李鵬春 陳廣浩 曾喬松 易 金 胡 罡

(1.中國(guó)科學(xué)院邊緣海地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所 廣州 510301; 2.中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所 廣州 510640;3.中國(guó)石油化工股份公司勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院 山東東營(yíng) 257015)

塔里木盆地塔中地區(qū)下奧陶統(tǒng)白云巖成因①

李鵬春1陳廣浩1曾喬松2易 金2胡 罡3

(1.中國(guó)科學(xué)院邊緣海地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所 廣州 510301; 2.中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所 廣州 510640;3.中國(guó)石油化工股份公司勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院 山東東營(yíng) 257015)

塔里木盆地塔中地區(qū)下奧陶統(tǒng)白云巖廣泛發(fā)育,巖石類型復(fù)雜多樣,主要包括結(jié)晶白云巖、殘余顆粒白云巖、殘余灰質(zhì)白云巖、藻云巖、亮邊霧心白云巖、環(huán)帶白云巖及少量膏云巖等結(jié)構(gòu)類型。白云巖交代現(xiàn)象明顯,δ18O普遍為中-高負(fù)值(-3.2‰～-8.7‰);δ13C值基本為低中負(fù)值(-3‰～-0.77‰),Z值大多集中在118～123之間,成巖溫度大部分集中于36～51℃范圍,屬于低溫白云巖。白云巖具有低Mg/Ca比值,而Fe/Mn比值變化較大;白云石成分顯示高鐵白云石和低鐵白云石之分;Sr同位素組成(0.708 8～0.709 7)普遍與海水鍶同位素組成相當(dāng),但也存在個(gè)別具有較高的87Sr/86Sr比值(0.710 1～0.710 9)。結(jié)合塔中地區(qū)奧陶系古地理演變特征,白云巖化類型可劃分為準(zhǔn)同生期白云石化作用和埋藏白云石化作用。準(zhǔn)同生期白云石化作用發(fā)生于海底(主要是潮間)成巖環(huán)境,主要是在潮坪環(huán)境或?yàn)┫喹h(huán)境中,其白云巖形成溫度較低,具低87Sr/86Sr比值,白云石單礦物具低Fe含量;而埋藏白云巖化存在兩種模式,一種為早期淺埋藏過(guò)程中的鹵水回流模式,其白云巖形成溫度亦較低,具高87Sr/86Sr比值,白云石單礦物具高Fe含量;另一類發(fā)生于還原性較強(qiáng)晚期埋藏較深的成巖環(huán)境,在埋藏階段白云巖化程度得到進(jìn)一步加強(qiáng)和調(diào)整,其白云巖形成溫度較高,白云石捕獲的包裹體均一溫度較高,鹽度較低。

白云巖 成因 地球化學(xué) C-O-Sr同位素 下奧陶統(tǒng) 塔中地區(qū)

由于碳酸鹽巖的白云石化作用涉及到一些重要的油氣儲(chǔ)集巖形成機(jī)制以及與碳酸鹽巖有關(guān)的沉積、層控礦床的成因問(wèn)題,長(zhǎng)期為沉積地質(zhì)學(xué)家、石油地質(zhì)學(xué)家和礦床地質(zhì)學(xué)家所關(guān)注[1]。就世界范圍來(lái)看,高達(dá)50%的碳酸鹽巖儲(chǔ)層是白云巖,北美碳酸鹽巖中的油氣80%以上儲(chǔ)存在白云巖中[2,3]。塔里木盆地近年來(lái)的油氣勘探證實(shí),寒武-下奧陶統(tǒng)白云巖厚達(dá)1 560～1 692 m,遍布盆地中西部大部分地區(qū),是重要的油氣儲(chǔ)層之一。塔中地區(qū)的塔中162井、塔中12井、塔中43井、中1井等均在下奧陶統(tǒng)見(jiàn)到了較好的白云巖儲(chǔ)層。隨著下古生界深層白云巖中不斷鉆獲高產(chǎn)工業(yè)油氣流(如著名的沙參2井、英邁7井及塔中1井等),具有塔里木特色的深層白云巖化作用、白云巖儲(chǔ)層的形成、演化及儲(chǔ)集特征等一系列問(wèn)題不斷納入學(xué)者們的視野。

塔里木盆地奧陶系白云巖的成因研究始于20世紀(jì)90年代,近20年來(lái)許多學(xué)者已就塔里木盆地寒武-奧陶系白云巖的成因進(jìn)行卓有成效的研究,但目前對(duì)于塔中下奧陶統(tǒng)白云巖成因的各種觀點(diǎn)還存在著較大分歧,有待于開展進(jìn)一步的系統(tǒng)性研究。本文在巖芯觀察和薄片鑒定基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)塔中地區(qū)下奧陶統(tǒng)鷹山組白云巖的主、微量元素地球化學(xué)、C-OSr同位素、白云石礦物成分及包裹體測(cè)溫等分析,探討了白云巖成因類型、形成機(jī)理,以期為塔里木盆地白云巖儲(chǔ)層油氣勘探提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

