川东北下三叠统飞仙关组白云岩岩石结构和sr同位素组成

川东北下三叠统飞仙关组白云岩岩石结构和sr同位素组成

包括普光气田在内的四川东北三叠系飞仙关组海相优质碳酸盐岩储层主要分布在颗粒白云岩和结晶白云岩中。储层的发育主要受沉积环境的影响，多个储层的白云石化和溶蚀的影响。在前人的研究成果中,都将该地区飞仙关组储层的成因归结为白云化作用的结果,并提出众多白云化成因模式(马永生等,2005a、b;蔡勋育等,2005;陈更生等,2005;穆曙光和周茂,1994;王身建等,2004;赵文智等,2006;Zhaoetal.,2005),其中应用最广泛的是蒸发泵(王一刚等,2005)、渗透回流(陈更生等,2005)和混合水白云石化(蔡勋育等,2005;魏国齐等,2005;赵文智等,2006)三种模式,近期更多的学者提出的是混合水白云石化和深埋藏溶解综合模式(如王一刚等,2002);渗透回流、混合水和埋藏白云石化综合模式(如陈更生等,2005);渗透回流和埋藏白云岩化模式(如苏立萍等,2004);混合水和埋藏白云石化综合模式(如黄思静等,2006a、b)。本文以岩芯描述、薄片鉴定、Sr同位素和Sr含量分析资料为基础,结合前人研究成果进行综合分析,认为飞仙关组白云岩主要是准同生交代和埋藏成岩交代两种成因类型,优质储层的发育仅与多期次的埋藏白云石化作用有关,属于热液白云岩(hydrothermaldolomitization,简称为HTD)。热液白7云岩储层是北美地区主要的油气储层(SmithandDavies,2006),已受到越来越多的地质学家关注,如加拿大东部和美国的密歇根盆地(John,2006)。阿巴拉契亚盆地(Smith,2006)和其他一些盆地(Lavoieetal.,2005)的奥陶系和部分地区的志留系(LavoieandMorin,2004)、泥盆系(LonneeandHans,2006;Johnetal.,2006),加拿大西部盆地的泥盆系和密西西比系(GreenandMountjoy,2005;Aasm,2003;Davidetal.,2006),以及在大西洋断裂边缘的侏罗系(Wierzbickietal.,2006)和阿拉伯海湾地区的侏罗系—白垩系(Swartal.,2006)都有此类白云岩储层产出,而这些储层以前都被解释为混合水成因的,甚至作为混合水白云石化模式典范的美国威斯康星洲中奥陶统米夫林段白云岩(Badiozamani,1974),也已被重新解释为热液白云岩。显而易见,对川东北地区广泛发育的长兴组和飞仙关组白云岩储层的成因有必要进行重新认识,以提高基础地质研究的水平和白云岩储层预测的成功率。1白云石化类型和产出时间根据石灰岩的结构-成因分类方案(曾允孚等,1986),川东北飞仙关组白云岩可划分为准同生交代白云岩和成岩埋藏期热液交代白云岩二种成因类型,其中成岩埋藏期热液交代成因的白云岩可进一步划分出早、中、晚三个白云石化期次,各期次埋藏白云石化热流体来源均与地层中封存的高Sr和高盐度海源孔隙水密切相关。1.1潮间—准同生白云岩准同生白云岩是飞仙关组常见的白云岩成因类型,白云石晶体均在微晶以下,典型结构有他形粒状泥晶—微晶结构、藻纹层和藻团粒结构,显微硬石膏斑晶结构,硬石膏连生嵌晶结构等;岩石类型为非常致密的泥晶—微晶白云岩、含硬石膏或与硬石膏互层的膏质泥晶—微晶白云岩、膏质藻团粒微晶白云岩(图1-1,-2,-3)组合。常见条带状、干裂、钙结壳等潮间—潮上带标志。此类型白云岩,主要分布于有强烈蒸发作用的泻湖—潮坪环境中,对其成因没有争议,都用准同生期的蒸发泵白云化模式加以解释(陈更生等,2005;穆曙光和周茂,1994;王身建等,2004;赵文智等,2006;Zhaoetal.,2005;黄思静等,2006a),即在干旱炎热的泻湖—潮坪中,由镁/钙比值高的孔隙卤水交代文石或方解石沉积物所引起的白云石化。