火山巖成因論文：火山巖儲層形成原因探究

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本文作者：潘文慶1張巍2,3于紅楓1于紅嬌2張正紅1關平2簡星2作者單位：1中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司勘探開發研究院2造山帶與地殼演化教育部重點實驗室3中國石油天然氣股份有限公司勘探開發研究院

地質背景及樣品采集

塔里木盆地位于我國新疆維吾爾自治區境內,是我國重要的含油氣盆地之一。在全盆地范圍內,二疊系火山巖廣泛分布,殘余玄武巖覆蓋面積約為2.46×105km2,殘余流紋巖覆蓋面積約為4.04×104km2[23]。地球化學數據表明塔里木二疊系火山巖具有典型的雙峰式特征,其基性和酸性端元發育,而中性巖不占優勢,具有典型的板內巖漿特性[24]。廣泛分布的二疊系火山巖對油氣形成與成藏具有重要的意義。塔里木盆地不乏優質烴源巖[20],主要分布于寒武系–奧陶系、石炭系–二疊系以及三疊系–侏羅系等,二疊系火山巖能使其下伏烴源巖在短期內經歷異常高溫和催化改造而成熟,并增加生烴量。二疊系火山巖本身作為儲層也有不容忽視的潛力,如前面所述,躍南1井(圖1)具有良好的儲集性能[16],另外滿西2井二疊系火山巖段電測解釋結果顯示孔隙度高達42%,塔中地區二疊系火山巖在部分井孔洞、裂縫都比較發育,在中1井見油氣顯示[25–26],塔河地區二疊系火山巖之上存在不整合,含氣孔、溶孔、裂縫等的火山巖儲層較發育,并在S79井、S87井和T208井等的火山巖裂縫中有油氣顯示[27–28],因此二疊系火山巖可作為特殊油氣儲層,也可形成巖性圈閉[25]。另外,二疊系火山巖及侵入體增加并改善了油氣運移的通道,形成巖漿巖遮擋的圈閉和油氣藏等[25]。因此,塔里木盆地二疊系火山巖具有成藏的條件,研究火山巖儲層的形成機理及主控因素對進一步勘探具有重要意義。塔里木盆地躍南地區躍南1井位于北部凹陷內滿西低凸起構造單元(圖1),二疊系由下至上發育玄武巖、凝灰巖及巨厚流紋巖等。二疊系下伏石炭系地層以棕色、暗棕色泥巖為主,次為褐灰色、棕色、暗棕色灰質泥巖,夾淺灰色、灰色、灰褐色泥灰巖和膏質泥巖,灰褐色泥晶灰巖,淺灰色、灰白色泥質粉砂巖和粉砂巖,以及白色石膏,二者為不整合接觸[16]。二疊系上覆地層為三疊系底礫巖,二者為不整合接觸[16]。海西末期構造隆升運動導致躍南1井缺失上二疊統,不整合剝蝕量約為385m,經歷了較為強烈的暴露與剝蝕[29]。本文對躍南1井二疊系火山巖從頂界向下系統采樣(圖2),巖性均為流紋巖,通過巖石學、礦物學及地球化學研究探討其儲集空間特征及成因。

巖石學研究

火山巖儲集空間的形成既受火山巖巖性的控制,又受巖漿熱液作用、風化作用和構造作用等后期改造作用的控制。不同巖性及火山噴發的不同階段形成火山巖的孔隙類型差別很大[3032]。通過對躍南1井火山巖二疊系頂部、中部、底部典型的巖芯及其薄片觀察,發現該井頂部流紋巖段溶孔發育,長石已風化成黏土礦物(圖3(a)和(b))。鑄體薄片中,頂部樣品孔隙類型多樣,包括大的斑晶內溶孔、鑄模孔、基質中網狀的溶孔–裂縫系統等,溶孔–裂縫系統是在大量原生冷凝收縮縫、收縮節理縫、隱爆裂縫及礦物本身具有的解理縫、雙晶縫等薄弱面的基礎上改造形成的溶蝕孔、溶蝕風化縫和構造縫,孔隙面積大,裂縫數量多(圖3(c));中部樣品的薄片觀察到晶內溶孔和基質中網狀分布的溶孔,但是溶孔的面積和裂縫的數量減少(圖3(d));底部樣品僅發育原生的孔隙和裂縫(圖3(e)),說明本區火山巖體曾暴露地表,遭受一定程度的風化作用。

