准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油储层方沸石成因与甜点意义

马 聪，王 剑，潘晓慧，陈 俊，尚 玲，刘 金

(1.新疆页岩油勘探开发重点实验室，新疆 克拉玛依 834000；2.中国石油 新疆油田分公司 实验检测研究院，新疆 克拉玛依 834000；3.中国石油 新疆油田分公司 勘探开发研究院，新疆 克拉玛依 834000)

方沸石作为烃类演化过程中的基本物质响应，记录了丰富的油气地质信息，可以为判断含油气性提供重要依据[1]。朱世发等[2]利用铸体薄片和扫描电镜对准噶尔盆地二叠系碎屑岩中方沸石的溶蚀现象进行了研究，证实方沸石溶蚀带可作为寻找有利油气储层发育的目标区。孙玉善等[3]利用偏光显微镜及扫描电镜分析了中国西部盆地碎屑岩储层中方沸石的成因及溶蚀作用，证明方沸石溶蚀贡献了碎屑岩储层孔隙度的50%～75%，对形成良好的油气集聚带具有促进意义。张跃等[4]对沧东凹陷孔二段致密砂岩中的自生方沸石进行了岩石薄片鉴定和X射线衍射全岩分析，证明方沸石可指示盐碱性的沉积水体环境，且对致密储层储集性能的改善具有十分重要的意义。

准噶尔盆地吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组是中国当前页岩油勘探的热点地区[5]。本文对该区芦草沟组页岩油储层甜点段中的方沸石矿物进行研究，探讨了其成因与意义，以期对前人的研究进行补充完善，并加深对研究区储层甜点形成机理的认识，为勘探部署提供依据。

1 地质背景

准噶尔盆地吉木萨尔凹陷位于盆地东部的西南段，北邻沙奇凸起，西接北三台凸起，南邻阜康断裂带，东靠古西凸起[6](图1)。凹陷北部在石炭纪末期受海西运动影响抬升，形成吉木萨尔断裂；而从三叠纪末期至新生代，印支、燕山、喜马拉雅一系列大的构造活动均以东南抬升为主，形成了当今西深东浅、西断东超的箕状形态[7-9]。芦草沟组沉积期处于快速稳定裂陷期，凹陷常处于东高西低、北高南低的状态，内部构造活动相对较弱，主体勘探部位相对平缓，凹陷在下石炭统褶皱基底上形成了一套较为齐全的沉积地层。在快速稳定裂陷的背景下，芦草沟组沉积期水体较深，沉降速率大于沉积速率，但深部断裂带成了水下火山喷溢的活动通道，岩浆—地慢流体上升爆喷，因此，芦草沟组不同于一般湖相沉积，在暗色泥页岩烃源岩中发育大量火山喷溢体及基性火山灰[10]。整体地层厚度大(平均250 m)，但由于火山喷溢期与泥页岩烃源岩沉积期交错复杂，地层分层性极强，共发育980个小层，单层厚度平均0.25 m，毫米级层理发育。自下而上划分为2段：芦草沟组一段(P2l1)和二段(P2l2)，这两段的底部均存在页岩油富集段，分别对应下甜点体和上甜点体。

图1 准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油勘探现状示意

2 岩石学特征

芦草沟组沉积时期发育特殊的岩浆—热液喷流型的沉积组合[11]。该沉积组合可进一步细分为54种岩性，包括碳酸盐岩、碎屑岩、泥岩、火山碎屑岩、火山岩等5大类11小类，研究区芦草沟组主要含油岩性有以下4类。

(1)凝灰质白云岩。泥晶白云石与凝灰物质不同比例混合形成纹层状凝灰质白云岩，矿物组成以白云石为主，其次为石英、斜长石和钾长石，显微镜下可见富含藻类、紧密镶嵌的自形—半自形白云石集合体均匀分布(图2a，b)。

(2)碳酸盐岩质凝灰岩。矿物组成以晶屑和碳酸盐岩岩屑为主，其次为钠长石，岩心观察中常见碳酸盐岩脉体贯穿于凝灰岩中(图2c)。

(3)沉凝灰岩。纹层状构造较为发育，在个别样品中见透镜状构造、生物潜穴构造发育，矿物组成为斜长石、钾长石、石英、蒙脱石、方解石和白云石。凝灰物质在荧光下发黄色光，表明研究区沉凝灰岩的含油性较好(图2d，e)。

