塔河地区奥陶系碳酸盐岩储层深部热液特征分析

李 辉，李国蓉，罗 韵，符 浩，高鱼伟，朱永源，张 文

（1.成都理工大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610059； 2.四川省核工业地质局 二八二大队，四川 德阳 618000； 3.中国石油华北油田公司 第二采油厂，河北 霸州 065700）

0 引言

随着许多沉积盆地热液流体作用的发现，沉积盆地的热液流体地质作用已成为沉积盆地研究和油气地质研究的热点.加拿大Parkland油田泥盆系发现热液成因硅质岩储层[1]，加拿大西部泥盆系和美国东北部纽约奥陶系发现典型热液白云岩储层[2－3]，在塔里木盆地也发现与热液地质作用有关的白云岩储层[4－8]，热液流体对储层的形成有重要贡献.

塔河地区也成为人们研究热液流体的热点区域，蔡春芳、李开开等[9－10]认为成岩流体具有高温、富含87Sr，并且携带热化学硫酸盐还原作用产物（H2S和CO2）的酸性流体的特征，可能是以大气淡水为主的地层水，也可能为深部热液流体；刘显凤等[11]研究发现该区少量样品具有反映热液作用特征的Eu正异常；朱东亚、蔺军、何治亮、孟祥豪等[12－15]认为深部热液流体主要沿断裂和不整合面活动，热液溶蚀形成的孔洞缝可构成奥陶系主要的有效储集空间，其活动受火山岩浆作用和深大断裂展布控制；李忠等[16]提出奥陶系碳酸盐岩构造—流体作用与储层形成模式.目前对于该地区热液流体的研究尚处于初级阶段，深部热液流体活动的识别标志与特征尚未做统一规定，特别是对中、上奥陶统灰岩研究明显缺乏.

根据岩石学与矿物学特征，笔者研究塔河地区奥陶系深部热液流体活动的识别标志，并根据地球化学特征分析热流体的性质与来源，以及热液溶蚀作用对该地区碳酸盐岩储层的影响，为丰富和完善热液地质作用的理论及其他类似地区的研究提供指导.

1 样品实验

塔河油田位于塔里木盆地北部（见图1（a））.文中主要研究塔河地区中、上奥陶统灰岩热流体特征，观察研究区60余口井的岩心，并磨制普通薄片进一步观察鉴定，挑选热流体作用具有代表性的AT5、S119－3、T749、S110、S101等井（见图1（b））的奥陶系样品，进行地球化学分析.测试样品：碳、氧稳定同位素、稀土微量元素、锶同位素，测定阴极发光及流体包裹体均一温度和盐度.主要样品：裂缝方解石（部分含热液矿物）、溶蚀孔洞方解石（部分含热液矿物）、不规则缝洞方解石（部分含热液矿物）和较大型洞穴巨晶方解石，并采集无热液改造影响的围岩样品分析作为参考.

图1 塔河油田位置与取样井点分布Fig.1 The map of location of Tahe oilfield and the sample wells distribution

碳、氧稳定同位素由中国石油西南油气田分公司勘探开发研究院MAT252质谱仪测定；稀土微量元素由北京核工业部地质研究所，利用德国Finnigan－MAT公司生产的EL－EMENTⅠ（离子体质谱仪）测定；锶同位素由成都理工大学测试中心MAT261同位素质谱仪测定，该质谱仪对美国国家标准局标准样品NBS987的测定误差小于0.02‰；流体包裹体均一温度由成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，利用英国Linkam科仪公司的THMSG600冷热台测定.

2 岩石学和矿物学特征

深部热液流体不仅具有较高的温度，还富含大量化学活动性强的物质组分，如CO2、H2S和SO2等[17]酸性气体，在沿裂缝上涌活动过程中，随着温度、压力条件的改变，进入奥陶系碳酸盐岩地层后与围岩发生显著水—岩反应，从而改变围岩的颜色、结构、构造，乃至化学成分[18]；同时，在适当的条件下沉淀特殊的热液矿物，它为深部热液流体活动留下丰富的岩石学和矿物学证据（见图2）.

2.1 岩石学特征

在沿断裂、裂缝运动过程中，深部热液流体与围岩发生物理化学反应，可见典型的热液现象，如热褪色和不规则热液破裂缝现象，其特征与裂缝的距离越近反映越明显.