礦物學研究

為了研究風化作用的機制,選取樣品YN1-8,YN1-6,YN1-4和YN1-1(圖2)進行流紋巖中各種礦物的掃描電子顯微鏡觀察和能譜分析。

1長石斑晶的風化序列

通過掃描電子顯微鏡觀察發現,長石斑晶風化有3種類型:1)解理不發育的長石斑晶表面未遭受明顯的溶蝕,直接在礦物表面生長綠泥石(圖4(a)和(b));2)斜長石晶體沿聚片雙晶的雙晶縫方向溶蝕形成一組相互平行的不連續溶蝕縫,或沿微縫加大溶蝕,掃描電子顯微鏡放大觀察,這些溶蝕縫邊緣多呈港灣狀。隨著長石風化程度的提高,此類溶蝕縫的連續性、寬度、深度和邊緣的不規則程度均明顯增加,它們拓寬到一定程度后,在橫向上相互貫通,形成孔–縫網狀系統(圖4(e)和(f)),同時在礦物的表面也開始溶蝕改造(圖4(g)),隨著風化程度進一步加劇,在礦物表面及縫里形成鱗片狀伊利石(圖4(h));3)長石斑晶沿解理縫被溶蝕成板條狀、針條狀、柱狀,形成晶內溶孔,隨著進一步風化,在殘余部分生長葉片狀伊利石(圖4(i)~(l))。后兩種類型都可以形成孔滲較好的儲集空間。由此可見,具有構造破裂面、解理面、雙晶接合面的長石易遭受風化,并且這些薄弱面也是長石晶體優先風化的部位。長石晶體上溶蝕痕跡的擴大受長石晶體各向異性控制,同時受長石類型、環境的酸堿度、溫度等的影響[33–38]。石英是抗風化能力較強的礦物,僅少數遭受了溶解作用(圖4(c)和(d))。

2基質的風化序列

通過對流紋巖基質的掃描電子顯微鏡觀察可發現,基質的風化過程可以分為以下幾個階段:1)沿微裂縫最先溶蝕、擴大、延伸,形成溶蝕縫(圖5(a));2)沿縫逐漸溶蝕成溶孔、溶洞,在幾條縫的交點處更易形成溶孔(圖5(b));3)形成網絡連通系統(圖5(c)和(d));4)黏土礦物首先沿縫隙生長(圖5(e)~(h));5)黏土礦物呈襯墊式充填溶孔和溶洞(圖5(i)和(j));6)整個基質表面都被風化成黏土礦物(圖5(k)和(l))。躍南1井流紋巖基質的風化程度比斑晶風化程度更強烈,說明基質比斑晶更容易風化。

3風化過程中黏土礦物的生長

黏土礦物是巖石風化的產物,黏土礦物的種類與母巖成分、液體酸堿性以及溫壓條件等因素密切相關[37–39]。掃描電子顯微鏡和能譜分析可以依據黏土礦物的微觀形態和成分特征,準確地鑒定黏土礦物的種類。常見黏土礦物的化學式如下:高嶺土,Al4[Si4O10](OH),常含Fe3+,Mg2+,Ca2+,K+等;蒙脫石,Nax(H2O)4{(Al2xMgx)[Si4O10](OH)2},成分復雜,Al>Mg>Fe;伊利石,K1x(H2O)x{Al2[AlSi3O10](OH)2x(H2O)x}。利用掃描電子顯微鏡觀察躍南1井流紋巖樣品中黏土礦物的形態,同時對形態不同的黏土礦物進行能譜分析,發現大量單體為長葉片狀、鱗片狀的黏土礦物和少量絮狀的黏土礦物。能譜分析表明:長葉片狀黏土礦物和鱗片狀黏土礦物的化學成分幾乎一樣,鐵含量較高,除了O2,Si4+和Al3+之外,以K+為主,為伊利石的特征;絮狀的黏土礦物除了O2,Si4+和Al3+之外,以Mg2+為主,為蒙脫石的特征(圖6)。可見該井流紋巖的風化產物以伊利石為主,含少量蒙脫石,并且保存了黏土礦物生長的整個序列。單體伊利石主要有兩種形態:長葉片狀和鱗片狀,集合體有鱗片狀雜亂排列、花瓣狀排列等。長葉片狀伊利石的生長過程如圖7(a)至(b)所示:圖7(a)為雛形伊利石,在長石殘余體上可見長葉片狀輪廓,但未脫離母巖;圖7(b)為部分脫離母巖的長葉片狀雛形伊利石,未發現這類伊利石發育完全的單體。鱗片狀伊利石的生長過程如圖7(e)至(g)所示:圖7(e)為雛形伊利石,未脫離母巖;圖7(f)為發育完全的伊利石,大部分已脫離母體成為鱗片狀單體,部分還在母巖上繼續生長;圖7(g)為發育完全的鱗片狀伊利石。還可見長葉片狀伊利石和六邊形狀的伊利石混雜堆在一起(圖7(c)和(d)):圖7(c)為六邊形狀的伊利石和雛形長葉片狀伊利石混在一起,圖7(d)為六邊形狀的伊利石和發育完全的長葉片狀伊利石混在一起。蒙脫石的生長過程如圖7(h)至(k)所示:圖7(h)為絮狀雛形蒙脫石,未完全脫離母巖;圖7(i)為絮狀雛形蒙脫石,脫離母巖;圖7(j)為發育完全的花絮狀蒙脫石集合體;圖7(k)為發育完全的花狀蒙脫石。

