塔中-巴麦地区下古生界不同结构类型白云岩元素地球化学特征

黄擎宇,刘 伟,石书缘,王 坤,孟祥豪

(1.中国石油 勘探开发研究院,北京 100083;2.成都理工大学 油气藏地质及开发工程 国家重点实验室,四川 成都 610059)

0 引 言

白云岩成因一直是碳酸盐岩研究中的热点和难点之一。前人通过大量地球化学测试和数值模拟等技术对白云石化流体的来源及运移方式进行了详细解剖,从宏观尺度建立了多种白云石化模式[1–5],为白云岩成因解释提供了重要依据。微观方面,除了晶粒大小之外,越来越多的研究开始关注白云岩/石的结构类型与成因之间的关系,如 Gregget al.[6]、Sibleyet al.[7]最早建立了白云岩结构分类方案,并认为温度对于白云石晶面结构具有重要影响: 较低温度条件下多形成具有平直晶面的白云石,而较高温度条件下则形成非平直晶面白云石。随后的研究发现,除温度之外,白云石化流体的 Mg/Ca比值或饱和度对于白云石结构也具有明显控制作用[8–10]:具有较高Mg/Ca比值的白云石化流体可以导致晶体之间为争夺生长空间而产生竞争性生长,同样可以形成非平直晶面白云石,只是晶粒较小(通常为泥晶到粉晶)。总体上,白云岩的结构特征可以在一定程度上反映出其成因信息,特别是形成温度和白云石化流体性质。塔里木盆地下古生界白云岩发育广泛,结构类型多变,成因复杂,已有较多学者从宏观角度对其成因机制进行了卓有成效的研究,提出了多种白云石化模式[11–13]。目前对于其微观方面的探索也不断加强,并逐步认识到白云岩/石的结构类型与成因之间的相关关系[14–17]。因此,本文在前人研究的基础上,从元素地球化学组成的角度对不同结构类型白云岩的成因进行研究,试图寻找一些共性规律,从而为白云岩的成因解释提供更多直观依据,其结果对于白云岩储层的研究也具有重要借鉴意义。

1 地质背景

塔里木盆地是一个由造山带环绕而成的大型叠合盆地,其中部为稳定的古生代克拉通海相盆地,边缘环绕库车、喀什、塔西南、塔东南等中新生代前陆冲断带[18]。盆地现今以南北向挤压构造带为主,受横向调节性走滑断裂的切割又显示出东西分块的性质,整体上具有“三隆四坳”的构造格局(图1)。本次研究的区域主要集中在中央隆起区,包括塔中低凸起、塔东凸起西部、巴楚凸起和麦盖提斜坡东部的大部分地区。该区在寒武纪-中奥陶世时发育了一套稳定的台地相碳酸盐岩沉积,灰岩及白云岩均有发育,其中白云岩主要分布在寒武系和下奥陶统,向上逐步过渡为灰质白云岩、白云质灰岩和纯灰岩(图 1)。

2 样品与方法

本次研究所采集的样品来都自井下。研究中所使用的方法主要包括岩石薄片鉴定、阴极发光测试、全岩微量元素分析和电子探针分析等。其中,阴极发光测试在中国石油勘探开发研究院实验中心完成,所用仪器为英国CITL公司生产的CL8200 MK5阴极发光仪,工作环境为束电压15 kV;束电流320 μA。微量元素分析在成都理工大学材料与化学化工学院基础化学实验室完成,检测仪器为电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES),仪器型号为 Elan DRC-e,检测限为0.01～0.2μg/g,分析误差为小于3%。电子探针在成都理工大学油气藏地质及开发工程重点实验室EPMA-1720型电子探针分析仪上完成,工作条件: 加速电压15 kV,电流10 nA,电子束斑直径小于 1 μm。

3 岩石学特征

研究区下古生界白云岩类型多样,首先根据其产状的差异分为基质白云岩和孔洞充填白云石两大类。其中基质白云岩又可以根据其结构特征分为原始结构保留的白云岩和原始结构无法识别的结晶白云岩,原始结构保留的白云岩包括:(1) 泥-粉晶白云岩和(2) 颗粒白云岩;结晶白云岩主要由(3) 细晶、自形白云岩,(4) 细晶、半自形白云岩和(5) 中-粗晶、他形白云岩构成。缝洞充填白云石有两类:(1) 细晶、自形-半自形白云石和(2) 中-粗晶、鞍形白云石(表1)。

