成巖流體的化學(xué)性質(zhì)對伊利石形成的影響

成巖流體的化學(xué)性質(zhì)對伊利石形成的影響

例如，對伊利諾伊斯羅夫砂巖的研究、黃思靜對鄂爾多斯盆地東太原群碎屑巖儲量的研究、馬克納爾多對伊利諾伊斯羅夫盆地碎屑層的模擬和其他因素的模擬，使我們能夠?qū)@一儲層有一個新的了解。但是自生伊利石的形成仍然有很多方面令人感到困惑,如通常認為深埋藏條件下(溫度超過120℃),鉀長石和高嶺石的礦物組合已變得極不穩(wěn)定,但是仍可觀察到深埋藏條件下明顯數(shù)量的伊利石和高嶺石共存。大多數(shù)研究者認為結(jié)晶動力學(xué)屏障對伊利石的形成有重要的控制作用,但對這種動力學(xué)過程的很多方面仍然知之甚少,采用化學(xué)熱力學(xué)方法對形成伊利石的各種可能的成巖流體進行仔細地分析,能夠為建立更加合理的結(jié)晶動力學(xué)模型提供地質(zhì)基礎(chǔ)。筆者嘗試對各種形成伊利石的反應(yīng)進行系統(tǒng)的熱力學(xué)計算,分析成巖流體化學(xué)性質(zhì)對其形成的影響,以使對這一問題的解決有所幫助。1研究表明，伊利石形成反應(yīng)動力學(xué)特征的方法1.1礦物的力學(xué)性質(zhì)決定化學(xué)反應(yīng)方向的熱力學(xué)判據(jù)ΔG(T)是由反應(yīng)的標準吉布斯自由能增量ΔGΘ和平衡常數(shù)K共同控制的:ΔG(T)=ΔGΘ+RTlnK式中:K為參與反應(yīng)的離子的活度的比值;R為氣體常數(shù);T為熱力學(xué)溫度。因此可以通過計算反應(yīng)在不同溫度下的ΔGΘ和參與反應(yīng)的離子活度來判斷反應(yīng)進行的方向。碎屑巖儲層中大部分自生伊利石的形成可描述為以下幾種反應(yīng)過程:3CaAl2Si2O8(鈣長石)+2K++4H++H2O=2KAl3Si3O10(OH)2(伊利石)+3Ca2++H2O(1)3NaAlSi3O8(鈉長石)+K++2H++H2O=KAl3Si3O10(OH)2(伊利石)+3Na++6SiO2(硅質(zhì))+H2O(2)3KAlSi3O8(鉀長石)+2H++H2O=KAl3Si3O10(OH)2(伊利石)+6SiO2(硅質(zhì))+2K++H2O(3)3Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)+2K+=2KAl3Si3O10(OH)2(伊利石)+2H++3H2O(4)KAlSi3O8(鉀長石)+Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)=KAl3Si3O10(OH)2(伊利石)+2SiO2(硅質(zhì))+H2O(5)2KAlSi3O8(鉀長石)+2.5Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)+Na+=NaAlSi3O8(鈉長石)+2SiO2(硅質(zhì))+2KAl3Si3O10(OH)2(伊利石)+2.5H2O+H+(6)由長石形成伊利石的反應(yīng)屬于溶解交代作用,可以用熱力學(xué)來討論其形成,而由高嶺石形成伊利石的反應(yīng)則是伊利石的結(jié)晶生長過程,必須考慮其動力學(xué)的影響。利用與反應(yīng)有關(guān)礦物的熱力學(xué)參數(shù)(表1)和有關(guān)熱力學(xué)方法計算了以上反應(yīng)的標準吉布斯自由能增量、熱力學(xué)平衡時離子活度隨溫度的變化。設(shè)定溫度為25~220℃,參與反應(yīng)的礦物和孔隙水的活度為1。