0 引言

碳酸盐胶结物是一种广泛分布于碎屑岩中的自生成岩矿物^[1-3]，它与沉积环境、成岩流体性质、成岩阶段，甚至断裂活动等地质信息关系密切^[4-6]。前人^[7-9]对碳酸盐胶结物的赋存状态、物质来源及成因进行了大量研究，认为碳酸盐胶结物中碳的来源主要为大气降水、海(湖)水和有机质热解生成的有机酸，钙离子来源主要有长石(主要是斜长石)的溶蚀、黏土矿物的转化、碳酸盐岩屑的溶解再沉淀和铝硅酸盐的水化作用；并且不同成岩阶段形成不同类型的碳酸盐胶结物，对储层物性的影响具有差异性，通常早成岩阶段碳酸盐胶结物有利于增强储层抗压实作用，保留更多原生孔隙^{[6, 9-10]}，晚期碳酸盐胶结物溶解又能形成次生孔隙溶蚀带。

研究认为碳酸盐胶结物多存在于原始孔隙度和渗透率较高，并且碳酸盐胶结作用对渗透率的影响要比对孔隙度的影响更明显的砂岩层^[11-12]，其是造成砂岩非均质性强的重要原因^[13-14]。因此，研究碳酸盐胶结物成因，对储层预测及剩余油开发具有重要意义。前人从油田开发及流体差异性的角度对东河塘油田及哈得逊油田(含)隔夹层成因及石油地质意义进行了大量的分析研究^[15-16]。本文以塔里木盆地哈拉哈塘地区为例，从宏观到微观分析了东河砂岩储层中碳酸盐胶结物沉积特征及成因，以期为下一步海相砂岩沉积区优质储层预测及寻找岩性地层圈闭油气藏提供依据。

1 研究区地质背景

研究区位于塔北隆起中部哈拉哈塘凹陷和北部坳陷的满加尔凹陷北部，北邻轮台凸起，东邻轮南低凸起，包括东河塘、哈拉哈塘(狭义)及哈得逊3个区块，区内已发现东河塘油田及哈得逊油田(图 1)^[17-18]。

东河砂岩是一套晚泥盆世—早石炭世的优质海相碎屑岩储层，广泛分布于全盆地。前人将东河砂岩划分为Ⅰ—Ⅳ准层序组共4套砂体，研究区主要发育准层序组Ⅱ—Ⅲ两套砂体^[19]，厚度从北部东河塘地区的200~300 m减薄至哈得逊地区的20~30 m(图 1)^[17]。

物源分析认为，研究区主要发育两种物源供给方式，北部轮台凸起以浪控三角洲的形式向东河塘—哈拉哈塘地区供给沉积物，而哈得逊地区以正常波浪侵蚀下伏地层填平补齐的形式沉积，发育的相带均为无障壁滨岸前滨—临滨亚相^[17]。

通过大量岩心观察分析，结合区域地质资料，建立了砂质滨岸垂向沉积序列，自下而上发育滨外—临滨—前滨沉积，临滨可细分为下临滨、中临滨和上临滨(图 2)。滨外为泥质和粉砂质沉积，生物扰动较强；下临滨为细砂岩及粉砂岩夹灰绿色、灰色泥质纹层，发育波纹层理；中临滨为中砂岩、细砂岩，局部夹灰绿色粉砂岩薄层，发育反粒序层理及缓波状、波状交错层理，沙纹交错层理；上临滨为细砂岩，发育平行层理，槽状、板状交错层理，可见冲洗交错层理和大量生物潜穴；前滨为冲洗交错层理的中、细砂岩，发育典型的分选极好的海滩砂(图 2)。与Clifton经典的砂质滨岸垂向序列^[20]相比缺少后滨亚相，以前滨—临滨亚相为主，其中前滨及上临滨相带砂岩含油性较好，可见大量油迹、油斑及含油纹层。

2 含碳酸盐胶结物的岩性组合类型

前人^[11]研究表明碳酸盐胶结物常发生在砂泥岩接触的位置，说明不同砂泥岩组合样式可能会影响成岩作用的强弱。然而，岩心观察表明，研究区为浪控滨岸环境，纯净的海滩砂和上临滨砂体缺少泥质沉积。碳酸盐胶结物的出现与岩性组合有关，据碳酸盐胶结物的发育特征可识别出4种主要岩性组合类型：Ⅰ类生物潜穴型、Ⅱ类层理纹层型、Ⅲ类薄层灰质砂岩型和Ⅳ类钙质砂岩团块型(图 3)。

