川東北地區(qū)飛仙關(guān)組碳酸鹽巖成巖環(huán)境及溶蝕作用探討

莊 倩

（黑龍江省地質(zhì)調(diào)查研究總院，黑龍江哈爾濱150000）

四川盆地東北部三疊系飛仙關(guān)組是近年來我國(guó)發(fā)現(xiàn)的重要天然氣儲(chǔ)集層，可采儲(chǔ)量已達(dá)到5000×108m3左右，同時(shí)在開江—梁平陸棚東側(cè)發(fā)現(xiàn)了普光、羅家寨、鐵山坡、渡口河等多個(gè)大、中型天然氣田，這些鮞灘氣藏的可采儲(chǔ)量已超過千億方，川東北已成為我國(guó)油氣的勘探重點(diǎn)地區(qū)之一。所發(fā)現(xiàn)的氣田（藏）主要是殘余鮞粒白云巖，儲(chǔ)集空間主要為巖溶作用形成的孔、洞及縫隙。飛仙關(guān)組發(fā)育的鮞粒白云巖,溶蝕孔洞十分發(fā)育,有效孔隙度可達(dá)20%以上,優(yōu)質(zhì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層厚度較大,并且部分Ⅰ類儲(chǔ)層厚度可達(dá)近百米,連續(xù)厚度的有效儲(chǔ)層大于300m[1-2]。加強(qiáng)對(duì)川東北地區(qū)飛仙關(guān)組碳酸鹽巖儲(chǔ)層沉積環(huán)境及溶蝕作用研究，厘清碳酸鹽巖儲(chǔ)層的成因機(jī)理具有重要意義。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

1.1 區(qū)域構(gòu)造特征

研究區(qū)在地理位置上位于四川盆地東北部，天然氣資源儲(chǔ)集豐富，是我國(guó)西南地區(qū)油氣的主要產(chǎn)出地，多年的勘探研究發(fā)現(xiàn)有普光、羅家寨、渡口河、滾子坪等大中型氣藏。研究區(qū)自震旦紀(jì)以來，經(jīng)歷了加里東期、海西期、印支期、燕山期和喜山期5大構(gòu)造旋回。

研究區(qū)主要的構(gòu)造演化和沉積發(fā)展階段有2期，如圖1所示。一期發(fā)生在震旦紀(jì)至中三疊統(tǒng)，是海相碳酸鹽為主的臺(tái)地相沉積發(fā)展和構(gòu)造演化階段；另一期發(fā)生在晚三疊世至始新世，是以陸相碎屑沉積為主的盆地發(fā)展和構(gòu)造演化階段。研究區(qū)內(nèi)的地層主要是揚(yáng)子地層系統(tǒng)，地層較齊全，震旦系至白堊系各地層均有發(fā)育，區(qū)域內(nèi)的碳酸鹽巖巖性較豐富，代表性巖性有灰、淺灰鮞?；?guī)r、白云巖、生物礁灰?guī)r、粒屑灰?guī)r、殘余鮞粒白云巖等，廣泛分布于下二疊統(tǒng)棲霞組（P1q）、上二疊統(tǒng)長(zhǎng)興組P2c）、下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組（T1f）、下三疊統(tǒng)嘉陵江組（T1j）、中三疊統(tǒng)雷口坡組（T2l）。

1.2 飛仙關(guān)組巖性特征

飛仙關(guān)組地層是一次三級(jí)海平面下降階段的產(chǎn)物，其中伴隨有2次四級(jí)海平面升降過程。研究區(qū)飛仙關(guān)組上覆地層為三疊系嘉陵江組一段，下伏地層為二疊系長(zhǎng)興組，與上覆地層及下伏地層分別成連續(xù)性的整合接觸、不整合接觸，大面積出露于明月峽、南溫泉、豐盛場(chǎng)、瀝鼻峽、中梁山及各核部，是一套淺海相粘土巖、碳酸鹽巖沉積。按海平面升降、古生物、巖性和電性等特征，自下而上可分為4個(gè)巖性段。

一段：上部為黃灰色薄層含泥質(zhì)灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r，灰?guī)r含泥砂質(zhì)重，局部形成泥質(zhì)或砂質(zhì)條帶，具波狀層理及斜層理構(gòu)造。下部為青灰色薄層狀泥巖、中層狀泥灰?guī)r反映了形成水體較深。形成于臺(tái)盆—臺(tái)地相沉積環(huán)境。

