成岩流体的化学性质对伊利石形成的影响

成岩流体的化学性质对伊利石形成的影响

例如，对伊利诺伊斯罗夫砂岩的研究、黄思静对鄂尔多斯盆地东太原群碎屑岩储量的研究、马克纳尔多对伊利诺伊斯罗夫盆地碎屑层的模拟和其他因素的模拟，使我们能够对这一储层有一个新的了解。但是自生伊利石的形成仍然有很多方面令人感到困惑,如通常认为深埋藏条件下(温度超过120℃),钾长石和高岭石的矿物组合已变得极不稳定,但是仍可观察到深埋藏条件下明显数量的伊利石和高岭石共存。大多数研究者认为结晶动力学屏障对伊利石的形成有重要的控制作用,但对这种动力学过程的很多方面仍然知之甚少,采用化学热力学方法对形成伊利石的各种可能的成岩流体进行仔细地分析,能够为建立更加合理的结晶动力学模型提供地质基础。笔者尝试对各种形成伊利石的反应进行系统的热力学计算,分析成岩流体化学性质对其形成的影响,以使对这一问题的解决有所帮助。1研究表明，伊利石形成反应动力学特征的方法1.1矿物的力学性质决定化学反应方向的热力学判据ΔG(T)是由反应的标准吉布斯自由能增量ΔGΘ和平衡常数K共同控制的:ΔG(T)=ΔGΘ+RTlnK式中:K为参与反应的离子的活度的比值;R为气体常数;T为热力学温度。因此可以通过计算反应在不同温度下的ΔGΘ和参与反应的离子活度来判断反应进行的方向。碎屑岩储层中大部分自生伊利石的形成可描述为以下几种反应过程:3CaAl2Si2O8(钙长石)+2K++4H++H2O=2KAl3Si3O10(OH)2(伊利石)+3Ca2++H2O(1)3NaAlSi3O8(钠长石)+K++2H++H2O=KAl3Si3O10(OH)2(伊利石)+3Na++6SiO2(硅质)+H2O(2)3KAlSi3O8(钾长石)+2H++H2O=KAl3Si3O10(OH)2(伊利石)+6SiO2(硅质)+2K++H2O(3)3Al2Si2O5(OH)4(高岭石)+2K+=2KAl3Si3O10(OH)2(伊利石)+2H++3H2O(4)KAlSi3O8(钾长石)+Al2Si2O5(OH)4(高岭石)=KAl3Si3O10(OH)2(伊利石)+2SiO2(硅质)+H2O(5)2KAlSi3O8(钾长石)+2.5Al2Si2O5(OH)4(高岭石)+Na+=NaAlSi3O8(钠长石)+2SiO2(硅质)+2KAl3Si3O10(OH)2(伊利石)+2.5H2O+H+(6)由长石形成伊利石的反应属于溶解交代作用,可以用热力学来讨论其形成,而由高岭石形成伊利石的反应则是伊利石的结晶生长过程,必须考虑其动力学的影响。利用与反应有关矿物的热力学参数(表1)和有关热力学方法计算了以上反应的标准吉布斯自由能增量、热力学平衡时离子活度随温度的变化。设定温度为25~220℃,参与反应的矿物和孔隙水的活度为1。由于自生伊利石常表现为“云母型”组成特征,因此用白云母代替伊利石的热力学参数来进行计算。1.2成岩流体的变化通过对碎屑岩储层的流体化学环境的认识,能够更好地理解有关造岩矿物的稳定程度、成岩流体的变化对自生伊利石形成的影响。笔者尝试使用目前已与各种造岩矿物达到热力学平衡的地层水数据来反映砂岩储层的流体化学环境,这些数据代表了数个不同构造背景盆地、不同温度范围的地层水化学特征,能够反映绝大多数碎屑岩储层的流体化学环境。2成岩环境对伊石化反应的影响计算得到的形成伊利石的6种反应过程的标准吉布斯自由能增量(ΔGΘ)随温度的变化见图1,可以看出长石直接形成伊利石的反应具有最低的标准吉布斯自由能增量[反应(1)、(2)],说明这3类反应能够自发进行。由钙长石形成伊利石的反应(1)具有最低的标准吉布斯自由能增量(ΔGΘ),变化范围为-297.49~-217.43kJ/mol,随温度增加其吉布斯自由能增加,说明其在较低的温度条件下就能发生伊利石化,成岩环境对该反应的影响并不明显。