引言

塔里木盆地热液活动十分普遍，奥陶系的油气勘探也证实了热液改造型白云岩是一种重要的储层类型^[1-4]。塔里木盆地构造作用强烈，断裂具有多期次，继承性发育的特点，深大断裂沟通地下岩浆，与二叠纪末火山活动有关的高温岩浆水被认为是塔里木盆地最普遍的热液活动^[5-7]，目前对于塔里木盆地热液活动的研究多集中在奥陶系，研究重点为热液来源的探讨，但对于热液作用期次及作用机制的研究比较缺乏。因此，本文通过塔东地区探井的岩芯，井壁取芯，薄片观察等资料总结出3期热液作用的机制及其储渗空间意义，深化了研究区内热液作用的研究。

1 区域地质概况

塔东地区位于塔里木盆地东部，库鲁克塔格以南，塔东南凸起以北，面积约为120 000 km²(图 1)。构造单元有塔东隆起带、满加尔凹陷、英吉苏凹陷等。目前研究区共有古城4井、塔东2井等7口井钻遇寒武系——奥陶系碳酸盐岩地层，其中，英东2井在寒武系获日产316 m³低产气流，塔东2井在寒武系获日产稠油55 L。7口井均钻遇有白云岩储层。通过钻井岩芯、岩屑及岩石薄片、铸体薄片观察鉴定结果，发现区内碳酸盐岩储集岩包括灰岩类和白云岩类两大类，灰岩类进一步细分为颗粒灰岩、藻黏结灰岩，白云岩类进一步细分为藻黏结云岩、粉——细晶云岩、中——粗晶云岩等^[8-13]。

2 塔东地区构造演化及断裂特征

塔东地区的构造演化主要受两方面因素的制约，即区域大地构造背景及内部隆拗之间的相互转换。古生代，南天山(东天山)、西昆仑及阿尔金裂谷带的开合制约盆地内隆拗的分布与扩展；新特提斯洋的伸展与闭合对周缘山系及盆地内中新生代隆拗的性质、平面展布和范围起控制作用。但在不同时期，外部条件之间的差异导致其内部构造格局的改变。塔东地区的构造演化可以划分为6个阶段：震旦纪——奥陶纪的稳定克拉通与被动大陆边缘阶段、志留纪——泥盆纪周缘前陆与克拉通内拗陷阶段、石炭纪——二叠纪克拉通内拗陷阶段、三叠纪的前陆盆地阶段、侏罗纪——古近纪陆内拗陷盆地阶段和新近纪至今的复合前陆盆地阶段^[14-22]。

塔东地区可划分为库鲁克塔格——孔雀河、阿尔金——车尔臣、满加尔东部——英吉苏——罗布泊等3大断裂系统，其中，库鲁克塔格——孔雀河、阿尔金——车尔臣断裂系对断裂构造的发育演化具有主导作用，阿尔金——车尔臣断裂系统主要形成于加里东晚期——海西早期，库鲁克塔格——孔雀河断裂系统以晚海西期为主要发育期。但各断裂系统具有长期、多期次、继承发育特征。图 2是过古隆1井、古城4井的地震剖面及其断裂解释，可见这些断裂切割层位多、延伸距离长、可深达基底以下。

另外，塔东地区野外露头剖面上在奥陶系蓬莱坝组见辉绿岩、满东1井和满东2井上奥陶统见玄武岩岩脉，地震剖面上识别出11个火成岩体，主要分布在古城台地边缘两侧，古城台缘附近，疑是发育断裂带，是火成岩发育的基础。

3 热液作用的表现形式和标志

斑马状、窗格状构造与角砾化是北美及欧洲碳酸盐岩地层中热液活动重要的岩相学标志^[23]。对海底热水沉积研究表明，钠长石化作为热水沉积的标志性矿物在海底热液成岩成矿作用中可普遍见到，是海底热液与海水混合后的沉淀物^[24]。异形白云石基质与鞍形白云石缝洞胶结物被认为是重要的热液活动证据^[25-26]，同时热液矿物(重晶石、天青石、萤石等)以及白云岩阴极发光特征也是热液流体活动的重要证据。

