齐荣, 李国蓉, 张军涛, 王付斌, 李宇翔, 杨飞, 刘璐, 何赛, 田家奇, 李肖肖. (2024). 鄂尔多斯盆地富县地区马家沟组热液改造特征与研究意义* [J]. 古地理学报, 26(3): 632-643.
QI Rong, LI Guorong, ZHANG Juntao, WANG Fubin, LI Yuxiang, YANG Fei, LIU Lu, HE Sai, TIAN Jiaqi, LI Xiaoxiao. (2024). Mechanism and significance of hydrothermal activity in the Majiagou Formation,Fuxian area, Ordos Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 26(3): 632-643.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2024.03.058
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鄂尔多斯盆地富县地区马家沟组热液改造特征与研究意义*
齐荣1, 李国蓉2, 张军涛3, 王付斌1, 李宇翔1, 杨飞1, 刘璐1, 何赛2,4, 田家奇2, 李肖肖2
1 中国石化华北油气分公司,河南郑州 450006
2 成都理工大学能源学院,四川成都 610059
3 中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院,北京 102206
4 四川中成煤田物探工程院有限公司,四川成都 610072

第一作者简介 齐荣,女,1986年生,高级工程师,主要从事石油天然气勘探工作。E-mail: qirong.hbsj@sinopec.com。

收稿日期:2023-09-24 修回日期:2024-03-19
基金资助:*中国石化科技部项目(编号:P22179)资助
摘要

构造—热事件对油气生成、储集层演化和成藏有重要的控制作用,但是鄂尔多斯盆地构造—热事件对碳酸盐岩的影响研究较少。以富县地区奥陶系马家沟组储集层为例,通过岩心及薄片观察,利用阴极发光、包裹体测温、碳氧稳定同位素、锶同位素、电子探针微区元素分析、稀土元素分析,岩石学与地球化学研究充分结合,识别出区内存在2期与燕山期热事件相关的胶结作用: 第Ⅰ期以缝洞内鞍形白云石发育为特征,其 δ13C值和 δ18O 值均较偏负,锶同位素值较正常海相灰岩高,稀土元素Eu和La负异常,元素分析显示FeO含量异常高、MnO含量较高、SrO含量较高、K2O及Na2O含量低,胶结物包裹体均一温度高; 第Ⅱ期以缝孔洞内石英充填及交代和切割鞍形白云石的裂缝方解石发育为特征,其 δ13C值与奥陶系碳酸盐岩背景值接近、δ18O值总体偏低,锶同位素值更高,稀土元素展现出特别的La负异常和Eu正异常,元素分析MnO及FeO含量较高,部分K2O及Na2O含量较高,石英包裹体均一温度高。第Ⅰ期流体为早白垩世拉张断裂作用下上覆石炭—二叠系地层有机流体、奥陶系地层内部流体、少量深部流体三者联合作用形成; 第Ⅱ期流体为早白垩世拉张断裂作用下深部流体与少量奥陶系地层内部流体两者联合作用形成,深部流体穿越了下伏马家沟组内蒸发盐岩地层。早白垩世热事件对奥陶系碳酸盐岩储集层的影响具有双向性: 第Ⅰ期热流体活动多为建设性,与大规模油气生成的时间一致,裂缝和溶蚀孔洞可构成油气有效输导和储集空间;第Ⅱ期热流体活动以孔隙和裂缝充填为主,多为破坏性,但规模较小。

关键词: 鄂尔多斯盆地; 富县地区; 马家沟组; 碳酸盐岩; 热液作用
中图分类号:P619.14 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2024)03-0632-12
Mechanism and significance of hydrothermal activity in the Majiagou Formation,Fuxian area, Ordos Basin
QI Rong1, LI Guorong2, ZHANG Juntao3, WANG Fubin1, LI Yuxiang1, YANG Fei1, LIU Lu1, HE Sai2,4, TIAN Jiaqi2, LI Xiaoxiao2
1 North China Company,Sinopec,Zhengzhou 450006,China
2 College of Energy,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China
3 Research Institute of Petroleum Exploration and Development,Sinopec,Beijing 102206,China
4 Sichuan Zhongcheng Institute of Coalfield Geophysical Engineering,Chengdu 610072,China

About the first author QI Rong,born in 1986,is a senior engineer. She is engaged in oil and gas exploration. E-mail: qirong.hbsj@sinopec.com.

