致密砂巖中碳酸鹽膠結(jié)物形成機(jī)制
——以川西坳陷中段龍門山前沙溪廟組砂巖為例

楊永劍，張世華，楊映濤，朱 麗，閻麗妮，張 玲

（中國(guó)石化 西南油氣分公司 勘探開發(fā)研究院，成都 610041）

碳酸鹽膠結(jié)作用是砂巖成巖過程中重要的成巖作用之一，通常也是砂巖致密化的重要因素之一[1]。致密砂巖廣泛分布于中國(guó)的多個(gè)含油氣盆地中[2]，因此對(duì)致密砂巖中碳酸鹽膠結(jié)物的研究至關(guān)重要。文獻(xiàn)［3］以川西豐谷地區(qū)須家河組須四段鈣屑砂巖為例，依據(jù)激光碳氧同位素分析等手段，探討了不同時(shí)期碳酸鹽膠結(jié)物發(fā)育特征及其成巖流體演化特征，并明確了“自產(chǎn)自銷”模式為其白云石膠結(jié)物呈較重碳氧同位素特征的主要原因。文獻(xiàn)［4］以鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng)6段為例，依據(jù)其流體的來源與成巖期次的不同，將碳酸鹽膠結(jié)作用劃分為內(nèi)源碳酸鹽膠結(jié)和外源碳酸鹽膠結(jié)2種類型。文獻(xiàn)［5］以查干凹陷下白堊統(tǒng)巴音戈壁組為例，依據(jù)碳酸鹽膠結(jié)物碳氧同位素特征，將其形成期次劃分為3期，并探討了其多期碳酸鹽膠結(jié)物的特征及成因機(jī)理，明確了Ⅱ期和Ⅲ期碳酸鹽膠結(jié)對(duì)儲(chǔ)集層發(fā)育的破壞性。文獻(xiàn)［6］依據(jù)碳酸鹽膠結(jié)物碳氧同位素等分析手段，明確了柴北緣鄂博梁構(gòu)造帶古近系及新近系儲(chǔ)集層碳酸鹽膠結(jié)物至少存在有4種形成機(jī)制，與有機(jī)質(zhì)脫羧作用有關(guān)的碳酸鹽膠結(jié)物稍晚于油氣充注，可作為油氣充注或運(yùn)移的特征自生礦物。除此之外，文獻(xiàn)［7］—文獻(xiàn)［10］依據(jù)碳氧同位素特征，對(duì)不同地區(qū)儲(chǔ)集層碳酸鹽膠結(jié)物形成期次及其流體性質(zhì)進(jìn)行了研究，由此可見，碳氧同位素分析在碳酸鹽膠結(jié)作用的研究中顯得越來越重要，也是常見的手段之一。

川西坳陷中侏羅統(tǒng)沙溪廟組是川西地區(qū)天然氣主力產(chǎn)層之一，也是典型的致密砂巖儲(chǔ)集層。沙溪廟組儲(chǔ)集層廣泛發(fā)育碳酸鹽膠結(jié)物，是影響其儲(chǔ)集層發(fā)育的重要因素之一，其中龍門山前地區(qū)是川西坳陷沙溪廟組碳酸鹽膠結(jié)物最為發(fā)育的地區(qū)。針對(duì)該地區(qū)沙溪廟組碳酸鹽膠結(jié)作用的研究，是探討其儲(chǔ)集層致密化過程不可或缺的研究?jī)?nèi)容。依據(jù)薄片鏡下觀察、掃描電鏡分析、碳酸鹽碳氧同位素分析、電子探針分析等手段，本文對(duì)研究區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物的發(fā)育特征及形成機(jī)制進(jìn)行分析和探討，旨在明確其碳酸鹽膠結(jié)物形成時(shí)期及其流體特征，為其儲(chǔ)集層致密化過程分析提供理論支持。

1 地質(zhì)背景

川西坳陷是龍門山推覆構(gòu)造帶所形成的前陸盆地，位于四川盆地西部，中三疊世末期，印支運(yùn)動(dòng)引發(fā)了四川盆地西部龍門山造山帶的隆升，四川盆地逐漸由海相沉積轉(zhuǎn)為陸相沉積，進(jìn)入侏羅紀(jì)后，盆地發(fā)育典型陸相沉積。研究區(qū)位于川西坳陷龍門山前構(gòu)造帶中段，西臨龍門山斷裂帶，東接新場(chǎng)構(gòu)造帶及成都凹陷，整個(gè)研究區(qū)位于關(guān)口斷層及彭縣斷層之間（圖1）。

