冀中坳陷中部中元古界雾迷山组热液活动特征^*

Characteristics of hydrothermal activities in the Mesoproterozoic Wumishan Formation in central Jizhong Depression

摘要

冀中坳陷中部中元古界雾迷山组中赋存着大量的油气和地热资源,但目前对于雾迷山组储集层所经历的热液活动研究相对较少。本次研究在野外和岩心观察的基础上,利用电子探针、碳氧稳定同位素、锶同位素和流体包裹体测温等手段,对雾迷山组中热液活动特征及其对储集层的改造作用进行探讨。结果显示: 雾迷山组中发育多种热液相关矿物,其热液活动可分为3类,分别为幔源流体活动、以碳酸盐矿物为主的热液活动和硅质热液活动。其特征主要体现在白云岩发生大理岩化作用; 热液白云石矿物较基岩泥晶白云石的δ¹³C和 δ¹⁸O 值均偏负和锶同位素值升高; 一些白云石、石英和萤石胶结物中流体包裹体的均一温度异常增高。雾迷山组中热液活动强度的差异受控于区域幔源流体活动和输导通道。当研究区内断层和幔源流体活动时期相耦合时,热液活动强度达到最大。其强度西北强于东南; 级别越高、规模越大的断层附近的热液活动越强的特征。热液活动产生的溶蚀作用、重结晶作用和水压力破裂作用对储集层有着建设性改造作用; 充填作用、胶结作用和硅化作用减少了储集空间,是破坏性改造作用; 而大理岩化的过程基本没有改变原岩的储集性。

Abstract

The Mesoproterozoic Wumishan Formation in the central Jizhong Depression hosts abundant hydrocarbon and geothermal resources. However,studies on the hydrothermal processes affecting Wumishan reservoirs remain limited. Based on field and core observations,this study integrates electron microprobe analysis,carbon and oxygen stable isotope analysis,strontium isotope ratios,and fluid inclusion thermometry to investigate the characteristics of hydrothermal activity and its impacts on reservoir evolution within the Wumishan Formation. Results reveal the presence of diverse hydrothermal minerals,and the hydrothermal processes can be classified into three categories: (1)magmatic-related activity,(2)carbonate-dominated hydrothermal activity,and(3)siliceous hydrothermal activity. These are evidenced by dolomite undergoing marbleization,hydrothermal dolostones showing more negative δ¹³C and δ¹⁸O values and higher⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratios compared to matrix micritic dolomite,and anomalously elevated homogenization temperatures of fluid inclusions in dolomite,quartz,and fluorite cements. Variations in hydrothermal intensity are primarily controlled by regional magmatism and fluid migration pathways. Hydrothermal activity is strongest when faulting and magmatic events are temporally coupled,with greater intensity in the northwest compared to the southeast. More intense hydrothermal activity is also observed near higher-order,large-scale faults. Hydrothermal processes such as dissolution,recrystallization,and hydraulic fracturing enhance reservoir quality,while cementation,mineral filling,and silicification reduce porosity and act destructively. In contrast,marbleization has minimal influence on reservoir performance and largely preserves the original rock storage properties.

Graphical abstract

关键词

流体包裹体 / 热液活动 / 雾迷山组 / 潜山构造带 / 冀中坳陷

Key words

fluid inclusion / hydrothermal activity / Wumishan Formation / buried hill structural belt / Jizhong Depression

