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沉积故事 正确解读“成岩流体化石”里的地质信息:流体包裹体岩相学究竟为什么如此重要

发布日期: 2021-09-02 阅读次数:
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鲁子野, 池国祥, 席斌斌

被捕获在沉积盆地成岩矿物晶格缺陷中的流体包裹体可以被看做是保存至今的 “成岩流体化石”,地质学家常常挖空心思想从这些“流体化石”中寻找古地质流体的信息。目前,流体包裹体研究在地质学领域逐渐扮演了很重要的角色,被广泛应用于沉积成藏、矿床学、构造地质、环境地质等方面的研究中。然而,流体包裹体又常常带来令人迷惑的魔幻故事。优秀的流体包裹体研究各有精彩,而魔幻的包裹体故事都是相似的,Goldstein and Reynolds (1994) 如实地记录了他们的开始:

“笔者听过很多‘恐怖’故事,导师将几件样品交给学生、咨询机构或下属,让他们做流体包裹体研究……这些研究者将几个月的时间投入到了流体包裹体研究中,而样品中可能根本不存在能够用于回答问题的合适的流体包裹体……”(潘立银等, 2015译)。

那么,什么是“能够回答问题的合适的流体包裹体”?我们又该怎么寻找这些包裹体?流体包裹体岩相学是回答这个问题的关键。

一、流体包裹体岩相学

 “流体包裹体岩相学”(Fluid inclusion petrography,或者Petrographic analysis of fluid inclusions)是流体包裹体工作者完成岩石学工作(例如矿物的识别、成岩成矿序列的建立等)之后,在进行包裹体显微测温、拉曼光谱等一系列进阶研究之前的必要工作。“流体包裹体岩相学”主要工作是描述流体包裹体在样品中的类型、分布规律、组合方式等特征。尽管大量学者反复强调流体包裹体岩相学工作的必要性(Roedder, 1979; Goldstein and Reynolds, 1994; Van den Kerkhof and Hein, 2001; Goldstein, 2001, 2012; Chi et al., 2021),但这项工作却常常被忽视,也成了很多“恐怖故事”的由来,因此在进行包裹体研究中首先需要重视其岩相学的研究。

流体包裹体组合(Fluid inclusion assemblage, FIA)是进行包裹体岩相学研究中非常有意义的概念。它被Goldstein and Reynolds (1994) 定义为“the most finely discriminated, petrographically distinguishable group of inclusions”。Bodnar (2003a) 进一步强调FIA是“a group of fluid inclusions that were all trapped at the same time.”引入术语“流体包裹体组合”、并强调“most finely”和“petrographically distinguishable”,其核心目的是希望鉴别出一组在几乎相同的时间、几乎相同的压力温度条件下捕获的流体包裹体。其强调的是,一个包裹体组合是在岩相学上能够判断的、几乎同时被捕获的一组包裹体,而不能仅仅依靠空间位置靠近、均一温度或者成分相近来判断。如果这一组流体包裹体是从单一相态中捕获的,它们理论上应该具有相同的类型、流体密度和成分特征;基于这个假设,我们能够判断包裹体捕获时流体的相态以及包裹体捕获后受到的改造情况。流体包裹体的分布方式则能够帮助我们判断流体包裹体与矿物生长之间的关系,进而判断其所代表的地质意义。

总的来说,流体包裹体岩相学研究能够解读的信息主要包括三个方面:(1)流体包裹体的成因,(2)流体被捕获时的相态和温压特征,以及(3)流体包裹体受改造的程度。这三个方面的观察及正确解释是对后续流体包裹体数据分析及其解释有效性的根本保障,下文将对这三个方面一一进行介绍。

二、流体包裹体的成因

流体包裹体的成因是依据流体包裹体形成与主矿物形成之间的相对时间来定义的,术语“原生”和“次生”分别被用于定义在主矿物生长过程中捕获的流体包裹体和在主矿物生长停止后捕获于愈合裂纹中的流体包裹体(图1A),而那些在主矿物生长过程中捕获于愈合裂纹中的流体包裹体被定义为“假次生”。值得注意的是,术语“原生”和“次生”定义的是包裹体体腔形成的时间,而不是包裹体受到改造的情况。某些流体包裹体研究者也会用“次生”来描述那些在捕获后受到改造的流体包裹体,但这种理解可能会模糊对包裹体成因和受改造情况的描述,笔者不推荐这种用法。

