臨興地區(qū)本溪組-山西組含菱鐵礦巖層的成因、演化及地質(zhì)意義

梁偉強(qiáng)， 沈玉林，仝根成

(1.中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院， 青島 266100； 2.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院， 徐州 221116； 3.中國礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 徐州 221008； 4.濟(jì)寧市勘測(cè)院， 濟(jì)寧 272000)

含煤巖系中常見菱鐵礦并多屬于沉積成因[1]，發(fā)育于富鐵與二氧化碳、低硫貧氧的弱還原環(huán)境中[2-4]，常因不同成礦環(huán)境和成巖階段呈現(xiàn)多種形態(tài)和結(jié)構(gòu)[5-6]。臨興地區(qū)本溪組-山西組含煤層數(shù)較多，其間夾有多層厚度不等的含菱鐵礦巖層。區(qū)內(nèi)煤系氣資源儲(chǔ)量巨大且豐度較高，有著極為廣闊的開發(fā)空間。但是含煤巖系中常因特殊層位的阻隔作用形成數(shù)個(gè)縱向相互獨(dú)立的“疊置含氣系統(tǒng)”[7]，現(xiàn)階段難以實(shí)現(xiàn)高效共采。這其中的控制機(jī)理已有一定闡述，含菱鐵礦的泥巖層具有很好的隔水阻氣效果，極有可能是該區(qū)多個(gè)垂向獨(dú)立含氣系統(tǒng)存在的重要原因[8-9]。因此，研究含菱鐵礦巖層的沉積特征、成因演化以及物性特征，是對(duì)垂向疊置獨(dú)立含氣系統(tǒng)進(jìn)一步勘探和開發(fā)的前提。

現(xiàn)以臨興地區(qū)本溪組-山西組Y3-6、Y2-10井含菱鐵礦巖層為研究對(duì)象，先后通過巖心觀察、薄片鑒定、常微量元素測(cè)試及低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)，研究含菱鐵礦巖層的沉積特征和巖石學(xué)特征，并進(jìn)一步探討其成因及演化規(guī)律，分析含菱鐵礦巖層的物性特征，以期為該區(qū)的油氣勘探與高效開發(fā)提供基礎(chǔ)的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)在地理位置上處于鄂爾多斯盆地東側(cè)的河?xùn)|煤田中部(圖1)、110.49°～111.10°E、37.94°～38.39°N范圍內(nèi)，現(xiàn)今大地構(gòu)造位置處于晉西撓褶帶和陜北斜坡的交匯處，屬于東部低、西部高的大型單斜構(gòu)造[10]。研究區(qū)內(nèi)晚古生代主要的含煤地層由老至新分別為上石炭統(tǒng)本溪組、晉祠組、下二疊統(tǒng)太原組和山西組[11-12]，發(fā)育多套厚度較大的煤層，整體屬于海陸過渡相的碳酸鹽潮坪-障壁-潟湖-三角洲沉積。在該時(shí)期內(nèi)海平面的變化比較頻繁，又因基底平緩且海侵通常具有一定的周期性，因此常常發(fā)生較大范圍的“幕式”海水侵退[13]，并發(fā)育了十余層以泥巖為主要巖性的含菱鐵礦巖層。

2 樣品及研究方法

樣品取自Y2-10、Y3-6井，埋深為514.0～651.0 m和746.3～928.0 m；采用鏡下鑒定、常微量元素測(cè)試和低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)方法。鏡下鑒定旨在觀察菱鐵礦微觀形態(tài)及發(fā)育特征；常微量元素測(cè)試用于分析物源及沉積環(huán)境；低溫液氮實(shí)驗(yàn)用于測(cè)試樣品孔徑分布特征。

薄片由河北區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所磨制，在中國礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行鑒定，使用Nikon ECLIPSE LV100NPOL型偏光顯微鏡在正交偏光和單偏光下完成觀察。

