砂岩中石英胶结物的成因及其研究意义
第19卷 第1期世 界 地 质 Vol . 19 N o . 1 2000年3月WO RLD G EO LOG Y M ar . 2000
砂岩中石英胶结物的成因及其研究意义
于均民, 周晓峰, 刘 立121①
(1. 长春科技大学地球科学学院, 吉林长春 130026; 2. 中国科学院兰州地质研究所, 甘肃兰州 730000)
摘要:次生加大石英胶结物是砂岩中最丰富的胶结物之一。石英胶结物的时空分布表现在越年轻的地层石英胶结物的含量越少, 随埋深增加石英胶结物的含量增加, 而且盆地类型也是控制石英胶结物含量的一个不可忽视的因素。石英胶结物的硅质来源有很多种说法, 但是区域上可能以某一种或某几种来源为主。影响石英胶结物沉淀的主要因素有温度、流体的pH 值等; 而关于孔隙流动与硅质搬运和沉淀有三种假说, 即:浅部地下水循环说、压实驱动流体高度集中说、扩散和局部流体再循环说。石英胶结物的研究对古温度的定时、了解储层非均质性的成因及储层物性有着重要的意义。
关键词:石英胶结物; 时空分布; 硅质来源; 沉淀控制因素; 沉淀机制
中图分类号:P588 文献标识码:A 文章编号:1004-5589(2000) 01-0020-06
0 引 言
石英胶结作用是导致砂质沉积物形成砂岩的重要作用。自从Sorby [1]在1880年首次证实砂岩中存在石英次生加大以来, 100多年来, 国外的许多学者对这方面的研究已经达到相当高的水平。首先, 石英胶结物的时间与空间分布与许多因素有关, 但究竟哪些是主要的因素一直没有一个统一的认识。其次, 对石英胶结物的来源说法很多, 然而, 最近几十年获得的资料对硅质来源和胶结作用过程有很大的限制。再次, 温度和流体的pH 值是影响石英胶结物沉淀的主要因素, 还有影响沉淀的其他因素, 而石英胶结所需要的硅是如何被运移到沉淀场所这一问题一直是人们争论的焦点, 也一直得到国内外学者的关注。本文主要回顾了石英胶结物的时空分布、石英胶结物的来源、沉淀的控制因素等几方面, 着重从石英胶结物的成因入手来探讨研究石英胶结物对古温度定时、储层物性等的重大意义。这里胶结物用来表示一种砂岩孔隙内的被动沉淀的矿物。
1 石英胶结物的时空分布
砂岩中的石英胶结物分布非常普遍, 在时代上不但见于前寒武纪砂岩, 而且在上新世/更新世砂岩中也普遍存在。近年来的研究表明, 石英胶结的砂岩具有随时代年轻而降低的趋势。其中, 早古生代石英胶结的砂岩是碳酸盐胶结的砂岩的4倍, 这个比率到晚古生代为2∶1, 到中生代和新生代为1∶1[2]。
石英胶结物的含量随埋深增加也是普遍趋势。研究表明, 除硅质壳层外, 大部分石英胶收稿日期:1999-04-27
基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(1999018707)
作者简介:于均民, 女, 1974年生, 硕士生, 主要从事盆地流体与含油气盆地分析研究.
① 本文曾在“Journal of G eoscientific Research in N ortheast A sia ”, 1999, 2(1) 发表.
