川西南峨眉山玄武岩中蚀变绿泥石的成分特征及其地质意义

任杰 郗爱华 郑江 武浩宇 李亚 成炼 葛玉辉 姜欢

任杰，郗爱华，郑江，等.川西南峨眉山玄武岩中蚀变绿泥石的成分特征及其地质意义.吉林大学学报（地球科学版），2024，54（3）：877889.doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20220181.

Ren Jie， Xi Aihua， Zheng Jiang，et al. Composition Characteristics and Geological Significance of Altered Chlorite in Basalt of Emeishan， Southwestern Sichuan. Journal of Jilin University （Earth Science Edition），2023，54（3）：877889. doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20220181.

摘要：

在火山岩和碎屑岩储层中普遍发育大量绿泥石，影响着物性。为查明火山岩中蚀变绿泥石的成因及其对储层物性的影响，本次工作选取川西南峨眉山典型剖面、ZG1井、ZG2井以及YT1井等系列玄武岩样品进行

岩相学研究

和电子探针微区成分分析。结果显示：玄武岩中绿泥石大致可分为显晶质、隐晶质和微晶3种结晶类型，总体上属于富铁种属的铁斜绿泥石（辉绿泥石）和铁镁绿泥石，形成于富铁的还原环境；

隐晶质与微晶和显晶质绿泥石分别受到岩浆期后热液和来自深部的多期次构造热液叠加蚀变的控制，形成主要表现为Fe2+对Mg2+的成分置换，反映流体具有从碱性向弱酸性中酸性过渡的变化规律。绿泥石的形成过程对火山岩储集空间的影响具有双重作用：岩浆期后热液的充填结晶充填减少了火山岩原生孔隙并降低储层物性，对火山岩储层起到破坏性作用；多期次构造热液的溶蝕迁移沉淀则产生了新的微孔，对火山岩储层起到建设性作用。

关键词：

绿泥石；微区成分分析；峨眉山玄武岩；火山岩储层；川西南地区

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20220181

中图分类号：P58

文献标志码：A

收稿日期：20220617

作者简介：任杰（1998—），男，硕士研究生，主要从事火山岩蚀变和储层方面的研究，E-mail：renjiegeo@163.com

基金项目：中石油西南油气田分公司项目（XNS14JS2019029）；中国地质调查局项目（DD2019015930）

Supported by the Project of Petro China Southwest Oil & Gas Field Company （XNS14JS2019029） and the Project of China Geological Survey （DD2019015930）

Composition Characteristics and Geological Significance of Altered Chlorite in Basalt of Emeishan， Southwestern Sichuan

Ren Jie 1， Xi Aihua1， Zheng Jiang 1， Wu Haoyu2， Li Ya3， Cheng Lian1， Ge Yuhui1， Jiang Huan1

1. School of Geosciences and Technology， Southwest Petroleum University，Chengdu 615000， China

2. PetroChina Changqing Oilfield Company，Xian 710016 ， China

3. Exploration and Development Research Institute，Petro China Southwest Oil & Gas Field Company， Chengdu 610950， China

Abstract：

Previous research has shown that a large number of chlorites are commonly developed in volcanic and clastic rock reservoirs， which affects the physical properties of these reservoirs. In order to study the influence of the genetic mechanism of chlorite alteration in volcanic rocks on reservoir physical properties， a series of basalt samples from the typical section of Mount Emei， wells ZG1， ZG2 and YT1 were selected for petrographic research and micro-area composition analysis. The results show that chlorite in basalt can be roughly divided into three crystal types： Crystalline， cryptocrystalline and microcrystalline， and generally belonging to ferroan clinochlore （diabantite） and brunsvigite， formed in an iron-rich reducing environment. The rare earth element characteristics show that the three chlorite types result from the multi-stage superposition and transformation of hydrothermal fluids and tectonic hydrothermal fluids after the magmatic stage. During their formation process， it is mainly represented by the replacement of Fe2+ with Mg2+， reflecting a transition in fluid from alkaline to weakly acidic， following an intermediate acid acid variation law. The formation process of chlorites has a dual effect on the storage space of volcanic rocks： The filling and crystallization of hydrothermal fluid after the magmatic stage reduce the primary pores of volcanic rocks， thereby diminishing reservoir physical properties. Whereas the dissolution-migration of tectonic hydrothermal fluids generates new micropores， enhancing reservoir physical properties.

