塔東英東區(qū)塊寒武系白云巖儲(chǔ)層巖石類型及其白云化作用機(jī)制

胡 靜，王雨辰，何 賽

(成都理工大學(xué) 能源學(xué)院，四川 成都 610059)

對于白云石的成因的問題，至今仍然是一個(gè)具有爭議的話題，頗具魅力。不同的學(xué)者針對不同研究區(qū)域紛繁復(fù)雜地質(zhì)情況提出了較多的白云石作用模式，來解釋當(dāng)?shù)匕自剖某梢騕1-3]。白云石化作用是指石灰?guī)r部分或全部地被白云石交代而形成白云石的作用。白云石化作用可以在沉積物沉積之后立即發(fā)生，即準(zhǔn)同生及早期成巖白云石化作用；也可以在沉積之后的很長一段時(shí)間內(nèi)，通常是在膠結(jié)作用發(fā)生之后，即成巖階段晚期及后生期發(fā)生的白云石化作用。在研究區(qū)內(nèi)寒武系白云巖分布十分廣泛，是形成優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層的重要巖石類型。英東區(qū)塊屬于勘探程度較低的新區(qū)，且寒武系埋藏較深，地質(zhì)情況特殊，想要在英東區(qū)塊的油氣勘探中取得新進(jìn)展，對區(qū)內(nèi)寒武系白云巖成因機(jī)制研究顯得尤為重要。在對區(qū)內(nèi)的LX1井、ML1井、YD1井和YD2井寒武系碳酸鹽巖的研究過程中，發(fā)現(xiàn)白云石化作用在研究區(qū)是一種十分常見的成巖作用，并具有多期多類型發(fā)育的特征。寒武系碳酸鹽巖層段的白云石化程度較高，與儲(chǔ)層的形成發(fā)育有著密切的關(guān)系。因此，專門對塔里木盆地東部英東區(qū)塊寒武系白云巖成因機(jī)制進(jìn)行綜合的應(yīng)用型研究具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

1 地質(zhì)背景

圖1 塔東英東區(qū)塊寒武系地層綜合柱狀圖Fig.1 Cambrian stratigraphic column of Yingdong area of eastern Tarim basin

塔里木盆地是我國最大的含油氣盆地，油氣資源開發(fā)潛力巨大，其構(gòu)造演化歷史較我國其他含油氣盆地顯得更為復(fù)雜，盆地深部存在一系列深大斷裂，其深度范圍在50～60 km之間[4]。塔里木地臺(tái)主要經(jīng)歷了竟寧、加里東、海西、印支、燕山和喜山等一系列大型構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，火成巖的大面積發(fā)育成為其明顯特點(diǎn)[5-6]。本次研究區(qū)塊位于塔里木盆地東部的塔東低突起構(gòu)造帶東部，寒武系發(fā)育臺(tái)地相區(qū)及過渡相帶[7-8]，區(qū)內(nèi)存在數(shù)個(gè)下切至基底的斷裂系統(tǒng)[9]。從巖性分布上，其中下寒武統(tǒng)發(fā)育有大套泥巖、以白云質(zhì)泥巖為主；中寒武統(tǒng)發(fā)育有大套泥巖、灰質(zhì)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖；上寒武統(tǒng)主要發(fā)育有大套泥晶、粉晶白云巖夾泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖(見圖1)。

2 白云巖巖石類型特征

英東地區(qū)白云巖儲(chǔ)層的巖石類型主要是晶粒結(jié)構(gòu)的白云巖，其礦物類型主要是白云石，按晶粒大小可以分為微晶、粉晶、細(xì)晶、中晶和粗晶白云石。經(jīng)過進(jìn)一步的巖石薄片的鑒定和統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，隨著井深的增大，白云巖埋藏深度增加，成巖環(huán)境中的壓力和溫度增加，壓實(shí)作用和重結(jié)晶作用加強(qiáng)，所以白云石晶體粒度主要表現(xiàn)為由細(xì)小變粗大的趨勢，白云巖巖石結(jié)構(gòu)特征也隨之變化，依次呈現(xiàn)由粉-微晶白云巖、細(xì)-中晶白云巖、中晶白云巖變?yōu)橹?粗晶白云巖的趨勢。另外，隨著埋藏深度的增大，巖石的泥質(zhì)含量增加，其白云石自形程度較好；而白云石含量越高，巖性越純的白云巖，其重結(jié)晶作用越強(qiáng)，晶體之間的鑲嵌越緊密，其自形程度相對較差。

