韦东晓，沈安江，王 莹，乔占峰，朱永峰

（1.中国石油勘探开发研究院杭州地质研究院，浙江杭州310023；2.中国石油碳酸盐岩储层重点实验室，浙江杭州310023；3.中国石油塔里木油田分公司，新疆库尔勒841000）

塔北地区奥陶系碳酸盐岩缝洞充填方解石的阴极发光特征及对成岩环境的指示意义

韦东晓1，2，沈安江1，2，王 莹1，2，乔占峰1，2，朱永峰3

（1.中国石油勘探开发研究院杭州地质研究院，浙江杭州310023；2.中国石油碳酸盐岩储层重点实验室，浙江杭州310023；3.中国石油塔里木油田分公司，新疆库尔勒841000）

对碳酸盐矿物和结构组分进行阴极发光分析可以直观、快捷地研究碳酸盐岩储层的成岩环境和成因。基于塔北地区奥陶系碳酸盐岩缝洞充填方解石阴极发光特征分析，结合Mn2+和Fe2+含量及流体包裹体均一温度，深入研究其对成岩环境的指示作用。结果表明：Mn2+和Fe2+含量及发光特征可大致反映成岩环境的氧化还原条件，明亮发光（Mn2+含量高）表明成岩环境为还原条件，也可能是与不发光胶结作用相关的氧化水停滞有关；昏暗—不发光表明成岩环境为氧化条件，是Mn2+趋向于被氧化为高价态而不易置换Ca2+进入晶格所致；不同产状的缝洞充填方解石发光性、Mn2+和Fe2+含量及两者比值各异，指示不同的成岩环境及充填期次，反映研究区缝洞形成及充填的复杂性和多期性。

阴极发光 缝洞充填方解石 成岩环境 奥陶系 塔北地区

对碳酸盐矿物和结构组分进行阴极发光分析可以直观、快捷地研究碳酸盐岩储层的成岩环境和成因［1-5］。塔北地区轮南、塔河、哈拉哈塘—新垦等区块的奥陶系主要发育一套碳酸盐岩缝洞型岩溶储层，多旋回构造演化过程使得不同期次、不同类型的岩溶作用叠加、改造［4-9］，导致储层非均质性较强，储集空间类型多样，组合类型复杂。目前对于塔北地区奥陶系碳酸盐岩岩溶储层成岩环境等的研究较少，并且主要集中在定性—半定量的岩石学特征、物性特征、测井特征及部分测试分析［10-14］，而对于阴极发光等单项实验分析以及对成岩环境的指示意义尚未系统总结。为此，笔者利用阴极发光测试方法，分析塔北地区奥陶系碳酸盐岩缝洞充填方解石阴极发光特征，结合Mn2+和Fe2+含量、流体包裹体均一温度，剖析碳酸盐岩成岩环境、成岩流体性质与储层发育关系，以期为研究区下步的油气勘探及部署提供参考。

1 区域地质概况

塔北隆起位于库车坳陷和北部坳陷之间，其奥陶系碳酸盐岩岩溶储层整体连片，形成了轮南油田、哈拉哈塘—新垦油田、英买力油田等富油气区，是塔里木盆地碳酸盐岩原油增储上产的主力地区。研究区奥陶系自下而上为：下奥陶统蓬莱坝组、中—下奥陶统鹰山组、中奥陶统一间房组以及上奥陶统吐木休克组、良里塔格组和桑塔木组。岩性以灰岩为主，蓬莱坝组和鹰山组3—4段为白云岩和灰质云岩，吐木休克组和桑塔木组见少量泥岩。塔北地区自早奥陶世蓬莱坝组沉积时期至晚奥陶世桑塔木组沉积时期经历了半局限台地相—开阔台地相—混积浅水陆棚相的沉积演化过程。

2 样品来源及实验方法

实验样品主要取自塔北地区完钻的26口井一间房组及鹰山组一段，少量为良里塔格组及吐木休克组，共计77件。按缝洞充填方解石的充填产状进行分类，其中不规则缝洞充填方解石22件，洞穴充填方解石10件，构造裂缝充填方解石29件，溶蚀孔洞充填方解石16件，并对所取样品在显微镜下进行鉴定，以确保样品的可靠性和代表性。阴极发光测试在中国石油碳酸盐岩储层重点实验室完成，样品为标准光薄片，仪器型号为CL8200-MK5阴极发光仪，检测依据为SY/T 5916—2013［15］，实验条件主要包括：温度为25℃，湿度为45%，实验真空度为0.3 Pa，束电压为13 kV，束电流为340μA。

