劉可禹,張書林, 楊 鵬,2

1.中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東 青島 266580;2.深層油氣全國重點實驗室 中國石油大學(xué)(華東),山東 青島 266580;3.嶗山實驗室,山東 青島 266071

流體包裹體是指成巖、成礦流體在礦物結(jié)晶生長過程中,被捕獲在礦物晶格缺陷、生長螺旋間、晶格空位、位錯、空穴及微裂隙之中,而且至今尚在主礦物中完好封存并與主礦物有著明顯相界限的獨立封閉流體體系[1-2]。流體包裹體記錄了其捕獲時的多種信息(溫度、壓力、酸堿度、流體組分等),并且與各種地質(zhì)過程緊密相關(guān),對其開展研究有助于獲取多種地質(zhì)數(shù)據(jù),反演不同的地質(zhì)作用過程[3]。近些年來,隨著激光掃描共聚焦顯微鏡(CLSM)的廣泛使用[4-5],顯微熒光/紅外/激光拉曼光譜技術(shù)的發(fā)展[6-12],流體包裹體PVT模擬技術(shù)[13-15]、基于烴類熒光性質(zhì)發(fā)展的顆粒熒光指數(shù)(GOI)和儲層定量顆粒熒光分析技術(shù)[16-20]以及群體和單體石油包裹體的成分檢測[21-25]等一系列技術(shù)和方法的建立,流體包裹體分析已成為油氣成藏機理研究的重要手段。但在上述方法中,流體包裹體顯微測溫技術(shù)是流體包裹體研究中最基礎(chǔ)且最重要的測試方法之一[26],主要包括均一法測試與低溫相變測試。均一法測試將具有氣液兩相的包裹體薄片放置在熱臺上升溫,當(dāng)加熱到一定溫度時包裹體將從兩相轉(zhuǎn)變?yōu)榫幌?此時的溫度即為均一溫度(Th);低溫相變測試將包裹體薄片放置在冷臺上降溫至過冷卻狀態(tài),然后升溫直至最后一塊冰晶熔化,對應(yīng)的溫度即為冰點溫度(Tm)。均一溫度值與冰點溫度值可用于確定包裹體密度、等容線等數(shù)據(jù)[27],為進一步確定其捕獲溫度和捕獲壓力提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

流體包裹體顯微測溫技術(shù)的優(yōu)點之一在于其實驗的可重復(fù)性,這種重復(fù)性基于測試過程中流體包裹體始終是封閉等容的,但是不規(guī)范的測試流程往往會人為地造成包裹體的再平衡甚至破壞。GOLDSTEIN等[2]曾建議在開展流體包裹體顯微測溫分析時,應(yīng)當(dāng)遵循的流程是先開展均一溫度的測試分析,然后再開展低溫相變測試分析。但實際該測試流程并未被諸多研究者所重視,不少初學(xué)者會在低溫相變測試之后繼續(xù)重復(fù)測試該流體包裹體的均一溫度,從而導(dǎo)致測試結(jié)果存在諸多不確定性。YANG等[28]的研究結(jié)果表明,方解石中的鹽水包裹體在經(jīng)歷低溫相變過程后會發(fā)生顯著的再平衡作用,導(dǎo)致流體包裹體均一溫度顯著增加。但鮮有學(xué)者開展低溫相變過程對石英礦物中流體包裹體再平衡作用的影響研究?；诖?本研究擬在石英礦物中鹽水包裹體巖相學(xué)觀察以及顯微激光拉曼分析的基礎(chǔ)上,開展流體包裹體顯微測溫分析,結(jié)合流體包裹體PVTx數(shù)值模擬結(jié)果以及前人研究成果,定量對比不同測溫順序得到的顯微測溫數(shù)據(jù)的差異,揭示低溫相變過程對鹽水包裹體再平衡作用的影響,以期引起廣大研究人員對顯微測溫流程的重視。

