玉北地区位于塔里木盆地西南坳陷麦盖提斜坡的东部, 北邻玛扎塔格断裂带, 南接叶城— 和田凹陷, 东邻塘古斯巴斯坳陷(黄太柱, 2014; 谭广辉等, 2014), 内部主要发育近东西向的玉中断裂带, 北东向的玉北1断裂带、玉东1断裂带、玉东2断裂带、玉东3断裂带、玉东4断裂带及皮山北2断裂带(图 1)(黄擎宇等, 2014)。这些构造带多由盖层滑脱型逆冲断裂及伴生褶皱构成, 主要形成时期为加里东中至晚期和海西晚期(张仲培等, 2011; 云金表等, 2013)。受和田古隆起演化的控制, 玉北地区东部断褶带顶部缺失中上奥陶统、志留系及泥盆系, 东部地区多条北东向断褶构造带之间的断洼区发育上奥陶统, 泥盆系仅在西部局部地区分布。下奥陶统鹰山组在玉北地区稳定分布, 可分为上、下两部分:上部岩石类型主要为开阔台地相泥晶灰岩和亮晶颗粒灰岩, 下部为局限台地相云质灰岩、灰质云岩和晶粒白云岩等(吴仕强等, 2008; 吕海涛等, 2010; 刘忠宝等, 2013)。

图1

Fig.1

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	图1 塔里木盆地玉北地区YB7井位置(据谭广辉等, 2014, 有修改) 断裂名称: A— 玉北1断裂带; B— 玉北7断裂带; C— 玉东1断裂带; D— 玉东2断裂带; E— 玉东3断裂带; F— 玉东4断裂带; G— 皮山北2断裂带Fig.1 Location of Well YB7 in Yubei area, Tarim Basin (modified from Tan et al., 2014)

在本次研究的重点井YB7井中, 石炭系巴楚组直接覆盖于中下奥陶统鹰山组之上(图 2)。在鹰山组和巴楚组之间, 向上依次缺失中上奥陶统及志留系柯坪塔格组、塔塔埃尔塔格组、依木干他乌组, 泥盆系克孜尔塔格组和东河塘组。

YB7井鹰山组发育开阔台地背景下的台内滩、滩间海、障壁滩及潟湖沉积, 以前二者为主。该井鹰山组之上直接覆盖石炭系巴楚组, 而溶洞发育于5807.45~5808.92, m, 顶面距不整合面3.45, m。洞穴内发育一套厚0.75, m的溶洞沉积, 以长石石英砂岩为主, 由陆源砂和填隙物构成。

陆源砂主要由长石、石英组成, 呈次棱角状、次圆状, 杂乱分布, 大小以0.05~0.25, mm的细砂为主, 0.4~0.5, mm的中砂次之。长石为钾长石、歪长石和微斜长石。石英具轻微波状、带状消光, 边缘见次生加大边。

填隙物主要由硅质、钙质胶结物及少量黏土杂基组成, 填隙于砂粒之间, 颗粒支撑(图3-A)。硅质胶结物重结晶, 形成石英的次生加大边(图3-B)。钙质胶结物为方解石, 呈他形粒状, 大小介于0.01~0.85, mm之间。黏土杂基主要由隐晶— 微鳞片状黏土质矿物组成, 粒径小于0.005, mm, 部分被绿泥石和褐铁矿交代(图3-B, 3-C)。

局部发育少量粉砂质砂岩, 主要由陆源砂和黏土质构成: 陆源砂由长石、石英组成, 呈次圆状、次棱角状, 依粒度及成分不同略显纹层状定向分布(图3-C), 大小以0.05~0.45, mm的砂为主, 0.005~0.05, mm的粉砂次之。长石为钾长石、歪长石和微斜长石(图3-D)。石英具轻微波状、带状消光, 边缘见次生加大边。黏土质由隐晶— 微鳞片状的黏土质矿物组成, 粒径小于0.005, mm, 呈纹层状定向分布(图 3-C)。

图2

Fig.2

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	图2 塔里木盆地玉北地区YB7井中下奥陶统鹰山组综合柱状图Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of the Lower-Middle Ordovician Yingshan Formation in Well YB7 in Yubei area, Tarim Basin

