瑪湖凹陷風(fēng)城組黏土礦物組成特征及其成因

周雪蕾，齊雯，黃玉，張虎權(quán)，潘樹新，吳嘉，方朋

（1.中國(guó)石油 勘探開發(fā)研究院 西北分院，蘭州 730000；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249）

準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷下二疊統(tǒng)風(fēng)城組發(fā)育古老的堿湖相優(yōu)質(zhì)烴源巖，為瑪湖十億噸級(jí)油田提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[1-4]。隨著勘探的深入，以風(fēng)城組堿湖相優(yōu)質(zhì)烴源巖為主要油源的勘探層系不斷取得突破[5]，眾多學(xué)者針對(duì)風(fēng)城組堿湖的沉積背景、沉積序列及生烴演化特征進(jìn)行了廣泛研究。風(fēng)城組沉積前期，氣候呈現(xiàn)干熱與濕熱交替變化[6-7]，伴隨著強(qiáng)烈的火山活動(dòng)[1，3，8-9]，二者共同作用下，形成了高堿度湖泊[7]，發(fā)育一套完整的成堿演化旋回[1，3，6-7，10]。其中風(fēng)二段沉積期為成堿演化高峰期，以嗜堿藻類為主的生物體，在細(xì)菌的分解作用下，幾乎全部轉(zhuǎn)化為無(wú)定形體[1，3，11]，形成大量的優(yōu)質(zhì)生烴母質(zhì)。模擬實(shí)驗(yàn)揭示，堿湖沉積物中的有機(jī)質(zhì)熱演化進(jìn)程緩慢[9，12]，但生油持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)[11-12]，具有連續(xù)生烴的特征[3，9，11-12]，推測(cè)是由于受到火山礦物和堿性礦物影響[10-11]。

黏土礦物作為巖石的重要組成，其類型和含量與成巖作用具有很好的相關(guān)性，可以指示成巖演化的程度[13-14]。一般隨地層埋深增大，成巖作用增強(qiáng)，蒙皂石經(jīng)伊蒙混層轉(zhuǎn)化為伊利石[15-20]。石油的生成過(guò)程也往往與這一成巖變化一致，有機(jī)質(zhì)在蒙皂石大量存在階段尚不成熟，蒙皂石向伊利石轉(zhuǎn)化的階段即為有機(jī)質(zhì)大量生烴階段[21-23]。隨著對(duì)有機(jī)質(zhì)與無(wú)機(jī)質(zhì)相互作用研究的深入，黏土礦物被證實(shí)可以與有機(jī)質(zhì)相互作用，參與有機(jī)質(zhì)的演化及生烴[24-28]。然而，在埋深超過(guò)4 000 m 時(shí)，風(fēng)城組烴源巖中呈現(xiàn)出蒙皂石和伊蒙混層含量仍然較高及伊利石含量始終較低的黏土礦物組成特征。在南襄盆地泌陽(yáng)凹陷核桃園組堿湖沉積物中，也發(fā)現(xiàn)了類似的特征[29]。

本文以準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷風(fēng)城組烴源巖為研究對(duì)象，借助X 射線衍射儀和掃描電鏡，表征風(fēng)城組烴源巖中的黏土礦物特征，并探討其成因。

1 地質(zhì)概況

瑪湖凹陷位于準(zhǔn)噶爾盆地西北部（圖1），面積約5 200 km2?，敽枷菹露B統(tǒng)風(fēng)城組的湖相優(yōu)質(zhì)烴源巖被認(rèn)為是在中國(guó)發(fā)現(xiàn)的最古老的堿湖沉積，上覆中二疊統(tǒng)夏子街組，下伏下二疊統(tǒng)佳木河組[1，7，9，30-31]。

