准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组碱性成岩作用浅析

宇振昆，丁金岗，冯振伟，姜柳青，李汉林，常小斌，宗 浩，梁积伟*

(1.长安大学 地球科学与资源学院，西安 710054；2.长庆油田第四采油厂，陕西 榆林 718500)

0 引言

一直以来经典成岩作用是学者们的研究重点，对于碱性成岩作用的研究相对较少。国内对于碱性成岩作用的认识发展相对于国外较晚，直到1996年，陈忠总结了储层中的矿物在碱性驱替剂下发生的反应数据，结合基本的化学原理和文献资料等多个方面的证据，总结了“酸-碱链式反应”模型，证实了碱性环境下成岩作用的存在[1]。进入到21世纪，学者们发现碱性成岩作用对碎屑岩油气储层有积极的建设作用:在鄂尔多斯盆地致密砂岩中，祝海华发现与碱性孔隙流体伴生的水化云母层间孔和钠长石化孔是良好的储油空间[2]；曹天宇在对惠州凹陷东部珠海组砂岩储层研究中认为，后期酸性流体的侵入会使碱性环境下沉淀的碳酸盐矿物发生溶蚀，形成次生孔隙[3]。

其中碱湖环境下发生的碱性成岩作用较为复杂和独特，成为近几年的研究热点。国外学者们对碱湖环境下发生的成岩作用，重点主要集中在碱湖环境中的碳酸盐矿物，Fussmann D认为奥地利Neusiedl Alkaline Lake中的碳酸盐矿物的形成与水化学条件的变化有关[4]，Nurgül Balci用微生物培养法模拟重建了土耳其Hypersaline Alkaline Lake中碳酸盐矿物的沉淀过程[5]。国内对于碱湖环境下发生的碱性成岩作用的研究主要集中在准噶尔盆地玛湖凹陷，尤其是凹陷中的二叠系风城组。曹剑认为准噶尔盆地玛湖凹陷可能是目前已经发现的最古老的碱湖优质烃源岩，生烃潜力大，勘探前景好[6]；李学良觉得风城组以碎屑岩、云质岩和火山岩为主要的岩石储层类型[7]；张志杰认为风城组碱湖经历了干旱-湿润-干热-持续干热-湿润5个阶段[8]；王小军发现风城组环境的碱性强度与母质生烃潜力呈正相关[9]；余宽宏提出风城组碱性矿物的形成与湖盆卤水蒸发咸化有关[10]。重点多集中在二叠系风城组储层特征、风城组碱湖的沉积古环境演化、碱性同油气的关系和特殊碱性盐类矿物的成因上，对碱性成岩作用的现象和模式关注较少。该文利用电子探针、扫描电镜、阴极发光、岩石薄片等测试手段对准噶尔盆地玛湖凹陷风城组的碱性成岩作用的现象、成岩条件、成岩模式进行分析，为进一步研究二叠系风城组的碱性成岩作用提供依据和地质资料，以期对后期油气勘探有所帮助。

该文主要针对FN1探井中正常温度的碱性成岩作用进行探讨，与富硅硼钠石岩有关详细的碱性成岩作用另文讨论。

1 地质概况

玛湖凹陷位于准噶尔盆地西北部(图1a所示)[11]，面积5 000 km2。在构造上，玛湖凹陷西北与乌夏—克百大型逆冲断裂带相邻，东部与英西凹陷相接，东南靠着达巴松—夏盐凸起，西南与中拐凸起相近[7](图1b所示)。在区域上厚度变化较大，西部最厚可达1 800 m，东部厚度最小为800 m。风城组属下二叠统，与下伏佳木河组和上覆夏子街组均呈不整合接触(图1c所示)。

风城组早期，在下伏佳木河组残留海的基础上，受到气候和火山活动的影响，形成了碱度较高的湖泊环境。风城组按照岩性从老到新可以分为风一段、风二段、风三段。风一段以火山岩类为主，包括浅成侵入岩、火山熔岩、火山碎屑岩3类；风二段发育大量的碱性矿物、富硅硼钠石岩和泥质白云岩；风三段主要发育白云质泥岩和碎屑岩。从风一段大量发育的火山岩可以看出风城组早期火山活动最为活跃，直到风城组末期，火山活动逐渐减弱，最后趋于停止[12]。

