矿物流体包裹体分析及其在石油地质研究中的应用.doc

收稿日期20040613 基金项目中国石油天然气总公司“九五”科技工程项目970206 作者简介朱炎铭19632,男,江苏省丹阳市人,教授,工学博士,从事煤、油气资源评价、资源勘探、能源沉积盆地等方面的研究. 第34卷第2期 中国矿业大学学报 V o l .34N o .22005年3月 Jou rnal of Ch ina U n iversity of M in ing 古地热场;生烃史;古生界烃源岩中图分类号P 618.13 文献标识码A F lu id Inclu si on A nalysis and Its A pp licati on in Petro leum Geo logical Study ZHU Yan 2m ing ,Q I N Yong ,W AN G M eng ,YAN B ao 2zhen Schoo l of M ineral R esou rce and Earth Science ,Ch ina U n iversity of M in ing p alaeogeo therm ics field ;hydrocarbon 2generati on h isto ry ;Paleozo ic sou rce rock s 矿物流体包裹体作为一种研究方法,起初主要被应用于矿床学的研究.自M array 1957在自生石英中发现了较大的油气包裹体[1],特别是70年代以来,随着石油地球化学的发展,矿物流体包裹体在石油地质研究中得到了广泛的应用[225]. 1 矿物流体包裹体 在沉积盆地演化过程中,沉积物在成岩作用和成岩期后的演化中,形成了大量的自生矿物和原生矿物的次生加大如方解石脉、石英脉、石英次生 加大等,其中包含了大量的流体包裹体,它们记录下大量的有关流体介质性质、组分、物化条件和地球动力学条件. 矿物包裹体按成因可分为原生包裹体、次生包裹体和假次生包裹体,按物理状态可分为固体包裹体和气液包裹体.由于原生包裹体形成后与外界基本没有发生物质交换,因此,可反映矿物形成时的物理化学条件,如温度、压力、成矿溶液盐度和密度、成矿流体来源等.由于流体包裹体特别是有机包裹体是油气生成、运移过程中残留的原始地质记录,通过对烃源岩中矿物流体包裹体研究,可以提供可靠的反映油气生成、运移的物理化学条件,恢复烃源岩的生烃历史,因此,矿物流体包裹体分析在油气形成条件研究中得到了广泛应用[4]. 2 矿物流体包裹体研究内容 矿物流体包裹体研究可概括成两大范畴,即包裹体矿物学和包裹体地球化学,主要涉及包裹体类型及分布特征、包裹体显微测温及成岩历史分析、有机包裹体荧光光谱分析、包裹体物质组成等研究内容.包裹体形成温度反映了烃源岩在特定地质时期中的受热温度,形态、大小、产状以及物质组成等反映了地下流体的大致来源,荧光特征中保存着烃类相态、相对形成时期以及运移历史的丰富信息,盐度与温度的组合揭示了烃源岩不同埋藏史. 2.1 流体包裹体测温 由于古温度是推测沉积盆地的地温及有机质受热演化史,进而评价油气生成的关键因素,因而对其研究一直为学者们所重视. 在流体包裹体的测温研究中,主要采用淬火法、爆裂法和均一法等三种测温方法.淬火法多用于岩浆岩研究;爆裂法由于受包裹体的形态、成分、主矿物的硬度、解理发育情况、粒度大小及测温过程仪器的影响,其结果只作为参考,一般指示烃源岩所受的最高温度;而均一法是包裹体测温的基本方法,所测均一温度经过压力校正得到包裹体的捕获温度,利用均一温度可以进行成藏时间和古地温梯度的估算、成岩作用历史的推断及烃源岩成熟度的研究等. 2.2 流体包裹体地球化学 主要研究流体包裹体的形状、大小、气液比、流体介质特征. 一般而言,岩浆热液矿床中包裹体个体较大2090Λm,气液比高多为4070,形状较规则;而非岩浆热液矿床中包裹体则个体小多小于3Λm,气液比低38,形状不规则何知礼,1982. 包裹体的成分代表了包裹体形成时流体介质的特征,反映了当时的物理化学条件.不同时期的流体介质存在差异,导致形成的包裹体盐度上也有所不同,通过包裹体的盐度测定,可区分出包裹体形成的期次,从而揭示不同的成矿期.同时,对流体包裹体的成分分析,也有利于揭示其成因. 矿物包裹体可分为无机包裹体和有机包裹体.在油气盆地分析中,由于有机包裹体代表了油气运移过程,不同油气运聚期次形成的包裹体物化特征存在一定的差异,因此,不同盐度的有机包裹体指示了不同的油气运移阶段而倍受关注. 3 应用实例 作者在研究渤海湾盆地古生界烃源岩时,通过对44件样品矿物流体包裹体形成温度、盐度、液相组成、气相组成、稳定同位素组成等的分析,为渤海湾盆地区古生界受热历史分析、烃源岩的生烃史及其流体介质成因等提供了丰富的信息. 3.1 流体包裹体的一般特征 据显微镜下冷却热台观察显示,渤海湾盆地发育于古生界烃源岩中的流体包裹体,其大小多为5 20Λm,气液比多在515之间,形态较为规则,显示多为原生包裹体表1. 由于矿物中原生流体包裹体形成后与外界基本上没有发生物质交换,保留了成矿流体的成分和性质,反映出矿物形成时的物理化学条件,为古地热场特征反演提供了丰富信息. 3.2 测试结果及讨论 通过显微镜下冷却热台观测显示,渤海湾盆地古生界矿物包裹体明显存在多期成矿作用.