巴楚地区断裂带内热液流体活动及对碳酸盐岩改造的特征分析

李朋，任建业，阳怀忠，胡德胜，张云鹏

(1.中国地质大学 资源学院，湖北武汉430074;2.湖北省地质调查院，湖北 武汉430034;3.中国地质大学构造与油气资源教育部重点实验室，湖北 武汉430074;4.教育部 含油气盆地构造研究中心，湖北 武汉430074;5.中海石油有限公司北京研究总院，北京100027;6.中海石油(中国)有限公司湛江分公司，广东湛江524057)

巴楚地区断裂带内热液流体活动及对碳酸盐岩改造的特征分析

李朋1，2，任建业3，4，阳怀忠5，胡德胜6，张云鹏1

(1.中国地质大学 资源学院，湖北武汉430074;2.湖北省地质调查院，湖北 武汉430034;3.中国地质大学构造与油气资源教育部重点实验室，湖北 武汉430074;4.教育部 含油气盆地构造研究中心，湖北 武汉430074;5.中海石油有限公司北京研究总院，北京100027;6.中海石油(中国)有限公司湛江分公司，广东湛江524057)

以塔里木盆地巴楚隆起区良里塔格组露头剖面为例，应用薄片观察和阴极发光等岩石学分析方法以及碳氧同位素、87Sr/86Sr比值、常量元素和流体包裹体测温等地球化学定量分析手段，综合分析了构造热液活动对碳酸盐岩的改造作用。研究结果显示，发育在碳酸盐岩内的断裂带及其附近，局部白云岩化特征显著;碳氧同位素表现异常，由断裂的两盘向断裂带靠近，δ13C和δ18O值逐渐降低;87Sr/86Sr比值要比同期海水比值高;断裂带控制的热液作用区域碳酸盐岩中的一些元素成分发生明显的变化，Fe、Mn、Si等元素含量增加;包裹体测温结果在113～377℃之间，平均温度210℃。基于上述结果，结合研究区的地质构造特征分析，建立了本区碳酸盐岩构造热液白云岩化作用模式。本项研究有助于深化塔里木盆地碳酸盐岩构造热液白云岩化作用的认识，并为该区的碳酸盐岩储层的预测提供地质依据。

构造热液;白云岩化;巴楚隆起;良里塔格组

0 引言

盆地内油气的运移、聚集以及成矿矿藏的分布，都与地质流体有密切关系，而断裂往往是地质流体的重要疏导通道(金之钧等，2006)。地壳中深部热液流体沿深部断裂运移到浅部岩层中，由于上部致密岩层的封堵而侧向运移，进而与围岩发生水－岩反应，导致围岩物性的改变。尤其在灰岩中，构造热液作用导致的水－岩相互反应可以使灰岩转变为热液白云岩(金之钧等，2006;Davies and Smith，2006;李荣等，2008)。研究表明，与原生的灰岩孔隙度相比，同体积的热液白云岩的孔隙度可以增加12%～13%。因此，近几年来，碳酸盐岩地区热液白云岩的研究成为学术界和油田产业部门关注的研究领域。本文试图以塔里木盆地巴楚隆起露头区奥陶系灰岩中断裂带及其附近的围岩中详细的采样和测试分析为基础，揭示和总结断裂系统中热液活动对碳酸盐岩改造作用的特征和标志。

露头区位于塔里木盆地巴楚隆起区西段，剖面呈NW-SE向展布。露头区地层为中上奥陶统良里塔格组中下部地层，产状较陡，由下至上岩性依次为深灰色薄层瘤状泥晶灰岩，瘤状条带较连续，夹中薄层团块状瘤状灰岩、深灰色薄层状含生屑泥晶颗粒灰岩及上部藻类为主的生屑灰岩藻丘(图1)。发育多条断裂，断裂产状陡倾，根据露头上断裂两盘运动学标志判断，这些断裂为具有右旋走滑分量的正断层，断裂带内充填多期纤维状方解石脉，显示断裂带内流体活动明显。本次研究重点针对露头中部的2条断裂展开，取样点集中分布在这两条断裂带内部及其相邻的两盘(图1)。

图1 巴楚隆起达吾孜塔格地区良里塔格组露头剖面(黄色圆点为采样位置)Fig.1 The outcrop of the Lianglitake Formation in the Dawuzitage area of Bachu uplift(The yellow points are sampling sites)

1 岩石学特征

沿断裂带采集的岩石样品的薄片观察及滴盐酸反应后表明，在样品的不同位置滴盐酸都有气泡产生，但强度不一样，说明主矿物组成为方解石，断裂带内样品交代白云石明显，大多数样品中生物碎屑含量高。镜下微裂缝发育，延伸较远，且相互连通，有利于流体的运移(图2a)。单偏光下，溶蚀孔洞被后期充填的现象明显，充填矿物为白云石(图2b)。

