塔里木盆地柯坪地區下寒武統吾松格爾組白云巖地球化學特征及其成因演化

南航宇，張天付，謝淑云，周 玥，況志偉，馬佳怡

1 中國地質大學（武漢）地球科學學院；2 中國石油杭州地質研究院；3 中國石油集團碳酸鹽巖儲層重點實驗室

0 前 言

白云巖儲層是國內外油氣勘探的重要的目標。據統計，全球約有60%以上的油氣產自碳酸鹽巖儲層，其中一半產自白云巖儲層［1］。目前，國內發現的五大海相油氣田（塔河、靖邊、普光、元壩、安岳）中的4個與白云巖儲層密切相關。關于白云巖的成因問題依然受到學者們的廣泛關注。白云巖成因的主要觀點包括原生沉淀作用（準同生交代白云巖）及白云石化作用（次生交代白云巖），而白云石化作用被認為是形成白云巖的主要途徑。通過前人的大量研究，白云石化作用又可分為滲透回流模式［2］、薩布哈模式、混合水模式［3］等早期白云石化作用，以及埋藏白云石化模式［4］、熱液白云石化模式［5］等晚期白云石化作用。早期白云石化作用多與沉積環境以及沉積相帶有關，晚期白云石化作用受控于碳酸鹽巖的晚期成巖改造。

塔里木盆地寒武系鹽下分布著大規模的白云巖地層，其上覆中寒武統巨厚膏鹽層、下接玉兒吐斯組烴源巖，具有良好的源-儲-蓋配置關系，油氣資源豐富，是塔里木盆地油氣勘探的戰略接替區。前期，中深1 井和中深5 井雖在鹽下肖爾布拉克組獲得油氣突破，但受限于鹽下儲層埋深大、構造演化復雜等因素影響，鹽下儲層的成因及勘探前景尚存在爭議。近年來，輪探1井［6］及柯探1井相繼在吾松格爾組獲得高產工業油氣流，使得吾松格爾組有望成為寒武系鹽下白云巖領域風險勘探的新層位。

前人曾對盆地重點區域的下寒武統整體開展了巖相古地理研究［7-8］；朱永進等［9］開展了吾松格爾組（緊鄰中寒武統膏鹽巖蓋層）的巖相古地理研究，并預測了儲層有利區帶；張天付等［10］梳理了柯坪地區吾松格爾組的巖性組合及儲集空間類型，并嘗試討論了沉積相演化以及儲層成因。然而，目前對柯坪地區白云巖成因的探討及認識仍然存在不足，基于此，本文擬通過柯坪地區露頭剖面的吾松格爾組白云巖的巖石學分析，結合各類白云巖主量元素、微量元素、C/O/Sr 同位素組成等多種方法探討白云巖成因及白云石化模式，以期為儲層的形成機制及優質儲層的預測提供依據。

1 地質背景

塔里木盆地發育在太古宇—元古宇的結晶基底和變質褶皺基底之上，是一個長期演化的大型疊合復合盆地［11］?？缕旱貐^位于塔里木盆地西北緣（圖1），其東北部為庫車坳陷，東部為阿瓦提坳陷，南部為麥蓋提斜坡，包括柯坪凸起和溫宿凸起兩個單元，其主構造體系由北東走向展布的一系列沖斷層和由沖斷層控制的推覆體組成，同時受到塔里木盆地構造變動和天山褶皺系活動的影響［10,12］。這些推覆體構成了如今地貌上的山系，使得區內寒武系出露較為齊全，由下至上包括下寒武統玉爾吐斯組、肖爾布拉克組、吾松格爾組，中寒武統沙依里克組和阿瓦塔格組。沉積上，研究區從早寒武世玉爾吐斯期的深水陸棚演化至肖爾布拉克期的碳酸鹽緩坡和吾松格爾期的局限臺地（圖1），沉積環境的水深有逐漸變淺的趨勢。本文以柯坪地區夏特、蘇蓋特野外露頭剖面為研究對象，樣品取自下寒武統吾松格爾組。

圖1 塔里木盆地柯坪地區吾松格爾組沉積期巖相古地理圖（修改自文獻［9］）Fig.1 Lithofacies palaeogeopraphic map of Wusonggeer Formation in Keping area,Tarim Basin(cited from reference［9］,modified)

