景 帥,王起琮,程 浩,丁 卯,2

(1.西安石油大學 地球科學與工程學院,西安 710065;2.中國石油長慶油田分公司第三采氣廠,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300)

碳酸鹽巖儲層是目前最主要的油氣儲層,全球一半以上的油氣資源都儲存于碳酸鹽巖中。而白云巖又是碳酸鹽巖最主要的一類儲層,白云巖儲層約占碳酸鹽巖儲層的50%以上[1]。塔里木盆地寒武系白云巖分布范圍廣、厚度大,生儲蓋條件優(yōu)越,是未來油氣勘探的重要領域。本文以塔里木盆地寒武系白云巖為研究對象，在薄片鑒定及地球化學元素分析的基礎上嘗試應用地質統(tǒng)計學中R-Q因子分析方法,進一步開展白云巖巖相、成巖相及其地球化學特征研究。

塔里木盆地是我國最大的含油盆地,屬于大型的疊合盆地,自震旦紀至新生代經(jīng)歷了塔里木、加里東、海西、印支、燕山及喜山等多次大規(guī)模構造運動[2],形成了現(xiàn)今“南北分帶， 東西分塊”的構造格局。 盆地內(nèi)部劃分為三隆五坳(圖1)， “三隆”分別為:塔北隆起、 中央隆起帶和塔東隆起(其中中央隆起帶可分為巴楚隆起和塔中隆起)； “五坳”分別為：庫車坳陷、北部坳陷、西南坳陷、塘古坳陷和東南坳陷[3]。

塔里木盆地中西部寒武系地層自下而上依次為:下寒武統(tǒng)玉爾吐斯組、肖爾布拉克組和吾松格爾組;中寒武統(tǒng)沙依里克組、阿瓦塔格組;上寒武統(tǒng)丘里塔格組。白云巖樣品主要采自中央隆起帶和塔北隆起的探井巖心,中4井由于樣品太少,未發(fā)現(xiàn)相應白云巖樣品(圖1)。

1 白云巖成巖相的巖相特征

本次實驗采用高倍顯微鏡 DMLP—217400進行觀察鑒定,檢測依據(jù)為SY/T 5368—2000,檢測環(huán)境為室溫， 主要測定各種礦物的光學性質, 確定巖石的礦物成分, 對巖石的結構、 構造進行分析, 從而確定巖石類型及對巖石進行定名。由同濟大學海洋地質國家重點實驗室采用Thermo fisher IRIS Advantage型電感耦合等離子光譜儀(ICP-OES)及Thermo fisher VG-X7型電感耦合等離子質譜儀(ICP-MS)進行主、 微量元素測試。 測試使用國際標準物質(GSR-5、 GSR-6、 GSD-9), 主量元素精度0.001%, 微量元素精度0.001×10-6。

圖1 塔里木盆地構造區(qū)及采樣區(qū)域

成巖環(huán)境是碳酸鹽巖發(fā)生成巖變化的物理及化學環(huán)境, 成巖相是在成巖環(huán)境中形成的具有特定礦物組分、 巖石結構及構造的巖相組合[4]。 在巖心觀察和薄片鑒定的基礎上, 根據(jù)白云巖的礦物組成、 沉積與成巖構造特征, 識別出塔里木盆地寒武系白云巖的4個主要成巖相: 準同生云化相、 活躍回流云化相、 巖溶角礫相、 構造破碎相。 這4類白云巖成巖相分別形成于不同的沉積與成巖環(huán)境, 各類成巖相在巖相特征方面有明顯的區(qū)別。

1.1 準同生云化相

準同生云化相巖石類型主要為紋層構造的泥晶云巖(圖2a)及藻粘結云巖(圖2b)。 此類成巖相是在低海平面時期或相對海平面下降階段,形成于蒸發(fā)臺地潮上帶及局限臺地潮下帶和潮間帶的一種成巖相類型。

蒸發(fā)臺地潮上帶由于強烈的蒸發(fā)作用,剛沉積不久的表層沉積物中的粒間水不斷蒸發(fā),引起沉積物中的孔隙水鹽度升高,其交代文石及方解石,形成潮上帶的準同生泥晶白云巖[5]。

局限臺地潮下帶和潮間帶,由于海水的注入量小于潟湖的蒸發(fā)量,所以會引起海水鹽度的升高,高鹽度的海水交代湖底沉積的灰泥、灰屑和生屑沉積物,形成準同生泥晶白云巖、準同生藻灰?guī)r或準同生含生屑泥晶白云巖。此類白云巖主要分布于下寒武統(tǒng)的吾松格爾組、中寒武統(tǒng)的沙依里克組和阿瓦塔格組。

