宇振昆，丁金崗，馮振偉，姜柳青，李漢林，常小斌，宗 浩，梁積偉*

(1.長安大學 地球科學與資源學院，西安 710054；2.長慶油田第四采油廠，陜西 榆林 718500)

0 引言

一直以來經典成巖作用是學者們的研究重點，對于堿性成巖作用的研究相對較少。國內對于堿性成巖作用的認識發(fā)展相對于國外較晚，直到1996年，陳忠總結了儲層中的礦物在堿性驅替劑下發(fā)生的反應數據，結合基本的化學原理和文獻資料等多個方面的證據，總結了“酸-堿鏈式反應”模型，證實了堿性環(huán)境下成巖作用的存在[1]。進入到21世紀，學者們發(fā)現堿性成巖作用對碎屑巖油氣儲層有積極的建設作用:在鄂爾多斯盆地致密砂巖中，祝海華發(fā)現與堿性孔隙流體伴生的水化云母層間孔和鈉長石化孔是良好的儲油空間[2]；曹天宇在對惠州凹陷東部珠海組砂巖儲層研究中認為，后期酸性流體的侵入會使堿性環(huán)境下沉淀的碳酸鹽礦物發(fā)生溶蝕，形成次生孔隙[3]。

其中堿湖環(huán)境下發(fā)生的堿性成巖作用較為復雜和獨特，成為近幾年的研究熱點。國外學者們對堿湖環(huán)境下發(fā)生的成巖作用，重點主要集中在堿湖環(huán)境中的碳酸鹽礦物，Fussmann D認為奧地利Neusiedl Alkaline Lake中的碳酸鹽礦物的形成與水化學條件的變化有關[4]，Nurgül Balci用微生物培養(yǎng)法模擬重建了土耳其Hypersaline Alkaline Lake中碳酸鹽礦物的沉淀過程[5]。國內對于堿湖環(huán)境下發(fā)生的堿性成巖作用的研究主要集中在準噶爾盆地瑪湖凹陷，尤其是凹陷中的二疊系風城組。曹劍認為準噶爾盆地瑪湖凹陷可能是目前已經發(fā)現的最古老的堿湖優(yōu)質烴源巖，生烴潛力大，勘探前景好[6]；李學良覺得風城組以碎屑巖、云質巖和火山巖為主要的巖石儲層類型[7]；張志杰認為風城組堿湖經歷了干旱-濕潤-干熱-持續(xù)干熱-濕潤5個階段[8]；王小軍發(fā)現風城組環(huán)境的堿性強度與母質生烴潛力呈正相關[9]；余寬宏提出風城組堿性礦物的形成與湖盆鹵水蒸發(fā)咸化有關[10]。重點多集中在二疊系風城組儲層特征、風城組堿湖的沉積古環(huán)境演化、堿性同油氣的關系和特殊堿性鹽類礦物的成因上，對堿性成巖作用的現象和模式關注較少。該文利用電子探針、掃描電鏡、陰極發(fā)光、巖石薄片等測試手段對準噶爾盆地瑪湖凹陷風城組的堿性成巖作用的現象、成巖條件、成巖模式進行分析，為進一步研究二疊系風城組的堿性成巖作用提供依據和地質資料，以期對后期油氣勘探有所幫助。

該文主要針對FN1探井中正常溫度的堿性成巖作用進行探討，與富硅硼鈉石巖有關詳細的堿性成巖作用另文討論。

1 地質概況

瑪湖凹陷位于準噶爾盆地西北部(圖1a所示)[11]，面積5 000 km2。在構造上，瑪湖凹陷西北與烏夏—克百大型逆沖斷裂帶相鄰，東部與英西凹陷相接，東南靠著達巴松—夏鹽凸起，西南與中拐凸起相近[7](圖1b所示)。在區(qū)域上厚度變化較大，西部最厚可達1 800 m，東部厚度最小為800 m。風城組屬下二疊統(tǒng)，與下伏佳木河組和上覆夏子街組均呈不整合接觸(圖1c所示)。

風城組早期，在下伏佳木河組殘留海的基礎上，受到氣候和火山活動的影響，形成了堿度較高的湖泊環(huán)境。風城組按照巖性從老到新可以分為風一段、風二段、風三段。風一段以火山巖類為主，包括淺成侵入巖、火山熔巖、火山碎屑巖3類；風二段發(fā)育大量的堿性礦物、富硅硼鈉石巖和泥質白云巖；風三段主要發(fā)育白云質泥巖和碎屑巖。從風一段大量發(fā)育的火山巖可以看出風城組早期火山活動最為活躍，直到風城組末期，火山活動逐漸減弱，最后趨于停止[12]。

