恰什古伊地区碳氧同位素地层学分析*

2014-06-07王兴志徐剑良

西南石油大学学报(自然科学版) 2014年3期

王强，王兴志，徐剑良，刘斌，张沁

1.西南石油大学地球科学与技术学院，四川成都 610500 2.中国石油川庆钻探工程有限公司地质勘探开发研究院，四川成都 610051 3.中国石油（土库曼斯坦）阿姆河天然气公司，北京东城 100011

恰什古伊地区碳氧同位素地层学分析*

王强1，2，王兴志1，徐剑良2，刘斌3，张沁2

土库曼斯坦恰什古伊地区有效储集层为卡洛夫—牛津阶碳酸盐岩，该段GR变化小，旋回分析困难，导致有利储层预测难。利用该区Cha–21井所取岩芯中采集的41个样品测定的碳氧同位素，结合区域沉积演化分析资料，探讨了卡洛夫—牛津阶储层段沉积时的海平面变化。结果表明，氧同位素的原始信息已被成岩作用破坏，而碳同位素基本保持了原始特征，因此碳同位素可用于同位素地层研究和古环境分析；据此计算出盐度指数变化范围为128.25～136.63，明显大于海水和淡水的分界标准，反映成岩流体具有较高盐度海源水性质；由δ13C的变化所确定的研究区的海平面变化曲线与卡洛夫—牛津阶全球海平面变化曲线吻合，印证了该区储层地质年代定为卡洛夫—牛津期是准确的；依据海平面变化曲线，将卡洛夫—牛津阶主力储层段分为3个沉积旋回5个演化阶段。该成果填补了该区碳氧同位素地层研究的空白，对深化盆地沉积演化规律的认识及预测储层有利区块具有重要意义。

同位素地层学；沉积旋回；卡洛夫–牛津阶；恰什古伊地区；土库曼斯坦

王强，王兴志，徐剑良，等．恰什古伊地区碳氧同位素地层学分析[J]．西南石油大学学报：自然科学版，2014，36（3）：27–34．

Wang Qiang,Wang Xingzhi,Xu Jianliang,et al．Carbon and Oxygen Isotope Stratigraphy Research in Chashgui Area[J]．Journal of Southwest Petroleum University：Science&Technology Edition，2014，36（3）：27–34．

恰什古伊构造位于土库曼斯坦阿姆河右岸B区块中部的阿尔金—阿塞尔地区，构造上位于阿姆河盆地查尔朱断阶带。该区卡洛夫—牛津阶碳酸盐岩是天然气勘探的主要目的层段[1]。该段碳酸盐岩整体较纯，自然伽马变化特征不明显，仅根据测井曲线很难恢复古海平面变化。笔者利用该区系统采集的Cha–21井碳酸盐岩样品测定碳氧同位素数据，结合区域沉积演化研究成果，探讨该储层段海平面变化特征。

1 地质背景

阿姆河盆地位于土兰地台东南部，是在海西期褶皱基底上发育起来的中新生代盆地。盆地纵向上有基底、过渡层和地台盖层3个构造层[2]，基底主要为古生界火成岩和变质岩，埋藏深度变化很大；过渡层由二叠系—三叠系陆相碎屑岩组成，对盆地进行填平；盖层主要指侏罗系、白垩系、古近系、新近系与第四系。其中，中下侏罗统滨、浅海相含煤碎屑沉积具备优越的生烃条件和巨大的资源潜力，而其上的上侏罗统卡洛夫—牛津阶普遍发育有良好的碳酸盐岩储层，储层之上直接覆盖巨厚的上侏罗统基末利阶盐膏层。由此形成良好的生储盖组合[3]。

已有的研究成果表明，作为主要储层的卡洛夫—牛津阶岩性组合较简单：底部主要为深水斜坡灰泥沉积；中部为浅—中深海相碳酸盐岩；顶部为高伽马泥岩。该地层单元在恰什古伊地区自下而上可划分为XVI层、XVa2层、Z层、XVa1层、XVhp层和GAP层（图1）。其中，XVI层为混积沉积的致密层，主要储层分布在XVa2～XVhp层，顶部的高伽马泥岩层与上覆的基末利盐膏层为有效盖层[4]。

2 样品采集与测试方法

采集Cha–21井3 469～3 725 m岩芯样品41个，层位主要是卡洛夫—牛津阶XVhp层、XVa1层、Z层和XVa2层（图1），所取样品主要为微晶灰岩，部分为微晶颗粒灰岩、微晶生物碎屑灰岩，个别为介壳化石。为保证样品反映原始海水性质的可靠性和代表性，取样时尽量避开明显受到成岩蚀变、重结晶和方解石脉体部分。