塔里木盆地塔中地區(qū)是由臺(tái)地碳酸鹽巖與其上覆碎屑巖組成的一個(gè)克拉通盆地內(nèi)的大型繼承性古凹中隆,是塔里木盆地中央隆起帶的一個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元,即所謂的卡塔克隆起(圖1),于加里東末期形成,以后穩(wěn)定發(fā)展[4,5]。受塔里木盆地和塔中低隆的構(gòu)造發(fā)展與海平面變化的影響,塔中低隆在早奧陶世為碳酸鹽巖局限臺(tái)地相區(qū)(圖1),奧陶系分布廣泛,鉆井揭示厚度0～2 442m,局部缺失。在奧陶系下統(tǒng)保存了相當(dāng)于上丘里塔格組下部的地層鷹山組。據(jù)地震勘探和鉆井揭露,鷹山組厚700～1 000余米不等,與上覆良里塔格組平行不整合接觸,與下伏蓬萊壩組整合接觸。鷹山組中上部為厚層狀灰、深灰、黃灰、灰白、淺灰色(含氣)云巖與泥晶灰?guī)r、砂屑灰?guī)r不等厚互層,局部夾灰質(zhì)云巖、含灰質(zhì)云巖、云質(zhì)砂屑灰?guī)r、云質(zhì)泥晶灰?guī)r;下部為灰白、灰、淺灰色云巖夾云質(zhì)砂屑灰?guī)r、砂屑灰?guī)r(圖2),垂向上,白云石和白云巖含量表現(xiàn)出從上到下逐漸增加的趨勢(shì)。

圖1 塔中奧陶紀(jì)鷹山晚期沉積環(huán)境略圖Fig.1 Sedimentary environment during late Yingshan stage of Ordovician in Tazhong area

2 樣品和分析方法

本文對(duì)塔里木盆地塔中地區(qū)西北部鉆遇下奧陶統(tǒng)鷹山組白云巖的中1、中11、中13等7口井的巖芯進(jìn)行了仔細(xì)觀察與取樣。在巖芯觀察、室內(nèi)電子顯微鏡和電子探針微區(qū)分析的基礎(chǔ)上,在雙目鏡下對(duì)用于化學(xué)分析和同位素分析的樣品進(jìn)了細(xì)致的分揀,盡可能回避了方解石脈,樣品經(jīng)挑選后粉碎至200目。使用感偶等離子原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)對(duì)Ca、Mg、Sr、Ba、Fe、Mn、K、Na等含量進(jìn)行了測(cè)定。對(duì)11個(gè)樣品測(cè)定了碳、氧同位素,由GV IsoPrimeⅡ型穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀測(cè)試得出,其測(cè)試方法為常規(guī)的磷酸法,測(cè)試精度δ13C好于0.05‰,δ18O好于0.08‰。鍶同位素測(cè)量在VG254固體質(zhì)譜儀上進(jìn)行。包裹體由中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所成礦動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試,采用冷凍法和均一法,首先制備包裹體薄片,然后揭片并用酒精清洗干凈,在顯微鏡下尋找和描述包裹體,在Linkam THMS-6冷熱臺(tái)進(jìn)行冷凍溫度和均一溫度測(cè)定,再根據(jù)冷凍溫度計(jì)算出包裹體的鹽度、密度、均一溫度和模擬深度。研究中還收集整理了60多個(gè)已發(fā)表的相關(guān)數(shù)據(jù)。

3 分析結(jié)果

3.1 白云巖結(jié)構(gòu)類型與特征

根據(jù)巖芯觀察和室內(nèi)鏡下薄片鑒定,并結(jié)合前人研究資料[6～9],將塔中地區(qū)下奧陶統(tǒng)鷹山組臺(tái)地相白云巖的結(jié)構(gòu)類型主要?jiǎng)澐譃榻Y(jié)晶白云巖、殘余顆粒白云巖、殘余灰質(zhì)白云巖、藻云巖、亮邊霧心白云巖、環(huán)帶白云巖及少量膏云巖。

(1)結(jié)晶白云巖結(jié)晶白云巖是完全由交代成因的及其重結(jié)晶形成的白云石晶體所組成的一類白云巖,其典型特征是顯微鏡下可見(jiàn)發(fā)育良好的白云石晶粒結(jié)構(gòu),并且看不到任何原生組構(gòu)的殘余。根據(jù)白云石晶體的大小,鷹山組結(jié)晶白云巖常見(jiàn)的類型有泥(微)晶白云巖、粉晶白云巖和細(xì)晶白云巖三種。

微(泥)晶白云巖:晶體小于0.01～0.005 mm,半自形-它形晶,部分呈鑲嵌狀,晶間有少量粘士礦物,偶有微量石膏伴生,陰極顯微鏡下見(jiàn)昏暗光或不發(fā)光(圖3a)。

圖2 塔中地區(qū)中13-中1-中12-中11井下奧陶統(tǒng)鷹山組綜合柱狀圖Fig.2 General columnar section of lower Ordovician Yingshan group from Well Z13-Z1-Z12-Z11 in Tazhong area

粉晶白云巖:白云石晶體為0.005～0.05 mm,它形-半自形晶,具殘余結(jié)構(gòu),有模糊感,陰極顯微鏡下發(fā)暗紅色光或不發(fā)光,白云石的克分子百分含量平均為51%～32%(圖3b)。

細(xì)中-粗晶白云巖:白云石晶體多為0.05～ 0.25 mm,它形-半自形晶,以它形晶為主,晶粒有細(xì)、中、粗等不同的大小,具殘余結(jié)構(gòu)(粗粒無(wú))、表面混濁-明亮,發(fā)均一暗紅色的光,有序度高,達(dá)0.75 ～0.87(圖3c)。

