塔北地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖縫洞充填方解石的陰極發(fā)光特征及對成巖環(huán)境的指示意義

韋東曉，沈安江，王 瑩，喬占峰，朱永峰

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院杭州地質(zhì)研究院，浙江杭州310023；2.中國石油碳酸鹽巖儲層重點實驗室，浙江杭州310023；3.中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒841000）

塔北地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖縫洞充填方解石的陰極發(fā)光特征及對成巖環(huán)境的指示意義

韋東曉1，2，沈安江1，2，王 瑩1，2，喬占峰1，2，朱永峰3

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院杭州地質(zhì)研究院，浙江杭州310023；2.中國石油碳酸鹽巖儲層重點實驗室，浙江杭州310023；3.中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒841000）

對碳酸鹽礦物和結(jié)構(gòu)組分進行陰極發(fā)光分析可以直觀、快捷地研究碳酸鹽巖儲層的成巖環(huán)境和成因?；谒钡貐^(qū)奧陶系碳酸鹽巖縫洞充填方解石陰極發(fā)光特征分析，結(jié)合Mn2+和Fe2+含量及流體包裹體均一溫度，深入研究其對成巖環(huán)境的指示作用。結(jié)果表明：Mn2+和Fe2+含量及發(fā)光特征可大致反映成巖環(huán)境的氧化還原條件，明亮發(fā)光（Mn2+含量高）表明成巖環(huán)境為還原條件，也可能是與不發(fā)光膠結(jié)作用相關(guān)的氧化水停滯有關(guān)；昏暗—不發(fā)光表明成巖環(huán)境為氧化條件，是Mn2+趨向于被氧化為高價態(tài)而不易置換Ca2+進入晶格所致；不同產(chǎn)狀的縫洞充填方解石發(fā)光性、Mn2+和Fe2+含量及兩者比值各異，指示不同的成巖環(huán)境及充填期次，反映研究區(qū)縫洞形成及充填的復雜性和多期性。

陰極發(fā)光 縫洞充填方解石 成巖環(huán)境 奧陶系 塔北地區(qū)

對碳酸鹽礦物和結(jié)構(gòu)組分進行陰極發(fā)光分析可以直觀、快捷地研究碳酸鹽巖儲層的成巖環(huán)境和成因［1-5］。塔北地區(qū)輪南、塔河、哈拉哈塘—新墾等區(qū)塊的奧陶系主要發(fā)育一套碳酸鹽巖縫洞型巖溶儲層，多旋回構(gòu)造演化過程使得不同期次、不同類型的巖溶作用疊加、改造［4-9］，導致儲層非均質(zhì)性較強，儲集空間類型多樣，組合類型復雜。目前對于塔北地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖巖溶儲層成巖環(huán)境等的研究較少，并且主要集中在定性—半定量的巖石學特征、物性特征、測井特征及部分測試分析［10-14］，而對于陰極發(fā)光等單項實驗分析以及對成巖環(huán)境的指示意義尚未系統(tǒng)總結(jié)。為此，筆者利用陰極發(fā)光測試方法，分析塔北地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖縫洞充填方解石陰極發(fā)光特征，結(jié)合Mn2+和Fe2+含量、流體包裹體均一溫度，剖析碳酸鹽巖成巖環(huán)境、成巖流體性質(zhì)與儲層發(fā)育關(guān)系，以期為研究區(qū)下步的油氣勘探及部署提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

塔北隆起位于庫車坳陷和北部坳陷之間，其奧陶系碳酸鹽巖巖溶儲層整體連片，形成了輪南油田、哈拉哈塘—新墾油田、英買力油田等富油氣區(qū)，是塔里木盆地碳酸鹽巖原油增儲上產(chǎn)的主力地區(qū)。研究區(qū)奧陶系自下而上為：下奧陶統(tǒng)蓬萊壩組、中—下奧陶統(tǒng)鷹山組、中奧陶統(tǒng)一間房組以及上奧陶統(tǒng)吐木休克組、良里塔格組和桑塔木組。巖性以灰?guī)r為主，蓬萊壩組和鷹山組3—4段為白云巖和灰質(zhì)云巖，吐木休克組和桑塔木組見少量泥巖。塔北地區(qū)自早奧陶世蓬萊壩組沉積時期至晚奧陶世桑塔木組沉積時期經(jīng)歷了半局限臺地相—開闊臺地相—混積淺水陸棚相的沉積演化過程。