样品经挑选后粉碎至200目，分成两份，分别作Fe、Mn、Sr微量元素分析和C、O同位素测定。C、O同位素测试在中国石油西南油气田分公司勘探开发研究院地质实验室完成，分析仪器为Finnigan公司MAT–252EM型质谱仪，分析精密度±0.20‰，标准为PDB；Sr、Mn微量元素测试在成都矿产综合利用研究所测试中心完成，仪器型号为2000DV，检测依据为JY/T05—1996《ICP广谱法》，测限0.001%，误差0.002%。上述仪器测试精度都能满足研究要求。

3 测试结果及有效性分析

由于碳酸盐岩的δ18O值易受后生成岩蚀变作用的影响，而同等条件下δ13C值受到的影响程度相对较小[5]，因此，在应用碳酸盐岩的碳、氧同位素组成进行古沉积环境研究之前，必须对成岩蚀变作用对样品的影响进行评估，剔除明显受到成岩蚀变改造的样品数据。

已有研究资料表明，δ18O低于–10.00‰，表明氧同位素原始组成可能已发生明显改变；δ18O为–5.00‰～–10.00‰，表示氧同位素较原始组成可能稍有变化，但碳同位素组成的变化不大[6-7]。

样品的Mn和Sr含量和Mn/Sr比值也是判断其对海水代表性的重要指标。Korte，et al在研究欧洲阿尔卑斯山三叠系海相灰岩同位素组成时，将Mn含量小于250×10−6的样品视为同位素地层研究好样品[8]；Kaufnan认为应用锶、碳同位素变化反演海水升降和古气候时，只有碳酸盐岩样品中Mn/Sr＜2时，其同位素组成才是有价值的[9-11]。

对所分析的41件样品进行可靠性评估，得到36件样品的有效分析数据（表1）。

表1实验数据的统计分析结果见表2、图2。将该结果与Bartolini，et al报道的古地中海卡洛夫—牛津阶海相灰岩的δ13C（3.00‰～4.50‰）和δ18O（–1.17‰～–3.00‰）[12]作比较，可以看出，50%的氧同位素实验数据较报道的数据范围偏正，说明成岩作用对氧同位素的影响比较大；而碳同位素中，除生屑微晶灰岩的值较报道结果偏小外，其余均与之匹配。因此，获取的碳同位素数据适用于同位素地层研究和古环境分析。

利用文献[13]的盐度指数（Z）计算公式[Z=2.048（δ13CPDB＋50）+0.498（δ18OPDB＋50）]计算的Z平均值变化范围为128.25～136.63（表1），均大于海水和淡水的分界标准（Z=120），反映成岩流体具有较高盐度海源水性质。

图1 阿姆河盆地恰什古伊地区Cha–21井沉积相剖面图Fig.1 The sedimentary facies cross-section of Well Cha–21 in Chashgui，the Amu-Darya Basin

表1 恰什古伊地区卡洛夫—牛津阶碳酸盐岩样品C、O同位素数据Tab.1 Carbon and oxygen isotopes in Callovian–Oxfordian carbonate rocks，Chashgui

表2 卡洛夫—牛津组碳酸盐岩碳、氧同位素分析数据统计表Tab.2 Statistics of carbon and oxygen isotope in Callovian–Oxfordian carbonate rocks，Chashgui

图2 不同类型碳酸盐岩的δ13C与δ18O值交会图Fig.2 δ13C&δ18O correlation in different carbonate rocks

4 碳氧同位素地层曲线与海平面变化

郑荣才、李玉成等分别利用碳、锶同位素在龙门山泥盆纪和在华南晚二叠世证明了碳氧同位素地层曲线演化总趋势与对应时期海平面升降变化规律基本一致，整体表现为δ13C高值区对应高海平面，低值区对应低海平面[14-17]。

由恰什古伊地区各类样品的δ13C、δ18O与深度关系图（图3）可以看出，前者与深度变化的相关性较好，后者则较差。这与前人认为碳酸盐岩碳同位素反映古海洋海平面变化比氧同位素更为有效的结论相吻合[5，18]。因此，本区卡洛夫—牛津阶同位素地层分析主要利用碳同位素进行。

纵观恰什古伊地区不同层位碳同位素地层曲线可知，该区在XVa2层至XVhp层沉积时，可划分出A、B、C、D、E等5个海平面升降阶段。

A阶段：该时段对应XVa2中上部到Z层中部，δ13C值由4.452‰下降为3.804‰，表明其沉积环境由中缓坡（灰泥为主）向斜坡（灰泥丘）演化，整体上表现为海平面相对下降，形成向上变浅的相序列。

B阶段：该时段对应Z中部到XVa1层中部，δ13C值由3.804‰增大到4.269‰，呈持续缓慢上升趋势，但波动不大，结合其岩性特征，可以看出，该时间段为中缓坡生物丘和浅滩与斜坡泥交替发育环境，沉积环境相对稳较定。

C阶段：该时段对应XVa1中上部到XVhp层中部，δ13C值由4.269‰下降至2.505‰，表明其沉积环境仍为中缓坡，但海平面呈现下降趋势。

D阶段：该时段对应XVhp中部到XVhp层上部，δ13C值由2.505‰小幅升高至3.53‰，表明其沉积环境仍为中缓坡（灰泥丘）或斜坡（泥和生物丘），对应海平面的小幅升高。