研究區(qū)內(nèi)侏羅系廣泛發(fā)育，自下而上依次為下侏羅統(tǒng)自流井組、中侏羅統(tǒng)千佛崖組和沙溪廟組、上侏羅統(tǒng)遂寧組及蓬萊鎮(zhèn)組。根據(jù)鉆井揭示，研究區(qū)內(nèi)沙溪廟組厚度為700～800 m，為一套砂巖與泥巖的互層，且砂泥巖互層率高，非均質(zhì)性強(qiáng)，局部區(qū)域發(fā)育有礫巖。研究區(qū)沙溪廟組為一套典型的近物源三角洲沉積，由于沉積區(qū)域靠近物源出山口，碎屑物質(zhì)搬運(yùn)距離較短，砂巖以成分成熟度較低的巖屑砂巖為主。根據(jù)薄片鑒定與統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)沙溪廟組砂巖石英含量65.4%，長(zhǎng)石3.5%，巖屑31.1%；其中74%的樣品為巖屑砂巖，次為巖屑石英砂巖。填隙物以方解石膠結(jié)物為主，其次是泥質(zhì)雜基。

2 碳酸鹽膠結(jié)物賦存狀態(tài)

根據(jù)研究區(qū)沙溪廟組761個(gè)樣品薄片鑒定結(jié)果統(tǒng)計(jì)，方解石膠結(jié)物普遍發(fā)育，含量變化也較大，平均含量為12.1%，約65%的樣品方解石膠結(jié)物含量為5.0%～15.0%，近30%樣品方解石膠結(jié)物含量高于15.0%，最高可達(dá)44.0%，大量的膠結(jié)物充填是研究區(qū)儲(chǔ)集層致密化的重要因素之一。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置

根據(jù)薄片鑒定和掃描電鏡分析，研究區(qū)方解石膠結(jié)物主要為粒間膠結(jié)物，少量為交代物或次生孔隙內(nèi)填充物，常以晶粒鑲嵌型及連晶狀出現(xiàn)（圖2a），成分主要為方解石，含少量鐵方解石。通過鏡下觀察，在部分樣品中連晶方解石多呈亮晶狀產(chǎn)出（圖2b），在掃描電鏡下可以觀察到方解石晶形發(fā)育較好（圖2c，圖2d），發(fā)育部分細(xì)晶—微晶方解石膠結(jié)，少量樣品中碎屑顆粒呈漂浮狀的基底式膠結(jié)，這類方解石膠結(jié)物往往形成于成巖早期，在壓實(shí)作用進(jìn)行初期就已經(jīng)發(fā)生了方解石膠結(jié)作用。通過陰極發(fā)光分析（圖2e，圖2f），研究區(qū)沙溪廟組以兩期方解石膠結(jié)為主，一期方解石膠結(jié)發(fā)黃色—橙色光，另一期方解石發(fā)暗橙色光。

3 碳酸鹽膠結(jié)物碳氧同位素特征

本次研究共計(jì)采集龍門山前6口鉆井沙溪廟組碳酸鹽膠結(jié)物碳氧同位素樣品32個(gè)，在縱向上和平面上均覆蓋較完整，能較完整地代表研究區(qū)方解石膠結(jié)物的發(fā)育特征。通過測(cè)試分析，研究區(qū)沙溪廟組方解石膠結(jié)物δ13CPDB為-7.69‰～-2.13‰，平均為-4.34‰，δ18OPDB為-15.34‰～-9.60‰.通過分析（表1）研究區(qū)沙溪廟組中—上部（J2s2—J2s1）樣品δ13CPDB為-5.47‰～-2.13‰，普遍大于-4.00‰，平均為-3.67‰.根據(jù)自然界碳同位素分餾機(jī)理[11]，正常的海相碳酸鹽巖和碳酸鹽膠結(jié)物的δ13CPDB為-4.00‰～4.00‰，屬于無機(jī)碳源，表明其成巖流體受到有機(jī)質(zhì)的脫羧基作用的影響較小，其流體性質(zhì)更趨近于沉積水體。而沙溪廟組下部（J2s3）樣品δ13CPDB為-7.69‰～-3.60‰，普遍小于-4.00‰，平均為-5.58‰，表明其成巖流體受到有機(jī)質(zhì)的脫羧基作用的影響，這可能與沙溪廟組下部更接近生烴層（自流井組、須家河組五段）更容易受到其有機(jī)質(zhì)生烴演化的影響有關(guān)。

