石鄂地區下二疊統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 (西北大學地質學系;大陸動力學國家重點實驗室， 陜西 西安 710069)

石鄂地區下二疊統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 (西北大學地質學系;大陸動力學國家重點實驗室， 陜西 西安 710069)

黏土礦物組合特征及其轉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古氣候環境特征，也可以在小的尺度下反映儲層成巖作用特點及儲層儲集性能。利用巖石薄片、掃描電鏡和X衍射及碳氧同位素方法對石鄂地區下二疊統儲層碎屑巖黏土礦物進行分析。研究表明，研究區黏土礦物主要有伊蒙混層、伊利石、高嶺石和綠泥石等，其形成的大致順序為綠泥石(包繞顆粒表面出現)、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化和高嶺石的溶解具有密切關系；碎屑巖成巖作用發生在中成巖階段B期;成巖水環境為弱堿性到弱酸性再到弱堿性。

下二疊統；黏土礦物；成巖意義

石鄂地區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構造單元，總面積9825km2，據基地頂面起伏、蓋層發育情況以及構造形態特征又可劃分為烏蘭格爾突起、公卡突起、石鄂斷階、伊陜斜坡及天環向斜一角等5個次一級構造單元。晚古生代前石鄂地區一直處于長期隆升狀態，直至晚石炭世以來開始接受沉積，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育泥巖、煤層；山西組、石盒子組和石千峰組主要發育砂巖和泥巖，分別構成了石鄂地區主要的油氣儲層和蓋層。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、淺灰色含礫長石石英砂巖、石英長石砂巖、巖屑長石石英砂巖及灰黑、深灰色泥巖、粉砂質泥巖及碳質泥巖組成，中下部夾煤線。下石盒子組平均厚度50m，主要巖性為砂質巖夾少量泥質巖組成，主要包括淺灰綠、灰白、灰黃色塊狀含礫粗～中砂巖、細砂巖夾紫棕、棕褐及灰綠色泥巖粉砂巖和少量炭質泥巖，偶見煤線及砂質凝灰巖。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，每個旋回底部砂巖中常含細礫。下面，筆者對石鄂地區下二疊統碎屑巖黏土礦物特征及其成巖意義進行分析。

1 黏土礦物的類型及其分布特征

根據砂巖薄片、鑄體薄片、X-衍射和掃描電鏡觀察，認為砂巖中的黏土礦物以高嶺石、伊利石和綠泥石為主，同時出現伊/蒙混層。高嶺石主要分布在下二疊統山西組，自形極好，以片狀、書頁狀、蠕蟲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，是重要的儲集空間類型之一。伊利石主要分布在下二疊統下石盒子組，以纖維狀、毛發狀生長于碎屑顆粒之間充當空隙膠結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。綠泥石主要在成巖早期出現，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，其生長形態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 自生黏土礦物的轉化及其成巖特征

自生黏土礦物作為成巖作用主要的產物其轉化及自身成巖特征對儲層成巖作用和空隙演化有著重要的意義[2]。這主要體現在如下幾個方面：①自生黏土礦物對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離子及物質轉換間的離子交換作用[3]。其中黏土礦物的脫水作用與儲層空隙演化有著密切的關系，因而應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，自生黏土礦物的發育與碎屑巖原始物質組成、地層溫度、孔隙介質及成巖流體環境也有著密切的關系[5]。據石鄂地區巖心及薄片觀察，分析了研究區下二疊統山西組-下石盒子組巖石特征，認為主要巖石類型為巖屑砂巖、長石巖屑砂巖和少量巖屑石英砂巖。另外，薄片鑒定分析表明，研究區儲層砂巖碎屑組分主要包括石英、鉀長石、斜長石、巖屑等，其中石英含量一般為20%～80%，長石含量一般為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組成和巖石學特征，決定了碎屑沉積物在沉積期后的成巖過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育有自生高嶺石(見圖1(a)),其出現與儲層碎屑巖中鉀長石顆粒大量溶解后提供了大量K+有著密切關系[6]，而鉀長石顆粒的大量溶解又與當時濕熱氣候條件下大氣水的化學淋濾作用引起下石盒子組含煤地層中有機質溶解形成的有機酸的充注導致地層水pH降低有關。