图3

Fig.3

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图3 塔里木盆地玉北地区YB7井中下奥陶统鹰山组溶洞中充填的含钙质长石石英砂岩 A— 5808.00, m, 中细粒含钙质长石石英砂岩, 填隙物由硅质、钙质胶结物及少量黏土杂基组成, 局部见亮晶砂屑灰岩岩屑; B— 5808.19, m, 含钙质黏土质粉砂质砂岩, 主要由长石、石英组成, 黏土主要由陶晶— 微鳞片状黏土质矿物组成, 个别石英边缘见次生加大边; C— 5808.40, m, 中细粒含钙质长石石英砂岩, 依粒度及成分不同略显纹层状定向分布; D— 5808.73, m, 细中粒含钙质长石石英砂岩, 岩屑为亮晶砂屑灰岩, 颗粒支撑, 孔隙式胶结。所有照片均为正交光Fig.3 Calcarious feldspar-quartz sandstone in cave fillings of the Lower-Middle Ordovician Yingshan Formation in Well YB7 in Yubei area, Tarim Basin

采集样品的原则是: (1)不含或含有极少量泥质或碳酸盐岩矿物; (2)后期蚀变改造作用比较弱。

将样品粉碎至200目, 分成3份, 1份留作备用, 其余分别用于微量元素、稀土元素分析。上述测试均在河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成, 所用仪器为电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)。稀土样品制备过程为: 准确称取40, mg样品于Teflon溶样罐中, 加入3, mL(1+1)HNO₃, 置于120℃电热板上加热保温, 1天后逐渐升温至150℃, 继续保温1天, 开盖, 蒸发至近干。加入2, mL(1+1)HNO₃, 加盖, 于150℃电热板上保温2 h, 开盖, 蒸发至剩余约1, mL。待冷却后将溶液转移到50, mL PE瓶中, 加入0.4, mL 500μ g/L In内标的亚沸水稀释至20, g, 摇匀, 最后上机测试。稀土元素的分析精度为: 元素含量大于10 μ g/g的误差小于5%, 小于10 μ g/g的误差小于10%。

本次研究中, 采用北美页岩(NASC)数据进行稀土元素数据的标准化。

从理论上讲, 稀土元素组成特征的异同可以为溶洞碎屑岩充填的来源分析提供依据(Henderson, 1984; Palmer, 1985; Banner et al., 1986; Elderfield et al., 1990; Qing and Mountjoy, 1994; 韩贵琳和刘丛强, 2004; 吴仕强等, 2009)。为此, 本次研究除了在有限的溶洞充填物样品中选取了4件有代表性的样品进行稀土元素分析外, 同时还在邻井东河塘组、克孜尔塔格组、依木干他乌组和石炭系巴楚组选取了共计70件样品进行分析对比。

4个溶洞充填物样品稀土元素配分模式表现为轻稀土轻微富集, 以La尤为明显, 具有明显的Ce负异常和轻微的Eu正异常(图4-A)。Ce通常呈+4价, 容易吸附于沉积物颗粒的表面, 在成岩过程中容易分馏从而导致负异常。而Eu相对比较稳定, 在后期成岩过程中分馏作用不如Ce那样明显, 其更多地反映沉积时的特征。4个溶洞充填物样品中表现出的Eu正异常可能代表源岩的特征, 而Ce的负异常更倾向于后期成岩改造的结果。这4个样品同时还表现出重稀土的轻微富集, 以Lu尤为明显。

图4

Fig.4

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	图4 塔里木盆地玉北地区YB7井中下奥陶统鹰山组溶洞充填物及PSB2井上覆层系的REE配分模式 A— YB7井, 5808.17~5808.92, m, 鹰山组; B— PSB2井, 6545~6559, m, 东河塘组; C— PSB2井, 6874~6876, m, 依木干他乌组; D— PSB2井, 6755~6873, m, 克孜尔塔格组; E— PSB2井, 6351~6380, m, 巴楚组中泥岩段; F— PSB2井, 6390~6421, m, 巴楚组下泥岩段Fig.4 REE patterns of cave fillings of the Lower-Middle Ordovician Yingshan Formation in Well YB7 and overlying strata in Well PSB2 in Yubei area, Tarim Basin