2 樣品來源及實驗方法

實驗樣品主要取自塔北地區(qū)完鉆的26口井一間房組及鷹山組一段，少量為良里塔格組及吐木休克組，共計77件。按縫洞充填方解石的充填產(chǎn)狀進行分類，其中不規(guī)則縫洞充填方解石22件，洞穴充填方解石10件，構(gòu)造裂縫充填方解石29件，溶蝕孔洞充填方解石16件，并對所取樣品在顯微鏡下進行鑒定，以確保樣品的可靠性和代表性。陰極發(fā)光測試在中國石油碳酸鹽巖儲層重點實驗室完成，樣品為標準光薄片，儀器型號為CL8200-MK5陰極發(fā)光儀，檢測依據(jù)為SY/T 5916—2013［15］，實驗條件主要包括：溫度為25℃，濕度為45%，實驗真空度為0.3 Pa，束電壓為13 kV，束電流為340μA。

3 陰極發(fā)光特征及成巖環(huán)境指示意義

在實驗條件下，塔北地區(qū)奧陶系縫洞充填方解石具有不同強度的陰極發(fā)光性，從弱到強分為不發(fā)光、暗棕褐色光、中暗桔黃色光、中等桔黃色光和明亮桔黃色光5個等級。如YM101井鷹山組埋深5 815.3m處裂縫中充填的巨晶方解石發(fā)暗棕褐色光（圖1a），流體包裹體均一溫度為187℃，部分順解理縫發(fā)育的變余脈發(fā)中暗桔黃色光；YM2-3井一間房組埋深5 894.8m處裂縫方解石脈發(fā)中暗—中等桔黃色光（圖1b），流體包裹體均一溫度為110℃；YM11井一間房組埋深5 728.2m處裂縫方解石脈發(fā)中等桔黃色光（圖1c），流體包裹體均一溫度為124℃；Xiang3井一間房組埋深6 154.0m處發(fā)育2期方解石脈，第1期發(fā)中暗桔黃色光，第2期發(fā)明亮桔黃色光（圖1d），流體包裹體均一溫度有2期，分別為154和164℃，為晚期埋藏巖溶所形成。

圖1 塔北地區(qū)奧陶系縫洞充填方解石陰極發(fā)光特征Fig.1 Cathodoluminescence features of the calcite filling in Ordovician carbonate fractured-vuggy reservoir，Northern Tarim Basin

碳酸鹽礦物中的微量元素對陰極發(fā)光性有明顯影響，Mn2+一般作為發(fā)光最主要的激活劑，而Fe2+則作為最主要的猝滅劑［1，16］。方解石膠結(jié)物的陰極發(fā)光性主要受其Mn2+和Fe2+含量及Mn2+/Fe2+值的控制，隨著礦物中Mn2+和Fe2+含量和Mn2+/Fe2+值的變化，碳酸鹽礦物在陰極射線下呈現(xiàn)出不同的顏色和亮度，但總體上Mn2+/Fe2+值起主導作用。一般而言，縫洞充填方解石中的碳酸鹽礦物要發(fā)光，Mn2+含量須大于0.01%，F(xiàn)e2+含量至少在0.8%以下，Mn2+/Fe2+值應大于0.05。

