塔里木盆地柯坪地区下寒武统吾松格尔组白云岩地球化学特征及其成因演化

南航宇，张天付，谢淑云，周 玥，况志伟，马佳怡

1 中国地质大学（武汉）地球科学学院；2 中国石油杭州地质研究院；3 中国石油集团碳酸盐岩储层重点实验室

0 前 言

白云岩储层是国内外油气勘探的重要的目标。据统计，全球约有60%以上的油气产自碳酸盐岩储层，其中一半产自白云岩储层［1］。目前，国内发现的五大海相油气田（塔河、靖边、普光、元坝、安岳）中的4个与白云岩储层密切相关。关于白云岩的成因问题依然受到学者们的广泛关注。白云岩成因的主要观点包括原生沉淀作用（准同生交代白云岩）及白云石化作用（次生交代白云岩），而白云石化作用被认为是形成白云岩的主要途径。通过前人的大量研究，白云石化作用又可分为渗透回流模式［2］、萨布哈模式、混合水模式［3］等早期白云石化作用，以及埋藏白云石化模式［4］、热液白云石化模式［5］等晚期白云石化作用。早期白云石化作用多与沉积环境以及沉积相带有关，晚期白云石化作用受控于碳酸盐岩的晚期成岩改造。

塔里木盆地寒武系盐下分布着大规模的白云岩地层，其上覆中寒武统巨厚膏盐层、下接玉儿吐斯组烃源岩，具有良好的源-储-盖配置关系，油气资源丰富，是塔里木盆地油气勘探的战略接替区。前期，中深1 井和中深5 井虽在盐下肖尔布拉克组获得油气突破，但受限于盐下储层埋深大、构造演化复杂等因素影响，盐下储层的成因及勘探前景尚存在争议。近年来，轮探1井［6］及柯探1井相继在吾松格尔组获得高产工业油气流，使得吾松格尔组有望成为寒武系盐下白云岩领域风险勘探的新层位。

前人曾对盆地重点区域的下寒武统整体开展了岩相古地理研究［7-8］；朱永进等［9］开展了吾松格尔组（紧邻中寒武统膏盐岩盖层）的岩相古地理研究，并预测了储层有利区带；张天付等［10］梳理了柯坪地区吾松格尔组的岩性组合及储集空间类型，并尝试讨论了沉积相演化以及储层成因。然而，目前对柯坪地区白云岩成因的探讨及认识仍然存在不足，基于此，本文拟通过柯坪地区露头剖面的吾松格尔组白云岩的岩石学分析，结合各类白云岩主量元素、微量元素、C/O/Sr 同位素组成等多种方法探讨白云岩成因及白云石化模式，以期为储层的形成机制及优质储层的预测提供依据。

1 地质背景

塔里木盆地发育在太古宇—元古宇的结晶基底和变质褶皱基底之上，是一个长期演化的大型叠合复合盆地［11］。柯坪地区位于塔里木盆地西北缘（图1），其东北部为库车坳陷，东部为阿瓦提坳陷，南部为麦盖提斜坡，包括柯坪凸起和温宿凸起两个单元，其主构造体系由北东走向展布的一系列冲断层和由冲断层控制的推覆体组成，同时受到塔里木盆地构造变动和天山褶皱系活动的影响［10,12］。这些推覆体构成了如今地貌上的山系，使得区内寒武系出露较为齐全，由下至上包括下寒武统玉尔吐斯组、肖尔布拉克组、吾松格尔组，中寒武统沙依里克组和阿瓦塔格组。沉积上，研究区从早寒武世玉尔吐斯期的深水陆棚演化至肖尔布拉克期的碳酸盐缓坡和吾松格尔期的局限台地（图1），沉积环境的水深有逐渐变浅的趋势。本文以柯坪地区夏特、苏盖特野外露头剖面为研究对象，样品取自下寒武统吾松格尔组。

图1 塔里木盆地柯坪地区吾松格尔组沉积期岩相古地理图（修改自文献［9］）Fig.1 Lithofacies palaeogeopraphic map of Wusonggeer Formation in Keping area,Tarim Basin(cited from reference［9］,modified)

