成巖測試技術(shù)的發(fā)展

高昕晨

摘 要：成巖作用是極其復(fù)雜的物理化學(xué)過程，其影響因素多變、過程復(fù)雜。各種測試技術(shù)是研究成巖作用的有利手段，本文對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了調(diào)研與總結(jié)，闡述了成巖測試技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀及進(jìn)展，總結(jié)這些測試技術(shù)的特點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)例證明這些方法的可行性。

關(guān)鍵詞：成巖作用;薄片和鑄體薄片鑒定技術(shù);陰極發(fā)光顯微鏡觀察技術(shù);掃描電鏡觀察技術(shù).

Abstract： Diagenesis is an extremely complex physical and chemical process with variable influencing factors and complex processes. Various testing techniques are advantageous means for studying diagenesis. This article investigates and summarizes related literatures， and explains diagenetic testing techniques history， status and progress， summarize the characteristics of these testing technologies， and combine examples to prove these methods the feasibility.

Keywords： diagenesis; thin slice and cast thin slice identification technology; cathodoluminescence microscope observation technology; scanning electron microscope observation technology.

0? 引言

成巖作用是極其復(fù)雜的物理化學(xué)過程，其影響因素的多變和過程的復(fù)雜性主要體現(xiàn)在巖石成分的復(fù)雜性，流體來源的廣泛性，成巖環(huán)境條件的多變性等。各種測試技術(shù)是研究成巖作用的有利手段，本文將闡述成巖測試技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀及進(jìn)展。

1? 成巖作用

成巖作用是指由松散的沉積物變?yōu)楣探Y(jié)巖石的作用。廣義的成巖作用還包括沉積過程中及固結(jié)成巖后所發(fā)生的一切變化和改造。成巖作用主要包括以下幾種方式。

1.1 壓實(shí)作用

壓實(shí)作用是指在沉積物不斷增厚的情況下，下伏沉積物受上覆沉積物的巨大壓力，使沉積物孔隙度減少，體積縮小，密度增大，水分排出，顆粒間聯(lián)系力加強(qiáng)，沉積物固結(jié)變硬的作用。其強(qiáng)弱受埋深以及巖石類型的控制，埋深越大，塑性礦物及雜基含量越多，壓實(shí)作用越強(qiáng)。

1.2 膠結(jié)作用

沉積物中有大量孔隙，在沉積過程中或固結(jié)成巖后被礦物質(zhì)所填充，從而將分散的顆粒粘結(jié)在一起，稱為膠結(jié)作用。在定邊油田中，膠結(jié)作用是使得砂巖孔隙度減小、滲透率降低的主要原因之一[1]。其表現(xiàn)是以黏土礦物中的高嶺石、綠泥石黏土薄膜和偶見鐵白云石和方解石膠結(jié)。

1.3 重結(jié)晶作用

重結(jié)晶作用是指沉積物在壓力和溫度逐漸增大的情況下，發(fā)生溶解，導(dǎo)致物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)重新排列，使非晶質(zhì)變成結(jié)晶質(zhì)的作用。重結(jié)晶后的巖石，孔隙減少、密度增大、堅(jiān)固性增強(qiáng)。以川東北鎮(zhèn)巴地區(qū)白云巖層為主[2]，重結(jié)晶作用中，晶體變大變粗，由泥重結(jié)晶為粉晶、細(xì)晶，局部可見重結(jié)晶。重結(jié)晶作用改變了晶粒結(jié)構(gòu)及孔隙結(jié)構(gòu)大小，提高了巖石的有效孔隙度和滲透率。

1.4 脫水作用

沉積物受上覆巖石強(qiáng)大壓力的同時(shí)，溫度也逐漸增高，在壓力和溫度的共同作用下，不僅能排出沉積物顆粒間的附著水，而且還使膠體礦物和某些含水礦物產(chǎn)生失水作用而變?yōu)樾碌V物，如蛋白石變?yōu)橛袼?、褐鐵礦變?yōu)槌噼F礦、石膏變?yōu)橛彩嗟取?/p>

