川西南二叠系茅口组一段滑石特征及其形成机理——以A1井茅一段样品为例

任海侠，林小兵，刘 叶，敬永红， 钟玉梅，康保平，韩智英

(1.中国石化 西南油气分公司 勘探开发研究院，成都 610041； 2.中国石化 西南油气分公司 地质中心实验室，成都 610081； 3.成都理工大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610059)

四川盆地二叠系茅口组是油气勘探开发的重要层系之一，勘探始于20世纪50年代[1]。近年来在川东南、川中地区部署的DS1、JS1、TT1等井均在茅口组一段获得工业气流，展示了四川盆地茅一段良好的勘探潜力。前人对茅口组的储层特征研究主要集中在碳酸盐岩、硅质岩的沉积环境[2-4]、成因[5-9]和储层发育演化[10-11]方面。多位学者关注到了四川盆地茅一段发育滑石，并提出了滑石成因的不同观点与认识。刘瑾等[11]认为滑石孔缝为川东南茅一段储层的主要储集空间类型，其滑石成因是海泡石沉积、埋藏到一定深度，压力、温度增大，导致其晶格不稳定，发生层链坍塌转化为滑石；张连湘等[12]认为川东南二叠系茅口组的滑石为海相生物化学沉积成因。事实上，不同成因的滑石，揭示了不同的沉积环境或成岩演化过程，导致了滑石的赋存状态具有明显差异。因此，根据滑石的赋存状态，分析滑石的成因机理，可以深入探讨滑石—沉积/储层演化耦合关系。

本文以川西南A1井茅一段样品分析为例，通过岩心观察、薄片鉴定，结合扫描电镜、包裹体均一温度等测试数据，精细描述滑石的颜色、结构、赋存状态，结合区域构造沉积背景，探讨川西南茅一段滑石的成因及其形成机理，以及对储层的意义，以期为该区茅一段的储层研究及勘探部署提供一种新思路。

1 地质背景

川西南地区位于四川盆地西南平缓构造带(图1a)铁山—威远构造带白马镇向斜，西南坳陷南侧，北邻威远构造，西北部为梧桐场背斜、东南部为自流井背斜，沉积主要受地壳活动、海平面变化、拉张断裂等因素控制[13]。

图1 川西南地区构造位置及二叠系茅口组地层柱状简图

2 滑石矿物学特征及赋存状态

采用物性检测、薄片鉴定、阴极发光分析、扫描电镜及能谱分析、X衍射分析、包裹体测试等多种实验技术，对A1井茅一段16.5 m岩心(图1b)进行系统分析，为茅一段滑石特征及其成因机理研究提供了数据支撑。

2.1 茅一段岩性及滑石矿物学特征

川西南地区茅口组主要为浅水开阔台地相[14]，其沉积环境是碳酸盐台地面临广海的部位，地形相对较平坦，水体较浅，处于正常浪基面以上的浅水台地，A1井岩石薄片鉴定也表明沉积物岩性以生屑灰岩类为主。

A1井茅一段岩石致密、性脆，断口粗糙。岩石类型主要为褐灰、灰黑、深灰色泥晶生屑灰岩、生屑泥晶灰岩、灰质云岩。介形虫、腕足、虫筳类、藻类等生物发育，生物个体保存较完整(图2a)，轮廓清晰；藻类与有孔虫内壁被沥青浸染；基质为泥晶胶结，局部见燧石结核、条带。

作为热液蚀变矿物，滑石为典型的三八面体层状硅酸盐矿物，其化学式为Mg3(Si4O10)(OH)2[19]。茅一段发育的滑石在单偏光下呈浅黄色，具有低正突起和一组完全解理(图2b)。正交偏光下呈Ⅲ级橙色，形状多为薄片状、鳞片状、纤维状、致密状等，通常为细粒的片状集合体，或呈杂乱的、半平行的放射状和同心圆状排布的叶片状集合体，略定向排列(图2c)。

2.2 滑石的赋存状态

滑石主要赋存于褐灰、灰黑、深灰色泥晶生屑灰岩、生屑泥晶灰岩、灰质云岩中，以交代生屑颗粒或呈星点状基质赋存，程度不一，零散分布。

2.2.1 滑石在颗粒中以交代生屑的形式产出

气焰赫赫的风云八虎，不到一年，三虎死于非命，均被烈焰焚烧而死，死状极惨。一般人提及此事，皆心有余悸；苟活于世的三虎，以及他们的后台德公公，此后寝无眠，食无味，惶惶不可终日。

