川东石炭系古岩溶储层锶同位素地球化学特征

摘 要

摘要：石炭系黄龙组岩溶岩是四川盆地东部渝北-邻水地区天然气藏最重要的储层之一，依据其结构特征，将该岩溶岩系划分为弱溶蚀岩溶岩、中等溶蚀多孔状岩溶岩、强溶蚀角砾状岩溶岩
摘要：石炭系黄龙组岩溶岩是四川盆地东部渝北-邻水地区天然气藏最重要的储层之一，依据其结构特征，将该岩溶岩系划分为弱溶蚀岩溶岩、中等溶蚀多孔状岩溶岩、强溶蚀角砾状岩溶岩和强溶蚀交代次生灰质岩溶岩等4种类型，以及淡水方解石和白云石2种胶结物类型。对各类型样品的锶同位素分析结果表明：①不同成因类型、溶蚀强度、结构和成分特征的岩溶岩与胶结物锶同位素地球化学特征各异，其形成、演化与分布规律明显受古地理背景、流体性质和来源以及锶同位素分馏效应的控制；②岩溶过程中的87Sr/86Sr比值，具有从渗流-活跃潜流带的正偏移，至静滞潜流带逐渐转化为强烈负偏移演化趋势，对应的古岩溶储层物性由差变好至重新变差；③溶蚀过程中，白云质岩溶岩和淡水白云石胶结物对87Sr有很强的正偏移同位素分馏效应，而次生灰质岩溶岩和淡水方解石胶结物缺乏锶同位素分馏效应。
关键词：四川盆地东；渝北；邻水地区；晚石炭世；古岩溶；锶同位素；地球化学特征；喀斯特
0 前言
    碳酸盐矿物锶同位素地球化学特征是碳酸盐岩成因分析最重要的证据之一[1～2]，近年来国外将锶同位素地球化学特征广泛地应用于碳酸盐岩石学、岩相古地理和储层地质学等研究领域中，而将其应用到碳酸盐岩古岩溶储层中的成果则很少[3～4]。笔者仅就渝北-邻水地区上石炭统黄龙组古岩溶储层的锶同位素特征对岩溶过程的流体性质和古水文条件展开讨论，为预测和评价此类储层提供有关的地质-地球化学信息。
    位于四川盆地东部的渝北-邻水地区在范围上包括重庆市的渝北区、北碚区和四川省的邻水县与华蓥山市，面积约3900km2(图1)。上石炭统黄龙组为该地区天然气主要产层，储层属于古岩溶成因类型[5～7]，区内发育有邻北、板东、板桥、座洞崖、铜锣峡、相国寺和环山等众多次一级构造控制的黄龙组气藏，具备很大的勘探开发潜力。研究区石炭系受海西早期强烈构造隆封和侵蚀作用，只残存了不完整的上石炭统黄龙组拱不整合超覆在中志留统韩家店组暗色泥页岩之上，顶面被下二叠统梁山组煤系地层超覆，自下而上被划分为3个岩性和岩相截然不同的岩性段[8](图2)。
 

1 黄龙组岩溶岩分类及特征
关于古岩溶的定义存在一定的分歧，笔者将包括渝北地区在内的四川盆地东部地区于晚石炭世发生的大规模岩溶作用，确定其为与云南运动构造隆升事件有关的区域性古岩溶类型[6]。
1.1 岩溶岩系
按岩溶强度和产物将黄龙组岩溶岩划分为以下4种类型：
1.1.1弱溶蚀岩溶岩
此类型是较致密的颗粒或晶粒白云岩遭受早期渗流带大气水轻微溶蚀作用的产物，物性较差，仅发育少量溶孔和溶缝，孔隙度为2%～5%，渗透率为0.1×10-3～1×10-3μm2，为裂缝型低孔、低渗储集岩，主要发育于C2h3段。
1.1.2中等溶蚀多孔状岩溶岩
该类溶岩是颗粒或晶粒白云岩遭受早-中期渗流-活跃潜流带大气水连续溶蚀作用的产物[5～6]，各种溶孔、溶洞、溶缝和构造裂缝都较发育。孔隙度为6%～16%，渗透率为10×10-3～100×10-3μm2，连通性和物性普遍较好，多数属于裂缝-孔隙型中-高孔、中-高渗储集岩。渝北-邻水地区黄龙组气藏主力产层的储层大多数为此类型，主要发育于C2h2段。
1.1.3强溶蚀角砾状岩溶岩
充填洞穴的岩溶角砾岩，是基质岩在中-晚期活跃潜流带大气水连续强烈溶蚀垮塌后的洞穴原地堆积体，或为暗河搬运堆积的产物。角砾成分视溶蚀层位的岩性而定嘲，可细分为灰质岩溶角砾岩、白云质岩溶角砾岩、次生灰质岩溶角砾岩和复成分岩溶角砾岩。角砾中常发育有较多溶孔和溶缝，一般以白云质角砾的溶蚀孔、缝更发育。因此白云质岩溶角砾岩储集物性较好，孔隙度为6%～12%，渗透率为(1～10)×10-3μm2，以裂缝-孔隙型中孔、中-低渗储层为主，为黄龙组气藏次要储层类型，于各岩性段都有发育，但以C2h2段的白云质岩溶角砾岩最为发育。