Fund:Financially supported by the Sinopec Science and Technology Department Project(No. P22179)
Abstract

It is of great significance to study the mechanism of hydrothermal activity,related to the Yanshanian thermal events in Majiagou Formation,Fuxian area of the Ordos Basin,to reveal the origin of reservoirs. The two stages of hydrothermal activity related to the Yanshanian thermal events in Majiagou Formation,Fuxian area are identified,based on a comprehensive analysis of petrology and geochemistry,including core and thin section observation and cathode luminescence,homogenization temperature of fluid inclusions,carbon and oxygen stable isotopes,strontium isotope,electron probe microanalysis and rare earth element analyses. The results show that the stage-Ⅰhydrothermal activity is characterized by the development of saddle dolomite in the fissure-cavern systems,with low and negative δ13C and δ18O values,higher strontium isotope value than normal marine limestone,negative abnormal Eu and La in rare earth elements,rich content of MnO,FeO,SrO and poor content of K2O and Na2O in trace elements,and high homogenization temperature of fluid inclusions. The geochemical characteristics reveal that the saddle dolomite was formed by the combined action of internal fluids in the Ordovician strata,shallow fluids in the Carboniferous-Permian strata,and deep hydrothermal fluid under Early Cretaceous extensional fault activity,in which the deep hydrothermal fluid is post-magmatic hydrothermal fluid related to basalt eruption. The stage-Ⅱhydrothermal activity is characterized by quartz precipitation in fracture-vug systems,and the development of fractures calcite that cut saddle dolomite,with δ13C values close to the background value of Ordovician carbonate rocks,low δ18O value,higher strontium isotope value than saddle dolomite,negative abnormal La and positive abnormal Eu in rare earth elements,rich content of MnO,FeO,K2O,Na2O in trace elements,and high homogenization temperature of fluid inclusions in quartz. The geochemical characteristics reveal that the calcite and quartz were formed by the combined action of internal fluids in the Ordovician strata and deep hydrothermal fluid under Early Cretaceous extensional fault activity,in which the deep hydrothermal fluid is the post-magmatic hydrothermal fluid related to the activities of the Early Cretaceous monzonite and monzonitic diorite magmatic intrusion. Hydrothermal activity related to Yanshanian thermal events has both constructive and destructive effects on the formation and preservation of reservoir space in the Majiagou Formation,but the overall sphere of influence is limited.

Key words: Ordos Basin; Fuxian area; Majiagou Formation; carbonate rock; hydrothermal activity

构造—热事件对油气生成、储集层演化和成藏有重要的控制作用, 既可以提高烃源岩成熟度, 还可以形成相关的热液改造碳酸盐岩储集层(陈代钊, 2008)。中国三大海相盆地之中, 四川盆地和塔里木盆地都有规模较大的构造—热事件, 存在热液改造碳酸盐岩储集层(赵文智等, 2014)。但鄂尔多斯盆地相对稳定, 构造—热事件在碳酸盐岩地层中如何表现, 对油气聚集和储集层演化有何影响, 目前尚存在争议(王云鹏等, 1997; 邹和平等, 2008; 任战利等, 2020, 2021)。

鄂尔多斯盆地马家沟组也发育有热液活动, 其中石英、异形白云石(鞍形白云石)、铅锌矿、萤石—方解石充填物以及异常高的流体包裹体均一温度, 是存在热液作用的典型标志(郑聪斌等, 2001; 王保全等, 2009; 黄擎宇等, 2010; 黄正良等, 2011; 王起琮等, 2017), 流体来源可能是深循环热水(任战利等, 2020), 并引发了热水岩溶作用和热液白云岩化作用, 改善了储集性能(郑聪斌等, 2001; 王保全等, 2009), 时间与燕山构造—热事件有关; 但也有些学者在马家沟组内缝洞中发现粗晶白云石系铁白云石, 发生在中深埋藏期, 来源为地层水, 以破坏孔隙为主(赵卫卫和王宝清, 2011; 李维等, 2016; 张军涛等, 2017; 高星等, 2018; 沈扬等, 2018); 显然, 针对区内奥陶系与热事件相关的热液作用研究程度尚低, 存在分歧。进一步开展区内热液作用研究, 并揭示热事件对油气成储和成藏的关系, 对后续油气勘探非常必要。

