塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩热液蚀变类型及蚀变流体的分带特征

丁茜 ，胡秀芳 ，高奇东 ，叶瑛 ，张平萍 *

（1.中国石化石油勘探开发研究院，北京100083；2.浙江大学海洋学院，浙江舟山316021；3.中国石油大学，北京102249；4.中国石化胜利油田，山东东营257001）

随着油气勘探工作的不断深入，油气勘探目标 逐步转向深层碳酸盐岩地层(4 500 m以下)，塔里木盆地下古生界碳酸盐岩地层成为该区域最受关注的勘探开发资源[1-4]。塔里木盆地的奥陶系碳酸盐岩地层是重要的油气储层。塔里木盆地塔中地区上奥陶统良里塔格组及下奥陶统碳酸盐岩储层分布较广，是塔里木盆地主要的油气勘探目标之一。以往主要从地层学角度研究塔中地区碳酸盐岩储层的空间展布规律，揭示碳酸盐岩储层的形成与演化过程，从地层的早期暴露历史推断碳酸盐岩的成岩过程，如原生孔隙的胶结与矿物的沉淀充填，后期成岩改造形成次生孔隙等[5-8]。

随着油气勘探和油气研究的不断发展和对其认识的加深，发现热液活动对塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩有明显的改造作用，改造后形成的相当规模的小溶孔，对岩石物性有明显的提升作用。热液储层可能是塔里木盆地早古生代的重要储层类型[9-11]，热液蚀变作用对于超深层碳酸盐岩储层孔隙度的贡献高达8%[12]。

随着地层埋深的增加，碳酸盐岩原生孔隙经过压实、压溶和胶结作用基本损失殆尽，次生孔隙成为储层孔隙度的主要贡献力量[13]。次生孔隙发育主要受控于埋藏过程中的有机-无机成岩作用和埋藏溶蚀、热液溶蚀作用。塔里木盆地演化历史中，四期重要的地质热事件影响较大[14]，其中以二叠纪火山作用规模最大，持续时间较长，对塔中地区碳酸盐岩储层的成因影响较大[15]。

塔里木盆地二叠纪较为强烈的岩浆-火山作用，导致热液流体沿着不整合面、断裂以及裂缝流动，流动过程中热液流体与热液通道的围岩发生反应，围岩受到溶蚀改造[13]。岩浆活动以及有机质热演化过程产生的酸性气体，如CO2、H2S等也会促进水岩反应的发生，造成碳酸盐岩的溶蚀[16-18]。热液溶蚀的主要判识标志有：典型热液矿物的发育、热碎裂以及岩石热褪色[13,19]。

塔中地区相关探井的奥陶系储层以及野外露头都可观察到与热液有关的矿物和矿物组合，如天青石、重晶石、热液石英，以及萤石-石英组合、闪锌矿-绿泥石-方解石组合等[9,13]。经过热液溶蚀改造后，奥陶系碳酸盐岩的物性得到了改善，有可能成为塔里木盆地重要的油气储层[13,20]。

为了更好地总结塔里木盆地热液碳酸盐岩的热液蚀变类型和蚀变分带特征，笔者从热液的角度分析塔中地区碳酸盐岩油气藏的空间分布规律，开展了如下研究：观察地表露头、岩心的宏观和微观结构，对比热液溶蚀岩石前后结构和矿物组成的变化，厘清不同类型热液岩溶的特征。本研究为塔中热液溶蚀碳酸盐岩提供了不同的视角。

1 地质背景

塔中地区位于塔里木盆地腹部，构造单元上属于中央隆起带中段的塔中低凸起。该凸起形成于奥陶世，经过奥陶纪和志留纪2次构造挤压，定型于海西早期构造运动[15]。塔中低凸起是各类盆地流体最活跃的地区[21]，该低凸起上发现有多种类型油气藏。

研究区位于塔里木盆地的西北区域，主要为柯坪-巴楚-阿图什一带（见图1）。研究目标是西克尔剖面、托普朗剖面、且迪塔格剖面、青松采石场剖面等区域的奥陶系碳酸盐岩地层，该地层发育有热液矿物，如石英、萤石、方解石、重晶石、绿泥石等。该目的层由上奥陶统的泥岩呈不整合覆盖在鹰山组碳酸盐岩上。不整合面附近的碳酸盐岩遭受了规模较大的热液溶蚀改造。