風城組烴源巖的生烴潛力直接關系到油氣的產量，而生烴潛力與烴源巖的厚度、有機質類型、豐度、成熟度等有關。風城組的厚度為150～1 000 m，有機質類型以Ⅰ，Ⅱ型為主，有機質豐度不高[13]，根據鏡質體反射率反映出有機質整體的成熟度處于低等-中等階段[14]，風城組整體地層為中-好烴源巖，以生油為主。因為生烴母質主要為菌藻類，菌藻類的變形生烴能力與堿性呈正相關[9]，風二段環(huán)境的堿性比風一、風三段強，因此風二段是瑪湖凹陷主要的烴源巖層位，尤其是生烴母質含量高的泥巖(圖1c所示)[11]。

圖1 瑪湖凹陷地理-構造位置圖及風城組巖性剖面圖Fig.1 Geographic-structural location map and lithologic profile of Fengcheng Formation in Mahu Sag

2 分析方法與結果

以FN1探井巖石光學薄片為研究對象，對薄片采用了電子探針、掃描電鏡、偏光顯微鏡下巖礦鑒定及陰極發(fā)光分析測試方法。多用薄片鍍完碳粉后，進行電子探針(EPMA)和掃描電鏡(SEM)實驗，電子探針主要是為了探明未知礦物的類型及Mg-Ca碳酸鹽礦物的具體成分及其含量，掃描電鏡主要用于察看黏土礦物和石英、沸石等礦物的鏡下微觀特征。另一部分多用薄片進行陰極發(fā)光(RELITRON CL)測定，主要針對Mg-Ca碳酸鹽礦物，將發(fā)光光譜設置在400～760 nm，Mn2+作為激活劑，Fe2+作為猝滅劑。實驗步驟按照標準，所有薄片在實驗前儲存在薄片盒中，避免外界物質的干擾，確保實驗結果的準確性。

對實驗結果進行分析，在瑪湖凹陷風城組巖石中發(fā)現了白云石的環(huán)帶結構，石英溶蝕，綠泥石和沸石膠結等堿性成巖現象。

2.1 白云石的環(huán)帶結構

風城組白云石的環(huán)帶結構發(fā)育，環(huán)帶層數大體在3～5層，亮暗程度不一(如圖2所示)，對應著多期的成巖作用。因為白云石對于環(huán)境pH值的變化較為敏感，在酸性條件下，其并不穩(wěn)定，白云石多期環(huán)帶的存在也證明了風城組在相當長的一段時間內成巖環(huán)境一直是堿性。Mg-Ca碳酸鹽礦物環(huán)帶陰極發(fā)光的強度與Fe2+/Mn2+比值有關[15]，Fe2+/Mn2+比值相對越小，環(huán)帶的亮度越大，隨著比值的增大，環(huán)帶發(fā)光開始暗淡直至不發(fā)光，風城組白云石Fe2+/Mn2+比值變化范圍大，為6.9～72(見表1)，這就解釋了環(huán)帶發(fā)光程度不同的現象。亮-暗-不發(fā)光環(huán)帶無序相間分層，也指示了白云石環(huán)帶形成的過程中，環(huán)境中的Fe2+，Mn2+的含量是變化的。

圖2 白云石環(huán)帶結構的陰極發(fā)光特征Fig.2 Cathodoluminescence characteristics of dolomite zonal texture

表1 鐵白云石的電子探針數據表(%)Table 1 Electronic probe data of the Iron dolomite(%)

2.2 石英溶蝕

石英作為自然界最穩(wěn)定的礦物之一，研究中多注意到石英在酸性環(huán)境下的次生加大對儲層產生的影響，但是在濟陽凹陷、鄂爾多斯盆地、四川盆地、塔中凹陷等地確實發(fā)現了石英溶蝕的現象。風城組石英溶蝕的現象較為普遍，是堿性環(huán)境引起的堿性成巖現象，堿性環(huán)境下引起的石英溶蝕機理較為復雜，受到溫度、壓力、電解質[16]等多個方面的控制。

