玉北地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖碳氧同位素特征及成巖環(huán)境分析

張 謙，黃文輝，丁文龍，張亞美，漆立新，云 露

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京100083；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 地質(zhì)資源勘查國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，北京100083；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 海相儲(chǔ)層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083； 4.中國(guó)石化西北油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，新疆 烏魯木齊 830011)

玉北地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖碳氧同位素特征及成巖環(huán)境分析

張 謙1,2,3，黃文輝1,2,3，丁文龍1，2，3，張亞美1,2,3，漆立新4，云 露4

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京100083；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 地質(zhì)資源勘查國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，北京100083；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 海相儲(chǔ)層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083； 4.中國(guó)石化西北油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，新疆 烏魯木齊 830011)

基于大量碳、氧穩(wěn)定同位素(δ13C，δ18O)數(shù)據(jù)，利用巖心分析、巖石薄片單偏光、陰極發(fā)光以及掃描電鏡等實(shí)驗(yàn)方法,結(jié)合玉北地區(qū)成巖環(huán)境特點(diǎn)，研究了該區(qū)奧陶系各類成巖環(huán)境的地球化學(xué)特征。研究結(jié)果表明：玉北地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖都是在穩(wěn)定的海相環(huán)境中形成的，且基本上保持了原始環(huán)境的碳、氧同位素組成，其成巖埋藏深度經(jīng)歷了先上升后下降的過(guò)程，沉積地層由鷹山期至良里塔格期，對(duì)應(yīng)著海平面的上升。用Z值作為定量指標(biāo)來(lái)解釋古鹽度的相對(duì)變化精確度較低。三大類成巖環(huán)境中，近地表成巖環(huán)境的δ13C和δ18O普遍較高，表生淡水成巖環(huán)境的δ13C和δ18O普遍較低，中—深埋藏和熱液成巖環(huán)境的δ13C和δ18O介于前兩者之間。

碳氧同位素；成巖環(huán)境；碳酸鹽巖；奧陶系；玉北地區(qū)

塔里木盆地油氣資源豐富，幾十年的勘探結(jié)果顯示，古生界奧陶系是該盆地的主要含油層系[1]，位于塔里木盆地西南部的玉北地區(qū)有著較好的勘探前景[2]。研究區(qū)碳酸鹽巖主要形成于弱鑲邊陸棚型碳酸鹽巖臺(tái)地、孤立型碳酸鹽巖臺(tái)地、淹沒(méi)型碳酸鹽巖臺(tái)地[3]。構(gòu)造演化包括早加里東雛形、中晚加里東—早海西發(fā)展、晚海西淹沒(méi)；加里東中期—海西早期，和田古隆起持續(xù)隆升，O3、S、D沉積缺失。國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用地球化學(xué)研究碳酸鹽巖形成古環(huán)境的方法已較為成熟。Keith和Weber等[4]提出利用碳氧同位素區(qū)分侏羅系或更新地層海相和淡水相碳酸鹽巖的公式，可用于定性判別海陸環(huán)境。碳氧同位素已被用于研究沉積環(huán)境的古鹽度、古水溫、古海平面[5]以及白云巖成巖古溫度[6]。碳酸鹽巖中碳同位素組成主要受大氣淡水和脫氣作用的影響，氧同位素組成主要受大氣淡水和成巖作用的影響[7]。大多學(xué)者僅從地球化學(xué)的角度利用碳氧同位素分析碳酸鹽巖形成的古環(huán)境特征，筆者在大量碳、氧穩(wěn)定同位素?cái)?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合巖心和巖石薄片鑒定結(jié)果，對(duì)碳酸鹽巖成巖環(huán)境及其地球化學(xué)特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究。旨在明確研究區(qū)古環(huán)境特征，為后續(xù)勘探工作中有利儲(chǔ)層預(yù)測(cè)提供參考。

