断裂-层序双控机制下的热液活动及成储效应——以塔里木盆地塔河、玉北地区下奥陶统为例

孙福宁，胡文瑄，胡忠亚，刘永立，康 逊，朱 峰

(1.南京大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210023； 2.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)

碳酸盐岩是海相含油气盆地中的重要油气储集层，是油气勘探中的重要研究领域[1]。塔里木盆地下古生界碳酸盐岩广泛发育，寒武系-奥陶系碳酸盐岩厚度超过2 000 m[2,3]，但整体埋深一般大于4 000 m[4]。Schmoker和Hally[5]认为在正常压实作用下，南佛罗里达盆地碳酸盐岩孔隙随着埋藏深度的增加而减少，传统勘探下限在5 500 m。然而，研究区寒武-奥陶系埋深低于或远低于这一深度，仍存在一些与流体溶蚀相关的次生孔隙构成的优质储层，具有相当大的油气资源潜力，已成为重要的油气探勘层位[1,4,6-10]。塔河地区TS1井在埋深超过8 400 m的深处仍然发现了与深部热液流体活动相关的储集空间的发育，孔隙度高达9.1%[7,10]。

传统观点认为，海相碳酸盐岩储层受原始沉积环境和后期成岩过程控制，台地边缘的礁滩相更易形成优质储层[11-12]。但大多数情况下，随着埋深的增加和成岩作用的进行，深层、超深层碳酸盐岩原始储集空间大量消失[13-14]。然而，在流体作用下，碳酸盐矿物的溶蚀可以形成良好的储集空间[1,3,6,8,10,15-23]。一般认为，加里东期和海西期表生阶段的大气淡水[6,16,18,22,24]、同生/准同生阶段的大气淡水[7,15,17]、埋藏阶段的含烃有机流体[1,8]以及二叠纪与火山活动有关的热液流体[4,7-9,19,21,25,26]在塔里木盆地寒武系-奥陶系深层、超深层碳酸盐岩优质储层形成过程中发挥着重要作用，与之相关的次生孔隙成为重要的储集空间。然而，并非上述所有流体都参与了该过程，流体类型的判别仍然十分重要，流体活动的控制因素和作用方式仍是亟待解决的问题，与流体活动相关的成储效应还有待进一步分析研究。

近年来，在塔河地区提出了“断溶体”的理论概念模型，并在该理论模型指导下发现了一些大的油藏，成为塔里木盆地奥陶系油气勘探研究的热点[27-28]。然而，在储层成因方面，“断溶体”的研究还比较薄弱，主要针对表生阶段大气淡水作用下的岩溶缝洞体系，强调了断裂带的控制[6,18,27-29]。但是，深部寒武系-奥陶系白云岩受岩溶影响程度十分有限，尚未取得大的探勘突破，还需要进一步开展储层成因机理和分布规律的研究。许多学者对塔里木盆地寒武系-奥陶系白云岩进行过较为深入的研究[20,25,30,31]，明确了热液活动对储层改造的积极作用[7-9,19,21,32-36]，然而，热液活动及相关储层发育的控制因素还尚不十分清楚，以往研究往往强调断裂的控制[7-9,19-21,25,32-35]，但尚未足够重视层序的约束。在研究塔里木盆地塔河、玉北地区下奥陶统蓬莱坝组时发现，富硅质热液流体对白云岩储层有着较为强烈的改造，但在断裂系统和层序地层格架中的改造存在差异性和联系性，热液流体的活动及改造型储层的发育可能受断裂-层序双重因素控制。通过详细的岩石学和地球化学工作，在明确蓬莱坝组矿物岩石学特征、储集空间发育情况等基础上，重点探讨了不同尺度断裂和三级层序甚至更短周期层序控制下的深部热液流体活动和储层发育特征，并建立了断裂-层序双控机制下的热液活动及成储效应的概念模型，为研究深层、超深层白云岩储层成因机制和演化以及油气勘探提供依据。

1 地质背景

塔里木盆地是中国西北部的一个大型多旋回含油气叠合盆地，自元古宙以来经历了加里东期、海西期、印支期、燕山期和喜马拉雅期等构造运动[16,37]，形成了当今的构造格局(图1)，由七个一级构造单元组成，包括三个隆起(塔北隆起、中央隆起和塔南隆起)和四个坳陷(库车坳陷、北部坳陷、西南坳陷和东南坳陷)[30](图1a)。研究区之一的塔河地区位于塔北隆起阿克库勒凸起西段(图1b)，另一研究区玉北地区位于西南坳陷麦盖提斜坡东缘(图1c)。

从早寒武世至中奥陶世，塔里木盆地遭受长时间的海侵，导致大规模碳酸盐岩台地的发育，晚奥陶世早期达到最大海侵，随后转为海退[25]。奥陶系主要由碳酸盐岩和部分碎屑岩构成，自下而上，被分为蓬莱坝组(O1p)、鹰山组(O1-2y)、一间房组(O2yj)、恰尔巴克组(O3q)、良里塔格组(O3l)和桑塔木组(O3s)(图2)。早奥陶世期间，塔里木盆地大致位于30°S，是一个温暖、干旱或半干旱的气候条件[38]，研究区均位于塔西碳酸盐岩台地之上，发育一套碳酸盐岩序列——蓬莱坝组(O1p)和鹰山组下段(O1-2y1)[25,39](图2)。研究层位蓬莱坝组中下部发生了广泛的白云石化，以白云岩为主；上部白云石化程度减弱，以灰岩为主。