需要指出的是,准同生白云岩非常致密,即使其发生重结晶作用也很少产生可利用的晶间孔隙,实测孔隙度基本上都在2%以下,因此,准同白云岩不利于储层发育。但富含膏质的泥晶一微晶白云岩往往是最有效的区域性或局部性盖层,川东北地区飞仙关组中众多天然气藏的形成与保存,在很大的程度上得益于飞四段和嘉陵江组、雷口坡组中广泛发育的膏质白云岩或膏盐岩等蒸发岩所构成的区域性致密盖层。1.2不同成岩期次的采集飞仙关组优质储层的主要岩性为原始结构遭到不同程度破坏的成岩期埋藏交代成因的白云岩,大多数样品含有少于10%的方解石。按结构特征可细分为:①具原始结构的、以鲕粒为主的粒屑白云岩;②原始结构被不同程度破坏的残余粒屑白云岩;③原始结构几乎完全消失的结晶白云岩;④受强烈构造作用的碎裂化白云岩。以上各种白云岩中白云石晶体大小不均匀,其中类①和②一般以较脏的粉晶—细晶为主,而类③和④以洁净明亮的中晶—粗晶为主。鲕粒结构保存状况,白云石晶体的洁净度和重结晶程度的差异,晶体之间存在先后交切和交代颗粒的现象,以及相关孔隙中的次生矿物充填物的不同等,这些成岩结构特征说明白云化过程具有明显的期次性,至少可识别出如下三个成岩阶段的埋藏白云化期次。(1)早成岩阶段埋藏白云石化。鲕粒优先选择性白云石化,以鲕粒结构和等厚环边胶结结构的保存都非常好的亮晶鲕粒白云岩为主,由很脏的但自形的粉晶—细晶白云石组成,等厚环边胶结物大部分由栉壳状微晶白云石组成,局部仍保存有栉壳状方解石(图2-1)。此类型以鲕粒被强烈溶解而等厚环边胶结物保存较好的选择性溶解作用(图2-2)为显著特征。(2)中成岩阶段埋藏白云化,以发育残余鲕粒细晶—中晶白云岩(图2-3,-4)为主,残余鲕粒结构保存完好,由较脏的和具雾心亮边结构粉晶—细晶白云石组成,部分鲕粒保存残余微晶—粉晶结构和含有较多不洁物包裹体,而等厚环边胶结结构消失,几乎都重结晶为粉晶和细晶。此类型鲕内和鲕间的晶间孔和晶间溶孔的发育一般较均衡(图2-3),但含有不洁净包裹体的鲕粒有强烈的选择性溶解作用而形成特征的铸模孔(图2-4),孔隙中有时充填少量碳化沥青(图24)和细小次生石英晶体。(3)晚成岩阶段埋藏白云化期次,以发育鲕粒和等厚环边胶结结构都强烈消失的中晶—粗晶白云岩(图2-5)为主,自形白云石普遍具雾心亮边结构,偶见残余鲕粒结构,晶间孔和晶间溶孔非常发育,普遍充填有炭化沥青,局部充填有自生石英。(4)被构造作用强烈破坏的碎裂化白云岩(图2-6),重结晶作用明显,沿裂缝发生的热液溶蚀作用,特别是构造碎裂期后与TSR(硫酸盐热化学还原反应)有关的富H2S热液的溶蚀作用非常发育(张水昌等,2006),裂缝和溶孔内往往充填有炭化沥青和次生石英晶体(图2-6),局部有硅化或充填石英细脉的现象,在邻近的罗家寨构造中相当该期次构造裂缝中偶充填有自然硫(张水昌等,2006)。综上所述,不同成岩期次的埋藏白云岩在原始结构,白云石晶体大小和洁净度,孔隙发育状况和充填物类型等特征上都有明显差别,并一致反映了白云化程度越高、越有利于优质储层发育的基本特点(陈更生等,2005;穆曙光和周茂,1994;王身建等,2004;赵文智等,2006;Zhaoetal.,2005;黄思静等,2006a;王一刚等,2002;马永生等,2005a;苏立萍等,2005;蔡勋育等,2005;张水昌等,2006),以及伴随多期次埋藏白云化和溶蚀作用的过程,油气也有多期次充注成藏作用。2研究方法和检测结果为证实川东北地区飞仙关组白云岩成因,本项研究重点开展了微量元素Sr同位素和Sr含量地球化学特征分析。25件配套样品主要取自普光构造,部分取自毛坝构造,其中海相灰岩2件,准同生白云岩2件,埋藏白云岩18件,热液方解石3件。