陳 前 閆相賓 張金川 李婉君 郭元嶺 洪太元 王濡岳 潘 艇

1.中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京） 3.中國(guó)石油經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院

0 引言

頁(yè)巖氣是一種主要以吸附或游離態(tài)賦存于頁(yè)巖中的天然氣聚集[1]，是存在于以往認(rèn)為是“泥質(zhì)烴源巖”中的一種新的油氣類型，其勘探目標(biāo)、評(píng)價(jià)方法與常規(guī)油氣勘探存在著不小的差異，致使現(xiàn)有的油氣研究方法、生產(chǎn)技術(shù)很難滿足頁(yè)巖氣勘探的需要，加上我國(guó)頁(yè)巖氣研究起步晚、頁(yè)巖層系多、勘探程度低，基于野外地質(zhì)調(diào)查的頁(yè)巖露頭研究在目前及未來(lái)較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)都將是評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣成藏條件與勘探潛力的重要方法。

頁(yè)巖暴露在自然條件下時(shí)普遍會(huì)發(fā)生風(fēng)化，該過(guò)程釋放有機(jī)質(zhì)以及重金屬元素，會(huì)影響全球碳循環(huán)以及陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)的健康[2-4]。因此，頁(yè)巖的風(fēng)化在環(huán)境科學(xué)中是一個(gè)重要的研究方向。目前，石油地質(zhì)的研究結(jié)果顯示，風(fēng)化會(huì)導(dǎo)致頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)以及黃鐵礦、方解石、綠泥石、長(zhǎng)石等不穩(wěn)定礦物的減少并引起相應(yīng)的主量及微量元素含量的改變[5-9]。因此，在采用露頭的石油地質(zhì)研究中，頁(yè)巖生烴潛力評(píng)價(jià)及頁(yè)巖氣的地質(zhì)評(píng)價(jià)都需要考慮風(fēng)化作用的影響[10-13]。頁(yè)巖的納米級(jí)孔隙系統(tǒng)是頁(yè)巖氣儲(chǔ)集的重要空間，也是頁(yè)巖氣地質(zhì)評(píng)價(jià)中一項(xiàng)重要的研究對(duì)象[14]。在針對(duì)新區(qū)、新層系的頁(yè)巖氣勘探工作中，需要使用露頭樣品評(píng)價(jià)頁(yè)巖儲(chǔ)集能力[15-23]，對(duì)于如何理解被風(fēng)化后的露頭樣品的孔隙結(jié)構(gòu)與地下頁(yè)巖樣品的差異一直都存在著不確定性。因此，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)風(fēng)化作用對(duì)頁(yè)巖孔隙系統(tǒng)的影響就顯得尤為重要。盡管目前一些研究已經(jīng)指出風(fēng)化作用會(huì)極大地提高頁(yè)巖的孔隙度[6,10,24-25]，但由于對(duì)孔隙直接觀察的研究較少，故而對(duì)風(fēng)化作用改造頁(yè)巖孔隙的機(jī)理仍然不夠清楚。

為了更加深入的認(rèn)識(shí)頁(yè)巖孔隙在風(fēng)化作用下的改變情況，筆者選取了我國(guó)南方下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖作為研究對(duì)象，通過(guò)氬離子拋光與掃描電鏡直接觀察與氮?dú)馕椒ǘ棵枋觯瑢?duì)比分析了不同程度自然風(fēng)化后頁(yè)巖露頭樣品的孔隙與井下巖心樣品的差異，進(jìn)而探討了風(fēng)化作用對(duì)頁(yè)巖孔隙的改造作用，以期為新層系、新區(qū)域，特別是四川盆地復(fù)雜構(gòu)造區(qū)淺層常壓頁(yè)巖氣的勘探提供參考。