近年来,随着中国多个盆地的前寒武系古老碳酸盐岩中热液流体活动被不断发现,深部热液流体对古老碳酸盐岩储集层的改造作用受到了广泛关注(冯明友等,2016;马永生等,2023); 有学者认为与构造断裂相关的富CO₂酸性热液流体在沿断裂和裂缝运移时对围岩造成的溶蚀作用,是改善深部碳酸盐岩储集层物性的关键(王玉萍等,2014;韩俊等,2023)。也有学者认为热液流体虽然具有溶蚀改造作用,但随着温压条件改变和流动性减弱,热液会在裂缝和溶蚀孔洞中沉淀出特征矿物从而充填储集空间,进而使储集层物性变差(李双建等,2021;马尚伟等,2023)。前人研究成果显示中国沉积盆地中的热液流体主要是岩浆活动的产物(潘文庆等,2012;王良军等,2022;齐荣等,2024)。以中元古界蓟县系雾迷山组为主体的冀中坳陷中部潜山构造带经历了频繁的幔源流体活动,并且雾迷山组中赋存着丰富的油气和地热资源(费宝生和汪建红,2005;罗宁等,2021)。但对于雾迷山组储集层的研究主要集中在储集层特征以及沉积相、单层厚度、构造作用和岩溶作用等对优质储集层发育和形成的控制等方面(余家仁等,1998;韩宝平,2000;张敏等,2008;鲁锴等,2019;Zhang et al., 2019)。而关于雾迷山组在埋藏后所经历的热液活动及其对储集层的改造作用鲜有报道。因此,以岩石学、矿物学和地球化学等研究方法和理论为指导,综合利用野外剖面、钻井、薄片和室内分析化验等资料,对冀中坳陷中部深部热液活动特征进行研究,进而探讨其对古老碳酸盐岩储集层的影响。

1 区域地质背景

冀中坳陷中部是指渤海湾盆地内次级构造单元冀中坳陷的雄县至河间一带(图 1-a, 1-b)。构造位置属于中部断裂—潜山发育带,构造格局整体呈北东向,具有明显“凸、凹、断”相间的特征(图 1-b)。

主要构造单元包括“两凸起两凹陷”,分别为: 容城凸起、牛驼镇凸起、霸县凹陷、饶阳凹陷。其中在2个凹陷中分布4个潜山构造带,分别为鄚州、雁翎、任丘和八里庄—薛庄潜山带。区内主要断裂包括NW-NNW向的鄚州断层和出岸断层; NE-NNE向的牛东断层、刘李庄断层、任丘断层、任西断层、河间断层和马西断层等。

冀中坳陷中部在中生代经历了印支运动和燕山运动。印支运动一改中生代前的稳定升降的地台发育阶段,以挤压褶皱为主,使华北地台原本的EW向构造格局发生根本改变,变为NE、NNE向展布的格局(图 2)。幔源流体活动主要发生在燕山运动时期和喜马拉雅运动时期。进入燕山期之后,研究区处于构造挤压状态,发育大量NE-SW向、NNE-SWW向展布的逆断层和褶皱,同时岩浆活动十分强烈,此时经历了第1次热构造事件(任战利,2000)。燕山运动中期,华北地块开始由东西向破裂带活动转变为受NNE向破裂带活动控制,同时火山活动持续剧烈。到了燕山运动晚期,燕山隆起带以南地区,受到NE、NW和近EW向断裂控制,地块解体强烈,形成了地堑型或箕状断陷盆地。

华北地台岩浆火山活动大大减弱,构造应力开始转变,由挤压和挤压—剪切为主的动力状态转变为以拉张为主的伸展期。而喜马拉雅运动早期,研究区基本继承了燕山期的构造格局,在区域拉张的背景下,进入强烈的断陷期。此时强烈的构造拉张所造成的一系列NE向的马西断层、牛东断层等深大断裂促使了强烈的岩浆活动,并伴生了NNE-SSW向断层,冀中坳陷中部经历了第2次岩浆事件(图 2),区内D12、D19、D35和文69等钻井揭露了玄武岩、闪长玢岩等古近系沙河街组三段的岩浆岩体(王思琪等,2021)。同时,伴随断块的差异升降和倾斜,各个潜山构造带逐渐开始成型。

任丘潜山的形成受控于马西断层和任西断层,在二者共同的反向掀斜作用下,其之间的地层发生旋转错断,从而形成现今“西高东低”的任丘潜山形态(崔树清,2009;何登发等,2017)。雁翎潜山带的形成则受控于刘李庄断层,该断层将中生代就已形成的雁翎背斜改造为错断翘倾的潜山形态。鄚州潜山为受鄚州断层控制的单断山(劳海港,2010)。八里庄—薛庄潜山构造带是由河间断层和马西断层所形成的断块山组成(吴孔友等,2010)。冀中坳陷中部基底为太古宇—古元古界变质结晶岩系,上覆地层为长城系、蓟县系和新生界。青白口系、古生界和中生界保存不全,仅在局部分布(图 2);潜山内幕地层以雾迷山组为主,并直接与上覆古近系不整合接触(图 3)。雾迷山组为1套巨厚的陆表海沉积,主要岩性有泥晶白云岩、叠层石白云岩、含燧石条带白云岩等(鲍志东等,2019;鲁锴等,2023)。

