玛湖凹陷风城组黏土矿物组成特征及其成因

周雪蕾，齐雯，黄玉，张虎权，潘树新，吴嘉，方朋

（1.中国石油 勘探开发研究院 西北分院，兰州 730000；2.中国石油大学（北京）地球科学学院，北京 102249）

准噶尔盆地玛湖凹陷下二叠统风城组发育古老的碱湖相优质烃源岩，为玛湖十亿吨级油田提供了物质基础[1-4]。随着勘探的深入，以风城组碱湖相优质烃源岩为主要油源的勘探层系不断取得突破[5]，众多学者针对风城组碱湖的沉积背景、沉积序列及生烃演化特征进行了广泛研究。风城组沉积前期，气候呈现干热与湿热交替变化[6-7]，伴随着强烈的火山活动[1，3，8-9]，二者共同作用下，形成了高碱度湖泊[7]，发育一套完整的成碱演化旋回[1，3，6-7，10]。其中风二段沉积期为成碱演化高峰期，以嗜碱藻类为主的生物体，在细菌的分解作用下，几乎全部转化为无定形体[1，3，11]，形成大量的优质生烃母质。模拟实验揭示，碱湖沉积物中的有机质热演化进程缓慢[9，12]，但生油持续时间长[11-12]，具有连续生烃的特征[3，9，11-12]，推测是由于受到火山矿物和碱性矿物影响[10-11]。

黏土矿物作为岩石的重要组成，其类型和含量与成岩作用具有很好的相关性，可以指示成岩演化的程度[13-14]。一般随地层埋深增大，成岩作用增强，蒙皂石经伊蒙混层转化为伊利石[15-20]。石油的生成过程也往往与这一成岩变化一致，有机质在蒙皂石大量存在阶段尚不成熟，蒙皂石向伊利石转化的阶段即为有机质大量生烃阶段[21-23]。随着对有机质与无机质相互作用研究的深入，黏土矿物被证实可以与有机质相互作用，参与有机质的演化及生烃[24-28]。然而，在埋深超过4 000 m 时，风城组烃源岩中呈现出蒙皂石和伊蒙混层含量仍然较高及伊利石含量始终较低的黏土矿物组成特征。在南襄盆地泌阳凹陷核桃园组碱湖沉积物中，也发现了类似的特征[29]。

本文以准噶尔盆地玛湖凹陷风城组烃源岩为研究对象，借助X 射线衍射仪和扫描电镜，表征风城组烃源岩中的黏土矿物特征，并探讨其成因。

1 地质概况

玛湖凹陷位于准噶尔盆地西北部（图1），面积约5 200 km2。玛湖凹陷下二叠统风城组的湖相优质烃源岩被认为是在中国发现的最古老的碱湖沉积，上覆中二叠统夏子街组，下伏下二叠统佳木河组[1，7，9，30-31]。

石炭纪为准噶尔洋洋壳俯冲的高潮期，前期准噶尔盆地火山活动强烈，总体为滨海—浅海—次深海沉积，后期盆地周缘地体拼合，开始海退，至二叠纪早期大洋全面结束[32-33]。受早期火山活动和气候频繁变化的影响，下二叠统风城组形成了独特的“碱湖”[6，7，31]。风城组碱湖沉积发育一个完整序列，自下而上划分为风一段、风二段和风三段，各层段岩相差异较大[6]（图2）。风一段沉积前期，火山活动强烈，气候较干旱，火山碎屑岩-沉火山碎屑岩发育；沉积后期火山活动逐渐减弱，气候较湿润，凝灰质泥岩夹杂白云质砂岩共同发育[6-7]。风二段沉积期，气候转向干热，湖盆萎缩，水体碱性逐渐增强，碱性矿物及泥质白云岩发育，作为主要生烃母质来源的嗜碱菌藻类也大量发育，共同形成主力烃源岩[3，11，34]。风三段沉积期，气候再次转为湿润，湖平面升高，湖盆开始淡化，以陆源碎屑岩、白云质岩沉积为主[3，9-10]。

2 样品采集及测试方法

在研究区风城组4 000～4 500 m 深度范围内共采集岩石样品30 个，其中风南1 井18 个、风南2 井4 个、风南4 井3 个、风南5 井1 个、风南8 井3 个、风南14 井1 个。选取其中21 个样品用于X 射线衍射实验分析，以获得黏土矿物相对含量；9 个样品用于扫描电镜分析，以获得岩石结构及矿物形态特征。另外参考了玛页1井8个样品的数据。

（1）X射线衍射实验 实验参考SY/T 5163—2018《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X 射线衍射分析方法》，提取黏土矿物并进行X 射线衍射实验。首先对样品进行前处理，索氏抽提72.0 h 以去除有机质，将抽提后的样品研磨至粒径不超过75 μm，称量3 g 样品放入100 mL 烧杯中，加入100 mL 蒸馏水，震荡搅拌，静置4.0 h。待黏土成功悬浮，取50 mL 上层黏土溶液离心30 min。实验过程中遇部分样品静置后未悬浮，采用如下方法继续去除有机质：在恒温50 ℃的水浴锅内首先加入质量分数30%的H2O2溶液去除有机质，再加入EDTA 粉末去除碳酸盐，其间约2 min搅拌一次，直到无气泡产生。离心清洗样品，保证将添加的物质清洗干净。然后取样涂片，自然风干制成自然片，乙二醇饱和7.0～9.0 h制成乙二醇饱和片，马弗炉500 ℃高温加热2.5 h制成高温片，进行测量。

