川東石炭系古巖溶儲層鍶同位素地球化學特征

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層之一，依據(jù)其結構特征，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層之一，依據(jù)其結構特征，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、強溶蝕角礫狀巖溶巖和強溶蝕交代次生灰質巖溶巖等4種類型，以及淡水方解石和白云石2種膠結物類型。對各類型樣品的鍶同位素分析結果表明：①不同成因類型、溶蝕強度、結構和成分特征的巖溶巖與膠結物鍶同位素地球化學特征各異，其形成、演化與分布規(guī)律明顯受古地理背景、流體性質和來源以及鍶同位素分餾效應的控制；②巖溶過程中的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化為強烈負偏移演化趨勢，對應的古巖溶儲層物性由差變好至重新變差；③溶蝕過程中，白云質巖溶巖和淡水白云石膠結物對87Sr有很強的正偏移同位素分餾效應，而次生灰質巖溶巖和淡水方解石膠結物缺乏鍶同位素分餾效應。
關鍵詞：四川盆地東；渝北；鄰水地區(qū)；晚石炭世；古巖溶；鍶同位素；地球化學特征；喀斯特
0 前言
    碳酸鹽礦物鍶同位素地球化學特征是碳酸鹽巖成因分析最重要的證據(jù)之一[1～2]，近年來國外將鍶同位素地球化學特征廣泛地應用于碳酸鹽巖石學、巖相古地理和儲層地質學等研究領域中，而將其應用到碳酸鹽巖古巖溶儲層中的成果則很少[3～4]。筆者僅就渝北-鄰水地區(qū)上石炭統(tǒng)黃龍組古巖溶儲層的鍶同位素特征對巖溶過程的流體性質和古水文條件展開討論，為預測和評價此類儲層提供有關的地質-地球化學信息。
    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)天然氣主要產層，儲層屬于古巖溶成因類型[5～7]，區(qū)內發(fā)育有鄰北、板東、板橋、座洞崖、銅鑼峽、相國寺和環(huán)山等眾多次一級構造控制的黃龍組氣藏，具備很大的勘探開發(fā)潛力。研究區(qū)石炭系受海西早期強烈構造隆封和侵蝕作用，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，確定其為與云南運動構造隆升事件有關的區(qū)域性古巖溶類型[6]。
1.1 巖溶巖系
按巖溶強度和產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)溶蝕作用的產物[5～6]，各種溶孔、溶洞、溶縫和構造裂縫都較發(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-高滲儲集巖。渝北-鄰水地區(qū)黃龍組氣藏主力產層的儲層大多數(shù)為此類型，主要發(fā)育于C2h2段。
1.1.3強溶蝕角礫狀巖溶巖
充填洞穴的巖溶角礫巖，是基質巖在中-晚期活躍潛流帶大氣水連續(xù)強烈溶蝕垮塌后的洞穴原地堆積體，或為暗河搬運堆積的產物。角礫成分視溶蝕層位的巖性而定嘲，可細分為灰質巖溶角礫巖、白云質巖溶角礫巖、次生灰質巖溶角礫巖和復成分巖溶角礫巖。角礫中常發(fā)育有較多溶孔和溶縫，一般以白云質角礫的溶蝕孔、縫更發(fā)育。因此白云質巖溶角礫巖儲集物性較好，孔隙度為6%～12%，滲透率為(1～10)×10-3μm2，以裂縫-孔隙型中孔、中-低滲儲層為主，為黃龍組氣藏次要儲層類型，于各巖性段都有發(fā)育，但以C2h2段的白云質巖溶角礫巖最為發(fā)育。
1.1.4強溶蝕交代的次生灰質巖溶巖
此類型僅發(fā)育于C2h1段，為膏云質或云膏質蒸發(fā)巖在活躍-靜滯潛流帶經晚期大氣水強烈溶蝕和發(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物[5]，在次生晶?；?guī)r中往往發(fā)育有殘余的斑馬構造和鐵絲雞籠構造。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層為主。
1.2 膠結物
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果，主要用作為代表地層鍶同位素背景值和描述與對比巖溶巖系溶蝕過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資料很少，筆者在早期對川東地區(qū)黃龍組古巖溶儲層鍶同位素地球化學特征研究的基礎上[3]，對渝北-鄰水地區(qū)開展更加深入的分析，在取得類似研究成果的基礎上又取得了一些新認識。
2.1 樣品分析結果
對研究區(qū)內的62件樣品進行分析。測試儀器為MAT252氣體同位素質譜儀；實驗條件：溫度22℃，濕度50%；檢測標準：美國國家標準局標準樣品NBS 987。分析結果見表1和圖3，其中表1為渝北-鄰水地區(qū)黃龍組古巖溶儲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]，更高于華南同時期海相灰?guī)r0.70732～0.70757的變化范圍[11](圖3)。
 
 