2 樣品和實驗方法

實驗樣品取自柯坪地區夏特剖面和蘇蓋特剖面（剖面位置見圖1）的吾松格爾組底部、中部和頂部的相同層位，共取7 塊樣品，其中夏特剖面取樣3塊，蘇蓋特剖面取樣4塊。在手標本樣品基礎上，通過薄片、陰極發光鑒定將樣品分類命名，之后將樣品粉碎成小碎塊，挑選出未被風化溶蝕、未被方解石脈充填的新鮮碎塊，以保證樣品的可靠性；在室內利用瑪瑙研缽將其研磨并過200 目篩后，用塑料樣品袋包裝，按照不同實驗測試需求分別對樣品進行測試分析。

全巖礦物組成分析在中國地質大學（武漢）材料與化學學院X 射線衍射儀（XRD）實驗室完成，檢測設備為德國Bruker AXS D8-Focus X 射線衍射儀。部分樣品采用兩酸（HNO3+HF）溶樣罐溶樣方法進行樣品的化學預處理，然后利用電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）測定方法對樣品進行稀土元素及微量元素分析［13］。

碳、氧同位素測試在中國地質大學（武漢）地質過程與礦產資源國家重點實驗室完成。應用純磷酸法制備CO2，將所獲得的CO2在氣體穩定同位素比值質譜儀（MAT-253plus）上進行質譜分析，分析結果采用VPDB 標準，測試結果δ18O 標準偏差小于0.06‰，δ13C標準偏差小于0.03‰。

鍶同位素組成分析測試由中國地質大學（武漢）生物地質與環境地質國家重點實驗室多接收等離子體質譜儀（Nu PlasmaⅡ型MC-ICP-MS）完成。實驗全流程空白本底值約為3×10-10g，Sr 987標樣的測試精度為0.710 223±0.000 034（2σ,n=7），具體分析流程可參見文獻［14］。

3 巖石學特征

柯坪地區吾松格爾組位于古隆起的構造高部位，沉積期氣候干旱，受塔北古陸和塔南隆起的影響，整體為局限臺地下的潮坪環境［10］。通過對柯坪地區2個野外露頭剖面白云巖樣品的分析，識別出吾松格爾組的主要巖性包括泥質泥粉晶白云巖、顆粒白云巖、晶粒白云巖、角礫化白云巖以及藻白云巖。

泥質泥粉晶白云巖 發育于夏特和蘇蓋特剖面吾松格爾組的下部和中上部，原始結構保存較好，鏡下白云石多為粉晶級，晶間充填泥質，偶見石英碎屑，整體較致密，孔隙不發育，裂縫少量發育，部分被方解石完全充填（圖2a）。

圖2 塔里木盆地柯坪地區吾松格爾組白云巖樣品顯微照片Fig.2 Micrographs of dolomite samples of Wusonggeer Formation in Keping area,Tarim Basin

顆粒白云巖 發育于蘇蓋特剖面吾松格爾組中部，具有明顯的顆?；糜敖Y構特征。以藻砂屑為主的顆粒受到后期白云石化作用，部分顆粒邊緣比較模糊，顆粒中心仍保留早期泥質，鏡下顯示暗灰色，其粒徑為100～500 μm不等，偶見溶孔被后期方解石充填，孔隙幾乎不發育（圖2b），反映沉積期動蕩的水體環境。

晶粒白云巖 發育于蘇蓋特剖面吾松格爾組顆粒灘層的頂部。鏡下可見原始結構基本消失，偶見模糊顆?；糜?，白云石晶體邊緣不連續，以半自形為主，呈現鑲嵌狀結構；裂隙被后期結晶方解石充填，鑲嵌緊密；發育粒間溶孔、晶間孔（圖2c，2d）。

角礫化白云巖 發育于夏特剖面吾松格爾組頂部。鏡下可見后期裂縫貫穿先期縫合線，裂縫被后期結晶方解石膠結，充填緊密（圖2e）；陰極發光可見白云石基質為暗紅褐色，后期形成的自形白云石（粒徑約為50 μm）發暗紅色光，晚期膠結方解石為亮橘黃色（圖2f）。