选取鄂尔多斯盆地南部富县地区奥陶系马家沟钻井岩心, 通过系统的岩石薄片和阴极发光观察划分流体作用期次, 选取典型的裂缝充填物制作包裹体片和电子探针片, 分类进行流体包裹体均一温度分析和电子探针微区元素分析, 然后利用牙钻等对不同期次的裂缝进行碳、氧稳定同位素、锶同位素和稀土元素分析。通过岩石矿物学与地球化学研究充分结合, 识别出热事件相关的热液作用, 系统总结了热液作用的识别标志, 深入研究了热液流体性质, 建立相关热液作用机制和模式, 分析热液流体对油气聚集和储集层演化的影响。

1 构造运动及燕山期热事件特征

鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组沉积环境为蒸发台地, 是一套白云岩为主、富含蒸发盐的沉积层系, 在纵向上又分为6个亚段(图1)。沉积之后, 这套地层经历了漫长的加里东期的风化暴露剥蚀, 后又继续进入埋藏期, 受不同时期构造作用影响。其中, 中生代是鄂尔多斯盆地构造变动强烈时期, 主要经历了印支和燕山2期构造运动。印支运动发生于三叠纪, 由于秦岭地区板块俯冲—碰撞作用的强化, 鄂尔多斯前期的克拉通盆地逐渐演化为类前陆盆地, 华北板块与扬子板块的碰撞导致盆地南缘的挤压与抬升。而燕山运动是华北地区一次非常重要的地壳运动, 活动时间从侏罗纪到白垩纪, 对鄂尔多斯盆地构造变形的影响最大(任战利等, 2020)。

图 1 鄂尔多斯盆地富县地区地质概况图
a—RO等值线图及重点钻井位置; b—鄂尔多斯盆地寒武纪至二叠纪地层岩性柱状图Fig.1 Geological overview map of the Fuxian area, Ordos Basin

早白垩世存在一次构造—热事件, 表现为明显的地温异常(图 2), 早白垩世侵入岩、火山岩在盆地西缘、西南缘、东缘和北缘广泛发育, 这一构造—热事件对盆地内地层成岩作用、油气和矿床的形成有重要影响。而富县地区则处于鄂尔多斯盆地南部, 是盆内古生界烃源岩热演化程度最高的区域(图 1; 任战利等, 2021)。

图 2 鄂尔多斯盆地地温演化(据任战利等, 2021)Fig.2 Comparison of geothermal evolution in Ordos Basin (after Ren et al., 2021)

2 岩石学特征

岩心及薄片观察、阴极发光分析揭示, 区内存在2期与热液改造相关的胶结作用。第Ⅰ期较为常见, 主要分布马家沟组顶部靠近风化壳附近, 在马五1+2和马六段都有发育, 表现为鞍形白云石、方解石和黄铁矿充填以及前期孔隙充填物蚀变, 存在多种形式: 不规则构造裂缝和膏模孔或膏溶孔洞内乳白色鞍形白云石、方解石及黄铁矿充填(图 3-a, 3-b, 3-c); 不规则裂缝、岩溶缝洞填积物和方解石受到此期热事件交代改造(图 3-d, 3-e); 局部可见同生期粉—微晶白云石、早期浅埋藏成因细粉晶白云石被此期热事件改造(图 3-f, 3-g)。电子探针分析表示, 此期鞍形白云石为铁白云石, FeO含量在3.35%~16.13%之间, 阴极射线下往往不发光(图 3-h, 3-i), 而与鞍形白云石共生的方解石常表现为亮橘红色发光(图 3-g), 受热液改造的早期粉—微晶白云石也发亮橘红色光(图 3-i)。多见于富古3、富古4、富古5、新富2、新富4、新富5、新富14井等钻井。

