碎屑岩中硅质胶结物物质来源及沉淀机理

李泽民，谭先锋,2，薛伟伟，邱 雨，雍玉婷，刘志波

(1.重庆科技学院石油与天然气工程学院，重庆 401331；2.复杂油气田勘探开发重庆市重点实验室)

碎屑岩中硅质胶结物物质来源及沉淀机理

李泽民1，谭先锋1,2，薛伟伟1，邱 雨1，雍玉婷1，刘志波1

(1.重庆科技学院石油与天然气工程学院，重庆 401331；2.复杂油气田勘探开发重庆市重点实验室)

在成岩演化过程中，硅质胶结物的参与是至关重要的，而硅质胶结物的特征、硅质来源及沉淀机理等非常复杂，往往由多种因素共同控制，很难分析单一因素的影响。从长石的溶蚀、黏土矿物的成岩蚀变、压溶压实作用、流体及其他来源对硅质胶结物的物质来源进行了讨论，并探讨pH值、离子强度、温度压力及表面特征等因素对硅质胶结物溶解沉淀的影响。结果表明，硅质胶结物的物质来源受多因素控制，不同沉积成岩环境差异较大；硅质胶结物的溶解沉淀也受多种因素共同控制、pH值在碱性范围、离子浓度越高、温度越高、压力越大就越有利于硅质胶结物的溶解，反之更利于硅质胶结物的沉淀。

碎屑岩；硅质胶结物；物质来源；沉淀机理

硅质胶结物是影响硅质碎屑岩储集层质量的最主要成岩物质，常见于碎屑岩储集层中[1]，硅质胶结作用导致了后期砂岩中失去大量孔隙空间[2]。通过对砂岩中硅质胶结物的成因及其研究意义的探讨, 于均民认为砂岩成分、盆地流体成分影响了硅质胶结物在深度上的分布[3]。综观前人的研究成果[4-7]，认为硅质胶结物的硅质来源、硅质胶结的时间和深度、输送二氧化硅到胶结部位的途径和水源、硅质胶结物的沉淀机理、胶结过程中的其他影响因素，在理解砂岩的成岩过程，包括预测硅质胶结在地下分布的能力是非常重要的。近年来，碎屑岩中硅质胶结物的研究越来越受到国内外学者的重视。首先，众多因素影响硅质胶结物在时间和空间上分布，尚未出现有关哪一个更重要的共识[3]；其次，碎屑岩中硅质胶结物的物质来源很多，过去所获得的数据限制了硅质胶结物的物质来源和硅质的胶结过程；最后，硅质胶结的主要影响因素为温度、压力和酸碱性,而硅质胶结物中的硅的运移过程一直是众多学者所争论的话题。因此探讨硅质胶结物的物质来源及沉淀机理对油气储层研究具有重要的意义。本文在前人研究的基础上，系统总结了硅质胶结物物质来源及硅质胶结物的溶解沉淀机理等科学问题。

1 硅质胶结物镜下特征

国内众多学者一致认为石英颗粒的阴极发光特性为:石英颗粒发紫色光为火山岩深成岩或接触变质岩；石英颗粒发棕色光为变质岩；不发光一般是沉积物中的自生石英[8]。但澳大利亚Cooper盆地Tirrawrra砂岩中硅质胶结物的研究表明，自生石英的阴极发光特征并不都是不发光的，它受硅质来源和温度的控制可以发棕色和蓝色光[9]。

硅质胶结物出现的形式有以下两种 ：石英次生加大、充填在残余孔隙内的自生石英。经过对济阳坳陷孔店组等地研究，证实了两种形式的大量存在(图1、图2)。

图1 石英砂岩中的次生加大胶结(济阳坳陷孔店组)

