川东北东部地区上二叠统长兴组白云岩成因分析

川东北东部地区上二叠统长兴组白云岩成因分析

四川盆地东部是近年来重点的油气勘探区之一（冉龙辉等，2002；王一刚等，2004）。由于普光大气田的发现，二重叠长兴群、三重叠飞仙关群三叠系碳酸盐岩的存在成为川东北天然气勘探的热点（陈洪德等，2009；朱忠发等，2009）。但是并非所有的礁滩都能成为很好的气藏,要形成优质储层则必须满足两个基本条件:①是礁滩相等高能沉积物;②是白云岩(黄思静等,2009)。因此,白云化作用是优质储层形成的关键。近年来许多学者围绕川东地区长兴组—飞仙关组碳酸盐岩的白云化机制进行了大量的研究,但是对白云化流体的来源及白云岩成因仍没有形成统一的认识,如混合水白云化(穆曙光等,1994;魏国齐等,2005),咸—淡混合水白云岩化、压实流体白云岩化和渗透回流作用白云化(李文平,1989),埋藏交代成因和潮坪蒸发白云化(雷卞军等,1994),混合水白云化和埋藏白云化(陈辉等,2008),埋藏白云化(强子同等,1992),混合水白云化和深埋藏溶解(王一刚等,2002),埋藏成岩过程中近同期海源流体的白云化(黄思静等,2006),以及与热化学硫酸盐还原过程有关的碳酸盐矿物溶解模式(朱光有等,2006;马永生,2007)等。由于不同地区白云岩储层发育层位不同,如普光地区长兴组和飞仙关组白云岩储层均发育,而元坝地区和兴隆场地区仅在长兴组发育白云岩储层,因此不同地区白云岩成因及白云化模式可能存在差异性。本文以兴隆场地区长兴组白云岩储层为研究对象,在明确白云岩宏观分布特征的基础上,结合长兴组白云岩C、O同位素值、87Sr/86Sr值、阴极发光、Fe、Mn微量元素、稀土元素等特征,重点探讨白云岩的白云化流体来源问题。1白云岩储层特征兴隆场气田位于重庆市梁平县,从沉积相上看,兴隆场气田位于开江-梁平陆棚西侧有利相带的东南端(图1)。前人对川东地区长兴组层序的划分做了大量研究,马永生等(2005)将川东地区长兴组划分为两个三级层序。本文基于前人的研究,综合地震、测井资料以及对层序界面的寻找,把兴隆场地区长兴组划分为两个三级层序,并建立了过兴隆3井—福石1井—兴隆101井—兴隆1井—兴隆2井连井层序地层格架剖面,并在等时格架内研究长兴组白云岩储层的展布特征(图2)。三级层序Sq1及Sq2均为岩性-岩相转换面,属于Ⅱ型层序界面,自然伽玛曲线表现为正向漂移的特征。本区在长兴组早期主要发育陆棚相、台地前缘斜坡相及台地边缘浅滩相,岩性以灰色—深灰色泥微晶灰岩、硅质灰岩为主;长兴组晚期主要发育陆棚相、台地前缘斜坡相、台地边缘礁滩相和开阔台地相,岩性主要为泥晶灰岩、硅质灰岩及溶孔细晶白云岩。长兴组白云岩储层主要分布在三级层序Sq2的高位体系域,并受沉积相控制明显:台地边缘礁、滩顶部等高能相带是白云岩发育的有利相带,且纵向上发育多层白云岩(图2)。平面上,白云岩主要围绕开江-梁平陆棚分布,主要呈薄层状分布在台地边缘,由兴隆场地区长二段白云岩厚度等值线图可以看出(图3),兴隆1井附近台缘礁滩相带的白云岩厚度大,厚度大于60m,并分别向兴隆101井、兴隆2井方向减薄。2白云石有序度u兴隆场地区长兴组白云岩主要为结晶(至少是粉晶级以上)白云岩,为成岩期埋藏交代成因,原始结构在白云化过程中遭到不同程度的破坏。按照白云石的晶形可以划分为他形白云石(图4a)、半自形白云石(图4b)和自形白云石(图4c)。白云石表面较脏,普遍发育有雾心亮边结构,储集空间以晶间孔、晶间溶孔为主(图4b、c、d、f)。X衍射分析白云石有序度并计算出相应Mg/Ca值(表1),发现他形晶白云石(XL1-6)有序度最低,半自形晶白云石(XL1-7)次之,自形晶白云石(XL1-10)有序度最高,但总体来看,储层白云石有序度均介于0.81～1.0之间,均值为0.92,接近于1,为近理想状态的有序白云石。通过铸体薄片的观察,发现在白云石晶间孔、晶间溶孔的孔壁发育有沥青斑点及薄膜(图4c),并且还发育典型的鞍状白云石(图4e)及与缝合线相关的自形白云石(图4f)。