样品都取自新鲜的钻井岩芯,用微钻取样,其中各类白云岩和灰岩为全岩样品,充填溶孔和裂缝的方解石为单矿物样品。所有样品都配有铸体薄片和进行了镜下鉴定(包括茜素红和铁氰化钾染色分析和铸体薄片分析)和阴极发光发分析,以保证按结构-成因分类样品和取样的可靠性。样品在玛瑙研钵中研磨,过200目筛后缩分成三份,用透明绘图纸包装,一份留作备用,另外两份分别用作Mg、Mn、Sr、Fe含量分析和87Sr/86Sr比值测试。样品测试:Sr同位素测试由成都理工大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室同位素实验室尹观教授分析完成,测试仪器为MAT262固体同位素质谱仪,实验条件为温度22℃,湿度50%,检测依据采用美国国家标准局标准样品NBS987,分析结果见表1,87Sr/86Sr比值的分析误差范围为0.000010～0.000097之间,平均误差为0.000043,签于不同成因类型的样品之间的87Sr/86Sr比值的差值都在0.0001以上,因此,样品分析结果和误差范围能满足研究精度要求;Sr含量由中国地质科学院成都矿产综合利用研究所分析测试中心分析,测试仪器为2000DV,检测依据为JY/T05-1996《ICP广谱法测定》,分析结果以单元素含量表示,检测下限为0.001%,误差为0.0002%。样品的分析结果由图3和表2所示,完全能满足研究精度要求。在研究过程中同时引用了黄思静在中国科学院地质与地球物理研究所分析的46件邻区样品(黄思静等,2006a)。3飞县市白云岩的成因分析3.1热质元素和孔隙水之间的关系阿布扎比是一个无陆源物质和幔源物质供给条件的现代萨勃哈沉积环境据,据Miilleretal.(1990)对该地区现代碳酸盐沉积物系统取样分析结果,发现:向陆方向,伴随沉积物孔隙水中淡水比例增大,沉积物中的Sr丰度和87Sr/86Sr比值逐渐降低;而向海岸萨勃哈方向,伴随着沉积物中孔隙水盐度逐渐增高至远大于正常海水,沉积物的Sr丰度和87Sr/86Sr比值逐渐增大;白云石和非白云石样品的87Sr/86Sr比值都与其相应位置的咸化的或淡化的孔隙水是相一致的,如发育在海岸萨勃哈环境中的现代碳酸盐沉积物和成岩白云石的87Sr/86Sr比值与相同位置的萨勃哈海水的87Sr/86Sr比值是非常接近的(图3),明显高于有淡水加入地区的碳酸盐沉积物,而后者的87Sr/86Sr比值与当地绿洲的井水也是非常接近的。该项研究结果,清楚地表明碳酸盐沉积物与其所处位置的海水,淡化孔隙水,或咸化孔隙水之间都保持着87Sr/86Sr比值的一致性。由此可见,在无陆源物质和幔源物质供给的情况下,淡水或卤水是导致相应位置碳酸盐沉积物87Sr/86Sr比值及其变化的根本原因,不同位置的碳酸盐沉积物伴随着沉积环境和孔隙水性质变化,87Sr/86Sr比值具有特定变化趋势。因此,仅就白云岩87Sr/86Sr比值而言,其与相应位置孔隙水的87Sr/86Sr比值之间的变化关系,已成为探讨白云岩成因、白云化流体来源及其性质的重要线索。近期在国内外发表的白云岩成因研究成果中,都非常突出地强调了Sr同位素和Sr含量的重要性(GreenandMountjoy,1990;Dugganetnl.,2001;黄思静等,2003,2006a),Sr同位素和Sr含量地球化学特征,已成为研究白云岩成因、白云石化流体来源及其性质最有说服力的证据。3.2川东北早三叠世海水sr同位素组成特征按McArthuretal.(2000,2001)建立的全球早三叠世(250～243.5Ma之间)海水Sr同位素演化曲线,该时间段海水87Sr/86Sr比值变化范围为0.707650～0.707810,平均值为0.707743(图4-A)。