华北牛驼镇凸起潜山方解石脉体特征及流体响应

李 飞， 曾溅辉， 金凤鸣， 刘井旺， 赵智鹏， 刘 佳， 葛黛薇， 吴晨林

( 1. 中国石油大学 地球科学学院，北京 102249； 2. 中国石油华北油田分公司 勘探开发研究院，河北 任丘 062552； 3. 中国石油华北油田分公司 地球物理勘探研究院，河北 任丘 062552 )

华北牛驼镇凸起潜山方解石脉体特征及流体响应

李 飞1， 曾溅辉1， 金凤鸣2， 刘井旺2， 赵智鹏3， 刘 佳1， 葛黛薇1， 吴晨林2

( 1. 中国石油大学 地球科学学院，北京 102249； 2. 中国石油华北油田分公司 勘探开发研究院，河北 任丘 062552； 3. 中国石油华北油田分公司 地球物理勘探研究院，河北 任丘 062552 )

华北牛驼镇凸起潜山地层中方解石脉体发育，根据研究区潜山地层方解石脉体及其围岩岩石学、同位素等特征，结合埋藏史、热史和构造演化史，分析流体来源及活动期次。结果表明：牛驼镇凸起潜山地层发育4种类型方解石脉体(Cal1、Cal2、Cal3和Cal4)，其中加里东运动早期形成的Cal1型脉体与围岩同位素特征相似，流体来源于围岩。加里东运动晚期形成的Cal2型脉体相对围岩具有δ13C相似、δ18O亏损和87Sr/86Sr富集的特征，流体来源于大气水和围岩的混合。喜马拉雅运动Es3-Es4期形成的Cal3型脉体相对围岩具有δ13C和δ18O亏损、87Sr/86Sr富集的特征，流体来源于岩浆活动。喜马拉雅运动Ng-Nm末期形成的Cal4型脉体相对围岩也具有δ13C和δ18O亏损、87Sr/86Sr富集的特征，其形成与烃类流体有关，主要来源于霸县洼槽的Es3烃源岩在Ng-Nm末期大规模的生排烃。该研究成果为分析研究区油气运移期次提供理论依据。

牛驼镇凸起； 潜山； 方解石脉体； 稳定同位素； 流体活动

0 引言

牛驼镇潜山凸起是冀中坳陷中央凸起带的组成部分，其在中、新元古代和早古生代沉积巨厚的海相碳酸盐岩。一般认为，碳酸盐岩是一种易溶解易变形的沉积岩，它在一定的应力或其他因素作用下产生大量裂缝[1-2]。这套海相地层经历加里东、海西、印支、燕山和喜马拉雅等构造运动，同时也伴随大规模的流体活动，因此早期产生的裂缝可以作为地质流体运移的重要通道，地质流体在沿着裂缝运移过程中通常与围岩发生复杂的水岩相互作用，形成一些充填物(脉体)[3-4]。其中方解石脉体是碳酸盐岩成岩中最常见的矿物之一，对介质环境反应敏感，其结构与地化性质可以反映成岩流体性质、沉积环境的封闭与开放等，还可以记录多期的成岩流体作用过程。在大港滩海区、渤海湾盆地、鄂尔多斯盆地、塔里木盆地等，分析方解石脉体的岩石学和地球化学特征，探讨成脉过程及流体的运移特征，取得良好效果[5-8]。如徐田武等利用主断裂处碳酸盐原岩及其节理充填方解石碳、氧同位素分析，以及反演构造应力场等方法，对大巴山前陆构造带流体的来源及活动期次进行研究，认为大巴山前陆构造带存在2次大的流体活动，分别对应印支运动早期和燕山运动晚期[5]。郭凯等对鄂尔多斯盆地陇东地区延长组方解石脉体的微量元素与稳定同位素进行研究并分析成因，认为方解石脉体与烃类的流体活动有关，形成时间同步于烃源岩的生排烃时间[6]。