常微量元素含量在武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司分析測(cè)試中心測(cè)試。常量元素按照波長(zhǎng)色散X射線熒光光譜法并用ZSXPrimus Ⅱ光譜儀測(cè)定；微量元素使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測(cè)試，依據(jù)《硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法》(GB/T 14506.30—2010)并利用硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法進(jìn)行處理：將200目樣品在105 ℃環(huán)境下烘干12 h；取50 mg粉末置于溶樣彈中；分別加入1 mL高純硝酸和高純氫氟酸并于190 ℃加熱24 h，冷卻后置于140 ℃下蒸干，加1 mL HNO3并重新完全蒸干；加入1 mL高純硝酸、超純水和內(nèi)標(biāo)In(1 mg/L)，在190 ℃下加熱約12 h；隨后轉(zhuǎn)入聚乙烯容器，用2%濃度的HNO3將其稀釋至100 g用來測(cè)試。

低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)在煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，使用比表面與孔隙分析儀(TriStar Ⅱ 3020)，旨在分析孔隙孔徑分布特征。

3 研究結(jié)果

3.1 沉積特征

3.1.1 典型沉積序列

晚石炭世到早二疊世，區(qū)內(nèi)頻繁經(jīng)歷大范圍海水侵退，致使該區(qū)含菱鐵礦巖層發(fā)育三類沉積組合。

(1)泥巖為主[圖2(a)]：由下向上從煤層過渡到含菱鐵礦的泥巖，菱鐵礦的含量逐漸升高，以團(tuán)塊狀產(chǎn)出并沿著層面發(fā)育。向上發(fā)育含黃鐵礦灰?guī)r和含菱鐵礦泥巖，并逐漸過渡為細(xì)砂巖。該沉積組合為泥炭沼澤或泥坪沉積形成。

(2)砂巖為主[圖2(b)]：由下向上從具有沙紋層理的細(xì)砂巖過渡為含有菱鐵礦和少量黃鐵礦的泥質(zhì)粉砂巖，菱鐵礦結(jié)核多發(fā)育于層位上部，向上由細(xì)砂巖轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)育菱鐵礦的泥巖。該組合為分流河道或砂坪沉積形成。

(3)灰?guī)r-泥巖-砂巖混合[圖2(c)～圖2(e)]：區(qū)內(nèi)多見該沉積組合，是海水反復(fù)侵退引起沉積環(huán)境連續(xù)變化導(dǎo)致的，整個(gè)序列發(fā)育灰?guī)r、泥巖和砂巖并相互過渡，表現(xiàn)為碳酸鹽潮下坪、泥坪與砂坪組合。根據(jù)組合規(guī)律可分為三種沉積背景：①海進(jìn)[圖2(c)]：底部為粉砂巖，向上為粉砂質(zhì)泥巖，發(fā)育菱鐵礦與少量黃鐵礦，頂部為生物碎屑灰?guī)r，對(duì)應(yīng)海進(jìn)導(dǎo)致的砂坪向泥坪、碳酸鹽潮坪轉(zhuǎn)變的沉積環(huán)境；②海退[圖2(d)]：底部為生物碎屑泥晶灰?guī)r，向上為含菱鐵礦的泥巖、發(fā)育少量黃鐵礦的細(xì)砂巖，隨后為泥質(zhì)粉砂巖與細(xì)砂巖，對(duì)應(yīng)海退導(dǎo)致的碳酸鹽潮坪向泥、砂坪轉(zhuǎn)變的沉積環(huán)境；③反復(fù)進(jìn)退[圖2(e)]：底部為中、細(xì)砂巖，向上過渡為含菱鐵礦與植物化石碎屑的泥巖、含菱鐵礦細(xì)砂巖與灰?guī)r、表層上零星發(fā)育黃鐵礦的富有機(jī)質(zhì)泥巖，對(duì)應(yīng)海平面反復(fù)升降砂坪、泥坪和碳酸鹽潮下坪交替轉(zhuǎn)變的沉積環(huán)境。