图 3 富县地区马家沟组第Ⅰ期热事件相关岩石学特征及阴极发光特征
a—新富2井, 井深2980.50 m, 马六段, 岩心照片, 裂缝内鞍形白云石及黄铁矿充填; b—新富4井, 井深2849.00 m, 马六段, 岩心照片, 裂缝内鞍形白云石生长充填; c—新富2井, 井深2992.50 m, 马六段, 岩心照片, 鞍形白云石斑点或斑块; d—新富2井, 井深2983.50 m, 马六段, 单偏光, 珊瑚灰岩, 裂缝内充填方解石和鞍形白云石; e—新富4井, 井深2849.00 m, 马六段, 单偏光, 微晶灰岩, 裂缝内充填鞍形白云石; f—新富5井, 井深2991.20 m, 马五2亚段, 单偏光, 微晶云岩, 膏模孔内充填微晶白云石和鞍形白云石; g—视域同d, 新富2井, 井深2983.50 m, 马六段, 阴极发光, 发暗红色光, 构造裂缝内方解石发亮橘红色光, 鞍形白云石不发光; h—视域同e, 新富4井, 井深2849.00 m, 马六段, 阴极发光, 微晶灰岩发暗红色光, 裂缝内鞍形白云石不发光; i—视域同f, 新富5井, 井深2991.20 m, 马五2亚段, 阴极发光, 微晶云岩发暗红色光, 膏模孔边缘微晶白云石受改造发橘红色光, 膏模孔洞内鞍形白云石不发光Fig.3 Petrological and cathodoluminescence characteristics of stage-Ⅰthermal activity in the Majiagou Formation, Fuxian area

第 Ⅱ期较为少见, 以方解石、石英等孔隙裂缝和孔隙充填或交代为特征, 阴极射线下, 方解石发橘黄色—亮橘黄色光(图 4), 明显不同于第1类鞍形白云石。富古1、富古4、富古5、富古6、富古7、新富1、新富2、新富3、新富4、新富5井可见。

图 4 富县地区马家沟组第Ⅱ期热事件相关岩石学特征及阴极发光特征
a—新富5井, 井深2894.20 m, 马五1亚段, 岩心照片, 切割缝合线的裂缝内方解石充填; b—富古6井, 井深2752.80 m, 马五3亚段, 岩心照片, 高角度构造裂缝内方解石充填; c—富古4井, 井深3061.60 m, 马五1亚段, 显微镜下单偏光照片, 岩溶缝洞内方解石受到石英交代; d—富古5井, 井深3029.10 m, 马五2亚段, 单偏光, 泥晶灰岩, 切缝缝合线的构造微渗透缝, 内充填方解石; e—新富5井, 井深2869.00 m, 马六段, 单偏光, 粉—微晶云岩发暗红色光, 一期裂缝内鞍形白云石不发光, 切割鞍形白云石裂缝的裂缝方解石发亮橘黄色光; f—富古7井, 井深2959.80 m, 马五1亚段, 单偏光, 微晶云岩, 膏模孔内充填微晶白云石受和石英。g—富古5井, 井深3029.10 m, 马五2亚段, 阴极发光, 切缝缝合线的构造微渗透缝发橘红色光, 切割缝合线、构造微渗透缝的构造裂缝方解石发亮橘黄色光; h—新富5井, 井深2869.00 m, 马六段, 显微镜下单偏光和阴极发光照片, 粉—微晶云岩发暗红色光, 一期裂缝内鞍形白云石不发光, 切割鞍形白云石裂缝的裂缝方解石发亮橘黄色光; i—富古7井, 井深2959.80 m, 马五1亚段, 阴极发光, 微晶云岩发暗红色光, 膏模孔内微晶白云石受改造发橘红色光, 膏模孔内石英不发光Fig.4 Petrological and cathodoluminescence characteristics of stage-Ⅱthermal activity in the Majiagou Formation, Fuxian area