2.2自生綠泥石

自生綠泥石的發育可以有以下幾種方式：①發育于富含Mg2+、Fe3+等離子的堿性地層水環境，這種環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可由蒙皂石通過綠/蒙混層或高嶺石、伊利石和鉀長石在富含Mg2+、Fe3+等離子的堿性環境中轉化為綠泥石，這指示儲層處于晚成巖階段；③研究區綠泥石形態多呈包膜襯里式產出，部分原生空隙被保留下來，剩余粒間空隙被其他膠結物如方解石填充(見圖1(b))，表明其發育于早成巖階段，并與地層水環境堿性且富含Mg2+、Fe3+等離子有關。

圖1 巖石照片圖

2.3伊蒙混層帶和伊利石帶

研究區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化的漸變帶(2000～2400m)和突變帶(>2400m)，其中蒙脫石含量約10%，這是因為研究區地層物質組成缺少基性火山巖碎屑物。此時，蒙脫石晶格水穩定，僅有地層水和過量的層間水或吸附水脫出[7]，進入突變帶后蒙脫石含量突然降至5%以下，這是因為儲層碎屑巖中鉀長石的大量溶解(見圖1(c))提供了足夠的K+以交代蒙脫石形成大量伊利石(見圖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組成有著密切的關系還與其沉積埋藏地層環境和地層流體成分的變化有著直接關系。因此，研究自生黏土礦物特有的組合特征和成巖轉化可以有效反映碎屑巖成巖環境、所經歷的成巖過程及所處成巖階段。碎屑巖成巖階段可劃分為早、中、晚3個階段，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、綠泥石以薄膜形式開始出現和伊/蒙混層無序(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；研究區蒙脫石漸變帶和綠泥石薄膜的廣泛出現，表明地層環境趨于堿性，并對應著成巖階段已處于早成巖階段B期，此時蒙脫石開始緩慢向伊利石轉化，但伊/蒙混層仍無序，同時可見自生高嶺石出現(見圖1(a))，此時碎屑巖正經歷強烈的壓實作用，原生空隙大量減少；蒙脫石的迅速轉化和鉀長石的大量溶解(見圖1(c))，表明地層環境由早期的弱堿性環境因油氣的充注而逐漸變為酸性，同時也表明碎屑巖已處于中成巖階段A期，此時碎屑巖空隙以次生孔隙為主；研究區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，表明成巖環境演化為堿性環境，同時也表明碎屑巖已開始進入中成巖階段B期，此時，由于白堊世時構造抬升穩定、溫度、壓力的變化導致次生孔隙度和有機質演化的間斷，地層趨于靜態，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(見圖1(f))；此外，據裂縫中的充填碳酸鹽的氧、碳同位素測定(見圖2)，充填物主要為鐵方解石，其碳同位素(δ13C)相對較輕(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‰)，表明主要碳酸鹽類型為Ⅱ期碳酸鹽，其主要形成于酸性成巖環境向堿性成巖環境過渡時期，即中成巖階段B期。

圖2 砂巖裂縫中充填碳酸鹽氧碳穩定同位素分布圖

4 結 論

(1)研究區下二疊統碎屑巖中主要的幾類自生黏土礦物為伊蒙混層、伊利石、高嶺石和綠泥石，其形成的大致順序為綠泥石(包繞顆粒表面出現)，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邊降低了壓實作用的強度并為以后其他膠結物的形成和次生空隙的發育提供了機會；早成巖階段B期高嶺石的發育和鉀長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)根據研究區碎屑巖成巖作用特征和自生黏土礦物組合類型及其轉化特征分析，認為碎屑巖成巖作用發生在中成巖階段B期。

(4)成巖環境富含Mg2+、Fe3+等元素，表明早期地層水環境為弱堿性環境(綠泥石環邊的形成)，成巖環境中有機質的溶解致使中期地層水環境變為弱酸性環境(鉀長石的大規模溶解)，而碳氧同位素特征及高嶺石的溶解表明晚期地層水環境又轉變為弱堿性環境。

[1]薛會,張金川,王毅,等.鄂北石鄂探區構造演化與油氣關系[J].大地構造與成礦學，2009,33(2):206-208.

[2]劉林玉.吐魯番坳陷中-上侏羅統碎屑巖中的自生黏土礦物特征及其成巖意義[J].巖石學報,1998,14(2):264-265.

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[4]李昌存.塔里木盆地克孜勒蘇群碎屑巖成巖作用研究[J].石油實驗地質,1998, 20(2):135.

[5]鄭浚茂,龐明.碎屑儲集巖的成巖作用研究[M].武漢:中國地質大學出版社,1989.

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[8]朱筱敏.沉積巖石學[M].北京:石油工業出版社,2008.

2013-06-25

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

TE122.1

A

1673-1409(2013)26-0050-03

[編輯] 李啟棟