风城组烃源岩的生烃潜力直接关系到油气的产量，而生烃潜力与烃源岩的厚度、有机质类型、丰度、成熟度等有关。风城组的厚度为150～1 000 m，有机质类型以Ⅰ，Ⅱ型为主，有机质丰度不高[13]，根据镜质体反射率反映出有机质整体的成熟度处于低等-中等阶段[14]，风城组整体地层为中-好烃源岩，以生油为主。因为生烃母质主要为菌藻类，菌藻类的变形生烃能力与碱性呈正相关[9]，风二段环境的碱性比风一、风三段强，因此风二段是玛湖凹陷主要的烃源岩层位，尤其是生烃母质含量高的泥岩(图1c所示)[11]。

图1 玛湖凹陷地理-构造位置图及风城组岩性剖面图Fig.1 Geographic-structural location map and lithologic profile of Fengcheng Formation in Mahu Sag

2 分析方法与结果

以FN1探井岩石光学薄片为研究对象，对薄片采用了电子探针、扫描电镜、偏光显微镜下岩矿鉴定及阴极发光分析测试方法。多用薄片镀完碳粉后，进行电子探针(EPMA)和扫描电镜(SEM)实验，电子探针主要是为了探明未知矿物的类型及Mg-Ca碳酸盐矿物的具体成分及其含量，扫描电镜主要用于察看黏土矿物和石英、沸石等矿物的镜下微观特征。另一部分多用薄片进行阴极发光(RELITRON CL)测定，主要针对Mg-Ca碳酸盐矿物，将发光光谱设置在400～760 nm，Mn2+作为激活剂，Fe2+作为猝灭剂。实验步骤按照标准，所有薄片在实验前储存在薄片盒中，避免外界物质的干扰，确保实验结果的准确性。

对实验结果进行分析，在玛湖凹陷风城组岩石中发现了白云石的环带结构，石英溶蚀，绿泥石和沸石胶结等碱性成岩现象。

2.1 白云石的环带结构

风城组白云石的环带结构发育，环带层数大体在3～5层，亮暗程度不一(如图2所示)，对应着多期的成岩作用。因为白云石对于环境pH值的变化较为敏感，在酸性条件下，其并不稳定，白云石多期环带的存在也证明了风城组在相当长的一段时间内成岩环境一直是碱性。Mg-Ca碳酸盐矿物环带阴极发光的强度与Fe2+/Mn2+比值有关[15]，Fe2+/Mn2+比值相对越小，环带的亮度越大，随着比值的增大，环带发光开始暗淡直至不发光，风城组白云石Fe2+/Mn2+比值变化范围大，为6.9～72(见表1)，这就解释了环带发光程度不同的现象。亮-暗-不发光环带无序相间分层，也指示了白云石环带形成的过程中，环境中的Fe2+，Mn2+的含量是变化的。

图2 白云石环带结构的阴极发光特征Fig.2 Cathodoluminescence characteristics of dolomite zonal texture

表1 铁白云石的电子探针数据表(%)Table 1 Electronic probe data of the Iron dolomite(%)

2.2 石英溶蚀

石英作为自然界最稳定的矿物之一，研究中多注意到石英在酸性环境下的次生加大对储层产生的影响，但是在济阳凹陷、鄂尔多斯盆地、四川盆地、塔中凹陷等地确实发现了石英溶蚀的现象。风城组石英溶蚀的现象较为普遍，是碱性环境引起的碱性成岩现象，碱性环境下引起的石英溶蚀机理较为复杂，受到温度、压力、电解质[16]等多个方面的控制。

