塔里木盆地乌什地区上震旦统奇格布拉克组地球化学特征及其地质意义<sup>*</sup>

郑剑锋, 刘禹, 朱永进, 梁峰. (2021). 塔里木盆地乌什地区上震旦统奇格布拉克组地球化学特征及其地质意义^* [J]. 古地理学报, 23(5): 983-998.
Zheng Jian-Feng, Liu Yu, Zhu Yong-Jing, Liang Feng. (2021). Geochemical features and its geological significances of the Upper Sinian Qigeblak Formation in Wushi area,Tarim Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 23(5): 983-998. 复制到剪切板

Doi: 10.7605/gdlxb.2021.05.063
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塔里木盆地乌什地区上震旦统奇格布拉克组地球化学特征及其地质意义^*

郑剑锋^1,², 刘禹^1,³, 朱永进^1,², 梁峰^1,²

1 中国石油集团碳酸盐岩储层重点实验室,浙江杭州 310023

2 中国石油杭州地质研究院,浙江杭州 310023

3 中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249

通讯作者简介刘禹,男,1997年生,中国石油大学(北京)地球科学学院硕士研究生,地质工程专业,主要从事沉积岩石学和沉积化学研究。E-mail: 912498894@qq.com。

第一作者简介郑剑锋,男,1977年生,硕士,高级工程师,主要从事碳酸盐岩沉积和储层研究。E-mail: zhengjf_hz@petroChina.com.cn。

收稿日期:2021-03-08 修回日期:2021-05-20

基金资助:*国家科技重大专项(编号: 2016ZX05004-002)和中国石油重大科技项目(编号: 2016B-0405)联合资助

摘要

塔里木盆地寒武系盐下地层资源量巨大,上震旦统奇格布拉克组是该领域风险勘探的重要层系之一,但当前该层系勘探尚未取得重大突破,其中岩相古地理格局及储集层主控因素认识不深是制约勘探突破的重要因素之一。文中以乌什地区昆盖阔坦剖面为研究对象,通过地层精细描述和 104块岩石薄片分析,并优选样品开展常微量元素、稀土元素、碳氧锶同位素、白云石有序度及 U-Pb同位素年龄测试,分析了奇格布拉克组沉积环境及白云岩成因。结果表明: ( 1)塔里木盆地乌什地区昆盖阔坦剖面奇格布拉克组厚约 141 m,主要发育叠层石、凝块石、泡沫绵层石 3种微生物白云岩和鲕粒、粘结颗粒 2种与微生物作用相关的颗粒岩,并根据相序组合可以划分为 4个段,自下而上构成碳酸盐缓坡背景下的内缓坡潮坪—微生物丘滩沉积序列;( 2)地球化学分析表明,奇格布拉克组沉积时期研究区整体处于温暖、干旱气候条件下的近岸浅水环境,海水具有较高盐度、较高水温和氧化—弱氧化特征,海平面先逐渐上升后快速下降;( 3)奇格布拉克组白云岩形成于准同生—浅埋藏期,白云石化流体为具有较高盐度的海水。该研究成果不仅可以为塔里木盆地晚震旦世岩相古地理研究提供依据,还可以为储集层主控因素分析提供依据。

关键词: 塔里木盆地; 奇格布拉克组; 地球化学特征; 沉积环境; 白云石化

中图分类号:P595 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2021)05-983-16

Geochemical features and its geological significances of the Upper Sinian Qigeblak Formation in Wushi area,Tarim Basin

Zheng Jian-Feng^1,², Liu Yu^1,³, Zhu Yong-Jing^1,², Liang Feng^1,²

1 Key Laboratory of Carbonate Reservoir,CNPC,Hangzhou 310023,China

2 PetroChina Hangzhou Research Institute of Geology,Hangzhou 310023,China

3 College of Geosciences,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China

About the corresponding author Liu Yu,born in 1997,is a master degree candidate of China University of Petroleum(Beijing). Now he is mainly engaged in researches of sedimentary petrology and sedimentary geochemistry. E-mail: 9121498894@qq.com.

About the first author Zheng Jian-Feng,born in 1977,is a senior engineer in PetroChina Hangzhou Research Institute of Geology,and is mainly engaged in research of carbonate sedimentation and reservoir. E-mail: zhengjf_hz@petroChina.com.cn.

Fund:Co-funded by the National Science and Technology Major Project of China(No.2016ZX05004-002)and Major Science and Technology Project of PetroChina(No.2016B-0405)

Abstract

The Cambrian subsalt formation in Tarim Basin is rich in abundant hydrocarbon resource. The Upper Sinian Qigeblak Formation is one of the important exploration targets in this field. However,no exploration breakthrough has been made so far in this formation. The limited knowledge of lithofacies paleogeography and reservoir genesis led to the restriction of exploration breakthrough. In this paper,the Kungaikuotan outcrop of Wushi area located at NW Tarim Basin is selected as the study region. Based on detailed stratigraphic description,analysis on 104 petrographic thin sections,and multi-parameters geochemical data analysis(major and trace elements,REEs,carbon-oxygen and strontium isotope,the order degree of dolomite and in-situ U-Pb dating),the sedimentary environment of Qigeblak Formation and genesis of dolomite have been studied. It was found that: (1)the Qigeblak Formation of the Kungaikuotan section in the Wushi area of Tarim Basin has the thickness of 141 m,developing three kinds of microbial dolomite(e.g.,stromatolite,clotted limestone,foam laminated stone),two kinds of grainstone related with microbial action(oolite dolomite and grain dolomite). The Qigeblak Formation can be divided into four sections according to the combination of facies sequence,forming the lithofacies assemblage in carbonate gentle slope from inner ramp tidal flat to inner ramp microbial mound/shoal from bottom to up;(2)The sedimentary period of Qigeblak Formation was in a shallow sea water under warm and dry climate background. Seawater has high salinity,high water temperature and oxidation-weak oxidation characteristics and the sea level firstly gradually rised and then declined rapidly;(3)Dolomitization of the Qigeblak Formation took place in penecontemporaneous-early diagenetic period and the dolomitization fluid was the seawater with high salinity. These research results are of great significance to lithofacies palaeogeographic mapping in Late Sinian,Tarim Basin and analysis of reservoir genesis.

