白堊系砂巖中鉀長石的形成機(jī)制

白堊系砂巖中鉀長石的形成機(jī)制

松遼盆地是中國北方的一個大型陸相油氣盆地。盆地內(nèi)發(fā)育的碎屑砂巖儲藏著豐富的油氣資源。石油、天然氣地質(zhì)勘探和地質(zhì)調(diào)查始于近半世紀(jì)。在碎屑巖沉積方面成熟的認(rèn)識是:早—中侏羅世,盆地形成初期表現(xiàn)為近物源、分散水系、多沉積中心、窄邊緣相帶的斷陷沉積,發(fā)育有沖積扇、沼澤、濱淺湖相的疊合沉積,并間夾中酸性火山巖及火山碎屑巖;白堊紀(jì)時期,盆地由斷陷型過渡為大型坳陷型盆地,表現(xiàn)為遠(yuǎn)物源、大水系、單沉積中心、寬邊緣相帶,廣泛接受大型河流、三角洲、濱淺湖相碎屑巖填充(楊萬里等,1985;樓章華等,1999)。具有儲集意義的砂巖類型主要為巖屑質(zhì)長石砂巖和長石質(zhì)巖屑砂巖。砂巖中不穩(wěn)定碎屑組分的發(fā)育標(biāo)志著砂巖的成分成熟度較低。在沉積后的成巖過程中,不穩(wěn)定組分越多,成巖后生鈉長石化作用和長石溶解作用越顯著,因此,對油氣的儲集物性影響也就越大。1砂體碎屑類型松遼盆地周邊有五大水系攜帶沉積物傾注于盆內(nèi),形成的沉積相類型有河流、三角洲、扇三角洲、濱淺湖、濁積相等(杜博民等,1984)。由于受搬運水介質(zhì)改造的程度以及母巖區(qū)的控制,盆內(nèi)接受的粗碎屑沉積,其成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度均較低。砂巖中長石碎屑組分含量一般在28%～46%,平均40%左右;石英碎屑組分含量一般在24%～39%,平均小于30%;巖屑組分含量一般在18%～41%,平均35%左右。由三角洲、濱淺湖相沉積為主的砂巖碎屑,顆粒大小主要分布在0.02～0.35mm之間,雜基含量5%～10%,局部更高。碎屑砂巖的分選性和磨圓度均較差。砂巖類型按福克分類,主要為巖屑質(zhì)長石砂巖和長石質(zhì)巖屑砂巖,少部分為長石砂巖(表1)。經(jīng)過對松遼盆地北部白堊系泉頭組砂巖近2萬塊樣品的分析統(tǒng)計,泉三段和四段砂巖50%～70%為巖屑質(zhì)長石砂巖,30%～40%為長石質(zhì)巖屑砂巖;泉一段和二段砂巖60%～80%為巖屑質(zhì)長石砂巖,20%～40%為長石質(zhì)巖屑砂巖。砂巖中的石英碎屑以單晶石英為主,主要來自盆地周邊的中酸性巖漿巖。包裹體以氣液為主,普遍發(fā)生成巖次生加大,掃描電鏡下可見完整的次生生長晶面(邢順荃,1983;卓勝廣等,1992)。砂巖中的巖屑組分主要為中性或中酸性噴發(fā)巖和各種淺變質(zhì)巖,尤其是在盆地深層的早期沉積物中,巖屑含量更高。砂巖中的長石碎屑主要來自周邊花崗巖及長英質(zhì)變質(zhì)巖區(qū),由于長石的穩(wěn)定性差,在接受搬運前部分長石碎屑就有不同程度的風(fēng)化蝕變,當(dāng)經(jīng)過一定距離的搬運和水介質(zhì)改造后,長石碎屑的高嶺石化更加明顯。長石碎屑在沒有蝕變的情況下,在正交偏光顯微鏡下有時不顯雙晶,干折射也為一級灰白,與石英碎屑不容易區(qū)別,常常被誤統(tǒng)計到石英碎屑含量里。2不同埋深巖石中鈣-鈉成分關(guān)系松遼盆地白堊系砂巖普遍發(fā)生有鈉長石化作用,只是在早些時候不被人們所重視。在早期傳統(tǒng)的砂巖巖礦鑒定中,一般對在偏光顯微鏡下不顯雙晶紋、高嶺石化明顯的長石碎屑常?