熔巖分配與油氣地質特點勘測范文
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作者：李澤敏苗建宇單位：西北大學地質系西安地研石油科技開發有限公司
稀土元素配分模式
稀土元素是一組原子序數接近的群體，它們在巖石中不僅具有化學行為的一致性，同時又有相互分餾的特點，因而可成為地球化學研究的“指示劑”。在巖溶儲層研究中，根據稀土元素的配分模式特征，不僅對于區別巖石類型有一定的意義，而且還能用它來探討巖石的成因。稀土元素配分模式，主要依據巖石或樣品中的稀土元素含量，經球粒隕石標準化后的稀土元素含量，取其對數作為縱坐標，以稀土元素作為橫坐標所作的圖解。稀土元素配分模式圖（如圖1）中，上曲線為稀土元素含量富集，下曲線為稀土元素含量虧損，中間線代表基本保持了原巖的稀土元素含量。這三條曲線分布的樣式，即三種稀土元素曲線分布的集中或分散，代表了稀土元素在不同巖類中的配分特征以及沉積環境或成巖環境的變化。
稀土元素配分模式在金屬礦產研究中應用較多，在古巖溶研究方面也有不少研究者取得了良好成果。本文對10種可溶巖類樣品和6種非可溶巖類樣品作了稀土元素配分模式圖，分析結果發現，即使是同一巖類的巖性，因受巖溶改造作用的不同，在稀土元素配分模式圖中呈現岀不同形式的分布差異。以下在兩種巖類各選取幾例具代表性的配分模式予以特征描述。可溶巖（碳酸鹽巖）配分模式在10種奧陶系馬家溝組可溶巖（表1）的稀土元素配分模式中，以微晶灰巖的分布線最為集中（圖1a），且三條分布線的變化趨勢較為接近，即基本保持了原巖的稀土元素含量，這說明該石灰巖形成于潮坪環境，后期未經歷強烈的巖溶改造。白云巖的三條分布線相對位置變化幅度較大（圖1b），其范圍可完全包容微晶灰巖的變化范圍。這表明這兩類碳酸鹽巖在沉積后，經歷了準同生白云石化作用及古巖溶作用的改造，從而對稀土元素的配分產生了強烈的影響。次生灰巖及白云質角礫巖的分布線均較為分散（圖1c和1d），說明它們經歷了巖溶作用的多次改造。
非可溶巖（碎屑巖）配分模式在6種非可溶巖（表1）的稀土元素配分模式圖中，曲線分布大都比較集中，說明稀土元素的含量變化較小，分布相對穩定。但其中有一個例外，即奧陶系馬家溝組黏土化凝灰巖（圖1e），與同為馬家溝組的泥質巖相比，其稀土元素配分模式明顯不同，其分布線在右側相對收斂，而在左側相對發散。如果把馬家溝組黏土化凝灰巖（圖1e）與本溪組底部玻屑化凝灰巖（圖1f）的兩個配分模式疊合起來，就不難看岀，玻屑化凝灰巖的分布線不僅可被包容在黏土化凝灰巖的分布線范圍內，而且兩者的分布線在變化趨勢上相當協調，說明黏土化凝灰巖與玻屑化凝灰巖在成因上有一定的聯系。黏土化凝灰巖在受巖溶作用的強烈改造后，其稀土元素含量可在凝灰巖的基礎上發生分餾。
輕稀土與重稀土元素分布特征
根據元素的原子序數和質量，鑭系稀土元素一般可分為兩個亞族，即從La到Eu劃分為輕稀土，從Gd到Lu劃分為重稀土。鄂爾多斯盆地中東部巖溶洼地分布區各類巖石中，以碳酸鹽巖和硫酸鹽巖為主的可溶巖與以碎屑巖為主的非可溶巖，兩者的輕、重稀土含量變化具有明顯的不同。兩類巖石均表現為LREE含量隨著HREE含量增加亦隨之增加的特征，但可溶巖的增加幅度次于非可溶巖（圖2）。這表明可溶巖和非可溶巖在巖石形成與發生巖溶作用的過程中，輕、重稀土的分布范圍是有較大差異的。
