郭春涛，李德武，陈树民

(1.山西大同大学 建筑与测绘工程学院，山西 大同 037003；2.中国石油天然气集团公司 大庆油田人才开发院，黑龙江 大庆 163453；3.中国石油天然气集团公司 大庆油田有限责任公司，黑龙江 大庆 163453)

塔里木盆地古城地区上寒武统白云岩稀土元素地球化学特征及成因模式

郭春涛1,2，李德武3，陈树民3

(1.山西大同大学 建筑与测绘工程学院，山西 大同 037003；2.中国石油天然气集团公司 大庆油田人才开发院，黑龙江 大庆 163453；3.中国石油天然气集团公司 大庆油田有限责任公司，黑龙江 大庆 163453)

塔里木盆地古城地区特殊的沉积构造演化，预示着其白云岩的形成可能有其特殊性。以古城构造带上寒武统白云岩为研究对象，在岩心、薄片、沉积环境分析的基础上，对各类结晶白云岩及缝洞白云石、方解石充填物进行了稀土元素地球化学特征分析。结果表明，各类白云岩及缝洞充填物稀土元素NASC配分模式共分为4种类型：δCe负异常δEu弱正异常型、δEu负异常型、δEu正异常型和δCe正异常型。详解白云岩及缝洞充填物的成因，蒸发泵作用是古城地区白云岩的主要成因类型，热液作用也非常显著，而埋藏作用和混合水作用影响较小。此外，所有测试的缝洞充填物都是在混合水环境和热液环境中形成的，蒸发作用和埋藏作用并没有形成明显的充填物，这可能对寻找有利的白云岩储层有一定的借鉴意义。

白云岩；稀土元素；上寒武统；古城地区；塔里木盆地

寒武—奥陶系白云岩是塔里木盆地重要的油气勘探对象，并相继在塔北、塔中取得重大发现。近年来，塔东古城地区的古城6井在中—下奥陶统白云岩中获得高产气流，是塔里木盆地下古生界内幕白云岩的首个重大战略突破[1]。之后，相继在古城8、古城9井白云岩层获得高产气流[2]，展现了古城地区乃至塔东地区寒武—奥陶系白云岩良好的勘探潜力。然而白云岩储层的成因及展布一直是勘探的难点。

前人对塔里木盆地塔中、巴楚、塔东、柯坪等地区白云岩成因做了大量工作，提出了多种白云岩成因模式，包括蒸发泵、回流渗透、混合水、埋藏、热液作用、微生物作用模式等[3-17]。然而相比其他地区，古城地区自有其特殊性：(1)构造上，古城地区更靠近塔东南推覆体和阿尔金造山带，古城2、古城3井奥陶系、寒武系钻遇浅灰绿色黑云母绿泥石片岩、肉红色大理岩和含砂大理岩，预示着加里东中晚期造山作用及之后的调整带来的区域变质作用；(2)沉积上，寒武纪古城地区位于台地相向斜坡—盆地相的过渡带，近距离的满加尔凹陷沉积有数千米的粉—细砂岩和泥页岩，包括玉尔吐斯组、肖尔布拉克组、阿瓦塔格组等盆地相，鹰山组、一间房组、却尔却克组等浊流盆地相，可能为其提供白云化流体；(3)与塔北、塔中、巴楚、柯坪相比，古城地区远离二叠系大火成岩省的分布范围[18]，该期热液作用相对较弱。不同的沉积、构造演化、地层展布特征，预示着古城地区白云岩的形成可能有其特殊性。

本文基于塔里木盆地塔东低凸起古城构造带上寒武统白云岩的岩石学观测，以岩心、薄片、沉积环境为基础，详细分析了古城地区上寒武统白云岩的结构特征，通过全岩和微区稀土元素特征研究，探讨了白云化流体的来源和性质，丰富了对白云岩成因和形成环境的认识，为古城地区寒武系白云岩储层预测和勘探部署提供了坚实的地质依据。

