川東石炭系古巖溶儲(chǔ)層鍶同位素地球化學(xué)特征

摘 要

摘要：石炭系黃龍組巖溶巖是四川盆地東部渝北-鄰水地區(qū)天然氣藏最重要的儲(chǔ)層之一，依據(jù)其結(jié)構(gòu)特征，將該巖溶巖系劃分為弱溶蝕巖溶巖、中等溶蝕多孔狀巖溶巖、強(qiáng)溶蝕角礫狀巖溶巖
摘要：石炭系黃龍組巖溶巖是四川盆地東部渝北-鄰水地區(qū)天然氣藏最重要的儲(chǔ)層之一，依據(jù)其結(jié)構(gòu)特征，將該巖溶巖系劃分為弱溶蝕巖溶巖、中等溶蝕多孔狀巖溶巖、強(qiáng)溶蝕角礫狀巖溶巖和強(qiáng)溶蝕交代次生灰質(zhì)巖溶巖等4種類型，以及淡水方解石和白云石2種膠結(jié)物類型。對(duì)各類型樣品的鍶同位素分析結(jié)果表明：①不同成因類型、溶蝕強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)和成分特征的巖溶巖與膠結(jié)物鍶同位素地球化學(xué)特征各異，其形成、演化與分布規(guī)律明顯受古地理背景、流體性質(zhì)和來(lái)源以及鍶同位素分餾效應(yīng)的控制；②巖溶過(guò)程中的87Sr/86Sr比值，具有從滲流-活躍潛流帶的正偏移，至靜滯潛流帶逐漸轉(zhuǎn)化為強(qiáng)烈負(fù)偏移演化趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)的古巖溶儲(chǔ)層物性由差變好至重新變差；③溶蝕過(guò)程中，白云質(zhì)巖溶巖和淡水白云石膠結(jié)物對(duì)87Sr有很強(qiáng)的正偏移同位素分餾效應(yīng)，而次生灰質(zhì)巖溶巖和淡水方解石膠結(jié)物缺乏鍶同位素分餾效應(yīng)。
關(guān)鍵詞：四川盆地東；渝北；鄰水地區(qū)；晚石炭世；古巖溶；鍶同位素；地球化學(xué)特征；喀斯特
0 前言
    碳酸鹽礦物鍶同位素地球化學(xué)特征是碳酸鹽巖成因分析最重要的證據(jù)之一[1～2]，近年來(lái)國(guó)外將鍶同位素地球化學(xué)特征廣泛地應(yīng)用于碳酸鹽巖石學(xué)、巖相古地理和儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)等研究領(lǐng)域中，而將其應(yīng)用到碳酸鹽巖古巖溶儲(chǔ)層中的成果則很少[3～4]。筆者僅就渝北-鄰水地區(qū)上石炭統(tǒng)黃龍組古巖溶儲(chǔ)層的鍶同位素特征對(duì)巖溶過(guò)程的流體性質(zhì)和古水文條件展開(kāi)討論，為預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)此類儲(chǔ)層提供有關(guān)的地質(zhì)-地球化學(xué)信息。
    位于四川盆地東部的渝北-鄰水地區(qū)在范圍上包括重慶市的渝北區(qū)、北碚區(qū)和四川省的鄰水縣與華鎣山市，面積約3900km2(圖1)。上石炭統(tǒng)黃龍組為該地區(qū)天然氣主要產(chǎn)層，儲(chǔ)層屬于古巖溶成因類型[5～7]，區(qū)內(nèi)發(fā)育有鄰北、板東、板橋、座洞崖、銅鑼?shí){、相國(guó)寺和環(huán)山等眾多次一級(jí)構(gòu)造控制的黃龍組氣藏，具備很大的勘探開(kāi)發(fā)潛力。研究區(qū)石炭系受海西早期強(qiáng)烈構(gòu)造隆封和侵蝕作用，只殘存了不完整的上石炭統(tǒng)黃龍組拱不整合超覆在中志留統(tǒng)韓家店組暗色泥頁(yè)巖之上，頂面被下二疊統(tǒng)梁山組煤系地層超覆，自下而上被劃分為3個(gè)巖性和巖相截然不同的巖性段[8](圖2)。
 