第1期 于均民, 周晓峰, 刘立:砂岩中石英胶结物的成因及其研究意义21结物的沉淀开始于埋深1~2km (图1) 。
在浅部石英胶结物的含量较少, 随埋深加
大石英胶结物的含量逐渐增加, 例如在前
西德中生代砂岩2500m 深度范围内石英
胶结物的含量呈线性增加[3], 在伊利诺伊
盆地南部的圣·皮特(St . Peter ) 砂岩中, 石
英胶结物的含量与埋深呈正相关。
砂岩中石英胶结物含量也与盆地类型
有关。在构造背景稳定的盆地中, 如克拉
通盆地, 碎屑石英含量高, 石英胶结物含量
也高[5], 而在构造背景活跃的沉积盆地
中, 砂岩中石英碎屑含量低, 石英胶结物含
量也低, 例如裂谷盆地中的砂岩(长石砂图1 石英胶结作用期次深度-温度分布[4]岩) 和碰撞边缘盆地的砂岩(岩屑砂岩) 通Fig . 1 Depth -temperature plot of quartz cementation 常含有少量的石英胶结物。expisodes
2 石英胶结物的来源实线代表数据好的不同地层深度-温度范围; 虚线代表胶结
作用的最小或最大深度-温度外延而来的数据点
研究表明, 石英胶结物的来源是多源
的。Pettijhon [5]曾把石英胶结物的来源归纳为四个主要阶段:(1) 在新沉积的海相沉积物中, 孔隙水中的硅质主要来自硅藻、放射虫、硅质海绵和其他分泌硅质的, 非晶质硅质骨骼的溶解; (2) 在埋藏较浅时, 硅质来自:骨架蛋白石-A 的溶解和更不稳定的蛋白石胶结物及石英的再沉淀, 蛋白石-A 到蛋白石-Ct 到石英的重结晶, 来自大陆环境土壤中不稳定硅酸盐强烈风化释放出的硅, 长石和火山岩碎屑溶解提供的硅; (3) 在较深埋藏时, 硅质的来源包括:蛋白石-A 到蛋白石-Ct 到石英的重结晶, 蒙皂石转变成伊利石释放出的硅, 长石和火山岩碎屑溶解提供的硅, 在较高温度下石英溶解度增加, 然后向上扩散、对流, 在较浅部和较冷的砂岩中沉淀下来, 压溶和再沉淀提供的硅质; (4) 在沉积层隆起时, 硅质的来源主要为砂岩中的不稳定硅酸盐或粘土的风化, 其产物为硅质硬壳。M cBride [2]也对硅质的来源进行了全面的回顾, 发现在80年代以前至少已提出23种可能的硅的来源。
虽然石英胶结物可能不止一种来源, 但在特定的地质条件下其来源是有限的, 并可能以某一种来源占主导地位。在下伏地层为页岩、上覆地层为砂岩时, 页岩中蒙皂石-伊利石相互转化所提供的硅质可以迁移到上覆砂岩中以石英次生加大的形式沉淀下来。在墨西哥湾第三纪地层中蒙皂石转变成伊利石过程中释放出的硅, 完全可以胶结上覆100m 厚的砂岩[6]。根据热对流理论[7], 在有次火山岩侵入的地层中, 由于温度突然增加导致地层水发生的热对流作用可以引起硅质的溶解和沉淀。西非Taoudeni 盆地的晚元古代砂岩[8]、巴西Parana 盆地的志留—泥盆纪Furnas 组
研究都证实了这一点。[9]和美国Hartfo rd 裂谷盆地的中生代长石砂岩[10]的
3 石英沉淀的控制因素与沉淀机制[11]
22世 界 地 质 2000年个独立温度的模拟, 考虑了一系列通过80~120℃和120~200℃生油窗温度的矿物的演化。他们同时又把模拟应用到更广的成岩反应和温度带, 提出了一个理想的成岩作用序列。模拟显示石英的沉淀温度为两期:一期为20~80℃(主要在40~60℃之间) , 另一期为大于160℃(图1) 。而对石英次生加大边中的流体包裹体均一化温度的实测资料表明, 石英胶结
[12]物的沉淀温度范围为65~130℃。流体的pH 值也会影响石英沉淀。如果孔隙流体成分
是含盐的中性至弱碱性水, 有利于石英再生长。此外碎屑石英颗粒周围的较厚的连续的粘土包覆层也影响石英次生加大边的附着, 如果粘土包覆层不连续, 石英胶结物可以形成表层柱状附着物。石英沉淀的其他控制因素还有很多, 例如低孔隙压力、在给定温压下饱和硅的流体与更多的含盐层混合及富粘土的页岩层的渗透性等。
长期以来, 石英胶结物所需硅质的搬运与沉积方式一直是砂岩成岩作用研究中争论的问题之一。争论的焦点在于, 硅质是通过孔隙水流动(流动的机制包括水动力流动、对流、压实流) 还是通过扩散作用进行搬运的。关于孔隙流动与硅质搬运和沉淀有三种假说。第一种假说是浅部地下水循环。由于二氧化硅的溶解度非常低, 因此要在砂岩中沉淀一定数量的胶结物, 就面临着一个使大量孔隙水通过石英砂岩单元的水利学问题。通过计算表明, 石英砂岩的大部分次生加大石英似乎是在较浅的埋藏条件下沉淀的。砂岩一旦被埋藏到几百米深的地方, 缓慢的地下水流速要完成石英的胶结作用就显得太慢了。然而, 考虑到大部分石英胶结物沉淀自埋深1~2m 才开始的事实, 显然, 浅部沉淀假说不能成立。
第二种假说是压实驱动流体高度集中说。假定孔隙水和矿物平衡, 那么便可以根据下式计算矿物溶解和沉淀的体积[7, 13]:
V c =Ft sin β(d T /d Z ) αT /ρ
