四川盆地元壩地區茅口組方解石充填物特征及指示意義

曾 韜, 柳 昊, 夏文謙, 田亞銘, 鄧 劍, 施澤進

(1.中國石油化工股份有限公司 勘探分公司，成都 610041；2.自然資源部構造成礦成藏重點實驗室(成都理工大學)，成都 610059；3.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室(成都理工大學)，成都 610059)

四川盆地中二疊統茅口組(P2m)自1957年隆10井測試獲氣以來，掀起了尋找以東吳運動在茅口組頂部形成的風化殼巖溶型儲層或者與古隆起演化密切相關的構造-裂縫型儲層的高潮，相繼發現了一系列巖溶-裂縫型氣藏[1]。進入2000年之后，川北、川東南地區相繼在茅口組取得了勘探新發現，揭示發育有熱液白云巖儲層新類型[2]。中國石化勘探分公司自2015年以來針對川西北地區茅口組開展了綜合地質研究，認為該區茅口組發育臺緣礁灘相儲層，并于元壩7井鉆探證實了臺緣淺灘儲層的存在[3]；此后，在元壩地區相繼完鉆了元壩8井、元壩224井等，研究顯示該區茅口組臺緣礁灘相儲層基質物性致密，白云巖儲層厚度薄且分布零散，規模有限，有效的儲層類型為巖溶疊加改造的溶蝕淺灘相儲層[4-5]。元壩7井、元壩8井等系統的巖心觀察顯示，該區發育風化殼巖溶作用，溶蝕縫洞曾顯著發育；但溶蝕縫洞中方解石充填嚴重，有效孔洞保存差。目前，該區孔縫洞充填物的探討相對較少，縫洞充填物指示意義的研究更為薄弱。

筆者基于元壩地區茅口組鉆井巖心孔洞充填物的樣品，采用巖心觀察、薄片分析、碳氧同位素分析、稀土元素分析方法，對縫洞充填物類型與形成過程開展研究，以期明確縫洞充填物類型、物質來源。

1 區域地質概況

四川盆地處于揚子板塊西緣，是在上揚子克拉通基礎上發展起來的疊合盆地[6]，面積達18×104km2，因具有氣源巖優勢、資源量優勢、大氣田優勢以及總產量優勢故成為“超級氣盆地”[7-8]。二疊紀是盆地構造體制進行轉化的關鍵變革時期，中二疊世末期的東吳運動與中晚二疊世之間的峨眉地裂運動，對整個盆地的古地理格局與沉積構造演化產生了顯著影響[9]，形成了茅口組巖溶風化殼、熱液白云巖、峨眉山玄武巖與上二疊統吳家坪組(P3w)的沉凝灰巖等多種典型的儲層類型[10-12]。元壩地區位于四川盆地西北部，西鄰龍門山前陸沖斷帶，北接米倉山-大巴山前陸沖斷帶(圖1-A)。該區茅口組與下伏中二疊統棲霞組(P2q)整合接觸，與上覆吳家坪組為不整合接觸；茅口組自下而上劃分為3段，分別簡稱為茅一段、茅二段與茅三段；地層厚度為188～240 m。受構造運動控制，茅一段、茅二段為穩定的碳酸鹽臺地沉積；茅三段產生沉積分異，發育臺地邊緣至斜坡的沉積相帶(圖1-B)。茅三段的臺緣淺灘儲層以灰質白云巖和亮晶生屑灰巖為主，實測巖心孔隙度為1.26%～8.37%；受早期選擇性溶蝕改造的影響，儲集空間類型主要為生物體腔溶孔、晶間溶孔、晶間孔，溶蝕孔隙與裂縫較發育[3]，但方解石礦物充填嚴重。

圖1 四川盆地構造單元劃分及茅口組地層柱狀圖Fig.1 The tectonic units of Sichuan Basin and stratigraphic column of Maokou Formation(A)四川盆地構造單元劃分及研究區位置圖(據張璽華[13]); (B)元壩7井茅口組綜合柱狀圖(據胡東風[3])