風城組石英具體的溶蝕特征:①石英邊緣溶蝕，石英顆粒沿邊緣發(fā)生溶蝕作用，常被溶蝕成鋸齒狀或港灣狀(圖3a所示)；②石英內部溶蝕，顆粒內部被溶蝕，掃描電鏡下可見石英表面形成微小的似“蜂窩狀”的溶蝕坑(圖3b所示)；③石英線狀溶蝕，礦物顆粒的裂縫局部被進一步溶蝕，在顆粒表面呈無規(guī)則線狀分布，有的可橫跨石英礦物表面(圖3c所示)。石英溶蝕產生的孔隙和裂縫為油氣提供了一種新型的次生儲集空間。

圖3 石英溶蝕的特征Fig.3 Characteristics of quartz dissolution

2.3 綠泥石膠結

風城組黏土礦物以綠泥石為主，呈葉片狀充填在孔隙之中(圖4a所示)，也可見到綠蒙混層，呈蜂窩狀(圖4b所示)。綠泥石膠結物的出現一定程度上也可指示堿性環(huán)境，原因如下：①濁沸石經常與綠泥石中的孔隙襯里綠泥石相伴生[17]，且濁沸石是堿性環(huán)境下的典型礦物之一；②綠泥石通常形成于富含Fe2+，Mg2+的堿性環(huán)境中；③綠泥石可在堿性環(huán)境中穩(wěn)定存在。

圖4 黏土礦物的掃描電鏡特征Fig.4 SEM characteristics of clay minerals

同時發(fā)現研究區(qū)內貧高嶺石，是因為高嶺石穩(wěn)定存在的前提條件是處在酸性環(huán)境下，但是隨著pH值的增加，高嶺石變得不再穩(wěn)定，當pH值>7時，與環(huán)境中存在Ca2+，Na+(Mg2+)結合，高嶺石會轉化成綠泥石和蒙脫石，但蒙脫石在堿性環(huán)境下易與介質中的Mg2+，Fe2+形成綠蒙混層。因為風城組白云石整體具有較強的陰極發(fā)光性，說明環(huán)境中Fe2+和Na+的含量較高[15]，所以可以保證綠泥石在轉化過程中有較為充足的Fe2+等離子供應。蒙脫石在堿性環(huán)境下并不穩(wěn)定，若介質環(huán)境保持堿性且在Mg2+，Fe2+參與下，綠蒙混層最終能夠轉換成堿性介質中穩(wěn)定存在的綠泥石。堿性環(huán)境下，綠泥石膠結充填在孔隙中時，能夠提供微米和納米級別的結構晶間孔替代原生孔隙[18]，一定程度也會減輕孔隙的損失，為油氣充注提供空間。

2.4 沸石膠結

沸石類礦物是自生的鋁硅酸鹽類礦物，在偏堿性且富流動性SiO2及 Ca2+，Mg2+，Na+，K+的環(huán)境下易發(fā)生沉淀膠結作用。風城組沸石類膠結物包括濁沸石(圖5a所示)、方沸石(圖5b所示)、片沸石，以濁沸石為主。母巖的性質與沸石的類型密切相關且沸石類礦物的形成與火山物質水化或者蝕變有關，即形成沸石的物質主要來源于中基性的火山巖，中基性火山物質轉化形成的沸石類礦物以濁沸石為主，片沸石和方沸石為次[19]，這也解釋了風城組沸石類礦物以濁沸石居多的原因。

圖5 風城組的沸石類礦物Fig.5 Zeolite minerals of the Fengcheng Formation

3 討論

3.1 堿性成巖作用的成巖條件

風城組堿性成巖作用發(fā)生的條件主要從物質來源、氣候條件和埋藏后水巖反應3個方面進行探討。

3.1.1 物質來源

沉積巖的物質來源是成巖作用發(fā)生的前提和基礎。風城組是一套火山巖、碳酸鹽巖、碎屑巖、富硅硼鈉石巖和泥巖的混積巖，其中的火山巖包括堿性玄武巖、安山巖、粗面巖等，鈦輝石(表2、圖6a所示)的出現和火山巖硅-堿圖解[20]指示了火山巖屬于偏堿性，同時火山巖中發(fā)現了大量的鈉長石(圖6b所示)。

表2 鈦輝石的電子探針數據表(%)Table 2 Electronic probe data of Titanium pyroxene(%)

圖6 堿性火山巖中的礦物Fig.6 Minerals of alkaline volcanic rocks

火山巖蝕變或者水解可為堿性成巖作用提供物質來源，主要有以下三方面的表現:

1)樣品中綠泥石中Fe含量大多是比較高的，瑪湖凹陷風城組在早二疊世有過活躍的火山活動[11]，隨火山活動噴出的安山巖、堿性玄武巖和粗面巖中的角閃石、黑云母等富鐵礦物或者鐵含量較高的巖屑進入湖盆發(fā)生水解，為綠泥石中的Fe提供了來源。

2)風城組鐵白云石中的Fe2+的供應也離不開火山物質的水解，鐵白云石中的Fe2+最高可以達到13%，最低為5.43%(見表1)，含量變化幅度大，Mn2+含量變化較小，因此主要是Fe2+的含量變化引起了Fe2+/Mn2+的比值的變化，從而影響了白云石環(huán)帶的亮暗程度[15]。同時，根據白云石環(huán)帶的亮暗程度也可以在一定程度上反演成巖時火山活動的期次、強度等，環(huán)帶發(fā)光程度越差，意味著火山活動頻繁，受影響范圍廣，容易發(fā)生水解的火山物質的供應就會更加充足。

3)堿性礦物也是碳酸鹽礦物的一種，按照組成的離子類型不同可以分為Mg-Ca-Na碳酸鹽和Na碳酸鹽[10]，都含有Na，因此火山巖中鈉長石的分解反應為[21]:

CaAl2Si2O8(鈣長石)+2Na+(鹽水)+4SiO2(石英)

可以為堿性礦物的生成奠定物質基礎。

3.1.2 氣候條件

風城組沉積時，瑪湖凹陷古氣候是干旱-濕熱交替的氣候，干旱持續(xù)的時間長，湖水蒸發(fā)量大于補給量，促進了瑪湖凹陷形成獨特的“堿湖”[8]，為天然堿、碳酸鈉鈣石、碳鈉鎂石等堿性礦物的形成沉淀提供了必需的堿性環(huán)境。

3.1.3 埋藏后水-巖反應

風城組早期巖石埋藏沉積后，因研究區(qū)克—烏斷裂帶系統(tǒng)發(fā)育，斷裂較深，延伸較廣，火山作用生成的深部熱流體可沿其侵入到湖盆之中。深部熱流體在向上運移的過程中，因溫度較高，壓力較大，易與古生代的鈣堿性安山巖基底[10]發(fā)生水巖反應:

從而深部熱流體的堿性增強，進入到湖盆之后，進一步增大了水體的pH值，隨著湖盆蒸發(fā)萎縮，湖水堿度達到最大，堿湖形成，特定的堿性礦物組合得以生成沉淀。

整體以堿性環(huán)境為主的成巖背景下，也會出現局部環(huán)境呈酸性的情況。堿性環(huán)境有利于烴類的生成[9]，烴類在生成演化成油氣的過程中常伴隨著有機酸的形成。堿性礦物沉淀埋藏后，因泥巖是主要的生烴層位[11]，與堿性礦物同處于風二段，所以利于有機酸侵入到堿性礦物層位從而發(fā)生水巖反應，堿性礦物的陰離子主要為CO32-，極易發(fā)生溶蝕反應:

因為堿性礦物常呈聚集狀存在，發(fā)生溶蝕以后，若H+供應充足，可以形成直徑達1.5～1.8 mm的大型的孔隙(圖7所示)，為油氣的存儲提供了可能的空間。

3.2 堿性成巖作用的成巖模式

風城組堿湖的成巖作用大致可以劃分為風城組早期、中期、晚期3個階段。

風城組早期氣候較為干旱，湖水鹽度較低，水體較深。此時期火山活動活躍，在湖盆底部發(fā)育大量的堿性火山巖，火山巖發(fā)生水解反應，為湖泊中提供了Na+，Ca2+，Mg2+等離子，也提高了湖水的堿度。此時湖泊中存在不同類型的CO32-，SO42-，Cl-等陰離子和Ca2+，Mg2+，Na+，Fe2+等陽離子，正常情況下，在湖盆堿化的過程中，離子之間相互碰撞反應，會有石鹽、石膏等氯化鹽、硫酸鹽礦物的沉淀，但在風城組地層中卻很少見到石鹽和石膏[10]，而只發(fā)育有大量的Mg-Ca碳酸鹽礦物和含Na的堿性礦物，這可能與離子濃度、微生物活動及離子轉化有關。堿湖中的微生物發(fā)育[5]，生物呼吸和火山活動產生大量的CO2，湖水CO2分壓增大，生成CO32-，導致湖水中的CO32-的濃度大于Cl-的濃度，因此CO32-與Na+等陽離子碰撞結合的幾率遠遠大于Cl-。對于風城組硫酸鹽礦物的缺少與離子的轉化有關，較深的湖水和微生物的生命活動造成了水體為強還原的環(huán)境，使SO42-被還原成H2S逸散到空氣中或HS-結合Fe2+生成黃鐵礦，造成了黃鐵礦在風城組泥巖、碳酸鹽巖中普遍存在的現象。

