四川盆地长宁县下志留统龙马溪组页岩岩石学特征及成因分析

四川盆地长宁县下志留统龙马溪组页岩岩石学特征及成因分析

四川盆地龙溪群岩浆中的矿化物层主要为石英、碳酸盐、粘土、白云母、黄铁矿等。国外众多学者的研究揭示,作为优质页岩气储层,不仅需要高的总有机碳(TOC)含量,而且石英等脆性矿物含量应普遍较高。如Barnett页岩中石英含量达29%~54%(平均43%)。这是因为,黏土矿物和有机质含量与吸附气的多少有关,而石英等脆性矿物含量则与造缝能力有关,而且在泥/页岩沉积后,脆性矿物受后期成岩作用、构造运动的改造,对有机质生/排烃过程及泥/页岩的孔渗性产生重大影响。所以,页岩气的形成和储存与矿物成分及矿物本身的性质特征具有重要的关系。前人对该区页岩的储层特征、矿物成分及页岩气资源评价进行了研究,但研究程度不够深入。本文通过对四川盆地长宁县双河镇下志留统龙马溪组的野外露头进行分析,采用光(薄)片鉴定、SEM、电子探针、XRD分析和阴极发光等方法,主要从岩石学特征、矿物组成、性质和有机质赋存状态等方面探讨龙马溪组页岩气储层特征,从而探讨页岩气的生成和储存的控制因素。1志留系龙溪组岩相特征四川盆地位于扬子准地台西部,北邻秦岭褶皱带,西邻松潘甘孜褶皱带,东南和西南与滇黔川鄂台褶带相邻。盆地区域地层发育齐全,自前震旦系至第四系均有出露,古生界—新生界沉积盖层厚度在6~12km。盆地志留系地层主要为一套海相碎屑岩沉积,物源主要来自于汉南古陆和川北隆起,具有多个物源相混合充填的沉积特征。该区志留系龙马溪组自形成以来经历了多期构造变动,导致龙马溪组页岩生烃演化复杂,页岩气的保存和成藏与后期的构造改造密切相关。岩石特征、矿物组成的研究,可为页岩气保存的研究提供重要的依据。志留系龙马溪组由黑色、灰黑色及深灰色含钙质和硅质的页岩、砂质页岩组成,与下伏上奥陶统呈整合接触,底部页岩TOC含量较高(1.00%~6.09%),向上TOC含量变低并趋于稳定(0.2%~2.0%),高TOC段厚度约20m,有机质丰富且分布稳定,为一套区域性优越的成/藏页岩气层,也是本文的主要研究对象。2研究方法样品采自四川盆地双河镇长宁剖面龙马溪组。黑色页岩剖面长90m,以1m的间距进行样品采集,在岩性变化的部位进行加密采集。样品磨制薄片和探针片进行岩石学和矿相学鉴定,选择新鲜样品进行矿物成分电子探针分析、扫描电镜观察和阴极发光分析;在无污染条件下破碎,用去离子水和超声波反复清洗、烘干,再用玛瑙研钵研磨成300目粉末,搅拌均匀后分样进行X射线衍射分析。电子探针分析在长安大学采用日本电子JXA-8100型电子探针,分析条件:加速电压15kV,束流1.00×10-8A,英国牛津Inca7412能谱仪。扫描电镜在兰州大学西部环境国家重点实验室SU-1500型扫描电镜完成。阴极发光测试在西北大学采用ELM2E型阴极发光仪,配用Olympus显微镜及摄像系统完成,测试样品为阴极发光片,厚度0.03~0.04mm,束电压10~11kV,束电流为0.5~0.7mA,电子束斑径lcm左右。X射线衍射在兰州大学西部环境国家重点实验室完成,实验条件为:Co靶,40kV,35mA;步进扫描,步长0.02°,采用K值法进行定量,K值参见文献[13-14],考虑到一些矿物的衍射峰相重叠,定量采用次强峰强度计算。