面掃描和定年技術(shù)在古老碳酸鹽巖儲(chǔ)集層研究中的應(yīng)用
——以塔里木盆地西北部震旦系奇格布拉克組為例

楊翰軒 ，胡安平 ，鄭劍鋒 ，梁峰 ，羅憲嬰 ，俸月星，沈安江

（1. 中國(guó)石油杭州地質(zhì)研究院，杭州 310023；2. 中國(guó)石油集團(tuán)碳酸鹽巖儲(chǔ)層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310023；3. 昆士蘭大學(xué)地球與環(huán)境科學(xué)學(xué)院放射性同位素實(shí)驗(yàn)室，澳大利亞布里斯班 QLD4072）

0 引言

碳酸鹽礦物的高化學(xué)活動(dòng)性使碳酸鹽巖在沉積后易于發(fā)生成巖作用，導(dǎo)致原生孔隙充填和次生孔隙形成等孔隙改造事件的發(fā)生，使其具備成為優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)儲(chǔ)集層的潛力[1]。這些孔隙改造事件及其所發(fā)生的成巖環(huán)境在過去幾十年內(nèi)已得到了廣泛而深入的研究，膠結(jié)物的形態(tài)[2-3]、分布樣式[4-5]及地球化學(xué)特征[6-7]是主要的識(shí)別依據(jù)。在此研究基礎(chǔ)上建立的儲(chǔ)集層成巖-孔隙演化地質(zhì)模型是明確儲(chǔ)集層成因和評(píng)價(jià)成藏有效性的關(guān)鍵[2]。但中國(guó)海相碳酸鹽巖具年代老、埋深大、位于疊合盆地下構(gòu)造層、經(jīng)歷多期改造等特點(diǎn)[8]，應(yīng)用傳統(tǒng)方法開展成巖環(huán)境-孔隙演化研究時(shí)面臨兩方面的問題：一是古老碳酸鹽巖成巖組構(gòu)所具有的小尺度、多期次特點(diǎn)導(dǎo)致傳統(tǒng)成巖環(huán)境研究所依賴的薄片觀察和全巖分析的適用性有限[9]，制約了對(duì)儲(chǔ)集層成因的認(rèn)識(shí)，因此應(yīng)用高空間分辨率的研究手段成為必然趨勢(shì)；二是傳統(tǒng)孔隙演化研究所依賴的巖石學(xué)方法僅可通過組構(gòu)交割關(guān)系定性地判斷孔隙改造事件的相對(duì)次序，但無法提供定量的年代學(xué)信息從而實(shí)現(xiàn)對(duì)油氣運(yùn)移前儲(chǔ)集層孔隙度的判識(shí)，而油氣運(yùn)移前孔隙度的測(cè)算是成藏有效性評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容之一。近年來出現(xiàn)的元素激光面掃描成像技術(shù)和碳酸鹽礦物激光 U-Pb定年技術(shù)具有原位、高精度、高空間分辨率等特點(diǎn)，在解決上述兩方面問題上具有良好的應(yīng)用前景。

塔里木盆地上震旦統(tǒng)奇格布拉克組微生物白云巖儲(chǔ)集層發(fā)育格架（溶）孔、泡沫綿層窗格孔、巖溶孔洞等多種儲(chǔ)集空間[10-12]，垂向上與下寒武統(tǒng)玉爾吐斯組烴源巖和下震旦統(tǒng)—南華系潛在烴源巖緊鄰[13-14]，野外露頭可見大量瀝青，顯示出良好的含油氣前景。前人提出奇格布拉克組經(jīng)歷多期成巖疊加改造[15]，但受制于上述兩方面問題，其成巖環(huán)境演化、儲(chǔ)集層成因和油氣運(yùn)移前有效孔隙度等問題始終認(rèn)識(shí)不清，這也成為現(xiàn)今制約奇格布拉克組儲(chǔ)集層預(yù)測(cè)和成藏有效性評(píng)價(jià)的重要問題之一。

本文以塔里木盆地西北部（簡(jiǎn)稱塔西北）阿克蘇地區(qū)肖爾布拉克西溝剖面震旦系奇格布拉克組為例，應(yīng)用元素激光面掃描成像技術(shù)和碳酸鹽礦物激光U-Pb同位素定年技術(shù)，開展基于地球化學(xué)信息的成巖環(huán)境和基于絕對(duì)年齡的成巖-孔隙演化研究，明確儲(chǔ)集層成巖環(huán)境演化、儲(chǔ)集空間成因及其形成時(shí)間，并實(shí)現(xiàn)對(duì)油氣運(yùn)移前有效孔隙的判識(shí)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