牛驼镇凸起位于霸县凹陷西部，是冀中坳陷的油气聚集区之一，其中潜山地层是主要的含油层系，并且潜山地层中方解石脉体广泛发育，为研究流体活动特征提供物质基础[9]。以牛驼镇凸起潜山为例，研究方解石脉体及其围岩岩石学、同位素等特征，揭示方解石脉体形成的流体环境，探讨流体活动的特征，为研究区油气运移期次提供理论依据。

1 区域地质特征

牛驼镇凸起潜山位于冀中坳陷霸县和廊固凹陷之间，是冀中坳陷的油气聚集区之一，凸起的形态呈黄瓜形，走向主要受牛东断层控制，为NE-NEE走向，面积约为400 km2(见图1)。古新世之前，牛驼镇凸起尚未形成，廊固—霸县凹陷为统一的凹陷区，受燕山运动的影响，牛东断层开始发育，把廊固和霸县凹陷分割成2个独立的凹陷。在古新世孔店期，牛东断层继承前期构造活动的特点，牛驼镇凸起开始发育，至沙四期末已形成古隆起雏形。渐新世末期，牛东断层继续发育，牛驼镇凸起发生强烈抬升，致使牛东大断层上升盘遭受强烈的风化剥蚀，不仅古近系被剥蚀殆尽，古生界乃至中元古界蓟县系雾迷山组暴露地表遭受风化淋滤。在新近纪中新世时，牛驼镇凸起继承古近纪末期的构造面貌，继续抬升遭受剥蚀，至上新世明化镇期，牛东断层活动逐渐减弱，牛驼镇凸起整体下沉进入明化镇组和第四系沉积，形成明化镇组覆盖整个凸起的现今面貌[10-11]。研究区潜山主要由海相碳酸盐岩组成，埋藏比较浅，为500～1 100 m，潜山上覆被第四系和明化镇组覆盖，并以不整合与下伏古生界、中—新元古界接触。牛驼镇凸起潜山地层自上而下主要由古生界、新元古界、中元古界和太古界组成，其中古生界由寒武系(∈)和奥陶系(O)组成，主要分布在牛驼镇凸起东北坡；新元古界主要由青白口系(Qn)组成，分布范围局限；中元古界主要由蓟县系(Jx)和长城系(Ch)组成，蓟县系主要由雾迷山组(Jxw)和杨庄组(Jxy)组成，长城系主要由高于庄组(Chg)、大红峪组(Chd)、团山子组(Cht)、串岭沟组(Chch)和常州沟组(Chc)组成。其中蓟县系雾迷山组(Jxw)是研究区出露范围最广的潜山地层。太古界(Ar)仅在雄古1井钻遇，岩性主要为浅灰色片麻岩。牛驼镇凸起紧临霸县洼槽，其中霸县洼槽发育Es3和Es4两套烃源岩，烃源岩生成的油气通过断层—不整合运移至潜山顶部或直接运移至潜山内幕地层中成藏，具有良好的供油和输导条件[12-13]。

图1 牛驼镇凸起构造位置Fig.1 Structural location of Niutuozhen uplift

2 样品采集与分析

样品主要来自牛驼镇凸起潜山地层中的方解石脉体及其围岩，主要以3口井(淀6、淀6-2和霸26井)12个样品为研究对象(见图2)，其中方解石脉体样品7个，围岩样品5个，涉及的层位主要为蓟县系雾迷山组。为了更好地示踪方解石脉体的特征，对脉体和围岩分别进行普通薄片及碳、氧和锶同位素分析，其中碳同位素采用PDB标准，氧同位素采用PDB和SMOW标准，两者换算公式为δPDB=0.970 0δSMOW-30.0。