2 样品和实验方法

实验样品取自柯坪地区夏特剖面和苏盖特剖面（剖面位置见图1）的吾松格尔组底部、中部和顶部的相同层位，共取7 块样品，其中夏特剖面取样3块，苏盖特剖面取样4块。在手标本样品基础上，通过薄片、阴极发光鉴定将样品分类命名，之后将样品粉碎成小碎块，挑选出未被风化溶蚀、未被方解石脉充填的新鲜碎块，以保证样品的可靠性；在室内利用玛瑙研钵将其研磨并过200 目筛后，用塑料样品袋包装，按照不同实验测试需求分别对样品进行测试分析。

全岩矿物组成分析在中国地质大学（武汉）材料与化学学院X 射线衍射仪（XRD）实验室完成，检测设备为德国Bruker AXS D8-Focus X 射线衍射仪。部分样品采用两酸（HNO3+HF）溶样罐溶样方法进行样品的化学预处理，然后利用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定方法对样品进行稀土元素及微量元素分析［13］。

碳、氧同位素测试在中国地质大学（武汉）地质过程与矿产资源国家重点实验室完成。应用纯磷酸法制备CO2，将所获得的CO2在气体稳定同位素比值质谱仪（MAT-253plus）上进行质谱分析，分析结果采用VPDB 标准，测试结果δ18O 标准偏差小于0.06‰，δ13C标准偏差小于0.03‰。

锶同位素组成分析测试由中国地质大学（武汉）生物地质与环境地质国家重点实验室多接收等离子体质谱仪（Nu PlasmaⅡ型MC-ICP-MS）完成。实验全流程空白本底值约为3×10-10g，Sr 987标样的测试精度为0.710 223±0.000 034（2σ,n=7），具体分析流程可参见文献［14］。

3 岩石学特征

柯坪地区吾松格尔组位于古隆起的构造高部位，沉积期气候干旱，受塔北古陆和塔南隆起的影响，整体为局限台地下的潮坪环境［10］。通过对柯坪地区2个野外露头剖面白云岩样品的分析，识别出吾松格尔组的主要岩性包括泥质泥粉晶白云岩、颗粒白云岩、晶粒白云岩、角砾化白云岩以及藻白云岩。

泥质泥粉晶白云岩 发育于夏特和苏盖特剖面吾松格尔组的下部和中上部，原始结构保存较好，镜下白云石多为粉晶级，晶间充填泥质，偶见石英碎屑，整体较致密，孔隙不发育，裂缝少量发育，部分被方解石完全充填（图2a）。

图2 塔里木盆地柯坪地区吾松格尔组白云岩样品显微照片Fig.2 Micrographs of dolomite samples of Wusonggeer Formation in Keping area,Tarim Basin

颗粒白云岩 发育于苏盖特剖面吾松格尔组中部，具有明显的颗粒幻影结构特征。以藻砂屑为主的颗粒受到后期白云石化作用，部分颗粒边缘比较模糊，颗粒中心仍保留早期泥质，镜下显示暗灰色，其粒径为100～500 μm不等，偶见溶孔被后期方解石充填，孔隙几乎不发育（图2b），反映沉积期动荡的水体环境。

晶粒白云岩 发育于苏盖特剖面吾松格尔组颗粒滩层的顶部。镜下可见原始结构基本消失，偶见模糊颗粒幻影，白云石晶体边缘不连续，以半自形为主，呈现镶嵌状结构；裂隙被后期结晶方解石充填，镶嵌紧密；发育粒间溶孔、晶间孔（图2c，2d）。

角砾化白云岩 发育于夏特剖面吾松格尔组顶部。镜下可见后期裂缝贯穿先期缝合线，裂缝被后期结晶方解石胶结，充填紧密（图2e）；阴极发光可见白云石基质为暗红褐色，后期形成的自形白云石（粒径约为50 μm）发暗红色光，晚期胶结方解石为亮橘黄色（图2f）。

