塔里木盆地巴楚隆起奥陶系岩溶缝洞化学充填物成因分析

毛 毳, 钟建华, 王有智, 魏荷花, 邵珠福, 刘金霖, 刘晶晶

(1.东北石油大学地球科学学院,黑龙江大庆 163318; 2.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,山东青岛 266580;3.大庆油田有限责任公司勘探开发研究院,黑龙江大庆 163712; 4.中国石化石油勘探开发研究院,北京 100083)

溶洞化学充填是溶洞充填的重要类型。Loucks等[1-2]对大量现代近地表岩溶露头进行研究,将溶洞内充填的岩相分为洞穴沉积充填、裂纹角砾与混杂角砾三大类。肖玉茹等[3-4]依据充填物的成因,将塔河油田溶洞充填物划分为流水机械沉积、垮塌堆积和化学沉(淀)积三大类。金强等[5]认为岩溶缝洞系统中地下河缝洞空间被岩溶期沉积的砂泥、垮塌角砾充填,埋藏期充填了大量方解石等化学充填物,以致缝洞的充填率达到了75%以上。多期岩溶及溶洞充填作用对油气储层的形成具有控制作用[6]。溶洞化学充填在洞穴充填中普遍存在,充填物类型多样、成因复杂,充填物本身是重要的矿产资源,充填物内的孔洞也是油气和矿产富集的重要场所,因此对溶洞化学充填物的研究具有重要理论意义和经济价值。古岩溶缝洞是早期溶洞经过埋藏、坍塌、充填及多期构造改造形成的地质体,很难取心,只有通过观察古岩溶露头才能较全面了解溶洞充填情况。笔者以塔里木盆地北部巴楚古岩溶露头化学充填物为研究对象,分析充填物的类型、微观特征和宏观分布;结合常量、同位素和包裹体等地化测试手段,探讨不同类型化学充填物的成因。

1 地区概况

巴楚露头位于塔里木盆地西北部的巴楚隆起上,该区奥陶系地层出露完整、发育齐全,沿着南疆314国道分布(图1),其出露的一间房组和鹰山组地层,与塔河油田地层具有极强的可对比性。巴楚地区在加里东中期至海西期隆升遭受大气淡水淋滤风化溶蚀,裂缝和古溶洞广泛发育;石炭系后发生沉降,缝洞被部分充填;燕山晚期运动后,再次抬升为现今的隆起,成为良好的古岩溶露头[7-8]。巴楚露头是塔里木盆地奥陶纪碳酸盐岩岩溶考察的经典地区之一[9-12]。

图1 巴楚露头考察位置Fig.1 Location of Bachu outcrop

2 古溶洞化学充填物和储集空间类型

塔北露头古溶洞充填物非常复杂,类型多、变化大、分布不均一,尤其是化学充填特殊而典型。塔北露头溶洞化学充填物主要有古钙华、方解石、硫磺、石膏、萤石等5种类型;化学胶结的充填物主要为垮塌钙华角砾岩和包壳砾岩。其中五道班溶洞主要为钙华、方解石、萤石;硫磺沟溶洞主要为垮塌的钙华角砾岩、钙华、包壳砾岩、硫磺和石膏。

2.1 化学充填物

2.1.1 古钙华

塔北古溶洞充填体中的钙华具有明显的特殊性,钙华中有古油藏的充注,推断其形成时间与缝洞早期充填(燕山运动前)时间相近,因此称之为古钙华。古钙华颜色为黄褐色和灰白色间互、部分饱含沥青颜色为黑色和灰色间互,大多呈纹层状,少部分呈块状或环状包裹砾石。硫磺沟和五道班地区的古溶洞和裂缝中均有分布。受沉积环境和沉淀速度的影响,单层厚度为1 mm～1.5 cm(图2)。

薄片观察显示钙华微观形态(图3)主要有3个特点:① 晶间缝发育位于簇状方解石晶体之间,缝宽约为20 μm,沿晶体生长方向,垂直于层面分布(图3(a)),平行层面及垂直于晶体生长方向,横剖面上方解石晶体呈不规则多边形,晶间缝呈网状,缝宽较均匀,连通性极好(图3(c));② 层间缝发育于方解石纹层之间,缝宽为20～70 μm,沿单层层面分布,受层面生长控制,顺层连通性好(图3(b));③ 晶间孔、晶内溶蚀孔和层间溶蚀孔,即方解石晶体间、纹层间溶蚀形成或晶体内部或表面溶蚀作用形成的孔隙,孔径为10～200 μm,相差悬殊,形态各异。扫描电镜下古钙华储集空间的微观形态有晶间孔、晶内溶蚀孔、晶体表面溶蚀孔(裂口状,三角形)、晶间缝和晶间溶蚀缝5种类型(图4)。古钙华微观孔缝形态多样,结构复杂,受流水溶蚀改造明显。古钙华不同类型的储集空间相互连通,形成一个孔缝网络,对油气储集有重要意义。