1 地质背景

塔里木盆地位于中国西北部，塔东低凸起位于其东南部(图1a)，古城构造带位于塔东低凸起最西段，西南以塔中Ⅰ号断裂与塔中低凸起相邻，北部与满加尔凹陷相接，南与塘古凹陷、东南坳陷相望，东部以寒武—奥陶纪坡折带与塔南隆起相连(图1b)，构造上为北西倾的下古生界大型宽缓鼻状隆起[1]。古城构造带内部被北东向断层分割为3个单元，中部为宽缓的鼻状构造，被北东向断裂进一步复杂化，北部为稳定断块，南部受车尔臣逆冲断裂控制，发育众多逆断层，构造变形强烈，并在古城2、古城3井寒武系钻遇变质岩。

地层上，古城地区发育较完整的寒武—奥陶系(图1c)。古城地区仅有城探1井以寒武系为目的层，但所有井均未钻穿寒武系，岩性以丘滩体、泥晶灰岩、砂屑灰岩、含灰(灰质)白云岩为主。奥陶系发育蓬莱坝组、鹰山组、一间房组、土木休克组和却尔却克组。蓬莱坝组以含灰(灰质)白云岩、致密灰岩为主；鹰山组上部以泥晶灰岩、亮晶砂屑灰岩为主，下部以砂屑灰岩、泥晶灰岩、含灰(灰质)白云岩为主[3]；一间房组、土木休克组以砂屑灰岩、藻鲕灰岩、泥晶灰岩、生屑灰岩为主；而却尔却克组以粉砂岩、泥岩等细碎屑岩为主。与塔中、塔北、柯坪地区相比，古城地层缺失志留系、泥盆系、二叠系，石炭系发育不全，奥陶系内部不发育明显区域不整合。

区域构造活动研究表明，塔里木盆地震旦纪—早奥陶世总体表现为拉张、伸展的构造环境，中—晚奥陶世开始出现挤压背景[19-20]。寒武纪—早中奥陶世古城地区与塔中、塔北为统一的碳酸盐岩台地[20-21]，主要发育局限台地、半局限台地、开阔台地、台地边缘、台缘斜坡等沉积环境。中—晚奥陶世早期受加里东运动的影响，塔中地区鹰山组遭受剥蚀，而古城地区则海平面迅速上升，发育淹没台地、陆棚、斜坡等沉积环境。晚奥陶世海平面继续上升，沉积了3000多m的却尔却克组细碎屑岩，代表了超补偿的斜坡、盆地环境。而整个古城地区，上奥陶统却尔却克组与下石炭统巴楚组呈角度不整合接触。

图1 塔里木盆地古城地区位置简图及典型井上寒武统柱状图

2 岩石学特征

古城地区最深的井——城探1井仅钻遇台缘礁滩体，并没有钻穿上寒武统。对5口井151个薄片进行仔细鉴定，23.8%为灰岩，66.2%为灰质(含灰)白云岩、白云岩，9.9%为硅质岩、硅质(化)白云岩、硅质(化)灰岩。纯的白云岩较少，以灰质(含灰)白云岩为主，说明白云化作用不彻底。白云岩主要为结晶白云岩，很小部分为颗粒白云岩和微生物白云岩[22]。结晶白云岩按照晶体结构特征可划分为泥—粉晶白云岩、细晶白云岩、中晶白云岩、粗晶白云岩，然后可按照晶体自形程度、表面干净与否等特征进一步细分。

2.1泥—粉晶白云岩

此类白云岩在古城地区分布较少，包括泥晶白云岩、粉晶白云岩，占比10%左右。晶体颗粒较小(图2a)，自形程度普遍较差，白云石多呈半自形、他形，晶面平直，晶粒多呈镶嵌状分布，晶体较干净，部分具纹层结构。镜下可见缝合线、构造缝、溶蚀缝洞孔，缝洞中见粗大白云石、方解石充填。部分样品镜下可见少量亮晶颗粒白云岩，部分颗粒被硅化。阴极发光显微镜下呈弱发光或暗红色发光。