塔里木盆地下奥陶统自埋深后经历了加里东早期、加里东晚期和海西早期共三期显著的抬升，导致中-上奥陶统产生不同程度的剥蚀，奥陶系与石炭系呈角度不整合接触(图2b)[1,16]。不整合面之下的地层在表生阶段遭受大气淡水溶蚀强烈，形成了岩溶缝洞型储层，在地震剖面上表现为强烈的串珠状反射(图2a)。然而，研究区蓬莱坝组未发生长时间的暴露，并处于暴露不整合面之下较深处，可能并未发生显著的表生溶蚀。自新元古代以来，塔里木盆地共经历了四次重要的地质热事件，其中，发生于早二叠世的一期地质热事件最为强烈，影响范围最为广泛，在西部、北部和塔中等地区广泛存在[9,40]，对寒武-奥陶系碳酸盐岩产生了重要的影响。塔里木盆地塔河、玉北地区虽属于不同的构造位置，但下奥陶统蓬莱坝组碳酸盐岩受热液流体改造均较为强烈，热液改造型储层均较为发育，是研究热液流体活动及其成储效应的典型例证。

图1 塔里木盆地塔河、玉北地区构造位置Fig.1 The tectonic location of Tahe-Yubei areas,Tarim Basina.塔里木盆地构造单元划分及研究区位置；b.塔河地区构造概况及钻井位置；c.玉北地区构造概况及钻井位置

2 样品与方法

选取了塔河地区TS2井、S88井和玉北地区YB5井、YB7井共计4口代表性钻井为研究对象，在蓬莱坝组均可见不同程度的油迹显示，表明存在着多期的油气运移。共采集上述钻井岩心样品73件，并全部磨制成普通岩石薄片，选取了其中的40件磨制成电子探针片。此外，向中石化西北油田分公司借阅TS2井和S88井岩屑薄片303件，取样间距为2 m。研究方法包括岩心观察、薄片鉴定、电子探针、C、O、Sr同位素分析以及REE元素分析等。所有测试均在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室完成。所有样品均在普通光学显微镜(Nikon ECLIPSE LV100N POL)下进行了系统的矿物岩石学和储集空间的观察分析。在详细的岩相学分析基础上，选取7件代表性样品进行电子探针(EPMA;JEOL JXA 8100)背散射图像(BSE)和原位微区元素分析，共测点75个，测试时加速电压15 kV，束流20 nA，束斑直径～2 μm。选取30件样品进行C、O同位素分析，利用Thermo Finnigan Delta V Plus同位素质谱仪(IRMS)进行测试，δ13C和δ18O经VPDB标准化处理。选取30件样品进行Sr同位素分析，利用Finnigan Triton热电离质谱仪(TIMS)进行测试。选取12件样品进行REE分析，利用Bruker Aurora M90电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)进行测试，经PAAS标准化处理。

图2 塔里木盆地塔河、玉北地区古生界地层格架Fig.2 The Paleozoic stratigraphic framework in Tahe-Yubei areas,Tarim Basina.塔河地区TS2井南北向地震剖面；b.古生代综合柱状图(据文献[18,24]修改)

3 储层岩石学特征

塔里木盆地下奥陶统蓬莱坝组为一套碳酸盐岩局限台地相沉积，普遍发生了白云石化，自下而上，白云石化程度总体呈减弱趋势。蓬莱坝组可分为上、下两段：下段以粉-细晶白云岩为主，夹有微-粉晶白云岩，底部为中-细晶白云岩；上段以砂屑灰岩、粉屑灰岩与泥晶灰岩互层为主，含有数量不等的白云石(常<25%)，夹有少量粉-细晶白云岩和中-细晶白云岩(图3)。岩心和薄片观察发现储集空间主要分布在白云岩中，其形成和分布与白云石的类型关系密切，故储层岩石学特征主要探讨白云石和储集空间的类型及特征。

3.1 白云石类型及特征

研究区下奥陶统蓬莱坝组发生了不同程度的白云石化，白云石类型多样，其分布方式、自形程度、粒度和成因等方面存在较大差异。在详细的岩相学研究基础上，根据白云石的分布方式和结构形态等特征，共识别和划分为灰岩中的零散白云石、基质型白云石和白云岩中的充填白云石共三种类型(表1)。

3.1.1 灰岩中的零散白云石

该类白云石主要分布于蓬莱坝组上段灰岩中，自下而上略有增多趋势，白云石约占岩石组分含量的4.2%～8.0%(图3)。按照白云石的分布方式，又可将其进一步分为沿缝合线分布的白云石、分散漂浮状白云石和斑块状白云石(表1)。白云石多呈粉-细晶、半自形，少量呈自形(图4a—c)。

3.1.2 基质型白云石

该类白云石主要分布于蓬莱坝组的下段，岩性为白云岩，白云石约占岩石组分含量的79.2%～86.5%(图3)。按照白云石的晶粒大小，又可将其进一步分为微-粉晶白云石、粉-细晶白云石和中-细晶白云石(表1)。微-粉晶白云石晶粒小于0.05 mm，多呈它形，晶粒间呈点接触或线接触，可见与黄铁矿相伴生(图4d)。粉-细晶白云石晶粒0.05～0.2 mm，多为半自形-它形，晶粒间呈线接触(图4e)。中-细晶白云石晶粒0.2～2 mm，多呈半自形，晶粒间呈镶嵌状接触，发生了较为强烈的重结晶和次生加大，亮边雾心结构明显(图4f)。

表1 塔里木盆地塔河、玉北地区蓬莱坝组白云石类型、特征及储层概况Table 1 Types and characteristics of dolomites,and the overview of the reservoirs in the Penglaiba Formation in Tahe-Yubei areas,Tarim Basin

注：白云石组分含量基于TS2井蓬莱坝组177张岩屑薄片镜下鉴定结果统计得出。

3.1.3 白云岩中的充填白云石

该类白云石主要分布于蓬莱坝组的下段(图3)，充填于白云岩的孔洞(图4g,h)和裂缝(图4i)中，并沿孔洞或裂缝内壁向中心方向生长，常与黄铁矿、方解石和玉髓相共生，约占岩石组分含量的2%～5%(表1)。白云石晶粒较为粗大，多呈中-细晶，自形程度普遍较高，晶面较为平直，晶粒间呈线接触或镶嵌接触，核部较为污浊，边部较为明亮(图4g—i)。