1 樣品與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

研究樣品采自湖南省常德市北部石板灘鎮(zhèn)太陽(yáng)山背斜，其軸部出露元古界下板溪群地層，西翼由上板溪群與下古生界地層組成（圖1-a、b）。8塊頁(yè)巖巖心樣品取自太陽(yáng)山背斜西翼的常頁(yè)1井牛蹄塘組（圖1-b），樣品埋藏深度介于794～1 378 m，總有機(jī)碳含量（TOC）介于0.22%～9.89%，平均值為3.95%。為了研究風(fēng)化作用對(duì)孔隙的影響，自常頁(yè)1井東北部5.5 km的羅灣煤礦采集了2塊風(fēng)化程度不同的牛蹄塘組頁(yè)巖露頭樣品。采樣點(diǎn)與常頁(yè)1井同處太陽(yáng)山背斜西翼，從地層剖面上看具有良好的對(duì)比性。根據(jù)調(diào)研，該露頭采樣點(diǎn)隨煤礦開(kāi)采出露地表，沒(méi)有遭受進(jìn)一步人為破壞，代表了非地質(zhì)歷史時(shí)期自然風(fēng)化過(guò)程。1號(hào)露頭樣品（以下簡(jiǎn)稱1號(hào)樣品）為黑色塊狀碳質(zhì)頁(yè)巖（圖1-c），TOC為17.67%，密度為2.2 g/cm3，巖性致密，按照工程地質(zhì)定性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，從巖石顏色、破碎程度等方面判斷，1號(hào)樣品為微風(fēng)化程度；2號(hào)露頭樣品（以下簡(jiǎn)稱2號(hào)樣品）取自風(fēng)化表面灰黑色塊狀碳質(zhì)頁(yè)巖，頁(yè)巖層裂縫平行于層理方向發(fā)育，多呈灰—灰黑色碎片、碎塊狀，表面常見(jiàn)黃色—白色附著物，推測(cè)為頁(yè)巖滲出的礦物溶解物（圖1-d），表明其經(jīng)歷了淋濾作用改造[26]。2號(hào)樣品的TOC為5.99%，密度為1.56 g/cm3，顏色變淺與密度降低表明2號(hào)樣品比1號(hào)樣品經(jīng)歷了更劇烈的風(fēng)化改造，判斷其為中等風(fēng)化程度。

巖心與露頭采樣點(diǎn)距離較近，二者形成于近似的沉積環(huán)境與成巖背景，因此通過(guò)其孔隙結(jié)構(gòu)上的差異可以研究風(fēng)化作用對(duì)孔隙的影響作用。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

筆者用氬離子拋光與場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)頁(yè)巖孔隙進(jìn)行定性描述。先采用沈陽(yáng)華業(yè)LJB—1A氬離子拋光儀對(duì)樣品的表面進(jìn)行拋光處理，再用Leica EM SCD500鍍膜儀噴鍍金層以增強(qiáng)其表面的導(dǎo)電性，然后將拋光后的樣品置于配備EDAX Genesis能譜儀的FEI Quanta 200F場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡中用于觀察頁(yè)巖的微孔隙。頁(yè)巖的總孔隙度、比表面積與孔徑分布分別采用氦氣法與低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)測(cè)量。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5336—1996巖心常規(guī)分析方法，采用Ultrapore—200A氦孔隙度測(cè)量?jī)x測(cè)量頁(yè)巖的孔隙度。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19587—2004氣體吸附BET法測(cè)定固態(tài)物質(zhì)比表面積，采用Quadrasorb SI比表面測(cè)定儀測(cè)定頁(yè)巖的氮?dú)馕矫摳角€。比表面積使用BET模型計(jì)算獲得，總孔體積與孔徑分布由BJН模型計(jì)算獲得。

圖1 研究區(qū)出露地層、采樣點(diǎn)分布圖及露頭樣品照片

2 結(jié)果

2.1 掃描電子顯微鏡

應(yīng)用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察氬離子拋光后的樣品表面，并描述頁(yè)巖的微觀結(jié)構(gòu)，再依據(jù)Loucks等[27]提出的頁(yè)巖孔隙三端元分類方案，分粒間孔、粒內(nèi)孔及有機(jī)質(zhì)孔對(duì)比頁(yè)巖的孔隙特征。

2.1.1 頁(yè)巖微觀結(jié)構(gòu)

低倍數(shù)掃描電子顯微鏡下，巖心樣品總體結(jié)構(gòu)致密，幾乎觀察不到微米級(jí)孔隙，黃鐵礦（白色）廣泛分布于頁(yè)巖當(dāng)中，并與有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)出明顯的共生關(guān)系（圖2-a）。1號(hào)樣品結(jié)構(gòu)相對(duì)致密，但在礦物基質(zhì)中局部可見(jiàn)松散堆積的碎屑集合體，直徑介于幾微米至十幾微米（圖2-b）。2號(hào)樣品的碎屑集合體數(shù)量更常見(jiàn)且面積更大，單個(gè)集合體直徑介于30～100 μm，通常由點(diǎn)接觸的礦物碎屑顆粒組成（圖2-c）。掃描電鏡觀察結(jié)果與肉眼觀察結(jié)果一致，2號(hào)樣品經(jīng)歷了更為劇烈的風(fēng)化作用改造。