方解石形成時(shí)的溫度可以影響其氧同位素值，形成時(shí)的溫度越高，其水體氧同位素值越低，膠結(jié)物的氧同位素值也越小，兩者之間存在函數(shù)關(guān)系[12]：

式中α方解石-水=（1+δ18O方解石/1 000）/（1+δ18O水/1 000）；

δ18O方解石——實(shí)測(cè)方解石氧同位素值；

δ18O水——現(xiàn)代海水氧同位素值；

T——方解石沉淀溫度，℃.

根據(jù)上述公式，在碳酸鹽膠結(jié)物成巖演化序列研究的基礎(chǔ)上，對(duì)研究區(qū)方解石膠結(jié)物沉淀溫度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析（表1）。研究區(qū)方解石膠結(jié)物形成溫度為56.1～101.3℃，其中90%的樣品計(jì)算溫度小于85.0℃，根據(jù)SY/T 5477—2003碎屑巖成巖階段的劃分，其對(duì)應(yīng)成巖階段主要為早成巖階段，少量樣品為中成巖階段。表明研究區(qū)內(nèi)碳酸鹽膠結(jié)作用主要發(fā)生在早成巖階段，對(duì)應(yīng)的時(shí)期約為晚侏羅世—早白堊世。

圖2 研究區(qū)沙溪廟組砂巖碳酸鹽膠結(jié)物發(fā)育特征

表1 研究區(qū)沙溪廟組砂巖方解石膠結(jié)物碳氧同位素分析

4 碳酸鹽膠結(jié)物FeO和MnO特征

本次研究共計(jì)采集研究區(qū)沙溪廟組砂巖碳酸鹽膠結(jié)物電子探針樣品34件，共計(jì)測(cè)試分析點(diǎn)212個(gè)。通過鏡下觀察，結(jié)合該區(qū)方解石膠結(jié)物產(chǎn)狀，將方解石膠結(jié)物分為交代碎屑顆粒方解石、基底式方解石、連晶亮晶方解石及微晶方解石膠結(jié)物4種類型。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果（圖3），基底式方解石膠結(jié)物及連晶亮晶方解石膠結(jié)物的FeO和MnO含量普遍偏低，基本小于1.0%，這類方解石通常形成于成巖作用早期，此時(shí)壓實(shí)作用剛剛開始，顆粒間孔隙較大，易于在孔隙中形成基底式方解石膠結(jié)與連晶亮晶方解石膠結(jié)，其成巖流體為原始沉積水體，受外部流體影響較小，表明沙溪廟組沉積期的沉積水體中Fe和Mn含量較低。

研究區(qū)交代方解石主要以交代長(zhǎng)石顆粒為主，少量交代石英及巖屑顆粒，絕大多數(shù)交代長(zhǎng)石顆粒的方解石FeO和MnO含量均小于1.0%，表明交代作用主要發(fā)生在早成巖階段，受后期深部富Fe和Mn流體的影響較小。

除此之外，有部分樣品FeO和MnO含量較高，這類方解石膠結(jié)物主要為少量交代碎屑顆粒方解石膠結(jié)物及微晶方解石膠結(jié)物，方解石膠結(jié)物中的FeO和MnO含量多數(shù)大于1.0%，高者M(jìn)nO含量達(dá)3.5%，這類方解石的形成可能受到下部富Fe和Mn流體影響。

