塔里木盆地古城地区下古生界碳酸盐岩储层硅化作用特征及对储层的影响

卢 曦

1 大庆油田有限责任公司勘探开发研究院；2 中国石油集团碳酸盐岩储层重点实验室大庆油田研究分室

0 前 言

硅化作用对碳酸盐岩储层的改造具有双重性：一方面，硅化流体可以溶蚀碳酸盐岩形成溶孔、溶洞，增大碳酸盐岩的孔隙度，改善储层；另一方面，硅化流体可以结晶充填于孔洞或裂缝之中，破坏储层［1-3］。研究硅质流体的类型及其对于碳酸盐岩储层的影响，对有效开展与硅质相关储层的油气勘探有重要意义。前人认为塔里木盆地下古生界碳酸盐岩中发育有隐晶质硅质结核或硅质条带，它们通常是沉积形成的［4-6］。但是，在塔里木盆地古城地区上寒武统—下奥陶统并未见到明显的硅质沉积层，这表明该套地层沉积时期不存在富硅海水而形成广泛沉积。并且根据薄片观察，硅质交代现象普遍发育，尤其是在后期溶蚀改造比较发育的白云岩中，溶蚀孔洞中常充填或者部分充填晶形较好的石英晶体，这种硅化现象推断是热液流体造成的，热液流体会对碳酸盐岩储层产生不同程度的溶蚀改造作用。

本文通过普通薄片、铸体薄片、流体包裹体均一温度、硅氧同位素以及石英的元素组成等岩石学和地球化学分析测试（硅氧同位素分析在中国石油集团杭州地质研究所实验中心完成，其他在大庆油田勘探开发研究院实验中心完成），总结了塔里木盆地古城地区下古生界碳酸盐岩储层中硅化作用的岩石学和地球化学特征，探讨了硅化作用的成因及对储层的改造作用，这对下一步开展有利储层及勘探区带预测具有积极意义。

1 地质概况

古城低凸起位于塔里木盆地中央隆起带的中东部，西南部以塔中I号断裂与塔中隆起相邻，东部以上寒武统—中下奥陶统坡折带与塔东隆起相接，北部与满加尔凹陷毗邻（图1a）。古城低凸起为北西倾的下古生界大型宽缓鼻状构造，北东向断裂发育（图1b），呈现出堑垒相间的断块构造格局。本文研究区古城地区位于古城低凸起东段，下古生界碳酸盐岩地层主要包括寒武系和奥陶系蓬莱坝组、鹰山组（自上而下分为鹰一段—鹰四段）、一间房组，主要发育局限台地—半局限台地—开阔台地相的白云岩、灰质白云岩及石灰岩。受加里东中期构造运动影响，一间房组顶部地层遭受一定程度的剥蚀。多期构造运动的叠加使得古城地区纵向上形成了多套储盖组合，它们与满加尔凹陷的烃源岩供给相匹配，具备优越的油气成藏条件。

图1 塔里木盆地古城地区地质概况Fig.1 Geological overview of Gucheng area in Tarim Basin

2 硅化作用特征

2.1 微观特征

基于古城地区10 口井（井位见图1b）的薄片观察，区内硅化作用普遍发育。根据硅质晶体形态特征，硅化作用可分为两类：早期的隐晶硅质对碳酸盐岩的交代，晚期的石英充填。

2.1.1 早期的隐晶硅质对碳酸盐岩的交代

据镜下观察，隐晶硅质对碳酸盐岩的交代现象具有2 种存在形式：①局部交代。在白云岩中主要发育于细中晶白云岩中，表现为在白云石晶间交代或沿裂缝充填并对围岩溶蚀交代，可见硅质重结晶成为微晶石英颗粒，被隐晶硅质包围（图2a，2b）；在灰岩中表现为沿通道（裂缝，孔洞）侵入式溶蚀并交代（图2c），伴随着流体中离子浓度、饱和度的升高，溶蚀能力降低。②大面积交代。表现为对围岩进行溶蚀并交代，单偏光下常见颗粒残余结构（图2d），在白云岩硅质之中还常见细—中晶自形白云石以及具有溶蚀边缘的他形残余白云石（图2e，2f）。