风城组石英具体的溶蚀特征:①石英边缘溶蚀，石英颗粒沿边缘发生溶蚀作用，常被溶蚀成锯齿状或港湾状(图3a所示)；②石英内部溶蚀，颗粒内部被溶蚀，扫描电镜下可见石英表面形成微小的似“蜂窝状”的溶蚀坑(图3b所示)；③石英线状溶蚀，矿物颗粒的裂缝局部被进一步溶蚀，在颗粒表面呈无规则线状分布，有的可横跨石英矿物表面(图3c所示)。石英溶蚀产生的孔隙和裂缝为油气提供了一种新型的次生储集空间。

图3 石英溶蚀的特征Fig.3 Characteristics of quartz dissolution

2.3 绿泥石胶结

风城组黏土矿物以绿泥石为主，呈叶片状充填在孔隙之中(图4a所示)，也可见到绿蒙混层，呈蜂窝状(图4b所示)。绿泥石胶结物的出现一定程度上也可指示碱性环境，原因如下：①浊沸石经常与绿泥石中的孔隙衬里绿泥石相伴生[17]，且浊沸石是碱性环境下的典型矿物之一；②绿泥石通常形成于富含Fe2+，Mg2+的碱性环境中；③绿泥石可在碱性环境中稳定存在。

图4 黏土矿物的扫描电镜特征Fig.4 SEM characteristics of clay minerals

同时发现研究区内贫高岭石，是因为高岭石稳定存在的前提条件是处在酸性环境下，但是随着pH值的增加，高岭石变得不再稳定，当pH值>7时，与环境中存在Ca2+，Na+(Mg2+)结合，高岭石会转化成绿泥石和蒙脱石，但蒙脱石在碱性环境下易与介质中的Mg2+，Fe2+形成绿蒙混层。因为风城组白云石整体具有较强的阴极发光性，说明环境中Fe2+和Na+的含量较高[15]，所以可以保证绿泥石在转化过程中有较为充足的Fe2+等离子供应。蒙脱石在碱性环境下并不稳定，若介质环境保持碱性且在Mg2+，Fe2+参与下，绿蒙混层最终能够转换成碱性介质中稳定存在的绿泥石。碱性环境下，绿泥石胶结充填在孔隙中时，能够提供微米和纳米级别的结构晶间孔替代原生孔隙[18]，一定程度也会减轻孔隙的损失，为油气充注提供空间。

2.4 沸石胶结

沸石类矿物是自生的铝硅酸盐类矿物，在偏碱性且富流动性SiO2及 Ca2+，Mg2+，Na+，K+的环境下易发生沉淀胶结作用。风城组沸石类胶结物包括浊沸石(图5a所示)、方沸石(图5b所示)、片沸石，以浊沸石为主。母岩的性质与沸石的类型密切相关且沸石类矿物的形成与火山物质水化或者蚀变有关，即形成沸石的物质主要来源于中基性的火山岩，中基性火山物质转化形成的沸石类矿物以浊沸石为主，片沸石和方沸石为次[19]，这也解释了风城组沸石类矿物以浊沸石居多的原因。

图5 风城组的沸石类矿物Fig.5 Zeolite minerals of the Fengcheng Formation

3 讨论

3.1 碱性成岩作用的成岩条件

风城组碱性成岩作用发生的条件主要从物质来源、气候条件和埋藏后水岩反应3个方面进行探讨。

3.1.1 物质来源

沉积岩的物质来源是成岩作用发生的前提和基础。风城组是一套火山岩、碳酸盐岩、碎屑岩、富硅硼钠石岩和泥岩的混积岩，其中的火山岩包括碱性玄武岩、安山岩、粗面岩等，钛辉石(表2、图6a所示)的出现和火山岩硅-碱图解[20]指示了火山岩属于偏碱性，同时火山岩中发现了大量的钠长石(图6b所示)。

表2 钛辉石的电子探针数据表(%)Table 2 Electronic probe data of Titanium pyroxene(%)

图6 碱性火山岩中的矿物Fig.6 Minerals of alkaline volcanic rocks

火山岩蚀变或者水解可为碱性成岩作用提供物质来源，主要有以下三方面的表现:

1)样品中绿泥石中Fe含量大多是比较高的，玛湖凹陷风城组在早二叠世有过活跃的火山活动[11]，随火山活动喷出的安山岩、碱性玄武岩和粗面岩中的角闪石、黑云母等富铁矿物或者铁含量较高的岩屑进入湖盆发生水解，为绿泥石中的Fe提供了来源。

2)风城组铁白云石中的Fe2+的供应也离不开火山物质的水解，铁白云石中的Fe2+最高可以达到13%，最低为5.43%(见表1)，含量变化幅度大，Mn2+含量变化较小，因此主要是Fe2+的含量变化引起了Fe2+/Mn2+的比值的变化，从而影响了白云石环带的亮暗程度[15]。同时，根据白云石环带的亮暗程度也可以在一定程度上反演成岩时火山活动的期次、强度等，环带发光程度越差，意味着火山活动频繁，受影响范围广，容易发生水解的火山物质的供应就会更加充足。

3)碱性矿物也是碳酸盐矿物的一种，按照组成的离子类型不同可以分为Mg-Ca-Na碳酸盐和Na碳酸盐[10]，都含有Na，因此火山岩中钠长石的分解反应为[21]:

CaAl2Si2O8(钙长石)+2Na+(盐水)+4SiO2(石英)

可以为碱性矿物的生成奠定物质基础。

3.1.2 气候条件

风城组沉积时，玛湖凹陷古气候是干旱-湿热交替的气候，干旱持续的时间长，湖水蒸发量大于补给量，促进了玛湖凹陷形成独特的“碱湖”[8]，为天然碱、碳酸钠钙石、碳钠镁石等碱性矿物的形成沉淀提供了必需的碱性环境。

3.1.3 埋藏后水-岩反应

风城组早期岩石埋藏沉积后，因研究区克—乌断裂带系统发育，断裂较深，延伸较广，火山作用生成的深部热流体可沿其侵入到湖盆之中。深部热流体在向上运移的过程中，因温度较高，压力较大，易与古生代的钙碱性安山岩基底[10]发生水岩反应:

从而深部热流体的碱性增强，进入到湖盆之后，进一步增大了水体的pH值，随着湖盆蒸发萎缩，湖水碱度达到最大，碱湖形成，特定的碱性矿物组合得以生成沉淀。

整体以碱性环境为主的成岩背景下，也会出现局部环境呈酸性的情况。碱性环境有利于烃类的生成[9]，烃类在生成演化成油气的过程中常伴随着有机酸的形成。碱性矿物沉淀埋藏后，因泥岩是主要的生烃层位[11]，与碱性矿物同处于风二段，所以利于有机酸侵入到碱性矿物层位从而发生水岩反应，碱性矿物的阴离子主要为CO32-，极易发生溶蚀反应:

因为碱性矿物常呈聚集状存在，发生溶蚀以后，若H+供应充足，可以形成直径达1.5～1.8 mm的大型的孔隙(图7所示)，为油气的存储提供了可能的空间。

3.2 碱性成岩作用的成岩模式

风城组碱湖的成岩作用大致可以划分为风城组早期、中期、晚期3个阶段。

风城组早期气候较为干旱，湖水盐度较低，水体较深。此时期火山活动活跃，在湖盆底部发育大量的碱性火山岩，火山岩发生水解反应，为湖泊中提供了Na+，Ca2+，Mg2+等离子，也提高了湖水的碱度。此时湖泊中存在不同类型的CO32-，SO42-，Cl-等阴离子和Ca2+，Mg2+，Na+，Fe2+等阳离子，正常情况下，在湖盆碱化的过程中，离子之间相互碰撞反应，会有石盐、石膏等氯化盐、硫酸盐矿物的沉淀，但在风城组地层中却很少见到石盐和石膏[10]，而只发育有大量的Mg-Ca碳酸盐矿物和含Na的碱性矿物，这可能与离子浓度、微生物活动及离子转化有关。碱湖中的微生物发育[5]，生物呼吸和火山活动产生大量的CO2，湖水CO2分压增大，生成CO32-，导致湖水中的CO32-的浓度大于Cl-的浓度，因此CO32-与Na+等阳离子碰撞结合的几率远远大于Cl-。对于风城组硫酸盐矿物的缺少与离子的转化有关，较深的湖水和微生物的生命活动造成了水体为强还原的环境，使SO42-被还原成H2S逸散到空气中或HS-结合Fe2+生成黄铁矿，造成了黄铁矿在风城组泥岩、碳酸盐岩中普遍存在的现象。