黄思静等(2006b)建立的东北地区早三叠世飞仙关期海水87Sr/86Sr比值变化范围相对较小,为0.707330～0.707507,平均值0.707399(图4-B),由4件样品演化曲线确定的飞仙关组Sr同位素年龄为245.3～245.OMa,相当于飞仙关组年龄上限(InduanStage),证明他所建立的川东北飞仙关组Sr同位素演化曲线与Sr同位素地层年龄是可靠的,可代表川东北地区早三叠世飞仙关期略偏低的海水Sr同位素组成特征,也可作为判断和对比该地区飞仙关组白云岩与白云石化流体来源及其性质的重要依据。本次研究测定的飞仙关组各类碳酸盐Sr同位素数据,在McArthuretal.(2001)的全球早三叠世海水Sr海水同位素变化曲线中的分布位置和变化范围(图5),与黄思静等(2006a)和Zhaoetal.(2005)等在相邻的罗家寨构造建立的飞仙关组碳酸盐Sr同位素组成特征和分布位置基本一致,并出现如下几个显著特点:(1)所有25件样品所代表的不同碳酸盐岩的87Sr/86Sr比值变化范围为0.706428～0.709300(图4-E),覆盖了全球早三叠世Sr同位素变化范围(0.707650～0.707810),也明显大于黄思静等(2006b)所建立的川东北早三叠世海水Sr同位素的变化范围(0.707330～0.707383),平均值0.707484略小于McArthuretal.(2001)的全球早三叠世平均值0.707743,但与黄思静等(2006b)计算的川东北地区早三叠世海水平均值0.707399(图4-B)非常近似,具有川东北地区早三叠世海水Sr同位素组成特征。(2)准同生白云岩87Sr/86Sr的比值的变化范围0.706755～0.709300和平均值0.708028(图4-F),明显高于包括本次研究和黄思静等(2006a、b)分析的飞仙关组正常海相微晶灰岩的变化范围0.706428～0.707507和平均值0.707252(图4-D),此特征与阿布扎比萨勃哈环境中准同生白云岩87Sr/86Sr比值高于同期碳酸盐沉积物0.0005～0.001的分析结果是相一致的(Mtilleretal.,1990)。(3)与正常海相灰岩和准同生白云岩比较,各期次埋藏白云岩的87Sr/86Sr比值的变化范围为0.706592～0.708857,平均值为0.707427(图4-K),虽然都介于前两者之间(表2),但更接近准同生白云岩。此特征表明埋藏白云石化流体在性质上介于川东北地区早三叠世飞仙关期海水和准同生白云石化流体之间,在来源上更接近准同生白云石化流体,两者在成因上具有连续性。(4)各成岩阶段埋藏白云岩的87Sr/86Sr比值的变化范围和平均值,都与黄思静等(2006a)分析的罗家寨构造飞仙关组结晶白云岩0.707406～0.708276的变化范围和0.707653的平均值(图4-L)非常接近,显示出包括普光-茅坝和罗家寨等构造在内的川东北地区飞仙关组埋藏白云石化流体具有相同的来源和性质。(5)就各阶段埋藏白云岩和热液方解石的87Sr/86Sr比值组成特征而言(表2),有如下几个特点:①早成岩阶段87Sr/86Sr比值的变化范围很小(图4-G),主要位于本次研究和黄思静等(2006a)分析的飞仙关组海相灰岩变化范围的上限,平均值中等,接近准同生白云岩;②中成岩阶段白云岩87Sr/86Sr比值变化范围很大(图4-H),其远超出川东北地区早三叠世变化范围的上限,平均值较高和更接近准同生白云岩;③晚成岩阶段白云岩87Sr/86Sr比值变化范围变小(图4-1),重新置于川东北地区早三叠世变化范围的上限,其平均值最低和较接近准同生白云岩;④充填溶孔与裂缝的热液方解石87Sr/86Sr比值0.707675～0.708699的变化范围和0.708061的平均值(图4-J),远超出川东北地区早三叠世变化范围上限,其平均值最高并略高于准同生白云岩。