塔里木盆地是中國(guó)西部最大的含油氣疊合盆地，夾持于天山、西昆侖山和阿爾金山構(gòu)成的環(huán)形山鏈之間，整體呈菱形。塔里木盆地在南華紀(jì)受Rodinia超大陸裂解的影響進(jìn)入拉張裂谷演化階段，盆地基底開始接受蓋層沉積[16]。震旦紀(jì)以來隨著地幔柱活動(dòng)逐漸衰退，盆地由克拉通裂陷期進(jìn)入克拉通內(nèi)拗陷期[17]。在早震旦世填平補(bǔ)齊基礎(chǔ)上，晚震旦世盆地在中央古隆起以北形成了廣海碳酸鹽緩坡[18]（見圖1a）。前期工作認(rèn)為塔西北上震旦統(tǒng)奇格布拉克組發(fā)育一套內(nèi)緩坡—中緩坡沉積[12]，與下伏蘇蓋特布拉克組碎屑巖呈平行不整合接觸。震旦紀(jì)末柯坪運(yùn)動(dòng)引起的抬升剝蝕導(dǎo)致奇格布拉克組頂部發(fā)育巖溶風(fēng)化殼[10]。寒武紀(jì)初期發(fā)生快速海侵，在奇格布拉克組之上覆蓋了玉爾吐斯組優(yōu)質(zhì)烴源巖。自柯坪運(yùn)動(dòng)后，研究區(qū)又經(jīng)歷了 4期主要的區(qū)域性構(gòu)造事件[19-20]，分別為加里東晚期運(yùn)動(dòng)、海西晚期運(yùn)動(dòng)、印支運(yùn)動(dòng)和燕山末期運(yùn)動(dòng)，其中加里東晚期和印支期是盆地深部熱事件最活躍的時(shí)期[21]。上述構(gòu)造事件可引起表生溶蝕、熱液改造及成巖流體運(yùn)移等事件，對(duì)于碳酸鹽巖儲(chǔ)集層的形成、富集和貧化具有重要的控制作用[8]。

肖爾布拉克西溝剖面是研究區(qū)上震旦統(tǒng)較完整典型的剖面[15]，基于剖面實(shí)測(cè)結(jié)果將奇格布拉克組分為4個(gè)以微生物巖為主的巖性段（見圖1b）：①厚22.55 m，薄層微生物白云巖與碎屑巖互層；②厚47.35 m，以薄層水平—微波狀疊層石云巖為主，與顆粒云巖及凝塊石云巖構(gòu)成若干旋回；③厚43.00 m，厚層—塊狀泡沫綿層石云巖、凝塊石云巖構(gòu)成若干旋回，疊層石發(fā)育程度驟降；④厚60.60 m，頂部10.50 m為巖溶角礫云巖，下伏地層巖性同第③段，但大量發(fā)育扁平順層狀溶縫，溶縫規(guī)模從數(shù)厘米到數(shù)米不等，內(nèi)部充填多期膠結(jié)物，分布于不整合面以下10～50 m范圍內(nèi)，被認(rèn)為是巖溶潛流帶的產(chǎn)物[10]，向下規(guī)模逐漸變小與巖溶強(qiáng)度減弱有關(guān)，溶縫的宏、微觀特征均與四川盆地?zé)粲敖M葡萄花邊構(gòu)造類似，故稱為花邊構(gòu)造（見圖2a）。

圖1 塔里木盆地晚震旦世巖相古地理圖（a）及肖爾布拉克西溝剖面震旦系奇格布拉克組綜合柱狀圖（b）

奇格布拉克組發(fā)育2類儲(chǔ)集層（見圖1b）：①中部?jī)?chǔ)集層段發(fā)育微生物白云巖儲(chǔ)集層，儲(chǔ)集空間以泡沫綿層窗格孔和微生物格架（溶）孔為主，儲(chǔ)集層發(fā)育受沉積微相和高頻旋回控制[11-12]；②上部?jī)?chǔ)集層段發(fā)育巖溶儲(chǔ)集層，儲(chǔ)集空間包括泡沫綿層窗格孔和巖溶孔洞，儲(chǔ)集層發(fā)育受沉積微相和震旦紀(jì)末的抬升剝蝕控制。

2 樣品特征

2.1 白云石膠結(jié)物巖石學(xué)特征

膠結(jié)物是碳酸鹽巖成巖環(huán)境研究的重要載體[2]。鏡下觀察發(fā)現(xiàn)奇格布拉克組各類儲(chǔ)集空間中充填多種類型膠結(jié)物，根據(jù)其形態(tài)、粒徑及發(fā)育序列分為以下5類。

纖狀環(huán)邊白云石普遍發(fā)育于奇格布拉克組第④段的各類儲(chǔ)集空間中，以薄層環(huán)邊的形式分布于孔隙和溶蝕孔洞邊緣（見圖2b）。薄層環(huán)邊具有多圈層、明暗相間的特征，由垂直于孔隙邊緣緊密生長(zhǎng)的纖狀白云石構(gòu)成。盡管極為常見，但其占據(jù)儲(chǔ)集空間的比例不大。

