鄂爾多斯盆地西南緣延長(zhǎng)組砂巖自生綠泥石成因及物質(zhì)來(lái)源

鄂爾多斯盆地西南緣延長(zhǎng)組砂巖自生綠泥石成因及物質(zhì)來(lái)源

考慮到砂巖中綠粘土的普遍性和對(duì)儲(chǔ)層材料的影響，許多科學(xué)家致力于研究其形成時(shí)間、外觀、成因、來(lái)源和對(duì)儲(chǔ)層材料的影響。目前關(guān)于自生綠泥石產(chǎn)狀的認(rèn)識(shí)較為一致,包括包膜綠泥石、襯里綠泥石、玫瑰花狀綠泥石和絨球狀或蜂窩狀綠泥石(Billaultetal.,2003;黃思靜等,2004;孫治雷等,2008;田建鋒等,2008a,2008b)。然而,至今諸多方面未達(dá)成共識(shí):①自生綠泥石開始生長(zhǎng)時(shí)間,有學(xué)者傾向于認(rèn)為自生綠泥石開始于巖石大量壓實(shí)作用之前(Jeffry,2001;Billaultetal.,2003;黃思靜等,2004;孫治雷等,2008;田建鋒等,2008a,2008b)的同生成巖階段或早成巖階段,也有學(xué)者認(rèn)為其開始于巖石大量壓實(shí)作用之后(Annaetal.,2009;丁曉琪等,2010)的中成巖階段(謝武仁等,2010)或晚成巖階段(鐘廣法等,1996)。對(duì)于綠泥石停止生長(zhǎng)時(shí)間,田建鋒等(2008a)認(rèn)為綠泥石的形成可持續(xù)至晚成巖階段,孫治雷等(2008)認(rèn)為綠泥石形成的溫度可從古常溫至大于140℃,始于同生并貫穿整個(gè)成巖階段,也有學(xué)者認(rèn)為不晚于石英次生加大或碳酸鹽膠結(jié)物出現(xiàn)(Annaetal.,2009;丁曉琪等,2010)。謝武任等(2010)認(rèn)為綠泥石的形成介于硅質(zhì)膠結(jié)的第一期和第二期。②關(guān)于包膜綠泥石和襯里綠泥石對(duì)孔隙影響機(jī)制方面,早期部分學(xué)者認(rèn)為自生綠泥石對(duì)儲(chǔ)層起破壞作用(韓寶平和馮啟言,1999),而今多數(shù)學(xué)者認(rèn)為襯里綠泥石通過抑制石英次生加大起保護(hù)作用(Jeffry,2001;Richard,2003;Annaetal.,2009;黃思靜等,2004;田建鋒等,2008a,2008b;孫治雷等,2008;丁曉琪等,2010;謝武仁等,2010)。③雖然現(xiàn)今多數(shù)學(xué)者肯定了包膜綠泥石和襯里綠泥石對(duì)儲(chǔ)層的建設(shè)性作用,但如何保護(hù)儲(chǔ)層物性仍存在分歧。部分學(xué)者認(rèn)為綠泥石薄膜可阻隔富Si4+孔隙水與石英顆粒接觸,進(jìn)而抑制石英次生加大(Ehrenberg,1993;柳益群和李文厚,1996;黃思靜等,2004);但有部分學(xué)者認(rèn)為孔隙水可從薄膜綠泥石晶間孔滲入,溶蝕被包裹顆粒形成鑄?？?表明薄膜綠泥石并不能完全阻隔孔隙水與石英顆粒接觸,而抑制石英次生加大的機(jī)制為維持孔隙水微區(qū)環(huán)境成堿性并占據(jù)石英次生加大的結(jié)晶基底(丁曉琪等,2010;田建鋒等,2008a,2008b)。鄂爾多斯盆地渭北隆起西段、天環(huán)坳陷南延部分(圖1),大面積出露三疊系延長(zhǎng)組砂巖,地球物理和鉆井揭示在崇信-隴縣地區(qū)分布有中三疊世(鋯石U-Pb年齡為237.6±8.4Ma)和早白堊世(鋯石U-Pb年齡為111±1Ma)的隱伏巖漿巖,巖漿期后熱液流體對(duì)延長(zhǎng)組砂巖中黏土礦物可能產(chǎn)生一定影響。