塔里木盆地鹰山组白云岩成因与Mg同位素证据.pdf

中下奥陶统鹰山组作为塔里木盆地中央隆起区潜在的重要勘探接替层系,其白云岩成因认识仍不清楚,因此制约了对该区域的进一步勘探。鹰山组由下至上依次发育白云岩、白云质灰岩和灰岩,表明发生了灰岩向白云岩的交代转化过程。交代白云岩的形成需要足够的含镁流体和长期的镁泵输送机制,而新兴的M g同位素技术在示踪白云石化流体来源和迁移路径方面已经取得良好效果。因此,本研究通过系统采集鹰山组白云岩、白云质灰岩和灰岩,开展岩石学、微量元素、碳氧同位素和M g同位素测试。实验结果显示,鹰山组发育6类岩石,分别是泥晶 微晶白云岩(D 1)、粉晶 细晶白云岩(D 2)、颗粒白云岩(D 3)、中晶 粗晶白云岩(D 4)、白云质灰岩(D L)和灰岩(L)。鹰山组碳酸盐岩的1 3CV-P D B值为-2.1 0-0.3 7(平均值-1.3 7),1 8OV-P D B值为-7.5 1-3.5 4(平均值-5.4 1),2 6M g值为-4.0 3-1.2 8(平均值-2.5 5)。2 6M g、N a含量、S r/B a、M n/F e、1 3CV-P D B、1 8OV-P D B、古盐度(Z)和古温度(T)在垂向上显示出一定的联动性和系统性。通过综合分析与讨论得出以下几点认识:(1)鹰山组2 6M g值垂向变化趋势与沉积旋回具有密切联系,沉积旋回的顶部为富镁流体源区,旋回界面为流体迁移通道;(2)识别出4种M g同位素变化趋势与白云石化流体迁移规律,即云灰互层结构(LD LD)、准同生白云岩结构(D 1 D 2)、渗透回流白云岩结构(D 1 D 2 D 3 D 4 L)和埋藏白云岩结构(D 4 D L/D);(3)鹰山组白云岩形成主要与海平面周期性波动有关,海平面下降时,蒸发作用促使局限水体中富集M g2+,并且富镁流体会沿着下伏高孔高渗的颗粒灰岩垂向迁移至下伏地层,有利于白云石化作用的持续进行,当富镁流体遇到孔隙度不发育的泥晶灰岩时,富镁流体无法进入矿物晶格中,白云石化作用停止。海平面上升时,局限水体转变为开阔水体,海水与富镁流体源区相互混合,降低了流体的白云石化驱动力,致使白云石化作用逐渐减弱,从而发育灰质白云岩和灰岩;(4)除受海平面控制外,深埋藏阶段经历的多期交代、重结晶或热液作用也有利于鹰山组白云岩的形成;(5)白云石化作用对鹰山组沉积储层具有建设性意义,早期白云石化作用有利于孔隙的继承和保存,而晚埋藏和热液白云石化对储层起破坏作用。关键词:M g同位素;白云岩成因;奥陶系鹰山组;塔里木盆地;中央隆起中图分类号:P 5 8 1;P 5 3 4.4 2 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 5-2 3 2 1(2 0 2 3)0 4-0 3 5 2-0 0 2 40 引言白云岩是主要由白云石C a M g(C O3)2 构成的一类重要的碳酸盐岩1。白云岩储层占全球各类油气储层的1/4,具备巨大的油气勘探潜力2-5。前寒武纪、古生代及中生代地层中白云岩广泛分布,理论上当现代海水的M g/C a值5.2时应当发生大规模的白云石化现象,然而全新世以来的地层中却极少发现白云石沉淀6。此外,在无微生物参与的近地表低温条件下,有序白云石在实验室内仍无法成功合成7。尽管地质学家提出了如近地表白云石化6、埋藏白云石化8-9、热液白云石化1 0以及微生物白云石化1 1-1 5 等多种白云石化模式来解释白云岩形成的地质过程和沉积环境,但成岩流体来源的不确定性以及后期成岩改造的复杂性,导致白云岩成因问题始终存在争议,从而限制了对优质白云岩储层的有效预测1 6-2 0。