对流体包裹体成因的判断在很多情况下决定了我们能否找到“能够回答问题的合适的流体包裹体”。例如,我们想获得盆地中自生石英的形成信息(流体温度、盐度等),原生包裹体可能能够帮助解决问题。判断流体包裹体成因的依据主要是流体包裹体的分布规律,不少学者以素描图的形式总结了不同矿物中原生包裹体的分布特征(例如Roedder, 1979; Goldstein and Reynolds, 1994; Van den Kerkhof and Hein, 2001)。然而,在实际工作中,由于一个矿物晶体可能捕获了形成时间跨度巨大的多期流体包裹体(包括原生和次生,图1B),使得判断包裹体的成因并不像教科书中理想化的示意图(图1A)那么容易。难以判断成因类型的流体包裹体将不能提供我们需要的信息。事实上,在绝大多数沉积盆地成岩矿物中寻找原生包裹体都是一项困难的工作,例如在埋藏成岩阶段形成的粗晶方解石往往发育大量的次生包裹体,很难寻找到典型的原生包裹体。

对于原生包裹体的判断需要在Goldstein and Reynolds (1994) 和Roedder (1979) 的准则基础上,用照片展示包裹体的分布规律并进行描述,甚至展示所有包裹体测试的原始数据(包括照片、描述和对应的测试数据),让读者和审稿人进行判断(Goldstein, 2003; Chi et al., 2003, 2021)。另外,阴极发光技术能够清晰地展示矿物的生长环带,为识别包裹体的成因类型提供有效帮助(例如Rossi et al., 2002; Poros et al., 2012; Ni et al., 2017)。但是,对于那些难以找到典型原生包裹体的矿物相(图1B),应该尽早放弃用包裹体进行矿物沉淀信息解释的尝试,而不是“测了再说”。

承认大部分流体包裹体成因的不确定性是一件很痛苦的事,但我们必须面对。一些随机分布、离散分布、无序分布、簇状分布的流体包裹体常常被解释成原生包裹体,但这种解释具有很大的风险。例如大量愈合裂纹(次生包裹体)的叠加也可能形成随机、离散、无序分布的流体包裹体,而微裂纹也能控制包裹体呈簇状分布(池国祥和卢焕章, 2008)。因此,针对这些流体包裹体的解释应该非常谨慎,在缺乏对可靠的生长环带中原生包裹体样品进行比较的情况下,应该尽可能避免对这类包裹体的测温数据进行过度解释。如果需要对可能(但不确定)的原生包裹体进行测试,至少要描述它们的实际产状(如孤立分布、簇状分布),而不是简单地把它们标定为原生包裹体。

图1 流体包裹体类型、分布规律和组合方式的模式图

(A)理想的流体包裹体分布模式图,1-富液相气液两相的盐水包裹体共存于生长环带中(可能为原生成因),2-富液相气液两相的盐水包裹体共存于生长环带中(可能为原生成因),3-富液相气液两相油包裹体和纯液相油包裹体共存于生长环带中(可能为原生成因),4-富液相气液两相盐水包裹体和纯液相盐水包裹体共存于愈合裂纹中(可能为次生成因),5-富液相气液两相、富气相气液两相盐水包裹体和纯气相包裹体共存于愈合裂纹中(可能为次生成因),6-富液相气液两相盐水包裹体和富液相气液两相油包裹体共存于愈合裂纹中(可能为次生成因);(B)样品中的流体包裹体常常为原生包裹体和多期次生包裹体叠加,实际样品中包裹体的混乱程度可能比示意图中更加复杂,因为包裹体实际上分布在一个三维空间中。

 

三、流体被捕获时的相态和温压特征

在判断流体包裹体的成因之后,需要进行流体包裹体组合(FIA)的识别,通常来说,单一的愈合裂隙和细分的生长环带中的流体包裹体是最容易识别的FIA(图1 A,图2 A和B)。完成FIA识别之后,需要全面、系统地对不同成因的FIA内流体包裹体的类型和组合方式进行描述,这项工作能够帮助获得这些包裹体的捕获信息。需要指出的是,如果一个样品内找不到FIA(这种情况并不少见),并不意味着流体包裹体工作就不能进行了(池国祥和卢焕章, 2008)。下面讲到的FIA的使用方法,对于非FIA的包裹体也有借鉴作用。

流体包裹体类型的描述通常是基于包裹体内流体的类型(例如,水溶液、气或油)、室温下包裹体内相态的数量、组合方式以及均一时的相态。激光拉曼和荧光技术是判断水、气和油的常用方法(Munz, 2001)。在进行包裹体类型描述时,应该准确而全面地描述包裹体内相态的数量、类型和相对比例(图1A),例如成岩矿物中常见的纯液相盐水/油包裹体、富液相(或富气相)气液两相盐水/油包裹体、纯气相(CH4、CO2等)包裹体、油-气-水三相包裹体等(图1和图2);其中,“富液相/富气相”也可以直接用估测的气泡充填度来替代,例如气泡充填度小于10%的气液两相盐水/油包裹体。

