富CO_2深部流体对碳酸盐岩的溶蚀—充填作用的热力学分析

由于广泛而强烈的岩浆作用,我国东部的松辽、渤海湾、莺歌海以及西部的塔里木等盆地中都有富CO_2深部流体的活动。富CO_2深部流体与碳酸盐岩相互作用可用Duan and Li(2008)所建立的CO_2-H_2O-CaCO_3-NaCl体系的热力学模型来进行模拟计算。计算结果表明,富CO_2深部流体在自深部向浅部运移过程中对CaCO_3的溶解度会逐渐增加,到达一定深度后溶解度达到最大值,再向浅部溶解度开始逐渐降低;也就是深部流体具有深部溶蚀碳酸盐岩—浅部沉淀碳酸盐矿物的规律。与浅部地层中的流体发生混合会使流体的CO_2含量和盐度降低,会导致CaCO_3的沉淀充填;深部流体进入开启性断裂/裂缝体系中时,由于压力的降低,也会发生CaCO_3的沉淀充填。深部流体的CO_2含量、盐度、温度和压力的变化影响着实际的溶蚀—充填过程。塔中地区钻井也揭示了深部下奥陶统碳酸盐岩中发育有丰富的溶蚀孔隙,而在相对浅部的奥陶系灰岩和志留系砂岩中见有大量方解石的充填,这是富CO_2流体深部溶蚀—浅部充填的一个较好的实例。基于理论和实际分析,本文认为在岩浆火山作用广泛发育的塔里木等盆地中下古生界深部优质碳酸盐岩储层存在的可能性。

塔里木盆地塔北和塔中地区流体作用环境差异性分析

对塔里木盆地塔北和塔中地区奥陶系灰岩孔洞和裂缝中的方解石进行了系统的流体包裹体测温、碳氧锶同位素以及稀土元素方面的分析测试。塔北地区多数方解石样品具有较低的流体包裹体均一温度、较轻的氧同位素组成和较高的87Sr/86Sr值,其均一温度平均值范围为66.6～105.8℃,δ18OPDB值为–18.9‰～–10.8‰,87Sr/86Sr比值为0.709190～0.709989,为大气降水成因;此外,还有5个方解石样品认为是地层水成因,2个样品认为是热液流体成因。塔中地区方解石样品多数具有高于围岩埋藏温度的流体包裹体均一温度、较轻的氧同位素组成和较高的87Sr/86Sr值,其均一温度平均值范围为139.2～180.0℃,δ18OPDB值为–7.9‰～–14.3‰,87Sr/86Sr比值为0.709049～0.719503;与灰岩围岩差别明显的稀土元素分布模式及显著的Eu正异常,其δEu变化范围为1.39～76.03;这些方解石认为是以热液流体成因为主。由上可见,塔北奥陶系灰岩中的流体作用类型主要为大气降水;塔中地区奥陶系灰岩中主要的流体作用类型是热液流体。流体作用的差异主要是由两个地区构造演化、岩浆火山活动等地质环境的差异造成的。塔北奥陶系灰岩因多次强烈构造抬升作用导致遭受多次大气降水地表岩溶改造,塔中则因二叠纪强烈而广泛的岩浆火山作用而经历以热液为主的流体改造作用。

热力学和动力学双重控制下的大气降水溶蚀-充填机制

受构造抬升运动的影响，塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩多次暴露至地表遭受大气降水溶蚀改造，形成丰富的岩溶孔洞型油气储集空间．但钻井表明许多大型岩溶洞穴、小的孔洞、裂缝等遭受方解石的充填，造成储集性能变差．塔北地区奥陶系岩溶孔洞中所充填的方解石具有非常轻的氧同位素组成和高的^87Sr／^86Sr比值，其δ^18OPDB位于-21．2‰--13．3‰，平均值为-16．3‰，^87Sr／^86Sr比值位于0．709561—0．710070，平均值为0．709843．同位素组成表明岩溶孔洞中所充填的方解石与大气降水有关．理论分析表明，大气降水对碳酸盐岩的溶蚀和充填作用受热力学和动力学双重机制控制．碳酸盐岩溶解的热力学因素决定大气降水在从地表向地下流动过程中对碳酸盐岩具有从溶解到饱和再到沉淀充填的作用特征，即地表之下大气降水对碳酸盐岩溶蚀作用发育的深度具有一定限度，而不能无限制的向深处发展；碳酸盐岩溶解的动力学因素控制着岩溶作用发育的强度、深度和广度，即岩溶作用还受地形地貌、气候、断裂／裂缝发育程度等多种因素制约．在热力学和动力学因素共同控制下，大气降水对塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩的岩溶作用仅在不整合面之下一定深度（多数200m）范围内发生，再往深处则会沉淀碳酸盐岩矿物，从而造成对已有空间的充填作用．