鄂爾多斯盆地中三疊統(tǒng)山西組、太原組和四川盆地須家河組砂巖的地球化學(xué)特征

鄂爾多斯盆地中三疊統(tǒng)山西組、太原組和四川盆地須家河組砂巖的地球化學(xué)特征

陰性光譜分析是沉積物學(xué)中的一種重要研究方法之一，在碳酸鹽沉積研究（包括砂巖碳酸鹽）中得到了廣泛應(yīng)用。在低束流和低束壓條件下，碳酸鹽礦比（鋁）鹽礦更具有更好的黑暗光澤。同時(shí)，作為碳酸鹽巖的激生劑，mn和fe的極端發(fā)光原理也被廣泛接受。近年來(lái)有關(guān)碳酸鹽成巖作用(包括白云巖化作用)的研究都把不同結(jié)構(gòu)或不同成分碳酸鹽的陰極發(fā)光性的差別作為恢復(fù)成巖歷史、判斷成巖機(jī)制、推測(cè)成巖流體性質(zhì)、鑒別與評(píng)估碳酸鹽成巖蝕變性的主要依據(jù)之一。如Bruhn對(duì)德國(guó)西北部上侏羅統(tǒng)碳酸鹽巖成巖歷史的研究,El-Tabakh對(duì)澳大利亞西部的南卡那封(Carnarvon)盆地志留系淺海相碳酸鹽白云巖化作用的研究,Swennen對(duì)加拿大不列顛哥倫比亞(BritishColumbia)地區(qū)中寒武統(tǒng)與高溫鹽水有關(guān)的成巖白云巖形成機(jī)制的研究,T?r?k對(duì)匈牙利南部中三疊統(tǒng)碳酸鹽白云巖化作用的研究,Azmy對(duì)巴西圣弗朗西斯科(S?oFrancisco)盆地前寒武白云巖化的流體性質(zhì)和白云巖化機(jī)制的研究,Walter對(duì)前寒武840～544Ma時(shí)間段碳酸鹽樣品成巖蝕變性的評(píng)估等。Veizer在公布顯生宙全球海水同位素(鍶、碳、氧、硫)曲線時(shí)對(duì)樣品成巖蝕變性的評(píng)估、黃思靜等在對(duì)華南早古生代海相碳酸鹽和西藏南部晚白堊世厚殼蛤不同殼層的成巖蝕變性及其對(duì)海水信息保存性的評(píng)估時(shí)都不同程度地采用了陰極發(fā)光分析。我國(guó)一些重要的含油氣盆地同時(shí)也是重要的成煤盆地,如四川盆地的須家河組和鄂爾多斯盆地的上古生界等。陸源碎屑巖是主要的油氣儲(chǔ)集巖,其主要特點(diǎn)是骨架顆粒中長(zhǎng)石含量極低(表1),如鄂爾多斯盆地太原組和山西組的砂巖中的長(zhǎng)石含量基本上都在全巖樣品X射線衍射分析檢測(cè)限以下;四川盆地的川西凹陷須家河組地層中,除須2段長(zhǎng)石含量稍高(6%左右)以外,其它層位的長(zhǎng)石含量都在2%以下(表1)。與骨架顆粒中長(zhǎng)石含量對(duì)應(yīng)的是砂巖的巖石類(lèi)型,以巖屑砂巖、巖屑石英砂巖或石英砂巖為主,有的砂巖甚至顯示出很高的成分成熟度(圖1)。埋藏前的各種地質(zhì)作用是人們對(duì)砂巖骨架顆粒構(gòu)成狀況的一般性解釋,因而除物源因素以外,低長(zhǎng)石含量被認(rèn)為是穩(wěn)定構(gòu)造條件或濕熱氣候條件下的有關(guān)地質(zhì)作用對(duì)砂巖骨架顆粒改造的結(jié)果,并形成了砂巖成分成熟度(也包括結(jié)構(gòu)成熟度)等重要的碎屑巖沉積學(xué)的理念。在富長(zhǎng)石的砂巖中也有了構(gòu)造長(zhǎng)石砂巖和氣候長(zhǎng)石砂巖的說(shuō)法。