在研究工作中，通過對研究區(qū)寒武系大量的巖石薄片的鑒定，并結(jié)合英東區(qū)塊的實(shí)際地質(zhì)情況，將區(qū)內(nèi)寒武系白云巖儲(chǔ)層的白云石按晶體大小和自形程度等因素綜合歸納為六種類型，即：①粉-微晶白云石；②粉-中晶它形臟白云石；③粉-中晶較自形白云石；④中-粗晶臟白云石；⑤中-粗晶較干凈白云石；⑥馬鞍狀白云石。

2.1 粉-微晶白云石

粉-微晶白云石在研究區(qū)內(nèi)上寒武統(tǒng)上部廣泛發(fā)育，晶粒細(xì)小，直徑在0.0039～0.0625 mm之間，多出現(xiàn)在粉-微晶白云巖中，結(jié)構(gòu)較為均勻。根據(jù)鏡下觀察，其往往保持著巖石原有的沉積構(gòu)造，多具有紋層結(jié)構(gòu)，由于晶粒細(xì)小，孔隙少見，不利于儲(chǔ)集層的發(fā)育(圖2a)。另根據(jù)陰極發(fā)光分析，此類白云石在陰極射線下發(fā)暗紅色光或者近于不發(fā)光(圖2b)，局部可見受到熱液改造的粉-微晶白云石在陰極射線下發(fā)亮橘紅色-橘紅色光。

a.粉-微晶白云石，YD2井，9-103-85(-)，上寒武統(tǒng)；b.粉-微晶白云石，YD2井，9-103-85(cl=5.1s)，陰極射線下發(fā)暗紅色光或者近于不發(fā)光，上寒武統(tǒng)；c.粉-中晶它形臟白云石，YD2井，11-52-9(-)，上寒武統(tǒng)；d.粉-中晶它形臟白云石，YD2井，11-52-9(cl-5.1s)，陰極射線下發(fā)光較暗,上寒武統(tǒng)；e.粉-中晶較自形白云石，ML1井，2-65-30(-)，上寒武統(tǒng)；f.粉-中晶較自形白云石，ML1井，2-65-30(cl=5.1s)，陰極射線下發(fā)橘紅色光或者發(fā)暗橘紅色光，上寒武統(tǒng)；g.中-粗晶臟白云石，YD2井，12-55-6(-)，上寒武統(tǒng)；h.中-粗晶臟白云石，YD2井，12-55-6(cl=5.1s)，陰極射線下發(fā)深玫瑰紅色，上寒武統(tǒng)；i.中-粗晶較干凈白云石，ML1井，2-65-30(-)，上寒武統(tǒng)；j. 中-粗晶較干凈白云石，ML1井，2-65-30(cl=5.1s)，陰極射線下發(fā)深玫瑰紅色，上寒武統(tǒng)；k.馬鞍狀白云石，YD2井，11-52-52(-)，上寒武統(tǒng)；l.馬鞍狀白云石，YD2井，11-52-52(cl=5.1s)，陰極射線發(fā)亮橘紅色光，上寒武統(tǒng)

圖2 塔東英東區(qū)塊寒武系不同類型白云石鏡下特征和陰極發(fā)光特征

Fig.2 Microscopical characteristic and Cathodoluminescence characteristics of different typesCambrian dolomites in Yingdong area of eastern Tarim basin

2.2 粉-中晶它形臟白云石

粉-中晶它形臟白云石主要發(fā)育在研究區(qū)內(nèi)上寒武統(tǒng)中部，晶粒直徑在0.0625～0.5 mm之間。晶粒呈它形，表面較臟，晶粒之間鑲嵌較為緊密(圖2c)。另據(jù)陰極發(fā)光分析，它們在陰極射線下發(fā)光較暗(圖2 d)。

2.3 粉-中晶較自形白云石

粉-中晶較自形白云石也主要發(fā)育在研究區(qū)內(nèi)上寒武統(tǒng)中部，晶粒直徑在0.0625～0.5 mm之間。晶粒自形程度較好，呈半自形-自形，具有典型的霧心亮邊特征，晶粒之間含有較多的泥質(zhì)(圖2e)。另據(jù)陰極發(fā)光分析，它們在陰極射線下發(fā)橘紅色光或者發(fā)暗橘紅色光(圖2f)。