为解决白云岩成因问题,前人按成因机制将白云岩分为原生沉淀白云岩、微生物诱导白云岩和次生交代白云岩。原生沉淀白云岩需要特殊的形成环境条件,如封闭、高盐度、强蒸发、碱湖环境。然而在漫长 的 地 质 历 史 中,原 生 沉 淀 白 云 岩 极 为 罕见2 1-2 2。微生物在低温下诱导白云石形成过程中具有一定的作用,并在实验中得到有效验证1 1-1 5。然而,微生物往往是在高盐度局限环境中产生作用,现代深海沉积物中则分布极少2 3,这难以解释古代广泛发育的厚层白云岩成因问题。并且因微生物诱导所形成的白云岩往往缺乏天然白云岩样品具有的超结构衍射线特征,合成产物多为高镁方解石,与真3 5 4 李 茜,朱光有,李婷婷,等/地学前缘(E a r t h S c i e n c e F r o n t i e r s)2 0 2 3,3 0(4)h t t p s:/w w w.e a r t h s c i e n c e f r o n t i e r s.n e t.c n 地学前缘,2 0 2 3,3 0(4)正意义上的白云岩还有一定的差异2 4。相比原生白云岩和微生物诱导白云岩,岩石记录中的次生交代白云岩则发育得更为广泛。目前,用白云石取代方解石或其他碳酸盐矿物是一种被广泛认可的白云石化过程6。在次生交代过程中,伴随着大量M g2+取代碳酸盐矿物(如方解石/文石)中的C a2+2 5,这意味着大量次生交代白云岩的形成需要足够的含镁流体和长期的镁泵输送机制5。因此,揭示次生交代白云石化过程中的富镁流体的来源及富镁流体如何与先期形成的钙质碳酸盐岩相互作用是解决白云岩成因的核心2 6-2 8。镁是组成白云石的核心元素,在低温地球化学过程中,M g同位素具有显著同位素分馏效应2 9-3 1。近年来,随着M g同位素分析方法的改进和多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-I C P-M S)的发展完善,天然地质样品(如灰岩/白云岩)的M g同位素测试精度(2 5M g 和 2 6M g分别为 0.0 6 和0.1 2)和灵敏度(样品量可以少到 0.5 1 0-6 g)均有显著的提高3 2-3 6。这促使越来越多的学者运用M g同位素开展与白云岩成因有关的地球化学研究。研究表明,白云岩M g同位素组成与其形成时代3 4、晶体类型3 7和成岩蚀变程度3 8-3 9无明显相关性,主要受白云石化过程控制。白云岩的M g同位素组成(2 6M g=-3.5-0.5)与灰岩(2 6M g=-5 -3)相 比,其M g同 位 素 系 统 偏重2 6,3 1,3 9-4 4。因此,可以利用M g同位素来判断灰岩向白云岩转化过程中白云石化流体来源和成岩流体运移路径,从而揭示白云岩的成因机理4 5-4 8。塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩是油气勘探的主力层系,资源潜力巨大,目前已发现多个深层碳酸盐岩大油气田4 9-5 2。中央隆起中下奥陶统鹰山组碳酸盐岩储层发育,根据钻井资料显示,鹰山组由下至上依次发育白云岩、白云质灰岩和灰岩,展现出灰岩向白云岩的转化过程。因此,鹰山组是探究次生交代白云石化的典型层位。虽然前人针对中央隆起中下奥陶统鹰山组白云岩成因开展了大量卓有成效的工作,但仍然存在一定的不足:(1)多从单一的地球化学指标来探究白云岩成因,将白云岩解释为单一成因,而忽略了成岩演化过程的动态性和复杂性5 3-5 5;(2)不同学者得出的白云岩成因不尽相同,存在争议5 6-5 9;(3)缺乏对白云石化过程中富镁流体的来源及迁移规律的有效示踪。