研究區(qū)奧陶系碳酸鹽巖不同產(chǎn)狀方解石Mn2+和Fe2+含量交會與陰極發(fā)光相關(guān)性分析結(jié)果（圖2）表明：當碳酸鹽礦物中不含Mn2+且Fe2+也很少時，或Mn2+/Fe2+值為0.05～0.2，不發(fā)光；當Mn2+/Fe2+值為0.2～2時，發(fā)光強度昏暗，顏色為棕褐色，反映氧化成巖環(huán)境，是由于Mn2+趨向于被氧化為高價態(tài)而不易置換Ca2+進入晶格所致；當Mn2+/Fe2+值為2～10時，發(fā)光強度中暗，顏色為桔黃色，反映弱氧化成巖環(huán)境；當Mn2+/Fe2+值大于10且Mn2+含量大于0.04%時，發(fā)光強度中等，顏色為桔黃色，反映弱還原成巖環(huán)境；當Mn2+含量大于0.04%時，Mn2+含量為陰極發(fā)光的主要控制因素，表現(xiàn)為發(fā)明亮桔黃色光，高Mn2+含量反映成巖環(huán)境為還原條件，也可能與不發(fā)光膠結(jié)作用相關(guān)的氧化水的停滯有關(guān)。

圖2 塔北地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖不同產(chǎn)狀方解石Mn2+和Fe2+含量交會與陰極發(fā)光相關(guān)性Fig.2 Relationship between the contentsofMn2+and Fe2+and the cathodoluminescence features of different kinds of calcite filling in the Ordovician carbonate fracturedvuggy reservoir，Northern Tarim Basin

研究區(qū)不同產(chǎn)狀方解石中Mn2+和Fe2+含量與陰極發(fā)光特征存在一定的規(guī)律性。

第一，粒間膠結(jié)方解石的陰極發(fā)光性主要發(fā)暗棕褐色光—不發(fā)光，如YM3井鷹山組埋深6 412.6m處巖心砂屑發(fā)極暗棕褐色光，粒間膠結(jié)方解石不發(fā)光（圖3a）。此類方解石中的Mn2+和Fe2+含量均小于0.04%，Mn2+/Fe2+值小于0.2的樣品占65.5%，Mn2+/ Fe2+值為0.2～2的樣品占20.7%（圖2），表明為大氣淡水成巖環(huán)境下形成的，巖石薄片中也部分見示底構(gòu)造及新月形膠結(jié)等大氣淡水成因特征。少量樣品發(fā)育晚期埋藏膠結(jié)物，呈環(huán)帶狀明亮發(fā)光，均為第2到第3世代膠結(jié)方解石，如XK1和YW2井。

圖3 不同產(chǎn)狀方解石陰極發(fā)光特征Fig.3 Cathodoluminescence features of different kinds of calcite

第二，溶蝕孔洞充填方解石陰極發(fā)光性主要為不發(fā)光—暗棕褐色光，如YM203井一間房組埋深6 091.7m處巖心為砂屑灰?guī)r，溶蝕孔洞不發(fā)光（圖3b）。此類方解石的Mn2+含量多小于0.04%，F(xiàn)e2+含量也基本在0.05%以下，Mn2+/Fe2+值小于0.2的樣品占71.9%，Mn2+/Fe2+值為0.2～2的樣品占25%（圖2），表明為弱氧化—還原成巖環(huán)境。少量樣品表現(xiàn)出環(huán)帶狀中暗—中等桔黃色光，反映晚期受到埋藏還原流體的改造，并且主要集中在良里塔格組。