由于热液流体通常具有很高的温度，而且往往携带大量的CO2及H2S等酸性气体，这种酸性的环境会与周围碳酸盐岩发生明显的水－岩反应，从而改变原岩的成分、结构及构造(图2)。热液流体沿着断裂和裂缝活动过程中，随着温度压力的改变，以及与周围岩石的作用，往往会导致一些新矿物的产生(蔡春芳等，1997;陈代钊，2008)。

镜下染色薄片观察显示，在裂隙附近及晶洞中发育白云石(图2c、d中之白色区域)，白云石呈现新月形，存在内生裂隙，为典型的次生成因。其他区域几乎全被染成红色，为方解石。这种现象说明研究区碳酸盐岩经历过白云石化的改造。而且这种白云石化，都是沿着缝隙发育或充填于生物碎屑溶解的铸模孔，这种现象随着远离断层中心而变弱。说明先存碳酸盐岩在后期由于流体沿着裂缝活动引起了这种变化。

对研究区的部分样品进行的阴极发光测试(图2e、f)显示，阴极发光环境下，环带结构明显，且环带一般在裂隙的附近。环带结构反应了成岩期次及矿物成分的不同，从而表征了流体活动、矿物成分和酸碱度等指标的变化。

2 地球化学特征

2.1 碳氧同位素特征

碳、氧同位素分析能很好地示踪古流体的来源(张学锋等，2008;徐田武等，2009)。本研究在断裂带及其两侧共取20个样进行碳、氧同位素分析，每个样品在2mg以上，经风干、粉碎处理后，用磨碎仪磨细至过200目筛。分析结果见表1。测试误差均不超过±0.2‰。

表1 达吾孜塔格露头区样品中碳、氧稳定同位素分析数据Table 1 Carbon and oxygen isotopic compositions of samples from the Dawuzitage outcrop

以PDB(北美皮狄组美洲拟箭石的缩略语)为标准的测试结果表明，研究区碳酸盐岩的δ13C和δ18O值变化范围较大。δ13C最小值为2.52‰，最大值为3.24‰，平均值为3.05‰。而δ18O的最小值为－6.35‰，最大值为－3.57‰，平均值为－5.8‰。

图2 达吾孜塔格露头区样品薄片观察(取样位置见图1)Fig.2 Microscopies of thin sections of samples from the Dawuzitage outcrop(sampling spots as Fig.1)

全球范围内自寒武纪到白垩纪地层中构造热液成因的鞍状白云石的大部分氧同位素δ18O都为－18.0‰～－2.5‰，最常见为－12‰～－5‰;碳同位素δ13C主要为－17‰～+6‰，大部分为－3‰～+5‰(Davies and Smith，2006)。本研究所测数据与热液特征碳氧同位素含量相吻合。

图3 达吾孜塔格露头区断裂系统C、O同位素分布Fig.3 The δ13C-δ18O plot of samples from the fault system at Dawuzitage area

碳氧同位素分布投点图(图3)显示，样品的碳、氧同位素值一般都落在C区域的顶部边界。研究区在奥陶系沉积时期属于滨浅海沉积环境，露头为一礁滩相沉积，与礁滩相丰富的生物活动可以相对应。但在生物活动过程中，可以带走一部分12C，从而使13C相对富集。张秀莲(1985)曾对我国各地寒武纪－奥陶纪的一些碳酸盐岩样品的同位素组成进行了分析，认为在成岩作用过程中，13C和12C的交换作用要比18O与16O之间弱得多。一些学者也发现，自寒武纪以来，δ13C值没有显著的变化。综合上述分析可以推测研究区为先期海相碳酸盐岩经后期热液改造所致。

由图4可知，断裂带附近碳、氧同位素的测试值低，随着距离断裂带距离的增大，测试值逐渐增大。δ18O值与δ13C值在变化规律上保持一定的相关性。但由于氧同位素在后期成岩作用过程中更容易受到外部环境的影响，因此δ18O值往往会显示出一定的异常。氧同位素的波动范围要比碳同位素的波动范围明显。但δ18O值与δ13C值的高低与距离断裂带远近的密切关系的这种规律，反映了断裂与灰岩的热液改造作用相关，Hecht等(1999)对加拿大西部和美国东部古生代构造热液活动对碳酸盐岩改造的研究，也证实了热液白云岩具有类似的变化规律。

图4 达吾孜塔格露头碳、氧同位素测试值在平面的展布规律Fig.4 The variation of carbon and oxygen isotopic compositions for samples from the outcrop