2.1 生物潜穴型

碳酸盐胶结物主要发育在砂岩的生物潜穴中。岩心观察可见褐色含油细砂岩中发育灰白色不含油生物潜穴，潜穴滴盐酸强烈起泡，表明为碳酸盐胶结。生物潜穴直径5~12 mm，长3~5 cm，与层面高角度倾斜或近平行，可分支或单独出现，横断面呈圆形或椭圆形(图 3a，b)。单个潜穴形状可弯曲或直管状，局部多个潜穴叠加，形状无规则。生物扰动强烈时可完全破坏原有层理构造，在岩心上见不规则灰白色碳酸盐胶结砂团。此种类型见于上临滨沉积相带，与生物活动密切相关。

2.2 层理纹层型

含碳酸盐胶结物砂岩沿低角度交错层理或平行层理纹层分布，呈纹层状或楔状(图 3c，d)，厚度由层理构造和纹层厚度所决定，通常含碳酸盐胶结物砂岩纹层厚度为1~10 mm，局部夹于层理砂岩中的含碳酸盐胶结物砂岩薄层厚度可达3~5 cm。哈拉哈塘和哈得逊地区前滨海滩与上临滨发育大量低角度交错层理及平行层理，岩心常见含油层及含碳酸盐胶结物砂岩层沿层理交替分布。此种类型与沉积水体矿化度有关。

2.3 薄层灰质砂岩型

此种类型含碳酸盐胶结物砂岩呈薄层状分布，厚度3~10 cm，夹于厚层块状砂岩中。可进一步划分为两种：一种为灰白色灰质中细砂岩夹于灰白色块状粉细砂岩中(图 3e)，上下岩层粒度变细，局部含有泥质纹层，灰质砂岩为薄层状；另一种为灰白色灰质细砂岩夹于含油细砂岩中，含油界面明显(图 3 f)。其形成原因与沉积环境或油气运移有关。

2.4 钙质砂岩团块型

碳酸盐胶结的砂岩呈团块顺层分布，夹于含泥质纹层砂岩或中粗粒砂岩中。碳酸盐胶结的砂岩团块长轴通常小于5 cm，短轴小于2 cm(图 3g，h)。此种类型见于哈得逊地区，主要为蒸发作用的产物^[21]，属于沉积暴露成因。

3 碳酸盐胶结物微观沉积特征

根据薄片及阴极发光资料分析，研究区碳酸盐胶结物类型主要为方解石，其次为含铁方解石，铁白云石和白云石含量极少^[18]。

方解石主要为细晶方解石，染色为红色，充填在大量溶蚀粒间孔、粒内溶孔及少量原生剩余粒间孔中(图 4a，b)。在粒间溶蚀超大孔中，方解石可分期次沉淀(图 4b)。阴极发光薄片中方解石发橘色光，可见发光环带结构(图 4c)，也可见方解石交代碎屑颗粒，甚至只残留碎屑颗粒的轮廓(图 4d)。根据矿物之间的相序关系，分析认为充填在原生剩余粒间孔的方解石形成于早成岩期^[18]，见于生物潜穴型岩性组合；而充填在溶蚀孔中的方解石形成于早成岩晚期至中成岩期，见于各种类型岩性组合。

含铁方解石在染色薄片中显示为紫红色(图 4e)，阴极发光薄片中发橘红色光(图 4f)，见连晶结构，形成于中成岩阶段^[19]。

铁白云石常与白云石共生，铁白云石在正交偏光显微镜下为高级白干涉色(图 4g)，但阴极发光薄片中不发光(图 4h)。

白云石菱形自形晶好，阴极发光薄片中发橘黄色、橘红色光并具发光环带(图 4i)^[18]。

4 碳酸盐胶结物碳氧同位素特征及成因分析

根据碳酸盐胶结物碳氧同位素特征可对其进行成因分析^[22]。碳酸盐胶结物中碳同位素组成能够表明成岩流体中碳的物质来源，而氧同位素组成主要反映胶结物结晶时的温度和流体成分^[23]。

对18件岩心样品进行碳酸盐胶结物同位素分析，样品分析单位为核工业地质研究院。测试结果显示：δ¹³C_PDB值为-7.70‰~-2.80‰，平均为-4.70‰；δ¹⁸O_PDB值为-16.60‰~-11.80‰，平均为-14.70‰(表 1)。根据Keith等^[24]提出的划分海水和淡水相碳酸盐岩的经验公式，计算Z值均小于120，说明研究区碳酸盐胶结物形成时的孔隙流体为陆相淡水，镜下观察见大量晶粒方解石也为淡水相碳酸盐胶结物。