图2 古钙华露头岩样Fig.2 Outcrop samples of ancient tufa

图3 古钙华显微特征Fig.3 Microscopic characteristics of ancient tufa

图4 古钙华岩样及扫描电镜特征Fig.4 Ancient tufa samples and characteristics of scanning electron microscope

2.1.2 方解石和萤石

方解石充填古溶洞及裂缝是极普遍的现象,其形态有巨晶方解石,包壳砾石外壳的方解石晶簇,还有沿裂缝对称生长的马牙状方解石(图5(a))。方解石颗粒之间保留了大量的残留孔洞。五道班的巨晶方解石,常呈块状、带状或顺层分布充填缝洞,普遍纯净不含油,主要是断裂作用和热液作用影响下重结晶而形成[13]。

塔里木盆地西北部巴楚-柯坪露头区萤石矿有如下特点:①萤石呈串珠状或呈脉状赋存于岩溶的缝洞中,距古风化壳顶面约10～50 m,主要发育在一间房和五道班古溶洞;②古岩溶的基岩为中—下奥陶统鹰山组礁滩相砂屑灰岩;③萤石呈浅紫色—紫色,半自形—自形晶,粒径5～10 mm,具玻璃光泽,解理完全;④与方解石相伴生(图5(b)),巨晶方解石脉是一间房萤石矿出现的标志,萤石矿富集带已达到工业开采标准[14]。

图5 溶洞中充填的方解石和萤石Fig.5 Calcite and fluorite filled in karst caves

2.1.3 硫磺和石膏

柯坪硫磺沟的由来是发育了大量的自然硫,已作为硫矿床开采。硫磺沟古溶洞硫磺大部分呈薄层状产出(图6(a)),厚度为1～2 mm,少数成集合颗粒状,颗粒粒径约为3～5 mm,常与石膏伴生充填在构造裂缝中,或呈薄层分布在灰岩、古钙华和石膏表面(图6(b))。石膏主要发育在硫磺2号沟和硫磺3号沟溶洞中,呈块状、囊块状,表层有黄色硫磺析出。

图6 硫磺沟硫磺与石膏Fig.6 Sulfur and gypsum in Liuhuanggou

2.2 化学胶结的充填物

2.2.1 垮塌钙华角砾岩

垮塌钙华角砾来源于溶洞顶部或侧壁垮塌的钙华,后被胶结而形成钙华角砾岩,其特征是呈黄灰色、灰褐色或杂色,粒径为2～100 mm,混杂无序,部分角砾棱角分明,分选磨圆较差,可见钙华纹层(图7(a)),角砾边缘常见粒间孔隙和贴粒缝,主要分布于硫磺沟古溶洞的下部。

2.2.2 包壳砾岩

包壳砾岩[15]是根据岩石的形态、性质和结构命名的一种岩石类型,方解石围绕核心向外生长,形成包裹砾石的复合结构,称为包壳砾岩。由两部分组成,即包壳和核心(图5),包壳是由钙华或方解石晶簇组成,核心是灰岩砾石、化学沉积后垮塌角砾或砾石、碎屑沉积砂或砾。按包壳砾岩的形态和结构总体可以分为同心环状包壳砾岩、放射状包壳砾岩和均匀包壳砾岩3大类[15]。可见包壳纹层间缝、贴粒缝、残余粒间孔、晶间缝,主要分布于硫磺沟古溶洞。

蒸汽低温烹饪对烤鸡翅感官的影响如表3所示。结果显示，SV 70+Roast组烹饪的鸡翅表皮脆度、口感及总体得分均显著高于Roast组烹饪的鸡翅(p<0.05)。不同烹饪组的鸡翅色泽、气味和多汁性得分差异不显著(p>0.05)。表皮脆度得分越高，表明鸡翅烧烤后表皮越脆，吃起来更有烧烤的焦香味。