3.1.2 常微量元素特征

常量、微量元素的含量及相關(guān)參數(shù)如表1、表2所示。其中，本溪組-山西組V/(V+Ni)比值的平均值分別為0.64、0.66、0.59、0.71；Sr/Ba平均值分別為0.85、0.66、0.22、0.21；Sr/Cu平均值分別為4.93、4.24、8.52、6.84(暫不計(jì)算個(gè)別異常值)。

3.2 發(fā)育特征

3.2.1 宏觀特征

區(qū)內(nèi)含菱鐵礦巖層距煤層近，含豐富有機(jī)質(zhì)并多呈灰黑色，以泥巖為主要巖性，菱鐵礦多以團(tuán)塊狀產(chǎn)出，與圍巖界面清晰[圖3(a)]；粉砂質(zhì)泥巖中常見透鏡狀、長(zhǎng)條狀結(jié)核，順層或低角度發(fā)育[圖3(b)]；砂巖中菱鐵礦常呈團(tuán)塊狀膠結(jié)物形態(tài)[圖3(c)])，少數(shù)呈細(xì)小顆粒狀[圖3(d)]?；?guī)r中菱鐵礦零星發(fā)育，常與黃鐵礦伴生發(fā)育。

3.2.2 微觀特征

菱鐵礦在單偏光下為黃褐色，正交偏光下為褐色，見有多種微觀形態(tài)，據(jù)發(fā)育特征可分凝膠狀、微粉晶、球形及菱面體4類。

(1)凝膠狀：結(jié)晶程度差，以膠結(jié)物形式廣泛發(fā)育。在富有機(jī)質(zhì)泥巖中多呈層狀分布[圖3(e)]；粉砂巖或泥質(zhì)粉砂巖中以團(tuán)塊狀發(fā)育于石英等礦物顆?？障吨校l(fā)育空間局限，可見磨圓差的海綠石伴生[圖3(f)]。

(2)微粉晶：發(fā)育一定的結(jié)晶邊界，粒徑約0.01～0.02 mm。微粉晶發(fā)育層位相對(duì)較少，但在所發(fā)育層位則分布密集[圖3(g)]；還可見微粉晶由外向內(nèi)交代方解石脈，反映了菱鐵礦的生長(zhǎng)方向[圖3(h)]。

(3)球形：具有核心，粒徑不一，按形態(tài)與結(jié)構(gòu)特征可細(xì)分兩類：①球粒：無圈層結(jié)構(gòu)，粒徑約0.1 mm。核部為圓球或似球狀，常為泥質(zhì)質(zhì)點(diǎn)、碎屑或凝膠顆粒；外緣為顏色淺且亮的隱晶質(zhì)菱鐵礦，并呈現(xiàn)出明顯的放射狀結(jié)晶方式[圖3(i)]，在正交偏光下觀察時(shí)可見十字消光現(xiàn)象[圖3(j)]；②同心圈層狀：常發(fā)育3～4個(gè)圈層，粒徑約0.3 mm，少數(shù)可達(dá)0.5 mm左右，結(jié)構(gòu)呈放射狀和同心圈層狀[圖3(k)]，在正交偏光下表現(xiàn)出明顯的十字消光現(xiàn)象，可見該形態(tài)與菱面體被凝膠狀膠結(jié)[圖3(l)]。核部與球粒結(jié)構(gòu)類似，粒徑相近；圈層間為暗褐色有機(jī)質(zhì)或雜質(zhì)，說明同心圈層狀為多期成礦形成[14]，圈層間暗色物質(zhì)為有機(jī)質(zhì)或雜質(zhì)在成礦間斷期摻入附著而成。

圖3 含菱鐵礦層宏觀、微觀巖石學(xué)特征Fig.3 Macroscopic and microscopic petrographic characteristics of siderite-containing layers

