石鄂地區(qū)下二疊統(tǒng)碎屑巖黏土礦物特征及其成巖意義分析

楊建鵬，劉林玉，趙 亮 (西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系;大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710069)

石鄂地區(qū)下二疊統(tǒng)碎屑巖黏土礦物特征及其成巖意義分析

楊建鵬，劉林玉，趙 亮 (西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系;大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710069)

黏土礦物組合特征及其轉(zhuǎn)化的研究有著巨大的意義，其不僅可以在大的尺度下反映研究區(qū)古氣候環(huán)境特征，也可以在小的尺度下反映儲(chǔ)層成巖作用特點(diǎn)及儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能。利用巖石薄片、掃描電鏡和X衍射及碳氧同位素方法對(duì)石鄂地區(qū)下二疊統(tǒng)儲(chǔ)層碎屑巖黏土礦物進(jìn)行分析。研究表明，研究區(qū)黏土礦物主要有伊蒙混層、伊利石、高嶺石和綠泥石等，其形成的大致順序?yàn)榫G泥石(包繞顆粒表面出現(xiàn))、伊蒙混層、伊利石和高嶺石；次生孔隙的形成與蒙脫石的迅速轉(zhuǎn)化和高嶺石的溶解具有密切關(guān)系；碎屑巖成巖作用發(fā)生在中成巖階段B期;成巖水環(huán)境為弱堿性到弱酸性再到弱堿性。

下二疊統(tǒng)；黏土礦物；成巖意義

石鄂地區(qū)位于鄂爾多斯盆地北部，橫跨伊盟隆起和依山斜坡兩大一級(jí)構(gòu)造單元，總面積9825km2，據(jù)基地頂面起伏、蓋層發(fā)育情況以及構(gòu)造形態(tài)特征又可劃分為烏蘭格爾突起、公卡突起、石鄂斷階、伊陜斜坡及天環(huán)向斜一角等5個(gè)次一級(jí)構(gòu)造單元。晚古生代前石鄂地區(qū)一直處于長(zhǎng)期隆升狀態(tài)，直至晚石炭世以來(lái)開(kāi)始接受沉積，上古生界以不同層位由南向北超覆于太古-元古界基底之上，之后沉積了石炭系太原組和二疊系山西組、下/上石盒子組及石千峰組及中生代沉積，但缺失新生界沉積[1]。其中太原組和山西組發(fā)育泥巖、煤層；山西組、石盒子組和石千峰組主要發(fā)育砂巖和泥巖，分別構(gòu)成了石鄂地區(qū)主要的油氣儲(chǔ)層和蓋層。研究目的層段主要包括山西組和下石盒子組。山西組沉積厚度21.6～90m,平均厚度52.2m，巖性主要為灰白、淺灰色含礫長(zhǎng)石石英砂巖、石英長(zhǎng)石砂巖、巖屑長(zhǎng)石石英砂巖及灰黑、深灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及碳質(zhì)泥巖組成，中下部夾煤線。下石盒子組平均厚度50m，主要巖性為砂質(zhì)巖夾少量泥質(zhì)巖組成，主要包括淺灰綠、灰白、灰黃色塊狀含礫粗～中砂巖、細(xì)砂巖夾紫棕、棕褐及灰綠色泥巖粉砂巖和少量炭質(zhì)泥巖，偶見(jiàn)煤線及砂質(zhì)凝灰?guī)r。下石盒子組按沉積旋回分為3段，各段疊加正沉積旋回性明顯，粒度下粗上細(xì)，每個(gè)旋回底部砂巖中常含細(xì)礫。下面，筆者對(duì)石鄂地區(qū)下二疊統(tǒng)碎屑巖黏土礦物特征及其成巖意義進(jìn)行分析。

1 黏土礦物的類(lèi)型及其分布特征

根據(jù)砂巖薄片、鑄體薄片、X-衍射和掃描電鏡觀察，認(rèn)為砂巖中的黏土礦物以高嶺石、伊利石和綠泥石為主，同時(shí)出現(xiàn)伊/蒙混層。高嶺石主要分布在下二疊統(tǒng)山西組，自形極好，以片狀、書(shū)頁(yè)狀、蠕蟲(chóng)狀分布于碎屑顆粒之間和其表面，堆積松散，保留良好的晶間隙，是重要的儲(chǔ)集空間類(lèi)型之一。伊利石主要分布在下二疊統(tǒng)下石盒子組，以纖維狀、毛發(fā)狀生長(zhǎng)于碎屑顆粒之間充當(dāng)空隙膠結(jié)物或形成黏土薄膜包裹于碎屑顆粒表面，其在井深2600m以下的砂巖中較常見(jiàn)。綠泥石主要在成巖早期出現(xiàn)，常以綠泥石薄膜的形式包裹碎屑顆粒并呈針葉狀、花片狀分布于顆粒之間。蒙脫石在山西組和下石盒子組均有廣泛分布，以蜂窩狀分布于顆粒之間和其表面；自生伊利石-蒙脫石混層礦物在山西組、下石盒子組均有廣泛分布，其生長(zhǎng)形態(tài)多呈彎曲片狀或卷片狀分布于碎屑顆粒表面并形成一層黏土膜。