如采自Q G21井和KG23井奥陶系灰岩方解石脉的包裹体分析也表明,其奥陶系碳酸盐岩脉体中有机质包裹体含量很高,约占6070,该类包裹体主要由液态烃相和气态烃相组成,白光下为黄色,紫外光下发黄色荧光,表明在奥陶系地层中曾发生过较大规模的油气运移活动,而其不同的冰点和盐度表示了不同的生烃阶段.研究表明,可明显将其分为两期,根据岩芯中两组岩脉的相互切割关系, Q G21井的包裹体第一期的均一温度为95 103℃,冰点为-3.8-4.2℃,第二期为138 143℃,冰点为-2.9-3.2℃;而KG23井包裹体的第一期均一温度为6775℃,冰点为-3.0-3.9℃,第二期为138148.5℃,冰点为-0.2 581 第2期 朱炎铭等矿物流体包裹体分析及其在石油地质研究中的应用 0.9℃表2.这证明了Q G21井和KG23井处曾发生过两次较大规模的油气生成或运移过程.对比烃源岩的埋藏史和生烃史分析,其第一期油气生成或运移应位于印支期;而第二期油气生成或运移则应发生在喜山晚期[627]. 表1 渤海湾盆地区流体包裹体的矿物学特征 Table1 M i nera logy character istic of f luid i nclusion i n the Boha i Bay Ba si n 构造单元井位现埋深 m层位矿物包体大小 Λm包体常见形态气液比 其它特征 黄骅坳陷Q G214060O方解石36负晶状1030包体发育,见不规则包体Q G233412O方解石210负晶状515包体较少,含有机包裹体GG212220O方解石1015变化大1030包体丰富,形态多样 沧县隆起BG212004O方解石10负晶状510常见浑圆状包体 JU211851C方解石1015负晶状510包体发育,常见长条状包体JU212311O方解石35负晶状10包体不发育,常为不规则状 冀中坳陷SU21254221O方解石520负晶状1015包体稀少 R EN28133380O方解石618负晶状1020有浑圆状包体 R EN28133474O方解石27负晶状1015包体稀少,有不规则包体 R EN28133491O方解石1018负晶状1020包体较少,有不规则包体 R EN21244200O方解石68负晶状10包体较发育,呈规则、浑圆状SU2114100O方解石49负晶状5包体少,规则状、浑圆状包体YAN G213100O方解石511负晶状510包体较少,包体常呈长条状ZE212850O方解石611负晶状510包体稀疏,常见浑圆状包体 济阳坳陷ZH G213660O方解石918负晶状510包体发育,多沿轴向平行排列ZH G213864O方解石416负晶状1013包体透明度差 Y I21363854C2P方解石1420负晶状520包体发育,多沿轴向平行排列GG222196O方解石315负晶状510包体发育 GG222196O石英515负晶状510包体较多,有气相包体发育GG222500∈方解石921负晶状10少数包体内含有子晶 表2 奥陶系方解石脉岩包裹体测温结果 Table2 The te m pera ture m ea sure result of f luid i nclusion s i n ca lc ite arter ite of the Ordov ic i an 井号t av ℃ 样品数t冰点 ℃ 样品数 期次 成岩流体体系 t初熔 ℃ 盐度 Q G21 4102m 95103 8 -3.8-4.2 6 第一期CaC l2H2O5.06.7 138143 5 -2.9-3.2 5 第二期N aC lCaC l2H2O2.76.7 KG23 34053571m 6775 4 -3.0-3.9 2 第一期CaC l2 H2O -49.3 7.212.9 138148.5 7 -0.2-0.9 4 第二期N aC l KC lCaC l2H2O -54.2-54.60.4 3.5 注eq表示除N aC l外,还包括其他盐类成分. 对本区流体包裹体的原子光谱测定,揭示了丰富的成因信息表3.盐水溶液相物质组成尽管较为单调,以离子总量表示的总矿化度较低,但富含在酸性岩浆、变质水中较为丰富的N a、K阳离子以及岩浆期后气水溶液中特征的F-,C l-,SO2-4阴离子,缺乏沉积岩中富有的Ca2、M g2阳离子.所有样品液相离子组成的N a K值均大于1,具有沉积水或地下热卤水的性质. 表3 渤海湾盆地方解石脉体流体包裹体液相组成 Table3 The liquid pha se co m position of f luid i nclusion s i n ca lc ite arter ite of the Boha i gulf ba si n 井位深度 m层位总矿化度 Λg・g-1 w B N aKCa2M g2F-C l-SO2-4B r-NO3-PO2-4 SU21244200O238.9790.50.56-0.761.50.7395.9--- SU2114100O4.611.49.24-17.9311.421.728.26--- GSh13400O32.39.6751.625-63.621.31620.982.79-- JU211851C3.1516.679.524-25.54215.0821.4311.11--- ZH