(4)菱面體：自形發(fā)育，節(jié)理完全并沿著節(jié)理線對(duì)稱消光。長(zhǎng)軸0.2～0.3 mm，最大約0.6 mm；除形態(tài)差異外，結(jié)構(gòu)特征與同心圈層狀相似[圖3(m)]。泥巖中可見菱面體與球形共生但界限明顯[圖3(n)]，推測(cè)為成礦條件差異導(dǎo)致?？梢娔鄮r原生層理受菱鐵礦擠壓變形但未穿層錯(cuò)斷[圖3(o)]，說明菱鐵礦為準(zhǔn)同生階段形成，主要發(fā)育于成巖中后期。

4 討論

4.1 物源分析

4.1.1 常量元素分析

選取Fe2CO3+MgO、TiO2、SiO2、Al2O3/SiO2、K2O/Na2O、Al2O3/(CaO+Na2O)、F1、F2、F1′、F2′等參數(shù)判別物源構(gòu)造環(huán)境[15-17]，圖解如圖4所示。Fe2CO3+MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于1.25%～12.88%；TiO2百分含量較高，介于0.52%～1.48%；Al2O3/SiO2較大，介于0.30～0.41；K2O/Na2O較大，介于2.40～13.38； Al2O3/(CaO+Na2O)范圍大，介于0.46～78.86； SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于31.96%～63.84%。

圖4(a)中3個(gè)點(diǎn)落在大洋島弧區(qū)域，大陸島弧和活動(dòng)大陸邊緣區(qū)域各落有1個(gè)；圖4(b)中大陸島弧區(qū)域落有1個(gè)點(diǎn)；圖4(c)、圖4(d)中的投點(diǎn)均不在經(jīng)典構(gòu)造區(qū)域之內(nèi)。此外，研究地層K2O、Al2O3含量高，K2O/Na2O、Al2O3/(CaO+Na2O)比值高，推測(cè)物源區(qū)性質(zhì)主要為活動(dòng)大陸邊緣和被動(dòng)大陸邊緣，并兼有部分大洋島弧的性質(zhì)。

根據(jù)F1、F2圖解[圖4(e)]，投點(diǎn)均落在被動(dòng)大陸邊緣延伸區(qū)域。由SiO2-K2O/Na2O圖解可見[圖4(f)]，被動(dòng)大陸邊緣區(qū)域落有9個(gè)點(diǎn)，活動(dòng)大陸邊緣8個(gè)，大洋島弧延伸區(qū)域1個(gè)，說明物源區(qū)的構(gòu)造背景并非單獨(dú)一種，而是兼具被動(dòng)大陸邊緣、活動(dòng)大陸邊緣及大洋島弧性質(zhì)。根據(jù)F2′-F1′圖解[圖4(g)]，17個(gè)點(diǎn)落在酸性火山巖物源區(qū)及延伸區(qū)域，1個(gè)落在酸性和中性火山巖物源區(qū)邊緣的延伸區(qū)域，說明研究區(qū)的物源區(qū)主要為酸性火山巖性質(zhì)。

基于上述分析，物源區(qū)在該時(shí)期的構(gòu)造背景表現(xiàn)為溝-弧-盆體系活動(dòng)大陸邊緣以及碰撞造山帶被動(dòng)大陸邊緣，結(jié)合對(duì)比周圍地區(qū)構(gòu)造演化特征，只有陰山-阿拉善古陸與這種復(fù)合大地構(gòu)造背景對(duì)應(yīng)。

圖4 本溪組-山西組常量元素構(gòu)造環(huán)境判別圖解Fig.4 The macroelement tectonic environment of C2b-P1s