将δ18O值与δ13C值代入盐度计算公式:Z=2.48(δ13C+50)+0.498(δ18O+50)，可计算出本区碳酸盐岩的盐度范围为152～153，属于高盐度范围。这与一般认为的本区奥陶纪成岩期属于浅层海水区域(赵宗举等，2009)，盐度应该属于正常海水范围的认识相矛盾。显然，断裂带内的灰岩后期经过了高盐度热液流体的改造。

2.2 锶同位素特征

锶同位素测试标样为 NBS987，87Sr/86Sr=0.710256±8。10件样品的测试结果(表2)显示，87Sr/86Sr最低值为 0.70816，最高值0.710294，平均值0.7087673。根据前人资料(Goldherg，1986;McArthur et al.，1992;Burke et al.，1982;Gao and Land，1991;Kikuchi et al.，1997;Denison et al.，1994;Howarth and McArthur，1997;黄思静，1997;江茂生等，2002)，全球晚奥陶世海水的87Sr/86Sr值小于 0.7082，Qing et al.(1998)和 Denison et al.(1998)测试数据的平均值为0.707970。然而，江茂生等(2002)获得的塔里木盆地塔中12井晚奥陶世末海相碳酸盐岩的87Sr/86Sr值中，有相当数量的样品大于0.7082，最大值达到0.70887。

表2显示，F58测试结果最低，F68测试结果最高，分析其主要原因在于，F58采样位置岩性为泥晶灰岩，裂缝不发育，不利于热液的活动;而F68为泥晶颗粒灰岩，藻类含量高，裂缝发育，同时露头观察发现，F68位置可能存在一隐伏断层，有利于热液的活动，因此造成了锶同位素比值的升高。

Davies and Smith(2006)对加拿大西部和美国东部的研究显示，构造热液原因造成的87Sr/86Sr值升高，系深部硅质碎屑含水层沿断裂带向上运移到目的层发生交代作用的结果。巴楚地区寒武系玉尔图斯组及下丘里塔格群含有多套的硅质碎屑岩层，但更重要的来源应该是壳源物质的向上运移。

表2 达吾孜塔格地区87Sr/86Sr同位素分析结果Table 2 87Sr/86Sr ratios for samples from the Dawuzitage Area

2.3 常量元素特征

常量元素分析是从元素地球化学的角度对断裂带及其两侧的元素含量变化规律来揭示构造热液对围岩的改造作用，其中Mn、Fe分别作为阴极发光的激发剂和催灭剂，其含量的变化正好与阴极发光强度相对应。本次所选样品与碳氧同位素测试样品是在相同条件下制作的，测试结果经分析处理，投点图5。

图5 达吾孜塔格露头区常量元素含量变化曲线Fig.5 Variation of major elements for samples from the outcrop

图5显示，Si含量在0.07%～2.97%之间，Fe为0.029%～0.53%，Mg为 0.17%～0.87%，Mn为0.009%～0.024%。一般来讲，裂缝的热液溶蚀改造灰岩与未被溶蚀的原始灰岩在元素组成上存在较大的差别。断裂附近常量元素值要比其他区域高。由图5可以看到Si、Mg的含量一般大于0.2%，局部地区还存在异常值。SiO2的沉淀产出，表明热液流体为酸性，且具有较高的温度，只有这样的流体才能携带较多的SiO2进入围岩裂隙沉淀析出。富含Fe的流体在与周围碳酸盐岩相互作用过程中，导致部分Ca流失、Mg含量相对升高。物质成分的变化导致矿物成分的改变，方解石向白云石的过渡就是Ca流失、Mg富集的过程。

2.4 流体包裹体证据

由于碳、氧同位素特征在漫长的地质历史过程中遭受了一定程度的改造，在反映热液流体对碳酸盐岩的改造上可能产生一定的误差，而矿物包裹体是迄今保留下来的最完整和最直接的原始成矿流体(熔体)，对其进行详细研究，可获得有关成岩成矿作用的可靠信息(金之钧等，2002;Breesch et al.，2006)。因此，本文选择流体包裹体测温的方法来进一步论证研究区断裂带构造热液活动特征。

本次包裹体温度测试共选择样品30个，得到测温结果346个，包裹体在样品中分布范围较广，且相对较集中(图6)，大小一般在3～8μm左右，气液比大部分在5%～8%，个别样品可达10%。包裹体类型均为原生型。每个样品都选择5～15个包裹体进行温度测试，最终所测包裹体温度最高377℃，最低103℃，平均210℃。温度变化范围大，温度高，主要温度范围为150～250℃。从两条断裂附近所选样品的包裹体测温数据分布图(图7)可以看出，本区热液活动至少经历过两期，其温度范围分别为180～235℃、250～330℃。