2.1.2 粒間孔

牛蹄塘組頁(yè)巖處于過(guò)成熟階段、成巖作用強(qiáng)，原生粒間孔在強(qiáng)烈的壓實(shí)作用下幾乎消失殆盡，只有少量孔隙在滿足兩個(gè)較為苛刻的條件下才得以保存：①礦物顆粒的支撐，剛性碎屑礦物的棱角或片狀黏土的端點(diǎn)支撐為主（圖3-a、b）；②粒間孔未被次生瀝青完全充填（圖3-b）?？傮w來(lái)看，巖心樣品中粒間孔數(shù)量少，以多邊形為主，孔隙直徑在幾百納米到幾微米之間。

圖2 未風(fēng)化頁(yè)巖與不同風(fēng)化程度頁(yè)巖的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)比照片

圖3 未風(fēng)化頁(yè)巖與不同風(fēng)化程度頁(yè)巖粒間孔發(fā)育特征照片

1號(hào)樣品中大部分粒間孔發(fā)育于受風(fēng)化作用改造后形成的碎屑集合體中，主要為黏土碎屑與有機(jī)質(zhì)碎屑之間或與其他相鄰礦物之間的次生孔隙，形狀以無(wú)定型、多邊形或狹縫狀為主，直徑介于幾百納米至幾微米（圖3-c、d）。此外，在電鏡下，碳酸鹽礦物以及與之有關(guān)的孔隙并不多見(jiàn)，而在更為穩(wěn)定的磷酸鹽礦物邊緣發(fā)現(xiàn)了相對(duì)光滑的長(zhǎng)條形孔隙，推測(cè)碳酸鹽礦物已被廣泛地溶蝕（圖3-d）。

2號(hào)樣品粒間孔最為發(fā)育，主要賦存在相對(duì)致密的礦物基質(zhì)以及風(fēng)化改造后形成的松散碎屑集合體中。在礦物基質(zhì)中，石英、黏土及其他礦物的點(diǎn)—面接觸形成粒間孔，孔隙邊緣呈鋸齒狀，表現(xiàn)出“撕裂”的特征（圖3-e），孔隙長(zhǎng)度通常在微米級(jí)，而寬度介于幾十到幾百納米之間。碎屑集合體通常為微小的片狀黏土顆粒松散堆積形成，顆粒之間多為點(diǎn)接觸關(guān)系，導(dǎo)致了大量的粒間孔隙的存在，大小幾微米至幾十微米，是2號(hào)樣品中最主要的孔隙類型（圖3-f）。

2.1.3 粒內(nèi)孔

圖4 未風(fēng)化頁(yè)巖與不同風(fēng)化程度頁(yè)巖粒內(nèi)孔發(fā)育特征照片

巖心樣品中粒內(nèi)孔主要存在于片狀黏土之間，以相互平行的狹縫狀為主，長(zhǎng)度大多為幾百納米至幾微米，寬度小于100 nm（圖4-a、b）。1號(hào)樣品中的粒內(nèi)孔除少量發(fā)育于片狀黏土中外，還在無(wú)定型有機(jī)質(zhì)與黏土組成的復(fù)合體中以及長(zhǎng)石礦物中出現(xiàn)，前者直徑介于幾微米至十幾微米（圖4-c），長(zhǎng)石溶蝕孔多呈狹縫狀平行分布（圖4-d）。2號(hào)樣品中絕大多數(shù)有機(jī)質(zhì)具有規(guī)則形狀，推測(cè)以陸源有機(jī)質(zhì)為主（圖4-e），無(wú)定型有機(jī)質(zhì)非常少見(jiàn)，缺乏1號(hào)樣品中的有機(jī)質(zhì)黏土復(fù)合體中的粒內(nèi)孔。在基質(zhì)黏土礦物中，狹縫狀的孔隙較為發(fā)育，相互斜交形成“X”形分布，從孔隙的分布及形態(tài)看，推測(cè)為黏土收縮形成的收縮縫（圖4-f）。