4.1.2 微量元素分析

對(duì)微量元素參數(shù)進(jìn)行La-Th-Sc、Th-Co-Zr/10和Th-Sc-Zr/10判別圖解[18-19]投點(diǎn)(圖5)。圖5(a)中活動(dòng)大陸邊緣與被動(dòng)大陸邊緣區(qū)域附近落有7個(gè)，大陸島弧區(qū)域落有8個(gè)；圖5(b)中大陸島弧和被動(dòng)大陸邊緣區(qū)域附近落有16個(gè)，大洋島弧及活動(dòng)大陸邊緣區(qū)域落有1個(gè)；圖5(c)中大陸島弧和被動(dòng)大陸邊緣區(qū)域落有17個(gè)，活動(dòng)大陸邊緣區(qū)域落有1個(gè)。結(jié)果表明：在本溪-山西期，研究區(qū)的物源區(qū)以被動(dòng)大陸邊緣與大陸島弧為主要構(gòu)造環(huán)境，兼具活動(dòng)大陸邊緣與大洋島弧的性質(zhì)，這與常量元素分析結(jié)果對(duì)應(yīng)。同時(shí)，前人對(duì)研究區(qū)稀土元素進(jìn)行配分判別得到了相同的結(jié)論[20]，驗(yàn)證了分析的準(zhǔn)確性，由此推論，該時(shí)期的物源區(qū)為陰山-阿拉善古陸。

圖5 本溪組-山西組微量元素構(gòu)造環(huán)境判別圖解Fig.5 The relation diagram of trace elements in C2b-P1s

4.2 成因分析

4.2.1 成礦物質(zhì)

4.2.2 沉積環(huán)境

某些微量元素比值能指示地球化學(xué)條件的變化[20]：V/(V+Ni)可判別古氧相，介于0.83～1.0，對(duì)應(yīng)海相還原環(huán)境；0.57～0.83對(duì)應(yīng)弱還原環(huán)境；0.46～0.57對(duì)應(yīng)弱氧化環(huán)境；小于0.46對(duì)應(yīng)富氧環(huán)境。本溪組到山西組，該比值均處于0.57～0.83范圍，對(duì)應(yīng)古水體為弱還原的環(huán)境。Sr/Ba可以反映鹽度及對(duì)應(yīng)的沉積相[24]，小于0.6對(duì)應(yīng)淡水陸相；0.6～1.0對(duì)應(yīng)半咸水海陸過渡相；大于1.0對(duì)應(yīng)咸水海相。Sr/Ba平均值分別為0.85、0.66、0.22、0.21，個(gè)別峰值對(duì)應(yīng)時(shí)期可能存在沉積環(huán)境的短暫變動(dòng)，但并不影響整體由海到陸過渡的趨勢(shì)。Sr/Cu可判別古氣候，介于1.3～5.0為濕潤(rùn)溫暖氣候，大于5.0為炎熱干旱氣候。本溪組-山西組Sr/Cu平均值分別為4.93、4.24、8.52、6.84，總體而言，晚古生代前期以濕潤(rùn)溫暖氣候?yàn)橹?，后期轉(zhuǎn)向炎熱干旱。

圖6 菱鐵礦成礦“掠奪”過程及差異演化示意圖Fig.6 “Plunder” of mineralization and differential evolution

4.3 演化規(guī)律

值得一提的是，菱面體與球形結(jié)構(gòu)相似但形態(tài)差異明顯，這極可能是成礦條件差異引起的[25-26]。前者是成礦條件適宜情況下形成的自形形態(tài)，除了足量的成礦物質(zhì)、適宜的濃度和足夠的結(jié)晶空間，成礦環(huán)境(pH、Eh等)也需適宜，也就是說，菱面體的結(jié)晶過程中幾乎沒有周圍環(huán)境的負(fù)面影響(微生物分解有機(jī)質(zhì)等)。球形形態(tài)規(guī)則且放射狀結(jié)構(gòu)明顯，結(jié)合其發(fā)育特征和球晶結(jié)晶習(xí)性，除上述條件外，球形發(fā)育還必須具有各向相同的滲透性、成礦物質(zhì)補(bǔ)給性及成礦約束性[27]，即成礦條件的各向同性，而沉積環(huán)境中微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解和一系列化學(xué)反應(yīng)可能恰好實(shí)現(xiàn)了這一平衡狀態(tài)。各向均一的滲透性能使成礦物質(zhì)從各方向自由進(jìn)入核部結(jié)晶區(qū)；各向均一的補(bǔ)給性和約束性能保證各向等速結(jié)晶，否則便難以形成規(guī)則的球形，某方向補(bǔ)給過多或過少、約束過強(qiáng)或過弱，都會(huì)造成該方向結(jié)晶突出或缺陷，形成扁球狀或花瓣?duì)睢?/p>