1.1.4强溶蚀交代的次生灰质岩溶岩
此类型仅发育于C2h1段，为膏云质或云膏质蒸发岩在活跃-静滞潜流带经晚期大气水强烈溶蚀和发生连续去膏去云化和原地角砾化、垮塌及充填洞穴的系列岩溶作用产物[5]，在次生晶粒灰岩中往往发育有残余的斑马构造和铁丝鸡笼构造。由于此两类岩溶岩的溶蚀孔、洞、缝大多数被晚期方解石强烈充填，孔隙度仅为1%～4%，渗透率小于等于1×10-3μm2，物性差，以裂缝型低孔低渗储层为主。
1.2 胶结物
主要为淡水方解石和淡水白云石两种矿物，前者呈晶簇状或等轴粒状集合体，以充填角砾间的空隙和较大溶蚀孔、洞、缝为主，大多数属于渗流-活跃潜流带沉淀物，局部呈连晶块状，属于静滞潜流带沉淀物；后者多以明亮的自形晶出现，多为渗流带大气水沉淀物，常与方解石胶结物共生。
1.3 非岩溶岩
包括未溶蚀的正常海相泥-微晶灰岩和萨勃哈环境的微晶白云岩，此两类样品的分析结果，主要用作为代表地层锶同位素背景值和描述与对比岩溶岩系溶蚀过程中锶同位素变化规律的参照物。
2 黄龙组岩溶岩锶稳定同位素地球化学特征
依据蚀变碳酸盐矿物的锶同位素主要取决于流体中的87Sr/86Sr比值的原理[9]研究古岩溶作用的文献资料很少，笔者在早期对川东地区黄龙组古岩溶储层锶同位素地球化学特征研究的基础上[3]，对渝北-邻水地区开展更加深入的分析，在取得类似研究成果的基础上又取得了一些新认识。
2.1 样品分析结果
对研究区内的62件样品进行分析。测试仪器为MAT252气体同位素质谱仪；实验条件：温度22℃，湿度50%；检测标准：美国国家标准局标准样品NBS 987。分析结果见表1和图3，其中表1为渝北-邻水地区黄龙组古岩溶储层锶同位素组成特征。
1) 微晶灰岩87Sr/86Sr变化范围为0.709114～0.713830，平均值为0.711716。泥-微晶白云岩87Sr/86Sr变化范围为0.709178～0.710546，平均值0.709871。两者总的平均值为0.710789，可代表渝北-邻水地区黄龙组87Sr/86Sr比值的背景值，与笔者早期取得的川东北地区黄龙组背景值[3]相一致，明显高于Veizer等建立的全球晚石炭世海相灰岩0.70812～0.70857的变化范围[10]，更高于华南同时期海相灰岩0.70732～0.70757的变化范围[11](图3)。
 
 

2)伴随溶蚀强度的加大，87Sr/86Sr比值同步加大变化趋势明显。(图3)，其中：弱溶蚀强度的岩溶岩变化范围为0.709150～0.719040，平均值0.711779，略高于背景值；中等溶蚀强度的多孔状岩溶岩变化范围为0.709068～0.715700，平均值0.712071，明显高于背景值；强溶蚀强度的白云质岩溶角砾岩变化范围为0.711870～0.713990，平均值0.712780，远高于背景值，其中岩溶角砾岩中的基质87Sr/86Sr比值又略高于角砾。
3) 次生晶粒灰岩87Sr/86Sr变化范围为0.709640～0.710650，平均值0.710145。次生灰质岩溶角砾岩87Sr/86Sr变化范围最大，为0.706510～0.712270，平均值0.709127，与次生晶粒灰岩相接近(图3)，两者的总平均值为0.709636，与微晶白云岩基本一致，略低于背景值，也为各类型样品的最低值。