中下奥陶统鹰山组是塔里木盆地潜在的重要勘探接替层系,但人们对其白云岩成因认识仍不清楚,这制约了该区域的进一步勘探。因此,本次研究在前人研究的基础上,以塔里木盆地中央隆起中古9井(Z G 9井)和古城1 7井(G C 1 7井)取心段的鹰山组为研究对象,通过系统采集灰岩、白云质灰岩和白云岩,开展钻井岩心观测、岩石镜下薄片鉴定,以及微量元素、碳氧同位素和M g同位素综合分析。对鹰山组白云石化过程中M g同位素变化特征、富镁流体来源和流体迁移规律及白云岩成因机理进行了深入讨论,以期为深化对塔里木盆地鹰山组白云岩储层形成机理的认识和白云岩有利储层的精准预测提供更为充实的科学依据。1 区域地质背景塔里木盆地位于中国新疆维吾尔自治区,与天山、昆仑和阿尔金造山带接壤,是中国最大的陆内含油气叠合盆地,盆地面积约5 61 04 k m2(图1 a)。塔里木盆地发育于太古宙中元古代变质岩基底之上,经历了复杂的构造演化,具有“三隆四拗”的构造格局特征6 0-6 1(图1 a)。研究区位于塔里木盆地中央隆起范围内的塔中隆起和古城低凸起,北部为满西低凸起,南部为塘古坳陷,西邻巴楚隆起,东连塔东隆起。区内主要经历晚震旦世中奥陶世海相稳定沉积、晚奥陶世形成古隆起雏形和早三叠纪古隆起基本定型6 2-6 33个阶段。在多期构造活动影响下,主要发育晚奥陶世NW向逆冲断裂、志留纪泥盆纪N E向走滑断裂和二叠纪N N E向张性断裂,并经历后期多期构造流体活动的叠加改造,较为发育的断裂体系有利于流体的迁移6 4-6 5(图1 b)。晚寒武世早奥陶世,研究区沉积环境较为稳定,总体上具有“西台东盆”的古地理格局,即西部以碳酸盐岩台地相区为主,东部以盆地相为主6 6-6 7(图 1 b)。根据钻孔资料显示,研究区发育完整的奥陶系地层,由下至上依次为下奥陶统蓬莱坝组(O1p)、中下奥陶统鹰山组(O1-2y)、中奥陶统一间房组(O2y)、上奥陶统吐木休克组(O3t)和上奥陶统却尔却克组(O3q q),其中鹰山组与下伏下奥陶统蓬莱坝组和上覆中奥陶统一间房组均呈整合接触6 8(图1 c)。总体上,研究区下奥陶统蓬莱坝组以白云岩为主,中奥陶统一间房组以灰岩为主,位于蓬莱坝组与李 茜,朱光有,李婷婷,等/地学前缘(E a r t h S c i e n c e F r o n t i e r s)2 0 2 3,3 0(4)3 5 5 h t t p s:/w w w.e a r t h s c i e n c e f r o n t i e r s.n e t.c n 地学前缘,2 0 2 3,3 0(4)a塔里木盆地中央隆起地理位置;b中央隆起构造区和取样钻井(Z G 9和G C 1 7)分布;c塔里木盆地中央隆起奥陶系综合地层柱状图。图1 塔里木盆地中央隆起构造区划图与奥陶系综合地层柱状图(据文献5 9 修改)F i g.1 T e c t o n i c z o n i n g m a p o f t h e C e n t r a l U p l i f t(a,b)a n d c o m p o s i t e s t r a t i g r a p h i c c o l u m n o f O r d o v i c i a n s t r a t a i n T a r i m B a s i n(c).M o d i f i e d a f t e r 5 9.