(2)殘余顆粒云巖殘余顆粒白云石基本上為交代成因,以具有大量的顆粒交代殘余結(jié)構(gòu)(負(fù)殘余結(jié)構(gòu))為特征,可含有小于10%的碳酸鈣顆粒,白云石具有良好的晶粒結(jié)構(gòu)。交代顆粒的白云石一般比較渾濁,晶面呈云霧狀,而交代粒間方解石膠結(jié)物的白云石則比較明亮,有時(shí)可見(jiàn)一顆完整的白云石晶體部分交代顆粒,部分交代方解石膠結(jié)物,說(shuō)明兩者基本上是同時(shí)被交代的。根據(jù)殘余顆粒的類型,鷹山組殘余顆粒白云巖常見(jiàn)的類型有:殘余砂屑云巖、殘余礫屑云巖、殘余砂礫屑云巖、殘余鮞粒云巖等(圖3d～ g)。

(3)殘余灰質(zhì)白云巖殘余灰質(zhì)白云巖是由50% ～90%白云石和50%～10%殘余灰?guī)r組分組成的白云巖。由于交代白云石分布不均,巖石呈現(xiàn)顏色深淺不一的斑塊狀、豹斑狀、條帶狀等外貌。在顯微鏡下,既可見(jiàn)灰?guī)r組分的正殘余結(jié)構(gòu),也可見(jiàn)交代白云石具有負(fù)殘余結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)的類型有殘余砂屑灰質(zhì)云巖、殘余砂屑粉晶灰質(zhì)云巖等(圖3e)。

(4)隱藻白云巖以具有隱藻生物形成的構(gòu)造為特征,主要包括藻層紋石白云巖、藻疊層石白云巖、藻凝塊石白云巖等(圖3i)。在巖芯和顯微鏡下薄片中,白云石呈粉晶結(jié)構(gòu)、條帶狀分布,明顯可見(jiàn)隱藻構(gòu)造,其中的白云石一般非常細(xì)小,它形-半自形晶結(jié)構(gòu),以泥晶和微晶結(jié)構(gòu)占優(yōu)勢(shì),在晶間孔充填了可能為藻類生物殘余結(jié)構(gòu)的有機(jī)質(zhì)。

(5)霧心亮邊白云巖晶體0.1～0.5 mm,半自形-自形晶,邊緣相對(duì)明亮而中心較昏暗(圖3h),亮邊發(fā)暗紅色光。

(6)環(huán)帶白云巖晶體大小與霧心亮邊白云巖相近,半自形-自形晶,干凈明亮的亮帶與昏暗混濁的臟帶相間出現(xiàn)。

(7)膏質(zhì)白云巖以白云巖為主,含少量的斑點(diǎn)狀和層狀石膏。

3.2 常量與微量元素地球化學(xué)

表1 塔中下奧陶統(tǒng)白云巖常量與微量元素分析數(shù)據(jù)(μg/g)Table1 M ajor and trace element com positions of lower Ordovician dolom ites in central Tarim basin(μg/g)

由于引起白云巖化作用的流體性質(zhì)與成分、溫度、壓力、被交代的灰?guī)r類型等環(huán)境條件的不同,必然造成所形成的不同成因類型白云巖具有可鑒別的微量元素豐度指標(biāo)(表1,圖4)。為了便于比較,本文按照成份將白云巖歸為三類進(jìn)行討論:一類為過(guò)渡類型白云巖,以灰質(zhì)云巖為主;第二類為含灰云巖,包括殘余顆粒云巖等;將純白云巖歸為第三類結(jié)晶白云巖,包括灰色白云巖、粉晶白云巖、粉-細(xì)晶白云巖、細(xì)晶白云巖、微晶白云巖、泥晶白云巖等。

圖4 塔中下奧陶統(tǒng)白云巖常量與微量元素含量對(duì)比圖Fig.4 Spectral diagrams of trace element compositions of lower Ordovician dolomites in Tazhong area

Ca、Mg

白云巖中CaCO3的質(zhì)量濃度及有序度與形成條件有著明顯的關(guān)系,Ca在白云巖中的富集程度由沉積溶液的Mg/Ca比值所反映出來(lái)。一般情況下,與蒸發(fā)鹽相伴生的細(xì)晶白云巖中Ca含量低于不與蒸發(fā)鹽相伴生的細(xì)晶白云石,所以在高鹽度環(huán)境中, Mg/Ca值較高,超過(guò)5或10,在正常海水中,Mg/Ca值約為1,溶液的淡化作用對(duì)白云巖的形成是有利的。塔中地區(qū)下奧陶統(tǒng)鷹山組白云巖Ca含量為97 124～411 675μg/g,其中結(jié)晶白云巖Ca含量偏低,為97 124～219 285μg/g,而灰質(zhì)白云巖和含灰白云巖偏高,為224128～411675μg/g。隨Mg含量的增加,灰質(zhì)白云巖和含灰白云巖Ca含量降低,而結(jié)晶白云巖Ca含量有增加的趨勢(shì)(圖4a).g/Ca比值偏低,都小于1(圖4b),說(shuō)明白云巖是在Mg/Ca值低的溶液中形成,反映其由濃縮海水白云巖化形成的可能性不大,而有相當(dāng)部分的淡水參與了白云巖化過(guò)程,為較潮濕無(wú)蒸發(fā)作用的變鹽度環(huán)境如混合水環(huán)境或是在埋藏條件下。