綠泥石是儲(chǔ)層物性研究的熱點(diǎn)之一,至今在諸多方面仍有分歧。因此,本文以鄂爾多斯盆地西南緣延長(zhǎng)組砂巖為例,探討自生綠泥石的產(chǎn)狀、成因、物質(zhì)來(lái)源及其對(duì)儲(chǔ)層物性影響。1儲(chǔ)層綠泥石成因自生綠泥石以膠結(jié)物的形式垂直顆粒表面生長(zhǎng)或充填孔隙,按其在孔隙中的產(chǎn)狀又可分為:①顆粒包膜綠泥石(Billaultetal.,2003;黃思靜等,2004;田建鋒等,2008a,2008b);②孔隙襯里綠泥石(柳益群等,1996;Jeffry,2001;Billaultetal.,2003;丁曉琪等,2010);③玫瑰花狀或葉片狀綠泥石(Jeffry,2001;Billault,2003etal.;丁曉琪等,2010);④絨球狀或蜂窩狀綠泥石(Hillieretal.,1996;張金亮等,2004)。觀察研究區(qū)延長(zhǎng)組巖石薄片發(fā)現(xiàn),包膜綠泥石以薄膜的形式垂直顆粒表面生長(zhǎng)或包裹整個(gè)顆粒,厚度不足1μm(Billaultetal.,2003),在顆粒接觸處因擠壓而平行襯墊于兩顆粒接觸面(圖2A,2B)。襯里綠泥石在顆粒表面或包膜綠泥石之上呈等厚薄膜狀結(jié)晶生長(zhǎng)(圖2A、2B,圖3A),掃描電鏡下較包膜綠泥石晶體大,晶形好,集合體厚5~10μm(Jeffry,2001;張金亮等,2004)。襯里綠泥石與包膜綠泥石具有相同的生長(zhǎng)機(jī)制,區(qū)別在于包膜綠泥石可襯墊于顆粒接觸處而襯里綠泥石只生長(zhǎng)于孔隙接觸的顆粒表面,并較包膜綠泥石厚(圖2A、2B)。玫瑰花狀綠泥石并不在襯里綠泥石之上有規(guī)律的結(jié)晶生長(zhǎng),而是成散落葉片狀或聚集成向外散開的玫瑰花狀充填于孔隙中(圖3B),在研究區(qū)砂巖中相對(duì)較少。與盆地其它地區(qū)同一層位砂巖中綠泥石(Billaultetal.,2003;Richard,2003)比較而言,絨球狀或蜂窩狀綠泥石在研究區(qū)延長(zhǎng)組砂巖中較為發(fā)育,以多孔的蜂窩狀(圖3C)、大小不等的絨球狀(圖3D)填充孔隙或附著于骨架顆粒表面(圖3E)。2包膜綠泥石成因與儲(chǔ)層物性由掃描電鏡和巖石薄片可見,包膜綠泥石不僅存在于未接觸的顆粒表面(圖3F),也襯墊于兩骨架顆粒之間(圖2A,2B),表明顆粒先被包膜綠泥石包裹,然后由于強(qiáng)烈的壓實(shí)作用使得被包裹顆粒重新調(diào)整位置,部分包膜綠泥石便襯墊于顆粒接觸處。這證明包膜綠泥石形成于巖石主壓實(shí)階段之前的同生成巖階段或早成巖階段A期。同樣已有部分學(xué)者在數(shù)個(gè)盆地中發(fā)現(xiàn)綠泥石包膜鑄?？?Billault,2003;黃思靜等,2004;張金亮等,2004),并認(rèn)為由于被包裹顆粒發(fā)生溶蝕,使殘留的綠泥石包膜形成鑄?？?。研究區(qū)延長(zhǎng)組砂巖中普遍存在塑性巖屑鑄?？?圖2C)或長(zhǎng)石鑄?？?圖2D),這表明包膜綠泥石形成于巖屑、長(zhǎng)石顆粒溶蝕之前。襯里綠泥石只生長(zhǎng)于未接觸的顆粒表面,集合體常垂直顆粒表面有規(guī)律地生長(zhǎng),并成等厚薄膜清晰地勾繪出了孔隙形態(tài),如三角狀(圖2B)或者不規(guī)則狀。這種產(chǎn)狀的綠泥石說(shuō)明其形成時(shí)間晚于巖石主壓實(shí)階段,即在顆粒相互接觸位置基本定格的情況下沿顆粒表面生長(zhǎng),形成時(shí)間相當(dāng)于成巖作用的中成巖階段A-B期。