2 样品采集与测试

本次研究涉及冀中坳陷中部及周边的3条剖面和16口钻井,雾迷山组岩石样品采自涞水剖面、淀5井、雁33井、任266井和鄚14井。样品采集点涵盖盆缘造山带、盆内断裂带、潜山带和凹陷带,旨在将不同构造部位样品分析结果进行对比,探究雾迷山组中热液活动的差异。

样品碳、氧同位素、阴极发光分析在中国石油大学(北京)完成。碳、氧同位素仪器为Elementar Isoflow-Precision稳定同位素比质谱仪。阴极发光仪器型号为CL8200 MK5-2阴极发光仪,连接Leica DM2 500显微镜对岩石薄片进行分析。电子探针分析在中国地质科学院成矿作用与资源评价重点实验室完成。仪器型号为JXA-8230,配有X射线显微分析系统仪EDS,对矿物成分进行分析。

锶同位素、流体包裹体测温分析在核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成。锶同位素测定仪器为Phoenix 热表面电离质谱仪。流体包裹体测温的显微冷热台型号为LINKAM THMS600,温度范围为-196~600 ℃,升温速率为0.1~150 ℃/min,对温度的测量具有高精度(全程0.1 ℃)和高稳定性(<0.01 ℃)。

3 热液活动证据及特征

3.1 岩石学证据及特征

热液通常是指比周围岩层温度环境高至少5 ℃的流体(White,1957;Machel and Lonne,2002;Smith and Davies,2006),热液的来源可以直接是岩浆,也可以是基于岩浆加热的地层流体(李红等,2021;王良军等,2022),其运移通道为断裂和裂缝。从深部沿断裂向上运移的热液流体通常富含酸性,对于所经过的可溶围岩有着溶蚀作用(Davies and Smith,2006)。冀中坳陷中部雾迷山组热液在进入地层后通过水-岩反应,将原岩的颜色、结构、成分和构造等方面发生变化(金之钧等,2006),产生热液矿物的交代和充填产物。通过宏观和微观相结合的岩石学观测手段发现,雾迷山组热液活动可表现为3大类,分别为幔源流体活动、以碳酸盐矿物为主的热液活动和硅质热液活动。由于研究区地处华北平原,区内无野外剖面,因此本次研究选取研究区西北部30 km的易县剖面、 45 km的涞水剖面以及东北部120 km的蓟县剖面,结合区内钻井取心,对雾迷山组中热液活动特征进行探究(图 1-a)。

野外踏勘和岩心观察发现,雾迷山组岩浆活动在宏观上可表现为对局部白云岩发生大理岩化作用和在雾迷山组中可见发育的岩浆岩。前人对于雾迷山组白云岩被大理岩化现象的记录主要集中于雾迷山组下部,其中最著名的大理岩化现象为河北涞源白石山雾迷山组一段受燕山岩浆侵入影响形成的含燧石条带白云石大理岩峰林(聂泽同等,2002;安广义等,2005)。白云岩与岩浆直接接触从而发生热变质作用,在野外可见到丘状叠层石白云岩中,叠层结构由于具有良好的孔渗性,岩浆可以侵入其中,在叠层结构处发生大理岩化,使原本灰色白云岩变为白色大理岩,与围岩相比具有明显不同(图 4-a)。