3.2 储集空间类型及特征

研究区蓬莱坝组超深层碳酸盐岩经历了复杂且漫长的成岩演化，原生孔隙已基本消失殆尽，储集空间多为次生孔隙，主要包括晶间孔、溶蚀孔和裂缝三种基本类型，其中又以次生溶蚀孔占有绝对优势。

3.2.1 晶间孔

晶间孔主要分布在较自形的粉-细晶白云岩中，白云石晶面较为平直，晶粒间存在较多不规则的多面体孔隙，孔隙大小和形态常受白云石晶粒大小和形态的约束，常伴随微弱的溶蚀扩孔，孔隙直径一般小于50 μm，可以作为良好的储集空间(图5a,b)。晶间孔在自形程度差的粉-细晶白云岩和中-细晶白云岩中较为少见，主要表现为一些残留的晶间孔(图4e)。部分微-粉晶白云石发生重结晶，重结晶区域呈斑块状，晶间孔较为发育，表现为强烈的非均质性(图5c)。蓬莱坝组较自形粉-细晶白云岩分布较为局限，部分发生了重结晶作用，白云石晶体粒径变粗，自形程度变差，形成半自形-它形紧密镶嵌状，白云石过度生长占据了原来的孔隙，晶间孔不甚发育(图3，图4f)。

3.2.2 次生溶蚀孔(晶间溶孔、溶蚀孔洞)

次生溶蚀孔一般分布于较自形-半自形中-细晶白云岩和部分粉-细晶白云岩中，常与晶间孔相伴生，包括晶间溶孔和溶蚀孔洞两种类型，是蓬莱坝组最为重要的储集空间(图3)。晶间溶孔一般是在晶间孔基础上发育而来，白云石和其间的灰质组分遭受不同程度的溶蚀，孔隙一般呈多边形串珠状分布，孔径常小于200～300 μm(图5d)。溶蚀针孔是一种特殊的溶蚀孔洞，孔径常小于1 mm，部分可达2 mm，其大小和形态相似，多呈圆状或不规则状，一般呈密集状或麻点状分布(图5e)，孔隙内壁可见明显的溶蚀痕迹，多个白云石晶粒遭受溶蚀呈港湾状(图5f)。溶蚀孔洞一般呈圆形或不规则状，可见较为明显的溶蚀痕迹，有时呈串珠状分布，储集性能优越，孔径一般在2～5 mm左右，部分可达1 cm甚至更大，多数孔洞未被充填，有时可见沥青充填(图5g)，部分可被白云石、方解石和玉髓等矿物完全充填(图4g,h)。

3.2.3 裂缝(缝合线缝、构造裂缝)

缝合线缝多发育在蓬莱坝组上段的泥晶灰岩中(图3)，常被白云石、沥青和泥质充填，颜色较暗，多呈棕色或黑色，近水平状分布(图4a,图5h)，在部分白云岩中仍可见残留下的较为明显的缝合线，常被玉髓或沥青充填(图5i)。构造裂缝在蓬莱坝组底部和中上部较为发育(图3)，以倾斜缝和高角度裂缝为主，水平缝较为少见，常被方解石、白云石、玉髓、黄铁矿、沥青等不同程度地充填(图4i)，少量未被充填(图5j,k)。在裂缝附近有时存在明显的溶蚀，使得储集空间得到进一步扩大(图5i,k)。缝合线缝和构造裂缝对储集性能的贡献是有限的，但可以显著地提高储层的渗透性，是油气和其它溶蚀性流体良好的运移通道。

4 热液流体的判识

4.1 矿物岩石学证据

在岩心中，暗灰色的富硅质热液沉淀形成的玉髓、硅质白云岩等常沿裂缝分布(图6a,b)。在充填之初，高温且富含CO2、H2S等酸性气体的热液进入地层后发生水-岩反应，使原岩颜色、成分、结构和构造等方面发生变化[9]。在热液流体作用下，岩石发生热褪色现象，颜色变浅甚至变白，云质与硅质接触带附近褪色最为显著，蚀变后的白云岩由灰色/深灰色变为灰白色(图6a,b)，部分溶蚀孔洞周围也可见明显的褪色现象(图5e)。鞍状白云石一般认为是发生热液白云石化的强有力证据[20,34]，但在样品中并未发现大量的鞍状白云石，仅在局部出现，其沿裂缝充填，晶面弯曲，呈波状消光(图6c)。此外，深部流体与围岩相互作用过程中，往往会形成一些典型的矿物或矿物组合，是判别流体类型的重要标志[9,10,21]。研究区共识别出微-粉晶白云石-充填白云石-方解石(图4h,i)、微-粉晶白云石-充填白云石-方解石-黄铁矿(图4h;图6d)、微-粉晶/粉-细晶白云石-充填白云石-玉髓(图4g)、白云石-玉髓(图6e—g)等多种矿物组合形式。其中，最典型的是富硅质热液沉淀形成的玉髓大量充填裂缝及孔洞，有时在整个白云岩中呈弥散状分布。岩石中的热褪色现象、鞍状白云石以及多种矿物组合沉淀可以初步表明该地区存在富硅质热液流体活动，白云岩遭受了不同程度的改造[9,21]。