葉片狀白云石是繼纖狀環(huán)邊白云石之后發(fā)育于順層溶縫中的第 2期膠結(jié)物，其晶體明顯大于纖狀環(huán)邊白云石而呈葉片狀，集合體同樣呈環(huán)邊狀圍繞溶縫邊緣向中心生長(zhǎng)（見圖2c）。但不同于纖狀環(huán)邊白云石，葉片狀白云石僅在規(guī)模較大的順層溶縫中發(fā)育完好，在規(guī)模較小的孔隙、孔洞中較少發(fā)育。

細(xì)粉晶粒狀白云石是奇格布拉克組最常見的膠結(jié)物類型，廣泛分布于各類儲(chǔ)集空間中，其晶體干凈明亮，與較暗色的纖狀環(huán)邊白云石和葉片狀白云石差異顯著，粒徑常小于0.2 mm，呈他形—半自形（見圖2d）。

中晶粒狀白云石僅見于規(guī)模較大的孔洞、溶縫中，粒徑大小與晶體生長(zhǎng)空間大小呈正比。該類膠結(jié)物晶體同樣較干凈明亮，粒徑為0.25～0.50 mm，自形程度較好，呈半自形—自形（見圖2e）。

馬鞍狀白云石主要分布于規(guī)模較大的順層溶縫和頂部巖溶角礫間，是充填于順層溶縫中的最晚期成巖產(chǎn)物，晶形粗大，具有馬鞍狀外形，正交光下呈現(xiàn)出波狀消光特征，并與石英相伴生，指示了熱液成因（見圖 2f）。

2.2 測(cè)試樣品特征

前述膠結(jié)物充填于奇格布拉克組的各類儲(chǔ)集空間中，中部?jī)?chǔ)集層段由于受柯坪運(yùn)動(dòng)影響程度低，僅發(fā)育細(xì)粉晶和中晶粒狀白云石，其特征與上部?jī)?chǔ)集層段中的粒狀白云石完全一致，而上部?jī)?chǔ)集層段的花邊構(gòu)造中膠結(jié)物序列較完整，可見全部 5類膠結(jié)物。故本文選取奇格布拉克組第④段中的花邊構(gòu)造作為測(cè)試樣品，其可完整代表奇格布拉克組的成巖序列，是反映成巖-孔隙演化史的理想對(duì)象。同時(shí)由于兩類粒狀白云石大量充填于儲(chǔ)集空間中，是造成儲(chǔ)集性變差的主要原因，因此明確成巖產(chǎn)物的發(fā)育環(huán)境和形成時(shí)間，不僅可為成巖-孔隙演化史的建立提供重要信息，而且對(duì)油氣運(yùn)移前孔隙的判識(shí)和有效成藏組合的理解具有重要意義。

本文樣品均來自塔西北阿克蘇地區(qū)肖爾布拉克西溝剖面上震旦統(tǒng)奇格布拉克組。采樣位置、樣品特征見圖 1b、圖 3。根據(jù)沈安江等[22]介紹的制樣流程，將樣品制成直徑2.5 cm的靶樣或厚100 μm的薄片，并在超凈實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行前處理以消除樣品表面污染。

圖2 塔西北奇格布拉克組花邊構(gòu)造及白云石膠結(jié)物巖石學(xué)特征

3 實(shí)驗(yàn)技術(shù)及方法

3.1 實(shí)驗(yàn)技術(shù)

3.1.1 元素激光面掃描成像技術(shù)

分析技術(shù)的進(jìn)步使元素含量分析已從全巖分析發(fā)展至原位點(diǎn)分析[9]。古老碳酸鹽巖多期膠結(jié)物組成往往具有高度不均一性，故利用元素面掃描成像技術(shù)直觀呈現(xiàn)樣品在毫米—厘米級(jí)區(qū)域內(nèi)元素的平面變化特征，對(duì)于理解其形成過程顯得至關(guān)重要[23-24]。國(guó)內(nèi)外已應(yīng)用多種微區(qū)分析技術(shù)對(duì)樣品元素含量進(jìn)行了定量成像，但各類儀器在檢測(cè)限、分辨率、分析程序及成本等方面各有優(yōu)劣[24]。最近興起的LA-ICP-MS方法具有分析時(shí)間短、成本低、制樣流程簡(jiǎn)單、檢測(cè)限低和多元素同時(shí)分析等優(yōu)點(diǎn)，拓展了面掃描成像技術(shù)在地球科學(xué)中的應(yīng)用。前人主要將該技術(shù)應(yīng)用于探討金屬礦物[25]、巖漿巖礦物[26]、石筍[27-28]等的形成過程及形成環(huán)境，本文以奇格布拉克組為例，將該技術(shù)應(yīng)用于古老碳酸鹽巖的成巖環(huán)境研究（見圖4）。

3.1.2 碳酸鹽礦物激光U-Pb同位素定年技術(shù)