在毗邻断裂的钻井揭露了雾迷山组中发育的玄武岩和闪长玢岩等岩浆岩(图 4-d),也直接说明了岩浆活动的存在。以碳酸盐矿物为主的热液主要是由岩浆提供热源的热液形成。在宏观上,以碳酸盐矿物为主的热液活动主要表现为在雾迷山组白云岩孔洞和裂缝中可见被白色细—粗晶白云石胶结物充填—半充填的特征(图 4-b,4-e,4-f)。而硅质热液同样是由岩浆提供热源的热液,其活动在宏观上可表现为硅质热液对基岩溶蚀后在溶蚀孔洞和裂缝中充填—半充填的硅质胶结物(图 4-c)以及对基岩硅化形成的硅质团块等(图 4-g)。另外,热液流体通常具有较高的流体压力,深部上涌产生的水压力破裂作用造成岩石破碎,形成大小不一的角砾(Katz et al., 2006;Davies and Smith,2006),在宏观上表现出角砾间被硅质和沥青质充填(图 4-h,4-i),同时,部分角砾有热褪色的结构特征,颜色由原先的灰色变为淡红色—黄色等(图 4-h,4-i)。基于岩石薄片和阴极发光等分析结果,岩浆活动使雾迷山组白云岩发生大理岩化的微观特征主要为原岩白云岩颗粒蚀变为大理岩颗粒,其中发育较好的颗粒可呈近六边形的嵌晶状结构(图 5-a)。以碳酸盐矿物为主的热液活动在雾迷山组微观上主要表现为原始雾迷山组白云岩结构被破坏,由原本的泥晶变为细—中晶,并伴晶间孔或晶间溶孔发育,孔隙间常见沥青充填—半充填(图 5-b)。同时,在溶蚀孔洞中充填的胶结物多以鞍状白云石和较自形的中—粗晶白云石为主,并与少量石英伴生(图 5-c,5-d,5-e)。鞍状白云岩具有晶面弯曲,在正交偏光下波状消光的特征(图 5-c)。而较自形的中—粗晶白云石晶面较平直,不具有波状消光特征(图 5-d),在阴极发光下发橘黄—红的亮光,与发暗红色光的基质白云岩和不发光的硅质胶结物具有明显区别(图 5-e),说明了其在埋藏环境下受到热液改造作用(黄思静等,2008)。而研究区硅质热液在雾迷山组中活动的微观特征主要表现为沿裂缝或孔洞等通道对周围的原岩进行硅化或溶蚀,在缝壁或孔洞壁上可见硅质胶结物充填—半充填(图 5-f,5-g)。硅质热液对原岩的硅化可表现为: (1)原本的白云岩泥晶结构被蚀变为微晶石英,但原本的沉积构造(例如纹层,颗粒等)被保留,在微晶石英中仍可见泥晶白云石残留(图 5-h,5-i);(2)原本颗粒(如鲕粒、复鲕、核形石等)之间或内部的碳酸盐胶结物被蚀变为硅质胶结物,而有机质含量较高的黑色同心层没有被硅化(图 5-j);(3)由硅质热液沿断裂和裂缝系统上涌而引起的水压力破裂作用造成的原岩破裂,从而形成的角砾状白云岩中可见白云石角砾被局部或全部硅化的特征(图 5-k)。另外,在雾迷山组白云岩中常见整体结构以泥晶白云石为主的似球粒,部分具有同心层结构,但均不具有明显核心。其尺寸主要在几百微米至2 mm之间,颗粒间通常被硅质胶结物充填。

这种似球粒及其碎片在正交偏光下均具有放射状或波状消光特征(图 5-l),可能是由于原始球粒结构被硅质热液烘烤后发生弯曲变形而造成的。由电子探针分析结果可知(表 1),除了上述的微晶石英和鞍状白云石等矿物外,在由埋藏岩溶所形成的溶孔、溶洞中充填着热液伴生矿物(图 5-m,5-n,5-o),如黄铁矿、重晶石和萤石等,并且黄铁矿常呈带状分布(图 5-p),证明了热液流体的注入,是典型热液活动的特征(表 2)。

