽巖∑REE的變化范圍內(nèi)（海相碳酸鹽巖∑REE一般低于100 μg/g）［17］。Eu異常和Ce異常能夠反映白云巖成因環(huán)境，展金組白云巖бEu和бCe平均值分別為0.66和0.19，表現(xiàn)出明顯的Eu負(fù)異常和強(qiáng)烈的Ce負(fù)異常，說明白云石化過程發(fā)生在氧化環(huán)境。LREE（輕稀土元素）/HREE（重稀土元素）值平均為7，樣品基本表現(xiàn)為輕稀土元素富集、具有白云巖埋藏成因的特征［11］。

3.3 碳、氧同位素特征

白云巖的碳、氧同位素組成與引起白云石化的流體介質(zhì)有關(guān)，受介質(zhì)鹽度和溫度的影響，其組成可以用來定量地恢復(fù)沉積環(huán)境的古鹽度和古水溫［18-19］，確定成巖環(huán)境［20-21］，而大氣淡水參與成巖作用的強(qiáng)度又為白云巖的形成機(jī)理提供了依據(jù)［22-24］。一般認(rèn)為當(dāng)δ18O小于-11‰時，測試數(shù)據(jù)受成巖過程中溫度和孔隙流體的影響較大［21］。展金組樣品中僅有一個（δ18O值）數(shù)據(jù)為-11‰，其余樣品的原始同位素保存較好，對沉積環(huán)境的研究具有指相意義。由測試數(shù)據(jù)可知（表3）：展金組白云巖中的δ13C屬于低—中正值，為2.7‰～4.4‰（平均為3.36‰）；δ18O相對屬于負(fù)值，為-8.4‰～-2.8‰（平均為-4.91‰）。在Hird［20］的碳、氧同位素比值白云巖成因判別圖（圖3）上，角木茶卡地區(qū)展金組白云巖投點(diǎn)主要集中在埋藏成因（M1和G2）區(qū)域內(nèi)，反映了展金組白云巖的埋藏成因。

表3 羌塘盆地角木茶卡地區(qū)展金組白云巖碳、氧同位素及Z值、鹽度、溫度值Table 3Values of δ13C,δ18O,Z,salinity and temperature of dolomite of Zhanjin Formation in Jiaomuchaka area,Qiangtang Basin

圖3 羌塘盆地角木茶卡地區(qū)展金組白云巖δ13C-δ18O成因判別［20］Fig.3Genesis discrimination of δ13C-δ18O of dolomite of Zhanjin Formation in Jiaomuchaka area,Qiangtang Basin

考慮到鹽度及溫度對白云巖δ18O值的影響，前人曾提出了多種計算公式［21］。筆者選取以下公式進(jìn)行計算：鹽度=δ18OPDB+21.2/0.61；溫度=13.85-4.45δ18OPDB+0.04（δ18OPDB）2。

計算結(jié)果（參見表3）表明：展金組白云巖鹽度為20.98‰～30.16‰（平均為26.7‰），變化范圍較小，成巖流體鹽度低于正常海水鹽度（正常海水鹽度為35‰）；大部分白云巖形成的溫度為44℃以下（海水溫度為35℃），屬于低溫白云巖。假設(shè)白云巖形成時表面溫度為25℃，地溫梯度為2.5℃/100 m［16］，可推算出研究區(qū)白云巖形成時的平均深度為700 m，為淺埋藏環(huán)境。

4 結(jié)論

（1）羌塘盆地角木茶卡地區(qū)展金組白云巖以細(xì)晶和粉晶為主，可識別出不等粒、霧心亮邊及殘余粒屑等結(jié)構(gòu)類型。白云巖樣品中MgO-CaO呈線性負(fù)相關(guān)性，顯示出白云巖的交代或重結(jié)晶成因，而非沉積成因。