這些經(jīng)典理論統(tǒng)治我們多年,在指導(dǎo)有關(guān)科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐上都發(fā)揮了巨大的作用,人們也主要以此為依據(jù)解釋鄂爾多斯盆地上古生界和四川盆地三疊系須家河組砂巖骨架顆粒中低長(zhǎng)石含量的原因。然而,長(zhǎng)石作為地殼中最為重要的造巖礦物之一,其分布十分廣泛,無(wú)論是各種巖漿巖、變質(zhì)巖還是沉積巖都不同程度的含有長(zhǎng)石,一些埋藏前的地質(zhì)作用也難以對(duì)長(zhǎng)石的減少甚至完全消失作出合理解釋,如作為前陸盆地的四川盆地川西凹陷來(lái)說(shuō),雖然煤系地層的氣候條件可能是埋藏前長(zhǎng)石含量極低的原因之一,但在活動(dòng)的大地構(gòu)造條件和如此近物源的條件下,無(wú)論何種氣候條件下也難于使其長(zhǎng)石完全消失。因而長(zhǎng)石有可能是在漫長(zhǎng)的成巖過(guò)程中遭受溶解,使其數(shù)量減少甚至完全消失的。如果長(zhǎng)石在較早成巖階段完全溶解,我們很難在薄片中發(fā)現(xiàn)它們,但如果長(zhǎng)石在完全溶解之前,碳酸鹽膠結(jié)作用發(fā)生,殘余長(zhǎng)石被保存下來(lái),這些長(zhǎng)石與固定它們的碳酸鹽膠結(jié)物具有完全不同的陰極發(fā)光性,那么原有長(zhǎng)石的性質(zhì)和數(shù)量可以在一定程度上得以恢復(fù),這正是本文試圖討論的問(wèn)題。1實(shí)驗(yàn)巖的選擇樣品采自鄂爾多斯盆地的T井、HT井和四川盆地川西凹陷的G井,目前埋藏深度大約在3400～4080m之間,樣品分布的地層包括上古生界的山西組和太原組(鄂爾多斯盆地)和三疊系須家河組(川西凹陷),均選擇為碳酸鹽廣泛膠結(jié)的極度致密的砂巖。樣品所分布的山西組、太原組和須家河組都是我國(guó)重要的含煤地層。在對(duì)樣品進(jìn)行了薄片鑒定(包括茜素紅和鐵氰化鉀染色分析以及鑄體薄片分析)的基礎(chǔ)上,利用成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的CL8200MK5陰極發(fā)光儀(配以Leica偏光顯微鏡)進(jìn)行陰極發(fā)光分析,由于砂巖中的大多數(shù)方解石膠結(jié)物都具有較高的Mn含量和中等程度的鐵含量,因而都具有較為鮮艷的陰極發(fā)光性,測(cè)試條件選擇束電壓為15kV、束電流300μA,同時(shí)考慮到樣品的可對(duì)照性,所有樣品都采用了相同的測(cè)試條件。本文按Ebers等的方法和描述術(shù)語(yǔ)(表2)對(duì)碳酸鹽礦物的陰極發(fā)光顏色和強(qiáng)度進(jìn)行描述。2種是一種最具未溶解的巖性陰極發(fā)光分析表明,鄂爾多斯盆地山西組、太原組和四川盆地須家河組砂巖中的方解石膠結(jié)物都不同程度地具有陰極發(fā)光(圖2),以四川盆地川西凹陷砂巖中方解石膠結(jié)物的陰極發(fā)光最強(qiáng),具有亮黃色的陰極發(fā)光性,鄂爾多斯盆地太原組砂巖中方解石膠結(jié)物具有暗的中等紅色—暗的中等黃色陰極發(fā)光性,而鄂爾多斯盆地山西組砂巖中方解石的陰極發(fā)光最弱,具有暗紅色的陰極發(fā)光性。