Key words: Tarim Basin; Qigeblak Formation; geochemical characteristics; sedimentary environment; dolomitization

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近年来, 对前寒武系的勘探在全球取得了突破性进展: 俄罗斯西伯利亚克拉通中新元古界文德系与中元古界里菲系已发现约50个原生油气田, 总计探明和控制地质储量约22.36× 10⁸ t; 阿曼南部哈伟尔—克卢斯特地区发现9个前寒武系碳酸盐岩油藏, 探明原油储量约为3.5× 10⁸ m³(王铁冠等, 2011); 冀中坳陷发现任丘中元古界潜山油气藏, 探明油气储量5.3× 10⁸ t; 四川盆地乐山—龙女寺古隆起发现以震旦系灯影组为产层的安岳气田, 天然气探明储量5940× 10⁸ m³(田兴旺等, 2020); 塔里木盆地塔北低隆亚洲陆上第1深井——轮探1井的上震旦统也见到了油气显示(杨海军等, 2020; 张天付等, 2020)。塔里木盆地上震旦统奇格布拉克组是寒武系盐下地层重要的勘探领域, 与下寒武统玉尔吐斯组泥页岩及南华系潜在烃源岩(Wu et al., 2017; 朱光友等, 2018)构成良好的生储组合。但是, 当前该领域勘探程度较低, 盆地内仅有轮探1井、旗探1井、柯探1井、星火1井、塔东2井、东探1井等12口井钻遇震旦系。震旦系露头主要分布在柯坪地区、铁克里克地区以及库鲁克塔格地区, 其中柯坪露头区的震旦系与当前重点勘探区塔中、塔北地区具有较好的对比性, 是当前震旦系研究的最主要对象。前人研究认为, 晚震旦世巴楚—塔中—塔东南隆起区西南部继承早震旦世被动大陆边缘环境, 发育缓坡相碳酸盐沉积(周肖贝等, 2012; 石开波等, 2016), 其中奇格布拉克组主要发育以叠层石、凝块石和泡沫绵层石为主的微生物白云岩(王小林等, 2010; 钱一雄等, 2017), 储集层以孔隙—孔洞型为主, 品质较好, 沉积相、风化壳岩溶作用和热液溶蚀作用是储集层发育的主控因素(李朋威等, 2015; 石书缘等, 2017; 严威等, 2019; 杨翰轩等, 2020)。

虽然前人已在乌什地区做了相关的工作, 然而对奇格布拉克组沉积环境和白云岩成因的认识仍然不够深入, 这制约了该地区的岩相古地理恢复及储集层成因认识。因此, 在前人研究成果的基础上, 以昆盖阔坦剖面为研究对象, 精细描述上震旦统奇格布拉克组, 并采集样品104块系统地进行薄片分析, 同时优选样品开展常量微量元素、稀土元素、碳氧锶同位素等地球化学测试分析, 形成了基于岩石学和地球化学特征的奇格布拉克组沉积环境及白云岩成因认识, 为塔里木盆地奇格布拉克组岩相古地理恢复和储集层成因研究提供可靠依据。

1 地质背景

塔里木盆地位于塔里木板块中部稳定区, 是一个由古生界克拉通盆地和中生界—新生界前陆盆地组成的多旋回叠合含油气盆地(贾承造, 1997)。南华纪—震旦纪, 发生Rodinia超大陆裂解, 塔里木盆地处于拉张构造背景下, 形成多个裂谷盆地, 柯坪地区、铁克里克地区与库鲁克塔格地区出露的南华系—震旦系均形成于该裂谷环境。震旦纪, 塔里木盆地以拗陷沉积为主, 其中早震旦世由于驱动板块裂解的地幔柱活动趋于衰退, 拉张作用逐渐减弱, 但晚震旦世裂谷持续扩张导致洋盆周缘沉降而出现拗陷, 形成以碳酸盐岩台地为主的拗陷盆地(杨云坤等, 2014; 吴林等, 2017)。总体上, 该地区发育“ 南华纪裂谷、早震旦裂拗转换、晚震旦拗陷” 的沉积填充序列(田雷等, 2020)。震旦纪末期, 受“ 柯坪运动” 影响, 塔里木板块发生区域性隆升, 导致震旦系与寒武系之间形成区域不整合, 震旦系顶部白云岩遭受风化溶蚀作用。

昆盖阔坦剖面位于乌什县南偏东45 km处(图 1), 周边为戈壁和山区, 构造分区属于塔北隆起柯坪断隆东段, 地层区划亦属柯坪地层分区(吴根耀等, 2013)。在昆盖阔坦剖面中, 上震旦统—中寒武统出露完整, 自下而上发育: 下震旦统苏盖特布拉克组, 上震旦统奇格布拉克组, 下寒武统玉尔吐斯组、肖尔布拉克组、吾松格尔组, 中寒武统沙依里克组和阿瓦塔格组(图 1)。上震旦统奇格布拉克组厚约141 m, 底部与下震旦统苏盖特布拉克组呈平行不整合接触, 顶部与下寒武统玉尔吐斯组呈平行不整合接触。

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	图 1 塔里木盆地昆盖阔坦剖面位置及震旦系—寒武系地层柱状图Fig.1 Location of Kungaikuotan outcrop and stratigraphic column of the Sinian-Cambrian in Tarim Basin