1 黃龍組巖溶巖分類及特征
關(guān)于古巖溶的定義存在一定的分歧，筆者將包括渝北地區(qū)在內(nèi)的四川盆地東部地區(qū)于晚石炭世發(fā)生的大規(guī)模巖溶作用，確定其為與云南運(yùn)動(dòng)構(gòu)造隆升事件有關(guān)的區(qū)域性古巖溶類型[6]。
1.1 巖溶巖系
按巖溶強(qiáng)度和產(chǎn)物將黃龍組巖溶巖劃分為以下4種類型：
1.1.1弱溶蝕巖溶巖
此類型是較致密的顆?；蚓Я０自茙r遭受早期滲流帶大氣水輕微溶蝕作用的產(chǎn)物，物性較差，僅發(fā)育少量溶孔和溶縫，孔隙度為2%～5%，滲透率為0.1×10-3～1×10-3μm2，為裂縫型低孔、低滲儲(chǔ)集巖，主要發(fā)育于C2h3段。
1.1.2中等溶蝕多孔狀巖溶巖
該類溶巖是顆?；蚓Я０自茙r遭受早-中期滲流-活躍潛流帶大氣水連續(xù)溶蝕作用的產(chǎn)物[5～6]，各種溶孔、溶洞、溶縫和構(gòu)造裂縫都較發(fā)育?？紫抖葹?%～16%，滲透率為10×10-3～100×10-3μm2，連通性和物性普遍較好，多數(shù)屬于裂縫-孔隙型中-高孔、中-高滲儲(chǔ)集巖。渝北-鄰水地區(qū)黃龍組氣藏主力產(chǎn)層的儲(chǔ)層大多數(shù)為此類型，主要發(fā)育于C2h2段。
1.1.3強(qiáng)溶蝕角礫狀巖溶巖
充填洞穴的巖溶角礫巖，是基質(zhì)巖在中-晚期活躍潛流帶大氣水連續(xù)強(qiáng)烈溶蝕垮塌后的洞穴原地堆積體，或?yàn)榘岛影徇\(yùn)堆積的產(chǎn)物。角礫成分視溶蝕層位的巖性而定嘲，可細(xì)分為灰質(zhì)巖溶角礫巖、白云質(zhì)巖溶角礫巖、次生灰質(zhì)巖溶角礫巖和復(fù)成分巖溶角礫巖。角礫中常發(fā)育有較多溶孔和溶縫，一般以白云質(zhì)角礫的溶蝕孔、縫更發(fā)育。因此白云質(zhì)巖溶角礫巖儲(chǔ)集物性較好，孔隙度為6%～12%，滲透率為(1～10)×10-3μm2，以裂縫-孔隙型中孔、中-低滲儲(chǔ)層為主，為黃龍組氣藏次要儲(chǔ)層類型，于各巖性段都有發(fā)育，但以C2h2段的白云質(zhì)巖溶角礫巖最為發(fā)育。
1.1.4強(qiáng)溶蝕交代的次生灰質(zhì)巖溶巖
此類型僅發(fā)育于C2h1段，為膏云質(zhì)或云膏質(zhì)蒸發(fā)巖在活躍-靜滯潛流帶經(jīng)晚期大氣水強(qiáng)烈溶蝕和發(fā)生連續(xù)去膏去云化和原地角礫化、垮塌及充填洞穴的系列巖溶作用產(chǎn)物[5]，在次生晶?；?guī)r中往往發(fā)育有殘余的斑馬構(gòu)造和鐵絲雞籠構(gòu)造。由于此兩類巖溶巖的溶蝕孔、洞、縫大多數(shù)被晚期方解石強(qiáng)烈充填，孔隙度僅為1%～4%，滲透率小于等于1×10-3μm2，物性差，以裂縫型低孔低滲儲(chǔ)層為主。
1.2 膠結(jié)物
主要為淡水方解石和淡水白云石兩種礦物，前者呈晶簇狀或等軸粒狀集合體，以充填角礫間的空隙和較大溶蝕孔、洞、縫為主，大多數(shù)屬于滲流-活躍潛流帶沉淀物，局部呈連晶塊狀，屬于靜滯潛流帶沉淀物；后者多以明亮的自形晶出現(xiàn)，多為滲流帶大氣水沉淀物，常與方解石膠結(jié)物共生。
1.3 非巖溶巖