从图4的REE配分模式图中可看出, PSB2井东河塘组(6545~6559, m段)及该井石炭系巴楚组中泥岩段(6360~6380, m段)的配分模式同样表现出轻稀土轻微富集、轻重稀土分馏不明显、Ce轻微负异常特征(图4-B, 4-E)。东河塘组的Eu表现为轻微正异常, Ce为负异常(图4-B), 这与YB7井鹰山组溶洞段充填物较为相近。而石炭系巴楚组中泥岩段的Eu表现出不太明显的负异常(图4-E), 与鹰山组溶洞充填物差别比较大。

依木干它乌组的2个样品均表现出轻稀土亏损明显, 虽然轻重稀土分馏不是很明显, 但其Ce和Eu均表现出轻微的正异常(图4-C), 配分曲线与YB7井溶洞充填物整体差异比较大, 故应排除其作为来源的可能。石炭系巴楚组下泥岩段的REE配分曲线表现为轻稀土和重稀土段均比较平直, 说明轻重稀土分馏比较均衡, 同时其Ce和Eu也并未表现出明显的异常特征, 整体上与YB7井鹰山组溶洞段4个样品的REE配分模式差别比较大, 其不大可能是充填物的来源(图4-F)。克孜尔塔格组的REE配分曲线表现出明显的轻稀土亏损、重稀土富集的特征, 其Ce和Eu均显示出轻微的正异常(图4-D), 这一特征同样与YB7井溶洞段的4个样品不符, 也应排除其来源的可能。通过REE配分模式可以看出, PSB2井东河塘组的REE配分特征与YB7井溶洞段最为接近, 其是溶洞充填物最可能的来源。

本次研究对张金亮和张鑫(2007)发表的塔中地区志留系柯坪塔格组和塔塔埃尔塔格组的稀土元素进行北美页标准化并与研究区溶洞充填物进行对比。其中柯坪塔格组轻稀土较重稀土相对富集, Ce表现出轻微的负异常(图5)。塔塔埃尔塔格组显现出一定的Ce异常(图6), 但相较柯坪塔格组要弱一些。塔塔埃尔塔格组及柯坪塔格组的稀土配分模式与YB7井溶洞充填物差别明显。

图5

Fig.5

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	图5 塔里木盆地塔中地区志留系柯坪塔格组稀土元素配分模式(数据来自张金亮和张鑫, 2007)Fig.5 REE patterns of the Silurian Kepingtage Formation in Tazhong area, Tarim Basin(data from Zhang and Zhang, 2007)

图6

Fig.6

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	图6 塔里木盆地塔中地区志留系塔塔埃尔塔格组稀土元素配分模式(数据来自张金亮和张鑫, 2007)Fig.6 REE patterns of the Silurian Tataaiertage Formation in Tazhong area, Tarim Basin(data from Zhang and Zhang, 2007)

表1

Table1

表1(Table1)

表1 塔里木盆地玉北地区YB7井中下奥陶统鹰山组溶洞充填物与邻井上覆层系稀土元素特征平均值 Table1 Average parameter value of REE of cave fillings of the Lower-Middle Ordovician Yingshan Formation in Well YB7 in Yubei area, Tarim Basin and overlying strata in adjacent wells 层位 δ Ce δ Eu La/Sm La/Yb Σ REE LREE/ HREE 石炭系巴楚组 0.91 0.95 0.84 1.04 163.59 7.71 泥盆系东河塘组 3.17 0.26 0.62 1.03 52.78 6.75 克孜尔塔格组 0.79 1.13 0.26 0.42 81.06 4.83 依木干它乌组 0.91 1.09 0.44 0.73 99.57 6.50 塔塔埃尔塔格组* 2.93 0.22 1.09 1.44 103.85 7.86 柯坪塔格组* 2.90 0.23 1.23 2.04 118.94 10.73 鹰山组溶洞充填物 2.16 0.27 2.93 2.19 36.48 12.75 注:“ * ” 代表数据来自张金亮和张鑫(2007)。

表1 塔里木盆地玉北地区YB7井中下奥陶统鹰山组溶洞充填物与邻井上覆层系稀土元素特征平均值 Table1 Average parameter value of REE of cave fillings of the Lower-Middle Ordovician Yingshan Formation in Well YB7 in Yubei area, Tarim Basin and overlying strata in adjacent wells