圖3 研究區(qū)沙溪廟組砂巖方解石膠結(jié)物FeO—MnO含量分布

根據(jù)以上分析結(jié)果，研究區(qū)早期形成的方解石膠結(jié)物中FeO和MnO含量普遍較低，表明其早期流體性質(zhì)是低Fe和Mn的，而部分樣品中存在FeO和MnO含量較高的現(xiàn)象應(yīng)該是受下部富Fe和Mn流體的影響，由此可知，研究區(qū)至少存在有兩期的方解石膠結(jié)。通過樣品統(tǒng)計(jì)來看，F(xiàn)eO和MnO含量大于1.0%的方解石膠結(jié)物約占測(cè)試點(diǎn)的14%，結(jié)合前文碳酸鹽碳氧同位素分析結(jié)果來看，研究區(qū)絕大多數(shù)方解石膠結(jié)物形成于早成巖階段。

方解石膠結(jié)物一般由顆粒邊緣向粒間孔隙內(nèi)部生長(zhǎng)，顆粒邊緣的方解石往往形成時(shí)期較早。但通過同一區(qū)域方解石膠結(jié)物電子探針分析來看，不同測(cè)試點(diǎn)的FeO和MnO含量存在有一定差異，無論是碎屑顆粒邊緣還是膠結(jié)物中央部分（圖4），都存在富FeO和MnO的現(xiàn)象。表明下部流體在儲(chǔ)集層中的運(yùn)移通道可能主要是通過裂縫，而非殘留的孔隙喉道。晚期富Fe和Mn流體主要沿著晚期構(gòu)造形成的裂縫流動(dòng)，起始時(shí)期流體可能對(duì)早期方解石有一定的溶蝕作用，在部分樣品中也有觀察到方解石溶蝕的現(xiàn)象，隨著溶蝕作用的進(jìn)行，流體中的Ca2+含量逐漸增高，當(dāng)達(dá)到一定比例時(shí)，溶蝕作用逐漸減弱至停止，晚期方解石開始沉淀，形成了晚期富FeO和MnO的方解石膠結(jié)物。由于流體主要通過裂縫運(yùn)移，可能在晚期富Fe和Mn流體影響下，在晚期方解石膠結(jié)物形成的同時(shí)，早期形成的方解石膠結(jié)物也在發(fā)生重結(jié)晶作用，造成了顆粒邊緣及膠結(jié)物中央部分均有富FeO和MnO的現(xiàn)象，以及少量連晶亮晶方解石及基底式方解石富FeO和MnO的現(xiàn)象。

圖4 研究區(qū)沙溪廟組砂巖方解石膠結(jié)物電子探針分析

5 碳酸鹽膠結(jié)物形成機(jī)制

通過對(duì)龍門山前沙溪廟組方解石膠結(jié)物微觀鏡下觀察、陰極發(fā)光分析、碳氧同位素分析、電子探針分析等綜合研究結(jié)果，研究區(qū)內(nèi)方解石膠結(jié)物多為晶粒鑲嵌型及連晶狀，特別是在部分樣品中以顆粒漂浮于方解石膠結(jié)物的基底式膠結(jié)，這類膠結(jié)物通常在壓實(shí)作用初期時(shí)便已形成，方解石膠結(jié)作用先于壓實(shí)作用進(jìn)行，表明此時(shí)的沉積水體中有著相對(duì)較豐富的Ca2+來源，在成巖作用早期的水體性質(zhì)是偏堿性的。這可能與研究區(qū)處于龍門山前地區(qū)，河流流經(jīng)龍門山，二疊系、三疊系碳酸鹽巖物源區(qū)能夠?yàn)樗w提供大量的Ca2+，而且研究區(qū)屬于物源出山口的位置，以河流—三角洲沉積為主，水體相對(duì)較淺，此時(shí)富Ca2+水體尚未被大量稀釋，Ca2+含量相對(duì)較高，在富Ca2+的水體的影響下，研究區(qū)形成了大量的基底式及連晶狀方解石膠結(jié)。這可能也是川西坳陷沙溪廟組方解石膠結(jié)物在平面上自山前帶向東含量逐漸降低的主要原因。