薄片鉴定表明，川西南地区茅一段泥晶生屑灰岩中，滑石交代生屑(虫筳、腕足、瓣鳃、有孔虫、介形虫、苔藓动物等)，主要以生屑腔体内部发生滑石化为主，生屑壳体发生滑石化次之，结构完整，滑石化程度不一(图3a-f)。

扫描电镜背散射条件下，依据矿物元素不同而呈现不同灰度，滑石灰度较方解石深，可见泥晶生屑灰岩中滑石交代生屑(有孔虫、瓣鳃、介形虫等)现象，因滑石交代程度不一，仅能分辨出有孔虫、介形虫等，部分生屑种类较难准确判断(图4a-f)。

2.2.2 滑石在基质中以自生矿物的形态发育

薄片鉴定表明，滑石呈星点状分布(图5a)于泥晶灰岩中；灰质白云岩中见滑石呈条带状分布(图5b)；裂缝中见滑石、石英全充填，并具岩流产状(图5c)。

扫描电镜下，滑石呈同心圆状排布的叶片状集合体零散分布于泥晶生屑灰岩中(图6a)；呈片状集合体顺层分布于生屑泥晶灰岩中(图6b)；在灰质云岩中呈片状集合体附着于颗粒周围(图6c)，具流纹结构。

3 滑石成因机理

前人[20-21]研究认为滑石成因主要有3种类型：(1)富硅热液交代富镁碳酸盐岩型，为中低温热液经裂隙交代镁质碳酸盐岩而形成，滑石呈鳞片状变晶结构；(2)基性—超基性岩经富硅热液蚀变型，多产于元古宙蛇绿岩系中，系蛇纹岩受富铝质热液蚀变交代而形成；(3)沉积型滑石，系镁质与硅质在海洋中沉积后经埋藏变质形成。

根据研究区滑石的矿物学特征及赋存状态，展示了川西南茅一段滑石在颗粒中呈片状集合体保存完整，交代程度不一，零星分布；基质、裂缝中滑石具有岩流产状，分布不均，非层状产出；结合构造沉积背景，可判断研究区滑石成因非沉积型。认为川西南地区茅一段滑石成因为中低温热液经裂隙交代镁质碳酸盐岩形成，即含镁、硅、水等物质在特定的地质条件下形成。

图2 川西南地区A1井二叠系茅一段滑石特征

图3 川西南地区A1井二叠系茅一段滑石交代生屑薄片鉴定特征

图4 川西南地区A1井二叠系茅一段滑石交代生屑扫描电镜鉴定特征

图5 川西南地区A1井二叠系茅一段滑石在基质中的赋存状态薄片鉴定特征

图6 川西南地区A1井二叠系茅一段滑石在基质中的赋存状态扫描电镜鉴定特征

3.1 滑石形成的热力学条件

峨眉地裂运动和玄武岩喷发为川西南二叠系茅一段滑石的形成提供了：(1)热源，外来的热源对流(火山作用)比自由热源对流更有效；(2)拉张、走滑断裂或裂缝系统存在的构造条件；(3)开放系统，滑石形成过程中需要大量流体通过开放系统来完成[22]。

A1井薄片鉴定见滑石由稀疏到密集(图7a)，可推断，密集区为富硅热液能量聚集区；显微镜下见滑石交代范围逐渐变小，喉道第一阶段为3 mm，第二阶段为0.5 mm(图7b)，可判断，滑石交代作用在研究区开始减弱；共生方解石包裹体均一温度为84～100 ℃(图7c)，可推断，滑石发生交代作用的临界温度约在100 ℃。

3.2 滑石形成的物质基础

滑石中两种重要元素为Si和Mg。Si存在两种来源：(1)热水环境，海水中硅质含量增多；(2)峨眉地裂运动及玄武岩喷发提供的高能硅质流体。A1井茅一段薄片鉴定见硅质流体沿裂隙发育(图7a)，灰质云岩中见硅质条带发育(图8a)。

