滨里海盆地东缘石炭系KT-Ⅰ油层组白云岩地球化学特征
石新1,2, 程绪彬1, 汪娟1, 李兆影1, 金树堂3, 郭洪明3, 朱萌1
1 川庆钻探公司地质勘探开发研究院,四川成都 610051
2 西南石油大学,四川成都 610500
3 中油阿克纠宾油气股份公司,哈萨克斯坦阿克纠宾 000030

第一作者简介 石新,男,1977年生,工程师,西南石油大学在读博士研究生,矿产普查与勘探专业。E-mail:shixin123123123@126.com

摘要

哈萨克斯坦滨里海盆地东缘上石炭统 KT-Ⅰ油层组主要发育局限海台地—开阔海台地碳酸盐沉积,间夹蒸发岩层。由于区域性白云石化作用, KT-Ⅰ油层组中白云岩广泛分布,为主要油气储集层。研究表明,白云岩中白云石为泥晶、粉晶或细晶,半自形—他形;略富钙,有序度较低( 0.336~0.504);δ 18OPDB值在 -1.06‰~+2.45‰之间,比石炭纪海水(δ 18OPDB值介于 -1‰~-2‰之间)偏正;δ 13CPDB值在 +3.36‰~+5.94‰之间,与石炭纪海水(δ 13CPDB值介于 +3.1‰~+4.7‰之间)接近;锶同位素值接近石炭纪海水( 87Sr/86Sr值在 0.7082~0.7088之间);微量元素 Mn含量平均为 92.57 μg/g, Fe含量平均为 447.52 μg/g,接近被交代的灰岩含量; Na K含量的平均值分别为 198.80 μg/g 5.89 μg/g,显示交代流体为蒸发海水。上述岩石学和地球化学资料表明,研究区石炭系 KT-Ⅰ油层组白云岩具有渗透—回流机理白云岩的特征。

关键词: 滨里海盆地; 碳酸盐岩台地; 石炭系; 渗透—回流白云石化; 地球化学特征
中图分类号:P588.24+5 文献标志码:文章编号:1671-1505(2012)06-0777-09 文章编号:1671-1505(2012)06-0777-09
Geochemical characteristics of the Carboniferours KT-Ⅰ interval dolostone in eastern margin of coastal Caspian Sea Basin
Shi Xin1,2, Cheng Xubin1, Wang Juan1, Li Zhaoying1, Jin Shutang3, Guo Hongming3, Zhu Meng1
1 CCDC Geological Exploration & Development Research Institute,Chengdu 610051,Sichuan
2 Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,Sichuan
3 Petrokazakhstan Aktobe Oil and Gas Corporation,Aktobe 000030, Kazakstan

About the first author Shi Xin,born in 1977,engineer, is a Ph.D.candidate of Southwest Petroleum University.Now he majors in mineral resource prospecting and exploration.E-mail: shixin123123123@126.com.

Abstract

The KT-Ⅰ interval carbonate unit of the Upper Carboniferours is composed of a shallow marine carbonate rock with some evaporate strata,which is dolomitized in the Coastal Caspian Sea Basin,Aktyubinsk,Kazakstan.The fine-crystalline dolostone(mud-dominated)with vug porosity is the most important oil reservoir in the KT-Ⅰ interval carbonate unit. Study shows that the KT-Ⅰ interval dolomite is characterized by micrite, silt or fine crystals with subhedral or anhedral form, ordering index of 0.336~0.504, and slight enrichment of calcium. The dolomite contains stable isotopic oxygen composition of -1.06‰~+2.45‰PDB(average,+0.4‰),which is positive to sea water(Carboniferous), and carbon composition of +3.36‰~+5.94‰PDB which is approximate to sea water.Its stable isotopic strontium composition is 0.708 265~0.708 750, which is approximate to that of sea water or evaporative sea water.The trace element content of 92.57 μg/g(average) for Mn,and 447.52 μg/g(average)for Fe of the KT-Ⅰ interval dolostone,are lower than Mn and Fe content in the burial dolostone,while the trace element content of Na,K and Sr are more than those in the replaceable limestone.The above data about the KT-Ⅰ interval dolostone show that the dolomitization was formed in the near surface evaporative condition,which is characterized by seepage-reflux.