图7

Fig.7

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	图7 塔里木盆地玉北地区YB7井中下奥陶统鹰山组溶洞充填物与邻井上覆层系Σ REE和LREE/HREE值分布Fig.7 Σ REE and LREE/HREE values distribution of cave fillings of the Lower-Middle Ordovician Yingshan Formation in Well YB7 in Yubei area, Tarim Basin and overlying strata in adjacent wells

从Σ REE及LREE/HREE分析结果(表 1)看, 东河塘组12个样品的Σ REE分布于23.86~118.68 μ g/g之间, 平均为52.78 μ g/g; LREE/HREE值介于3.45~10.23之间, 平均为6.75。克孜尔塔格组32个样品的Σ REE分布于32.32~159.37 μ g/g之间、平均为81.06 μ g/g, LREE/HREE值介于2.64~8.32之间、平均为4.83。依木干它乌组在研究区比较薄, 所以本次研究按10, m一个样的取样精度采集了2个样品, 其Σ REE分别为89.96 μ g/g和109.18 μ g/g, LREE/HREE值分别为6.89和6.09。石炭系巴楚组中泥岩段和下泥岩段37个样品的Σ REE分布于69.39~225.57 μ g/g之间、平均为163.59 μ g/g, LREE/HREE值介于4.59~10.03之间、平均为7.71。鹰山组4个溶洞充填物样品的Σ REE整体偏低, 介于13.78~62.97 μ g/g之间、平均为36.48 μ g/g, LREE/HREE值介于10.17~15.65之间、平均为12.74, 明显高于其他层系的样品。从Σ REE及LREE/HREE值的对比(图 7)可知, 溶洞充填物的4个样品与东河塘组的最为接近, 而与克孜尔塔格组、依木干它乌组和巴楚组相差比较大。柯坪塔格组12个样品的Σ REE介于10.19~225.07 μ g/g之间, 平均为118.94 μ g/g, 在各层系中相对最低; 其LREE/HREE值介于7.09~15.06之间, 平均为10.73, 与溶洞充填物相差较大, 这一方面说明其轻重稀土分馏较严重, 另一方面说明其与溶洞充填物无明显相关关系。上述各层系的稀土元素特征说明, 溶洞充填物可能主要源自东河塘组。

La/Yb值和La/Sm值是反映REE分馏程度的重要参数, 前者反映的是稀土元素整体的分馏情况, 而后者则反映轻稀土之间的分馏情况(Humphris, 1984; 赵振华, 1997; 苏中堂等, 2012)。YB7井4个样品的La/Yb和La/Sm平均值分别为2.19和2.93, 东河塘组的La/Yb和La/Sm平均值分别为1.03和0.62, 柯坪塔格组的La/Yb和La/Sm平均值分别为2.04和1.23, 塔塔埃尔塔格组的La/Yb和La/Sm平均值分别为1.44和1.09, 依木干它乌组的La/Yb和La/Sm平均值分别为0.73和0.44, 克孜尔塔格组的La/Yb和La/Sm平均值分别为0.42和0.26, 石炭系巴楚组的La/Yb和La/Sm平均值分别为1.04和0.84(表1)。由此不难发现, 溶洞充填物的La/Yb值和La/Sm值均明显高于其他层系的样品, 特别是La/Sm值远超其他层系的样品, 说明溶洞充填物的轻稀土间的分馏程度比较高。La/Yb值虽然同样高于其他层系的样品, 但只是稍有增高, 这与各层系样品的REE配分模式表现出的特征一致, 均说明这些样品的LREE/HREE分馏不是很明显。从图8中可以看出, 东河塘组样品的La/Yb值和La/Sm值在几个层系的样品中相对是最高的, 说明其轻稀土分馏程度比较高。其中, 溶洞充填物有1个样品落在东河塘组的区间, 也说明二者有一定的关系。

图8

Fig.8

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	图8 塔里木盆地玉北地区YB7井中下奥陶统鹰山组溶洞充填物与邻井上覆层系La/Sm及La/Yb值的关系Fig.8 Relationship between values of La/Sm and La/Yb of cave fillings of the Lower-Middle Ordovician Yingshan Formation in Well YB7 in Yubei area, Tarim Basin and overlying strata in adjacent wells