第Ⅰ期缝洞鞍形白云石可交代加里东—海西期岩溶缝洞方解石及填积物、缝合线, 但又受到第Ⅱ期构造裂缝方解石的切割改造, 说明热事件发生于加里东—海西岩溶期后的埋藏过程中, 而且成岩过程中存在有多个阶段和多种性质的流体, 与早白垩世的热事件有关。

3 地球化学特征及其流体性质恢复
3.1 流体包裹体特征及其指示

在岩石矿物学区分流体期次的基础上, 对不同期次的矿物进行流体包裹体分析, 可获得不同期次矿物的均一温度(表1)。

表 1 富县地区马家沟组热事件相关矿物内流体包裹体均一温度 Table 1 Homogenization temperature of thermal mineral in the Majiagou Formation, Fuxian area

第Ⅰ期鞍形白云石晶体中原生气液两相包裹体较为发育, 并伴生有大量的甲烷包裹体, 可能与早白垩世主成藏期时间一致。流体包裹体均未受到后期改造, 代表了原始流体的沉淀温度。新富2井马六段中构造裂缝鞍形白云石的包裹体均一温度平均值为270.7 ℃; 新富5井马五1亚段岩心样品膏溶孔洞鞍形白云石的均一温度最高297.6 ℃。

第Ⅱ期石英及方解石中均存在原生气液两相包裹体, 但是两者测得的均一温度存在差异。富古4井马五1亚段岩心样品中构造裂缝方解石的包裹体均一温度为相对较低, 一般为140.4~169.2 ℃, 平均值为149.8 ℃; 而富古7井马五1亚段岩心样品膏模孔内石英的均一温度高达353.45 ℃。

正常情况下, 奥陶系马家沟组最大埋深所能达到的地层温度为170 ℃(马尚伟等, 2023), 这远远低于构造裂缝及膏溶孔洞内鞍形白云石、石英的包裹体均一温度, 说明存在外部高温流体加入; 在早白垩世鄂尔多斯盆地构造—热事件时期, 地温梯度异常升高, 可达5.0 ℃/100 m, 最大埋深4500 m, 温度可达250.0 ℃, 与上述鞍形白云石的均一温度较为相近, 但仍远低于石英包裹体均一温度。因此, 早白垩世构造—热事件相关的热流体活动参与了缝洞鞍形白云石的形成; 而高达353.5 ℃石英包裹体的出现, 说明深部有来源更高温度的流体参与石英的形成。

3.2 碳氧稳定同位素组成特征及其指示

研究区内热事件相关碳酸盐组分的碳氧稳定同位素分析结果可见2期产物特征差异明显(表 2)。

表 2 富县地区马家沟组热事件相关碳酸盐矿物碳氧稳定同位素组成 Table 2 Carbon and oxygen isotope compositions of thermal carbonate in the Majiagou Formation, Fuxian area

第Ⅰ期碳酸盐矿物具有相似的特征, 均具有较低的 δ 13C值、δ 18O值, 低的 δ 18O 值表明该期碳酸盐岩矿物受到热事件的影响, 而相应较低的 δ 13C值可能是由于有机流体的侵入导致。膏溶孔洞及构造裂缝鞍形白云石 δ 13C值为-4.99‰ ~-5.67‰ (VPDB), 平均值为-5.23‰ (VPDB); δ 18O值为-13.87‰ ~-16.67‰ (VPDB), 平均值为-14.874‰ (VPDB); 与鞍形白云石相伴生的构造裂缝内方解石 δ 13C值为-5.99‰ (VPDB), δ 18O值为-16.31‰ (VPDB); 受热流体改造的岩溶缝洞方解石的 δ 13C值为-4.75‰ ~-5.45‰ (VPDB), 平均值为-5.25‰ (VPDB); δ 18O值为-14.55‰ ~-16.31‰ , 平均值为-15.10‰ (VPDB)。