(4)碱性—过碱性的安山质凝灰岩。矿物组分以钠长石、正长石和石英为主，缺乏陆源碎屑组分和黏土矿物，晶屑和基质见强烈的溶蚀港湾(图2f)，原生孔隙和溶孔发育且含油性好。

图2 准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组含油段岩心照片及显微镜下岩石学特征

除常见的造岩矿物外，本次工作首次在页岩油储层中观察到方沸石和少量霓石等特殊的“示烃矿物”。目前主要在吉木萨尔凹陷吉174井、吉37井和吉31井的页岩油层中观察到了较为富集的方沸石矿物(图1)，平均含量为14.5%，最高含量达59%。全岩矿物X衍射分析显示方沸石主要分布在P2l1底部，仅有个别几例出现在了P2l2底部。薄片观察过程中，仅在吉174井中见到一例方沸石岩(岩石中方沸石矿物的含量大于50%)，多数时候方沸石赋存于沉凝灰岩、碳酸盐岩质凝灰岩，个别出现在凝灰质白云岩中。

3 方沸石矿物学特征

方沸石(Na[AlSi2O6]·H2O)为铝硅酸盐矿物，其化学组成特点为富含钠离子[11]。方沸石为典型的等轴晶系矿物，常呈立方体与四角三八面体的聚形的单晶体；在偏光镜下为均质矿物，突起表现为负低，平面上呈六角形、八角形或不规则粒状。方沸石在正交镜下表现为全消光，在插入石青板后呈现出紫红色[11-12]。研究区内方沸石结构、构造现象丰富，产状多样，本文主要利用电子探针显微成像、主量元素分析，结合偏光显微镜下观察分析，将吉木萨尔凹陷芦草沟组方沸石依据赋存状态分为4类。

3.1 纹层状方沸石

在沉凝灰岩层中，多见纹层状方沸石，方沸石与岩石中的凝灰物质或白云石形成互层。纹层状方沸石多呈连续性好的泥晶状，其泥晶粒径在0.01～0.5 mm之间，正交偏光镜下呈全消光。粒度相对较粗的方沸石常具等粒结构，颗粒表面糙点明显，常与铁白云石微晶、含镁菱铁矿共生，也与透长石交生(图3a，b)。在单偏光镜下，可见方沸石晶体内部发育红褐色的矿物集合体，成分分析结果为氟碳铈类矿，在常丽华等人的研究中被认为是偏碱性岩或相关热液矿床的产物[12]，因此表明该类方沸石的形成与碱性岩浆的热液活动有关。

图3 准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组方沸石显微岩石学特征

3.2 球粒方沸石

在连续取心的吉174井的3 202～3 204 m发现了大量球粒状方沸石，粒径约2～5 mm。按照球粒核部、边部的成分及方沸石状态可以分为3种：第一种球粒核部为自形—半自形的方沸石均质体，而白云石形成了球粒的环边，使得球粒方沸石互不接触，呈现近乎悬浮的状态，在正交偏光显微镜下球粒核部的方沸石呈全消光(图3c)；第二种球粒与第一种相似，见于方沸石质白云岩中，球粒核部的方沸石均质体完全悬浮于白云岩中(图3d)；第三种球粒的核部则由方沸石、残余正长石构成，在方沸石中心清晰可见“交代残余”的正长石矿物和蒙脱石，他形微晶方沸石则构成了球粒的环边，整个球粒悬浮于蒙脱石中，说明方沸石的形成晚于蒙脱石(图3e-g)。

3.3 块状方沸石

该类方沸石主要见于方沸石岩中，呈厚层状或块状结构，类似于火成岩中的块状结构。常见大颗粒自形—半自形的块状方沸石(图3h)，连晶状分布的方沸石结晶集合体较为少见，这与成岩快速掩埋过程中的余热导致的重结晶有关。镜下可见典型方沸石形态为六角形和八角形，与周缘的细粒碎屑颗粒之间边界明显、清晰，因此其晶体普遍呈现出光滑且平直的断面。

3.4 脉状方沸石

在岩石的网状裂缝中，含钠质铝硅酸盐的热液流入结晶形成脉状方沸石。研究区内的方沸石脉较为少见，呈较细的单脉状，脉宽约0.3～1 mm。脉体中方沸石呈半自形颗粒或连晶集合体，晶面干净平整，见少量他形白云石与其共生(图3i)。