在本文的測(cè)試條件下,大多數(shù)碎屑石英都不具陰極發(fā)光或僅具暗紫色的陰極發(fā)光,但由于發(fā)光很強(qiáng)的方解石膠結(jié)物的影響,其本身的弱陰極發(fā)光性被掩蓋。分散的具有藍(lán)色陰極發(fā)光細(xì)碎屑物質(zhì)主要是鉀長(zhǎng)石溶解后的殘余晶體(圖2中白色箭頭所指),這是我們可以基本肯定的長(zhǎng)石類(lèi)型,同時(shí)也說(shuō)明鉀長(zhǎng)石是埋藏成巖過(guò)程中長(zhǎng)石溶解的主要類(lèi)型。陰極發(fā)光分析結(jié)果具有如下幾個(gè)方面的地質(zhì)意義:(1)圖2中列舉的4個(gè)樣品的薄片分析結(jié)果中長(zhǎng)石在巖石中的含量大致在0%～1%之間,個(gè)別樣品的薄片中沒(méi)有識(shí)別出長(zhǎng)石(表3),而在陰極發(fā)光下,碳酸鹽膠結(jié)物占據(jù)空間的很大一部分都是由長(zhǎng)石溶解提供的,顯示方解石膠結(jié)作用發(fā)生在長(zhǎng)石溶解之后的較短時(shí)間內(nèi)。一些樣品(圖2a、d、f)所具有的顯著較大的“粒間孔隙體積”并非都是原生的,其成因與長(zhǎng)石的廣泛溶解作用有關(guān),方解石的膠結(jié)作用固定了顆粒間的相對(duì)位置,并勾繪出溶解長(zhǎng)石的原有輪廓,使得部分原有長(zhǎng)石的形態(tài)得以保存。(2)從圖2a、d、f估計(jì),被溶解的長(zhǎng)石可能占巖石的10%～20%甚至更高,可以想象,砂巖中長(zhǎng)石溶解以后,如果沒(méi)有碳酸鹽的膠結(jié)作用,這些由長(zhǎng)石溶解形成的“粒間孔隙體積”可能因壓實(shí)作用而消失,分散的長(zhǎng)石殘晶可能被成巖流體帶走,確實(shí)難以恢復(fù)巖石埋藏前骨架顆粒中長(zhǎng)石的實(shí)際數(shù)量,表1中所顯示的砂巖骨架顆粒的構(gòu)成顯然不能代表埋藏前的骨架顆粒構(gòu)成,巖石中長(zhǎng)石的缺乏不能視為巖石在埋藏前經(jīng)歷了充分的改造,巖石也不具有真正的高成分成熟度。(3)一部分被溶解長(zhǎng)石的殘晶具較強(qiáng)的藍(lán)色陰極發(fā)光,綜合前人已有研究成果(表4),可以判斷它們主要是鉀長(zhǎng)石,一部分被溶長(zhǎng)石的殘晶具很弱的陰極發(fā)光,并被方解石的較強(qiáng)發(fā)光所掩蓋,因而除鉀長(zhǎng)石以外,可能還有其它長(zhǎng)石被溶解,但鉀長(zhǎng)石仍然是被溶解長(zhǎng)石最主要的類(lèi)型,這說(shuō)明在經(jīng)過(guò)風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積作用之后,能存活到埋藏成巖作用階段的長(zhǎng)石類(lèi)型主要是鉀長(zhǎng)石,這顯然是由其熱力學(xué)習(xí)性決定的,因?yàn)樵谕铰癫卦缙诘南鄬?duì)低溫條件下,鉀長(zhǎng)石具有最高的溶解反應(yīng)自由能增量(ΔG)(表5),因而在這些成巖環(huán)境中,鉀長(zhǎng)石是相對(duì)穩(wěn)定的。