第Ⅱ期碳酸盐矿物与第Ⅰ期具有明显不同碳氧同位素的特征, 表现为 δ 13C值为-0.64‰ ~-3.93‰ (VPDB), 平均值为-2.04‰ (VPDB), 与奥陶系碳酸盐岩背景值接近, 与第1种碳酸盐矿物的 δ 13C值偏负相区别; δ 18O值总体偏低, 为-13.10‰ ~-15.88‰ (VPDB), 平均值为-14.02‰ (VPDB), 与加里东—海西期岩溶缝洞方解石、第Ⅰ期碳酸盐矿物更低的 δ 18O 值相区别, 说明其受到热事件的影响更强。

因此, 第Ⅰ期鞍形白云石、方解石的形成过程中存在与有机质有关的含轻 δ 13C值的有机流体加入, 可能存在有上古生界煤系地层流体加入作用。而第Ⅱ期热流体产物中, 则缺乏与有机质演化相关的轻 δ 13C值流体的加入影响。

依据测得有关样品白云石包裹体均一温度、白云石的 δ 18O 值, 按照Land(1983)公式1000lnα(白云石—水)=3.14×106T-2-2.0及α(白云石—水)=(1000+δ18O白云石)/(1000+δ18O流体)得到第Ⅰ期鞍形白云石的流体 δ 18O 值为5.23‰ ~7.95‰ (SMOW)(图 5), 虽然与岩浆热液 δ 18O 值范围[6.00‰ ~8.00‰ (SMOW)]接近, 但也位于有机流体区间内[-8.00‰ ~15.00‰ (SMOW)], 与δ 13C值同位素解释相一致。而依据有关样品方解石包裹体均一温度、δ 18O值, 按照Friedman和O’ Neil(1977)公式1000lnα(方解石—水)=2.78×106T-2-2.89及α(方解石—水)=(1+δ18O方解石/1000)/(1+δ18O流体/1000)得到第Ⅱ期方解石的流体 δ 18O 值为0.90‰ ~5.36‰ (SMOW)(图 5), 低于岩浆热液值, 处于盐水、蒸发盐岩和石膏值范围内[-4.00‰ ~10.00‰ (SMOW)](Bi et al., 2018)。

图 5 富县地区马家沟组热事件相关碳酸盐矿物的成岩流体恢复Fig.5 Reconstruction of oxygen isotope composition of thermal carbonate fluids in the Majiagou Formation, Fuxian area

3.3 锶同位素组成特征及其指示

锶同位素分析揭示, 2期热事件相关碳酸盐矿物的锶同位素组成较高, 存在明显差异(图 6)。第Ⅰ期鞍形白云石及方解石样品 87Sr/86Sr 值为0.708950~0.709845, 平均值为0.709333; 第Ⅱ期方解石的锶同位素值为0.709329~0.710184, 平均值为0.709851。这2类碳酸盐矿物锶同位素值明显高于奥陶纪海水平均值0.70878(Montanez and Read, 1992), 更高于奥陶系正常海相灰岩样品 87Sr/86Sr 值0.708500~0.709000(图 6), 也高于奥陶系海相碳酸盐岩来源控制的去膏化方解石、膏溶孔洞和岩溶缝洞方解石的锶同位素值, 更高于幔源岩浆热流体的锶同位素值, 说明这些碳酸盐矿物的形成过程中很可能有高 87Sr/86Sr 值的铝硅酸盐相关的外部流体加入。第Ⅱ期较第Ⅰ期碳酸盐矿物的锶同位素值更高, 说明流体性质与第Ⅰ期流体来源有差异, 可能有更多的铝硅酸盐相关的外部地层流体加入。幔源流体的 87Sr/86Sr 值相对较低, 研究区热改造产物中的 87Sr/86Sr 值高于奥陶系灰岩的锶同位素和幔源流体值, 可能是由于热事件仅对流体进行加热, 并未有岩浆流体的参与, 也与研究区内缺乏岩浆岩分布相一致。第Ⅰ期胶结作用流体为碎屑岩层和有机流体的混合来源, 而第Ⅱ期胶结作用来源于深部流体, 流经深部高锶同位素比值的碎屑岩地层, 导致流体锶同位素远高于幔源流体。

图 6 富县地区马家沟组碳酸盐组分的锶同位素分布特征Fig.6 Sr isotope data of different carbonate in the Majiagou Formation, Fuxian area

