滇黔北坳陷寒武系碳酸鹽巖古海洋環境特征及地質意義

王鵬萬 斯春松 張潤合 李嫻靜 馬立橋 黃 羚 徐云俊 魯慧麗

(1.中國石油杭州地質研究院 杭州 310023；2. 中國石油天然氣集團公司碳酸鹽巖儲層重點實驗室 杭州 310023)

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滇黔北坳陷寒武系碳酸鹽巖古海洋環境特征及地質意義

王鵬萬 斯春松 張潤合 李嫻靜 馬立橋 黃 羚 徐云俊 魯慧麗

(1.中國石油杭州地質研究院 杭州 310023；2. 中國石油天然氣集團公司碳酸鹽巖儲層重點實驗室 杭州 310023)

為厘定滇黔北坳陷寒武系碳酸鹽巖古海洋環境，揭示成巖流體與巖溶作用的潛在聯系，并預測有利儲層發育層段，基于鎮雄羊場碳酸鹽巖剖面實測及系統取樣基礎上，采用微量元素、碳氧鍶同位素及鑄體薄片等分析手段，地球化學與巖石學方法相結合，探討碳酸鹽巖古海洋環境及地質意義。研究結果表明：滇黔北坳陷寒武系清虛洞組—婁山關組整體為海相環境，古海洋溫度處于12.82℃～32.84℃之間，主體為溫暖或炎熱的亞熱帶氣候。海平面具有主體震蕩下降的趨勢，存在8期海平面變化旋回，發育對應的巖相組合，其同位素演化曲線可作為地層劃分依據。微量元素、同位素地球化學及巖石學特征證實婁山關組巖溶作用相對發育，成巖流體混入強氧化性低溫大氣水，有利儲層縱向上主要分布在海平面下降旋回的高部位。

寒武系 碳酸鹽巖 碳氧鍶同位素 古海洋環境 地質意義

海相碳酸鹽巖作為內源沉積巖，紀錄大量古溫度、古降水、古鹽度以及古生產力等古海洋環境要素的變遷歷史[1]，而海相碳酸鹽巖的穩定同位素能近似反映古海洋穩定同位素的組成[2-4]。因此，穩定碳、氧及鍶同位素的元素地球化學分析，可作為示蹤古海洋環境特征及演化的重要手段，能有效表征古海洋的溫度、鹽度與海平面相對變化[5-8]，劃分對比地層、恢復沉積環境及其成巖過程[9-10]。

隨著川中地區高石梯—磨溪構造整裝特大型氣田的發現[11]，前人對四川盆地及周緣震旦系—寒武系沉積儲層、成藏及構造演化等方面展開了系統的研究[12-15]，同時也涉及到晚震旦世燈影組及下寒武統筇竹寺組黑色頁巖古海洋環境的探討[9,16-17]，但針對寒武系碳酸鹽巖古海洋環境及油氣地質意義的研究則相對薄弱[18]。本文試圖通過微量元素及碳、氧、鍶同位素變化特征，追溯與重建滇黔北坳陷寒武系碳酸鹽巖沉積的古海洋環境，并嘗試揭示寒武系古巖溶儲層成巖流體性質，厘清古環境與儲層發育的潛在聯系，為評價與預測優質儲層提供地質依據。

1 地質概況

滇黔北坳陷地理位置位于云貴川三省交界處，大地構造位置處于四川盆地南緣，其可劃分為五個次級構造帶[19](圖1)。早寒武世梅樹村期至筇竹寺期，快速海侵，滇黔北坳陷堆積一套深水陸棚相的暗色泥頁巖[19]，為南方海相頁巖氣勘探主要目的層之一[17]；早寒武世晚期滄浪鋪階，滇黔北地區逐漸過渡到淺水陸棚亞相，沉積了明心寺組及金頂山組的碎屑巖地層；早寒武世晚期龍王廟階(清虛洞期)，中上揚子區演化為統一的碳酸鹽巖緩坡，主要發育泥粉晶灰巖、粉晶白云巖及顆?；規r等緩坡相的碳酸鹽巖；中寒武世，沉積環境演化過渡到陸棚相，巖性以泥質白云巖、泥頁巖及白云巖為主；中寒武世晚期—晚寒武世，沉積了一套局限臺地相、以大套白云巖夾泥質白云巖為主的婁山關組[18]。滇黔北坳陷寒武系碳酸鹽巖從下往上依次為清虛洞組、高臺組及婁山關組(圖2)。常規油氣勘探實踐表明，清虛洞組與婁山關組為常規天然氣勘探的主要層系[11-14]。