图6 塔里木盆地塔河、玉北地区蓬莱坝组与富硅质热液流体有关的充填改造Fig.6 Filling and modification related to silica-rich hydrothermal fluids in the Penglaiba Formation in Tahe-Yubei areas,Tarim Basina.硅质热液充填白云岩裂缝，硅质条带(暗色)与中-细晶白云岩(亮色)相接触，接触带附近可见明显的褪色现象，TS2井，埋深6 553.8 m；b.硅质热液呈条带状充填，硅质白云岩(暗色)与中晶白云岩(亮色)相接触，可见较为明显的褪色现象，YB5井，埋深6 842.7 m；c.鞍状白云石沿裂缝分布，呈波状消光，可见玉髓充填(正交偏光)，S88井，埋深6 426.5 m；d.白云石和方解石充填孔洞，黄铁矿与之相伴生(反射光)，TS2井，埋深6 555.0 m；e.硅质热液沿裂缝充填，裂缝中和两侧充填玉髓，早期沥青被改造，YB5井，埋深6 840.0 m；f.g.硅质热液沿裂缝充填，玉髓与沥青呈环带状交替分 布，f为单偏光，g为正交偏光，YB5井，埋深6 739.2 m

4.2 地球化学证据

对样品中不同类型的白云石和充填方解石进行了电子探针微区对比分析，测试结果如图7a所示。微-粉晶白云石除SiO2和Al2O3外，FeO、MnO、Na2O、K2O、SrO和BaO含量均在0.01%之下，相较于其它类型的白云石，其FeO、MnO和BaO含量较低，SrO含量较高，表明受后期改造程度十分有限。粉-细晶白云石SiO2和Na2O含量较高，在0.02%以上，FeO、MnO和BaO含量在0.01%～0.015%上下，高于微-粉晶白云石，但略低于中-细晶白云石，SrO含量与微-粉晶白云石相近。中-细晶白云石SiO2含量可达0.03%以上，FeO和MnO含量在0.01%～0.015%，BaO含量在0.015%～0.02%，明显高于微-粉晶白云石，但SrO含量低于微-粉晶白云石。白云岩中的充填白云石SiO2含量中等，在0.015%～0.02%，FeO、MnO和SrO含量与中-细晶白云石相近，均低于微-粉晶白云石，BaO含量最高，可达0.025%以上。灰岩中的零散白云石以高SiO2和Al2O3为特征，FeO、MnO含量较低，在0.005%左右，SrO和BaO含量最低。白云岩中的充填方解石以高FeO、MnO和BaO、低SiO2和Al2O3为特征(图7a)。上述不同类型白云石的电子探针综合分析结果表明，除微-粉晶白云石外，其它类型的白云石遭受了不同程度的成岩改造。其中，高SiO2、FeO、MnO、BaO和低SrO含量表明，中-细晶白云石和白云岩中的充填白云石可能遭受富硅质热液流体影响较为显著[7,9,23,33]。

C、O同位素是分析白云石成因以及判别流体类型和来源的重要指标。对不同类型的白云岩和灰岩进行了全岩C、O同位素测试分析。灰岩的δ18O介于-9.3‰～-8.5‰(平均-8.9‰，n=7)，δ13C介于-2.1‰～-1.0‰(平均-1.6‰，n=7)，完全落于晚寒武世-早奥陶世海相灰岩的δ18O(-11.1‰～-6.0‰)和δ13C(-3.0‰～0)范围内[25,41](图7b)，表明灰岩没有遭受强烈改造。微-粉晶白云岩的δ18O介于-6.9‰～-4.8‰(平均-5.5‰，n=8)，δ13C介于-2.1‰～-1.1‰(平均-1.8‰，n=8)，与灰岩具有相近的δ13C值，但δ18O存在+3.0‰左右的漂移(图7b)，表明微-粉晶白云岩是同生-准同生期白云石化形成的，没有遭受后期改造。粉-细晶白云岩的δ18O介于-8.1‰～-5.8‰(平均-6.9‰，n=6)，δ13C介于-1.8‰～-0.3‰(平均-1.3‰，n=6)，与微-粉晶白云岩相比，具有明显偏负的δ18O值(图7b)，形成温度可能略高于微-粉晶白云岩。中-细晶白云岩δ18O介于-9.9‰～-7.0‰(平均-8.3‰，n=9)，δ13C介于-1.6‰～-0.7‰(平均-1.2‰，n=9)，δ18O与δ13C分布范围较大，δ18O明显低于其它类型的白云岩，δ13C整体高于其他类型的白云岩(图7b)，表明其形成于较深处，在成岩过程中受流体的均一化改造较为强烈。

图7 塔里木盆地塔河、玉北地区蓬莱坝组岩石地球化学特征Fig.7 Lithogeochemical characteristics of the Penglaiba Formation in Tahe-Yubei areas,Tarim Basina.电子探针获取的不同白云石及方解石的平均元素组成折线图，n代表数据点数；b.不同白云岩及灰岩经PDB标准化的δ13C和δ18O交会图；c.不同白云岩及灰岩的Sr同位素比值图解；d.不同白云岩及灰岩经PAAS标准化的稀土元素配分模式图

对不同类型的白云岩和灰岩进行了Sr同位素测试分析。灰岩的87Sr/86Sr介于0.708 932～0.709 219(平均0.709 078，n=7)，处于晚寒武世-早奥陶世海相灰岩的87Sr/86Sr范围内(0.708 6～0.709 3)[25,41,42](图7c)。微-粉晶白云岩的87Sr/86Sr介于0.709 177～0.709 784(平均0.709 438，n=8)，粉-细晶白云岩的87Sr/86Sr介于0.709 023～0.709 629(平均0.709 272，n=6)，中-细晶白云岩的87Sr/86Sr介于0.708 940～0.709 445(平均0.709 147，n=9)(图7c)。微-粉晶白云岩、粉-细晶白云岩和中-细晶白云岩87Sr/86Sr值呈递减趋势(图7c)，表明中-细晶白云岩可能形成于较高温度下，受到来自于深部贫87Sr热液流体的影响，导致87Sr/86Sr值降低。