藻白云岩 发育于夏特剖面吾松格尔组顶部，微观上以2 种结构组分为主：一种为暗色菌藻类凝块结构，主要由富菌藻的粉晶白云石组成，镜下为暗色凝块状；另一种为胶结物，主要由亮晶白云石组成，晶体比前者粗，可达细晶级（图2h）。

4 地球化学特征

4.1 微量元素

对研究区吾松格尔组白云岩的7件样品进行了微量元素测试。从表1 可以看出样品Sc 含量（平均值为1.22 μg/g）、Th含量（平均值为1.28 μg/g）、Hf含量（平均值为0.36 μg/g）、Zr 含量（平均值为13.96 μg/g）均远远低于上地壳中的含量（Sc:14.9 μg/g，Th:2.3 μg/g，Hf:5.8 μg/g，Zr:240 μg/g），表明研究区样品均未受到陆源沉积物显著影响。此外，成岩作用过程会影响岩石中的稀土元素含量，导致样品的(Ce/Ce*)SN与∑REE 显示良好相关性，而本研究的样品(Ce/Ce*)SN与∑REE 相关性较差（图3a，表2），表明样品未受到明显的成岩作用影响。

表1塔里木盆地柯坪地区吾松格尔组白云岩微量元素含量及特征参数Table 1 Contents and characteristic parameters of trace element of Wusonggeer Formation’s dolomite in Keping area,Tarim Basin

表2塔里木盆地柯坪地区吾松格尔组白云岩稀土元素含量及特征参数Table 2 Contents and characteristic parameters of REE of Wusonggeer Formation’s dolomite in Keping area,Tarim Basin

图3 塔里木盆地柯坪地区吾松格尔组白云岩海水标准化的(Pr/Pr*)SN-(Ce/Ce*)SN 和(Ce/Ce*)SN-∑REE交会图（据文献［15］修改）Fig.3 Crossplots of seawater normalized(Ce/Ce*)SN-(Pr/Pr*)SN and(Ce/Ce*)SN-∑REE of Wusonggeer Formation’s dolomite in Keping area,Tarim Basin(cited from reference［15］,modified)

U元素多倾向于在还原环境富集［16］，Th对氧化-还原环境不敏感，不受氧化-还原环境影响，由于Th和U在不同氧化-还原条件下表现出不同的特征，故U/Th 值可作为氧化-还原环境的判别指标［17］。一般认为高U/Th值（＞1.25）多指示缺氧环境，低U/Th值（＜0.75）多指示氧化环境。V 在海相氧化环境下以高价态（H2VO4-）形式存在，而在缺氧环境下被还原为低价态沉积下来［18］；Cr 在缺氧条件下被还原，易与腐殖酸结合形成复杂化合物或复杂结构吸附在铁锰氢氧化物表面［19］。通常将V/Cr 值用于判定古海洋沉积环境，认为V/Cr 值＜2 指示氧化的沉积环境，而2＜V/Cr 值＜4.5 指示次氧化沉积环境，V/Cr值＞4.5 指示缺氧沉积环境［20］。此外，V/(V+Ni)值也被用作判断氧化-还原条件的有效指标。由基于多种氧化-还原指标的沉积环境判别图（图4）可见，V/(V+Ni)值、V/Cr值均反映出研究区样品主要形成于氧化-次氧化环境中（图4a）；而U/Th出现少部分较高的值（图4b），推测是由于古老地层Th元素衰变以及热液活动影响导致的U元素含量增高，使得U/Th值增大。

图4 塔里木盆地柯坪地区吾松格尔组白云岩沉积环境判别图Fig.4 Sedimentary environment discrimination diagram of Wusongger Formation’s dolomite in Keping area,Tarim Basin