从前述稀土元素组成特征可看出, 本次研究的4个溶洞充填物样品的稀土元素组成在配分模式上与塔中地区柯坪塔格组以及玉北地区东河塘组相近, 均表现为轻稀土轻度富集、重稀土稍显亏损。4个溶洞充填物样品的δ Ce介于1.84~2.40之间, 平均为2.16; δ Eu介于0.19~0.30之间, 平均为0.27。塔中柯坪塔格组的12个样品的δ Ce介于2.37~3.21之间, 平均为2.90; δ Eu介于0.21~0.28之间, 平均为0.23。玉北地区东河塘组12个样品的δ Ce介于2.33~4.48之间, 平均为3.17; δ Eu介于0.20~0.31之间, 平均为0.26。溶洞充填物的δ Ce和δ Eu与柯坪塔格组及东河塘组均接近。

YB7井溶洞充填物4个样品的La/Yb和La/Sm值与东河塘组、柯坪塔格组最为接近, 而与其他层位相差甚远, 这与配分模式及δ Ce和δ Eu显示出的特征一样, 充分说明溶洞充填物可能和这2个层系有成因联系。4个充填物样品的La/Yb值(平均为2.19)明显高于东河塘组的1.03, 而与柯坪塔格组的2.04接近; La/Sm值为2.93, 同样明显高于东河塘组的0.62和柯坪塔格组的1.23, 而与后者更接近。这2个参数显示出溶洞充填物的特征与柯坪塔格组更接近, 可能更具有成因上的联系。

4个溶洞充填物样品的Σ REE平均为36.48 μ g/g, 更接近于东河塘组的52.78 μ g/g, 而远低于柯坪塔格组的118.94 μ g/g, 这一特征与La/Yb和La/Sm值的结果正好相反。河水、海水及地层水等自然流体中的稀土含量非常低, 而沉积岩中的稀土含量常是自然流体中的10²至10⁶倍(Qing and Mountjoy, 1994; Henderson, 1984)。沉积岩中富集稀土元素的机理仍有诸多不确定因素, 但目前普遍接受的观点是不管是富集还是流失的过程, 都需要大水岩比(贾承造, 1997; 洪华生等, 1998)。从这个角度看, 4个溶洞样品的Σ REE与东河塘组的较为接近, 更具成因上的联系。柯坪塔格组的Σ REE平均值是溶洞样品的3倍还多, 如此大的Σ REE变化, 按前述分析, 需要巨量成岩流体, 其作为物源的可能性值得商榷。

溶洞充填物LREE/HREE值平均为12.74, 与东河塘组的6.75相差较大, 而与柯坪塔格组的10.73更为接近, 这一特征与La/Yb和La/Sm、δ Ce和δ Eu所示一致。不管是LREE/HREE还是La/Yb和La/Sm、δ Ce和δ Eu, 均反映的是成岩过程、环境和强度, 而正是由于不同的成岩演化才会导致这些参数的变化。溶洞充填物这些特征与柯坪塔格组的较为接近, 而与东河塘组的相差比较大, 可能说明其经历了与柯坪塔格组相似的成岩演化过程, 或者是不同的成岩演化过程但其导致的结果却是相似的。

从上述分析可知, 溶洞充填物既可能来源于泥盆系东河塘组, 也可能来源于志留系柯坪塔格组。玉北地区东部YB1、YB3等钻井证实, 玉北东部缺失东河塘组及柯坪塔格组, 而玉北地区西部PSB2井钻遇厚37, m的东河塘组, 位于玉北西部的PSB2井及YB4井均缺失柯坪塔格组。从构造演化背景来看, 加里东中晚期— 海西早期, 塔里木盆地南缘古昆仑洋— 阿尔金洋最终关闭, 西昆仑— 阿尔金古陆与塔里木板块碰撞(丁道桂和汤良杰, 1996; 何登发和李德生, 1996; 贾承造, 1997)。受此影响, 和田古隆起东南部持续抬升, 上奥陶统遭受强烈剥蚀, 志留系向塘古斯巴斯坳陷方向超覆沉积, 其后和田古隆起东南部持续抬升, 志留系遭受剥蚀, 泥盆系— 石岩系向东南方向超覆于残留地层之上(何登发和李德生, 1996; 孙玮等, 2004)。这一过程中, 玉北地区大面积缺失中上奥陶统、志留系(Loucks, 1999), 而泥盆系仅在局部发育, 如PSB2井区, 而玉北东部地区则缺失。YB7井石炭系巴楚组覆于奥陶系鹰山组之上, 说明该区在加里东晚期— 海西早期为古隆起, 而这一时期发育志留系的塘古斯巴斯坳陷与YB7井区相比, 处于构造低部位, 从背景上缺乏作为物源的条件。因此, 前述分析的稀土元素各项指数仅能反映成岩的结果, 在缺乏地质条件的情况下, 志留系柯坪塔格组不具备为YB7井溶洞碎屑沉积物提供物源的基础。