2? 主要分析方法與技術(shù)

儲(chǔ)層成巖作用研究要綜合分析。首先，對(duì)成巖作用的產(chǎn)物進(jìn)行研究，包括系統(tǒng)地對(duì)儲(chǔ)層巖心進(jìn)行觀察、薄片鑒定和分析測試，根據(jù)成巖現(xiàn)象和孔隙變化特征，推測成巖作用過程;其次，根據(jù)孔隙流體溫度、壓力等成巖參數(shù)，從物理化學(xué)和熱力學(xué)等角度探討成巖反應(yīng)機(jī)理;最后，結(jié)合盆地地層、構(gòu)造、沉積等資料，建立儲(chǔ)層成巖模式和孔隙演化模式。除這些巖石學(xué)常規(guī)方法外，還涉及許多先進(jìn)的測試技術(shù)，下面將對(duì)主要測試技術(shù)的原理及發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。

2.1 薄片和鑄體薄片鑒定技術(shù)

薄片和鑄體薄片鑒定技術(shù)主要是用以研究巖石的成分、結(jié)構(gòu)，膠結(jié)的成分、類型，孔隙的大小、類型、結(jié)構(gòu)等。該法應(yīng)用在巖石孔隙結(jié)構(gòu)特征的研究中，是將染色樹脂注入到被洗凈和抽空的巖心孔隙內(nèi)，待樹脂凝固后，再按所需方位將巖心切片放在顯微鏡下觀察[3]。鑄體薄片中帶色的樹脂部分代表巖石二維空間的孔隙結(jié)構(gòu)狀態(tài)，因此能直接觀察到巖石薄片中的面孔率、孔隙、喉道及孔喉配位數(shù)等。近20年來，該技術(shù)與數(shù)字成像系統(tǒng)相結(jié)合形成了極具特色的巖石鑄體薄片顯微圖像分析技術(shù)。

2.2 陰極發(fā)光顯微鏡觀察技術(shù)

陰極發(fā)光技術(shù)主要是根據(jù)礦物的光學(xué)性質(zhì)和巖石結(jié)構(gòu)對(duì)樣品進(jìn)行碳酸鹽巖沉積學(xué)研究。在沉積學(xué)領(lǐng)域，陰極發(fā)光技術(shù)常用來區(qū)分膠結(jié)物的形成期次及世代關(guān)系和礦物的生長環(huán)帶、確定共生序列、恢復(fù)成巖歷史、劃分成巖階段、判別碳酸鹽巖的成巖蝕變史、推測成巖流體性質(zhì)以及生物殼層的生長條件與環(huán)境演化的關(guān)系等。夏云的研究表明，陰極發(fā)光技術(shù)能快速識(shí)別次生孔隙，確定孔隙成因[4]，能迅速恢復(fù)儲(chǔ)層原生結(jié)構(gòu)及顯微構(gòu)造。

2.3 掃描電鏡觀察技術(shù)

掃描電鏡可直觀再現(xiàn)有機(jī)質(zhì)富集的顯微組分、干酪根、煤及富含有機(jī)質(zhì)的全巖樣品在地層條件下的動(dòng)態(tài)生氣過程，對(duì)于評(píng)價(jià)不同地質(zhì)樣品的產(chǎn)氣潛力提供了有效的新手段。另外，掃描電鏡在礦物巖石學(xué)、粘土礦物分析、儲(chǔ)層研究、油氣層保護(hù)等方面也發(fā)揮了重要作用。

