R-Q因子分析在塔里木盆地寒武系白云岩岩相分析中的应用

景 帅,王起琮,程 浩,丁 卯,2

(1.西安石油大学 地球科学与工程学院,西安 710065;2.中国石油长庆油田分公司第三采气厂,内蒙古 鄂尔多斯 017300)

碳酸盐岩储层是目前最主要的油气储层,全球一半以上的油气资源都储存于碳酸盐岩中。而白云岩又是碳酸盐岩最主要的一类储层,白云岩储层约占碳酸盐岩储层的50%以上[1]。塔里木盆地寒武系白云岩分布范围广、厚度大,生储盖条件优越,是未来油气勘探的重要领域。本文以塔里木盆地寒武系白云岩为研究对象，在薄片鉴定及地球化学元素分析的基础上尝试应用地质统计学中R-Q因子分析方法,进一步开展白云岩岩相、成岩相及其地球化学特征研究。

塔里木盆地是我国最大的含油盆地,属于大型的叠合盆地,自震旦纪至新生代经历了塔里木、加里东、海西、印支、燕山及喜山等多次大规模构造运动[2],形成了现今“南北分带， 东西分块”的构造格局。 盆地内部划分为三隆五坳(图1)， “三隆”分别为:塔北隆起、 中央隆起带和塔东隆起(其中中央隆起带可分为巴楚隆起和塔中隆起)； “五坳”分别为：库车坳陷、北部坳陷、西南坳陷、塘古坳陷和东南坳陷[3]。

塔里木盆地中西部寒武系地层自下而上依次为:下寒武统玉尔吐斯组、肖尔布拉克组和吾松格尔组;中寒武统沙依里克组、阿瓦塔格组;上寒武统丘里塔格组。白云岩样品主要采自中央隆起带和塔北隆起的探井岩心,中4井由于样品太少,未发现相应白云岩样品(图1)。

1 白云岩成岩相的岩相特征

本次实验采用高倍显微镜 DMLP—217400进行观察鉴定,检测依据为SY/T 5368—2000,检测环境为室温， 主要测定各种矿物的光学性质, 确定岩石的矿物成分, 对岩石的结构、 构造进行分析, 从而确定岩石类型及对岩石进行定名。由同济大学海洋地质国家重点实验室采用Thermo fisher IRIS Advantage型电感耦合等离子光谱仪(ICP-OES)及Thermo fisher VG-X7型电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)进行主、 微量元素测试。 测试使用国际标准物质(GSR-5、 GSR-6、 GSD-9), 主量元素精度0.001%, 微量元素精度0.001×10-6。

图1 塔里木盆地构造区及采样区域

成岩环境是碳酸盐岩发生成岩变化的物理及化学环境, 成岩相是在成岩环境中形成的具有特定矿物组分、 岩石结构及构造的岩相组合[4]。 在岩心观察和薄片鉴定的基础上, 根据白云岩的矿物组成、 沉积与成岩构造特征, 识别出塔里木盆地寒武系白云岩的4个主要成岩相: 准同生云化相、 活跃回流云化相、 岩溶角砾相、 构造破碎相。 这4类白云岩成岩相分别形成于不同的沉积与成岩环境, 各类成岩相在岩相特征方面有明显的区别。

1.1 准同生云化相

准同生云化相岩石类型主要为纹层构造的泥晶云岩(图2a)及藻粘结云岩(图2b)。 此类成岩相是在低海平面时期或相对海平面下降阶段,形成于蒸发台地潮上带及局限台地潮下带和潮间带的一种成岩相类型。

蒸发台地潮上带由于强烈的蒸发作用,刚沉积不久的表层沉积物中的粒间水不断蒸发,引起沉积物中的孔隙水盐度升高,其交代文石及方解石,形成潮上带的准同生泥晶白云岩[5]。

局限台地潮下带和潮间带,由于海水的注入量小于潟湖的蒸发量,所以会引起海水盐度的升高,高盐度的海水交代湖底沉积的灰泥、灰屑和生屑沉积物,形成准同生泥晶白云岩、准同生藻灰岩或准同生含生屑泥晶白云岩。此类白云岩主要分布于下寒武统的吾松格尔组、中寒武统的沙依里克组和阿瓦塔格组。