4) 淡水方解石胶结物87Sr/86Sr变化范围较小，为0.710110～0.711353，平均值为0.710732，与背景值近一致(图3)；淡水白云石胶结物87Sr/86Sr变化范围极大，为0.711538～0.718870，平均值为0.713512，远高于淡水方解石胶结物和其他各类岩溶岩，为所有样品的最高值(图3)。
2.2 锶同位素地球化学特征的成因解释
由以上各类岩溶岩和胶结物的锶同位素地球化学特征，结合古地理背景和碳、氧同位素地球化学特征，对黄龙组古岩溶储层高87Sr/86Sr比值的地球化学异常特征作出如下成因解释：
1) 包括渝北和川东地区在内，黄龙组本身所具有的很高87Sr/86Sr背景值(0.710789)，进一步论证了渝北、川东及川东北地区的“黄龙组沉积期为一个被古陆围限的局限海湾，大量来自古陆富87Sr的陆壳锶随地表径流进入沉积盆地，由于同位素质量平衡效应造成海水87Sr/86Sr比值大幅度升高并保留在碳酸盐岩地层中而具有高87Sr/86Sr背景值[1]”，由此决定了黄龙组各类岩溶岩和胶结物都具有较高和很高87Sr/86Sr比值的地球化学基本特征。
2) 伴随未溶蚀的白云岩→弱溶蚀的白云岩→中等溶蚀的多孔状颗粒或晶粒白云岩→强烈溶蚀的岩溶角砾岩的溶蚀强度加大，87Sr/86Sr比值呈依次递增的演化趋势，说明古陆地水下在渗流和活跃潜流溶蚀基质岩的过程中，被溶蚀的白云质基质岩对87Sr有富集作用，是造成早、中岩溶期渗流-活跃潜流带各类白云质岩溶岩高87Sr/86Sr比值，以及伴随溶蚀强度加大，87Sr/86Sr比值呈同步增高变化趋势的主要原因。其中中-强溶蚀强度的白云质岩溶岩87Sr/86Sr比值明显高于背景值和弱溶蚀白云岩的异常富集现象，被认为与该类型白云质岩溶岩产于活跃潜流带有关。其成因被解释为：由于活跃潜流溶蚀带是周围大面积古陆地下水的汇集与排泄带，流体中含有大量古陆硅铝质岩石风化供给的富87Sr的陆壳锶，流体中87Sr/86Sr比值高，在其强烈溶蚀白云质基质岩和白云石重结晶过程中，由同位素质量平衡效应促使流体中的87Sr置换白云石中的86Sr而具有高87Sr/86Sr比值异常[3]。
3) 白云质岩溶角砾岩的基质组分87Sr/86Sr比值高于角砾，说明溶蚀过程中细粒物质对87Sr的富集作用更强，其原因无疑与水-岩反应过程中细粒物质具有更大的比表面积和重结晶作用，被捕获在晶体中的87Sr更多有关。此特点可说明有关黄龙组古岩溶储层的3个重要地质-地球化学问题：①进一步证明了黄龙组储层是古岩溶作用的产物；②造成黄龙组古岩溶储层高87Sr/86Sr比值的原因，除了与黄龙组高87Sr/86Sr比值的地层背景条件有关外，更重要的是参与岩溶作用的古陆地下具有富87Sr的性质；③水-岩反应过程中占云石具有对87 Sr“捕获”能力很强的正偏移同位素分馏效应。
4) 溶蚀交代最强烈的次生灰质岩溶岩的87Sr/86Sr比值与背景值非常接近，说明去膏去云化形成的岩溶岩相对于背景值的锶同位素变化不大，有两个可能的成因解释：①早、中期渗流-活跃潜流带溶蚀过程中由各类白云质岩溶岩对87Sr的富集作用，同时也降低了岩溶流体本身的87Sr/86Sr比值。因此，于溶蚀晚期静滞潜流带形成的次生灰质岩溶岩具有低的87Sr/86Sr比值；②由去膏去云化作用造成流体中具备原始地层87Sr/86Sr背景值的溶解物资含量极高，掩盖了陆壳锶对岩溶流体中锶同位素组成特征及其变化的影响。因此，在去膏去云化过程中沉淀的次生方解石继承了原始地层背景值，此特征与次生灰质岩溶岩主要形成于高矿化度的静滞潜流带是相一致的，在其结晶沉淀的水～岩反应过程中缺乏对87Sr富集的正偏移同位素分馏效应。
5) 淡水白云石胶结物具有很强陆壳锶影响的高87Sr/86Sr比值异常，而淡水方解石胶结物与背景值和次生灰质岩溶岩近于一致，显示很弱的陆壳锶影响，此现象可印证上述认识：①岩溶流体中具原始地层背景值的溶解物质含量高；②方解石完全不同于白云石，其结晶沉淀过程缺乏同位素分馏效应；③白云石沉淀过程中具有对87Sr“捕获”能力很强的正偏移同位素分馏效应。