3.1 基质白云岩

(1) 泥-粉晶白云岩: 中下寒武统常见,岩芯上显土黄色、灰色或深灰色等,薄-中层状产出或是与膏岩呈互层状产出。镜下观察,晶体细小,以泥晶为主,部分粉晶,晶体自形程度差,常见石膏、陆源泥质以及陆源碎屑条带等(图 2a)。沉积环境以潮坪和潟湖为主,阴极发光测试基本不发光。

表1 研究区白云岩/石结构类型表Table 1 Classification of dolomite textures in the study area

图2 研究区基质白云岩特征Fig.2 Characteristics of matrix dolomites in the study area

(2) 颗粒白云岩: 下寒武肖尔布拉克组和上寒武统丘里塔格组最为发育。岩芯上通常为灰色、浅灰色或灰白色,粒屑结构特征明显,颗粒主要由藻(蓝细菌)砂屑、藻(蓝细菌)凝块、鲕粒、团块和少量生屑构成(图2b),受后期重结晶影响,部分颗粒内部结构遭受不同程度破坏(图2c)。阴极发光下该类白云岩整体以发暗红色光或玫瑰红色光为主(图2d)。

(3) 细晶、自形白云岩: 主要出现在下奥陶统蓬莱坝组和鹰山组中下部。岩芯上通常为浅灰色或灰白色、呈中层状或透镜状产出。镜下观察,以细晶为主,晶体自形程度高,多由具平直晶面的自形晶组成,晶间孔发育(图 2e)。阴极发光下显均匀的中等亮度红色光到暗红色光(图2f)。

(4) 细晶、半自形白云岩: 常见于下奥陶统中,岩芯上观察该类白云岩颜色略深,以深灰色或灰色为主。镜下观察,以细晶为主,其次为中晶或粉晶,晶体自形程度略差,多为平直晶面半自形晶,常见雾心亮边或环带结构,晶间孔发育程度低(图 2g)。该类白云岩的阴极发光特征与细晶、自形白云岩类似或稍弱,部分样品孔隙发育处可见亮红色环边。

(5) 中-粗晶、他形白云岩: 上寒武统较为常见,其次为下奥陶统,以浅黄灰色、灰色或深灰色为主,可呈斑状产出也可呈层状分布。镜下观察,晶粒粗大,晶体自形程度差,主要由非平直晶面的他形晶组成,晶体之间凹凸或镶嵌接触,晶间孔不发育(图2h)。部分样品可见颗粒幻影,预示晚期白云石化作用对早期形成白云岩的进一步改造。该类白云岩阴极发光性较差,整体显极暗红色光或基本不发光,局部可见暗红色斑块或环带(图2i)。

3.2 缝洞充填白云石

(1) 细晶、自形-半自形白云石充填物: 通常作为孔隙的首期充填物紧贴其内壁生长,以细晶为主,少量中晶,晶体自形程度较好,晶面干净明亮,部分晶体内可见较规则的环带发育(图 3a)。阴极发光下该类白云石充填物与细晶、自形白云岩和细晶、半自形白云岩类似或略暗,预示其成因的相似性。

图3 研究区缝洞充填白云石特征Fig.3 Characteristics of fracture/void-filling dolomite cements in the study area

(2) 中-粗晶、鞍形白云石充填物: 多为浅灰白色或杏白色,晶粒粗大,以中-粗晶为主,部分可达巨晶级(图3b);镜下观察,鞍形白云石晶面弯曲,呈镰刀状或阶梯状生长,晶体内解理及微裂缝发育,并包裹大量包裹体,正交偏光下波状消光特征明显(图 3c)。通常与自生石英、萤石、重晶石或黄铁矿等矿物共生。阴极发光测试多为暗红色光,部分样品边缘可见明暗相间的环带(图 3d),说明形成该类白云石的成岩流体性质多变。