1 實驗樣品及實驗方法

選取珠江口盆地珠二坳陷Y27-2井、Y33-1井、Y36-2井、Y29-1井、Y15-1井和H34-6井中古近系碎屑巖巖屑樣品,取樣深度為3 104.5～4 365 m,樣品被制備成近60 μm厚、雙面拋光的包裹體薄片。首先按照GOLDSTEIN等[2]提出的FIA(流體包裹體組合)方法,利用偏光顯微鏡(Zeiss Axio Imager A2m)開展流體包裹體巖相學(xué)觀察,選取形態(tài)較好、大小相對一致(5～15 μm)的流體包裹體,可以較為清晰、準(zhǔn)確地觀察顯微測溫過程中流體包裹體的相變過程;然后利用顯微激光拉曼光譜儀檢測流體包裹體中的氣體成分信息;在此基礎(chǔ)上,利用Linkam THMSG600冷熱臺對流體包裹體開展溫度測試,均一溫度和冰點溫度的測試精度分別為±1 ℃和±0.1 ℃。測試所得的冰點溫度將利用BODNAR[29]總結(jié)的鹽度—冰點關(guān)系來得出流體包裹體的等效NaCl鹽度。采取的流體包裹體測溫次序如圖1所示,其中Th0表示初次均一溫度測試得到的均一溫度值,Th2和Th3分別表示第二次和第三次均一溫度測試得到的均一溫度值,Th-AM表示三次測試得到的均一溫度值的算術(shù)平均值,Tm0表示初次低溫相變測溫得到的冰點溫度值,Th*表示初次低溫相變測溫后再進行均一溫度測試得到的均一溫度值,Tm*表示初次低溫相變測溫后再進行低溫相變測溫得到的冰點溫度值,ΔTh表示初次低溫相變測溫后得到的均一溫度值與初次均一溫度值之間的差值(ΔTh=Th*-Th0)。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)BAKKER[30]的模型對流體包裹體P-T等值線進行重建,并結(jié)合BODNAR等[31]提出的公式計算包裹體等容線的斜率。

圖1 流體包裹體顯微測溫流程

2 實驗結(jié)果與討論

流體包裹體巖相學(xué)觀察結(jié)果表明(圖2),流體包裹體類型主要為鹽水包裹體,并發(fā)育在穿石英顆粒裂紋中,包裹體大小為5～15 μm,形狀主要呈橢圓形或方形。在室溫下,鹽水包裹體主要表現(xiàn)為氣—液兩相,氣體充填度為0.5%～20%。顯微激光拉曼分析結(jié)果顯示在鹽水包裹體中均無檢測出氣體成分。在此基礎(chǔ)上,按照圖1的分析測試流程,對鹽水包裹體開展顯微測溫研究,具體實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 流體包裹體顯微測溫實驗數(shù)據(jù)

圖2 石英礦物中鹽水包裹體顯微照片及其顯微激光拉曼光譜

均一溫度是流體包裹體顯微測溫實驗中得到的重要參數(shù)。由圖3可以發(fā)現(xiàn),初次均一溫度Th0與三次測試得到的均一溫度值的算術(shù)平均值(Th-AM)之間具有很好的相關(guān)性(R2=0.999 4),說明多次均一溫度測試過程中鹽水包裹體并未發(fā)生再平衡作用,因此,在進行低溫相變測溫之前鹽水包裹體的均一溫度可以進行多次重復(fù)測試。由圖4可以看出,在第一次低溫相變測溫前,鹽水包裹體的Th值主要分布于125～135 ℃、150～160 ℃、175～185 ℃和210～220 ℃區(qū)間,眾數(shù)在155～160 ℃之間;但第一次低溫相變測溫后,鹽水包裹體Th值主要分布的區(qū)間變化為135～145 ℃、155～165 ℃、180～190 ℃和220～230 ℃,眾數(shù)在160～165 ℃之間。由此表明,鹽水包裹體在進行低溫相變測試之后,其均一溫度值總體呈現(xiàn)出一定程度的升高,推測鹽水包裹體在低溫相變測溫過程中發(fā)生了再平衡作用。結(jié)合YANG等[28]在方解石礦物中開展的流體包裹體顯微測溫結(jié)果(圖4),同樣表明鹽水包裹體在進行低溫相變測溫之后,其均一溫度值總體呈現(xiàn)一定程度的升高,其Th值的分布區(qū)間由原來的66～128 ℃變?yōu)?6～195 ℃。綜合上述研究結(jié)果可以看出,在低溫相變測試過程中,鹽水包裹體發(fā)生再平衡作用的現(xiàn)象普遍存在,但方解石礦物中鹽水包裹體在低溫相變測溫前后的均一溫度變化總體要高于石英礦物中的鹽水包裹體,表明石英礦物相較于方解石礦物具有更高的穩(wěn)定性,其內(nèi)部的鹽水包裹體具有更強的抵抗再平衡作用影響的能力。