2.2细晶白云岩

此类白云岩是古城地区的主要白云岩类型，岩心上以浅灰色或灰色中薄层状产出，包括细晶白云岩、细—粉晶白云岩(图2b-c)，占比30%左右。晶形以他形、半自形为主(图2b)，晶粒间凹凸接触、镶嵌接触，岩性较致密，部分具纹层结构(图2c)。岩石中缝合线、构造缝发育，部分被沥青质充填。岩石孔隙发育较差，主要为被粗大白云石充填的残余孔、晶间孔、构造缝，以及白云石晶间溶孔。部分样品镜下见颗粒被硅化，或者硅质充填。

2.3中晶白云岩

此类白云岩在古城地区分布较少，占比低于20%，岩心上以呈透镜状、条带状或中薄层状产出。晶体以他形、半自形为主(图2d-e)，部分具波状消光。晶粒间凹凸接触、镶嵌接触均见(图2d)，结构均一。部分孔洞内见较粗大白云石局部富集。岩石孔隙发育一般，主要为白云石晶间孔、构造缝(图2d-e)。部分岩石具硅化，局部见石英晶体富集。部分晶粒见雾心亮边结构(图2e)。阴极发光显微镜下呈弱发光、暗红色—红色发光。

2.4粗晶白云岩

此类白云岩是古城地区的主要白云岩类型，占比40%左右，包括粗晶白云岩、粗—中晶白云岩、鞍形白云岩(图2f-i)。此类白云岩形成时温度高，晶形以曲面、半自形、自形为主(图2g)，具波状消光，晶粒多呈镶嵌状分布。部分样品镜下孔隙发育，晶间孔、溶蚀孔洞、构造裂缝、缝合线均可见(图2f)。部分岩石被硅化(图2h)，局部见粗大的石英呈晶簇状富集。部分见洁净明亮型特征(图2g)。阴极发光显微镜下呈斑状发光、暗红色—红色发光。

3 样品与实验

本文测试主要针对古城地区寒武系的白云岩(表1)。样品的选择基于详细的岩心观测及薄片鉴定，挑选受成岩作用影响小、没有溶蚀迹象、无明显裂缝、白云质纯度高的样品，避开受铁/锰等矿物、硅质矿物、磷酸盐黏土等影响的区域/样品。样品测试由成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室完成。同时为了便于对比，在显微镜下精选部分样品，对缝洞充填物(主要是方解石、白云石)利用牙钻进行微区取样，以便进行基质和缝洞白云石、方解石对比测试，另外选取部分热液改造强烈的硅化白云岩样品。部分样品泥质含量较高，导致稀土总含量高出2个数量级，在分析的时候将其剔除，如古城2、古城8部分样品。

4 白云岩稀土元素地球化学特征

4.1REE总量

稀土元素(REE)总量可以反映流体来源信息。各类白云岩及缝洞白云石、方解石稀土总质量分数为1.002～～9.464 μg/g，87%的样品小于6.0 μg/g，平均为3.617 μg/g，投点大多位于图左侧(图3a)。在所测样品中，各类样品REE总量均非常低(图3a)，远低于NASC的平均值，表明研究区碳酸盐岩无论是沉积过程还是后期成岩过程中，基本都不受陆源物质的影响，白云岩稀土元素的差异反映了古海水和成岩过程中白云化流体的共同作用。

4.2LREE和HREE

轻稀土(LREE)、重稀土(HREE)含量及其比值是稀土元素地球化学的重要参数，可以反映稀土元素的分异特征。不同类型碳酸盐岩样品轻重稀土富集不同，总体上LREE、HREE含量线性关系较差(图3b)，说明其经历的沉积和成岩环境具有显著差异，白云化过程可能有多种类型。所有样品轻重稀土含量均较小(图3b)，其中结晶白云岩轻稀土总质量分数为0.903～7.207 μg/g，平均为2.884 μg/g；重稀土总质量分数为0.094～0.536 μg/g，平均为0.235 μg/g。缝洞白云石、方解石轻稀土总质量分数为2.420～8.994 μg/g，平均为4.481 μg/g；重稀土总质量分数为0.153～0.874 μg/g，平均为0.338 μg/g。缝洞充填物在LREE-HREE图投点与结晶白云岩相似，说明两者形成于相似的白云化过程中。