二段：紫紅色鈣質(zhì)頁巖與中厚層狀泥質(zhì)灰?guī)r、含白云質(zhì)泥質(zhì)灰?guī)r與泥灰?guī)r互層。頁巖含量總體上多于灰?guī)r。形成于碳酸鹽臺(tái)地—臺(tái)地邊緣沉積環(huán)境。

三段：巖性為中厚層灰白色微晶灰?guī)r、鮞?；?guī)r，粒內(nèi)溶孔與鑄模孔較發(fā)育，含雙殼化石，可見縫合線。形成于碳酸鹽局限臺(tái)地—臺(tái)地邊緣環(huán)境。

四段：為薄—中厚層灰黃色泥質(zhì)灰?guī)r及頁巖，夾生物碎屑灰?guī)r，可見管蟲遺跡化石。巖性特征屬于碳酸鹽局限臺(tái)地—臺(tái)地邊緣相沉積。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)

2 飛仙關(guān)組地層成巖階段劃分

飛仙關(guān)組地層分別與上覆三疊系嘉陵江組及下伏二疊系長(zhǎng)興組呈整合、不整合接觸。為基本連續(xù)漸進(jìn)性埋藏，按照已有的成巖階段的劃分方法，該區(qū)成巖階段可以劃分為同生及早成巖階段、中成巖階段及晚成巖階段。

2.1 飛仙關(guān)組同生及早成巖階段

飛仙關(guān)組巖層成巖作用早期既同生及早成巖階段,埋藏環(huán)境為地表或者淺埋藏。成巖環(huán)境較復(fù)雜，有大氣水滲流環(huán)境、海底環(huán)境及混合水潛流環(huán)境。滲流帶大氣淡水選擇性溶蝕前期形成的巖石,大量鮞粒被溶蝕形成鑄?？?，生物碎屑被溶蝕形成生物?？住＿M(jìn)入潛流在混合水作用下，巖石發(fā)生膠結(jié)作用及混合水白云石化作用,白云石化作用使灰?guī)r轉(zhuǎn)變?yōu)榘自茙r，這就是飛仙關(guān)組大量白云巖形成的原因。

2.2 飛仙關(guān)組中成巖階段

中成巖階段飛仙關(guān)組巖石處于淺、中埋藏狀態(tài)，此時(shí)成巖作用水體為孔隙水環(huán)境，已經(jīng)脫離海水及大氣淡水作用。此時(shí)形成后期膠結(jié)物,主要為細(xì)晶白云石，膠充填了粒間孔隙，使孔隙的連通性變差。該階段飛仙關(guān)組巖層主要發(fā)生重結(jié)晶作用及壓溶作用等。隨著埋藏深度地增加,壓力及溫度均增大，發(fā)生晚期重結(jié)晶作用及壓溶作用。重結(jié)晶作用使細(xì)—微晶白云巖轉(zhuǎn)變?yōu)槲ⅰ劬О自茙r。壓溶作用形成晶體間的縫合線。

2.3 飛仙關(guān)組深埋藏成巖階段

飛仙關(guān)組深埋藏成巖階段，巖石埋藏較深,成巖作用受到壓力、溫度、烴類活動(dòng)及構(gòu)造活動(dòng)等的影響。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使巖石破裂變形，烴類生成使地層水酸性增強(qiáng)，壓力及溫度增高使巖石發(fā)生重結(jié)晶作用。飛仙關(guān)組在烴類進(jìn)入前，巖石原有結(jié)構(gòu)發(fā)生破裂，且后期重結(jié)晶充填，裂隙被完全充填，含有機(jī)酸及H2S等的酸性流體對(duì)碳酸鹽巖進(jìn)行溶蝕，形成大量的溶蝕孔洞，后期為白云石及瀝青充填。

綜上所述，飛仙關(guān)組以上3個(gè)成巖階段中，同生和早期成巖階段成巖作用以白云石化作用及發(fā)生膠結(jié)作用為主，孔隙連通性較差，對(duì)孔隙主要起破壞作用；中成巖階段成巖作用主要有早期的重結(jié)晶作用、膠結(jié)作用及壓溶作用等，對(duì)孔隙主要起到破壞作用；晚成巖階段的成巖作用方式主要是重結(jié)晶作用、溶蝕作用及破裂作用，鮞粒白云巖較發(fā)育，此時(shí)膠結(jié)作用較弱，溶孔較發(fā)育，形成較好儲(chǔ)層。