对不同类型的白云岩和灰岩进行了REE测试分析，所有样品的REE配分曲线总体较为平缓。微-粉晶白云岩与灰岩具有较高的∑REE含量和一致的REE配分模式，具有较为明显的Ce负异常、Eu负异常和Tm正异常(图7d)，表明微-粉晶白云岩没有遭受后期流体改造。粉-细晶白云岩∑REE含量整体略低于微-粉晶白云岩，表现为LREE略显亏损，HREE略微富集，大多数样品具有Eu负异常，少数呈现不明显的Eu正异常(图7d)，可能受热液流体的影响，但影响程度十分有限。中-细晶白云岩具有最低的∑REE含量，LREE较为亏损，HREE较为富集，表现为明显的Eu正异常，Ce负异常更加明显(图7d)，受后期热液流体改造较为强烈[43]。

综合上述电子探针微区分析、C、O、Sr同位素以及REE元素分析结果表明，微-粉晶白云岩未受后期流体改造，粉-细晶白云岩受流体影响较弱，中-细晶白云岩遭受流体改造强烈。中-细晶白云岩或充填白云石较高的SiO2、FeO、MnO和BaO含量、较低的SrO含量和87Sr/86Sr值、偏负的δ18O值、较低的∑REE含量、明显的Eu正异常和Ce负异常表明(图7)，发生水-岩反应的流体为深部来源的富硅质热液流体[31,33]，与矿物岩石学证据流体类型判别相一致。

5 热液流体对储层的改造

塔里木盆地共经历了震旦纪—寒武纪、奥陶纪、早二叠世、白垩纪共四次主要的地质热事件，其中，早二叠世热事件是活动最为强烈、影响最为广泛的一期[40]。早二叠世末，受北部天山褶皱带和南部古特提斯洋俯冲的影响，塔里木盆地中部、西部和北部大范围内出现了较为强烈的岩浆-火山活动[21,44]，以大规模基性岩为主，也可见少量中酸性岩[9]。前人研究表明，塔里木盆地寒武-奥陶系白云石化作用、溶蚀型储层的发育以及早期油气的运移都可能与早二叠世热液流体的活动有关[4,7,9,19-21,25,33,36,45-46]。热液流体对储层的改造主要表现为溶蚀作用、重结晶作用和充填作用三个方面[10,21,33](图8)。

5.1 溶蚀作用

与岩浆-火山活动有关的热液流体不仅携带大量的热量，通常还富含CO2和H2S等酸性气体[8,32]，含量可高达4%[47]，此外，研究区大量硅质的出现也表明热液流体是酸性的，这为碳酸盐矿物的溶蚀及溶蚀型储集空间的形成提供了可能。当热液流体向白云岩地层侵入过程中，改变了先前的物理化学平衡，导致碳酸盐矿物发生显著的溶蚀，产生大量的次生溶蚀孔隙，并增加孔隙之间的连通性，从而能够有效地改善储层的物性。由于热液流体来自深部，其流动性较弱，量也比较有限，产生的溶蚀孔一般以微米至毫米级为主(图5d—g)。溶蚀孔大多分布于白云石晶体间，是方解石或白云石发生部分溶蚀的结果(图5d)，多个白云石均被溶蚀殆尽，则形成较大的溶蚀孔洞(图5d,f,g)，也可对早期裂缝产生进一步溶蚀(图5i,k)。对于沉积之后未曾暴露地表以及未发生显著的大气淡水溶蚀的蓬莱坝组而言，热液流体的溶蚀作用对其储集空间的形成起到关键的作用，是一种重要的建设性成岩作用(图8)。

图8 塔里木盆地塔河、玉北地区蓬莱坝组成岩序列与孔隙演化示意图(埋藏史据文献[46]修改)Fig.8 A sketch map showing the diagenetic sequences and pore evolution in the Penglaiba Formation in Tahe-Yubei areas,Tarim Basin (the burial history is sourced from reference[46])

5.2 重结晶作用

在热液流体作用下，随着白云岩地层温度的升高和水/岩比值的增加，白云石晶体会发生重结晶而形成更加稳定的白云石[21,33]。较高的温度以及富含CO2和H2S的热液流体会加速白云石的重结晶速度，重结晶后的白云石晶粒变粗，自形程度变好，亮边雾心结构较为明显，储集空间以晶间孔为主(图5a,b)。白云岩也可发生部分重结晶作用，形成斑块状分布的自形程度较好的白云石，储集性能得到明显改善，表现为强烈的非均质性(图5c)，是一种建设性成岩作用。然而，少量白云岩发生了重结晶和过度白云石化，虽然晶粒变粗，但自形程度变差，晶面弯曲，晶体间呈镶嵌状接触，晶间孔不发育(图4f,图5d,图6f,图6g)，是一种破坏性成岩作用[32]。重结晶后的白云岩(石)SiO2、FeO、MnO和BaO含量升高、SrO含量和87Sr/86Sr值降低、δ18O偏负、∑REE含量降低以及表现为明显的Eu正异常和Ce负异常(图7)，表现为热液活动的地球化学特征。总的来说，热液影响下的白云石的重结晶对晶间孔及次生溶蚀孔等储集空间的形成起到重要的积极作用(图8)。

5.3 充填作用

深部热液流体除了对白云岩产生显著的溶蚀作用和重结晶作用外，还能充填已有的储集空间，沉淀出不同类型的矿物及其矿物组合。富硅质的热液流体进入蓬莱坝组后，随着物理化学条件的改变，在白云岩中沉淀出白云石、方解石、黄铁矿、玉髓等多种矿物及它们的组合，部分或完全充填早期形成的晶间孔(图6e)、次生溶蚀孔(图4g,图4h，图6d)和裂缝(图4i，图6c—g)等储集空间，使岩石发生致密化，甚至存在多期次的充填和致密化过程(图6f,g)。与热液活动相伴生的矿物对孔隙和裂缝的充填大大降低了储集空间的分布以及孔隙之间的连通性，储集物性显著降低，储层非均质性明显增大，是一种较为强烈的破坏性成岩作用(图8)。

