富硅质碳酸盐岩储层地球化学特征及成因——以四川盆地泰来地区茅口组为例

张军涛，武重阳，杨佳奇，何治亮，潘磊，唐德海，杨天博，韩月卿，李让彬

（1.中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083；2.中国石化深部地质与资源重点实验室，北京 100083；3.中国地质大学（北京）能源学院，北京 100083；4.中国石油化工股份有限公司，北京 100728；5.中国石化勘探分公司，四川 成都 610041）

0 引言

热液白云岩储层是油气勘探中一个重要领域，全球范围内迄今发现了多套与热液白云岩相关的油气储层［1］，包括Michigan 盆地的奥陶系［2］、Basque Cantabrian盆地的白垩系［3］、塔里木盆地的寒武系—奥陶系［4］、加拿大魁北克Acadian Gaspe Belt 西部的下志留统Sayabec组［5］、美国纽约州的上奥陶统黑河组［6］等；同时发现了多处与热液白云岩相关的油气田，其中AIbion-Scipio［7］和Ladyfern［8］油田均是世界级大油田。国内的热液白云岩储层主要集中于川滇［9-10］、塔里木盆地［4］。

热液成岩作用发生于热液流体进入地层时温度高于周围（普遍高5°C）的环境中［11］，热液流体的成因通常为地下热异常， 且其通过断裂系统或其他运移通道进入地层［12］。 前人对四川盆地茅口组富硅质白云岩储层的成因认识不一，诸如构造热液成因［13］、热水沉积相关［14］、埋藏白云岩化［15］、埋藏热液和混合水成因［16］等。现在的主流观点认为， 研究区鞍形白云石为构造热液成因，这可能与峨眉山大火成岩省的活动有关。

研究区内除鞍形白云石外， 还可观察到大量硅质与之伴生，对储层的破坏严重。硅质的成因一般分为生物成因和交代成因2 类［17］。 胡欣等［18］认为川西北茅口组的硅质主要是生物成因。 由于硅质充填对于碳酸盐岩储层的演化是不可逆的， 如塔里木盆地古城地区灰岩储层中的硅质总体上主要对储层起破坏作用［19］；因此，只有确定研究区硅质的来源和形成时间，才能对该套碳酸盐岩储层进行机理性分析， 进而明确储集空间的演化过程和规律。然而，现今鲜有关于泰来地区硅质充填物的相关报道。 由于难以直接对硅质充填物进行原位碳氧锶或者稀土元素分析， 而通过对伴生的鞍形白云石及其他充填物的研究则可以对硅质的形成进行合理分析，因此，有必要对茅口组白云岩储层的硅质及其伴生充填物的成因进行系统性的厘定。 本研究以四川盆地泰来地区二叠系为例，解释了硅质、鞍形白云石的成因，并系统评价了热液流体对充填物沉淀的贡献，为后续勘探开发提供了理论依据。

1 区域地质概况

四川盆地位于上扬子地块西北缘，面积约10.8×104km2，是中国重要的大型叠合含油气盆地［20-22］（见图1）。四川盆地发育NE 向和NW 向2 组基底断裂，其发育时间相对较早，可追溯至加里东运动时期，现今断裂多为逆冲断层［23］。晚二叠世早期，峨眉山地裂运动发育达到高峰，基性岩浆大量喷发至地表，扬子地区大面积覆盖玄武岩［24］，四川盆地内部也分布多个小型火山口和浅层的侵入岩。热史反演表明，峨眉山大火成岩省导致盆地内的古热流值发生剧烈变化，距今约259 Ma时古热值达到顶峰，持续时间约为1～2 Ma［9］，这对研究区内的热液矿物的形成有着重要的影响［21］。

图1 四川盆地二叠系岩浆岩与茅口组白云岩分布及岩性柱状图Fig.1 Distribution map of Permian magmatic and dolomite rock of Maokou Formation and comprehensive stratigraphic column in Sichuan Basin

四川盆地二叠系中统包括栖霞组和茅口组。茅口组主体处于开阔台地沉积环境，主要分为4 段，总体厚度介于190～250 m，自下而上发育茅一段灰岩和泥质灰岩、茅二段灰岩夹白云岩和燧石层、 茅三段生物灰岩局部夹白云岩及茅四段泥晶灰岩。茅口组下伏栖霞组，与其呈整合接触；上覆龙潭组，与其呈不整合接触［9-10，21］。二叠系的白云岩非均质性极强，热液白云岩主要发育于川西南、川西北、川东局部地区［25］，白云岩横向分布极不稳定，其厚度最大可达112.0 m，但最薄处仅1.7 m［10］。