藻白云巖 發育于夏特剖面吾松格爾組頂部，微觀上以2 種結構組分為主：一種為暗色菌藻類凝塊結構，主要由富菌藻的粉晶白云石組成，鏡下為暗色凝塊狀；另一種為膠結物，主要由亮晶白云石組成，晶體比前者粗，可達細晶級（圖2h）。

4 地球化學特征

4.1 微量元素

對研究區吾松格爾組白云巖的7件樣品進行了微量元素測試。從表1 可以看出樣品Sc 含量（平均值為1.22 μg/g）、Th含量（平均值為1.28 μg/g）、Hf含量（平均值為0.36 μg/g）、Zr 含量（平均值為13.96 μg/g）均遠遠低于上地殼中的含量（Sc:14.9 μg/g，Th:2.3 μg/g，Hf:5.8 μg/g，Zr:240 μg/g），表明研究區樣品均未受到陸源沉積物顯著影響。此外，成巖作用過程會影響巖石中的稀土元素含量，導致樣品的(Ce/Ce*)SN與∑REE 顯示良好相關性，而本研究的樣品(Ce/Ce*)SN與∑REE 相關性較差（圖3a，表2），表明樣品未受到明顯的成巖作用影響。

表1塔里木盆地柯坪地區吾松格爾組白云巖微量元素含量及特征參數Table 1 Contents and characteristic parameters of trace element of Wusonggeer Formation’s dolomite in Keping area,Tarim Basin

表2塔里木盆地柯坪地區吾松格爾組白云巖稀土元素含量及特征參數Table 2 Contents and characteristic parameters of REE of Wusonggeer Formation’s dolomite in Keping area,Tarim Basin

圖3 塔里木盆地柯坪地區吾松格爾組白云巖海水標準化的(Pr/Pr*)SN-(Ce/Ce*)SN 和(Ce/Ce*)SN-∑REE交會圖（據文獻［15］修改）Fig.3 Crossplots of seawater normalized(Ce/Ce*)SN-(Pr/Pr*)SN and(Ce/Ce*)SN-∑REE of Wusonggeer Formation’s dolomite in Keping area,Tarim Basin(cited from reference［15］,modified)

U元素多傾向于在還原環境富集［16］，Th對氧化-還原環境不敏感，不受氧化-還原環境影響，由于Th和U在不同氧化-還原條件下表現出不同的特征，故U/Th 值可作為氧化-還原環境的判別指標［17］。一般認為高U/Th值（＞1.25）多指示缺氧環境，低U/Th值（＜0.75）多指示氧化環境。V 在海相氧化環境下以高價態（H2VO4-）形式存在，而在缺氧環境下被還原為低價態沉積下來［18］；Cr 在缺氧條件下被還原，易與腐殖酸結合形成復雜化合物或復雜結構吸附在鐵錳氫氧化物表面［19］。通常將V/Cr 值用于判定古海洋沉積環境，認為V/Cr 值＜2 指示氧化的沉積環境，而2＜V/Cr 值＜4.5 指示次氧化沉積環境，V/Cr值＞4.5 指示缺氧沉積環境［20］。此外，V/(V+Ni)值也被用作判斷氧化-還原條件的有效指標。由基于多種氧化-還原指標的沉積環境判別圖（圖4）可見，V/(V+Ni)值、V/Cr值均反映出研究區樣品主要形成于氧化-次氧化環境中（圖4a）；而U/Th出現少部分較高的值（圖4b），推測是由于古老地層Th元素衰變以及熱液活動影響導致的U元素含量增高，使得U/Th值增大。

圖4 塔里木盆地柯坪地區吾松格爾組白云巖沉積環境判別圖Fig.4 Sedimentary environment discrimination diagram of Wusongger Formation’s dolomite in Keping area,Tarim Basin

