跃进地区奥陶系硅质岩地球化学特征及成因研究

洪才均，康仁东，韩俊，吴鲜，文山师，房晓璐

（中国石化西北油田分公司勘探开发研究院，新疆 乌鲁木齐 830011）

塔里木盆地下古生界海相碳酸盐岩储层是我国主要海相储层之一，目前发现塔河、塔中、顺北、顺南等多个大油气田[1-3]，该区碳酸盐岩地层中常见各种形态产出的硅质岩。前人研究认为硅化作用是碳酸盐岩储层重要的成岩作用之一，众多学者对塔里木盆地东部及西北部下古生界寒武系露头剖面的硅质岩开展了广泛研究[4-6]，认为露头区寒武系层状硅质岩为与上升洋流有关的热水成因，也有学者对塔河及顺南地区下古生界奥陶系钻井岩心研究认为[7-8]，井下奥陶系硅质岩主要形成于岩浆热液流体，岩浆热液在沉淀石英的同时对碳酸盐岩储层溶蚀改造[7]。塔里木盆地跃进地区及顺北地区奥陶系硅质岩普遍发育。目前，研究区硅质岩成因及对碳酸盐岩储层的影响作用尚未展开研究，本文以跃进一间房组硅质岩为研究对象，在钻井岩心观察描述、薄片鉴定及分析化验资料基础上，对硅质岩岩石学特征、地球化学特征进行研究，并对其可能的成因机制和对碳酸盐岩储层影响进行分析探讨。

1 区域地质概况

跃进地区构造上位于顺托果勒隆起北部-哈拉哈塘凹陷，西部为沙西凸起（图1），研究区及邻区奥陶系整体呈现中部高，两侧低的构造形态。受加里东期、海西期、印支-燕山期、喜山期等多期构造运动影响[9]，研究区及邻区断裂具早期形成、后期继承的特点，尤其是加里东中期及海西晚期断裂活动表现最强烈，断裂最发育，平面上呈雁列式排列。塔里木盆地发生过4期重要地质热事件[10]，其中发生于海西晚期的二叠纪火山活动在整个塔里木盆地广泛存在[10]，研究区及邻区钻遇二叠系钻井中见英安岩、玄武岩等喷出岩，厚度一般数十米到数百米不等，研究区中-南部形成一个二叠系火山岩异常增厚区域（图1），岩性以英安岩为主，厚600～700 m，可见该期火山活动规模之大。一般来说，伴随着火山作用往往有火山期后侵入岩形成[11]，研究区南部顺北地区部分钻井在奥陶系桑塔木组—志留系钻遇到侵入岩体，侵入岩体岩性主要是辉绿岩。岩浆作用过程中分异大量热液流体，将侵入岩附近的地层炉体加热改造成热液流体，奥陶系碳酸盐岩在热液作用下会产生大量微小溶蚀孔洞，改善碳酸盐岩储层物性[11]。

图1 研究区构造划分及位置图Fig.1 Tectonic position map of YueJin area

2 硅质岩岩石学特征

塔里木盆地跃进地区奥陶系一间房组不同程度发育硅质岩，从层位深度分布来看，从浅至深，一间房组硅质岩发育程度呈增强趋势，并以结核状、团块状产出，其中以团块状硅质岩为主，结核状硅质岩次之。研究区一间房组含硅灰岩段主要为碳酸盐岩台地相沉积，岩性为黄灰色微晶灰岩、泥晶砂屑灰岩、砂屑泥晶灰岩，以泥晶砂屑灰岩为主。硅质岩主要发育在一间房组中下部，通常为黑-灰黑色，单层厚度一般小于15 cm，多数为5～10 cm，呈结核状及团块状产出，以团块状硅质岩为主，其中可见残余石灰岩斑块，在未完全硅化的灰岩中，常见结核状硅质岩产出。硅质岩多沿层面分布，少数与层面呈交错状，裂缝较发育区域，硅质岩更发育，且随着深度加深，硅质岩发育程度逐渐增强。硅质岩中硅质呈微隐晶状、微晶状，少量放射状，常见少量未被交代彻底的灰岩原岩残余，多见硅化的腕足、介形虫、瓣腮等生物，部分薄片中见黑色粒状萤石与硅质共生，扫描电镜中见交代残余灰岩的溶蚀孔洞中充填石英晶体，结晶程度较好。另跃进地区邻区的顺北地区钻井在奥陶系碳酸盐岩岩心中发现中酸性岩浆岩及硅质脉体，中酸性岩浆岩扫描电镜见镶嵌状石英、角闪石、金红石等热液矿物。