Key words: coastal Caspian Sea Basin; carbonate platform; Carboniferous; seepage-reflux dolomitization; geochemical characteristic
1 地质背景

研究区位于滨里海盆地东部、扎纳若尔油田的南部, 行政上隶属于哈萨克斯坦共和国阿克纠宾州。滨里海盆地内部可分为洛博金— 捷普洛月隆起带、卡腊恰加纳克隆起带、延别克— 扎尔卡梅斯隆起带、舒卡特— 北里海隆起带、南恩巴隆起带、沿海隆起、阿尔特拉罕隆起、萨尔平坳陷、库里诺夫— 诺沃乌津隆起带、卡腊库利长垣和布扎钦穹窿共11个构造单元(图 1), 研究区位于延别克— 扎尔卡梅斯隆起带上, 属于盆地内有利的勘探区带(刘洛夫等, 2002, 2003)。晚石炭世, 该地区为浅海碳酸盐岩台地, 在台地上发育有一套浅海碳酸盐岩层系(方甲中等, 2008), KT-Ⅰ 油层组属于该层系的一部分(上部碳酸盐建造), 厚度约为328~450, m(图 2), 主要为局限海— 开阔海碳酸盐沉积, 间夹蒸发岩层。

图1 滨里海盆地含油气区带构造分区Fig.1 Oil and gas areas with tectonic division of coastal Caspian Sea Basin

图2 滨里海盆地石炭系KT-Ⅰ 油层组柱状图Fig.2 Strata column of the Carboniferous KT-Ⅰ interval of coastal Caspian Sea Basin

由于区域白云石化作用, KT-Ⅰ 油层组中有广泛的白云岩分布, 并成为重要的油气储集层。一般将KT-Ⅰ 油层组分为А 、Б 和В 共3段, 白云岩主要分布在А ~Б 段中(图 2)。勘探实践表明, 高产的油流主要集中在白云岩段, 它们的产能与白云岩的组构、厚度以及成岩作用变化有密切关系。因此, 研究该地区白云岩的地球化学特征、成因和分布具有一定理论和实际价值。文中主要通过分析KT-Ⅰ 油层组白云岩的岩石学和地球化学特征, 探讨该白云岩的形成机制。

2 岩性特征

KT-Ⅰ 油层组白云岩(简称KT-Ⅰ 白云岩)的矿物组分主要为白云石(48%)和方解石(49%), 含有少量黏土矿物, 另有少量自生硅质、黄铁矿、石膏和高岭石等。白云岩可分为晶粒白云岩(77%)和生物颗粒白云岩(17%), 其中前者又可分为泥晶白云岩、粉晶白云岩和粗粉晶白云岩3种。生物颗粒白云岩中的生物主要为有孔虫、 和生屑。纵向上, KT-Ⅰ 油层组自上而下分为А 、Б 和В 共3段, 其中Б 段中的白云石含量最高, A段下部有少量白云石分布, B段主要为灰岩。研究区白云岩的储集空间主要为晶间(溶)孔和溶蚀孔洞(图 3), 面孔缝率高, 喉道宽度较大, 连通性好, 是油气的主要储集空间。

图3 KT-Ⅰ 油层组白云岩镜下特征Fig.3 Microscopic features of the KT-Ⅰ interval dolostone

3 稳定同位素碳和氧

KT-Ⅰ 白云岩的碳和氧稳定同位素资料见表1图4。白云岩的 δ 18OPDB 值分布范围为-1.06‰ ~+2.45‰ , 平均值为+0.49‰ ; δ 13CPDB值分布范围为+3.36‰ ~+5.94‰ , 平均值为+5.11‰ 。地质历史中海水的稳定同位素碳和氧值是有变化的, 据一些研究者(Popp et al., 1986; Lohman, 1988; Lohman and Walker, 1989; Allan and Wiggins, 1993)研究, 石炭纪海水的稳定同位素 δ 18OPDB 值为-1‰ ~-2‰ , 稳定同位素δ 13CPDB值为+3.1‰ ~+4.7‰ 。因此, KT-Ⅰ 白云岩的 δ 18O 比该时期海水 δ 18O 值偏正(图 4)。如何解释这一现象呢?原来在热带海水的近表层部分, 海水的蒸发作用会造成δ 18O 值相对比较轻的水蒸发, 留下δ 18O 值相对重的水, 即蒸发卤水。这种蒸发的海水回流交代碳酸盐沉积物时, 造成白云岩的 δ 18O 值必然会比海水的 δ 18O 值偏正, 即所谓的蒸发效应(Allan and Wiggins, 1993)。因此, 从KT-Ⅰ 白云岩的 δ 18O 值来看, 它具有蒸发— 回流白云岩的地球化学特征。从岩石学特征上看, 它们既交代局限海沉积物, 也交代开阔海沉积物。