自生綠泥石對(duì)儲(chǔ)層物性的影響很大程度上取決于其與自生石英生長(zhǎng)的先后順序。自生綠泥石形成早于自生石英,對(duì)儲(chǔ)層物性起保護(hù)作用,反之,損害儲(chǔ)層物性。前面分析表明包膜綠泥石生長(zhǎng)于主壓實(shí)之前的早成巖階段A期,而石英次生加大主要開始于中成巖階段,可見,包膜綠泥石應(yīng)遠(yuǎn)早于石英的次生加大。對(duì)于襯里綠泥石形成和自生石英結(jié)晶的早晚雖然存在分歧,但大多數(shù)學(xué)者(Ehrenberg,1993;柳益群等,1996;Billaultetal.,2003;黃思靜等,2004;田建鋒等,2008a,2008b;孫治雷等,2008;丁曉琪等,2010)在探討其對(duì)儲(chǔ)層物性影響時(shí),是以襯里綠泥石形成先于自生石英為前提的。本次掃描電鏡微觀圖像觀察發(fā)現(xiàn)襯里綠泥石包裹的骨架顆粒無(wú)石英次生加大,而充填孔隙的石英雛晶也無(wú)襯里綠泥石包裹,僅見散落葉片狀綠泥石分布于表面(圖3A),表明襯里綠泥石形成早于自生石英,而散落葉片狀(玫瑰花狀)綠泥石形成晚于自生石英。絨球狀或蜂窩狀綠泥石的大量存在是研究區(qū)砂巖儲(chǔ)層的一大特征,它們與石英雛晶一起充填于孔隙中(圖3D),或獨(dú)自呈集合體附著于高嶺土化長(zhǎng)石表面(圖3E),表明其與自生石英的生長(zhǎng)無(wú)時(shí)間上的先后順序,受控于外部流體轉(zhuǎn)化先存黏土礦物如高嶺石、蒙脫石的時(shí)間。3地層沉降和巖屑作用綠泥石形成于富鐵、鎂的堿性環(huán)境(田建鋒等,2008a,2008b;Annaetal.,2009;謝武仁等,2010),鐵、鎂來(lái)源是綠泥石形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。目前比較認(rèn)可的鐵、鎂來(lái)源有:①河流帶入(Ehrenberg,1993;Blochetal.,2002);②黑云母、角閃石等火成巖巖屑水(DeRosandAnjos,1994;Remy,1994);③泥巖因壓實(shí)脫水(孫治雷等,2008);④外部流體滲入地層而帶入(Hillieretal.,1996;田建鋒等,2008a)。包膜綠泥石形成于早成巖階段A期,河流帶入的溶解鐵、鎂離子是其主要物質(zhì)來(lái)源。在河流入湖或入海處,因電解質(zhì)變化發(fā)生絮凝沉淀,進(jìn)入沉積層形成富鐵、鎂離子的堿性孔隙溶液,隨地層沉降,溫度逐漸升高,新生綠泥石易垂直于顆粒表面生長(zhǎng)。在體系開放、巖石壓實(shí)較弱,孔隙空間和鐵、鎂離子等物質(zhì)基礎(chǔ)充足的前提下,包膜綠泥石可包繞整個(gè)顆粒成薄膜式附著于顆粒表面。薄片觀察發(fā)現(xiàn),巖石含較多黑云母及角閃石等火成巖巖屑,部分綠泥石化(圖2E、2F),綠泥石化后的黑云母和角閃石可水解形成鑄膜孔(圖2E)。這些含鐵、鎂高的巖屑水解后為襯里綠泥石的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。隨地層沉降深度加大,壓實(shí)作用增強(qiáng),顆粒間由不接觸或點(diǎn)接觸變?yōu)橐跃€和面接觸為主。襯里綠泥石便垂直于構(gòu)成剩余原生孔的顆粒表面生長(zhǎng),包繞成三角狀(圖2B)或不規(guī)則狀。泥巖壓實(shí)釋放出的鐵、鎂離子是玫瑰花狀綠泥石的主要物質(zhì)來(lái)源。隨地層沉降深度的增加,溫度也逐漸升高,泥巖達(dá)臨界壓力之后開始釋放鐵、鎂等離子溶于孔隙溶液中。