塔東古城地區奧陶系碳酸鹽巖中鈉長石的發現及其地質意義

邵紅梅，馮子輝，李國蓉，盧 曦，孟祥豪

（1.中國地質大學（北京）能源學院，北京 100083； 2.大慶油田有限責任公司 勘探開發研究院，黑龍江 大慶163712； 3.成都理工大學 能源學院，四川 成都 610059）

0 引言

人們研究塔里木盆地東部地區下古生界碳酸鹽巖地層的熱液地質作用，認為熱液作用使灰巖或早期生成的白云巖地層發生大面積的熱液白云化作用，并以生成馬鞍狀白云石為識別熱液白云化的典型特征[1－6].熱液流體隨著溫度和壓力降低還將沉淀一些熱液礦物組合，如石英—黃鐵礦組合、綠泥石—方解石組合、石英—天青石組合等[7].在碳酸鹽巖地層研究中，普遍關注熱液成因白云石而忽略鈉長石，還未見將鈉長石作為熱液礦物的報道.鈉長石通常是巖漿期后熱液作用的產物，具有典型的成因指示意義.

在對塔里木盆地古城地區下古生界碳酸鹽巖儲層成巖作用研究中，筆者借助自生礦物成分分析，發現奧陶系灰巖含有較多的鈉長石自生礦物，通過顯微鏡下礦物光學性質精細鑒定、陰極發光特征分析、包裹體均一溫度測試，分析鈉長石的發現、發育分布特征、形成機制和對碳酸鹽巖儲層的影響，為研究熱液作用期次和熱液演化史提供巖石礦物學依據.

1 研究區地質背景

古城地區為大慶油田塔東區塊下古生界碳酸鹽巖油氣勘探的主力地區，位于塔里木盆地北部坳陷區中南部，東部與塔東隆起相鄰，西部與塔中隆起相接（見圖1），面積約為6 100km2，古城低凸起寒武系—中下奧陶統為北西傾伏的碳酸鹽巖大型寬緩鼻狀構造，被北東向斷裂切割成塹壘相間的斷塊構造格局[8].以塔中I號斷裂為界，下古生界由西南向東北埋深逐漸加大，東部發育一系列寒武系—下奧陶統臺地邊緣相帶.在構造上，古城低凸起為塔中隆起的東部傾末端，與塔中隆起具有相同的演化史，也經歷加里東、海西、印支—燕山和喜山等多期構造運動[9]，發育系列北東向展布的高角度斷層，形成斷塊、斷鼻構造，以及少量近南北向和北北東向斷層；南部受車爾臣斷裂影響劇烈，發育一系列復雜沖斷構造；中北部受車爾臣斷裂影響相對較弱，斷鼻圈閉較為平緩[10].地震和鉆井資料揭示，古城地區地層自上而下為第四系、第三系、白堊系、三疊系、石炭系、奧陶系和寒武系.奧陶系一間房組巖性以亮晶砂屑礫屑灰巖、亮晶鮞粒砂屑灰巖為主；鷹山組上部巖性以泥晶灰巖、亮晶砂屑灰巖為主；鷹山組下部巖性為亮晶砂屑灰巖、微晶灰巖、云灰巖或灰云巖互層；蓬萊壩組上部巖性以中—細晶（含灰或灰質）白云巖為主，下部發育大段致密灰色灰巖.中下奧陶統—寒武系碳酸鹽巖為古城地區的主要勘探目的層.

圖1 古城地區構造Fig.1 Regional structures of Gucheng area

2 鈉長石成分與分布特征

灰巖的主要礦物成分為方解石，其他礦物質量分數一般不超過5%，黏土礦物、石英粉砂、鐵質微粒、海綠石和有機質等較為常見.在對古城6、古城7和古城8井的巖心、井壁取心和巖屑等薄片的鑒定過程中，發現中下奧陶統灰巖中較普遍地發育一種自生的板條狀細小晶體.經過偏光顯微鏡鑒定和電子探針成分分析，確定為自生鈉長石晶體.