3 阴极发光特征及成岩环境指示意义

在实验条件下，塔北地区奥陶系缝洞充填方解石具有不同强度的阴极发光性，从弱到强分为不发光、暗棕褐色光、中暗桔黄色光、中等桔黄色光和明亮桔黄色光5个等级。如YM101井鹰山组埋深5 815.3m处裂缝中充填的巨晶方解石发暗棕褐色光（图1a），流体包裹体均一温度为187℃，部分顺解理缝发育的变余脉发中暗桔黄色光；YM2-3井一间房组埋深5 894.8m处裂缝方解石脉发中暗—中等桔黄色光（图1b），流体包裹体均一温度为110℃；YM11井一间房组埋深5 728.2m处裂缝方解石脉发中等桔黄色光（图1c），流体包裹体均一温度为124℃；Xiang3井一间房组埋深6 154.0m处发育2期方解石脉，第1期发中暗桔黄色光，第2期发明亮桔黄色光（图1d），流体包裹体均一温度有2期，分别为154和164℃，为晚期埋藏岩溶所形成。

图1 塔北地区奥陶系缝洞充填方解石阴极发光特征Fig.1 Cathodoluminescence features of the calcite filling in Ordovician carbonate fractured-vuggy reservoir，Northern Tarim Basin

碳酸盐矿物中的微量元素对阴极发光性有明显影响，Mn2+一般作为发光最主要的激活剂，而Fe2+则作为最主要的猝灭剂［1，16］。方解石胶结物的阴极发光性主要受其Mn2+和Fe2+含量及Mn2+/Fe2+值的控制，随着矿物中Mn2+和Fe2+含量和Mn2+/Fe2+值的变化，碳酸盐矿物在阴极射线下呈现出不同的颜色和亮度，但总体上Mn2+/Fe2+值起主导作用。一般而言，缝洞充填方解石中的碳酸盐矿物要发光，Mn2+含量须大于0.01%，Fe2+含量至少在0.8%以下，Mn2+/Fe2+值应大于0.05。

研究区奥陶系碳酸盐岩不同产状方解石Mn2+和Fe2+含量交会与阴极发光相关性分析结果（图2）表明：当碳酸盐矿物中不含Mn2+且Fe2+也很少时，或Mn2+/Fe2+值为0.05～0.2，不发光；当Mn2+/Fe2+值为0.2～2时，发光强度昏暗，颜色为棕褐色，反映氧化成岩环境，是由于Mn2+趋向于被氧化为高价态而不易置换Ca2+进入晶格所致；当Mn2+/Fe2+值为2～10时，发光强度中暗，颜色为桔黄色，反映弱氧化成岩环境；当Mn2+/Fe2+值大于10且Mn2+含量大于0.04%时，发光强度中等，颜色为桔黄色，反映弱还原成岩环境；当Mn2+含量大于0.04%时，Mn2+含量为阴极发光的主要控制因素，表现为发明亮桔黄色光，高Mn2+含量反映成岩环境为还原条件，也可能与不发光胶结作用相关的氧化水的停滞有关。

图2 塔北地区奥陶系碳酸盐岩不同产状方解石Mn2+和Fe2+含量交会与阴极发光相关性Fig.2 Relationship between the contentsofMn2+and Fe2+and the cathodoluminescence features of different kinds of calcite filling in the Ordovician carbonate fracturedvuggy reservoir，Northern Tarim Basin

研究区不同产状方解石中Mn2+和Fe2+含量与阴极发光特征存在一定的规律性。

第一，粒间胶结方解石的阴极发光性主要发暗棕褐色光—不发光，如YM3井鹰山组埋深6 412.6m处岩心砂屑发极暗棕褐色光，粒间胶结方解石不发光（图3a）。此类方解石中的Mn2+和Fe2+含量均小于0.04%，Mn2+/Fe2+值小于0.2的样品占65.5%，Mn2+/ Fe2+值为0.2～2的样品占20.7%（图2），表明为大气淡水成岩环境下形成的，岩石薄片中也部分见示底构造及新月形胶结等大气淡水成因特征。少量样品发育晚期埋藏胶结物，呈环带状明亮发光，均为第2到第3世代胶结方解石，如XK1和YW2井。