图2 古城地区下古生界碳酸盐岩隐晶硅质交代特征（普通薄片，单偏光）Fig.2 Microscopic characteristics of cryptocrystalline siliceous metasomatism of the Lower Paleozoic carbonate rocks in Gucheng area(ordinary thin section,single polarized light)

2.1.2 晚期的石英充填及溶蚀

石英充填普遍晚于隐晶硅质交代。这可能是晶体成因的约束造成石英颗粒结晶较慢，也可能是由于晚期硅质流体浓度与温度降低导致硅质流体普遍结晶为石英晶体。根据结晶空间位置的不同，石英晶体主要有2种发育形式（图3）：①发育于裂缝之间（图3a），晶形一般为细—中晶，第1期沿围岩发育马牙状、栉壳状石英，第2期为长条状、柱状石英，有时见第3期晶粒状石英，为镶嵌状接触；②主要充填于白云岩晶间孔洞（图3b），有时见明显的溶蚀现象。

图3 古城地区下古生界石英充填特征Fig.3 Microscopic characteristics of quartz filling of Lower Paleozoic in Gucheng area

2.2 宏观分布

基于薄片观察结果统计分析，研究区下古生界硅化现象横向上在各个井均有发育，纵向上主要发育于寒武系、奥陶系蓬莱坝组和鹰四段、鹰三段（图4）。

图4 古城地区硅化作用分布连井对比Fig.4 Inter-well correlation section of silicification distribution in Gucheng area

3 硅质流体性质探讨

对古城地区岩心硅质岩样品和缝洞内充填的石英样品进行流体包裹体均一温度、主微量元素测试分析，结果表明硅质来源为岩浆热液流体，进一步结合硅氧同位素特征，判断硅质流体应为酸性岩浆热液。

3.1 流体包裹体均一温度

如前所述，古城地区自生石英充填孔洞的现象很常见，特别是在蓬莱坝组中可见大量石英充填裂缝或孔洞，有些石英甚至呈栉壳状、环带状将缝洞空间全部充填。石英中的包裹体均一温度分布在121~206 ℃之间（表1），主要集中在150~175 ℃范围。这一均一温度范围与指示热液成岩环境的鞍状白云石的成岩温度(100~180 ℃)相当［7］，结合塔里木盆地热史研究［8］,认为沉淀形成石英的流体应该是岩浆热液流体，而不是地层内部的地层水［9］。

表1 古城地区流体包裹体均一温度数据Table 1 Homogenization temperature data of fluid inclusions in Gucheng area

3.2 主微量元素

硅质岩的主微量元素含量和富集特征，是判断硅质来源及成因最有效的地球化学手段之一［7，10］。热液硅质通常以Fe、Al、Mn 三端元含量中Fe 的相对百分含量较高为特征，这种方法应用较为广泛［11-15］。

对研究区不同产状的硅质进行主微量元素测试分析，将Fe、Al、Mn 的相对百分含量投影到三角图（图5）上，由图可见：区内硅质主微量元素多以Fe、Mn 的相对百分含量高，Al 的相对百分含量低为特征，结合石英包裹体均一温度范围，综合判断硅质流体主要为后期活动的热液。

图5 古城地区下古生界硅质样品主微量元素Fe、Mn、Al三端元图（成因解释模式据文献［11］）Fig.5 Ternary diagram of major and trace elements of Fe,Mn and Al in Lower Paleozoic siliceous samples in Gucheng area(origin model from reference［11］)

3.3 硅氧同位素

交代成因硅质岩的δ30Si 值可达2.4‰~3.8‰［16］，热液结晶石英的δ30Si值一般在-2.1‰~0‰之间［17-20］。δ30Si 值的明显变化，通常取决于白云岩在被硅质交代过程中硅同位素的变化，其反应机理如下［21］：

