通过脉方解石流体包裹体和微量元素的分析深入理解准噶尔盆地西北部红车断裂带的油气运移史.doc

Marine and Petroleum Geology 27 (2010) 61-68
准噶尔盆地西北部红车断裂带油气运移史的深入理解：通过脉方解石流体包裹体和微量元素的分析

摘要
方解石脉和胶结物在位于中国西北的准格尔盆地西北部红车断层的石炭-二叠系储层广泛发育。通过方解石的流体包裹体和微量元素分析，得到油气运移史的深入理解。早白垩纪之前红车断层作为运移通道，两期油气充注运移到上盘、断层核部和下盘储层中。从晚白垩纪开始，红车断层封闭。因此导致大气降水向下流入上盘和断层核部的储层。大气降水的流入可能是储层中原油降解的重要因素。晚白垩纪之后下盘储层接受了天然气充注(第三期烃类事件)。这帮忙解释了断层中油气的分布。该研究提供了断层作为通道和盖层如何演化和储层成岩矿物如何为石油运移史提供线索的实例。
关键词：受断层控制油气运移；断层封闭；流体包裹体；方解石；微量元素；油气包裹体；准噶尔盆地
1. 引言
红车断裂带位于中国西北准噶尔盆地西北部的北缘(图1)。已发现油气显示主要沿着断层表明油气运移和聚集与断层活动性密切相关(陈等，2004)，这与准噶尔盆地西北部其他构造单元(曹等，2006；金等，2008)和中国其他构造复杂的断陷盆地类似(庞等，2003；史等，2005)。因此，对于油气在断层中或沿着断层运移的理解对成功的评价含油气系统和盆地内目标勘探至关重要。在先前的研究中，断层对运移的控制主要集中在油气充注史，通过研究断层的形成、演化和油源对比(杨等，1992；黄和来，1999；宋和王，2000；张和刘，2002；张，2002，2004；何等，2004；陈等，2004)。通过这些研究，断层是油气运移的重要通道(Karlsen和Skeie，2006；Martinius等，2005)。

图1. 中国西北准噶尔盆地西北部构造图。油气田主要沿断裂带分布，说明油气的运移和聚集与断层活动性密切相关(曹等，2005)。断层的分布源自张和王(2005)和陶等(2006)。AA`横截面代表了样品采集路线(图2. a和b)。中国石油新疆石油公司。
断层并不总是作为运移通道，因为断层具有时进性，从对运移开启、变化到对水开启但不对油气、或者完全封闭(Karlsen和Skeie，2006)。断层油气分布的不均匀表明这可能是红车断裂带的关键(陈等，2004)。生成的石油有重质原油、普通原油和凝析气。一般来说，重质原油分布于上盘和断层核部储层，正常原油和凝析气主要分布于下盘储层。因此，上盘/断层核部和下盘储层的差异或许与断层控制的流体流动有关。然而这些差异，在前人的研究中并有很好的研究(陈等，2004)。因此，需要对红车断裂带的油气运移进行更多的研究。
就油气运移和聚集而言，成岩作用、溶解作用和沉淀作用在油气储层中起到重要作用(Tissot和Welte，1984；Karlsen和Skeie，2006)。成岩作用是水岩相互作用的直接结果，是流体运动的直接证据(Perez和Boles，2004)。例如，结合碳酸盐岩胶结物δC13值和烃类流体包裹体是研究油气运移的主要形式。一些工作者通过研究储层成岩胶结物结合其他地质和地化分析成功的重构了流体运动和油气运移(例如，Karlson等，1993；Nedikvitne等，1993；Bhullar等，1999；Boles等，2004；Perez和Boles，2004)。
在本文中，通过岩石和地化-流体包裹体和微量元素-方法第一次描述了红车断层火山岩和火山碎屑岩中的石炭-二叠系方解石脉。这些资料用于检验最合适的流体流动模型和油气运移，得到深入的油气运移史。
2. 地质背景
准噶尔盆地位于中国西北部新疆维吾尔族自治州北部，面积1.3×105km2。盆地的西北部位于西准噶尔海西褶皱带与准噶尔板块的交界处，面积约1.03×104km2(张和王，2005)。油气田主要发现于断裂发育带(图1)。这些油气田目前全部用于开发。
盆地经历了西山、印支、燕山和喜马拉雅构造运动(陈等，2002)。多旋回的构造事件产生了走向、分布和活动性不同的断层(图1)。红车断层就是沿着准噶尔盆地西北部北缘的一组北东南西走向-南北走向断层中的一个(图1和图2a)。这些断层在构造上解释为切割了石炭系到上侏罗统地层的逆断层系统(何等，2004)。红车断层延伸约120km，走向总体上南北垂直一直到扎伊尔山，倾角约为52°，并有100~300m的偏移(图1，图2a，b)(何等，2004)。
准噶尔盆地的四期构造运动中，喜马拉雅运动对西北缘几乎没有影响(赵，1993；何等，2004)。因此，在研究区有三个有效的构造-地层单元(陈等，2002)(图2c)。油气藏大都源自早二叠世风城组(P1f)和中二叠世乌尔禾组(P2w)暗色泥岩(陈等，2004)(图2c)。风城组源岩沉积于高盐度泻湖环境，下乌尔禾组层序反映了典型的淡水湖泊环境(杨等，1992；王和康，1999，2001)。对风城组和下乌尔禾组源岩来说，原油生成分别在晚三叠世和早白垩世期间到达顶峰(张和王，2000；曹等，2005)。两组源岩的天然气自白垩纪开始大量生成(张和王，2000；曹等，2005)。油气主要聚集在二叠系、三叠系和侏罗系的河成砾岩和砂岩，侏罗系和下白垩统的三角洲砂岩，石炭系和下二叠统的火山碎屑岩中(何等，2004；张和王，2005；曹等，2005)(图2c)。
3. 样品和方法
详尽的岩心和电子探针显微分析(EMPA)反散射电子成像(BSE)观察表明，方解石脉和胶结物在石炭系-二叠系储层中广发发育(张，2002，2004)。胶结物相互切割，表明了一个复杂的流体史。裂缝中观察到的固体沥青表明裂缝被烃类充填(图3a)。因此，方解石脉和胶结物适用于研究流体流动和油气运移。