Fe、Mn

白云巖中的Fe和Mn是判斷氧化還原作用的敏感元素,由于其有效分配系數(shù)K大于1,所以在還原環(huán)境中有利于Fe、Mn保持在孔隙流體中,在成巖過(guò)程中更容易進(jìn)入白云石晶格。因此氧化環(huán)境形成的白云巖的Fe、Mn含量要低于還原環(huán)境形成的白云巖,近地表早期白云巖比埋藏白云巖中的含量低。鷹山組白云巖及其在成分上向灰?guī)r過(guò)渡的巖石類型的Fe和Mn含量都非常低,Fe含量為31.5～1 960.0 μg/g,平均只有742.5μg/g,Mn含量為11.4～286.0 μg/g,且大部分集中在10～90μg/g之間,平均只有64.8μg/g(圖4c);都顯著低于前人報(bào)道的白云巖的Fe、Mn含量,如Azmy等報(bào)道的巴西Sao Francisco盆地前寒武紀(jì)與埋藏白云石化有關(guān)的白云巖的Fe、Mn含量分別為22 009μg/g和2 094μg/g,其它成因白云巖的Fe、Mn含量也高于本文各種白云巖一個(gè)數(shù)量級(jí),反而與黃思靜等所報(bào)道的川東三疊系飛仙關(guān)組白云巖相類似。因此鷹山組白云巖的形成環(huán)境應(yīng)為偏氧化環(huán)境.e隨Mn的增加而升高,與Mn呈正相關(guān)關(guān)系,Mn與Mg/Ca比值也表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系,從而Fe與Mg和Ca的含量也存在正相關(guān)性,說(shuō)明Fe的含量受陸源物質(zhì)的影響不大.n含量偏低,也說(shuō)明大氣淡水的影響不大,因?yàn)榇蟊壤牡畱?yīng)提供相當(dāng)多的Mn來(lái)源,從而致使Mn含量大幅增加[12]。

Sr、Ba

鷹山組白云巖Ba的含量從1.81～58.84μg/g,其中結(jié)晶白云巖Ba含量較高,為16.3～58.84μg/g,而灰質(zhì)白云巖和含灰白云巖偏低,僅為1.81～29.0 μg/g。三種類型白云巖的鍶含量沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的變化,其Sr含量為63.0～535.1μg/g,大部分集中于80 ～170μg/g之間(圖4e)。同時(shí)Sr含量的倒數(shù)與Mg含量間呈顯著正相關(guān)關(guān)系(圖4f)。說(shuō)明其結(jié)構(gòu)對(duì)鍶含量的影響是相對(duì)次要的,成巖流體對(duì)鍶含量的影響可能遠(yuǎn)小于白云石的晶體化學(xué)習(xí)性。因?yàn)槔碚撋现v,鍶在白云巖中的分配系數(shù)只有方解石的一半,因而方解石的白云石化過(guò)程是一個(gè)鍶丟失的過(guò)程,白云巖中的鍶含量應(yīng)顯著低于半生的方解石[12,13]。

Na、K

一般認(rèn)為高鹽度環(huán)境下形成的白云巖中Na含量較高,而埋藏成因白云巖的Na含量很低,只有幾十個(gè)μg/g,可能與白云石重結(jié)晶造成Na的丟失有關(guān)。鷹山組白云巖中,灰質(zhì)白云巖K、Na含量都很低,分別為39～184μg/g和58～375μg/g;結(jié)晶白云巖中等,為746～1078μg/g和445～741μg/g,含灰白云巖變化范圍較大,為45～2 074μg/g和87～ 1 038μg/g。隨Mg含量的增加,含灰白云巖、灰質(zhì)白云巖表現(xiàn)出Na升高的趨勢(shì),而結(jié)晶白云巖的Na含量無(wú)明顯相關(guān)性(圖4g-h),說(shuō)明結(jié)晶白云巖可能是埋藏條件下形成的,Mg的增加不受成巖流體的影響。

3.3 白云石單礦物特征

為了定量分析白云石成分,示蹤成巖環(huán)境等,本文對(duì)中11井、中17井、中3井、順6井灰?guī)r及白云巖中的白云石單礦物成分進(jìn)行了電子探針?lè)治?分析結(jié)果見(jiàn)表2。從表可以看出,其主要成分為CaO,含微量Fe、Mg、Mn等元素。各類白云石的Ca、Mg、Mn基本類似,Sr基本沒(méi)有檢測(cè)到。

從白云石成分分布(圖5a)可以看出,白云石的Fe含量普遍很低,為0.003～1.945μg/g,但隨巖性變化及后期成巖作用影響的不同,可以分為高鐵含量白云石和低鐵含量白云石,前者為含云灰?guī)r中的白云石,Fe含量為0.178～1.945μg/g,而后者為含灰云巖中的白云石,Fe含量為0.003～0.078μg/g。就不同的井來(lái)看,中17井和中11井白云巖Fe含量存在明顯差別(圖5b、c、d),中11井樣品中白云石Fe含量變化比較大,為0.444～1.945μg/g,且隨著Mg、Mn含量的升高而增高,而中17井樣品中白云石Fe的含量較小,為0.003～0.078μg/g,隨著Mg、Mn的升高而基本保持不變,說(shuō)明陸源物質(zhì)對(duì)鐵的影響不大.g/Ca比值變化很小,介于0.002～0.015之間, Fe/Mn比值變化比較大,介于0.2～39.39之間,主要反映了準(zhǔn)同生白云石和埋藏白云石化作用對(duì)Fe的影響,因?yàn)橥砥诼癫丨h(huán)境的白云石較早期形成的白云巖富Fe。