圖3 流體包裹體顯微測溫實驗Th0與Th-AM交會圖

圖4 低溫相變測溫前后鹽水包裹體均一溫度變化

在第一次低溫相變測溫前,鹽水包裹體的Tm值主要分布于以下幾個區(qū)間: -8.8～-8.3 ℃、-6.0～-5.3 ℃、-3.8～-3 ℃和-1.4～-1.2 ℃(圖5),利用BODNAR[29]提出的鹽度—冰點對應(yīng)公式可以得到等效鹽度(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)分布區(qū)間分別為:12.05%～12.62%、8.28%～9.21%、4.96%～6.16%和2.07%～2.41%,眾數(shù)在4.96%～6.16%之間。而在第一次低溫相變測溫后,鹽水包裹體的Tm值的主要分布區(qū)間為:-8.8～-8.3 ℃、-6.0～-5.3 ℃、-3.8～-3.3 ℃和-1.3～-0.7 ℃,對應(yīng)等效鹽度分布區(qū)間分別為12.05%～12.62%、8.28%～9.21%、5.41%～6.16%和1.22%～2.24%,眾數(shù)在5.41%～6.16%之間。由此可見,鹽水包裹體在進行低溫相變測溫前后,其冰點溫度值變化較小或基本不發(fā)生變化。圖5中同時展示了YANG等[28]研究低溫相變測溫前后方解石礦物中鹽水包裹體冰點溫度的分布狀況,結(jié)果顯示在第一次低溫相變測溫前,鹽水包裹體的Tm值主要分布在-19.5～3.1 ℃,可得最大等效鹽度為22.03%,第一次低溫相變測溫后,鹽水包裹體Tm值主要分布區(qū)間為-19.5～3.1 ℃,同樣可以發(fā)現(xiàn),鹽水包裹體在進行低溫相變測溫前后,其冰點溫度值變化較小或基本不發(fā)生變化。綜合上述測溫結(jié)果可以得出,鹽水包裹體在低溫相變測溫過程中只發(fā)生了體積變化(拉伸作用)而并未發(fā)生流體成分的改變。

圖5 低溫相變測溫前后鹽水包裹體冰點溫度變化

由圖6可見,Th0與低溫相變測溫前后的ΔTh整體表現(xiàn)出良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2=0.915 3),表明具有較低均一溫度值(較小的氣體充填度)的鹽水包裹體相較于具有較高均一溫度值(較高的氣體充填度)的鹽水包裹體更容易發(fā)生再平衡作用。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是因為氣體充填度的增加可以在低溫相變過程中補償冰體積增加所產(chǎn)生的影響。圖6中分別用實線圈和虛線圈標(biāo)記了兩組偏離擬合曲線的樣品點,其中實線圈中的樣品點具有氣體充填度較高、且ΔTh值也較高的特點。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是這些樣品點的鹽度(2.07%～2.41%)明顯低于擬合曲線上均一溫度值在175～190 ℃范圍內(nèi)樣品點的鹽度(9.21%～12.26%),因此發(fā)生了較明顯的再平衡作用。圖6虛線圈中的樣品點具有氣體充填度較低、ΔTh值也較低的特點。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是這些樣品點的鹽度(8.28%～12.05%)明顯高于擬合曲線上均一溫度值與其相近的樣品點的鹽度(5.41%～6.16%),因此發(fā)生了較弱的再平衡作用。這些現(xiàn)象表明了具有較高鹽度的鹽水包裹體可以在一定程度上減緩再平衡作用的影響。圖6中灰色的方形展示了YANG等[28]研究方解石礦物中的鹽水包裹體Th0與ΔTh的相關(guān)關(guān)系?？梢钥闯?ΔTh值同樣普遍為正值,說明低溫相變測溫過程中鹽水包裹體發(fā)生再平衡作用的現(xiàn)象是普遍存在的,因此在對鹽水包裹體進行低溫相變測量后,再重復(fù)測量其均一溫度值,得到的結(jié)果可能是錯誤的。此外,由圖6中可以發(fā)現(xiàn)方解石礦物中鹽水包裹體的ΔTh值普遍高于石英礦物中鹽水包裹體的ΔTh值,表明石英相較于方解石具有更高的穩(wěn)定性,其內(nèi)部的鹽水包裹體具有更強的抵抗再平衡作用影響的能力。