(4)圖2還說(shuō)明,如果長(zhǎng)石溶解空間沒(méi)有被碳酸鹽膠結(jié)物占據(jù),假定壓實(shí)作用也沒(méi)有完全破壞這些次生孔隙,則埋藏成巖過(guò)程中對(duì)次生孔隙貢獻(xiàn)最大的仍然是鉀長(zhǎng)石的溶解作用,因而在相對(duì)高溫的深埋藏條件下,與鋁硅酸鹽溶解和次生孔隙形成機(jī)制有關(guān)的研究中,應(yīng)主要考慮鉀長(zhǎng)石,鉀長(zhǎng)石的溶解受到眾多復(fù)雜因素控制,除溫度以外,還包括流體中額外鉀離子的存在及數(shù)量、高嶺石的存在及數(shù)量、含有膨脹層的粘土礦物的存在及數(shù)量等,雖然已有較多的成果討論這一問(wèn)題,但有關(guān)的動(dòng)力機(jī)制和控制因素仍需要我們進(jìn)一步研究。(5)骨架顆粒中長(zhǎng)石的缺乏是煤系地層砂巖的主要特征,如鄂爾多斯盆地上古生界山西組、太原組和四川盆地三疊系須家河組等地層,陰極發(fā)光分析表明大多數(shù)的碎屑長(zhǎng)石仍然是在埋藏成巖過(guò)程中溶解消失的,這與煤系地層的有機(jī)質(zhì)類(lèi)型以III型干酪根為主有關(guān),Joo等有類(lèi)似的研究結(jié)果。酸性流體在沉積物沉積不久之后的埋藏地點(diǎn)就可以因腐植型有機(jī)質(zhì)氧化反應(yīng)產(chǎn)生,而后在埋藏成巖過(guò)程(相對(duì)淺埋藏條件)中由壓實(shí)作用釋放出酸性流體,并從較早的埋藏成巖階段到以后的相對(duì)深埋藏成巖階段一直控制著砂巖的成巖流體性質(zhì),從而造成與其相鄰砂巖地層中長(zhǎng)石等鋁硅酸鹽礦物的廣泛溶解,同生到埋藏成巖作用早期主要是斜長(zhǎng)石等不穩(wěn)定長(zhǎng)石的溶解,并造成高嶺石的沉淀,而鉀長(zhǎng)石是在相對(duì)深埋藏成巖階段溶解的,鉀長(zhǎng)石的溶解雖然與煤系地層酸性流體關(guān)系較小,但高嶺石的伊利石化是深埋藏高溫條件鉀長(zhǎng)石溶解的重要驅(qū)動(dòng)反應(yīng),最終造成各種長(zhǎng)石的全部消失,薄片與X射線分析都很難檢測(cè)到長(zhǎng)石的存在(如鄂爾多斯盆地山西組2段和太原組砂巖),掃描電子顯微鏡分析中識(shí)別出的少量殘余長(zhǎng)石均以鉀長(zhǎng)石為主。3煤系地層中礦物的溶解機(jī)制(1)陰極發(fā)光分析技術(shù)在碎屑巖和碳酸鹽成巖作用研究中都具有很好的前景,尤其是在恢復(fù)巖石原有組構(gòu)方面會(huì)給我們提供極為有用的價(jià)值。(2)含煤地層(如鄂爾多斯盆地山西組、太原組和四川盆地須家河組)砂巖骨架顆粒中長(zhǎng)石缺乏的主要原因是埋藏成巖過(guò)程中與煤系地層有關(guān)的酸性流體的溶解作用,陰極發(fā)光分析表明,這些地層中至少有10%～20%的長(zhǎng)石在埋藏成巖過(guò)程中溶解,物源和埋藏前的改造并非這些砂巖具有較高成分成熟度的主要原因。(3)埋藏成巖過(guò)程中被溶長(zhǎng)石的主要類(lèi)型是鉀長(zhǎng)石,陰極發(fā)光分析尚能恢復(fù)其原有顆粒形態(tài),說(shuō)明在風(fēng)化、搬