R-Q因子分析在塔里木盆地寒武系白云巖巖相分析中的應(yīng)用

景 帥,王起琮,程 浩,丁 卯,2

(1.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,西安 710065;2.中國石油長慶油田分公司第三采氣廠,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300)

碳酸鹽巖儲層是目前最主要的油氣儲層,全球一半以上的油氣資源都儲存于碳酸鹽巖中。而白云巖又是碳酸鹽巖最主要的一類儲層,白云巖儲層約占碳酸鹽巖儲層的50%以上[1]。塔里木盆地寒武系白云巖分布范圍廣、厚度大,生儲蓋條件優(yōu)越,是未來油氣勘探的重要領(lǐng)域。本文以塔里木盆地寒武系白云巖為研究對象，在薄片鑒定及地球化學(xué)元素分析的基礎(chǔ)上嘗試應(yīng)用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)中R-Q因子分析方法,進(jìn)一步開展白云巖巖相、成巖相及其地球化學(xué)特征研究。

塔里木盆地是我國最大的含油盆地,屬于大型的疊合盆地,自震旦紀(jì)至新生代經(jīng)歷了塔里木、加里東、海西、印支、燕山及喜山等多次大規(guī)模構(gòu)造運(yùn)動[2],形成了現(xiàn)今“南北分帶， 東西分塊”的構(gòu)造格局。 盆地內(nèi)部劃分為三隆五坳(圖1)， “三隆”分別為:塔北隆起、 中央隆起帶和塔東隆起(其中中央隆起帶可分為巴楚隆起和塔中隆起)； “五坳”分別為：庫車坳陷、北部坳陷、西南坳陷、塘古坳陷和東南坳陷[3]。

塔里木盆地中西部寒武系地層自下而上依次為:下寒武統(tǒng)玉爾吐斯組、肖爾布拉克組和吾松格爾組;中寒武統(tǒng)沙依里克組、阿瓦塔格組;上寒武統(tǒng)丘里塔格組。白云巖樣品主要采自中央隆起帶和塔北隆起的探井巖心,中4井由于樣品太少,未發(fā)現(xiàn)相應(yīng)白云巖樣品(圖1)。

1 白云巖成巖相的巖相特征

本次實驗采用高倍顯微鏡 DMLP—217400進(jìn)行觀察鑒定,檢測依據(jù)為SY/T 5368—2000,檢測環(huán)境為室溫， 主要測定各種礦物的光學(xué)性質(zhì), 確定巖石的礦物成分, 對巖石的結(jié)構(gòu)、 構(gòu)造進(jìn)行分析, 從而確定巖石類型及對巖石進(jìn)行定名。由同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國家重點(diǎn)實驗室采用Thermo fisher IRIS Advantage型電感耦合等離子光譜儀(ICP-OES)及Thermo fisher VG-X7型電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)進(jìn)行主、 微量元素測試。 測試使用國際標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GSR-5、 GSR-6、 GSD-9), 主量元素精度0.001%, 微量元素精度0.001×10-6。

圖1 塔里木盆地構(gòu)造區(qū)及采樣區(qū)域

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, 成巖相是在成巖環(huán)境中形成的具有特定礦物組分、 巖石結(jié)構(gòu)及構(gòu)造的巖相組合[4]。 在巖心觀察和薄片鑒定的基礎(chǔ)上, 根據(jù)白云巖的礦物組成、 沉積與成巖構(gòu)造特征, 識別出塔里木盆地寒武系白云巖的4個主要成巖相: 準(zhǔn)同生云化相、 活躍回流云化相、 巖溶角礫相、 構(gòu)造破碎相。 這4類白云巖成巖相分別形成于不同的沉積與成巖環(huán)境, 各類成巖相在巖相特征方面有明顯的區(qū)別。

1.1 準(zhǔn)同生云化相

準(zhǔn)同生云化相巖石類型主要為紋層構(gòu)造的泥晶云巖(圖2a)及藻粘結(jié)云巖(圖2b)。 此類成巖相是在低海平面時期或相對海平面下降階段,形成于蒸發(fā)臺地潮上帶及局限臺地潮下帶和潮間帶的一種成巖相類型。

