临兴地区本溪组-山西组含菱铁矿岩层的成因、演化及地质意义

梁伟强， 沈玉林，仝根成

(1.中国海洋大学海洋地球科学学院， 青岛 266100； 2.中国矿业大学资源与地球科学学院， 徐州 221116； 3.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室， 徐州 221008； 4.济宁市勘测院， 济宁 272000)

含煤岩系中常见菱铁矿并多属于沉积成因[1]，发育于富铁与二氧化碳、低硫贫氧的弱还原环境中[2-4]，常因不同成矿环境和成岩阶段呈现多种形态和结构[5-6]。临兴地区本溪组-山西组含煤层数较多，其间夹有多层厚度不等的含菱铁矿岩层。区内煤系气资源储量巨大且丰度较高，有着极为广阔的开发空间。但是含煤岩系中常因特殊层位的阻隔作用形成数个纵向相互独立的“叠置含气系统”[7]，现阶段难以实现高效共采。这其中的控制机理已有一定阐述，含菱铁矿的泥岩层具有很好的隔水阻气效果，极有可能是该区多个垂向独立含气系统存在的重要原因[8-9]。因此，研究含菱铁矿岩层的沉积特征、成因演化以及物性特征，是对垂向叠置独立含气系统进一步勘探和开发的前提。

现以临兴地区本溪组-山西组Y3-6、Y2-10井含菱铁矿岩层为研究对象，先后通过岩心观察、薄片鉴定、常微量元素测试及低温液氮吸附实验，研究含菱铁矿岩层的沉积特征和岩石学特征，并进一步探讨其成因及演化规律，分析含菱铁矿岩层的物性特征，以期为该区的油气勘探与高效开发提供基础的理论依据。

1 研究区地质概况

研究区在地理位置上处于鄂尔多斯盆地东侧的河东煤田中部(图1)、110.49°～111.10°E、37.94°～38.39°N范围内，现今大地构造位置处于晋西挠褶带和陕北斜坡的交汇处，属于东部低、西部高的大型单斜构造[10]。研究区内晚古生代主要的含煤地层由老至新分别为上石炭统本溪组、晋祠组、下二叠统太原组和山西组[11-12]，发育多套厚度较大的煤层，整体属于海陆过渡相的碳酸盐潮坪-障壁-潟湖-三角洲沉积。在该时期内海平面的变化比较频繁，又因基底平缓且海侵通常具有一定的周期性，因此常常发生较大范围的“幕式”海水侵退[13]，并发育了十余层以泥岩为主要岩性的含菱铁矿岩层。

2 样品及研究方法

样品取自Y2-10、Y3-6井，埋深为514.0～651.0 m和746.3～928.0 m；采用镜下鉴定、常微量元素测试和低温液氮吸附实验方法。镜下鉴定旨在观察菱铁矿微观形态及发育特征；常微量元素测试用于分析物源及沉积环境；低温液氮实验用于测试样品孔径分布特征。

薄片由河北区域地质矿产调查研究所磨制，在中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室进行鉴定，使用Nikon ECLIPSE LV100NPOL型偏光显微镜在正交偏光和单偏光下完成观察。

常微量元素含量在武汉上谱分析科技有限责任公司分析测试中心测试。常量元素按照波长色散X射线荧光光谱法并用ZSXPrimus Ⅱ光谱仪测定；微量元素使用电感耦合等离子体质谱仪测试，依据《硅酸盐岩石化学分析方法》(GB/T 14506.30—2010)并利用硅酸盐岩石化学分析方法进行处理：将200目样品在105 ℃环境下烘干12 h；取50 mg粉末置于溶样弹中；分别加入1 mL高纯硝酸和高纯氢氟酸并于190 ℃加热24 h，冷却后置于140 ℃下蒸干，加1 mL HNO3并重新完全蒸干；加入1 mL高纯硝酸、超纯水和内标In(1 mg/L)，在190 ℃下加热约12 h；随后转入聚乙烯容器，用2%浓度的HNO3将其稀释至100 g用来测试。

低温液氮吸附实验在煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室测定，使用比表面与孔隙分析仪(TriStar Ⅱ 3020)，旨在分析孔隙孔径分布特征。