6 断裂-层序双控机制下的热液活动及成储效应

深部富硅质热液流体活动是深层、超深层白云岩储层发育的关键因素，与之相关的次生溶蚀孔隙是最重要的储集空间。研究发现，断裂和层序对塔里木盆地塔河、玉北地区下奥陶统蓬莱坝组深部热液流体活动及超深层白云岩储层发育有着强烈的制约。本文重点探讨了在断裂系统(不同尺度断裂)和层序地层格架(三级层序甚至更短周期层序)中的热液活动及成储效应，并建立了研究区热液改造型白云岩储层的发育模式。

6.1 断裂系统中的热液活动及成储效应

6.1.1 深大断裂控制

深大断裂作为流体运移的重要通道，一方面可以沟通地表，作为大气淡水向下运移的通道，增加溶蚀的深度[6,22,24,29]，另一方面也可以作为热液流体向上运移的通道，对白云岩储层的改造提供可能[4,7,19-21,25,35-36,48]。研究区奥陶系-石炭系呈角度不整合接触，中-上奥陶统遭受不同程度的剥蚀(图2b)，并有大量的深部断裂沟通不整合面(古地表)。中-上奥陶统遭受大气淡水溶蚀强烈，溶蚀深度一般在不整合面之下200～300 m范围内[22,49]。蓬莱坝组位于不整合面之下800～1 000 m左右(图2a)，因为距离不整合面较远，故表生阶段受大气淡水的影响可能十分有限，且矿物岩石学和地球化学分析尚未发现遭受显著的大气淡水溶蚀的证据。然而，分析结果显示蓬莱坝组部分白云岩遭受了强烈的富硅质热液流体的改造。深大断裂输导的热液流体提供了新的流体来源，促进了碳酸盐矿物的溶蚀作用、白云石的重结晶作用以及玉髓、白云石、方解石和黄铁矿等矿物的充填作用等一系列成岩过程的发生。尤为重要的是，热液向上的运移必须要有断裂系统提供运移通道[4,7,10,25,34]，一般而言，张性、扭张性的断裂更易于深部热液流体向上的运移，因此，沟通深部热源的基底大断裂为热液流体输送至目的层位提供了可能[48]。

塔里木盆地经历了多期次的构造演化，下切至盆地基底的深大断裂非常发育，表现为多期次的断裂系统，拉张性、张扭性和挤压性断层均有发育，深度可达50～60 km，沟通地壳深部或下地幔[21,44]。塔里木盆地共经历了两次主要的张性构造过程，分别是震旦纪-早寒武世的盆地裂谷时期和二叠纪的弧后裂谷时期[34,37]。早二叠世末是塔里木盆地最广泛、最强烈的构造热事件时期，岩浆-火山活动非常强烈[9,40]，该时期正值张性、扭张性断裂系统发育的阶段，可能最有益于深部热液的上涌[34]，为塔里木盆地寒武系-奥陶系碳酸盐岩地层提供热液流体和动力来源，所以该时期可能是蓬莱坝组白云岩储层遭受热液改造的最主要阶段(图8)。塔里木盆地塔河和玉北地区发育着多条切穿盆地基底的深大断裂(图1b,c)，从过TS2井的地震剖面可以看出，张性深大断裂及次级断裂相当发育，断层以高角度正断层为主，且密度较大。深大断裂及其次级大断裂为深部热液流体向上运移提供了重要通道，对蓬莱坝组白云岩储层的发育产生了重要的影响。

6.1.2 微断裂控制

除了深大断裂及其次级较大断裂外，岩石中的微断裂在热液流体运移及其相关储层发育过程中也扮演着尤为重要的角色[8]。加里东中晚期及海西早期构造运动导致岩石中微断裂较为发育[17]，热液活动之前尚保留一些未被完全充填的裂缝，热液流体沿深大断裂运移至目的层位(蓬莱坝组)后，再沿这些微断裂继续运移。微断裂为热液流体能够输送到更远距离提供了重要通道，为较大范围内热液改造型储层的发育提供了可能。微断裂可能不是独立存在的，只有那些在热液活动之前或同时形成的、与更高级断裂相连通的微断裂才有可能作为深部热液流体运移的通道，同时，深大断裂附近往往也伴生着大量不同尺度的断裂，这在一定程度上增加了断裂之间的连通性，从而增大了热液活动及储层发育的范围。

在岩心和薄片中可见大量热液流体沿微断裂运移的痕迹，矿物溶蚀、重结晶和充填现象都沿着裂缝分布。部分晶间溶蚀和溶蚀孔洞具有明显的沿裂缝呈串珠状分布的特征(图5d)，缝合线缝和构造裂缝也可见溶蚀扩容的痕迹(图5i,k)，表明溶蚀性热液流体是沿微断裂运移的，具有一定的优势通道和选择性。部分重结晶的白云石有时也表现出串珠状分布的特征(图5c)，一方面与岩石本身的物质成分有关，另一方面也可能与热液流体沿微断裂运移通道的优选性密切相关。样品中裂缝常被与热液活动相关的多种矿物不同程度的充填，可见玉髓充填(图6a,b,e-g)、中-细晶白云石充填(图4i)、鞍状白云石充填(图6c)以及方解石充填(图4i)等，充分说明富硅质热液流体是沿微断裂运移的。

6.2 层序地层格架中的热液活动及成储效应

6.2.1 三级层序界面控制

一般情况下，碳酸盐岩地层中的不整合面常作为流体运移的重要通道[35]，尤其是区域性的角度不整合[50]。在流体沿不整合界面运移过程中，对不整合面附近的碳酸盐岩产生溶蚀改造[35]，进而形成良好的储集空间，使孔隙度和渗透率得以显著的增加，因此，对于不整合面的识别也是寻找有效储层及油气勘探的重要研究领域。虽然在加里东期和海西早期构造运动的影响下，研究区奥陶系-石炭系形成了一个大的角度不整合面，但是对深部的蓬莱坝组而言影响可能是十分有限的(图2)。

