新疆库车凹陷侏罗系多粒级黏土矿物分析方法及其对沉积-成岩环境的指示.pdf

书书书 新疆库车凹陷侏罗系多粒级黏土矿物分析方法及其 对沉积成岩环境的指示 吴朝东王琪琪冯雪顾萧 北京大学地球与空间科学学院 造山带与地壳演化教育部重点实验室 北京 收稿 改回 摘要本文选取库车坳陷侏罗系阿合组齐古组的碎屑岩样品利用 原理通过同步跟进与离心分析相结合的多 粒级提取的方式提取不同粒径的黏土矿物包括 和 不同粒径组 分的黏土矿物呈现出不同的型貌特征在 范围内的样品中自生黏土矿物少见大量可见碎屑来源的黏土矿物由于 经过了长期的机械搬运难见完整的晶型 在 的样品中大量存在自生黏土矿物大量成集合体同时也存在碎屑蚀变 成因的黏土矿物 通过 方法定量分析了所分离出的不同粒径黏土矿物的相对含量黏土粒径范围内的黏土矿物相对含 量呈现些规律变化 碎屑伊利石含量有随着粒级的减小而减少的趋势而自生伊利石和伊蒙混层只在 及 以下粒级才出现并且集中在 以下粒级范围内 在古气候沉积环境和母岩特性及分布基本一致的情况下高岭石的 分布有随着岩性的变粗呈现升高的趋势而伊利石呈负相关关系 碎屑岩中黏土矿物的形貌特征表明黏土矿物有陆源碎屑 来源与自生两种成因应用 软件对 以下黏土矿物中不同成因的伊利石进行了计算并就存在的比例与粒径的 关系进行了讨论 黏土矿物组合揭示侏罗纪沉积环境由酸性环境向微碱性环境过渡早侏罗世和中侏罗世早期为气候潮湿 时期高岭石的含量明显高于侏罗世晚期地层恰克马克期到齐古期高岭石含量开始出现减小的趋势 从恰克马克期开始气 岩石学报 国家重点基础研究发展规划 成藏机制与分布规律 项目资助 第一作者简介 吴朝东 男 年生 博士 副教授 从事沉积学研究 候缓慢向干旱变化高龄石含量降低而伊利石的平均含量明显增加反映黏土矿物组合主要受沉积环境和成岩作用共同影响 关键词库车坳陷 碎屑岩 黏土矿物 粒径 中图法分类号 引言 通过对黏土矿物分粒径研究可以区分不同成因的黏土 矿物了解不同成因黏土矿物的特性为进一步研究沉积环 境成岩演化历史奠定基础 碎屑岩中黏土矿物可用于沉积 地层的广泛研究如分析母岩性质形成环境和成岩作用演 化等 刘宝臖等讨论了吐哈盆地台北凹陷黏土矿物 组合纵向的异常演化并指出原沉积母岩沉积水介质等的 异同是导致异常演化的原因 黏土矿物组合的变化也是反 映沉积环境和古气候演变的重要标志 研究了西班牙东部 地区二叠系至三叠系的沉 积岩中的黏土矿物分析出两套不同的陆相海相黏土矿物 组合研究了黏土矿物从陆相到海相的环境演变 黏土矿物分析主要包括两个方面 一是总体黏土矿物 分析主要通过研究各种黏土矿物的相对含量以不同的黏 土矿物组合揭示地质现象 大量研究结果表明在研究沉积 环境和古气候演化时黏土矿物分析结果与古生物研究结果 一致 因此许多研究者通过研究黏土矿物含量成分组合 来研究沉积环境和古气候演变 二是自生黏土矿物分析通 过研究自生黏土矿物的性质来揭示成岩演化过程 自生黏 土矿物是沉积物在成岩过程中形成的新生矿物因此可以很 好地记录形成时的成岩环境的变化 此外对自生黏土矿 物尤其是自生伊利石的 或 同位素年代研究 也是近年来学者们研究的热点 因为自生伊利石常常是油 气注入前形成最晚的胶结矿物 由于油气代替地层水引起 硅酸盐成岩作用终止所以自生伊利石 年龄将会记录 油气注入事件的发生时间并代表了圈闭构造形成的最大年 龄 