2 岩石学特征

2.1 地层划分

奇格布拉克组实测厚度约141 m, 宏观上可分为4个段(图 2-a), 自下而上分别为奇1段、奇2段、奇3段和奇4段。不同层段的地层颜色、单层沉积厚度、岩相组合具有较明显的差异(图 3)。

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	图 2 塔里木盆地昆盖阔坦剖面奇格布拉克组岩相组合特征 a—奇格布拉克组地层宏观特征; b—奇1段旋回特征; c—奇3段与奇4段岩相组合特征Fig.2 Characteristics of lithofacies assemblage of the Qigeblak Formation in Kungaikuotan outcrop, Tarim Basin

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	图 3 塔里木盆地昆盖阔坦剖面奇格布拉克组综合柱状图Fig.3 Comprehensive lithological column of the Qigeblak Formation from Kungaikuotan outcrop in Tarim Basin

1)奇1段。厚度为31.7 m, 以中—薄层状叠层石白云岩、鲕粒白云岩、粘结颗粒白云岩、泥质白云岩、砂岩和泥岩互层为主, 整体呈黄灰色、褐灰色等氧化色。该段具有明显的旋回性(图 2-b), 主要发育由泥岩、粉砂岩与颗粒白云岩、叠层石白云岩构成的旋回, 以及由水平—微波状叠层石与丘状叠层石构成的旋回。单旋回厚度为0.4~1.0 m, 通常旋回上部厚度较大, 且整体旋回的厚度亦向上逐渐变大。3~5个相同岩相旋回构成1个高一级的旋回, 这一特征也成为该段地层野外划分的主要依据。

2)奇2段。厚度为25.1 m, 整体以灰色中层状叠层石白云岩、凝块石白云岩为主, 夹中—薄层状粘结颗粒白云岩。该段同样具有旋回性, 主要发育由水平—微波状叠层石与丘状叠层石构成的旋回和粘结颗粒白云岩、凝块石白云岩与丘状叠层石构成的旋回。单旋回厚度0.5~2.0 m, 旋回上部略厚于下部。与奇1段相比, 该段不仅颜色较深, 而且单层厚度较大。

3)奇3段。厚度为71.3 m, 整体以深灰色—灰色中—厚层状凝块石白云岩(2~6 m)和泡沫绵层石白云岩(1.6~7.2 m)为主, 两者互层发育。自下而上, 泡沫绵层石白云岩占比逐渐增大, 上部见较多毫米—厘米级窗格孔顺层发育, 孔隙被多期白云石胶结, 构成“ 花边构造” 。该段较奇2段颜色更深, 且单层厚度也更大, 但岩相组合却更简单。

4)奇4段。厚度为12.9 m, 为一套岩溶角砾白云岩(图 2-c), 整体缺乏层状特征, 10~50 cm大小的缝洞体非常发育, 被鞍状白云石、巨晶方解石充填或半充填。角砾主要由深灰色—灰色凝块石白云岩和泡沫绵层石白云岩组成, 指示其与奇3段沉积时期具有相同的沉积环境。推测震旦纪末期, “ 柯坪运动” 造成塔里木板块快速抬升, 使得该段地层暴露并遭受风化淋滤作用, 从而形成了岩溶角砾岩。

2.2 岩石特征

在昆盖阔坦剖面中, 上震旦统奇格布拉克组以微生物白云岩为主, 可识别出叠层石白云岩、凝块石白云岩和泡沫绵层石白云岩3种微生物岩, 及鲕粒白云岩和粘结颗粒白云岩2种与微生物作用相关的颗粒白云岩。奇格布拉克组底部发育薄层状泥岩与粉砂岩。

1)叠层石白云岩。主要发育在奇1段和奇2段, 占比约20%, 可见水平—微波状和丘状(图 4-a)2种主要叠层石形态。水平—微波状叠层石通常具有毫米级明暗纹层(图 4-b), 富蓝细菌的暗纹层相对较薄, 而富屑的亮纹层相对较厚, 鸟眼孔发育, 常与薄层状、纹层状泥岩和粉砂岩互层出现, 主要发育于水体能量较低或静水的潮间带上部—潮上带。丘状叠层石厚度在30~60 cm之间, 由5~10 cm厚的薄层组成, 富含颗粒, 丘与丘之间相对紧密, 发育于具有较强水动力的潮间带下部。

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图 4 塔里木盆地昆盖阔坦剖面奇格布拉克组岩石学特征
a—丘状叠层石白云岩, 奇2段, 露头; b—层状叠层石白云岩, 可见亮暗纹层交替呈水平纹层状排列, 奇1段, 蓝色铸体, 单偏光; c—分散状凝块石白云岩, 凝块结构典型, 格架孔被多期白云石胶结, 奇3段, 蓝色铸体, 单偏光; d—连续状凝块石白云岩, 暗色凝块呈不规则分布, 格架孔被细粒亮晶白云石胶结, 奇3段, 蓝色铸体, 单偏光; e—凝块石白云岩(e1), 格架溶孔发育, 被纤状(e2)和粒状(e3)两期白云石胶结, 呈花边构造, 奇3段, 露头; f—泡沫绵层石白云岩, 泡沫体多为圆或椭圆形, 偶见不规则条带状, 奇3段, 蓝色铸体, 单偏光; g—鲕粒白云岩, 具交错层理, 奇1段, 露头; h—鲕粒白云岩, 鲕粒大小均匀, 奇1段, 蓝色铸体, 单偏光; i—粘结颗粒白云岩, 颗粒间被早期亮晶白云石和晚期方解石充填, 奇1段, 蓝色铸体, 单偏光Fig.4 Petrological characteristics of the Qigeblak Formation from Kungaikuotan outcrop in Tarim Basin

