伊犁盆地下石炭统阿克沙克组白云岩特征

瞿建华 ，余朝丰，李 啸，丁 靖，唐 勇

1.中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆 克拉玛依834000

2.中国石油杭州地质研究院，浙江 杭州310023

引 言

资料表明，全球油气资源近1/3 来自于碳酸盐岩，其中一半来自于白云岩[1]。因此有关白云岩的研究是碳酸盐岩储层研究的重要内容。新疆北部地区（简称“北疆地区”）碳酸盐岩主要发育于上石炭统，分布于准噶尔古陆的周缘及伊犁盆地南部，集中分布于4 处：（1）准噶尔盆地南部及博格达山北麓，主要发育在上石炭统祁家沟组；（2）双井子—石钱滩一带，主要发育在上石炭统石钱滩组，呈中—薄层状产出；（3）扎伊尔山东北—哈拉阿拉特山地区，晚石炭世的深水沉积中夹有较多碳酸盐岩透镜体；（4）伊犁盆地南部，主要层位是下石炭统阿克沙克组。其中伊犁盆地是北疆地区碳酸盐岩最发育的地区，分布范围及厚度均较大，由于资料的局限性，前人对伊犁盆地碳酸盐岩，尤其是白云岩的研究甚少，至今没有专门研究白云岩的文章。笔者在2009 年、2010 年连续两年对伊犁盆地重点剖面进行了详细观测和系统采样，取得了宝贵的第一手资料。本文对区内白云岩的特征及类型进行研究，为伊犁盆地的研究提供基础资料。

1 地质背景

伊犁盆地地处中亚内陆，位于中国新疆维吾尔自治区的西部，与哈萨克斯坦的东南部及吉尔吉斯斯坦的东北部相邻。南侧以南天山与塔里木盆地相隔，北侧以北天山与准噶尔盆地相隔，西部与哈萨克斯坦及吉尔吉斯斯坦接壤，东部收敛于南、北天山接合部，呈西宽东窄的狭长三角形，面积约28 500 km2（图1）[2-3]。伊犁盆地是整个北疆地区石炭系碳酸盐岩最发育的地区，在下石炭统的大哈拉军山组（C1d）、阿克沙克组（C1a）、上石炭统的东图津河组（C2d）均有碳酸盐岩发育，但发育及出露最多且广泛的为阿克沙克组，以昭苏凹陷周边出露最多、最为集中。其他各组中的碳酸盐岩分布零星，仅在部分剖面的部分露头有零星出露。作为山间盆地，后期构造对其影响较大，特别是盆地南部断裂和褶皱均较北部发育，如切克台沟剖面可见露头多数岩石发生严重破碎，多数裂缝被方解石或石英脉充填；科克苏峡谷剖面构造异常复杂，发育多期褶皱和断层。

根据岩性特征，将阿克沙克组分为上下两个亚组[4-7]，上亚组为浅海台地相碳酸盐岩，厚数十米至1 200 m，近东西向展布，总体上南厚北薄，西厚东薄。综合多个剖面资料，将上亚组自下而上分为4个岩性段，而白云岩发育于第二段，该段岩性为灰色厚层鲕粒灰岩、生屑灰岩、生物灰岩、藻黏结灰岩夹粉晶—细晶白云岩。

图1 伊犁盆地东段构造区划图Fig.1 The geotectonic map of Ili Basin

2 白云岩基本特征

2.1 分布特征

在伊犁盆地石炭系碳酸盐岩中，白云岩分布较为广泛，大部分剖面均能见到白云岩或白云化的岩石。纵向上分布于第二岩性段，但层位不固定，为薄—中层状、似层状或团块状，厚度数米至数十米，主要分布（但不限于）于台地边缘礁滩相范围。总体上，盆地南部相对较发育，如在切克台沟剖面第二岩性段可见7 层白云岩或白云化的岩石，岩性有泥质白云岩、灰质白云岩、细晶白云岩（图2a），总厚84 m；科克苏峡谷剖面见2 层，岩性为细晶白云岩（图2b），总厚16 m；盆地北部的阿克沙克沟剖面仅见4 层，岩性为灰质云岩或云岩，总厚29 m。南部的厚度、规模及延伸也远较北部大，与断裂或晚期侵入的岩墙关系密切。阿克沙克沟剖面（图3），白云岩分布于辉绿岩体的附近，与灰岩共生，说明岩体侵入带来的热量为热液的形成提供了热力学基础，而侵入本身可以导致热液疏导体系的形成，为灰岩白云石化提供有利条件[8-12]。