3.1 第Ⅰ期热液作用的表现形式和标志

在古城6、古城7、古城8井的钻井岩芯薄片、井壁取芯薄片、岩屑薄片中发现灰岩较普遍地存在钠长石化作用(图 3a)，它们具有板状晶形和聚片双晶的特征，电子探针分析证实其Na₂O含量为10.496%~12.276%，SiO₂含量为68.191%~73.242%，CaO含量为0.361%~ 0.384%，K₂O含量为0.003%~0.026%，Al₂O₃含量为15.847%~19.091%，确认其为钠长石，属于高钠长石或歪长石。250个含钠长石的样品中，仅有8个样品在见到钠长石的同时，也见到鞍状白云石，揭示了钠长石化作用主要发育于灰岩中，显示出单独发育的分布特征，与其他期次的成岩作用，特别是热液作用地质现象不伴生，揭示了钠长石化作用是一次单独的成岩事件或热液地质作用事件。

薄片观察还揭示，钠长石主要交代微晶方解石(图 3a)、砂屑微晶方解石(图 3b)、藻黏结微晶方解石、粒间海底方解石胶结物(图 3c)、窗状孔洞方解石方解石、成岩缝洞方解石等沉积组分和早期成岩组分，出现率分别为54.0%、22.4%、22.8%、6.8%、4.4%和4.4%，可受到第Ⅱ期热液鞍状白云石、缝合线及构造裂缝方解石的切割改造，形成的裂缝可较宽——较细、弯曲、不规则、延伸短、无一定组系，裂缝内往往为粒状亮晶方解石完全充填，揭示了钠长石化作用是区内奥陶系碳酸盐岩中第Ⅰ期热液地质作用事件。

3.2 第Ⅱ期热液作用的表现形式和标志

依据钻井岩芯、井壁取芯及岩屑薄片的观察和阴极发光分析，总结出第Ⅱ期热液作用的表现形式和标志，主要表现为各种粒级的白云岩(如中——粗——巨晶脏白云石构成的白云岩(图 3d))，灰岩中的白云石斑块，热液破裂缝洞及其鞍状白云石的填充，局部表现为晶形不好黄铁矿的发育。

阴极射线下不发光或发光暗是此期热液作用的识别标志(图 3f)，可具体表现为组成白云岩的各级粒级的白云石发暗玫瑰红色光或者不发光，分析认为，这可能与这些白云石中Mn含量低或者Mn/Fe比值低有关。此期热液白云石可与第Ⅲ期阴极射线下发亮桔红色光的鞍状白云石构成序列关系，阴极射线下不发光的白云石明显在前，其剩余空间可被沥青充填，受到加里东晚期运动形成裂缝的切割改造，限定它是第Ⅱ期热液地质作用，大致时间在中——晚奥陶世。

3.3 第Ⅲ期热液作用的表现形式和标志

区内第Ⅲ期热液作用的表现形式多种多样，主要为白云岩中热液溶蚀缝洞和白云石斑块的发育，溶蚀缝洞内鞍状白云石或方解石的生长及填充(图 3)，构造裂缝内方解石充填和自生石英生长及石英交代作用，溶蚀缝洞内羽毛状伊利石生长充填，晶形好、晶体大的黄铁矿斑点及斑块的发育。这与第Ⅱ期热液作用主要为各种白云石的发育形成鲜明对比。

阴极射线下发光强或较强是第Ⅲ期热液作用的显著识别标志(图 3i)，可具体表现为溶蚀缝洞边缘和裂缝及缝洞内白云石及方解石具有亮桔红色发光晕圈和光斑块，这与四川盆地中二叠统碳酸盐岩中受东吴期地裂运动玄武岩喷发控制的热液成因白云石及方解石的阴极发光特征非常相似。

此期阴极射线下发桔红色光的鞍状白云石明显形成于阴极射线下不发光的第Ⅱ期热液白云石之后，被印支——燕山期构造缝切割改造，加里东晚期和海西早期构造缝被其切割，因此热液作用时间为二叠纪末海西晚期。