（1）热褪色.主要沿裂缝两侧发育，规模一般不大，为0.5～2.0cm，表现为海西晚期裂缝中热液成因粒状亮晶方解石充填，缝壁泥灰岩围岩发生褪色现象，由紫红色褪色为灰绿色.此外，局部还有灰绿色褪色斑块（见图2（a）、（b））.

（2）不规则热液破裂缝[19].相对围岩“高温高压”的热液流体的侵入，导致原岩温压条件突变，使岩石颗粒体积膨胀或沸腾出现爆裂现象而产生热液破裂缝，角砾岩有多条不规则的网状裂隙；这些裂隙使灰岩角砾破碎成许多小块，裂隙不具有方向性和连续性（见图2（c））.

2.2 矿物学特征

塔河地区发现与热液流体作用有关的热液矿物，如萤石、鞍形白云石、重晶石、石英、硬石膏、黄铁矿等，常见萤石—石英、重晶石—硬石膏等矿物组合.

（1）萤石.主要充填高角度构造风化裂缝、断层，在硅化硅质岩中可见萤石交代；多以微晶或粉晶形式产出，萤石形态多为半自形—他形晶体，显微镜下无色透明，低突起，完全解理，正交光下全消光（见图2（d）、（e）），伴生矿物有石英、重晶石、黄铁矿等.赵霞、朱东亚等[20－21]认为萤石的形成主要与岩浆期后热液作用有关.

图2 热流体作用的岩石学和矿物学特征Fig.2 The characteristic of petrology and mineralogy of hydrothermal fluid activity

（2）鞍形白云石.主要见于溶蚀孔洞和裂缝，是热液背景的重要指示物；白云石晶体呈粉晶—细晶，晶形较好，晶体集合通常显示晶面弯曲的特征，正交光下波状消光特征明显或具弱波状消光（见图2（f））；阴极发光下测试不发光，可见黄铁矿与溶蚀孔洞内鞍形白云石伴生.

（3）石英.主要见于自生石英，在硅质岩中常见，一些鲕粒灰岩的溶蚀孔洞中自生石英生长，可见自生石英与萤石相伴生（见图2（g））.

（4）重晶石.重晶石是判别热水沉积成因的特征矿物，呈板状、两组相交的解理，晶面完整，结晶程度高，多为自形晶，多表现为构造裂缝内重晶石沉淀或交代，可与硬石膏及热液成因硅化硅质岩伴生（见图2（h））.

3 地球化学特征

3.1 微量元素

塔河地区热液成因缝洞方解石微量元素组成见表1.由表1可以看出，微晶灰岩具有较低质量分数的Ba和Mn及很低的w（Mn）／w（Sr）值，揭示微晶灰岩没有经过后期成岩作用的蚀变，对海水的保存性很好[22]；受热液流体改造的缝洞方解石富含Ba、Mn，较微晶灰岩高十几倍甚至几十倍，Mn质量分数的增加主要受热液流体影响[23－24]，且具有较高的w（Mn）／w（Sr）值，说明受热液流体改造的方解石经历较强的成岩作用的蚀变，揭示地壳深部热液流体富含Ba、Mn元素，热液流体与岩浆活动密切相关.

表1 塔河地区奥陶系热液成因缝洞方解石微量元素组成Table 1 Trace element composition of ordovician hydrothermal calcites filled in fissure－cave in Tahe area

3.2 稀土元素

稀土元素测试结果见图3.由图3可以看出，热液成因方解石样品的配分曲线总体较平缓，大多表现轻稀土富集，显示明显的正Eu异常，与曾志刚等[25]、蒋少涌等[26]揭示的大西洋中脊26.08°N的TAG热液区，以及与曹振华等[27]揭示的印度洋中脊区热液成因矿物的稀土元素组成具有相似性，表明塔河地区奥陶系受深部高温热液流体的影响，与拉张背景及其玄武岩喷发活动有关[28].