；\統(tǒng)地歸為堿性長石類。直到引進(jìn)電子探針技術(shù),并利用該技術(shù)對砂巖進(jìn)行長石碎屑成分鑒定,發(fā)現(xiàn)該結(jié)果與偏光顯微鏡鑒定的結(jié)果差別較大。大多數(shù)具有高嶺石化或其他蝕變現(xiàn)象的長石碎屑并非都是鉀長石,其中多數(shù)為斜長石碎屑,并隨著埋藏深度增加,斜長石碎屑越來越多(卓勝廣等,1992)。為了證實鈉長石化現(xiàn)象的普遍存在,按不同的埋藏深度系列取樣。首先通過對砂巖進(jìn)行長石染色,統(tǒng)計長石碎屑中鉀長石與斜長石相對百分含量。然后針對斜長石碎屑再進(jìn)行偏光顯微鏡下鈣長石的系列號碼測定,以及電子探針、掃描電鏡能譜分析,發(fā)現(xiàn)松遼盆地白堊系砂巖中,斜長石碎屑和鉀長石相對百分含量隨著埋藏深度的增加呈有規(guī)律的變化(表2)。埋藏深度小于500m時,砂巖中斜長石碎屑和鉀長石接近原始花崗質(zhì)母巖成分比例,相對百分含量基本相等;當(dāng)埋深在1000～1500m時,鉀長石含量明顯減少,而斜長石含量相對增多;當(dāng)埋藏深度達(dá)到2000m以下,鉀長石基本消失。斜長石碎屑中的鈣-鈉成分系列,隨著埋藏深度的增加也呈現(xiàn)顯著的規(guī)律變化,當(dāng)埋藏較淺時(埋深小于500m),砂巖中偏鈉斜長石(鈉長石An=0～10)占40%左右,而偏鈣斜長石(更長石An=20～30)占50%左右。隨著埋藏深度增加,鈉組分逐漸增加,而鈣組分相對減少,當(dāng)埋藏深度大于2000m,個別地區(qū)大于3000m時,斜長石碎屑基本完成鈉長石化過程,絕大多數(shù)斜長石組分接近鈉長石端元(An=0),而鈣長石系列(更長石An=20～30)自埋藏深度超過1000m時就明顯減少,當(dāng)埋藏深度達(dá)到2000m后基本消失。長石碎屑的這種成巖演化實際上是碎屑鈉長石化過程,在不同的成巖階段和不同的成巖條件下,鈉長石化程度與鈉長石化形式也有所不同,可以說,鈉長石化過程伴隨著整個成巖演化過程。3松遼盆地白堊系砂巖的組成,有以下3種砂巖在成巖過程中的鈉長石化有多種形式,Kenneth等(1984)曾提出3種鈉長石化形式,即:①在斜長石碎屑顆粒上的裂縫填充;②斜長石碎屑邊緣次生生長;③碎屑奧長石和中長石的交代作用。這是否就是鈉長石化標(biāo)準(zhǔn)呢?通過對松遼盆地白堊系砂巖的研究,不難發(fā)現(xiàn)上述提到的3種鈉長石化類型,由于松遼盆地特有的砂巖類型和盆地的成巖背景,長石碎屑的鈉長石化相對要復(fù)雜的多。除了斜長石的鈉長石化外,碎屑鉀長石的鈉長石化作用以及與長石碎屑溶解相伴生的新生鈉長石更具有成巖意義。3.1不同埋深的砂巖中鈉組分分布特征在成巖過程中,長石碎屑的鈉長石化在微觀上表現(xiàn)為K+、Na+、Ca2+離子的遷移與交代富集過程。由于Na+離子在半徑上要比Ca2+離子小,在長石碎屑成巖礦物轉(zhuǎn)化過程中容易交代鈣離子而形成富鈉長石。又由于成巖過程中孔隙流體作用,長石碎屑中K+、Ca2+離子不斷被Na+離子代替,并逐漸向純鈉端元組分富集(樓章華,1998)。實驗中利用電子探針對不同埋深的砂巖進(jìn)行斜長石鈣-鈉組分測試,發(fā)現(xiàn)交代作用下鈉長石化現(xiàn)象非常明顯,離子的交代作用使得鈉組分不斷富集(表3)。