表1 古城地区上寒武统白云岩样品岩性和描述

ΣLREE/ΣHREE值在一定程度上能够反映样品的轻重稀土分馏程度。各类结晶白云岩轻重稀土比为7.1～18.8，平均为12.4；缝洞白云石、方解石轻重稀土比为6.8～27.6，平均为15.6(图3a)。均与塔东地区奥陶系—寒武系泥晶灰岩轻重稀土比相似[3-4]，说明白云化过程中轻重稀土分馏程度差异较小，轻重稀土具有较好的协同迁移性。

4.3δCe和δEu

Ce和Eu在不同的成岩环境中有不同的性质，从而能够提供成岩环境方面的信息。各类样品Ce和Eu变化范围较大(图4c)。缝洞充填物δCe为0.663～1.256，平均为0.912，表现出负异常—正异常特征；晶粒白云岩δCe为0.704～1.254，平均为0.888，表现出负异常—正异常特征(图3c)。

缝洞充填物δEu为1.270～4.293，平均为2.056，均表现为正异常特征。晶粒白云岩δEu为0.684～4.991，平均为1.410，表现出负异常—正异常特征。综合δCe、δEu特征，可将所有样品分为3个区间，反映研究区白云岩的成因可能有多种类型(图3c)。

4.4REE配分模式

以北美页岩(NASC)为标准，将古城地区上寒武统白云岩及缝洞充填物稀土元素标准化后，其配分模式可分为4类(图4)。

(1)δCe负正异常、δEu弱正异常型(图4a)。部分样品δEu值为1.027～1.269，平均为1.132，δCe值为0.766～0.953，平均为0.855，显示出δCe负异常、δEu弱正异常的特征。

(2)δEu负异常型(图4b)。部分样品δEu值为0.684～0.924，平均为0.828，δCe值为0.832～1.020，平均为0.891，显示出δCe负异常、δEu负异常的特征。

(3)δEu正异常型(图4c-d)。部分结晶白云岩、缝洞充填物δEu值为1.246～4.991，平均为2.361，δCe值为0.663～0.894，平均为0.774，显示出δCe负异常、δEu正异常的特征。进一步分析此类样品发现，不同样品间δNd、(La/Yb)n差异明显(图4c)，因此可根据δNd、(La/Yb)n特征，将该类样品进一步分为2个亚类(图4c-d)。

(4)δCe正异常型(图4e)。部分白云岩、缝洞充填物δCe值为1.152～1.256，平均为1.207，δEu值为0.954～1.665，平均为1.315，显示出δCe正异常、δEu正异常的特征。

5 稀土元素对白云岩成因的指示

稀土元素常常作为白云岩地球化学过程的示踪剂。特别是变价元素Ce和Eu，容易随物理化学条件的变化而与稀土元素分离呈现出异常特征，能有效指示沉积物形成时的氧化还原状态[23]。其中，Ce常与其他三价元素发生分馏，在氧化条件下，常使成岩流体呈现出Ce负异常特征[24-26]。而对于元素Eu，在高温条件下，Eu2+优先进入矿物晶格，呈现Eu正异常[24-26]，而在低温碱性环境中，Eu则呈现负异常。

图3 塔里木盆地古城地区上寒武统白云岩及缝洞充填物稀土元素特征

图4 塔里木盆地古城地区上寒武统白云岩及缝洞充填物稀土元素NASC标准化配分模式

通过对REE组成、配分模式、特征参数等的分析，可以揭示白云岩形成环境和白云化流体特征。近几年，众多学者将稀土元素运用到相关盆地的白云岩分析中[5-7,27-28]，取得了良好的效果。依据不同的REE组成、配分模式、特征参数等，可将本文所测样品划分为4类，可能对应于4种成岩流体环境。