图3 塔河地区奥陶系热液成因缝洞方解石的REE配分模式Fig.3 REE distribution pattern of Ordovician hydrothermal calcites filled in fissure－cave in Tahe area

3.3 阴极发光

为了分析深部热液流体对碳酸盐岩的影响，选取有海西晚期热液流体改造的缝洞方解石和围岩，与其他期次未经深部热液流体影响的裂缝方解石进行阴极发光测试分析（见图4）.由图4可以看出，其他期次裂缝方解石发光颜色较暗（见图4（a）），海西晚期热液成因裂缝方解石发光较强，发亮桔红色光（见图4（b）），受海西晚期热液改造的缝洞方解石部位也往往发较强的亮桔红色光（见图4（c）），海西晚期热液褪色改造的泥灰岩部位也发亮桔红色光（见图4（d））.

碳酸盐矿物的阴极发光与其矿物中w（Mn）及w（Fe）／w（Mn）值有关[29－30]，揭示由地下深处来源的热液中，Mn2＋较高，并致方解石晶格中w（Fe）／w（Mn）值较低，阴极发光较强，这与金之钧等[18]采用电子探针分析揭示的受热液流体影响的方解石具有较高Mn质量分数的结论一致，进一步证实深部热液流体富含Mn.

图4 塔河地区奥陶系阴极发光颜色Fig.4 The comparison of Ordovician luminescence colors in Tahe area

3.4 碳、氧同位素

分析塔河地区内奥陶系缝洞方解石C、O稳定同位素（48个），其中有8个未受热液改造缝洞方解石和2个微晶灰岩围岩（见图5）.由图5可以看出：

（1）按氧同位素的不同将热液改造方解石分为Ⅰ型热液改造方解石和Ⅱ型热液改造方解石，Ⅰ型热液改造方解石与未受热液改造方解石、围岩的δ13C值相似，揭示δ13C变化不是很明显；Ⅱ型热液改造方解石较围岩、未受热液改造方解石的δ13C稍低，岩浆热液来源流体的C元素部分随挥发分流失，使Ⅱ型热液改造方解石δ13C值较围岩的偏低.

（2）碳酸盐矿δ18O值变化主要受介质性质和温度的控制，热液缝洞方解石的δ18O值较低，小于－10‰，揭示的不是大气水加入的作用，而是热液温度升高增强热力分馏作用，导致热液方解石的δ18O值更低；Ⅱ型热液改造方解石的δ18O值低于Ⅰ型热液改造方解石的，原因是受温度影响，热液改造的程度不同.

图5 塔河地区奥陶系各类方解石的碳、氧稳定同位素分布特征Fig.5 The distribution feature of carbon and oxygen stable isotopic of Ordovician different calcites in Tahe area

3.5 Sr同位素

Sr同位素测试分析发现，研究区87Sr／86Sr值范围较宽，介于0.707 521～0.714 133（样品n＝12），除个别样品外，大多数样品的87Sr／86Sr同位素比值较高，均高于碳酸盐岩围岩与同期海水的（87Sr／86Sr≈0.708 000），平均为0.710 668（见表2），显示具有外来的、富含87Sr的流体的贡献；结合3.1具有较高质量分数的Ba、Mn元素，Eu异常等特征，表明该流体来自深部的热液流体，与塔里木盆地在二叠纪发生的火山活动密切相关.该流体中Sr元素质量分数受幔源Sr（87Sr／86Sr≈0.704 000）的控制，流经基底前寒武碎屑岩，碎屑岩提供丰富的Sr元素，致使充填的缝洞方解石具有较高的87Sr／86Sr值；流体所携带的物质成分、围岩、构造背景及深度等因素形成方解石的Sr质量分数具有明显的差异.

表2 塔河地区奥陶系热液成因缝洞方解石的Sr元素组成Table 2 Sr elements characteristics of Ordovician hydrothermal calcites filled in fissure－cave in Tahe area

3.6 流体包裹体

观察研究区热液成因方解石样品（裂缝充填、溶蚀孔洞充填、大型缝洞充填、巨晶方解石）的盐水包裹体，选择形态规则的包裹体，测定均一温度和盐度，均一温度分布范围较宽（见图6），主要集中于130～190℃，平均为161℃，表明方解石形成时的流体温度明显高于奥陶系所经历的最高温度10℃以上，原因是受深部热液流体的影响.此外，出现3个主峰值的正态温度分布模式，3个主峰值和变化区间分别为140℃（130～150℃）、160℃（150～170℃）、180℃（170～190℃），揭示热液成因方解石经历至少有同期次的3期热液流体活动.李纯泉、张金川等[31－32]研究认为塔河地区奥陶系经历5期热流体活动，也证实塔河地区奥陶系深部热液流体具有多期次活动的特点；有少数包裹体均一温度较低，可能是后期晶体微裂缝中形成的次生包裹体.马红强等[33]认为塔河地区奥陶系碳酸盐岩存在岩浆期后的热液作用，萤石中盐水包裹体均一温度分布在208.5～218.5℃之间，平均为213.6℃，也证实该地区存在高温流体的影响.