蒸發(fā)臺地潮上帶由于強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用,剛沉積不久的表層沉積物中的粒間水不斷蒸發(fā),引起沉積物中的孔隙水鹽度升高,其交代文石及方解石,形成潮上帶的準(zhǔn)同生泥晶白云巖[5]。

局限臺地潮下帶和潮間帶,由于海水的注入量小于潟湖的蒸發(fā)量,所以會引起海水鹽度的升高,高鹽度的海水交代湖底沉積的灰泥、灰屑和生屑沉積物,形成準(zhǔn)同生泥晶白云巖、準(zhǔn)同生藻灰?guī)r或準(zhǔn)同生含生屑泥晶白云巖。此類白云巖主要分布于下寒武統(tǒng)的吾松格爾組、中寒武統(tǒng)的沙依里克組和阿瓦塔格組。

1.2 活躍回流云化相

活躍回流云化相的巖石類型主要包括殘余鮞粒、砂屑、礫屑，具有明顯的殘余顆粒結(jié)構(gòu)(圖2c), 發(fā)育晶間孔隙(圖2d)。此類成巖相是在低海平面時期及相對海平面緩慢下降階段,發(fā)生于局限臺地邊緣和潮間帶的一種成巖相類型。

臺地邊緣和潮間帶由于具有較強(qiáng)的水動力,因此在這種環(huán)境中廣泛發(fā)育著灰質(zhì)鮞粒、生屑、藻粒等具有滲透性的顆粒沉積物,以及具有藻粘結(jié)結(jié)構(gòu)的灰質(zhì)沉積。蒸發(fā)臺地的地層水通過大氣降水和風(fēng)暴流得到補(bǔ)充,形成具有混合水特征的半咸水。半咸水自蒸發(fā)臺地通過滲透性的顆粒沉積物源源不斷地向盆地或洼地中滲流,在長期的滲流過程中不斷交代淺埋藏的灰質(zhì)顆粒,從而形成了具有殘余顆粒結(jié)構(gòu)特征的結(jié)晶白云巖[6]。此類白云巖主要分布于下寒武統(tǒng)玉爾吐斯組、肖爾布拉克組和上寒武統(tǒng)丘里塔格組。

1.3 巖溶角礫相

風(fēng)化殼巖溶角礫成巖相的巖石類型主要為中-粗異形晶白云巖, 富含馬鞍形異形晶, 粗晶白云石多見環(huán)帶結(jié)構(gòu)(圖2e)。 此類成巖相是盆地在相對海平面強(qiáng)制下降階段, 形成于暴露于大氣淡水環(huán)境的隆起區(qū)頂部的一種成巖相類型。 在相對海平面下降階段, 碳酸鹽巖臺地隆起區(qū)露出地表，暴露于大氣淡水環(huán)境中, 遭受淡水淋濾與溶蝕作用, 形成巖溶風(fēng)化殼, 蒸發(fā)鹽易被溶蝕作用溶解, 從而導(dǎo)致石灰?guī)r或白云巖巖層塌落, 形成巖溶角礫巖。 相對海平面再次上升后, 臺地在風(fēng)化殼上重新接受沉積, 使風(fēng)化殼進(jìn)入埋藏階段, 經(jīng)膠結(jié)、 溶解及重結(jié)晶作用后, 最終形成埋藏的風(fēng)化殼巖溶相。

風(fēng)化殼巖溶相結(jié)構(gòu)組分不均一、晶體為不等晶或中-粗晶。盆地內(nèi)巴楚、塔中隆起區(qū)廣泛發(fā)育具有殘余巖溶角礫結(jié)構(gòu)的中-粗晶白云巖。此類白云巖主要分布于上寒武統(tǒng)丘里塔格組。

1.4 構(gòu)造破碎相

構(gòu)造破碎相是分布于斷裂帶兩側(cè),具有剛性碎裂特征，被酸性熱液埋藏溶蝕后形成溶蝕孔隙的一種成巖相類型。

構(gòu)造破碎作用使脆性原巖變成角礫狀,熱液的溶蝕使之形成具有孔隙的構(gòu)造角礫巖。此類白云巖具角礫構(gòu)造和中-粗晶結(jié)構(gòu)(圖2f),埋藏溶蝕作用形成了大量溶蝕孔洞,角礫之間以及部分孔洞中充填了熱液的硅質(zhì)膠結(jié)物。此類白云巖主要分布于上寒武統(tǒng)丘里塔格組。