3.4 稀土元素组成特征及其指示

稀土元素分析揭示, 区内奥陶系这2期碳酸盐矿物都具有较高的稀土元素含量, 但配分模式差异较大(图 7)。第 Ⅰ期热流体碳酸盐矿物稀土元素配分模式与奥陶系微晶灰岩和粉—微晶云岩相似, 大致呈单斜型, 整体轻稀土富集, 是经历过热事件影响的重要表现, 且第 Ⅰ期热流体展现出La负异常(Henderson, 1989), 由于有机质的分解能够影响流体的氧化—还原条件, 在氧化—弱氧化带内LREE将会被优先吸附, 最终表现为第Ⅰ期矿物的LREE富集的稀土配分模式(赵彦彦等, 2019); 第Ⅱ期碳酸盐矿物, 多为中稀土富集, 具Eu正异常, 反映受到了较高温度流体的影响(赵彦彦等, 2019), 这与上述碳氧同位素和流体包裹体测温的结果一致, 说明第Ⅱ期胶结作用发生时流体温度更高, 且深部流体参与程度更高(赵彦彦等, 2019)。两者都具有富稀土元素说明在碳酸盐岩矿物形成的过程中都受到了外部碎屑岩层流体的影响, 与锶同位素特征代表的含义相同, 两者的来源可能略有差异, 第 Ⅰ期热改造产物流体主要来自于上古生界, 而第 Ⅱ期更多的有更深层碎屑岩层的影响。

图 7 富县地区马家沟组热事件相关碳酸盐矿物的稀土元素组成Fig.7 Rare-earth element compositions of thermal carbonate in the Majiagou Formation, Fuxian area

3.5 电子探针微区主量元素组成特征及其流体性质指示

电子探针分析揭示这2期碳酸盐矿物的主量元素组成有差异, 第Ⅰ期碳酸盐矿物也即构造裂缝鞍形白云石、膏溶孔洞内鞍形白云石具有异常高的FeO含量, 最高可达16.13%, 平均值为10.5%; 较高MnO含量, 平均值为0.13%; 较高SrO含量平均值为0.04%; 较低含量K2O及Na2O, 大部分未达到检出限, 最高仅为0.02%, 说明有上古生界本溪组富铁地层的含有机质流体的影响(李维等, 2016; 张军涛等, 2017; 沈扬等, 2018)。

第Ⅱ期碳酸盐矿物也即构造裂缝方解石中主量元素分布不均匀, 普遍具有MnO、FeO含量较高、但明显低于鞍形白云石, 平均值分别为0.06%和0.16%; 部分样品检测出较高的K2O、Na2O含量, 可达0.13%和0.16%, 说明形成时有较高盐度流体的参与, 可能存在成岩流体由下向上运移而受到下伏马家沟组蒸发盐岩地层的影响。

4 热事件相关成岩作用机制与模式

早白垩世, 华北板块整体处于拉张背景, 鄂尔多斯盆地也转为拉张构造环境, 盆内构造作用表现为断块活动, 盆地内部、周缘及外围区域有早白垩世火成岩体活动, 在不同阶段也形成了2种不同期次的热流体活动。

4.1 第 Ⅰ期热事件相关地质作用机制和模式

第Ⅰ期热事件地质作用与油气大规模成藏一致, 表现为多种流体的混合(图 8)。

图 8 富县地区马家沟组第Ⅰ期热事件相关地质作用模式Fig.8 Mode of geological action of stage-Ⅰthermal activity in the Majiagou Formation, Fuxian area

早白垩世, 伴随着拉张断裂活动和岩浆活动, 产生大量裂缝, 且地温梯度升高, 古生界烃源岩进入成烃高峰期, 地层流体被热事件加热。地层水、上古生界煤系地层来源的有机流体混合, 进入裂缝和孔隙之中, 随后发生了热硫酸盐还原反应, 导致了构造裂缝内和岩溶缝洞部分地被富铁鞍形白云石、方解石、黄铁矿充填, 岩溶缝洞填积物、方解石、早期白云石受到深部流体改造。