研究区位于四川盆地东部陡峭构造带的东南部，其中发育了多条NNE 走向的褶皱带。三维地震剖面显示了2 组走向分别为NW—SE 和NE—SW 的走滑和伸展基底断层［26］。茅口组晚期受峨眉山大火成岩省活动的影响， 川东南地区茅口组是由热带—亚热带稳定碳酸盐岩斜坡环境中形成的厚层碳酸盐岩地层组成［27］，发育少量的浅滩相沉积［9，28］。

2 岩相学特征

泰来地区茅三段整体为碳酸盐岩，夹有硅质条带，通过岩心（见图2，岩心均来自于二叠系中统茅口组三段）可以观察到层状或条带状的硅质与白云岩接触。

图2 四川盆地泰来地区茅三段裂缝充填物镜下典型特征Fig.2 Images showing typical characteristics of fracture fillings in the third Member of Maokou Formation in Tailai area,Sichuan Basin

该层段广泛发育裂缝，且被多种矿物充填（见图2a、图2b）；局部基质可见雾心亮边的细晶白云石（见图2c），但以泥晶白云石为主（见图2d、图2e）。 充填物以鞍形白云石和硅质（燧石和石英）为主，可见方解石及沥青。 薄片观察可见2 种裂缝充填模式：1）早期硅质，边缘表现为隐晶质，后期为沥青充填（见图2d）。2）裂缝内发育完全不同的2 类充填物， 表现为硅质和鞍形白云石的突变接触（见图2e）。 其中：常见鞍形白云石的波状消光，一般充填在裂缝内，晶体较大，尺寸可达2 mm（见图2f）；同时。 裂缝内可充填晚期的石英（见图2g）和少量的萤石（见图2h），且裂缝中心部分局部可见方解石。 鞍形白云石和方解石在阴极发光下显示不同颜色——鞍形白云石为深红色发光， 方解石为暗色发光（见图2i）。

3 地球化学特征

样品来源于TL7 井和TL601 井，利用微区（牙钻）取样，选取茅三段共17 块基质及充填物粉末样品（深度在TL7井的5 101.4～5 107.2 m 及TL601 井的5 515.7～5 542.5 m）进行地球化学特征分析。因储层中硅质质量分数较低，难以进行微区取样分析，因此选择与硅质伴生的基质和充填物为对象。 本次进行的微量元素、稀土元素、碳氧锶同位素分析在核工业北京地质研究所完成。

3.1 元素特征

3.1.1 微量元素特征

基质中的Ba，Mn 质量分数较低，分别为27.5×10-6～445.0×10-6（平均为158.28×10-6）和23.0×10-6～386.0×10-6（平均为114.51×10-6），而Fe，Sr 质量分数分布不均，部分样品质量分数较高，超过1 000×10-6，其中，Fe 平均质量分数为1 537.86×10-6，Sr 平均质量分数为592.29×10-6。 方解石中Ba，Fe，Sr 质量分数相差较大，Mn 质量分数集中于70.0×10-6～100.0×10-6； 鞍形白云石情况与方解石类似，仅Mn 质量分数相对较高，为106.0×10-6～268.0×10-6，平均为158.20×10-6（见表1）。

表1 四川盆地泰来地区二叠系储层主量、微量元素特征Table 1 Characteristics of major and trace elements of Permian reservoirs in Tailai area,Sichuan Basin

Sr 与Ba 的相关性在所有类型样品中均有体现（见图3a。其中：CC 为充填方解石，CD 为鞍形白云石，MC 为基质方解石，MD 为基质白云石。 下同），但Fe，Mn 的相关性仅体现在基质白云石中（见图3b）。Sr，Ba 等元素的缺失和Fe，Mn 元素的富集一般是在成岩作用过程中发生的［29］，因此选取w（Mn）/w（Sr）（元素质量分数比，简写为Mn/Sr，下同）对样品的成岩作用影响进行评估。统计表明，大部分样品的Mn/Sr 小于2，可用于分析矿物形成时的原始环境。 通常， 随着成岩作用的加深，Sr与Fe+Mn（元素质量分数之和）应该存在一定正相关关系， 但在大部分样品数据中很难观察到这种相关性（见图3c）， 说明大部分样品可代表矿物形成时的原始流体性质。类似结果也在后续同位素特征中有所体现。

