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纽约州上奥陶纪特伦顿-黑河群热液白云岩储层的成因和特性LanghorneB.SmithJr.摘要：过去的十年来，在纽约州中南部上奥陶纪黑河(BlackRiver)组的横向不连续白云岩中先后发现了20多个新气田。这些白云岩出现在地震资料可以识别的深入基底的扭断层附近。解释认为，分布在狭长的以断层为界的构造低地及其周围的大多数气田都属于负花状构造。断层远处的地层是不渗透的石灰岩，它们构成了有关储层的侧向封闭层。在多数情况下，这些断层消失在上覆的特伦顿(Trenton)组石灰岩和尤蒂卡(Utica)组页岩内。孔隙度主要发育于内壁覆盖有鞍状白云石的孔洞、角砾和裂缝带中。在本次研究所描述的黑河群岩心中，基质孔隙度不常见。深入基底断层附近的白云岩不规则分布以及地球化学和流体包裹体的分析都支持鞍状和基质白云岩具有与断层有关的热液成因。因为处于反常规的构造环境(即构造低地对构造高地)，此类成藏层带多年来都没有被发现。如能采用适当的构造一地层一成岩作用综合模型，就有可能在纽约州的布菜克里弗群和全球的碳酸盐岩地层中发现更多的热液白云岩天然气藏。一研究背景北美洲东部的上奥陶纪特伦顿一黑河群碳酸盐岩发育有横向不连续的白云石化层段，其生产油气已有一个多世纪。1884年首次在俄亥俄州和印地安那州的莱马一印地安纳(Lima-Indiana)构造带(图1)的白云岩内发现了油气。多数白云岩明显与断层有关，因为它们与北一北西到南一南东走向的鲍灵格林(BowlingGreen)断层以及其它断层带成一条直线分布(Wickstrom等，1992)。莱马一印地安纳构造带已产出石油超过了5亿桶，产出天然气也达到了1万亿立方英尺以上(Wickstrom等，1992)，使之成为全球第一个大油田。其后在安大略省(Ontario)的多佛(Dover)以及密歇根州的迪尔菲尔德(Deerfield)和诺斯维尔(Northville)地区受断层控制的白云岩内，又发现了规模稍小但仍为重要发现的油气田(Hurley和Budros，1990)。接下来在特伦顿一黑河群横向不连续白云岩层段获得的重大发现是密歇根州南部的阿尔比恩一锡皮欧(AlbionScipio)构造带(图1)。在一个长50km宽1．6km的雁行排列构造低地带，发育了孔隙性基质白云岩、由鞍状白云石胶结的角砾岩以及由鞍状白云石衬壁的裂缝和孔洞(Hurley和Budros，1990)。阿尔比恩一锡皮欧油气田自发现以来的累计产量已达2．5亿桶油当量以上。后来又在密歇根州和安大略省相继发现了一些规模稍小的油气田。图1.北美洲东部特伦顿-黑河群热液白云岩油气田的分布图1986年在纽约州中南部的黑河群横向不连续的白云岩层中发现了天然气。从那时起，在这套特伦顿一黑河群的横向不连续白云岩中至少新发现了20个油气田(图2)。多数油气田的深度都是2133~3048m。有几口气井的产量都能持续在1000万立方英尺／日以上，最好的一口气井的产量曾连续数月保持在3500万立方英尺／日以上。到2004年底，该井的累计产量已超过150万亿立方英尺，而且至今仍保持着高产水平。这些白云石化的油气田分布在狭长的以断层为界的雁行排列构造坳陷内(Harding，1974；Prouty，1988；Hurley和Budros，1990；Colquhoun，1991)，以及其它的扭断层和可能的正断层上(Wickstrom等，1992)。储集岩相由基质白云岩构成，而在断层附近发育有鞍状白云石胶结的孔洞角砾岩和裂缝。这些储层的侧面由致密的未发生白云石化的灰岩封闭。尽管有些油气田含有大量的溶洞孔隙(阿尔比恩一锡皮欧气田以20m左右的钻头放空而闻名)，但是包括纽约州油气田在内的其它油气田却极少或根本没有溶洞孔隙。Loucks(1999；2003a，b)最近提出，当特伦顿一黑河群坍塌落人下面的寒武系一奥陶系比克曼陶恩群(Beekmantown)碳酸盐岩的大气降水溶洞后，就会发生了角砾岩化作用。