2 R-Q因子分析基本原理

R-Q型因子分析是在R型和Q型因子分析的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種多元分析方法，是由法國統(tǒng)計學(xué)家Benzecri在20世紀(jì)70年代提出來的,是目前應(yīng)用最廣泛的一種方法。

R-Q型因子分析方法是把分析變量相關(guān)關(guān)系的R型分析方法和分析樣品相關(guān)關(guān)系的Q型分析方法統(tǒng)一起來的一種分析方法。因為變量空間和樣品空間的因子軸具有相同的尺度,所以在分別求出R型和Q型的因子負(fù)荷以后,可選用Q型的因子軸F0和F1來表示樣品和變量的投影平面，然后將R型因子的負(fù)荷向量作為變量的坐標(biāo)值,將Q型因子的負(fù)荷向量作為樣品的坐標(biāo)值投影到F0和F1所構(gòu)成的坐標(biāo)系中,最后得到對樣品和變量分析的點(diǎn)聚圖。對點(diǎn)聚圖上的樣品點(diǎn)群和變量點(diǎn)群進(jìn)行研究之后會發(fā)現(xiàn),相同或相似地質(zhì)成因的巖石樣品聚集成點(diǎn)群，具有相同或相似成因的變量聚集形成點(diǎn)群[7-9]。靠近巖石樣品點(diǎn)群的變量點(diǎn)群,從一定程度上可以幫助鑒別巖石類型及成因。因此應(yīng)用R-Q因子分析的方法得到的點(diǎn)聚圖可以對巖石樣品進(jìn)行相關(guān)性分析。

3 R-Q因子點(diǎn)聚圖分析

由于白云巖的成巖環(huán)境不同,其地球化學(xué)元素在類型及含量等方面有著一定的區(qū)別。筆者在白云巖成巖相分析的基礎(chǔ)上,聯(lián)系不同的地球化學(xué)元素,應(yīng)用R-Q因子分析方法進(jìn)行白云巖成巖相的地球化學(xué)特征研究。

根據(jù)元素分析實驗數(shù)據(jù)(表1),選取Fe、 Ca、 Mg、 Mn、 Sr及主要的稀土元素Eu、 La、 Ce、 Yb作為R-Q因子分析的變量進(jìn)行分析。 分析過程中獲得樣品的方差貢獻(xiàn)率, 方差貢獻(xiàn)率越高表明樣品所攜帶的信息越多。 一般前兩個主因子累計貢獻(xiàn)率達(dá)到80%以上,即認(rèn)為這兩個主因子能說明原始數(shù)據(jù)的大部分信息,可以得到較好的分析效果。

分析結(jié)果顯示(表2), 第一特征值方差貢獻(xiàn)率(λ1)為65.43%,第二特征值方差貢獻(xiàn)率(λ2)為19.37%,累計貢獻(xiàn)率達(dá)84.80%,表明由這兩個主因子所組成的平面點(diǎn)聚圖包含了原始數(shù)據(jù)的大部分信息[10]。

因此選擇樣品分析Q型因子負(fù)荷的因子軸F0和F1的數(shù)據(jù)(表3)來表示投影平面, 再將代表變量分析的R型因子負(fù)荷的數(shù)據(jù)(表4)在該平面進(jìn)行投影,最終得到白云巖地球化學(xué)元素R-Q因子分析的點(diǎn)聚圖。

表1 塔里木盆地寒武系白云巖地化元素分析數(shù)據(jù)

3.1 準(zhǔn)同生云化相

準(zhǔn)同生云化相的樣品分布于Fe、 Mn、 Sr三種元素附近(圖3), 顯示出彼此具有一定的相關(guān)性。此類白云巖在成巖過程中有部分陸源碎屑混入,因此相對富含代表地表環(huán)境的Fe、Mn元素。準(zhǔn)同生白云巖中往往含有少量取代晶格中Ca離子的Sr元素,所以此類白云巖顯示與Sr具有相關(guān)性。