图2. (a)本文研究红车断层地质图。(b)样品选取的AA`截面示意图。截面位置见图1。(c)红车断裂带地层组合概要(张和王，2000；曹等，2005)。箭头指示主要的源岩地层，从石炭纪到白垩纪都有储层分布(何等，2004；张和王，2005；曹等，2005)

图3. 方解石脉和胶结物照片。(a)(b)样品H09来自Hc5井2670m深，可以看到方解石脉和胶结物相互切割和裂缝中的固体沥青。(a)，岩心观察，硬币直径22.5mm。(b)，电子探针显微分析(EMPA)反散射电子成像(BSE)图。样品采集位置见图2a和b。
为了研究方解石，我们在断裂带不同位置选取了样品用于对比分析，包括上盘、断层核部和下盘(图2b)。
流体包裹体相观察使用了Optin 0224显微镜。烃类包裹体通过其在入射紫外线(UV)照明下的荧光性进行识别(Burruss，1991)。一台安装了显微镜的Linham THM600冷热台被用于两相液态包裹体的显微温度学分析。利用Goldstein和Reynolds描述的循环技术，均一(Th)温度的测量在2~5℃的区间之内。通过对包裹体温度范围的研究，该装置具有±0.1℃的精确度，准确度在1℃以上。当观察到蒸汽泡时，把平均值作为最高温度，没观察到时，作为最低温度(例如Bhullar等，1999)。
脉方解石中微量元素(Mn、Mg和Fe)的含量取决于使用了JEOL JXA-8800M程式来检的电子探针显微分析(EMPA)。实验条件为在12mm工作距离下的15kv加速电势，10μA束电流，20s计时和5μm束斑大小。美国地质调查局(USGS)标准样品用来校准成分含量。探测精度为1ppm，分析误差低于测量值的3%。
4. 结果和讨论
4.1 方解石中流体包裹体
4.1.1 岩石学