此外，挑选5个热液成因方解石中盐水包裹体进行盐度测试（见表3）.由表3看出，热液成因方解石包裹体盐度依次为18.9%、19.3%、18.7%、20.6%、21.4%，包裹体平均盐度为19.7%，由于奥陶系海水的平均盐度约为5.5%，热液方解石中包裹体的盐度是同时期海水盐度的3.5倍左右，说明热液成因方解石是在高盐度条件下形成的，揭示深部热液流体具有高盐度特征.

图6 塔河地区奥陶系热液成因的缝孔洞方解石盐水包裹体均一温度分布Fig.6 The homogeneous temperature distribution of Ordovician hydrothermal calcites filled in fissure－cave salt－water inclusion in Tahe area

表3 塔河地区奥陶系热液成因方解石盐水包裹体盐度测试结果Table 3 The salinity chart of Ordovician hydrothermal calcites salt－water inclusion in Tahe area

4 热液溶蚀对储层的影响

深部热液流体富含CO2、H2S、S，以及少量的 CO、H2、HCl、NH3、NH4Cl、HF等酸性流体[34]，在沿裂缝上涌活动过程中，流体对奥陶系碳酸盐岩进行各种改造作用，最具典型的是热液溶蚀作用，热液溶蚀是塔河地区奥陶系碳酸盐岩次生孔隙发育的一个重要因素.

观察岩心和薄片，热液溶蚀现象在塔河地区奥陶系中较为多见，且主要表现为5种形式：

（1）沿构造裂缝或沿切割缝合线的构造裂缝方解石受热液溶蚀，形成溶蚀孔洞或串珠状孔洞（见图7（a）、（b））；

（2）热液成因白云石斑块内部受溶蚀形成溶蚀孔洞（见图7（c））；

（3）热液成因硅化硅质岩中残余灰岩受溶蚀作用改造形成溶蚀孔洞（见图7（d））；

（4）沿早期不规则缝洞方解石受溶蚀形成溶蚀孔洞（见图7（e））；

（5）滩相颗粒灰岩粒间受溶蚀形成粒间溶孔或粒间溶蚀孔洞（见图7（f））.这些溶蚀孔隙或溶蚀孔洞内部可见少量粒状干净方解石生长，未充填的剩余空间或见原油进入，它们是有效储集空间的重要标志，热液溶蚀孔洞可构成研究区重要的储渗空间.

图7 塔河地区深部热液流体作用下碳酸盐岩的溶蚀作用Fig.7 Dissolution of carbonates by deep hydrothermal fluid in Tahe area

5 结论

（1）塔河地区奥陶系碳酸盐岩具有异常明显的热液流体活动，明确塔河地区深部热流体作用的识别标志，典型的岩石热褪色、不规则热液破裂缝、热液矿物和热液矿物组合的发育，如萤石、鞍形白云石、重晶石、石英、硬石膏、黄铁矿等，常见萤石—石英、重晶石—硬石膏等矿物组合.

（2）塔河地区热液活动异常，热液流体具有高温、高盐度、酸性的特点，富含87Sr、Ba、Mn等元素.

（3）流体包裹体均一温度主要集中在130～190℃之间，出现3个主要峰值，分别为140、160、180℃，塔河地区奥陶系深部热液流体具有多期次活动的特点，该流体来源于地壳深部，与二叠纪岩浆活动密切相关.

（4）热液流体对塔河地区碳酸盐岩储层具有一定的改造作用.该地区主要发育沿缝串珠状溶蚀孔洞、白云石斑块内部溶蚀孔洞、硅化硅质岩内部溶蚀孔洞、早期缝洞方解石溶孔及颗粒灰岩粒间溶孔的热液溶蚀次生孔隙，对奥陶系储层的形成具有重要贡献.

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