图3 不同产状方解石阴极发光特征Fig.3 Cathodoluminescence features of different kinds of calcite

第二，溶蚀孔洞充填方解石阴极发光性主要为不发光—暗棕褐色光，如YM203井一间房组埋深6 091.7m处岩心为砂屑灰岩，溶蚀孔洞不发光（图3b）。此类方解石的Mn2+含量多小于0.04%，Fe2+含量也基本在0.05%以下，Mn2+/Fe2+值小于0.2的样品占71.9%，Mn2+/Fe2+值为0.2～2的样品占25%（图2），表明为弱氧化—还原成岩环境。少量样品表现出环带状中暗—中等桔黄色光，反映晚期受到埋藏还原流体的改造，并且主要集中在良里塔格组。

第三，构造裂缝及不规则缝洞充填方解石的阴极发光较为丰富，5个等级均有，反映出裂缝形成的多期性，总体上与研究区的构造演化有关。Mn2+和Fe2+含量及Mn2+/Fe2+值变化较大（图2）。YM101井良里塔格组埋深5 471.25m处岩心，岩石学上鉴定为热液产物，其构造裂缝充填的方解石脉表现为中等桔黄色阴极发光特征（图3c），Mn2+含量大于0.04%，为还原环境成岩产物。Xiang3井良里塔格组埋深5 965.24m处岩心位于良里塔格组顶部，为不规则缝洞方解石脉，经岩心观察判定为大气水暴露形成的溶缝，阴极发光下表现出2期，靠近裂缝壁为暗棕褐色光—不发光，为氧化成岩环境产物；而在裂缝中央则发中暗桔黄色光（图3d），为弱氧化成岩环境产物。从电子探针资料来看，YM101井埋深5 471.25m处岩心构造裂缝充填为巨晶方解石脉，其Mn2+含量为0.003%～0.023%，Mn2+/Fe2+值为0.101～0.176。与此相比，YM202井一间房组埋深5 854.93m处岩心为不规则缝洞充填方解石，阴极发光更为明亮，Mn2+含量为0～0.03%，而Mn2+/Fe2+值为0～10.8。其Mn2+含量更高，还原条件更强，并且起主导作用的Mn2+/Fe2+值也较大。这主要是因为在暴露期氧化环境条件下，裂缝壁胶结充填Mn2+含量较低的暗色发光方解石；在随后的埋藏期，成岩流体停滞，导致成岩环境向还原条件转变，从而由裂缝壁向中央阴极发光逐渐明亮。且从明亮程度来看，良里塔格组经历了更长时间的暴露，向还原环境的转变相对更缓慢。

第四，洞穴充填方解石的阴极发光较为丰富，从不发光、暗棕褐色光、中暗桔黄色光、中等桔黄色光到明亮桔黄色光都有，反映出洞穴充填的复杂性和多期性。Mn2+和Fe2+含量及Mn2+/Fe2+值变化较大（图2）。分析认为，YM201井鹰山组埋深5 845.0m处岩心为热液产物，薄片下可见重晶石发育，原岩重结晶强烈，Mn2+和Fe2+含量均大于0.04%，且Mn2+/ Fe2+值小于10，表现出明亮发光特征（图3e），表明为还原成岩环境。YM101井鹰山组埋深5 815.3m处岩心为洞穴充填巨晶方解石，表现出暗棕褐色光—不发光的特征（图3f），Mn2+和Fe2+含量均小于0.04%，应为弱氧化—还原环境特征，且研究区洞穴充填方解石多数表现为该特征。

此外，通过研究发现不同阴极发光性与方解石流体包裹体均一温度存在一定的相关性。统计结果显示：发暗棕褐色光的方解石流体包裹体均一温度主要为60～90和150～190℃，发中暗桔黄色光的温度为90～130℃，发中等桔黄色光的温度为120～150℃，发明亮桔黄色光的温度为140～200℃。总体来说，研究区阴极发光主要为发暗棕褐色光、中暗桔黄色光和中等桔黄色光，结合流体包裹体均一温度、塔北南缘奥陶系层间岩溶发育区［5］成岩序列与流体包裹体均一温度的关系（图4），认为研究区奥陶系流体包裹体为晚期次生进入岩溶缝洞方解石晶体中，可推测起主导的岩溶作用发生于中晚加里东期以及早海西期。