4 热液作用的分布特征 4.1 热液作用现象的地层分布特征 4.1.1 第Ⅰ期热液作用

通过对古城6井、古城7井、古城8井钠长石化现象纵向发育分布的统计，第Ⅰ期热液作用(钠长石化作用)主要在中——下奥陶统鹰山组发育，占比87.20%；其次是下奥陶统蓬莱坝组发育，占比7.20%；第三是在上寒武统下丘里塔格组发育，占比4.40%；中奥陶统一间房组少量见到，占比1.20%。

4.1.2 第Ⅱ期热液作用

塔东隆起带13口井788个样品中均见到第Ⅱ期热液作用现象。总体显示出古城8井、古城7井、古城6井所在区域出现频率更高的特点。纵向上，可见震旦系、寒武系、奥陶系各个层段发育，但主要在奥陶系鹰山组中——下部及其以下地层中发育(图 4)。集中分布于鹰山组、蓬莱坝组、上寒武统等层段。

第Ⅱ期热液作用在寒武系、奥陶系的表现特点有所差异。热液作用导致的重结晶中——巨晶云岩及中——巨晶白云石斑块、热液破裂裂缝或热液破裂角砾化及其鞍状白云石充填现象、热液溶蚀缝洞及其鞍状白云石生长现象仅在寒武系发育。奥陶系鹰山组及蓬莱坝组中，第Ⅱ期热液作用主要导致中——巨晶脏白云石构成的白云岩、粉——巨晶较干净白云石构成的白云岩、灰岩中的中——巨晶脏白云石斑块、灰岩中的中——巨晶较干净白云石斑块的发育。

4.1.3 第Ⅲ期热液作用

据统计，震旦系、中——下寒武统、上寒武统、中——下奥陶统台地碳酸盐岩、下奥陶统斜坡——盆地沉积物、中——上奥陶统盆地沉积物中第Ⅲ期热液作用出现的频率分别为2.23%、16.24%、40.13%、25.16%、9.24%及7.01%，显示出第Ⅲ期热液作用的层位性控制在减弱，虽然在上寒武统及中——下奥陶统碳酸盐岩层系最为发育，但在其他非碳酸盐岩层系也非常发育。揭示出此期热液作用可在多层位发育，但不同层位的表现特点略有差异，不同表现形式的第Ⅲ期热液作用现象的主要发育层段和岩性有明显差异，溶蚀缝洞及其白云石沉淀及改造现象主要在白云岩层段发育，与上寒武统、中——下奥陶统的白云岩层段紧密联系；构造破裂及其方解石、白云石充填现象主要在寒武系、中——下奥陶统的碳酸盐岩层段特别是白云岩段发育；石英生长及交代现象的发育层段及岩性可较广泛；晶形好、晶体大的黄铁矿斑点及斑块现象在斜坡——盆地相沉积物中更为发育。

4.2 热液作用现象的地球化学特征 4.2.1 第Ⅰ期热液作用

本次研究在古城6井岩芯薄片及古城8井5~774.80 m井壁取芯薄片中见到钠长石及其盐水溶液包裹体，均一法温度分析揭示，钠长石的形成温度非常高，可在340.00~440.00℃变化，主要分布在340.00~370.00℃(表 1)；指示了其成岩流体具有高温岩浆热液性质。

4.2.2 第Ⅱ期热液作用

有关样品的碳氧稳定同位素揭示，第Ⅱ期热液产物的碳氧稳定同位素组成特征在奥陶系、寒武系的分布具有明显差异。奥陶系第Ⅱ期热液成因白云石的碳氧稳定同位素δ$^{13}$C$_{\rm{PDB}}$值、δ$^{18}$O$_{\rm{PDB}}$值相对较高，δ$^{13}$C$_{\rm{PDB}}$值在-1.63‰~0.62‰，平均-0.70‰；δ$^{18}$O$_{\rm{PDB}}$值在-8.21‰~-4.69‰，平均-6.48‰。寒武系第Ⅱ期期热液成因白云石的碳氧稳定同位素δ$^{13}$C$_{\rm{PDB}}$值在-0.02‰~1.54‰，平均0.59‰；δ$^{18}$O$_{\rm{PDB}}$值在-11.13‰~-8.22‰，平均-9.68‰(表 1)。