随后可以认为是较晚的深埋流体造成了白云石化和矿化作用(Louck1999；2003a，b)。多数研究者都认为，这种斑块状分布的白云岩形成于流体沿深入基底的断层以及所伴生裂缝的向上流动(Harding，1974；Greg和Sibley，1984；Taylor和Sibley，1986；Prouty，1988；Hurley和Budros，1990；Colquhoun，1991；Wickstrom等1992；Coniglio等，1994；Smith等2003；Davies和Smith，2006)，而与大气降水的岩溶无关Prouty(1988)、Hurley和Budros(1990)都认为，密歇根州南部狭长的阿尔比恩一锡皮欧气田形成于左旋走滑断层带上，而且有热流体沿该断层及其裂缝带向上流动，从而使相邻的石灰岩发生了白云石化。解释认为，这些构造凹陷形成于扭张断层作用和负花状构造的发育(Harding，1974；Hurley和Budros，1990)。Wickstrom等(1992)认为，俄亥俄州西北部北西一南东走向的鲍灵格林(BowlingGreen)断层带附近的白云岩具有类似的成因，而Colquhoun(1991)也对安大略省南部希尔曼(Hillman)油气田的成因做了相似的解释。图2.纽约州黑河群白云岩生产油气田分的布图，图中标出了本文讨论的三段岩心的取心位置。最近在纽约州发现的气田同俄亥俄州、密歇根州和安大略省的特伦顿一黑河群的气田相似。在地震可以识别的深人基底的隐蔽断层附近，发育了由鞍状白云石衬壁的孔洞、裂缝和角砾岩以及基质白云岩，而在远离这些断层的位置，黑河群都是未蚀变的石灰岩。本文的目的是介绍在纽约州新发现的白云岩油气田的构造、地层、岩相和地球化学资料，因为所有资料都表明这些油气田是扭断层作用和热液流体自下而上流动的结果。此外，本文还要揭示纽约州油气田和俄亥俄州、安大略省和密歇根州油气田的相似性。蚀变作用的时间和深度是一个长期争论没有得到解决的问题，本文提供的数据将证明白云石化作用和其它热液蚀变作用主要发生于晚奥陶世，也就是在特伦顿一黑河群沉积之后不久埋深还不到1km之时。二地质背景在纽约州和美国东部不少地区都有分布的格伦维尔(Grenville)基底已经历了多次构造事件，产生了许多断层和裂缝带。格林维尔造山运动发生在约1l亿年前(Moore，1986)，其间形成了冲断层和撕裂断层。在格林维尔造山运动之后，北美洲成为超大陆的一部分，在前寒武纪晚期经历了长期(62005500亿年；VanStaal，2005)的裂谷作用。因此这里有许多衰退裂谷带，如罗姆(Rome)槽地、里尔富特(Reelfoot)裂谷和其它许多构造(Burke和Dewey，1973Thomas，1991)，其中有些裂谷带已延伸至纽约州。在张性断层上还伴生有走滑转换断层(Thomas，1991)。在这些早期构造事件中形成的断层很可能在后来的构造事件中复活。在晚前寒武纪超大陆的裂谷作用之后，纽约州位于在纽约岬角发育的被动陆缘之上(Thomas，1991)。中寒武统的波茨丹组砂岩(厚度为0～30米)不整合分布在裂谷基底上，其上覆地层为寒武系一奥陶系毕克曼陶恩群碳酸盐岩和硅质碎屑岩(图3)。在纽约州，毕克曼陶恩由寒武系利特尔福尔斯(LittleFalls)组白云岩组成，利特尔福尔斯组白云岩普遍发育有孔洞、角砾岩和裂缝，局部充填有鞍状白云石、Herkimer菱形石英晶体和碳沥青。碳沥青是在基质中充填有固态烃的碳酸盐矿物。毕克曼陶恩群的上部由特里布斯希尔(TribesHil1)组构成，该组地层在断层附近已发生白云石化，但在远离断层的位置大部分都是石灰岩。它在纽约州摩霍克(Mohawk)峡谷出露地表(Landing等，1996；Smith等，2004)。北美地区的毕克曼陶恩群及其同期地层(Knox，Ellenburger，Arbuckle，St．George和Romaine)构成了密西西比河谷型铅锌硫化物矿床和白云岩油气储层。