在離子含量相差不大的情況下，Ca2+先于Na+與CO32-結合[10]，且因為方解石的Ksp=2.8×10-9小于白云石的Ksp=2.6×10-5，更容易發(fā)生沉淀，方解石析出沉淀后，湖中Mg2+/Ca2+比增大，形成富Mg2+水體，同時佳木河組殘留的海相鹵水在巖漿熱氣的推動下沿著斷裂進入到湖內[12]，帶來了富Mg2+流體，使方解石發(fā)生了白云巖化，發(fā)育在火山巖之后。由于蒸發(fā)濃縮作用使湖水分層，有利于富含有機質的泥巖發(fā)育[11]，使泥巖沉積在白云巖之后。泥巖中的有機質發(fā)生化學反應能夠使沉積物沉積結構發(fā)生變化，促使Mg-Ca碳酸鹽巖大片發(fā)育，與泥巖互層發(fā)育。

風城組中期，早期Mg-Ca碳酸鹽礦物的沉淀以后，湖盆中Ca2+和Mg2+的含量遠低于Na+的含量，生物、火山活動產生的CO2不斷地注入水體中，早期消耗的CO32-得到持續(xù)補充，Na+，CO32-等離子的濃度不斷增大，此時干旱氣候下湖水進一步地濃縮咸化[8]，深部熱流體與基底的水巖反應將堿性物質帶入湖盆，使湖水的堿度達到最大，等Na+，CO32-等離子達到飽和時，天然堿、碳酸鈉鈣石等含Na+的堿性礦物開始相繼生成而發(fā)生沉淀。隨著Na+的含量逐漸降低，湖水中殘留的Ca2+，Mg2+與CO32-反應生成Mg-Ca碳酸鹽礦物，也就解釋了含Na+堿性礦物常與Mg-Ca碳酸鹽礦物共生的現象。

風城組晚期，氣候變得濕熱[8]，湖平面上升，鹽度降低，水體環(huán)境較為安靜，有利于泥巖的發(fā)育，同時陸源碎屑物質供應充足，同火山物質沉積形成凝灰質砂巖。

一般認為硅硼鈉石的形成與熱液密切相關[22]，主要發(fā)育在近斷裂處，先前沉積的碳酸鹽礦物(圖8a所示)和堿性礦物(圖8b所示)被沿斷裂上升的富硼流體所交代，形成硅硼鈉石[23]，當巖石中的硅硼鈉石富集到一定程度時形成富硅硼鈉石巖。最終形成了如圖9所示的堿性成巖作用的成巖模式圖。

圖8 硅硼鈉石與其他礦物的交代關系Fig.8 The metasomatic relationship between reedmergnerite and other minerals

圖9 風城組堿湖成巖模式圖Fig.9 Diagenetic model diagram of alkaline lake in Fengcheng Formation

4 結論

通過對準噶爾盆地瑪湖凹陷下二疊統(tǒng)風城組的堿性成巖作用進行分析，得出以下3點結論:

1)風城組巖石中發(fā)現了白云石環(huán)帶、石英溶蝕、綠泥石和沸石膠結等典型堿性成巖現象。

2)物質來源、氣候條件和埋藏后水巖反應影響了堿性成巖作用。中基性堿性火山物質的水解為堿性成巖作用提供了充足的物質；干旱-濕熱交替的氣候促使了堿性環(huán)境的形成；經埋藏后水巖反應，堿湖和堿性礦物組合最終形成，為油氣的儲存提供了可能的空間。

3)原巖-氣候-水巖反應等多種因素共同控制了風城組的巖石礦物類型及組合，形成了火山巖-碳酸鹽巖-泥巖-碳酸鹽巖(硅硼鈉石)-堿性礦物(硅硼鈉石)-泥巖-碎屑巖的特殊混積成巖模式。