石炭紀(jì)為準(zhǔn)噶爾洋洋殼俯沖的高潮期，前期準(zhǔn)噶爾盆地火山活動(dòng)強(qiáng)烈，總體為濱海—淺?！紊詈３练e，后期盆地周緣地體拼合，開始海退，至二疊紀(jì)早期大洋全面結(jié)束[32-33]。受早期火山活動(dòng)和氣候頻繁變化的影響，下二疊統(tǒng)風(fēng)城組形成了獨(dú)特的“堿湖”[6，7，31]。風(fēng)城組堿湖沉積發(fā)育一個(gè)完整序列，自下而上劃分為風(fēng)一段、風(fēng)二段和風(fēng)三段，各層段巖相差異較大[6]（圖2）。風(fēng)一段沉積前期，火山活動(dòng)強(qiáng)烈，氣候較干旱，火山碎屑巖-沉火山碎屑巖發(fā)育；沉積后期火山活動(dòng)逐漸減弱，氣候較濕潤(rùn)，凝灰質(zhì)泥巖夾雜白云質(zhì)砂巖共同發(fā)育[6-7]。風(fēng)二段沉積期，氣候轉(zhuǎn)向干熱，湖盆萎縮，水體堿性逐漸增強(qiáng)，堿性礦物及泥質(zhì)白云巖發(fā)育，作為主要生烴母質(zhì)來(lái)源的嗜堿菌藻類也大量發(fā)育，共同形成主力烴源巖[3，11，34]。風(fēng)三段沉積期，氣候再次轉(zhuǎn)為濕潤(rùn)，湖平面升高，湖盆開始淡化，以陸源碎屑巖、白云質(zhì)巖沉積為主[3，9-10]。

2 樣品采集及測(cè)試方法

在研究區(qū)風(fēng)城組4 000～4 500 m 深度范圍內(nèi)共采集巖石樣品30 個(gè)，其中風(fēng)南1 井18 個(gè)、風(fēng)南2 井4 個(gè)、風(fēng)南4 井3 個(gè)、風(fēng)南5 井1 個(gè)、風(fēng)南8 井3 個(gè)、風(fēng)南14 井1 個(gè)。選取其中21 個(gè)樣品用于X 射線衍射實(shí)驗(yàn)分析，以獲得黏土礦物相對(duì)含量；9 個(gè)樣品用于掃描電鏡分析，以獲得巖石結(jié)構(gòu)及礦物形態(tài)特征。另外參考了瑪頁(yè)1井8個(gè)樣品的數(shù)據(jù)。

（1）X射線衍射實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)參考SY/T 5163—2018《沉積巖中黏土礦物和常見(jiàn)非黏土礦物X 射線衍射分析方法》，提取黏土礦物并進(jìn)行X 射線衍射實(shí)驗(yàn)。首先對(duì)樣品進(jìn)行前處理，索氏抽提72.0 h 以去除有機(jī)質(zhì)，將抽提后的樣品研磨至粒徑不超過(guò)75 μm，稱量3 g 樣品放入100 mL 燒杯中，加入100 mL 蒸餾水，震蕩攪拌，靜置4.0 h。待黏土成功懸浮，取50 mL 上層黏土溶液離心30 min。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇部分樣品靜置后未懸浮，采用如下方法繼續(xù)去除有機(jī)質(zhì)：在恒溫50 ℃的水浴鍋內(nèi)首先加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的H2O2溶液去除有機(jī)質(zhì)，再加入EDTA 粉末去除碳酸鹽，其間約2 min攪拌一次，直到無(wú)氣泡產(chǎn)生。離心清洗樣品，保證將添加的物質(zhì)清洗干凈。然后取樣涂片，自然風(fēng)干制成自然片，乙二醇飽和7.0～9.0 h制成乙二醇飽和片，馬弗爐500 ℃高溫加熱2.5 h制成高溫片，進(jìn)行測(cè)量。