1.2 活躍回流云化相

活躍回流云化相的巖石類型主要包括殘余鮞粒、砂屑、礫屑，具有明顯的殘余顆粒結構(圖2c), 發(fā)育晶間孔隙(圖2d)。此類成巖相是在低海平面時期及相對海平面緩慢下降階段,發(fā)生于局限臺地邊緣和潮間帶的一種成巖相類型。

臺地邊緣和潮間帶由于具有較強的水動力,因此在這種環(huán)境中廣泛發(fā)育著灰質鮞粒、生屑、藻粒等具有滲透性的顆粒沉積物,以及具有藻粘結結構的灰質沉積。蒸發(fā)臺地的地層水通過大氣降水和風暴流得到補充,形成具有混合水特征的半咸水。半咸水自蒸發(fā)臺地通過滲透性的顆粒沉積物源源不斷地向盆地或洼地中滲流,在長期的滲流過程中不斷交代淺埋藏的灰質顆粒,從而形成了具有殘余顆粒結構特征的結晶白云巖[6]。此類白云巖主要分布于下寒武統(tǒng)玉爾吐斯組、肖爾布拉克組和上寒武統(tǒng)丘里塔格組。

1.3 巖溶角礫相

風化殼巖溶角礫成巖相的巖石類型主要為中-粗異形晶白云巖, 富含馬鞍形異形晶, 粗晶白云石多見環(huán)帶結構(圖2e)。 此類成巖相是盆地在相對海平面強制下降階段, 形成于暴露于大氣淡水環(huán)境的隆起區(qū)頂部的一種成巖相類型。 在相對海平面下降階段, 碳酸鹽巖臺地隆起區(qū)露出地表，暴露于大氣淡水環(huán)境中, 遭受淡水淋濾與溶蝕作用, 形成巖溶風化殼, 蒸發(fā)鹽易被溶蝕作用溶解, 從而導致石灰?guī)r或白云巖巖層塌落, 形成巖溶角礫巖。 相對海平面再次上升后, 臺地在風化殼上重新接受沉積, 使風化殼進入埋藏階段, 經(jīng)膠結、 溶解及重結晶作用后, 最終形成埋藏的風化殼巖溶相。

風化殼巖溶相結構組分不均一、晶體為不等晶或中-粗晶。盆地內(nèi)巴楚、塔中隆起區(qū)廣泛發(fā)育具有殘余巖溶角礫結構的中-粗晶白云巖。此類白云巖主要分布于上寒武統(tǒng)丘里塔格組。

1.4 構造破碎相

構造破碎相是分布于斷裂帶兩側,具有剛性碎裂特征，被酸性熱液埋藏溶蝕后形成溶蝕孔隙的一種成巖相類型。

構造破碎作用使脆性原巖變成角礫狀,熱液的溶蝕使之形成具有孔隙的構造角礫巖。此類白云巖具角礫構造和中-粗晶結構(圖2f),埋藏溶蝕作用形成了大量溶蝕孔洞,角礫之間以及部分孔洞中充填了熱液的硅質膠結物。此類白云巖主要分布于上寒武統(tǒng)丘里塔格組。

2 R-Q因子分析基本原理

R-Q型因子分析是在R型和Q型因子分析的基礎上發(fā)展起來的一種多元分析方法，是由法國統(tǒng)計學家Benzecri在20世紀70年代提出來的,是目前應用最廣泛的一種方法。

R-Q型因子分析方法是把分析變量相關關系的R型分析方法和分析樣品相關關系的Q型分析方法統(tǒng)一起來的一種分析方法。因為變量空間和樣品空間的因子軸具有相同的尺度,所以在分別求出R型和Q型的因子負荷以后,可選用Q型的因子軸F0和F1來表示樣品和變量的投影平面，然后將R型因子的負荷向量作為變量的坐標值,將Q型因子的負荷向量作為樣品的坐標值投影到F0和F1所構成的坐標系中,最后得到對樣品和變量分析的點聚圖。對點聚圖上的樣品點群和變量點群進行研究之后會發(fā)現(xiàn),相同或相似地質成因的巖石樣品聚集成點群，具有相同或相似成因的變量聚集形成點群[7-9]。靠近巖石樣品點群的變量點群,從一定程度上可以幫助鑒別巖石類型及成因。因此應用R-Q因子分析的方法得到的點聚圖可以對巖石樣品進行相關性分析。