表2 白云石單礦物電子探針?lè)治鰯?shù)據(jù)(μg/g)Table2 Elemental compositions of dolom item inerals analyzed by electron m icroprobe(μg/g)

3.4 C-O同位素

白云巖碳、氧同位素組成取決于白云石化介質(zhì)的氧、碳同位素組成,并主要受介質(zhì)的鹽度和溫度的控制與影響[14]。一般來(lái)說(shuō),鹽度升高,δ13C和δ18O值增大;溫度升高,δ18O變輕;此外,在成巖作用中,淡水淋濾和生物降解均可使δ13C和δ18O變輕[15]。海相碳酸鹽巖的δ13C值一般在0‰左右,δ18O值也接近于0‰[16]。

圖5 白云石單礦物成分分布圖(μg/g)Fig.5 Spectral diagrams of element compositions of dolomiteminerals from lower Ordovician in Tazhong area(μg/g)

從表3可以看出,塔中地區(qū)下奧陶統(tǒng)鷹山組白云巖的δ13C和δ18O值變化范圍很大,δ13C最小值為-3.6‰,最大值為1.92‰;而δ18O的變化范圍為-10.8‰～-3.18‰。隨巖性的不同δ13C和δ18O值也有所不同,灰質(zhì)白云巖δ13C為-2.7‰～1.7‰, δ18O為-8.25‰ ～-5.03‰;含灰白云巖 δ13C為-3.6‰～-0.9‰,δ18O為-10.8‰～-3.9‰;粗粉晶-細(xì)晶白云巖δ13C為-3.0‰～1.82‰,δ18O為-9.3‰～-3.18‰。總體來(lái)看,塔中地區(qū)下奧陶統(tǒng)鷹山組白云巖δ18O普遍為中-高負(fù)值(-3.2‰～-8.7‰);δ13C值基本為低中負(fù)值(-3‰～-0.77‰),結(jié)晶白云巖中有個(gè)別接近0‰,有個(gè)別為低中正值(1.7～1.9‰)。反映白云巖以埋藏成巖環(huán)境為主,部分δ13C和δ18O值高負(fù)值反映與淡化水體形成條件有關(guān),即大氣淡水環(huán)境成因,部分δ13C正值以及δ18O值較高負(fù)值表明為正常海水成巖環(huán)境,對(duì)應(yīng)于沉積環(huán)境的潮上帶、潮間帶及部分暴露的淺灘環(huán)境。

Keith和Weber把δ13C和δ18O結(jié)合起來(lái)用以指示古鹽度(Z),Z值大于120為海相,小于120為陸相,其中Z=2.048(δ13C+50)+0.498(δ18O+50), δ13C和δ18O采用PDB標(biāo)準(zhǔn)[17]。利用該公式計(jì)算塔中下奧陶統(tǒng)白云巖的Z值在118～123之間,在δ13C與Z相關(guān)圖中,兩者呈明顯正相關(guān)關(guān)系(圖6),δ13C值為中低負(fù)值,顯示了埋藏成巖環(huán)境特征;僅少量白云巖Z值大于122且δ13C值>0,反映出當(dāng)時(shí)主要成巖環(huán)境為鹽度較大的海水-咸化海水成巖環(huán)境;而遭受大氣淡水作用影響的巖石明顯向低Z值漂移,反映暴露淺灘遭受了強(qiáng)烈的大氣淡水作用的改造。

由于水體介質(zhì)的溫度對(duì)δ18O影響較大,故在鹽度不變的情況下,δ18O值隨溫度生而降低。許多學(xué)者提出了應(yīng)用δ18O與溫度之間的換算關(guān)系式,本文應(yīng)用以下四個(gè)關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算[15,18～20];t=-258.4-5.41δ18O;t=13.85-4.54δ18O+0.04/(δ18O)2; t=14.8-5.41 Xδ18O;t=16.9-4.38(δc-δw)+0.1(δc-δw)2;式中δc為所測(cè)樣品δ18O值(PDB), δw為當(dāng)時(shí)海水δ18O值(SMOW標(biāo)準(zhǔn)),這里δw取0值。這些公式基于原始沉積水系與碳酸鹽之間的同位素平衡,盡管碳酸鹽巖中δ18O值隨地質(zhì)歷史的變

遷發(fā)生較大變化,計(jì)算出的溫度已不能代表原始沉積水體的溫度,但該值仍然具有一定參考價(jià)值,特別是對(duì)反映成巖作用強(qiáng)弱具有定性意義[15]。

表3 塔中下奧陶統(tǒng)白云巖C-O-Sr同位素組成數(shù)據(jù)Table3 C-O-Sr isotope com positions of lower Ordovician dolom ites in Tazhong area

注:本文數(shù)據(jù)在中國(guó)科學(xué)院同位素年代學(xué)和地球化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試;1-據(jù)文獻(xiàn)[10];2-據(jù)文獻(xiàn)[11];3-引自中原油田中11井地質(zhì)報(bào)告; 4-據(jù)文獻(xiàn)[9];成巖溫度計(jì)算公式為:t1=-258.4-5.41δ18 O;t2=13.85-4.54δ18 O+0.04/(δ18 O)2;t3=14.8-5.41 Xδ18 O;t4=16.9-4.38 (δc-δw)+0.1(δc-δw)2;δc為所測(cè)樣品δ18O值(PDB),δw為當(dāng)時(shí)海水δ18O值(SMOW標(biāo)準(zhǔn)),這里δw取0值。