2 自生黏土礦物的轉(zhuǎn)化及其成巖特征

自生黏土礦物作為成巖作用主要的產(chǎn)物其轉(zhuǎn)化及自身成巖特征對(duì)儲(chǔ)層成巖作用和空隙演化有著重要的意義[2]。這主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：①自生黏土礦物對(duì)成巖作用的催化作用；②脫水作用；③提供交代作用所需要的物質(zhì)離子及物質(zhì)轉(zhuǎn)換間的離子交換作用[3]。其中黏土礦物的脫水作用與儲(chǔ)層空隙演化有著密切的關(guān)系，因而應(yīng)將黏土礦物及其演化作為成巖作用中重要的“序參量”加以研究[4]。此外，自生黏土礦物的發(fā)育與碎屑巖原始物質(zhì)組成、地層溫度、孔隙介質(zhì)及成巖流體環(huán)境也有著密切的關(guān)系[5]。據(jù)石鄂地區(qū)巖心及薄片觀察，分析了研究區(qū)下二疊統(tǒng)山西組-下石盒子組巖石特征，認(rèn)為主要巖石類(lèi)型為巖屑砂巖、長(zhǎng)石巖屑砂巖和少量巖屑石英砂巖。另外，薄片鑒定分析表明，研究區(qū)儲(chǔ)層砂巖碎屑組分主要包括石英、鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、巖屑等，其中石英含量一般為20%～80%，長(zhǎng)石含量一般為10%～45%，巖屑含量一般為10%～70%(巖屑的主要成分為變石英巖巖屑，其次為千枚巖、泥板巖、變粉砂巖、變砂巖及花崗巖巖屑等)。正是碎屑巖特有的物質(zhì)組成和巖石學(xué)特征，決定了碎屑沉積物在沉積期后的成巖過(guò)程形成不同的自生黏土礦物組合。

2.1自生高嶺石

山西組和下石盒子組碎屑巖中廣泛發(fā)育有自生高嶺石(見(jiàn)圖1(a)),其出現(xiàn)與儲(chǔ)層碎屑巖中鉀長(zhǎng)石顆粒大量溶解后提供了大量K+有著密切關(guān)系[6]，而鉀長(zhǎng)石顆粒的大量溶解又與當(dāng)時(shí)濕熱氣候條件下大氣水的化學(xué)淋濾作用引起下石盒子組含煤地層中有機(jī)質(zhì)溶解形成的有機(jī)酸的充注導(dǎo)致地層水pH降低有關(guān)。

2.2自生綠泥石

自生綠泥石的發(fā)育可以有以下幾種方式：①發(fā)育于富含Mg2+、Fe3+等離子的堿性地層水環(huán)境，這種環(huán)境下形成的綠泥石多以單礦物的形式填充粒間空隙，一般不具世代性；②可由蒙皂石通過(guò)綠/蒙混層或高嶺石、伊利石和鉀長(zhǎng)石在富含Mg2+、Fe3+等離子的堿性環(huán)境中轉(zhuǎn)化為綠泥石，這指示儲(chǔ)層處于晚成巖階段；③研究區(qū)綠泥石形態(tài)多呈包膜襯里式產(chǎn)出，部分原生空隙被保留下來(lái)，剩余粒間空隙被其他膠結(jié)物如方解石填充(見(jiàn)圖1(b))，表明其發(fā)育于早成巖階段，并與地層水環(huán)境堿性且富含Mg2+、Fe3+等離子有關(guān)。

圖1 巖石照片圖

2.3伊蒙混層帶和伊利石帶

研究區(qū)山西組和下石盒子組伊蒙混層中蒙脫石含量較低，但也存在明顯的從蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化的漸變帶(2000～2400m)和突變帶(>2400m)，其中蒙脫石含量約10%，這是因?yàn)檠芯繀^(qū)地層物質(zhì)組成缺少基性火山巖碎屑物。此時(shí)，蒙脫石晶格水穩(wěn)定，僅有地層水和過(guò)量的層間水或吸附水脫出[7]，進(jìn)入突變帶后蒙脫石含量突然降至5%以下，這是因?yàn)閮?chǔ)層碎屑巖中鉀長(zhǎng)石的大量溶解(見(jiàn)圖1(c))提供了足夠的K+以交代蒙脫石形成大量伊利石(見(jiàn)圖1(d))，而蒙脫石含量則趨于零，該帶大致處于大于3400m的地層深度。