黃鐵礦集合體中的孔隙也是一種常見(jiàn)粒內(nèi)孔類型。巖心樣品中，黃鐵礦廣泛發(fā)育，晶體形態(tài)完整，并且往往與有機(jī)質(zhì)或黏土緊密結(jié)合，因此極少見(jiàn)粒內(nèi)孔（圖5-a）。樣品1中大部分黃鐵礦保存較為完整，但部分黃鐵礦晶體自邊緣開(kāi)始出現(xiàn)部分氧化的現(xiàn)象，與其間填充的有機(jī)質(zhì)之間形成了圍繞黃鐵礦晶體分布的狹縫狀粒內(nèi)孔隙（圖5-b）。樣品2中黃鐵礦被氧化現(xiàn)象較為嚴(yán)重，晶體部分甚至完全缺失，形成了規(guī)則多邊形的孔隙網(wǎng)絡(luò)（圖5-c）。

2.1.4 有機(jī)質(zhì)孔隙

圖5 未風(fēng)化頁(yè)巖與不同風(fēng)化程度頁(yè)巖黃鐵礦集合體粒內(nèi)孔發(fā)育特征照片

巖心樣品中有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，大部分有機(jī)質(zhì)中未發(fā)現(xiàn)明顯孔隙（圖6-a），少部分有機(jī)質(zhì)中發(fā)育孔隙，孔隙形態(tài)多樣，相互孤立，直徑大多介于10～50 nm，以中孔為主。與巖心樣品相比，1號(hào)樣品頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)孔隙更為發(fā)育，孔隙數(shù)量更多，并且分布更為密集，形狀以橢圓形和多邊形為主，直徑介于30～100 nm，且多為直徑超過(guò)50 nm的大孔，形態(tài)與大小較為均一（圖6-b）。2號(hào)樣品頁(yè)巖風(fēng)化程度較高，頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)以規(guī)則形態(tài)的有機(jī)質(zhì)為主，有機(jī)質(zhì)中可見(jiàn)大量以微孔為主的有機(jī)質(zhì)孔隙，直徑介于10～30 nm（圖6-c）。

圖6 未風(fēng)化頁(yè)巖與不同風(fēng)化程度頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育特征照片

2.2 孔隙度與孔徑分布

總孔隙度與氮?dú)馕綔y(cè)試結(jié)果顯示，巖心樣品孔隙度介于1.2%～1.9%，平均值為1.6%，兩塊露頭樣品孔隙度分別為8.6%、28.7%，明顯高于巖心樣品；巖心樣品比表面積介于0.83～7.37 m2/g，總孔體積介于 0.001 7 ～ 0.011 9 cm3/g，平均孔徑介于5.60～10.93 nm（圖7、表1）。1號(hào)樣品比表面積為 1.17 m2/g，總孔體積為 0.003 3 cm3/g，平均孔徑為11.36 nm；2號(hào)樣品比表面積為10.79 m2/g，總孔體積為 0.023 0 cm3/g，平均孔徑為 8.56 nm（表 1）。除 1號(hào)樣品以外，頁(yè)巖的TOC與BET比表面積總體呈明顯正相關(guān)性，表明有機(jī)質(zhì)孔隙對(duì)頁(yè)巖中微孔—中孔具有控制作用。掃描電鏡觀察到的1號(hào)樣品中明顯偏大 的有機(jī)質(zhì)孔隙可能是導(dǎo)致其比表面積低的主要原因。

圖7 未風(fēng)化頁(yè)巖與不同風(fēng)化程度頁(yè)巖孔徑分布圖

表1 未風(fēng)化頁(yè)巖與不同風(fēng)化程度頁(yè)巖孔隙度與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)表

孔徑分布結(jié)果顯示，巖心樣品均以小于30 nm的微孔—中孔為主，總體上孔隙體積的貢獻(xiàn)隨孔徑的增加而減??；1號(hào)樣品孔隙體積貢獻(xiàn)隨著孔徑的增長(zhǎng)變化不大，但在80～100 nm存在峰值，表明大孔的比重更高；2號(hào)樣品孔徑分布曲線主峰值介于5～30 nm，隨著孔徑增大，孔隙體積貢獻(xiàn)逐漸減小?？傮w來(lái)看，巖心與露頭樣品的主要孔徑分布區(qū)間與各自電鏡所揭示的有機(jī)質(zhì)孔隙的大小相一致。