（2）掃描電鏡實(shí)驗(yàn) 利用ZEISS Crossbeam 540場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電鏡，觀察巖樣中黏土礦物的賦存狀態(tài)。首先將氬離子拋光后的巖石樣品用導(dǎo)電膠粘接在樣品臺(tái)上，然后將粘有巖石樣品的樣品臺(tái)放入聚焦離子束掃描電鏡樣品倉(cāng)內(nèi)，抽真空。待樣品室倉(cāng)內(nèi)真空度達(dá)到儀器要求時(shí)，打開電子束，調(diào)節(jié)電鏡工作距離，使用背散射模式對(duì)巖石表面進(jìn)行觀察。然后將樣品臺(tái)旋轉(zhuǎn)，以使離子束與樣品表面垂直，使用鎵離子束對(duì)樣品進(jìn)行切割處理。接下來(lái)使用配套軟件控制聚焦離子束和掃描電鏡，對(duì)巖石橫截面進(jìn)行連續(xù)切割和成像。

3 風(fēng)城組黏土礦物特征

3.1 黏土礦物組分

根據(jù)測(cè)定，瑪湖凹陷風(fēng)城組烴源巖中，主要的黏土礦物包括蒙皂石、伊蒙混層和伊利石（表1）。

表1 瑪湖凹陷風(fēng)城組黏土礦物相對(duì)含量Table 1.Relative contents of clay minerals in Fengcheng formation，Mahu sag

黏土礦物有2 種組合。①以蒙皂石為主，伊蒙混層和伊利石含量均較低。如風(fēng)南1 井深度4 097.90～4 193.25 m（表1），蒙皂石含量為97%～100%，未檢出伊蒙混層，伊利石相對(duì)含量最高為3%，部分樣品未檢出伊利石。②以伊蒙混層為主，蒙皂石幾乎全部消失，伊利石含量相對(duì)較低。伊蒙混層相對(duì)含量最高為100%，平均超過(guò)80%；伊利石相對(duì)含量最高為36%，部分樣品未見(jiàn)伊利石，平均不足15%，蒙伊混層比為5%～80%，平均達(dá)37%。

3.2 微觀特征

掃描電鏡實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，風(fēng)南2井、風(fēng)南4井和風(fēng)南8井黏土礦物的主要成分為伊蒙混層和伊利石（圖3）。伊蒙混層呈不規(guī)則鱗片或蜂窩狀，大小不等。伊利石一般呈彎曲片狀，有2 種產(chǎn)狀，一種分布在粒表，以孔隙襯里的形式產(chǎn)出；一種分布于粒間，以孔隙充填形式產(chǎn)出。除碎屑顆粒外，伊蒙混層含量高，伊利石含量較低，伊蒙混層未隨著深度增加而減少，這與X 射線衍射分析結(jié)果一致。

如前所述，在一般演化序列中，隨著地層深度增大，成巖作用增強(qiáng)，蒙皂石通過(guò)伊蒙混層向伊利石轉(zhuǎn)化。通常在4 000 m 以深，蒙皂石和伊蒙混層幾乎全部轉(zhuǎn)化為伊利石（圖4、圖5）。如江漢盆地潛江組（1 300～2 300 m）伊利石含量高達(dá)95%，蒙皂石伊利石化幾乎全部完成[35]；在柴達(dá)木盆地西緣下干柴溝組3 500 m 左右，泥頁(yè)巖黏土礦物中伊利石最發(fā)育，相對(duì)含量平均值達(dá)55%，不含蒙皂石[36-37]；鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組泥頁(yè)巖（2 000 m 左右）中，伊利石相對(duì)含量占黏土礦物總量的近60%[38]。風(fēng)城組采樣深度均超過(guò)4 000 m，但其黏土礦物始終以伊蒙混層或蒙皂石為主，平均相對(duì)含量超過(guò)55%，而伊利石卻不足20%，蒙皂石伊利石化進(jìn)程總體緩慢。值得一提的是，泌陽(yáng)凹陷核桃園組堿湖相烴源巖中黏土礦物組成也表現(xiàn)出了類似的特征[29]，核桃園組泥頁(yè)巖伊蒙混層平均相對(duì)含量為62%，伊利石平均相對(duì)含量為36%。2 個(gè)不同時(shí)代、不同地區(qū)的堿湖沉積表現(xiàn)出極為相似的黏土礦物分布規(guī)律，似乎指示著堿湖沉積中蒙皂石的伊利石化進(jìn)程受阻。

