自1989年塔中1井取得战略性突破至今，塔中隆起区奥陶系碳酸盐岩油气勘探已取得了重大进展，不整合面附近的风化壳岩溶储层以及塔中Ⅰ号坡折带生物礁型储层一度成为主要的油气勘探领域。然而，近年来的现场勘探成果显示，埋藏条件下矿物的溶解作用产生的次生孔隙，对研究区深埋层段高孔隙带的贡献同样不可忽视。近年来众多研究人员进行了相关研究，并取得了丰硕的成果。

多项证据表明(Jin et al.，2006；Cai et al.，2008；潘文庆等，2009)，塔中地区奥陶系地层中存在热液流体活动，并对一些井段碳酸盐岩起着积极的改造作用(金之钧等，2006；吕修祥等，2006)。同时，研究区奥陶系油气藏中高浓度H₂S也对勘探与开发具有一定的影响，引起了工业界及学术界的高度关注。含硫球状体(元素硫)分布以及黄铁矿和H₂S硫同位素值均表明H₂S为TSR成因(Cai et al.，2001；孙玉善等，2007)。塔中83井鹰山组高蜡原油中检测出了2-硫代金刚烷和C₁₀-C₃₄四氢噻吩系列化合物，进一步证实了H₂S为TSR成因(Jiang et al.，2008; Cai et al.，2009)。

由此看来，热液流体及TSR成因H₂S、CO₂等酸性流体的活动(下文统称为埋藏热液溶蚀流体)将对研究区深埋藏矿物的溶解以及优质储层的形成产生重要作用。然而，迄今并不清楚该类型储层的规模及展布特征，同时这种深部有利储层带的分布规律也知之甚少，这制约了该区深层碳酸盐岩油气勘探的扩大发现。为此，拟在建立研究区埋藏热液溶蚀流体识别标志基础上，探讨这种深埋溶蚀流体在纵横向上的流动特征规律，同时结合研究区实际地质资料，建立深部碳酸盐岩储层的形成与演化模式，为深层碳酸盐岩油气勘探提供依据。

塔中地区位于塔里木盆地中央隆起带中部，呈近东西方向展布，是塔里木古生代克拉通内长期继承性发展的巨型稳定古隆起。加里东期受塔里木板块南缘与北昆仑碰撞影响，研究区由伸展拉张背景逐渐转换为挤压背景，区域隆升强烈，并形成一系列北西走向的冲断褶皱构造带，如塔中Ⅰ号断裂带、2号以及10号构造带；在此期间，中央主垒带经历了较长时间的剥蚀改造和沉积缺失，缺失了鹰山组(O_1-2y)上部、一间房组(O₂yj)、吐木休克组(O₃t)、良里塔格组(O₃l)下部等地层，从而影响了中晚奥陶世的沉积作用。海西早期塔里木陆壳东端与中天山岛弧的碰撞对塔中地区影响较小，仅东南部地区隆升强烈，剥蚀强度较大，志留纪和泥盆纪一直出露地表遭受剥蚀。海西晚期，受塔里木盆地伸展作用影响，研究区泥盆世-石炭世沉积物覆盖的断层，又重新活化并进一步向上断至二叠系。中生代至今塔中地区整体处于平稳沉降阶段，断裂活动较弱，古构造面貌无大的变化。

热液流体是指比地层温度高5~10℃的外部流体(Machel and Lonnee，2002)。不同盆地均发现存在热液流体活动(Chen et al.，2004; Davies and Smith，2006; Cai et al.，2008; 焦存礼等，2011)。塔中地区埋藏-热历史曲线显示(Cai et al.，2001)，该地区奥陶系在古生代期间所经历的最高温度不超过120℃。因此，在古生代期间沉淀的缝洞充填矿物，其均一温度≥125℃即判别为热液成因(表 1)。热液活动还往往伴生一些典型的热液矿物(如重晶石、萤石及闪锌矿等)沉淀，可作为一辅助证据。典型热液矿物或热液矿物组合包括，如TZ45井溶洞中的萤石及石英、TZ12井孔洞中充填的重晶石、萤石以及闪锌矿，TZ243和TZ1井裂缝充填天青石，中4井重晶石-石英-菱铁矿-黄铁矿组合(表 1，金之钧等，2006；吕修祥等，2007；吴茂炳等，2007；朱东亚等，2008)。此外，研究区奥陶系部分油气藏中TSR的发生需要较高的体系温度(＞127℃，Machel，2001)，同样指示了热液流体的活动，而反应中SO₄^2-很可能来自热液流体淋滤中寒武统膏盐层以及下奥陶统中一些硬石膏结核(Cai et al.，2008)。因此，本研究将TSR相关产物的出现如高浓度H₂S、丰富的黄铁矿及硫磺等，也作为塔中地区埋藏热液溶蚀流体的一种重要的识别标志(表 1)。