包括未溶蝕的正常海相泥-微晶灰?guī)r和薩勃哈環(huán)境的微晶白云巖，此兩類樣品的分析結(jié)果，主要用作為代表地層鍶同位素背景值和描述與對(duì)比巖溶巖系溶蝕過(guò)程中鍶同位素變化規(guī)律的參照物。
2 黃龍組巖溶巖鍶穩(wěn)定同位素地球化學(xué)特征
依據(jù)蝕變碳酸鹽礦物的鍶同位素主要取決于流體中的87Sr/86Sr比值的原理[9]研究古巖溶作用的文獻(xiàn)資料很少，筆者在早期對(duì)川東地區(qū)黃龍組古巖溶儲(chǔ)層鍶同位素地球化學(xué)特征研究的基礎(chǔ)上[3]，對(duì)渝北-鄰水地區(qū)開(kāi)展更加深入的分析，在取得類似研究成果的基礎(chǔ)上又取得了一些新認(rèn)識(shí)。
2.1 樣品分析結(jié)果
對(duì)研究區(qū)內(nèi)的62件樣品進(jìn)行分析。測(cè)試儀器為MAT252氣體同位素質(zhì)譜儀；實(shí)驗(yàn)條件：溫度22℃，濕度50%；檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)：美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局標(biāo)準(zhǔn)樣品NBS 987。分析結(jié)果見(jiàn)表1和圖3，其中表1為渝北-鄰水地區(qū)黃龍組古巖溶儲(chǔ)層鍶同位素組成特征。
1) 微晶灰?guī)r87Sr/86Sr變化范圍為0.709114～0.713830，平均值為0.711716。泥-微晶白云巖87Sr/86Sr變化范圍為0.709178～0.710546，平均值0.709871。兩者總的平均值為0.710789，可代表渝北-鄰水地區(qū)黃龍組87Sr/86Sr比值的背景值，與筆者早期取得的川東北地區(qū)黃龍組背景值[3]相一致，明顯高于Veizer等建立的全球晚石炭世海相灰?guī)r0.70812～0.70857的變化范圍[10]，更高于華南同時(shí)期海相灰?guī)r0.70732～0.70757的變化范圍[11](圖3)。
 
 

2)伴隨溶蝕強(qiáng)度的加大，87Sr/86Sr比值同步加大變化趨勢(shì)明顯。(圖3)，其中：弱溶蝕強(qiáng)度的巖溶巖變化范圍為0.709150～0.719040，平均值0.711779，略高于背景值；中等溶蝕強(qiáng)度的多孔狀巖溶巖變化范圍為0.709068～0.715700，平均值0.712071，明顯高于背景值；強(qiáng)溶蝕強(qiáng)度的白云質(zhì)巖溶角礫巖變化范圍為0.711870～0.713990，平均值0.712780，遠(yuǎn)高于背景值，其中巖溶角礫巖中的基質(zhì)87Sr/86Sr比值又略高于角礫。
3) 次生晶?；?guī)r87Sr/86Sr變化范圍為0.709640～0.710650，平均值0.710145。次生灰質(zhì)巖溶角礫巖87Sr/86Sr變化范圍最大，為0.706510～0.712270，平均值0.709127，與次生晶?；?guī)r相接近(圖3)，兩者的總平均值為0.709636，與微晶白云巖基本一致，略低于背景值，也為各類型樣品的最低值。
4) 淡水方解石膠結(jié)物87Sr/86Sr變化范圍較小，為0.710110～0.711353，平均值為0.710732，與背景值近一致(圖3)；淡水白云石膠結(jié)物87Sr/86Sr變化范圍極大，為0.711538～0.718870，平均值為0.713512，遠(yuǎn)高于淡水方解石膠結(jié)物和其他各類巖溶巖，為所有樣品的最高值(圖3)。