Sr 元素在干旱气候下会随着盐类析出从而导致岩石中的Sr含量高值，而Ba的化合物溶解度比Sr低，在淡水环境向海相过渡的过程中，Sr/Ba 值增大的趋势较为明显，故可利用Sr/Ba值来反映古盐度变化趋势。一般认为Sr/Ba值＞1为海相沉积，而Sr/Ba值＜1 则反映陆相沉积［21］。研究区样品的Sr/Ba 值大部分大于1，平均值为5.64（表1），表明研究区白云岩沉积时的蒸发作用强，成岩流体来自于较为咸化的海水。Sr/Cu值通常用来指示沉积期气候特征，研究认为Sr/Cu 值＞5 指示干旱气候［21］。研究区样品的Sr/Cu 值均远大于5（表1），表明研究区在白云岩沉积期处于干旱气候条件。

4.2 稀土元素

稀土元素特征常被用于示踪白云岩的物质来源和形成过程［22-23］。这是因为自然界中绝大部分流体的稀土元素含量远未达到能改变原岩稀土元素含量特征的程度，而白云石化作用后的其他成岩作用对白云岩稀土元素组成及其地球化学特征的影响被认为比较小［24］，因此，可用白云岩的稀土元素组成来反演原始成岩流体的性质。近些年来，利用稀土元素配分特征来研究白云石化流体来源和白云岩成因均取得了重要进展［15,25］。

本文采用Kawabe 等［26］发表的海水REE 组成对数据进行标准化处理（图5）。结果表明：样品∑REE变化范围为5.51～89.10 μg/g，平均为27.32 μg/g，含量均较低（表2），总体处于海相碳酸盐岩∑REE值变化范围内（海相碳酸盐岩∑REE 值一般低于100 μg/g）［27］。其中，吾松格尔组角砾化白云岩（XT-2 样品）低水平的∑REE 应该是准同生期大气淡水溶蚀作用所致。

图5 塔里木盆地柯坪地区吾松格尔组白云岩海水标准化REE配分特征Fig.5 Seawater standardized REE distribution characteristics of Wusonggeer Formation’s dolomite in Keping area,Tarim Basin

样品轻稀土（LREE）总含量范围为5.12～80.41 μg/g，平均值为24.46 μg/g；重稀土(HREE)总含量为0.40～8.69 μg/g，平均值为2.86 μg/g，∑LREE/∑HREE值为6.87～12.89，平均值为9.22。此外，(Nd/Yb）N值被用于判定轻、重稀土元素相对富集程度［28］，各样品(Nd/Yb）N值在3.52～5.61 之间（表2），平均值为5.01，高于海水的(Nd/Yb）N值，表明研究区白云岩轻稀土元素明显富集，而重稀土元素相对亏损，轻、重稀土分馏明显。

研究区各类白云岩样品均具有不同程度的Ce正异常。由于海水中Ce含量相对较低，故经海水标准化后的稀土元素配分模式通常显示正Ce 异常。利用Webb 等［29］提出的方法，做出(Pr/Pr*)SN-(Ce/Ce*)SN交会图（图3b）。从图中可看出，样品具有明显Ce正异常，此结果与前人研究结果相一致［30］。

胡文瑄等［25］总结了白云岩储层形成演化过程中不同流体作用的稀土判别模式，认为成岩流体为海水来源并经海水标准化后的白云岩的稀土元素特征表现为全岩∑REE 低（一般小于20 μg/g），具有一定程度的Ce 正异常，轻稀土稍富集、重稀土配分曲线低且平坦的特征。本次研究的各白云岩样品经海水标准化后呈现不同程度的正Ce 异常（图5），轻稀土稍富集，重稀土曲线较平坦的右倾型配分模式，表明本次研究的样品经历了较为相似的成岩过程且成岩流体主要来源于海水。

4.3 碳、氧稳定同位素

碳酸盐岩对不同的成岩作用反应敏感，目前已经开发出多种判别不同成岩环境、不同成岩作用的分析方法，而稳定碳、氧同位素分析方法是近年来不断被推广的一种有效方法，能有效指示海平面变化、反映不同成岩环境的流体和成岩作用特征［25］。大气淡水成岩环境的稳定碳、氧同位素组分普遍偏轻，遵循大气淡水线，即δ13C 值变化范围大（从高负值到低正值），而δ18O值几乎不变（一般为高负值）。