由于自生伊利石常表現(xiàn)為“云母型”組成特征,因此用白云母代替伊利石的熱力學(xué)參數(shù)來進行計算。1.2成巖流體的變化通過對碎屑巖儲層的流體化學(xué)環(huán)境的認識,能夠更好地理解有關(guān)造巖礦物的穩(wěn)定程度、成巖流體的變化對自生伊利石形成的影響。筆者嘗試使用目前已與各種造巖礦物達到熱力學(xué)平衡的地層水?dāng)?shù)據(jù)來反映砂巖儲層的流體化學(xué)環(huán)境,這些數(shù)據(jù)代表了數(shù)個不同構(gòu)造背景盆地、不同溫度范圍的地層水化學(xué)特征,能夠反映絕大多數(shù)碎屑巖儲層的流體化學(xué)環(huán)境。2成巖環(huán)境對伊石化反應(yīng)的影響計算得到的形成伊利石的6種反應(yīng)過程的標準吉布斯自由能增量(ΔGΘ)隨溫度的變化見圖1,可以看出長石直接形成伊利石的反應(yīng)具有最低的標準吉布斯自由能增量[反應(yīng)(1)、(2)],說明這3類反應(yīng)能夠自發(fā)進行。由鈣長石形成伊利石的反應(yīng)(1)具有最低的標準吉布斯自由能增量(ΔGΘ),變化范圍為-297.49~-217.43kJ/mol,隨溫度增加其吉布斯自由能增加,說明其在較低的溫度條件下就能發(fā)生伊利石化,成巖環(huán)境對該反應(yīng)的影響并不明顯。鈉長石形成伊利石[反應(yīng)(2)]的ΔGΘ變化范圍為-97.42~-95.22kJ/mol,鉀長石形成伊利石[反應(yīng)(3)]的ΔGΘ變化范圍為-45.74~-64.49kJ/mol。這兩個反應(yīng)具有較高的負ΔGΘ,表明這兩類長石尤其是鉀長石是較為穩(wěn)定的長石類型,其能否形成伊利石還可能取決于參加反應(yīng)的流體的性質(zhì),即鉀長石和鈉長石的伊利石化受到了成巖環(huán)境的影響。鉀長石和高嶺石反應(yīng)形成伊利石[反應(yīng)(5)]具有稍微偏負的ΔGΘ,變化范圍為-2.35~-6.95kJ/mol,該反應(yīng)為不受流體影響的自組織的自發(fā)反應(yīng),說明在砂巖中廣泛存在的鉀長石-高嶺石礦物組合在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的。由高嶺石直接形成伊利石[反應(yīng)(4)]、鉀長石的鈉長石化伴生的高嶺石的伊利石化[反應(yīng)(6)]這兩個反應(yīng)具有正的ΔGΘ,反應(yīng)(4)的ΔGΘ變化范圍為38.69~43.63kJ/mol,反應(yīng)(6)的ΔGΘ變化范圍為25.1~34.22kJ/mol,這兩個反應(yīng)不能自發(fā)進行,反應(yīng)能否發(fā)生必須取決于流體中參加反應(yīng)的離子的活度,也就是說這兩個反應(yīng)的進行受成巖流體的控制。3各種硅反應(yīng)的力學(xué)條件和重要性3.1成巖環(huán)境對伊利石形成的影響通過計算獲得的反應(yīng)(1)在熱力學(xué)平衡時參加反應(yīng)的離子活度與溫度的關(guān)系見圖2-A,可以看出鈣長石的伊利石化明顯受溫度的控制,溫度降低時,鈣長石的穩(wěn)定域迅速降低,有利于伊利石的形成;溫度升高時,鈣長石的穩(wěn)定性增大,不利于向伊利石轉(zhuǎn)化;因此,鈣長石的伊利石化有利于在較低溫度的成巖環(huán)境中發(fā)生,能夠使孔隙水中K+和H+活度升高的成巖過程有利于伊利石的形成。如前文所述,鈣長石的伊利石化能夠完全自發(fā)地進行,利用地層水?dāng)?shù)據(jù)對兩個反應(yīng)所作離子活度與溫度投點圖(圖2-B)也表明在大部分成巖環(huán)境中鈣長石形成伊利石或高嶺石[反應(yīng)(7)]均可發(fā)生。