Mg的来源途径也主要为两种：(1)中二叠世海水Mg2+含量处于整个显生宙的波峰位置，有利于碳酸盐岩中高镁方解石、白云石发育，提供滑石沉积所需的Mg2+来源，在A1井茅一段阴极发光、薄片鉴定下见滑石交代白云石残余(图8a，b，9a)；(2)生物壳屑，在无脊椎动物的含镁方解石骨骼中，镁是以固溶体的形式存在于方解石晶格中[23]，在A1井茅一段薄片鉴定下，可见含镁生屑壳体被滑石交代(图8c)。

图7 川西南地区A1井二叠系茅一段滑石热力学特征

图8 川西南地区A1井二叠系茅一段滑石的鉴定特征

3.3 滑石的形成机理

在四川盆地海相碳酸盐岩中热液交代作用对于改善碳酸盐岩储集物性至关重要[24-28]。A1井茅一段样品薄片鉴定下见滑石交代白云石残余(图8a，b，9a)，硅质流体沿裂隙流经自形晶白云石时，与白云石边缘发生滑石交代作用(图9c)；扫描电镜下见滑石围绕低镁他形方解石(能谱确定)发育(图9b)；滑石基质中见残余石英(图9d)，滑石中见大量气泡孔发育(图9e)；围岩方解石晶体表面微溶孔相当发育(图9f)。据此，可认为川西南茅一段滑石的形成机理为：

3CaMg(CO3)2+4SiO2+H2O=

Mg3(Si4O10)(OH)2+3CaCO3+3CO2↑

或3MgCO3+4SiO2+H2O=

Mg3(Si4O10)(OH)2+3CO2↑

或3MgO+4SiO2+H2O=

Mg3(Si4O10)(OH)2

富镁碳酸盐岩与硅质流体在100～200 ℃[29]下形成滑石，为中低温条件下硅质流体与富镁碳酸盐岩交代而成，属于接触交代型成因。滑石的机理反应式表明，滑石可作为川西南茅一段储层中含硅流体的指示矿物，其产出和分布能够示踪含硅流体运移路径与作用范围。结合滑石的分布范围(图5a，7b)及共生方解石包裹体均一温度(图7c)可判断川西南地区含硅流体属于低能状态，且分布不均，热液高能区为下一步勘探部署有利区。滑石形成过程中，伴随大量的酸性气体CO2的产出，CO2对于深埋藏条件下碳酸盐岩地层孔隙的发育和保存具有重要意义。

3.4 滑石演化模式

基于上述实验分析数据，建立川西南地区茅一段滑石演化模式，通过对滑石成因序列的恢复，进一步明确川西南地区茅一段沉积构造响应特征(图10)。川西南茅一段沉积构造演化过程可归纳为3个阶段：沉积阶段、交代阶段和抬升阶段。

3.4.1 沉积阶段

中二叠世时期，茅口组经历了3个完整的三级海侵海退旋回，形成了一套浅水开阔台地相碳酸盐岩沉积，泥晶生屑灰岩中，镁在无脊椎动物骨骼中以固溶体形式存在于方解石晶格中；灰质云岩中，MgO百分含量约为28%，为滑石的形成提供了一定量的Mg2+。生屑壳体结构保存完整，白云石晶体自形程度高，说明此阶段受搬运、压实成岩作用影响均较弱，故孔隙类型以粒间孔为主。

3.4.2 交代阶段

晚二叠世时期，峨眉地裂运动及玄武岩喷发，硅质热液流体沿地裂上升与茅一段沉积的富镁碳酸盐岩发生交代作用，热液的聚集携带了一定量的Mg2+，同时提高了围岩温度，使不稳定及游离态的Mg2+更加活跃，加剧交代作用，同时伴随有大量CO2气体产生，对茅一段碳酸盐岩进行了溶蚀作用；滑石中微溶孔保存完整，结构清晰，说明此阶段压实作用弱；滑石的大量赋存，表明交代作用、溶蚀作用强烈，故孔隙类型以溶蚀孔、溶蚀缝为主。

图9 川西南地区A1井二叠系茅一段滑石与围岩的鉴定特征

图10 川西南地区二叠系茅一段沉积构造响应特征

3.4.3 抬升阶段

晚二叠世时期，东吴运动爆发，茅口组整体被抬升，使整个茅口组暴露于地表，受大气淋滤等表生作用影响，多数构造缝为张开缝，部分被方解石全充填或半充填，溶蚀孔未充填，说明表生作用、压实作用弱，孔隙类型以构造缝，溶蚀孔、溶蚀缝为主。