研究区下奥陶统蓬莱坝组与上寒武统下丘里塔格组呈平行不整合接触，在不整合面上下，中-细晶白云岩非常发育(图3)，可见明显的硅质充填甚至硅化现象，白云岩发生显著溶蚀和重结晶，表明该不整合面对深部热液流体活动有着强烈的控制作用。综合岩石岩性特征以及前人研究成果[30,50]，将蓬莱坝组划分为2个三级层序(Sq1和Sq2)，Sq1的底部即为蓬莱坝组与下丘里塔格组之间的平行不整合面，Sq1与Sq2之间为连续沉积(图3)。Sq1与Sq2之间的三级层序界面之上也可见系列的中-细晶白云岩(图3)，具备热液改造的矿物岩石学及地球化学特征，表明热液流体可能与该三级层序界面关系密切。以TS2井为例，与热液活动相关的中-细晶白云岩一般分布于三级层序界面上下(图3)，可推断三级层序界面是深部热液流体的重要运移通道，热液流体对界面上下的碳酸盐岩地层产生了较为强烈的改造，以强烈的溶蚀、重结晶和充填为特征。根据矿物岩石学特征、地球化学特征以及热液改造白云岩的分布情况等，初步判断热液流体影响范围可达至三级层序界面上下30～40 m。TS2井在蓬莱坝组唯一存在的一个漏失段和一个气测异常段也分别位于这两个三级层序界面附近，与发生显著溶蚀和重结晶作用的中-细晶白云岩能够形成完美的匹配(图3)，表明三级层序界面附近的这两个层段是热液流体强烈改造的层段，也是进一步寻找有效储层及油气的重要目的层位。

6.2.2 准层序样式控制

除了三级层序界面外，准层序样式也可能控制着流体活动及相关储层的发育[36]。海平面上升初期，向上变浅的准层序顶部在同生、准同生阶段可能暴露并遭受大气淡水的溶蚀[15,51]，但相较于三级层序，其暴露时间较短，溶蚀程度有限[15,36]。在埋藏阶段，准层序的顶部由于原始物性较好，可能更容易受流体改造而发育储集空间，进而形成优质储层[36]。然而，在深部富硅质热液流体对储层的改造方面，尚缺少系统有效的资料探讨准层序控制下的热液活动及成储效应。

在岩心和薄片中，部分层段的溶蚀孔洞呈麻点状密集分布(图5e,f)，部分晶间孔也可见溶蚀的痕迹(图5b)，但受裂缝控制并不明显，表现为顺层溶蚀的特征，而相邻层段溶蚀孔洞并不发育，表明准层序内部岩石受热液改造程度存在明显差异，可能受控于准层序的样式。在白云岩层段(图9a)，微-粉晶白云岩、粉-细晶白云岩和中-细晶白云岩构成了自下而上变浅的准层序样式，热液流体改造强烈的层段分布于准层序的顶部，碳酸盐矿物的溶蚀、白云岩的重结晶以及玉髓、白云石和方解石的充填作用强烈，在其之下，上述改造并不十分发育，仅在裂缝较为发育的层段分布。在准层序内部，受热液影响程度自下而上总体呈增强趋势，由沿裂缝或孔洞的零星改造向无选择性的顺层改造过渡。准层序上部的致密微-粉晶白云岩作为局部盖层，限制了热液流体的扩散，使之在准层序顶部充分作用。在白云岩与灰岩过渡层段(图9b)，泥晶灰岩、粉屑灰岩、砂屑灰岩和白云岩构成单个准层序，热液流体改造强烈的层段同样位于准层序的顶部，但改造强度一般较低，以重结晶作用为主，溶蚀和充填作用较为有限，但在局部同样可见到溶蚀孔洞的发育，呈顺层状分布。在准层序内部，较为致密的灰岩几乎看不到热液流体改造的痕迹，局部可见沿缝合线分布的白云石产生微弱的重结晶和部分溶蚀。准层序上部的致密泥晶灰岩同样限制了热液流体的扩散。从图9可以看出，热液流体活动受准层序样式控制，准层序内部的岩性组合和准层序之间的叠置关系共同控制着热液流体的活动和储层的发育，改造强烈的层段限于准层序的顶部，与之相关的优质储层也分布在该位置。

6.3 输导体系与热液改造型储层

塔里木盆地塔河、玉北地区下奥陶统蓬莱坝组白云岩遭受了富硅质热液流体的改造，主要分布于白云岩层段及白云岩和灰岩过渡层段，热液流体在蓬莱坝组的作用方式、运移状态和与之相关的储层发育情况等还尚不十分清楚，除了受早二叠世岩浆-火山活动热事件强弱影响外，还受不同尺度的断裂(6.1)及三级层序甚至更短周期层序(6.2)的控制。断裂系统和层序地层格架中的热液流体活动和储层发育存在较明显的差别，造成上述差异性的根本原因是热液流体在地层中的输导体系的差异。因此，输导体系能够作为深部热液流体重要的运移通道体系，各输导体系之间的时空配置同样控制着深部热液流体的运移路径和作用方式，从而影响着热液改造型储层的分布。

图9 塔里木盆地塔河、玉北地区蓬莱坝组准层序样式对热液流体活动和储层发育的制约Fig.9 The influence of parasequence patterns to hydrothermal fluid activities and reservoir development in the Penglaiba Formation in Tahe-Yubei areas,Tarim Basina.白云岩中的准层序典型样式及储层发育特征，TS2井蓬莱坝组和下丘里塔格组间的平行不整合面之上约22～30 m处；b.白云岩与灰岩过渡 层段准层序典型样式，TS2井Sq1与Sq2间的三级层序界面之上约27～41 m处(注：岩石特征概况及热液流体对储层的改造情况根据对应深度的岩屑薄片和所有样品综合得出。)