3.2 地球化学证据及特征

3.2.1 碳、氧同位素特征

通过对雾迷山组野外剖面和岩心的中基质泥晶白云岩和中—粗晶白云石胶结物样品进行地球化学分析,结果显示: 两者的碳、氧同位素平均值和分布范围差别较大,具有较好的区分性(图 6-a),基岩泥晶白云石δ¹³C在-0.4‰~1.6‰之间变化,平均值为0.8‰;δ¹⁸O值范围为-8.8‰~-4.2‰,平均值为-6.6‰。中—粗晶白云石的δ¹³C在-5.8‰~0.2‰之间波动,平均值为-1.7‰;δ¹⁸O的值范围为-12.2‰~-8.9‰,平均值为-10.6‰。前人在冀中坳陷北部地区的工作显示,北京十三陵地区雾迷山组δ¹³C值在-1.5‰~1.5‰之间,δ¹⁸O数值范围大多为-4‰~-5‰(李任伟等,1999);天津蓟县剖面雾迷山组δ¹³C数值落在-2.3‰~2.3‰之间,δ¹⁸O值的变化范围为-8.8‰~-1.3‰(储雪蕾等,2003;田辉等,2021);而燕山地区蓟县系δ¹³C值变化范围在-2.5‰~1.8‰之间,δ¹⁸O数值范围大多在-6‰~-9‰之间(Guo et al., 2013);其中雾迷山组δ¹³C值落在-1.53‰~1.56‰之间,δ¹⁸O数值范围为-2‰~-8‰(旷红伟等,2009)。此次研究对基岩泥晶白云石的碳、氧同位素测定结果与上述作者的测定结果基本吻合。

3.2.2 锶同位素

由雾迷山组野外剖面和岩心样品的锶同位素测定结果可知(图 6-b): 去除涞水剖面样品存在1个高值(>0.7090)外,基质泥晶白云石样品的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值均在0.7050~0.7090之间,属正常范围,平均值为0.7068,与李华芹等(1994)所测得蓟县剖面雾迷山组⁸⁷Sr/⁸⁶Sr平均值0.7072近似。而中—粗晶白云石胶结物样品的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值介于0.7100~0.7340之间,平均值为0.7178,明显高于基质泥晶白云石的锶同位素比值。

3.2.3 流体包裹体均一化温度

流体包裹体是对原始流体的直接记录,其均一化温度可以直接反映出矿物生长的温度下限(Allan and Wiggins,1993)。据流体包裹体观察显示,在孔洞和裂缝中充填的白云石、石英和萤石3类胶结物中均可见到成群分布或成带状分布的流体包裹体。包裹体类型主要包括盐水包裹体和含天然气盐水包裹体2类,主要分布在矿物内部和边部。白云石中包裹体较为发育,主要为成群分布的无色—浅灰色的盐水包裹体,局部可见深灰色的天然气包裹体,大小在1~12 μm之间(图 7-a),石英中的包裹体以成群分布的无色透明盐水包裹体为主,大小在1~10 μm之间(图 7-b),萤石中包裹体以成带分布的无色透明盐水包裹体为主,其次为呈深灰色的天然气包裹体,大小在1~20 μm之间(图 7-c,7-d)。

分别对涞水剖面雾迷山组2个样品中58个流体包裹体和研究区内淀5井、雁33井、任266井和鄚14井的9个雾迷山组岩心样品中168个流体包裹体的均一化温度进行测试,结果显示: 涞水剖面雾迷山组样品温度数据较高,在123~221 ℃之间,平均值为172.9 ℃,可分为3个峰值,分别为138~153 ℃;168~183 ℃和203~218 ℃。而区内雾迷山组岩心样品温度较剖面样品有所降低,温度范围为70~139 ℃,平均值为108.1 ℃,具有2个峰值,分别为95~110 ℃和115~130 ℃。

涞水剖面雾迷山组白云石胶结物中包裹体共有测温点49个,温度范围为123~221 ℃,平均值为175.2 ℃;石英胶结物中包裹体共测温9个,温度分布在135~176 ℃之间,平均温度为160.3 ℃(图 8-a)。而雾迷山组钻井岩心样品中白云石胶结物共有测温点84个,温度范围在70~139 ℃之间,平均值99.6 ℃。石英中的包裹体测温点46个,温度范围在87~128 ℃之间,平均值117.3 ℃。萤石中包裹体测温点24个,温度范围在96~132 ℃之间,平均值121.5 ℃(图 8-b)。