（2）扫描电镜实验 利用ZEISS Crossbeam 540场发射环境扫描电镜，观察岩样中黏土矿物的赋存状态。首先将氩离子抛光后的岩石样品用导电胶粘接在样品台上，然后将粘有岩石样品的样品台放入聚焦离子束扫描电镜样品仓内，抽真空。待样品室仓内真空度达到仪器要求时，打开电子束，调节电镜工作距离，使用背散射模式对岩石表面进行观察。然后将样品台旋转，以使离子束与样品表面垂直，使用镓离子束对样品进行切割处理。接下来使用配套软件控制聚焦离子束和扫描电镜，对岩石横截面进行连续切割和成像。

3 风城组黏土矿物特征

3.1 黏土矿物组分

根据测定，玛湖凹陷风城组烃源岩中，主要的黏土矿物包括蒙皂石、伊蒙混层和伊利石（表1）。

表1 玛湖凹陷风城组黏土矿物相对含量Table 1.Relative contents of clay minerals in Fengcheng formation，Mahu sag

黏土矿物有2 种组合。①以蒙皂石为主，伊蒙混层和伊利石含量均较低。如风南1 井深度4 097.90～4 193.25 m（表1），蒙皂石含量为97%～100%，未检出伊蒙混层，伊利石相对含量最高为3%，部分样品未检出伊利石。②以伊蒙混层为主，蒙皂石几乎全部消失，伊利石含量相对较低。伊蒙混层相对含量最高为100%，平均超过80%；伊利石相对含量最高为36%，部分样品未见伊利石，平均不足15%，蒙伊混层比为5%～80%，平均达37%。

3.2 微观特征

扫描电镜实验结果表明，风南2井、风南4井和风南8井黏土矿物的主要成分为伊蒙混层和伊利石（图3）。伊蒙混层呈不规则鳞片或蜂窝状，大小不等。伊利石一般呈弯曲片状，有2 种产状，一种分布在粒表，以孔隙衬里的形式产出；一种分布于粒间，以孔隙充填形式产出。除碎屑颗粒外，伊蒙混层含量高，伊利石含量较低，伊蒙混层未随着深度增加而减少，这与X 射线衍射分析结果一致。

如前所述，在一般演化序列中，随着地层深度增大，成岩作用增强，蒙皂石通过伊蒙混层向伊利石转化。通常在4 000 m 以深，蒙皂石和伊蒙混层几乎全部转化为伊利石（图4、图5）。如江汉盆地潜江组（1 300～2 300 m）伊利石含量高达95%，蒙皂石伊利石化几乎全部完成[35]；在柴达木盆地西缘下干柴沟组3 500 m 左右，泥页岩黏土矿物中伊利石最发育，相对含量平均值达55%，不含蒙皂石[36-37]；鄂尔多斯盆地延长组泥页岩（2 000 m 左右）中，伊利石相对含量占黏土矿物总量的近60%[38]。风城组采样深度均超过4 000 m，但其黏土矿物始终以伊蒙混层或蒙皂石为主，平均相对含量超过55%，而伊利石却不足20%，蒙皂石伊利石化进程总体缓慢。值得一提的是，泌阳凹陷核桃园组碱湖相烃源岩中黏土矿物组成也表现出了类似的特征[29]，核桃园组泥页岩伊蒙混层平均相对含量为62%，伊利石平均相对含量为36%。2 个不同时代、不同地区的碱湖沉积表现出极为相似的黏土矿物分布规律，似乎指示着碱湖沉积中蒙皂石的伊利石化进程受阻。

4 风城组黏土矿物成因

4.1 火山活动和气候条件

文献资料表明，在火山活动强烈或曾经发生过强烈火山活动的地区，地层中，尤其是火山碎屑含量较高的地层中，通常存在大量自生蒙皂石[17，39-40]。火山物质形成于高温条件下，在进入盆地后，经历沉积作用后被埋藏，发生成岩作用。火山碎屑物质成岩变化最突出的是火山玻璃的脱玻化作用，当处在水介质中，则经水解脱玻，向沸石、蒙皂石和高岭石类矿物转化。若水介质为碱性或偏碱性时，凝灰物质极易蚀变为蒙皂石[41]。因此，以钙碱系列为主的壳源物质、重熔型岩浆系列及陆源碎屑都是形成蒙皂石的较好物源[42]。并且高含量的蒙皂石常与干湿交替气候相关，在温带半干旱气候区，降水较少，组成蒙皂石的可溶性元素可以在地层中积累下来，为蒙皂石的形成提供物质保障[17]。

