热液作用对塔东地区寒武系碳酸盐岩储集层的影响

邵红梅，卢 曦，李国蓉，孟祥豪（1.中国地质大学能源学院，北京10008；.中国石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江大庆1671；.成都理工大学能源学院，成都610059）

热液作用对塔东地区寒武系碳酸盐岩储集层的影响

邵红梅1，2，卢 曦2，李国蓉3，孟祥豪3
（1.中国地质大学能源学院，北京100083；2.中国石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江大庆163712；3.成都理工大学能源学院，成都610059）

热液活动对塔东地区白云岩储集层的形成起着重要作用。综合应用岩石薄片显微镜鉴定、阴极发光分析、碳氧同位素分析、微量元素分析、稀土元素分析等技术，研究了热液地质作用对塔东地区寒武系白云岩储集层的影响，建立了热液作用的期次及其岩石矿物学和地球化学识别标志。对寒武系碳酸盐岩储集层具有改造意义的热液作用有两期，Ⅰ期热液作用发生在中-晚奥陶世，在寒武系白云岩中形成裂缝，而对泥灰岩层段改造较弱或未改造；Ⅱ期热液作用发生在二叠纪末，表现为研究区内广泛的热液溶蚀作用，形成寒武系重要的溶蚀缝洞型白云岩储集层。

塔里木盆地；塔东地区；热液作用；热液溶蚀作用；热液成因白云岩；碳酸盐岩储集层

热液地质作用对碳酸盐岩储集层的形成和演化有重要的影响，前人对塔东地区热液作用的研究认为，热液溶蚀作用和热液白云岩化作用是碳酸盐岩成岩演化过程中主要的建设性成岩作用，是热液成因白云岩储集层发育的主控因素[1-8]。塔里木盆地在漫长的演化历史中主要发生过4期重要地质热事件，时间分别在震旦纪—寒武纪、奥陶纪、二叠纪和白垩纪，以晚二叠世海西运动晚期热液作用发育[9]。本文综合应用岩石薄片显微镜鉴定、阴极发光分析、碳氧同位素分析、微量元素分析、稀土元素分析等技术，在塔东地区识别了两期对储集层有建设性改造意义的热液作用，并建立了两期热液作用的岩石矿物学和地球化学识别标志，研究了两期热液作用机制及其对储渗空间形成的影响，对于寒武系白云岩及其储集层的成因机制认识具有重要意义。

1 区域地质背景

塔东地区位于塔里木盆地东部，受车尔臣和孔雀河2条边界大断层的控制，划分为北部坳陷、塔东隆起、东南坳陷3个构造单元[10]。本次研究范围为古城低凸起、塔东隆起及罗布泊凸起（图1），研究区发育寒武系—奥陶系碳酸盐岩，据钻井揭示，下寒武统西大山组—西山布拉克组主要以泥岩和硅质岩为主，夹少量灰岩和白云岩；中寒武统莫合尔山组总体上碳酸盐岩增多，泥岩相对减少；上寒武统突尔沙克塔格群主要以白云岩和灰岩为主，夹少量泥岩。塔东地区受多期构造活动的改造[11-12]，高角度断裂发育，成为热液流体运移扩散的主要通道，对热液成因白云岩以及溶蚀有一定的控制作用[13-15]。钻井揭示，靠近直通基底断裂的GC6井和GC8井在白云岩溶蚀缝洞型储集层中获得高产工业气流，而同一垒块上远离断裂的GC7井则未获工业发现，证实热液作用是塔东地区重要的成岩作用，可形成重要的热液成因白云岩储集层。

图1 研究区构造位置

2 热液作用识别标志

2.1 岩石矿物学识别标志

应用岩石薄片鉴定、阴极发光分析技术，对塔东地区13口井200多个寒武系岩石薄片样品进行了精细分析，发现热液作用在岩石矿物学方面存在两期差异。

（1）Ⅰ期热液作用表现为各种形式的白云石发育：中-粗晶脏白云石、中-粗晶干净白云石（图2a）、重结晶中-粗晶白云石构成的白云岩；灰岩中的中-粗晶白云石斑块；热液溶蚀作用形成的孔洞及其中的鞍状白云石（图2b）；早期高盐度成因白云岩热液溶蚀缝洞中的中-粗晶白云石（图2c）；构造裂缝内鞍状白云石。Ⅱ期热液作用主要表现为热液重结晶作用形成的中-粗晶脏白云石发育（图2d）；溶蚀缝洞内鞍状白云石或方解石生长（图2e）；白云岩中热液溶蚀作用形成的缝洞发育（图2f）；构造裂缝内鞍状白云石或方解石充填；缝洞内自生石英生长；溶蚀缝洞内羽毛状伊利石生长；黄铁矿斑点及晶形好、晶体大的黄铁矿斑块的发育。

