鄂尔多斯盆地华庆地区三叠系长6层碳酸盐胶结物及形成机理

张 艳,李建明,徐论勋

(长江大学地球科学学院,湖北荆州434023)

鄂尔多斯盆地华庆地区三叠系长6层碳酸盐胶结物及形成机理

张 艳,李建明,徐论勋

(长江大学地球科学学院,湖北荆州434023)

综合运用岩石学、矿物学和地球化学方法,将鄂尔多斯盆地华庆地区三叠系长6储层中碳酸盐胶结物划分为三期,并对不同成岩阶段形成的碳酸盐胶结物特征及成因机理进行了探讨。长6储层中碳酸盐胶结物以铁方解石、铁白云石为主要类型。沉积阶段和早成岩阶段A期方解石胶结物的成因与铝硅酸盐矿物的水化作用有关。早成岩阶段B期和中成岩阶段A期形成的晚期碳酸盐胶结物的成因主要与酸性流体对长石等铝硅酸盐矿物的溶解和粘土矿物转化有关。

鄂尔多斯盆地;华庆地区;三叠系;碳酸盐胶结物

碳酸盐胶结物是一种广泛分布于碎屑岩中的成岩矿物,在我国和世界上不同类型沉积盆地的碎屑岩沉积序列中屡见不鲜。长6是鄂尔多斯盆地华庆地区砂体最发育、含油性最好的一个油层,其具有分布普遍性、成因多样性,形成多期性的重要特点。对其碳酸盐胶结物形成机制的研究为了解成岩作用过程以及优质储层的分布提供了重要线索。

1 地质概况

鄂尔多斯盆地华庆地区地处甘肃省华池县、庆阳县境内,构造位置位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡带的西部,具体范围为:西起白马,东到马家砭,北自长官庙,南抵城壕-悦乐一带,范围约为5 500km2。

鄂尔多斯盆地延长组第三段长7为湖盆演化的鼎盛时期,沉积了一套生烃能力巨大的烃源岩。长6期湖盆开始收缩,岩性以砂岩为主,是盆地主要的储油层[1]。长4+5以泥页岩为主[2],既是生油层也是较好的区域盖层(表1)。

2 碳酸盐胶结物主要类型及特征

2.1 碳酸盐胶结物的类型及分布特征

华庆地区长6储层中胶结物平均含量一般在4%～23%之间,最高可达40%,平均为9.2%。胶结物成分主要有:碳酸盐胶结物,伊利石,绿泥石,硅质等,其中碳酸盐胶结物位为总量的55.7%,占绝对优势(图1)。碳酸盐胶结物主要为方解石、铁方解石、白云石和铁白云石,其中铁方解石、铁白云石是主要类型。

表1 华庆地区上三叠统延长组第三段地层划分简表

2.2 碳酸盐胶结物的矿物学,岩石学特征

华庆地区碳酸盐胶结物具有明显的多期次形成特征[3]。可根据组构、赋存状态、占位关系等特征将其划分为三期:第一期主要为早期方解石,第二期为铁方解石,第三期则主要为(铁)白云石。其中第一期碳酸盐胶结物不如第二和三期常见。

第一期方解石主要以泥晶状产出,嵌晶式胶结。阴极发光下可见贫铁方解石由里向外发桔黄桔红色光,很难占据长石溶解空间(图2-A),说明其在长石颗粒溶解之前形成,其形成时间较早,在之后的成岩作用过程中已被部分溶蚀。研究区可见方解石表面被溶蚀生成少量片状伊利石(图2-B)。

图1 华庆地区长6储层胶结物成分及含量饼状图

第二期铁方解石的沉淀发生于部分溶解作用之后。铸体薄片下可见铁方解石呈嵌晶状胶结,充填几乎所有孔隙,并交代碎屑、杂基(图2-C)。第三期(铁)白云石发生在溶蚀作用之后,一般晶粒较大,以孔隙充填为特征,呈不规则状分布在以线状和凹凸状接触为主的碎屑颗粒之间。扫面电镜下可见长石溶蚀孔隙内发育菱形状铁白云石(图2-D)。