在石炭纪—早二叠世，准噶尔盆地西北缘构造活动强烈，历经了多次构造抬升，期间火山活动频繁，石炭系、下二叠统佳木河组和风城组风一段均出现火山岩及火山碎屑物质，为蒙皂石的形成提供了物质保障[1，3，6-7，9-10]。风城组沉积期，玛湖凹陷正处于半干旱的气候环境，封闭湖盆在周缘碱性火山活动、同沉积火山活动及衍生热液的影响下形成碱湖[7，12，30]。作为碱湖沉积环境中重要的外源输入物质，火山岩和火山碎屑物质在成岩过程中经过不充分的淋滤作用，产生利于蒙皂石聚积的组分，最终在地层中形成大量蒙皂石[43]。泌阳凹陷在元古宙、古生代早期、二叠纪和侏罗纪—白垩纪，也曾出现过火山活动[44-45]，发育不同程度的花岗质—闪长质岩，火山物质在同样干湿交替的气候环境中发生蚀变作用[46]，促进蒙皂石的形成。

4.2 碱性水体中的调节作用

前人对南里海盆地成岩过程中黏土矿物的实验研究发现，沉积盆地的水化学环境对沉积后蒙皂石转化的强度有重要影响，随着水中NaHCO3浓度的增加，蒙皂石的含量增加，而蒙皂石相对含量与CaCl2浓度呈负相关关系[47]。实验还发现，NaHCO3溶液中的蒙皂石伊利石化进程相对于CaCl2溶液水更加缓慢，其他因素相同的情况下，含有的碱性水介质有利于蒙皂石的保存。地层水资料证实，风城组碱湖相沉积物中阴离子以为主（表2），其相应的黏土矿物组合也明显具有蒙皂石伊利石化受抑制的现象，这两者之间极有可能存在着耦合关系。

表2 玛湖凹陷风城组沉积物中主要离子组成Table 2.Compositions of main ions in Fengcheng formation sediments in Mahu sag

蒙皂石是由铝氧八面体和硅氧四面体交错形成的含水层状结构硅酸盐矿物，在成岩晚期，八面体中的Al3+取代四面体中的Si4+，置换引起的净负电荷使K+进入层间，取代黏土层中的阳离子（Na+或Ca2+），蒙皂石经伊蒙混层逐渐转化为伊利石。蒙皂石伊利石化受时间、温度等多种因素的共同影响，有研究详细对比了准噶尔盆地玛湖凹陷风城组和柴达木盆地西缘下干柴沟组样品的古地温梯度、地层压力系数和K+浓度，表明风城组碱湖中蒙皂石伊利石化受到了上述因素以外其他因素的影响，如的影响[48]。

Roberson 等人将蒙皂石用CaCl2冲洗至Ca2+饱和，除去Cl-，置于含有和K+的体系中，设置反应温度270 ℃，反应60 d 后仍未见有序伊蒙混层，认为蒙皂石中的Ca2+抑制了蒙皂石伊利石化[49]。张俊程等[50]通过热模拟实验观察蒙皂石向伊利石转化的过程，发现随着伊蒙混层的出现，层间离子中K+含量增加，Ca2+占比逐渐降低，至反应结束时完全消失。虽然这2 组实验本质都是基于蒙皂石伊利石化过程中K+置换层间阳离子Ca2+，但结果却是前者蒙皂石伊利石化受阻，后者蒙皂石经伊蒙混层顺利转化为伊利石。笔者注意到，这2 项研究的关键区别在于Roberson 的实验中含有大量的，这与风城组等碱湖沉积盆地中的主要阴离子相同。一个可能的推测是，同Roberson 的实验一样，风城组碱湖沉积时期水体中富含或，那么一旦有Ca2+从黏土矿物层间被K+置换出，都会与之迅速结合形成溶解度极低的CaCO3，生成的CaCO3沉淀，可能会附着在水岩接触界面上，从而延缓或阻止K+进入层间，进而阻碍反应的持续发生，导致蒙皂石向伊利石的转化减慢。

5 结论

（1）准噶尔盆地玛湖凹陷风城组黏土矿物整体以蒙皂石和伊蒙混层为主，伊利石相对含量较低，有2 种形式：以蒙皂石为主，未见伊蒙混层，伊利石相对含量极低；以伊蒙混层为主，蒙皂石几乎全部消失，伊利石含量相对较低。

（2）气候环境和火山岩的发育造就了风城组碱湖相烃源岩中丰富原生蒙皂石的形成。风城组沉积前期火山活动强烈，周缘中基性火山岩及火山碎屑物质为碱湖沉积中蒙皂石的形成提供物质来源，干湿交替的气候条件促使火山物质的水解蚀变形成了大量的蒙皂石。

（3）碱湖黏土矿物的转化过程中，被K+置换出的Ca2+迅速与碱湖中固有的主要阴离子或结合形成CaCO3沉淀，新生的CaCO3沉淀附着在水-岩接触界面，阻碍K+进入层间，从而抑制蒙皂石伊利石化的进程。