综上所述，川西南茅一段受搬运、压实作用影响较弱，交代、溶蚀作用影响较强；孔隙类型主要为粒间孔、溶蚀孔、溶蚀缝、构造缝。滑石的形成机理对储层孔隙发育有着至关重要的作用。

4 滑石发育的储层意义

4.1 滑石的赋存状态与储层孔隙关系

滑石的赋存状态与储层储集性能有相关性。滑石交代颗粒呈薄片状、鳞片状、纤维状等集合体，片状结构提供了微孔、微缝(图11a)；滑石在基质中赋存，原生孔隙在颗粒的支撑下完整保存(图11b，c)；滑石的结构完整表明受压实作用弱，均有利于孔隙发育及保存。

4.2 储层孔隙类型与滑石的关系

A1井茅一段16.5 m岩心观察表明，肉眼可见83处裂缝，缝宽0.1～0.4 mm，滑石、石英、方解石全充填或半充填，多数平行贯穿岩心，偶有竖直贯穿岩心；752处孔隙，大小为1.0 mm×1.0 mm～2.0 mm×4.0 mm，未充填。川西南地区茅一段孔、洞、缝主要受峨眉地裂运动、东吴运动等地质运动影响，不同时期其孔、洞、缝类型不一，充填物不一。构造缝、溶蚀孔缝多形成于东吴运动时期，地面抬升，整个茅口组暴露于地表，受雨水淋滤作用，裂缝被方解石全充填或半充填(图12a)或为张开缝(图12b，c)。然而方解石晶体之间呈紧密镶嵌状接触，晶间孔、晶间溶孔、晶内溶孔发育(图12d)，基质中见气泡孔发育(图12e)，结合图12b可判断非同一期次，而是发生在东吴运动之前，峨眉地裂运动与玄武岩喷发时期—滑石形成时期。在20件滑石能谱分析中阳离子含量中均未见Al、Ti、Mn、Fe等微量元素(图12f)，说明茅一段在东吴运动时期，地面抬升受表生、风化作用影响弱，故川西南地区茅一段孔隙主要形成于峨眉地裂运动和玄武岩喷发时期。

图11 川西南地区A1井二叠系茅一段滑石在基质中的赋存状态扫描电镜鉴定特征

图12 川西南地区A1井二叠系茅一段孔洞缝特征

4.3 滑石发育与储层物性的关系

A1井茅一段104件样品物性分析数据表明，孔隙度主要集中在1%～3%(图13a)，最大孔隙度为4.73%。结合76件薄片鉴定、扫描电镜样品、7件X衍射黏土样品对比发现，高孔隙度样品黏土矿物滑石均较发育。含有滑石的样品其孔隙度主要集中在1.5%以上(图13b)，平均孔隙度为2.20%；不含滑石的样品其孔隙度主要集中在1.5%以下(图13c)，平均孔隙度为1.23%。由此可见，滑石的发育对茅一段储层物性有一定的改造作用。

图13 川西南地区A1井二叠系茅一段孔隙度

综上所述，川西南茅一段的孔隙类型主要来源于峨眉地裂运动与玄武岩喷发时期，滑石的形成对茅一段储层发育有很大的改造作用。

5 结论

(1)川西南地区茅一段滑石的成因机理为硅质热液流体与富镁碳酸盐岩发生交代作用产生，属于热液交代型。

(2)滑石的赋存状态及形成过程中产生大量的CO2酸性气体，均有利于提高茅一段储层的储集性能；川西南地区茅一段储层受搬运、压实、表生等成岩作用较弱，受交代、溶蚀等成岩作用较强，孔隙类型以溶蚀孔、溶蚀缝、构造缝为主。

(3)滑石的分布范围具有指示含硅流体运移路径及分布范围的作用，川西南地区含硅流体属于低能状态，分布不均匀。热液高能区为下一步勘探部署有利区。

致谢：本文特别感谢西南油气分公司勘探开发研究院刘莉萍高级工程师在实验过程中的探讨与指导，在此表示感谢！