4 全岩微量元素特征

本次研究中共测试了 60件不同结构白云岩的全岩微量元素特征,具体分析结果见表2。

4.1 Sr

由于Sr的离子半径明显大于Mg离子而接近Ca离子,导致 Sr在白云石中的分配系数低于其在方解石中的分配系数[19],因此白云石化过程也是一个 Sr含量降低的过程[20],亦即 Sr含量与白云石化程度或是成岩强度有关。另外,蒸发环境中形成的白云石多具有较高的Sr含量,可达500～700 μg/g[21];同时,早期碳酸盐矿物也影响着白云石的 Sr含量: 如果白云石交代具有高Sr含量的海相文石(8000～10000 μg/g),那么新形成的白云石的Sr含量可达500～600 μg/g;如果交代Sr含量为1000～2000 μg/g的海相高镁方解石,白云石的Sr含量大致为 200～300 μg/g;而交代成岩期低镁方解石形成的白云石则具有很低的Sr含量(50 μg/g左右),也就是说早期形成的白云石明显较晚期形成的白云石具有更高的Sr含量[1]。综上所述,白云岩中的Sr含量受白云石的结晶习性[20]、成岩流体性质(如盐度)[22–23]以及被交代的先驱矿物[24]等因素共同控制。

研究区下古生界不同类型白云岩具有明显不同的Sr含量,总体上有以下特征。

(1) 各类白云岩/石的Sr含量明显低于灰岩的Sr含量(图 4),主要与 Sr在白云石中的分配系数较低有关,即方解石的白云石化过程是一个Sr丢失的过程,交代形成的白云石往往具有较低的Sr含量。

(2) 原始结构保留的白云岩中,泥-粉晶白云岩的Sr含量最高(平均249 μg/g),说明其形成时的流体盐度较高(如蒸发海水)、形成时间较早且后期重结晶不强烈;而颗粒白云岩Sr含量较低(平均 78.8 μg/g),可能与微生物矿化作用或者前驱矿物类型有关,前人对微生物白云岩的研究中也发现类似现象[25]。

(3) 晶粒白云岩中,细晶、自形白云岩→细晶、半自形白云岩→中-粗晶、他形白云岩的 Sr平均含量(168 μg/g→144 μg/g→135 μg/g)具有依次递减的特征,应与细晶、自形/半自形白云岩形成时间较早(推测其交代前驱矿物为富Sr的文石、高Mg方解石等矿物)而中-粗晶、他形白云岩形成时间相对较晚(推测其多交代贫Sr、已经稳定化的低Mg方解石)有关[24],或是后者在埋藏过程中经历了重结晶作用的影响[26]。

4.2 Na

碳酸盐岩中的 Na含量通常被认为是海水古盐度的指示剂[27]。尽管现在还不清楚 Na是以 Mg2+/Ca2+代替物的形式还是以包裹体的形式赋存于白云石晶格中,但海水或蒸发海水中较高的 Na/Ca比值依然预示着形成于海源流体中的白云石可能具有较高的Na含量。例如阿拉伯湾、加勒比海等地区现代海相白云岩的Na含量可达1000～3000 μg/g[28];而许多古代白云岩的 Na含量则仅有几百 μg/g。另外,Veizeret al.[29]发现早期形成的高Sr白云岩也具有较高的Na含量,而较晚成岩期形成的白云岩则具有较低的Na含量。

研究区泥-粉晶白云岩和颗粒白云岩的 Na含量(平均值分别为3325 μg/g和3188 μg/g)明显高于各类结晶白云岩(图 5),推测保留原始结构的泥-粉晶白云岩和颗粒白云岩多形成于超盐度海水中且形成时间较早,而晶粒白云岩则形成于中等盐度海水或正常盐度海水中且形成时间相对较晚。

4.3 Fe、Mn

在成岩过程中,碳酸盐岩的元素迁移总体上具有 Sr、Na、Mg 减少以及 Fe、Mn、Zn 增加的趋势[24]。由于海水中Fe、Mn元素含量大大低于地层水,且还原环境有利于 Fe、Mn作为类质同像离子置换白云石晶格中的Ca、Mg离子,加之Fe、Mn在白云石中的分配系数较大,因此埋藏阶段形成的白云岩往往具有相对较高的Fe、Mn含量[30]。

研究区下古生界各类白云岩的Fe、Mn含量总体上具有很强的规律性,即由泥-粉晶白云岩→颗粒白云岩→细晶、自形白云岩→细晶、半自形白云岩→中-粗晶、他形白云岩→鞍形白云石充填物的 Fe、Mn含量依次升高(图6),说明其形成过程中还原性成岩流体的交代作用增强。

图4 研究区各类白云岩的Sr含量特征Fig.4 Histogram of Sr content of different types of dolomites in the study area

图5 研究区各类白云岩的Na含量特征Fig.5 Histogram of the Na content of different types of dolomites in the study area