图3 四川盆地泰来地区茅三段储层元素特征Fig.3 Elements characteristics in third Member of Maokou Formation in Tailai area,Sichuan Basin

3.1.2 稀土配分特征

一般而言， 在排除如陆源碎屑物质等非碳酸盐成分的污染之后，碳酸盐的稀土（REE）配分特征通常可以反映原始沉积环境［30］。 Y 元素具有与稀土元素相似的配分特征，因而利用REE+Y 配分模式，对样品的原始环境进行分析。

泰来地区无论是基质还是充填物，普遍存在Ce 的负异常（其PAAS 标准化值明显低于相邻的La 和Pr 元素，见图4），大部分样品存在Eu 的正异常（其PAAS标准化值明显高于相邻的Sm 和Gd 元素，见图4b）。 出现这种现象的原因可能是矿物沉淀时受2 种流体共同影响， 同期海水下行与热液流体上涌接触导致碳酸盐矿物发生沉淀。 基质方解石的形成主要是因为海水的沉淀，而热液上涌使地层温度上升，进而导致基质部分发生白云岩化， 因此局部鞍形白云石的REE+Y 配分模式显示出一定的Eu 的正异常。 这种认识与前人的解释相一致， 热液的来源可能与当时的峨眉山大火成岩省的活动有关，这在时间上也相匹配［9］。

图4 四川盆地泰来地区二叠系岩心样品稀土配分模式Fig.4 Partition modes of rare earth elements in Permian core samples in Tailai area,Sichuan Basin

（La/Sm）N与（Gd/Yb）N（下标N 代表PAAS 标准化（下同））的散点图（见图5，图版据文献［31］）显示，所有样品的标准化数据均处于1 附近或大于1， 表明稀土配分整体表现为平坦页岩型。 热液在白云岩形成过程中不仅仅提供了温度条件，同时也提供了流体［4］。 本研究利用稀土元素的散点图将研究区内的裂缝充填物与塔里木地区的热液白云岩［4］稀土元素成分进行对比分析， 发现2 个区域的碳酸盐矿物的稀土元素分布范围基本一致，因此二者的成因上应该具有一定的相似性（见图5），这与同位素数据的分析结果一致。

图5 泰来地区二叠系（La/Sm）N 与（Gd/Yb）N 交会图Fig.5 Crossplot of shale （La/Sm）N and （Gd/Yb）N of Permian reservoirs in Tailai area

凹指数（Concavity Index，CI），即稀土配分的凹陷程度，是一种检测原始流体来源的重要地球化学指标［31］：

式中：w（G d ）N，w（La ）N，w（Y b ）N分别为Gd，La，Yb 的PAAS 标准化质量分数。

由图6（图版据文献［32］）可知：与火山活动相关的氧化物在（Gd/Yb）N与（La/Gd）N的散点图下方聚集，平均CI 为2.1±0.4； 当原始物质来源于大火成岩省或变质岩省时，平均CI 为1.6±0.3；而来源于海洋的CI 一般小于1［31］。 此外，本研究的样品充填物的CI 一般处于1～2，部分小于1，且基质全部小于1，因此，所有证据均指示了充填物来源于大火成岩省相关的热液流体和海水。

图6 泰来地区二叠系（Gd/Yb）N 与（La/Gd）N 交会图Fig.6 Crossplot of shale （Gd/Yb）N and （La/Gd）N of Permian reservoirs in Tailai area

为进一步探究研究区热液流体和海水对充填物的具体贡献，利用Alexander 等［32］的曲线模型对稀土元素进行分析。结果显示，充填物想要获得类似的Eu/Sm 值仅需约0.1%～1.0%的热液流体就可达到， 但要获得类似的Sm/Yb 值则可能需要1.0%～5.0%，甚至更多的热液流体（见图7［33］）。 因此，热液流体对该时期裂缝充填的碳酸盐矿物的发育不仅提供温度，这也与塔里木奥陶系的硅质和热液白云岩沉淀的模式相似［4］。

图7 泰来地区二叠系稀土组分比率曲线与海水、热液流体曲线对比Fig.7 Comparison of rare earth elements composition ratio curve and fluid curve of seawater and hydrotherm of Permian reservoirs in Tailai area