3 討論

通過(guò)不同類型樣品的選擇，筆者建立了未風(fēng)化、微風(fēng)化、中等風(fēng)化程度的黑色頁(yè)巖樣品序列，對(duì)比結(jié)果顯示不同風(fēng)化程度的頁(yè)巖在微結(jié)構(gòu)、礦物、有機(jī)質(zhì)以及孔隙上顯示出明顯的差異（表2）?；趯?duì)比結(jié)果，探討風(fēng)化作用在黑色頁(yè)巖中發(fā)生的順序、相互關(guān)系以及其對(duì)頁(yè)巖孔隙的影響。

3.1 風(fēng)化作用機(jī)理

根據(jù)掃描電鏡觀察到的結(jié)果，將頁(yè)巖的礦物組分風(fēng)化按先后順序分為不穩(wěn)定礦物溶蝕與黃鐵礦氧化、有機(jī)質(zhì)氧化、基質(zhì)松散與破碎3種風(fēng)化作用類型，各類型之間存在相互促進(jìn)的關(guān)系，是相互關(guān)聯(lián)的，且不存在嚴(yán)格的時(shí)間界限。

3.1.1 不穩(wěn)定礦物溶蝕與黃鐵礦氧化

頁(yè)巖中不穩(wěn)定礦物主要包括長(zhǎng)石和白云石/方解石等碳酸鹽礦物，在暴露地表?xiàng)l件后容易為大氣或地表酸性水侵蝕而形成溶蝕孔隙。黃鐵礦氧化是頁(yè)巖風(fēng)化過(guò)程中的一個(gè)典型化學(xué)反應(yīng)，其本質(zhì)為黃鐵礦中的低價(jià)硫被大氣中的氧氣氧化為硫酸根并釋放氫離子的過(guò)程。關(guān)于長(zhǎng)石、碳酸鹽礦物的溶蝕以及黃鐵礦氧化在頁(yè)巖風(fēng)化過(guò)程中的先后順序，目前仍然存在一定爭(zhēng)議[4,9]。筆者研究認(rèn)為，微風(fēng)化的1號(hào)樣品中可見(jiàn)明顯的長(zhǎng)石和方解石的溶蝕痕跡，而黃鐵礦大多保存較好，只有少量晶體發(fā)生氧化；中等風(fēng)化的2號(hào)樣品中形態(tài)完整的長(zhǎng)石與碳酸鹽巖礦物在電鏡下非常少見(jiàn)，表明大部分已溶蝕殆盡，而黃鐵礦仍有相當(dāng)數(shù)量保存下來(lái)。因此，總體上來(lái)看，風(fēng)化作用過(guò)程中黃鐵礦的氧化滯后于長(zhǎng)石及碳酸鹽礦物的溶蝕，而這種滯后表明黃鐵礦的氧化反應(yīng)的速度與強(qiáng)度要明顯弱于引起長(zhǎng)石和碳酸鹽礦物溶蝕的水解與中和反應(yīng)[9]。

3.1.2 有機(jī)質(zhì)氧化

黃鐵礦氧化反應(yīng)會(huì)釋放出大量強(qiáng)酸性水溶液與過(guò)渡價(jià)態(tài)金屬加速有機(jī)質(zhì)的分解[11]。因此，頁(yè)巖TOC大幅度降低往往發(fā)生在黃鐵礦的氧化之后。此外，有機(jī)質(zhì)的氧化分解還受有機(jī)質(zhì)本身性質(zhì)的影響。隨著風(fēng)化作用增強(qiáng)，富氫有機(jī)物在殘余有機(jī)質(zhì)中的比例隨著風(fēng)化作用的增強(qiáng)而逐漸降低[28-31]，出現(xiàn)C C和C O鍵較C—Н鍵相對(duì)富集的現(xiàn)象，表明富氫有機(jī)物如瀝青較芳構(gòu)化程度較高的富氧有機(jī)質(zhì)更容易被氧化[10,29]。