2.1 鈉長石成分

首先通過偏光顯微鏡觀察和光學性質測量，該自生礦物在顯微鏡下具有典型的板條狀晶形（見圖2），長度為0.08～0.25mm，寬度為0.04mm；為負延性，低負突起，Ⅰ級灰白—黃白干涉色，正交偏光下呈現明暗相間交替的聚片消光，即為聚片雙晶，也稱為鈉長石雙晶（見圖2（f）），與鈉長石的光學性質一致.

然后為確定該自生礦物的化學成分，在顯微鏡下挑選樣品，圈定分析位置，送往成都理工大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，進行電子探針成分分析（結果見表1），分析儀器為日本島津EMPA1720型電子探針；實驗條件：加速電壓為10kV，束斑為2～3μm，束流為10nA，分析精度為±1%.由表1可見，SiO2的摩爾分數為68.191%～73.242%，Na2O的摩爾分數為10.496%～12.176%，Al2O3的摩爾分數為15.847%～19.191%，K2O和CaO的摩爾分數較低，K2O的摩爾分數為0.003%～0.026%，CaO的摩爾分數為0.361%～0.384%；與鈉長石的理論化學成分（SiO2的摩爾分數為68.700%，Na2O的摩爾分數為11.830%，Al2O3的摩爾分數為19.150%）一致，屬于高鈉長石或歪長石.

2.2 鈉長石分布特征

古城地區中下奧陶統灰巖中鈉長石發育和分布具有獨特性.根據鈉長石發育的產狀，鉆井巖心、井壁取心及巖屑薄片觀察揭示，鈉長石在巖石中的分布方式有偶見分布（見圖2（b））、分散分布（見圖2（a）、（c））、沿縫合線分布（見圖2（d－f））3種.以偶見分布為主要分布方式，質量分數占53.6%以上；其次為分散分布，質量分數占36.0%；少量沿縫合線富集分布，質量分數占10.4%（見圖3（a））.顯微鏡下可見鈉長石主要交代沉積組分，質量分數占81.2%，其中以交代微晶方解石為主（見圖2（a）），質量分數占40.0%；其次為交代藻粘結微晶方解石（見圖2（d））和砂屑微晶方解石（見圖2（b）、（e－f）），質量分數分別為22.8%和22.4%（見圖3（b））.另外，鈉長石也交代部分成巖組分，如粒間海底膠結物方解石（見圖2（b）、（e－f））、窗狀孔洞方解石（見圖2（c））、成巖縫洞方解石，分別占分布比例的6.0%、4.4%、4.4%（見圖3（b））.根據交代的組分，可以判斷鈉長石主要交代微晶方解石等沉積組分和少量海底膠結方解石等早期成巖組分.

圖2 古城地區奧陶系灰巖中鈉長石的顯微鏡下特征Fig.2 Microscopic characteristics of albite in the Ordovician limestone in Gucheng area

表1 古城奧陶系灰巖中鈉長石電子探針分析結果Table 1 EPMA data of albite in the Ordovician limestone in Gucheng area %

根據鈉長石分布井區，鈉長石僅見于研究區相鄰的古城6—古城7—古城8井井區.該井區以東的古城4井、以西的古隆1井和古隆3井中未發現鈉長石；不同井間發育程度略有差異，古城8井所鉆遇的下古生界地層中鈉長石最為發育，古城6井所鉆遇的下古生界地層中鈉長石較為發育，古城7井所鉆遇的下古生界地層中鈉長石發育相對較差.

根據鈉長石分布層位，古城6、古城7和古城8井鈉長石發育分布的統計結果表明（見圖3（c）），鈉長石主要集中發育于中下奧陶統鷹山組，分布比例達到87.2%；其他層位分布相對較少，下奧陶統蓬萊壩組分布比例占7.2%，上寒武統下丘里塔格組分布比例占4.4%，中奧陶統一間房組分布比例占1.2%，分布上具有明顯的層位性.