图7 垮塌钙华角砾和包壳砾岩Fig.7 Collapsed tufa breccia and cladding conglomerate

3 溶洞充填物的地球化学特征及成因

3.1 古溶洞充填物常量组分特征

常量元素分析结果显示(表1),五道班的Mg、Si、Fe、K等元素含量高于硫磺沟,呈聚集趋势,而Ca低于硫磺沟,呈迁出趋势。两剖面的常量组分含量与地壳灰岩平均值均有不同程度差异。五道班SiO2、Al2O3、Fe2O3、TiO2等不活泼难溶元素相对聚集(图8),显示五道班溶洞的充填主要为陆源碎屑即地下河河道的砂泥充填,少部分为化学充填即早期沉淀形成的钙华。硫磺沟溶洞S、CaO等元素或氧化物富集,显示主要为化学充填,受热液作用的影响充填物主要为硫磺、石膏以及钙华。

塔北露头岩溶产物的常量元素,反映了碳酸盐岩矿物在古风化壳形成过程中的稳定性有明显差异,塔北奥陶系碳酸盐岩经历了长期岩溶风化淋滤作用。溶洞发育的主要时期塔北处于中低纬度(12°～26°),热带或亚热带气候,有利于岩溶发育[16]。溶洞充填作用五道班地区主要为地下潜流的碎屑充填为主,局部为钙华、方解石和萤石;硫磺沟地区以钙华、方解石、硫磺和石膏为主。

表1 塔北巴楚露头不同岩性常量元素含量Table 1 Macro element content in different lithology of outcrop in Bachu, Tabei %

图8 硫磺沟和五道班岩溶产物常量元素含量Fig.8 Macroelement content of karst product in Liuhuanggou and Wudaoban

3.2 硫同位素

为准确判断硫磺及伴生石膏的成因,对硫磺、石膏及围岩进行硫同位素分析。硫有4种稳定同位素,其丰度分别为32S占95.1%,33S占0.74%,34S占 4.2%,36S 占 0.016%。由于33S和36S 在自然界中含量较低,其变化不易测定,因此一般用34S/32S 比值,并常用其值与标准样品相比的千分偏差值δ34S(CDT,‰)来表示[17-18]。硫磺的δ34S介于-16.87‰～-17.29‰,石膏的δ34S介于-7.68‰～-9.52‰(表2),正常蒸发成因的石膏具有很重的硫同位素组成,一般δ34S大于10‰,硫酸根在被厌氧菌还原时会产生硫同位素分馏,即32S 会优先被还原,而残留的硫酸盐富34S[19]。因此研究区的石膏显然不是蒸发沉积形成的,而是热液成岩的产物。

表2 硫磺、石膏及围岩的硫同位素组成

3.3 流体包裹体特征

据39块露头奥陶系碳酸盐岩样品中包裹体的测定结果显示,塔北岩溶露头方解石中单相包裹体较发育,气液两相包裹体相对较少(露头样品测试难度较大),包裹体常成群分布,呈椭圆形,直径约为5 μm(图9),主要集中在60～90 ℃、90～120 ℃和140～200 ℃。五道班溶洞充填物均一温度一般低于140 ℃、少部分低于170 ℃,硫磺沟溶洞充填物均一温度高于140 ℃的包裹体占测试总数的40%以上,表明五道班溶洞充填物主要为正常沉淀形成、少部分热液影响,硫磺沟岩溶作用后经历过较强的热液作用。

3.4 溶洞充填物成因

3.4.1 古钙华的成因

塔北柯坪-巴楚地区奥陶系灰岩在表生风化溶蚀期处于温暖湿润的气候环境[15],有利于岩溶作用发生和低等菌藻类繁育(在五道班同一套地层中可见约2 m厚的藻灰岩)[20]。由常量元素(表1)、碳氧同位素(表3)、流体包裹体(图9)分析可知,五道班溶洞中的钙华为正常古气候环境下,富含Ca(HCO3)2的岩溶水,从暗河的出口处流出,由于压力减小CO2逸散,CaCO3过饱和析出,与藻类生物的共同作用下形成,薄片可见波状的藻类作用纹层及残余的藻丝体。本文中观点与牛永斌等[21-22]讨论的钙华成因基本一致。