地球化學研究

為了進一步研究風化作用的機制,對躍南1井縱向采樣(圖2),進行了主量元素分析及物理性能測試(表1),主量元素在北京大學造山帶與地殼演化教育部重點實驗室采用X射線熒光光譜(XRF)分析,分析誤差小于0.5%。物理性能測試由中國石油化工股份有限公司江漢油田分公司勘探開發研究院石油地質測試中心完成。國內外許多學者對各類巖石的化學風化作用的程度和級別進行過深入的研究,提出了相應的地球化學參數(表2)[4050],通常使用與兩個以上化學成分的比值相關的風化率、相對于母巖而言的變化率和考慮多個變量的綜合指標[40]等參數判斷巖石的風化程度。流紋巖的風化首先是原生鋁硅酸鹽礦物的水解、水化和淋失作用,即堿金屬(K+,Na+)和堿土金屬(Ca2+,Mg2+)組分的淋失。然后是Fe2+很快水解氧化成Fe(OH)3,形成Fe2O3,并因化學惰性而殘留下來[40]。這些組分與Si4+和Al3+在不同的酸堿條件和溫度條件下相結合形成不同類型的黏土礦物。在選用化學風化指標時,要根據樣品中元素淋失或富集的實際情況綜合考慮。元素活動性指數MI表示樣品中各元素相對于母巖富集或淋失程度,MI大于1表示該元素在風化過程中富集,MI小于1則表示該元素淋失[4950]。將樣品中Ti作為穩定元素,樣品YN1-10作為母巖進行計算可得:FeO,MgO和MnO的MI值遠遠小于1,在風化作用變強的過程中(深度由深到淺)MI值有顯著減小的趨勢且變化較大;CaO的MI值穩定在0.8左右,SiO2,Al2O3和K2O的MI值略小于1,但在風化過程中變化較小;P2O5的MI值基本保持不變(1.0左右);Na2O的MI值與母巖相近,個別樣品大于1;Fe2O3的MI值大于1,在風化過程中有增大的趨勢,最大到1.3(圖8)。由此可以看出,躍南1井在風化過程中FeO,MgO和MnO淋失量最大;其次是CaO;SiO2,Al2O3和K2O少量淋失;P2O5和Na2O基本不變,略有富集;Fe2+被大量氧化成Fe3+。這說明黑云母等少量暗色礦物最易遭受風化,造成Mg2+的大量淋失。Na+,K+和Ca2+沒有表現強烈的淋失;SiO2變化不大,說明石英很難被溶解,這與顯微鏡下觀察的結果一致。流紋巖是酸性噴出巖,其Al2O3含量為13%左右,遠大于Fe2O3的含量,因此與Al2O3有關的參數可能更有意義。根據MI值所指示的結果,與Fe2+,Fe3+,Mg2+有關的參數同樣具有重要的意義。鋁鐵含量SOC是兩種難溶氧化物Al2O3與Fe2O3的總和,由深到淺其值有逐漸增加的總體趨勢,反映淋失的加劇、氧化程度加劇以及Fe3+的富集,說明由深到淺風化作用逐漸變強。在酸性巖中SiO2變化小及穩定元素TiO2變化小的情況下,風化物質指數PI及硅/倍半氧化物比Kr反映Al2O3與Fe2O3的總和的變化,且與SOC變化趨勢相反,由深到淺呈逐漸減小的總體趨勢,代表風化作用變強的過程(圖9)。高價/低價鐵比Ir指數反映氧化程度,Ir指數越大,氧化程度越強,風化作用也就越強,Ir與SOC有相同的變化趨勢,且頂部與底部樣品的Ir指數值差距很大。鋁/鋁鈣鈉氧化物比ACN及鋁/鉀鈉比AKN主要反映Al2O3的變化,因MI值判斷鋁元素在風化過程中略有淋失,所以隨風化作用變強,二者有逐漸減小的趨勢。淋溶系數Lc主要反映MgO的淋失,隨風化作用變強有逐漸減小的趨勢。殘積系數Rc與CaO,MgO的淋失和Fe2O3的富集均有關,在極淺部(YN1-1和YN1-2)及中部(YN1-7和YN1-8)表現為隨風化作用變強而減小,說明在淺部CaO,MgO的淋失大于Fe2O3的富集。其他部位總體趨勢是隨風化作用變強而增大,反映在大多數風化過程中Fe2O3的富集比CaO,MgO的淋失更加強烈。溶濾系數β反映Mg2+,Ca2+的淋失,總體趨勢是隨風化作用變強而增大。總之,各參數均反映了淺部的樣品風化程度大于深部的總體趨勢,但也存在個別不符合總體趨勢的情況,如YN1-1,YN1-2,YN1-7,YN1-8在部分指標計算時異常。由10個樣品的風化程度來看,躍南1井受風化作用影響的深度至少在4670m左右,即影響深度范圍達220m左右。孔隙度和滲透率是反映儲層優劣的重要參數,上述10個樣品在剖面上表現為由深到淺孔隙度和滲透率呈逐漸增大的趨勢(圖9),且與各風化指標的變化趨勢十分吻合,尤其是孔隙度與SOC,PI,Kr,Ir等與鐵元素關系密切的指標在YN1-1,YN1-2,YN1-7,YN1-8等幾個異常點處也表現相同的趨勢,說明儲層物理性能直接受控于風化作用,也就是說火山巖儲層的主控因素是風化作用。