图1 研究区地质概况［22］Fig.1 Geological background of study area［22］

2 塔里木盆地碳酸盐岩热液蚀变类型

塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩发生了数次较大规模的岩溶改造，同时受到了热液流体的改造和溶蚀。热液溶蚀改造的研究较前者少，其中对储层的形成和发育较为重要的热液蚀变类型有：热液白云岩、热液溶蚀灰岩以及热液交代和填充产物。下文按照类型进行论述。

2.1 热液白云岩

在青松采石场、蓬莱坝剖面（图2(a)～(d)），热液白云岩可在地表单独产出；在托普郎剖面、柯坪水泥厂剖面，热液白云岩和热液溶蚀灰岩相伴产出（图2(e)～(k)）。蓬莱坝组以及鹰山组中下部是热液白云岩的主要产出层位。地表和薄片中可观察到结晶较粗的热液白云岩中嵌有细粒白云岩及灰岩的残留体（见图2(b),(f),图3(f)）。

图2 野外露头中热液白云岩和热液蚀变灰岩的宏观特征Fig.2 The macro feature of hydrothermal dolomite and hydrothermal limestone in field outcrop

热液白云岩结构较普通白云岩粗，并且常常可以见到鞍形白云石（见图3（b）。热液白云岩富含铜族元素、变价元素等，如铜、铅、锌、汞等，这些元素在热液流体中活动性较高。

在野外可观察到，地表普遍分布有热液白云岩。并且热液白云岩通常伴生大孔，孔内往往充填方解石以及石英等热液矿物（见图 2(c)，(e)，(g)，和图 3(g)）。这一特征说明热液溶蚀改造往往能够改善岩石的物性。但是必须注意到，大孔在热液白云岩中的分布并不均匀，连通性并不理想。在多数场合，还可观察到热液白云岩往往伴随有硅化现象。微晶二氧化硅以及石英充填在白云岩孔洞及晶间孔中(见图 2(c)，(e)，(g)，图 3(d))，降低了孔隙度。除了连通性不够理想外，热液白云岩相关的大孔分布范围也比较有限，多分布在热液通道、断裂、裂缝附近，延伸范围有限。钻孔岩心中(见图4)也可观察到大孔和热液白云岩的伴生关系。这些大孔、溶孔使得热液白云岩的物性较好，孔隙度和渗透率都比较高。

图3 野外剖面中热液白云岩和热液蚀变灰岩的镜下特征Fig.3 Microscopic characteristics of hydrothermal dolomite and hydrothermal alteration limestone from field profiles

2.2 热液溶蚀灰岩

柯坪水泥厂、托普郎剖面、且迪塔格山、西克尔萤石矿、吐木休克萤石矿等地可见地表的热液溶蚀灰岩。热液溶蚀灰岩颜色较浅，热液作用下的热褪色所造成的“白化”现象是灰岩遭受热液溶蚀的最初表现。该现象一般沿着热液运移通道如断裂、裂缝发育。在卫星影像资料上可以观察到长达数十公里的“白化灰岩”露头。由于受到的热液溶蚀改造程度有限，该类型灰岩中具有储层意义的并不多。

热液溶蚀灰岩的溶蚀特征主要有密集的微孔、小孔，大孔较为少见。密集的微孔和小孔与灰岩溶蚀成孔过程和挥发性酸性气体CO2、H2S、HF等有关。挥发性酸性气体易溶于流体中形成酸性流体，酸性流体和灰岩反应后留下溶蚀孔。热液矿物沉淀较为少见，但在热液溶蚀灰岩附近可见热液矿脉产出，一定程度上可以推断为挥发性酸性气体和围岩相互作用的矿物沉淀过程。

柯坪水泥厂奥陶系剖面可见相当规模的巨晶方解石脉，指向热液流体中CO2较为丰富；托普郎剖面除了巨晶方解石脉外，还存在硬石膏-硫磺矿，说明热液流体中CO2和H2S较为丰富；吐木休克萤石矿以及西克尔萤石矿，伴生矿脉有大量的萤石、方解石、硬石膏等，萤石中的F元素，方解石中的C元素和硬石膏中的S元素可能来源于热液流体中的HF、CO2、H2S。这些酸性挥发性气体的来源各不相同。CO2可能来自于埋藏过程中的有机质热裂解或地壳抬升后的幔源CO2注入；H2S可能来自深部地层的TSR作用、蒸发岩中的硫酸根被还原为H2S；HF可能与海西晚期的碱性火山岩，如正长岩有关，迪塔格山可见此类火山岩出露。