3 飛仙關(guān)組微量元素特征及成巖環(huán)境分析

3.1 樣品采集、制備及測(cè)試條件

野外盡量采集新鮮的方解石樣品，挑選方解石脈、孔隙充填方解石及溶洞充填方解石，避免因風(fēng)化影響元素的組成。

微量元素測(cè)試的主要流程如下：（1）稱取粉末樣品50mg±1mg，置于清洗干凈的坩堝中；（2）用少量高純水對(duì)樣品進(jìn)行潤(rùn)濕，然后依次加入HNO3（1mL）和HF（1mL），振蕩片刻讓其重復(fù)反應(yīng)；（3）將Teflon坩堝放入鋼套，擰緊后置于烘箱中于190°C±5°C加熱大于48h；（4）樣品溶蝕充分并冷卻后，開蓋置于電熱板上蒸干，然后加入1mLHNO3并再次蒸干（保證Teflon坩堝壁無液體）；（5）加入3mL30%HNO3，再次將Teflon坩堝放入鋼套，擰緊后置于烘箱中于190°C±5°C加熱大于12h；（6）將溶液轉(zhuǎn)入聚乙烯料瓶中，并用2%HNO3稀釋至約100g(對(duì)應(yīng)的稀釋因子為2000)后，密閉保存以備ICP-MS測(cè)試。

本次試驗(yàn)共測(cè)定了11個(gè)方解石樣品，其中一個(gè)為重復(fù)樣，共測(cè)試了37種微量元素的含量，微量元素含量見表1。

表1 川東北方解石微量元素特征測(cè)試結(jié)果[wB（10-6）]

3.2 方解石中微量元素的地球化學(xué)特征及成巖環(huán)境分析

3.2.1w(Sr)/w(Ba)

鋇由于具有較小的溶解度，當(dāng)海水和淡水混合時(shí)，海水中的SO42–與淡水中的Ba2+結(jié)合，較易形成BaSO4沉淀。另一方面由于鋇的離子半徑較大于鍶，易于被粘土礦物、膠體、有機(jī)質(zhì)等吸附，使得海陸過渡相和陸相和沉積物中鋇含量較高，從而進(jìn)入海洋中的鋇較少,海水中鋇含量遠(yuǎn)低于鍶。使得海相沉積物相對(duì)富Sr貧Ba,陸相沉積物相對(duì)富Ba貧Sr,而從陸向海Sr/Ba逐漸增大。上述Sr、Ba的沉積地球化學(xué)行為特征即是利用鍶鋇比進(jìn)行陸源碎屑沉積物海、陸相沉積環(huán)境判別的理論依據(jù)。前人研究認(rèn)為可以用Sr/Ba來作為古鹽度標(biāo)志[3]。前蘇聯(lián)也有很多專家提出:淡水沉積物的Sr/Ba通常小于1,而海水沉積物則大于1。

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，川東北地區(qū)飛仙關(guān)方解石Sr/Ba值大多大于1，反映方解石的形成環(huán)境鹽度較高，受到海水的影響較大。飛仙關(guān)組僅冷水溪地區(qū)一個(gè)方解石樣品中Sr/Ba值小于1，其它地區(qū)大于1，反映成巖流體鹽度較高，大氣淡水對(duì)于原巖的影響相對(duì)較弱。

3.2.2 其它微量元素指標(biāo)

自然界氧化-還原反應(yīng)對(duì)V、Mo、U等變價(jià)元素的遷移、共生、沉淀有重要控制作用。氧化條件下，U、Mo、V、Ce、S等呈高價(jià)(U6+、Mo6+、V5+、Ce4+、S6+)易遷移；還原條件下呈低價(jià)(U4+、Mo4+、V3+、Ce3+、S2-)易沉淀。而Fe、Mn、Cu、Eu等在氧化條件下呈高價(jià)(Fe3+、Eu3+)易沉淀;還原條件下呈低價(jià)(Fe2+、Eu2+)易遷移[4]。Jones B.J等(1994)認(rèn)為DOP（黃鐵礦化度）、w(U/Th)、w(V/Cr)和w(Ni/Co)值及自生鈾(AU=Utotal-Th/3)含量是古缺氧環(huán)境的有效標(biāo)志，并提出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（表2）[5]。