图2 伊犁盆地野外剖面白云岩照片Fig.2 Dolomite photos of field section in Ili Basin

图3 阿克沙克沟剖面阿克沙克上亚组柱状图Fig.3 Akeshake upper-subunit histogram of Akeshake section

2.2 岩石特征

白云岩多为粉—细晶结构，以细晶为主，块状构造，按粒级分主要为细晶白云岩。白云岩几乎均由交代作用或重结晶作用形成的白云石组成，常不同程度保留原岩的结构（图4a），白云石含量达70%～93%，多呈自形—半自形粒状镶嵌结构，白云石具环带或亮边。粒径0.05～0.20 mm，为细晶白云岩。常见硅化，为石英晶间孔、溶蚀加大的裂缝交代白云石并完全充填，有时致使原岩呈硅质胶结角砾岩状（图4b）。薄片中见有沿裂隙和孔洞充填的典型热液矿物——萤石（图4c），表明该地区曾发生过热液活动。在白云岩的晶粒之间常见大小与白云石颗粒相近的石英晶粒，有的聚集成团块（图4d），晶粒呈半自形石，干净透明，未见磨蚀现象，为自生石英，此类特征的石英通常被认为是热液作用的标志，联系到构造破裂带被石英脉充填的情况，岩石中的石英晶粒无疑是热液作用形成的，因此白云岩的形成与热液有关。

图4 伊犁盆地碳酸盐岩特征照片Fig.4 Characteristics of carbonate in Ili Basin

2.3 物性特征

图5 是伊犁盆地白云岩孔隙度统计结果，表1列出了阿克沙克组白云岩物性特征统计情况。由图5 和表1 可以看出，白云岩的孔隙度分布范围为0.40%～4.00%，平均值为1.44%，孔隙度≤1%和＞1%～≤3%样品分别占总数的40%，孔隙度＞3%～≤5% 的样品占20%，为特低孔储层。渗透率的分布范围为0.004～0.521 mD，平均值为0.064 mD，除个别样品外，绝大部分样品的渗透率≤0.100 mD，为特低渗储层。总体上，阿克沙克组属特低孔低渗储层。

图5 伊犁盆地白云岩孔隙度统计直方图Fig.5 Dolomites porosity statistics histogram in Ili Basin

表1 阿克沙克组白云岩物性特征统计表Tab.1 Petrophysical characteristic statistics table of dolomites in Akeshake Formation

3 包裹体特征

采集了阿克沙克剖面5 块样品进行包裹体均一温度测定，获得29 个包裹体的数据。这些包裹体均为气液两相包裹体，大小为2～5µm，形状以不规则状和椭圆形为主，寄主矿物为方解石（表2）。

图6 是包裹体均一温度统计直方图，两个峰值分别为≥85～＜140°C和≥175～＞235°C。据镜下观察到的包裹体在成岩矿物中的产状、分布位置、交切关系，可以把包裹体分为早、中、晚3 期。

表2 流体包裹体特征数据表Tab.2_Fluid_inclusions_characteristic_data

图6 流体包裹体均一温度分布Fig.6 Histograms for homogenization temperature of fluid inclusions

早期：包裹体的寄主矿物是白云质灰岩和灰质云岩中的方解石胶结物，均一温度72.0～85.0°C，大致可以代表正常的成岩温度。

中期：主要存在于白云石等颗粒间的方解石胶结物中，方解石作为填隙物，形成时间略晚于白云石，除个别包裹体温度小于175.0°C外，大部分为均一温度为＞175.0°C，个别点＞235.0°C，大致反映白云石的形成温度。

晚期：样品取自成岩后期充填的石英晶簇和粗晶方解石的张性裂隙中，粗晶方解石和石英晶簇镶嵌共生，均一温度为90.5～118.4°C，温度的分布范围很窄，平均106.5°C。从以上数据可以看出与白云石共生的方解石的包裹体温度明显高于成岩温度和后期石英脉—方解石脉的温度，表明这里的白云石是受热驱动形成的，活跃的热液活动给白云石化创造了良好的条件。

4 白云岩的地球化学特征

4.1 稀土元素特征

稀土元素（包括微量元素）的测定是依据标准《电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）方法通则》DZ/T 0223—2001 在国土资源部杭州矿产资源监督检测中心（浙江省地质矿产研究所）完成的，结果见表3。图7 是灰岩、灰质白云岩、白云岩的稀土元素测试结果经北美页岩（NAAS）标准化后的配分模式图。由图7 可以看出，3 种岩石的稀土含量都较低，所有样品的配分曲线总体较平缓，曲线形态很相似，都呈现出微弱的左倾配分型式，表明白云岩很好地继承了原始灰岩的稀土元素配分型式。具体来看，灰岩的稀土总量相对较高，灰质白云岩次之，白云岩最少，反映了碳酸盐岩沉积物在发生白云化的过程发生了稀土元素的迁出。

Ce 由于其敏感的氧化还原性，常与正常海水中其他的三价稀土元素发生分馏作用，可溶解的Ce3+在氧化条件下会变成较难溶解的、热力学上更稳定的Ce4+而优先进人沉积物颗粒当中。而在强酸性还原环境中，Eu3+将被还原而优先迁移到沉积物颗粒中。这就决定了Ce 和Eu 随环境变迁，易于与三价稀土元素相分离，而成为稀土元素地球化学研究的重要对象[14-18]。