3 R-Q因子點聚圖分析

由于白云巖的成巖環(huán)境不同,其地球化學元素在類型及含量等方面有著一定的區(qū)別。筆者在白云巖成巖相分析的基礎上,聯(lián)系不同的地球化學元素,應用R-Q因子分析方法進行白云巖成巖相的地球化學特征研究。

根據(jù)元素分析實驗數(shù)據(jù)(表1),選取Fe、 Ca、 Mg、 Mn、 Sr及主要的稀土元素Eu、 La、 Ce、 Yb作為R-Q因子分析的變量進行分析。 分析過程中獲得樣品的方差貢獻率, 方差貢獻率越高表明樣品所攜帶的信息越多。 一般前兩個主因子累計貢獻率達到80%以上,即認為這兩個主因子能說明原始數(shù)據(jù)的大部分信息,可以得到較好的分析效果。

分析結果顯示(表2), 第一特征值方差貢獻率(λ1)為65.43%,第二特征值方差貢獻率(λ2)為19.37%,累計貢獻率達84.80%,表明由這兩個主因子所組成的平面點聚圖包含了原始數(shù)據(jù)的大部分信息[10]。

因此選擇樣品分析Q型因子負荷的因子軸F0和F1的數(shù)據(jù)(表3)來表示投影平面, 再將代表變量分析的R型因子負荷的數(shù)據(jù)(表4)在該平面進行投影,最終得到白云巖地球化學元素R-Q因子分析的點聚圖。

表1 塔里木盆地寒武系白云巖地化元素分析數(shù)據(jù)

3.1 準同生云化相

準同生云化相的樣品分布于Fe、 Mn、 Sr三種元素附近(圖3), 顯示出彼此具有一定的相關性。此類白云巖在成巖過程中有部分陸源碎屑混入,因此相對富含代表地表環(huán)境的Fe、Mn元素。準同生白云巖中往往含有少量取代晶格中Ca離子的Sr元素,所以此類白云巖顯示與Sr具有相關性。

表2 R-Q因子分析特征值貢獻率

表3 白云巖樣品Q型因子負荷向量矩陣

表4 白云巖樣品R型因子負荷向量矩陣

圖3 塔里木盆地寒武系白云巖R-Q因子分析圖

3.2 活躍回流云化相

活躍回流云化相樣品的點群基本投影在Mg元素周圍(圖3) 。此類白云巖的原巖為顆?；?guī)r,顆粒灰?guī)r中的孔隙成為自蒸發(fā)臺地向盆地回流的高鎂半咸水滲流運移的通道,在長期的滲流過程中高鎂半咸水與顆?；?guī)r發(fā)生比較徹底的交代作用,形成基本不含其他雜質的、結晶程度較好的具有殘余顆粒結構的白云巖?；亓鞯母哝V半咸水來自于海水,所以此類白云巖與稀土元素的相關性較弱。

3.3 巖溶角礫相

形成的巖溶角礫白云巖樣品點群分布于稀土元素和鎂元素周圍(圖3), 顯示出兩者之間具有明顯的相關性。 風化殼巖溶角礫間充填大量泥質組分， 泥質組分容易吸附稀土元素, 所以此類樣品和稀土元素顯示出明顯的相關性。 由于經(jīng)歷了流失Sr元素的溶蝕作用, 因此與Sr元素的相關性較低。

3.4 構造破碎相

此類白云巖樣品周圍的元素為Mg、Ca(圖3), 顯示出此類白云巖的成因與Mg、 Ca兩種元素有相關性。 此類白云巖的原巖經(jīng)構造破碎作用, 巖石發(fā)生剛性碎裂, 構造角礫白云巖原巖為殘余顆粒結構白云巖, 白云化程度高。此類白云巖由于缺少陸源黏土組分, 所以與易被黏土吸附的稀土元素相關性很弱。

4 白云巖成巖相的地球化學特征

4.1 Fe、Mn元素

Fe、Mn含量與碳酸鹽巖的陰極發(fā)光性有著密切的關系[11]。 Mn是激活劑,激發(fā)陰極發(fā)光, 而Fe是猝滅劑,猝滅陰極發(fā)光。 Fe、 Mn含量及其比值決定了陰極發(fā)光的強度[12]。 碳酸鹽礦物的陰極發(fā)光性在檢測海相碳酸鹽礦物成巖蝕變性方面具有很好的實用性。