3 研究结果

3.1 沉积特征

3.1.1 典型沉积序列

晚石炭世到早二叠世，区内频繁经历大范围海水侵退，致使该区含菱铁矿岩层发育三类沉积组合。

(1)泥岩为主[图2(a)]：由下向上从煤层过渡到含菱铁矿的泥岩，菱铁矿的含量逐渐升高，以团块状产出并沿着层面发育。向上发育含黄铁矿灰岩和含菱铁矿泥岩，并逐渐过渡为细砂岩。该沉积组合为泥炭沼泽或泥坪沉积形成。

(2)砂岩为主[图2(b)]：由下向上从具有沙纹层理的细砂岩过渡为含有菱铁矿和少量黄铁矿的泥质粉砂岩，菱铁矿结核多发育于层位上部，向上由细砂岩转变为发育菱铁矿的泥岩。该组合为分流河道或砂坪沉积形成。

(3)灰岩-泥岩-砂岩混合[图2(c)～图2(e)]：区内多见该沉积组合，是海水反复侵退引起沉积环境连续变化导致的，整个序列发育灰岩、泥岩和砂岩并相互过渡，表现为碳酸盐潮下坪、泥坪与砂坪组合。根据组合规律可分为三种沉积背景：①海进[图2(c)]：底部为粉砂岩，向上为粉砂质泥岩，发育菱铁矿与少量黄铁矿，顶部为生物碎屑灰岩，对应海进导致的砂坪向泥坪、碳酸盐潮坪转变的沉积环境；②海退[图2(d)]：底部为生物碎屑泥晶灰岩，向上为含菱铁矿的泥岩、发育少量黄铁矿的细砂岩，随后为泥质粉砂岩与细砂岩，对应海退导致的碳酸盐潮坪向泥、砂坪转变的沉积环境；③反复进退[图2(e)]：底部为中、细砂岩，向上过渡为含菱铁矿与植物化石碎屑的泥岩、含菱铁矿细砂岩与灰岩、表层上零星发育黄铁矿的富有机质泥岩，对应海平面反复升降砂坪、泥坪和碳酸盐潮下坪交替转变的沉积环境。

3.1.2 常微量元素特征

常量、微量元素的含量及相关参数如表1、表2所示。其中，本溪组-山西组V/(V+Ni)比值的平均值分别为0.64、0.66、0.59、0.71；Sr/Ba平均值分别为0.85、0.66、0.22、0.21；Sr/Cu平均值分别为4.93、4.24、8.52、6.84(暂不计算个别异常值)。

3.2 发育特征

3.2.1 宏观特征

区内含菱铁矿岩层距煤层近，含丰富有机质并多呈灰黑色，以泥岩为主要岩性，菱铁矿多以团块状产出，与围岩界面清晰[图3(a)]；粉砂质泥岩中常见透镜状、长条状结核，顺层或低角度发育[图3(b)]；砂岩中菱铁矿常呈团块状胶结物形态[图3(c)])，少数呈细小颗粒状[图3(d)]。灰岩中菱铁矿零星发育，常与黄铁矿伴生发育。

3.2.2 微观特征

菱铁矿在单偏光下为黄褐色，正交偏光下为褐色，见有多种微观形态，据发育特征可分凝胶状、微粉晶、球形及菱面体4类。

(1)凝胶状：结晶程度差，以胶结物形式广泛发育。在富有机质泥岩中多呈层状分布[图3(e)]；粉砂岩或泥质粉砂岩中以团块状发育于石英等矿物颗粒空隙中，发育空间局限，可见磨圆差的海绿石伴生[图3(f)]。

(2)微粉晶：发育一定的结晶边界，粒径约0.01～0.02 mm。微粉晶发育层位相对较少，但在所发育层位则分布密集[图3(g)]；还可见微粉晶由外向内交代方解石脉，反映了菱铁矿的生长方向[图3(h)]。

(3)球形：具有核心，粒径不一，按形态与结构特征可细分两类：①球粒：无圈层结构，粒径约0.1 mm。核部为圆球或似球状，常为泥质质点、碎屑或凝胶颗粒；外缘为颜色浅且亮的隐晶质菱铁矿，并呈现出明显的放射状结晶方式[图3(i)]，在正交偏光下观察时可见十字消光现象[图3(j)]；②同心圈层状：常发育3～4个圈层，粒径约0.3 mm，少数可达0.5 mm左右，结构呈放射状和同心圈层状[图3(k)]，在正交偏光下表现出明显的十字消光现象，可见该形态与菱面体被凝胶状胶结[图3(l)]。核部与球粒结构类似，粒径相近；圈层间为暗褐色有机质或杂质，说明同心圈层状为多期成矿形成[14]，圈层间暗色物质为有机质或杂质在成矿间断期掺入附着而成。