3结果与讨论3.1剖面内的岩石结构志留系龙马溪组由黑色、灰黑色及深灰色含钙质和硅质页岩、砂质页岩或薄层粉砂岩组成,具有纹层理构造。垂向上具有一定的沉积分异性(图1(a)),发育水平层理及断续的水平层理,微型波状层理。普遍见有分散状黄铁矿晶粒,局部成网脉状。剖面底部约20m为黑色炭质页岩,有丰富的笔石化石,局部有薄层状或透镜状的碳酸盐集合体。从底向上,岩石粉砂质逐渐增多,炭质逐渐减少。偏光显微镜下观察,呈碎屑结构,由碎屑颗粒和黏土组成,脆性(碎屑)矿物大多数40~50μm,少量粗粒可达100μm。碎屑颗粒包括陆源碎屑(石英,长石,白云母等)以及硅化和碳酸盐化作用成因的硅质和碳酸盐矿物。硅化作用表现为隐晶质石英或者玉髓的形成,在岩石中呈暗色条带状和不规则团块状分布,有时呈细脉状(图1(c)),脉宽从几个微米到100μm,宽窄不等,延长至几个毫米。碳酸盐化作用主要表现为次生方解石和白云石的生成,以亮晶的形式存在,通常为自形、半自形晶体(图1(b)),从整个剖面来看,从底部向上,碎屑颗粒含量增加,粒度增大。3.2碎屑矿物分析龙马溪组页岩矿物成分在垂向上具有一定的差异性,呈纹层状或分散状、斑块状分布。显微镜下可以鉴定出碎屑矿物主要为石英、长石、方解石、白云石、白云母和黄铁矿,占岩石中矿物总量的54%~92%。X射线衍射分析确定,样品中黏土矿物主要为伊利石和绿泥石,个别样品中含有少量蒙脱石、海泡石和皂石,黏土矿物占岩石中矿物总量的8%~46%。3.2.1流体包裹体m显微镜下观察,石英可分为原生陆源碎屑颗粒和由硅化作用形成的隐晶质集合体或玉髓。碎屑磨圆较好,粒度一般在30~50μm,少量粗粒可达100μm,部分呈碎斑状,含有不规则包裹体,内部大多有裂纹。多数石英颗粒边缘被碳酸盐矿物交代、溶蚀成不规则港湾状。原生碎屑石英含量在15%左右。硅化作用形成的次生石英,呈隐晶质集合体粒径<0.01mm,分布均匀呈无明显边界的团块,或呈条带状,细脉状;玉髓在细脉中为纤维状集合体,垂直脉壁生长,一般光性不明显,有些细脉则由有机质与石英共同组成。次生石英含量15%~80%,从垂向上看,从底部向顶部石英含量明显减少(图2)。3.2.2颗粒及石英的含量主要由次生方解石和白云石组成,以亮晶的形式存在。方解石含量分布范围19%~43%,白云石含量分布范围16%~41%,垂向上和石英的含量呈消长关系(图2)。部分自形程度高,晶形完整,呈分散状、斑块状分布,镜下可见粒度50~70μm,少量粗粒大于100μm,粗颗粒中发育机械双晶和波状消光。细粒基质中,发育有错位滑移和重结晶作用,部分颗粒有次生加大现象,部分和石英生长在一起,或以交代石英边缘的形式存在,有些样品中也出现泥晶方解石,呈团块状。龙马溪组底部富有机质部位可见大量笔石等生物化石碎屑,也是碳酸盐的组成部分。3.2.3双晶硅的制备主要为钠长石,一般为半自形或他形颗粒,粒度范围10~50μm,可见钠长石聚片双晶,弱黏土化或部分被碳酸盐交代,含量在5%~10%。白云母碎屑呈条状或板条状或绢云母集合体,晶体有时发生弯曲,解理发育,并常被褐黑色黏土、有机质充填。