黃思靜[13]根據(jù)大量分析數(shù)據(jù)繪制了碳酸鹽礦物的陰極發(fā)光性與其Fe、Mn含量的關系圖,將本研究區(qū)4類白云巖的Fe、 Mn含量分析數(shù)據(jù)點投到該關系圖(圖4)上, 分析發(fā)現(xiàn), 構造角礫白云巖由于Mn含量較高、 Fe含量較低， 陰極發(fā)光強度為中等發(fā)光到強發(fā)光; 活躍回流白云巖由于受淡水影響, Fe、 Mn含量中等, 在該圖上主要分布于弱發(fā)光區(qū)域; 巖溶角礫白云巖由于Fe含量偏高,陰極發(fā)光猝滅而弱發(fā)光, 主要分布于弱發(fā)光區(qū)域; 準同生白云巖由于沉積于海平面相對較低, 富含地表環(huán)境的Fe、 Mn元素, 但由于Fe元素含量偏高,猝滅陰極發(fā)光而弱發(fā)光。

圖4 塔里木盆地寒武系白云巖Fe-Mn交會圖(底圖據(jù)文獻[13])

4.2 Cr、Cs元素

各類白云巖成因不同,所以微量元素Cr、Cs含量有明顯區(qū)別(圖5)。銫離子半徑很大,容易失去電子,是具有很強的地球化學活潑性的一種稀堿金屬元素[14]。遇水極易發(fā)生反應生成氫氧化銫,絕大部分銫鹽易溶于水,隨水發(fā)生遷移,因此活躍回流白云巖由于受淡水影響,Cs含量偏低;構造角礫白云巖由于經(jīng)受溶蝕作用,Cs含量也顯示低值。電負性膠體粒子極易吸附Cs[14],因此在富含黏土的巖溶角礫白云巖中,Cs含量偏高,準同生白云巖往往含泥,因此Cs含量也較高。

Cr是鐵族元素的一種,顯示強的親氧性[15]。在自然界中主要形成復雜的化合物的礦物,很難隨水發(fā)生遷移。其含量往往隨水體堿性的增強而升高,因此在形成于鹵水環(huán)境的準同生白云巖和形成于活躍回流云化作用的白云巖中Cr元素的含量明顯高于沒有鹵水參與的構造角礫白云巖和巖溶角礫白云巖。

圖5 塔里木盆地寒武系白云巖Cr-Cs交會圖

4.3 稀土元素及Sr元素

稀土元素在自然界分布比較廣泛,化學性質穩(wěn)定,很容易保存于稀土礦物之中。稀土元素易被黏土吸附,因此在含有大量泥質組分的巖溶角礫白云巖和準同生白云巖中稀土元素顯示高值;活躍回流白云巖由于形成于回流云化作用,成巖環(huán)境相對開放而導致稀土元素流失,從而顯示低值;構造角礫白云巖的原巖為活躍回流白云巖,所以稀土含量相對較低(圖6)。

圖6 塔里木盆地寒武系白云巖稀土元素與Sr交會圖

Sr在海水中的豐度很高,但是經(jīng)過成巖改造的白云巖具有較低的Sr含量,這是由于Sr的化學活動性強,極易流失,因此活躍回流白云巖、構造角礫白云巖和巖溶角礫白云巖中Sr含量偏低,而準同生白云巖由于在成巖過程中晶格中的Ca被Sr取代,并且因為受表生及埋藏溶蝕作用的影響,所以Sr含量偏高(表5)。

表5 白云巖成巖相與地化特征對照

5 結 論

(1)通過R-Q因子分析法對不同成因的白云巖展開分析,發(fā)現(xiàn)不同成因的白云巖樣品在R-Q因子點聚圖上明顯聚集成不同的點群,可以用來區(qū)分不同成因的白云巖,從而建立有效的地球化學識別模板。

(2)R-Q因子分析明確了不同成因的白云巖元素類型及含量變化特征,與構造角礫白云巖最相關的元素為Mg和Ca,代表了鹵水成巖環(huán)境;Mg元素與活躍回流白云巖最為相關,代表了淺埋藏的成巖環(huán)境;巖溶角礫白云巖與Mg元素和稀土元素相關,代表了相對開放的成巖環(huán)境;準同生白云巖與Fe、Mn、Sr三種元素相關,代表了地表成巖環(huán)境。

(3)構造角礫白云巖由于發(fā)生溶蝕作用,所以活動性元素Cs和Sr含量顯示低值,但Fe、Mn含量中等;活躍回流白云巖及準同生白云巖由于有鹵水參與成巖,所以Cr含量顯示高值,二者相比較準同生白云巖更加富含地表代表元素Fe、Mn;巖溶角礫白云巖暴露于大氣淡水環(huán)境,所以Cs含量顯示低值,但是由于有巖溶風化殼的形成,所以稀土元素含量較高。