碳酸鹽巖廣泛發(fā)育于各種地質(zhì)環(huán)境中，碳酸鹽礦物定年技術(shù)在確定地質(zhì)事件年齡方面具有廣闊的應(yīng)用前景[29]，但 Rb-Sr、K-Ar、Re-Os和 Nd-Sm定年法均無法獲得碳酸鹽礦物穩(wěn)定可靠的絕對(duì)年齡[30]。Moorbath等[31]最早證實(shí)了鈾系定年法在碳酸鹽巖中應(yīng)用的可行性，隨后 Smith和 Farquhar[32]陸續(xù)報(bào)道了低鈾碳酸鹽巖（鈾含量為（100～500）×10-9）U-Pb同位素定年的實(shí)例，使得U-Pb放射性定年法成為目前唯一適用于碳酸鹽成巖礦物的絕對(duì)地質(zhì)年代計(jì)[33]。該方法被廣泛應(yīng)用于洞穴石筍[34]、鈣質(zhì)結(jié)核[35]、鈣質(zhì)化石[36]、方解石脈[37]、滲透回流白云巖[38]以及孔洞膠結(jié)物[22,33]等材料，以確定文石礦物相轉(zhuǎn)化[36]、斷層滑動(dòng)[37]、白云化作用[38]、區(qū)域構(gòu)造及成巖流體活動(dòng)[22,33]等事件的發(fā)生時(shí)間。特別對(duì)于成巖膠結(jié)物而言，確定導(dǎo)致其沉淀的成巖事件的絕對(duì)年齡，能夠極大深化對(duì)儲(chǔ)集層整體演化的認(rèn)識(shí)，并可對(duì)熱史和成藏史研究提供支撐。

圖3 測(cè)試樣品特征（取樣位置見圖1b）

過去碳酸鹽礦物U-Pb定年依賴同位素稀釋法，但微鉆取樣、化學(xué)提純等預(yù)處理程序極為繁瑣耗時(shí)，并具有污染樣品的潛在風(fēng)險(xiǎn)，限制了該方法的推廣。隨著ASH-15[34]、WC-1[39]和 AHX-1[22]等激光定年標(biāo)樣的開發(fā)，激光剝蝕方法在碳酸鹽礦物U-Pb定年中得到成功應(yīng)用。利用直徑30～250 μm的激光束斑，在單一成因組構(gòu)內(nèi)進(jìn)行30～60次單點(diǎn)剝蝕，擬合等時(shí)線年齡。與同位素稀釋法相比，激光剝蝕方法具有高分辨率（大于5 μm）、高準(zhǔn)確度、高成功率、高分析速度等優(yōu)勢(shì)，為微區(qū)精細(xì)研究的開展提供了支撐[33]。本文以奇格布拉克組為例，將該技術(shù)應(yīng)用于古老碳酸鹽巖的成巖-孔隙演化研究和油氣運(yùn)移前孔隙的測(cè)算（見圖5）。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

元素激光面掃描成像分析完成于昆士蘭大學(xué)放射性同位素實(shí)驗(yàn)室，激光剝蝕系統(tǒng)為ASI RESOlution SE，剝蝕使用邊長(zhǎng)50 μm的方形束斑，激光能量3 J/cm2，剝蝕頻率20 Hz，束斑移動(dòng)速率0.05 mm/s，測(cè)試質(zhì)譜儀為 Thermo iCap-RQ ICP-MS。測(cè)試使用的外標(biāo)為NIST614[40]，原始數(shù)據(jù)利用Iolite 3.6處理后生成元素分布圖像[26,41]。

碳酸鹽礦物 U-Pb同位素測(cè)年數(shù)據(jù)同樣完成于昆士蘭大學(xué)放射性同位素實(shí)驗(yàn)室，激光剝蝕系統(tǒng)為 ASI RESOlution SE，剝蝕使用直徑100 μm的圓形束斑，激光能量3 J/cm2，剝蝕頻率10 Hz，單點(diǎn)剝蝕時(shí)間15～25 s，測(cè)試質(zhì)譜儀為 Thermo iCap-RQ ICP-MS和 Nu Plasma II MC-ICPMS。測(cè)試使用的外標(biāo)為NIST614[40]和 WC-1[39]，年齡監(jiān)控標(biāo)樣為 AHX-1[22]。原始數(shù)據(jù)經(jīng)Iolite 3.6處理后[41]，利用Isoplot 3.0計(jì)算年齡并繪制Tera-Wasserburg 諧和圖[42]。

激光碳氧同位素組成、鍶同位素組成及陰極發(fā)光測(cè)試完成于中國(guó)石油集團(tuán)碳酸鹽巖儲(chǔ)層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。測(cè)試方法參見Pan等[43]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

4.1 成巖環(huán)境重建與儲(chǔ)集層成因

4.1.1 纖狀環(huán)邊白云石

纖狀環(huán)邊膠結(jié)物被普遍認(rèn)為形成于海底成巖環(huán)境，由文石或高鎂方解石前驅(qū)物被交代而成[44-45]。在元素面掃描圖像中，該類膠結(jié)物的Li、Mn、Fe、Sr、Ba、Th、U等元素含量與圍巖均較為一致，反映與圍巖具有相似的形成環(huán)境。氧同位素值為-6.566‰～-4.810‰，略低于圍巖；鍶同位素組成比值（87Sr/86Sr）為0.708 840，與同期海水接近[46]。陰極發(fā)光下主體為昏暗發(fā)光，夾橘紅色中等發(fā)光環(huán)帶，同樣與圍巖特征十分接近。因此認(rèn)為纖狀環(huán)邊膠結(jié)物是海水膠結(jié)作用的產(chǎn)物。