进一步依据有关奥陶系样品白云石包裹体均一法温度、白云石的δ$^{18}$O$_{\rm{PDB}}$值进行了沉淀白云石成岩流体的δ$^{18}$O$_{\rm{SMOW}}$值计算^[27]。中——巨晶脏白云石(Ⅱ$_1$)盐水包裹体的均一法温度为125.90~136.40~℃，平均值为131.15~℃，δ$^{18}$O$_{\rm{PDB}}$值为-8.21‰~-6.25‰，计算得到的成岩流体的δ$^{18}$O$_{\rm{SMOW}}$值为4.95‰~6.94‰；粉——巨晶较干净白云石(Ⅱ$_2$)盐水包裹体均一法温度为137.50~137.90~℃，平均值为137.70~℃，δ$^{18}$O$_{\rm{PDB}}$值为-7.96‰~-4.69‰，计算得到的成岩流体的δ$^{18}$O$_{\rm{SMOW}}$值为5.81‰~9.13‰。对比分析认为，它们揭示了沉淀这些白云石的流体不是海水或者海水来源的卤水，其成岩流体可能为基性岩浆热液来源；沉淀粉——巨晶较干净白云石的成岩流体可能为酸性岩浆热液来源。

尽管其δ$^{18}$O$_{\rm{PDB}}$值与奥陶系第Ⅱ期热液白云石的碳氧稳定同位素组成差异较大，但根据中——巨晶白云石盐水包裹体均一法温度为137.10~152.00~℃，平均值为146.36~℃，δ$^{18}$O$_{\rm{PDB}}$值为-11.13‰~-8.60‰，按照Land公式计算得到的成岩流体的δ$^{18}$O$_{\rm{SMOW}}$值为3.37‰~5.93‰，却与奥陶系第Ⅱ期热液作用成因中——巨晶脏白云石(Ⅱ$_1$)的成岩流体的δ$^{18}$O$_{\rm{PDB}}$值相近，揭示了基性岩浆热液对寒武系早期白云岩的改造作用。

4.2.3 第Ⅲ期热液作用

受取样条件限制，第Ⅲ期热液作用产物的地球化学特征分析主要针对寒武系中的裂缝、溶蚀缝洞内的白云石、方解石、石英充填物进行，因此，本节的讨论也主要针对寒武系。

寒武系第Ⅲ期热液成因白云岩、缝洞内第Ⅲ期热液鞍状白云石、第Ⅲ期热液改造的白云岩的碳氧稳定同位素δ$^{13}$C值均为正值。与上寒武统碳酸盐岩负值的δ$^{13}$C相悖，揭示了碳元素是来源于地层外部的热液，并不是来源于上寒武统。

进一步，根据第Ⅲ期热液白云石盐水包裹体均一法温度为165.40~185.00~℃，平均值为175.20~℃，δ$^{18}$O$_{\rm{PDB}}$值为-13.88‰~-10.75‰，成岩流体的δ$^{18}$O$_{\rm{SMOW}}$值为2.83‰~6.01‰，推测属于基性岩浆热液性质。

寒武系第Ⅲ期热液成因白云石的微量元素组成，中——粗晶云岩和缝洞内生长的鞍状白云石，具有Mn含量更高、Sr含量低、Mn/Sr比值高的特征，Mn含量为(730.72~2~339.70)$\times$10$^{-6}$，平均值为1~315.97$\times$10$^{-6}$；Sr含量为(36.65~126.28)$\times$10$^{-6}$，平均值为76.25$\times$10$^{-6}$；Mn/Sr比值为6.822~36.880，平均值为19.670。而受改造的早期白云岩，具有Mn含量较高、Sr含量较低、Mn/Sr比值较高的特征(表 2)。