4 讨论

4.1 热液活动的产物

冀中坳陷中部雾迷山组中热液活动频繁,3类热液具有各自独特的产物。首先源自地幔的岩浆在雾迷山组中造成接触热变质作用,将白云岩变质为大理岩,并发育玄武岩和闪长玢岩等岩浆岩。其次,以岩浆为热源的含碳酸盐矿物热液,通常使原本雾迷山组泥晶白云石发生重结晶作用,使其晶粒变大,并在雾迷山组中的孔洞和裂缝中形成中—粗晶白云石和鞍状白云石胶结物。而中—粗晶白云石胶结物的碳、氧同位素值,特别是氧同位素值,较基岩泥晶白云石具有明显偏负的特征(图 6-a)。虽然受大气淡水影响,也可造成白云石的碳、氧同位素具有相似负偏特征,但在大气淡水环境下,难以形成中—粗晶白云石胶结物。并且,中—粗晶白云石胶结物样品的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值明显高于基质泥晶白云石的锶同位素比值(图 6-b),与区域上五台山—恒山的燕山期侵入岩⁸⁷Sr/⁸⁶Sr=0.7062~0.7103和太行山南段燕山期侵入岩的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr=0.7062~0.7068相比(祁凯,2021),雾迷山组中—粗晶白云石胶结物样品的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值同样明显升高。说明幔源热液没有与白云岩直接接触,中—粗晶白云石胶结物是由岩浆提供热源的热液流体流经雾迷山组下伏碎屑沉积物及基底岩石并与其相互作用(李双建等,2021),进而参与胶结物的形成,最终使白云石胶结物中的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值升高。另外,由各矿物中流体包裹体温度直方图可知(图 8-a): 涞水剖面雾迷山组白云石胶结物大多形成于较高的温度环境(>120 ℃),其流体包裹体的均一温度所具有3个峰值(140~150 ℃,n=11;170~180 ℃,n=8;200~210 ℃,n=9),反映了涞水剖面所位于的太行山隆起区自中生代以来所经历的多期岩浆活动。因此,由3种测试结果显示,中粗晶白云石胶结物的形成受到了后期重结晶或热液流体的影响。最后,硅质热液为雾迷山组带来了丰富的硅质来源,其中常见形态各异的硅质胶结物。同时,与以碳酸盐矿物为主的热液一同带来了黄铁矿、重晶石和萤石等热液伴生矿物沉淀。石英中流体包裹体均一温度多高于110 ℃,主峰位于110~120 ℃之间。萤石中流体包裹体均一温度主要高于120 ℃,主峰位于120~130 ℃之间(图 8-b)。

此外,对于冀中坳陷中部是否存在地热流体活动也可以通过对矿化流体的温度与地层经历的温度进行对比。依据埋藏—热演化史可知(李静和查明,2010;陈清华等,2013),现今雾迷山组正处于其最大埋深,因此现今地层温度是其正常经历的最高温度。地温随深度增加而增大,但地温梯度有明显的分带性,上部新生界碎屑岩盖层地温梯度较高,均值在3 ℃/hm以上,下部碳酸盐岩、硅质岩等梯度在2 ℃/hm左右(曹瑛倬等,2021;王思琪等,2021)。例如,任丘潜山带的任23井地温梯度: 新近系3.13 ℃/hm;古近系3.40~3.75 ℃/hm;雾迷山组为0.95~1.90 ℃/hm。高阳低凸起的D35井和雁翎潜山南部D34井的地温梯度: 新生界约为2.5 ℃/hm,蓟县系约为1.0 ℃/hm。同时,不同构造单元内的盖层厚度和雾迷山组埋深具有较大差异,因此在前人成果的基础上,结合研究区实际综合考量,取3 ℃/hm为新生界平均地温梯度; 1.5 ℃/hm为雾迷山组平均地温梯度; 15 ℃为恒温层平均温度对各构造单元的雾迷山组地层温度进行分别计算,结果显示(表 3): 样品中12.5%的萤石胶结物、26.2%的白云石胶结物和87.0%的石英胶结物形成于高于正常地温的热液环境中。包裹体盐度测试表明热液成因的萤石胶结物流体平均盐度为10.1%;白云石胶结物的流体平均盐度为19.1%;石英胶结物流体平均盐度为10.6%,是正常海水盐度(3.5%)的2~6倍,说明形成热液矿物的流体主要为高温卤水。