2.2 鍶同位素地球化學(xué)特征的成因解釋
由以上各類巖溶巖和膠結(jié)物的鍶同位素地球化學(xué)特征，結(jié)合古地理背景和碳、氧同位素地球化學(xué)特征，對(duì)黃龍組古巖溶儲(chǔ)層高87Sr/86Sr比值的地球化學(xué)異常特征作出如下成因解釋：
1) 包括渝北和川東地區(qū)在內(nèi)，黃龍組本身所具有的很高87Sr/86Sr背景值(0.710789)，進(jìn)一步論證了渝北、川東及川東北地區(qū)的“黃龍組沉積期為一個(gè)被古陸圍限的局限海灣，大量來(lái)自古陸富87Sr的陸殼鍶隨地表徑流進(jìn)入沉積盆地，由于同位素質(zhì)量平衡效應(yīng)造成海水87Sr/86Sr比值大幅度升高并保留在碳酸鹽巖地層中而具有高87Sr/86Sr背景值[1]”，由此決定了黃龍組各類巖溶巖和膠結(jié)物都具有較高和很高87Sr/86Sr比值的地球化學(xué)基本特征。
2) 伴隨未溶蝕的白云巖→弱溶蝕的白云巖→中等溶蝕的多孔狀顆粒或晶粒白云巖→強(qiáng)烈溶蝕的巖溶角礫巖的溶蝕強(qiáng)度加大，87Sr/86Sr比值呈依次遞增的演化趨勢(shì)，說(shuō)明古陸地水下在滲流和活躍潛流溶蝕基質(zhì)巖的過(guò)程中，被溶蝕的白云質(zhì)基質(zhì)巖對(duì)87Sr有富集作用，是造成早、中巖溶期滲流-活躍潛流帶各類白云質(zhì)巖溶巖高87Sr/86Sr比值，以及伴隨溶蝕強(qiáng)度加大，87Sr/86Sr比值呈同步增高變化趨勢(shì)的主要原因。其中中-強(qiáng)溶蝕強(qiáng)度的白云質(zhì)巖溶巖87Sr/86Sr比值明顯高于背景值和弱溶蝕白云巖的異常富集現(xiàn)象，被認(rèn)為與該類型白云質(zhì)巖溶巖產(chǎn)于活躍潛流帶有關(guān)。其成因被解釋為：由于活躍潛流溶蝕帶是周圍大面積古陸地下水的匯集與排泄帶，流體中含有大量古陸硅鋁質(zhì)巖石風(fēng)化供給的富87Sr的陸殼鍶，流體中87Sr/86Sr比值高，在其強(qiáng)烈溶蝕白云質(zhì)基質(zhì)巖和白云石重結(jié)晶過(guò)程中，由同位素質(zhì)量平衡效應(yīng)促使流體中的87Sr置換白云石中的86Sr而具有高87Sr/86Sr比值異常[3]。
3) 白云質(zhì)巖溶角礫巖的基質(zhì)組分87Sr/86Sr比值高于角礫，說(shuō)明溶蝕過(guò)程中細(xì)粒物質(zhì)對(duì)87Sr的富集作用更強(qiáng)，其原因無(wú)疑與水-巖反應(yīng)過(guò)程中細(xì)粒物質(zhì)具有更大的比表面積和重結(jié)晶作用，被捕獲在晶體中的87Sr更多有關(guān)。此特點(diǎn)可說(shuō)明有關(guān)黃龍組古巖溶儲(chǔ)層的3個(gè)重要地質(zhì)-地球化學(xué)問(wèn)題：①進(jìn)一步證明了黃龍組儲(chǔ)層是古巖溶作用的產(chǎn)物；②造成黃龍組古巖溶儲(chǔ)層高87Sr/86Sr比值的原因，除了與黃龍組高87Sr/86Sr比值的地層背景條件有關(guān)外，更重要的是參與巖溶作用的古陸地下具有富87Sr的性質(zhì)；③水-巖反應(yīng)過(guò)程中占云石具有對(duì)87 Sr“捕獲”能力很強(qiáng)的正偏移同位素分餾效應(yīng)。