因該階段孔隙空間相對(duì)于鐵、鎂離子數(shù)量較為充足,加之較高的溫度(孫治雷等,2008;田建鋒等,2008a)有利于單個(gè)綠泥石晶體的充分生長(zhǎng),故該階段形成的玫瑰花狀綠泥石雖然在數(shù)量上少于襯里綠泥石,但晶體較大,晶形較好。富含鐵、鎂離子的外部流體在較高溫下能快速轉(zhuǎn)化砂巖中先存的層狀硅酸鹽礦物如伊利石、高嶺石、蒙脫石等形成綠泥石(Ehrenberg,1993;Hillieretal.,1996;田建鋒等,2008a)。Ehrenberg(1993)指出外部流體可將蒙脫石質(zhì)黏土先驅(qū)轉(zhuǎn)化成蜂巢狀綠泥石(蜂巢狀是膨脹性黏土礦物遺留的重要外形特點(diǎn));Hillier等(1996)提出富含鐵、鎂的外部流體能將砂巖中層狀硅酸巖礦物快速轉(zhuǎn)化為蜂窩狀或具有其它黏土礦物外形特征的綠泥石。對(duì)研究區(qū)延長(zhǎng)組砂巖掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)石風(fēng)化面及粒間孔中存在大量蜂窩狀和絨球狀綠泥石。這種綠泥石是長(zhǎng)石高嶺土化及長(zhǎng)石高嶺土化的中間產(chǎn)物蒙脫石在外部富含鐵、鎂離子的高溫流體作用下轉(zhuǎn)化形成的。研究區(qū)分別在中三疊世和早白堊世發(fā)生過巖漿侵入和噴出活動(dòng),促使蜂窩狀或絨球狀綠泥石形成的外部流體可能與本區(qū)中三疊世或早白堊世巖漿期后的熱液流體有關(guān)。4襯里綠泥石的物質(zhì)來(lái)源、溫度及產(chǎn)狀綠泥石的產(chǎn)狀是成因與來(lái)源的外部表現(xiàn)形式,而不同的來(lái)源與成因決定了綠泥石的生長(zhǎng)具有不同的世代。在整個(gè)漫長(zhǎng)的自生綠泥石生長(zhǎng)過程中,依據(jù)鐵、鎂離子來(lái)源、溫度及成因?qū)⒆陨G泥石劃分為多個(gè)生長(zhǎng)世代。黃思靜等(2004)認(rèn)為自生綠泥石生長(zhǎng)具有三個(gè)世代。那么不同世代綠泥石與其產(chǎn)狀、來(lái)源、成因之間有何關(guān)系?巖石薄片和掃描電鏡觀察并結(jié)合之前研究成果(孫治雷等,2008;田建鋒等,2008a;丁曉琪等,2010)表明,富含鐵、鎂離子的流水賦存于半固結(jié)-固結(jié)的沉積層中,在堿性的孔隙環(huán)境中沉淀出早期綠泥石,形成溫度20~50℃(Jeffry,2001;Richard,2003),即第一世代自生綠泥石,呈薄膜狀覆蓋于顆粒表面或包裹整個(gè)顆粒,晶體小而密集,自形程度低,后期骨架顆粒因壓實(shí)重新調(diào)整相對(duì)位置后可平行襯墊于顆粒接觸處。襯里綠泥石形成時(shí)巖石顆粒已基本就位于現(xiàn)今所觀察到的位置,角閃石、黑云母等火成巖巖屑是鐵、鎂離子的主要來(lái)源,這種綠泥石只生長(zhǎng)于孔隙接觸的顆粒表面。形成溫度較第一世代高(60~80℃)(Billaultetal.,2003;孫治雷等,2008),因而較第一世代綠泥石晶體大且自形程度高。由于其產(chǎn)狀、鐵和鎂離子來(lái)源、形成溫度及晶體特征同第一世代明顯不同,故襯里綠泥石可作為第二世代綠泥石。隨地層埋深及古地溫升高,砂巖中泥巖夾層因壓實(shí)脫水釋放出鐵、鎂離子成為后期綠泥石形成的主要物質(zhì)來(lái)源(孫治雷等,2008),較高的溫度(可高達(dá)140℃)(孫治雷等,2008))和相對(duì)充足的孔隙空間可使該階段生長(zhǎng)的綠泥石較前兩階段晶體大、自形程度高(張金亮等,2004)。