根據礦物共生組合，在研究區中下奧陶統含鈉長石的250個樣品中，有8個樣品可見鈉長石與鞍狀白云石同時出現，其余樣品中鈉長石分布于灰巖，并且不與其他熱液礦物共生，顯示鈉長石單獨發育的分布特征.

圖3 古城地區鈉長石的產狀、交代組分及分布層位Fig.3 Occurrence and formation distribution of albite in Gucheng area

3 鈉長石形成

鈉長石化作為熱水沉積的標志性礦物，在海底熱液成巖作用中普遍見到，是海底熱液與海水混合后的沉淀物[11－12].海相環境以海水及巖漿水為主要熱水流體來源.通常鈉長石的形成與堿性巖漿活動（特別是火山活動）密切相關[13].

3.1 溫度

熱流體的溫度與其構造背景有關，普通地熱和陸緣海槽、弧后盆地裂谷環境中熱液沉積物多為中低溫組合，溫度在200℃以下；大洋中脊裂谷構造環境中熱液沉積物溫度在200℃以上；與巖漿有關的熱液成因的鈉長石形成溫度在300℃以上[14－15].

為了證實古城地區中下奧陶統灰巖中鈉長石成因，判斷它代表的成巖流體與巖漿熱流體是否有關，對研究區12個奧陶系灰巖樣品中鈉長石鹽水溶液包裹體進行均一溫度測試（見圖4）.鈉長石的形成溫度在340～440℃之間，主要分布在340～360℃之間，其次分布在420～440℃和360～380℃之間（見圖5），鈉長石較高的包裹體溫度特征指示成巖流體具有高溫巖漿熱液的性質.

圖4 古城地區奧陶系灰巖中鈉長石鹽水溶液包裹體Fig.4 The saline water inclusion of albite in the Ordovician limestone in Gucheng area

圖5 古城地區鈉長石鹽水包裹體均一溫度分布Fig.5 Homogenization temperature of saline water inclusion albite in Gucheng area

3.2 機制

顯微鏡下觀察發現，古城地區鈉長石發育分布與其他熱液產物之間沒有伴生關系，主要交代微晶方解石等沉積組分及海底膠結物方解石等早期成巖組分，即鈉長石主要交代的是沉積或同沉積時期的組分.另外，可見鈉長石被熱液鞍狀白云石交代、被構造裂縫及縫合線切割改造的現象（見圖2（e－f）），礦物共生組合和組構特征揭示鈉長石化作用發生時間較早，表明研究區在沉積作用過程中或剛剛沉積后不久的成巖早期階段存在堿性巖漿活動，塔東地區露頭剖面上蓬萊壩組即有輝綠巖發育，也證實早期巖漿活動的可能性.

另外，測井曲線特征揭示，古城6、古城7和古城8井寒武系丘里塔格組、奧陶系蓬萊壩組、鷹山組和一間房組的測井曲線特征（特別是自然伽馬曲線及其能譜曲線）具有相似性，與古城4井測井曲線差異較大（見圖6），由寒武系丘里塔格組到中奧陶統一間房組，古城4井測井曲線自然伽馬值和鈾、釷、鉀值低，曲線較為平滑，其整體為成分較純的碳酸鹽巖，缺乏泥質和巖漿活動的影響；在大致相同的部位，古城6、古城7和古城8井測井曲線自然伽馬值、鈾曲線值、鉀曲線值高的層段，與鈉長石密集發育層段對應關系良好（見圖6），是巖漿活動的反映，古城6、古城7和古城8井所在的較小區域，在奧陶系蓬萊壩組、鷹山組及一間房組下部沉積作用過程中或沉積后不久即受到巖漿活動的影響.