总体而言，研究区灰岩与白云岩相比，白云岩具有较高的δEu 值和δCe 值，灰质白云岩位于两者之间（图8）。 从数据特征看，灰岩δEu 均值0.965，最大值1.312，最小值0.753。白云岩δEu 均值1.082，最大值1.414，最小值0.841。总体上灰岩、灰质白云岩和白云岩的δEu 值比较接近于1.000，仅有微弱的异常。灰岩δCe 均值0.590，最大值0.837，最小值0.235。白云岩δCe 均值0.770，最大值1.037，最小值0.519。总体上样品的Ce 异常程度比较大，因此，以δCe 来判断岩石的形成环境，可以推测白云岩形成于相对氧化的环境，而灰岩形成于相对还原的环境。

表3 稀土元素分析数据表Tab.3 REE analyzing data

图7 NAAS 标准化的稀土元素配分模式图Fig.7 Plot of PAAS normalized REE partitioning pattern

图8 δEu 和δCe 特征图Fig.8 The characteristic plot of δEu&δCe

4.2 常量和微量元素特征

表4 是岩样常量元素分析结果，可以看出，总体上灰岩、灰质白云岩、云化灰岩和白云岩的差别不大，很多样品SiO2含量较高，而SiO2的较高含量说明其与热液作用有关。判断SiO2来源的一个重要依据是其与Al2O3的关系，当SiO2与Al2O3有明显正相关关系时，与陆源碎屑有关，否则很大可能与热液有关[18-20]。从图9a 看不出SiO2与Al2O3有明显的正相关关系，因此认为本区的白云岩可能与热液有关。较高的Fe 含量也是热液白云岩的标志之一，尽管差别不大，研究区白云岩中Fe 的平均含量大于灰岩，这也是表明了研究区白云岩可能是热液白云岩。

表4 常量元素与微量元素分析数据表Tab.4 Major element&trace element analyzing data

图9 常量元素与微量元素相关性图Fig.9 Correlation plot of major element&trace element

从表4 可以看出，白云岩中的Mn 含量为（147.7～2 346.5）×10-6，平 均 为751.4×10-6；Zn含量为（7.4～407.5）×10-6，平均为85.1×10-6；Ba含 量 为（＜5.0～28.2）×10-6。灰 岩 中 的Mn 含 量为（25.8～727.2）×10-6，平均为331.7×10-6；Zn 含量为（5.1～49.6）×10-6，平均为22.7×10-6；Ba 含量为（＜5.0～16.9）×10-6。白云岩中元素Mn、Zn、Ba 含量明显高于灰岩。白云岩的Mn/Sr 比值也明显高于灰岩（图9b）。虽然海相碳酸盐岩中也会含有部分Ba 元素，但当水中有硫酸根离子存在时，Ba 就容易与硫酸根离子结合形成难溶的BaSO4沉淀，因而海水中的Ba 相对Sr 来讲是贫乏的。一般Sr 在碳酸盐岩和泥质碳酸盐岩中含量特别高，这是由于Sr 的离子半径与Ca 的离子半径相近的缘故，而热液作用会使Sr 溶解，导致岩石中的Sr 含量降低[21-24]。因此，可以推测Sr 含量相对较低的白云岩是热液成因的白云岩。Mn 含量的增加主要受热液影响，而在热液影响不大的区域，Mn 含量则很低，这可能是由于温度的增加导致还原性加强，从而易于Mn保存的缘故。高含量的Fe、Mn 元素跟铁、锰白云石有关，而Si 则与高含量的硅质矿物对应。因此，Fe-Mn-Ba-Si（-Zn）元素组合可以较好地反映热液作用。

5 结 论

（1）研究区白云岩分布较为广泛，大部分剖面均能见到白云岩或白云化的岩石。纵向上发育于第二岩性段，平面上主要分布（且不限于）于台地边缘礁滩相范围。盆地南部相对较发育，其厚度、规模及延伸也远较北部大，与断裂或晚期侵入体关系密切。

（2）白云岩多为粉—细晶结构，以细晶为主，块状构造，按粒级分主要为细晶白云岩。在泥晶生屑灰岩中见有沿裂隙和孔洞充填的萤石，在白云岩的晶粒之间常见大小与之相近的干净透明的自生石英晶粒，这两种矿物被认为是典型的热液矿物，由此可以认为研究区的白云岩的形成与热液有关。

（3）与白云石共生的方解石的包裹体温度明显高于成岩温度和后期石英脉-方解石脉的温度，表明研究区的白云石是受热驱动形成的。

（4）通过对白云岩、灰质白云岩和灰岩稀土元素配分模式的对比，发现3 种岩石曲线形态很相似，表明白云岩和灰岩有紧密的内在联系。根据δCe 推测灰岩形成于相对还原的环境，而白云岩形成于相对氧化的环境。可以设想，先期存在于相对封闭还原环境的灰岩受后期断裂或者热液作用的影响，所处环境变成相对开放的氧化环境，在此发生了白云化作用。通过主量和微量元素特征的分析认为研究区的白云岩可能是热液成因的白云岩。

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