5.1蒸发环境

早古生代早期塔里木盆地位于南半球热带地区，寒武纪—奥陶纪持续向赤道附近漂移[29]。上寒武统沉积环境总体为浅水台地，频繁的暴露和干热的气候极易形成蒸发泵模式的白云岩，其δCe呈负异常特征[5-6]。蒸发环境下，由于温度低、盐度高、埋藏浅、结晶速度快，形成的白云岩多以泥—粉晶、细晶为主，晶形以他形、半自形为主。

图4a样品δCe值为0.766～0.953，弱—中等负异常，白云岩以泥—粉晶、细晶为主，晶体自形程度差，说明成岩流体为同期蒸发海水，白云化过程可能是在一种较弱的氧化环境中进行。古城地区上寒武统白云岩δCe负异常与塔里木盆地其他地区蒸发泵成因白云岩相似[5-6]，也说明其可能是蒸发泵产物。

图4a样品δEu值为1.027～1.269，无异常—弱正异常，表明部分样品可能受到后期热液白云化的改造，使白云岩晶体粒度变大。此外，除了图4e样品外的所有样品均具有一定程度的δCe负异常，表明蒸发泵模式是上寒武统白云岩的主要成因。

5.2埋藏环境

图4b样品具有相似的微右倾稀土元素配分模式，与塔东地区寒武系灰岩稀土配分曲线形态[4]大致相似，表明白云化流体与海水相关。较脏的晶面、雾心亮边特征、他形晶体、δEu负异常、δCe负异常、呈弱发光至暗红色—红色发光，表明蒸发泵作用形成的细粒白云岩又进一步受到低温碱性还原环境的改造，可进一步推测其为蒸发泵、埋藏双重成因。后期白云化流体可能为盆内蒸发岩间封存的海源性流体，这些流体通过断层、渗透层向上运移使上寒武统白云岩化[8,30]。随着埋藏深度加大、白云岩化时间加长，白云石晶体粒度逐渐变粗。

5.3热液环境

还原性的酸性热液常以显著的δEu正异常为特征[24]，因此δEu正异常是判别白云岩是否受热液改造的重要依据。图4c和图4d样品REE配分模式均表现为明显的δEu正异常，且与塔里木盆地古生代热液白云石[3-6,9]、典型的海相高温热液沉积岩[31]配分模式相似，表明这些样品可能形成于热液环境。同时，这些样品中发育众多热液白云岩的典型岩石学特征，如残余灰质成分、横向不连续、热液矿物、晶粒粗大、鞍形白云石(图2i)、波状消光、曲面—他形晶等，进一步佐证了上述结论。

对比图4c和图4d，两者存在一定差别。图4c样品稀土元素(La/Yb)n平均为0.856，表明轻稀土亏损、重稀土富集，曲线左倾，δNd平均为2.242，呈正异常。而图4d样品稀土元素(La/Yb)n平均为1.591，表明轻稀土富集、重稀土亏损，曲线右倾，δNd平均为0.751，呈负异常。这些差异说明两者的白云化流体和过程可能不同。据此推测，研究区可能存在两期热液或同一期热液有不同的演化阶段[3,30]，其都对上寒武统白云化起到了显著作用。

此外，大部分样品均呈现δEu正异常特征，表明大部分样品均形成于热液环境，或经受热液改造。热液白云化也是主要的白云岩成因。

5.4混合水环境

部分样品δCe值呈正异常(图4e)，反映可能受到陆源碎屑或大气淡水的影响[32]，从而导致成岩流体中的Ce4+优先进入到碳酸盐矿物晶格中，使得δCe呈正异常。而所有样品的REE总含量均非常低，说明样品基本不受陆源碎屑的影响，因此，δCe正异常可能主要是由大气淡水与海水混合造成，这些白云岩的成岩流体正是大气淡水和海水的混合水。实际上，上寒武统表生溶蚀作用还是比较强烈的，不论是宏观还是微观，均能发现大量的溶蚀证据：(1)岩心和镜下均能看到大量的溶蚀特征(图5a-e)；(2)部分岩心发育溶洞，被深灰色泥岩充填，泥岩边缘可见黄铁矿，反映暴露环境(图5e)；(3)洁净明亮的镜下特征多是淡水溶蚀的证据(图5d)；(4)钻井记录显示，研究区南部古城2、古城3井下奥陶统与寒武系之间为不整合接触；(5)在柯坪地区寒武—奥陶系露头，下奥陶统与寒武系之间为平行不整合接触，表明该时期盆地范围内海平面大幅下降；(6)古城7井上寒武统发育一套特殊的角砾岩，角砾棱角分明、大小混杂、成分类型多样，角砾成分为泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，可能为大气水溶蚀作用的溶蚀缝洞角砾岩。