討論

海西末期構造隆升運動導致躍南1井缺失上二疊統,不整合剝蝕量約為385m[29],經歷了較為強烈的風化作用,通過對其二疊系火山巖的系統研究,可以看出其縱向上呈現出不同的巖石學、礦物學、地球化學特征。接近頂部的流紋巖段溶孔發育,長石已風化成黏土礦物,孔隙類型多樣,包括大的晶內溶孔、鑄模孔、基質中網狀的溶孔–裂縫系統等,孔隙面積大,裂縫數量多,MI指數偏離1的幅度最大,各化學風化指標顯示其風化程度最大。中部樣品顯微鏡下可觀察到晶內溶孔和基質中網狀分布的溶孔,但是溶孔的面積和裂縫的數量減少,長石斑晶及基質都處于風化過程的中間狀態,MI指數偏離1的幅度小于頂部樣品,各化學風化指標顯示風化程度小于頂部樣品,且隨深度具有一定的變化趨勢。底部樣品僅發育原生的孔隙和裂縫,長石斑晶和基質均保留較好的原始形態,MI指數接近1,各化學風化指標顯示風化程度很小。各方面證據都表明躍南1井的火山巖確實經歷了一定程度的風化,風化作用能在原生孔隙,尤其在各種冷凝收縮縫、隱爆裂縫、解理和雙晶縫的基礎上不斷溶蝕、淋濾,形成大量的次生溶孔,縱向上風化程度隨深度加深而變小。躍南1井火山巖樣品隨深度變化完整地保存了流紋巖長石斑晶和基質的風化序列,以及風化過程中黏土礦物的生長過程,從微觀的角度揭示了風化作用的機理。在風化過程中,FeO,MgO,MnO淋失量最大,其次是CaO,SiO2,Al2O3,K2O少量淋失,P2O5和Na2O基本不變略有富集,Fe2+被大量氧化成Fe3+。化學風化指標顯示縱向上淺部的樣品風化程度大于深部,且儲層物理性能優劣與風化作用強弱呈正相關關系。躍南1井受風化作用影響的深度至少到達4670m左右,即影響深度范圍達220m左右。綜上所述,塔里木盆地躍南地區二疊系火山巖儲層的主控因素為風化作用,有利儲層發育在風化作用強烈的區域。

結論

塔里木盆地躍南地區二疊系火山巖儲層中以次生儲集空間為主,包括斑晶內溶孔、鑄模孔、基質中溶孔和溶蝕縫,孔滲性好,孔隙度可高達14%,滲透率最高可達11×103μm2,可以作為有利的儲層。風化作用是次生孔隙和裂縫的主要成因。化學風化指標顯示縱向上淺部的樣品風化程度大于深部,且儲層物理性能優劣與風化作用強弱呈正相關關系。躍南1井受風化作用影響的范圍達220m左右。風化過程中,火山巖在冷卻階段產生的大量原生孔隙、冷凝收縮縫、隱爆裂縫及礦物本身具有的解理縫、雙晶縫等薄弱面是優先發生溶蝕、淋濾的部位,也是風化作用的基礎。在流紋巖中發現長石斑晶及基質的風化序列,確定風化產物以伊利石為主,含少量蒙脫石,并且保存了黏土礦物整個序列的生長過程。風化作用能在原生孔隙和裂縫的基礎上改善火山巖的孔隙結構,使儲集空間類型復雜多樣,大大提高儲層物理性能,是塔里木盆地躍南地區二疊系火山巖儲層的主控因素。