鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)三疊系長(zhǎng)6層碳酸鹽膠結(jié)物及形成機(jī)理

張 艷,李建明,徐論勛

(長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,湖北荊州434023)

鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)三疊系長(zhǎng)6層碳酸鹽膠結(jié)物及形成機(jī)理

張 艷,李建明,徐論勛

(長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,湖北荊州434023)

綜合運(yùn)用巖石學(xué)、礦物學(xué)和地球化學(xué)方法,將鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)三疊系長(zhǎng)6儲(chǔ)層中碳酸鹽膠結(jié)物劃分為三期,并對(duì)不同成巖階段形成的碳酸鹽膠結(jié)物特征及成因機(jī)理進(jìn)行了探討。長(zhǎng)6儲(chǔ)層中碳酸鹽膠結(jié)物以鐵方解石、鐵白云石為主要類型。沉積階段和早成巖階段A期方解石膠結(jié)物的成因與鋁硅酸鹽礦物的水化作用有關(guān)。早成巖階段B期和中成巖階段A期形成的晚期碳酸鹽膠結(jié)物的成因主要與酸性流體對(duì)長(zhǎng)石等鋁硅酸鹽礦物的溶解和粘土礦物轉(zhuǎn)化有關(guān)。

鄂爾多斯盆地;華慶地區(qū);三疊系;碳酸鹽膠結(jié)物

碳酸鹽膠結(jié)物是一種廣泛分布于碎屑巖中的成巖礦物,在我國和世界上不同類型沉積盆地的碎屑巖沉積序列中屢見不鮮。長(zhǎng)6是鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)砂體最發(fā)育、含油性最好的一個(gè)油層,其具有分布普遍性、成因多樣性,形成多期性的重要特點(diǎn)。對(duì)其碳酸鹽膠結(jié)物形成機(jī)制的研究為了解成巖作用過程以及優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的分布提供了重要線索。

1 地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)地處甘肅省華池縣、慶陽縣境內(nèi),構(gòu)造位置位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡帶的西部,具體范圍為:西起白馬,東到馬家砭,北自長(zhǎng)官廟,南抵城壕-悅樂一帶,范圍約為5 500km2。

鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組第三段長(zhǎng)7為湖盆演化的鼎盛時(shí)期,沉積了一套生烴能力巨大的烴源巖。長(zhǎng)6期湖盆開始收縮,巖性以砂巖為主,是盆地主要的儲(chǔ)油層[1]。長(zhǎng)4+5以泥頁巖為主[2],既是生油層也是較好的區(qū)域蓋層(表1)。

2 碳酸鹽膠結(jié)物主要類型及特征

2.1 碳酸鹽膠結(jié)物的類型及分布特征

華慶地區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層中膠結(jié)物平均含量一般在4%～23%之間,最高可達(dá)40%,平均為9.2%。膠結(jié)物成分主要有:碳酸鹽膠結(jié)物,伊利石,綠泥石,硅質(zhì)等,其中碳酸鹽膠結(jié)物位為總量的55.7%,占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)(圖1)。碳酸鹽膠結(jié)物主要為方解石、鐵方解石、白云石和鐵白云石,其中鐵方解石、鐵白云石是主要類型。

表1 華慶地區(qū)上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組第三段地層劃分簡(jiǎn)表

2.2 碳酸鹽膠結(jié)物的礦物學(xué),巖石學(xué)特征

華慶地區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物具有明顯的多期次形成特征[3]?？筛鶕?jù)組構(gòu)、賦存狀態(tài)、占位關(guān)系等特征將其劃分為三期:第一期主要為早期方解石,第二期為鐵方解石,第三期則主要為(鐵)白云石。其中第一期碳酸鹽膠結(jié)物不如第二和三期常見。