3长兴群白云岩的地球化学特征3.1微量元素含量分析采用电子探针对兴隆场地区长兴组储层白云石化学组成进行分析(表2),作为储层的结晶白云岩主体细晶白云石的CaO含量(质量百分数)介于29.92%～30.85%之间,均值30.51%,MgO含量介于21.07%～21.57%之间,均值21.28%(共4个测点)。运用电子探针技术对兴隆1井细晶白云石和粒内方解石进行微量元素含量分析(表2)。结果显示细晶白云石具有较高的Sr含量(由SrO含量换算)介于0.061%～0.082%之间,均值为0.072%,并且粒内方解石Sr含量高达0.96%。3.2兴20e-18o白云岩的13c对兴隆场地区的长兴组白云岩的C、O同位素进行了分析(表3),结果表明兴隆场地区长兴组白云岩的δ13C介于1‰～2.5‰之间,均值1.69‰,δ18O介于-6‰～-4‰之间,均值-5.49‰。3.3碳酸盐岩的比对Sr同位素是研究成岩流体极好的参数,被用来判断白云化流体的性质及来源(黄思静等,2006)。兴隆场地区长兴组不同岩石类型碳酸盐岩的87Sr/86Sr比值不同(表3)。所测白云岩样品87Sr/86Sr值介于0.707468～0.707507之间,均值0.707486;原始泥晶(生屑)灰岩87Sr/86Sr介于0.707108～0.707243之间,均值0.707176,略低于同期的白云岩。3.4出的文献回顾通过对不同环境的岩石的Fe、Mn含量的对比分析,可以用来判断白云岩化流体的性质及来源(黄思静等,2008)。对兴隆场碳酸盐岩Fe、Mn含量进行分析(表3),所有样品的Fe含量均较低(<2000×10-6),对海水具有较好代表性的泥晶灰岩、颗粒灰岩具有较低的Mn含量(<20×10-6),而长兴组白云岩相对于灰岩具有较高的Mn含量(69×10-6～90×10-6,均值79×10-6)。3.5nd/ybsn比对兴隆场地区长兴组白云岩的稀土元素(REE)进行分析,本区稀土元素总量介于1.2×10-6～1.8×10-6之间,均值1.5×10-6,含量较低。兴隆1井长兴组白云岩样品的(Nd/Yb)SN比值介于0.3516～0.4744之间,均值0.4031。测试结果经PAAS-PostArchaeanAustralianShale(后太古代澳大利亚页岩)的稀土元素含量标准化(McLennanetal.,1989)之后的配分模式显示,总体表现为微弱的Ce亏损(δCe=Ce/Ce﹡=CeSN/(0.5LaSN+0.5PrSN)在0.81292～0.90342之间,均值0.86596)和Eu的富集(图5),并且长兴组白云岩与同层位灰岩的稀土元素具有相似的配分曲线。4来源分析云化流前文已述及兴隆场地区长兴组白云岩的岩石学特征及地球化学特征,结合以上特征来探讨白云岩的白云化环境及白云化流体的来源。4.1白云场综合长兴组白云岩的岩石学特征及地球化学特征,本文认为兴隆场长兴组白云岩形成于浅埋藏环境下。4.1.1白云岩的化学计量特征通过薄片观察,长兴组白云岩为结晶白云岩,这类白云岩的白云石具有较高的有序度(0.81～1.0,均值0.92)和较高的Mg/Ca值(0.998～1.099)。电子探针对其化学组成的质量百分数进行分析,CaO含量(均值30.51%)和MgO含量(均值21.28%)与黄思静等(2010)分析的具化学计量组成的白云石的CaO含量(30.41%)、MgO含量(21.86%)非常接近,说明研究区长兴组白云岩形成于埋藏成岩环境中,由于成核作用和结晶速度较慢,形成近于理想的、化学计量的白云石(Folketal.,1975)。此外,长兴组发育的鞍状白云石(图4f),具有加利福尼亚州石炭系LostBurro组典型埋藏白云岩特征(Zenger,1983)。并且在白云岩的晶间孔、晶间溶孔的孔壁发育有沥青斑点及薄膜。综合分析,推断兴隆场地区长兴组白云岩形成于油气充注之前的浅埋藏环境。