呈鲜艳旳二级干涉色,粒度一般0.1~1.0mm,略呈定向分布,含量在5%以上。3.2.4厌氧条件下还原硫酸盐细菌作用普遍存在于不同层位中,一般呈极细晶粒散布于岩石中。常具自形或半自形晶,有时成极细的黄铁矿脉(图1(h))。当沉积盆地水的深度增大时,硫酸盐含量的减少与厌氧条件下的还原硫酸盐细菌作用有关。一般在新生沉积物表面以下很浅处,还原硫酸盐细菌活动过程中,产生H2S,并在可溶性铁或氢氧化铁存在时,生成水硫铁矿(FeS·nH2O),可使沉积物呈黑色,但水硫铁矿存在的时间很短,很快会变成在黏土沉积物中较稳定的黄铁矿。因此,黄铁矿是沉积物形成早期生成的自生矿物,含量约2%。3.2.5矿物矿物成分页岩中,在脆性矿物颗粒之间,分布有褐黑色不规则团块状的物质,其类似于胶结物。单偏光镜下不透明或半透明,正交镜下均质。根据分析,其组成为黏土矿物、隐晶质石英、硫化物和有机质的混合物。据X射线衍射分析结果,黏土矿物成分主要为伊利石(6%~24%)和绿泥石(4%~10%),个别样品中含少量蒙脱石(图3)。其中伊利石和绿泥石在各层位都有分布,结晶度好,含量变化不大,但镜下观察,未见绿泥石碎屑。黏土矿物结晶度一般较高。偏光显微镜和SEM观察,可见伊利石的书页状晶体,充填于细脉中的书页状晶体与脉壁垂直(图1(e))。伊利石/绿泥石组合是龙马溪页岩的主要黏土矿物组合类型。这表明该组页岩的埋藏深度接近于后生—变质作用界限。3.3有机质赋存形式龙马溪组页岩中含有丰富的有机质,尤其在底部的20~30m的层段(TOC含量为2.20%~7.28%),有机质以Ⅰ,Ⅱ型为主,该区页岩处于高、过成熟生气阶段(Ro=1.2%~4.3%),通过镜下鉴定和电子探针分析,可鉴定出岩石中有机质有几种不同的赋存形式:①赋存于岩石后期充填的细脉中,隐晶质石英、伊利石呈不连续状充填(图1(c),(e));②脆性矿物颗粒的裂隙和周围(图1(d),(h));③石英和方解石加大边或次生颗粒内部(图1(g));④原生方解石、白云母的解理缝中(图1(f))。由此可见,碎屑矿物中解理或裂隙的存在及发育程度对页岩气的生成和运移有重要的影响;⑤页岩中黏土矿物含量较多,其颗粒细,比表面积大,吸附能力强,表面活性高,可以吸附大量有机物质。3.4自生石英的显微特征矿物的阴极发光是其成分、结构、构造等特点的直观反映,可以用来鉴定矿物来源和成因,进而确定矿物形成时介质的物化条件。在阴极射线照射下,具有标准成因意义的石英发光颜色类型有3种:①发蓝紫色光的石英形成于高温(高于573℃)深成岩或火山岩中;②发红棕、棕色光的石英形成于区域变质岩中,温度为300~573℃,受成岩作用中压溶、温度、压力的影响,自生石英也可能发浅棕色光;③不发光石英是成岩作用过程中形成的自生石英,形成温度一般小于300℃。石英在单偏光或正交偏光下,原始颗粒的形态因次生加大而模糊不清,颗粒部分与加大部分无明显分界,其颗粒大小、磨圆度以及胶结物与颗粒的含量往往不能反映原始沉积的真实情况。根据陆源石英和次生石英的阴极发光特征可以区别加大前的石英颗粒和次生石英。但这种方法对不发光的陆源石英颗粒不适用。