四川盆地中部中二疊統熱液白云巖儲滲空間類型及成因

蔣裕強 谷一凡 李開鴻 李 順 羅明生 何 冰

近年來，四川盆地川西北地區多口鉆井在中二疊統棲霞組、茅口組中鉆遇大套優質的白云巖儲層，獲得了高產氣流，展現出該層系巨大的天然氣勘探潛力[1-2]，在川中地區鉆達中二疊統的40余口井中有28口井存在氣侵、氣測異常等良好顯示，試油的10口井中，獲工業氣井4口，低產井3口，也顯示出川中地區中二疊統較好的勘探潛力。因此，針對中二疊統優質儲層成因研究，已成為多方持續關注熱點。很多學者認為“東吳運動”造成的表生期古巖溶作用是形成優質儲層的關鍵[3-5]，也有學者認為白云石化作用是優質儲層形成的關鍵，提出了混合水成因說[6-7]、埋藏成因說[8]、玄武巖淋濾成因說[9]、多期流體疊合說[10]、構造—熱液成因說[11-16]等，對此一直未達成共識。筆者根據川中地區中二疊統高產井巖心樣品的巖相學特征和地球化學特征，認為白云巖儲層段發育有熱液白云巖儲集相，即熱液流體對致密基質灰巖（宿主巖）進行改造后形成的白云巖儲滲體。本文充分利用巖心及相關配套分析化驗資料，闡明川中地區中二疊統熱液白云巖儲集相基本特征，分析其成因和控制因素，為油氣勘探提供理論依據。

1 研究區地質背景

研究區位于四川盆地中部，構造分區屬川中平緩構造帶。四川盆地內部及周緣發育多條基底斷裂[17-19]，本次研究區臨近華鎣山斷裂帶與梓潼—鄰水斷裂帶的交叉區域西南側[2]。本區棲霞組下部主要為深灰色薄層泥質灰巖與中薄層生屑泥晶灰巖，上部為灰色中厚層生屑灰巖，局部地區見白云石化，厚度約為100 m。茅口組分為四段，下部茅一段和中部茅三段多發育灰黑色中薄層生屑灰巖及含泥質灰巖、泥巖和頁巖，見眼球狀構造；茅二段和茅四段以厚層—塊狀生屑灰巖為主，有時可見斑塊灰巖和白云巖，該區茅四段被剝蝕[20-22]。茅口組總體厚度介于190～250 m（圖1）。

2 熱液作用證據

2.1 巖相學證據

在未受后期成巖作用改造前，區內中二疊統基質巖由泥晶生屑灰巖、泥晶灰巖、亮晶生屑灰巖構成，前兩者由晶粒小于30 μm的泥晶方解石和/或生屑組成，后者被方解石完全膠結，導致基質巖巖性致密，不具備儲滲能力。針對4口取心井巖心觀察，結合薄片觀察，認為中二疊統地層中存在MVT（Mississippi Valley Type）型熱液礦物：①鞍狀白云石（SD），宏觀上白云石為巨晶級，晶面具馬鞍狀彎曲現象（圖2-a），表明形成溫度至少大于白云石臨界粗糙溫度（CRT），被認為是從熱液流體中直接沉淀出來[23]。基于這些特征，Davies和Smith Jr等在討論熱液白云巖時，認為“鞍狀白云石是熱液背景指示者（劑）”[24]。同時也可觀察到熱液活動的典型代表——膨脹角礫結構中鞍狀白云石半充填于膨脹角礫之間（圖2-b）；②螢石（Fl），微觀上呈暗黃色，主要充填在溶孔中（圖2-c）；③天青石（Cls），正交光下呈藍灰色，可見兩組完全解理（圖2-d）。

圖1 研究區地理位置及地層柱狀示意圖（地層柱狀圖據劉建強等[2]，有修改）

圖2 研究區中二疊統熱液礦物類型

2.2 地球化學證據

2.2.1 C、O同位素

本次研究碳、氧同位素測試結果表明：中二疊統泥晶生屑灰巖δ13C均為正值且較為接近，分布范圍介于1.62 ‰～3.26 ‰（PDB），平均值為2.67 ‰；細—中晶云巖的δ13C分布范圍介于2.87 ‰～3.74 ‰，平均值為3.22 ‰；鞍狀白云石的δ13C分布范圍介于3.06 ‰～3.78 ‰，平均值為3.37 ‰。泥晶生屑灰巖的氧同位素值分布范圍介于－7.14 ‰～－2.77 ‰，平均值為－5.04 ‰；細—中晶云巖的δ18O分布范圍介于－9.45 ‰～－4.08 ‰，平均值為－6.38 ‰；鞍狀白云石的δ18O分布范圍介于－8.27 ‰～－7.37 ‰，平均值為－7.86 ‰（表1）。