G210213642O70.6325.136.73-3.611.2636.6326.640.00.000.00 ZH G210213866O59.2220.7711.15-5.471.8238.8021.990.00.000.00 KG243010O46.0030.653.63--1.1360.683.910.00.000.00 PSh215005O124.4432.143.96--1.1560.841.910.00.000.00 Q G214013O166.1321.385.12--1.0168.124.390.00.000.00 681 中国矿业大学学报 第34卷 笔者对采自渤海湾盆地大量古生界有机包裹体进行了详细研究,结果显示渤海湾地区深层古生界包裹体存在明显的多期性,指示了深层古生界烃源岩曾经历过不同地温场作用,发生过多次生烃演化.总体而言,大致可以划分为印支期、燕山期和喜山期三个有机包裹体成矿期,同时也指示了古生界烃源岩存在三期生烃历史,结合各井埋藏史研究,基本揭示了渤海湾地区古地温场的演化史表4. 表4 古生界方解石脉体矿物流体包裹体测温成果及其所反映的古地热史Table4 The te m pera ture m ea sure results and the pa laeogeother ma l h istory of f luid i nclusion s i n ca lc ite arter ite of the Pa leozo ic 构造单元井位现埋深 m层位矿物 第一期印支期 t av ℃ 古埋深 m 地温 梯度 第二期燕山期 t av ℃ 古埋深 m 地温 梯度 第三期喜山期 t av ℃ 古埋深 m 地温 梯度 黄骅坳陷JH212982O方解石109 19005.70 L G213800O方解石124 20005.45 KG233412 O方解石146 2000 6.520835005.51 KG233490 O方解石133 20005.9012335003.09 Q G214060O方解石136 1681 7.217538084.20 Q G214100O方解石9120953.61120 1721 6.1 Q G214195 O方解石8422003.14145 1816 7.116339413.75 ZH G223621O方解石135 1340 8.90 XU2133097O方解石168 2800 5.40 GG2592750O方解石146 2500 5.249927503.05 XU2133200 O方解石127 20005.6 KG262999 O方解石7818673.37118 24004.3 GG212220 O方解石142 2400 5.29 KG243910O方解石7322952.53124.420275.4140.337103.39 沧县 隆起BG 212004 O方解石11530803.25145 2300 5.65 冀中坳陷R EN28133380O方解石11525004.00185 3200 5.3020833805.70 R EN28133491 O方解石192 3350 5.2821234905.64 R EN28133474 O方解石10826113.56173 3310 4.8 SU21254221 O方解石10830803.44142 2850 4.46 ZE212850 O方解石181 3500 4.724529007.93 ZE213483 ∈方解石11430804.19178 3183 5.1 JU211851 C方解石3.597.51650 4.915533404.20 SU2124O方解石10329003.0110 2200 4.413841003.0 SU211O方解石10628003.2589 1600 4.514548002.7 矿物流体包裹体揭示的古地热场演化趋势表明,从古生代至新生代,古地热场经历了正常异常高热正常的演化趋势,显示出盆地从冷变热、尔后重新变冷的发展历程.矿物流体包裹体所揭示印支期古地温梯度介于2.534.19℃ hm之间,平均为3.4℃ hm,属于正常地热场范畴,在区域上相对稳定.燕山期古地温梯度变化于4.311. 7℃ hm之间,平均为5.79℃ hm,古地热场分异明显,异常高热古地热场发育广泛.矿物流体包裹体揭示的喜山期古地温梯度变化较大,但背景梯度分布在2.74.89℃ hm之间. 4 结 语 矿物流体包裹体分析作为一种研究方法,在石油地质研究中得到了广泛的应用.特别是有机包裹体,对确定烃源岩的受热史、生烃史,推断油气运移及古地热场具有重要的作用.在对大量古生界烃源岩中包裹体深入研究,揭示了渤海湾盆地经历了正常异常高热正常的演化趋势,显示出盆地从冷变热、尔后重新变冷的三期古地热场演变历史,导致古生界烃源岩受热温度呈阶段性增加,从而引发有机质发生多次生烃演化. 参考文献 [1] M array R.C.H ydrocarbon flu id inclu si on s in quartz [J].AA PG Bu ll,1957,419502952. 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