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 塔中地区部分井段埋藏热液溶蚀流体活动证据汇总 Table 1 A compilation of hydrothermal evidences in some well sections in Central Tarim 井位 层位 深度(m) 岩石矿物学证据 均一温度证据 TSR证据 TZ12 O3l — 重晶石、萤石及石英共存[a,b] 110~148.8℃(n=16)[a,b] 粗晶黄铁矿发育、方解石交代重晶石及典型硫同位素特征[a] O1p 4710~5217 闪锌矿-绿泥石-方解石组合[c,e] 122~153℃[d] TZ18 O1p 4757.48~4849.05 灰岩热褪色[e]、云岩表面密集分布毫米级溶孔并半充填方解石与黄铁矿[c] 101~199[d] — TZ45 O3l 6041~6150 萤石洞层，见石英、重晶石伴生 110~194℃(n＞20)[a,d，e] — TZ162 O1-2y 4907.7 大理岩化 — H2S浓度4.1%及典型硫同位素特征[a] O1p 5978~5981 天青石、重晶石等发育，岩块表面密布细小溶孔[f,g] — — 中4 O1 — 白云岩表面密集分布毫米级溶孔 [c] 102.1~148.3℃ (n=13) [h] — 3609.96 重晶石-石英-菱铁矿-黄铁矿组合 [e] 注：资料来源为[a] Caiet al.(2008);[b]李开开等(2008)；[c]朱东亚等(2008)；[d]吕修祥等(2005)；[e]金之钧等(2006)；[f]吕修祥等(2007)；[g]潘文庆等(2009)；[h]王丹(2009)

表 1 塔中地区部分井段埋藏热液溶蚀流体活动证据汇总 Table 1 A compilation of hydrothermal evidences in some well sections in Central Tarim

在建立塔中地区奥陶系埋藏热液溶蚀流体识别标志的基础上，综合利用各方面数据资料，针对该地区各井位井段进行分析，判断是否发育埋藏热液溶蚀流体，并在平面上及连井剖面上追踪热液流体流动方向，为预测热液流体改造的碳酸盐岩储层提供依据。

研究区NE-SW向与塔中Ⅰ号断裂带近垂直相交的剖面上显示(图 1)，埋藏热液溶蚀流体的分布具有以下特征：(1)Ⅰ号断裂显然为热流体的自下而上运移并注入O₃l组礁滩相储层提供通道；黄铁矿、天青石和石英矿物的沉淀以及所报道的气藏H₂S特征硫同位素(Cai et al.，2009)指示了TSR的发生以及流体的酸性条件，这显然有利于储层的优化改造，大量次生溶蚀孔隙的发育(孙玉善等，2007)对于远离上覆不整合面(TZ44、TZ62及TZ58井O₃s组分别厚达587m、446m及364.5m)的碳酸盐岩储层而言无疑是非常重要的。(2)远离塔中Ⅰ号断裂带的TZ161、TZ162、TZ75及TC1井均 有热液矿物(重晶石、天青石、鞍状白云石及斑状黄铁矿)发育，TZ4-7-38及TZ75井奥陶系油气藏H₂S浓度分别高达1.53%及8.14%，进一步指示了TSR作用的效应；断达基底的高陡断层的活动有利于埋藏热液溶蚀流体的上涌。(3)总体而言，热流体有向构造高点(压力降低方向)流动的趋势(图 1)，先期不整合面的发育以及高陡断裂的活动可能扮演重要角色。