2)凝块石白云岩。主要分布在奇2段上部—奇4段, 整体呈深灰色—灰色, 中—厚层状, 自下向上厚度逐渐增加, 一般具有水平层理。可识别出分散状(图 4-c)和连续状(图 4-d)2种微观结构, 前者中的暗色凝块具有较为清晰的边界, 排列呈一定的方向性, 凝块间的格架孔被多期白云石胶结, 局部具有花边构造(图 4-e), 而后者中的暗色凝块呈不规则分布, 凝块间的格架孔多被细粒亮晶白云石胶结, 局部残留少量孔隙。凝块石沉积时水深一般大于叠层石, 通常发育于具有一定水动力的潮下中高能环境(Aitken et al., 1967), 且分散状凝块石由于受到波浪作用的改造, 故沉积时的水体能量强于连续状凝块石。

3)泡沫绵层石白云岩。主要分布在奇3段—奇4段, 整体呈灰色, 厚层—块状, 通常具有水平层理。可见具有暗色泥晶套的不规则椭圆环呈紧密排列(图 4-f), 环内由颜色较亮的粉晶白云岩组成, 局部不规则格架孔被多期白云石胶结, 与该地区下寒武统肖尔布拉克组泡沫绵层石特征(郑剑锋等, 2019)近似。研究区泡沫绵层石通常与凝块石呈厚层状互层, 两者都属于潮下带沉积, 但前者颜色较浅、孔隙较发育, 因此发育于潮下高能沉积环境。

4)颗粒白云岩。鲕粒白云岩和粘结颗粒白云岩是2种与微生物作用相关的颗粒白云岩。鲕粒白云岩主要分布于奇1段, 单层厚度10~50 cm, 局部可见交错层理(图 4-g), 鲕粒大小整体均匀, 粒间、粒内孔发育(图 4-h), 指示其发育于潮间高能沉积环境; 但底部的鲕粒大小不均匀, 鲕核多为石英颗粒, 则指示其处于近岸沉积环境。粘结颗粒白云岩在奇格布拉克组下部和中部都有发育, 单层厚度相对较薄, 主要是由不规则碳酸盐颗粒被蓝细菌粘结在一起而形成的复合颗粒(图 4-i), 且大小不均匀, 指示其处于水体能量中等的潮间带上部环境。

3 地球化学特征

3.1 样品与方法

文中对优选的奇格布拉克组4个层段20件样品进行了多参数地球化学测试和分析(表 1), 所有测试样品均采自乌什地区昆盖阔坦剖面, 包含叠层石白云岩、凝块石白云岩、泡沫绵层石白云岩、粘结颗粒白云岩和鲕粒白云岩5种最主要的岩石类型。为了避免杂质矿物的影响, 利用小型微取样钻机钻取样品围岩部分, 再利用玛瑙研钵将样品研磨至200目, 每件样品分成5份, 分别开展白云石有序度、主量元素、微量元素、稀土元素、碳氧稳定同位素和锶同位素测试。

表 1 塔里木盆地昆盖阔坦剖面奇格布拉克组白云岩有序度和同位素分析结果 Table 1 Order degree, δ¹³C, δ¹⁸O and ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr value of the Qigeblak Formation dolostone from Kungaikuotan outcrop in Tarim Basin

此外, 优选1件凝块石白云岩样品开展激光原位U-Pb同位素年龄检测, 这件样品发育溶蚀孔洞, 被纤状和粒状2期白云石胶结物充填(图 2-e), 测试前先对其进行清洗、靶制备, 并在超净室对测样靶做进一步超净处理。

所有的测试分析均在中国石油碳酸盐岩储层重点实验室完成。有序度分析仪器为X'pert Pro型X射线衍射仪, 微量元素和稀土元素分析仪器为PANalytical Axios XRFX射线荧光光谱仪, 碳氧同位素分析仪器为Delta V Advantage同位素比质谱仪, 锶同位素分析仪器为Triton Plus热电离同位素比质谱仪。碳酸盐岩激光原位U-Pb年龄检测的激光剥蚀系统为GeoLas HD, 检测仪器型号为Element XR扇形场等离子体质谱仪(SF-ICP-MS), 测试过程中分别使用NIST 614和WC-1国际标样校正 ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb 值和²³⁸U/²⁰⁶Pb 值, 数据经Iolite 3.6软件离线处理后, 在Isoplot 3.75软件上完成谐和图绘制及年龄计算。

3.2 测试结果

3.2.1 白云石有序度

白云石有序度是衡量白云石结晶速度、结晶温度与演化程度的一个重要指标。昆盖阔坦剖面奇格布拉克组白云石的有序度整体较低, 分布范围在0.60~0.77之间(表 1), 平均0.68。自下而上, 奇1段至奇4段白云石的平均有序度分别为0.67、0.69、0.69和0.70, 和微生物岩类型不相关。

3.2.2 碳氧稳定同位素

昆盖阔坦剖面奇格布拉克组白云岩的δ¹³C、δ¹⁸O值之间无相关性(图 5-a), 说明样品基本保留了早期海水的δ¹³C、δ¹⁸O特征, 岩石在埋藏期受到成岩改造作用较弱(Kaufman et al., 1997)。δ¹³C值分布在1.11‰ ~5.72‰ 之间, 平均3.28‰ ; δ¹⁸O值分布在-4.85‰ ~-1.48‰ 之间, 平均-2.85‰ 。整体上, 与晚元古代海相碳酸盐岩的δ¹³C、δ¹⁸O值(Zempolich et al., 1988)接近, 但不同层段也存在一定的差异: δ¹³C平均值方面, 奇1段最大(4.99‰), 奇2段(2.72‰)与奇3段(3.12‰)接近, 奇4段最低(1.63‰); δ¹⁸O平均值方面, 奇1段(-2.9‰)、奇2段(-2.76‰)、奇3段(-2.32‰)接近, 奇4段最小(-4.65‰)。