2 采樣及分析方法

本次研究以元壩地區元壩7井、元壩8井、元壩701井茅口組巖心為主要研究對象，對巖心進行系統觀察描述，選取縫洞充填物發育的井段采樣并磨制薄片，開展碳氧同位素、稀土元素等測試分析。碳氧同位素測試在成都理工大學地質學國家級示范中心完成，測試儀器為Thermo Fisher Scientific MAT253同位素質譜儀，測試采用磷酸法，稱取0.5 mg粉末樣品放入Gas-Bench自動采樣系統中，充入高純He清洗，加入100%的磷酸恒溫70 ℃溶解2 h，對生成的CO2進行測試，分析結果采用VPDB標準，測試誤差(質量分數)為±0.02‰。稀土元素含量測試分析委托成都譜譜檢測技術有限公司使用電感耦合等離子質譜儀(ICP-MS)完成，測試儀器為Aglient Technologies 7700 Series型，測試樣品處理步驟如下：先將樣品用清水沖洗、烘干、研磨至120目過篩，稱取(0.1±0.0002) g,置于30 mL聚四氟乙烯坩堝中,加入10 mL的HNO3+HClO4+HF(1∶1∶2)混酸，加蓋，控溫電熱板溶樣，于100 ℃保溫3 h，蒸至近干后，加入5 mL王水趁熱提取，冷卻后移入50 mL容量瓶中，用蒸餾水稀釋至50 mL，搖勻備用；分析過程采用GBT3286、GBT14506、DZT0184作質量監控，測試結果相對誤差(質量分數)小于2%。流體包裹體測試在核工業北京地質研究院分析測試研究中心完成，使用Zeiss的Imager.M2m顯微鏡，測溫是使用LINKAM THMS600型冷熱臺。

3 結 果

3.1 方解石充填物特征

方解石是元壩地區中二疊統茅口組儲層中最為普遍的充填物，巖心觀察顯示90%以上孔縫被自形方解石全充填或半充填(圖2-A、B)。根據方解石的晶型、大小特征將方解石充填物劃分為3種類型：①晶型較小、呈櫛殼狀的方解石(CC1)，在有溶蝕作用形成的有孔蟲、雙殼類鑄?？字谐式群駳臃植?，成分多以不穩定的文石與高鎂方解石為主，沿鑄?？走吘壪蛑行纳L，形成的時間最早；②等軸粒狀方解石(CC2)，由粒度為0.1～0.5 mm的粒狀亮晶方解石組成，常圍繞著CC1向鑄?？紫痘蛉芪g縫中心逐漸增大，充填形態大多不規則，表現出與圍巖清晰的溶蝕接觸關系(圖2-C、D)；③亮晶方解石(CC3)，形成于分散樹枝狀的溶蝕縫中，多位于孔洞中央，CC3的顆粒直徑一般大于0.2 mm，晶型較好，表面較干凈，常與瀝青伴生，充填物生長接觸關系顯示其形成的時間最晚(圖2-E、F)。

圖2 元壩地區茅口組方解石充填物特征Fig.2 Characteristics of calcite fillings in Maokou Formation, Yuanba area (A)深灰色微晶灰巖，溶蝕孔洞發育，被自形方解石全充填或半充填，元壩8井，深度7 315.51～7 315.61 m; (B)深灰色微晶灰巖，溶蝕作用強于(A)，被方解石全充填或半充填，元壩8井，深度7 286.7 m; (C)CC1與CC2充填于雙殼類等生物孔隙中，茅三段，元壩8井，(-); (D)CC1與CC2充填于中，茅三段，元壩7井,(-); (E)CC3充填在樹枝狀的溶蝕縫中，與瀝青伴生，茅三段，元壩8井,(-); (F)CC3充填在溶蝕縫中，與瀝青伴生， 茅三段， 元壩701井,(-)