4.2 热液活动的差异性

无论是上述基于岩石学的观察或利用地球化学手段的测试,其结果无不表明冀中坳陷中部雾迷山组中存在热液活动,但不难发现,热液活动的强度存在着较为明显的差异,这种差异与区域岩浆活动和热液输导通道有关。

首先冀中坳陷中部岩浆活动受控于区域构造演化。中生代燕山运动的岩浆活动主要发育太行山隆起至保定凹陷一带,对研究区影响不大。而随后以裂陷断陷为主的喜山运动所带来的岩浆活动对研究区产生了主要的影响。冀中坳陷内由于各区地壳拉张裂陷程度、主要活动方式和时期不同,反映在岩浆活动上的差异也很大。总体来说,冀中坳陷内火成岩分布具有自北西向南东火成岩由老变新,反映了岩浆活动的迁移性(刘前志,1992;孙文亮,2010)。岩浆活动最强烈的时期为沙河街组四段沉积末期至沙河街组三段沉积时期,正是拉张裂陷最强烈的时期。沙河街组三段沉积末期至沙河街组二段沉积时期,主要的拉张活动东移,沙河街组一段至东营组沉积时期,裂陷活动大大减弱,至晚古近纪时从裂陷转入拗陷,岩浆活动也随即停止(刘前志,1992)。因此,冀中坳陷中部西北部(牛驼镇凸起)的岩浆活动要强于东南部(任丘潜山),同样热液流体的温度也是西北要高于东南部。深部热液流体进入储集层需要输导通道的存在。构造作用产生的断裂和裂缝既可以使其附近的岩石强烈破碎提升其渗透性,也可以为下部热液向上运移提供有利通道。新生代初期,在拉张应力作用下,发育了一系列正断层或反向正断层组成的次级翘倾断块及古潜山构造,并形成了NNW-SSW向的裂缝(杨克绳,1987;肖阳等,2018)。此时形成的切割基底的深大断裂沟通了深部岩浆源,为热液活动提供了通道。

冀中坳陷中部构造断裂的类型和活动的时期决定了深部热液活动强弱的差异。各条断裂主要可分为基底断裂和表层断裂2大类,控制凸起和潜山的主要正断裂都属于基底断裂,如牛东断裂、任丘断裂、任西断裂、鄚州断裂、河间断裂、刘李庄断裂和马西断裂等(杨克绳,1987),而表层断裂是与这些主要大断裂伴生并与之平行,但只能控制上覆地层薄厚变化,而不能控制构造生成的一系列小断距的次级断裂。因此,能沟通深部岩浆的基底断裂附近的热液活动要强于表层断裂。然而由于各基底断裂的主要活动时期存在差异,当断裂与岩浆活动时期相耦合时,热液活动才可达到最大化。因此,在Es₄-Es₃时期强烈活动的牛东断层、马西断层、同口断层以及在古近系持续活动的任西断层附近存在较强的热液活动(劳海港等,2010,2012;毛黎光,2014),而在其他时期活动的断层附近热液活动较弱。另外,属于控制凹陷的边界断层如牛东和马西断层的规模(断距、长度、深度)最大,潜山的边界断层规模次之,潜山断层的伴生断层的规模最小。与之对应的是表 3的测温结果,在牛东断层上的淀5井受到热液影响最大其中有92.3%的包裹体均一温度高于地层温度5 ℃以上; 在任西断层东侧的任266井受到热液影响较大,有61.2%的包裹体均一温度高于地层温度5 ℃以上; 出岸断层的伴生断层旁的雁33井仅有22.2%的包裹体显示出热液作用,热液影响进一步减小; 而在鄚州北部洼陷中的鄚14井中样品包裹体均一温度为正常地温形成,虽然埋深最深,但缺乏断层通道,导致热液无法运移。

因此,冀中坳陷中部岩浆活动主要在安新县西北部、D35井区、新家4井区和文69井-文64井一带,范围与钻遇岩浆岩区域一致,范围一般较为局限。而由岩浆提供热源的热液活动主要分布在岩浆活动区周缘,其范围一般较大。基于钻井、岩心、薄片和地化分析结果,硅质热液的主要活动区为安新-淀5井-雄县一线以北、鄚9井-任97井-任266井以南、文69井-西41井-马检1井一线以东地区,以碳酸盐矿物为主的热液主要活动在D16井-D19井-淀5井-新家4井一线以北、雁18-D34井、任48井-任239井-任266井、马检1井-马69井一线以东地区(图 9)。