这一随成岩强度加大而出现87Sr/86Sr比值的轻微波动与逐渐加大的演化趋势,说明埋藏白云石化过程具有多阶段性和流体来源的多源性特点,但其主体性质仍未能脱离飞仙关期蒸发浓缩的海水锶同位素组成特征的影响范围。3.3热液特征结果川东北地区飞仙关组各类碳酸盐岩(或矿物)微量元素Sr含量较高且变化非常大(表2),大多数显示出很强烈的海相流体介质性质,而所能反映的大陆淡水影响因素很弱,出现如下几种情况:(1)海相微晶灰岩的Sr含量很高,为0.047%～0.51%,平均值达0.191%,黄思静等(2006a)分析的邻区飞仙关组海相微晶灰岩Sr含量平均值为0.1795%,所有的分析结果都显著地高于BakerandBurns(1985)推导的正常海水沉淀的方解石所具有的0.06%Sr含量。(2)利用两个准同生白云岩的Sr含量作为反演准同生阶段孔隙中卤水Sr浓度依据,Sr平均值为0.02%,接近BakerandBums(1985)推导的超盐度海水沉淀的准同生白云岩0.025%的Sr含量。(3)埋藏白云岩Sr含量进一步降低至0.0131%～0.0194%,但仍明显高于加拿大阿尔伯特深盆中泥盆统热液白云岩0.0037%～0.0122%的变化范围和0.0068%的平均值(GreenandMountjoy,2005)。(4)热液方解石Sr含量极高达0.31%～0.41%,平均值达0.353%,邻区热液方解石Sr含量最高可达0.5%(黄思静等,2006a),平均值与本项目研究一致为0.34%。由上述各类碳酸盐大都具有较高个别具有极高Sr含量的地球化学特征,提示了4个有关白云岩成因和白云石化流体的地质问题:(1)McArthurandThirlwall(2000)和黄思静(2006a)认为早三叠世海相灰岩高Sr含量的原因,与早三叠世全球处于以沉积文石为主的富Sr海状态(即所谓的文石海)有关,因此,海相灰岩高Sr含量所代表的川东北地区早三叠世飞仙关期海盆(乃至整个上扬子海域)的海水具有很高Sr含量的特征,与早三叠世全球性海水富Sr的沉积地球化学特征是相一致的。(2)飞仙关组原始沉积物以富Sr的文石为主,由于文石是一类准稳定碳酸盐沉积物,在埋藏成岩期过程中具有很高的成岩敏感性,特别是其新生变形过程中易于遭受埋藏白云化与溶蚀作用改造,因此非常有利于埋藏白云岩储层的发育。(3)各成岩期次的埋藏白云岩都具有较高的Sr含量和相似的87Sr/86Sr比值,说明成岩过程中文石的新生变形作用、脱Sr作用和多期次的埋藏白云石化与溶蚀作用都发生在相对封闭的体系中。(4)文石向方解石转化的新生变形过程,理论上可使沉积物的Sr含量从0.5%大幅度下降至0.02%,而向白云石转变可使Sr进一步下降至0.01%以下。按照这种机理,在封闭体系的成岩过程中,Sr将在孔隙水中得到富集,再由富Sr孔隙水交代或沉淀的碳酸盐矿物往往具有很高的Sr含量。本次研究结果与此过程完全符合,即各成岩阶段白云岩和热液方解石Sr含量随成岩强度加大逐步增高的变化趋势明显(表2),其中尤以最后结晶沉淀的热液方解石Sr含量最高,平均值为0.353%,此极高的Sr含量特征不仅反映了成岩孔隙水经历过强烈的流体浓缩和孔隙水富集Sr的过程,而且进一步证明埋藏白云石化作用发生在相对封闭的体系中,否则在完全开放条件下的流体交换过程中不可能允许如此高Sr含量的方解石沉淀(黄思静等,2006a)。因此,川东北地区飞仙关组鲕粒白云岩和晶粒白云岩储层的成因,可排除开放体系中的大气水、混合水和渗透回流水参与白云石化的作用。