（2）阴极射线下，Ⅰ期热液成因白云石不发光或发光暗。具体表现为中-粗晶干净白云石（图2a）、重结晶中-粗晶白云石、构造裂缝内鞍状白云石近于不发光；中-粗晶脏白云石、溶蚀缝洞边缘鞍状白云石（图2b）、早期高盐度成因白云岩中热液溶蚀缝洞内充填的中-粗晶白云石发暗玫红色光（图2c）。Ⅱ期热液作用的显著识别标志是阴极射线下发光较强，热液重结晶作用形成的中-粗晶白云石发亮桔红色光（图2d）；构造裂缝及缝洞内充填的方解石发亮桔黄色光（图2e）；溶蚀缝洞边缘及其内生长的鞍状白云石发亮桔红色光（图2f）。

图2 塔东地区热液作用岩矿学表现形式及阴极发光特征

（3）根据显微镜下观察矿物切割关系，阴极射线下不发光的白云石明显在发亮桔红色光的鞍状白云石之前，也证实了存在2期热液作用。Ⅰ期热液作用白云石晶间赋存沥青，并可见受到平行层面缝合线改造，或受到加里东运动晚期形成的不发光裂缝方解石或白云石的切割改造，因此确定Ⅰ期热液作用的大致时间是中—晚奥陶世。Ⅱ期发桔红色光的鞍状白云石切割缝合线、缝洞内沥青、加里东运动晚期构造缝（阴极射线下不发光）和海西运动早期构造缝（阴极射线下发暗桔黄色光），并被印支－燕山运动期构造缝（阴极射线下发暗桔黄色光—近于不发光）切割改造，限定了Ⅱ期热液作用的时间大致为二叠纪末期。

2.2 地球化学特征与热液流体性质恢复

2.2.1 碳氧稳定同位素组成特征

研究区61个寒武系白云岩样品碳氧稳定同位素分析揭示，寒武系两期热液成因产物的碳氧稳定同位素组成特征具有明显差异。

Ⅰ期热液作用重结晶形成的中-粗晶白云石、热液溶蚀作用形成的缝洞内沉淀的鞍状白云石、受到Ⅰ期热液作用改造的同生期高盐度或浅埋藏成因的粉-细晶白云岩的碳氧稳定同位素组成极其相似，分布于同一个区域（图3）。Ⅰ期热液重结晶作用形成的中-粗晶白云石的δ13C为-1.20‰~0.04‰，平均值-0.57‰，δ18O为-11.59‰~-8.59‰，平均值-9.79‰；Ⅰ期热液溶蚀作用形成的缝洞内沉淀的鞍状白云石的δ13C值-1.29‰~-0.04‰，平均值-0.77‰，δ18O为-11.13‰~-8.60‰，平均值-9.87‰；受到Ⅰ期热液作用改造的同生期高盐度或浅埋藏成因的粉-细晶白云岩的δ13C为-1.54‰~-0.02‰，平均值-0.59‰，δ18O为-10.89‰~-8.22‰，平均值-9.44‰.