一个FIA内包裹体的组合方式是流体包裹体岩相学描述的重点内容,沉积成岩作用域内常见的高温(>50)/低温(<50℃)、混溶 goldstein="" and="" chi="" et="">50)气液两相不混溶流体中包裹体可能仅捕获了液相、仅捕获气相或者捕获了气液两相,因此会形成三种室温下不同的包裹体组合方式:(1)均为富液相气液两相包裹体(仅捕获了液相端元),(2)均为纯气相包裹体(仅捕获了气相端元),以及(3)富液相、富气相气液两相包裹体和/或纯气相包裹体共生(图1A-5,图2A)。那些从液相端元中捕获的流体包裹体均一温度可以直接用于捕获温度的解释,而那些从气液两相中捕获的流体包裹体均一温度则没有地质意义。那么,怎么确定某个FIA是捕获了一个端元相(均匀捕获)而不是同时捕获两个相(非均匀捕获)呢?在上述情况中,过高的气泡充填度(例如超过50%)和超过估计的最大埋藏温度的均一温度都可能直接指示了非均匀捕获的存在;此外,根据Goldstein and Reynolds (1994), 如果一个FIA内的包裹体的均一温度相差不超过10–15 , 那么可能是均匀捕获,反之,则可能是非均匀捕获。如果一组包裹体不能精确地定为一个FIA,但它们彼此靠近,被捕获的时间可能相近,那么,虽然我们不能严格用相差15 的标准来判断它们是否是均匀捕获,但可以以此作为参考,太大的变化(比如相差30 以上)说明很可能是非均匀捕获,或者捕获后发生了改造作用。

此外,在尝试恢复油包裹体捕获温度和捕获压力时,由于油包裹体的均一温度不能直接代表捕获温度(Munz, 2001; 平宏伟和陈红汉, 2011),我们需要找到与油包裹体共生的盐水包裹体来解决这个问题,也即寻找流体包裹体记录的盐水与油不混溶的流体条件。这时候,一个FIA中油包裹体与盐水包裹体共生组合(图1A-6,图2 C和D)几乎是唯一的、但常常具有强烈主观性的“回答问题的合适的流体包裹体”。然而,即使是油气储层中的成岩矿物,也不太容易找到这类FIA。不顾油包裹体与盐水包裹体的共生关系,在存在油包裹体的储层样品中随意地测试盐水包裹体的均一温度进行油气充注温度的解释,常常获得一些与烃源岩演化、排烃不匹配的结果,这也是一些有机地球化学研究者对流体包裹体手段充满怀疑的重要原因。另外,如果有典型的流体包裹体岩相学证据能够证明油包裹体是原生成因的(图1A-3,例如Poros et al., 2012),那么利用矿物的独立温度计或者测年手段也可能有助于恢复烃类充注和运移的历史。

图2 流体包裹体类型和组合方式的典型照片

(A)单偏光照片,石英,富气相气液两相、富液相气液两相盐水包裹体和纯气相包裹体共存于愈合裂纹中;(B)单偏光照片,方解石,富液相气液两相盐水包裹体和纯液相包裹体共存于愈合裂纹中(Lu et al., 2020);(C)和(D)分别为同一位置的单偏光和荧光照片,富液相气液两相的盐水包裹体和油包裹体共存于愈合裂纹中(Lu et al., 2020)。

 

四、流体包裹体受改造的程度

在沉积成岩作用的温度压力范围内,流体包裹体经历的最常见的捕获后改造作用主要包括三类:(1)拉伸(体腔变大),(2)体腔破裂,和(3)相变后的卡脖子。

包裹体体腔变大会造成包裹体流体密度减小,从而导致均一温度升高,但对盐度影响较小。沉积岩样品中,热再平衡(Thermal reequilibration)是导致包裹体体腔变大的主要原因;它指的是在沉积岩样品经历埋藏时(环境温度升高),盐水包裹体内压的增加大于包裹体环境压力(孔隙流体压力)的增加,当这种内外压差增大到主矿物无法抵抗时,包裹体体腔拉伸、甚至破裂,从而完成泄压的过程(Goldstein and Reynolds, 1994)。主矿物的莫氏硬度越大、体腔越小、体腔形态越规则的包裹体,抵抗这种内外压差的能力越强(Lacazette, 1990; Goldstein and Reynolds, 1994; Bodnar, 2003b)。