3.2 同位素特征

3.2.1 锶同位素特征

锶同位素对于流体来源非常敏感， 二叠系全球海水锶同位素值（87Sr/86Sr）约为0.706 8～0.707 3［33］，峨眉山大火成岩省基底87Sr/86Sr 值约为0.703 5～0.706 5［34］。本次获得的充填物的87Sr/86Sr 值分布在0.707 492～0.708 473，基质的87Sr/86Sr 值为0.706 877～0.708 164。基质和充填物的87Sr/86Sr 值均与同期海水相似，因此初步断定其原始流体来源主要为同期海水。 但由于热液流体从下部向上运移过程中一般会受到碎屑物质的影响，导致87Sr/86Sr 值相应升高，这与获得的部分较低的87Sr/86Sr 值吻合；因此，研究区内的碳酸盐矿物的流体来源可能为混源，主要为同期海水，部分为热液流体。不过，这一认识还需得到其他地球化学数据的验证。

3.2.2 碳氧同位素特征

碳氧同位素（δ13C，δ18O）一般可表征后期成岩作用［29］。本次获得的鞍形白云石的δ13C 分布在3.0‰～4.6‰，δ18O 分布在-8.6‰～-4.9‰； 方解石的δ13C 分布在1.8‰～2.8‰，δ18O 为-7.8‰～-6.0‰； 基质的δ13C 为3.2‰～4.0‰，δ18O 为-6.9‰～-5.0‰。

如图8a 所示，基质和充填物的碳氧同位素均不存在相关性。 强烈的后期成岩作用会导致Fe，Mn 元素的富集和Sr 的亏损，从Mn/Sr 值与δ18O 的散点图（见图8b）可以观察到二者并未存在一定的相关性，因此认为， 本次所获得的基质样品应该未受到过强烈的后期成岩改造。

图8 泰来地区二叠系碳氧同位素及元素特征分布Fig.8 Carbon-oxygen isotope and element characteritics distribution of Permian reservoirs in Tailai area

一般而言，碳酸盐矿物经历过强烈的热液作用后，其氧同位素会严重偏负［10］；而所有样品的δ18O 的值未小于-10.0‰，即使鞍形白云石样品也未表现出类似趋势： 说明其来源极有可能包括氧同位素相对较高的海水来源，也说明了研究区内无论是基质还是充填物，其来源主要为海水。

4 成岩流体特征

四川盆地泰来地区茅三段裂缝中存在包括碳酸盐、硅质及沥青等大量充填物，研究区内主要有燧石和石英2 类硅质充填物（见图2）。 值得注意的是，硅质充填形成的根本原因与鞍形白云石的形成有着密切关系。由于硅质的溶解度随温度的增加而增加，当上涌的岩浆热液流体与向下运移的海水接触， 其温度迅速下降，伴随着物质的提供，此时对硅质和鞍形白云石等热液矿物的沉淀极为有利， 因此燧石在裂缝边缘迅速沉淀，随后鞍形白云石在中间空间较大的位置继续沉淀。从矿物之间切割关系及空间位置（见图2a，2b）看，燧石在较小裂缝或裂缝边缘首先沉淀，并伴随着鞍形白云石的发育（见图2e），而鞍形白云石和燧石沉淀过程中，岩浆热液流体提供温度的同时，也提供了约1%～5%的现代黑烟囱流体（热液流体）的等量物质（见图7）；最后残余的孔隙内充填沥青（见图2d）、石英（见图2g）、萤石（见图2h）和晚期方解石（见图2i）。

峨眉山岩浆活动最活跃时期， 侵入地层流体除白云岩化流体外，也存在硅质流体，在地层中发育大量的燧石条带或团块（见图2a，2b）。 燧石在裂缝边缘沉淀的同时， 海水中大量的Mg2+和岩浆热液流体提供的温度打破了白云石形成的动力学障碍，在裂缝内发育鞍形白云石。埋藏期，裂缝内仍残余的孔隙为晚期硅质的沉淀提供了空间，随着地层温度逐渐下降，热液流体中的硅质矿物快速沉淀期结束，逐渐发育晶形完整的石英。埋藏后期，此时流体无法持续提供Mg2+，从而开始沉淀较晚期的方解石，并伴随着其他矿物如萤石等沉淀。研究区热液矿物组合序列为燧石-鞍形白云石-石英（方解石、萤石）（见图2e，2g，2h），而鞍形白云石的元素和同位素特征均与基质相似（见表1），尤其是同位素特征（见图8a）。这说明基质白云石的形成与裂缝内充填的鞍形白云石成因一致，均为后期热液作用［9-10，21］。