图2 牛驼镇凸起东西向地质剖面Fig.2 EW structural section in Niutuozhen uplift

3 方解石脉体特征

3.1 岩相学

根据方解石脉体的宏观和显微镜下特征，研究区潜山地层发育4种类型的方解石脉体。第一种方解石脉体较细(Cal1)，为0.3～0.6 mm，成分为亮晶方解石，晶体表面干净，晶粒细小且为他形晶，脉体与围岩的界限呈渐变过渡状(见图3(a))。第二种方解石脉体较宽(Cal2)，为2.0～6.0 mm，边部为细粒他形方解石，中部为粗大晶粒方解石，脉体与围岩界限呈渐变状,方解石的双晶和解理发育(见图3(b))。第三种方解石脉体(Cal3)也较宽，为1.5～4.0 mm，单个晶体充满整个裂缝，解理发育(见图3(c))。第四种方解石脉体(Cal4)也较宽，为2.0～5.0 mm，脉体与围岩的界限比较清晰，主要由粗粒方解石颗粒组成(见图3(d))。根据脉体之间的切割关系，Cal1型脉体形成最早，其次是Cal2型和Cal3型脉体，Cal4型脉体形成最晚。

图3 牛驼镇凸起潜山地层方解石脉体显微照片Fig.3 Photomicrograph of calcite veins in Niutuozhen buried hill

3.2 同位素

3.2.1 围岩

牛驼镇凸起潜山地层主要由雾迷山组白云岩组成，其围岩碳、氧和锶同位素分析结果见表1。由表1可知，牛驼镇凸起雾迷山组白云岩围岩碳同位素δ13CPDB为-1.502‰～-0.025‰，平均为-0.988‰；氧同位素δ18OPDB为-8.451‰～-5.198‰，平均为-6.842‰；锶同位素87Sr/86Sr为0.707 32～0.707 62，平均为0.707 54，白云岩围岩碳、氧和锶同位素组成与世界范围内中、新元古代碳酸盐岩碳和氧同位素组成类似[14]。Keith K[15]等提出区别海相碳酸盐岩和淡水碳酸盐岩的盐度(Z)公式，Z>120，为海相碳酸盐岩；Z<120，为淡水碳酸盐岩。

由表1及Z的计算公式可得，所有白云岩围岩Z大于120，白云岩围岩的形成与海水作用相关。综合雾迷山组白云岩围岩碳、氧和锶同位素特征，围岩为正常海水沉积碳酸盐岩。

表1 牛驼镇潜山围岩δ13C、δ18O、87Sr/86Sr、Z及其形成温度

3.2.2 方解石

牛驼镇凸起潜山地层中方解石脉体碳、氧和锶同位素分析结果见表2。由表2可知，研究区方解石脉体的同位素分布比较广，不同类型方解石脉体的稳定同位素特征具有一定的差异性。

对方解石脉体的盐度Z进行计算(见表2)。由表2可知，方解石脉体Z分布比较广(107～123)，不同类型脉体的盐度存在差异。其中Cal1型脉体Z大于120，说明其形成与海水作用有关，而Cal2、Cal3和Cal4型脉体Z小于120，说明其形成与淡水作用有关。牛驼镇凸起潜山存在多期不同来源的流体活动。

表2 牛驼镇潜山方解石脉体及其围岩的δ13C、δ18O、87Sr/86Sr、Z及其形成温度

注:Δδ13C=δ13C(脉体)-δ13C(围岩)；Δδ18O=δ18O(脉体)-δ18O(围岩);Δ87Sr/86Sr=87Sr/86Sr(脉体)-87Sr/86Sr(围岩)

4 流体来源

在断裂带形成与演化过程中，断裂带的流体活动形成方解石脉体。其流体来源主要有2种：内部流体和外部流体。其中内部流体主要为围岩的沉积流体，外部流体主要包括大气水、深部壳源流体、幔源等流体。不同成因流体形成的方解石脉体同位素组成存在差异，根据文献[16-19]，以PDB标准为例，海相碳酸盐岩δ13C一般为-4.000‰～4.000‰，受大气CO2影响的碳酸盐岩δ13C一般为-10.000‰～5.000‰；淡水沉积的碳酸盐岩δ13C一般为-15.000‰～-5.000‰，与有机质作用相关碳酸盐岩δ13C一般为-30.000‰～-20.000‰。海相碳酸盐岩δ18O大多为-15.000‰～5.000‰，与幔源流体有关的一般δ18O为-25.000‰～-20.000‰[20]。海水和岩石的锶同位素主要有2个来源：一是壳源锶，具有较高的87Sr/86Sr，全球平均为0.711 90[21]；二是深部幔源锶，具有较低的87Sr/86Sr，全球平均为0.703 50[22]。如果脉体的87Sr/86Sr高于其围岩的，推断受放射性陆源锶的影响；如果脉体的87Sr/86Sr低于围岩的，有可能受到幔源流体的影响。