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	图 5 塔里木盆地昆盖阔坦剖面奇格布拉克组白云岩地球化学图版 a—碳氧稳定同位素交会图; b—锶同位素与氧同位素交会图; c—Fe与Mn元素交会图; d—MgO与CaO交会图; e—稀土元素配分模式; f—Ce与Eu异常交会图Fig.5 Trace elements compositions of the Qigeblak Formation dolostone from Kungaikuotan outcrop in Tarim Basin

3.2.3 锶同位素

锶同位素是指示古气候及成岩流体性质的重要参数(黄擎宇等, 2016)。奇格布拉克组白云岩的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值为0.70883~0.71073, 平均0.70944, 整体略高于震旦纪海水(0.7087~0.7094; Halverson et al., 2007)。分析表明, 微生物岩类型与⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值之间没有相关性, 但不同层段⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值存在一定的差异(图 5-b), 其中奇1段⁸⁷Sr/⁸⁶Sr平均值(0.71002)最大, 奇4段(0.70960)次之, 奇2段(070947)和奇3段(0.70902)相对较小。

3.2.4 常量元素和微量元素

碳酸盐岩的常量元素、微量元素可较好地指示古沉积环境(Jones et al., 1994; 熊小辉等, 2011)。根据奇格布拉克组白云岩的常(微)量元素实测结果(表 2), 奇1段5个样品的MgO和CaO质量分数与纯白云岩质量分数(MgO为21.7%, CaO为30.4%)存在一定差异, 这可能与样品含有少量泥质有关。奇1段3个样品的MgO/CaO值(0.55、0.59、0.62)与理想白云岩(0.71)差异较大(图 5-c), 可能反映研究区白云石化作用不彻底。

表 2 塔里木盆地昆盖阔坦剖面奇格布拉克组白云岩常、微量元素检测结果 Table 2 Major and trace elements compositions of the Qigeblak Formation dolostone from Kungaikuotan outcrop in Tarim Basin

优选对古环境响应较好的元素Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Sr、Ba、Pb进行分析(图 6)。Ti、V、Co、Ni和Cu含量的变化表现为: 奇1段变化幅度大, 奇2段和奇3段变小并趋于稳定, 奇4段快速变大。Mn和Fe具有奇1段—奇3段下部缓慢变小、奇3段上部—奇4段缓慢变大的特征, 整体上4个层段具有较明显地可区分性(图 5-d)。Zn、Sr、Ba和Pb具有奇1段大幅度变化、奇2段—奇3段变小且局部略有起伏、奇4段略有变大的特征。

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	图 6 塔里木盆地昆盖阔坦剖面奇格布拉克组白云岩地球化学参数变化趋势Fig.6 Geochemical variation tendency of the Qigeblak Formation dolostone from Kungaikuotan outcrop in Tarim Basin

3.2.5 稀土元素

碳酸盐岩矿物中的稀土元素含量在成岩过程中受到的影响非常弱, 因此可以较好地指示沉积环境或者白云石化流体的来源。奇格布拉克组白云岩的Σ REE含量为0.68~43.87 μ g/g(表 3), 平均8.91 μ g/g, 总体上奇1段(平均16.01 μ g/g)和奇4段(平均25.34 μ g/g)高于奇2段(平均3.24 μ g/g)和奇3段(平均1.16 μ g/g); LREE/HREE值为2.88~10.81, 平均6.36, 表现出轻稀土较富集的特征。

表 3 塔里木盆地昆盖阔坦剖面奇格布拉克组白云岩稀土元素检测结果(单位: μ g/g) Table 3 REE compositions of the Qigeblak Formation dolostone from Kungaikuotan outcrop in Tarim Basin(unit: μ g/g)