CaAl2Si2O8(鈣長石)+2H++H2O=Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)+Ca2+(7)鈣長石溶解究竟形成何種礦物主要取決于流體中K+的活度,由溫度較低的同生作用到埋藏成巖作用的早期階段,成巖體系處于開放到半開放的環(huán)境中,在受大氣水影響的成巖環(huán)境中K+活度對伊利石總是不飽和的,因此常常形成的是高嶺石;而受富鉀的海源流體或蒸發(fā)流體影響的砂巖,其K+的活度能夠達到形成伊利石的要求,因而形成伊利石。該反應(yīng)屬于溶解交代反應(yīng),常常觀察到的是鈣長石的伊利石化(亦稱做水云母化)。3.2成巖環(huán)境中鈉長石的穩(wěn)定性反應(yīng)(2)在熱力學(xué)平衡時參加反應(yīng)的離子活度與溫度的關(guān)系如圖3-A所示。鈉長石的伊利石化受溫度的控制,在成巖流體性質(zhì)不變的情況下,溫度升高時鈉長石的穩(wěn)定性增大,有利于鈉長石的保存;溫度降低時,鈉長石的穩(wěn)定域減小,有利于向伊利石轉(zhuǎn)化。K+和H+的持續(xù)供應(yīng)、Na+的持續(xù)輸出可導(dǎo)致鈉長石反應(yīng)形成伊利石。由前面的ΔGΘ可知鈉長石的穩(wěn)定性要高于鈣長石。對地層水?dāng)?shù)據(jù)的分析表明,大部分成巖環(huán)境中鈉長石是穩(wěn)定的(圖3),這表明很多成巖環(huán)境中鈉長石發(fā)生反應(yīng)需要酸性流體的作用。因此鈉長石形成伊利石需要一種富鉀的酸性流體的作用,如果流體中的K+活度較低時,鈉長石會按照反應(yīng)(8)發(fā)生反應(yīng)。2NaAlSi3O8(鈉長石)+2H++H2O=Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)+4SiO2(硅質(zhì))+2Na+(8)伊利石的形成還需要Na+保持較低的活度。如果砂巖中存在一定數(shù)量的蒙皂石(如同期火山物質(zhì))作為填隙物,或出現(xiàn)砂巖與相鄰泥巖層有流體交換的情況。蒙皂石(或含伊利石層較低的伊利石/蒙皂石混層)就會向伊利石轉(zhuǎn)化[反應(yīng)(9)],受到該反應(yīng)的緩沖,伊利石的形成將會受到抑制。蒙皂石+4.5K++8Al3+→伊利石+Na++2Ca2++2.5Fe3++2Mg2++3Si4+(9)3.3酸性流體的ak+/ah+比例對伊利石形成的影響鉀長石形成伊利石[反應(yīng)(3)]和高嶺石形成伊利石[反應(yīng)(4)]均受a(K+)、a(H+)的控制,隨著a(K+)/a(H+)比值的減小,依次出現(xiàn)鉀長石、伊利石和高嶺石的穩(wěn)定區(qū)。隨著溫度的升高,鉀長石、伊利石的穩(wěn)定區(qū)增加,而高嶺石的穩(wěn)定區(qū)減小(圖4)。鉀長石形成伊利石反應(yīng)的ΔGΘ為負值,孔隙流體的a(K+)/a(H+)比值降低會導(dǎo)致反應(yīng)發(fā)生,因此鉀長石形成伊利石的反應(yīng)需要酸性流體的作用。同時酸性流體的a(K+)/a(H+)應(yīng)保持在一定的范圍內(nèi),即圖4的伊利石穩(wěn)定范圍,如果流體的a(K+)/a(H+)過低則會形成高嶺石。高嶺石形成伊利石需要高K+活度流體的作用。但是大部分地層水?dāng)?shù)據(jù)表明其對高嶺石是不穩(wěn)定的,這與大部分地層中所見到的黏土礦物以高嶺石為主相矛盾,有學(xué)者認為這是由于伊利石的成核生長存在著動力學(xué)屏障。