其中:V c ———沉淀的胶结物的体积; F ———孔隙水的总流通量(cm 3/(cm 2·s ) ) ; d T /d Z ———地温梯度; sin β———流动方向与等温线间的夹角; αT ———溶解度-温度函数(转换指数) ; t ———时间(s ) ; ρ:矿物的密度。
流体通过砂岩流动沉淀的石英的总体积可以根据上式来计算。假定地温梯度(d T /d Z ) 为30℃/km , αT 为10/℃,ρ为2. 7g /cm , V c =Ft =3×10-63-9。按照这一计算, 垂直等温线的流体, 如果沉淀10%石英胶结物(V c =0. 1) 的话, 则F t =3×108cm 3/cm 2。这一垂直流动就相当于要有3000km 的水流过将要被石英胶结的砂岩层中的每一个体积, 才能沉淀10%体积的石英。很明显, 压实驱动的流体不可能提供这一数量级的孔隙流体, 除非孔隙流体被高度集中[14], 或者同一流体反复循环, 即热对流。对于前者而言, 如果压实驱动流体高度集中的话, 由于压实驱动的向上分量在正常情况下低于沉降速率, 并且地温梯度稳定, 这样一来, 孔隙流体就要被加热而不是冷却, 显然这不利于石英的沉淀。对于后者来说, 当硅质沉淀时, 盆地中所剩流体有限。假定沉积岩的平均孔隙度为20%,那么, 5km 深的盆地所含的水的总体积约为105cm 3/cm 2。大部分的研究表明, 活跃的石英胶结作用一般发生在1~2km 以下。由于泥岩的压实和脱水已接近完成, 因此, 在该深度下所存在的水量已经很少了。如果孔隙度按5%~10%计算的话, 那么, 孔隙水的体积仅为2×104cm 3/cm 2。显然, 压实驱动流体高度集中说也不能圆满地解释石英胶结物的成因。
第三种假说是扩散和局部流体再循环说。Andrew 等[15]根据北海、加拿大西部和湾岸沉积盆地中深埋砂岩中石英胶结物的碳氧同位素和推断的沉淀温度研究表明, 几乎所有的O 1818[14]
第1期 于均民, 周晓峰, 刘立:砂岩中石英胶结物的成因及其研究意义23此, 硅质搬运和石英的胶结作用不可能与大规模的盆地水或大气水的平流有关。因为这需要非常大的流体流量。同位素资料支持小规模的对流或扩散式物质搬运。
4 石英胶结物的研究意义
石英胶结物的研究有重要的理论意义和实际应用价值。其理论意义在于了解砂岩的形成过程及水岩-水矿相互作用规律等, 而其实际应用价值主要表现在以下几方面:
首先, 通过石英胶结物的成因研究可以为古温度定时。众所周知, 古温度的确定是通过测定石英胶结物中流体包裹体均一化温度来获得的。但是, 流体包裹体温度的定时是目前研究的难点。在查明石英胶结物来源的情况下, 结合埋藏史曲线就可推断石英胶结物形成的时间范围。进而可以推断出石英胶结物中的流体包裹体形成的相对时间。
其次, 通过石英胶结物研究可以合理地解释储层的非均质性的成因。一般认为埋深是控制石英次生加大的外部条件。随埋深增加, 石英胶结物的含量也增加。但大量研究表明, 石英胶结物的分布是非均质的, 如由区域抬升导致的大气水介入, 引起长石等矿物的淋滤从而引起储集条件的改善, 形成优质储层。黄骅坳陷的研究表明, 大气水的淋滤是造成石炭—二叠系砂岩储集物性改善的重要因素[16, 17]。传统的储层研究, 主要考虑储层质量随埋深加大、成岩作用强度增加而变差的一般性规律。但是, 越来越多的研究实例表明大气水成岩作用[9, 10, 18, 19]和热对流成岩作用[19]是造成储层非均质性的重要原因。次火山岩侵入在中国东部裂谷盆地中非常普遍, 例如黄骅坳陷中南区下第三系孔二—三段的枣园—王官屯辉绿岩体、沙一段的扣村—仙庄辉绿岩体等①。热对流成岩作用是导致储层的非均质性的一个重要因素, De Ros [9]的研究充分说明了这一点。由于在热对流过程随着流体的温度由高到低、或由低到高的变化, 将会引起一些矿物的溶解和另一些矿物的沉淀, 也会引起新自生矿物的形成和老自生矿物的改造, 这就势必会引起储层中填隙物的再分配, 导致储层物性的变化。此外, 岩浆作用引起断裂, 通过断裂的热流体对流引起石英胶结物局部富集。这一情况可由浅部大量高岭石的伊利石化、与岩浆作用一致的伊利石K /Ar 年龄和石英次生加大露头样品的较高均一化温度得到证实。
再次, 研究石英胶结物形成的时间可以确定油气侵位时间。石油的迁移和侵位是储层演化研究的重要方面。我们可以利用成岩石英胶结物形成的时间来确定油气进入储层的时间。其基本原理是由于自生石英胶结物仅在硅质来源富集的孔隙中才能形成, 烃类流体注入后, 石英胶结作用停止。因此, 烃类流体进入储层时间不可能早于石英胶结物形成的时间。
最后, 通过对石英次生加大边的研究也可为划分成岩阶段的提供辅助手段[20]。通过对石英次生加大边的线性分析, 发现石英次生加大边的微量元素随次生加大边的外延而变化。以往在利用石英划分成岩阶段时, 一般是按石英次生加大级别来划分的, 如果把二者结合起来考虑, 一定能为划分成岩阶段提供更多的信息。
5 结 语