1.2 活跃回流云化相

活跃回流云化相的岩石类型主要包括残余鲕粒、砂屑、砾屑，具有明显的残余颗粒结构(图2c), 发育晶间孔隙(图2d)。此类成岩相是在低海平面时期及相对海平面缓慢下降阶段,发生于局限台地边缘和潮间带的一种成岩相类型。

台地边缘和潮间带由于具有较强的水动力,因此在这种环境中广泛发育着灰质鲕粒、生屑、藻粒等具有渗透性的颗粒沉积物,以及具有藻粘结结构的灰质沉积。蒸发台地的地层水通过大气降水和风暴流得到补充,形成具有混合水特征的半咸水。半咸水自蒸发台地通过渗透性的颗粒沉积物源源不断地向盆地或洼地中渗流,在长期的渗流过程中不断交代浅埋藏的灰质颗粒,从而形成了具有残余颗粒结构特征的结晶白云岩[6]。此类白云岩主要分布于下寒武统玉尔吐斯组、肖尔布拉克组和上寒武统丘里塔格组。

1.3 岩溶角砾相

风化壳岩溶角砾成岩相的岩石类型主要为中-粗异形晶白云岩, 富含马鞍形异形晶, 粗晶白云石多见环带结构(图2e)。 此类成岩相是盆地在相对海平面强制下降阶段, 形成于暴露于大气淡水环境的隆起区顶部的一种成岩相类型。 在相对海平面下降阶段, 碳酸盐岩台地隆起区露出地表，暴露于大气淡水环境中, 遭受淡水淋滤与溶蚀作用, 形成岩溶风化壳, 蒸发盐易被溶蚀作用溶解, 从而导致石灰岩或白云岩岩层塌落, 形成岩溶角砾岩。 相对海平面再次上升后, 台地在风化壳上重新接受沉积, 使风化壳进入埋藏阶段, 经胶结、 溶解及重结晶作用后, 最终形成埋藏的风化壳岩溶相。

风化壳岩溶相结构组分不均一、晶体为不等晶或中-粗晶。盆地内巴楚、塔中隆起区广泛发育具有残余岩溶角砾结构的中-粗晶白云岩。此类白云岩主要分布于上寒武统丘里塔格组。

1.4 构造破碎相

构造破碎相是分布于断裂带两侧,具有刚性碎裂特征，被酸性热液埋藏溶蚀后形成溶蚀孔隙的一种成岩相类型。

构造破碎作用使脆性原岩变成角砾状,热液的溶蚀使之形成具有孔隙的构造角砾岩。此类白云岩具角砾构造和中-粗晶结构(图2f),埋藏溶蚀作用形成了大量溶蚀孔洞,角砾之间以及部分孔洞中充填了热液的硅质胶结物。此类白云岩主要分布于上寒武统丘里塔格组。

2 R-Q因子分析基本原理

R-Q型因子分析是在R型和Q型因子分析的基础上发展起来的一种多元分析方法，是由法国统计学家Benzecri在20世纪70年代提出来的,是目前应用最广泛的一种方法。

R-Q型因子分析方法是把分析变量相关关系的R型分析方法和分析样品相关关系的Q型分析方法统一起来的一种分析方法。因为变量空间和样品空间的因子轴具有相同的尺度,所以在分别求出R型和Q型的因子负荷以后,可选用Q型的因子轴F0和F1来表示样品和变量的投影平面，然后将R型因子的负荷向量作为变量的坐标值,将Q型因子的负荷向量作为样品的坐标值投影到F0和F1所构成的坐标系中,最后得到对样品和变量分析的点聚图。对点聚图上的样品点群和变量点群进行研究之后会发现,相同或相似地质成因的岩石样品聚集成点群，具有相同或相似成因的变量聚集形成点群[7-9]。靠近岩石样品点群的变量点群,从一定程度上可以帮助鉴别岩石类型及成因。因此应用R-Q因子分析的方法得到的点聚图可以对岩石样品进行相关性分析。