圖1 滇黔北坳陷構造區劃圖Fig.1 Structure of the Dianqianbei depression

2 樣品采集與測試

2.1 樣品采集與分析

本次針對鎮雄羊場剖面寒武系清虛洞組—婁山關組碳酸鹽巖采樣34件(剖面位置見圖1)，選取未經蝕變的新鮮樣品22件(剖面縱向樣品位置見圖2)，避開方解石脈和風化作用嚴重的區域，以便樣品能盡量反映原始沉積環境與特征[7]。碳酸鹽巖樣品微量元素及碳、氧、鍶同位素測試均在中國石油集團碳酸鹽巖儲層重點實驗室完成。

微量元素分析采用壓模法進行X射線熒光光譜分析(XRF)，儀器為PANalytical Axios，執行標準為《硅酸鹽巖石化學分析方法 第28部分：16個主次成分量測定》GB/T 14506.28—2010，實驗條件為溫度21℃，濕度23%；碳、氧同位素分析儀器為DELTA V Advantage 同位素比質譜儀，分析方法及流程依據《有機物和碳酸鹽巖碳、氧同位素分析方法》SY/T 5238—2008，實驗條件為溫度24℃，濕度60%；鍶同位素分析為TRITON PLUS 熱電離同位素比質譜儀，執行標準為《巖石中鍶同位素測定方法實施細則》QTD GTDR01—2012，檢測溫度為20℃，濕度為50%。相關測試結果見表1。

古老地層中碳酸鹽巖的同位素組成可能受后期成巖蝕變的影響，故寒武系樣品能否保留沉積物中原始穩定同位素的組成，需要進行穩定同位素有效性評價[7,9]，其主要利用微量元素和穩定同位素進行判別。

(1) Mn/Sr比值。受成巖作用及大氣水循環影響，碳酸鹽巖中伴隨Sr值的降低和Mn值的升高，Mn/Sr比值可作為判斷海相碳酸鹽成巖作用和蝕變程度的靈敏指標[7,9]。一般認為Mn/Sr<10的碳酸鹽巖未遭受強烈的蝕變，其同位素組成可代表原始沉積記錄；Mn/Sr <2～3表示樣品很好地保留原始海水的同位素組成及特征[7,9]。

(2) 氧同位素特征。碳酸鹽巖中δ18O值因成巖后期水巖相互作用而明顯降低[7]。當-11.0‰<δ18O<-5.0‰時，指示樣品受到一定蝕變作用，其值可以代表沉積物中原始碳、氧同位素組成；當δ18O<-11.0‰時，樣品則成巖蝕變作用嚴重，其同位素值不能代表沉積物中原始的碳、氧同位素組成[20-21]。

(3) 碳、氧同位素相關性。碳酸鹽巖若受到后期成巖蝕變作用，其δ13C和δ18O值呈正相關性關系；若δ13C和δ18O值表現離散性特征，則反映其基本保存了原始的碳、氧同位素組成[7-8]。

鎮雄羊場剖面22件寒武系碳酸鹽巖樣品中，21件樣品Mn/Sr比值大于10(除YC-8-B1樣品外)，其他Mn/Sr比值分布在1.02～7.27，5個樣品的Mn/Sr 值在2～3(表1)；22件樣品的δ18O值均大于-11.0‰(表1)，能有效反映原始地層的同位素特征；寒武系碳酸鹽巖碳、氧同位素相關性較差，表現為離散特征(圖3)。通過以上分析，羊場剖面22件寒武系碳酸鹽巖樣品受成巖及后期蝕變作用的影響程度較低，基本代表了原始沉積物的碳、氧及鍶同位素組成，能滿足分析寒武紀古海洋環境的要求。