表2 R-Q因子分析特征值貢獻(xiàn)率

表3 白云巖樣品Q型因子負(fù)荷向量矩陣

表4 白云巖樣品R型因子負(fù)荷向量矩陣

圖3 塔里木盆地寒武系白云巖R-Q因子分析圖

3.2 活躍回流云化相

活躍回流云化相樣品的點(diǎn)群基本投影在Mg元素周圍(圖3) 。此類白云巖的原巖為顆?；?guī)r,顆粒灰?guī)r中的孔隙成為自蒸發(fā)臺地向盆地回流的高鎂半咸水滲流運(yùn)移的通道,在長期的滲流過程中高鎂半咸水與顆?；?guī)r發(fā)生比較徹底的交代作用,形成基本不含其他雜質(zhì)的、結(jié)晶程度較好的具有殘余顆粒結(jié)構(gòu)的白云巖?；亓鞯母哝V半咸水來自于海水,所以此類白云巖與稀土元素的相關(guān)性較弱。

3.3 巖溶角礫相

形成的巖溶角礫白云巖樣品點(diǎn)群分布于稀土元素和鎂元素周圍(圖3), 顯示出兩者之間具有明顯的相關(guān)性。 風(fēng)化殼巖溶角礫間充填大量泥質(zhì)組分， 泥質(zhì)組分容易吸附稀土元素, 所以此類樣品和稀土元素顯示出明顯的相關(guān)性。 由于經(jīng)歷了流失Sr元素的溶蝕作用, 因此與Sr元素的相關(guān)性較低。

3.4 構(gòu)造破碎相

此類白云巖樣品周圍的元素為Mg、Ca(圖3), 顯示出此類白云巖的成因與Mg、 Ca兩種元素有相關(guān)性。 此類白云巖的原巖經(jīng)構(gòu)造破碎作用, 巖石發(fā)生剛性碎裂, 構(gòu)造角礫白云巖原巖為殘余顆粒結(jié)構(gòu)白云巖, 白云化程度高。此類白云巖由于缺少陸源黏土組分, 所以與易被黏土吸附的稀土元素相關(guān)性很弱。

4 白云巖成巖相的地球化學(xué)特征

4.1 Fe、Mn元素

Fe、Mn含量與碳酸鹽巖的陰極發(fā)光性有著密切的關(guān)系[11]。 Mn是激活劑,激發(fā)陰極發(fā)光, 而Fe是猝滅劑,猝滅陰極發(fā)光。 Fe、 Mn含量及其比值決定了陰極發(fā)光的強(qiáng)度[12]。 碳酸鹽礦物的陰極發(fā)光性在檢測海相碳酸鹽礦物成巖蝕變性方面具有很好的實用性。

黃思靜[13]根據(jù)大量分析數(shù)據(jù)繪制了碳酸鹽礦物的陰極發(fā)光性與其Fe、Mn含量的關(guān)系圖,將本研究區(qū)4類白云巖的Fe、 Mn含量分析數(shù)據(jù)點(diǎn)投到該關(guān)系圖(圖4)上, 分析發(fā)現(xiàn), 構(gòu)造角礫白云巖由于Mn含量較高、 Fe含量較低， 陰極發(fā)光強(qiáng)度為中等發(fā)光到強(qiáng)發(fā)光; 活躍回流白云巖由于受淡水影響, Fe、 Mn含量中等, 在該圖上主要分布于弱發(fā)光區(qū)域; 巖溶角礫白云巖由于Fe含量偏高,陰極發(fā)光猝滅而弱發(fā)光, 主要分布于弱發(fā)光區(qū)域; 準(zhǔn)同生白云巖由于沉積于海平面相對較低, 富含地表環(huán)境的Fe、 Mn元素, 但由于Fe元素含量偏高,猝滅陰極發(fā)光而弱發(fā)光。

圖4 塔里木盆地寒武系白云巖Fe-Mn交會圖(底圖據(jù)文獻(xiàn)[13])