特殊的是，纖狀環(huán)邊白云石的明暗紋層中Mn、U含量存在顯著變化，如在元素面掃描圖像中高 Mn含量（約為 500×10-6）的暗色紋層表現(xiàn)為亮色條帶，低Mn含量（小于100×10-6）的亮色紋層則呈現(xiàn)為藍(lán)色條帶（見圖4g）。前人研究表明，震旦紀(jì)全球發(fā)育鐵質(zhì)海洋，具有表層弱氧化、深部缺氧還原的分層特征[47-48]，導(dǎo)致包括奇格布拉克組在內(nèi)的震旦系白云巖在全球范圍內(nèi)均具有較高的 Mn、Fe含量[48-49]。而纖狀環(huán)邊白云石特殊的元素含量變化特征可能與其形成時(shí)頻繁震蕩的海平面以及前寒武紀(jì)特殊的古海洋性質(zhì)有關(guān)，Hood和 Wallace[48]建立的前寒武紀(jì)海水氧化還原模型可用于解釋該現(xiàn)象。相對(duì)海平面下降期間，含氧的表層水體使得 Mn以弱結(jié)晶錳氧化物的形式去除[50]，導(dǎo)致膠結(jié)物具有較低的Mn含量。相對(duì)海平面上升時(shí)期，低Eh值（氧化還原電位）的深部海水上涌引起錳氧化物的迅速溶解[48,50]，導(dǎo)致沉積水體中Mn含量驟增。當(dāng)環(huán)境含氧時(shí)U將被強(qiáng)烈吸收富集于錳氧化物中[51]，海侵期間錳氧化物溶解也伴隨著U的釋放，因此U含量在明暗紋層中也變化明顯。但鐵的氫氧化物在Eh值降低時(shí)性質(zhì)更穩(wěn)定，因此Fe含量在平面上的分布更均勻。同時(shí)碳酸鹽巖的陰極發(fā)光主要受到Fe2+（猝滅劑）和Mn2+（激活劑）含量的控制[48]，也導(dǎo)致膠結(jié)物明暗紋層的陰極發(fā)光強(qiáng)度呈現(xiàn)出周期性變化。

4.1.2 葉片狀白云石

圖4 樣品Q-58-1-2的顯微照片和元素面掃描圖像

面掃描圖像顯示葉片狀白云石元素含量較均一，不發(fā)育環(huán)帶結(jié)構(gòu)，指示相對(duì)穩(wěn)定的形成環(huán)境。樣品Q-58-1-2的該期膠結(jié)物在單偏光和正交光下呈現(xiàn)出良好的葉片狀外形（見圖 4a、圖 4b），對(duì)應(yīng)在元素面掃描圖像上體現(xiàn)出 Mn、Fe含量顯著降低的特征（約為100×10-6）。前人研究表明，淡水中的Mn、Fe濃度約為0.4×10-9和20×10-6，分別為海水濃度的50倍和197倍[49]。但由于震旦紀(jì)海水的Mn、Fe含量極高[48]，這2種元素含量的驟降恰恰反映了震旦紀(jì)海水影響的減弱。Sr含量相較圍巖和纖狀環(huán)邊白云石有所降低，指示成巖流體鹽度下降。氧同位素組成為-6.65‰～-6.61‰，表明成巖環(huán)境的還原性增強(qiáng)。碳同位素組成為1.00‰～1.60‰，相較纖狀環(huán)邊白云石有所下降，而鍶同位素比值略有上升（0.708 85），均指示了大氣淡水的注入[49]。葉片狀白云石陰極發(fā)光下表現(xiàn)出昏暗發(fā)光特征。以上證據(jù)表明葉片狀白云石的形成受到了大氣淡水的影響，但各種地球化學(xué)信息與纖狀環(huán)邊膠結(jié)物仍具有一定繼承性，故認(rèn)為其形成于受大氣淡水影響的封存海水中。

4.1.3 粒狀白云石

粒狀白云石廣泛分布于中部和上部?jī)?chǔ)集層段，根據(jù)粒徑不同分為細(xì)粉晶白云石和中晶白云石兩類。前者主要半充填或全充填于微生物格架（溶）孔、泡沫綿層窗格孔和小規(guī)?；ㄟ厴?gòu)造中（見圖2d—2e、圖3g），是造成儲(chǔ)集層孔隙度驟降的最主要原因。后者僅見于規(guī)模較大的孔洞和花邊構(gòu)造中，占據(jù)了細(xì)粉晶白云石發(fā)育后的殘余空間（見圖 2e、圖 4a）。埋藏條件下 Sr在方解石、白云石中具有極低的分配系數(shù)，低Sr含量是埋藏膠結(jié)物的標(biāo)志[2]；而 U在含氧水體中呈可溶的氧化態(tài)，在缺氧環(huán)境中將被還原為不溶態(tài)[51]，隨著成巖環(huán)境還原性的增強(qiáng)，U將發(fā)生強(qiáng)烈的去除作用而含量驟降。元素面掃描圖像中低Sr、低U的粒狀白云石無疑指示了埋藏成巖環(huán)境，粒徑大小與晶體生長(zhǎng)空間大小呈正比。兩類粒狀白云石的碳同位素組成變化不明顯，氧同位素組成繼續(xù)向負(fù)偏移。