表1 KT-Ⅰ 油层组白云岩碳、氧同位素分析结果 Table1 Analysis data of carbon and oxygen isotopes of the KT-Ⅰ interval dolostone

图4 KT-Ⅰ 油层组白云岩碳、氧同位素分布(据Allan和Wiggins, 1993, 修改)Fig.4 Distribution of stable isotopic(C, O)composition of the KT-Ⅰ interval dolostone (modified from Allan and Wiggins, 1993)

4 稳定同位素锶

自然界锶有4种同位素组分: 88Sr(丰度为82.53%, 下同)、 87Sr(7.04%)、 86Sr(0.187%)、以及 84Sr(0.56%)。通常地球化学家把87Sr/86Sr值用来表示稳定同位素锶的地球化学特征。 87Sr 是由87Rb放射性衰变形成的, 相反, 86Sr 是非放射性成因。由于洋壳硅铁岩Rb含量低, 大陆壳硅铝盐岩Rb含量高, 所以地幔或洋壳比大陆壳有相对较低的87Sr/86Sr值(Veizer, 1989)。

表2中可以看出, 石炭系KT-Ⅰ 白云岩的87Sr/86Sr值分布在0.708265~0.708750之间, 平均值为0.708365。KT-Ⅰ 油层组属于上石炭统, 海水的87Sr/86Sr值大约分布在0.7082~0.7088之间, 平均值大约为0.7084(Burk et al., 1982; Elderfield, 1986; Allan and Wiggins, 1993)。从图5中可以看出, KT-Ⅰ 白云岩的87Sr/86Sr值落在石炭纪海水87Sr/86Sr值分布范围内, 没有受到放射性锶 (87Sr) 的影响。这就表明KT-Ⅰ 白云岩交代的流体是海水, 或经过蒸发作用的高盐度海水。这与上述稳定同位素氧(δ 18O)的分布资料一致, 因为海水蒸发作用不会有放射性 87Sr 的进入。

表2 KT-Ⅰ 油层组白云岩87Sr/86Sr值分析资料 Table2 Strontium composition (87Sr/86Sr)of the KT-Ⅰ interval dolostone

图5 KT-Ⅰ 油层组白云岩的87Sr/86Sr值分布(据Allan和Wiggins, 1993; Davies和Smith Jr., 2006)Fig.5 Strontium composition(87Sr/86Sr)of the KT-Ⅰ interval dolostone (after Allan and Wiggins, 1993; Davies and Smith Jr., 2006)

5 微量元素
5.1 Mn和Fe

在近地表条件下, 碳酸盐沉积物中孔隙水通常处于氧化状态, 而埋藏条件下, 孔隙水通常处于半还原或还原状态。对于Mn和Fe这类变价元素来说, 不同的环境状态, 导致它们的地球化学特征有显著的变化。近地表环境, 它们处于高价状态, 埋藏环境下, 它们处于低价状态。这样, 白云岩中微量元素Mn和Fe的含量, 在一定程度上可以提供某些成因的线索。