4.2 Cr、Cs元素

各類白云巖成因不同,所以微量元素Cr、Cs含量有明顯區(qū)別(圖5)。銫離子半徑很大,容易失去電子,是具有很強(qiáng)的地球化學(xué)活潑性的一種稀堿金屬元素[14]。遇水極易發(fā)生反應(yīng)生成氫氧化銫,絕大部分銫鹽易溶于水,隨水發(fā)生遷移,因此活躍回流白云巖由于受淡水影響,Cs含量偏低;構(gòu)造角礫白云巖由于經(jīng)受溶蝕作用,Cs含量也顯示低值。電負(fù)性膠體粒子極易吸附Cs[14],因此在富含黏土的巖溶角礫白云巖中,Cs含量偏高,準(zhǔn)同生白云巖往往含泥,因此Cs含量也較高。

Cr是鐵族元素的一種,顯示強(qiáng)的親氧性[15]。在自然界中主要形成復(fù)雜的化合物的礦物,很難隨水發(fā)生遷移。其含量往往隨水體堿性的增強(qiáng)而升高,因此在形成于鹵水環(huán)境的準(zhǔn)同生白云巖和形成于活躍回流云化作用的白云巖中Cr元素的含量明顯高于沒有鹵水參與的構(gòu)造角礫白云巖和巖溶角礫白云巖。

圖5 塔里木盆地寒武系白云巖Cr-Cs交會圖

4.3 稀土元素及Sr元素

稀土元素在自然界分布比較廣泛,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,很容易保存于稀土礦物之中。稀土元素易被黏土吸附,因此在含有大量泥質(zhì)組分的巖溶角礫白云巖和準(zhǔn)同生白云巖中稀土元素顯示高值;活躍回流白云巖由于形成于回流云化作用,成巖環(huán)境相對開放而導(dǎo)致稀土元素流失,從而顯示低值;構(gòu)造角礫白云巖的原巖為活躍回流白云巖,所以稀土含量相對較低(圖6)。

圖6 塔里木盆地寒武系白云巖稀土元素與Sr交會圖

Sr在海水中的豐度很高,但是經(jīng)過成巖改造的白云巖具有較低的Sr含量,這是由于Sr的化學(xué)活動性強(qiáng),極易流失,因此活躍回流白云巖、構(gòu)造角礫白云巖和巖溶角礫白云巖中Sr含量偏低,而準(zhǔn)同生白云巖由于在成巖過程中晶格中的Ca被Sr取代,并且因為受表生及埋藏溶蝕作用的影響,所以Sr含量偏高(表5)。

表5 白云巖成巖相與地化特征對照

5 結(jié) 論

(1)通過R-Q因子分析法對不同成因的白云巖展開分析,發(fā)現(xiàn)不同成因的白云巖樣品在R-Q因子點(diǎn)聚圖上明顯聚集成不同的點(diǎn)群,可以用來區(qū)分不同成因的白云巖,從而建立有效的地球化學(xué)識別模板。

(2)R-Q因子分析明確了不同成因的白云巖元素類型及含量變化特征,與構(gòu)造角礫白云巖最相關(guān)的元素為Mg和Ca,代表了鹵水成巖環(huán)境;Mg元素與活躍回流白云巖最為相關(guān),代表了淺埋藏的成巖環(huán)境;巖溶角礫白云巖與Mg元素和稀土元素相關(guān),代表了相對開放的成巖環(huán)境;準(zhǔn)同生白云巖與Fe、Mn、Sr三種元素相關(guān),代表了地表成巖環(huán)境。

(3)構(gòu)造角礫白云巖由于發(fā)生溶蝕作用,所以活動性元素Cs和Sr含量顯示低值,但Fe、Mn含量中等;活躍回流白云巖及準(zhǔn)同生白云巖由于有鹵水參與成巖,所以Cr含量顯示高值,二者相比較準(zhǔn)同生白云巖更加富含地表代表元素Fe、Mn;巖溶角礫白云巖暴露于大氣淡水環(huán)境,所以Cs含量顯示低值,但是由于有巖溶風(fēng)化殼的形成,所以稀土元素含量較高。