1 地質(zhì)背景

玉北地區(qū)位于塔里木盆地西南部，構(gòu)造上位于和田古隆起之上，麥蓋提斜坡東部發(fā)育的單斜構(gòu)造總體上呈向東北方向抬升的特點(diǎn)，6個(gè)構(gòu)造呈北東向，1個(gè)呈近東西向(圖1)。其形成和演化與阿爾金造山帶和昆侖造山帶構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相關(guān)[8]。該區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，構(gòu)造變形強(qiáng)烈，演化史長(zhǎng)，斷裂系統(tǒng)及不整合發(fā)育，構(gòu)造作用對(duì)該區(qū)油氣成藏及保存的影響目前還未找出明顯規(guī)律[9]。研究區(qū)自下而上主要發(fā)育地層：震旦系、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、新生界，普遍缺失上奧陶統(tǒng)、志留系及泥盆系地層[10]。由于受巖溶作用的影響，研究區(qū)儲(chǔ)集體儲(chǔ)集空間類型多以裂縫和溶蝕孔洞為主[11]。玉北地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖分布范圍廣、 厚度大， 儲(chǔ)層埋藏深(大于5 000 m)，油氣勘探前景良好。

圖1 塔里木盆地西南部構(gòu)造分布

2 碳氧同位素特征

2.1 樣品的采集與測(cè)試

研究樣品主要取自玉北地區(qū)3口井，共49塊樣品，所采樣品能夠代表玉北地區(qū)奧陶系地層的總體特征。

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)SY/T5238-2008《有機(jī)物和碳酸鹽巖碳、氧同位素分析方法》，將樣品研磨至150目，在90 ℃條件下烘干10 h，置于300～350 ℃的真空中抽空加熱2 h，除去樣品中賦存的有機(jī)質(zhì)。

碳、氧同位素分析通常采用磷酸法，在真空條件下與100%的磷酸恒溫反應(yīng)，灰質(zhì)部分在25 ℃條件下與磷酸充分反應(yīng)24 h，白云質(zhì)部分在50 ℃的條件下充分反應(yīng)72 h。將收集到的CO2氣體送入MAT253C033穩(wěn)定同位素氣體質(zhì)譜儀，測(cè)定碳、氧同位素組成，測(cè)試精度△δ<0．01‰，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

2.2 碳、氧同位素特征

從已有樣品的測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，碳酸鹽巖中的δ13C和δ18O具有如下特點(diǎn)：

(1)研究區(qū)碳酸鹽巖的δ13C和δ18O值變化范圍較大，δ13C最小值為-6.9‰，最大值為1.9‰，平均-0.9‰。δ18O最小值為-10.8‰，最大值為-3.5‰，平均-7.0‰。正常海相碳酸鹽巖的δ13C為-5.0‰～5.0‰[12]，δ18O為-6.0‰～-4.0‰[13]。

(2)玉北地區(qū)碳酸鹽巖碳同位素與正常沉積的海相碳酸鹽巖碳同位素相近，最小值偏負(fù)，主要是由于大氣水的影響使后期形成的碳酸鹽巖中碳同位素值偏小[14]。正常沉積的海相碳酸鹽巖通常比受大氣水影響的碳酸鹽巖和方解石膠結(jié)物富集13C，Lohmann[7]認(rèn)為在受大氣水影響的成巖環(huán)境中，13C的來(lái)源、水與巖石反應(yīng)的程度以及脫氣作用等因素決定了碳酸鹽巖中碳同位素的組成。鄭永飛[15]認(rèn)為13C如果來(lái)源于正常沉積的海相碳酸鹽巖，新形成的產(chǎn)物中會(huì)含有相似的δ13C，13C如果來(lái)源于氧化的風(fēng)化殼上的有機(jī)質(zhì)，則新產(chǎn)物中的δ13C會(huì)偏負(fù)。脫氣作用使δ13C增大，因?yàn)樵诿摎庾饔眠^(guò)程中，動(dòng)力學(xué)分餾使得水體富集13C，導(dǎo)致新產(chǎn)物中的δ13C增大。