2.4 X-射線衍射分析技術(shù)

在成巖作用的研究中，X-射線衍射分析技術(shù)能進(jìn)行粘土礦物的定性、定量分析，計(jì)算混層比、自生礦物的鑒定、全巖定量分析等。以粘土礦物為例，利用峰的位置、高度、寬度、形態(tài)系數(shù)、不對(duì)稱性要素描述衍射峰形態(tài)更加準(zhǔn)確、全面[5]。結(jié)合新近提出的圖解分析方法及已有的方法可準(zhǔn)確地進(jìn)行結(jié)晶度、粒度、應(yīng)變、定量綜合分析，并可應(yīng)用在相應(yīng)的成巖作用、變質(zhì)作用、盆地成熟度、構(gòu)造應(yīng)力場等分析研究中。

2.5 電子探針分析技術(shù)

電子探針，全稱為電子探針顯微分析儀（EPMA），主要用于研究固體物質(zhì)表面或近表面范圍內(nèi)的元素組成及分布。它利用聚焦高能電子束，轟擊樣品表面的微小范圍（微米級(jí)），激發(fā)樣品組成元素的特征X射線，通過分析X射線的波長、測定X射線的強(qiáng)度并與標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行對(duì)比，從而確定樣品的化學(xué)組成及其含量。

2.6 氣液包裹體顯微鏡分析技術(shù)

激光掃描共聚焦顯微鏡技術(shù)（CSLM）興起于20世紀(jì)80年代末，是最先進(jìn)的高精度光學(xué)顯微觀察技術(shù)之一，在地質(zhì)學(xué)應(yīng)用廣泛。具有精度高、成像清晰立體的特點(diǎn)，并能夠較為真實(shí)的還原觀察目標(biāo)，對(duì)制樣要求較低。它在石油地質(zhì)學(xué)方面的應(yīng)用源于20世紀(jì)90年代末，主要表現(xiàn)在有機(jī)質(zhì)、儲(chǔ)層孔隙、古生物化石和流體包裹體等方面。

2.7 有機(jī)質(zhì)成分和成熟度分析技術(shù)

有機(jī)質(zhì)成熟度指標(biāo)是以有機(jī)質(zhì)各組分在熱降解過程中化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)所發(fā)生的變化為基礎(chǔ)而建立的，是有機(jī)質(zhì)熱成熟作用程度的衡量標(biāo)準(zhǔn)，也是成巖作用研究中使用最為廣泛的古地溫計(jì)。常見的有機(jī)質(zhì)成熟度指標(biāo)可以分為兩大類：一類以有機(jī)組分的光學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)，以鏡質(zhì)體反射率為代表，還有孢粉顏色、熱變指數(shù)、牙形石色變指數(shù)、生物碎屑反射率等。另一類以化學(xué)組成為基礎(chǔ)，主要包括熱解分析的最高熱解峰溫和生物標(biāo)志化合物指標(biāo)等。

2.8 同位素分析技術(shù)

利用巖石中氧碳穩(wěn)定同位素變化的規(guī)律恢復(fù)沉積作用發(fā)生的古地理環(huán)境及相環(huán)境是儲(chǔ)層沉積環(huán)境分析的有效手段。碳氧同位素在一定程度上可以反映樣品的成巖蝕變程度，很好地指示巖樣形成的古鹽度和古溫度。人們利用碳氧同位素值分析碳酸鹽巖成巖流體來源與成巖環(huán)境。

3? 成巖測試技術(shù)的展望

薄片和鑄體薄片鑒定技術(shù)、陰極發(fā)光顯微鏡觀察技術(shù)、掃描電鏡觀察技術(shù)、X-射線衍射分析技術(shù)、電子探針分析技術(shù)、氣液包裹體顯微鏡分析技術(shù)、有機(jī)質(zhì)成分和成熟度分析技術(shù)、同位素分析技術(shù)都各具特色，極大的在成巖作用的研究中發(fā)揮了自己的優(yōu)勢(shì)，在日后的研究中也將保留各項(xiàng)技術(shù)的特色，并結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，進(jìn)一步發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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（長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院? 湖北? 武漢? 430100）