在研究方解石脉体流体的过程中，根据研究脉体与围岩的碳、氧和锶同位素差(Δδ13C、Δδ18O、Δ87Sr/86Sr)，可以判定是来自围岩流体还是来自外部流体[23-24]。如果形成脉体的流体来源于围岩，其形成脉体的流体与围岩间具有充分的时间混合，导致脉体和围岩进行同位素交换达到平衡，两者之间的同位素差距较小，一般Δδ13C、Δδ18O在0～2‰之间；当形成脉体的流体来源于外部流体时，脉体与围岩的Δδ13C、Δδ18O大于2‰，因此可以利用脉体和围岩的同位素差值判断是否存在外来流体的参与。分析牛驼镇凸起潜山方解石脉体及其围岩碳、氧和锶同位素，发现不同类型方解石脉体与围岩同位素的差值存在差异。

4.1 Cal1

图4 牛驼镇凸起潜山地层方解石脉体和围岩的δ13CPDB、δ18OSMOW同位素特征Fig.4 δ13CPDB、δ18OSMOW correlogram of calcite vein and host rock of buried hill in Niutuozhen uplift

Cal1型脉体与围岩碳同位素差Δδ13CPDB为-1.002‰～-0.801‰，氧同位素差Δδ18OPDB为-1.633‰～-0.561‰，差值在0～2.000‰之间；锶同位素差Δ87Sr/86Sr为-0.000 02～0.000 14，差值也较小。Cal1型脉体碳、氧和锶同位素特征与脉体相似(见图4-6)，地幔碳酸岩域的数据主要参考文献[25],沉积碳酸岩域的数据主要参考文献[18-19],原始地幔碳酸岩域与沉积碳酸岩域之间过渡带主要参考文献[26]。且Cal1型脉体的Z大于120，说明其形成与海水作用有关，因此Cal1型脉体的形成来源于海相围岩。另外，由方解石脉体的δ13CPDB、δ18OSMOW和(见图4)δ13CPDB、δ18OPDB相关图(见图5) 可知，Cal1型脉体投样点位于沉积碳酸盐岩区域。因此,Cal1型脉体来源于海相碳酸盐岩围岩。

4.2 Cal2

Cal2型脉体同位素与围岩相比具有特征：Δδ13CPDB较小，为-1.307‰～0.707‰；Δδ18OPDB较大，达到-8.776‰～-4.618‰；Δ87Sr/86Sr也较大，达到0.003 87～0.003 97。Cal2型脉体相对围岩具有δ13C相似、δ18O亏损、87Sr/86Sr富集的特征(见图4-6)。两者δ13C相似，说明Cal2型脉体中碳主要来源于围岩，而δ18O亏损和87Sr/86Sr富集说明其流体并非全部来自围岩，还存在外来流体的参与，其形成与混合流体有关。由图5可知，Cal2型脉体投样点位于C区(低温热液碳酸盐区)，对于低温热液，其形成主要受大气水影响，即深部的热流体向上运移与大气水混合而形成低温热液。通常δ018O亏损的原因主要有3种：(1)大气水渗入及其相应的水—岩相互作用[27-28]；(2)升高的孔隙水温度[29]；(3)有机质的降解[30]。受大气水的影响，使陆源放射性锶加入而导致87Sr/86Sr富集，可以解释Cal2型脉体相对围岩具有δ18O亏损和87Sr/86Sr富集的特征。因此,Cal2型脉体的形成是大气水和围岩流体混合作用的结果。