圖2 方解石中Sr-Ba含量關(guān)系圖

實(shí)踐證明，微量元素中U/Th、V/Cr比值是反映沉積環(huán)境氧化還原條件的有效指標(biāo)。一般在缺氧條件下沉積物中V/Cr、U/Th比值分別大于4.25和1.25，在富氧化環(huán)境下為小于2和0.75，而在貧氧環(huán)境下分別居于2～4.25、0.75～11.25之間。

表2 厭氧環(huán)境的地球化學(xué)判別標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)表1中的微量元素結(jié)果了進(jìn)行計(jì)算，除個(gè)別樣品w(U/Th)值接近1.25外，其它樣品w(U/Th)值遠(yuǎn)大于1.25，指示了方解石形成于厭氧環(huán)境，為深埋藏條件；大部分樣品w(V/Cr)值小于2，2個(gè)方解石w(V/Cr)大于4.25，可能情況是方解石形成于缺氧環(huán)境，后期地層受到大氣淡水影響。w(Ni/Co)值均小于5.00，不具有很好的指示意義。w(U/Th)、w(U/Th)、w(Ni/Co)三項(xiàng)指標(biāo)沒有形成統(tǒng)一的指示作用，可能的情況是方解石形成后，受到后期成巖作用的的影響，一些指標(biāo)可靠性變差。

δCe能較好地反映沉積環(huán)境的氧化還原條件，δCe＜0.95為負(fù)異常，通常表示偏氧化環(huán)境；通常δCe＞1為正異常,表示還原環(huán)境[6]。研究區(qū)內(nèi)方解石的δCe值均大于1，說明方解石充填物大多形成于還原環(huán)境。

V/(V+Ni)能夠反映水體的氧化還原環(huán)境，一般氧化環(huán)境比值小于0.46，缺氧環(huán)境比值大于0.46，研究區(qū)飛仙關(guān)組盤龍洞地區(qū)2個(gè)樣品V/(V+Ni)小于0.46外，形成于地表氧化環(huán)境。其它樣品V/(V+Ni)比值均大于0.46，反映大部分地區(qū)樣品形成深部埋藏的缺氧環(huán)境。

綜上所述，Sr/Ba、w(U/Th)、w(V/Cr)、V/(V+Ni)及δCe等指標(biāo)在一定程度上反映了研究區(qū)飛仙關(guān)組方解石主要形成于鹽度較高、深埋藏的還原環(huán)境下?？紫对诼癫丨h(huán)境下經(jīng)受了多期次流體的充填，且不同期次充填物所反映的成巖環(huán)境條件和流體性質(zhì)具有差異。

4 結(jié)論

（1）對(duì)于研究區(qū)飛仙關(guān)組碳酸鹽巖地層，根據(jù)詳細(xì)的野外觀察記錄及室內(nèi)薄片的鑒定，結(jié)合前人對(duì)于該地區(qū)在基礎(chǔ)地質(zhì)方面的研究，下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組碳酸鹽巖成巖階段分為：同生—早成巖階段、中成巖階段及晚成巖階段。同生和早期成巖階段成巖作用以白云石化作用及發(fā)生膠結(jié)作用為主，孔隙連通性較差，對(duì)孔隙主要起破壞作用；中成巖階段成巖作用主要有早期的重結(jié)晶作用、膠結(jié)作用及壓溶作用等，對(duì)孔隙主要起到破壞作用；晚成巖階段的成巖作用方式主要是重結(jié)晶作用、溶蝕作用及破裂作用，鮞粒白云巖較發(fā)育，此時(shí)膠結(jié)作用較弱，溶孔較發(fā)育，形成較好儲(chǔ)層。

（2）研究區(qū)碳酸鹽巖縫隙充填方解石脈中微量元素特征反映了飛仙關(guān)組方解石主要形成于鹽度較高、深埋藏的還原環(huán)境下?？紫对诼癫丨h(huán)境下經(jīng)受了多期次流體的充填，且不同期次充填物所反映的成巖環(huán)境條件和流體性質(zhì)具有差異。

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