图4 钻井岩心和薄片中的热液白云岩和热液蚀变灰岩Fig.4 Hydrothermal dolomite and hydrothermal alteration limestone in drilling core（（a）to（g））and thin section（（h）to（j））

相对于热液白云岩，热液溶蚀灰岩受到的关注较少。主要由于热液溶蚀灰岩中的热液矿物组合较为少见，伴生的脉体不一定产出在与热液溶蚀灰岩一致的部位。微量元素可以证明热液活动的存在，改造后的碳酸盐岩从热液中获得一些元素，特别是铜、锰、硅、汞、锑、铷等元素，碳酸盐岩中的钠元素等被热液带走[13]。

柯坪水泥厂剖面和托普郎剖面的热液溶蚀灰岩和热液溶蚀白云岩呈伴生关系，互层于蓬莱坝组。吐木休克萤石矿和西克尔萤石矿的热液溶蚀灰岩单独产出于鹰山组。由这几个剖面的观察情况可以推断，热液溶蚀灰岩、热液白云岩的产出层位和热液改造前的原岩岩性相关，热液溶蚀灰岩的原岩岩性为颗粒灰岩，热液白云岩的原岩岩性主要为白云岩。

不整合面以及潜山是控制西克尔萤石矿灰岩溶蚀的主要地质因素。其中，不整合面是热液流体的良好通道，而潜山有利于热液流体的汇聚。不整合面上部的砂泥岩也出现了褪色以及溶孔，这一褪色现象以及溶孔均说明砂泥岩曾经受到了热液流体的影响。进一步说明沿不整合面活动的热液流体是造成不整合面上下岩石溶蚀的主要原因，而非沉积间断期的大气降水。

经过热液溶蚀改造的灰岩，其物性得到了提升，可能成为良好的碳酸盐岩储层。距热液通道有一定距离的灰岩经热液改造后具有一定的裂缝-缝洞体系，物性也得到了一定程度的提升，有成为良好储层的潜力。相对于热液溶蚀灰岩，热液白云岩由于热液矿物的沉淀充填以及受硅化的影响，储层意义相对较弱。

2.3 热液交代与充填产物

热液矿物组合交代或者充填于碳酸盐岩的原生孔隙和次生孔隙中。热液矿物交代原岩组分后，内部可见原岩的残留体。热液矿物充填指热液矿物组合沉淀于裂缝、原生孔隙、次生孔隙中。充填作用形成的热液矿物和原岩有较为明显的界面。

热液沿流体通道移动过程中和围岩相互作用，产生了由不同矿物组成的特征矿物组合。这些矿物组合能够说明热液流体的活动特征[13]。通过薄片鉴定、岩心观察等手段，识别了4种主要的热液矿物组合。

2.3.1 白云石-方解石-石英组合

这一矿物组合见于蓬莱坝剖面和托普朗剖面。其中蓬莱坝剖面可见明显的热液蚀变现象，至少有两期白云岩化。较晚一期白云岩化影响范围较广，除蓬莱坝组外，寒武系和鹰山组也受到了影响。蓬莱坝组白云岩中可见灰岩残留，第二期白云岩化作用形成了晶间孔，并被方解石充填。白云岩经热液溶蚀后形成的晶间孔也被方解石所充填。托普朗剖面可见两层白化层，其顶底部均为热液白云岩，白化层中夹有热液白云岩夹层。

剖面上鞍状白云石呈层状、脉状产出，方解石充填于白云岩构造裂缝中，硅化产物石英、二氧化硅等沉淀充填在白云岩溶孔、大孔、裂缝中，颗粒状的自生石英沿裂缝产出。自生石英说明热液流体呈酸性，温度较高[13]。沿热液运移通道，石英沉淀在裂缝里。热液白云岩与富镁富硅流体活动有关。富镁、富硅流体可能是寒武系膏盐岩地层中的层间卤水。流体中的Mg2+扩散速率比流体中的SiO2快，因为后者主要以胶体形式溶解。因此，热液白云岩的范围往往比伴生的硅化范围更大。