就碳酸盐沉积物的阴极发光性来说, Mn2+是一种激发剂, 而Fe2+是一种猝灭剂。近地表条件形成的全新世沉积物和生物骨骼的Mn含量都比较低(巴哈马鲕粒Mn=3 μ g/g, Fe=300 μ g/g; 有孔虫Mn=20 μ g/g, Fe=110 μ g/g)。现代海洋中, 尚未遭受成岩蚀变的碳酸盐矿物, 由于海水中Mn2+浓度极低而不具阴极发光性, 而组成古代石灰岩的成岩低镁方解石, 大多不同程度地受到了成岩蚀变, 因此具有不同程度的阴极发光性(黄思静, 1990), 且不同成岩阶段中流体所含微量元素的差异导致不同时期沉淀的碳酸盐必然会有所不同, 这些差异将会反映在其阴极发光强度特征上(刘洁和皇甫红英, 2000)。一些研究者就碳酸盐矿物的阴极发光性与其Fe、Mn含量的关系做了详细地研究:当Mn< 20 μ g/g, 或者, Fe> 10000 μ g/g时, 碳酸盐矿物不具阴极发光; 当20< Mn< 40 μ g/g, 或者, 5000< Fe< 10000 μ g/g时, 碳酸盐矿物具弱的阴极发光; 当Mn> 40 μ g/g, Fe< 5000 μ g/g时, 其阴极发光性受Fe/Mn值的显著控制, 此时, 当Fe/Mn< 7时, 具强的阴极发光, 7< Fe/Mn< 30时, 具中等强度的阴极发光, Fe/Mn> 30时, 具弱的阴极发光, 另外, 碳酸盐矿物的阴极发光性可能还与某些稀土元素的存在有关(黄思静, 1992)。

KT-Ⅰ 白云岩和KT-Ⅰ 灰岩的微量元素Mn和Fe的分析资料见表3表4。KT-Ⅰ 白云岩Mn的变化范围为0~495.66 μ g/g, 平均值92.57 μ g/g; Fe的变化范围为0~1111.53 μ g/g, 平均值为447.52 μ g/g(表 3)。KT-Ⅰ 石灰岩Mn的变化范围为0~286.55 μ g/g, 平均值为84.36 μ g/g; Fe的变化范围为0~567.42 μ g/g, 平均值为189.00 μ g/g(表 4)。45%的白云岩样品(Mn< 20 μ g/g)不具有阴极发光性, 10%的样品(7< Fe/Mn< 30或20< Mn< 40 μ g/g)阴极发光中等到偏弱, 45%的样品(Fe/Mn< 7)阴极发光强; 47%的灰岩样品(Mn< 20 μ g/g)不具有阴极发光性, 6%的样品(7< Fe/Mn< 30)阴极发光中等到偏弱, 47%的样品(Fe/Mn< 7)阴极发光强; 这表明KT-Ⅰ 白云岩是在近地表条件、氧化状态下形成的, 后受到不同阶段的成岩蚀变, 导致白云岩的阴极发光性从不发光到发微弱红光, 甚至发桔黄色光(图 6), 其中重结晶作用是导致这种发光性和发光变化的重要原因。

表3 KT-Ⅰ 油层组白云岩微量元素含量 Table3 Trace element content of the KT-Ⅰ interval dolostone
表4 KT-Ⅰ 油层组灰岩元素含量 Table4 Trace element content of the KT-Ⅰ interval limestone

图6 KT-Ⅰ 油层组白云岩的阴极发光照片Fig.6 Cathodoluminescence photos of the KT-Ⅰ interval dolostone

岩石学和地球化学研究表明, KT-Ⅰ 白云岩显示出蒸发— 回流白云石化的特征, 它既交代局限海条件下沉积的灰泥沉积物, 也交代开阔海条件下沉积的含化石和颗粒泥粒质沉积物。通常这种交代作用处在近地表氧化环境。在这种环境中, 交代流体中Mn和Fe处于高价状态, 它们不能进入到白云石的晶格中。因此, 蒸发— 回流成因的白云岩通常在阴极射线下不发光。然而由于动力学因素的影响, 近地表条件下形成的白云石是一种化学计量富钙的白云石, 有序度低, 是一种欠稳定的矿物, 在埋藏环境中, 钙和镁进行调整时, 孔隙流体中的Mn2+和Fe2+有可能进入到白云石晶体中以类质同象方式取代Ca2+。因此, 原来不发光的蒸发— 回流白云岩也可以具有不同程度发光性。这是一种重结晶作用和新生变形作用(Major et al., 1989)。KT-Ⅰ 白云岩在阴极射线下具有不同程度的发光性变化, 从不发光→ 暗淡发光(浅红色)→ 浅桔黄色发光(图 6), 表明KT-Ⅰ 白云岩中化学计量富钙白云石在稳定化作用过程中, Mg2+和Ca2+调整时, 有Mn2+的进入, 因此KT-Ⅰ 白云岩发生过重结晶作用。这种重结晶作用在氧同位素值上也有所表现, 在KT-Ⅰ 白云岩的C、O稳定同位素分析资料中(图 4), 有两个样品的 δ 18O 值偏向海水方向。这是因为重结晶作用是在埋藏条件发生的, 有温度效应, 即温度增加, 可以使 δ 18O 值向负的方向偏移(Allan and Wiggins, 1993)。