4.3 热液活动对储集层的改造

由于冀中坳陷中部雾迷山组的基质白云岩孔渗极低较为致密(Lu et al., 2021),因此,热液流体只能以构造断裂形成的裂缝体系和前期表生岩溶形成的孔、洞与不整合面系统为主要通道进入岩体,从而对储集层进行改造。雾迷山组经历了多期表生岩溶和构造破裂作用,虽然在进入埋藏之后受到正常深埋藏成岩作用的影响,孔、洞、缝系统有部分被充填胶结,但也为热液的流动提供了基础。

前人模拟实验已经证实,酸性流体对于碳酸盐岩的溶蚀速率随温度的升高而增大(丁茜等,2017)。而大规模的热液溶蚀的发生需要相对开放的条件,即深部热液需要有排泄出地表的通道,而研究区十分发育的深大断裂为深部热液溶蚀后的物质排出提供了有利通道。因此,在雾迷山组深部仍可形成较大型的溶洞。研究认为,当埋深超过3000 m时由于表生岩溶形成的洞穴会由于上覆地层压力发生垮塌,难以保存(Loucks,1999),而对于任丘潜山带的勘探证实了在距不整合面超600 m、总体埋深超过3000 m的深部钻井时仍有大量放空、漏失现象(余家仁等,1998),从侧面证实了热液溶蚀洞穴的存在。热液溶蚀基岩产生的孔洞对储集层有着建设性改造作用,但从热液流体中沉淀出的热液矿物的充填、胶结和硅化作用对储集层又造成了破坏性的改造。即在岩心和镜下都可观察到热液溶蚀孔洞中充填—半充填石英或白云石(图 4-c;图 6-c,6-d);部分裂缝受到热液作用溶蚀扩大,形成不规则的溶蚀边缘,并且缝壁上被石英或白云石充填—半充填现象等。这2种现象既可以共生也可以独立存在,但溶蚀作用略早于充填作用,若热液溶蚀孔隙未被完全充填,则可以作为有效的储集空间。同时,受热液影响的重结晶作用将基岩泥晶白云石的晶体变大,产生晶间孔或晶间溶孔,也有利于储集层的改造(图 5-b)。此外,在区内各个潜山带钻井取心中常见到由水压力破裂作用形成的角砾结构(图 4-i),在未被完全胶结和充填的角砾间的残余孔隙,也常可作为良好的储集空间。因此,热液上涌产生的水压力破裂作用对储集层也具有建设性作用。在镜下可观察到基质白云岩在被岩浆大理岩化后,大理岩颗粒的排列同基岩一样紧密(图 5-a),没有次生孔隙增加,大理岩化过程基本没有改变白云岩原岩的储集性。

5 结论

1)通过宏观和微观相结合的岩石学和地球化学等观测手段发现,冀中坳陷中部潜山构造带雾迷山组中广泛发育的热液活动主要可分为3大类,分别为幔源流体活动、以碳酸盐矿物为主的热液活动和硅质热液活动。

2)冀中坳陷中部潜山构造带雾迷山组中热液活动强度存在明显差异,这种差异受控于区域岩浆活动和热液输导通道。因此热液活动强度具有西北强于东南、断层活动与岩浆活动时期相耦合的基底断裂附近热液活动强度最强,级别越高、规模越大的断层附近的热液活动越强。

3)热液活动对储集层改造作用可分为溶蚀作用、充填作用、重结晶作用、水压力破裂作用、大理岩化作用和硅化作用。其中溶蚀作用、重结晶作用和水压力破裂作用对储集层有着建设性改造作用; 充填作用、胶结作用和硅化作用减少了储集空间,是破坏性改造作用; 而大理岩化过程基本没有改变原岩的储集性。

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基金资助

*深地国家科技重大专项(2024ZD1003600)

中石化科技项目(P24063)