隨埋深增加、還原性增強(qiáng)，低價(jià)的 Mn、Fe離子將取代白云石晶格中的 Ca、Mg離子，使 Mn、Fe含量升高[2]。樣品 Q-58-1-2的細(xì)粉晶白云石在元素面掃描圖像中呈現(xiàn)為高 Mn、Fe含量的亮色環(huán)帶，但中晶白云石的Mn、Fe含量卻顯著降低（見圖4g—4h），表明在其緩慢結(jié)晶過程中可能受到外來流體的影響；而Sr、U含量及氧同位素組成表明其仍處于還原性較強(qiáng)的環(huán)境，故推測(cè)中晶白云石形成時(shí)可能受到了深循環(huán)大氣降水的影響[52]。

表1 塔西北震旦系奇格布拉克組圍巖及白云石膠結(jié)物的U-Pb年齡及地球化學(xué)特征

4.1.4 馬鞍狀白云石

馬鞍狀白云石主要分布于規(guī)模較大的花邊構(gòu)造和風(fēng)化殼的巖溶孔洞中，為充填殘留孔洞的最晚期成巖產(chǎn)物，晶形粗大且發(fā)育馬鞍狀外形，正交光下具波狀消光特征（見圖2f），并伴生石英，指示熱液成因[49]。碳氧同位素組成均發(fā)生強(qiáng)烈負(fù)偏移，分別為-3.53‰～-3.51‰和-10.39‰～-9.50‰，指示受熱液作用強(qiáng)烈影響[49]。同時(shí)該期白云石的鍶同位素比值顯著高于上述各期次膠結(jié)物，表明其成巖流體受到高87Sr/86Sr值的殼源鍶的影響。

綜合上述分析和年齡數(shù)據(jù)（見表1）認(rèn)為肖爾布拉克西溝剖面奇格布拉克組儲(chǔ)集層經(jīng)歷了以下成巖環(huán)境和成巖過程：①埃迪卡拉紀(jì)沉積環(huán)境，控制年齡（576±16）Ma，建造水平—微波狀疊層石白云巖、泡沫綿層石白云巖為主的多類微生物白云巖；②淡水成巖環(huán)境，控制年齡（560±26）Ma，柯坪運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致抬升暴露和大氣淡水淋濾，形成非選擇性溶蝕縫洞；③海水成巖環(huán)境，控制年齡（556±17）Ma，再次遭受海侵，在溶蝕孔洞周緣沉淀纖狀環(huán)邊白云石膠結(jié)物；④極淺埋藏成巖環(huán)境，控制年齡（542.7±8.0）Ma，葉片狀白云石形成于受大氣淡水影響的封存海水中；⑤埋藏成巖環(huán)境，控制年齡（486.3±6.8）Ma，埋藏成巖介質(zhì)主導(dǎo)粒狀白云石的沉淀，但在深大斷裂影響下可間歇性受到大氣淡水影響；⑥熱液成巖環(huán)境，控制年齡（215±30）Ma，印支早期構(gòu)造熱事件導(dǎo)致馬鞍狀白云石沉淀。

元素激光面掃描成像技術(shù)結(jié)合其他地球化學(xué)示蹤手段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)奇格布拉克組成巖環(huán)境演化的精細(xì)約束，為儲(chǔ)集層成因的判識(shí)提供了可靠的依據(jù)。奇格布拉克組微生物白云巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間主要形成于埋藏前的沉積環(huán)境（原生孔）和淡水成巖環(huán)境（表生溶蝕孔洞），海水、埋藏和熱液環(huán)境引起白云石膠結(jié)物的逐漸充填減孔。

4.2 成巖-孔隙演化史重建

4.2.1 圍巖和孔洞充填物年齡

對(duì)奇格布拉克組中上部（樣品號(hào) Q-58-1-2）和上部（樣品號(hào)Q-76-1）的白云巖圍巖開展定年，得到的年齡數(shù)據(jù)分別為（576±16）Ma和（560±26）Ma（見圖5a—5b）。研究區(qū)震旦系曾開展過年代學(xué)研究，Xu等[17]對(duì)下震旦統(tǒng)蘇蓋特布拉克組玄武巖中的鋯石定年結(jié)果為（615.2±4.8）Ma 和（614.4±9.1）Ma，Li等[53]從烏什磷礦剖面蘇蓋特布拉克組上部細(xì)砂巖中得到的碎屑鋯石年齡為（602±23）Ma。本文白云巖圍巖年齡與埃迪卡拉紀(jì)年齡（541～635）Ma及本區(qū)鋯石年代學(xué)格架相符合，代表了地層沉積年齡。王小林等[54]提出奇格布拉克組基質(zhì)白云石的形成來源于微生物調(diào)制作用下原生沉淀，因此白云石圍巖年齡還可能反映了早期白云石化作用的年齡。