1可溶巖的重、輕稀土元素分布特征
可溶巖的重、輕稀土元素分布在HREE—LREE關系圖中具有明顯的線性關系(圖3a)。如代表碳酸鹽原始沉積的微晶灰巖，其稀土元素的分布范圍，LREE分布在25～105μg/g，相應的HREE在2～9μg/g之間；而經過巖溶作用的白云巖，其LREE分布在10～1000μg/g之間，相應的HREE分布在2～100μg/g之間。由此可見，白云巖的稀土元素變化范圍遠大于石灰巖，這是白云巖在形成過程中經歷了多期巖溶作用的結果。根據稀土元素含量的貧富程度，圖3a的可溶巖變化范圍內還可以劃分出三個區域（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區）。
Ⅰ區為貧稀土范圍，Ⅲ區為富稀土范圍，圖中白云巖、次生灰巖、白云質角礫巖和硬石膏巖在這兩個區域均有分布，表明它們經歷了不同的巖溶作用改造，從而出現貧、富稀土兩種分布區域。準同生白云巖主要分布于Ⅱ區中，說明它基本保持了原巖稀土元素的含量，受巖溶改造相對較弱。同時，它的輕、重稀土含量較Ⅰ區的白云巖略有所增加，表明它是在準同生白云石化階段受到富集稀土的高礦化晶間水反復作用的結果。
Ⅰ區的白云巖（樣品）包括有溶斑白云巖和孔洞白云巖中充填的淡水白云石，它們顯然屬于準同生期層間巖溶的產物；而處于同一區域的次生灰巖，實際為風化殼巖溶水形成的鈣質沉淀。由此可見，分布在Ⅰ區的貧稀土元素的可溶巖（碳酸鹽巖）均為大氣淡水改造的產物，而分布在Ⅲ區內的多為采自儲層下部的去白云石化次生灰巖，即為埋藏期深部流體交代的產物。分布于Ⅲ區的富稀土元素的白云巖多為含方解石充填的孔洞、裂縫狀白云巖，因此它們應是埋藏期壓釋水改造的產物。
2非可溶巖的輕、重稀土元素分布特征
非可溶巖的輕、重稀土元素分布特征，主要表現為輕稀土含量變化幅度大，重稀土含量變化幅度小（圖3b）。這說明，這些巖石在成巖或巖溶改造中，輕稀土元素的分異現象特別明顯。
（1）鋁土巖是非可溶巖中輕稀土元素含量最高的，其原因是鋁土巖由風化殼殘積層中的黏土礦物組成，有極強的吸附能力，輕稀土元素極易被粘土吸附而富集。
（2）玻屑化凝灰巖與黏土化凝灰巖前者由火山灰沉積成因，后者與鋁土巖均為蝕變巖，只是蝕變的環境不同而已，其母巖都是玻屑化凝灰巖。玻屑化凝灰巖的輕稀土元素含量變化在HREE—LREE關系圖（圖3b）中處于鋁土巖和黏土化凝灰巖的含量變化之間，且其LREE富集的一方指向鋁土巖，而虧損的一方指向黏土化凝灰巖，這與上述稀土地球化學原理的分析是相吻合的。
（3）砂巖來自奧陶系的上覆層本溪組底部，其稀土元素主要賦存于碎屑顆粒結晶礦物的內部，碎屑顆粒由本溪組沉積時的陸源區供給，它的成分綜合反映了陸源供給區出露巖石的特征。
（4）巖溶洞穴充填的富有機質泥巖其來源與砂巖相同，也是來自上覆地層本溪組底部，為陸源供給區巖石的風化產物（經充分混合后搬運而來）。它的輕稀土元素含量變化在HREE—LREE關系圖（圖3b）中表現為輕、重稀土元素均較富集，說明它的稀土元素的賦存形式以黏土礦物的表面吸附為主，因吸附量大而含量較富。