图 1

Fig. 1

图 1 TZ44-TZ62-TZ58-TZ162-TZ75-TC1剖面热液/埋藏溶蚀流体运移示意图 Fig. 1 Diagram of hydrothermal/burial dissolution fluid migration on cross-section TZ44-TZ62-TZ58-TZ162-TZ75-TC1

沿Ⅰ号断裂带的NW-SE向剖面显示(图 2)，沟通基底与奥陶系地层的断裂发育为埋藏热液溶蚀流体的向上运移提供优势运移通道。该类型流体的上涌同样导致了奥陶系储层中热液矿物的沉淀以及TSR反应的发生。最新的研究显示(Cai et al.，2009)，研究区TSR的发生可能有两期(图 2)：早期TSR发生在寒武系-下奥陶统地层内，所产生的H₂S δ³⁴S范围为25‰~29‰，沿断裂向上运移，最终以裂缝充填物形式分布在奥陶系，或成层状分布在志留系；晚期TSR是由热液流体携带中寒武统SO₄^2-进入上奥陶统储层中，并与遇到的烃类发生反应。相对于烃类来说过量的SO₄^2-的存在使得TSR反应过程中硫同位素发生分馏，并导致产生的H₂S具有低δ³⁴S值(15‰~20‰)，而反应残余的SO₄^2-沉淀为重晶石，则具有重硫同位素值特征(42‰~44‰)。

图 2

Fig. 2

图 2 TZ49-TZ45-TZ10-TZ12-TZ16-TZ26剖面热液/埋藏溶蚀流体运移示意图 Fig. 2 Diagram of hydrothermal/burial dissolution fluid migration on cross-section TZ49-TZ45-TZ10-TZ12-TZ16-TZ26

剖面上各井段矿化度数据显示(图 2)，横向上，自TZ12至TZ26井，地层水矿化度值有降低趋势，TZ24-TZ26井尤其偏低；纵向上，下奥陶统地层水矿化度总体高于上奥陶统，这与前人研究结果一致(李鹏春等，2007)。这一方面可能反映了高盐度深埋溶蚀流体作用与流动的结果(Cai et al.，2008)，另一方面也可能指示东部高隆起剥蚀区淡水作用的活跃，这为以往多项研究所证实(邬长武等，2002；焦存礼等，2010)。有意思的是，平面及剖面上均显示(图 2、图 3)，中-东部TZ62、TZ16以及TZ24井区也是是埋藏热液溶蚀流体活动较为强烈的地区，不整合面以下附件井段的溶蚀空间常见天青石、萤石等热液矿物发育(潘文庆等，2009)。由此显示，早期风化壳岩溶作用形成的溶蚀空间很可能是后期埋藏热液溶蚀流体进入储层的有利运移通道。类似的，对于多期风化壳岩溶作用强烈改造的塔中3号及5号断裂带而言，很可能发生后期埋藏热液溶蚀流体的叠加改造。塔中5号断裂带上的TZ5鹰山组地层中可见热液方解石、重晶石、萤石以及鞍状白云石等热液矿物；对于中央主垒带而言，强烈的岩浆上涌可能是部分井区(如TZ18)次生孔隙发育的重要原因；同时风化壳岩溶与埋藏热液溶蚀作用的叠加改造也尤为重要，如TZ4-7-38、TZ75井以及TC1井所处地带经历了加里东中、晚期以及海西期风化壳岩溶作用的强烈改造，同时这些井区储层中赋存高含量的H₂S(高达8.1％)，并发育典型的埋藏溶蚀孔隙(朱东亚等，2008)。

图 3

Fig. 3

图 3 塔中地区奥陶系埋藏热液溶蚀流体活动平面分布图 Fig. 3 Mapped distribution of hydrothermal/burial dissolution fluid activity for the Ordovician in Central Tarim