显然，受第Ⅲ期热液改造的早期白云岩、第Ⅲ期热液成因白云石相对于未受热液改造白云岩的Mn含量逐渐增大的地球化学行为，除了沉积环境因素造成Mn含量较高的因素外，地层外部富Mn流体的进入是主因，亦揭示了热液流体具有基性岩浆热液来源性质，这与前面成岩流体δ$^{18}$O值的推论不谋而和。

5 热液作用机制及其对储层的改造 5.1 第Ⅰ期热液作用

由前所述，第Ⅰ期热液作用主要导致具有歪长石特征的钠长石化作用，通常与碱性岩浆活动密切相关，主要交代沉积组分及成岩缝洞方解石等早期成岩组分，并被第Ⅱ期热液鞍状白云石交代，被缝合线及构造裂缝方解石切割改造，揭示了这一期热液地质作用发生时期早，可能是沉积作用过程中或刚刚沉积后不久。由此暗示了古城区块古城6井、古城7井、古城8井所在的很小区域内，在寒武系丘里塔格组、奥陶系蓬莱坝组、鹰山组及一间房组下部沉积作用过程中、或沉积后不久存在着碱性岩浆活动，而塔东地区露头剖面上蓬莱坝组发育辉绿岩，也证实早期岩浆的活动。

因此，古城区块古城6井、古城7井、古城8等3口井所在的区域，在寒武系丘里塔格组、奥陶系蓬莱坝组、鹰山组及一间房组下部沉积过程中存在着碱性岩浆活动，先期形成的钠长石与微晶方解石灰泥一起沉积下来，由此形成了钠长石在微晶灰岩及藻黏结微晶灰岩中发育分布的特征，第Ⅰ期热液作用遵循浅海底部热液烟囱模式(图 5)。

分析认为，地下浅部的碱性岩浆作用是钠长石发育的基础，并由浅海底部的热液烟囱流体上升带入，这一热液作用仅导致钠长石与微晶方解石沉积在一起，热液改造作用不强烈，因此，第Ⅰ期热液作用不产生储集空间，于储层形成意义不大。

5.2 第Ⅱ期热液作用

震旦系、寒武系及中——下奥陶统碳酸盐岩沉积之后，晚奥陶世，区内进入到沟——弧——盆体系的鼎盛期，构造及断裂发育，基性、中酸性岩浆活动发育，进入到热液地质作用强烈时期。但由于地层本身的差异，纵向上寒武系、奥陶系的热液作用方式具有差异。由于早期白云石化作用发育，寒武系岩石已完全固结成岩，脆性强，伴随着构造断裂作用，裂缝发育，上升而来的岩浆热液随断裂、裂缝进入寒武系白云岩层段，导致不规则热液破裂缝和溶蚀作用发生^[28]，缝洞附近原来白云岩的重结晶作用暨中——巨晶白云岩或中——巨晶白云石斑块的形成，伴随着早期白云岩的溶蚀，成岩流体趋于对白云石过饱和，导致缝洞内鞍状白云石沉淀。

整个热液作用过程中，上升而来的深部岩浆热液对于流体的运动和循环具有重要控制作用^[29]，但由于此期属热液作用时期，中——下奥陶系统尚未完全固结成岩，压实作用对流体的驱动作用不可小视，两者的联合作用可以推动流体(特别是进入奥陶系的成岩流体)远远超出断裂系统范围，在更广泛的区域发生流动，导致第Ⅱ期热液作用可在广大的区域发生，而不是仅仅在断裂附近。但白云石化作用所需的Mg$^{2+}$离子主要靠寒武——奥陶纪本身提供，并由此导致寒武系第Ⅱ期热液白云石化作用主要在寒武系的早期白云岩层段发育，奥陶系第Ⅱ期热液白云岩及白云石斑块纵向上主要在鹰山组下部及蓬莱坝组发育，横向上在靠近台地内部区域更为发育。断裂、早期白云岩层或相对局限的沉积环境层段或部位是第Ⅱ期热液发育的主要控制因素(图 6)。