圖6 塔中地區(qū)下奧陶統(tǒng)白云巖δ13 C-Z分布圖Fig.6 Distribution ofδ13 C and Z of lower Ordovician dolomites in Tazhong area

利用δ18O計(jì)算的白云石形成溫度結(jié)果表明(表3),鷹山組白云巖的溫度范圍為31～71℃,反映其形成溫度較低,形成于潮上坪環(huán)境或淺埋藏環(huán)境。個(gè)別樣品溫度偏高(60～80℃),表明在成巖作用中的淡水淋濾、重結(jié)晶等導(dǎo)致了輕同位素富集,或深埋藏條件下的δ18O值減小有關(guān)。白云石中包裹體的均一溫度為123 ～154℃(表4),個(gè)別達(dá)到258℃,形態(tài)有近菱形、近橢圓形、四邊形等形狀,鹽度范圍1.74wt%～18.63wt%,反映形成深度較大,形成于成巖中晚期。

3.5 Sr同位素

依據(jù)Müller等對(duì)阿布扎比薩布哈碳酸鹽沉積物的系統(tǒng)取樣的Sr同位素分析結(jié)果,表明在無(wú)陸源物質(zhì)或幔源物質(zhì)供給情況下,淡水、海水和鹵水是導(dǎo)致相應(yīng)位置碳酸鹽沉積物87Sr/86Sr比值組成及其變化的根本原因[21]。近期國(guó)內(nèi)外已公布的眾多有關(guān)白云巖成因研究的資料,都非常強(qiáng)調(diào)了Sr含量和Sr同位素地球化學(xué)特征在探索白云巖化流體性質(zhì)、來(lái)源及其相關(guān)白云巖成因的重要性[12,22,23]。

表4 塔中下奧陶統(tǒng)白云石捕獲包裹體發(fā)育情況Table4 Fluid inclusion characteristics in dolom item inerals from lower O rdovician dolom ite in Tazhong area

塔中下奧陶統(tǒng)鷹山組白云巖87Sr/86Sr比值大部分介于0.708 8～0.709 7之間(表3),與全球早奧陶世海水的87Sr/86Sr比值(0.708 7～0.709 1,平均0.708 8)[24]相類似。但個(gè)別樣品具有較高的87Sr/86Sr比值(0.710 1～0.710 9),雖然樣品數(shù)少,但至少表明存在高于正常海水鍶同位素的來(lái)源,即存在更多放射成因鍶(87Sr)的“污染”,可能與埋藏環(huán)境中受到放射性(87Sr)的污染有關(guān)。樣品87Sr/86Sr比值隨鍶含量的增加而降低,同時(shí)隨Mg含量的增加而增加(圖4f),因?yàn)殒J含量隨Mg的增加而降低。在87Sr/86Sr比值與深度分布圖上(圖7),在約5 400～5 650 m深度范圍,出現(xiàn)87Sr/86Sr比值的波動(dòng),顯示早奧陶世海平面下降?？赡艽嬖诘J來(lái)源的影響,導(dǎo)致了個(gè)別高87Sr/86Sr比值特征。說(shuō)明這類白云巖的形成是在相對(duì)低海平面時(shí)期受到富含殼源放射性(87Sr)的陸上淡水的影響。

圖7 塔中下奧陶統(tǒng)白云巖87 Sr/86 Sr隨深度變化示意圖Fig.7 87 Sr/86 Sr ratios variation along with depth(m)of lower Ordovician dolomites in Tazhong area

4 白云巖成因討論

目前,白云巖的成因仍然是碳酸鹽沉積學(xué)中的一個(gè)主要問(wèn)題。前人研究認(rèn)為白云石的形成需要3個(gè)條件:①M(fèi)g2+的外部供給,且CO的補(bǔ)給必須足以形成所觀察到的白云石;②必須具有一種輸送機(jī)制,一般是以流體的形式將Mg2+帶入并將少量Ca2+帶走;③必須具備適宜的流體和成巖化學(xué)條件,使得白云石在其堆積場(chǎng)所沉淀[25]。關(guān)于白云巖的成因有撒布哈蒸發(fā)論、回流論、地?zé)崤c海水對(duì)流成因論和混合帶成因論等[6]。