4.3 Cal3

Cal3型脉体与围岩的Δδ13CPDB为-3.043‰，Δδ18OPDB为-15.323‰，Δ87Sr/86Sr为0.003 14，相对围岩具有δ13C和δ18O亏损、87Sr/86Sr富集的特征(见图4-6)。Cal3型脉体与围岩同位素差值较大，表明Cal3型脉体的流体与围岩无关，其形成来源于外部流体。由图4和图5可知，Cal3型脉体投样点分别位于地幔碳酸盐岩域和岩浆成因碳酸盐岩，说明Cal3型脉体与火山岩浆活动有关。牛驼镇凸起主要受牛东基底断裂的控制，在新生代岩浆活动比较剧烈，在牛东断层北部的龙虎庄油田坝35井沙四段发现玄武岩，厚度约为100 m[9]。Cal3型脉体的87Sr/86Sr为0.710 68，明显高于围岩和深部幔源流体的，87Sr/86Sr结果不支持其形成与岩浆作用有关。与岩浆活动有关流体开始具有较低的87Sr/86Sr，岩浆相关的流体在运移过程中与凹陷深部的沙泥质碎屑沉积地层发生作用，从而获得较高的87Sr/86Sr，因此从岩浆流体中沉淀形成的Cal3型脉体也具有相对较高的87Sr/86Sr。

注:分区的数据主要参考文献[6]图5 牛驼镇凸起潜山地层方解石脉体和围岩的δ13CPDB、δ18OPDB同位素特征Fig.5 δ13CPDB、δ18OPDB of calcite vein and host rock of buried hill in Niutuozhen uplift

图6 牛驼镇凸起潜山地层方解石脉体和围岩87Sr/86Sr同位素特征Fig.6 87Sr/86Sr of calcite vein and host rock of buried hill in Niutuozhen uplift

4.4 Cal4

对比Cal4型脉体与围岩同位素特征，发现两者δ13C、δ18O和87Sr/86Sr差距较大，Δδ13CPDB为-4.691‰～-3.871‰，Δδ18OPDB为-7.781‰～-10.539‰，Δ87Sr/86Sr为0.003 58～0.004 85，具体表现为Cal4型脉体相对围岩也具有δ13C和δ18O亏损、87Sr/86Sr富集的特征(见图4-6)，表明Cal4型脉体的流体与围岩无关，其形成也来源于外部流体。在Cal4型脉体中发现烃类包裹体，Cal4型脉体投样点位于F区域，说明其形成与油气运移有关(见图5)。根据牛驼镇凸起潜山的油气勘探情况，目前油气显示井有22口，获得工业油气井有7口，如霸28井自投产以来，雾迷山组潜山地层累计产油约为1×104t。牛驼镇凸起潜山地层油气主要来源于临近霸县洼槽Es3烃源岩，烃源岩的半沉积环境为深湖—半深湖，其有机质主要来源于陆源碎屑物质，导致与烃源岩有关的烃类流体具有较高的87Sr/86Sr。

5 温度与时间及古流体活动演化

5.1 温度与时间

碳酸盐岩的成岩温度与δ18O密切相关。一般认为，当碳酸盐岩与水介质处于平衡时，δ18O的大小与温度成反比关系，因此利用δ18O可以计算成岩温度。Shackleton N J[31]修改和总结δ18O与成岩温度(T)关系的经验公式：T=16.9-4.2×Δδ+0.13×(Δδ)2，其中Δδ=δ18O(方解石的相对值，PDB标准)-δ18O(水的相对值，SMOW标准)，为海水时，δ18O(水的相对值，SMOW标准)=0‰；为淡水时，δ18O(水的相对值，SMOW标准)=-4‰。