第一期方解石主要以泥晶狀產(chǎn)出,嵌晶式膠結(jié)。陰極發(fā)光下可見貧鐵方解石由里向外發(fā)桔黃桔紅色光,很難占據(jù)長(zhǎng)石溶解空間(圖2-A),說明其在長(zhǎng)石顆粒溶解之前形成,其形成時(shí)間較早,在之后的成巖作用過程中已被部分溶蝕。研究區(qū)可見方解石表面被溶蝕生成少量片狀伊利石(圖2-B)。

圖1 華慶地區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層膠結(jié)物成分及含量餅狀圖

第二期鐵方解石的沉淀發(fā)生于部分溶解作用之后。鑄體薄片下可見鐵方解石呈嵌晶狀膠結(jié),充填幾乎所有孔隙,并交代碎屑、雜基(圖2-C)。第三期(鐵)白云石發(fā)生在溶蝕作用之后,一般晶粒較大,以孔隙充填為特征,呈不規(guī)則狀分布在以線狀和凹凸?fàn)罱佑|為主的碎屑顆粒之間。掃面電鏡下可見長(zhǎng)石溶蝕孔隙內(nèi)發(fā)育菱形狀鐵白云石(圖2-D)。

2.3 地球化學(xué)特征

正常的海相碳酸鹽巖和碳酸鹽膠結(jié)物的δ13C分布在-4.0‰～4.0‰范圍間,屬于無機(jī)碳源[4]。華慶地區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物的碳氧同位素分析表明,第一期方解石的碳同位素(δ13C)相對(duì)較重,為-0.3‰～ -3.3‰,氧同位素(δ18O)較輕 ,分布范圍為-1.95‰～-22.1‰。說明它的形成與有機(jī)質(zhì)的脫羧基作用關(guān)系不大,而與湖泊的碳酸鈣過飽和及沉積時(shí)的堿性條件有關(guān),因此形成時(shí)間大致在沉積階段與早成巖階段A期。其較輕的氧同位素特征可能與方解石在成巖過程發(fā)生重結(jié)晶作用有關(guān)[5],鏡下可見該類方解石因重結(jié)晶而呈連晶狀分布。

第二期鐵方解石的碳同位素(δ13C)相對(duì)較輕,為 -3.23‰～ -8.02‰,氧同位素(δ18O)也較輕 ,分布范圍為-19.7‰～-22.9‰。說明鐵方解石中有一定量的有機(jī)碳參與,它的形成明顯與有機(jī)質(zhì)脫梭基作用有關(guān)。其沉淀時(shí)間應(yīng)該是早成巖階段B-中成巖階段A期。

第三期(鐵)白云石碳同位素(δ13C)相對(duì)較重,為-0.84 ‰～ -1.92 ‰,氧同位素(δ18O)變化較大 ,分布范圍為-12.6%～-20.5%。其碳氧同位素組成可能反映了在成巖流體中存在一定量的古代海相碳酸鹽巖溶蝕提供的無機(jī)碳[6],研究區(qū)薄片下可見碳酸鹽巖屑邊部溶解 (圖2-E)。(鐵)白云石有機(jī)碳的加入量比較有限,形成明顯晚于鐵方解石。結(jié)合其自形程度較高、主要占據(jù)次生溶孔和普遍含鐵的特點(diǎn),可以說明其形成時(shí)間大致在中成巖階段A期。

圖2 華慶地區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層碳酸鹽膠結(jié)物

3 碳酸鹽膠結(jié)物形成機(jī)理討論

自生碳酸鹽膠結(jié)物的種類可以隨埋藏深度增加和地溫的升高按一定序列有規(guī)律地出現(xiàn)。華慶地區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層各種碳酸鹽膠結(jié)物的沉積序列為:早期方解石沉淀→有機(jī)流體注入→長(zhǎng)石顆粒溶解→早期方解石溶解→晚期鐵方解石充填原生和次生孔隙→晚期(鐵)白云石充填或交代碎屑顆粒(圖3)?，F(xiàn)將研究區(qū)各種碳酸鹽膠結(jié)物的成因機(jī)理按沉積序列進(jìn)行研究。