3 构造热液白云岩化模式

以岩石学特征、碳、氧、锶同位素及包裹体测温等分析为基础，结合研究区区域地质特征，建立了本区碳酸盐岩地层内构造热液活动白云岩化模式图(图8)。图8显示，富含CO2、H2S和SO2的深部热液在沿断裂从深部运移到浅层过程中，同时沿着断层两侧裂缝系统横向运移，从而对断裂带附近产生明显的白云石化。在这些明显影响区，碳、氧同位素值要比断裂带两盘低，Mn、Fe、Si等元素也显示出明显的渐变性。同时，深部热液流体携带了大量的硅质碎屑岩层物质及壳源物质运移到良里塔格组地层，从而提高了该组地层的87Sr/86Sr值。

图6 部分包裹体样品镜下观察图Fig.6 Microscopies of inclusions

图7 断裂附近包裹体温度分布示意图Fig.7 Variation of homogenization temperature of inclusions in samples from the fault zones

图8 巴楚地区构造热液活动模式图Fig.8 Model illustration of the structurally controlled hydrothermal dolomite in the Bachu area

热液作用一般与断裂系统密切相关，多期的构造活动可能导致某一特征不明显或产生误差，但综合各方面因素可以对流体的期次进行判定(Luczaj et al.，2006)。热液流体沿断裂上涌过程中经裂缝、不整合面、孔隙渗透等进入围岩，并与之发生反应，通常在断裂附近这种作用强烈，且在裂缝发育或孔隙联通好的条件下，可延伸很远，导致非常显著的原岩改造作用。

奥陶纪碳酸盐岩地层是塔里木盆地重要的油气储层，研究表明次生孔隙是油气的主要储集空间。在次生孔隙成因上，目前受到广泛关注且研究较多的是与大气降水相关的地表、近地表岩溶作用。本文的研究表明，与热事件相关的热液流体也能对碳酸盐岩产生明显的溶蚀作用，虽然目前这方面的研究鲜有文献涉及。塔里木盆地在震旦纪－寒武纪、早奥陶世、二叠纪和白垩纪先后经历了4次地质热事件，前两期发育较早，未影响到奥陶系，白垩纪地质热事件主要局限于塔里木盆地周边地区，二叠纪时期整个塔里木盆地广泛存在岩浆火山活动(陈汉林等，1997;贾承造，1997;邬光辉等，2009)。由此产生的构造热液作用有可能改造塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩，而且，在多期构造活动和热事件背景下，塔里木盆地受到热液改造的地层范围肯定很大，一旦油气的生储盖组合具备，这种改造地层应该成为油气勘探的有利目标区。

致谢:本文样品测试在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成，资源学院焦养泉教授对露头采样做了指导性工作。焦养泉教授和中国地质大学(北京)林畅松教授在审稿过程中提出了许多有价值的意见，增加了本文的含金量，在此一并表示衷心的感谢!

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Hydrothermal Activities in the Fault System and their Effects on Carbonate Rocks in the Bachu Area

LI Peng1，2，REN Jianye3，4，YANG Huaizhong5，HU Desheng6and ZHANG Yunpeng1
(1.Faculty of Earth Resources，China University of Geosciences，Wuhan430074，Hubei，China;2.Hubei Institute of Geological Survey，Wuhan430043，Hubei，China;3.Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources，Ministry of Education;China University of Geosciences，Wuhan430074，Hubei，China;4.Structral Research Center of Oil＆Gas Bearing Basin，Ministry of Education，Wuhan430074，Hubei，China;5.Beijing Research Institute，
CNOOC，Beiing100024，China;6.Zhanjiang Branch of CNOOC Ltd.，Zhanjiang524057，Guangdong，China)

Petrological and geochemical investigations have carried out on the Lianglitake Formation outcrop at the Bachu area of Tarim basin.The results show that dolomitization of carbonate rocks in the fault zone and nearby is obvious.The alteration resulted in the decrease of δ13C and δ18O values and increase of87Sr/86Sr values and Mn，Fe，Si contents in the fault zone.Homogenization temperatures of the inclusions range from 113℃ to 377℃ with an average of 210℃.The results show that the hydrothermal dolomitization in the Tarim basin was structurally controlled.

tectonic-hydrothermal;dolomitization;Bachu uplift;Lianglitake Formation

TE121.2;P59

A

1001-1552(2011)03-0378-008

2010－08－31;改回日期:2010－12－08

项目资助:国家自然科学基金(No.40672089);国家科技重大专项(2008ZX05025-002)。

李朋(1984－)，男，硕士研究生，专业方向为沉积盆地构造－地层分析。Email:pengli198666@163.com