(3)玉北地區(qū)碳酸鹽巖氧同位素較正常海相碳酸鹽巖氧同位素偏負(fù)，主要是因?yàn)樵诔蓭r過(guò)程中，孔隙水中的氧同位素發(fā)生同位素分餾作用，同時(shí)還受大氣水的影響。大氣水嚴(yán)重貧18O，在降雨量大的季節(jié)，受其影響的碳酸鹽巖δ18O值偏負(fù)。相反，在蒸發(fā)過(guò)程中，氣體富集16O，水體富集18O，因此，干旱季節(jié)形成的碳酸巖中富含18O。碳酸鹽巖中，δ18O值較容易受到后生成巖作用的影響。通常認(rèn)為，如果樣品δ18O值在-5.0‰～10.0‰，則其氧同位素組成相比原始組成可能有微弱變化，而碳同位素組成則沒(méi)有明顯變化；錢一雄[16]認(rèn)為，當(dāng)δ18O值低于-10.0‰時(shí)，其氧同位素組成較原始組成可能已經(jīng)發(fā)生了明顯改變。如果重碳(δ13CPDB)和重氧(δ18OPDB)數(shù)值沒(méi)有明顯相關(guān)性，則表明該海相碳酸鹽巖基本上保持了原始環(huán)境的碳、氧同位素組成[17]。由圖2可知，研究區(qū)重碳(δ13CPDB)和重氧(δ18OPDB)相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)為0.150，說(shuō)明研究區(qū)海相碳酸鹽巖基本保持了原始環(huán)境的碳、氧同位素特征。

圖2 玉北地區(qū)碳酸鹽巖δ13C與δ18O相關(guān)關(guān)系

表1 塔里木盆地玉北地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖碳、氧同位素(δ13C和δ18O)數(shù)據(jù)

2.3 碳、氧同位素與古鹽度的關(guān)系

碳、氧穩(wěn)定同位素分析是古環(huán)境研究中常用的一種手段，能反映沉積環(huán)境和時(shí)間地層界線[18]。在海水中，δ18O具有隨鹽度的增加而增大的趨勢(shì)[19]，因?yàn)樵谡舭l(fā)作用過(guò)程中，16O具有被優(yōu)先帶到大氣降水中的優(yōu)勢(shì)，使得蒸發(fā)后的鹽度相對(duì)較高的海水中富集18O[5]。但由于δ18O受成巖作用的影響比較明顯，因此，較難準(zhǔn)確反映原始沉積環(huán)境，而碳同位素在成巖作用過(guò)程中受到的影響相對(duì)較小，可以用碳同位素反映原始沉積環(huán)境的變化[20]。Keith等[4]提出利用石灰?guī)r中的δ13C和δ18O，通過(guò)公式Z=2.048×(δ13CPDB+50)+0.498 ×(δ18OPDB+50)區(qū)分侏羅紀(jì)時(shí)期以及更新時(shí)代的海相和淡水相石灰?guī)r，式中δ13C，δ18O均用PDB作標(biāo)準(zhǔn)。Z值可以作為判別劃分海陸環(huán)境的參考標(biāo)志，當(dāng)Z>120時(shí)，為海相環(huán)境，Z<120時(shí)，為陸相環(huán)境，Z=120時(shí)未定型。從表1可以看出，測(cè)試樣品中δ13C值分布范圍是-6.9‰～1.9‰，其Z值除了少數(shù)幾個(gè)樣品外均大于120，反映了玉北地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖都是在穩(wěn)定的海相環(huán)境中形成的。但所得的Z值能否作為一項(xiàng)定量指標(biāo)來(lái)解釋玉北地區(qū)古鹽度的相對(duì)變化，還需要進(jìn)行下一步研究驗(yàn)證。如圖3和圖4所示，δ13C與Z值和δ18O與Z值相關(guān)性分析表明， 該區(qū)δ13C與Z值具有較高的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.937， 而δ18O與Z值相關(guān)性較差， 相關(guān)系數(shù)為0.367。 因此，該區(qū)用Z值作為定量指標(biāo)來(lái)解釋古鹽度的相對(duì)變化精確度較低[21]。