体腔破裂会使包裹体体腔被孔隙流体再次充填,均一温度和盐度的变化取决于体腔重新愈合时孔隙流体的密度和盐度。热再平衡、沉积岩压实和抬升过程中形成的微裂纹都可能造成流体包裹体体腔破裂,在持续埋藏的沉积岩样品中,体腔破裂和拉伸可能造成均一温度和/或盐度的单向变大;但在那些经历过显著抬升的样品中(例如露头样品),体腔破裂所造成的包裹体均一温度和盐度的变化可能是无序的。

包裹体内的相变通常发生在流体包裹体环境温度下降的过程中,气泡或者盐类子晶从包裹体流体中析出,而相变后的卡脖子,可能会使原来的一个包裹体变成密度/盐度不同的几个包裹体,对于可能发生过卡脖子的包裹体,大多数情况下应避免针对它们进行测温工作。

方解石、白云石、石膏等沉积岩中常见矿物的莫氏硬度均较低(除了石英以外),这些矿物保存包裹体的能力较弱(Goldstein, 1986; Prezbindowski, 1987; Bodnar, 2003; González-Acebrón et al., 2012)。在一些埋藏深度较大、地温梯度较高的盆地中,成岩矿物中的流体包裹体可能遭受了强烈的后期改造,使得这些包裹体的均一温度和盐度数据无法用于解释它们被捕获时的流体信息。因此,识别和判断包裹体经历的后期改造程度是非常必要的。那么,怎么判断包裹体是否受到改造呢?如前文所述,流体包裹体岩相学上识别的FIA内的流体包裹体理论上具有相同的流体密度、成分和相态组合特征,且同一个FIA内不同大小和形态的包裹体理论上抵抗热再平衡的能力不同。因此,基于FIA对流体包裹体显微测温数据进行可靠性判断、并尝试恢复“真实”的均一温度和冰熔化温度是一种可行的手段。Goldstein and Reynolds (1994) 提出“一致的FIA”(一个FIA内不同大小和形态的包裹体,90%的均一温度数据落在10–15的范围内)是地质上可接受的,尽管这个标准并不总是能满足地质解释的需求,但以FIA为流体包裹体研究的最小单元进行数据分析能够为研究者和读者带来信心。

图3 流体包裹体岩石学工作流程

五、结论

流体包裹体的研究目的是获得古地质流体的温度-压力-成分等信息。进行科学的包裹体研究要建立在Roedder三原则基础上,即1)包裹体是均匀捕获的;2)包裹体体腔在捕获后没有发生体积变化;3)包裹体成分在捕获后没有发生变化;并要准确识别包裹体的成因类型(原生-次生-假次生)。满足这些研究要求需要进行精细的岩相学工作。

流体包裹体岩相学研究的主要内容是识别流体包裹体在样品中的分布规律、类型和组合方式(图3)。我们尝试通过流体包裹体的分布规律来判断流体包裹体的成因,进而解释包裹体指示的地质意义。在流体包裹体成因判断的基础上,识别流体包裹体组合、并描述同一个流体包裹体组合中包裹体的类型和组合方式是流体包裹体显微测温的基础,它们能提供包裹体捕获时的流体相态信息;同时,以FIA为基本单元进行包裹体测温数据的解释有助于判断包裹体捕获后的改造情况。因此,流体包裹体岩相学是流体包裹体显微测温工作的基础,也是大多数情况下展示数据时必须的部分。

不幸的是,由于沉积岩样品中同一个矿物晶体上常常捕获了时间跨度极大的多期包裹体,流体包裹体的成因和FIA的识别常常具有非常强的主观性。因此,详细地展示流体包裹体数据,包括岩相学照片、FIA测试数据及对应的FIA照片,能够快速地帮助审稿人和读者判断流体包裹体数据的可信度。

  

本文第一作者系西南石油大学地球科学与技术学院讲师,第二作者系加拿大里贾纳大学地质系教授,第三作者系中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所高级工程师。本文属作者认识,相关问题交流可通过邮箱Luziyei88@163.com与本人联系。欲知更多详情,请进一步阅读下列参考文献。

 

参考文献

[1]  Bodnar, R.J., 2003a. Introduction to fluid inclusions. In: Samson, I., Anderson, A. and Marshall, D. (eds), Fluid inclusions – analysis and interpretation. Mineralogical Association of Canada, Short Course Series 32, 1–8.

[2]  Bodnar, R., 2003b. Reequilibration of fluid inclusions. Introduction to fluid inclusions. In: Samson, I., Anderson, A. and Marshall, D. (eds), Fluid inclusions – analysis and interpretation. Mineralogical Association of Canada, Short Course Series 32, 213-230.