2.3.2 热液溶蚀灰岩-巨晶方解石组合

这一矿物组合常见于野外剖面，呈现伴生关系，通常分布于热液溶蚀灰岩的内部及附近。方解石脉充填了灰岩中的构造裂缝，脉体呈现不规则状。也可见到单晶方解石分布。从流体岩石相互作用的角度看，这一组合和富含CO2的热液流体关系密切。前人的溶蚀窗理论可以解释这一现象[23]，随着地层埋深的增加，压力上升，导致CO2气体的溶解度增大，流体中的碳酸浓度增加，因此流体的酸性增强。在这一范围内，热液对灰岩的溶蚀强度较大。但当构造作用导致裂缝的产生或者地层抬升，地层压力和地层温度降低，热液中溶解的碳酸钙出现沉淀，导致热液溶蚀灰岩附近巨晶方解石晶体较为发育。

热液流体中的CO2来源较为多样。地层中有机质热裂解、岩浆侵入、地幔排气作用都能带入CO2气体。从C、O同位素分析，热液碳酸盐中的碳主要继承了沉积碳酸盐岩的特征，受到了地温或热事件的改造，至少有部分有机质热解作用形成的CO2参与了热液碳酸盐的结晶[24]。

2.3.3 热液溶蚀灰岩-硬石膏-硫磺组合

热液溶蚀灰岩-硬石膏-硫磺这一矿物组合常见于托普朗剖面和阿克苏硫磺矿。这2个剖面的硬石膏-硫磺以脉状充填于围岩的构造裂缝中。灰岩是托普朗剖面的主要围岩类型，而阿克苏硫磺矿的围岩是碎屑岩类。硬石膏晶体为微晶集合体，产状和结晶特点都指向热液成因。共生成因的硫磺产在硬石膏矿脉中，主要产状为细脉、团块或者星点状。这一组合的成因指向富含H2S气体的热液和灰岩相互作用，热液溶蚀灰岩的同时也形成了硬石膏和硫磺[20]。托普朗剖面发育的白化灰岩仅分布在蓬莱坝组内部，相邻的鹰山组几乎未受到影响。经过观察，鹰山组底部有薄层的泥质灰岩，该薄层泥质灰岩较为致密，物性较差，有可能是该薄层泥质灰岩阻碍了热液流体的扩散，热液更倾向于溶蚀蓬莱坝组灰岩。白化灰岩与热液白云岩伴生，在蓬莱坝组内部的白化灰岩顶部和底部以及内部均分布有热液白云岩。硬石膏以及硫磺脉体证明了富含H2S的热液流体对灰岩的改造作用。H2S在流体迁移过程中经氧化可形成自然硫以及硬石膏(见图5)（样品的XRD测试分析在浙江大学分析测试中心完成，X射线衍射仪型号为Bruker D8，将样品粉碎后过200目筛，装入Φ25 mm×3 mm的样品槽后上机扫描）。

2.3.4 热液溶蚀灰岩-萤石-重晶石-硬石膏-方解石组合

此类矿物组合常见于西克尔萤石矿和吐木休克萤石矿。不整合面下有热液溶蚀灰岩发育，热液溶蚀灰岩中发育有萤石、重晶石、硬石膏、方解石等矿物组合，矿物组合分布呈不规则的脉状。萤石矿脉和溶蚀灰岩基本来自同一期次热液活动。这2处实例说明本区热液活动的主要控制因素为：不整合面、断裂构造(流体通道)以及有利层位。

萤石矿物的测温数据显示了较低的盐度和较高的温度，包裹体均一化温度在142°C～283°C。萤石包裹体的盐度变化较大，最高达18.3%，最低仅为0.5%。相对较低的成矿温度说明萤石矿流体可能主要来自岩浆[22]。

图5 野外采集样品的XRD分析测试结果Fig.5 The XRD analysis of samples from field investigation

3 热液流体来源与蚀变分带

根据不同的流体来源，将研究区所见到的热液活动分为2大类：源自地层内部的热液流体和部分源自岩浆的热液流体。这2种热液流体具有不同的蚀变分带规律：

3.1 源自地层内部的热液流体

在地层埋藏过程中，有机质热演化产生的酸性水、酸性气体，压实或者成岩作用等因素产生的热水、来自地幔深处的酸性气体、蒸发岩中硫酸盐在一定温度条件下发生的TSR(硫酸盐热还原)作用产生的H2S气体、地层中封存的层间流体、原生孔隙中残存的孔隙水等都有可能是热液的来源。