3 硅质岩地球化学特征

本次研究的硅质岩地球化学分析包括主量元素、微量元素及稀土元素分析，选取硅质岩发育程度较好的井段逐层采样，所采样品由核工业北京地质研究院分析测试研究中心用AB-104L,PW2404X射线荧光光谱仪测试主量元素，用ELEMENT XR等离子体质谱分析仪测试稀土元素和微量元素。

3.1 主量元素地球化学特征

跃进地区一间房组硅质岩纯度较高，Si含量为69.56%～92.74%，平均81.447%，次为CaO，平均含量9.75%，其它组分含量相对较低（表1）。

利用硅质岩主量元素特征可区分热水沉积硅质岩与正常海水沉积的硅质岩。Yamamoto通过研究提出运用Al，Fe，Mn的含量区分热液成因硅质岩与生物成因硅质岩[12]，其中Fe，Mn的富集主要与热液参与有关，而Al的富集多与陆源物质的介入相关。将本文数据投影到Al-Fe-Mn三端元图上（图2），可看出，一间房组硅质岩样品数据点均落在热水沉积区。Bostrom等提出Al/(Al+Fe+Mn)比值是判断硅质岩成因的重要参数[13]，以Al/(Al+Fe+Mn)值0.4为界划定海相沉积的成因，小于0.4的为热液成因，大于0.4反映碎屑来源。研究区一间房组硅质岩的Al/(Al+Fe+Mn)比值为0.05～0.21，平均0.13。Murray等还认为可用Fe/Ti、（Fe+Mn）/Ti等值来鉴别是否为热水沉积[14]，典型热水沉积物的Fe/Ti值>20、（Fe+Mn）/Ti>（20±5）。研究区一间房组硅质岩样品中，Fe/Ti=45.5～179.4，（Fe+Mn）/Ti=45.7～180.1，均远大于 20。以上主量元素特征表明，研究区一间房组硅质岩的形成主要与热液相关。

表1 一间房组硅质岩中主量元素含量Table 1 Major element content of siliceous rocks of Yijianfang Formation

图2 一间房组硅质岩的Al-Fe-Mn三角图Fig.2 Al-Fe-Mn triangle diagram of the Yijianfang Formation siliceous rocks

3.2 微量元素地球化学特征

Bostrom、Marching、McLennan等学者研究认为[15-17]，微量元素含量特征如Co/Ni、Th/U、Rb/Sr值是判断硅质岩是热水沉积还是非热水沉积的重要指标，国内也有学者运用Th/U和Rb/Sr值判断塔里木盆地下寒武统硅质岩流体来源[5]，海相沉积硅质岩Th/U比值较高，当硅质流体来自深部地壳或上地幔时，Th/U比值非常低[9]。一般认为，Co/Ni值小于1可作为热水沉积的重要指标，热水沉积硅质岩的Th/U＜1，Rb/Sr值偏低，非热水沉积硅质岩的Th/U>1，Rb/Sr值偏高。研究区硅质岩样品的Co/Ni为0.17～0.21，平均0.19，Th/U为0.12～0.37，平均0.23，Rb/Sr为0.01～0.05，平均0.03，所有样品的 Co/Ni值、Th/U值均小于1，Rb/Sr值偏低，微量元素特征反映出本区硅质岩为热液沉积。研究区极低的Th/U和Rb/Sr值表明，该区硅质岩具有较多的富铁镁质的加入[17]，这些物质可能来自深部流体，如下地壳或上地幔（表 2）[5,18]。

陈永权等报道了塔里木盆地东部罗西斜坡寒武系层状硅质岩与交代残余结构硅质岩的Th/U-Y/Ho关系（层状硅质岩为正常海水沉积成因，交代残余结构硅质岩为热液交代成因）[6]，沉积成因的层状硅质岩分布在高Th/U比值，低Y/Ho比值区，交代残余结构硅质岩分布在低Th/U比值，高Y/Ho比值区，研究区一间房组硅质岩与该报道中的交代残余结构硅质岩具相同分布区（图3），体现了深部热液特征。