样号	La	Ce	Pr	Nd	Sm	Eu	Gd	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Yb	Lu	􀰐REE	δ Ce	δ Eu
Q1-1-1	3.99	10.00	0.997	3.70	0.737	0.164	0.762	0.126	0.780	0.170	0.474	0.068	0.401	0.060	22.43	1.16	1.06
Q1-5-1	2.24	5.88	0.635	2.39	0.416	0.080	0.421	0.059	0.343	0.071	0.201	0.028	0.164	0.025	12.95	1.13	0.99
Q1-9-1	0.90	1.75	0.177	0.64	0.114	0.024	0.112	0.017	0.107	0.024	0.072	0.011	0.067	0.010	4.02	1.01	1.04
Q1-11-1	7.00	15.60	1.490	5.42	1.020	0.219	0.983	0.161	0.967	0.210	0.617	0.094	0.566	0.083	34.43	1.11	1.05
Q1-16-1	0.90	2.55	0.341	1.35	0.255	0.054	0.236	0.034	0.206	0.041	0.111	0.016	0.095	0.014	6.20	1.03	1.09
Q2-24-1	1.25	2.82	0.307	1.14	0.212	0.038	0.224	0.037	0.238	0.051	0.163	0.028	0.196	0.031	6.74	1.05	0.82
Q2-28-1	0.36	0.96	0.109	0.40	0.078	0.014	0.073	0.011	0.064	0.014	0.043	0.007	0.049	0.008	2.19	1.07	1.03
Q2-31-1	0.38	1.07	0.123	0.48	0.090	0.018	0.088	0.013	0.078	0.017	0.048	0.007	0.047	0.007	2.46	1.13	0.89
Q2-35-1	0.31	0.76	0.071	0.26	0.045	0.008	0.042	0.006	0.037	0.007	0.021	0.003	0.019	0.003	1.59	1.18	0.89
Q3-45-1	0.19	0.36	0.045	0.16	0.029	0.007	0.031	0.005	0.030	0.007	0.021	0.003	0.020	0.003	0.91	0.89	1.14
Q3-51-1	0.18	0.35	0.040	0.16	0.029	0.007	0.031	0.005	0.031	0.007	0.021	0.003	0.021	0.003	0.89	0.96	1.12
Q3-54-1	0.15	0.26	0.034	0.12	0.024	0.006	0.025	0.004	0.021	0.005	0.013	0.002	0.013	0.002	0.68	0.85	1.13
Q3-58-2	0.19	0.29	0.041	0.17	0.034	0.009	0.038	0.006	0.035	0.009	0.025	0.003	0.023	0.003	0.88	0.76	1.16
Q3-62-1	0.16	0.31	0.035	0.14	0.030	0.006	0.032	0.005	0.035	0.008	0.025	0.004	0.027	0.004	0.82	0.81	0.94
Q3-69-1	0.26	0.40	0.057	0.24	0.042	0.010	0.057	0.008	0.051	0.012	0.038	0.005	0.027	0.004	1.20	0.88	1.04
Q3-72-1	0.20	0.37	0.053	0.22	0.044	0.009	0.050	0.008	0.041	0.010	0.027	0.004	0.025	0.003	1.06	0.82	0.91
Q3-78-1	0.46	0.87	0.142	0.67	0.130	0.029	0.150	0.022	0.135	0.030	0.087	0.012	0.060	0.009	2.80	0.78	1.06
Q4-81-1	9.20	9.47	2.390	11.2	2.170	0.485	2.270	0.365	2.350	0.484	1.538	0.228	1.501	0.221	43.87	0.50	1.06
Q4-82-2	3.97	4.40	1.260	5.79	1.180	0.290	1.350	0.239	1.550	0.351	1.050	0.159	1.020	0.147	22.76	0.45	1.03
Q4-82-3	2.08	2.80	0.469	1.94	0.378	0.081	0.414	0.067	0.422	0.100	0.300	0.046	0.266	0.039	9.40	0.65	1.01

对样品实测结果进行后太古宙澳大利亚页岩(PAAS)标准化, 标准化(SN)元素异常分别采用以下方法计算: δ Ce=2× Ce_SN/(La_SN+Pr_SN), δ Eu=2× Eu_SN/(Sm_SN+Gd_SN)。结果表明, 奇1段—奇3段的δ Ce值为0.75~1.18, 平均0.98, 无明显异常, 而奇4段δ Ce值范围为0.45~0.65, 平均0.52, 具明显负异常; 奇1段—奇4段δ Eu值为0.82~1.16, 平均0.98, 无明显异常(图 5-e)。标准化后稀土元素配分模式(图 5-f)整体表现为重稀土元素含量略高于轻稀土元素。

3.2.6 激光原位U-Pb同位素年龄

碳酸盐岩激光原位U-Pb同位素年龄测试技术可以为白云石化作用的时间研究提供依据(沈安江等, 2019)。根据测试结果(图 7), 凝块石白云石的围岩年龄为568± 32 Ma, 第1期纤状白云石胶结物年龄为530± 19 Ma, 第2期粒状白云石胶结物年龄为514± 52 Ma, 年龄大小与样品成岩序列顺序相吻合。根据中国地层表(2018), 围岩的年龄位于新元古界埃迪卡拉系年龄范围(541~635 Ma)之内, 对应上震旦统(541~580 Ma), 2期胶结物的形成时间分别对应寒武系纽芬兰统(521~541 Ma)和第二统(509~521 Ma)。前人曾对研究区震旦系开展过年代学研究, 如Xu等(2013)对下震旦统苏盖特布拉克组玄武岩中的锆石定年结果为615.2± 4.8 Ma和614.4± 9.1 Ma, Li等(2015)从乌什金磷矿剖面苏盖特布拉克组上部细砂岩中得到碎屑锆石年龄为602± 23 Ma, 文中测试的白云岩围岩年龄(548± 32 Ma)与前人给出的该区锆石年代学格架(Li et al., 2013; Xu et al., 2015)相符合, 因此代表了地层沉积年龄。

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	图 7 塔里木盆地昆盖阔坦剖面奇格布拉克组白云岩激光原位U-Pb谐和图 a—凝块石白云岩年龄; b—纤状白云石胶结物年龄; c—粒状白云石胶结物年龄Fig.7 LA-MC-ICP-MS U-Pb concordia diagram of the Qigeblak Formation dolostone from Kungaikuotan outcrop in Tarim Basin

4 讨论

4.1 沉积环境

根据沉积岩在沉积—成岩过程中所含元素及同位素变化的规律, 可以分析古水温、古盐度、古水深和氧化还原条件、古气候等沉积环境因素。

4.1.1 古水温

水体温度是控制碳酸盐稳定氧同位素的重要因素。Urey(1948)首先提出了用 δ¹⁸O 测定古大洋水温度的方法, 该方法经Epstein(1951)具体化, 并由Craig(1965)修改形成计算公式: T(℃)=15.976-4.2× δ¹⁸O+0.13× (δ¹⁸O+0.22)²。由于年代越老, 受成岩作用影响越强烈, δ¹⁸O偏离也越大(“ 年代效应”), 因此该公式对古老碳酸盐岩样品的计算存在一定偏差。Keith和Weber(1964)提出的校正方法可以较好地克服这种“ 年代效应” : δ¹⁸O= $δ^{18} O_{测}$ -△ δ¹⁸O, 公式中△ δ¹⁸O是所测地层 δ¹⁸O 平均值与第四纪海相碳酸盐岩 δ¹⁸O 平均值(-1.2‰)之差, 该方法在湘中石炭系和塔里木盆地寒武系碳酸盐岩的研究中取得较好应用效果(邵龙义等, 1996; 郑剑锋等, 2020)。