4.4 地質(zhì)意義

為了分析含菱鐵礦泥巖層的物性特征，選取含菱鐵礦泥巖樣品(Y3-5、Y3-8、Y3-9、Y3-11、Y3-12、Y3-13、Y3-21、Y3-23)及普通泥巖樣品(Y3-6、Y3-26)進(jìn)行低溫液氮吸附測(cè)試，采用BJH模型繪制孔徑分布圖(圖7)。各樣品孔徑分布規(guī)律類似，均以3個(gè)主峰分布。含菱鐵礦泥巖峰一高且陡，跨度較小，主要分布于1～2 nm；峰二高度和陡峭程度適中，跨度相對(duì)較大，分布于5～30 nm，先平緩上升后緩慢下降；峰三與峰二高度相當(dāng)，但跨度較小，主要分布于50～70 nm。據(jù)國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)劃分方案，孔徑分大孔(>50 nm)、介孔(2～50 nm)及微孔(<2 nm)三種，上述分布規(guī)律表明含菱鐵礦泥巖層的孔隙主要為微孔和介孔，大孔數(shù)量少。普通泥巖樣本峰一主要分布于1～2 nm，遠(yuǎn)低于前者峰一高度，說明前者的微孔含量整體高于后者；峰二高度比前者偏低或相當(dāng)，跨度相似，先緩慢上升后快速下降，表明中孔含量不高；峰三為最高峰，普遍高于前者且跨度較大，在40 nm附近急速上升，至50 nm附近達(dá)到峰值并開始下降，表明泥巖比前者介孔和大孔含量高，微孔含量低。

圖7 樣品孔隙分布特征Fig.7 Characteristics of sample pore distribution

結(jié)合上述分析，菱鐵礦在發(fā)育過程中會(huì)在一定程度上充填、阻塞孔隙[28]，并導(dǎo)致大孔、中孔、微孔體積一定程度地減小，造成含菱鐵礦泥巖層孔徑整體小于普通泥巖，滲透率更低，具有較好的隔水阻氣性能。這一重要認(rèn)識(shí)將在中國油氣勘探與開發(fā)實(shí)踐中起到很好的指導(dǎo)作用，對(duì)于正確識(shí)別和劃分含油氣系統(tǒng)的邊界、實(shí)現(xiàn)多個(gè)獨(dú)立含油氣系統(tǒng)高效共采、降低成本和提高產(chǎn)出具有重要的理論研究?jī)r(jià)值及現(xiàn)實(shí)意義。

5 結(jié)論

(2)菱鐵礦發(fā)育形態(tài)有凝膠狀、微粉晶、球形(球粒和同心圈層狀)及菱面體4類，濃度、空間、滲透性及地球化學(xué)環(huán)境是其形態(tài)演化的重要影響因素：成礦物質(zhì)濃度高則易快速結(jié)晶形成凝膠狀；次之形成微粉晶；濃度適宜、空間充裕且滲透性好則易發(fā)生“掠奪”過程，并在不同成礦條件和多期成礦作用下差異演化形成球形或菱面體。

(3)菱鐵礦的發(fā)育導(dǎo)致巖層孔隙被充填、阻塞，孔隙度和滲透率整體降低，阻隔作用十分明顯。該特性在多套縱向獨(dú)立含氣系統(tǒng)的勘探評(píng)價(jià)、邊界識(shí)別劃分以及共采實(shí)踐中具有特殊的參考價(jià)值和重要的指導(dǎo)作用。