塔里木盆地顺北地区中下奥陶统硅质岩特征及其成因

王昱翔， 顾 忆， 傅 强， 王 斌， 于晓东

(1.中国石化石油物探技术研究院， 南京 211100； 2.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院， 无锡石油地质研究所， 无锡 214126； 3.同济大学海洋与地球科学学院， 上海 200092)

2013年中石化西北局部署的顺南4井在鹰山组内幕取得突破，揭示了鹰山组内幕发育储集性较好的硅质岩储层[1]，开拓了下古生界碳酸盐岩勘探领域，预示了超深层碳酸盐岩具备形成规模油藏的地质条件[2-3]。硅质岩作为一类特殊的沉积岩，其形成往往代表了特殊的沉积-成岩环境，隐含了特殊时期古气候、古地理、古构造、地质流体、物源和成岩成矿等多种地质信息，且特定环境下形成的硅质岩经常与矿藏伴生，因此，一直以来都备受广大专家和学者的关注[4-6]。2015年，中石化部署在塔里木盆地顺托果勒低隆北斜坡主干断裂带上的顺北1井取得重大油气突破，顺北油田的发现直接推动了塔里木盆地勘探思路的转变，目标储集体类型由风化壳向深层岩溶领域不断深入[7-8]。

顺北地区的SP2井首次在第四回次鹰山组上段取心中发现硅质岩发育层段，但与顺南4井揭示的优质硅质岩储层不同，SP2井硅质岩段岩心致密，储集性能较差。许多专家学者认为断裂-裂缝体系是研究区最主要的储集空间类型，针对断裂带开展了一系列研究[9-11]，对于断裂特征、演化和成因的研究不断深入[12-13]，但受限于取心资料的丰富程度和代表性，目前对于顺北地区深层碳酸盐岩储集体微观方面的认识较为薄弱，制约了油气的精细勘探进程。为此，选取不同断裂带井区硅质岩样品，通过对不同井区硅质岩的岩石学特征分析，针对不同产状硅质岩颗粒进行微量元素、稀土元素和硅氧同位素地球化学特征分析，揭示硅质岩中硅质来源及其成因。研究成果有助于加深对顺北地区储集体成因的认识，具有一定的理论价值和勘探指导意义。

1 油田概况

顺北油田位于塔里木盆地的中西部，地理位置隶属新疆维吾尔自治区阿瓦提县和沙雅县，构造位置处于阿瓦提坳陷、沙雅隆起以及顺托果勒低隆起的过渡部位(图1)。

图1 顺北油田概况Fig.1 General situation of Shunbei Oilfield

随着塔里木盆地勘探程度的不断加深，目标储集体类型由古潜山-喀斯特-断溶体逐步深入，呈现出“由表层向内幕、由单一岩溶缝洞型向多类型复合、由隆起向斜坡”3个拓展趋势[14-15]。2016年顺北油田的发现，直接推动了中石化塔里木盆地勘探思路的转变[16-19]，新型断溶体油气藏成为增储上产的主要类型。目前顺北地区勘探主要围绕区域内主干断裂带及其分支和次级断裂带部署井位，在顺北1号带、4号带和5号带断裂带相继取得油气突破，已建成年产100万t原油生产能力，落实控制石油地质储量4 000万t，拓展了新的勘探领域。

2 岩石学特征

通过对硅质岩发育的SP2井、S2井和S5井近200余块岩心及100余件薄片系统观察，硅质以灰黑色条带状、团块状和灰白色条带状分布于灰岩之间，条带宽度可达2 cm，长度约20 cm，团块大小约100 mm×70 mm[图2(a)]；硅质团块最大30 mm×70 mm，平均25 mm×50 mm，与基质灰岩粒屑镶嵌发育[图2(b)]。岩心断面局部可见生物碎屑，种类为贝壳类和介壳类[图2(c)]，海绵骨针等硅质生屑未见。贝壳类生屑放射状条纹清晰可见，大小2 mm×5 mm～15 mm×15 mm，介壳类呈条状，最长10 mm。但海绵骨针等硅质生屑未见，推测顺北地区硅质岩并非生物成因。显微镜下观察可见放射状的玉髓和隐晶质硅沿裂缝充填，见交代残余颗粒结构[图2(d)]，阴极发光观察表明硅质基本不具备阴极发光[图2(f)]。硅质与围岩接触边缘发育明显的溶蚀作用，但整体以充填为主，未见明显孔隙。硅化程度较强的岩心区域原岩结构逐渐消失。

通过X射线衍射对6件硅质岩样品开展矿物组分定量分析，结果如表1所示，石英平均含量达85%以上，方解石约占6%、黏土约占3.5%，此外，还有少量的白云石等矿物成分。镜下观测表明硅质不具备颗粒形态，呈连片斑状富集[图2(e)]，并非原始沉积构造形成的硅质结核状分布。硅质岩内可见基质孔隙但全部被沥青充填，充填率100%，表明硅质形成期与油气充注期关系密切。