由于寒武系碳酸盐岩年代古老，易受到长期复杂的成岩蚀变作用的影响而改变原始的沉积信息，故此需要对成岩蚀变影响进行评价。研究认为，沉积碳酸盐岩的δ18O 值＞-11‰表示岩石的δ18O 值基本没有受到成岩作用的影响［33-34］。本文对白云岩样品进行碳、氧同位素分析，结果显示吾松格尔组白云岩δ13C 值为-3.14‰、-1.25‰、-0.73‰，δ18O 值分别为-6.19‰、-9.52‰、-10.45‰，即样品基本能反映原始的沉积信息，且显示出δ13C 低负值，δ18O 高负值的特征，此特征与前人研究的结果一致［10,30］。依前文所述，成岩阶段受到大气淡水影响（大气淡水成因的白云岩或受到大气淡水成岩改造）的白云岩普遍具有此特征。通过将本次研究测试样品所得的δ13C 值、δ18O 值投图至陈梅等［35］研究所得的碳、氧稳定同位素特征与成岩关系图上（图6），可以看到本次研究样品的δ13C值、δ18O值的正交投点位置基本都在第3象限处，各样品碳、氧同位素组成具有相似的特点，反映明显受到大气淡水溶蚀作用的影响。

图6 塔里木盆地柯坪地区吾松格尔组白云岩的C、O同位素特征与成岩环境（前人数据引自文献［30］，图版据文献［35］）Fig.6 C-O isotope characteristics and diagenetic environment of Wusonggeer Formation’s dolomite in Keping area,Tarim Basin(cited from reference［30，35］,modified)

Keith 等［36］通过对海水和淡水碳酸盐岩进行大量的碳、氧同位素测试，统计得到利用碳、氧同位素组成计算盐度的经验公式：Z= 2.048 (δ13C + 50) +0.498 (δ18O + 50 )，δ13C、δ18O 均为VPDB 标准。依据该公式，已知碳、氧稳定同位素组成值，就可计算出岩石沉积时的盐度Z值。当Z值大于120 时，岩石为海相成因；当Z值小于120 时，岩石为陆相成因（淡水、湖水）。本次研究所用样品的Z值平均为119.5，反映出样品形成于典型正常海水，只有一个样品小于120，推测在成岩过程有淡水淋滤影响。

4.4 锶同位素

锶同位素是研究碳酸盐岩成岩作用的重要手段之一。锶在海水中的滞留时间( 约1 Ma )远大于海水的混合时间(约1 ka)，通常认为在任意给定的地质时代，全球范围内海水锶同位素的组成是均一的［37］。由于Sr 同位素在海水中具有长期特殊的变化规律，其分馏不受温度、压力和微生物作用的影响，故通常借助于白云岩的Sr 同位素组成特征反演白云石化流体的性质及来源。通常认为白云石化流体的87Sr/86Sr 值主要受海水来源Sr、壳源Sr（主要来自大陆古老岩石风化）以及幔源Sr（主要来自洋中脊热液系统）的影响［38］。研究发现，在白云石化作用过程中Sr 含量会逐渐降低，而87Sr/86Sr 值会升高。当Sr 含量数量级为100 μg/g 时，由流体性质导致的87Sr/86Sr 值变化数量级通常在10-3甚至更高［39］。本次研究所选白云岩样品的Sr 含量范围为54.2～313.6 μg/g，平均值为144.2 μg/g，处于正常白云岩的范围之内；大部分样品的87Sr/86Sr值处于早寒武世海水87Sr/86Sr 值范围内（0.708 8～0.709 2）［40］，但个别样品高于此范围，显示出受壳源Sr影响的特征（图7）。这表明样品的白云石化流体基本为海水，但具有明显受到大气淡水淋滤影响的特征。

图7 塔里木盆地柯坪地区吾松格尔组白云岩Sr同位素组成Fig.7 The Sr isotope composition of Wusonggeer Formation’s dolomite in Keping area,Tarim Basin