Sr 元素在干旱氣候下會隨著鹽類析出從而導致巖石中的Sr含量高值，而Ba的化合物溶解度比Sr低，在淡水環境向海相過渡的過程中，Sr/Ba 值增大的趨勢較為明顯，故可利用Sr/Ba值來反映古鹽度變化趨勢。一般認為Sr/Ba值＞1為海相沉積，而Sr/Ba值＜1 則反映陸相沉積［21］。研究區樣品的Sr/Ba 值大部分大于1，平均值為5.64（表1），表明研究區白云巖沉積時的蒸發作用強，成巖流體來自于較為咸化的海水。Sr/Cu值通常用來指示沉積期氣候特征，研究認為Sr/Cu 值＞5 指示干旱氣候［21］。研究區樣品的Sr/Cu 值均遠大于5（表1），表明研究區在白云巖沉積期處于干旱氣候條件。

4.2 稀土元素

稀土元素特征常被用于示蹤白云巖的物質來源和形成過程［22-23］。這是因為自然界中絕大部分流體的稀土元素含量遠未達到能改變原巖稀土元素含量特征的程度，而白云石化作用后的其他成巖作用對白云巖稀土元素組成及其地球化學特征的影響被認為比較?。?4］，因此，可用白云巖的稀土元素組成來反演原始成巖流體的性質。近些年來，利用稀土元素配分特征來研究白云石化流體來源和白云巖成因均取得了重要進展［15,25］。

本文采用Kawabe 等［26］發表的海水REE 組成對數據進行標準化處理（圖5）。結果表明：樣品∑REE變化范圍為5.51～89.10 μg/g，平均為27.32 μg/g，含量均較低（表2），總體處于海相碳酸鹽巖∑REE值變化范圍內（海相碳酸鹽巖∑REE 值一般低于100 μg/g）［27］。其中，吾松格爾組角礫化白云巖（XT-2 樣品）低水平的∑REE 應該是準同生期大氣淡水溶蝕作用所致。

圖5 塔里木盆地柯坪地區吾松格爾組白云巖海水標準化REE配分特征Fig.5 Seawater standardized REE distribution characteristics of Wusonggeer Formation’s dolomite in Keping area,Tarim Basin

樣品輕稀土（LREE）總含量范圍為5.12～80.41 μg/g，平均值為24.46 μg/g；重稀土(HREE)總含量為0.40～8.69 μg/g，平均值為2.86 μg/g，∑LREE/∑HREE值為6.87～12.89，平均值為9.22。此外，(Nd/Yb）N值被用于判定輕、重稀土元素相對富集程度［28］，各樣品(Nd/Yb）N值在3.52～5.61 之間（表2），平均值為5.01，高于海水的(Nd/Yb）N值，表明研究區白云巖輕稀土元素明顯富集，而重稀土元素相對虧損，輕、重稀土分餾明顯。

研究區各類白云巖樣品均具有不同程度的Ce正異常。由于海水中Ce含量相對較低，故經海水標準化后的稀土元素配分模式通常顯示正Ce 異常。利用Webb 等［29］提出的方法，做出(Pr/Pr*)SN-(Ce/Ce*)SN交會圖（圖3b）。從圖中可看出，樣品具有明顯Ce正異常，此結果與前人研究結果相一致［30］。

胡文瑄等［25］總結了白云巖儲層形成演化過程中不同流體作用的稀土判別模式，認為成巖流體為海水來源并經海水標準化后的白云巖的稀土元素特征表現為全巖∑REE 低（一般小于20 μg/g），具有一定程度的Ce 正異常，輕稀土稍富集、重稀土配分曲線低且平坦的特征。本次研究的各白云巖樣品經海水標準化后呈現不同程度的正Ce 異常（圖5），輕稀土稍富集，重稀土曲線較平坦的右傾型配分模式，表明本次研究的樣品經歷了較為相似的成巖過程且成巖流體主要來源于海水。

4.3 碳、氧穩定同位素

碳酸鹽巖對不同的成巖作用反應敏感，目前已經開發出多種判別不同成巖環境、不同成巖作用的分析方法，而穩定碳、氧同位素分析方法是近年來不斷被推廣的一種有效方法，能有效指示海平面變化、反映不同成巖環境的流體和成巖作用特征［25］。大氣淡水成巖環境的穩定碳、氧同位素組分普遍偏輕，遵循大氣淡水線，即δ13C 值變化范圍大（從高負值到低正值），而δ18O值幾乎不變（一般為高負值）。