關(guān)于塔里木盆地奧陶系白云巖的成因,前人從不同的角度識(shí)別出了很多成因類型,并提出了不同的成因機(jī)制和白云巖化模式,如準(zhǔn)同生薩布哈、滲透回流、混合水及深埋藏白云巖化等[11]。從本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,塔中下奧陶統(tǒng)鷹山組白云巖交代現(xiàn)象明顯,白云巖δ18O普遍為中-高負(fù)值-3.2‰～-8.7‰;δ13C值基本為低中負(fù)值(-3‰～-0.77‰),Z大多集中在118～123之間,形成溫度較低,屬于低溫白云巖。白云巖Mg/Ca比值變化很小,介于0.002～0.015之間,Fe/Mn比值變化比較大,介于0.2～39.39之間,主要反映了準(zhǔn)同生白云石和埋藏白云石化作用對(duì)Fe的影響。低Mg/Ca比值特征反映有相當(dāng)部分的淡水參與了白云巖化過(guò)程,或是在埋藏條件下。電子探針微區(qū)分析表明,白云石有高鐵白云石和低鐵白云石之分,Fe/Mn比值變化較大,反映了準(zhǔn)同生期白云石化和埋藏白云石化對(duì)鐵的影響,因?yàn)橥砥诼癫丨h(huán)境的白云石較早期形成的白云巖富Fe.Sr同位素普遍與海水鍶同位素組成相當(dāng),個(gè)別具有較高的87Sr/86Sr比值(0.710 1～0.710 9),反映了存在埋藏白云巖化。從沉積相研究表明,塔中地區(qū)下奧陶統(tǒng)主要為克拉通內(nèi)坳陷控制的局限臺(tái)地相沉積,兩側(cè)為開闊臺(tái)地,早奧陶世末期-中奧陶世早期,塔中地區(qū)發(fā)生抬升剝蝕,下奧陶統(tǒng)遭受強(qiáng)烈剝蝕,從而遭受淡水淋濾影響[26],從而為潮上坪和埋藏環(huán)境白云巖化作用提供了可能。因此本文將塔中下奧陶統(tǒng)鷹山組白云巖的成因分為準(zhǔn)同生白云巖化和埋藏白云巖化兩種類型,埋藏白云巖化存在早期淺埋藏階段和晚期較深埋藏階段兩個(gè)階段。

4.1 準(zhǔn)同生白云石化

準(zhǔn)同生期白云石化作用形成的白云石,以泥-微晶為主,少數(shù)為粉晶;晶體以他形-半自形為主,少數(shù)為自形晶。這類白云石在陰極射線下常呈弱至極弱的暗褐黃至暗紫褐色,微量元素常具高Na、高Sr、中Fe(405～445μg/g);低Mn(112～140μg/g)的特征。碳穩(wěn)定同位素為1.78‰～3.10‰,氧穩(wěn)定同位素為-0.5‰～-2.7‰。上述特征表明:該期白云石化發(fā)生于海底(主要是潮間)成巖環(huán)境,主要是在潮坪環(huán)境或?yàn)┫喹h(huán)境中,由于強(qiáng)的海水作用、蒸發(fā)作用或回流作用,使文石、石膏沉淀,導(dǎo)致孔隙流體中Mg/Ca比值增高,同時(shí)也有淡水加入條件下發(fā)生的白云石化。

4.2 埋藏白云石化

埋藏白云巖化存在兩種模式,一種為早期埋藏過(guò)程中的鹵水回流滲流模式,另一類為晚期較深埋藏的白云巖化作用,是指白云巖化過(guò)程的延續(xù)階段,即在早期沉積成巖過(guò)程中已經(jīng)發(fā)生過(guò)白云巖化的基礎(chǔ)上,在埋藏階段白云巖化程度得到進(jìn)一步加強(qiáng)和調(diào)整。

早期淺埋藏白云巖一般發(fā)生于成巖期甚至是成巖以后,由于高密度鹵水的形成打破了整個(gè)水力系統(tǒng)的平衡,當(dāng)粒間高鎂鹽水對(duì)表層沉積物的白云巖化基本完成時(shí),由于高鎂鹽水的相對(duì)密度較大,當(dāng)?shù)乇頍o(wú)出路時(shí),必然會(huì)向下回流,從而引起與周圍及深部低密度海水(密度為1.03 g/cm3)的對(duì)流。當(dāng)這種高鹽度富鎂流體使?jié)B入到臺(tái)地石灰?guī)r地層時(shí),碳酸鈣沉積物或石灰?guī)r發(fā)生白云巖化,形成較大規(guī)模的白云巖層。

成巖晚期較深埋藏白云石化作用形成的白云石,晶粒粗大,以細(xì)-中晶為主,晶形多以半自形及自形晶為主,表面粗糙,常具亮邊霧心之特征,偶見(jiàn)各種沉積組構(gòu)(如鮞粒、砂屑等)的殘余。這種白云石在陰極射線下為不發(fā)光或具暗紅色環(huán)帶。微量元素常具低Na、低Sr;高Fe(1 552～1 792μg/g)、高M(jìn)n(1 237 ～1 632μg/g)的特征。碳同位素組成為0.83‰～ 1.88‰,氧穩(wěn)定同位素-7.62‰～-10.32‰。其中的霧心可能是在早期淺埋藏環(huán)境中,由于富Mg孔隙水交代周圍灰質(zhì)所形成。

在白云石晶間和晶內(nèi),溶孔發(fā)育,孔隙度為10% ～25%,部分被亮晶白云石和硅質(zhì)充填,部分被瀝青和黃鐵礦充填。另外在高亮白云石條帶中,捕獲有高溫流體包裹體,包裹體均一溫度均高于100℃,且具有多期性(123～129、140～154、258℃)。因此該期白云巖化可能發(fā)生于還原性較強(qiáng)的晚期埋藏較深的成巖環(huán)境,由于下奧陶統(tǒng)上部泥質(zhì)灰?guī)r產(chǎn)生的富Mg2+離子孔隙流體向下滲透以及來(lái)自深部富含Mg2+(上地幔富含Mg2+、Fe2+的橄欖巖底辟上升到中地殼發(fā)生蛇紋石化釋放的Mg2+)的熱液上升,與來(lái)自地表富含CO2的大氣淡水或來(lái)自深部富含CO2的熱液在顆粒灰?guī)r中相遇,使CaMg(CO3)2達(dá)到飽和,發(fā)生白云石化作用。由于該滲透過(guò)程極為緩慢,作用時(shí)間較長(zhǎng),有充足的結(jié)晶時(shí)間,因此白云石晶形大,有序度高。