[3]  Chi, G., Diamond, W.L., Lu, H., Lai, J., Chu, H., 2021. Common Problems and Pitfalls in Fluid Inclusion Study: A Review and Discussion. Minerals, https://dx.doi.org/10.3390/min11010007.

[4]  Chi, G., Zhou, I-M., Lu, H., 2003. An overview on current fluid-inclusion research and applications. Acta Petrologica Sinica, 19(02), 201-212.

[5]  Goldstein, R., 1986. Reequilibration of Fluid Inclusions in Low-Temperature Calcium-Carbonate Cement. Geology 14(9), 792-795.

[6]  Goldstein, R., 2001. Fluid inclusions in sedimentary and diagenetic systems. Lithos, 55(1-4), 159-193.

[7]  Goldstein, R., 2003. Petrographic analysis of fluid inclusions. Introduction to fluid inclusions. In: Samson, I., Anderson, A. and Marshall, D. (eds), Fluid inclusions – analysis and interpretation. Mineralogical Association of Canada, Short Course Series 32, 9-53.

[8]  Goldstein, R., 2012. fluid inclusion geothermometry in sedimentary systems: from paleoclimate to hydrothermal. SEPM special publication, Thermal History Analysis of Sedimentary Basins: 45-63

[9]  Goldstein, R., Reynolds, T., 1994. Systematics of fluid inclusions in diagenetic minerals. SEPM Short Course Notes 31.

[10] González-Acebrón, L., Goldstein, R., Mas, R., Arribas, J., 2012. Easily altered minerals and reequilibrated fluid inclusions provide extensive records of fluid and thermal history: gypsum pseudomorphs of the Tera Group, Tithonian-Berriasian, Cameros Basin. Open Geosciences, 4(2), DOI: 10.2478/s13533-011-0055-x.

[11] Lacazette, A., 1990. Application of linear elastic fracture mechanics to the quantitative evaluation of fluid-inclusion decrepitation. Geology 19(6), 782-785.

[12] Lu, Z., Li, Y., Ye, N., Zhang, S., Lu, C., Li, W., Cheng, Z., Ding, X., Zhu, B., Huang, B., 2020. Fluid Inclusions Record Hydrocarbon Charge History in the Shunbei Area, Tarim Basin, NW China. Geofluids, 1-15.

[13] Munz, I., 2001. Petroleum inclusions in sedimentary basins: systematics, analytical methods and applications. Lithos, 55, 195-212.

[14] Poros, Z., Mindszenty, A., Molna´r, F., Pironon, J., Gyori, O., Ronchi, P., Szekeres, Z., 2012. Imprints of hydrocarbon-bearing basinal fluids on a karst system: mineralogical and fluid inclusion studies from the Buda Hills, Hungary. International Journal of Earth ences, 101(2), 429-452.

[15] Ni, P., Pan, J., Wang, G., Chi, Z., Qin, H., Ding, J., Chen, H., A CO2-rich porphyry ore-forming fluid system constrained from a combined cathodoluminescence imaging and fluid inclusion studies of quartz veins from the Tongcun Mo deposit, South China. Ore Geology Review, 81, 856-870.

[16] Prezbindowski, D., 1987. Experimental Stretching of Fluid Inclusions in Calcite - Implications for Diagenetic Studies. Geology 15(4), 333-336.

[17] Roedder, E., 1979. Fluid inclusions as samples of ore fluids. In: Barnes, H.L. (Ed.), Geochemistry of Hydrothermal Ore Deposits. 2nd edn. Wiley, New York, pp. 684-737.

[18] Rossi, C., Goldstein, R., Ceriani, A., Marfil, R., 2002. Fluid inclusions record thermal and fluid evolution in reservoir sandstones, Khatatba Formation, Western Desert, Egypt: A case for fluid injection. AAPG Bulletin, 86, 1773-1799.

[19] Van den Kerkhof, A., Hein, U., 2001. Fluid inclusion petrography. Lithos, 55, 27-47.

[20] Goldstein, R., Reynolds, T., 1994. Systematics of fluid inclusions in diagenetic minerals. 潘立银, 韦东晓, 王小芳, 2015译. 北京: 石油工业出版社. 

[21] 池国祥, 卢焕章, 2008. 流体包裹体组合对测温数据有效性的制约及数据表达方法. 岩石学报, 2008. 24(9), 1945-1953.

[22] 平宏伟, 陈红汉, 2011. 影响油包裹体均一温度的主要控制因素及其地质涵义. 地球科学:中国地质大学学报, 36(1), 131-138.


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