这对指导油气勘探有现实指导意义 一般来讲需要研究各种黏土矿物的相对含量以不同 的黏土矿物组合揭示地质现象的时候只需将所有的黏土矿 物提取出来即可 年能源部颁布的石油天然气行业标 准中规定在砂岩和碳酸盐岩中 的颗粒为黏土颗粒黏 土岩中 的颗粒为黏土颗粒所以对于砂岩及碳酸盐黏 土矿物提取粒径为 而泥岩中黏土矿物提取粒径为 这种方式能获得比较纯净的黏土矿物 一般认为黏 土矿物的粒径与其成因有关 它生黏土矿物通常为母岩风 化产物经搬运沉积形成这样生成的黏土矿物的粒径较大 超过此范围例如高岭石在孔隙水活跃的孔隙中粒径能大 于 自生黏土矿物为后期成岩作用过程中的自生产 物粒径通常小于 所以对黏土矿物的研究按粒径 范围采取多粒级提取的方式对不同粒径范围内的黏土矿 物进行研究能获得更多的地质信息陈忠等 由于 伊蒙混层主要是成岩作用下的产物其中所含的伊利石也被 认为是自生成因 根据伊蒙混层中由于 蒙脱石含量多少而呈现出来的不同密度来提高提取自生伊 利石的纯度 分析了含黏土物质的样品 在超声介质中沉降的性质并指出此方法可以加快沉降速 度减少沉降时间为新分离技术的研究提供了方向 库车坳陷位于塔里木盆地北缘 北倚南天山褶皱造山 带 南接塔北隆起 库车坳陷是目前塔里木盆地勘探程度 较高油气探明储量较大的地区也是探讨盆山耦合动力学 过程的有利场所 中新生代盆地以中晚元古界的变质岩 和震旦系下二叠统的沉积岩层为基底其上充填了厚达万 余米的中新生代陆相碎屑岩以砂泥岩沉积序列为主 侏罗 系包括阿合组阳霞组克孜勒努尔组恰克马克组齐古组 和喀拉扎组为一套陆相含煤沉积为区内的主要含煤岩系 可分为中下部煤系地层和上部杂色碎屑沉积两部分与下 伏三叠系地层整合接触 库车坳陷侏罗系以河流湖泊及沼 泽沉积为主 白垩纪末由于三叠纪残余特提斯海的闭合 塔里木盆地再次出现挤压环境形成广泛的不整合 许多学者对塔里木盆地黏土矿物与在石油地质方面的 应用做了很多的探讨如赵杏媛等和赵杏媛 对塔里木盆地的黏土矿物类型作了总结指出塔里木盆地共 有 种类型的黏土矿物 孙玉善和杨帆讨论了黏土 矿物研究在塔里木盆地石油勘探中及在地层对比及储集层 研究中的应用 分析方法与定量测试结果 黏土矿物颗粒分离方法主要依据托克斯 沉降定 律主要有沉降法离心法微孔滤膜真空抽滤法反复冷冻 解冻的岩样分散法黄宝玲和王大锐等 传统的沉降 虹吸的方式操作起来相对简单但时间耗费长 离心方式 是目前国内外比较普遍的分离提纯方法悬浮液中的颗粒由 于受到离心力的作用加速沉降 原理同自然沉降一样所需 时间却大大减少 真空抽滤法在提取较细粒级黏土组分方 面具有较大优势张有瑜等 因为对于砂岩尤其储 层砂岩而言其细粒级黏土悬浮液的浓度很低采用高速或 超高速离心分离技术费时且效果不好而采用这种技术则可 轻松达到目的 一般说来沉降虹吸法较适合提取粗粒级的 黏土组分离心分离法适合提取细粒级的组分而微孔滤膜 真空抽滤法则适合更细粒级的黏土组分的提取 在实际的 实验中可根据研究目的不同将这几种方法结合使用冯雪 等利用步进电机控制提取的速度经过三次提取可以 岩石学报 达到 的提取效率并且对提取较粗的黏土矿物达到较为 理想然后采用超高速离心分离技术进一步分离小于 的颗粒组分 分离方法 研究样品均来自库车坳陷的库车河剖面主要为侏罗系 图 黏土矿物分离流程图 采用日立 高速恒温离心机温度为 转子型号为 二轴交角 顶部离心半径 底部离心半径 