由于寒武系碳酸鹽巖年代古老，易受到長期復雜的成巖蝕變作用的影響而改變原始的沉積信息，故此需要對成巖蝕變影響進行評價。研究認為，沉積碳酸鹽巖的δ18O 值＞-11‰表示巖石的δ18O 值基本沒有受到成巖作用的影響［33-34］。本文對白云巖樣品進行碳、氧同位素分析，結果顯示吾松格爾組白云巖δ13C 值為-3.14‰、-1.25‰、-0.73‰，δ18O 值分別為-6.19‰、-9.52‰、-10.45‰，即樣品基本能反映原始的沉積信息，且顯示出δ13C 低負值，δ18O 高負值的特征，此特征與前人研究的結果一致［10,30］。依前文所述，成巖階段受到大氣淡水影響（大氣淡水成因的白云巖或受到大氣淡水成巖改造）的白云巖普遍具有此特征。通過將本次研究測試樣品所得的δ13C 值、δ18O 值投圖至陳梅等［35］研究所得的碳、氧穩定同位素特征與成巖關系圖上（圖6），可以看到本次研究樣品的δ13C值、δ18O值的正交投點位置基本都在第3象限處，各樣品碳、氧同位素組成具有相似的特點，反映明顯受到大氣淡水溶蝕作用的影響。

圖6 塔里木盆地柯坪地區吾松格爾組白云巖的C、O同位素特征與成巖環境（前人數據引自文獻［30］，圖版據文獻［35］）Fig.6 C-O isotope characteristics and diagenetic environment of Wusonggeer Formation’s dolomite in Keping area,Tarim Basin(cited from reference［30，35］,modified)

Keith 等［36］通過對海水和淡水碳酸鹽巖進行大量的碳、氧同位素測試，統計得到利用碳、氧同位素組成計算鹽度的經驗公式：Z= 2.048 (δ13C + 50) +0.498 (δ18O + 50 )，δ13C、δ18O 均為VPDB 標準。依據該公式，已知碳、氧穩定同位素組成值，就可計算出巖石沉積時的鹽度Z值。當Z值大于120 時，巖石為海相成因；當Z值小于120 時，巖石為陸相成因（淡水、湖水）。本次研究所用樣品的Z值平均為119.5，反映出樣品形成于典型正常海水，只有一個樣品小于120，推測在成巖過程有淡水淋濾影響。

4.4 鍶同位素

鍶同位素是研究碳酸鹽巖成巖作用的重要手段之一。鍶在海水中的滯留時間( 約1 Ma )遠大于海水的混合時間(約1 ka)，通常認為在任意給定的地質時代，全球范圍內海水鍶同位素的組成是均一的［37］。由于Sr 同位素在海水中具有長期特殊的變化規律，其分餾不受溫度、壓力和微生物作用的影響，故通常借助于白云巖的Sr 同位素組成特征反演白云石化流體的性質及來源。通常認為白云石化流體的87Sr/86Sr 值主要受海水來源Sr、殼源Sr（主要來自大陸古老巖石風化）以及幔源Sr（主要來自洋中脊熱液系統）的影響［38］。研究發現，在白云石化作用過程中Sr 含量會逐漸降低，而87Sr/86Sr 值會升高。當Sr 含量數量級為100 μg/g 時，由流體性質導致的87Sr/86Sr 值變化數量級通常在10-3甚至更高［39］。本次研究所選白云巖樣品的Sr 含量范圍為54.2～313.6 μg/g，平均值為144.2 μg/g，處于正常白云巖的范圍之內；大部分樣品的87Sr/86Sr值處于早寒武世海水87Sr/86Sr 值范圍內（0.708 8～0.709 2）［40］，但個別樣品高于此范圍，顯示出受殼源Sr影響的特征（圖7）。這表明樣品的白云石化流體基本為海水，但具有明顯受到大氣淡水淋濾影響的特征。

圖7 塔里木盆地柯坪地區吾松格爾組白云巖Sr同位素組成Fig.7 The Sr isotope composition of Wusonggeer Formation’s dolomite in Keping area,Tarim Basin