圖6 流體包裹體顯微測溫實驗Th0與ΔTh交會圖

初次冰點溫度值與低溫相變測溫前后均一溫度值差值整體表現(xiàn)出良好的正相關(guān)關(guān)系(R2=0.755 1)(圖7),表明鹽水包裹體的鹽度越高,其在低溫相變測溫過程中受到再平衡作用的影響越弱,即具有較高鹽度的鹽水包裹體表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性。圖7中實線圈標(biāo)記了一組偏離擬合曲線的樣品點,該組樣品點具有鹽度較低、ΔTh值也較低的特點。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是該組樣品點的均一溫度值(271.8～293.7 ℃)明顯高于擬合曲線上與其鹽度相近的包裹體的均一溫度值(127.2～133.5 ℃),因此,雖然實線圈中的樣品點具有較低的鹽度,但由于其氣體充填度較高,反而發(fā)生了較弱的再平衡作用。圖7中深灰色的點代表YANG等[28]研究方解石礦物中的鹽水包裹體Tm0與ΔTh的相關(guān)關(guān)系,兩者總體呈現(xiàn)正相關(guān)性(R2=0.652 1),同樣表明隨著鹽水包裹體鹽度的升高,其在低溫相變測溫過程中受到再平衡作用的影響越弱,但方解石礦物中鹽水包裹體的ΔTh值總體高于石英礦物中鹽水包裹體的ΔTh值,說明石英礦物相較于方解石礦物具有更高的穩(wěn)定性,其內(nèi)部的鹽水包裹體具有更強的抵抗再平衡作用影響的能力。

圖7 流體包裹體顯微測溫實驗Tm0與ΔTh交會圖

在此基礎(chǔ)上,重構(gòu)了圖2b與圖2c中兩種不同組分鹽水包裹體的等值線與等容線(圖8),其中圖2b中鹽水包裹體的均一溫度為154.7 ℃,鹽度為5.7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù));圖2c中鹽水包裹體的均一溫度為154.6 ℃,鹽度為12.0%。由圖8可以看出,兩類鹽水包裹體的等值線幾乎完全重合,溫度范圍為150～170 ℃,壓力范圍為0.49～0.66 MPa。低溫相變測溫前后,圖2b中鹽水包裹體的等容線由等容線1(Th=154.7 ℃,Vm=19.7 cm3/mol)變化至等容線2(Th=161.7 ℃,Vm=19.8 cm3/mol),包裹體的體積發(fā)生了明顯變化;而圖2c中鹽水包裹體在低溫相變測溫前后其等容線由等容線3(Th=154.6 ℃,Vm=19.8 cm3/mol)變化至等容線4(Th=155.1 ℃,Vm=19.8 cm3/mol),包裹體的體積基本未發(fā)生變化。對比這兩類鹽水包裹體的P-T相圖可以看出,雖然這兩類鹽水包裹體的均一溫度比較接近,但在低溫相變測溫過程中,由于低鹽度鹽水包裹體受到水結(jié)冰體積膨脹作用的影響更大,導(dǎo)致其發(fā)生了明顯的再平衡作用(拉伸),而具有較高鹽度的鹽水包裹體卻可以在一定程度上減緩再平衡作用的影響,保存包裹體的原始地質(zhì)信息。

圖8 兩種不同組分鹽水包裹體的P-T相圖

3 結(jié)論

(1)低溫相變測溫過程中鹽水包裹體會發(fā)生拉伸甚至泄露,導(dǎo)致鹽水包裹體的均一溫度值會有一定的上升,但冰點溫度值基本不變;在進行低溫相變測溫之前,鹽水包裹體的均一溫度可以被多次重復(fù)測試;對鹽水包裹體進行低溫相變測溫之后再重復(fù)測試其均一溫度,得到的均一溫度值可能是錯誤的,不能反映包裹體的原始流體信息。

(2)相較于方解石礦物,石英內(nèi)部的鹽水包裹體具有更強的抵抗再平衡作用影響的能力;具有較高的氣體充填度的鹽水包裹體和具有較高鹽度的鹽水包裹體可以在一定程度上減緩再平衡作用的影響。

(3)在低溫相變測溫過程中,由于水結(jié)冰產(chǎn)生的體積膨脹作用,鹽水包裹體發(fā)生拉伸甚至泄露等再平衡現(xiàn)象是普遍存在的,從而導(dǎo)致鹽水包裹體的均一溫度值普遍升高。若對鹽水包裹體進行低溫相變測溫之后再重復(fù)測試其均一溫度,得到的均一溫度值可能是錯誤的,無法反映包裹體記錄的原始流體信息。因此,流體包裹體顯微測溫實驗應(yīng)嚴(yán)格按照先均一溫度測試、后低溫相變測試的順序進行,若流體包裹體開展低溫相變測試之后,便不能再用于均一溫度的測試。

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻/Authors’Contributions

劉可禹和楊鵬參與實驗設(shè)計;張書林完成實驗操作;所有作者均參與論文的寫作和修改;所有作者均閱讀并同意最終稿件的提交。

The study was designed by LIU Keyu and YANG Peng. The experimental analysis was completed by ZHANG Shulin. The manuscript was drafted and revised by all the authors. All the authors have read the last version of the paper and consented for submission.