熱液流體的活動極其廣泛，許多沉積盆地發現熱液沉積巖，稱為噴流沉積或噴氣沉積等[16－17].陰極發光顯微分析揭示，研究區灰巖中微晶方解石、成巖縫洞方解石不發光，保留并繼承淺海碳酸鹽巖沉積物的陰極發光特征，說明含鈉長石的灰巖中碳酸鹽沉積物未受到熱液改造.巖石中存在高溫（340～440℃）熱液成因的鈉長石，可以用淺海底部熱液煙囪模式解釋，即在奧陶系蓬萊壩組、鷹山組及一間房組下部沉積作用過程中或沉積后不久存在堿性巖漿活動，伴隨堿性巖漿活動（火山活動），先期結晶形成的鈉長石上升進入淺海海底環境，如同“米粒狀”與微晶方解石灰泥一起沉積下來，形成鈉長石在微晶灰巖及藻粘結微晶灰巖中發育分布的特征，而交代粒間膠結物、窗狀孔洞及成巖縫洞方解石的鈉長石是熱液在隨后淺埋藏過程中連續作用的結果.

與鈉長石相關的沉積期海底熱液噴流作用的發育，指示當時沉積盆地構造運動較為活躍，是塔里木東南側阿爾金洋的演化也進入俯沖期，并在阿爾金北緣形成中酸性火成巖發育的島弧帶，進入溝—弧—盆體系發育階段的反映.塔里木盆地主要發育4期火成巖，分別為震旦紀—寒武紀、中晚奧陶世—志留紀、早二疊世和白堊紀，白堊紀火成巖規模很小，在盆地邊緣分布，其他3期在盆地廣泛分布[18－21].在古城臺地邊緣兩側區域地震剖面識別11個火成巖體，也證實古城臺緣附近斷裂帶發育，具備火成巖發育的地質基礎.

4 熱液地質作用意義

通常伴隨熱液地質作用發生熱液溶蝕作用，形成熱液成因的儲層.古城地區形成鈉長石的熱液地質作用沒有產生溶蝕現象，對儲層性質影響不大.繼該期鈉長石化作用后兩期熱液作用對寒武—奧陶系地層進行改造，形成較好的溶蝕孔洞縫型白云巖儲層，也證實該期鈉長石化作用為古城地區第一期熱液地質作用.

鉆井巖心、井壁取心和巖屑薄片觀察揭示，鈉長石主要出現于微晶灰巖微晶方解石、砂屑灰巖屑微晶方解石和藻粘結微晶方解石部位，不與其他熱液產物伴生，巖石中缺乏重結晶作用和熱液溶蝕作用改造，儲集空間不發育.鈉長石形成于地下淺部的堿性巖漿作用，并由淺海底部的熱液煙囪流體上升帶入，由于受海水的稀釋作用，熱液地質作用導致“米粒狀”的鈉長石與微晶方解石沉積在一起，未導致強烈的熱液改造作用.

根據鈉長石主要交代沉積組分和早期成巖組分，可被晚期熱液鞍狀白云石交代、被縫合線及構造裂縫方解石切割改造等，揭示熱液地質作用發生于沉積作用過程中或成巖早期階段，是古城地區第一期熱液地質作用，為研究該地區熱液作用期次和多期熱液演化史提供依據.

5 結論

（1）古城地區古城6—古城7—古城8井區奧陶系灰巖地層普遍存在自生鈉長石，主要交代沉積組分及早期成巖組分，鈉長石的形成發生于沉積作用過程或成巖早期階段.

（2）鈉長石形成遵循淺海底部熱液噴流模式，揭示它所發育區域在蓬萊壩組、鷹山組及一間房組下部沉積作用過程中或沉積后不久存在巖漿活動.

（3）熱液地質作用未導致強烈的溶蝕改造作用，未產生儲集空間，對儲層性質影響不大，但作為第一期熱液地質作用，為研究該地區多期次熱液作用的演化歷史提供重要證據.

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