表1 SP2井硅质岩X衍射测试分析表(N=6)Table 1 SP2 wells X-ray diffraction test and analysis table of siliceous rock(N=6)

3 测试分析

3.1 稀土元素

通过对SP2井和S2井26个硅质岩样品开展稀土元素测试，测试结果见表2。研究区硅质岩样品稀土元素含量非常低，分布区间0.057～2.018 μg/g，平均0.3 μg/g。稀土元素表现为轻稀土元素含量较高、重稀土含量较低的地化特征(图3)。通过将稀土元素数据标准化，δEu分布区间0.67～3.64，平均1.48，δCe分布区间0.82～1.96，平均1.27，具有明显的正Eu异常和正Ce异常，参考前人研究成果[20-21]，综合分析认为硅质岩形成与深部热液流体改造有关。

a.SP2井，鹰山组上段，7 536.00～7 536.24 m，砂屑泥晶灰岩，见充填溶洞，洞长240 mm，洞宽绕岩心一周，内部被垮塌灰岩全充填，垮塌灰岩粒屑最大30 mm×40 mm，呈棱角状，洞边缘见一条宽20 mm灰白色硅质条带；b.SP2井，鹰山组上段，7 536.10 m，砂屑泥晶灰岩，可见溶蚀孔洞被灰色硅质团块及沥青充填；c.SP2井，一间房组，7 520.12 m，砂屑灰岩，见少量贝壳类生屑，放射状条纹清晰可见，最大约3 mm×4 mm；d. S1-7井，7357.11 m，O2yj，硅质灰岩，见残余原岩结构，单偏光，×10倍；e. S2井，7442.63 m，O2yj，硅质灰岩，硅质呈斑块状富集，原岩 结构消失；f. e对应的阴极发光片，硅质基本不发阴极发光，为不发光-昏暗色发光图2 顺北地区硅质岩岩心及薄片照片Fig.2 Photographs of siliceous rock cores and thin sections in Shunbei Area

表2 塔里木盆地顺北地区中下奥陶统鹰山组硅质岩稀土元素原位LA-ICP-MS测试结果Table 2 In situ LA-ICP-MS results of REE in the middle lower Ordovician Yingshan formation of Shunbei Area, Tarim Basin

图3 顺北地区中下奥陶统鹰山组和一间房组硅质岩 稀土元素含量分布Fig.3 REE content distribution of siliceous rocks in Yingshan Formation and Yijianfang Formation of Middle-Lower Ordovician in Shunbei area

3.2 微量元素

研究区硅质岩样品颗粒Ni/Co=6.53～55.45，平均值23.7，指示硅质岩主要形成于还原环境中。通过对硅质岩颗粒Fe、Mn微量元素地球化学特征进行分析，测试结果见表3，研究结果表明硅质岩颗粒具有高Fe含量和低Mn含量，这与阴极发光观测所表现出来的不发光特性结果一致，Fe含量为2.95～1 047.12 μg/g，平均263.43 μg/g；Mn含量为0.059～12.75 μg/g，平均1.02 μg/g。Fe/Mn分布范围23.41～1 301.79，平均534.48。

表3 塔里木盆地顺北地区中下奥陶统硅质岩微量元素原位LA-ICP-MS测试结果Table 3 In situ LA-ICP-MS results of trace elements in the middle lower Ordovician of Shunbei Area, Tarim Basin

3.3 硅氧同位素

硅质岩的δ30Si‰同位素可指示硅质岩的成因。前人研究认为沉积硅质岩δ30Si‰值为1.1‰～1.4‰[22-26]；交代成因硅质岩值可达δ30Si‰：2.4～3.8‰[27]，热液石英δ30Si‰值一般变化在-2.1‰～0之间[28]。陈永权等[29]通过对硅质岩的硅氧同位素分析指出，硅化成因的硅质岩的δ30Si‰一般在1.0‰～3.8‰。放射状硅化岩的δ30Si‰在1.7‰左右，层状硅质岩的δ30Si‰范围在0.9‰～1.4‰之间。陈红汉等[30]指出硅同位素的分馏主要受以下几方面因素影响。