第三，構(gòu)造裂縫及不規(guī)則縫洞充填方解石的陰極發(fā)光較為豐富，5個等級均有，反映出裂縫形成的多期性，總體上與研究區(qū)的構(gòu)造演化有關(guān)。Mn2+和Fe2+含量及Mn2+/Fe2+值變化較大（圖2）。YM101井良里塔格組埋深5 471.25m處巖心，巖石學上鑒定為熱液產(chǎn)物，其構(gòu)造裂縫充填的方解石脈表現(xiàn)為中等桔黃色陰極發(fā)光特征（圖3c），Mn2+含量大于0.04%，為還原環(huán)境成巖產(chǎn)物。Xiang3井良里塔格組埋深5 965.24m處巖心位于良里塔格組頂部，為不規(guī)則縫洞方解石脈，經(jīng)巖心觀察判定為大氣水暴露形成的溶縫，陰極發(fā)光下表現(xiàn)出2期，靠近裂縫壁為暗棕褐色光—不發(fā)光，為氧化成巖環(huán)境產(chǎn)物；而在裂縫中央則發(fā)中暗桔黃色光（圖3d），為弱氧化成巖環(huán)境產(chǎn)物。從電子探針資料來看，YM101井埋深5 471.25m處巖心構(gòu)造裂縫充填為巨晶方解石脈，其Mn2+含量為0.003%～0.023%，Mn2+/Fe2+值為0.101～0.176。與此相比，YM202井一間房組埋深5 854.93m處巖心為不規(guī)則縫洞充填方解石，陰極發(fā)光更為明亮，Mn2+含量為0～0.03%，而Mn2+/Fe2+值為0～10.8。其Mn2+含量更高，還原條件更強，并且起主導作用的Mn2+/Fe2+值也較大。這主要是因為在暴露期氧化環(huán)境條件下，裂縫壁膠結(jié)充填Mn2+含量較低的暗色發(fā)光方解石；在隨后的埋藏期，成巖流體停滯，導致成巖環(huán)境向還原條件轉(zhuǎn)變，從而由裂縫壁向中央陰極發(fā)光逐漸明亮。且從明亮程度來看，良里塔格組經(jīng)歷了更長時間的暴露，向還原環(huán)境的轉(zhuǎn)變相對更緩慢。

第四，洞穴充填方解石的陰極發(fā)光較為豐富，從不發(fā)光、暗棕褐色光、中暗桔黃色光、中等桔黃色光到明亮桔黃色光都有，反映出洞穴充填的復雜性和多期性。Mn2+和Fe2+含量及Mn2+/Fe2+值變化較大（圖2）。分析認為，YM201井鷹山組埋深5 845.0m處巖心為熱液產(chǎn)物，薄片下可見重晶石發(fā)育，原巖重結(jié)晶強烈，Mn2+和Fe2+含量均大于0.04%，且Mn2+/ Fe2+值小于10，表現(xiàn)出明亮發(fā)光特征（圖3e），表明為還原成巖環(huán)境。YM101井鷹山組埋深5 815.3m處巖心為洞穴充填巨晶方解石，表現(xiàn)出暗棕褐色光—不發(fā)光的特征（圖3f），Mn2+和Fe2+含量均小于0.04%，應為弱氧化—還原環(huán)境特征，且研究區(qū)洞穴充填方解石多數(shù)表現(xiàn)為該特征。

此外，通過研究發(fā)現(xiàn)不同陰極發(fā)光性與方解石流體包裹體均一溫度存在一定的相關(guān)性。統(tǒng)計結(jié)果顯示：發(fā)暗棕褐色光的方解石流體包裹體均一溫度主要為60～90和150～190℃，發(fā)中暗桔黃色光的溫度為90～130℃，發(fā)中等桔黃色光的溫度為120～150℃，發(fā)明亮桔黃色光的溫度為140～200℃。總體來說，研究區(qū)陰極發(fā)光主要為發(fā)暗棕褐色光、中暗桔黃色光和中等桔黃色光，結(jié)合流體包裹體均一溫度、塔北南緣奧陶系層間巖溶發(fā)育區(qū)［5］成巖序列與流體包裹體均一溫度的關(guān)系（圖4），認為研究區(qū)奧陶系流體包裹體為晚期次生進入巖溶縫洞方解石晶體中，可推測起主導的巖溶作用發(fā)生于中晚加里東期以及早海西期。

圖4 塔北南緣奧陶系成巖序列與流體包裹體均一溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between diagenesis history and fluid inclusion homogenization temperature in the south slop of Northern Tarim Basin