图6 研究区各类白云岩的Fe和Mn含量分布图Fig.6 Histogram of the Fe and Mn contents of different types of dolomites in the study area

另外,缝洞充填的鞍形白云石的 Fe、Mn含量(分别为 99.6～1341 μg/g 和 36.0～70.8 μg/g)变化范围较大,既有与基质白云岩相似的样品也有部分明显不同的样品,预示两者在成因上既有继承性又有差异性。

4.4 其他元素(Ba和Zn)

除了上述元素之外,本次研究中还发现 Ba和Zn在充填物白云石中富集而基质白云岩中匮乏的现象(图7)。其原因主要是个别样品中极高的Zn和Ba含量所致,也就是说一些鞍形白云石在形成过程中可能有来自深部的、富Zn和Ba成岩流体的混入或是与有机质成熟过程有关;前人对该类白云石的包裹体测温分析显示其形成温度较高[31],因此鞍形白云石中较高的Zn和Ba含量可能与高温流体有关;同时,较高的形成温度也有利于这些原子半径较大的离子进入到白云石晶格中[32–33]。

5 单矿物微量元素特征

本次研究中还对缝洞充填物中的白云石单矿物成分进行了电子探针分析(表3),以期获得这些成岩矿物在微观方面的变化规律,从而能够更精确地示踪成岩流体及成岩环境。

图7 研究区各类碳酸盐岩Zn和Ba含量特征Fig.7 Histogram of the Zn and Ba content of different types of dolomites in the study area

表3 研究区白云石缝洞充填物电子探针分析数据(%)Table 3 Electron microprobe analysis data(%) of different fracture/void-filling dolomite cements in the study area

结果表明,细晶、自形-半自形白云石充填物总体上具有与基质白云岩相似的Sr、Fe、Mn含量,仅仅是晶体边缘部分具有略高的Fe含量(图8a和8b),因此,认为该期充填物白云石的形成环境与细晶、自形/半自形白云岩相近,成岩流体相对单一,变化不明显。

相比之下,缝洞鞍形白云石充填物微量元素则显示出明显的变化特征(图8c～8f)。主要体现在两个方面: 一是不同地区的鞍形白云石充填物在微量元素含量方面截然不同,例如塔中地区Z3-1-1样品中的鞍形白云石具有明显较高的 Fe含量(0.013%～0.376%,平均 0.201%),而麦盖提斜坡区 YB1-2x-3样品中鞍形白云石充填物的 Fe含量并不高(0.011～0.061%,平均0.047%);二是单个鞍形白云石充填物内部不同部位的微量元素也具有明显差别,如Z3-1-1样品鞍形白云石充填物的内核相对贫Fe、Mn,而边缘则相对富集这两种元素,说明其形成过程中孔隙水的性质复杂多变。

6 讨 论

根据本次研究所测定的元素地球化学特征以及前人在沉积环境和岩石结构方面的成果,对不同结构类型白云岩的成因进行分析。

图8 缝洞白云石充填物电子探针分析结果Fig.8 Results of electron microprobe analysis for different types of fracture/void-filling dolomite cements in the study area

研究区泥-粉晶白云岩往往与蒸发岩层系相伴生,并常见泥裂、鸟眼、泥质纹层、硬石膏结核等萨布哈环境的沉积构造,其Sr、Na含量明显较其他类型白云岩高,说明流体盐度高,而极低的Fe、Mn含量则与近地表偏氧化的成岩环境有关,因此认为该类白云岩形成于同生/准同生期的超盐度海水中,白云石化模式以蒸发泵为主。

颗粒白云岩能够不同程度地保留有原岩结构特征,一方面与较低的成岩温度和拟态交代有关[4,34];另一方面可能是微生物调制作用所致[35–36],例如研究区中常见的藻凝块、藻砂屑白云岩等具有微生物结构的白云岩;另外,原始矿物成分(如文石或高镁方解石)对于组构的保存也具有重要影响[37]。研究区颗粒白云岩具有和泥-粉晶白云岩相似的 Na、Fe和Mn组成,说明两者成岩环境具有一定相似性,均为近地表白云石化的产物。颗粒白云岩较低的Sr元素可能与微生物作用或是该类沉积物形成过程中能量较高、黏土矿物较少(黏土矿物可吸附大量Sr)有关。由于该类白云岩多分布在台地内部丘滩体中,纵向上可与蒸发岩叠置[38],因此准同生期的渗透回流白云石化可能是其主要形成模式。