控制自生石英演变的内部条件是砂岩的碎屑成分，外部条件是埋藏深度。温度和压力不断增加的过程，也就是硅质的溶解度不断升高的过程[7]。石英的次生加大现象在碎屑岩中十分普遍(图1)。粒间充填的自生硅质比较少见,大部分都是以较小的石英颗粒形式充填在粒间或粒内溶蚀孔隙中(图2)[10]。石英的次生加大只有在比较纯的石英砂岩中发现，这些砂岩中的次生加大现象可见到三期：Ⅰ期的石英次生加大主要分布在颗粒边缘，形成自行晶面的加大边；Ⅱ期石英次生加大发育较多，多以自形晶出现沿着石英颗粒表面生长，少数呈自行石英晶粒；Ⅲ期的自生加大现象也有发现，这类石英颗粒多呈缝合线接触和镶嵌状接触。不同的成岩期石英的次生加大现象表现出的特征不同，成岩早期石英颗粒周围的自由空间充分，石英通过加大、增生，可以恢复晶型的自行。而成岩后期大量的颗粒孔隙已经被胶结物占据，石英的增生主要表现为充填剩余的孔隙，这会导致石英边缘的不规则状[11]。

图2 生长于粒间空中的自生石英(济阳坳陷孔店组)

总结前人成果，并结合济阳坳陷孔店组研究表明，石英的次生加大现象受到多种因素影响，不同的成岩阶段，影响因素不同。成岩早期，由于孔隙流体含硅质较少，温度较低，石英的次生加大生长较弱。成岩中期石英次生加大发育较多，因为温度、流体及孔隙空间等因素都非常适合石英的次生加大生长。成岩晚期，石英的次生加大环境逐渐变差，石英的次生加大生长变慢，直至最终温度、孔隙、硅质含量等环境不适合石英的次生加大生长，石英不具备次生加大边。

2 硅质胶结物物质来源

近年来，地质学家们对硅质胶结物的物质来源问题越来越重视，硅质胶结物的物质来源已经成为人们研究的热点。本文以前人的研究为基础，以四川盆地须家河组和济阳坳陷孔店组为例，系统总结了长石的溶蚀、黏土矿物的成岩蚀变等几个方面因素的硅质胶结物的物质来源。

2.1 长石的溶蚀

硅质胶结物的物质来源一部分来自长石的分解。对高岭石化长石及新鲜长石进行电子探针测试，通过对比发现高岭石化长石与新鲜长石相比，SiO2和H2O明显变少证明了这一观点[12]。此外，长石的高岭石化会引起碎屑储层中石英的次生加大。深部碎屑岩储层中，由于长石的溶蚀会产生一部分SiO2，蒙脱石的伊利石化也会产生一部分SiO2。地质学家们经过许多地质勘探和实验发现，大多数硅质胶结物的物质来源，都是由有机酸造成的长石等铝硅酸盐矿物溶解提供的。长石在酸性条件下，很容易发生溶蚀。且溶解产物均含SiO2，基本反应方程为[6]：

2KAlSi3O8(钾长石)+ 2H++ H2O =

Al2Si2O5(OH)4+ 4SiO2+ 2K+

(1)

2NaAlSi3O8(钠长石)+ 2H++ H2O =

Al2Si2O5(OH)4+ 4SiO2+ 2Na+

(2)

反应式(1)、(2)表明，长石可以产生大量的硅。砂岩中硅质胶结物常与高岭石胶结物伴生，因此很多砂岩薄片中很少见到长石，大多数的碎屑长石可能是在埋藏成岩过程中溶解消失的[13]。因此，有机酸造成的长石等铝硅酸盐矿物溶解是硅质胶结物重要的物质来源之一。

2.2 黏土矿物的成岩蚀变

黏土矿物是构成黏土岩、土壤的主要矿物组分,也是各种碎屑岩储集层最重要的胶结物和填隙物。四川盆地须家河组砂岩中常见的黏土矿物包括伊利石、绿泥石和高岭石。①伊利石：常由白云母﹑钾长石风化而成，并产于泥质岩中或由其他矿物蚀变形成，它常是形成其他黏土矿物的中间过渡性矿物。伊利石常充填孔隙，堵塞通道，对砂岩的储集性和连通性主要起到破坏作用。②绿泥石：指主要为Mg和Fe的矿物种，即斜绿泥石、鲕绿泥石等。绿泥石不仅可以通过隔绝颗粒表面与孔隙流体的接触，阻断石英成核而阻止自生石英的沉淀，还可以抑制压溶作用的发生[14]，减少形成自生硅质所需要的Si来源。③高岭石：高岭石是长石和其他硅酸盐矿物天然蚀变的产物，是一种含水的铝硅酸盐。薄片中高岭石普遍晶形较好，多充填于粒间孔隙中，晶间孔较发育。