3 古海洋環境特征

3.1 古海洋溫度

δ18O值是測定古海水溫度的可靠標志[5-9]，由于寒武系碳酸鹽巖時代老，成巖作用影響顯著，需要對其δ18O值進行“年代效應”校正[22]。年代校正以第四紀海相碳酸鹽巖的δ18O平均值即-1.2‰為標準，滇黔北坳陷鎮雄羊場剖面實測δ18O平均值為-8.51‰，二者之差即為年代校正值△δ18O=-7.31‰。故實測值與年代校正值△δ18O相減，即可將實測δ18O值校正成第四紀樣品的δ18OCaCO3校正值[7-9]。根據古溫度計算公式：T=16.9-4.2×(δ18OCaCO3校正+0.22)+0.13×(δ18OCaCO3校正+0.22)2[9,23]，計算結果見表1。

其次，關于修身的具體方法，程頤和朱熹都非常強調“整齊嚴肅”?！罢R嚴肅”就是一種典型的用外部去規范自我內部的方法。關于“整齊嚴肅”程頤說過：“儼然正其衣冠，尊其瞻視，其中自有個敬處。”又說：“非禮勿視聽言動，邪斯閑矣。”“動容貌，整思慮，則自然生敬?！盵3]也就是說“整齊嚴肅”就是用符合天理的各種規范對自己的舉止、形象、衣冠、表情、視聽言動等各個方面加以限制，通過常年累月的嚴格規范，形成習慣，這樣就會“天理自然明”，達到修身的目的。

滇黔北坳陷寒武紀古海水溫度在12.82℃～32.84℃之間(表1、圖2)，主體為溫暖或炎熱的亞熱帶氣候[9]。相對震旦紀，海水溫度開始升高。就本次樣品而言，最高與最低古海洋溫度均出現在婁山關組早期。婁山關組晚期，古海洋溫度最低，平均為15.98℃；清虛洞期，古海洋平均溫度最高，為24.78℃；婁山關組早期，平均古海洋溫度為22.58℃，而高臺組平均古海洋溫度為17.30℃(表1、圖2)。羊場寒武系剖面由早到晚，即清虛洞組→高臺組→婁山關組下段→婁山關組上段，平均古海洋溫度整體具有降低→升高→降低→升高→降低→升高→降低的變化趨勢，具有4次古溫度相對升降變化旋回。溫度波動相對不大，但變化頻率較高(圖2)。

圖3 羊場剖面寒武系碳酸鹽巖δ13C與δ18O值相關性散點圖Fig.3 Scatter diagram showing relationship between δ13C and δ18O of the Cambrian carbonates in the Yangchang section

3.2 古海洋鹽度

Keith和Weber提出了利用灰巖的δ13C及δ18O值區分海相石灰巖和淡水相石灰巖，其計算公式為：Z=2.048×(δ13C+50)+0.498×(δ18O+50)[24]。當古鹽度標準值Z>120‰時，為海相碳酸鹽巖；Z<120‰時，為淡水碳酸鹽巖。整體上，羊場剖面早寒武世晚期—晚寒武世，各期的Z值變化曲線與其對應的碳同位素變化曲線變化相似(圖2)，暗示δ13C相對δ13O而言，與古鹽度關系更為密切[5-10]。

羊場剖面寒武系碳酸鹽巖Z值為111.39‰～125.70‰，平均值為120.57‰，大部分Z值大于120‰(表1)，表明寒武紀滇黔北坳陷整體處于陸表海的沉積環境。其中，婁山關組下段整體Z值相對較大，其發育含膏白云巖，印證了其古海洋鹽度相對較高(圖2)；而清虛洞組及婁山關組下段局部發育淡水環境碳酸鹽巖(表1、圖2)，可能與該期大量淡水注入或淋濾相關，Z<120‰的碳酸鹽巖大多為泥—粉晶白云巖(表1)，故Z值能大致判斷成巖流體性質。