4 方沸石成因

4.1 方沸石形成的物质来源

形成方沸石的矿物成分必须包括SiO2、Al2O3、Na，因此依据物质成分，方沸石的成因可分为3类。第一类为非火山物质成因，在盐碱性湖盆中，水体为碱性，且富含钠离子，当沉积物进入此类湖盆中后，蒙脱石、长石、似长石、高岭石等富铝矿物会与富钠碱溶液发生化学反应，钠离子、铝离子析出结合，进而产生硅铝酸盐类矿物，即方沸石[3]；第二类为火山物质成因，即在火山活跃期，喷发出的火山玻璃进入富钠碱性水体中后，快速产生化学反应，首先生成了丝光沸石、斜发沸石，这两类沸石经由成岩转化形成方沸石，此种成因的方沸石在自然界较为多见[4]；第三种为湖相热水沉积，即陆相裂谷盆地中湖底热泉喷流而后发生沉积作用形成[13]。

吉木萨尔凹陷具有特殊的构造背景，方沸石的产状丰富，综合分析认为有2种物质来源。

图4 准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组含方沸石层段矿物含量

图5 准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组方沸石含量与黏土矿物(a)、斜长石(b)含量关系

(2)火山物质来源。研究认为研究区中的次生方沸石与火山物质蚀变有关，火山物质既包括火山玻璃，也包括火山碎屑中的钠长石。研究区沉积物中火山碎屑物质极为丰富，常见典型形态结构的晶屑和玻屑，这就为此类成因的方沸石提供了丰富的物质来源。在火山喷发期，富钠碱性岩浆与热液物质喷出，玻屑、晶屑为此类方沸石提供了物质基础。而热液中富含的气体、液体与玻屑、晶屑等火山物质经过反应可形成大量的高硅方沸石[14-15]。研究区的块状方沸石自形—半自形的晶体颗粒较大，晶体边缘边界清晰，热液与火山物质反应速度快、矿物生成量大(图3h)；纹层状方沸石在局部尤为富集，单晶呈现自形—半自形，少量方沸石颗粒边缘见溶蚀港湾状，粒内见溶孔发育(图3h)，均为热液溶蚀的证据。

在快速稳定裂陷的背景下，芦草沟组沉积期存在间歇性火山喷发，热液喷流存在多期次的特点[11]。在火山活动的停歇时期，埋藏作用下碱性长石及部分蒙脱石类黏土成岩转化形成自生方沸石，在火山喷发活动期，喷流出的热液与玻屑、晶屑等火山物质发生溶蚀作用形成次生方沸石，火山物质成因和非火山物质成因形成方沸石的过程伴随热液喷流的多期次过程交替发生。

4.2 方沸石析出的环境条件

COOMBS等[16]依据Si/Al值将不同成因的方沸石分为3类：火山玻璃与碱性溶液反应生成的高硅方沸石(Si/Al值为2.7左右)、经沉积变质作用形成的中硅方沸石(Si/Al值为2.4左右)和由富碱性水与沉积物相互作用生成的低硅方沸石(Si/Al值在2.2～2.0)。电子探针数据(表1)表明，吉木萨尔凹陷芦草沟组方沸石中的SiO2平均含量为63.04%，比标准值54.58%要高一些；Al2O3平均含量为20.88%，比标准值23.16%略低；Na2O的平均含量为7.63%，比标准值13.5%低。经计算研究区方沸石的Si/Al的平均值为2.56，最高值为2.73，最低值为2.34，属于中—高硅方沸石(表1)。这既表明了其析出环境为富含大量活性SiO2的碱性环境，也再次证实了研究区方沸石的形成既与埋藏变质作用有关，也和火山物质与碱性水反应有关，与前文所述的2种物质来源相吻合。此外，富含Ca2+、Na+、K+离子证明了析出环境的盐度较高。

表1 准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组方沸石电子探针化学组分

方沸石析出的环境温度十分广泛，可在4～50 ℃的深部低温海水的沉积物中析出，也可在大于200 ℃的高温热液环境中经由低级变质作用析出[17]。吉木萨尔凹陷芦草沟组产出的方沸石具有纹层状、与泥晶碳酸盐岩共生的微观特征，这证实了方沸石析出于成岩共生期和早成岩A期。根据孙玉善的研究，准噶尔盆地在该时期的古地温处于古常温(约85 ℃)，属于低温环境[3]。