5 白云石化模式

早寒武世吾松格爾期，塔里木盆地西部臺地主要為混積弱鑲邊碳酸鹽臺地［41］，局部地區表現出碳酸鹽緩坡的特點，可劃分出混積潮坪、局限—半局限臺地、潟湖、臺地邊緣、斜坡、海盆及緩坡等7大沉積相、16類亞相及若干微相類型［9］。同期，柯坪地區以潮坪相沉積為主，臺地邊緣、顆粒灘帶及潮坪相薄層臺內灘構成了吾松格爾組儲層發育的重要物質基礎［10,42］。

吾松格爾組沉積期受到陸源碎屑物質輸入影響，在干旱的氣候環境下，海水不斷蒸發而逐漸趨于咸化。隨著膏鹽含量的升高，微生物對巖性的影響愈加顯著，形成以泥質泥粉晶白云巖、藻白云巖為主的巖性特征，基本保存了原巖結構特征。二者相對較高的Sr/Cu 值（分別為72.22、15.80）也表明巖石形成于干旱蒸發環境；較低的U/Th 值（分別為1.17、2.90）及高于同期海水的Sr 同位素組成（分別為0.709 34、0.709 25）均表明二者主要為薩布哈和微生物白云石化模式下的沉積產物。頻繁的海進/海退、不同程度的準同生大氣淡水淋濾溶蝕（去膏化作用、溶蝕作用、滑塌作用）及短距離搬運堆積促進了白云巖有效孔隙的發育；原生沉積特征被不斷破壞，晶間孔、粒間溶孔發育，形成以晶粒白云巖、角礫化白云巖、顆粒白云巖為主的巖性特征（圖8）；這3 類巖性較低的∑REE 值（分別為11.13 μg/g、5.51 μg/g、42.58 μg/g）及角礫化白云巖的低Z值（119）均顯示出明顯受大氣淡水淋濾影響的特征。在相對高能的環境下發育顆粒白云巖及角礫化白云巖，因其孔隙發育，更有利于高鹽度海水向下滲流，導致滲透回流白云石化作用的發生。

圖8 塔里木盆地柯坪地區吾松格爾組白云石化模式圖(修改自文獻［10］)Fig.8 Dolomitization pattern of Wusonggeer Formation in Keping area,Tarim Basin(cited from reference［10］,modified)

晚期沉積階段環境封閉，海水持續咸化，膏鹽發育；埋藏階段發生壓溶作用，發育縫合線，其與裂縫相互切割，是儲集空間的重要補充，同時提高了儲層的滲透率。

綜上所述，認為研究區吾松格爾組白云巖主要形成于準同生-淺埋藏沉積階段，為潟湖—潮坪沉積背景下薩布哈模式、微生物白云石化模式、滲透回流白云石化模式共同作用的產物。

6 結論

（1）塔里木盆地柯坪地區早寒武世吾松格爾組沉積期受到微弱的陸源碎屑影響，白云巖樣品的V/(V+Ni)值絕大多數小于0.6、U/Th 值總體小于1.25、V/Cr 值均小于4.5，絕大部分樣品Sr/Ba 值大于1、Sr/Cu值大于5，指示樣品形成于氣候干旱炎熱、海水咸化且氧化的沉積環境。

（2）各類白云巖的稀土元素總含量較低，總體處于海相碳酸鹽巖的∑REE 值變化范圍內，顯示出受到大氣淡水淋濾的影響；稀土元素配分曲線顯示輕稀土元素稍富集、重稀土元素較平坦的右傾配分特征，Sr 同位素組成總體處于同時期海水范圍，個別高于此范圍顯示出受殼源Sr 影響的特征，據此認為白云石化流體主要來源于海水；穩定碳、氧同位素組成顯示明顯的δ13C 低負值、δ18O 高負值的特征，反映沉積階段受到大氣淡水淋濾影響；鹽度指數（Z值）指示樣品形成于鹽度較大的流體。綜合分析認為白云石化流體為蒸發成因的高鹽度海水。

（3）潮坪相高能環境以及準同生大氣淡水溶蝕為研究區吾松格爾組提供了優質儲層發育的基礎，其白云石化模式與蒸發濃縮高鹽度海水有關，隨著后期埋藏深度的增加，深埋藏環境下次生溶蝕孔隙的發育是優質儲層形成和保持的關鍵。