川東北地區海相碳酸鹽巖儲層稀土元素地球化學特征研究

胡　倩

（四川礦產機電技師學院，四川成都611230）

川東北地區海相碳酸鹽巖儲層稀土元素地球化學特征研究

胡倩*

（四川礦產機電技師學院，四川成都611230）

川東北地區是四川盆地重要的天然氣富集區，也是目前四川盆地天然氣勘探的主要地區。依據川東北地區儲層中海相碳酸鹽巖及其配套脈體樣品的稀土元素測試資料，針對不同巖性，分類闡述了它們的REE總量和配分模式、LREE和HREE及其比值、δEu和δCe的地球化學特征。在此基礎上，利用稀土元素的遷移富集和分餾效應，判別巖溶過程中的流體性質和巖溶發育環境，并分析了深部流體的影響，為在巖溶巖地球化學特征與其形成環境及溶蝕程度間建立定量識別標準提供了依據。

儲層；稀土元素；地球化學；巖溶環境；川東北

1　研究區概況

川東北是四川省東北部的簡稱，涉及四川省境內的萬源、宣漢、達縣、開江和重慶市境內的梁平、開縣、云陽、城口和巫溪等縣（市），面積約20000km2。主要地形為丘陵和山區。該地區（溫泉井—鐵山坡區塊）位于大巴山前緣帶，處于大巴山弧形斷褶帶與川東弧形褶皺帶的交匯部位，構造線主體走向為NW向與NE向。川東北地區的構造較發育。現已查明有川東北侏羅系，白堊系臺鈾砂巖中存在規模宏大的斷裂帶。

2　樣品采集

采樣鉆井都分布在通南巴構造帶區域。通南巴構造位于四川盆地川東北褶皺帶的東北段。現有的研究實驗樣品來自于鉆井，篩選出飛仙關組層位稀土元素有效數據。

飛仙關組每套樣品都包括圍巖和脈體共16套樣品，金溪1井3套，屬于飛仙關三段；馬1井5套，屬于飛仙關一二段；馬2井3套，屬于飛仙關三段；河壩1井3套、屬于飛仙關四段；河壩2井1套，屬于飛仙關三段；河壩102井1套屬于飛仙關三段。飛仙關組有一、二、三、四段，一二三段厚度400～550m，巖性主要是灰色灰巖、紫灰色泥質灰巖，上部夾鮞灰巖，底為灰質泥巖，可見方解石充填。四段厚度80～100m，巖性主要是灰紫色云巖與硬石膏。

3　結果與討論

根據研究區鉆井的布局，分別取了河壩1井，河壩102井，河壩2井，金溪1井，馬1井，馬2井巖芯樣品，圍巖與脈體進行配套研究，將對各類碳酸鹽巖樣品的稀土元素地球化學特征進行具體分析和討論。為討論方便可將所取得樣品分為3類［1］：非巖溶巖類，巖溶巖類（弱溶蝕巖溶巖和中等溶蝕多孔狀巖溶巖）和膠結物。

3.1稀土元素組成特征

取樣分析得出各井中稀土元素組成特征如表1所示。

3.2稀土元素配分模式

對每種類型巖溶巖樣品的REE采用球粒隕石標準化后建立的REE配分模式圖，都具有各自相似的配分模式，表明對于樣品的選樣和分類是可靠的［2-3］。分別按照河壩1井、河壩102井、河壩2井、金溪1井、馬1井、馬2井里的圍巖與脈體的配套樣品對其進行球粒隕石標準化后建立的REE配分模式圖如圖1～圖6所示。

3.3δCe和δEu特征

稀土元素屬于過渡類元素，但緊靠金屬元素類，有很強的金屬性。研究表明Ce和Eu的變價現象最為突出，在強堿性氧化環境中，Ce3+將不斷氧化而遷移［4-6］：Ce3++4OH-=Ce（OH）4+e-，Ce（OH）4=Ce4++4OH-，呈難溶的CeO遷出而出現負異常；在強酸性還原環境中，Eu3+將被還原而遷移：Eu3++e-=Eu2+，易溶的Eu2+被遷移而出現負異常。這就決定了Ce和Eu隨環境變遷，易于與3價稀土元素相分離，成為稀土元素地球化學的重要研究對象，決定了Ce和Eu異常成為判別流體環境和性質最重要的指標。