毕克曼陶恩群之上是全球性的下奥陶纪Knox不整合面。图3.纽约州中部的综合地层柱状剖面图。黑河群的年代为晚奥陶世初期。上覆的黑河群主要由灰泥质和细粒的浅海碳酸盐岩组成，其上覆地层是特伦顿群，由深水泥质灰岩和钙质页岩以及高能浅海相颗粒灰岩和泥粒灰岩组成(Bret和Baird，2002)。特伦顿和黑河群向纽约州东部变薄并在某些地方尖灭，同时向中南部变厚，最近的油气发现多位于此(Rickard，1973)。上覆在特伦顿群之上的是较深水相尤蒂卡(Utica)组页岩，这是一种在北美州东部不少地区都有分布的黑色页岩。这个界面具有穿时性，因为在横向上特伦顿群灰岩向南和向东过渡为尤蒂卡组页岩。尤蒂卡组页岩向上过渡为奥陶系洛林(1orraine)组粉砂岩和昆斯通(Queenston)组砂岩，它们是从晚奥陶世在纽约州大部分地区都存在的塔康(Taconic)山脉进积而来的硅质碎屑岩。塔康造山运动始于晚奥陶世，当时一个岛弧同位于现纽约州以东的原型北美洲陆块碰撞，并一直延续到早志留世(Ettensoh和Brett，2002)。黑河和特伦顿群都含有斑脱土(火山灰)层，其中有些分布距离很大(Kolata等，1996)。这一时期构造活动的其他证据还有：东部前陆盆地的发育、晚奥陶世摩和克(Mohawk)峡谷前陆区的拉伸断裂作用(Bradley和Kidd，1991)、特伦顿群差异性沉降的时空变化，以及在纽约州、肯塔基州和俄亥俄州与特伦顿群和尤蒂卡组相当地层的露头中存在地震层位(seismites)(Pope等，1997；Ettensohn和Brett2002；McLaughlin和Brett，2002)。三方法分析了测井曲线并采用Petra软件作图，然后将图件输入Adobe图解器(Illustrator)以便对图像进行处理。利用切片和薄片对岩芯进行了描述。在纽约州博物馆实验室进行了地球化学取样分析。分别为每一套分析采集了基质白云石、鞍状白云石、方解石和石英的样品。在某些情况下要对岩样进行十字切分，以便从同一个岩样中获得流体包裹体、稳定同位素、痕量元素和锶同位素等数据。流体包裹体的分析是由“流体包裹体技术公司”采用通用的技术和设备完成的。制备了抛光岩心切片并用偏光显微镜进行光学研究。将样品放入气流温度台(由“流体包裹体技术公司”制造)，就可以在加热和冷却期间(一196到+200℃或更高)采用光学方法观察水质包裹体群的单个包体的变化。所捕集流体的相平衡反映了它们的组分和体积密度，而体积密度又与各包裹体的捕集温度、压力和流体组分有关。稳定同位素数值由迈阿密(Miami)大学的PeterSwart测量。在90℃的温度下，采用普通的酸洗方法对样品进行10分钟的处理，并采用FinniganMAT--251仪器对生成的CO2进行分析。采用了标准的等压修正方法。使用常规的计数方法报告了相对于维也纳皮狄组拟箭石的碳和氧的同位素值。亚利桑那州(Arizona)大学的MihaDucea分析了痕量元素和锶同位素。每一块岩样大约取100mg溶入2．5M硝酸，其中约10%用于痕量元素分析。剩余的部分加入3．5M的硝酸中，通过SrSpec色谱柱快速提取Sr，然后把分离出来的Sr重新溶解在1%硝酸中。采用PerkinElmerElanDRGⅡ仪器在弱硝酸中分析了痕量元素。锶同位素是采用VGSector54仪器分析的。在我们的分析过程中，按照美国国家标准局(NBS)的987标准测出的SrSr8687/值为0．71025±1。四有关数据1平面图和横剖面图2是纽约州特伦顿一黑河群热液白云岩生产油气田和油气发现的分布图。这些油气田有很多还处于钻井和扩展阶段，当所有的钻井完成后，此图可能还会有很大变化。特伦顿和黑河群白云岩的分布有助于人们了解它们的成因。在纽约州的大部分地区特伦顿群碳酸盐岩都以石灰岩和泥质灰岩为主，只有少数部分发生了白云石化。这种情况同俄亥俄州、密歇根州和安大略省不同，那些地区的特伦顿群已普遍白云石化，并且其油气产量也要比下伏的黑河群高。此外，纽约州没有白云岩盖层(s