3.3 古海平面變化

鍶同位素是古海平面變化的指示劑，87Sr/86Sr比值與海平面變化密切相關[8]。海水中鍶主要有兩個來源：大陸巖石風化的陸源鍶(全球平均87Sr/86Sr比值為0.711 9)及洋中脊熱液交換和海底玄武巖熱液蝕變供應的幔源鍶(全球平均87Sr/86Sr比值為0.703 5)[25-26]。顯然，陸源鍶相對幔源鍶具有相對較高的87Sr/86Sr比值。當海平面下降時，陸地面積變大，進入海洋的陸源鍶增加，87Sr/86Sr比值相對升高；當海平面上升時，多伴隨海底擴張加速期，因而進入海水的幔源鍶增加。此外，海平面上升使古陸地面積減小，造成海洋陸源鍶含量減少。兩因素相互疊加使得海水的87Sr/86Sr比值相對降低[8-9]。因此，海平面變化與87Sr/86Sr比值具有負相關性[8-9,25-26](圖2)。

羊場剖面寒武系樣品的87Sr/86Sr比值都在0.709 0以上(表1)，表明樣品中可能混入了放射性成因的鍶[27]。早寒武世晚期至晚寒武世晚期(清虛洞組—婁山關組)，整體上87Sr/86Sr比值具有增大趨勢，對應海平面震蕩下降(圖2)。其中，龍王廟階—徐莊階(清虛洞組—高臺組)，海平面高位震蕩海進，對應4期海平面升降旋回，灰質、白云質碳酸鹽巖及泥質巖交互出現(圖2)；張夏階—崮山階，海平面震蕩下降，沉積了一套蒸發成因的膏云巖(圖2)；長山階—鳳山階，海平面緩慢上升，堆積大套局限臺地相的白云巖，整體上對應4期海平面升降旋回(圖2)。

鎮雄羊場剖面早寒武世晚期到中寒武世早期，海水87Sr/86Sr比值整體具變大趨勢，其原因可能與泛非洲—巴西利亞造山運動造成硅質碎屑巖風化和侵蝕的速率增加有關[27-28]，進而為海水提供了更多的陸源鍶；中寒武世晚期，鍶同位素演化曲線較為平坦，反映在陸表海碳酸鹽臺地演化背景下，沉積作用的均一性和海平面變化的穩定性[27]；晚寒武世，海水87Sr/86Sr比值的持續下降至奧陶紀，可能與晚寒武世—奧陶紀的淹沒事件相關[29]。整體上，羊場剖面寒武紀海水的鍶同位素演化曲線在長期旋回上具有較好的全球可對比性[27-29]。

此外，根據碳、氧同位素的來源及影響因素分析，海平面變化也與與δ13C升降呈明顯的正相關關系，與δ18O升降呈一定的負相關關系[8-9,28](圖2)。因此，碳、氧及鍶同位素能相互印證、有效表征古海平面的變化情況，可作為層序劃分的依據。

3.4 古海洋環境特征間的耦合關系

碳、氧及鍶同位素等地球化學參數可有效表征古海洋環境演化與變遷[5-8]，且各參數在厘定古海洋環境特征過程中可相互補充、相互檢驗，而古鹽度、古溫度及古海平面等古環境特征之間也存在一定的耦合關系。地質歷史過程中，構造運動或冰期與間冰期交替，導致海平面升降變化[8]，往往伴隨著海水古鹽度與古溫度的等一系列連鎖變化。如冰期多伴隨著海平面的下降、鹽度升高與溫度降低，其造成海水中δ18O增大、δ13C與87Sr/86Sr比值減小。間冰期則反之。因此，古海洋環境為一有機整體，古鹽度、古溫度與古海平面等古海洋環境特征之間存在聯動關系，正是存在此耦合關系，才能更有效的利用碳酸鹽巖記錄的碳、氧及鍶同位素特征反過來重塑古海洋環境。