3.2 地球化學特征

3.2.1 稀土元素特征

稀土元素與碳酸鹽礦物中Ca2+半徑相似，常交代Ca2+進入碳酸鹽礦物晶體格架，當碳酸鹽礦物與沉積水體達到元素平衡時，稀土元素可作為追蹤古流體來源的證據[14]。

元壩地區茅口組方解石充填物元素測定顯示∑REE+Y的質量分數(w)為(2.425～15.581)×10-6，平均為6.791×10-6；∑LREE/∑HREE(質量分數之比)為2.782～5.831，平均為4.395；Y/Ho(質量分數之比)為35.591～51.534，平均為44.927；δCeN值為0.615～0.864，平均為0.707；δEuN值為0.866～1.385，平均為1.154(表1)。稀土元素配分模式圖呈現左傾特征(圖3-A)。元壩地區茅口組中方解石的圍巖∑REE+Y的質量分數為(8.396～17.186)×10-6，平均為13.233×10-6，∑LREE/∑HREE(質量分數之比)為5.064～6.468，平均為5.811；Y/Ho(質量分數之比)為59.646～77.474，平均為67.359；δCeN值為0.234～0.388，平均為0.323；δEuN值為0.791～0.97，平均為0.887(表1)。稀土元素配分模式圖呈現左傾特征(圖3-B)。

圖3 元壩地區茅口組稀土元素配分模式Fig.3 Rare earth element distribution pattern of Maokou Formation in Yuanba area(標準化數據參考趙彥彥等[14])

3.2.2 碳氧同位素特征

茅口組方解石充填物的δ13C為-2.13‰～-0.34‰,平均為-1.15‰；δ18O為-9.59‰～-7‰，平均為-8.08‰；由經驗公式[15-16]計算Z值為117.67～121.27，平均為119.15。選取茅口組灰巖進行對比分析，灰巖的δ13C為-4.08‰～1.47‰，平均為-1.87‰；δ18O為-7.52‰～-6.53‰，平均為-6.80‰；Z值為113.87～124.79，平均為118.31(表2)。C、O同位素交匯圖顯示方解石充填物、圍巖均落于全球瓜德魯普階海水范圍的左下方[17](圖4)。

表2 元壩8井茅三段碳氧同位素數據Table 2 Data of carbon and oxygen isotopes of the 3rd member of Maokou Formation in Well Yuanba 8

圖4 元壩地區茅口組碳氧同位素交匯圖Fig.4 Cross plot diagram of carbon and oxygen isotopes for Maokou Formation in Yuanba area(作圖方法據任夢怡等[17])

3.2.3 流體包裹體特征

顯微鏡下觀察顯示縫洞充填的亮晶粗晶方解石中流體包裹體發育，包裹體成帶分布，發育豐度中等，呈深灰色氣烴包裹體，包裹體形態規則，大小主要在3 μm×6 μm至33 μm×40 μm之間，主要變化范圍在3 μm×3 μm至4 μm×9 μm之間(圖5)。流體包裹體均一溫度為74～168 ℃，主要集中在80～100 ℃；鹽度(NaCl的質量分數)為0.35%～23.11%，主要集中在12.85%～14.15%。利用測得的均一溫度和鹽度數據，作溫度-鹽度圖[18]，得到流體密度為0.95～1.03 g/cm3，平均為0.97 g/cm3，屬于中密度流體。

圖5 元壩地區茅口組流體包裹體顯微特征Fig.5 Microscopic characteristics of fluid inclusions in the Maokou Formation, Yuanba area(A)YB8-73，深度7 298.6 m; (B)YB8-69，深度7 290.5 m; (C)YB8-68，深度7 290.5 m; (D)YB701-122，深度6 783.05 m

4 討 論

巖心與野外剖面以及顯微鏡下觀察顯示，茅口組溶蝕孔洞中充填的大量方解石礦物的形態顯示具有明顯期次性。其中櫛殼狀方解石(CC1)形成時間較早；等軸粒狀方解石(CC2)常圍繞櫛殼狀方解石向鑄?？紫痘蛉芪g縫中心逐漸增大，表現出與圍巖清晰的溶蝕接觸關系；粗晶方解石(CC3)充填物形成的時間最晚。元壩8井充填孔洞的粗晶方解石中的原生流體包裹體均一溫度雖然范圍較大，但49%的均一溫度集中在80～100 ℃范圍(圖6-A)，結合元壩8井的熱埋藏史分析，以地層溫度為約束，顯示元壩地區茅口組的方解石充填物形成時代大部分在中三疊世前(圖6-C)，形成時代較早。流體包裹體均一溫度-鹽度的相關圖顯示，鹽度與流體包裹體均一溫度的相關性較差，均一溫度較高的流體包裹體鹽度相對較低，相同鹽度的溫度變化范圍較大(圖6-B)，顯示方解石充填時受到其他流體的改造[19]。