（5）白云質泥巖主要由馬五段的海相沉積物組成，稀土元素主要賦存于黏土礦物中，而黏土礦物源于奧陶系沉積時的陸源供給區。奧陶紀至石炭紀時，華北地臺及其周邊的大地構造輪廓不存在巨大的構造變動，因而出露的巖石類型變化不大，除海西早期新生巖石影響外，馬家溝組碎屑物中的稀土元素與本溪組底部砂巖和泥巖中的稀土元素是同源的，因此兩者的稀土元素在HREE—LREE關系圖（圖3b）中具有相似的含量分布特征和變化規律。
異常系數δEu和δCe及其與稀土元素總量的關系
δEu與δCe在稀土元素中是一對變價突出的異常系數，主要用于判識碳酸鹽巖沉積物的形成環境。例如，當δEu小于1時為負異常，反映為堿性低溫流體環境；而當δCe向低值方向遷移時，則反映為氧化環境。在巖溶風化殼不同的巖類中，δEu和δCe與稀土元素總量(∑REE)之間的關系表現出較強的變化規律，其中尤以可溶巖最為突出。下文著重對可溶巖的δEu與δCe特征作一詳細分析。
1可溶巖δEu與稀土元素總量的關系
從可溶巖（白云巖及次生灰巖）的δEu與稀土元素總量(∑REE)相關分析結果（圖4）可知，δEu隨∑REE的升高而呈現下降的趨勢。此外，白云巖在分布特征上大體可劃分出三個成巖區域：Ⅰ區為表生巖溶白云巖，Ⅱ區為準同生白云巖，Ⅲ區為埋藏巖溶白云巖。在表生巖溶區域（Ⅰ區），白云巖的δEu分餾現象顯著，其原因是在地表氧化環境下，Eu呈三價，與其它三價稀土元素一樣難于從巖石中遷出，但是若遇局部還原而偏酸性的環境，Eu可呈二價，具有較強的堿性而發生遷移，并與其它三價稀土相分離。這時若又在堿性環境中共同沉淀，就會在沉淀物中出現與其它稀土元素分餾的特點。在埋藏巖溶區域（Ⅲ區），白云巖的δEu變化范圍較小。它的分布特征，與非可溶巖（碎屑巖）對照，不僅∑REE比較接近，而且在δEu系數變化的特征上也較為一致，這充分表明埋藏巖溶改造的白云巖中富集的稀土元素主要來自碎屑巖，且未發生明顯的分餾。
2可溶巖δCe與稀土元素總量的關系
從可溶巖的δCe與稀土元素總量（∑REE）的相關分析結果（圖5）可以看出，微晶灰巖中δCe的平均值基本穩定在0.88；白云巖的δCe變化在0.57～1.32之間，其范圍明顯大于微晶灰巖；準同生白云巖平均值為0.865，說明表生巖溶改造的白云巖多向δCe的虧損方向偏移，而埋藏巖溶改造的白云巖多向δCe的富集方向偏移。在古巖溶作用過程中，尚未改造的原巖中Ce的分餾較弱。在表生期的巖溶環境中，Ce易形成Ce4+，卻因難以從巖石中遷出而殘留于原巖之中，使得水介質中相對貧Ce，從而在表生期巖溶沉淀物中常常出現Ce的虧損。在埋藏期的還原環境中，Ce呈三價的形式，大體與其它三價稀土元素一樣易活化遷移，從而導致埋藏巖溶沉淀物中Ce的富集。特別是富CO2的埋藏期巖溶水，有利于重稀土元素以及Ce4+的活化遷移，這也是導致沉淀物中富Ce的重要原因。
3異常系數δEu與δCe的關系
利用異常系數δEu與δCe的相關特征（圖6），可揭示可溶巖與非可溶巖所經歷的不同巖溶環境。可溶巖的δCe和δEu相關特征表明，δEu的變化范圍在0.33～0.86，δCe的變化范圍在0.75～1.27。δEu值始終分布在小于1.0的負異常范圍（圖6），這指示了堿性低溫流體作用的巖溶環境，即隨著巖溶沉淀物的堿性增強，δEu也相應富集。可溶巖δCe變化則與巖溶環境有關，當δCe小于1.0時，處于堿性低溫流體作用的巖溶環境，難以活化遷移，而隨著巖溶環境向酸性還原環境變化，δCe值升高并向富集方向遷移。