这一类流体Mg/Ca比值高，CO2、H2S等挥发性组分含量高。热液白云岩化、热液溶蚀灰岩、硬石膏-硫磺等矿物组合是主要的蚀变类型。流体大规模流动后和早古生界地层快速沉降。根据塔中地区早古生界的埋藏史曲线，与TSR作用相关的热液流体大约形成于二叠纪中晚期。

此类流体的分带特征：沿着热液流体通道以及温度压力降低的方向，按照由近及远的顺序，首先是硅化白云岩，其次是具有一定大孔的热液白云岩。随着热液作用强度的减弱，出现了白云岩溶孔带和热液溶蚀灰岩。热液最外圈是经热液改造的裂缝-缝洞体系。对比分析这5种蚀变类型的特征，硅化白化岩以及热液白云岩的孔隙往往被二氧化硅和其他矿物充填。靠近流体通道的白云岩溶孔带，往往出现大量涌水。

3.2 源自岩浆的部分组分流体

这里所说的部分组分主要指挥发性组分。这类热液流体的Mg/Ca不高，不会造成白云化。流体中HF含量较高，会造成大规模的萤石沉淀。流体形成时期可能与TSR有关流体相近，也在二叠纪中晚期。在这一时期,塔里木盆地处于地壳拉张背景，发生了较大规模的岩浆活动。此类流体主要和侵入体有关[13-14]，多见于隐状侵入体或基性脉岩附近。

此类流体的分带特征是：沿热液流体通道温度压力降低的方向，由近及远分布有热液矿物沉淀带、热液溶蚀灰岩和受热液改造的裂缝-缝洞体系。对比这3种热液蚀变带的特征，其中有利储层主要位于热液溶蚀灰岩和裂缝-缝洞体系。虽然，热液矿物沉淀带即萤石沉淀区域的孔隙度较高，但往往受后期矿物沉淀充填的影响。

根据受热液影响的范围和特征，热液蚀变分带分以下几种(见图6)：

图6 塔里木盆地碳酸盐岩热液蚀变分带示意图Fig.6 The schematic picture of hydrothermal alteration on carbonate rock in Tarim Basin

(1)热液矿物沉淀充填带：沿热液通道路径以及通道附近发育，对应硅化白云岩、热液白云岩、萤石矿脉等。矿物充填于原生孔隙和次生孔隙，不利于储层的发育。

(2)溶孔残留带：位于热液通道附近，对应大量溶孔的白云岩，或者未完全充填的萤石矿脉。这一区域的残留溶孔较多，但分布范围有限，不具有储层意义。

(3)微孔密集带：发育在离热液通道更远的地方，主要对应于受到强烈溶蚀的灰岩，溶孔大量发育。此类区域受热液流体中挥发性组分的影响，多发育针孔状溶孔。微孔带多发育在非渗透性岩层之下的颗粒灰岩中，可延伸至较远的范围，可能形成优良的储层。

(4)热液流体改造的裂缝-缝洞体系：热液流体沿裂缝-缝洞体系流动，流动过程中不饱和的热液流体和围岩反应，进一步扩大了裂缝和缝洞体系，改善了储层的物性，也具有一定的储层意义。

(5)侧向封堵带：主要对应沉淀于裂缝、缝洞、溶孔等区域的方解石，不具有储层意义。

具有一定工业意义的储层以微孔密集带和经热液改造的裂缝-缝洞体系为主。

4 结 论

4.1 通过系统的野外工作-岩心观察和室内试验分析，明确提出研究区存在3种性质的流体，并探讨了它们相应的来源及形成的矿物组合类型：(1)富镁流体(封存卤水)，形成白云石、石英矿物组合；(2)富氟流体(火成活动)，形成萤石-重晶石-硬石膏-方解石组合；(3)富硫流体(TSR热液)，形成热液溶蚀灰岩、硬石膏、硫磺矿物组合。

4.2 研究区内对储层发育影响较大的3种主要热液蚀变类型为：热液白云岩、热液溶蚀灰岩以及热液交代和填充产物。

4.3 探讨了不同性质流体蚀变的分带性，发现其具有相似的分带，即从构成流体通道的断裂位置向外，依次是热液矿物沉淀充填带、溶孔残留带、溶孔-缝洞带。具有工业意义的储层主要发育在微孔密集带以及受热液流体改造的裂隙、缝洞体系。