黏土矿物在埋藏期间所经历的成岩作用具有广泛的转变，尤其是蒙脱石向伊利石和高岭石向绿泥石的转变。在泥质沉积中随着埋藏深度的增加，温度和压力会升高，蒙脱石会失去层间水，吸附阴离子，进而转变为伊利石。黏土矿物的上述转变过程可提供丰富的SiO2，除此之外，Siever也曾描述了几种释放硅的转变反应作用[15]：

蒙脱石 + K+→ 伊利石 + H2SO4+

阳离子( Ca,Mg,Na,Fe )

(3)

蒙脱石 + 钠长石 → 伊利石 + 石英 + 绿泥石

(4)

上述反应证明了泥质中黏土矿物的转化为硅质胶结物提供了大量的硅质来源。此外，在此过程中，蒙脱石的层间水也变为孔隙水，由于压力作用，这些水将泥岩中硅质组分运移到砂岩中，成为砂岩中硅质的主要来源[12]。

石英的含量与伊利石的含量呈负相关而与高岭石呈正相关关系[8]，这也证明了黏土矿物的转化是SiO2的主要来源之一。黏土矿物不仅提供了硅源，而且黏土杂基的含量还影响石英胶结的程度，这也证明了黏土矿物的转化是SiO2的主要来源之一。黏土矿物不仅提供了硅源，而且黏土杂基的含量还影响石英胶结的程度。石英胶结程度与砂岩的成熟度密切相关,随着其中黏土基质含量的升高,石英胶结程度就降低[12]。总结众多学者的研究可以发现，黏土矿物的转化为硅质胶结提供了大量的硅源。

2.3 压实-压溶作用

在埋藏成岩过程中，压实作用可从相对较浅的埋藏成岩阶段到相对较深的埋藏成岩阶段，持续释放出有机酸流体，作为其相邻砂岩地层中长石碎屑溶解的成岩流体[16-18]。与静水压力条件下的砂体相比，存在压实作用的差异，减轻了砂岩石英颗粒接触点的压力，使压溶作用减弱，产生的Si4+减少。机械压实使长石、石英等呈凹凸型粒内破裂，石英、长石、泥岩岩屑、灰屑及一些蚀变的火山岩屑呈挤压变形、嵌入，颗粒定向排列，颗粒接触程度提高(点-线凹凸)，呈缝合线接触[19]。综上所述认为，压实作用对提供硅源的贡献并不是很大，主要是将已经形成的石英破裂、压碎重新作为硅质来源。

压溶作用在石英与石英衔接的部位表现出凹凸状或齿状缝合接触[20]。压溶作用不仅可以减小孔隙体积，使颗粒接触更紧密，而且，压溶作用引起溶蚀的石英还可以作为硅质来源。上覆地层压力增大、温度增加会引起硅质的溶解度增加,溶解的硅会通过扩散作用在附近干净的石英表面上沉淀。须家河组砂岩中自生硅质与碎屑石英之间的关系以及石英颗粒间的凹凸-缝合线接触，表明石英颗粒间的压溶作用是自生石英的硅质来源之一。

2.4 外表流体的带入

外表流体带入的硅质来源一直以来研究比较少。大气水进入地下溶解风化带来的硅，而且大气水中含有碎屑颗粒，碎屑颗粒中的硅酸盐分解可作为硅质来源。在黏土转化过程中,蒙脱石的层间水也变为自由孔隙水,由于压力作用，这些水将泥岩中硅质组分运移到砂岩中，成为砂岩中硅质的主要来源[12]。此外有学者也提出，上下覆地层中的黏土矿物转变时产生的硅质,也通过孔隙水沿着断裂面排入砂岩,为硅质胶结提供了物质来源。这也说明外表流体在石英胶结的硅质来源方面做出了一定的贡献。

2.5 其他因素

硅质胶结物的物质来源有很多，除了以上几种主要的来源外，还有非晶质硅质，包括各种硅质生物残体、部分火山灰和蛋白石等。埋藏早期非晶质硅大量溶蚀，为石英胶结提供了丰富的硅质[14]。此外，存在另外一种形式的硅质来源生物硅，这种硅主要来源于硅藻、放射虫等，硅藻死亡后细胞壁中所含的生物硅大部分在沉积过程中溶解了[21]。除此之外，页岩中的蛋白石骨骼颗粒可能是砂岩中硅质胶结物的重要来源[15]。同期火山物质的脱玻化作用可以提供形成硅质胶结物的物质来源[1]。黄思静发现同生早成岩阶段由火山作用提供硅质来源，与同期火山物质有关的硅质来源也可以为硅质胶结物提供硅源[18〗。