圖3 華慶地區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層碳酸鹽膠結(jié)物的沉積序列

3.1 沉積階段與早成巖階段A期

華慶地區(qū)長(zhǎng)6油層組砂巖絕大部分為長(zhǎng)石砂巖,其次為巖屑長(zhǎng)石砂巖。巖屑成分以變質(zhì)巖巖屑為主,其次為火山巖巖屑。在沉積階段及早成巖階段A期主要發(fā)生鋁硅酸鹽骨架顆粒及同期火山物質(zhì)的水化作用生成早期方解石膠結(jié)物。

水化作用首先是鐵鎂暗色礦物的水化作用,之后便是長(zhǎng)石等淺色礦物的水化作用。淺色礦物水化首先析出的是 K+、Na+等堿金屬離子,而后是 Ca2+、Mg2+等堿土金屬離子。在研究區(qū)薄片中觀察到的長(zhǎng)石表面的絹云母化(圖2-F)與水化作用有關(guān)。

3.2 早成巖階段B期

開始出現(xiàn)與埋藏成巖作用有關(guān)的碳酸鹽和(含)鐵碳酸鹽的沉淀作用。華慶地區(qū)多數(shù)砂巖中缺失高嶺石,而伊利石和綠泥石的含量相對(duì)較高,這可能是成巖中消耗了高嶺石,而有利于形成伊利石、高含量的伊/蒙混層、綠泥石及鈉長(zhǎng)石,表現(xiàn)出具明顯的由蒙脫石和高嶺石轉(zhuǎn)化為伊利石的特征。該轉(zhuǎn)化過程所涉及的反應(yīng)如下:

4.5K++8A13++KNaCa2Mg4Fe4Al14Si38O100(OH)20H2O(蒙脫石)→K5.5Mg2Fe1.5Al22Si35O100(OH)20(伊利石)+ Na++ 2Ca2++ 2.5Fe3++2Mg2++3Si4++10H2O

該反應(yīng)提供的Ca2+,Fe3+和Mg2+離子是碳酸鹽膠結(jié)物,尤其是鐵方解石和鐵白云石膠結(jié)物的重要物質(zhì)來源。研究區(qū)鐵方解石和鐵白云石含量較高,其成因可能與此有關(guān)。

華慶地區(qū)延長(zhǎng)組上部長(zhǎng)4+5局部發(fā)育薄煤層或者煤線(表1)。煤因壓實(shí)或者氧化反應(yīng)開始釋放出酸性流體,并造成其下地層中的溶蝕。該階段末,有機(jī)質(zhì)逐漸成熟。研究區(qū)接近盆地沉降中心,深湖區(qū)沉積了一套泥頁巖地層,富含有粘土礦物與有機(jī)質(zhì)。隨著研究區(qū)有機(jī)質(zhì)進(jìn)入低熟階段,延長(zhǎng)組長(zhǎng)7巨厚的生油巖,以及長(zhǎng)6富含有機(jī)質(zhì)的暗色泥巖中干酪根的熱演化,生成的大量有機(jī)酸和CO2降低了地層水中的p H值,使地層水呈酸性。

華慶地區(qū)長(zhǎng)6油層組砂巖絕大部分為長(zhǎng)石砂巖,其豐富的長(zhǎng)石砂巖為碳酸鹽膠結(jié)物的發(fā)育提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。成巖過程中形成的酸性水隨泥巖壓實(shí)進(jìn)入相鄰砂體中,造成砂體中不穩(wěn)定的長(zhǎng)石等酸溶性組分的溶蝕,同時(shí)排出,Fe2+、Ca2+、Mg2+等,形成碳酸鹽膠結(jié)物重要的物質(zhì)來源之一。鈣長(zhǎng)石的溶解方程如下:

CaAl2Si2O8(鈣長(zhǎng)石) →A12Si2O5(OH)4(高嶺石)+Si4++Ca2+

早成巖階段B期形成的這些碳酸鹽和(含)鐵碳酸鹽礦物大都具有較低的δ13C,δ18O值,此階段形成的碳酸鹽膠結(jié)物以第二期鐵方解石膠結(jié)物為主。

3.3 中成巖階段A期

長(zhǎng)6油層組儲(chǔ)層砂巖目前埋深在2 000m左右,已達(dá)中成巖A期。因?yàn)檎惩恋V物的轉(zhuǎn)化是溫度或埋藏深度(在忽略孔隙介質(zhì)影響時(shí))的函數(shù),與之有關(guān)的碳酸鹽膠結(jié)物此階段形成的速度更快。

隨著主要烴源層中的有機(jī)質(zhì)已逐漸進(jìn)入成熟階段,干酪根的熱演化生成更多的有機(jī)酸和CO2使地層水p H值更低。這些酸性水除繼續(xù)溶解長(zhǎng)石等酸溶性組分外,也造成埋藏條件下難容的碳酸鹽巖屑的溶解,形成碳酸鹽膠結(jié)物重要的物質(zhì)來源。

華慶地區(qū)中成巖階段A期長(zhǎng)石的溶解,(鐵)方解石和(鐵)白云石的沉淀交替進(jìn)行。研究區(qū)(鐵)白云石自形程度較高、主要占據(jù)次生溶孔,主要在此階段形成。

3.4 與埋藏成巖作用有關(guān)的碳酸鹽膠結(jié)物形成機(jī)理綜合模式

華慶地區(qū)泥頁巖地層在成巖過程中主要為成巖流體排出帶,其有機(jī)質(zhì)熱演化過程中生成了大量酸性流體。成巖酸性流體向側(cè)方運(yùn)移時(shí),對(duì)流經(jīng)的長(zhǎng)石等酸溶性組分和陸源碳酸鹽碎屑產(chǎn)生溶蝕,形成溶蝕帶次生溶孔,同時(shí)排出 Fe2+、Ca2+、Mg2+等。粘土礦物的轉(zhuǎn)化過程中排出的 Fe3+、Ca2+、Mg2+,也為碳酸鹽礦物的成巖期膠結(jié)提供了物源。

這些離子隨孔隙流體運(yùn)移時(shí),由于酸堿度的變化等物理化學(xué)條件的改變發(fā)生沉淀膠結(jié),形成碳酸鹽膠結(jié)作用充填帶(圖4)。

4 結(jié)論

圖4 華慶地區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層碳酸鹽膠結(jié)物形成機(jī)理模式

(1)華慶地區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層砂巖中以碳酸鹽膠結(jié)作用占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。其中鐵方解石、鐵白云石膠結(jié)是主要類型?？蓪⒀芯繀^(qū)碳酸鹽膠結(jié)物劃分為三期:第一期主要為早期方解石,第二期為鐵方解石,第三期則主要為(鐵)白云石。

(2)在沉積階段及早成巖階段A期主要發(fā)生鋁硅酸鹽骨架顆粒及同期火山物質(zhì)的水化作用生成早期方解石膠結(jié)物。早成巖階段B期以第二期鐵方解石膠結(jié)物為主。(鐵)白云石主要在中成巖階段A期形成。

(3)研究區(qū)與埋藏成巖作用有關(guān)的碳酸鹽和(含)鐵碳酸鹽的沉淀作用主要發(fā)生在早成巖階段B期和中成巖階段A期。其成因與原生或次生粘土礦物的成巖轉(zhuǎn)化,有機(jī)質(zhì)熱演化以及煤氧化形成的酸性流體對(duì)長(zhǎng)石等鋁硅酸鹽礦物的溶解有關(guān)。

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編輯:吳官生

TE112.23

A

1673-8217(2010)01-0020-03

2009-07-30;改回日期:2009-09-15

張艷,1984年生,2007年大學(xué)畢業(yè),在職碩士研究生,研究方向?yàn)槌练e儲(chǔ)層。