一间房组之间的鹰山组,处于塔里木板块由被动大陆边缘向活动大陆边缘转变阶段6 9,该时期相对海平面整体呈上升趋势,自下而上可分为4段,总厚度达6 0 0 8 0 0 m。鹰4段至鹰3段为下段,厚度为3 5 0 5 5 0 m,岩性主要为白云岩,局部发育白云质灰岩和灰岩,该时期相对海平面较低,位于海侵体系域(T S T),属于缓坡台地颗粒滩沉积相;鹰2段至鹰1段为上段,厚度为1 8 02 8 0 m,岩性主要为颗粒灰岩、白云质灰岩夹薄层泥晶灰岩,位于高位体系域(H S T),相对海平面较高,属于开阔台地沉积相7 0。从岩性变化上看,鹰山组上、下段两段具有明显的垂向岩性变化特征,上段以灰岩沉积为主,下段以白云岩沉积为主。白云岩自下而上逐渐减少,从厚层白云岩向薄层灰岩 白云岩互层转化,再转变为厚层灰岩(图1 c),并且研究区由西向东白云岩分布逐渐下降,最东端仅发育灰岩沉积地层7 1。2 样品采集与实验方法2.1 样品采集与制备2.1.1 样品采集本次研究样品采自塔里木盆地中央隆起构造区内Z G 9井(位于塔中隆起)和G C 1 7井(位于古城低凸起)的鹰山组岩心(图1 b),共采集了约3 5 m的岩3 5 6 李 茜,朱光有,李婷婷,等/地学前缘(E a r t h S c i e n c e F r o n t i e r s)2 0 2 3,3 0(4)h t t p s:/w w w.e a r t h s c i e n c e f r o n t i e r s.n e t.c n 地学前缘,2 0 2 3,3 0(4)心样品,取样间隔为0.1 0.5 m,取样块数为5 6块(图1 c)。在Z G 9井鹰2段自下而上共取样品2 3块,取样深度为6 2 5 1.0 0 6 2 4 1.8 0 m,其中灰岩样品8块,白云质灰岩样品3块,白云岩样品1 2块;在G C 1 7井鹰3段自下而上共取样品3 3块,取样深度为6 3 0 0.0 0 6 2 8 1.8 8 m,其中灰岩样品4块,白云质灰岩样品1块,白云岩样品2 8块(图1 c)。值得注意的是:在岩心库取样时,需要避免在热液矿脉或方解石矿脉上取样;回实验室内进行整理时,尽量挑选受成岩作用影响小的样品,即构造形变弱、裂缝和热液矿物发育少的样品,以保证地球化学实验数据的有效性。整体而言,取样段沉积岩相具有显著的转变,由缓坡台地颗粒滩沉积相向弱镶边开阔台地沉积相转变,位于海侵体系域,代表与相对海平面上升有关的过程,但在白云岩发育段相对海平面有所下降(图1 c)。2.1.2 样品制备将采集的新鲜碳酸盐岩岩样分成两部分:一部分制备成薄切片进行岩石学特征分析,另一部分制备成镜面抛光厚切片,在镜面抛光厚切片上判识基质和胶结物,本研究重点针对基质进行微钻取样。使用茜素红S溶液对薄切片进行染色,以便更好地区分碳酸盐矿物类型7 2。在薄片岩石学鉴定基础上,采用手持微钻从厚切片上进行微区取样,收集约1 0 0 m g样品粉末进行微量元素、碳氧同位素和镁同位素分析。2.2 实验方法2.2.1 微量元素测试微量元素分析由北京大学地球与空间科学学院的电感耦合等离子体发射光谱仪(I C P-O E S)测定。首先将大约3 0 m g的粉末样品装入1 5 m L离心管中,加入5 m L 0.2 5 m o L/d m3醋酸使碳酸盐部分溶解。然后将离心管置于超声波浴3 0 m i n,再将离心管置于离心机内,在转速3 0 0 0 r/m i n下 离 心1 0 m i n,收集上清液。最后溶液转移到聚乙烯瓶中,进行I C P-O E S微量元素组成测定。微量元素(如N a、M g、A l、K、C a、F e、M n和S r等)的解析精度都优于5%。