依据上述方法, 计算出奇格布拉克组白云岩的温度范围为17.2~32.8 ℃(表 1), 平均值为23.3 ℃。该结果表明奇格布拉克组沉积时期, 研究区为温暖的古海水环境, 与古板块分析所得出的塔里木陆块晚震旦世处于北纬20° 附近(周肖贝等, 2015)较一致。不同层段温度存在一定的差异(图 5-b), 奇1段—奇3段温度平均值(22.8 ℃~20.8 ℃)接近, 奇4段最大(31.8 ℃)。

4.1.2 古盐度

碳氧同位素与古海洋的盐度存在较密切的关系, 尤其是碳同位素与温度关系弱, 对古盐度的指示意义更强。利用碳氧同位素可以计算海水古盐度参数(Z): Z=2.048× (δ¹³C+50)+0.498× (δ¹⁸O+50), 其中δ¹³C和 δ¹⁸O 都为PDB标准, 当Z< 120为淡水环境, 当Z> 120为海水环境(Keith et al., 1964)。这一公式已经广泛地应用于中国元古界、古生界碳酸盐岩地层的古盐度分析, 胡明毅等(1998)在进行上震旦统灯影组研究时便使用了古盐度公式进行相关的地球化学分析, 并且取得了很好的效果。依据上述公式计算得出研究区奇格布拉克组白云岩的Z值为127.2~138.3(表 1), 平均值为132.6, 明显大于正常海水的Z值, 说明当时海水的盐度较高。奇1段Z值平均值(136.1)最大、奇4段(128.3)最小, 推测奇4段Z值低可能是震旦纪末地层经历构造抬升而遭受大气淡水淋滤作用导致的。

此外, Mg/Ca值常用来区分淡、咸水环境, Mg/Ca> 1时指示超盐度海水环境, 0.5~1范围内指示较高盐度海水环境, 0.25~0.5范围内指示中盐度海水环境, Mg/Ca< 0.25时指示淡水环境(钟福平等, 2011)。奇格布拉克组白云岩Mg/Ca平均值为0.57, 亦反映了沉积期海水具有较高的盐度。

4.1.3 古水深

Cu、Co、Ba、Pb、REE等含量对古水深具有很好的指示意义(熊小辉等, 2011)。奇格布拉克组白云岩的LREE较HREE富集的配分模式、低Σ REE和Cu、Co含量远小于深海值(Cu> 90 μ g/g、Co> 40 μ g/g), 说明奇格布拉克组沉积时期古水深整体很小(Nicholls, 1967; Balashov et al., 1961)。Ba和Pb含量的变化表明, 奇1段沉积时期研究区离岸最近, 之后海水逐渐变深, 最后快速变浅。此外, 奇1段常量元素中SiO₂和Al₂O₃含量较高, 说明早期有陆源物质的注入, 亦指示该时期离岸最近。

4.1.4 氧化—还原程度

V/(V+Ni)值、Ni/Co值能较好地反映氧化-还原环境(Arthur et al., 1994)。当V/(V+Ni)< 0.45、Ni/Co< 5时反映的是富氧环境; V/(V+Ni)> 0.6、Ni/Co> 7时反映的是还原环境。奇格布拉克组白云岩V/(V+Ni)值平均为0.54、Ni/Co值平均为5.6, 反映沉积期整体处于氧化—弱氧化海水环境, 且自早到晚海水氧含量逐渐减少。此外, 对还原环境较为敏感的Cu、Zn含量均不高, 也说明了研究区水体浅, 为非还原环境。

4.1.5 古气候

通常, 潮湿气候下V、Ni、Ba、Co等元素含量较高, 而干旱气候下Sr含量较高(熊小辉等, 2011)。此外, 高Sr/Cu值(> 5)也可以较好地指示干旱的古气候环境(倪善芹等, 2010)。奇格布拉克组白云岩具有较低的V、Ni、Co、Ba含量(< 5μ g/g), 较高的Sr含量(> 50 μ g/g)和高的Sr/Cu值(> 16.8), 指示奇格布拉克组沉积时期研究区气候整体相对干旱。

综上所述, 地球化学特征揭示奇格布拉组沉积时期研究区整体处于温暖干旱的气候背景下, 其位于近岸浅水环境, 海水具有较高盐度、较高水温和氧化—弱氧化特征, 海平面先逐渐上升后快速下降, 有利于微生物的繁殖。结合研究区的相序特征, 认为奇格布拉克组整体构成碳酸盐岩缓坡背景下的内缓坡潮坪—微生物丘滩沉积序列(图 8):奇1段为潮间带上部—潮上带沉积环境, 发育潮上带泥云坪、潮间带上部叠层石坪; 奇2段为潮间带下部沉积环境, 发育中—高能微生物丘滩和低能微生物层; 奇3段—奇4段为潮下带沉积环境, 发育微生物丘。该认识可以为柯坪地区微生物丘滩的分布预测提供依据。

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	图 8 塔里木盆地昆盖阔坦剖面上震旦统奇格布拉克组沉积模式Fig.8 Sedimentary model of the Upper Sinian Qigeblake Formation in Kungaikuotan outcrop of Tarim Basin