4 風(fēng)城組黏土礦物成因

4.1 火山活動(dòng)和氣候條件

文獻(xiàn)資料表明，在火山活動(dòng)強(qiáng)烈或曾經(jīng)發(fā)生過(guò)強(qiáng)烈火山活動(dòng)的地區(qū)，地層中，尤其是火山碎屑含量較高的地層中，通常存在大量自生蒙皂石[17，39-40]。火山物質(zhì)形成于高溫條件下，在進(jìn)入盆地后，經(jīng)歷沉積作用后被埋藏，發(fā)生成巖作用?；鹕剿樾嘉镔|(zhì)成巖變化最突出的是火山玻璃的脫?；饔茫?dāng)處在水介質(zhì)中，則經(jīng)水解脫玻，向沸石、蒙皂石和高嶺石類礦物轉(zhuǎn)化。若水介質(zhì)為堿性或偏堿性時(shí)，凝灰物質(zhì)極易蝕變?yōu)槊稍硎痆41]。因此，以鈣堿系列為主的殼源物質(zhì)、重熔型巖漿系列及陸源碎屑都是形成蒙皂石的較好物源[42]。并且高含量的蒙皂石常與干濕交替氣候相關(guān)，在溫帶半干旱氣候區(qū)，降水較少，組成蒙皂石的可溶性元素可以在地層中積累下來(lái)，為蒙皂石的形成提供物質(zhì)保障[17]。

在石炭紀(jì)—早二疊世，準(zhǔn)噶爾盆地西北緣構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，歷經(jīng)了多次構(gòu)造抬升，期間火山活動(dòng)頻繁，石炭系、下二疊統(tǒng)佳木河組和風(fēng)城組風(fēng)一段均出現(xiàn)火山巖及火山碎屑物質(zhì)，為蒙皂石的形成提供了物質(zhì)保障[1，3，6-7，9-10]。風(fēng)城組沉積期，瑪湖凹陷正處于半干旱的氣候環(huán)境，封閉湖盆在周緣堿性火山活動(dòng)、同沉積火山活動(dòng)及衍生熱液的影響下形成堿湖[7，12，30]。作為堿湖沉積環(huán)境中重要的外源輸入物質(zhì)，火山巖和火山碎屑物質(zhì)在成巖過(guò)程中經(jīng)過(guò)不充分的淋濾作用，產(chǎn)生利于蒙皂石聚積的組分，最終在地層中形成大量蒙皂石[43]。泌陽(yáng)凹陷在元古宙、古生代早期、二疊紀(jì)和侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)，也曾出現(xiàn)過(guò)火山活動(dòng)[44-45]，發(fā)育不同程度的花崗質(zhì)—閃長(zhǎng)質(zhì)巖，火山物質(zhì)在同樣干濕交替的氣候環(huán)境中發(fā)生蝕變作用[46]，促進(jìn)蒙皂石的形成。

4.2 堿性水體中的調(diào)節(jié)作用

前人對(duì)南里海盆地成巖過(guò)程中黏土礦物的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，沉積盆地的水化學(xué)環(huán)境對(duì)沉積后蒙皂石轉(zhuǎn)化的強(qiáng)度有重要影響，隨著水中NaHCO3濃度的增加，蒙皂石的含量增加，而蒙皂石相對(duì)含量與CaCl2濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[47]。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，NaHCO3溶液中的蒙皂石伊利石化進(jìn)程相對(duì)于CaCl2溶液水更加緩慢，其他因素相同的情況下，含有的堿性水介質(zhì)有利于蒙皂石的保存。地層水資料證實(shí)，風(fēng)城組堿湖相沉積物中陰離子以為主（表2），其相應(yīng)的黏土礦物組合也明顯具有蒙皂石伊利石化受抑制的現(xiàn)象，這兩者之間極有可能存在著耦合關(guān)系。

表2 瑪湖凹陷風(fēng)城組沉積物中主要離子組成Table 2.Compositions of main ions in Fengcheng formation sediments in Mahu sag