在离子含量相差不大的情况下，Ca2+先于Na+与CO32-结合[10]，且因为方解石的Ksp=2.8×10-9小于白云石的Ksp=2.6×10-5，更容易发生沉淀，方解石析出沉淀后，湖中Mg2+/Ca2+比增大，形成富Mg2+水体，同时佳木河组残留的海相卤水在岩浆热气的推动下沿着断裂进入到湖内[12]，带来了富Mg2+流体，使方解石发生了白云岩化，发育在火山岩之后。由于蒸发浓缩作用使湖水分层，有利于富含有机质的泥岩发育[11]，使泥岩沉积在白云岩之后。泥岩中的有机质发生化学反应能够使沉积物沉积结构发生变化，促使Mg-Ca碳酸盐岩大片发育，与泥岩互层发育。

风城组中期，早期Mg-Ca碳酸盐矿物的沉淀以后，湖盆中Ca2+和Mg2+的含量远低于Na+的含量，生物、火山活动产生的CO2不断地注入水体中，早期消耗的CO32-得到持续补充，Na+，CO32-等离子的浓度不断增大，此时干旱气候下湖水进一步地浓缩咸化[8]，深部热流体与基底的水岩反应将碱性物质带入湖盆，使湖水的碱度达到最大，等Na+，CO32-等离子达到饱和时，天然碱、碳酸钠钙石等含Na+的碱性矿物开始相继生成而发生沉淀。随着Na+的含量逐渐降低，湖水中残留的Ca2+，Mg2+与CO32-反应生成Mg-Ca碳酸盐矿物，也就解释了含Na+碱性矿物常与Mg-Ca碳酸盐矿物共生的现象。

风城组晚期，气候变得湿热[8]，湖平面上升，盐度降低，水体环境较为安静，有利于泥岩的发育，同时陆源碎屑物质供应充足，同火山物质沉积形成凝灰质砂岩。

一般认为硅硼钠石的形成与热液密切相关[22]，主要发育在近断裂处，先前沉积的碳酸盐矿物(图8a所示)和碱性矿物(图8b所示)被沿断裂上升的富硼流体所交代，形成硅硼钠石[23]，当岩石中的硅硼钠石富集到一定程度时形成富硅硼钠石岩。最终形成了如图9所示的碱性成岩作用的成岩模式图。

图8 硅硼钠石与其他矿物的交代关系Fig.8 The metasomatic relationship between reedmergnerite and other minerals

图9 风城组碱湖成岩模式图Fig.9 Diagenetic model diagram of alkaline lake in Fengcheng Formation

4 结论

通过对准噶尔盆地玛湖凹陷下二叠统风城组的碱性成岩作用进行分析，得出以下3点结论:

1)风城组岩石中发现了白云石环带、石英溶蚀、绿泥石和沸石胶结等典型碱性成岩现象。

2)物质来源、气候条件和埋藏后水岩反应影响了碱性成岩作用。中基性碱性火山物质的水解为碱性成岩作用提供了充足的物质；干旱-湿热交替的气候促使了碱性环境的形成；经埋藏后水岩反应，碱湖和碱性矿物组合最终形成，为油气的储存提供了可能的空间。

3)原岩-气候-水岩反应等多种因素共同控制了风城组的岩石矿物类型及组合，形成了火山岩-碳酸盐岩-泥岩-碳酸盐岩(硅硼钠石)-碱性矿物(硅硼钠石)-泥岩-碎屑岩的特殊混积成岩模式。