综上所述, 石英胶结物在深度上分布表现为地层越老石英胶结物含量越高, 这主要是由①韦阿娟, 王桂芝. 黄骅坳陷中南区下第三系火成岩成因类型、储层特征及含油气评价. 大港油田集团石油地质. 199759~68
24世 界 地 质 2000年原砂岩成分控制的。但有时也受盆地流体成分的影响。在成岩作用期间, 沉积物经历不同的条件, 就使石英胶结物可能有多种来源。佩帝庄曾把硅质来源归纳为四种情况, 在不同的区域, 以一种或几种硅的来源为主也是能被接受的。硅质碎屑序列中的石英胶结作用是一个主要的成岩作用阶段, 影响石英胶结物沉淀的因素包括温度流体的pH 值等。石英胶结所需要的硅是如何被运移到沉淀场所这一问题一直未得到很好的解决, 可能的运移机制(水动力流动、对流、压实流、扩散) 已提出, 也得到广大学者的普遍认可[15]。通过本文作者对石英胶结物的研究发现:石英胶结物的成因可为古温度定时; 可以合理地解释储层的非均质性, 是由大气水的淋滤或岩浆活动引起的; 确定油气侵位的时间, 烃类注入可以暂时阻止成岩作用进行, 所以烃类注入不可能早于石英胶结物形成的时间。此外, 也可为划分成岩作用阶段提供信息。
本文在写作过程中得到课题组其它成员的帮助, 在此一并表示衷心的感谢。
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Genesis and Significance of Q uartz Cement in Sandstones
YU Jun _min 1, ZHOU Xiao _feng 2, LIU Li 1
(1. Changchu n U niversity of S cience an d Tech nology , Changchun 130026, China ;
2. Lanz hou Institute o f Geology , Chines e Academy of S ciences , Lanz hou 73000, China )
A bstract :Quartz cement as sy ntaxial overgrow ths is one of the most abundant cements in sandstones . The distribution of quartz cement in time and space indicates that the more younger the stratigraphy is , the more less the quantity of quartz cement is , and the amount of quartz ce -ment increases with increasing of depth , and basin types also is a factor w hich controls the amount of quartz cement . The sources of silica for quartz cement have m any opinions , but there is o ne or more impo rtant sources . Temperature and pH of fluid are majo r factors w hich influ -ence the precipitation of quartz cement . There exist three hypo theses on the flow of pore fluid and transport and precipitation of silica , that is , the hy pothesis of cycle of shallow underground w ater , the hy pothesis of high concentratio n of fluid driven by compaction and the hypothesis of diffusion and recycle of local fluid . The research of quartz cement is significant for the timing of paleotemperature , heterogeneity of reservoir , physical property of reservoir and the timing of oil immersion , and so on .
Key words :quartz cement ; distribution in time and space ; sources of silica ; controls on precipitation ; precipitation mechanism