玉北中东部地区大面积缺失泥盆系(丁道桂和汤良杰, 1996; 李慧莉等, 2014), 仅在西部地区局部发育。而在YB7井区, 实钻揭示石炭系巴楚组覆于奥陶系鹰山组之上, 同样缺失泥盆系。因此, YB7井溶洞沉积是在周围普遍缺失泥盆系的环境中的一个单点, 其并非在东河塘组沉积时直接沉积于溶洞中。

从图9中可看出, 在5807.45~5805, m段, 发育大量高角度的裂隙, 裂隙中充填碎块, 这一特征与暗河溶蚀形成洞穴初期顶部的裂纹化围岩特征(唐攀等, 2015)相符。裂纹化围岩是在岩溶洞穴发展到洞顶和洞壁受力失稳后发生破裂、垮塌阶段所形成的, 碎裂可以贯穿于岩溶洞穴发生、发展的各个阶段, 而垮塌只集中于洞顶、洞壁失稳后的塌陷阶段(Loucks, 1999)。YB7井溶洞充填物中未见垮塌角砾, 同时洞顶见裂纹化角砾, 说明这一溶洞还处于洞穴形成的早期阶段, 即岩溶的青年期, 还未发生垮塌, 尚未进入中老年期, 这也是该洞穴垂深只有0.75, m的原因。在后期构造及沉积的共同作用下, 岩溶作用逐渐消亡。

在5809.05, m处见明显的斜层理, 显示沉积时水体能量足。从岩性上看, 溶洞充填物以长石石英砂岩为主, 少见泥质及泥岩碎块, 这一特点也说明当时水体能量高, 淘洗作用强烈而岩性更纯。从图9中还可看出, 溶洞充填物具有5个旋回, 其中第3和第4旋回的产状有明显差别, 第3旋回近水平, 而第4旋回有35° 的倾角。这说明这套溶洞沉积是在多期充填作用下形成的。

图9

Fig.9

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	图9 塔里木盆地玉北地区YB7井中下奥陶统鹰山组溶洞充填物特征Fig.9 Characteristics of cave fillings of the Lower-Middle Ordovician Yingshan Formation in Well YB7 in Yubei area, Tarim Basin

综合稀土元素、岩石学、溶洞特征及充填情况分析, YB7井溶洞充填物是在东河塘组沉积之后形成于暗河系统。同时也说明, 东河塘组沉积之后至石炭系巴楚组沉积之前, 是这套洞穴系统的重要改造时间, 同时也可能是玉北地区重要的岩溶储集层发育时期。

1)塔里木盆地玉北地区YB7井鹰山组溶洞充填物主要由长石石英砂岩组成, 其形成于地下暗河系统, 形成时处于洞穴演化的早期阶段。

2)不同的成岩过程、环境和强度导致YB7井溶洞充填物和邻井上覆层系的LREE/HREE、La/Yb和La/Sm、δ Ce和δ Eu变化明显; YB7井溶洞充填物的REE配分模式及Σ REE受成岩作用影响小, 其特征与东河塘组相近。

3)玉北地区缺失柯坪塔格组, 其在邻区沉积时YB7井区处于相对构造高部位, 不具备为YB7井溶洞提供物源的基础。

4)玉北西部局部区域发育东河塘组, 加里东中期— 海西早期该区处于相对构造高部位, YB7井溶洞充填物来源于东河塘组。

5)加里东中期— 海西早期, 玉北地区中下奥陶统经历了岩溶作用青年期, 在构造及沉积作用控制下, 岩溶作用尚未进入中老年期便已逐渐消亡。