非可溶巖的δCe和δEu變化特征顯示，δCe的變化在0.77～1.15范圍，δEu變化在0.28～0.35范圍（圖6）。從兩者對比可以看出，δCe值的變化范圍較大，表明非可溶巖中Ce的分餾現象比較明顯，而Eu的分餾相應微弱。導致這一分餾現象發生的原因，與非可溶巖的地球化學環境有關。潘愛芳等指出，在酸性還原流體中，三價稀土離子不能同CO32-、I-、NO3-和SO42-離子等組成離子對；而四價Ce因具有較強的雙重化學性質且與HREE離子相似，從而不僅因易于形成絡合物而發生遷移，同時在富含CO2的溶液中會顯得極強，這是Ce發生遷移并導致分餾的主要原因。起源于泥質巖的壓釋水溶液中富含CO2，正處于埋藏期巖溶作用環境，因此泥質巖中Ce元素從虧損到富集，反映了埋藏期巖溶水由酸性過渡為偏堿性、由偏氧化過渡為還原的地球化學環境的變化。這一變化特征符合埋藏期巖溶水活動形跡的地球化學特點。
上述研究表明，稀土元素在盆地中東部巖溶洼地分布區奧陶系馬家溝組五41—五11儲層段所記錄的稀土配分模式及分布關系，是其沉淀流體稀土特征的瞬時反映各類可溶與非可溶的巖類中稀土元素的虧損與富集，不僅指示了不同巖溶環境的存在及演化，而且與天然氣儲層的形成具有密切關系。其中，表生期巖溶沉淀的流體因來自大氣淡水，會導致稀土元素總量的降低和δEu的虧損，從而奠定了碳酸鹽巖次生孔隙發育的基礎及規模；而埋藏期巖溶沉淀的流體來自富含有機質和CO2的泥巖酸性壓釋水，這不僅具有與泥質巖相同的稀土總量和δCe的明顯富集，而且與烴類的侵位相同步。
由于鄂爾多斯盆地中東部處于古生界烴源中心，在有機質成熟及續發的烴類降解產生的有機酸性流體進入風化殼巖溶系統進行對流循環，不僅強化了巖溶水的溶蝕能力，使孔洞的儲集性和輸導性得以增加，而且也將烴類載入了巖溶孔洞。隨著埋藏巖溶水動力的減弱以及抑致水化反應的發生，促進了溶蝕巖體和烴類運聚場所的形成，并在溶蝕巖體外圍產生淀積交代外殼，由此構成了封閉的儲集空間。這些構成封閉的巖溶沉淀物，具有稀土元素總量升高以及δCe富集的特征。因此，結合巖溶地貌形態，分析稀土元素分餾富集規律，追蹤對比富δCe的巖溶沉淀物充填層位及平面變化，對于預測有利巖60溶儲層的分布以及尋找新的天然氣富集區具有重要的示蹤作用。
結論
（1）由可溶巖與非可溶巖組成的奧陶系風化殼儲層中，受表生期巖溶作用強烈改造的可溶巖，其稀土元素含量虧損明顯，但經埋藏巖溶改造后，稀土元素含量則相對富集。而受巖溶改造微弱的可溶巖與非可溶巖，基本保持了原巖的稀土元素含量特征。
（2）可溶巖在巖溶化過程中，其輕稀土的遷移大于重稀土元素的分餾效應，從而輕﹑重稀土的分布呈現明顯的分區及線性關系，這揭示了可溶巖經歷了不同的巖溶環境及演化過程。非可溶巖輕﹑重稀土元素的分布以巖類不同而呈現出不同的變化趨勢，但它們揭示了馬家溝組的黏土化凝灰巖和巖溶洞穴充填的泥巖與風化殼上覆層的本溪組底部砂泥巖和玻屑化疑灰巖之間存在同源關系，從而具有相似的稀土元素變化規律。
（3）可溶巖中δEu具有隨∑REE升高而呈現下降的趨勢，且在分布特征上大體可劃分三個不同成巖區。可溶巖中δCe對于∑REE的變化，因巖類不同而表現出較大的差異。δEu與δCe異常，在不同巖溶環境中具有不同的活化遷移規律，因而是判識巖溶環境的重要標志。δEu的活化遷移，反映了表生期巖溶環境的存在，而δCe的相對富集，則揭示了埋藏期巖溶的發育及其與天然氣生成運聚的密切關系。