E阶段：该时间段沉积环境表现为中缓坡内的生物丘和斜坡泥，是牛津阶逐渐开始向基末利阶转变的过程，这时期δ13C值变化急剧，δ13C值由最高的3.185‰急剧减小到0.545‰，反映海平面下降速度比C阶段更快，水体更浅。

图3 恰什古伊地区碳、氧同位素与深度关系图Fig.3 Relation between depth and carbon and oxygen isotope，Chashgui Area

从上述特征可以看出，研究区卡洛夫阶海平面上升阶段的碳同位素受海平面变化控制明显，反映了海平面总体处于较高的位置，且海平面有振荡降低。沉积环境也反映了总体能量较低的中缓坡沉积环境。

5 碳同位素地层对比

将本实验分析数据研究所得海平面变化曲线与Prokoph A和Bartolini对全球同位素的最新研究成果对比[19-20]（图4），可以得出古地中海、意大利中部的C同位素曲线和土库曼阿姆河右岸卡洛夫牛津阶碳同位素地层曲线演化的总体趋势近一致，也基本与全球海平面变化曲线吻合，只是在早—中卡洛夫阶的上升期，本区未进行取样分析，但晚卡洛夫阶—牛津期下降的趋势与上述两地区极为相似，都表现出相同的波动趋势。此为阿姆河盆地恰什古依地区气田主力产层地质年代属于上侏罗统卡洛夫—牛津阶的重要证据。

图4 Cha–21井与其他地区碳同位素曲线对比图Fig.4 Correlation of carbon isotope curves of Cha–21 with other areas

6 结论

（1）各类碳酸盐岩的碳、氧稳定同位素组成是沉积作用和成岩作用叠加的结果，成岩作用已经破坏氧同位素的原始沉积信息，而碳同位素保持了原始特征，可以用于海平面升、降与古环境分析。

（2）恰什古伊地区卡洛夫—牛津阶δ13C地层曲线与古地中海、意大利中部的C同位素曲线对比表明，其同位素地层曲线演化的总体趋势近一致，与全球海平面变化曲线吻合，是该主力产层地质年代属性的重要证据。

（3）恰什古伊地区卡洛夫—牛津阶δ13C地层曲线表明，该区主力储层段沉积时期，海平面逐渐降低，XVa2中部到XVhp层顶部可以划分为5个海平面升降期。其中，XVa2中上部到Z层中部沉积期海平面逐渐降低；XVa1层中部沉积期海平面缓慢升高；XVhp层中部沉积期海平面下降；XVhp层上部沉积期海平面小幅升高；XVhp顶部沉积期海平面快速降低。由此可以将卡洛夫—牛津阶主力储层段分为3个沉积旋回。

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编辑：张云云

编辑部网址：http：//zk.swpuxb.com

Carbon and Oxygen Isotope Stratigraphy Research in Chashgui Area

Wang Qiang1，2,Wang Xingzhi1,Xu Jianliang2,Liu Bin3,Zhang Qin2
1.School of Geoscience and Technology，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China 2.Geologic Exploration&Development Research Institute，Chuanqing Drilling Engineering Co.Ltd.，CNPC，Chengdu，Sichuan 610051，China 3.CNPC（Turkmenistan）Amu Darya River Gas Company，Dongcheng，Beijing 100011，China

The effective reservoir in Chashgui Area，Turkmenistan，is Callovian–Oxfordian carbonate rocks.Since the GR curve does not varies much，it is difficult to predict the favorable reservoir distribution.Using the carbon and oxygen isotope from the 41 samples out of the core of the Well Cha-21 in Chashgui Area，combining with the data of the sedimentary evolution，this paper discusses the sea-level changes during the sedimentation of the Callovian–Oxfordian reservoirs.It is shown that the information in the oxygen isotope has been damaged，and the information in the carbon isotope has been preserved.So the carbon isotope can be used to study the isotope stratigraphy and analyze the Palaeo-environment.The calculated salinity index is 128.25～136.63，which is higher than the division standard between brine and freshwater，so the diagenetic fluid is high salinity brine.The carbon-isotope stratigraphic curve is almost consistent with the global sea-level curve，which proved that the reservoir geologic period is really Callovian–Oxfordian.According to the sea-level change curve，the main reservoirs in Callovian–Oxfordian are divided into 3 sedimentary cycles and 5 evolutionary phases.Those results fill up the blank in the isotopic stratigraphy studies，which are important significance for the in-deep understanding of the law of sedimentary evolution，and predicting the favorable blocks.

isotopestratigraphy；sedimentary cycle；Callovian–Oxfordian；Chashgui Area；Turkmenistan

http：//www.cnki.net/kcms/doi/10.11885/j.issn.1674-5086.2014.02.24.04.html