碎屑岩 根据所分离粒级不同 采用综合分离的方法 图 首先选取未受污染的样品进行破碎 样品破碎只 能采用垂直动力方式因为磨碎方式容易将碎屑矿物碎成黏 土粒级的颗粒 对于成岩程度差的样品可以用手指碾碎 经过粗筛再破碎细筛最后使岩样基本通过 目筛 称 取大约 样品置于已编好的烧杯中如果不对分离的黏 土矿物做化学分析可在样品中加入分散剂 加蒸馏水充 分浸泡放入超声波震荡器震荡搅拌使之全部分散 为了 达到更好的破碎效果还可进一步用超声波破碎它可以高 效地使样品进一步得到分离 但超声时间和频率也要相当 注意过强可能造成黏土矿物颗粒本身破碎 一般采用频率 为 每分钟间断多次破碎比较合理一次 取出 细小颗粒加水然后重新破碎反复几次 将悬浮液通过孔径为 的筛进行湿筛去除粗 粒成分 再通过 的筛去除粗的矿物颗粒如石英长 石 两部分可以依次过筛也可以一起过筛 对分离出来的 溶液要考虑进行去胶体作用刘易斯 去有机质 去硫化物及硫酸盐 类 去碳酸盐类 等处理过程 经过化学处理后的 样品里面含有大量剩余离子会对黏土矿物的 衍射图谱造 成影响同时限制了黏土矿物往后的实验一般需再采用有沉 积和倾析法对样品溶液进行洗涤但对于黏土矿物来讲洗涤 效率较低采用离心方法则可以提高洗涤的效率 根据分析目的不同确定粒度分离的粒度等级对已充分 解离的样品采用不同方式进行分离图 增加提取效率 高和效果 利用同步跟进式提取黏土的方法分离 以 上的矿物颗粒利用高速离心机分离 以下的矿物颗 粒 利用 原理温度控制在 采用跟进式方法分 别依次分离出 的颗粒 的颗粒 将剩余溶 液放入离心管中使用离心机先分离 并将剩余的悬 浮液倒入另编号烧杯 使用超声波分散离心管中沉淀物再 离心 重复三次 再离心 并重复上述过程 在剩 余的悬浮液中加入絮凝剂 的 溶液 静置 倒去上澄液 将絮凝后的黏土液倒入离心杯中在 下离心 重复此过程 次然后移入 最后将各 级颗粒放入 的烘干箱中烘干称重 经过三次的跟进式 提取并不能完全得到所有提取颗粒的含量 需要对提出的 粒径与提取效率之间关系进行颗粒含量校正 根据计算和 激光测粒验证表明提取效果较好冯雪等 对不同 粒径范围内的颗粒进行统计并校正后得到结果如表 黏土矿物 射线衍射特征和定量计算 射线吸收强度遵循 法则与测试厚度相关为 了达到较好的测试效果对制样厚度应严格控制 要准确得 表 碎屑岩黏土矿物粒级组分含量 样品号岩性 粗砂岩 砂岩 细砂岩 粉砂岩 泥岩 吴朝东等 新疆库车凹陷侏罗系多粒级黏土矿物分析方法及其对沉积 成岩环境的指示 到高角度时 衍射数据的样品面密度应为 好的 定向片应该具有表面光滑平坦物质均一并有一定长度和 厚度 目前主要采用的制作黏土定向片的方法主要有玻璃 载片法涂片法离心法渗滤法 将各粒级颗粒各取 约 利用渗滤方法 制成定向片渗滤膜的直径为 然后进行 射线衍射分析最后对同一样片利用 蒸汽法做乙二醇饱和片分析同一天再做 加温片分 析 根据沉积岩黏土矿物定量分析方法设定伊利石为参考 物质考虑权重因子并假定高岭石和绿泥石具有相同的 值计算伊利石高岭石和绿泥石的含量 在确定有伊蒙混 层的样片中应用 软件模拟出不同间层比的伊蒙 混层的理论图谱用实际图谱与之比较得出伊蒙混层比 实验条件 实验用日本理学 型 射线衍 射仪 靶管压 管流 扫描速度为 扫描范围是 对阿合组和阳霞组下部的泥质岩粉砂岩细砂岩砂岩和 