蒙皂石是由鋁氧八面體和硅氧四面體交錯(cuò)形成的含水層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物，在成巖晚期，八面體中的Al3+取代四面體中的Si4+，置換引起的凈負(fù)電荷使K+進(jìn)入層間，取代黏土層中的陽(yáng)離子（Na+或Ca2+），蒙皂石經(jīng)伊蒙混層逐漸轉(zhuǎn)化為伊利石。蒙皂石伊利石化受時(shí)間、溫度等多種因素的共同影響，有研究詳細(xì)對(duì)比了準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷風(fēng)城組和柴達(dá)木盆地西緣下干柴溝組樣品的古地溫梯度、地層壓力系數(shù)和K+濃度，表明風(fēng)城組堿湖中蒙皂石伊利石化受到了上述因素以外其他因素的影響，如的影響[48]。

Roberson 等人將蒙皂石用CaCl2沖洗至Ca2+飽和，除去Cl-，置于含有和K+的體系中，設(shè)置反應(yīng)溫度270 ℃，反應(yīng)60 d 后仍未見(jiàn)有序伊蒙混層，認(rèn)為蒙皂石中的Ca2+抑制了蒙皂石伊利石化[49]。張俊程等[50]通過(guò)熱模擬實(shí)驗(yàn)觀察蒙皂石向伊利石轉(zhuǎn)化的過(guò)程，發(fā)現(xiàn)隨著伊蒙混層的出現(xiàn)，層間離子中K+含量增加，Ca2+占比逐漸降低，至反應(yīng)結(jié)束時(shí)完全消失。雖然這2 組實(shí)驗(yàn)本質(zhì)都是基于蒙皂石伊利石化過(guò)程中K+置換層間陽(yáng)離子Ca2+，但結(jié)果卻是前者蒙皂石伊利石化受阻，后者蒙皂石經(jīng)伊蒙混層順利轉(zhuǎn)化為伊利石。筆者注意到，這2 項(xiàng)研究的關(guān)鍵區(qū)別在于Roberson 的實(shí)驗(yàn)中含有大量的，這與風(fēng)城組等堿湖沉積盆地中的主要陰離子相同。一個(gè)可能的推測(cè)是，同Roberson 的實(shí)驗(yàn)一樣，風(fēng)城組堿湖沉積時(shí)期水體中富含或，那么一旦有Ca2+從黏土礦物層間被K+置換出，都會(huì)與之迅速結(jié)合形成溶解度極低的CaCO3，生成的CaCO3沉淀，可能會(huì)附著在水巖接觸界面上，從而延緩或阻止K+進(jìn)入層間，進(jìn)而阻礙反應(yīng)的持續(xù)發(fā)生，導(dǎo)致蒙皂石向伊利石的轉(zhuǎn)化減慢。

5 結(jié)論

（1）準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷風(fēng)城組黏土礦物整體以蒙皂石和伊蒙混層為主，伊利石相對(duì)含量較低，有2 種形式：以蒙皂石為主，未見(jiàn)伊蒙混層，伊利石相對(duì)含量極低；以伊蒙混層為主，蒙皂石幾乎全部消失，伊利石含量相對(duì)較低。

（2）氣候環(huán)境和火山巖的發(fā)育造就了風(fēng)城組堿湖相烴源巖中豐富原生蒙皂石的形成。風(fēng)城組沉積前期火山活動(dòng)強(qiáng)烈，周緣中基性火山巖及火山碎屑物質(zhì)為堿湖沉積中蒙皂石的形成提供物質(zhì)來(lái)源，干濕交替的氣候條件促使火山物質(zhì)的水解蝕變形成了大量的蒙皂石。

（3）堿湖黏土礦物的轉(zhuǎn)化過(guò)程中，被K+置換出的Ca2+迅速與堿湖中固有的主要陰離子或結(jié)合形成CaCO3沉淀，新生的CaCO3沉淀附著在水-巖接觸界面，阻礙K+進(jìn)入層間，從而抑制蒙皂石伊利石化的進(jìn)程。