该区页岩中我们观察到同一层位碎屑石英具有相同的发光特征,部分不发光(图4(b)),部分层位发暗红色光(图4(d)),两种石英在显微镜下没有明显区别(图4(a),(c))。碳酸盐矿物阴极发光颜色主要受Fe/Mn控制。该组样品中主要可观察到碳酸盐矿物阴极发光颜色分为不发光、暗红色、橙黄色和亮黄色光。其中大量方解石呈橙红色,白云石呈暗红色,并显示出几种环带结构特征:①内部不发光,外呈橙红色环带;②内部为暗红色,外呈橙红色环带;③内部为亮黄色,外面为橙红色环带;④亮黄—橙红—亮黄—橙红,呈韵律状出现(图4(e))。显示出石英或黏土矿物被碳酸盐交代的特征。4讨论4.1岩石化学特征四川盆地龙马溪组页岩中的矿物主要源于陆源碎屑及成岩过程中的自生矿物。碎屑状石英、长石和白云母显微镜下均显示出晶型完整,粒度粗,磨圆度好,光学性质一致,部分石英中具有裂纹等特征说明该类矿物为陆源碎屑,其中石英含量分布范围为10%~15%,长石含量5%左右,白云母含量5%以上。硅化作用表现为隐晶质石英或者玉髓的形成,在岩石中呈暗色条带状和不规则团块状分布,有时呈细脉状(图1(c)),脉宽从几个微米到100μm,宽窄不等,延长至几个毫米。碳酸盐化作用主要表现为次生方解石和白云石的生成,以亮晶的形式存在,通常为自形、半自形晶体(图1(b))。通过镜下观察岩石中隐晶质石英呈非晶态的结合体,结晶程度差,正交偏光镜下没有光性,干涉色很低(图1(c))。碳酸盐矿物晶形完好,呈自形或者半自形,阴极发光多为暗红色,以上特征均显示为自生碳酸盐的特征。透射光、电子探针及扫描电镜下黄铁矿自形程度完好,呈分散颗粒或者草莓状集合体,也为自生矿物。X-衍射分析结果显示,黏土矿物中伊利石和绿泥石的X-衍射光谱中都出现了主要的衍射峰,各层位含量稳定,镜下看不到绿泥石的碎屑。所以隐晶质石英、碳酸盐矿物、黄铁矿及大部分黏土矿物为成岩过程中自生形成,岩石的成熟度相对高。4.2陆源碎屑矿物沉积岩中的沉积作用主要包括陆解作用和磨削作用。镜下鉴定及阴极发光特征显示,龙马溪组页岩中陆源碎屑矿物只有石英、长石和白云母等性质稳定的矿物,没有观察到绿泥石碎屑,说明该区陆源碎屑矿物在搬运过程中,大部分不稳定矿物已经完全分解,陆解作用彻底。碳酸盐矿物未见原生碎屑状方解石或者白云石,没有经过磨削作用。4.3有机质的可能北美页岩气储层研究表明,在高—过成熟阶段,干酪根向油气的热降解可产生富含炭的残余物(炭质残渣)及次生微孔和微裂隙。该区页岩Ro为1.2%~4.3%,处于高、过成熟生气阶段,镜下和电子探针下观察到的有机质可能为热降解后残留的固态有机质。由硅化作用形成的SiO2结晶程度低,无光性,没有清晰边界,呈细脉状条带,说明裂隙为成岩过程产生,细脉中的硅质为岩石自身的硅化作用形成。赋存于岩石后期充填的细脉中,和隐晶质石英、伊利石共存的有机质可能和岩石的硅化作用有关。页岩中黏土矿物具有高的孔隙率,不仅有晶粒间孔隙,还有晶粒内孔隙(图1(i),(j))。黏土和大量隐晶质超细粒石英吸附了大量有机物质,而且对成烃过程有强烈的催化作用。此外,在原生矿物的解理缝或者裂隙中,以及次生加大边中都有有机质的存在,说明该区在成岩作用过程中可能发生过多次的油气运移。5成岩过程的岩石组合(1)四川盆地志留系龙马溪组由黑色、灰黑色及深灰