當(dāng)埋藏深度在500～1500m時,CaAl2Si2O8為16%～4.45%,NaAlSi308為84%～95.26%;當(dāng)埋藏深度在1500～3000m時,CaAl2Si2O8為4.14%～0.97%,而NaAlSi308則達(dá)到95.87%～99.03%;當(dāng)埋深達(dá)到4667.9m時,CaA12Si208為0.43%,NaAlSi308為99.57%。很顯然,隨著埋藏深度的不斷增加,鈉長石化的交代作用更加徹底。把長石染色薄片放在正交偏光鏡下,觀看鈉長石交代現(xiàn)象比較清楚(圖版Ⅰ-1),斜長石碎屑顆粒一般染紅色,當(dāng)發(fā)生鈉長石化交代作用后,新形成的鈉長石基本不著色。3.2鈉長石成因類型及形成環(huán)境關(guān)于長石碎屑邊緣的次生鈉長石生長雖然已有許多報道,但對鉀長石碎屑的次生鈉長石生長研究的卻較少。實際上,碎屑鉀長石的鈉長石化不僅表現(xiàn)在交代作用上,碎屑鉀長石也具有邊緣鈉長石生長。通過對有些具有次生加大邊的正長石碎屑顆粒進(jìn)行電子探針測試,發(fā)現(xiàn)正長石核心部分的Na2O約為0.2%～1%,而其次生生長邊的Na2O則一般高達(dá)10%～12%,表明其邊緣已接近純鈉長石組分。顯然,無論是斜長石碎屑還是鉀長石碎屑,它們邊緣的次生生長就是一種鈉長石化類型,隨著成巖環(huán)境改變,砂巖孔隙溶液中鈉鋁硅酸鹽(NaAlSi3O8)不斷得以富集,并在適當(dāng)?shù)某蓭r條件下沿著原生長石碎屑的邊緣發(fā)生次生鈉長石生長。鄭俊茂等(1988)、鄭俊茂(1989)在研究歧口凹陷第三系砂巖成巖作用時,對正長石和斜長石次生邊進(jìn)行了系統(tǒng)的電子探針測試分析(表4),肯定了鉀長石次生邊緣的鈉長石化現(xiàn)象。長石碎屑核心部分與邊緣的鈉長石不僅化學(xué)成分有明顯的差別,在結(jié)構(gòu)上也不同,單偏光下,次生鈉長石生長邊干凈透明,正交偏光下兩者消光位不同(圖版Ⅰ-2～4)。長石碎屑次生加大邊寬度一般厚0.01～0.04mm,局部可占長石碎屑的6%～10%,但不超過砂巖體積的1%。3.3鈉長石化過程長石碎屑的鈉長石化除了離子交代作用和長石碎屑顆粒邊緣次生鈉長石生長外,還有與長石碎屑溶解作用相伴生的自生鈉長石現(xiàn)象(周書欣等,1991)。這種鈉長石化在松遼盆地的砂巖中較為常見。因為松遼盆地的砂巖中長石碎屑多,而且長石溶解也比較發(fā)育,這種鈉長石化與長石碎屑溶解相伴生的現(xiàn)象是通過配備能譜測試儀的掃描電鏡測試中認(rèn)識到的。當(dāng)利用掃描電鏡對長石碎屑進(jìn)行次生孔隙類型分析時,發(fā)現(xiàn)在已經(jīng)溶解長石碎屑的匡架上新長出許多長石小晶體(圖版Ⅰ-5,6),晶棱、晶面非常清楚。經(jīng)過大量的電鏡能譜測試,發(fā)現(xiàn)這些小晶體均為純鈉長石組分(圖1)。該鈉長石化過程有些類似于自生石英的生長過程,在成巖早期,當(dāng)長石碎屑剛剛開始發(fā)生溶解時,長石顆粒內(nèi)部的溶孔中由于長石溶解析離出來的鈉離子組分很快達(dá)到飽和,并就地附著生長,隨著成巖作用加強(qiáng),長石碎屑進(jìn)一步溶解,這不僅為粒間次生孔提供更多的鈉離子組分,而且也擴(kuò)大了晶體的生長空間。鈉長石晶體越長越大,越長越擁擠(圖版Ⅰ-7,8),最終生長在一起,形成整體鈉長石。