3 自生黏土礦物的成巖意義

自生黏土礦物的形成不僅與碎屑巖物質(zhì)組成有著密切的關(guān)系還與其沉積埋藏地層環(huán)境和地層流體成分的變化有著直接關(guān)系。因此，研究自生黏土礦物特有的組合特征和成巖轉(zhuǎn)化可以有效反映碎屑巖成巖環(huán)境、所經(jīng)歷的成巖過(guò)程及所處成巖階段。碎屑巖成巖階段可劃分為早、中、晚3個(gè)階段，其中早成巖階段又可分為A期、B期，中成巖階段分為A期、B期和晚成巖期[8]。下二疊統(tǒng)碎屑巖成巖階段在自生黏土礦物組合特征中也有明顯反映，如蒙脫石的出現(xiàn)、綠泥石以薄膜形式開(kāi)始出現(xiàn)和伊/蒙混層無(wú)序(有序度R=0)以及碎屑巖仍以原生空隙為主，均表明其正處于早成巖階段A期；研究區(qū)蒙脫石漸變帶和綠泥石薄膜的廣泛出現(xiàn)，表明地層環(huán)境趨于堿性，并對(duì)應(yīng)著成巖階段已處于早成巖階段B期，此時(shí)蒙脫石開(kāi)始緩慢向伊利石轉(zhuǎn)化，但伊/蒙混層仍無(wú)序，同時(shí)可見(jiàn)自生高嶺石出現(xiàn)(見(jiàn)圖1(a))，此時(shí)碎屑巖正經(jīng)歷強(qiáng)烈的壓實(shí)作用，原生空隙大量減少；蒙脫石的迅速轉(zhuǎn)化和鉀長(zhǎng)石的大量溶解(見(jiàn)圖1(c))，表明地層環(huán)境由早期的弱堿性環(huán)境因油氣的充注而逐漸變?yōu)樗嵝?，同時(shí)也表明碎屑巖已處于中成巖階段A期，此時(shí)碎屑巖空隙以次生孔隙為主；研究區(qū)3300m以下自生高嶺石的溶蝕減少、綠泥石的增多和自生伊利石的出現(xiàn)，表明成巖環(huán)境演化為堿性環(huán)境，同時(shí)也表明碎屑巖已開(kāi)始進(jìn)入中成巖階段B期，此時(shí)，由于白堊世時(shí)構(gòu)造抬升穩(wěn)定、溫度、壓力的變化導(dǎo)致次生孔隙度和有機(jī)質(zhì)演化的間斷，地層趨于靜態(tài)，埋深停止，隨著早期方解石溶解、伊利石的生成，溶蝕作用逐漸被抑制，壓實(shí)作用、膠代作用再次降低砂巖物性，碎屑顆粒間多呈緊密接觸(見(jiàn)圖1(e))，次生空隙也大量減少，巖石趨于致密，含鐵碳酸鹽交代早期的亮晶方解石，并充填于孔隙與后期裂縫中(見(jiàn)圖1(f))；此外，據(jù)裂縫中的充填碳酸鹽的氧、碳同位素測(cè)定(見(jiàn)圖2)，充填物主要為鐵方解石，其碳同位素(δ13C)相對(duì)較輕(分布范圍為-13.95‰～-5.99‰)，氧同位素(δ18O)也較輕(分布范圍為-17.57‰～-12.54‰)，表明主要碳酸鹽類(lèi)型為Ⅱ期碳酸鹽，其主要形成于酸性成巖環(huán)境向堿性成巖環(huán)境過(guò)渡時(shí)期，即中成巖階段B期。

圖2 砂巖裂縫中充填碳酸鹽氧碳穩(wěn)定同位素分布圖

4 結(jié) 論

(1)研究區(qū)下二疊統(tǒng)碎屑巖中主要的幾類(lèi)自生黏土礦物為伊蒙混層、伊利石、高嶺石和綠泥石，其形成的大致順序?yàn)榫G泥石(包繞顆粒表面出現(xiàn))，伊蒙混層，伊利石和高嶺石。

(2)伊蒙混層和伊利石多呈纖維絲發(fā)填充原生空隙；早成巖階段綠泥石多呈包膜襯里式形成綠泥石環(huán)邊降低了壓實(shí)作用的強(qiáng)度并為以后其他膠結(jié)物的形成和次生空隙的發(fā)育提供了機(jī)會(huì)；早成巖階段B期高嶺石的發(fā)育和鉀長(zhǎng)石的普遍溶蝕及中成巖階段A期高嶺石的溶解是次生空隙形成的重要原因。

(3)根據(jù)研究區(qū)碎屑巖成巖作用特征和自生黏土礦物組合類(lèi)型及其轉(zhuǎn)化特征分析，認(rèn)為碎屑巖成巖作用發(fā)生在中成巖階段B期。

(4)成巖環(huán)境富含Mg2+、Fe3+等元素，表明早期地層水環(huán)境為弱堿性環(huán)境(綠泥石環(huán)邊的形成)，成巖環(huán)境中有機(jī)質(zhì)的溶解致使中期地層水環(huán)境變?yōu)槿跛嵝原h(huán)境(鉀長(zhǎng)石的大規(guī)模溶解)，而碳氧同位素特征及高嶺石的溶解表明晚期地層水環(huán)境又轉(zhuǎn)變?yōu)槿鯄A性環(huán)境。

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2013-06-25

楊建鵬 (1987-)，男，碩士生，現(xiàn)主要從事礦物、巖石礦床學(xué)方面的研究工作。

TE122.1

A

1673-1409(2013)26-0050-03

[編輯] 李啟棟