4) 溶蝕交代最強(qiáng)烈的次生灰質(zhì)巖溶巖的87Sr/86Sr比值與背景值非常接近，說(shuō)明去膏去云化形成的巖溶巖相對(duì)于背景值的鍶同位素變化不大，有兩個(gè)可能的成因解釋：①早、中期滲流-活躍潛流帶溶蝕過(guò)程中由各類白云質(zhì)巖溶巖對(duì)87Sr的富集作用，同時(shí)也降低了巖溶流體本身的87Sr/86Sr比值。因此，于溶蝕晚期靜滯潛流帶形成的次生灰質(zhì)巖溶巖具有低的87Sr/86Sr比值；②由去膏去云化作用造成流體中具備原始地層87Sr/86Sr背景值的溶解物資含量極高，掩蓋了陸殼鍶對(duì)巖溶流體中鍶同位素組成特征及其變化的影響。因此，在去膏去云化過(guò)程中沉淀的次生方解石繼承了原始地層背景值，此特征與次生灰質(zhì)巖溶巖主要形成于高礦化度的靜滯潛流帶是相一致的，在其結(jié)晶沉淀的水～巖反應(yīng)過(guò)程中缺乏對(duì)87Sr富集的正偏移同位素分餾效應(yīng)。
5) 淡水白云石膠結(jié)物具有很強(qiáng)陸殼鍶影響的高87Sr/86Sr比值異常，而淡水方解石膠結(jié)物與背景值和次生灰質(zhì)巖溶巖近于一致，顯示很弱的陸殼鍶影響，此現(xiàn)象可印證上述認(rèn)識(shí)：①巖溶流體中具原始地層背景值的溶解物質(zhì)含量高；②方解石完全不同于白云石，其結(jié)晶沉淀過(guò)程缺乏同位素分餾效應(yīng)；③白云石沉淀過(guò)程中具有對(duì)87Sr“捕獲”能力很強(qiáng)的正偏移同位素分餾效應(yīng)。
3 認(rèn)識(shí)和討論
綜上所述，渝北-鄰水地區(qū)黃龍組古巖溶儲(chǔ)層鍶同位素地球化學(xué)特征如下：①各類巖溶巖的鍶同位素地球化學(xué)特征明顯受巖溶過(guò)程中古水文條件、流體性質(zhì)、同位素來(lái)源及其分餾效應(yīng)控制；②伴隨滲流帶-活躍潛流帶-靜滯潛流帶的溶蝕強(qiáng)度加大，對(duì)應(yīng)的87Sr/86Sr比值具有從滲流帶-活躍潛流帶的正偏移，至靜滯潛流帶轉(zhuǎn)化為強(qiáng)烈負(fù)偏移的演化趨勢(shì)，與儲(chǔ)層物性由差變好至重新變差的演化趨勢(shì)有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系；③各類巖溶巖和膠結(jié)物的鍶穩(wěn)定同位素特征，可作為判斷古巖溶儲(chǔ)層形成過(guò)程中的流體性質(zhì)和劃分古巖溶期次與溶蝕帶的依據(jù)，為預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)古巖溶儲(chǔ)層發(fā)育條件及時(shí)空展布規(guī)律提供地球化學(xué)信息；④在同一巖溶水流體的水-巖反應(yīng)體系中，方解石缺乏鍶同位素分餾效應(yīng)，而白云石具有對(duì)87Sr很強(qiáng)“捕獲”能力的鍶同位素正偏移分餾效應(yīng)，此現(xiàn)象是否具有普遍性和科學(xué)性，是一個(gè)值得進(jìn)一步探索的重要地質(zhì)-地球化學(xué)問(wèn)題。
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(本文作者：鄭榮才1 鄭超2 胡忠貴1 陳守春2 1.成都理工大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.中國(guó)石油西南油氣田公司重慶氣礦)