2.4 中-粗晶臟白云石

中-粗晶臟白云石主要發(fā)育在上寒武統(tǒng)下部，晶粒粗大，直徑在0.25～1 mm之間。晶粒自形程度較好，呈半自形，表面較臟(圖2 g)。晶粒之間常發(fā)育有晶間孔或者晶間溶孔，說明晶粒粗大利于白云巖儲(chǔ)層的發(fā)育。另據(jù)陰極發(fā)光分析，它們在陰極射線下發(fā)深玫瑰紅色(圖2 h)。

2.5 中-粗晶較干凈白云石

中-粗晶較干凈白云石也主要發(fā)育在上寒武統(tǒng)下部，晶粒粗大，直徑在0.25～1 mm之間。晶粒自形程度稍好，以半自形晶為主，表面較為干凈(圖2i)。晶粒之間常發(fā)育有晶間孔或者晶間溶孔，說明晶粒粗大利于白云巖儲(chǔ)層的發(fā)育。另據(jù)陰極發(fā)光分析，它們在陰極射線下發(fā)深玫瑰紅色(圖2j)。

2.6 馬鞍狀白云石

經(jīng)過對研究區(qū)內(nèi)大量巖石薄片的觀察，馬鞍狀白云石在全區(qū)廣泛的發(fā)育分布，大都充填在裂縫和溶蝕孔洞之中。其晶粒較為粗大，一般為中-粗晶，晶面彎曲呈彎鐮刀狀，且在正交偏光下顯示消光不均勻，呈明顯的波狀消光特征(圖2k)。馬鞍狀白云石(Dana，1955；Radke and Mathis，1980；Gregg，1983；Barber et al.，1985；Searl，1989；Kretz，1992)是熱液白云石組合的一個(gè)關(guān)鍵指示器[9]。結(jié)合區(qū)內(nèi)黃鐵礦的出現(xiàn)的佐證，馬鞍狀白云石的出現(xiàn)明確指示了研究區(qū)內(nèi)曾經(jīng)的熱液過程。另據(jù)陰極發(fā)光分析，它們在陰極射線發(fā)亮橘紅色光(圖2l)。

根據(jù)大量的巖石薄片觀察統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，各類白云石在每口探井中出現(xiàn)的頻率也有一定的差異性。粉-中晶它形臟白云石和粉-中晶較自形白云石在4口井中出現(xiàn)頻率都很高，說明英東區(qū)塊寒武系白云巖中白云石晶粒大小都集中在粉-中晶；LX1井中中-粗晶白云石出現(xiàn)頻率相較于其他3口井明顯增高，說明LX1井中寒武系白云巖的白云石晶粒相對于其他3口井較為粗大；馬鞍狀白云石在斷裂相對發(fā)育的ML1井、YD1井和英YD2井中出現(xiàn)的頻率都較高，而在斷裂不太發(fā)育的LX1井出現(xiàn)的頻率則明顯較低(圖3)。

圖3 英東區(qū)塊寒武系6種類型白云石在各井剖面中出現(xiàn)的 頻率直方圖Fig.3 The frequency histogram of 6 types dolomite of the well section in Yingdong area of eastern Tarim basin

3 白云化作用機(jī)制

通過巖芯觀察、薄片鑒定、陰極發(fā)光等技術(shù)的綜合應(yīng)用，分析總結(jié)出英東區(qū)塊寒武系白云石化作用從準(zhǔn)同生期到晚成巖期持續(xù)進(jìn)行，其成因機(jī)制主要有蒸發(fā)泵白云石化作用、滲透回流白云石化作用、淺埋藏白云石化作用、深埋藏白云石化作用和熱液白云石化作用等5種。

3.1 蒸發(fā)泵白云石化作用

在潮上帶，正常海水的Mg/Ca比率約為3∶1到4∶1，由于大氣的蒸發(fā)作用在表層沉積物內(nèi)形成毛細(xì)管作用帶，在毛細(xì)管壓力的驅(qū)動(dòng)下，正常海水不斷向沉積物內(nèi)運(yùn)動(dòng)。在強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用下，被吸入的海水使得潮上地帶沉積物中的粒間水或表層水鹽度增大，其Mg/Ca比率可高達(dá)到20∶1。這種高鎂的粒間鹽水經(jīng)常與其中的方解石或文石相接觸，將被方解石和文石交代，即被白云石化(圖4)。