硫磺沟古钙华常常与硫磺伴生,钙华表面附着硫磺(图10)或钙华与硫磺互层,说明钙华的形成时间与硫磺的形成时间相距较近,且钙华的形成与热液密切相关,由硫同位素(表2)、碳氧同位素(表3)和流体包裹体(图9)分析亦可知。钟建华等[20]讨论过柯坪硫磺沟钙华成因,认为从岩溶地区流出的富含CaCO3和Ca(HCO3)2地下水,由于压力减小,从泉口流出后逸出大量的CO2,使CaCO3饱和析出,在微生物的作用下,在泉口及其附近的河流中形成,但未明确是冷水成因或热水成因,本文中认为硫磺沟的钙华为热水成因,是对其成因的补充。

图9 巴楚溶洞充填物流体包裹体及均一温度分布直方图Fig.9 Fluid inclusion of cave fillings and histogram of homogenization temperature in Bachu

图10 古钙华实验样品Fig.10 Sample of ancient tufa

采样地岩性δ13CPDB/‰δ18OPDB/‰δ18OSMOW/‰古温度/℃古盐度Z值测试个数 五道班藻灰岩2.4～3.1-9.5～-8.6-2.03～-0.9319.95～24.93127.78～129.077 平均值2.84-9.27-1.6022.97128.51古钙华-0.60～2.00-10.5～-6.9-2.83～0.5712.87～28.75121.57～127.2014平均值0.92-8.67-1.00120.46124.87 硫磺沟古钙华-7.8～-4.6-15.50～-11.6081.53～111.43104.25～112.1016平均值-5.49-13.9399.00109.11

3.4.2 硫磺和石膏的成因

由硫同位素和包裹体分析可知,硫磺、石膏的形成是受热液影响产生。塔里木盆地在演化过程中经历了4期重要的地质热时间,分别在震旦纪—寒武纪、早奥陶世、二叠纪和白垩纪[23]。震旦纪—寒武纪和早奥陶世热事件发生较早,奥陶系地层岩溶作用还未发生。白垩纪岩浆活动范围较小,主要局限在塔里木盆地周边地区,只有二叠纪火山活动在整个塔里木盆地,包括西部、北部和塔中地区广泛存在,对盆地影响较大[24]。塔里木盆地二叠纪时发生了强烈的火山作用,与之相关的热液流体沿着断裂、裂缝以及不整合面活动,并与所经碳酸盐岩围岩发生反应[25]。

地下的热液沿裂缝上涌,热液携带硫酸和硫化氢溶液溶解碳酸盐岩岩层,在平静处比如洞穴或地下暗河出口,温度降低,压力减小,硫酸钙(石膏)或者硫磺逐渐从中析出,随着硫酸钙的溶解量增大,硫磺或石膏的生长速度也变快,形成矿藏。硫磺和石膏形成过程的反应式为

H2S+2O2+CaCO3=CaSO4+H2O+CO2↑,

2H2S+O2=2H2O+2S,

2H2S+3O2+CaCO3=CaSO4+S+H2O+CO2↑.

硫化氢可能来源是有机物的热裂解,这种来源的硫,其δ34S值会比较低,由此形成的硫磺或石膏δ34S值也比较低,该来源与表2的轻δ34S值符合。

岩浆及热液活动的证据主要有:①在柯坪志留系的砂岩中能见到近直立侵入的暗色基性岩脉;②塔河油田二区奥陶系岩心有明显的热液溶蚀和热退色现象;③沉淀生成多种热液矿物组合,如闪锌矿-绿泥石-方解石组合、重晶石-石英-黄铁矿-菱铁矿组合[25]、萤石-巨晶方解石组合、硫磺-石膏组合。

4 结 论

(1)塔北露头古溶洞化学充填物丰富多样,巴楚五道班和硫磺沟溶洞充填物有明显差异。五道班古溶洞化学充填主要为钙华、方解石、萤石;硫磺沟古溶洞垮塌化学胶结和化学充填主要为垮塌的钙华角砾岩、钙华、包壳砾岩、硫磺和石膏。

(2)硫磺沟钙华、硫磺和石膏均与热液密切相关。五道班的钙华主要是岩溶水沉淀形成,萤石与伴生的巨晶方解石为热液成因。溶洞的化学充填可形成方解石、硫磺、石膏和萤石等矿床。

致谢感谢中国石化勘探院、中国石油西北石油局的大力支持,感谢河南理工大学牛永斌、中国石油大学(华东)李勇和倪良田的帮助!