图4. 脉方解石流体包裹体照片。(a)样品H12来自Hc6井2752.5m深，可以看到不同类型的流体包裹体。透射光。(b)样品H10来自Hc5井2722.5m深，看到富气流体包裹体。透射光。(c)样品H15来自Hc7井3175m深，看到两种荧光颜色的油气包裹体，例如黄色和黄绿色。紫外(UV)光。(d)样品H03来自Hc2井2580m深，看到降解的原油(沥青)和沥青包裹体。透射光。样片采集位置见图2a和b。
脉方解石中存在多种类型的初期和二期流体包裹体，包括单相水和石油流体包裹体、两相(液态和气态)含烃流体包裹体(图4)。初期包裹体特点是孤立存在。相对比而言，二期包裹体通常在愈合裂缝中成组出现。包裹体形态从椭圆形到不规则形不等，通常最长方向<10μm，大部分<6μm(图4a)。一些包裹体直径>10μm(甚至到30μm，图4b)。两相包裹体具有变化的气液比，表明石油俘获不止一次，或者说不止一种成分(图4a和b)。由于碳酸盐岩经历同生变形和重结晶和缩颈现象(Nedkvine等，1993；Karlsen和Skeie，2006)，观察到的不均匀现象也可能与该过程有联系。
由于他们可以作为直接证据(Burruss，1991；Karlsen等，1993)，油气包裹体对于油气运移的研究具有重大意义。如图4所示，油气包裹体有单相和两相、初期和二期包裹体。因此，它们的形成是同生或晚于方解石的沉淀(Suthy等，2000)。矿物的胶结在烃类充注过程中持续进行(Karlsen等，1993)。油气包裹体在紫外线(UV)照射下荧光颜色为黄色和黄绿色(图4c)。这不仅仅代表着含烃流体通过裂缝运移现金被脉方解石充填至少有两期，还表明这两次流体具有不同的性质。黄色的荧光颜色通常指示重质 (低API比重) 原油，黄绿色的荧光是典型的轻质 (较高API比重) 原油Bodnar，1990)。根据前人的研究，源自风城组和下乌尔禾组的原油分别通常具有低和重API比重(张和王，2000；曹等，2005)。因此可以得出结论，这两种烃类流体分别源自风城组和下乌尔禾组。
在上盘储层中观察到了一些富气油气包裹体(图4b)。在下盘和储层核部储层中没有检测到这些。相对比而言，在上盘和断层核部储层中观察到了沥青和沥青包裹体(图4d)。在下盘储层中没有这种物质。这说明下盘储层充注了凝析气，上盘和断层核部储层中的原油在一定程度上降解。这与现今的油气分布相一致，例如，重质原油主要分布在上盘储层中，正常原油和凝析气主要分布在下盘储层中。
4.1.2 显微温度学
为了约束甚至尽可能的确定油气包裹体的形成时间，例如油气的充注时间，用到了显微温度学测定(Bodnar，1990；Grant和Oxtoby，1992；Parnell等，2001)。分析了两相含水包裹体和油气包裹体的均一温度(Nedkvitne等，1993；Munz等，1998)。

图5. 流体包裹体均一温度频率直方图，三模态分布反映了三期油气藏充注史。
图5表明了所有分析的石炭-二叠系样品均一温度的分布。考虑分析了所有的数据后，我们认为大体有三期的烃类流体运动事件，分别对应三个均一温度范围(50-80℃、70-110℃和110-130℃)。这三个均一温度总体代表了三种类型的烃类。第一种，均一温度为50-80℃和70-110℃的包裹体分别代表了荧光颜色为黄色和黄绿色的原油。这两个总体在断裂带内三个位置得到观察。第二种，均一温度为110-130℃代表了富气包裹体，现今只在下盘储层中发现。因此，均一温度的三种模式分布表明在下盘储层中可能经历了两期原油充注和一期凝析气充注，上盘和断层核部储层中经历了两期原油充注事件。
结合油气生成史(张和王，2000；曹等，2005)，油气充注时间(陈等，2004；曹等，2005)的确定可以参照Karlsen等(1993)人的方法。第一期油气充注以50-80℃的均一温度和黄色的荧光颜色为特征，可能发生在晚三叠世，表明油气由风城组源岩生成。改期充注事件之后，第二期油气充注以70-110℃的均一温度和黄绿色的荧光颜色为特征，运移期可能为白垩纪，源自下乌尔禾组的烃源岩。最后一期，从晚白垩纪开始，源自风城组和下乌尔禾组的天然气充注到下盘储层，以均一温度110-130℃为特征。
4.2 方解石微量元素含量(Mn、Mg和Fe)
碳酸盐岩矿物中微量元素 (Mn、Mg和Fe)的组成为确定结晶过程中存在的流体类型提供了线索(Boles等，2004)。方解石EPMA分析表明，在不同位置微量元素含量变化很大(表1，图6)，说明了流体流动的复杂性。总体来说，断层核部和上盘样品相对Mn含量较多，下盘样品Mg含量较多，而上盘中Fe的丰度相对较高。
表1.断裂带不同位置方解石中微量元素(Mn、Mg和Fe)含量。样品位置见图2a和b。