圖4 英東區(qū)塊寒武系蒸發(fā)泵白云石化作用示意圖Fig.4 Sketch map of the Cambrian evaporation pump dolomitizationin Yingdong area of eastern Tarim basin

在英東區(qū)塊內(nèi)，寒武系粉-微晶白云石主要選擇在原始沉積組構(gòu)中發(fā)育，主要分布在白云巖地層的最上部，且晶間泥質(zhì)含量較高，鏡下可見其被縫合線、溶蝕作用和多期破裂作用切割改造。這些證據(jù)都表明了這類白云石形成時(shí)間較早，很可能是準(zhǔn)同生期-同生期，所以，本次研究認(rèn)為蒸發(fā)泵白云石化作用模式適用于區(qū)內(nèi)粉-微晶白云石的形成。

3.2 滲透回流白云石化作用

在潮上地帶，高鎂鹽水的“向上”運(yùn)動(dòng)，是由于毛細(xì)管濃縮作用或蒸發(fā)泵作用所產(chǎn)生的高M(jìn)g/Ca比率的粒間鹽水，所引起的表層碳酸鈣沉積物的準(zhǔn)同生白云化作用。高鎂鹽水的“向下”運(yùn)動(dòng)是在潮上地帶形成的高鎂粒間鹽水，產(chǎn)生這種高鎂鹽水的地質(zhì)條件在當(dāng)其對表層沉積物的白云化作用完成時(shí)仍持續(xù)存在，其相對密度較大，多余的高鎂鹽水在地表就必然會(huì)在臺(tái)地邊緣沿臺(tái)地斜坡向下或側(cè)向回流(圖5)，而在其穿過下伏的碳酸鈣沉積物或石灰?guī)r時(shí)，必然會(huì)形成白云化作用。

圖5 英東區(qū)塊寒武系滲透回流白云石化作用示意圖Fig.5 Sketch map of the Cambrianpenetration reflux dolomitizationin Yingdong area of eastern Tarim basin

在英東區(qū)塊內(nèi)，鏡下觀察到寒武系粉-中晶它形臟白云石也可被縫合線、各期破裂作用和溶蝕作用改造，說明其形成時(shí)間較早，亦可能是同生期產(chǎn)物。但其晶粒相對于蒸發(fā)泵作用形成的白云石粗大，而經(jīng)過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)此類白云石大都發(fā)育在比粉-微晶白云石更深的部位。且其自形程度不好，有序度較低，說明白云石化過程仍是一個(gè)快速作用的過程。所以，本次研究認(rèn)為滲透回流白云石化作用模式適用于區(qū)內(nèi)粉-中晶它形臟白云石的形成。另外，值得注意的是，前期由蒸發(fā)泵作用形成的粉-微晶白云石粉，在后期埋藏過程中經(jīng)過重結(jié)晶作用也可能形成粉-中晶白云石。

3.3 淺埋藏白云石化作用

在后期埋藏階段，由于在埋藏環(huán)境下成巖流體可能為沉積物中封存于孔隙中的海水，高鎂方解石、文石向低鎂方解石轉(zhuǎn)換過程中釋放出來的Mg2+進(jìn)入孔隙水中，在壓實(shí)作用驅(qū)動(dòng)下使地層巖石白云石化。粉-細(xì)晶較自形白云石可能形成于一個(gè)流體性質(zhì)與正常海水相近或鹽度稍高、埋藏較淺的環(huán)境，白云石化可能是一個(gè)與滲透回流白云石化相連續(xù)的過程。在埋藏環(huán)境下，Mg2+流動(dòng)受一定限制，流動(dòng)速度慢，優(yōu)先到裂縫、縫合線以及具有一定孔隙度和滲透率的灰?guī)r地層中發(fā)生白云石化作用，因此白云石晶形較好。