钠长石形成伊利石[反应(2)]的ΔGΘ变化范围为-97.42~-95.22kJ/mol,钾长石形成伊利石[反应(3)]的ΔGΘ变化范围为-45.74~-64.49kJ/mol。这两个反应具有较高的负ΔGΘ,表明这两类长石尤其是钾长石是较为稳定的长石类型,其能否形成伊利石还可能取决于参加反应的流体的性质,即钾长石和钠长石的伊利石化受到了成岩环境的影响。钾长石和高岭石反应形成伊利石[反应(5)]具有稍微偏负的ΔGΘ,变化范围为-2.35~-6.95kJ/mol,该反应为不受流体影响的自组织的自发反应,说明在砂岩中广泛存在的钾长石-高岭石矿物组合在热力学上是不稳定的。由高岭石直接形成伊利石[反应(4)]、钾长石的钠长石化伴生的高岭石的伊利石化[反应(6)]这两个反应具有正的ΔGΘ,反应(4)的ΔGΘ变化范围为38.69~43.63kJ/mol,反应(6)的ΔGΘ变化范围为25.1~34.22kJ/mol,这两个反应不能自发进行,反应能否发生必须取决于流体中参加反应的离子的活度,也就是说这两个反应的进行受成岩流体的控制。3各种硅反应的力学条件和重要性3.1成岩环境对伊利石形成的影响通过计算获得的反应(1)在热力学平衡时参加反应的离子活度与温度的关系见图2-A,可以看出钙长石的伊利石化明显受温度的控制,温度降低时,钙长石的稳定域迅速降低,有利于伊利石的形成;温度升高时,钙长石的稳定性增大,不利于向伊利石转化;因此,钙长石的伊利石化有利于在较低温度的成岩环境中发生,能够使孔隙水中K+和H+活度升高的成岩过程有利于伊利石的形成。如前文所述,钙长石的伊利石化能够完全自发地进行,利用地层水数据对两个反应所作离子活度与温度投点图(图2-B)也表明在大部分成岩环境中钙长石形成伊利石或高岭石[反应(7)]均可发生。CaAl2Si2O8(钙长石)+2H++H2O=Al2Si2O5(OH)4(高岭石)+Ca2+(7)钙长石溶解究竟形成何种矿物主要取决于流体中K+的活度,由温度较低的同生作用到埋藏成岩作用的早期阶段,成岩体系处于开放到半开放的环境中,在受大气水影响的成岩环境中K+活度对伊利石总是不饱和的,因此常常形成的是高岭石;而受富钾的海源流体或蒸发流体影响的砂岩,其K+的活度能够达到形成伊利石的要求,因而形成伊利石。该反应属于溶解交代反应,常常观察到的是钙长石的伊利石化(亦称做水云母化)。3.2成岩环境中钠长石的稳定性反应(2)在热力学平衡时参加反应的离子活度与温度的关系如图3-A所示。钠长石的伊利石化受温度的控制,在成岩流体性质不变的情况下,温度升高时钠长石的稳定性增大,有利于钠长石的保存;温度降低时,钠长石的稳定域减小,有利于向伊利石转化。K+和H+的持续供应、Na+的持续输出可导致钠长石反应形成伊利石。由前面的ΔGΘ可知钠长石的稳定性要高于钙长石。对地层水数据的分析表明,大部分成岩环境中钠长石是稳定的(图3),这表明很多成岩环境中钠长石发生反应需要酸性流体的作用。因此钠长石形成伊利石需要一种富钾的酸性流体的作用,如果流体中的K+活度较低时,钠长石会按照反应(8)发生反应。2NaAlSi3O8(钠长石)+2H++H2O=Al2Si2O5(OH)4(高岭石)+4SiO2(硅质)+2Na+(8)伊利石的形成还需要Na+保持较低的活度。如果砂岩中存在一定数量的蒙皂石(如同期火山物质)作为填隙物,或出现砂岩与相邻泥岩层有流体交换的情况。蒙皂石(或含伊利石层较低的伊利石/蒙皂石混层)就会向伊利石转化[反应(9)],受到该反应的缓冲,伊利石的形成将会受到抑制。蒙皂石+4.5K++8Al3+→伊利石+Na++2Ca2++2.5Fe3++2Mg2++3Si4+(9)3.3酸性流体的ak+/ah+比例对伊利石形成的影响钾长石形成伊利石[反应(3)]和高岭石形成伊利石[反应(4)]均受a(K+)、a(H+)的控制,随着a(K+)/a(H+)比值的减小,依次出现钾长石、伊利石和高岭石的稳定区。