这种由H4SiO4组成的硅酸往往溶蚀能力更强，通过对白云岩的交代使得δ30Si 值升高。古城地区硅质样品δ18O 值在12.7‰~27.9‰之间，δ30Si 值在0.1‰~3.6‰之间，大部分在2‰~3.6‰之间（图6）。这种偏重的硅同位素组成往往反映交代作用成因。根据硅质流体氧同位素的计算公式［22］：

图6 古城地区下古生界硅质样品硅氧同位素分布图Fig.6 Diagram of silicon,oxygen isotope distribution of Lower Paleozoic siliceous samples in Gucheng area

式中：δ18O硅质岩为硅质岩的氧同位素组成，‰；δ18O水为流体的氧同位素组成，‰；T为热力学温度，℃，古城地区石英样品的平均均一温度为170 ℃。由古城地区实测的硅质岩氧同位素组成的数值范围，根据上述（1）式可相应求得交代流体的δ18O 值为8.23‰~12.65‰，其远远高于早古生代海水（-8.9‰），与中—酸性岩浆水的δ18O［21］基本相当。因此，认为古城地区下古生界碳酸盐岩中的隐晶硅质、自生石英的形成与中—酸性岩浆水相关。

4 硅化作用对储层的控制

薄片观察发现，古城地区早期的隐晶硅质大多充填孔隙或者大面积交代原岩（图2d），应为高温高盐度流体的产物，其发育部位未见明显孔隙，可见对储层没有明显改善。同时，硅化作用使岩石本身的抗压、抗风化能力增强，使得岩石不易发生破裂和溶蚀作用，不利于产生新的储集空间。因此，早期的隐晶硅质交代作用对储集空间的发育具有破坏作用［3］。

晚期的自生石英往往代表酸性流体的产物。这种酸性热液对碳酸盐矿物产生显著的溶蚀，形成溶蚀孔洞、溶蚀缝；随着硅质流体浓度的降低，在孔隙空间充足的部位，硅质开始缓慢结晶形成石英（图3b）。晚期的硅化作用对储层起到了一定的建设作用。从古城地区硅化作用发育的层位看（图4），寒武系和鹰三段晚期的硅化作用相对较发育，可能对储层物性的改善程度较高；而蓬莱坝组、鹰四段以早期的硅化作用为主，储层改善相对较弱。

5 结 论

（1）塔里木盆地古城地区下古生界硅化现象主要发育于寒武系，奥陶系蓬莱坝组、鹰山组三段—四段和一间房组，表现为2种形式：一种以隐晶硅质交代碳酸盐岩并充填孔隙；另一种以自生石英的方式充填孔洞，晚于隐晶硅质发育，有时见明显的溶蚀现象。

（2）硅质流体包裹体均一温度范围为121~206℃，主要集中在150~175℃之间；硅质的主微量元素的相对百分含量表现为高Fe、Mn，低Al 的特征；硅 质 的δ30Si‰值 在0.1‰~3.6‰ 之 间，δ18O 值 在12.7‰~27.9‰之间，计算得到硅质交代流体的δ18O值在8.23‰~12.65‰之间，与中—酸性岩浆水的δ18O 相当。综合分析认为，研究区下古生界硅化作用的流体来源为中—酸性岩浆热液。

（3）早期的隐晶硅质大多充填孔隙或者大面积交代原岩，对储层性能未见明显改善；晚期的自生石英代表了酸性流体背景下的产物，这类流体对碳酸盐岩储层起到了一定的建设作用。早期硅化作用主要发育于寒武系、奥陶系蓬莱坝组和鹰四段、鹰三段，而晚期硅化作用主要发育于寒武系和鹰三段。相对而言，硅化作用对寒武系和鹰三段储层的改善更大一些。