5.2 Na和K

Na和K都是地球化学活动性很强的元素。在碳酸盐沉积物的沉积作用和成岩作用过程中, 通常它们多半流失在溶液里, 并以微量元素的方式出现在碳酸盐矿物中。

KT-Ⅰ 白云岩和KT-Ⅰ 灰岩的微量元素Na和K分析的资料见表3表4图7。白云岩中Na含量为0~916.20 μ g/g, 平均值为198.80 μ g/g; K含量的变化范围为0~369.42 μ g/g, 平均值为42.59 μ g/g(表 3)。石灰岩中Na含量变化范围为0~189.17 μ g/g, 平均值为45.48 μ g/g; K含量的变化范围为0~37.36 μ g/g, 平均值为5.89 μ g/g(表 4)。从图7中可以看出, KT-Ⅰ 灰岩的Na和K含量比KT-Ⅰ 白云岩低。这是因为, Na和K是地球化学活动性很强的元素, 在近地表环境中发生白云石化时, 蒸发海水是交代流体, Na和K的含量是一个增加的过程, 导致KT-Ⅰ 白云岩中的Na和K含量比KT-Ⅰ 灰岩高。如果白云石化作用是在埋藏环境中交代方解石, 那么在白云石化作用过程中, Na和K会有流失, 这样, KT-Ⅰ 白云岩中的Na和K的含量应当比KT-Ⅰ 灰岩要低; 同样, 如果是近地表环境中的混合水白云石化作用, 交代流体是海水— 大气淡水混合水, 灰岩中的Na和K同样会有流失。

图7 KT-Ⅰ 油层组灰岩和白云岩Na和K含量分布Fig.7 Relationship of Na-K of the KT-Ⅰ interval limestone and dolostone

6 化学计量和有序度

白云石的化学计量和有序度是判断白云岩成因的重要参数之一。近地表条件下形成的全新统白云石通常都是一种化学计量富钙的白云石, 一般含有大于8%摩尔当量的钙, 有序度比较低(Land, 1982)。从表5中可以看出, KT-Ⅰ 油层组中白云石Ca2+含量比Mg2+含量偏高。因此, KT-Ⅰ 白云石是一种化学计量略富钙的白云石。

表5 KT-Ⅰ 油层组白云石的Mg2+和Ca2+含量 Table5 Chemical content of Mg2+ and Ca2+of the KT-Ⅰ interval dolostone

由于动力学的因素, 近地表条件下形成的白云石不但化学计量是富钙的白云石, 且有序度通常也偏低, 而KT-Ⅰ 油层组白云石也具备这种特征。从表6中可以看出, 白云石的有序度变化范围为0.336~0.504, 平均值为0.417。从有序度的平均值来看, 它属于有序度偏低的白云石。从有序度变化范围来看, 它从偏低到中等有序度转变, 变化范围比较大。这在某种程度上, 同样反映出白云岩重结晶作用的不均一性。

表6 KT-Ⅰ 油层组白云岩的X射线衍射分析资料 Table6 X-ray diffraction data of the KT-Ⅰ interval dolostone
7 结论

KT-Ⅰ 白云岩的地球化学特征表明, 白云石化作用是在近地表条件下发生的, 交代流体是与蒸发作用有关的海水(卤水)。白云石化的成因属于蒸发— 渗透回流作用, 这一成因的白云岩是造成KT-Ⅰ 油层组储集油气的决定因素。KT-Ⅰ 油层组白云岩中白云石是一种有序度偏低、富钙的白云石, 阴极发光程度变化大(不发光→ 发暗淡光→ 发浅桔黄色光)、有序度变化范围大(偏低— 中等), 稳定同位素 δ 18O 有少数略为偏负(靠近海水), 表明KT-Ⅰ 白云岩在埋藏条件下发生过重结晶作用。

致谢 在论文的撰写过程中,得到了西南石油大学强子同教授、川庆钻探公司地质勘探开发研究院罗启后教授和张荫本高级工程师的帮助和建议,在此深表谢意!

作者声明没有竞争性利益冲突.

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