3 认识和讨论
综上所述，渝北-邻水地区黄龙组古岩溶储层锶同位素地球化学特征如下：①各类岩溶岩的锶同位素地球化学特征明显受岩溶过程中古水文条件、流体性质、同位素来源及其分馏效应控制；②伴随渗流带-活跃潜流带-静滞潜流带的溶蚀强度加大，对应的87Sr/86Sr比值具有从渗流带-活跃潜流带的正偏移，至静滞潜流带转化为强烈负偏移的演化趋势，与储层物性由差变好至重新变差的演化趋势有很好的对应关系；③各类岩溶岩和胶结物的锶稳定同位素特征，可作为判断古岩溶储层形成过程中的流体性质和划分古岩溶期次与溶蚀带的依据，为预测和评价古岩溶储层发育条件及时空展布规律提供地球化学信息；④在同一岩溶水流体的水-岩反应体系中，方解石缺乏锶同位素分馏效应，而白云石具有对87Sr很强“捕获”能力的锶同位素正偏移分馏效应，此现象是否具有普遍性和科学性，是一个值得进一步探索的重要地质-地球化学问题。
参考文献
[1] DANIEL W MULLER，JUDITH A MCKENZIE，PAUL A MUELLER. Abu Dhabi Sabkha. Persian Gulf，revisited：Application of strontium isotopes to test an early dolomitization model[J].Geology，1990，18(7)：618-621.
[2] 黄思静，HAIRUO QING，裴昌蓉，等.川东三叠系飞仙关组白云岩与白云石化流体[J].岩石学报，2006，22(8)：2123-2132.
[3] 郑荣才，陈洪德，张哨楠，等.川东黄龙组古岩溶储层的稳定同位素和流体性质[J].地球科学：中国地质大学学报，1997，22(4)：424-428.
[4] 张涛，云露，邬兴威，等.锶同位素在塔河古岩溶期次划分中的应用[J].石油实验地质，2005，27(3)：299-303.
[5] 郑荣才，张哨楠，李德敏.川东黄龙组角砾岩成因及其研究意义[J].成都理工学院学报，1996，23(1)：8-18.
[6] 郑荣才，彭军，高红灿.渝东黄龙组碳酸盐岩储层的古岩溶特征和岩溶旋回[J].地质地球化学，2003，31(1)：28-35.
[7] 康玉柱.中国古生代碳酸盐岩古岩溶储集特征与油气分布[J].天然气工业，2008，28(6)：1-12.
[8] 郑荣才，李德敏，张哨楠.川东黄龙组天然气储层的层序地层学研究[J].沉积学报，1995，13(增刊)：1-9.
[9] VEIZER J. Possible use of strontium in sedimentary carbonate rocks as a paleo-environmental indicator[J].Sedimentary Geology，1975，5(1)：5-22.
[10] VEIZER J，DEMOVI L R，TURAN J.87Sr/86Sr，13C and 18O evolution of Phanerozoic seawater[J].Chemical Geology，1999，161(1/3)：58-88.
[11] 黄思静，石和，张萌，等.上扬子石炭-二叠纪海相碳酸盐的锶同位素演化与全球海平面变化[J].沉积学报，2001，19(4)：481-487.
 
(本文作者：郑荣才1 郑超2 胡忠贵1 陈守春2 1.成都理工大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室；2.中国石油西南油气田公司重庆气矿)