5 主要認(rèn)識(shí)

(1)塔中地區(qū)下奧陶統(tǒng)白云巖包括結(jié)晶白云巖、殘余顆粒白云巖、殘余灰質(zhì)白云巖、藻云巖、亮邊霧心白云巖、環(huán)帶白云巖及少量膏云巖等結(jié)構(gòu)類型。

(2)塔中地區(qū)下奧陶統(tǒng)白云巖化具有三種成因類型:a)準(zhǔn)同生白云巖,成巖溫度介于36～51℃范圍,δ13C值為低負(fù)值或正值,Z值大于123,低Sr同位素組成(0.708 8～0.709 7),白云石低Fe含量;b)淺埋藏白云巖,成巖溫度亦較低,δ13C為中-低負(fù)值,Z值集中在118～123之間,白云石高Fe含量,高Sr同位素組成(0.7101～0.7109);c)深埋白云巖,形成溫度80℃左右或以上,具有大量單相及氣液二相包裹體,包裹體均一溫度較高,鹽度較低。

(3)準(zhǔn)同生期白云石化作用發(fā)生于海底(主要是潮間)成巖環(huán)境,主要是在潮坪環(huán)境或?yàn)┫喹h(huán)境中;而埋藏白云巖化存在兩種模式,一種為早期埋藏過(guò)程中的鹵水回流滲流模式,另一類可能發(fā)生于還原性較強(qiáng)的晚期埋藏較深的成巖環(huán)境,白云巖化程度得到進(jìn)一步加強(qiáng)和調(diào)整。

致謝 感謝中國(guó)石化集團(tuán)中原油田分公司和西北分公司在項(xiàng)目開展、樣品采集、資料收集等方面提供的支持與幫助。

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Genesis of Lower Ordovician Dolom ite in Central Tarim Basin

LIPeng-chun1CHEN Guang-hao1ZENG Qiao-song2YIJin2HU Gang3

(1.Key Laboratory of M arginal Sea Geology,South China Sea Institute of Oceanology,Chinese Academ y of Sciences,Guangzhou 510301; 2.Guangzhou Institute of Geochem istry,Chinese Academ y of Sciences,Guangzhou 510640; 3.Research Institute of Geological Science,SINOPEC Shengli Oilfield Com pany,Dongying Shandong 257015)

Lower Ordovician dolomites in the central Tarim basin are of various types and extensively distributed.Seven dolostone types could be documented based on fabrics and structures,which are crystalline dolomite,residualgrain dolomite,residual calcite dolomite,algal dolomite,cloudy centers and clear rims dolomite,clitellum dolomite and gypes dolomite.It's characterised bymiddle-highδ18O negative value(-3.2%～-8.7‰),low-middleδ13C negative value(-3%～-0.77‰),and high Z value of118～123.ost diagenetic temperature calculated by empirical formulas usingδ18O values are between 118 to 123℃,which indicates that the temperature degree of dolomitization is low,and so the kind of dolomite belongs to low temperature dolostone.These dolomites have also characteristics of low Mg/Ca and variable Fe/Mn ratio values.According tomineral composition analyzed by electronmicroprobe,dolomite monomineral can be divided into high Fe content and low Fe content species。87Sr/86Sr ratios ofmost samples are low (among 0.708 8～0.709 7),which are similar to seawater strontium isotope composition,and some are of high ratios between 0.710 1 and 0.710 9.hese characteristics reveal that the origin of dolomite in the study area can be classified into penecontemporaneous dolomitization and burial dolomitization.According to Ordovican palaeogeographical evolution,the penecontemporaneous dolomitization arised in the seafloor environment,mainly in tidal flats or beach environment.And this kind of dolomite characterised by low diagenetic temperature,low87Sr/86Sr ratios,and low Fe content dolomiteminerals.The burial dolomitization can be interpreted by two diagenticmodels.One is seepage-reflux dolomitization during early shallow burial stage and characterised by low diagenetic temperature buthigh87Sr/86Sr ratios,and high Fe content dolomitemineral.Another is deep burial dolomitization which occured inmore strong reducible diagenetic enviornment during late deep burial stage.In general,the degree of dolomitization in burial diagentic enviorment is further enhanced and adjusted.The deep burial dolomite is characterised by high diagenetic temperature and high homogenization temperature of fluid inclusions,but low salinity.

dolostone;dolomitization;geochemistry;C-O-Sr isotope;Lower Ordovician;central Tarim Basin

李鵬春 男 1978年出生 博士 副研究員 沉積與構(gòu)造地質(zhì)學(xué) E-mail:Lypengchun@scsio.ac.cn

P588.29

A

1000-0550(2011)05-0842-15

①中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向性項(xiàng)目(編號(hào):KZCX2-YW-Q05-04)、中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào):20080440829)、中國(guó)石化集團(tuán)科技項(xiàng)目(編號(hào):2007115)聯(lián)合資助。

2010-06-09;收修改稿日期:2010-12-02