粗砂岩各个粒径范围的矿物颗粒进行了 衍射定量分析库车 凹陷下侏罗统主要黏土矿物类型为伊利石高岭石绿泥石和 伊蒙混层 不同粒径不同岩性黏土矿物相对含量见表 表 各粒径各黏土矿物相对含量 样号 岩性 粒级分组 伊利石 碎屑 自生 高岭石 绿泥石 伊蒙 混层 伊蒙混 层比 粗 砂 岩 中 砂 岩 细 砂 岩 粉 砂 岩 泥 岩 结果表明各个岩性中不同粒级的黏土矿物含量有一定 的规律如伊蒙混层只出现在粒级较细的范围内而自生伊 利石与碎屑伊利石的含量也随着粒级不同而发生变化 不 同岩性的样品中黏土矿物含量也有一定的规律变化如粗砂 岩中的高岭石明显比泥岩中多 其次对所有不同深度的 粒级范围内的样品进行 分析结果表明在不同 的深度下不同黏土矿物含量发生规律性变化如侏罗系上 部所含伊利石明显比下部多 自生伊利石的计算 应用 软件进行伊利石衍射峰的拟合与分解可 以将碎屑伊利石和自生伊利石的峰分开具体的方法为 根 据 的理论计算值与实际测量值的偏差很小时可用理 论计算值代替实际测量值的原理通过对伊利石 衍射峰 的拟合与分解可以将其分成两个峰一个为狭窄且尖锐的 伊利石峰另一个为宽且钝的另一个伊利石峰 然后可根据 分解出来的各矿物的衍射峰的积分强度计算相对含量 对 及 以下乙二醇膨胀后的样品图谱 中 伊利石衍射峰进行拟合与分解如图 所示伊利石 峰可分解成两个独立的峰其中一个是强度大峰型窄且锐 结晶度好的为碎屑成因的伊利石 另一个是强度较低峰 型宽结晶度差的为自生成因的伊利石 此外在乙二醇膨 胀后 以下图谱中可以看到伊蒙混层膨胀后的峰和 绿泥石的峰 黏土矿物粒级与矿物组合 通过对分离样品 分析可以观察到未破碎的 样品中黏土矿物保持着比较好的形貌并且可以清楚的看到 黏土矿物的分布特点 在破碎后的样品中由于分离黏土粒 径范围的不同显示出不同的形貌特点 黏土矿物组合 在原样中可见伊利石高岭石绿泥石以及伊蒙混层 伊利石主要有两种形貌多数伊利石以孔隙充填形式存在 主要成片状贴附在粒表和粒间缝中图 边缘相对光滑 为陆屑成因是长石云母类等硅酸盐矿物在气温稍低的条 件下经风化脱钾而形成 少数以薄膜形式分布在颗粒表 面或呈丝带或丝网状分布于孔喉之中有时呈搭桥状切断 孔隙喉道为自生伊利石 这部分伊利石形成于碎屑矿物的 进一步成岩蚀变或由蒙脱石转化而来 绿泥石主要成片状 贴附在颗粒表面厚度较大图 可见高岭石呈书页状 充填于孔隙中形态完好说明此高岭石是成岩期从孔隙溶 液中直接沉淀为自生成因 同时还可见到呈假六方片状 的高岭石呈不规则片状充填在孔隙中表明这部分高岭石 经历了搬运和磨蚀作用来自与铝硅酸盐矿物的风化产物 岩石学报 图 样品 图谱中伊利石峰的拟合与分解 为黏土矿物 以下组分 为黏土矿物 组分 少量可见向孔隙方向生长的成卷页状的伊蒙混层图 在碎屑岩中还常见呈针叶片状的绿泥石分布于颗粒表面 或与高岭石一起充填于孔隙中 在 粒径内主要可见碎屑成因的伊利石高岭 石和绿泥石 伊利石主要呈片状或弯曲片状晶形不完整 颗粒边缘有破损痕迹图 表明这部分伊利石多来 自碎屑成因和蒙脱石的转化 高岭石含量较高呈不规则片 状颗粒边缘有破损痕迹图 以碎屑高岭石为主 同 时还可常见结晶较好形态完整的自生高岭石 一般有两 种来源一是长石在成岩过程中经酸性水溶蚀而成这种高 岭石晶形较差常呈分散状态分布于长石表面 另一种晶形 较好单晶呈假六方片状集合体呈书页或蠕虫状形成于孔 