5.3 第Ⅲ期热液作用

二叠纪末期，由于塔里木板块和西昆仑、中天山岛弧发生碰撞，包括研究区在内的塔里木广大区域进入又一次构造活跃期，表现为断裂活跃，岩浆侵入和火山喷发活动发育，基性火山岩(玄武岩)和侵入岩(辉绿岩)、中酸性火山岩和侵入岩广泛分布。这一时期，区内的震旦系及下古生界碳酸盐岩及硅质岩、泥岩地层已完全固结成岩，碳酸盐岩特别是白云岩脆性强\upcite{b30}，伴随着断裂作用，裂缝非常发育，硅质岩及泥岩也有脆性，也有裂缝发育。

由此，伴随着岩浆活动上升而来的热液经断裂和裂缝通道广泛进入震旦系及下古生界，并与原有地层流体混合，与地层物质发生反应，并改造地层。断裂及其裂缝通道的发育决定了此期热液作用的发生，原始地层性质决定了热液改造的方向和产物特征，白云岩段岩性脆、容易产生裂缝，热液作用通道条件优越，加之白云岩具有易变化特性，容易遭受改造，导致白云岩段是此期热液作用改造的强烈层段；但此期热液不仅仅限于白云岩段，灰岩段、硅质岩段、泥岩段均可发育，发育特征有异。

白云岩段除了特有的溶蚀缝洞及其鞍状白云石生长、白云石重结晶改造作用外，还可发生缝洞内热液方解石充填、自生石英生长及交代作用、晶形好的黄铁矿斑点——斑块的发育、羽毛状伊利石沉淀生长。灰岩段及泥灰岩段主要发生热液缝洞方解石充填、自生石英生长及交代作用、晶形好的黄铁矿斑点——斑块的发育(图 7)。

溶蚀作用是第Ⅲ期热液地质作用的重要特征之一，热液的溶蚀作用可因深部岩浆及火山活动带来的CO$_2$、H$_2$S酸性流体而发生，还可因碳酸盐矿物随热液温度降低、溶解度增大而溶解(碳酸盐岩的降温倒退溶蚀模式)(图 8)，岩芯、井壁取芯及岩石薄片观察及阴极发光分析表明，与第Ⅲ期热液地质作用有关的热液溶蚀作用在区内分布广泛，区内13口井剖面上均可见到。

鉴于区内白云岩地层和灰岩地层中的晶间孔以及溶蚀缝洞均有被沥青充注或者被成岩矿物严重充填等现象，大大降低储集性能；因此，由第Ⅲ期热液溶蚀形成的溶蚀缝孔洞，与天然气运移聚集匹配良好，构成区内天然气聚集成藏的主要储渗空间。

6 结论

(1) 塔东地区发育3期热液地质作用，其中，第Ⅰ期热液作用主要发育纳长石化作用，交代微晶方解石，主要集中在中——下奥陶统鹰山组发育。第Ⅱ期热液作用在各个层系均发育各种形式的白云岩，主要集中在奥陶系鹰山组中——下部地层，阴极射线下不发光或发暗光是主要识别标志。第Ⅲ期热液作用表现形式主要为发育的构造裂缝被方解石或白云石填充现象，阴极射线下发光强或较强是第Ⅲ期热液作用的显著识别标志。

(2) 根据均一温度及碳氧同位素分析，第Ⅰ期热液作用指示了其成岩流体具有高温岩浆热液性质。第Ⅱ期热液作用在奥陶系与寒武系存在差异，奥陶系揭示了其成岩流体可能为酸性岩浆热液来源，寒武系可能为基性岩浆热液。

(3) 第Ⅰ期热液作用导致沉积在一起的钠长石与微晶方解石使热液改造作用不强烈，不产生储集空间，于储层形成意义不大。第Ⅱ期热液作用可在广大的区域发生，断裂、早期白云岩层或相对局限的沉积环境层段或部位是第Ⅱ期热液发育的主要控制因素。第Ⅲ期热液溶蚀形成溶蚀缝孔洞，与天然气运移聚集匹配良好，构成区内天然气聚集成藏的主要储渗空间。