计算方解石脉体及其围岩形成温度(见表1和表2)，其中围岩形成温度为40～60 ℃，与围岩海相流体相关的Cal1型脉体形成温度为54～65 ℃，来源于围岩和大气混合流体的Cal2型脉体形成温度在60 ℃左右，与岩浆流体相关的Cal3型脉体形成温度达到120 ℃，与烃类流体相关的Cal4型脉体形成温度为88～95 ℃。

根据研究区方解石脉体的形成温度和埋藏史、热史图(见图7)，可以利用温度数据转化为对应的时间数据，与围岩海相流体相关的Cal1型脉体及与大气和围岩相关的Cal2型脉体的形成温度在50～60 ℃之间。由图7可知，与围岩相关的Cal1型脉体及与大气水相关的Cal2型脉体形成于加里东运动期间。与岩浆活动相关的Cal3型脉体形成于研究区岩浆剧烈活动期，牛驼镇凸起岩浆活动时间主要在Es3-Es4沉积期[9]，与岩浆活动相关的Cal3型方解石脉体的形成时间也应该在Es3-Es4沉积期。研究区油气来自临近霸县洼槽的Es3沉积期。赵贤正等认为这套烃源岩大规模生烃时间在Ng-Nm沉积期[9]，因此与烃类流体相关的Cal4型脉体的形成时间应该在Ng-Nm沉积期。

图7 牛驼镇潜山埋藏史曲线特征及流体活动时间

5.2 古流体活动演化

牛驼镇凸起潜山地层有4期流体活动，流体活动与研究区构造演化密切相关。在加里东运动之前，牛驼镇地区作为华北地台的一部分，沉积一套海相碳酸盐岩，在加里东运动早期挤压应力的影响下，碳酸盐岩地层产生剪切裂隙,原始沉积的海相地层水在地质应力作用下向裂隙汇集,与围岩发生反应而达到新的溶解—沉淀动态平衡。在反应过程中,围岩中部分成分被溶解、扩散而最终沉淀在裂隙中,形成Cal1型方解石脉体,具有围岩的特征。在加里东运动末期,整个华北地台的挤压应力已达到最高,华北地台露出水面而遭受风化剥蚀，在漫长的地质过程中,大气淡水不仅向下渗透,并且与裂隙边缘的围岩进行反应而形成Cal2型脉体，由于受围岩和大气淡水的综合作用，导致Cal2型脉体具有围岩和大气水的同位素特征。在喜马拉雅期的Es3-Es4沉积期，研究区拉张作用比较强烈，在一些深大基底断裂附近火山岩浆活动比较剧烈，火山热液进入处于开放状态的裂缝，形成与岩浆活动相关的Cal3型脉体。在喜马拉雅运动期间沉积的Es3烃源岩，在Ng-Nm末期进入生油窗，生成的油气开始大规模运移和聚集，在牛驼镇凸起潜山地层中形成与烃类流体相关的Cal4型脉体。

6 结论

(1)牛驼镇凸起潜山在加里东运动早期地层流体活动形成的方解石脉体与围岩碳、氧和锶同位素特征相似，流体主要来源于围岩流体。

(2)加里东运动晚期地层流体活动主要来源于大气水和围岩的混合流体，其形成的方解石脉体相对围岩具有碳同位素相似、氧同位素亏损和锶同位素富集的特征。

(3)喜马拉雅运动Es3-Es4期地层流体活动形成的脉体相对围岩具有碳和氧同位素亏损、锶同位素富集的特征，流体来源于岩浆活动。

(4)喜马拉雅运动Ng-Nm末期牛驼镇凸起潜山地层形成的脉体相对围岩也具有碳和氧同位素亏损、锶同位素富集的特征，流体来源于油气的运移。

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2016-06-24；编辑：陆雅玲

国家科技重大专项(2011ZX05006-001)；中国石油华北油田科技攻关项目(HBYT-YJY-2013-JS-223)

李 飞(1986-)，男，博士研究生，主要从事盆地流体与油气运聚成藏方面的研究。

曾溅辉,E-mail: zengjh@cup.edu.cn

TE132.1;P542

A

2095-4107(2016)06-0044-09

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2016.06.006