依据研究区碳酸盐胶结物δ¹³C_PDB的特征分析，该δ¹³C_PDB值既不符合有机酸脱羧作用生成的CO₂具有碳同位素高负值(δ¹³C_PDB值为-20‰左右)特征^[25]，也有别于生物成因碳酸盐δ¹³C_PDB为-11‰~-4‰的界定范围^[26]。结合研究区实际资料分析，该区Ⅰ类生物潜穴型岩性组合应存在生物成因碳酸盐胶结物，Ⅱ、Ⅲ类岩性组合说明存在有机酸脱羧作用形成的碳酸盐胶结物，Ⅳ类钙质砂岩团块型岩性组合应有暴露成因(δ¹³C_PDB值为-7‰左右)的作用。造成研究区碳酸盐胶结物δ¹³C_PDB既高于有机酸脱羧作用生成的CO₂具有碳同位素高负值、又高于生物成因碳酸盐δ¹³C_PDB的原因可能是成岩作用中有外来重碳源的加入。鉴于研究区东河砂岩下部局部与奥陶系接触，而研究区东侧的轮南低凸起又发育下奥陶统海相灰岩，其δ¹³C_PDB值为-2.9‰~0.5‰，大部分介于-1.5‰~0，平均为－0.9‰；可以推断，轮南低凸起下奥陶统灰岩的溶解导致了成岩水体矿化度较高，是造成研究区碳酸盐胶结物δ¹³C_PDB较高的主要重碳来源途径。

根据碳酸盐胶结物的形成温度计算公式^[27]，计算结果显示碳酸盐胶结物形成温度为74.67~149.69 ℃, 大部分样品温度值大于100 ℃，说明碳酸盐胶结物形成时间较晚，处于深埋阶段，此温度区间也是有机质生排烃的主要时期。

综合碳酸盐胶结物碳氧同位素特征分析，碳酸盐胶结物的生成与有机酸脱羧作用有关，并且碳氧同位素之间呈正相关^[18]，表明碳同位素所反映的物质来源和氧同位素所反映的温度关系之间是有联系的。有机质热解生成有机酸，有机酸脱羧作用可生成CO₂和烃类，并且CO₂可以先于或者同时于油气运移期进入储层内溶于埋藏压实后的储层地层水中形成碳酸溶液，有机酸与碳酸溶液溶解储层砂岩中的长石和易溶岩屑(中酸性火山岩岩屑、碳酸盐岩屑等)及早期碳酸盐胶结物，生成二氧化硅和Ca²⁺，并形成大量粒间溶孔及粒内溶孔，造成早期碳酸盐胶结物(包括Ⅰ类和Ⅳ类岩性组合中的碳酸盐胶结物)被一定程度的溶蚀破坏，在酸性介质中沉淀二氧化硅形成石英次生加大边。随着溶蚀作用发生，有机酸逐渐消耗殆尽，成岩环境由酸性变为碱性还原环境，三价铁离子被还原为二价铁离子，其后有机酸脱羧生成的CO₂与Ca²⁺、Fe²⁺结合沉淀为方解石、含铁方解石和铁白云石，并填充于大量粒间溶孔及粒内溶孔中，局部交代碎屑颗粒，这与镜下观察的碳酸盐胶结物类型特征相吻合。这种作用不仅再改造形成Ⅰ类和Ⅳ类岩性组合中的碳酸盐胶结物，而且形成Ⅱ、Ⅲ类岩性组合中的碳酸盐胶结物。由于前滨及上临滨相带平行层理及低角度交错层理(冲洗交错层理)发育，油气沿层理充注，因此Ⅱ、Ⅲ类岩性组合的岩心中常见含油层与碳酸盐胶结层交替的特征。

5 结论

1) 塔里木盆地哈拉哈塘地区东河砂岩段中含碳酸盐胶结物的砂岩层岩性组合有4类：Ⅰ类生物潜穴型、Ⅱ类层理纹层型、Ⅲ类薄层灰质砂岩型、Ⅳ类钙质砂岩团块型；碳酸盐胶结物类型主要为方解石，其次为铁方解石，主要填充在溶蚀粒间孔及粒内溶孔中。

2) 碳酸盐胶结物主要为有机酸脱羧成因，常见于Ⅱ、Ⅲ类岩性组合；少量碳酸盐胶结物为生物或沉积暴露成因，主要见于Ⅰ类和Ⅳ类岩性组合；东河砂岩储层碳酸盐胶结物δ¹³C_PDB较高的关键原因是东侧轮南低凸的奥陶系碳酸盐岩地层侵蚀溶蚀供给。