英東區(qū)塊內(nèi)，晶粒較粗，自形程度較好，有序度較高，揭示了粉-中晶較自形白云石形成于一個(gè)鹽度稍高、埋藏環(huán)境較淺的環(huán)境，且白云石化作用進(jìn)行得較為緩慢。所以，本次研究認(rèn)為淺埋藏白云石化作用模式適用于區(qū)內(nèi)粉-中晶較自形白云石的形成。

3.4 深埋藏白云石化作用

隨著埋深的持續(xù)增加，沉積物或沉積巖逐漸脫離近地表環(huán)境的影響而進(jìn)入到深埋藏環(huán)境中，孔隙流體化學(xué)性質(zhì)已不再完全受控于地表或近地表過程，而是受控于地下成巖過程，水-巖相互作用已經(jīng)在很大程度上改變了原有的孔隙流體。深埋藏白云石化作用模式明顯不同于近地表成巖條件下建立的近地表淺埋藏白云石化作用模式，因?yàn)榘自屏黧w的直接來源不再是蒸發(fā)海水或混合水，其中可能包括細(xì)粒沉積物中的孔隙水和基底流體、吸附水、地層流體、大氣淡水等；而驅(qū)動(dòng)力也不是簡單的流體密度差，可能包括構(gòu)造擠壓、地層超壓、水頭壓力、熱對流等驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

英東區(qū)塊內(nèi)，中-粗晶臟白云石相較于淺埋藏白云石化作用形成的白云石晶粒更為粗大，而經(jīng)過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)此類白云石大都發(fā)育在比粉-中晶較自形白云石更深的部位，且在鏡下少見破裂作用和溶蝕作用的改造，說明形成時(shí)間晚，埋藏更深。所以，本次研究認(rèn)為深埋藏白云石化作用模式適用于區(qū)內(nèi)中-粗晶臟白云石的形成。

3.5 熱液白云石化作用

“熱液”這個(gè)術(shù)語意思就是熱水。White(1957)對于“熱液”的定義：任何比周圍環(huán)境明顯更熱(5℃或更多)的與水相關(guān)的物質(zhì)。地下深部來源的富鎂高鹽度熱液流體經(jīng)過深大斷裂的溝通，沿著斷裂向上運(yùn)移，這些富鎂的熱液流體在深埋藏的高溫高壓環(huán)境下與周圍的灰?guī)r層接觸，將灰?guī)r層中的方解石交代為白云石，在斷裂周圍形成局部的晶粒粗大的熱液白云巖。而且，高溫高壓的深部環(huán)境更加促進(jìn)了這種交代作用的進(jìn)行。

在英東區(qū)塊內(nèi)，馬鞍狀白云石和中-粗晶較干凈白云石通常分布在裂縫和溶蝕孔洞中，晶粒粗大，晶體表面干凈，且常常有黃鐵礦相伴生，這就證實(shí)了這兩類白云石的形成可能與熱液作用相關(guān)。而馬鞍狀白云石一般被認(rèn)為是在熱液地質(zhì)作用中形成。所以，本次研究認(rèn)為馬鞍狀白云石和中-粗晶較干凈白云石是深部熱液在流動(dòng)通道中沉淀形成的，可以用熱液白云石化作用模式來解釋其成因機(jī)制。

4 結(jié)論

(1)從巖性分布上，其中下寒武統(tǒng)發(fā)育有大套泥巖、以白云質(zhì)泥巖為主；中寒武統(tǒng)發(fā)育有大套泥巖、灰質(zhì)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖；上寒武統(tǒng)主要發(fā)育有大套泥晶、粉晶白云巖夾泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖。

(2)通過巖芯和薄片觀察，將區(qū)內(nèi)寒武系白云巖儲(chǔ)層的白云石按晶體大小和自形程度等因素綜合歸納為六種類型，即：①粉-微晶白云石；②粉-中晶它形臟白云石；③粉-中晶較自形白云石；④中-粗晶臟白云石；⑤中-粗晶較干凈白云石；⑥馬鞍狀白云石。

(3)結(jié)合礦物學(xué)特征和陰極發(fā)光分析，認(rèn)為英東區(qū)塊寒武系白云石的成因機(jī)制包括：蒸發(fā)泵、滲透回流、淺埋藏、深埋藏和熱液白云化作用機(jī)制，并且同類白云石往往是多種成因機(jī)制疊加的產(chǎn)物。

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