掃描電鏡顯示，有機(jī)質(zhì)氧化與黃鐵礦氧化程度及前者本身的形態(tài)有十分密切的聯(lián)系。1號(hào)樣品中有機(jī)質(zhì)減少僅發(fā)生在黃鐵礦被氧化而溶解變形的區(qū)域（圖5-b），而在同一視域條件下黃鐵礦保存較好的位置，有機(jī)質(zhì)形態(tài)保持相對(duì)完整。2號(hào)樣品充填在礦物基質(zhì)中的無(wú)定型有機(jī)質(zhì)（通常被認(rèn)為腐泥組分或火成瀝青）非常少見(jiàn)，形態(tài)較為完整、形狀較為規(guī)則的有機(jī)質(zhì)（多為陸源碎屑有機(jī)質(zhì)或固體瀝青）占主要，也證實(shí)富氫有機(jī)質(zhì)的風(fēng)化要優(yōu)先于富氧有機(jī)質(zhì)。

表2 不同風(fēng)化程度的頁(yè)巖風(fēng)化特征對(duì)比表

富氫有機(jī)質(zhì)更容易發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔隙[27,32-33]，這可能是其容易被氧化的一個(gè)重要原因。與巖心樣品相比，1號(hào)樣品有機(jī)質(zhì)孔隙較巖心樣品更為發(fā)育，并且孔隙更大、形狀更為規(guī)則（圖6-a、b），表明有機(jī)質(zhì)的氧化很可能是從相對(duì)高孔的有機(jī)質(zhì)開(kāi)始的，一方面可能是由于有機(jī)質(zhì)孔隙的存在使大氣更容易進(jìn)入巖石基質(zhì)，另一方面有機(jī)質(zhì)孔隙內(nèi)部具有復(fù)雜的表面結(jié)構(gòu)[33]，可為氧化反應(yīng)提供充足的反應(yīng)場(chǎng)所。

3.1.3 基質(zhì)松散破碎

有機(jī)質(zhì)被大量氧化消耗后，頁(yè)巖的孔隙度顯著增大，外界大氣與水開(kāi)始大量進(jìn)入巖石基質(zhì)中，加速了頁(yè)巖的物理風(fēng)化作用。2號(hào)樣品頁(yè)巖的孔隙度遠(yuǎn)高于1號(hào)樣品，主要是發(fā)育更多的礦物碎屑集合體與微裂縫所造成的。風(fēng)化后的碎屑礦物集合體主要是黃鐵礦與有機(jī)質(zhì)被氧化后在原地殘留的碎片狀礦物基質(zhì)，在有機(jī)質(zhì)保存較好的區(qū)域并不發(fā)育。黏土礦物的層間結(jié)構(gòu)使其本身易發(fā)育順層孔隙，大氣水進(jìn)入到層間孔隙后，使黏土礦物吸附大量的水分，而在晝夜與季節(jié)演變的溫差作用下，使黏土礦物出現(xiàn)頻繁的吸附與脫水作用，進(jìn)一步降低的機(jī)械穩(wěn)定性，形成了錯(cuò)綜復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。

3.2 風(fēng)化作用下頁(yè)巖孔隙演化

大量的研究結(jié)果證實(shí)，頁(yè)巖的孔隙度隨著風(fēng)化作用增強(qiáng)，呈不斷升高的趨勢(shì)，不同風(fēng)化程度下頁(yè)巖孔隙的演化也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。在調(diào)研前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合筆者的研究結(jié)果，根據(jù)風(fēng)化作用程度以及對(duì)孔隙的影響大小（區(qū)別于前述按工程地質(zhì)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)），將頁(yè)巖風(fēng)化作用過(guò)程對(duì)應(yīng)劃分為微風(fēng)化、中等風(fēng)化和高風(fēng)化等3個(gè)階段。圖8展示了頁(yè)巖風(fēng)化作用各階段中孔隙演化的主要控制作用與大小范圍。