图3 寒武系热液成因白云石的碳氧稳定同位素特征

Ⅱ期热液成因白云岩的δ13C为0.87‰~1.68‰，平均值1.31‰，δ18O为-12.69‰~-10.75‰，平均值-11.97‰.缝洞内Ⅱ期热液成因鞍状白云石的δ13C为0.53‰~ 1.79‰，平均值1.23‰；δ18O为-13.88‰~-10.88‰，平均值-12.59‰.Ⅱ期热液作用改造的白云岩的δ13C为0.58‰~2.06‰，平均值1.23‰，δ18O为-12.07‰~-7.72‰，平均值-9.64‰.Ⅱ期热液成因白云岩与缝洞内Ⅱ期热液成因鞍状白云石分布于同一个区域（图3），Ⅱ期热液作用改造的白云石分布于Ⅱ期热液成因白云石与未改造白云石的过渡区域，与Ⅰ期热液成因白云石相比较，Ⅱ期热液成因白云石的δ18O更偏负，δ13C为正值是显著特征，显然与上寒武统碳酸盐岩的δ13C负值背景不一致，揭示了参与白云岩形成或改造的碳来源不是上寒武统，而是来源于岩浆。

通过包裹体均一温度测试，研究区内Ⅰ期热液成因白云石盐水包裹体均一温度为137.1~152.0℃，平均值为146.4℃；Ⅱ期热液成因白云石盐水包裹体均一温度为165.4~184.9℃，平均值为175.6℃.

按照文献［16］提出的公式，可以计算得到流体的氧同位素值（SMOW），即

式中T——绝对温度，K；

δ18OD——白云石的氧同位素值（SMOW）；

δ18OF——流体的氧同位素值（SMOW）。

（1）式中的氧同位素值（SMOW）为标准平均海水国际标准，可依据美国调查处推荐的公式（δ18OSMOW= 1.030 86δ18OPDB+30.86）与上文中所使用的同位素PDB标准进行换算。

计算得到：Ⅰ期热液流体的δ18OSMOW为3.37‰~ 5.93‰，Ⅱ期热液流体的δ18OSMOW为2.83‰~6.01‰，与Taylor（1979）建议的地幔来源的初生水的δ18OSMOW（6.0‰±1.0‰）接近，揭示了岩浆热液，特别是基性岩浆热液，对寒武系早期白云岩的改造作用。

2.2.2 微量元素组成特征

研究区54个寒武系白云石样品微量元素分析揭示，Ⅰ期热液成因白云石与其他类型白云石锰、锶元素含量相比差别明显（图4），从锰含量变化特征上可划分为两类：一类锰含量较高，为82.89×10-6~1 407.10× 10-6；另一类锰含量较低，为40.60×10-6~66.48×10-6.锰含量高者，可能暗示了基性岩浆热液流体的影响；锰含量较低者，可能暗示了酸性岩浆热液流体的影响[17]。Ⅱ期热液成因中-粗晶白云岩和缝洞内生长的鞍状白云石，具有锰含量更高、锶含量低、锰锶比值高的特征：锰含量为730.72×10-6~2 339.70×10-6，平均值1 315.97× 10-6；锶含量为36.65×10-6~126.28×10-6，平均值76.25× 10-6；锰锶比值为6.82~36.88，平均值19.67.而受热液作用改造的早期白云岩，具有锰含量较高、锶含量较低、锰锶比值较高的特征：锰含量为114.78×10-6~1 417.90× 10-6，平均值663.77×10-6；锶含量为34.79×10-6~ 249.07×10-6，平均值94.68×10-6；锰锶比值为1.48~ 23.80，平均值9.36，明显不同于未受热液作用改造的早期白云岩，后者锰含量为183.43×10-6~235.04×10-6，平均值209.24×10-6；锶含量为131.13×10-6~283.42×10-6，平均值207.28×10-6；锰锶比值为0.647~1.792，平均值1.22，明显不同于Ⅰ期热液成因白云石（图4）。

图4 塔东地区寒武系热液成因白云石与其他类型白云石的锰、锶含量对比

两期热液成因白云岩的微量元素对比分析表明。①Ⅰ期热液成因白云石与Ⅱ期热液成因白云石的锰含量差别较大，前者锰含量相对较低，平均104× 10-6~111.8×10-6；后者锰含量相对较高，平均1 057.6× 10-6~1 574.3×10-6，结合碳氧稳定同位素分析结果，可以确定研究区至少存在两期热液作用。②受到热液流体影响的白云石，其锰含量总体相对较高。③对于同一种类型的白云石（Ⅱ期热液成因白云石除外），锰含量与锶含量呈负相关关系；④Ⅰ期热液成因白云石与Ⅱ期热液成因白云石的锶含量分布范围基本一致。寒武系不同类型白云石在未受改造→Ⅰ期热液作用改造→Ⅱ期热液作用改造过程中，锰锶比值逐渐增大，这种变化趋势揭示在白云岩化作用过程中，热液作用改造形成白云石的微量元素含量差别大，说明热液流体来源不同，可能有基性岩浆热液和中酸性岩浆热液2种来源。