圖5 塔西北震旦系奇格布拉克組圍巖和白云石膠結(jié)物的U-Pb年齡（LIA—下交點(diǎn)年齡；n—?jiǎng)兾g點(diǎn)數(shù)；MSWD—平均標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重偏差）

依據(jù)測(cè)年數(shù)據(jù)，認(rèn)為奇格布拉克組儲(chǔ)集空間中的充填物形成于纖狀環(huán)邊白云石、葉片狀白云石、粒狀白云石、馬鞍狀白云石 4個(gè)階段，其中大孔洞中的充填物發(fā)育相對(duì)齊全，可構(gòu)成完整的膠結(jié)充填序列，而小孔洞（如泡沫綿層窗格孔）的膠結(jié)充填序列多不完整。

纖狀環(huán)邊白云石的2個(gè)年齡數(shù)據(jù)分別為（553±20）Ma和（556±17）Ma（見圖 5c、圖 5d）。這兩個(gè)年齡與頂部的圍巖年齡（560±26）Ma十分接近，指示在沉積期后不久奇格布拉克組便受到相對(duì)海平面下降影響，暴露溶蝕形成孔洞。當(dāng)海平面重新上升后，纖狀環(huán)邊白云石便在溶縫中作為第1期膠結(jié)物沉淀下來。

葉片狀白云石得到了 2個(gè)基本等時(shí)的年齡數(shù)據(jù)，即（542.7±8）Ma 和（542±26）Ma（見圖 5e）。地球化學(xué)信息指示葉片狀白云石形成于受大氣淡水影響的封存海水中，表明此時(shí)奇格布拉克組仍受到表生巖溶作用的影響，處于極淺的埋藏成巖環(huán)境。纖狀環(huán)邊白云石和葉片狀白云石均指示了早期的膠結(jié)作用，兩者的U-Pb年齡與圍巖U-Pb年齡相當(dāng)或略晚，說明儲(chǔ)集空間形成于同沉積期和柯坪運(yùn)動(dòng)引起的表生溶蝕作用期，是埋藏前的孔隙，而非埋藏溶蝕作用的產(chǎn)物。

細(xì)粉晶粒狀白云石和中晶粒狀白云石得到的U-Pb年齡分別為（486.3±6.8）Ma 和（472.3±7.7）Ma（見圖5f—5g），與鏡下識(shí)別的成巖序列相一致。這兩個(gè)年齡雖相差14 Ma，但均形成于加里東早期。該時(shí)期北昆侖洋向西中昆侖島弧的俯沖導(dǎo)致塔中、和田、塔北等多個(gè)隆起的形成[20]，廣泛的抬升運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致高低勢(shì)能區(qū)的轉(zhuǎn)變和埋藏膠結(jié)物的沉淀[8]，而伴生的斷裂作用可顯著增強(qiáng)大氣淡水對(duì)下伏地層的影響，這也與中晶白云石形成過程中受到大氣淡水影響的推測(cè)相一致。

馬鞍狀白云石主要充填于奇格布拉克組頂部的巖溶孔洞中，U-Pb年齡為（215±30）Ma（見圖5h），指示熱液白云石形成于印支運(yùn)動(dòng)早期，可能和羌塘地塊與塔里木地塊碰撞引起的強(qiáng)烈隆升及褶皺運(yùn)動(dòng)有關(guān)[20]，活躍的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)也使得二疊紀(jì)—三疊紀(jì)成為塔里木盆地深部熱事件最活躍的時(shí)期之一[21]。

4.2.2 成巖-孔隙演化史重建

基于地球化學(xué)特征揭示的成巖環(huán)境和 U-Pb同位素絕對(duì)年齡建立了中部和上部?jī)?chǔ)集層段從沉積到埋藏全過程的成巖環(huán)境變遷和成巖-孔隙演化史（見圖6），估測(cè)油氣運(yùn)移前孔隙發(fā)育情況。

圖6 塔西北震旦系奇格布拉克組成巖-孔隙演化史圖

基于現(xiàn)代微生物巖初始孔隙度[55]，結(jié)合柱塞孔隙度及鏡下膠結(jié)物分布面積的估算結(jié)果[2]，將儲(chǔ)集空間以疊層石紋層間（溶）孔和泡沫綿層窗格孔為主的中部?jī)?chǔ)集層段的初始平均孔隙度估為 20%。震旦紀(jì)末柯坪運(yùn)動(dòng)對(duì)中部?jī)?chǔ)集層段儲(chǔ)集空間幾乎無影響，加里東早期發(fā)生粒狀白云石對(duì)疊層石紋層間（溶）孔和泡沫綿層窗格孔的充填，使得平均孔隙度降至6%，并保持至今。