图6. 方解石中Mn、Mg和Fe三端元图。数据均值见表1。
微量元素含量单位mol%。以方解石为标准100mol%
就像金等(2008年)讨论的那样，准噶尔盆地西北部断裂带中方解石胶结物普遍Mg含量较高说明方解石是从原始未变的湖泊相地层水中沉淀而出的。因此，这意味着造成下盘胶结的水可能是湖相的，而上盘和断层核部方解石相对低Mg含量表明相关的地层水已经发生了变化，造成了Mg缺失。这种水富含Mn。富Mn的方解石通常在圣华金海盆的边缘(Hayes和Boles，1993；Boles等，2004)，在准噶尔盆地这种非海盆边缘(金等，2008)，由于短暂涌入。因此，这或许说明，短暂地层水主要涌入上盘和断层核部储层，而不进入下盘储层。对于Fe来说，目前仍不了解其来源(金等，2008)。
总之，断层不同位置方解石微量元素含量的不同，我们认为是由于该段时期复杂的流体环境造成的。
4.3 建议的红车断层油气运移史
由前人研究和本研究中关于红车断层油气运移的流体包裹体分析可以看出主要有三期烃类充注(例如陈等，2004)。这包括风城组和下乌尔禾组源岩分别在三叠纪和早白垩世排出原油。从晚白垩世开始，这两组源岩开始生成和排出天然气。根据最新的脉方解石流体包裹体和微量元素分析结果，可以辨别出流体流动和油气运移在上盘、断层核部和下盘储层中的差异。基于这些数据提出了改进的红车断裂带油气运移史(图7)。

图7. 红车断裂带油气运移史示意图
在前两期油气充注过程中，红车断层作为运移通道活动。油气从烃源灶中运移到石炭-侏罗系储层。在这段时期内，一些油气被俘获形成油气包裹体。两种不同的油气包裹体荧光颜色和均一温度是这两期事件的直接证据。在第三期事件期间，例如天然气充注，红车断层变为盖层。有两方面的证据证明该观点。首先，流体包裹体岩石学表明仅在下盘储层中观察到富气包裹体，仅在上盘和断层核部储层中观察到沥青和沥青包裹体。其次，仅在上盘和断层核部储层中确认了短暂侵入，下盘储层被未改变的原始地层水所控制。
因此，可以推导出自玩白垩世红车断层对油气运移是封闭的(陈等，2004)。传统说来，相对高渗透率的地层的切割和毗邻控制了输导性(例如，Knipe，1997；Meilloux等，1999)。但是，通过岩石学观察我们认为，在红车断裂带柱状破碎方解石胶结物一定增强了，至少一部分增强了断层的封闭能力，阻挡了后期流体的流动(图3)。
这个结论可以用来解释断层附近油气的不均匀分布。先前由于没有缺少相关证据，没有很好的解释了这种分布。通过我们的研究，尽管上盘、断层核部和下盘储层都经受了前两期油气充注，但他们经历了不同的历史。在上盘、断层核部和下盘储层中，短暂水体向下流动，对原油降解起到重大影响(Tissot和Welte，1984；金等，2008；Katz和Robison，2006)。因此，现今分布在上盘储层的原油主要是重质生物降解原油。由于断层的封闭作用，下盘储层受到天然气充注，这是第三期也是最后一期烃类事件。
在阶段Ⅰ和Ⅱ中，整个系统的油气运移和聚集什么明了。上盘区的天然气逸散到地表。在阶段Ⅲ源岩处于高成熟阶段，天然气向上运移，根据Karlsen和Skeis(2006)定律，保护了上盘中浅层圈闭中的石油。在更深处，天然气部分置换了石油。
5. 结论
先前的研究展示了中国西北部准噶尔盆地西北部红车断裂带一个复杂的油气分布模式。尽管认识到这种分布受断层控制的油气运移有关，但仍然不够深入。本研究提供了石炭-二叠系脉方解石流体包裹体和微量元素分析的新证据。这些新资料提出了一个改进的油气运移顺序，在此期间断层从通道变为盖层。断层的贯层侵入作用作为油气导体变为运移阻碍的时间得到了证实。这解释了沿着断层的不均匀油气分布。这类针对准噶尔盆地构造复杂、多期油气运移研究的应用能得出改进的勘探模式。尽管如此，油气沿着断层如何运移需要更多的研究来准确地预测勘探目标的潜力。在这种情况下，我们认为储层成岩矿物提供了有价值的线索。
致谢
参考文献