5 储层演化过程

峨眉山大火成岩省是研究区发育富硅质碳酸盐岩储层的最重要事件， 热液流体为鞍形白云石和硅质充填物的发育提供了约1%～5%的现代黑烟囱流体的等量物质流体和能量。热液流体活动期间产生基底断裂，能够有效地改善储层的物性，提供大量的储集空间，是研究区储层最主要的建设性作用（见图9）。 但是由于地层岩性的差异， 在泥质含量较高的位置难以发育有效裂缝（见图2a）；同时热液流体中富含CO2，H2S 等酸性气体，容易与碳酸盐岩储层发生溶蚀作用，从而产生孔洞缝，为油气储集提供空间。 然而，在岩心和薄片中很难发现此类孔隙空间（见图2），前人对四川盆地中西部热液白云岩储层的研究也发现类似的储集空间，但其发育的主要原因是大气淡水溶蚀作用［21］；因此，热液的溶蚀作用对储层的建设性作用是十分微弱的。 白云岩化作用一定程度上可以改善储层的物性， 但白云石基质中并未发现较高的面孔率， 这与初始的相带有关，整体改善效果较弱，与川西等其他地区二叠系储层并不相同（见图9）。

图9 泰来地区二叠系硅质白云岩储层发育模式Fig.9 Development model of Permian siliceous dolomite reservoirs in the Tailai area

虽然热液活动制造裂缝有利于储层的发育， 但是后续硅质、 鞍形白云石等热液矿物的沉淀堵塞了部分裂缝。 研究区鞍形白云石、硅质充填十分常见，优先沉淀的硅质对储层原始物性和基底抬升产生的裂缝的破坏作用极强（见图2c，2d），且这部分充填物很难在后续的成岩过程中被溶解而作为有效孔隙， 同时鞍形白云石的沉淀也优先堵塞了裂缝的大部分孔隙。 热液矿物同时在白云岩的晶间孔和溶蚀孔内发生沉淀， 进一步破坏了储层的物性。

川东南茅口组储层主要发育在高能浅滩沉积环境内，原始物性好，纵向连续性强，早期白云化流体能够改善储集性能［9］。 后期热液活动对储层的改造主要是破坏性的， 热液矿物尤其是硅质充填构造裂缝及早期晶间孔、溶蚀孔洞；热液白云岩化作用能在一定程度上改善储层，但是难以形成连续性有效储层；热活动对储层的改善主要集中于产生大量水压力破碎裂缝：因此，针对研究区热液白云岩的勘探应着眼于高能滩相发育区， 以及易于产生破碎裂缝的泥质含量较少的纯碳酸盐岩发育区。

6 结论

1）四川盆地泰来地区茅口组白云岩为热液成因，地层中发育基质方解石和白云石， 裂缝内充填矿物组合为鞍形白云石-燧石-方解石-石英-萤石。基质δ13C 平均为3.6‰，δ18O 平均为-5.9‰，87Sr/86Sr 平均为0.707 455，稀土配分主要为海水模式；鞍形白云石的δ13C 平均为3.8‰，δ18O 平均为-6.0‰，87Sr/86Sr 平均为0.708 052，稀土配分主要为超基性流体模式；方解石的δ13C 平均为2.3‰，δ18O 平均为-6.9‰，87Sr/86Sr 平均为0.707 751，稀土配分主要为超基性流体模式。

2）通过将现代黑烟囱流体与海水的混合流体模式对比发现， 研究区富硅质碳酸盐岩中的热液矿物发育受到岩浆热液的影响， 为硅质和鞍形白云石的沉淀提供了约1%～5%的现代黑烟囱流体的等量物质，对REE+Y 的地球化学特征进行了重印，而不仅仅是通过岩浆作用加热盆地。

3）川东南地区的岩浆热液来源为峨眉山大火成岩省，活跃时期主要为距今259 Ma 左右，活跃时间约为1～2 Ma。大火成岩省活跃期间导致地层隆升，为裂缝的形成创造了条件， 但后期鞍形白云石和硅质沉淀对储层的改造主要是破坏性作用；因此，研究区针对热液储层的勘探方向主要为泥质含量较少而易于产生破碎裂缝的区域或高能滩相区。