图4 塔北南缘奥陶系成岩序列与流体包裹体均一温度的关系Fig.4 Relationship between diagenesis history and fluid inclusion homogenization temperature in the south slop of Northern Tarim Basin

4 结论

Mn2+和Fe2+含量及发光特征可大致反映成岩环境的氧化还原条件。明亮发光（Mn2+含量高）表明成岩环境为还原条件，也可能是与不发光胶结作用相关的氧化水的停滞有关。昏暗—不发光表明成岩环境为氧化条件，是Mn2+趋向于被氧化为高价态而不易置换Ca2+进入晶格所致。

粒间胶结方解石主要发暗棕褐色光—不发光，Mn2+和Fe2+含量均小于0.04%，Mn2+/Fe2+值小于0.2的样品占65.5%，表明为大气淡水成岩环境下形成的；溶蚀孔洞充填方解石阴极发光性主要为不发光—发暗棕褐色光，Mn2+含量多小于0.04%，Fe2+含量也在0.05%以下，Mn2+/Fe2+值小于0.2的样品占71.9%，表明为弱氧化—还原成岩环境；构造裂缝、不规则缝洞及洞穴充填方解石的阴极发光较为丰富，从不发光、暗棕褐色光、中暗桔黄色光、中等桔黄色光到明亮桔黄色光都有，反映裂缝形成的多期性，Mn2+和Fe2+含量及Mn2+/Fe2+值变化较大，总体上与研究区构造演化有关，反映裂缝及洞穴充填的复杂性和多期性。

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编辑 常迎梅

Cathodoluminescence features of the calcite filling in the Ordovician carbonate fractured-vuggy reservoir and its significance to instructions of diagenetic environment in Northern Tarim Basin

WeiDongxiao1，2，Shen Anjiang1，2，Wang Ying1，2，Qiao Zhanfeng1，2，Zhu Yongfeng3

（1.Hangzhou Research Institute of Geology，Petro China Research Institute of Petroleum Exploration&Development，Hangzhou City，Zhejiang Province，310023，China；2.Key Laboratory of Carbonate Reservoir，Petro China，Hangzhou City，Zhejiang Province，310023，China；3.Petro China Tarim Oilfield Company，Korla，Xinjiang，841000，China）

Cathodoluminescence analysis of the carbonate mineral composition and structure is one of the most effective technical methods to research visually and quickly on carbonate reservoir diagenesis environment and its genesis.In this paper，cathodoluminescence features of calcite，filling in Ordovician carbonate fractured-vuggy reservoir，was analyzed further to instruct its diagenetic environment combined with the analysisof Fe-Mn-Sr trace elements and the homogenization temperature of fluid inclusion.Studies have shown that the content of Mn2+and Fe2+and cathodoluminescence characteristics largely reflects the diagenetic environment under oxidation-reduction conditions.Brightglow（high Mn2+）suggests the diagenetic environment was under reducing conditions，or it may be related to the stagnant oxide water connected with nonluminance cementation.Dark or non-luminescence suggests the diagenetic environment was under the conditions of oxidation when Mn2+tended to be oxidized to higher state and difficult to replace Ca2+and get into the lattice.The luminance of calcite filling in different typical fractured-vuggy reservoir，combined with the content and ratio ofMn2+and Fe2+，could be used to indicate different diagenetic environment and filling period which show the complexity and multiple phases of thefractured-vuggy forming and filling in the study area.

cathodoluminescence；calcite filling in fractured-vuggy reservoir；diagenetic environment；Ordovician；Northern Tarim Basin

TE112.2

A

1009-9603（2015）04-0054-05

2015-05-07。

韦东晓（1981—），女，浙江东阳人，工程师，从事碳酸盐岩实验测试分析工作。联系电话：（0571）85224995，E-mail：weidongxiao123@126.com。

国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”（2011ZX05004-002）。