隙溶液中的直接沉淀 绿泥石主要成片状叠加厚度较大 颗粒轮廓清晰 由此可以看出在非黏土粒径范围内的样品 中自生黏土矿物少见是由于自生黏土矿物颗粒小被大量 分离到更小的粒径范围 大量可见碎屑成因的黏土矿物并 且难见完整的晶型说明这些黏土矿物经过了长期的机械搬 运的过程 在 粒级内可见大量自生伊利石和伊蒙混层也 能看见片状的伊利石和绿泥石 自生伊利石成丝状或丝网 状并形成集合体图 是成岩作用阶段的产物 片状伊 利石和绿泥石的边缘模糊不清可见破碎痕迹 可能是碎屑 成因的矿物受到机械力作用导致图 伊蒙混层在样 品中并不大量可见有时可见成卷页状 总的说来在黏土 粒径范围内的样品中大量存在自生黏土矿物形成集合体 也存在碎屑成因的黏土矿物颗粒 在此范围内还能见到伊 蒙混层 沉积环境对黏土矿物组合的影响 图 是不同类型碎屑岩中 黏土矿物含量变化 图从图中可以看出粗砂岩中黏土矿物以高岭石为主含 量可达 伊利石绿泥石的平均相对含量偏低没有伊蒙 混层 细砂岩中高岭石含量有所降低伊蒙混层有所出现 粉砂岩中伊利石含量明显增加高岭石含量减少伊蒙混层 的平均相对含量可达 泥岩中伊利石含量较高与自生 伊利石的增加有关高岭石含量明显降低 在各类岩石中绿 泥石含量变化不明显 高岭石平均相对含量在粗砂岩中最高粉砂岩和细砂岩 次之泥岩中含量最少 与之相反伊利石平均相对含量在 粗砂岩中最少而在砂岩和泥岩中较高 绿泥石平均相对含 量基本在各个岩性中差别不大 伊蒙混层在除粗砂岩以外 的其余岩样中都有出现 库车坳陷下侏罗统阿合组和阳霞 组砂岩储集性能好为主要的储层发育段 沉积环境以辫状 三角洲沉积体系为主而物源均来自盆地边缘山体的火成岩 及变质岩 可以看出在古气候沉积环境和母岩特性及分布 基本一致的情况下黏土矿物组合的变化跟岩性的变化有关 系即高岭石的分布有随着岩性的变粗大体呈现上升的趋 势而伊利石呈负相关关系 成岩作用中黏土矿物的粒度变化 各个黏土矿物的相对含量并非在各个粒径中保持固定 也不随粒径的不同呈现简单的线性关系的变化但不同的黏 土矿物在不同的粒径范围中具有集中的趋势 黏土矿物中 伊利石高岭石的粒径较大大量出现在 粒径范围 内而在 粒径范围内伊利石和高岭石的含量明显 减小图 侏罗系为含煤岩系底层在成岩演化过程 中有机质降解产生大量有机酸提高孔隙流体酸度从而有 利于自生高岭石的产生 在粗砂岩中高岭石含量随粒度的 吴朝东等 新疆库车凹陷侏罗系多粒级黏土矿物分析方法及其对沉积 成岩环境的指示 图 不同黏土矿物的电子显微镜特征 颗粒间的片状伊利石原样 伊蒙混层片状绿泥石原样 片状伊利石碎屑来源 片状伊利石 片状 高岭石 片状伊利石 片状绿泥石 片状伊利石 伊蒙混层 图 不同岩石类型中黏土矿物 平均相对含 量变化 减小而升高表明孔隙中流体流动宜于自生高岭石的生成 在细砂岩和粉砂岩中高岭石随粒度的降低而明显降低与 高岭石向绿泥石的转化有关 伊蒙混层只出现在 粒 径范围内而且在 粒径范围内的明显增加 伊蒙混 层与自生伊利石均为后期成岩作用的结果为自生黏土矿 物主要集中在 范围内 绿泥石主要分布 较 粗的粒级范围内与在成岩过程中偏碱性的条件下早期形 成的高岭石与流体中的 反应开始向绿泥石转化 有关 由于自生伊利石的 或 同位素年代研究的 重要性因此对自生和碎屑伊利石主要粒级分布研究显得极 为重要 碎屑伊利石分布于各粒级并占伊利石总量的大部 岩石学报 图 粗砂