圖8 頁(yè)巖孔隙在風(fēng)化作用下的演化模式圖

3.2.1 微風(fēng)化階段

頁(yè)巖地質(zhì)研究常用的露頭樣品多處于微風(fēng)化階段，其典型的特征包括異常發(fā)育的溶蝕孔隙與黃鐵礦晶間孔，有機(jī)質(zhì)保存相對(duì)較好。微風(fēng)化階段頁(yè)巖的孔隙度的增加主要受不穩(wěn)定礦物溶蝕與黃鐵礦氧化的控制。研究結(jié)果已經(jīng)證實(shí)頁(yè)巖有效儲(chǔ)層的孔隙度往往小于6%[34]，對(duì)于深埋藏的過(guò)成熟頁(yè)巖，例如我國(guó)南方下寒武統(tǒng)頁(yè)巖，孔隙度多小于4%[35]。劉飏等[6]對(duì)比黔西北地區(qū)下古生界頁(yè)巖巖心與露頭樣品，發(fā)現(xiàn)龍馬溪組頁(yè)巖孔隙度由巖心的0.6%～4.4%增加到露頭樣品的2.9%～6.0%，牛蹄塘組從巖心的0.2%～0.8%升高到露頭樣品的0.5%～12.9%；其他學(xué)者的研究成果也證明12%可能是這一階段頁(yè)巖孔隙度的一個(gè)峰值[36-37]。

3.2.2 中等風(fēng)化階段

該階段發(fā)生的風(fēng)化作用主要是有機(jī)質(zhì)的氧化。由于有機(jī)質(zhì)在黑色頁(yè)巖中含量高，密度小，有機(jī)質(zhì)的風(fēng)化會(huì)使頁(yè)巖孔隙度大幅度增加。Fischer和Gaupp[36]測(cè)得德國(guó)圖林根州南部志留系—泥盆系露頭未完全風(fēng)化的黑色頁(yè)巖孔隙度小于12%，而基本被風(fēng)化為灰白色（代表有機(jī)質(zhì)大量被還原）頁(yè)巖的孔隙度則介于15%～30%，與筆者研究的2號(hào)樣品的孔隙度（28%）一致。此外，對(duì)于有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育的頁(yè)巖，其納米孔的孔徑分布可能會(huì)發(fā)生多次改變：首先發(fā)生的是富氫有機(jī)質(zhì)中孔隙增大，造成微孔—中孔減少而大孔增多；當(dāng)富氫有機(jī)質(zhì)基本氧化后，原本缺少有機(jī)質(zhì)孔隙的富氧有機(jī)質(zhì)開(kāi)始被氧化，并生成大量有機(jī)質(zhì)微孔—中孔，使大孔的比例降低。

3.2.3 高風(fēng)化階段

微風(fēng)化—中風(fēng)化階段以不穩(wěn)定礦物和有機(jī)質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)所引起的風(fēng)化作用為主，通常在幾年到幾十年內(nèi)完成；高風(fēng)化作用階段主要為頁(yè)巖在以百萬(wàn)年為單位的地質(zhì)歷史時(shí)期發(fā)生的機(jī)械破碎。Jin Lixin等[38]研究的明顯破碎的Marcellus泥巖—頁(yè)巖的孔隙度高達(dá)30%～60%，當(dāng)被風(fēng)化破壞為接近土壤的碎片粉末狀態(tài)時(shí)，其孔隙度最高可達(dá)76%。

4 結(jié)論

1）隨著風(fēng)化程度的增高，頁(yè)巖的粒間孔、粒內(nèi)孔增多，結(jié)構(gòu)逐漸松散，孔隙度由1.2%～1.9%提高到28.7%，比表面積呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。

2）對(duì)頁(yè)巖孔隙造成影響的巖石礦物風(fēng)化具有一定的先后順序：不穩(wěn)定礦物溶蝕與黃鐵礦氧化最先發(fā)生，隨后有機(jī)質(zhì)被氧化，最后為基質(zhì)礦物的松散破碎。

3）頁(yè)巖風(fēng)化程度分為微、中、高3級(jí)，微風(fēng)化頁(yè)巖的次生孔隙主要來(lái)源于碳酸鹽礦物與長(zhǎng)石的溶蝕以及黃鐵礦的氧化，孔隙度最高可達(dá)12%；中等風(fēng)化頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)大量被氧化，孔隙度可達(dá)30%，由于富氫與富氧有機(jī)質(zhì)的差異氧化作用，使頁(yè)巖的比表面積出現(xiàn)先降后升；高風(fēng)化頁(yè)巖主要發(fā)生黏土等基質(zhì)礦物的松散化，頁(yè)巖的微裂縫逐漸發(fā)育直至巖石破碎。