统计显示，塔中地区近五十口井奥陶系地层存在埋藏热液溶蚀流体活动(图 3)。详细的岩心观察并结合前人工作发现，众多井段碳酸盐岩储层的热液优化改造作用明显，并主要体现在两个方面：1)远离不整合面、无暴露风化迹象的碳酸盐岩发育丰富的次生溶孔，以针状微孔或毫米级细小孔隙为主(图 4a-c)，局部可见到直径较大的溶蚀孔洞、晶洞(图 4d)；这些次生孔隙多有石英、硫磺及黄铁矿等矿物伴生(图 4a)。2)一些古溶洞体系中灰岩角砾及早期沉淀的淡水成因巨晶方解石表面发育丰富次生孔隙、孔洞(图 4e，f)，而这些洞穴内坍塌角砾与风化残积物间多有粗晶白云石、斑状黄铁矿及高温方解石等非淡水成因矿物伴生(图 4e)。在这些热液影响的井位中，工业油气流井约占72％，低产井约占11％，显示井与干井分别占10％与7％。因此埋藏热液岩溶储层可能是研究区奥陶系碳酸盐岩油气勘探中一个重要储层类型。

图 4

Fig. 4

图 4 塔中地区奥陶系碳酸盐岩储层的热液改造现象 (a)-白云岩表面次生孔隙及伴生的硫磺，TZ243，O1p，5717m(距O3l/O1-2y不整合面310m)；(b)-硬石膏晶体被溶蚀，TZ826，O3l，5743.5m(距S/O不整合面1151m)，单偏光；(c)-埋藏方解石胶结物被溶蚀，TZ826，O3l，5694.5m(距S/O不整合面1102m)，单偏光；(d)-砂屑灰岩表面丰富的溶蚀孔洞，TZ42，O3l，5554.3m(距S/O不整合面1108m)；(e)-灰岩角砾间充填粗晶白云石，角砾表面次生溶孔、溶缝发育，TZ408，O1p，4037.2m；(f)-溶洞巨晶方解石表面发育规模不一的次生孔隙，TZ3，O1-2y，3908m Fig. 4 Photographs showing hydrothermal effect on the Ordovician carbonate reservoirs in Central Tarim (a)-solution pores in dolomite with sulfur associated in Well TZ243，O1p，5717m(310m away from the S/O unconformity)，PL;(b)-dissolution pores in anhydrite crystals,TZ826，O3l，5743.5m(1151m away from the S/O unconformity)，PL;(ac)-dissolution pores in burial calcite cement,TZ826，O3l，5694.5m(1102m away from the O3l/O1-2y unconformity);(d)-abundant dissolution pores and vugs in calcarenite,TZ42，O3l，5554.3m(1108m away from the S/O unconformity);(e)-precipitation of coarse cystalline dolomite in inter-breccia porosities and the appearance of secondary porosity on the surface of breccias,TZ408; O1p，4037.2m;(f)-porosity impovement by dissolution in karst-filling calcites,TZ3，O1-2y，3908m

平面上显示(图 5a)，埋藏热液溶蚀流体活跃的井区主要分布于塔中Ⅰ号断裂带附近，岩石破碎带的优质疏导性能显然有利于该类型流体的运移(吕修祥等，2005；张兴阳等，2006)。然而观察发现，近半数的热液井位分布于远离Ⅰ号带的塔中2、3、5及10号断裂带上均有热液井位分布(图 5b)，显然应有其他控制因素。近年来基于研究区新采集的高品质三维地震资料，一系列NE-SW向走滑断裂体系得以识别(李明杰等，2006；张承泽等，2008)。理论上，走滑断裂的一些特征如垂直-亚垂直几何形态、通常与基底岩石的剪切和错位有关、有可能切割下伏砂岩含水层等均有利于热流体的流动(Davies and Smith，2006)，这在众多MVT矿床以及HTD储层实例中均有良好体现(Berger and Davies，1999; Packard et al.，2001，Green and Mountjoy，2005)。此次研究认为，塔中地区奥陶系深部热流体的运移与北东-南西向走滑断裂(与塔中Ⅰ号断裂带交切)的发育同样具有密切关系，并提供相关证据：

图 5

Fig. 5

图 5 TZ82-TZ12井区发育断裂平面分布图(a)和TZ45附近井区O3l组顶面沿层相干属性及走滑断裂分布图(b) Fig. 5 Mapped distribution of faults for TZ82-TZ12 well area(a)and a photograph showing the coherence algorithm of O3l formation around TZ45 well and the distribution of strike-slip faults(b)