表1 研究區中二疊統不同巖石類型C、O同位素分析結果表

細—中晶云巖和鞍狀白云石δ18O值均明顯低于海相沉積石灰巖（宿主石灰巖）δ18O值，較為接近Geske等得到的熱液白云巖δ18O值[25]，表明白云巖形成過程中受到的成巖改造作用相對較強，氧同位素存在明顯的熱力學分餾效應，推測其成因與較高的成巖環境溫度密切相關（圖3）。

圖3 研究區中二疊統白云巖各巖石類型Sr同位素及C、O同位素交會圖（部分數據引自陳軒等[12]）

2.2.2 Sr同位素

本區泥晶生屑灰巖87Sr/86Sr比值介于0.7070758～0.707 983 9，平均值為0.707 476 3；細—中晶云巖87Sr/86Sr比值介于0.707 745 0～0.707 992 3，平均值為0.707 823 6；鞍狀白云石的87Sr/86Sr比值介于0.707737 6～ 0.709 386 1，平均值為0.708 386 2（表2）。通過與全球二疊世正常海水對比，發現泥晶生屑灰巖和泥晶灰巖87Sr/86Sr比值均落在二疊系正常海水范圍內[26-27]，而細—中晶云巖和鞍狀白云石87Sr/86Sr比值明顯高于同期正常海水（圖3）。由此可見白云巖和鞍狀白云石的形成過程受外部流體影響。

表2 研究區中二疊統不同巖石類型Sr同位素分析結果表

2.2.3 包裹體均一化溫度

選取該區GT2、MX42等井的巖心樣品，對中二疊統鞍狀白云石內共計43個原生包裹體進行測試，利用加熱法使包裹體內回復單相均勻狀態，測得均一化溫度表明：茅口組鞍狀白云石均一化溫度分布范圍介于73～146 ℃，平均值為115 ℃，主要分布區間介于110～130 ℃；棲霞組鞍狀白云石均一化溫度分布范圍為98～143 ℃，平均值為123 ℃，主要分布區間介于120～140 ℃（圖4）。

圖4 研究區中二疊統鞍狀白云石包裹體均一化溫度分布圖

本區中二疊統鞍狀白云石包裹體鹽度均較高，是同期海水的3～5倍[12]。前人研究成果表明，棲霞組、茅口組白云巖儲層中普遍見瀝青充填，或見烴類包裹體，表明白云巖形成的時間要早于油氣大規模生成的時間；棲霞組、茅口組儲層內油氣充注時間為侏羅紀，因此綜合構造活動和白云巖中含瀝青或烴類包裹體這兩個條件，基本可以確認棲霞組、茅口組白云巖形成時間上限為侏羅紀。侏羅紀之前，GC2井棲霞組、茅口組的最大埋藏深度介于2 200～2500 m，取平均地溫梯度最大值4 ℃/100 m，那么侏羅紀時期埋藏地溫介于88～100 ℃[2]。鞍狀白云石形成時的流體溫度要明顯高于正常地溫梯度下中二疊統的地層溫度。因此為典型的熱液流體成因。

3 儲集相儲滲空間類型

區域大地構造研究成果表明：中二疊世之后，四川盆地晚二疊世—晚三疊世的峨眉地裂運動表現為張性斷裂活動，發育華鎣山區域性大斷裂等基底斷裂活動，體現在中二疊統白云巖地層中存在輝綠巖等淺層侵入巖體[28]；也可表現為華鎣山構造軸部及其附近的玄武巖噴溢[29]。基底斷裂活動引起的熱液流體沿拉張性基底斷裂帶及派生的裂隙系統向上移動，對致密基質灰巖地層進行改造形成多種儲滲空間構成的熱液白云巖儲集相（表3）。

3.1 熱液溶孔

川中地區中二疊統熱液流體的異常高溫（較地層溫度高10～30 ℃）特征，會對基質灰巖發生強烈的溶蝕作用。具體表現為當深大基底斷裂發生時，深部熱液流體沿著拉張或者扭張性斷層向上流動，先于熱液流體存在的斷裂/裂縫體系也可以為熱液流體的運移提供很好的通道。區內熱液溶孔一般具有不規則的“港灣狀”溶蝕邊緣，孔徑介于200～2 000 μm（圖5-a），面孔率可達8%，沿孔隙邊緣可見鞍狀白云石半充填，其在陰極射線下呈光亮發光，具環帶結構（圖5-b）。

3.2 熱液擴溶縫

該類儲集空間在區內巖心上較為常見，即在構造裂縫基礎上，熱液流體對其進行進一步溶蝕，縫寬擴大，最大可達8 mm（圖5-c），沿縫壁普遍半充填或充填鞍狀白云石（陰極射線下光亮發光，環帶結構明顯），但由于鞍狀白云石晶體較大（一般介于200～1 200 μm）。因此晶體間的剩余空間仍可以作為有效的滲流通道（圖5-d）。