3 硅质胶结物溶解-沉淀机理

近年来，许多学者都非常热衷于对硅质胶结物的沉淀机理进行研究[2，6-8]。本文在总结前人大量研究的基础上，提出pH值、离子强度、温度及表面形态是硅质胶结物的溶解-沉淀作用的控制因素。

3.1 pH值的影响

pH值对硅质胶结物溶解的影响一直以来都是众多学者的研究热点。pH值小于9时，石英在溶液中稳定，当pH增高到9以上时，石英的溶解度急剧增加，在此过程中硅质的溶解度也相应发生变化[22]。经过仔细研究，张思亭[3]对这种现象做出了合理的解释，他认为在任何给定的pH值时，表面基团(neu)都存在在Si-OH、质子化Si-O(H2)+(pro)和去质子化Si-O(depro)，石英溶解速率取决于它们在表面的分布密度。当pH小于2.3时，溶液中Si-O(H2)+逐渐增多，而当pH大于6.8时，Si-O-在溶液中的浓度渐增[3]。综上所述可以发现，在酸性条件下，石英的溶解相对较稳定，无太大变化；碱性条件下，石英的溶解加速，且随着pH值的增大，石英溶解速度增加的幅度也在增大；另一方面，酸性条件下，石英的沉淀加速，且随着pH值的减小，石英沉淀速度增加的幅度也在增大。由此可见，pH值对石英溶解的影响是非常重要的。

3.2 离子强度的影响

众所周知，水溶液中溶有许多阳离子，如Na+、K+、Ca2+、Mg2+等对硅质胶结物的影响非常大。前人研究表明，低浓度的Na+、K+、 Ca2+、Mg2+离子会使石英溶解速率增大40～100倍。中性条件下，石英的溶解速率按H2O< Mg2+< Ca2+ Li+≈ Na+≈K+的顺序依次增大[3]。

如图3所示，不同离子对石英溶解速率的影响趋势基本相同。当浓度增大到一定值时影响效果会逐渐减小。此外，虽然Mg2+对溶解速率的影响最为强烈，但是在自然界水中Mg2+浓度非常小，因此影响石英溶解速率的主要因素是Ca2+。所以，离子强度越大越有利于石英的溶解，且随着离子强度的增大，石英溶解速度增加的幅度也在增大，直至一定范围时影响效果会趋于稳定；另一方面，离子强度越小越有利于石英的沉淀，且随着离子强度的减小，石英沉淀的速度变化不是很大，直至一定范围内，随着离子强度减小，石英的沉淀速度增加的幅度会增加[23]。

图3 200℃中性pH时石英溶解与电解质浓度的关系[23]

3.3 温度压力的影响

温度和压力对硅质胶结物的溶解也是至关重要的。温度和压力不断增加，硅质的溶解度就会不断的升高[7]。当温度从25 ℃升高到430 ℃，溶解速率会增大11个数量级[3]。一般情况下，地温或地热梯度越高，自生硅质胶结物的含量越高，同时压力和温度的降低很易造成石英的沉淀[23]。压力过高还会抑制蒙皂石的伊利石化和黏土矿物的脱水，也引起Si4+的排放量减小[2，12，23]。经过大量的研究，史丹妮、金巍等提出了众多学者都认同的观点,石英在高温、高压下也易于溶解，在低温、低压下易于沉淀[6]。

3.4 颗粒表面特征

不同表面形态会影响石英在水中的溶解速率，相同状态表面不同位置溶解速率也不相同[23]。石英表面的溶解过程都分为两部分：表面梯台的消退和石英表面缺陷造成的溶解，而棱状石英表面梯台的溶解速率要大于柱状石英表面梯台的溶解速率[24]。干净的颗粒表面有利于石英次生加大的形成，而当颗粒表面被其他矿物包裹后，特别是石英颗粒被黏土矿物包裹时，可以明显抑制石英次生加大[8]。总结学者们的观点可以发现，越复杂的石英越容易发生溶解，而越干净的石英越容易发生沉淀。学者们对颗粒表面特征对石英溶解的影响的研究并不是很多，相信以后学者们在这方面的研究还会取得很多的成果。