4.2 白云岩成因

早期白云石化作用对原生孔和早成岩期形成的孔隙的保存具有重要建设性作用, 而晚期白云石化作用对早期孔隙的保存作用不大, 甚至起破坏作用(赵文智等, 2018), 因此判断白云石化作用发生的时间非常重要。早期白云石化作用速度快、时间短, 形成的白云石晶粒小, 以泥晶、粉晶为主, 并且常保留原岩结构; 而晚期白云石化作用相对缓慢, 形成的白云石晶粒较大, 常为细晶级以上(赵文智等, 2014)。奇格布拉克组白云岩主要以泥晶、粉晶为主, 都较好地保留了原始的微生物或颗粒结构, 具有早期白云石化的特征。

从地球化学角度分析, 奇格布拉克组白云岩较低的白云石有序度(平均值0.68), 反映了白云石化作用发生时温度较低、快速交代、晶体快速生长的特征, 推测为早成岩期的产物。相对较高的Sr/Ba值(平均值2.4)和低V/Cr值(平均值1.0), 指示白云石化流体为具有较高盐度的海水, 形成于早成岩阶段的氧化—弱氧化环境中。低Σ REE含量指示白云石化流体为海水, 而Ce弱负异常(平均值0.91)、Eu无异常(平均值0.98)则反映白云石化流体为氧化—弱氧化环境中的低温流体。与同期海水相近的δ¹³C、δ¹⁸O、⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值, 亦说明白云岩主要形成于低温环境, 白云石化流体为正常海水。奇1段样品具有相对偏高的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值, 说明白云岩在形成过程受到了大气淡水淋滤作用的影响, 从而间接反映该段白云岩形成于早表生成岩环境。此外, 凝块石白云岩围岩的U-Pb同位素年龄处于晚震旦世范围内, 也可能间接反映了白云石化作用发生在准同生期(沈安江等, 2019)。

综上所述, 岩石学特征和多参数地球化学特征指示了塔里木盆地昆盖阔坦剖面奇格布拉克组白云岩形成于准同生期—浅埋藏期, 白云石化流体主要为海水。古环境分析明确了奇格布拉组沉积时期整体处于温暖、干旱气候背景的近岸浅水环境, 所以较易导致蒸发作用发生, 造成沉积物中的方解石或文石发生蒸发白云石化; 随着蒸发作用不断进行, 富Mg²⁺、Ca²⁺的流体沿着微生物丘滩中的微生物格架孔向下渗透并向海方向回流, 从而导致渗透回流白云石化。因此, 在晚震旦世碳酸盐岩缓坡背景下, 塔里木盆地震旦系奇格布拉克组白云岩可以用蒸发白云石化和渗透回流白云石化2种模式来解释其成因。

4.3 勘探意义

塔里木盆地塔北地区是寒武系盐下地层风险勘探的主要地区之一。基于昆盖阔坦剖面奇格布拉克组沉积环境认识建立的缓坡背景下的古隆起—潮坪—潮下微生物丘滩模式, 结合什艾日克、西沟剖面和温参1、新和1、旗探1及星火1等井和剖面资料, 为该地区中西部岩相古地理刻画提供了可靠依据。温宿低隆控制了该地区的古地理格局, 自古隆起依次发育内缓坡潮坪、内缓坡丘滩—滩间海和中缓坡3个带, 温宿—拜城一带主要为潮坪沉积, 发育泥云坪、云坪和薄层丘滩, 其周缘发育一定规模的微生物丘滩(图 9)。由于奇格布拉克组储集层具有相控性特征(严威等, 2019; 杨翰轩等, 2020), 因此该认识为该地区有利储集层分布预测提供了依据。

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	图 9 塔里木盆地塔北中西部地区奇格布拉克组沉积时期岩相古地理Fig.9 Lithofacies palaeogeography of the Qigeblake Formation in mid-west area of northern Tarim Basin

基于岩石学及地球化学特征, 明确了奇格布拉克组白云岩形成于准同生期—浅埋藏期。由于白云岩相对灰岩更抗压实、压溶作用, 故早期白云石化作用可使微生物丘滩相储集层中原生格架孔、准同生溶蚀孔在经历漫长的埋藏过程后仍得以保存, 从而说明早期白云石化作用是储集层发育的主控因素之一。该认识为塔北中西部地区奇格布拉克组发育相控优质白云岩储集层提供了有力的证据。

5 结论

1)塔里木盆地乌什地区昆盖阔坦剖面上震旦统奇格布拉克组厚约141 m, 主要发育叠层石白云岩、凝块石白云岩、泡沫绵层石白云岩3种微生物白云岩及鲕粒白云岩和粘结颗粒白云岩2种与微生物作用相关的颗粒白云岩。根据相序组合可以划分为4个段, 自下而上构成碳酸盐缓坡背景下的内缓坡潮坪—微生物丘滩沉积序列。

2)地球化学分析表明昆盖阔坦剖面奇格布拉克组沉积时期的环境特征: 基于氧同位素技术的T值, 指示温暖的古海水环境; 较高的Z值和Mg/Ca值, 指示古海水盐度较高; 低Σ REE值和Cu、Co值及高Ba值、较高SiO₂和Al₂O₃含量, 指示其处于近岸浅水区; 偏低的V/(V+Ni)值、Ni/Co值, 指示氧化—弱氧化的海水环境; 较低的V、Ni、Ba、Co含量及高Sr/Cu值, 指示整体处于相对干旱的气候环境。

3)低白云石有序度、与同期海水接近的δ¹³C、δ¹⁸O和⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值、较高的Sr/Ba值、较低的V/Cr值和Σ REE值、Ce弱负异常、与晚震旦世相当的微生物白云岩U-Pb年龄以及相关岩石学特征, 综合指示奇格布拉克组白云岩形成于准同生—浅埋藏期相对较低温度的成岩环境下, 白云石化流体为具有较高盐度的海水。

(责任编辑张西娟; 英文审校刘贺娟)

参考文献

文献选项

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