圖3 玉北地區(qū)碳酸鹽巖δ13C與Z值相關(guān)關(guān)系

圖4 玉北地區(qū)碳酸鹽巖δ18O與Z值相關(guān)關(guān)系

2.4 氧同位素與古溫度的關(guān)系

溫度是碳酸鹽巖中氧同位素含量的主要影響因素[22]，碳酸鹽巖在形成環(huán)境中，氧同位素含量的主要決定因素是溫度，盡管利用氧同位素定量計(jì)算古溫度的方法仍存在很多不足之處，但其含量的變化著實(shí)能定性地反映成巖環(huán)境古溫度的變化[19]。δ18OPDB的低值對(duì)應(yīng)較高的古溫度值；δ18OPDB的高值對(duì)應(yīng)較低的古溫度值[19]。余志偉[6]提出可用T值來(lái)表示碳酸鹽巖的成巖古溫度，計(jì)算公式為：T=13.85-4.54δ18OPDB+0.04 (δ18OPDB)2。以揭示地層最全的玉北5井為例，作δ18O值與各組地層之間的關(guān)系曲線圖(圖5(a))，由曲線的形態(tài)可知，良里塔格組地層對(duì)應(yīng)成巖古溫度的相對(duì)低值， 巴楚組地層對(duì)應(yīng)著成巖古溫度的相對(duì)高值，地層由深到淺，成巖古溫度經(jīng)歷了先下降后上升的過(guò)程， 表明其成巖埋藏深度經(jīng)歷了先上升后下降的過(guò)程。蓬萊壩組地層前期成巖古溫度降低，后期到鷹山組地層成巖古溫度呈現(xiàn)升高趨勢(shì)(圖5(b))。

圖5 碳、氧同位素分布

2.5 碳同位素與海平面的關(guān)系

海平面的上升期對(duì)應(yīng)著較高的δ13CPDB值，海平面的下降期對(duì)應(yīng)著較低的δ13CPDB值[15]。海平面的變化控制著有機(jī)碳的埋藏速率[23]，海平面的上升期對(duì)應(yīng)著較大的有機(jī)碳埋藏速率，因?yàn)楹Ｆ矫娴纳仙龑?dǎo)致古陸地面積的減小，由陸地遷移到海洋的有機(jī)碳數(shù)量也隨著減少，使得無(wú)機(jī)碳酸鹽中的δ13CPDB相對(duì)增大[15]。同理，海平面的下降期對(duì)應(yīng)著較小的有機(jī)碳埋藏速率，因?yàn)楹Ｆ矫娴南陆祵?dǎo)致古陸地面積的增大，由陸地遷移到海洋的有機(jī)碳數(shù)量也隨著增多，使得無(wú)機(jī)碳酸鹽中的δ13CPDB相對(duì)減小[24]。由圖5(a)和圖5(c)可知，玉北5井和玉北9井均鉆遇良里塔格組和鷹山組地層，良里塔格組δ13CPDB值明顯高于鷹山組，說(shuō)明由鷹山期至良里塔格期對(duì)應(yīng)著海平面的上升[25]。

3 成巖環(huán)境分析

碳酸鹽巖成巖環(huán)境是碳酸鹽巖發(fā)生成巖變化的物理及化學(xué)環(huán)境，成巖環(huán)境的不同主要體現(xiàn)為成巖相的差異，成巖相是在一定成巖環(huán)境下經(jīng)歷了一定成巖演化階段的具有特定礦物組分、巖石結(jié)構(gòu)及構(gòu)造的巖相組合[26]。巖石中各組分的含量、成分及特征能夠反映古環(huán)境的變化[27]。碳酸鹽巖碳、氧同位素值主要受介質(zhì)的溫度、Z值影響[28]，其組合可以在一定程度上反映碳酸鹽沉積物所經(jīng)歷的成巖環(huán)境[29]。根據(jù)溫度、壓力及成巖介質(zhì)等環(huán)境因素，碳酸鹽巖成巖環(huán)境可以歸納為早期近地表、表生期淡水及晚期中—深埋藏和熱液成巖環(huán)境[30](圖6)。

3.1 近地表成巖環(huán)境

近地表成巖環(huán)境是指未脫離地表淡水及海水影響的成巖環(huán)境，主要包括開(kāi)闊臺(tái)地、蒸發(fā)臺(tái)地、臺(tái)地前緣、深海盆地、冩湖成巖環(huán)境等，其與沉積環(huán)境關(guān)系密切。成巖作用包括淺水鈣質(zhì)膠結(jié)、準(zhǔn)同生、微生物、白云化(圖7(a))[31]、溶解作用(圖7(b))。巖相組合主要由泥晶灰?guī)r(圖7(c))、生屑泥晶灰?guī)r(圖7(d))、泥晶云巖(圖7(e))、鹽溶角礫云巖、角礫灰?guī)r構(gòu)成。測(cè)試樣品主要采自玉北5井、玉北7井和玉北9井，樣品的桑塔木組和良里塔格組地層δ13C(平均0.6‰)和δ18O(平均-5.3‰)普遍較高。這主要是近地表成巖環(huán)境碳同位素分餾作用的結(jié)果，輕碳主要富集于蒸汽和生物體中，重碳主要富集于海水和灰泥中[32]。