3.5 其他因素的影响

硅质胶结物的溶解是由多种因素共同控制的，目前饱和度、生物作用、扩散作用、有机物等因素都在探索之中。硅质胶结的胶结程度还受其它胶结物含量的影响,随着枯土杂基和碳酸盐等胶结物的升高,石英胶结程度降低[2]。油气的充注可以抑制成岩的进行，因为当油气充注后，水会被油气驱替，物质没有办法被运移，从而抑制成岩作用的进行，石英的胶结作用也不例外[8]。

4 不同硅质来源的溶解-沉淀机理探讨

影响硅质胶结物溶解、沉淀的因素多种多样，不同硅质来源的影响因素也不同。通过以上研究，系统总结了不同来源硅质溶解-沉淀的影响因素并建立了形成模式(图4)。

图4表明，硅质胶结物的物质来源有很多，不同来源的硅质在溶解-沉淀时的影响因素也不同。具体表现为：①由长石溶蚀提供的硅源，在溶解-沉淀过程中主要受长石、其他碎屑物的成分及含量的影响，同时孔隙流体的性质及其演化过程对这一过程有很大的影响；②由黏土矿物转化而来的硅质，在溶解-沉淀过程中主要受到黏土矿物的成分、含量、砂体内黏土杂基及薄层泥岩的分布、石英颗粒的含量和粒度大小、成岩演化阶段的影响；③由压溶作用提供的硅质，其溶解-沉淀过程比较复杂，受到多种因素的共同影响，其中对其溶解-沉淀影响最大的是颗粒的接触关系、有效压力和孔隙内硅质浓度，其次黏土杂基和薄层泥岩的含量及分布、石英颗粒的含量和粒度大小及成岩演化温度、压力都对这一过程有一定的影响；④有外来流体带入的硅质可分为3种：大气水带入的硅质，其溶解-沉淀过程主要受到暴露剥蚀时间和当时气候以及长石、碎屑物等组分的含量影响；地下流体带入的硅质则会受到流体的来源处的岩性及温度、流体的来源处地质构造的性质及其发育程度的影响；压实水带入的硅质也会因厚层泥岩累计厚度、成分及分布及成岩演化阶段不同表现出不同的溶解-沉淀性质。⑤最后是由非晶质提供的硅，在其溶解-沉淀的过程中，主要影响因素为硅质生物体、蛋白石、玻璃质等非晶质的含量、埋藏史特征等。

图4 不同硅质来源溶解-沉淀模型

5 结论

硅质胶结物的硅质来源有很多种。其中最为主要的为长石的溶蚀、黏土矿物的转化、压溶作用、外来流体的带入和非晶质硅，其他来源的硅质一般数量较少，不会对储层产生太大的影响。影响石英溶解的因素有很多，一般离子强度越大越有利于石英的溶解，且随着离子强度的增大，石英溶解速度增加的幅度也在增大，直至一定范围时影响效果会趋于稳定。反之，离子强度越小越有利于石英的沉淀，且随着离子强度的减小，石英沉淀的速度变化不是很大，直至一定范围内，随着离子强度减小，石英的沉淀速度增加的幅度会增加；在酸性条件下，石英的溶解相对较稳定，无太大变化，且pH值越小，石英沉淀速度增加的幅度越大；相反在碱性条件下，石英的溶解加速，且随着pH值的增大，石英溶解速度增加的幅度也在增大；石英在高温、高压下也易于溶解，在低温、低压下易于沉淀；成分复杂的石英越容易发生溶解，而越干净的石英越容易发生沉淀；硅质的溶解和沉淀除了pH值、离子强度、温度压力、表面形态外，还受到有机物、生物作用及孔隙度等多种因素的影响。

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编辑：吴官生

1673-8217(2015)02-0019-06

2014-10-20

李泽民，1993年生，主要从事成岩作用方面的研究工作。

国家自然科学基金项目(41202043)、中国石油科技创新基金项目(2014D-5006-0108)、国家级大学生科技创新训练项目(201311551001)、重庆市教委科学技术研究项目(KJ1401316)。

TE111.3

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