5 白云石化模式

早寒武世吾松格尔期，塔里木盆地西部台地主要为混积弱镶边碳酸盐台地［41］，局部地区表现出碳酸盐缓坡的特点，可划分出混积潮坪、局限—半局限台地、潟湖、台地边缘、斜坡、海盆及缓坡等7大沉积相、16类亚相及若干微相类型［9］。同期，柯坪地区以潮坪相沉积为主，台地边缘、颗粒滩带及潮坪相薄层台内滩构成了吾松格尔组储层发育的重要物质基础［10,42］。

吾松格尔组沉积期受到陆源碎屑物质输入影响，在干旱的气候环境下，海水不断蒸发而逐渐趋于咸化。随着膏盐含量的升高，微生物对岩性的影响愈加显著，形成以泥质泥粉晶白云岩、藻白云岩为主的岩性特征，基本保存了原岩结构特征。二者相对较高的Sr/Cu 值（分别为72.22、15.80）也表明岩石形成于干旱蒸发环境；较低的U/Th 值（分别为1.17、2.90）及高于同期海水的Sr 同位素组成（分别为0.709 34、0.709 25）均表明二者主要为萨布哈和微生物白云石化模式下的沉积产物。频繁的海进/海退、不同程度的准同生大气淡水淋滤溶蚀（去膏化作用、溶蚀作用、滑塌作用）及短距离搬运堆积促进了白云岩有效孔隙的发育；原生沉积特征被不断破坏，晶间孔、粒间溶孔发育，形成以晶粒白云岩、角砾化白云岩、颗粒白云岩为主的岩性特征（图8）；这3 类岩性较低的∑REE 值（分别为11.13 μg/g、5.51 μg/g、42.58 μg/g）及角砾化白云岩的低Z值（119）均显示出明显受大气淡水淋滤影响的特征。在相对高能的环境下发育颗粒白云岩及角砾化白云岩，因其孔隙发育，更有利于高盐度海水向下渗流，导致渗透回流白云石化作用的发生。

图8 塔里木盆地柯坪地区吾松格尔组白云石化模式图(修改自文献［10］)Fig.8 Dolomitization pattern of Wusonggeer Formation in Keping area,Tarim Basin(cited from reference［10］,modified)

晚期沉积阶段环境封闭，海水持续咸化，膏盐发育；埋藏阶段发生压溶作用，发育缝合线，其与裂缝相互切割，是储集空间的重要补充，同时提高了储层的渗透率。

综上所述，认为研究区吾松格尔组白云岩主要形成于准同生-浅埋藏沉积阶段，为潟湖—潮坪沉积背景下萨布哈模式、微生物白云石化模式、渗透回流白云石化模式共同作用的产物。

6 结论

（1）塔里木盆地柯坪地区早寒武世吾松格尔组沉积期受到微弱的陆源碎屑影响，白云岩样品的V/(V+Ni)值绝大多数小于0.6、U/Th 值总体小于1.25、V/Cr 值均小于4.5，绝大部分样品Sr/Ba 值大于1、Sr/Cu值大于5，指示样品形成于气候干旱炎热、海水咸化且氧化的沉积环境。

（2）各类白云岩的稀土元素总含量较低，总体处于海相碳酸盐岩的∑REE 值变化范围内，显示出受到大气淡水淋滤的影响；稀土元素配分曲线显示轻稀土元素稍富集、重稀土元素较平坦的右倾配分特征，Sr 同位素组成总体处于同时期海水范围，个别高于此范围显示出受壳源Sr 影响的特征，据此认为白云石化流体主要来源于海水；稳定碳、氧同位素组成显示明显的δ13C 低负值、δ18O 高负值的特征，反映沉积阶段受到大气淡水淋滤影响；盐度指数（Z值）指示样品形成于盐度较大的流体。综合分析认为白云石化流体为蒸发成因的高盐度海水。

（3）潮坪相高能环境以及准同生大气淡水溶蚀为研究区吾松格尔组提供了优质储层发育的基础，其白云石化模式与蒸发浓缩高盐度海水有关，随着后期埋藏深度的增加，深埋藏环境下次生溶蚀孔隙的发育是优质储层形成和保持的关键。