2.2.3 稀土元素组成特征

研究区21个寒武系白云岩稀土元素分析揭示，Ⅰ期热液成因白云石的稀土元素分布模式表现为2种类型：一是正铕异常型（图5a），即与同时期的台地相亮晶砂屑灰岩相比，整体富集轻稀土元素、贫重稀土元素；二是负铕异常型（图5b），即整体富集轻稀土、贫重稀土特征更加明显。揭示了寒武系存在2种类型的热液地质作用，正铕异常者代表了基性岩浆热液地质作用；负铕异常者代表了酸性花岗岩质岩浆热液地质作用[17]。

Ⅱ期热液成因缝洞内鞍状白云石的稀土元素总量为50×10-6~500×10-6，分配曲线具有2种类型：一种曲线向右倾斜，表示轻稀土元素富集，重稀土元素贫乏，具正铕异常特征（图5c）；另一种曲线整体趋于平坦，表示轻稀土元素和重稀土元素富集程度相当，具负铕异常特征（图5d）。中-粗晶白云岩具轻稀土元素富集和重稀土元素贫乏的特征，稀土元素总量约为40×10-6~180×10-6，曲线向右倾斜，具负铕异常特征（图5d）。

图5 塔东地区上寒武统热液成因白云石稀土元素分配模式

显然，两期热液成因白云岩化作用形成的白云石的稀土元素组成及分配模式上具有多样性，这与研究区内火成岩类型的多样性，既有基性火山岩（玄武岩）和侵入岩（辉绿岩），又有中酸性火山岩和侵入岩，是相吻合的。稀土元素组成特征和分配模式，是这些岩浆热液来源的指示[17]，这也揭示了寒武系不同类型的白云岩经过了两期热液流体改造。

3 热液作用对储集层形成与演化影响分析

3.1 Ⅰ期热液作用

Ⅰ期热液作用形成寒武系重结晶中-粗晶白云石及中-粗晶白云石斑块、破裂裂缝或破裂角砾化及鞍状白云石充填现象、溶蚀缝洞及鞍状白云石生长现象。分析认为，Ⅰ期热液作用发生时，寒武系早期成因白云岩可能已固结成岩，岩石脆性程度相对较高，构造应力作用下，更易产生裂缝[18-19]，热液流动的通道条件相对优越，热液上来后也容易产生破裂缝，使得通道条件进一步优化，因而表现出较强的热液作用；而寒武系微晶灰岩、泥灰岩及泥岩层段，因塑性较强不易产生裂缝，缺乏热液流体运动通道，因而，Ⅰ期热液对其改造较弱，甚或缺乏改造。

3.2 Ⅱ期热液作用

Ⅱ期热液溶蚀作用在区内发育分布广泛，研究区13口井剖面上均可见到，且主要在白云岩中发育。表现为晶间溶孔、溶蚀孔隙、溶蚀孔洞、缝状溶蚀孔洞、沿缝合线溶蚀孔隙或溶蚀孔洞、沿构造裂缝溶蚀孔隙或溶蚀孔洞的发育。溶蚀缝孔洞内干净、缺乏沥青充填物，阴极射线下，溶蚀缝孔洞壁具亮桔红色发光晕圈或不规则亮桔红色发光环边。同时也见到与石英生长及交代现象共生。

钻井揭示，纵向上，上寒武统白云岩是Ⅱ期热液溶蚀作用的主要发育层段，蓬莱坝组及鹰山组下部白云岩较为发育，是Ⅱ期热液作用发育的较有利层段；中奥陶统一间房组白云岩不发育。平面上，由盆地相、斜坡相至台地相，白云岩逐渐增多[20-21]。白云岩与断裂叠合区域，此期溶蚀作用发育，如GC7井和GC8井寒武系为台地相沉积，白云岩发育，并处于断裂叠合部位，Ⅱ期热液溶蚀作用强；YD1井、YD2井和ML1井寒武系为斜坡相沉积，白云岩较发育，并处于断裂叠加部位，此期热液溶蚀作用较强；而GC4井和LX1井寒武系虽然也属于台地相沉积，但相对远离断裂，Ⅱ期热液溶蚀作用相对较弱；TD1井和TD2井寒武系为盆地相沉积，尽管处于断裂部位，但白云岩不发育，此期溶蚀作用也较弱。