3.3 稀土元素地球化学特征

稀土元素是一组特殊的微量元素，由于原子序数相近，因此具相似的化学性质且活动具整体性[19]。研究区硅质岩样品稀土测试结果见表3，分布模式见图4-a。从稀土元素分布模式图可看出，分布曲线右倾，硅质岩具轻稀土富集特征，其LREE/HREE为3.855～3.909，平均 3.888，LaN/YbN为 8.764～13.668，平均11.085，远大于1，说明轻重稀土分馏程度较高。11个样品测试数据中，9个样品数据具较明显的Eu负异常，δEu为0.299～0.681，平均0.448，远小于1，另2个样品为Eu正异常，δEu为1.016和1.177。多数样品的Ce具不明显的负异常，7个样品数据δEu为 0.774～0.926，平均 0.899，其余 4 个样品δEu为1.03～1.184，平均1.086。前人通过对塔河地区海西期火成岩地球化学特征研究认为[20]，塔河地区英安岩稀土元素Eu具明显的负异常（图4-b），英安岩的LREE/HREE、LaN/YbN、δEu 和δCe平均值分别为3.837、13.586、0.545和0.909，从稀土元素分布模式和参数来看（图4，表3），研究区硅质岩与塔河地区英安岩较接近，说明它们具相似成因，研究区一间房组沉淀硅质岩流体是与英安岩活动有关的岩浆热液流体。

图3 一间房组硅质岩Th/U-Y/Ho关系图Fig.3 Th/U-Y/Ho diagram of the Yijianfang Formation siliceous rocks

表2 一间房组硅质岩中微量元素含量Table 2 Trace element content of siliceous rocks of Yijianfang Formation 单位：×10-6

表3 一间房组硅质岩中稀土元素含量Table 3 Rare earth element content of siliceous rocks of Yijianfang Formation 单位：×10-6

图4 一间房组硅质岩和塔河英安岩稀土元素球粒陨石标准化模式Fig.4 Chondrite-normalized rare earth element patterns of siliceous rocks in Yijianfang Formation and Dacite in Tahe area

4 成因机制探讨及对储层的影响

从硅质岩与围岩接触关系看出，跃进地区奥陶系硅质岩为硅质交代碳酸盐岩形成的残余结构硅质岩。硅质岩地球化学特征表明，跃进地区一间房组沉淀硅质岩的流体是与英安岩活动有关的富含硅质的岩浆热液流体，从硅质岩伴生的角闪石、萤石及金红石等高-低热液矿物组成上看出，岩浆热液直接参与了成岩作用。

海西晚期研究区发育断穿基底与二叠系的深大断裂，海西晚期火山活动为该区奥陶系碳酸盐岩的硅化提供了热源及硅质来源。富含硅质的岩浆热液沿断裂及裂缝进入一间房组碳酸盐岩沉积物中，与围岩发生水岩反应，碳酸盐岩部分被溶解，同时硅质交代碳酸盐矿物形成残余结构硅质岩。

前人研究认为，硅化是优质埋藏岩溶型碳酸盐岩储层的指示剂[6]，硅化作用对碳酸盐岩储层具双重作用，既能对碳酸盐岩产生溶蚀作用，提高碳酸盐岩储集性能，同时也可充填碳酸盐岩储集空间，产生破坏性作用。从跃进地区奥陶系岩心储层发育特征来看，硅质岩发育段储层物性差，主要为充填作用，且硅质岩为隐晶-微晶结构，孔隙并不发育，不利于储集油气。富含硅质的岩浆热液流体溶解原岩、沉淀硅质的同时，是否发生酸性热水溶蚀碳酸盐岩地层形成大量溶蚀孔隙，目前还需进一步研究。

5 结论

（1）研究区一间房组硅质岩多见灰岩残余，为SiO2交代碳酸盐岩，硅质岩为交代成因，与硅质岩伴生的角闪石、萤石、金红石等热液矿物表明硅质岩为热液成因，跃进地区硅质岩广泛发育，表明跃进地区热液活动较强。

（2）硅质岩中Si含量较高，样品点在Al-Fe-Mn三端元图中投影位于富铁端，主量元素Al/(Al+Fe+Mn)、Fe/Ti、（Fe+Mn）/Ti值的特征均表明硅质岩的形成与热液有关。微量元素Co/Ni、Th/U、Rb/Sr表明沉积硅质岩流体有来自下地壳或上地幔的深部热液流体的参与。硅质岩稀土元素分布曲线及LREE/HREE、LaN/YbN、δEu和δCe值与塔河二叠系英安岩接近，表明沉积硅质岩流体与二叠系英安岩具同源特征。

（3）海西晚期研究区断穿基底的深大断裂为该区岩浆热液流体提供了运移通道，富硅的热液流体沿断-缝系统进入一间房组，与碳酸盐岩发生反应，硅质流体交代碳酸盐岩沉积物并沉淀形成硅质岩。

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