3 R-Q因子点聚图分析

由于白云岩的成岩环境不同,其地球化学元素在类型及含量等方面有着一定的区别。笔者在白云岩成岩相分析的基础上,联系不同的地球化学元素,应用R-Q因子分析方法进行白云岩成岩相的地球化学特征研究。

根据元素分析实验数据(表1),选取Fe、 Ca、 Mg、 Mn、 Sr及主要的稀土元素Eu、 La、 Ce、 Yb作为R-Q因子分析的变量进行分析。 分析过程中获得样品的方差贡献率, 方差贡献率越高表明样品所携带的信息越多。 一般前两个主因子累计贡献率达到80%以上,即认为这两个主因子能说明原始数据的大部分信息,可以得到较好的分析效果。

分析结果显示(表2), 第一特征值方差贡献率(λ1)为65.43%,第二特征值方差贡献率(λ2)为19.37%,累计贡献率达84.80%,表明由这两个主因子所组成的平面点聚图包含了原始数据的大部分信息[10]。

因此选择样品分析Q型因子负荷的因子轴F0和F1的数据(表3)来表示投影平面, 再将代表变量分析的R型因子负荷的数据(表4)在该平面进行投影,最终得到白云岩地球化学元素R-Q因子分析的点聚图。

表1 塔里木盆地寒武系白云岩地化元素分析数据

3.1 准同生云化相

准同生云化相的样品分布于Fe、 Mn、 Sr三种元素附近(图3), 显示出彼此具有一定的相关性。此类白云岩在成岩过程中有部分陆源碎屑混入,因此相对富含代表地表环境的Fe、Mn元素。准同生白云岩中往往含有少量取代晶格中Ca离子的Sr元素,所以此类白云岩显示与Sr具有相关性。

表2 R-Q因子分析特征值贡献率

表3 白云岩样品Q型因子负荷向量矩阵

表4 白云岩样品R型因子负荷向量矩阵

图3 塔里木盆地寒武系白云岩R-Q因子分析图

3.2 活跃回流云化相

活跃回流云化相样品的点群基本投影在Mg元素周围(图3) 。此类白云岩的原岩为颗粒灰岩,颗粒灰岩中的孔隙成为自蒸发台地向盆地回流的高镁半咸水渗流运移的通道,在长期的渗流过程中高镁半咸水与颗粒灰岩发生比较彻底的交代作用,形成基本不含其他杂质的、结晶程度较好的具有残余颗粒结构的白云岩。回流的高镁半咸水来自于海水,所以此类白云岩与稀土元素的相关性较弱。

3.3 岩溶角砾相

形成的岩溶角砾白云岩样品点群分布于稀土元素和镁元素周围(图3), 显示出两者之间具有明显的相关性。 风化壳岩溶角砾间充填大量泥质组分， 泥质组分容易吸附稀土元素, 所以此类样品和稀土元素显示出明显的相关性。 由于经历了流失Sr元素的溶蚀作用, 因此与Sr元素的相关性较低。

3.4 构造破碎相

此类白云岩样品周围的元素为Mg、Ca(图3), 显示出此类白云岩的成因与Mg、 Ca两种元素有相关性。 此类白云岩的原岩经构造破碎作用, 岩石发生刚性碎裂, 构造角砾白云岩原岩为残余颗粒结构白云岩, 白云化程度高。此类白云岩由于缺少陆源黏土组分, 所以与易被黏土吸附的稀土元素相关性很弱。

4 白云岩成岩相的地球化学特征

4.1 Fe、Mn元素

Fe、Mn含量与碳酸盐岩的阴极发光性有着密切的关系[11]。 Mn是激活剂,激发阴极发光, 而Fe是猝灭剂,猝灭阴极发光。 Fe、 Mn含量及其比值决定了阴极发光的强度[12]。 碳酸盐矿物的阴极发光性在检测海相碳酸盐矿物成岩蚀变性方面具有很好的实用性。