鉴于研究区内灰岩地层中同生期溶蚀、早期岩溶作用形成的溶蚀缝孔洞或为成岩矿物严重充填，或赋存沥青，降低了储集性能；白云岩地层中，浅埋藏白云岩化作用形成的晶间孔被泥质或沥青充填严重，Ⅰ期热液溶蚀作用形成的缝孔洞被成岩矿物及沥青充填严重，埋藏条件下有机酸溶蚀形成的晶间溶孔、溶蚀孔隙、溶蚀孔洞被沥青充填严重，致使这些早期储集空间的储集有效性降低。因此，由Ⅱ期热液溶蚀作用形成的溶蚀缝孔洞，热液成因的矿物未充填或半充填，构成了区内天然气聚集成藏的主要储渗空间。

4 结论

（1）对寒武系碳酸盐岩储集层具有改造意义的热液作用有两期，岩石矿物学和地球化学特征不同。Ⅰ期热液作用以形成各种形态的白云石为特征，阴极射线下不发光或发光暗；Ⅱ期热液作用表现为发育鞍状白云石和溶蚀缝孔洞，阴极射线下鞍状白云石发亮桔红色光。

（2）Ⅰ期热液作用使寒武系早期脆性较强的白云岩破裂，产生裂缝优化了通道条件，而对塑性较强的泥灰岩改造较弱。Ⅱ期热液作用形成的溶蚀缝洞是研究区内天然气聚集成藏的有效储集空间。

（3）Ⅱ期热液溶蚀作用形成的缝洞半充填或未充填，形成寒武系重要的缝洞型储集层，在白云岩与断裂构造叠合部位应是塔东地区有利勘探目标区之一。

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Hydrothermal Process and Its Effect on Cambrian Carbonate Reservoirs in Tadong Area

SHAO Hongmei1,2,LU Xi2,LI Guorong3,MENG Xianghao3
（1.College of Energy Resources,ChinaUniversity of Geosciences,Bejing,100083,China;2.Research Institute of Exploration and Development,DaqingOilfield Company Ltd,Daqing,Heilongjiang 163712,China;3.College of Energy Resources, Chengdu University of Technology,Chengdu,Sichuan 610059,China）

Hydrothermal activity played an important part in the formation of dolostone reservoirs in Tadong area(eastern Tarim basin).By applying the technologies of rock thin section microscopic identification,cathodoluminescence analysis,carbon and oxygen isotope analy⁃sis,trace element,rare earth element analysis,etc,the hydrothermal process and formed Cambrian hydrothermal dolostone reservoirs in Ta⁃dong area were studied.There are two stages of hydrothermal processes with transformed effect significance on the Cambrian carbonate res⁃ervoirs,and corresponding rock mineralogical and geochemical identification marks of the two hydrothermal processes are established.The Stage⁃Ⅰhydrothermal process took place in the Middle-Late Ordovician,its transformed effect on the Early Cambrian consolidated dolomites was dominated by formation of fractures rather than on the Cambrian microcrystalline limestone,marl and mudstone intervals.The Stage⁃Ⅱhydrothermal process took place in late hercynian at the end of Permian,and its transformed effect created wide distribution of hydrother⁃mal dissolution and formed Cambrian important dissolution fractured⁃vuggy reservoirs in this area.

Tarim basin;Tadongarea;eastern Tarim basin;hydrothermal process;hydrothermal genetic dolomite:carbonate reservoir

TE112.221

A

1001-3873（2015）03-0277-06

10.7657/XJPG20150305

2015-03-30

2015-04-16

国家自然科学基金（41272150）

邵红梅（1970-），女，黑龙江大庆人，高级工程师，博士研究生，油气储层评价，（Tel）0459-5508441（E-mail）shhm@ petrochina.com.cn