此外，图4e样品还表现出δEu正异常特征，表明早期由混合白云化作用形成的白云岩，部分后期又受到热液作用的改造。

综上所述，古城地区上寒武统白云岩的成因比较复杂，蒸发白云化是主要成因，同时还有部分的混合白云化作用。各种原岩深埋之后，部分又遭受了埋藏白云化和(或)热液白云化的改造。同时，对比所有样品(图4)，缝洞充填物主要是在表生环境和热液环境形成的，蒸发作用和埋藏作用并没有形成明显的充填物，这可能对寻找有利的白云岩储层有一定的借鉴意义。

图5 塔里木盆地古城地区上寒武统表生溶蚀特征

6 结论

(1)根据稀土元素配分特征，塔里木盆地古城地区上寒武统白云岩可分为4种类型：δCe负异常δEu弱正异常型、δEu负异常型、δEu正异常型、δCe正异常型。

(2)古城地区上寒武统白云岩的成因多样，包括蒸发泵白云化、埋藏白云化、热液白云化、混合水白云化。第一种类型白云岩晶粒较细，呈现明显的负δCe特征；第二种类型白云岩晶粒较粗，呈现明显的负δEu型特征；第三种类型白云岩晶粒也较粗，呈现明显的正δEu型特征；第四种类型呈明显的δCe正异常特征。同时，早期形成的白云岩后期可能会受到其他白云化流体的改造，使白云岩晶体粒度变粗。

(3)蒸发作用是古城地区白云岩的主要成因，热液作用也非常显著，而埋藏作用和混合水作用影响相对较小。

(4)古城地区上寒武统白云岩缝洞充填物主要是在表生环境和热液环境中形成的。

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(编辑韩 彧)

GeochemicalcharacteristicsandgeneticmodelofrareearthelementsintheUpperCambriandolomitesinGuchengarea,TarimBasin

Guo Chuntao1,2, Li Dewu3, Chen Shumin3

(1.CollegeofArchitectureandSurveyingEngineering,ShanxiDatongUniversity,Datong,Shanxi037003,China; 2.DaqingOilfieldPersonnelDevelopmentInstitute,CNPC,Daqing,Heilongjiang163453,China; 3.DaqingOilfieldCompany,CNPC,Daqing,Heilongjiang163453,China)

The special sedimentary and tectonic evolution in Gucheng area of the Tarim Basin indicated that dolomite formation might be unique. The REE geochemical characteristics of various kinds of crystalline dolomites and cave fillings were analyzed based on thin sections, cores and sedimentary environment analyses. The results showed that the NASC normalized REE distribution patterns of samples can be divided into four types: negative anomalyδCe and weak positive anomalyδEu, negative anomalyδEu, positive anomalyδEu, and positive anomalyδCe. Further studies showed that the main origin of dolomites was the evaporation pump model, and the hydrothermal environment was also important, while the influence of mixed water and burial dolomitization was relatively smaller. In addition, all the cave filling samples were formed in a mixed water and hydrothermal environment, while the evaporation pump and burial dolomitization did not form any filling samples, which might be helpful to find dolomite reservoirs.

dolomite; rare earth element; Upper Cambrian; Gucheng area; Tarim Basin

1001-6112(2017)05-0666-09

10.11781/sysydz201705666

P595

：A

2017-03-27；

：2017-07-01。

郭春涛(1981—)，男，博士，从事沉积学研究。E-mail: xinylx521@163.com。

国家科技重大专项(2011ZX05008-003)资助。