（1）據表1可見，河壩1井中，無論可溶巖還是非可溶巖，δEu值均大于零而小于1，屬銪虧損型，稀土元素分布曲線在銪處呈谷狀。其圍巖的δEu（0.63～0.85），其值接近1，范圍不大，都比較接近，說明溶蝕過程中Eu的虧損不強。而δCe值均小于1，且相當接近于1，與δEu相比，δCe變化幅度小，分餾不明顯，屬鈰弱虧損型，稀土元素分布曲線在鈰處呈不明顯谷狀。

表1　各井中樣品稀土元素含量［WB（10-6）］

圖1　河壩1井樣品圍巖稀土元素配分模式圖

圖2　河壩102井樣品稀土元素配分模式圖

（2）河壩2井中，金溪1井，馬1井中無論可溶巖還是非可溶巖，還有膠結物其δEu值和δCe均大于1，顯示正異常。稀土元素分布曲線在銪處出現峰值。

（3）馬2井中，巖溶巖類在飛仙關組中，出現其δEu值小于1，且接近1，范圍不大，都比較接近，說明溶蝕過程中Eu的虧損不強，屬鈰弱虧損型，分餾不明顯。而δCe值也是小于1并接近1。

3.4巖溶環境的判別

δCe和δEu異常可用以判別開放環境中沉淀碳酸鹽礦物的流體物化條件，如δCe向低值方向遷移時為氧化性流體的環境標志，δEu的負異常則出現在堿性還原或低溫流體環境中。

根據對研究區鉆取的樣品δCe和δEu異常的結果分析，在河壩1井中的樣品，其δCe和δEu均出現小于1，并接近1的情況，屬于Ce和Eu的弱虧損型，圍巖的這種Ce和Eu的異常和脈體方解石的Ce和Eu異常相似。

在δCe和∑REE關系圖中（圖7），未溶蝕的微晶灰巖和膠結物的δCe均小于并接近1，而大部分δCe投點落在0.9～1的范圍內，略顯虧損δCe負異常與其特殊的地球化學性質有關［1］：根據Ce的Eh-pH圖解（成都地質學院沉積所，1989），表明在強氧化條件下Ce3+易氧化成難溶的Ce4+，以CeO2，的形式析出與其3價離子分離而難以進入大氣水流體，因而被大氣水流體溶蝕改造后再沉積形成的巖溶巖和直接由大氣水流體沉淀的膠結物均出現一定的Ce負異常。顯而易見，巖溶巖類主要形成于滲流—活躍潛流帶，Ce的虧損與表生期巖溶流體處于開放性氧化環境有直接關系，同樣也不難理解形成于弱氧化環境的角礫問或孔、洞、縫問的淡水膠結物也應該具有Ce負異常。

圖3　河壩2井樣品稀土元素配分模式圖

圖4　金溪1井樣品稀土元素配分模式圖

圖5　馬1井樣品稀土元素配分模式圖

圖6　馬2井樣品稀土元素配分模式圖

在δEu和∑REE關系圖中（圖8），各類巖石和膠結物δEu投點位于0.6～1之間，與δCe特征相比較，分布范圍更廣和離散度更大，相關性較差而負Eu異常更明顯。排除物源因素，可解釋為Eu3+在還原性或低溫流體中轉化成Eu2+而被遷移貧化的環境影響所致。研究認為，本研究區處于古陸邊緣，其沉積成巖過程主要處于開放性的氧化環境，特別是受晚石炭世表生期開放條件下形成的巖溶巖類Eu負異常，難以用還原性流體來解釋，從而可從另一個側面證明該儲層的負Eu異常形成于低溫流體環境中。由巖溶巖類和淡水膠結物δEu與∑REE相關性較差的關系，表明巖溶作用的強弱對Eu負異常和∑REE的差異影響較小，原因應該與巖溶過程的不均一性有關。