2)伴隨溶蝕強度的加大，87Sr/86Sr比值同步加大變化趨勢明顯。(圖3)，其中：弱溶蝕強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；強溶蝕強度的白云質巖溶角礫巖變化范圍為0.711870～0.713990，平均值0.712780，遠高于背景值，其中巖溶角礫巖中的基質87Sr/86Sr比值又略高于角礫。
3) 次生晶粒灰?guī)r87Sr/86Sr變化范圍為0.709640～0.710650，平均值0.710145。次生灰質巖溶角礫巖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)；淡水白云石膠結物87Sr/86Sr變化范圍極大，為0.711538～0.718870，平均值為0.713512，遠高于淡水方解石膠結物和其他各類巖溶巖，為所有樣品的最高值(圖3)。
2.2 鍶同位素地球化學特征的成因解釋
由以上各類巖溶巖和膠結物的鍶同位素地球化學特征，結合古地理背景和碳、氧同位素地球化學特征，對黃龍組古巖溶儲層高87Sr/86Sr比值的地球化學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，黃龍組本身所具有的很高87Sr/86Sr背景值(0.710789)，進一步論證了渝北、川東及川東北地區(qū)的“黃龍組沉積期為一個被古陸圍限的局限海灣，大量來自古陸富87Sr的陸殼鍶隨地表徑流進入沉積盆地，由于同位素質量平衡效應造成海水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物都具有較高和很高87Sr/86Sr比值的地球化學基本特征。
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→強烈溶蝕的巖溶角礫巖的溶蝕強度加大，87Sr/86Sr比值呈依次遞增的演化趨勢，說明古陸地水下在滲流和活躍潛流溶蝕基質巖的過程中，被溶蝕的白云質基質巖對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巖溶巖高87Sr/86Sr比值，以及伴隨溶蝕強度加大，87Sr/86Sr比值呈同步增高變化趨勢的主要原因。其中中-強溶蝕強度的白云質巖溶巖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，被認為與該類型白云質巖溶巖產于活躍潛流帶有關。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巖石風化供給的富87Sr的陸殼鍶，流體中87Sr/86Sr比值高，在其強烈溶蝕白云質基質巖和白云石重結晶過程中，由同位素質量平衡效應促使流體中的87Sr置換白云石中的86Sr而具有高87Sr/86Sr比值異常[3]。
3) 白云質巖溶角礫巖的基質組分87Sr/86Sr比值高于角礫，說明溶蝕過程中細粒物質對87Sr的富集作用更強，其原因無疑與水-巖反應過程中細粒物質具有更大的比表面積和重結晶作用，被捕獲在晶體中的87Sr更多有關。此特點可說明有關黃龍組古巖溶儲層的3個重要地質-地球化學問題：①進一步證明了黃龍組儲層是古巖溶作用的產物；②造成黃龍組古巖溶儲層高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外，更重要的是參與巖溶作用的古陸地下具有富87Sr的性質；③水-巖反應過程中占云石具有對87 Sr“捕獲”能力很強的正偏移同位素分餾效應。
4) 溶蝕交代最強烈的次生灰質巖溶巖的87Sr/86Sr比值與背景值非常接近，說明去膏去云化形成的巖溶巖相對于背景值的鍶同位素變化不大，有兩個可能的成因解釋：①早、中期滲流-活躍潛流帶溶蝕過程中由各類白云質巖溶巖對87Sr的富集作用，同時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，在其結晶沉淀的水～巖反應過程中缺乏對87Sr富集的正偏移同位素分餾效應。
5) 淡水白云石膠結物具有很強陸殼鍶影響的高87Sr/86Sr比值異常，而淡水方解石膠結物與背景值和次生灰質巖溶巖近于一致，顯示很弱的陸殼鍶影響，此現(xiàn)象可印證上述認識：①巖溶流體中具原始地層背景值的溶解物質含量高；②方解石完全不同于白云石，其結晶沉淀過程缺乏同位素分餾效應；③白云石沉淀過程中具有對87Sr“捕獲”能力很強的正偏移同位素分餾效應。
3 認識和討論
綜上所述，渝北-鄰水地區(qū)黃龍組古巖溶儲層鍶同位素地球化學特征如下：①各類巖溶巖的鍶同位素地球化學特征明顯受巖溶過程中古水文條件、流體性質、同位素來源及其分餾效應控制；②伴隨滲流帶-活躍潛流帶-靜滯潛流帶的溶蝕強度加大，對應的87Sr/86Sr比值具有從滲流帶-活躍潛流帶的正偏移，至靜滯潛流帶轉化為強烈負偏移的演化趨勢，與儲層物性由差變好至重新變差的演化趨勢有很好的對應關系；③各類巖溶巖和膠結物的鍶穩(wěn)定同位素特征，可作為判斷古巖溶儲層形成過程中的流體性質和劃分古巖溶期次與溶蝕帶的依據(jù)，為預測和評價古巖溶儲層發(fā)育條件及時空展布規(guī)律提供地球化學信息；④在同一巖溶水流體的水-巖反應體系中，方解石缺乏鍶同位素分餾效應，而白云石具有對87Sr很強“捕獲”能力的鍶同位素正偏移分餾效應，此現(xiàn)象是否具有普遍性和科學性，是一個值得進一步探索的重要地質-地球化學問題。
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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“油氣藏地質及開發(fā)工程”國家重點實驗室；2.中國石油西南油氣田公司重慶氣礦)