随着温度的升高,钾长石、伊利石的稳定区增加,而高岭石的稳定区减小(图4)。钾长石形成伊利石反应的ΔGΘ为负值,孔隙流体的a(K+)/a(H+)比值降低会导致反应发生,因此钾长石形成伊利石的反应需要酸性流体的作用。同时酸性流体的a(K+)/a(H+)应保持在一定的范围内,即图4的伊利石稳定范围,如果流体的a(K+)/a(H+)过低则会形成高岭石。高岭石形成伊利石需要高K+活度流体的作用。但是大部分地层水数据表明其对高岭石是不稳定的,这与大部分地层中所见到的黏土矿物以高岭石为主相矛盾,有学者认为这是由于伊利石的成核生长存在着动力学屏障。因此可以认为高岭石的伊利石化需要a(K+)/a(H+)比值足够高的流体的作用以克服伊利石结晶的动力学屏障。能够满足这种要求的富钾流体可能来源于酸性流体对钾长石的溶解,如果与蒸发岩地层相邻时,地层水对蒸发岩的溶解所形成的流体也能够满足要求。当其K+来源于钾长石时,K+活度受钾长石的溶解平衡控制,这种K+活度还不足以克服伊利石的成核动力学屏障(图4),可能还需要能够消耗H+的反应(如碳酸盐的溶解)更进一步提高a(K+)/a(H+)比值。当溶解介质为CO2时,其溶解长石的同时会产生较多数量的HCO-3,通常会导致碳酸盐矿物的沉淀。因此,对于伊利石形成来说有机酸的溶解作用比CO2可能更具有意义。3.4温度和时间对伊利石结晶生长的影响该反应不需要反应系统与外界的物质交换,可以视为反应(3)、(4)的总反应。钾长石的溶解提供了K+,K+与高岭石反应又能够释放H+进一步溶解钾长石,该反应具有负的ΔGΘ,一旦启动便会自发进行下去直到两种反应物中的一种消耗完为止。由于受伊利石的成核动力学屏障的影响,通常认为该反应发生时温度至少要达到120℃。对大部分盆地的观察发现,在温度超过120℃时地层中的自生伊利石急剧增加,这显然需要一个能够普遍发生的反应。对伊利石结晶生长过程的模拟表明当温度超过120℃时,伊利石的结晶速率明显加快。因此可以认为当温度超过120℃时,伊利石的结晶动力学屏障明显减小,由钾长石溶解所控制的K+活度已能够满足伊利石的形成。可是温度并不是控制这一反应的唯一因素,由于复杂的结晶动力学过程控制,在埋深超过3000~4000m时仍可能会观察到明显数量的高岭石和钾长石共存。对于该反应来说,如何能够在长石(斜长石或钾长石)溶解形成明显数量的高岭石同时又能够保存足够数量的钾长石?这可能需要其成岩环境中的K+活度足够高以能够抑制钾长石的溶解,能够满足这一条件的成岩环境可能是由于在成岩早期受海源流体影响的结果。鄂尔多斯盆地东部太原组情况便是如此。当温度超过120~140℃以后,成岩系统已基本处于封闭状态,流体的运移已非常困难,因此这一反应常常被用来解释深埋藏时伊利石的形成。3.5钠长石溶解与钠长石化对k+的输出影响当钾长石和高岭石发生反应时,如果有Na+的输入可能会导致钠长石的形成[反应(6),图5]。Aagaard等通过热力学和物质浓度计算显示钠长石化对K+的输出比Na+的输入更敏感,对地层水分析亦显示大部分成岩环境能够满足钠长石形成对Na+的要求,因此可以认为钾长石的溶解和钠长石化是受高岭石的伊利石化而消耗K+的动力学所控制。因此,Morad等认为砂岩中普遍或完全高岭石的伊利石化和伴生钾长石的钠长石化出现的温度大约是130℃。4伊利石形成的流体(1)钙长石的伊利石化具有最低的标准吉布斯自由能增量,该反应主要是在由同生到埋藏成岩作用的早期阶段,由富钾的海源流体作用形成的。钠长石和钾长石形成伊利石的反应需要酸性流体的a(K+)/a(H+)比值应保持在伊利石的稳定区。(2)高岭石形成伊利石时流体的a(K+)/a(H+)比值要足够高以克服伊利石