黄思静[13]根据大量分析数据绘制了碳酸盐矿物的阴极发光性与其Fe、Mn含量的关系图,将本研究区4类白云岩的Fe、 Mn含量分析数据点投到该关系图(图4)上, 分析发现, 构造角砾白云岩由于Mn含量较高、 Fe含量较低， 阴极发光强度为中等发光到强发光; 活跃回流白云岩由于受淡水影响, Fe、 Mn含量中等, 在该图上主要分布于弱发光区域; 岩溶角砾白云岩由于Fe含量偏高,阴极发光猝灭而弱发光, 主要分布于弱发光区域; 准同生白云岩由于沉积于海平面相对较低, 富含地表环境的Fe、 Mn元素, 但由于Fe元素含量偏高,猝灭阴极发光而弱发光。

图4 塔里木盆地寒武系白云岩Fe-Mn交会图(底图据文献[13])

4.2 Cr、Cs元素

各类白云岩成因不同,所以微量元素Cr、Cs含量有明显区别(图5)。铯离子半径很大,容易失去电子,是具有很强的地球化学活泼性的一种稀碱金属元素[14]。遇水极易发生反应生成氢氧化铯,绝大部分铯盐易溶于水,随水发生迁移,因此活跃回流白云岩由于受淡水影响,Cs含量偏低;构造角砾白云岩由于经受溶蚀作用,Cs含量也显示低值。电负性胶体粒子极易吸附Cs[14],因此在富含黏土的岩溶角砾白云岩中,Cs含量偏高,准同生白云岩往往含泥,因此Cs含量也较高。

Cr是铁族元素的一种,显示强的亲氧性[15]。在自然界中主要形成复杂的化合物的矿物,很难随水发生迁移。其含量往往随水体碱性的增强而升高,因此在形成于卤水环境的准同生白云岩和形成于活跃回流云化作用的白云岩中Cr元素的含量明显高于没有卤水参与的构造角砾白云岩和岩溶角砾白云岩。

图5 塔里木盆地寒武系白云岩Cr-Cs交会图

4.3 稀土元素及Sr元素

稀土元素在自然界分布比较广泛,化学性质稳定,很容易保存于稀土矿物之中。稀土元素易被黏土吸附,因此在含有大量泥质组分的岩溶角砾白云岩和准同生白云岩中稀土元素显示高值;活跃回流白云岩由于形成于回流云化作用,成岩环境相对开放而导致稀土元素流失,从而显示低值;构造角砾白云岩的原岩为活跃回流白云岩,所以稀土含量相对较低(图6)。

图6 塔里木盆地寒武系白云岩稀土元素与Sr交会图

Sr在海水中的丰度很高,但是经过成岩改造的白云岩具有较低的Sr含量,这是由于Sr的化学活动性强,极易流失,因此活跃回流白云岩、构造角砾白云岩和岩溶角砾白云岩中Sr含量偏低,而准同生白云岩由于在成岩过程中晶格中的Ca被Sr取代,并且因为受表生及埋藏溶蚀作用的影响,所以Sr含量偏高(表5)。

表5 白云岩成岩相与地化特征对照

5 结 论

(1)通过R-Q因子分析法对不同成因的白云岩展开分析,发现不同成因的白云岩样品在R-Q因子点聚图上明显聚集成不同的点群,可以用来区分不同成因的白云岩,从而建立有效的地球化学识别模板。

(2)R-Q因子分析明确了不同成因的白云岩元素类型及含量变化特征,与构造角砾白云岩最相关的元素为Mg和Ca,代表了卤水成岩环境;Mg元素与活跃回流白云岩最为相关,代表了浅埋藏的成岩环境;岩溶角砾白云岩与Mg元素和稀土元素相关,代表了相对开放的成岩环境;准同生白云岩与Fe、Mn、Sr三种元素相关,代表了地表成岩环境。

(3)构造角砾白云岩由于发生溶蚀作用,所以活动性元素Cs和Sr含量显示低值,但Fe、Mn含量中等;活跃回流白云岩及准同生白云岩由于有卤水参与成岩,所以Cr含量显示高值,二者相比较准同生白云岩更加富含地表代表元素Fe、Mn;岩溶角砾白云岩暴露于大气淡水环境,所以Cs含量显示低值,但是由于有岩溶风化壳的形成,所以稀土元素含量较高。