4 地質意義

4.1 碳、氧同位素的地層學意義

碳、氧同位素變化曲線存在低頻波動，即碳、氧同位素組成突變形成的階梯或強振幅波動。低頻波動與災變事件相關[10]，而災變事件往往對應區域或全球性的變化，具有地層學意義，可作為等時地層的劃分對比的依據[30]。本次在羊場剖面中下寒武統地層中，在巖性組合及生物學標志的基礎上劃定的地層界線附近加密取樣，進行碳、氧及鍶同位素分析，探索地層劃分的地球化學變化與證據。

圖2中同位素曲線特征揭示：清虛洞組與金頂山組界線處，碳、氧同位素均表現為負偏的突變階梯，可見低頻波動。而鍶同位素比值偏正，對應海退，巖性組合發生突變，由碎屑巖轉化為碳酸鹽巖沉積為主；高臺組與清虛洞組界線處，碳、氧同位素整體表現為低幅度正偏，快速變化，暗示沉積環境變化頻繁。而鍶同位素比值偏負，對應海進，沉積相對深水環境的泥質白云巖；婁山關組下段與高臺組界線處，碳、氧同位素具有由偏正到偏負的趨勢，突變明顯。而鍶同位素比值偏正，對應海平面下降，露頭可見溶蝕孔洞發育(圖4A)。同位素地層劃分與巖石地層劃分相互吻合，驗證了利用碳、氧同位素特征劃分地層的可行性。

4.2 有利儲層發育的成巖環境

羊場剖面寒武系碳酸鹽巖樣品實測孔隙度(圖2)及野外露頭、鑄體薄片證實(圖4)，滇黔北地區碳酸鹽巖儲層主要為婁山關組。

羊場剖面婁山關組儲層巖石類型主要為砂屑白云巖及細晶白云巖，其儲集空間為粒間溶孔及晶間溶孔(圖4)。野外露頭實測婁山關組頂部49層灰白色粉晶白云巖，溶蝕孔洞順層發育，大小一般在5 mm左右，未充填(圖4A)。50層為砂屑白云巖，溶蝕孔發育，表現為典型的準同生巖溶作用(圖4E)，可能與處于古地貌高部位，灘體暴露，持續接受淡水淋濾改造，其溶蝕孔洞發育；而位于古地貌低處灘體短暫暴露，巖溶作用較弱，溶蝕孔則相對不發育(圖4F)?？v向上，相對優質儲層分布在海平面相對下降旋回的頂部或海平面相對上升旋回的底部(圖2)，具備發育巖溶作用的成巖環境。

巖溶作用是大氣水改造碳酸鹽儲層最為重要的地質過程之一，由于大氣水具有比海水更高的Mn含量和更低的Sr含量，且氧化條件下以高價狀態存在的Fe、Mn會被大氣水淋濾充填在角礫間的基質中而使其含量變高[31]。婁山關組白云巖具有富鐵(平均含量6 956×10-6)、富錳(平均含量324.75×10-6)與相對貧鍶的特點(平均含量72.62×10-6，另有兩塊樣品Sr含量小于5×10-6，見表1)，表明該白云巖發育于完全開放的大氣水環境。婁山關組白云巖樣品的Sr/Ba值絕大部分小于1(圖5)，也暗示成巖流體有大氣淡水的混入[19]，其白云巖具有較高的87Sr/86Sr比值，分布范圍介于0.709 756～0.733 585之間，平均值為0.717 253，證實婁山關組白云巖成巖受淡水中陸源鍶的影響。微量元素地球化學特征揭示婁山關組成巖流體整體特征為：富Fe、富Mn及貧Sr，δ13C和δ18O值弱負偏，高87Sr/86Sr比值的強氧化性低溫大氣水。黔北坳陷婁山關期有利儲集相帶以局限臺地沉積的顆粒灘和云坪粉細晶白云巖為主，富含CO2的強氧化性低溫大氣水對碳酸鹽巖的溶解作用強烈，可形成古巖溶型儲層(圖4)。此外，婁山關組碳、氧同位素顯示粉細晶白云巖具埋藏成因(表1、圖3)，埋藏溶蝕與巖溶作用相疊加，發育超大溶孔、粒間與晶間溶孔(圖4)，形成該區最有利的儲集層段。