（2）白云石有序度呈中值，巖心未見伴生膏鹽沉積，CaCO3摩爾分?jǐn)?shù)整體接近50%，Mg/Ca值小于1，反映出研究區(qū)濃縮海水白云石化形成的可能性不大，推測沉積環(huán)境為潮濕無蒸發(fā)作用的變鹽度或埋藏環(huán)境；白云巖的Fe，Mn和Sr含量相對較低，稀土元素總量小于0.1 mg/g，輕稀土元素富集等地球化學(xué)特征均顯示出埋藏白云石化的特征。

（3）羌塘盆地角木茶卡地區(qū)展金組白云巖樣品集中分布在埋藏成因區(qū)域。成巖期具有較低的鹽度和成巖溫度，Eu和Ce表現(xiàn)出明顯的負(fù)異常，指示白云巖處于氧化環(huán)境。

（4）羌塘盆地角木茶卡地區(qū)展金組白云巖主要為早期淺埋藏白云巖，并且可能受到淡水作用的影響。由于盆地古生界勘探程度相對較低，以上認(rèn)識還需要進(jìn)一步加以驗(yàn)證。

致謝：本文巖心樣品及相關(guān)地層資料由中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心提供。在項(xiàng)目開展及野外地質(zhì)踏勘等工作中得到了成都地調(diào)中心和成都理工大學(xué)等單位的大力支持和幫助，在此一并致謝。

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Petrological and geochemical characteristics of dolomite of Zhanjin Formation in Jiaomuchaka area,Qiangtang Basin

HU Junjie1，LI Qi1，WANG Shuangqing2，SHEN Bin2，CHEN Ruoyu1，GE Dongsheng1
（1.School of Ocean Sciences，China University of Geosciences，Beijing 100083，China；2.National Research Center for Geoanlysis，Beijing 100037，China）

Current studies on oil-gas geology in Qiangtang Basin mostly focused on Jurassic strata,and only a few researches about the Paleozoic.Based on the data of thin section analysis,x-ray diffraction,cathodeluminescence, element geochemistry and C-O isotope,this paper studied the petrological and geochemical characteristics of dolomite of Zhanjin Formation in Qiangzi 5 well in Jiaomuchaka area,and discussed its genesis.The result shows that fine crystalline dolomite and crystal powder dolomite mainly developed in tidal flats of limited carbonate platform.They are characterized by cloudy centers and clear rims,clitellum and residual-grain,and the metasomatism is obvious.They are characterized by low-middle δ13C positive value（2.7‰～4.4‰）,low-high δ18O negative value（-8.4‰～-2.8‰）. Most diagenetic temperature are below 44℃,which indicates that the temperature degree of dolomitization is low. Salinity ranges from 20.98‰to 30.16‰,below the salinity of sea.The middle value of the order degree of dolomite, together with the low content of Mg/Ca,Fe,Mn,Sr,and REE distribution pattern reveal a characteristic of burialdolomitization.All evidences indicate that the dolomite of Zhanjin Formation mainly formed in an early shallow burial environment with low temperature,and there may be a fresh water injection during the diagenetic process.

dolomite；petrological features；geochemical characteristics；Zhanjin Formation；QiangtangBasin

P588.24+5

：A

2014-04-28；

2014-06-20

中國地質(zhì)調(diào)查局科技項(xiàng)目“羌塘盆地油氣地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)及應(yīng)用研究”（編號：1212011221112）資助

胡俊杰（1987-），男，中國地質(zhì)大學(xué)（北京）在讀博士研究生，研究方向?yàn)楹Ｑ蟮刭|(zhì)學(xué)和儲層沉積學(xué)。地址：（100083）北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號中國地質(zhì)大學(xué)海洋學(xué)院620室。E-mail：howimet@foxmail.com

李琦（1969-），男，博士，副教授，主要從事沉積學(xué)方面的教學(xué)與研究工作。E-mail：liqi@cugb.edu.cn。

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1673-8926（2014）05-0080-06