隨著成巖作用的繼續(xù)進(jìn)行，壓實(shí)作用逐漸加強(qiáng)，晶粒鑲嵌型的方解石膠結(jié)物開始沉淀，與此同時(shí)長(zhǎng)石顆粒開始溶蝕，形成了方解石交代長(zhǎng)石顆粒的現(xiàn)象。此時(shí)的流體性質(zhì)仍然以孔隙殘留水體為主，總體是一個(gè)封閉的成巖環(huán)境，缺乏外界流體的干預(yù)，至早成巖階段晚期，方解石膠結(jié)物在孔隙內(nèi)大量沉淀，使儲(chǔ)集空間損失殆盡，這也是造成研究區(qū)沙溪廟組儲(chǔ)集層致密化（平均孔隙度為4.85%，平均滲透率為0.188 mD）的主要因素之一。其中沙溪廟組下部由于受到下伏地層（自流井組、須家河組五段）烴源巖演化過程中有機(jī)質(zhì)的脫羧基作用的影響，δ13CPDB相對(duì)偏負(fù)（-7.69‰～-3.60‰，平均為-5.58‰）。

在成巖作用中—后期，構(gòu)造斷裂開啟，沿著構(gòu)造斷裂及破裂縫溝，下部流體對(duì)早期方解石有一定的溶解性，導(dǎo)致了部分早期方解石的溶蝕，但是隨著溶蝕作用的進(jìn)行，流體中的Ca2+含量逐漸增大，晚期方解石開始沉淀。從電子探針分析來看，下部流體富含F(xiàn)e和Mn，這也導(dǎo)致了晚期沉淀的方解石FeO和MnO含量較高。而且在晚期方解石沉淀的同時(shí)，受下部流體的影響，同時(shí)早期形成的方解石膠結(jié)物也在發(fā)生重結(jié)晶作用，造成了顆粒邊緣及膠結(jié)物中央部分均有富FeO和MnO的現(xiàn)象。即使是早期的碳酸鹽發(fā)生重結(jié)晶作用，如果缺乏有效的溝通通道，下部富Fe和Mn流體對(duì)早期方解石重結(jié)晶的影響仍然較弱，因此在絕大多數(shù)連晶亮晶方解石中FeO和MnO含量均較低。

研究區(qū)方解石的溶蝕強(qiáng)度并不大，這可能由于前期方解石大量充填了孔隙，導(dǎo)致后期流體缺乏溝通通道，僅靠后期構(gòu)造坡裂縫，對(duì)早期的方解石溶蝕有限；另一方面，可能是下部流體總體上呈弱酸性，且流體中原有Ca2+含量也相對(duì)較高，隨著方解石溶蝕作用的進(jìn)行，Ca2+含量很快便達(dá)到了過飽和狀態(tài)，開始沉淀晚期方解石。

6 結(jié)論

（1）研究區(qū)侏羅系沙溪廟組砂巖中碳酸鹽膠結(jié)物主要以方解石膠結(jié)物為主，少量含鐵，多以晶粒鑲嵌型及連晶狀出現(xiàn)，平均含量12.1%，主要形成于早成巖階段，對(duì)應(yīng)的成巖溫度為55～85℃，地質(zhì)時(shí)期為晚侏羅世—早白堊世，此外有少量方解石形成于中成巖階段。

（2）早成巖階段流體主要為沉積水體，缺乏外來流體參與，總體上δ13CPDB相對(duì)偏正（-7.69‰～-2.13‰，平均為-4.34‰），其中沙溪廟組中上部δ13CPDB相對(duì)偏正（-5.47‰～-2.13‰，平均為-3.67‰），沙溪廟組下部由于受到下伏地層（自流井組、須家河組五段）烴源巖演化過程中有機(jī)質(zhì)的脫羧基作用的影響，δ13CPDB相對(duì)偏負(fù)（-7.69‰～-3.60‰，平均為-5.58‰）。

（3）在埋藏中晚期，隨著斷裂的發(fā)育，下部富Fe和Mn流體通過斷層溝通進(jìn)入到沙溪廟組砂巖孔隙中，不僅造成了晚期富FeO和MnO方解石的沉淀，同時(shí)也通過重結(jié)晶作用影響到早期形成的方解石膠結(jié)物，這也是部分早期特征方解石富FeO和MnO的主要原因。但是由于早期方解石膠結(jié)非常發(fā)育，使孔隙基本損失殆盡，提供給富Fe和Mn流體的溝通通道相對(duì)不足，晚期流體對(duì)研究區(qū)早期方解石的影響較弱。