圖4 羊場剖面寒武系碳酸鹽巖顯微照片A.羊場剖面，49層，婁山關組，灰白色粉晶白云巖，溶蝕孔、洞順層發育；B.YC-26-B2，婁山關組，砂屑白云巖，粒間溶孔發育；C.YC-30-B1，婁山關組，礫屑白云巖，溶蝕形成孔洞，孔隙度23.7%；D.YC-43-B2，婁山關組，細晶白云巖，晶間孔及晶間溶孔發育，孔隙度11.3%；E.YC-49-B1，婁山關組，砂屑白云巖，粒間溶孔發育，孔隙度4.39%；F.YC-50-B1，婁山關組，砂屑白云巖，溶孔發育，孔隙度5.62%。Fig.4 The microphotographs showing characteristics of the Cambrian in the Yangchang section

圖5 羊場剖面婁山關組鍶鋇含量散點圖Fig.5 The scatter diagram of strontium and barium composition of the Loushanguan Formation in the Yangchang section

5 結論

(1) 碳、氧及鍶同位素能有效反映古老碳酸鹽巖的古環境特征，古海洋環境特征之間存在一定的耦合關系，亦可作為地層層序劃分的地球化學依據。

(2) 滇黔北坳陷寒武系碳酸鹽巖整體處于海相環境，屬溫暖或炎熱的亞熱帶氣候。同位素演化曲線表明寒武紀碳酸鹽巖主要經歷8期海平面相對升降旋回。

(3) 微量元素、同位素地球化學及巖石學特征揭示了婁山關組的成巖流體性質，其強氧化性低溫大氣水的巖溶改造作用顯著。婁山關組有利儲層縱向上主要分布在相對變淺旋回高部位。

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Characteristic of the Cambrian Carbonate Paleo-oceanEnvironment in the Dianqianbei Depression and Its Geological Significance

WANG PengWan1,2SI ChunSong1ZHANG RunHe1,2LI XianJing1,2MA LiQiao1,2HUANG Ling1,2XU YunJun1,2LU HuiLi1,2

(1. PetroChina Hangzhou Institute of Petroleum Geology, Hangzhou 310023, China;2. CNPC Key Laboratory of Carbonate Reservoirs, Hangzhou 310023, China)

In order to clarify the characteristic of the Cambrian carbonate paleo-ocean environment, to reveal the potential contact of diagenetic fluid and karstification , and predict favorable reservoir development zone, based on the measured carbonate rock outcrop and the system samples, using the trace elements, strontium, carbon and oxygen isotopes and casting thin section data, geochemistry and petrology method, discuss the carbonate paleo-ocean environment and the geological significance. The results show that Qingxudong Formation-Loushanguan Formation of the Cambrian as a whole for the Marine environment in the Dianqianbei depression, the ancient ocean temperature between 12.82 ℃～32.84 ℃, subject to warm or hot subtropical climate. Sea level has a main shock downward trend, there are 8 periods of sea level change cycle, development of the corresponding lithofacies combination, and isotope evolution curve can be taken as the basis of stratigraphic classification. Trace element geochemical characteristics confirmed the Loushanguan Formation karstification relative development, diagenetic fluid mixed with strong oxidizing atmosphere water at low temperature, favorable reservoir are mainly distributed in the sea level falling high part of the cycle.

Cambrian; carbonate;carbon,oxygen and strontium isotope; paleo-ocean environment; geological significance

1000-0550(2016)05-0811-08

10.14027/j.cnki.cjxb.2016.05.001

2016-03-03； 收修改稿日期： 2016-04-27

國家科技重大專項(2016ZX05004-002)；中國石油科技管理部項目(2012B-0505)[Foundation: National Science and Major Technology, No. 2016ZX05004-002; Science and Technology Department of the CNPC, No. 2012B-0505]

王鵬萬 男 1981年出生 碩士 工程師 石油地質綜合研究 E-mail: wangpw_hz@petrochina.com.cn

P534.41 P736.21

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