玫瑰花狀綠泥石的物質(zhì)來(lái)源、溫度及產(chǎn)狀與襯里綠泥石明顯不同,故玫瑰花狀綠泥石可作為第三世代綠泥石。研究區(qū)延長(zhǎng)組蜂窩狀或絨球狀綠泥石普遍發(fā)育,充填孔隙或附著于風(fēng)化長(zhǎng)石顆粒表面,受控于中三疊世或早白堊世巖漿期后熱液對(duì)先存黏土礦物如蒙脫石或高嶺石的前進(jìn)交代,與前三世代綠泥石無(wú)繼承生長(zhǎng)關(guān)系,雖屬自生綠泥石但不具世代性。5綠泥石成因探討及對(duì)自生石英的影響砂巖中自生石英普遍存在,強(qiáng)烈向孔隙空間生長(zhǎng)而堵塞孔喉,對(duì)儲(chǔ)層物性起破壞作用。研究發(fā)現(xiàn)部分綠泥石以薄膜形式覆蓋于顆粒表面以阻礙石英次生加大,對(duì)儲(chǔ)層起建設(shè)性作用(黃思靜等,2004;孫治雷等,2008;田建鋒等,2008a,2008b;劉金庫(kù)等,2009;丁曉琪等,2010;謝武仁等,2010)。目前,對(duì)于綠泥石通過何種方式抑制石英自生結(jié)晶存在兩種觀點(diǎn):一是認(rèn)為薄膜綠泥石通過阻隔富Si4+孔隙水與石英結(jié)晶基底接觸從而抑制石英次生加大(Ehrenberg,1993;柳益群等,1996;黃思靜等,2004;丁曉琪等,2010);二是認(rèn)為綠泥石薄膜由于大量晶間孔的存在不能完全阻隔孔隙水與石英顆粒接觸(Billaultetal.,2003;田建鋒等,2008a,2008b),其抑制石英次生加大的機(jī)制為維持孔隙微區(qū)環(huán)境呈堿性和占據(jù)石英結(jié)晶基底(田建鋒等,2008a;丁曉琪等,2010)。包膜綠泥石形成早于自生石英的生長(zhǎng),以薄膜形式覆蓋顆粒表面,減少孔隙溶液與石英顆粒的接觸面積,從而降低石英次生加大的幾率。襯里綠泥石形成于中成巖階段,綠泥石的大量形成表明該階段孔隙溶液成堿性,而更為重要的是已形成的綠泥石具有調(diào)節(jié)孔隙溶液呈堿性的能力(孫治雷等,2008;田建鋒等,2008a,2008b),石英易形成于酸性環(huán)境(pH=5~6),故襯里綠泥石本身及其生長(zhǎng)環(huán)境對(duì)自生石英的生長(zhǎng)具有一定的抑制作用。X衍射定量分析發(fā)現(xiàn)研究區(qū)延長(zhǎng)組砂巖中普遍存在綠泥石,約占黏土總量的23%(平均)。樣品EF-1和EF-18出現(xiàn)濁沸石相(表1),該種礦物與襯里綠泥石具有相似的形成環(huán)境,但比綠泥石具需要一個(gè)相對(duì)嚴(yán)格的堿性環(huán)境(pH=9~12)(楊曉萍等,2005;田建鋒等,2008b)。因此,至濁沸石相出現(xiàn)的漫長(zhǎng)過程中,孔隙溶液成堿性,適宜綠泥石生長(zhǎng)而不宜石英自生結(jié)晶;同樣,當(dāng)孔隙溶液不再適合濁沸石相出現(xiàn)時(shí),pH值回落(至pH=7時(shí))的漫長(zhǎng)過程仍然適合綠泥石生長(zhǎng)而不宜石英自生結(jié)晶。系統(tǒng)的巖石薄片和掃描電鏡觀察以及黏土礦物X衍射分析研究表明,襯里綠泥石通過占據(jù)石英結(jié)晶基底,維持孔隙溶液呈堿性抑制石英次生加大的機(jī)制是普遍存在的。然而從溶液離子數(shù)量的角度出發(fā),綠泥石屬鋁硅酸鹽礦物,其一般結(jié)構(gòu)式為(Mg,Fe,A1)6[(Si,A1)4O6](OH)8,形成一分子的綠泥石需消耗6個(gè)氧離子和4個(gè)硅離子,其形成過程同時(shí)削弱了