因此可以認為高嶺石的伊利石化需要a(K+)/a(H+)比值足夠高的流體的作用以克服伊利石結(jié)晶的動力學(xué)屏障。能夠滿足這種要求的富鉀流體可能來源于酸性流體對鉀長石的溶解,如果與蒸發(fā)巖地層相鄰時,地層水對蒸發(fā)巖的溶解所形成的流體也能夠滿足要求。當(dāng)其K+來源于鉀長石時,K+活度受鉀長石的溶解平衡控制,這種K+活度還不足以克服伊利石的成核動力學(xué)屏障(圖4),可能還需要能夠消耗H+的反應(yīng)(如碳酸鹽的溶解)更進一步提高a(K+)/a(H+)比值。當(dāng)溶解介質(zhì)為CO2時,其溶解長石的同時會產(chǎn)生較多數(shù)量的HCO-3,通常會導(dǎo)致碳酸鹽礦物的沉淀。因此,對于伊利石形成來說有機酸的溶解作用比CO2可能更具有意義。3.4溫度和時間對伊利石結(jié)晶生長的影響該反應(yīng)不需要反應(yīng)系統(tǒng)與外界的物質(zhì)交換,可以視為反應(yīng)(3)、(4)的總反應(yīng)。鉀長石的溶解提供了K+,K+與高嶺石反應(yīng)又能夠釋放H+進一步溶解鉀長石,該反應(yīng)具有負的ΔGΘ,一旦啟動便會自發(fā)進行下去直到兩種反應(yīng)物中的一種消耗完為止。由于受伊利石的成核動力學(xué)屏障的影響,通常認為該反應(yīng)發(fā)生時溫度至少要達到120℃。對大部分盆地的觀察發(fā)現(xiàn),在溫度超過120℃時地層中的自生伊利石急劇增加,這顯然需要一個能夠普遍發(fā)生的反應(yīng)。對伊利石結(jié)晶生長過程的模擬表明當(dāng)溫度超過120℃時,伊利石的結(jié)晶速率明顯加快。因此可以認為當(dāng)溫度超過120℃時,伊利石的結(jié)晶動力學(xué)屏障明顯減小,由鉀長石溶解所控制的K+活度已能夠滿足伊利石的形成?？墒菧囟炔⒉皇强刂七@一反應(yīng)的唯一因素,由于復(fù)雜的結(jié)晶動力學(xué)過程控制,在埋深超過3000~4000m時仍可能會觀察到明顯數(shù)量的高嶺石和鉀長石共存。對于該反應(yīng)來說,如何能夠在長石(斜長石或鉀長石)溶解形成明顯數(shù)量的高嶺石同時又能夠保存足夠數(shù)量的鉀長石?這可能需要其成巖環(huán)境中的K+活度足夠高以能夠抑制鉀長石的溶解,能夠滿足這一條件的成巖環(huán)境可能是由于在成巖早期受海源流體影響的結(jié)果。鄂爾多斯盆地東部太原組情況便是如此。當(dāng)溫度超過120~140℃以后,成巖系統(tǒng)已基本處于封閉狀態(tài),流體的運移已非常困難,因此這一反應(yīng)常常被用來解釋深埋藏時伊利石的形成。3.5鈉長石溶解與鈉長石化對k+的輸出影響當(dāng)鉀長石和高嶺石發(fā)生反應(yīng)時,如果有Na+的輸入可能會導(dǎo)致鈉長石的形成[反應(yīng)(6),圖5]。Aagaard等通過熱力學(xué)和物質(zhì)濃度計算顯示鈉長石化對K+的輸出比Na+的輸入更敏感,對地層水分析亦顯示大部分成巖環(huán)境能夠滿足鈉長石形成對Na+的要求,因此可以認為鉀長石的溶解和鈉長石化是受高嶺石的伊利石化而消耗K+的動力學(xué)所控制。因此,Morad等認為砂巖中普遍或完全高嶺石的伊利石化和伴生鉀長石的鈉長石化出現(xiàn)的溫度大約是130℃。4伊利石形成的流體(1)鈣長石的伊利石化具有最低的標準吉布斯自由能增量,該反應(yīng)主要是在由同生到埋藏成巖作用的早期階段,由富鉀的海源流體作用形成的。鈉長石和鉀長石形成伊利石的反應(yīng)需要酸性流體的a(K+)/a(H+)比值應(yīng)保持在伊利石的穩(wěn)定區(qū)。(2)高嶺石形成伊利石時流體的a(K+)/a(H+)比值要足夠高以克服伊利石