4.2 第 Ⅱ期热事件相关地质作用机制和模式

第Ⅱ期热事件相关地质作用机制及模式与第Ⅰ期热事件存在明显差异(图 9), 以深部高盐度流体为主。伴随着早白垩世热事件持续, 更深层的热流体沿断裂穿越了下部膏盐岩地层, 盐度升高, 上升进入到奥陶系风化壳部位, 导致裂缝及缝孔洞内方解石、石英的生长充填和交代, 导致岩溶缝洞填积物、方解石、先期白云石受到深部热流体改造。

图 9 富县地区马家沟组第Ⅱ期热液作用模式Fig.9 Mode of stage-Ⅱthermal activity in the Majiagou Formation, Fuxian area

5 热液作用对油气成藏的意义

早白垩世热事件对奥陶系碳酸盐岩油气生成、运聚和改造有重要意义, 对储集层的影响具有双向性。第Ⅰ期热流体活动多为建设性, 热事件流体活动、构造破裂裂缝形成以及大规模油气生成的时间一致, 裂缝即使经历鞍形白云石、方解石、黄铁矿、石英沉淀充填后还有剩余空间存在, 这些部分充填的裂缝和溶蚀孔洞可构成油气有效输导和储集空间, 碳酸盐岩产物中仍保留着大量有机参与的痕迹; 同时, 多来源的混合流体对碳酸盐岩具有溶蚀作用, 导致埋藏溶蚀作用发生, 沿缝合线溶蚀孔洞、沿构造裂缝方解石的溶蚀孔洞发育, 形成新的有效储渗空间。第Ⅱ期热流体活动, 多为破坏性, 但规模较小, 主要表现为加里东—海西期岩溶作用形成的膏模孔、膏溶孔洞、岩溶缝孔洞部分地被热液成因方解石、石英充填破坏。

2期热事件相关的成岩作用在马家沟组都有分布, 特别是在马六段, 其储集空间主要为裂缝, 且大部分被鞍形白云石充填。因此, 针对马六段储集层的研究, 热事件相关的胶结作用是不可忽视的, 后续应主要集中于热事件相关的构造裂缝的发育、胶结作用程度以及与油气运移之间耦合关系的研究。

6 结论

1)鄂尔多斯盆地富县地区奥陶系马五段存在2期与燕山期热事件相关的热液作用, 稍早的第Ⅰ期热事件相关的胶结作用明显切割交代加里东—海西期岩溶产物和缝合线; 稍晚的第Ⅱ期热事件相关的胶结作用切割改造加里东—海西期岩溶产物、缝合线, 并且切割第Ⅰ期热液作用产物。

2)第Ⅰ期热事件以缝洞内鞍形白云石发育为特征, 其 δ 13C值和 δ 18O 值均较低和偏负, 锶同位素值较正常海相灰岩高, 稀土元素负Eu异常和La负异常, 元素分析显示FeO含量异常高、MnO和SrO含量较高、K2O及Na2O含量较低, 包裹体均一温度高, 为早白垩世拉张断裂作用下上覆石炭—二叠系地层有机流体、奥陶系内部流体及少量深部流体三者联合作用形成。

3)第Ⅱ期热事件以缝孔洞内石英沉淀、交代和裂缝方解石发育为特征, 其 δ 13C值与奥陶系碳酸盐岩背景值接近、δ 18O值总体偏低, 锶同位素值更高一些, 稀土元素展现出特别的负La异常和正Eu异常, 元素分析MnO及FeO含量较高, 部分K2O及Na2O含量较高, 石英包裹体均一温度高, 为早白垩世拉张断裂作用下深部流体作用为主, 少量奥陶系内部流体参与。

4)早白垩世热事件对奥陶系碳酸盐岩油气生成、运聚和改造具有重要意义, 对储集层的影响具有双向性。第Ⅰ期热流体活动多为建设性, 热事件流体活动、构造破裂裂缝形成与大规模油气生成的时间一致, 裂缝和溶蚀孔洞可构成油气有效输导和储集空间。第Ⅱ期热流体活动, 以孔隙和裂缝充填为主, 多为破坏性, 但规模较小。

(责任编辑 郑秀娟; 英文审校 龚承林)

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