在镁纯化前后都需进行微量元素分析,用于确定镁的分离纯化程度和评价色谱柱的回收效率。2.2.2 碳、氧同位素测试碳、氧同位素(1 3C 和1 8O)分析测试在北京科荟测试技术有限公司进行。仪器设备为赛默飞世尔公司的2 5 3 p l u s、G a s B e n c h。采用M c C r e a正磷酸法,样品与1 0 0%无水磷酸在7 2 加热盘中反应至平衡,平衡后的C O2气体经过7 0 的熔硅毛细管柱(规格为P o r a p l o t Q,2 5 m 0.3 2 mm)而与其他杂质气体分离,进入到气体稳定同位素质谱仪进行测定,工作标样为N B S-1 8、I A E A-6 0 3、G BW 0 4 4 0 5和G BW 0 4 4 1 6。碳、氧同位素均采取V-P D B标准,1 8O和1 3C测试精度均高于0.1。2.2.3 镁同位素纯化与测试镁同位素的纯化在北京大学地球与空间科学学院实验室完成,采用阳离子交换色谱法分离纯化M g。利用两种阳离子交换色谱柱分别去除C a、C r、A l、F e、N a和K等元素7 3-7 4。提纯过程如下:(1)去除C a,通过1号离子交换色谱柱(装有1.8 m L 2 0 0 4 0 0目A G 5 0 W-X 1 2树脂)洗脱含有2 53 0 g M g的样品溶液,以分离M g和C a,在4 m L 1 2 m o L/d m3 H C L中收集M g组分。(2)去除C r、A l、F e、N a和K,通过2号离子交换色谱柱(装载0.5 m L 2 0 0 4 0 0目A G 5 0 W-X 1 2树脂),将M g从其他所有基质离子中分离。C r、A l、F e、N a、K依次用0.8 m L 1 m o L/d m3 H C L、3 m L 1 m o L/d m3 HN O3+0.5 m o L/d m3 H F和1 m L 1 m o L/d m3 HN O3洗脱,用5 m L 2 m o L/d m3 HN O3收集M g组分。为了保证M g提纯干净,每个样品通过1号离子交换色谱柱3次,然后通过2号离子交换色谱柱2次,经纯化后,C a/M g、A l/M g、N a/M g、K/M g和F e/M g质量分数比小于0.0 5,镁回收率大于9 9%。镁同位素测试在北京科荟测试技术有限公司实验室利用N e p t u n e P l u s多接收器电感耦合等离子体质谱完成。测试过程中使用标样 样品交叉测试法校正仪器的质量分馏,M g同位素的参考标准为I G GM g 1。在测试样品之前,使用1 1 0-6 I G-GM g 1对仪器进行参数优化,使得2 4M g的信号强度为1 0 1 06 V左右。测试过程使用C AM-1(实验室内部 标 样)作 为 监 控 样,它 的 长 期 精 度 为2 6M gI G G M g 1=-0.0 9 0.0 5(2 S D,N=2 7)。为验证M g纯化过程中的准确性,将实验室内部标样(摩尔分数比,C a M g=1 1和C a M g=1 0 1)与鹰山组样品采用相同的阳离子交换色谱法进行M g纯化处理和M g同位素测试,实验室内部标准样品(摩尔分数比,C a M g=1 1、C a M g=1 0 1)的M g测试值与长期测试公布值的误差在0.0 5 内。