但在河壩2井中，金溪1井，馬1井中發現有明顯的Eu和Ce的正異常（δEu和δCe值大于1），如河壩2井樣品不管是巖溶巖，非巖溶巖還是膠結物，其δEu變化范圍為1.02～5，而δEu為2.16～7.52，范圍更大。其他井如金溪1井，具有更高的δEu和δCe值，推測可能與這些鉆井的位置有關，位于深部大斷裂附近，經過后期的構造活動影響，火山熱液溶蝕作用后而變化。丁振舉等［8］的研究表明熱水系統之間稀土元素濃度差別很大，但全球范圍內海底高溫熱流體高的正Eu異常特征，主要是在高溫下Eu容易由+3還原為+2，與其他稀土元素分離而產生異常。

圖7　河壩1井各類巖溶巖和膠結物的δCe-∑REE關系圖

圖8　馬2井各類巖溶巖和膠結物的δEu-∑REE關系圖

3.5深部流體活動的判別

鉆井資料表明，該區普遍缺失雷口坡組上部地層，雷口坡組頂面為一個區域性剝蝕面，地面露頭上雷口坡組與須家河組之間為假整合接觸，須家河組在鉆井剖面上未見明顯缺失，地面露頭上須家河組與上覆侏羅系珍珠沖組為整合接觸關系。故在該地區，早印支運動較晚印支運動表現更明顯。飛仙關組主要是經歷了中三疊世末的早印支運動、晚侏羅世末的中燕山運動及早第三紀末的早喜山運動，才演變成現今的構造面貌。鑒于該區廣泛發育斷裂構造，一些學者認為此區應屬地臺期后的構造活化區。

根據鉆井所取得的樣品中脈體方解石，將其稀土元素含量與地球圈層物質當中稀土元素進行對比，經過處理后得出稀土元素參數如表2所示。

表2　與地球各圈層對比的稀土元素特征參數

從表2可以看出，該研究區中的脈體方解石∑REE值范圍為1.211～24.185，LREE/HREE值明顯偏高，顯示出輕稀土富集的特征，而δEu和δCe值接近并且大于1，普遍顯示正異常。

將樣本數據經過球粒隕石標準化后的配分模式圖如圖9所示。

可以看出，各井中的脈體與地球地殼的稀土元素配分模式傾向趨勢大致相同，都是右傾，就是∑REE值范圍比地球地殼的小很多，而馬2井中的脈體稀土元素配分模式與原始地幔的接近，據前人對川東北的研究，一般出現Eu和Ce的負異常，而觀看圖中脈體中Eu和Ce出現正異常，推測可能是受流體環境的影響，以及深部流體活動的影響較大，尤其是馬2井中的脈體配分模式，與原始地幔的重稀土含量基本相似，而輕稀土分餾明顯。

圖9　巖脈與地球各圈層對比球粒隕石標準配分模式圖

4　結論

此次以川東北地區為研究區，分析鉆井河壩1井、河壩102井、河壩2井、金溪1井、馬1井、馬2井里的圍巖與脈體的配套樣品，以稀土元素為研究手段，來評價此區域儲層的一些特征，結果主要如下：

（1）根據稀土元素特征可知，井中樣品圍巖和脈體稀土元素地球化學征具有相似性，也有差異性，均為稀土元素配分模式均為右傾型，一些井中有明顯的輕稀土富集，從La/Yb比可以看出，輕稀土存在一定程度的分餾。

（2）河壩1井中以及馬2井中的飛仙關組的樣品，無論可溶巖還是非可溶巖，δEu值均大于零而小于1，并且結合δEu和δCe分別與∑REE的關系可以看出，在強氧化條件下，Ce3+易氧化成難溶的Ce4+而出現負異常，表明流體環境為開放性的氧化環境。而其他井中δEu大于1，表現正異常，推測是熱水溶蝕作用及流體活動的影響。丁振舉等的研究表明熱水系統之間稀土元素濃度差別很大，但全球范圍內海底高溫熱流體高的正Eu異常特征，主要是在高溫下Eu容易由+3還原為+2，與其他稀土元素分離而產生異常。

（3）對比脈體與地球的稀土元素配分模式，并結合研究區的地質構造，存在大量斷裂，看出馬2井的脈體與原始地幔的稀土配分模式存在一定的相似性，從而推測可能受到地幔物質流體的活動影響。

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1004-5716（2016）08-0201-05

2015-08-20

2015-08-27

胡倩（1987-），女（漢族），四川成都人，助理講師，現從事教學工作。