深大断裂及其次级大断裂与微断裂构成了深部热液流体运移的断裂输导体系，对热液流体的纵向运移和穿层输导十分有效。深大断裂及其伴生次级大断裂沟通深部热源，为深部流体运移至目的层位提供了可能；微断裂为热液流体的进一步运移提供了通道，大大提高了热液的运移距离和影响范围。在张性、张扭性断裂中，缝洞发育，连通性好，更利于热液流体的运移。不整合输导体系也是深部流体重要的运移通道，主要是有利于流体的横向输导，有时伴随着一定的穿层。在蓬莱坝组中，Sq1底部的平行不整合面和Sq1、Sq2之间的三级层序界面都对热液流体的运移产生了重要的控制作用，其主要运移通道是层序界面上下的裂缝和连通孔隙。准层序样式同样影响着热液流体的运移，其输导机制与储集层体系密切相关，主要是横向不穿层输导。准层序顶部的岩层原始孔渗性较好，是热液流体的优势运移层段，主要通过孔隙型通道进行运移，理想情况下，热液流体在准层序顶部岩层中的运移不存在优势运移通道，表现为均质层状分布的溶蚀、重结晶和充填特征。但是，在自然条件下，储集层输导体系大多是非均质的，存在微断裂、层理面等优势运移通道，表现为非均质性[52-53]。因此，断裂-层序共同构成了深部热液流体运移的输导体系，它们在空间上的组合共同控制着热液的运移和储层的发育。

根据储层岩石学和地球化学特征，结合输导体系的分析，建立了塔里木盆地塔河、玉北地区下奥陶统蓬莱坝组断裂-层序双控机制下的热液活动及成储效应的概念模型(图10)。早二叠世，研究区岩浆-火山活动强烈，深大断裂及断裂带发育，深部富硅质热液流体沿着深大断裂及其次级大断裂运移至浅层的蓬莱坝组，可能与地层水发生不同程度的混合[19,20]，伴随着碳酸盐岩矿物的溶蚀和重结晶，形成次生溶蚀孔隙和晶间孔。流体中SiO2、CO2、H2S、Mg2+和Ca2+含量较多，当流体运移至Sq1底部的平行不整合面和Sq1、Sq2之间的三级层序界面时(图3)，纵向输导随之转向为横向输导，随着运移距离的增加以及温度、压力、PH值等物理化学条件的改变，热液流体发生沉淀，形成白云石、玉髓、方解石和黄铁矿等充填裂缝和溶蚀孔洞，同时CO2和H2S等酸性气体大量释放，沿层序界面运移至更远距离，溶蚀碳酸盐矿物和早期孔、缝等储集空间，影响范围可达至三级层序界面上下30～40 m(图3，图10)。热液流体沿三级层序界面的运移也表现为强烈的不均一性。准层序顶部原始物性较好的层段是热液流体的优势运移通道，也是热液流体强烈改造及其相关储层发育的层段(图9)。由于热液活动程度的限制以及蓬莱坝组上段和鹰山组巨厚致密泥晶灰岩的封堵，热液流体对上部灰岩的影响十分有限(图10)。

图10 塔里木盆地塔河、玉北地区蓬莱坝组断裂-层序双控机制下的热液活动及成储效应的概念模型Fig.10 A conceptual model showing the impact of hydrothermal activities on reservoir formation under the dual control by faults and sequence boundaries in the Penglaiba Formation in Tahe-Yubei areas,Tarim Basin

该模型不仅强调断裂的控制，还重点关注了层序在热液活动及成储效应方面的积极作用，认为断裂-层序共同构成热液运移的输导体系，并提出了断裂-层序的双控机制。热液流体在断裂系统中的运移主要是纵向的，而在层序地层格架中的运移主要是横向的，以往研究往往更关注于断裂的作用，然而，横向上的热液运移及成储效应尚未引起足够的重视。由于热液流体是自下而上运移的，致密层会对其纵向的运移造成封堵，封堵后的热液往往更倾向于横向的运移，在三级层序界面及准层序顶部等原始物性较好的层段发生远距离的横向运移，因次，断裂-层序双控机制的模型大大拓展了对热液流体活动及改造型储层发育空间范围的认识，为油气勘探提供重要的理论支持和借鉴作用。

7 结论

1) 根据白云石的分布方式和结构形态等特征，将蓬莱坝组白云石分为灰岩中的零散白云石、基质型白云石和白云岩中的充填白云石共三种类型。蓬莱坝组白云岩原生孔隙已基本消失殆尽，次生溶蚀孔隙是最为重要的储集空间，主要分布于中-细晶白云岩和部分粉-细晶白云岩中。

2) 矿物岩石学证据、电子探针微区分析、C、O、Sr同位素以及REE元素分析结果表明，微-粉晶白云岩几乎未受后期流体改造，粉-细晶白云岩受热液流体影响较弱，中-细晶白云岩受热液流体改造强烈。受富硅质热液流体强烈改造的白云岩表现热褪色现象、鞍状白云石充填以及充填白云石、方解石、玉髓、黄铁矿等多种矿物组合沉淀，以及较高的SiO2、FeO、MnO和BaO含量、较低的SrO含量和87Sr/86Sr值、偏负的δ18O值、较低的∑REE含量、明显的Eu正异常和Ce负异常。

3) 热液流体对储层的改造主要发生于早二叠世，主要表现为溶蚀作用、重结晶作用和充填作用三个方面。溶蚀作用和重结晶作用整体上是建设性成岩作用，溶蚀作用形成的溶蚀孔和重结晶作用形成的晶间孔对白云岩储层起到显著的改善作用，而充填作用是则一种较强烈的破坏性成岩作用。

4) 热液流体在断裂系统和层序地层格架中的活动存在差异性和联系性，断裂-层序共同构成热液流体运移的输导体系，共同控制着热液流体的运移路径和作用方式。不同尺度断裂和三级层序甚至更短周期层序对热液活动及储层的发育起到强烈的控制作用，并基于此建立了断裂-层序双控机制下的热液活动及成储效应的概念模型。