4鈉長石化的反應(yīng)關(guān)于長石碎屑的鈉長石化問題,自上個世紀(jì)80年代始,國內(nèi)外有過很多報道,比較一致的觀點是,鈉長石化是斜長石碎屑在成巖演化過程中,以不同的形式向穩(wěn)定的鈉長石轉(zhuǎn)化的過程。但存在的分歧和問題是,鈉長石化發(fā)生在哪個成巖階段?需要成巖條件如何?成巖過程中有無鉀長石的鈉長石化發(fā)生?鈉長石化過程中的鈉組分來源問題等等。Kaiser(1984)通過研究美國得克薩斯洲Frio組砂巖成巖歷史和儲集性能認(rèn)為,鈉長石化包括鉀長石鈉長石化和斜長石鈉長石化(方程1、2):其中對斜長石的鈉長石化研究的比較深入,認(rèn)為發(fā)生鈉長石化的基本條件,若在靜水壓力下,要求溫度在100℃以下,甚至在50～75℃也可發(fā)生。他們從熱動力學(xué)平衡原理的角度分析,鉀長石比鈉長石穩(wěn)定,而鈉長石又比斜長石穩(wěn)定。因此,理論上,斜長石的鈉長石化發(fā)生于鉀長石的鈉長石化之前。鉀長石發(fā)生鈉長石化需要的成巖條件相對要高,要求即便在適宜的溫度下,還需具備相應(yīng)的log(K+/Na+)比率。若在靜水壓力下,形成鉀長石鈉長石化的溫度需在50～85℃之間,鉀長石的成巖過程不受鈉長石化影響,鈉長石化僅僅發(fā)生于斜長石碎屑,并認(rèn)為發(fā)生鈉長石化的基本成巖條件相當(dāng)于鏡質(zhì)體反射率R。達(dá)到0.5%,介質(zhì)溫度達(dá)到110℃,相當(dāng)于埋藏深度在4500m左右;徹底的鈉長石化則出現(xiàn)在相當(dāng)于鏡質(zhì)體反射率R。達(dá)到0.9%,介質(zhì)溫度要求達(dá)到160℃,相當(dāng)埋藏深度在5400m左右,并與成巖晚期的自生濁沸石共生(Kennethetal.,1984)。此外,Milliken等(1981)利用自生鈉長石氧、碳同位素(測得自生鈉長石的δ18O值為+17‰)分析,長石鈉長石化大約出現(xiàn)在4200m以下,形成溫度在150℃左右(Landetal.,1981)。還有更多有關(guān)鈉長石研究的報道,如:Iijima等(1972)、Boles(1982)、Lynton(1984)、Stephen等(1984)、鄭俊茂等(1988,1998)、鄭俊茂(1989);Merino(1975)把鈉長石化的“窗口”溫度確定在100～150℃之間。鈉長石化在成巖的形成序列上緊隨石英次生生長之后,幾乎與自生高嶺石沉淀同時(Loucksetal.,1981;Kaiser,1984)。在松遼盆地白堊系砂巖中,鈉長石化現(xiàn)象可出現(xiàn)在500余米的埋藏深度或更淺。在實驗室里,無論是普通薄片的偏光顯微鏡觀察,還是掃描電鏡分析,在相當(dāng)于早期成巖階段的樣品中,可以觀測到鈉長石化的現(xiàn)象。從理論上,運用鈉長石形成的熱動力學(xué)反應(yīng)平衡原理,可以證明斜長石的鈉長石化過程不受特殊溫度限制,即使在常溫條件下斜長石的鈉長石化過程仍可進(jìn)行。鈉長石化過程可用下式表示:依據(jù)反應(yīng)方程的熱動力學(xué)平衡公式:△G0(方程)=∑△G0(產(chǎn)物)—∑△G0(反應(yīng)物)△G0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下吉布斯自由能,各成分的△G0查表取值(饒紀(jì)龍,1979)當(dāng)△G0>0時,反應(yīng)左向進(jìn)行;當(dāng)△G0=0時,反應(yīng)平衡;當(dāng)△G0<0時,反應(yīng)右向進(jìn)行。