结晶白云岩总体上具有较低的Sr、Na含量和较高的Fe、Mn含量,说明成岩环境的还原性增强。但相比其他地区埋藏白云岩的Fe、Mn含量(通常Fe ＞1000 μg/g、Mn ＞ 100μg/g)[39–41],研究区寒武-奥陶系结晶白云岩 Fe、Mn含量的绝对值并不高(Fe平均569.15 μg/g,Mn 平均 54.23 μg/g)。Budd[5]认为只有当 Fe 含量大于 1000 μg/g、Mn 含量大于 10～100 μg/g时才可指示白云岩形成于强还原条件下或是成岩过程中有外部来源的、富Fe-Mn流体的参与。而且从各类白云岩的 Fe-Mn交汇图上也可以发现,晶粒白云岩Fe、Mn之间的相关性并不好(图9),如果这些白云岩都是在埋藏条件下形成的,那么其 Fe、Mn的增加应该是大致同步的[24]。因此,研究区结晶白云岩并非完全是深埋藏环境、强还原条件下的产物,很可能形成于还原性不是很强的浅到中埋藏阶段。再结合其晶体结构特征分析认为,具有平直晶面的细晶、自形白云岩和细晶、半自形白云岩多形成于成岩温度相对较低的浅埋藏成岩阶段,而以非平直晶面为主的中-粗晶、他形白云岩则形成于温度逐步升高的中埋藏阶段。

缝洞充填物白云石方面: 细晶、自形-半自形白云石充填物具有与结晶白云岩特别是细晶、半自形白云岩相似的微量元素组成,因此认为其属于浅埋藏阶段低温白云石化的产物;中-粗晶、鞍形白云石充填物的形成通常与热液活动有关,热流体的来源可能是岩浆期后热液、封存的地层热卤水、深循环大气淡水、亦或是它们的混合流体[42–45],因此不同性质不同来源的热液往往会导致鞍形白云石充填物在微量元素组成上的差异。塔中东南部下奥陶统Z3-1-1样品明显较高的 Fe、Mn含量很可能是深循环大气淡水的混入(图8c和8d): 由于该区经历了多期构造隆升的影响,表生岩溶作用强烈,断裂发育程度高,岩溶期大气水流经上覆碎屑岩地层后带入大量 Fe、Mn元素,在深部与其他高温流体相混合,从而形成具有高Fe、Mn含量的鞍形白云石充填物;相比之下,麦盖提斜坡区下奥陶统鞍形白云石样品的Fe、Mn含量并不高(图7e和7f),大部分与中-粗晶、他形基质白云岩相似,少量样品具有较高的Ba和 Zn含量(表2和图 6),因此推测其形成流体以地层热卤水为主,并伴随少量深部岩浆期后热液。

7 结 论

(1) 研究区泥-粉晶白云岩具有较高的 Sr、Na含量和低的Fe、Mn含量,层位上多与膏盐岩相伴生,认为其成因机制为准同生期蒸发泵白云石化作用。颗粒白云岩的 Na、Fe、Mn含量与泥粉晶白云岩相似,但其 Sr含量较低,可能与微生物作用有关,形成模式主要为准同生期的渗透回流白云石化。

(2) 晶粒白云岩有较低的Sr、Na含量和相对较高的Fe、Mn含量,说明其成岩环境还原性增强,结合晶体结构特征分析认为: 具有平直晶面的细晶、自形白云岩和细晶、半自形白云岩形成于成岩温度相对较低的浅埋藏成岩阶段,而以非平直晶面为主的中-粗晶、他形白云岩则形成于温度逐步升高的中埋藏阶段。

图9 研究区各类白云岩/石Fe-Mn含量交汇图Fig.9 Cross-plot of Fe versus Mn values of different types of dolomites in the study area

(3) 细晶、自形-半自形白云石充填物具有和细晶、半自形基质白云岩相似的微量元素组成,推测其同样形成于浅埋藏阶段。鞍形白云石充填物则因流体来源及后期构造活动的差异而具有不同的形成机制: 塔中东南部鞍形白云石充填物的形成与深循环大气淡水和深部热液的混合有关,而麦盖提斜坡东部的鞍形白云石充填物的成岩流体则以地层热卤水为主并伴随少量岩浆期后热液。不同结构类型白云岩/石具有明显不同的元素地球化学组成,因此可以利用其结构类型对成因进行初步判断。

感谢匿名审稿人提出的宝贵修改意见。

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