3.4川东北飞仙关组白云岩的特征以鲕粒白云岩和晶粒白云岩的结构—成因分析为基础,结合白云岩Sr同位素和Sr含量地球化学特征,对飞仙关组优质白云岩储层的成因和白云化流体来源及其性质,提出如下几点新认识:(1)依据川东北地区早三叠世飞仙关期岩相古地理研究,自飞一至飞四段,凡是暴露于潮间—潮上带的沉积环境几乎无一例外地属于具有强烈蒸发作用的萨勃哈环境,广泛发育石膏质泥晶—微晶白云岩,与阿布扎比现代极端干旱炎热的萨勃哈环境非常类似。阿布扎比现代碳酸盐沉积物的系统取样分析结果(Mulleretal.,1990),已证实3个相关的白云石化问题:①证实卤水交代成因的准同生白云石存在;②由于无陆源物质和幔源物质供给,孔隙水是导致相应位置碳酸盐沉积物87Sr/86Sr比值的根本原因,特点是伴随孔隙水盐度增高(淡水→海水→卤水),相应位置的碳酸盐沉积物87Sr/86Sr比值也增高,以萨勃哈环境的成岩白云石87Sr/86Sr比值明显高于井水和海水区碳酸盐沉积物为显著特征(图3):③缺乏与大气水和混合水直接有关的白云石证据。因此,对具备类似气候环境条件和锶同位素变化规律的川东北地区飞仙关组白云岩而言,没必要再讨论大气水或混合水是否参与白云石化作用的可能性,但不排除大气水或混合水参与早期胶结和溶蚀等其它成岩作用。(2)所有白云岩样品的87Sr/86Sr比值的变化范围虽然明显大于川东北地区早三叠世飞仙关期海水(包括黄思静的样品),但其平均值与川东北地区早三叠世海水非常近似。如将埋藏白云岩的87Sr/86Sr比值与其它各类型样品比较,海相灰岩偏低,热液方解石偏高,而与准同生白云岩的87Sr/86Sr比值比较接近。其微量元素Sr含量也远低于海相灰岩和热液方解石,但与准同生白云岩相接近。上述特征表明白云石化流体不仅具有川东北地区早三叠世飞仙关期海水的Sr同位素组成特征,而且与那个时期引起准同生白云岩化作用的卤水流体关系更为密切。因此,可推断白云石化流体应来源于早三叠世飞仙关期囚禁的深循环海源卤水流体(包括含水蒸发盐的脱水作用),黄思静等(2006a)也将这种高盐度的流体来源归属于地层中囚禁的深循环海源水对广泛分布的蒸发盐溶解作用有关。(3)由于流体中Sr来源于文石新生变形过程的脱锶作用,伴随成岩强度加大和排向孔隙水流体的Sr增多与盐度增高,在重结晶成因的白云石晶格中捕获的Sr2+也就越多,相应地Sr含量越高,因此,地层中孔隙水的Sr富集过程也是埋藏白云石化的过程,此特征与白云石化程度越高,Sr含量也越高,而最后沉淀的热液方解石Sr含量达极高值的地球化学特征相吻合。(4)各阶段埋藏白云岩和热液方解石的87Sr/86Sr比值的轻微波动与逐渐加大的演化趋势,不仅说明埋藏白云石化过程具有多阶段性和流体来源的多源性特点,而且由中成岩期埋藏白云岩87Sr/86Sr比值略偏高和构造破裂期热液方解石较高87Sr/86Sr比值,都显示有轻微的、但异乎寻常的外来因素影响。签于此两期次热液事件都伴生有次生石英和很轻微的硅化作用,认为中成岩期和构造破裂期成岩流体存在来自深部的流体和壳源锶混入,又据与此两期次热液事件相关矿物的87Sr/86Sr比值限于准同生白云岩87Sr/86Sr比值的变化范围内,说明其外来影响程度甚微,还不足以改变海源卤水白云石化流体的87Sr/86Sr比值组成特征,因此,仍可将各阶段埋藏白云石化和沉淀热液方解石的成岩体系中的流体视为相对封闭的系统。(5)据苏立萍等(2005)和曹宏(2005,私人交谈)对川东北地区飞仙关组白云岩进行的包裹体研究,均一化温度变化范围一般为70℃～155℃,最高可达180℃,平均128℃,盐度为5.5%～11.0%,具有伴随成岩强度加大,均一化温度和盐度逐渐增高的变化趋势,其最高均一温度和盐度测点都出现在充填溶孔的晚成岩阶段白云石中。按2.5C/100