2.3 地球化学特征

正常的海相碳酸盐岩和碳酸盐胶结物的δ13C分布在-4.0‰～4.0‰范围间,属于无机碳源[4]。华庆地区碳酸盐胶结物的碳氧同位素分析表明,第一期方解石的碳同位素(δ13C)相对较重,为-0.3‰～ -3.3‰,氧同位素(δ18O)较轻 ,分布范围为-1.95‰～-22.1‰。说明它的形成与有机质的脱羧基作用关系不大,而与湖泊的碳酸钙过饱和及沉积时的碱性条件有关,因此形成时间大致在沉积阶段与早成岩阶段A期。其较轻的氧同位素特征可能与方解石在成岩过程发生重结晶作用有关[5],镜下可见该类方解石因重结晶而呈连晶状分布。

第二期铁方解石的碳同位素(δ13C)相对较轻,为 -3.23‰～ -8.02‰,氧同位素(δ18O)也较轻 ,分布范围为-19.7‰～-22.9‰。说明铁方解石中有一定量的有机碳参与,它的形成明显与有机质脱梭基作用有关。其沉淀时间应该是早成岩阶段B-中成岩阶段A期。

第三期(铁)白云石碳同位素(δ13C)相对较重,为-0.84 ‰～ -1.92 ‰,氧同位素(δ18O)变化较大 ,分布范围为-12.6%～-20.5%。其碳氧同位素组成可能反映了在成岩流体中存在一定量的古代海相碳酸盐岩溶蚀提供的无机碳[6],研究区薄片下可见碳酸盐岩屑边部溶解 (图2-E)。(铁)白云石有机碳的加入量比较有限,形成明显晚于铁方解石。结合其自形程度较高、主要占据次生溶孔和普遍含铁的特点,可以说明其形成时间大致在中成岩阶段A期。

图2 华庆地区长6储层碳酸盐胶结物

3 碳酸盐胶结物形成机理讨论

自生碳酸盐胶结物的种类可以随埋藏深度增加和地温的升高按一定序列有规律地出现。华庆地区长6储层各种碳酸盐胶结物的沉积序列为:早期方解石沉淀→有机流体注入→长石颗粒溶解→早期方解石溶解→晚期铁方解石充填原生和次生孔隙→晚期(铁)白云石充填或交代碎屑颗粒(图3)。现将研究区各种碳酸盐胶结物的成因机理按沉积序列进行研究。

图3 华庆地区长6储层碳酸盐胶结物的沉积序列

3.1 沉积阶段与早成岩阶段A期

华庆地区长6油层组砂岩绝大部分为长石砂岩,其次为岩屑长石砂岩。岩屑成分以变质岩岩屑为主,其次为火山岩岩屑。在沉积阶段及早成岩阶段A期主要发生铝硅酸盐骨架颗粒及同期火山物质的水化作用生成早期方解石胶结物。

水化作用首先是铁镁暗色矿物的水化作用,之后便是长石等浅色矿物的水化作用。浅色矿物水化首先析出的是 K+、Na+等碱金属离子,而后是 Ca2+、Mg2+等碱土金属离子。在研究区薄片中观察到的长石表面的绢云母化(图2-F)与水化作用有关。

3.2 早成岩阶段B期

开始出现与埋藏成岩作用有关的碳酸盐和(含)铁碳酸盐的沉淀作用。华庆地区多数砂岩中缺失高岭石,而伊利石和绿泥石的含量相对较高,这可能是成岩中消耗了高岭石,而有利于形成伊利石、高含量的伊/蒙混层、绿泥石及钠长石,表现出具明显的由蒙脱石和高岭石转化为伊利石的特征。该转化过程所涉及的反应如下:

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

该反应提供的Ca2+,Fe3+和Mg2+离子是碳酸盐胶结物,尤其是铁方解石和铁白云石胶结物的重要物质来源。研究区铁方解石和铁白云石含量较高,其成因可能与此有关。

华庆地区延长组上部长4+5局部发育薄煤层或者煤线(表1)。煤因压实或者氧化反应开始释放出酸性流体,并造成其下地层中的溶蚀。该阶段末,有机质逐渐成熟。研究区接近盆地沉降中心,深湖区沉积了一套泥页岩地层,富含有粘土矿物与有机质。随着研究区有机质进入低熟阶段,延长组长7巨厚的生油岩,以及长6富含有机质的暗色泥岩中干酪根的热演化,生成的大量有机酸和CO2降低了地层水中的p H值,使地层水呈酸性。

华庆地区长6油层组砂岩绝大部分为长石砂岩,其丰富的长石砂岩为碳酸盐胶结物的发育提供了重要的物质基础。成岩过程中形成的酸性水随泥岩压实进入相邻砂体中,造成砂体中不稳定的长石等酸溶性组分的溶蚀,同时排出,Fe2+、Ca2+、Mg2+等,形成碳酸盐胶结物重要的物质来源之一。钙长石的溶解方程如下:

CaAl2Si2O8(钙长石) →A12Si2O5(OH)4(高岭石)+Si4++Ca2+

早成岩阶段B期形成的这些碳酸盐和(含)铁碳酸盐矿物大都具有较低的δ13C,δ18O值,此阶段形成的碳酸盐胶结物以第二期铁方解石胶结物为主。

3.3 中成岩阶段A期

长6油层组储层砂岩目前埋深在2 000m左右,已达中成岩A期。因为粘土矿物的转化是温度或埋藏深度(在忽略孔隙介质影响时)的函数,与之有关的碳酸盐胶结物此阶段形成的速度更快。

随着主要烃源层中的有机质已逐渐进入成熟阶段,干酪根的热演化生成更多的有机酸和CO2使地层水p H值更低。这些酸性水除继续溶解长石等酸溶性组分外,也造成埋藏条件下难容的碳酸盐岩屑的溶解,形成碳酸盐胶结物重要的物质来源。

华庆地区中成岩阶段A期长石的溶解,(铁)方解石和(铁)白云石的沉淀交替进行。研究区(铁)白云石自形程度较高、主要占据次生溶孔,主要在此阶段形成。

3.4 与埋藏成岩作用有关的碳酸盐胶结物形成机理综合模式

华庆地区泥页岩地层在成岩过程中主要为成岩流体排出带,其有机质热演化过程中生成了大量酸性流体。成岩酸性流体向侧方运移时,对流经的长石等酸溶性组分和陆源碳酸盐碎屑产生溶蚀,形成溶蚀带次生溶孔,同时排出 Fe2+、Ca2+、Mg2+等。粘土矿物的转化过程中排出的 Fe3+、Ca2+、Mg2+,也为碳酸盐矿物的成岩期胶结提供了物源。

这些离子随孔隙流体运移时,由于酸碱度的变化等物理化学条件的改变发生沉淀胶结,形成碳酸盐胶结作用充填带(图4)。

4 结论

图4 华庆地区长6储层碳酸盐胶结物形成机理模式

(1)华庆地区长6储层砂岩中以碳酸盐胶结作用占绝对优势。其中铁方解石、铁白云石胶结是主要类型。可将研究区碳酸盐胶结物划分为三期:第一期主要为早期方解石,第二期为铁方解石,第三期则主要为(铁)白云石。

(2)在沉积阶段及早成岩阶段A期主要发生铝硅酸盐骨架颗粒及同期火山物质的水化作用生成早期方解石胶结物。早成岩阶段B期以第二期铁方解石胶结物为主。(铁)白云石主要在中成岩阶段A期形成。

(3)研究区与埋藏成岩作用有关的碳酸盐和(含)铁碳酸盐的沉淀作用主要发生在早成岩阶段B期和中成岩阶段A期。其成因与原生或次生粘土矿物的成岩转化,有机质热演化以及煤氧化形成的酸性流体对长石等铝硅酸盐矿物的溶解有关。

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编辑:吴官生

TE112.23

A

1673-8217(2010)01-0020-03

2009-07-30;改回日期:2009-09-15

张艳,1984年生,2007年大学毕业,在职硕士研究生,研究方向为沉积储层。