综上所述，吉木萨尔凹陷芦草沟组方沸石形成于高盐度、碱性、低温的热液条件下，在埋藏过程中，碱性长石及部分蒙脱石类黏土成岩转化形成自生方沸石；在火山喷发活跃期，火山物质经过热液反应与蚀变形成次生方沸石，2种成因形成的方沸石过程交替发生。

5 油气地质意义

准噶尔盆地吉木萨尔凹陷研究区芦草沟组方沸石形成于成岩阶段早期A段，意味着尚处于浅埋藏开放的成岩环境，方沸石析出的孔隙水条件恰能够代表芦草沟组沉积期的水体环境。结合前文对析出环境的分析，有利于方沸石沉淀的条件是高盐度、碱性水体介质条件，富含Ca2+、Na+、K+离子，指示了芦草沟组沉积时期吉木萨尔凹陷为盐碱性湖盆。因此方沸石可以作为指示盐碱性沉积环境的“指相矿物”。

此外，方沸石的富集与页岩油甜点段的分布往往具有较好的对应性。以吉31井为例，方沸石主要富集在该井P2l1底部(2 852～2 865 m)和P2l2底部(2 815～2 822 m附近)，正好分别处于该井页岩油下甜点段和上甜点段，且方沸石发育的层段核磁孔隙度、覆压渗透率和含油饱和度均较高(图6a)。方沸石对页岩油层的贡献主要体现在两方面：一是胶结作用，硬度为5.5的方沸石在抗压实方面大于碳酸盐和硫酸盐矿物，早期浅埋藏碱性环境下发生方沸石的强胶结作用(图6b)，保护了早期形成的碎屑骨架，为成岩后期深埋作用下的抗压实起到了关键作用，进而保护了原生孔；二是溶蚀作用，方沸石具有开放的架状结构、低比重的物理性质，导致其具有易溶蚀的特点，成岩中后期方沸石溶蚀形成的次生溶孔大幅提升了页岩油层的储集性能(图6c，d)，这一点通过方沸石含量与孔隙度呈现正相关性得以证明(图7)。方沸石与页岩油甜点段在分布上的对应性及其对页岩油层储集性能的改善作用，均代表了它可以作为页岩油领域良好的“示烃矿物”。

图6 准噶尔盆地吉木萨尔凹陷吉31井芦草沟组测井综合柱状图

图7 准噶尔盆地吉木萨尔凹陷吉174井芦草沟组方沸石含量与孔隙度关系

6 结论

(1)首次在准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油层中发现了大量方沸石，主要集中分布在P2l1底部，仅有个别几例出现在了P2l2底部。方沸石主要赋存于沉凝灰岩、碳酸盐岩质凝灰岩中，个别出现在凝灰质白云岩中，方沸石岩极为少见。

(2)吉木萨尔凹陷芦草沟组方沸石在岩石中的赋存状态主要包括纹层状、球粒状、块状、脉状。纹层状方沸石夹于沉凝灰岩层中，多呈连续性好的泥晶状，常与铁白云石微晶、含镁菱铁矿共生；球粒状方沸石按照核部、边部的成分及方沸石状态可进一步分为3种；块状方沸石呈厚层状或块状结构，常见自形—半自形大颗粒；脉状方沸石赋存于岩石裂缝中，由含钠质铝硅酸盐的热液流入结晶形成，脉体中方沸石颗粒呈半自形或连晶状。

(3)吉木萨尔凹陷芦草沟组方沸石形成于高盐度、碱性、低温的热液条件下，在埋藏过程中，碱性长石及部分蒙脱石类黏土成岩转化形成自生方沸石；在火山喷发活跃期，火山物质经过与热液的反应和蚀变形成次生方沸石，2种形成的方沸石的过程交替发生。

(4)具有盐碱性沉积环境“指相意义”的方沸石，同时具有抗压性强和易溶蚀的特点，成岩早期形成的大量方沸石胶结物，既起到了抗压实作用进而保护原生孔，又为成岩中后期次生溶孔的形成提供物质基础，大幅提升了页岩油层的储集性能，因而可表征为页岩油甜点的“示烃矿物”。