(1)硅化温度低，硅化速度慢，则硅化过程中选择性更好，导致δ30Si‰更高。

(2)水岩比值越高也会使δ30Si‰更高。

(3)交代物质差异-交代云岩的δ30Si‰往往高于交代灰岩的δ30Si‰。通过对顺北地区典型井硅质岩16件硅氧同位素测试分析(图4)，结果表明黑色斑块状硅质δ30Si‰值分布范围0.6‰～1.76‰，平均值1.32‰，δ18O值分布范围22.8‰～28.2‰，平均26.14‰；黑色条带状(块状)硅质δ30Si‰值分布范围0.96‰～1.86‰，平均1.55‰，δ18O值分布范围26.06‰～27.74‰，平均27.12‰；白色条带状硅质常被黑色硅质包裹，δ30Si‰值分布范围1.96‰～2.74‰，平均2.36‰，δ18O值分布范围19.85‰～29.29‰，平均27.05‰。可以看出，顺北地区Si同位素由黑色斑块状—黑色条带状—白色条带状逐步升高，大部分硅质均处于硅化岩之中(1.0～3.8)，局部落入层状硅质岩区域内甚至低于沉积硅质岩。通过与顺南4井硅质岩硅氧同位素数据对比[1]，发现顺北地区硅质矿物的δ30Si‰整体低于顺南地区，但δ18O高于顺南地区。从硅质岩的硅氧同位素组成来看，顺北地区的硅质成因应该交代成因为主，形成温度可能比顺南硅化岩低，从而硅化速度较慢，致使δ30Si‰更高。

图4 顺北地区不同产状硅质岩Si、O同位素组成图Fig.4 Si and O isotopic compositions of siliceous rocks in different occurrences in Shunbei area

根据的δ30Si‰差异性成因分析可以认为，细小斑块状黑色硅质的δ30Si‰往往具有较低值，而块状、团块黑色硅质常具有较高的δ30Si‰值。这种差异与水岩反应比值密切相关，团块状侵入围岩的硅质以更大的交代面积，较为充分的水岩反应因此具有较高的δ30Si‰。交代越充分，硅质交代区域越大的δ30Si‰显示其同位素较高。相比于黑色硅质，白色条带状硅质多发育与黑色硅质结晶之后，其δ30Si‰显示相比于黑色硅质，具有较高的δ30Si‰值。研究认为：随着硅质侵入围岩发生开始，随着温度降低，硅质发生沉淀，当温度降至一定程度时，析出沉淀的硅质由黑色斑块状硅质进而转变为析出玉髓或微晶石英类的白色硅质，这种硅质的δ30Si‰显示往往较高，造成δ30Si‰的差异因素应与温度相关。此外，局部有些黑色硅质的δ30Si‰落入沉积区域甚至更低，该类硅质岩石学特征与大部分交代成因硅质相一致，推测其成因应也一致。而较低的δ30Si‰值往往与富硅流体的温度密切相关，高温硅质流体具有相对较低的δ30Si‰，在侵入围岩之中未发生快速降温便迅速沉淀导致该类样品具有较低的δ30Si‰，局部落入沉积硅质岩的范围之中。

4 硅质来源及其成因

前人研究表明，硅质岩中硅质来源主要包括硅质生物来源、火山硅质来源和富硅流体改造3种形式[31-34]。通过对研究区硅质岩岩心及薄片观察，海绵骨针等硅质生物不发育，推测顺北地区硅质岩并非生物成因。塔里木盆地海西期存在大规模火山活动，但在顺北地区现有几十口勘探井资料显示，并未在中下奥陶统一间房组和鹰山组观测到火成岩和火山相关证据矿物，因此，推测认为虽然具备大规模火山活动的基础但受控于断裂带活动期次和断开层位，火山运动并未影响一间房组和鹰山组硅质岩发育。

顺北地区硅质岩形成主要受富硅流体控制，断裂带和裂缝体系为富硅流体运移提供了通道，在断裂活动时期流体从下覆地层向上运移进入鹰山组和一间房组地层，在颗粒灰岩发育相带交代围岩形成硅质岩，但由于富硅流体整体规模有限仅局部改造储集体，因此顺北地区并未形成规模硅质岩储层，而且流体交代围岩致使原岩中颗粒孔隙降低，形成的硅质岩以充填物形式富集于裂缝、孔隙和溶蚀孔洞内造成整体储集性能变差，从改造结果来看，流体改造为破坏性成岩作用。

5 结论

(1)顺北地区硅质以灰黑色条带状、团块状和灰白色条带状分布于灰岩之间，显微镜下观察可见交代残余颗粒结构，硅质与围岩接触边缘发育明显的溶蚀作用，但整体以充填为主，未见明显孔隙，且硅化程度较强的岩心区域原岩结构逐渐消失。

(2)顺北地区硅质岩样品地球化学特征表明其稀土元素含量很低，整体表现为轻稀土富集、重稀土亏损，两者分异明显且具有明显正Eu和正Ce异常，指示热液流体对硅质岩形成具有重要影响且主要形成于相对还原的成岩环境中，从硅氧同位素组成来看，硅质以交代成因为主。

(3)顺北地区硅质岩形成主要受富硅流体控制，断裂带和裂缝体系为富硅流体运移提供了通道，在断裂活动时期流体从下覆地层向上运移进入鹰山组和一间房组地层，在颗粒灰岩发育相带交代围岩形成硅质岩，但由于富硅流体整体规模有限且仅局部改造储集体，因此顺北地区并未形成规模硅质岩储层，勘探开发目标仍应以断裂控制的断溶体油藏为主。