對(3)式進(jìn)行反應(yīng)計算得出:△G0(方程)=—35446.4J/mol。斜長石鈉長石化反應(yīng)過程的吉布斯自由能(△G0)為負(fù)值,說明上述反應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)條件下便可進(jìn)行。根據(jù)這一原理可以認(rèn)為,只要砂巖孔隙水介質(zhì)中具備充足的H4Si04和Na+成分,斜長石的鈉長石化作用可不受溫度壓力的制約。可以推測,這一過程在成巖準(zhǔn)同生期可能就已發(fā)生,等到真正能夠觀察到鈉長石化現(xiàn)象時,必然需一定的時間。因此,在松遼盆地埋藏深度500余米見到斜長石的鈉長石化現(xiàn)象,同熱動力學(xué)平衡原理的分析是相符合的。斜長石的鈉長石化從理論上雖然不受成巖溫度壓力的控制,但成巖環(huán)境中的介質(zhì)酸堿度、分子化學(xué)飽和度等卻是極其重要的因素,如砂巖粒間孔隙中的Na+和H4SiO4是鈉長石化的物質(zhì)保證。依據(jù)實驗觀察,斜長石鈉長石化往往與斜長石碎屑的溶解作用有伴生關(guān)系,這是因為長石碎屑的溶解作用及時地為鈉長石化提供所需的Na+結(jié)果,這一溶解過程可用方程(4)表示:通過對方程(4)進(jìn)行熱動力學(xué)計算得出:△G0(方程)=—23968.12J/mol,說明上述斜長石溶解反應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下便可進(jìn)行,若在埋藏深處的成巖環(huán)境下則更容易發(fā)生。此外,斜長石溶解與鈉長石化伴生在一起時,還與自生高嶺石、自生濁沸石具有成因聯(lián)系(Kaiser,1984;黃思靜等,2001)。在掃描電鏡下常常見到三者的伴生關(guān)系,而且方程(4)也能說明這一點。對鉀長石的成巖變化更多的是研究其溶解作用,是否存在鈉長石化爭論較多。僅從松遼盆地白堊系砂巖的成巖演化規(guī)律看,鉀長石的鈉長石化應(yīng)該是存在的。從宏觀分布上,鉀長石在長石碎屑中確實有隨著埋藏深度加深而減少的趨勢,大多數(shù)情況下,鉀長石消失在2700m以下。鉀長石鈉長石化過程可用方程(5)表示:通過對方程(5)進(jìn)行熱動力學(xué)反應(yīng)平衡分析,在常溫常壓的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,反應(yīng)方程的吉布斯自由能為正值(△G0=15967.6J/mol),顯然,方程不能右向進(jìn)行,由此也說明,鉀長石比斜長石相對穩(wěn)定,發(fā)生鈉長石化的成巖條件相對也高。如果暫不考慮壓力影響,只考慮溫度變化,那么,方程5的變溫條件下反應(yīng)吉布斯自由能可用下式求得:其中,△CP(熱能)=∑△CP(產(chǎn)物)—∑△CP(反應(yīng)物)。當(dāng)溫度達(dá)到100℃時,,方程反映的吉布斯自由能仍為正值,但有變小趨勢。當(dāng)溫度升至457℃時,反應(yīng)方程的接近負(fù)值。但如果再考慮壓力變化的影響,鉀長石的鈉長石化要求的介質(zhì)溫度會有所降低?？傊?通過熱動力