(1)走滑断裂发育的部位(平面上断裂密度大)往往是热液井位集中分布的地区。如TZ45井区具负花状构造特征的走滑断裂发育使得该井区成为深部热流体优选的注入点(图 5b)，从而形成O₃l大型的萤石洞层(王嗣敏等，2004；张兴阳等，2006)；TZ82井区同样识别出与塔中Ⅰ号带近于垂直的走滑断裂(图 5)，也是深部热流体优选的改造区(潘文庆等，2009)。(2)远离Ⅰ号带的热液井位多分布于走滑断裂附近，且展布方向与断裂走向一致(图 2)。以TZ83及TZ12井区为例，尽管远离1号带，但受控于NE-SW向走滑断裂带的分布(图 5a)，二者井段均存在明显的埋藏热流溶蚀体活动迹象：TZ83井油气藏中H₂S浓度高达3.75％，并产生丰富的黄铁矿以及2-硫代金刚烷和C₁₀-C₃₄ 四氢噻吩系列等TSR标志性含硫化合物(Jiang et al.，2008; Cai et al.，2009)；TZ12井区同样可见重晶石、萤石及丰富的黄铁矿(表 1)；典型的TSR特征以及热液矿物与Ⅰ号带附近分布的TZ82、TZ821以及TZ826等井相似(图 4b)。(3)走滑断裂发育与深部热流体活动时间吻合，以往研究显示(贾承造，2004；李明杰等，2006)，除晚加里东期外，该组走滑断裂在二叠纪继续活动，沟通了基底与二叠纪地层；尽管目前还没有直接可信的热液矿物年龄数据报道，二叠纪广泛的热事件无疑将增大上下层间温度差，促进热流体的循环对流及上涌(Wood and Hewett，1982)，因此对于塔中地区而言，北东-南西向走滑断裂的活动对二叠纪时期大规模的热液流体运移具有重要意义。

显然，埋藏热液溶蚀流体活动在塔中地区奥陶系碳酸盐岩储层中是具有规模的，并对储层的优化改造有积极的贡献，这主要体现于两个方面：

(1) 对远离不整合面的深部储层的溶蚀和增孔作用(改造部位受控于良好的沉积相带)。塔中Ⅰ号带附近众多井位O₃l组礁滩相储层均有所体现：塔中45井O₃l组6077~6150m良好的萤石洞储层即被认为是由热液流体引发萤石交代方解石形成(金之钧等，2002；朱东亚等，2005)，其储层酸化后获得工业油气流，9mm油嘴日产油300m³，日产气11548m³；近年来中古井区(如中古5、中古7及中古21等)的油气勘探取得了较大突破，部分油气藏中高浓度H₂S(高达4.7％)指示了TSR作用的发生，并与这些井区优质储层的发育可能有密切关系。实质上，这种典型的深埋藏地层溶蚀的现象并不局限于塔中地区：塔河地区TS1井上寒武统深达七、八千米的白云岩地层中孔径达2~3cm的溶蚀孔洞非常发育，并充填鞍状白云石、粗晶白云石、石英以及方解石等矿物；雅克拉地区S15井蓬莱坝组白云岩中也发育良好的孔洞层并充填热液矿物，这两个层段目前被认为是热液流体改造的结果(乔冀超，2008；王丹，2009)。于是有理由相信，塔里木盆地深层碳酸盐岩储层内埋藏热液溶蚀流体活动较为广泛，并能够形成规模性的深埋藏优质储层。

(2) 不整合面之下古溶洞体系的扩容作用。对于处于相对高部位的塔中Ⅰ号带东部、塔中3号、5号以及中央主垒带上的井区而言，部分研究人员认为表生岩溶作用起主导作用，串珠状的岩溶洞穴及溶蚀孔洞构成了研究区的主要储层类型，并提出多项证据(邹元荣和郭书元，2005；闫相宾等，2005；焦存礼等，2010)。然而岩心观察显示，多数溶洞尤其是较大型溶洞在埋藏过程中多数遭到压实破坏甚至坍塌，坍塌角砾岩的充填及后续的压实作用使得原有溶洞空间消失殆尽(图 4e，f)。同时前文已提到，这些井区储层中埋藏热液溶蚀流体活动迹象十分明显，并产生丰富的次生溶蚀孔隙、孔洞(图 4e，f)。塔中58井Tg5界面下发育两套洞穴层，均有良好的油气水产出；两套洞穴层由断裂沟通(图 6a)，且在溶洞内发育石英脉体。由此可以推断，现今两套洞穴层可能为先期风化壳岩溶洞穴经深部热液流体改造而成。塔中69井附近发育沟通深部与浅部地层(Tg5界面)的断裂(图 6b)，与塔中58井相似，不整合面附近以下地层中分布的“羊肉串”溶洞体系很有可能是表生淡水岩溶与深部热液流体共同作用的结果，其中断裂体系为二者的运移起到了很重要的疏导作用(图 6)。