根據(jù)泡沫綿層石白云巖的鏡下殘余面孔率推測(cè)其初始孔隙度極高（見圖3g），故將以泡沫綿層石白云巖為主要儲(chǔ)集巖類型的上部?jī)?chǔ)層段的初始平均孔隙度估為 30%。震旦紀(jì)末形成的溶蝕孔洞使平均孔隙度增至35%，隨后纖狀環(huán)邊和葉片狀白云石部分充填了儲(chǔ)集空間，使平均孔隙度下降至28%。加里東早期，細(xì)粉晶粒狀白云石的沉淀導(dǎo)致孔隙度驟劇降至15%，中晶粒狀白云石主要充填較大的殘余孔洞，平均孔隙度降至10%。印支運(yùn)動(dòng)早期的熱液作用對(duì)儲(chǔ)集層起充填破壞作用，但孔隙度變化不大，使平均孔隙度降至8%，并保存至今。

在儲(chǔ)集層成巖-孔隙演化史建立的基礎(chǔ)上，結(jié)合奇格布拉克組埋藏史和玉爾吐斯組優(yōu)質(zhì)烴源巖熱演化史，可對(duì)油氣運(yùn)移時(shí)間、油氣運(yùn)移前孔隙和成藏期次開展評(píng)價(jià)。奇格布拉克組頂部?jī)?chǔ)集層段在柯坪—塔北隆起穩(wěn)定連片分布[11]，玉爾吐斯組在早奧陶世進(jìn)入低成熟階段，在阿瓦提凹陷東南部等局部地區(qū)達(dá)到成熟—高成熟階段，是研究區(qū)內(nèi)前寒武系—下古生界儲(chǔ)集層最早的有利成藏期[56]。加里東晚期，滿加爾凹陷和阿瓦提凹陷內(nèi)的玉爾吐斯組經(jīng)歷了快速熱演化并進(jìn)入大規(guī)模液態(tài)烴生烴期，向凹陷北部的隆起區(qū)運(yùn)移，此時(shí)儲(chǔ)集層在粒狀白云石的充填后孔隙度仍可達(dá) 8%～11%，是聚集成藏的主要時(shí)期[56]。海西期受構(gòu)造活動(dòng)影響，玉爾吐斯組發(fā)生二次生烴并伴隨液態(tài)烴裂解，凹陷的圍斜部位以近源形式向柯坪—塔北古隆起區(qū)規(guī)模供烴，此時(shí)儲(chǔ)集層孔隙度仍保持在6%～10%。自中二疊世，滿加爾及阿瓦提凹陷中的玉爾吐斯組基本進(jìn)入生烴枯竭階段，喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)晚期是古油氣藏的調(diào)整期。上述分析表明奇格布拉克組微生物白云巖儲(chǔ)集層在玉爾吐斯組生烴高峰期仍保持了良好的儲(chǔ)集性，具備形成有效成藏組合的潛力。

5 結(jié)論

在鏡下巖石學(xué)觀察的基礎(chǔ)上，對(duì)孔洞中充填的不同期次白云石膠結(jié)物開展元素面掃描成像分析，并結(jié)合碳氧穩(wěn)定同位素組成、鍶同位素組成、陰極發(fā)光分析結(jié)果，提出奇格布拉克組微生物白云巖儲(chǔ)集層依次經(jīng)歷了沉積期白云石化、淡水成巖環(huán)境、海水成巖環(huán)境、極淺埋藏成巖環(huán)境、埋藏成巖環(huán)境、熱液成巖環(huán)境等 6個(gè)階段，儲(chǔ)集空間主要形成于埋藏前的沉積環(huán)境（原生孔）和淡水成巖環(huán)境（表生溶蝕孔洞），海水、埋藏和熱液環(huán)境造成了白云石膠結(jié)物的逐漸充填減孔。

在成巖環(huán)境和儲(chǔ)集層成因認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上，對(duì)各期白云石膠結(jié)物開展測(cè)年，建立絕對(duì)地質(zhì)年齡約束下的奇格布拉克組微生物白云巖儲(chǔ)集層成巖-孔隙演化曲線，認(rèn)為膠結(jié)減孔主要發(fā)生在加里東早期。在玉爾吐斯組烴源巖加里東早期、加里東晚期和海西晚期的生烴高峰期時(shí)，奇格布拉克組儲(chǔ)集層孔隙度仍可達(dá)到6%～10%，具備形成有效成藏組合的潛力，是值得探索的勘探層系。

面掃描成像和定年技術(shù)在奇格布拉克組微生物白云巖儲(chǔ)集層中的應(yīng)用，為精細(xì)約束奇格布拉克組成巖環(huán)境變遷和建立絕對(duì)年齡格架下的成巖-孔隙演化史提供了手段，并為古老碳酸鹽巖儲(chǔ)集層成因、油氣運(yùn)移前孔隙的判識(shí)和有效成藏組合分析提供了新視角。