图3 含菱铁矿层宏观、微观岩石学特征Fig.3 Macroscopic and microscopic petrographic characteristics of siderite-containing layers

(4)菱面体：自形发育，节理完全并沿着节理线对称消光。长轴0.2～0.3 mm，最大约0.6 mm；除形态差异外，结构特征与同心圈层状相似[图3(m)]。泥岩中可见菱面体与球形共生但界限明显[图3(n)]，推测为成矿条件差异导致。可见泥岩原生层理受菱铁矿挤压变形但未穿层错断[图3(o)]，说明菱铁矿为准同生阶段形成，主要发育于成岩中后期。

4 讨论

4.1 物源分析

4.1.1 常量元素分析

选取Fe2CO3+MgO、TiO2、SiO2、Al2O3/SiO2、K2O/Na2O、Al2O3/(CaO+Na2O)、F1、F2、F1′、F2′等参数判别物源构造环境[15-17]，图解如图4所示。Fe2CO3+MgO质量分数介于1.25%～12.88%；TiO2百分含量较高，介于0.52%～1.48%；Al2O3/SiO2较大，介于0.30～0.41；K2O/Na2O较大，介于2.40～13.38； Al2O3/(CaO+Na2O)范围大，介于0.46～78.86； SiO2质量分数介于31.96%～63.84%。

图4(a)中3个点落在大洋岛弧区域，大陆岛弧和活动大陆边缘区域各落有1个；图4(b)中大陆岛弧区域落有1个点；图4(c)、图4(d)中的投点均不在经典构造区域之内。此外，研究地层K2O、Al2O3含量高，K2O/Na2O、Al2O3/(CaO+Na2O)比值高，推测物源区性质主要为活动大陆边缘和被动大陆边缘，并兼有部分大洋岛弧的性质。

根据F1、F2图解[图4(e)]，投点均落在被动大陆边缘延伸区域。由SiO2-K2O/Na2O图解可见[图4(f)]，被动大陆边缘区域落有9个点，活动大陆边缘8个，大洋岛弧延伸区域1个，说明物源区的构造背景并非单独一种，而是兼具被动大陆边缘、活动大陆边缘及大洋岛弧性质。根据F2′-F1′图解[图4(g)]，17个点落在酸性火山岩物源区及延伸区域，1个落在酸性和中性火山岩物源区边缘的延伸区域，说明研究区的物源区主要为酸性火山岩性质。

基于上述分析，物源区在该时期的构造背景表现为沟-弧-盆体系活动大陆边缘以及碰撞造山带被动大陆边缘，结合对比周围地区构造演化特征，只有阴山-阿拉善古陆与这种复合大地构造背景对应。

图4 本溪组-山西组常量元素构造环境判别图解Fig.4 The macroelement tectonic environment of C2b-P1s

4.1.2 微量元素分析

对微量元素参数进行La-Th-Sc、Th-Co-Zr/10和Th-Sc-Zr/10判别图解[18-19]投点(图5)。图5(a)中活动大陆边缘与被动大陆边缘区域附近落有7个，大陆岛弧区域落有8个；图5(b)中大陆岛弧和被动大陆边缘区域附近落有16个，大洋岛弧及活动大陆边缘区域落有1个；图5(c)中大陆岛弧和被动大陆边缘区域落有17个，活动大陆边缘区域落有1个。结果表明：在本溪-山西期，研究区的物源区以被动大陆边缘与大陆岛弧为主要构造环境，兼具活动大陆边缘与大洋岛弧的性质，这与常量元素分析结果对应。同时，前人对研究区稀土元素进行配分判别得到了相同的结论[20]，验证了分析的准确性，由此推论，该时期的物源区为阴山-阿拉善古陆。

图5 本溪组-山西组微量元素构造环境判别图解Fig.5 The relation diagram of trace elements in C2b-P1s

4.2 成因分析

4.2.1 成矿物质

4.2.2 沉积环境

某些微量元素比值能指示地球化学条件的变化[20]：V/(V+Ni)可判别古氧相，介于0.83～1.0，对应海相还原环境；0.57～0.83对应弱还原环境；0.46～0.57对应弱氧化环境；小于0.46对应富氧环境。本溪组到山西组，该比值均处于0.57～0.83范围，对应古水体为弱还原的环境。Sr/Ba可以反映盐度及对应的沉积相[24]，小于0.6对应淡水陆相；0.6～1.0对应半咸水海陆过渡相；大于1.0对应咸水海相。Sr/Ba平均值分别为0.85、0.66、0.22、0.21，个别峰值对应时期可能存在沉积环境的短暂变动，但并不影响整体由海到陆过渡的趋势。Sr/Cu可判别古气候，介于1.3～5.0为湿润温暖气候，大于5.0为炎热干旱气候。本溪组-山西组Sr/Cu平均值分别为4.93、4.24、8.52、6.84，总体而言，晚古生代前期以湿润温暖气候为主，后期转向炎热干旱。