4 結(jié)論

Mn2+和Fe2+含量及發(fā)光特征可大致反映成巖環(huán)境的氧化還原條件。明亮發(fā)光（Mn2+含量高）表明成巖環(huán)境為還原條件，也可能是與不發(fā)光膠結(jié)作用相關(guān)的氧化水的停滯有關(guān)?；璋怠话l(fā)光表明成巖環(huán)境為氧化條件，是Mn2+趨向于被氧化為高價態(tài)而不易置換Ca2+進入晶格所致。

粒間膠結(jié)方解石主要發(fā)暗棕褐色光—不發(fā)光，Mn2+和Fe2+含量均小于0.04%，Mn2+/Fe2+值小于0.2的樣品占65.5%，表明為大氣淡水成巖環(huán)境下形成的；溶蝕孔洞充填方解石陰極發(fā)光性主要為不發(fā)光—發(fā)暗棕褐色光，Mn2+含量多小于0.04%，F(xiàn)e2+含量也在0.05%以下，Mn2+/Fe2+值小于0.2的樣品占71.9%，表明為弱氧化—還原成巖環(huán)境；構(gòu)造裂縫、不規(guī)則縫洞及洞穴充填方解石的陰極發(fā)光較為豐富，從不發(fā)光、暗棕褐色光、中暗桔黃色光、中等桔黃色光到明亮桔黃色光都有，反映裂縫形成的多期性，Mn2+和Fe2+含量及Mn2+/Fe2+值變化較大，總體上與研究區(qū)構(gòu)造演化有關(guān)，反映裂縫及洞穴充填的復雜性和多期性。

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編輯 常迎梅

Cathodoluminescence features of the calcite filling in the Ordovician carbonate fractured-vuggy reservoir and its significance to instructions of diagenetic environment in Northern Tarim Basin

WeiDongxiao1，2，Shen Anjiang1，2，Wang Ying1，2，Qiao Zhanfeng1，2，Zhu Yongfeng3

（1.Hangzhou Research Institute of Geology，Petro China Research Institute of Petroleum Exploration&Development，Hangzhou City，Zhejiang Province，310023，China；2.Key Laboratory of Carbonate Reservoir，Petro China，Hangzhou City，Zhejiang Province，310023，China；3.Petro China Tarim Oilfield Company，Korla，Xinjiang，841000，China）

Cathodoluminescence analysis of the carbonate mineral composition and structure is one of the most effective technical methods to research visually and quickly on carbonate reservoir diagenesis environment and its genesis.In this paper，cathodoluminescence features of calcite，filling in Ordovician carbonate fractured-vuggy reservoir，was analyzed further to instruct its diagenetic environment combined with the analysisof Fe-Mn-Sr trace elements and the homogenization temperature of fluid inclusion.Studies have shown that the content of Mn2+and Fe2+and cathodoluminescence characteristics largely reflects the diagenetic environment under oxidation-reduction conditions.Brightglow（high Mn2+）suggests the diagenetic environment was under reducing conditions，or it may be related to the stagnant oxide water connected with nonluminance cementation.Dark or non-luminescence suggests the diagenetic environment was under the conditions of oxidation when Mn2+tended to be oxidized to higher state and difficult to replace Ca2+and get into the lattice.The luminance of calcite filling in different typical fractured-vuggy reservoir，combined with the content and ratio ofMn2+and Fe2+，could be used to indicate different diagenetic environment and filling period which show the complexity and multiple phases of thefractured-vuggy forming and filling in the study area.

cathodoluminescence；calcite filling in fractured-vuggy reservoir；diagenetic environment；Ordovician；Northern Tarim Basin

TE112.2

A

1009-9603（2015）04-0054-05

2015-05-07。

韋東曉（1981—），女，浙江東陽人，工程師，從事碳酸鹽巖實驗測試分析工作。聯(lián)系電話：（0571）85224995，E-mail：weidongxiao123@126.com。

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”（2011ZX05004-002）。