4.1.2白云岩的阴极光照特性电子探针分析细晶白云石Sr含量(0.061%～0.082%,均值0.072%)及粒内方解石Sr含量(0.96%)均较高,郑荣才等(2009)认为Sr含量大于0.3%为高异常值,这种Sr的富集代表了一种封闭的埋藏成岩环境。长兴组碳酸盐岩均具有较低的Fe含量(<2000×10-6),而白云岩具有较高Mn含量(69×10-6～90×10-6,均值76×10-6),明显高于灰岩Mn含量(<20×10-6)。不同的Fe、Mn含量区间对阴极发光性有着不同的控制机制(黄思静,1992)(图6),碳酸盐的阴极发光性与Mn含量的关系更为密切,Fe对碳酸盐矿物阴极发光的猝灭作用是有限的(黄思静等,2008)。海水中的Fe、Mn含量极低,因此,一般对海水具有较好代表性的泥-微晶灰岩不具备阴极发光性。兴隆1井颗粒灰岩由于具有极低的Mn含量(<20×10-6),从而不具有阴极发光性(图7a、b),而白云岩具有较强的阴极发光性(图7c、d),Mn2+在还原条件下进入到白云石晶格中(黄思静,2010),反映了白云岩形成于埋藏的还原环境中。兴隆场地区长兴组白云岩的δ13C(1‰～2.5‰)、δ18O(-6‰～-4‰)分布区间与全球典型的埋藏白云岩分布区间一致(图8)。根据Vasconcelos等(2005)提出的白云岩的δ18O值与其形成温度之间的经验关系式,计算白云岩形成的温度59～67℃(表3);据前人研究,川东地区上二叠统古地温梯度为3.5℃/100m(王一刚等,1998),取古地表温度为25℃,得出白云岩的成岩深度区间:900～1200m,属于浅埋藏环境。4.2张拉物的古盐度电子探针分析飞仙关组发育的与缝合线相关的白云石的化学组成(CaO含量均值30.94%,MgO含量均值20.76%)与长兴组储层白云石化学组成(CaO含量均值30.51%,MgO含量均值21.28%)相近,表明二者成因及白云化流体可能具有相似性,推断压实流体可能为长兴组白云岩白云化流体。长兴组白云岩的δ13C(1‰～2.5‰,均值1.69‰)、δ18O(-6‰～-4‰,均值-5.49‰)分布在Veizer等(1999)研究的同期全球古海水的δ13C(0～5.8‰,均值4.3‰)、δ18O(-7.5‰～-3.5‰,均值-4.5‰)变化范围之内。并且采用Keith等(1964)确定的长兴组白云化流体的古盐度指数Z全部大于120,均值为128(表3),反映了其成岩流体盐度较高,推断为同期的浓缩海水。长兴组白云岩87Sr/86Sr值(0.707468～0.707507),覆盖在了全球晚二叠世Sr同位素的变化范围(0.706892～0.707570)之内(图9),稍小于黄思静(1997)建立的川东北地区晚二叠世长兴组海水Sr同位素的变化范围(0.706620～0.707742),显示出晚二叠世海水Sr同位素的组成特征,表明长兴组白云岩白云化流体来源于晚二叠世囚禁的海源地层水。碳酸盐岩稀土元素特征是分析碳酸盐岩成因的重要证据之一。近年来,有学者尝试使用稀土元素来研究白云岩化流体来源(张学丰等,2008;胡忠贵等,2009)。前人研究表明,经PAAS均一化的海水稀土元素以LREE亏损,HREE富集、Ce亏损为主要特征(Zhangetal.,1996)。长兴组白云岩表现为微弱的Ce负异常(0.81292～0.90342,均值0.86596),(Nd/Yb)SN比值是判定轻、重稀土元素相对富集程度的参数(Nothdurftetal.,2004),(Nd/Yb)SN比值(0.3516～0.4744,均值0.4031)表明LREE相对亏损,HREE相对富集,这些特征与海水稀土元素特征一致。并且白云岩与同层位的灰岩具有相似的配分曲线(图5),前人的研究认为,在海相环境中沉积成岩的灰岩,较好地保存了原始海水的稀土元素配分型式(Kamberetal.,2001),因此白云岩与海水的稀土元素配分模式类似,这表明白云化流体具有海源流体的性质。5白云岩流体特征(1)兴隆场长兴组白云岩主要分布在碳酸盐岩台地边