表3 研究區中二疊統熱液白云巖儲集相特征表

圖5 研究區熱液白云巖儲集相儲滲空間類型

3.3 熱液溶洞

熱液溶洞構成了中二疊統另一類重要儲集空間。與熱液溶孔成因相同，均為熱液流體對泥晶生屑灰巖、泥晶灰巖等基質灰巖溶蝕后的產物，但其大小一般介于2～10 mm，最大可超過20 mm，溶洞內可見鞍狀白云石（圖5-e）或后期方解石（Cal）半充填，常沿熱液擴溶縫周緣分散狀分布（圖5-f）。

3.4 熱液白云巖晶間孔

晶間孔是熱液白云巖中較常見的一種孔隙類型。中二疊統基質灰巖通常由泥晶方解石（3～5 μm）構成，晶粒一般不超過10 μm。因此基質灰巖中晶間孔不發育。在熱液流體的交代作用下，形成細—中晶云巖，自形—半自形白云石晶體（50～200 μm）間發育大量晶間孔。熱液作用較強的區域，白云石晶粒可大于300 μm，甚至具有鞍狀白云石的某些特性，如晶面發生明顯彎曲、正交光下呈波狀消光（圖5-g）。

4 深大基底斷裂對熱液白云巖儲集相發育的影響

Davies等首次提出熱液白云巖儲集相的概念時，認為其發育和分布受構造運動控制，即溝通盆地深部或基底的深大走滑（或伸展）斷裂，能為深部熱液流體的大規模運移提供流動通道[24]。由此引發的一系列地質作用一般集中在：①伸展（正）斷層，特別是斷層的上盤；②深大扭張（走滑拉分）斷層，特別在釋壓斷錯處（releasing oあsets）；③上述斷層（包括轉換斷層）的交匯處，尤其是走滑拉分斷裂帶，由于斷層拆離造成的地層下沉作用，在巖層頂部，即“負花狀”構造之上形成轉換拉張塌陷（sag）[24]，在地震剖面上往往表現為“下凹”反射特征；當上述斷裂活動發生時，伴生大量網狀分布、產狀平直的構造縫（圖6），進一步擴展了熱液流動通道，沿這些裂縫熱液流體對致密基質灰巖進行成巖改造，包括溶蝕作用、交代作用（熱液白云石化作用）等建設性成巖作用，形成多種儲滲空間。諸如美國Trenton-Black River?Albion-Scipio等低孔隙低滲透石灰巖地層為主的油氣田勘探過程中，這種“下凹”塌陷是熱液流體改造的重點部位，其與熱液白云巖儲集相的相關性非常顯著[24]。本區上覆上二疊統龍潭組致密泥頁巖的封堵、下伏多套烴源巖的溝通、深部震旦系燈影組三段—南華系澄江組巨厚碎屑巖熱液儲庫的有機組合[30-31]，都為熱液白云巖儲集相的發育提供了良好條件。在過GC2井和NJ井的茅口組白云巖段地震剖面上，均可見“下凹”地震反射特征[12]，進一步證實構造控制下熱液白云巖儲集相的存在（圖6）。構造控制熱液白云巖儲集相的認識對深化川中地區乃至四川盆地中二疊統有利儲層的成因及分布有借鑒作用。

5 結論

1）巖相學、地球化學證據表明，川中地區中二疊統茅口組、棲霞組石灰巖地層經歷了構造控制熱液活動，發育螢石、鞍狀白云石、天青石的熱液礦物組合和膨脹角礫結構；相比宿主石灰巖（包括泥晶灰巖、泥晶生屑灰巖等），細—中晶云巖、鞍狀白云石均呈現出δ18O負偏移、87Sr/86Sr正偏移。

圖6 研究區中二疊統熱液白云巖儲集相發育模式示意圖（地震剖面圖據陳軒等[12]）

2）因熱液流體對致密基質灰巖改造，形成由熱液溶孔、熱液白云巖晶間孔、熱液溶洞、熱液擴溶縫4種儲滲空間構成的熱液白云巖儲集相。其與表生巖溶儲層區別在于，儲滲空間內的充填物為鞍狀白云石、螢石等熱液礦物，而非巖溶角礫、鋁土質黏土、煤塊等。

3）受峨眉地裂運動主導的基底斷裂活動（包括深大伸展斷層和走滑斷層）控制，熱液白云巖儲集相主要沿深大斷裂及伴生裂縫系統呈“透鏡狀”分布，分布于具“下凹”或“負花狀”地震反射特征的區域。下伏烴源巖和上覆龍潭組泥頁巖封堵層與之形成有效組合，可以構成有利的勘探目標。

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