所有测试结果换算成相对于D S M-3(国际标样,以色列死李 茜,朱光有,李婷婷,等/地学前缘(E a r t h S c i e n c e F r o n t i e r s)2 0 2 3,3 0(4)3 5 7 h t t p s:/w w w.e a r t h s c i e n c e f r o n t i e r s.n e t.c n 地学前缘,2 0 2 3,3 0(4)海镁业公司的纯 M g 金属,取1 0 g溶解于1 L 0.3 m o L/d m3 HN O3中,制备成1%m o L/d m3 M g溶液)的值3 3,7 5。换算方式如下:2 5M gD S M-3=2 5M gI G G M g 1-0.9 0 4;2 6M gD S M-3=2 6M gI G G M g 1-1.7 4 6 3 结果3.1 岩相学前人对塔里木盆地中下奥陶统鹰山组地层岩石类型已进行了一定的研究和分类。尤东华等7 6认为鹰山组主要由云质泥晶灰岩、云质亮晶 微亮晶似球粒灰岩、云质藻纹层灰岩和粉晶 细晶白云岩构成。D u 等7 7通过精细的岩石学分析表明,鹰山组发育5种白云岩,分别为微晶 粉晶基质白云岩、细晶基质白云岩、中 粗晶基质白云岩、细 中晶白云石胶结物和鞍状白云石。G u o等7 8基于岩相结构特征识别出鹰山组发育3种基质白云岩,即粉晶 细晶非平面 平面白云岩、细晶 中晶平面白云岩和细晶 粗晶非平面白云岩。本研究以大量钻井岩心、岩石手标本和岩石镜下薄片资料为基础,从岩相学角度出发,以矿物类型、岩相结构特征和白云石晶粒大小为依据,识别出鹰山组发育6类岩石,分别是泥晶 微晶白云岩(D 1)、粉晶 细晶白云岩(D 2)、颗粒白云岩(D 3)、中晶 粗晶白云岩(D 4)、白云质灰岩(D L)和灰岩(L)。3.1.1 泥晶 微晶白云岩(D 1)泥晶 微晶白云岩(D 1)岩心为深灰色,岩性较致密,主要分布于鹰山组鹰3段(图2 a),组成这种白云岩的白云石晶粒直径极小,晶体直径多数小于3 0 m,晶体以自形 半自形为主,白云石晶体之间接触紧密(图2 b)7 9-8 0。在D 1中,生物化石较少,水平纹层结构和鸟眼 窗格构造较发育(图2 c),晶间孔容易被黏土矿物或方解石胶结物充填(图2 d),因此孔隙度和渗透率一般较差。D 1受干旱气候和蒸发作用影响较大,通常形成于水体循环局限、还原性较强的内缓坡上部沉积环境,如潮坪或潟湖。3.1.2 粉晶 细晶白云岩(D 2)粉晶 细晶白云岩(D 2)岩心呈灰色,具有斑状或团块状结构,这类白云岩在鹰山组鹰3段大量发育(图2 e)。在显微镜下,D 2由粉晶和细晶白云石组成,白云石晶体粒径一般为5 02 5 0 m,晶体多呈自形 半自形,晶体间多为凹凸接触或镶嵌接触,局部可见浑浊晶核向外演化为洁净的边缘,具有雾心亮边结构(图2 f)。D 2残余颗粒结构明显,晶间溶孔发育(图2 g),可见少量裂缝和缝合线,孔隙和裂缝局部见沥青充填(图2 h),孔隙总体较发育。D 2发育纹层沉积构造和残余颗粒结构,表明其沉积时期水体能量相较泥晶 微晶白云岩更高,通常形成于半局限的水循环沉积环境,如内缓坡下部 中缓坡上部。3.1.3 颗粒白云岩(D 3)颗粒白云岩(D 3)是指颗粒灰岩经过白云石化作用的产物,由于这类白云岩通常是早期白云石化作用的产物,因此其部分原岩结构组分特征能够得以保存8 1-8 2。D 3岩心呈深灰色,主要发育于鹰山组鹰3段(图2 i)。在显微镜下,可以识别出原始碳酸盐颗粒形状(主要是球状)、轮廓、痕迹、阴影等残余结构(图2 j),白云石以细晶白云石为主,晶体间多呈凹凸的镶嵌状接触,晶面较浑浊,可见残余颗粒幻影,局部晶间孔极发育(图2 k)。鹰山组D 3主要以残余砂屑白云岩为主,砂屑颗粒占粒屑总量的6 0%以上,砂屑呈次圆状 圆状(图2 l)。D 3通常为同生或准同生期颗粒灰