图6 菱铁矿成矿“掠夺”过程及差异演化示意图Fig.6 “Plunder” of mineralization and differential evolution

4.3 演化规律

值得一提的是，菱面体与球形结构相似但形态差异明显，这极可能是成矿条件差异引起的[25-26]。前者是成矿条件适宜情况下形成的自形形态，除了足量的成矿物质、适宜的浓度和足够的结晶空间，成矿环境(pH、Eh等)也需适宜，也就是说，菱面体的结晶过程中几乎没有周围环境的负面影响(微生物分解有机质等)。球形形态规则且放射状结构明显，结合其发育特征和球晶结晶习性，除上述条件外，球形发育还必须具有各向相同的渗透性、成矿物质补给性及成矿约束性[27]，即成矿条件的各向同性，而沉积环境中微生物对有机质的分解和一系列化学反应可能恰好实现了这一平衡状态。各向均一的渗透性能使成矿物质从各方向自由进入核部结晶区；各向均一的补给性和约束性能保证各向等速结晶，否则便难以形成规则的球形，某方向补给过多或过少、约束过强或过弱，都会造成该方向结晶突出或缺陷，形成扁球状或花瓣状。

4.4 地质意义

为了分析含菱铁矿泥岩层的物性特征，选取含菱铁矿泥岩样品(Y3-5、Y3-8、Y3-9、Y3-11、Y3-12、Y3-13、Y3-21、Y3-23)及普通泥岩样品(Y3-6、Y3-26)进行低温液氮吸附测试，采用BJH模型绘制孔径分布图(图7)。各样品孔径分布规律类似，均以3个主峰分布。含菱铁矿泥岩峰一高且陡，跨度较小，主要分布于1～2 nm；峰二高度和陡峭程度适中，跨度相对较大，分布于5～30 nm，先平缓上升后缓慢下降；峰三与峰二高度相当，但跨度较小，主要分布于50～70 nm。据国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)划分方案，孔径分大孔(>50 nm)、介孔(2～50 nm)及微孔(<2 nm)三种，上述分布规律表明含菱铁矿泥岩层的孔隙主要为微孔和介孔，大孔数量少。普通泥岩样本峰一主要分布于1～2 nm，远低于前者峰一高度，说明前者的微孔含量整体高于后者；峰二高度比前者偏低或相当，跨度相似，先缓慢上升后快速下降，表明中孔含量不高；峰三为最高峰，普遍高于前者且跨度较大，在40 nm附近急速上升，至50 nm附近达到峰值并开始下降，表明泥岩比前者介孔和大孔含量高，微孔含量低。

图7 样品孔隙分布特征Fig.7 Characteristics of sample pore distribution

结合上述分析，菱铁矿在发育过程中会在一定程度上充填、阻塞孔隙[28]，并导致大孔、中孔、微孔体积一定程度地减小，造成含菱铁矿泥岩层孔径整体小于普通泥岩，渗透率更低，具有较好的隔水阻气性能。这一重要认识将在中国油气勘探与开发实践中起到很好的指导作用，对于正确识别和划分含油气系统的边界、实现多个独立含油气系统高效共采、降低成本和提高产出具有重要的理论研究价值及现实意义。

5 结论

(2)菱铁矿发育形态有凝胶状、微粉晶、球形(球粒和同心圈层状)及菱面体4类，浓度、空间、渗透性及地球化学环境是其形态演化的重要影响因素：成矿物质浓度高则易快速结晶形成凝胶状；次之形成微粉晶；浓度适宜、空间充裕且渗透性好则易发生“掠夺”过程，并在不同成矿条件和多期成矿作用下差异演化形成球形或菱面体。

(3)菱铁矿的发育导致岩层孔隙被充填、阻塞，孔隙度和渗透率整体降低，阻隔作用十分明显。该特性在多套纵向独立含气系统的勘探评价、边界识别划分以及共采实践中具有特殊的参考价值和重要的指导作用。