图 6

Fig. 6

图 6 TZ58井附近断裂沟通O3l上下两套洞穴层(a)和TZ69井附近断裂以及奥陶系溶洞体系发育剖面图(b) Fig. 6 Map of two sets of cave systems crossed by a fault located near well TZ58(a)and a photograph showing the faults and cave systems near well TZ69(b)

基于塔中地区埋藏热液溶蚀流体分布、流动方向及运移通道等方面的认识，并结合研究区实际地质概况，本次研究提出如下碳酸盐岩储层的形成与演化模式(图 7)：源于深部地层的埋藏热液溶蚀流体在向上运移过程中，将沿着优势运移通道(走滑断裂)注入储层。流体携带的大量热能及酸性物质(如H₂S及CO₂等)将促使围岩矿物发生溶解或交代作用(Nedkvitne et al.，1993；Machel，2004)，为深部优质储层段的形成提供条件。随后深部流体继续向低压力区运移，并进入加里东/海西期表生岩溶作用形成、但遭到后期埋藏压实破坏的残余溶洞体系进行溶蚀改造，使得被压缩的溶洞空间得以改善，从而形成现今良好的油气储存空间。

图 7

Fig. 7

图 7 塔里木盆地深层碳酸盐岩储层形成与演化模式 Fig. 7 Model showing formation and evolution of deep carbonate reservoirs in Tarim Basin

综合以上论述认为，埋藏热液溶蚀流体活动在塔中地区乃至塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩地层中影响广泛，是以往的油气勘探中被忽视的重要的储存类型，因此应加强埋藏岩溶型储层类型的勘探力度；同时也应认识到，NE-SW向走滑断裂体系对源自深部的埋藏热液溶蚀流体的横向运移起着至关重要的作用，对于该类型储层的勘探应以颗粒灰岩、棘屑灰岩为特征的礁、滩相沉积体为基础，逐步沿走滑断裂由Ⅰ号断裂带向台内拓展；同时多期流体共同作用区域应作为潜在的优质储层目标高度关注，对走滑断裂活动区古溶洞系统的精细雕刻，从热液岩溶角度作储层精细评价与勘探井位优选，将前期理论性研究成果与勘探开发实际相结合，为塔中油气大场面作出贡献。

(1) 建立了适合于研究区的埋藏热液溶蚀流体的识别标志：自生矿物均一温度(成岩流体温度)≥125℃、典型热液矿物及其组合的发育以及与TSR作用相关的特征现象及产物的出现。

(2) 塔中地区埋藏热液溶蚀流体活动范围与北东-南西向走滑断裂的发育有密切关系，后者的发育不仅为埋藏热液溶蚀流体进入台地碳酸盐岩储层提供注入点，同时其疏导作用使得沿断裂走向延伸的台地内部也存在该类型流体的活动(如TZ82-TZ12井区)。早期风化壳岩溶作用改造区产生的孔洞层(如TZ62-TZ16)也是深源流体注入储层的优选部位。

(3) 长期的埋藏压实作用将使得研究区先期表生岩溶形成的溶洞空间难以保存至今，相对晚期的埋藏热液溶蚀流体活动至关重要：它将进入到残存的溶洞体系并发生溶蚀改造作用，扩大溶蚀空间改善储层物性。

(4) 对于深部碳酸盐岩油气勘探而言，应充分认识到埋藏热液溶蚀作用的重要性，拓宽勘探领域；同时，走滑断裂强烈活动地带、埋藏热液溶蚀流体与淡水共同作用区域是可能的优质储层发育部位，是扩大碳酸盐岩油气勘探战果的前景勘探领域。