圖6 元壩地區茅口組包裹體均一溫度、鹽度及埋藏史Fig.6 Inclusion homogenization temperature, salinity and burial history of Maokou Formation in Yuanba area

元壩地區茅口組孔洞充填方解石的稀土元素測試顯示，稀土總量較低，在稀土元素配分圖上呈左傾特征，具有Ce負異常、Eu正異常的特征，表明方解石充填物形成時具有較高的溫度。通常遠離陸源物質影響的海水Y/Ho(質量分數之比)大于44。元壩地區茅口組方解石充填物的Y/Ho值在35.591～51.534，平均為44.927；而對應的圍巖Y/Ho值在59.646～77.474，平均為67.359，明顯高于孔洞充填的方解石的Y/Ho值：說明方解石充填物形成時同樣受到一定程度的外源流體影響[20]。稀土元素配分模式顯現左傾的特征，δCeN平均值為0.707(<1)，δEuN平均值為1.154(略大于1)，計算結果和配分模式均表現出Ce負異常、Eu正異常(圖3)。熱液會使Eu3+還原為Eu2+，且高溫使Eu2+穩定性增加，表現為Eu正異常；在弱酸條件下Ce4+易發生水解而沉淀下來，從而導致Ce負異常[21]。由此判斷茅口組充填物在充填過程中受到酸性熱液影響。

元壩地區茅口組方解石充填物的碳氧同位素測試表明，縫洞充填物與圍巖的δ13C值接近(平均值分別為-1.15‰、-1.87‰)，具有同源特征；但本次測試結果均低于全球中二疊統瓜德魯普階海水的δ13C值(3.8‰～5‰[14])。δ18O值表現出較大差異，方解石充填物δ18O值明顯小于圍巖(平均值分別為-8.08‰、-6.8‰)，C、O同位素交匯圖顯示方解石充填物、圍巖均不具備全球瓜德魯普階海水特征，兩者Z值(平均值分別為119.15、 118.31)小于正常海水值(120)，表現出非海水改造的特征[17]。因海平面下降導致大陸架大面積暴露，引起有機碳氧化程度增加，最終導致δ13C值負偏；而大氣淡水因具有貧18O、富16O的特點，在方解石的充填過程中，大氣淡水的影響致使δ18O值偏低[17,22]。

5 結 論

a.元壩地區茅口組方解石充填物類型為：櫛殼狀方解石、等軸粒狀方解石以及亮晶方解石。其中櫛殼狀方解石形成的時間較早，等軸粒狀方解石的形成時間稍晚，亮晶方解石的形成時間最晚，但普遍形成于中三疊世之前。

b.孔洞充填方解石的原生流體包裹體均一溫度主要在80～100 ℃，溫度-鹽度相關性較差，相同鹽度的溫度變化范圍較大。方解石充填物稀土總質量分數為(2.425～15.581)×10-6，平均為6.791×10-6；∑LREE/∑HREE(質量分數之比)為2.782～5.831， Y/Ho(質量分數之比)平均為44.927，δCeN平均值為0.707，δEuN平均值為1.154，稀土元素配分模式圖呈現左傾特征，表現Ce負異常、Eu正異常的特征，均顯示茅口組方解石充填物在充填過程中受到外來熱液流體的影響。

c.方解石充填物的δ13C值為-2.13‰～-0.34‰,平均為-1.15‰；δ18O值為-9.59‰～-7‰，平均為-8.08‰。與圍巖對比，結果顯示δ13C值接近，δ18O值偏低。結合全球中二疊統瓜德魯普階海水δ13C值，認為方解石充填過程中同時受到大氣淡水影響。綜合分析認為元壩地區茅口組孔洞充填方解石的形成受不同源區混合流體的影響，經歷了較為復雜的流體充填過程。