圖6 δ13C和δ18O交匯圖

3.2 表生淡水成巖環(huán)境

表生淡水成巖環(huán)境主要是指受大氣淡水的影響，發(fā)生有氧化作用和風(fēng)化作用的成巖環(huán)境。通常在巖溶作用下形成巖溶溶洞以及溶洞角礫充填等地質(zhì)現(xiàn)象(圖7(f))，其充填角礫中常富含高嶺石[15]。樣品的巴楚組地層δ13C(平均-3.0‰)和δ18O(平均-9.8‰)普遍較低。主要是大氣淡水的溶蝕與淋濾作用改變了巖石的地球化學(xué)特征，大氣淡水嚴(yán)重貧18O，表生淡水成巖環(huán)境δ18O值偏低。

3.3 中—深埋藏和熱液成巖環(huán)境

中—深埋藏和熱液成巖環(huán)境是指不受地表淡水及海水影響，也未達(dá)到熱變質(zhì)作用的深度的成巖環(huán)境[33]。該成巖環(huán)境對(duì)應(yīng)著較大的埋深、較高的溫度以及較大的地層壓力[34]，與有機(jī)質(zhì)成巖作用相聯(lián)系，富含二氧化碳的地層水、有機(jī)酸以及地層壓實(shí)的酸性水等酸性溶液溶蝕部分巖石的現(xiàn)象和過(guò)程，主要表現(xiàn)為酸性流體對(duì)孔洞以及裂縫系統(tǒng)的進(jìn)一步溶蝕擴(kuò)大[31]。巖相組合主要有中、粗晶白云巖(圖7(g))和熱液白云巖(圖7(h))，樣品的鷹山組和蓬萊壩組地層δ13C(平均-1.4‰)和δ18O(平均-7.6‰)介于高值與低值之間，主要是埋藏白云化作用的結(jié)果[35]。熱液溶蝕作用能夠改變灰?guī)r的巖石物性[36]，而經(jīng)歷白云化作用之后物性改善不明顯[37]。鷹山組和蓬萊壩組地層樣品的成巖溫度較高(平均50.5 ℃)，可能受熱液影響較大。

圖7 玉北地區(qū)碳酸鹽巖巖相特征

4 結(jié) 論

(1) 玉北地區(qū)碳氧同位素值與正常的海相碳酸鹽巖同位素值相近，且基本上保持了原始沉積環(huán)境的碳、氧同位素組成。

(2)良里塔格組到巴楚組地層，成巖古溫度經(jīng)歷了整體先下降后上升的過(guò)程，其成巖埋藏深度經(jīng)歷了先上升后下降的過(guò)程；鷹山期至良里塔格期對(duì)應(yīng)著海平面的上升。

(3)近地表成巖環(huán)境中有較高的δ13C和δ18O，表生淡水成巖環(huán)境中δ13C和δ18O普遍較低，中—深埋藏和熱液成巖環(huán)境中δ13C和δ18O介于前兩者之間。

(4)鷹山組和蓬萊壩組地層受熱液影響較大，灰?guī)r儲(chǔ)層物性得到改善，受白云化作用影響較小，是有利的目標(biāo)勘探層系。

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責(zé)任編輯：王 輝

2015-03-18

中國(guó)石化西北油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院協(xié)作項(xiàng)目“塔里木盆地玉北地區(qū)構(gòu)造與沉積對(duì)奧陶系儲(chǔ)層形成控制與分布預(yù)測(cè)研究”(編號(hào)：ky2011-s-070)

張謙(1989-) ，男，碩士研究生，主要從事油氣儲(chǔ)層地質(zhì)與評(píng)價(jià)研究。E-mail：amadozhang@163.com

1673-064X(2015)05-0023-08

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