Key words：

chlorite; electron probe analysis; Emeishan basalt; volcanic rock reservoir; southwest Sichuan

0  引言

峨眉山大火成岩省是1929年被赵亚曾先生命名的我国目前唯一被国际学术界认可的大火成岩省，以四川、贵州及云南等地区广泛发育的二叠纪中晚期巨厚的“峨眉山玄武岩”为标志［12］。

中国石油天然气集团有限公司勘探的YT1井成功测试，并获得日产量为22.5×104 m3的工业气流，标志着四川盆地内二叠系火山岩勘探取得重大突破［34］。前人［510］研究表明，川西南地区火山岩原生孔隙多为孤立的孔洞系统，连通性较差，其储集空间主要为后期形成的裂隙以及各种次生孔隙。火山岩常见的充填与胶结的绿泥石，不仅是火山岩储层中数量最多的次生蚀变矿物，也广泛存在碎屑岩储层中，主要由黏土矿物在地层埋藏演化中转化形成；其不仅能形成薄膜，抑制石英的自身加大和在孔隙内部形成衬里，降低压实作用对孔隙的减少，还能保持储层油润湿性。同时，作为敏感性的黏土矿物，绿泥石通常也会占据有效空间，并对储层起到破坏性的作用［1117］。

火山岩中的绿泥石一般被认为是其中的辉石或者角闪石等镁铁质矿物的热液蚀变成因，但对火山岩储层的影响前人鲜有研究。对四川西南部多口钻井岩心及典型的火山岩剖面岩石学及矿物学研究发现，峨眉山玄武岩中的绿泥石在形态、产状、光学性质及空间分布上具有多样性特点，暗示它们可能具有不同的生成顺序及成因。前人［1822］研究表明，绿泥石的种类和化学成分与原岩、环境以及流体性质有关，其对于储层形成机制以及成矿作用中的地层埋深、流体来源以及地质演化过程的物理化学条件变化均具有指示作用。本次工作在已有的岩石学基础上，以电子探针原位微区成分分析为主，结合稀土元素测试分析，对川西南火山岩中蚀变绿泥石的成分特点、形成环境和形成期次进行研究，还原其蚀变演化过程，探讨玄武岩成岩后热液活动对火山岩储层物性的制约机制，以期为四川盆地火山岩储层及预测提供矿物学支撑。

1  区域地质概况

研究区地处扬子板块西缘的四川盆地西南部（图1），位于龙泉山断裂与宝兴—宜宾断裂的交会处。区内发育峨眉山大火成岩省中带的溢流相基性玄武岩（P2β），与下伏的茅口组（P2m）生屑灰岩及上覆的宣威组（P3x）碎屑岩呈不整合接触或假整合接触。玄武岩在盆地内埋深一般为1 000～4 500 m，在盆地的西南部边缘常出露于地表，出露厚度为400～500 m，且具有从SW向NE方向逐渐变薄的趋势变化。

本次重点研究的火山岩剖面位于沙湾镇二峨山范店乡（EM剖面），剖面起点坐标为29°22′20″N，103°26′27″E；终点坐标为29°22′52″N，103°26′57.52″E，总长约430 m，出露在“村村通”公路两侧，弱风化且连续性好。实测剖面（图2）显示，玄武岩自下而上可识别出辉石玄武岩、斜斑玄武岩与粗面玄武岩3种岩性（图3）。

辉石玄武岩：岩石多呈致密块状构造，无斑或者少斑结构（图3d）。斑晶为斜长石或者少量的辉石。基质矿物组合为长石、辉石与磁铁矿，构成间隐间粒结构，普遍发生绿泥石化、皂石化、绿帘石化、沸石化、碳酸盐化及硅化等蚀变，局部强烈蚀变，孔洞充填绿泥石、方解石等热液矿物构成次生杏仁体，在空间上受構造控制呈串珠状分布。

斜斑玄武岩：岩石主要呈致密块状构造，少斑和聚斑结构（图3e）。斑晶体积分数在5%～20%之间，主要为柱状板柱状斜长石。基质由板柱状的微晶长石、不透明磁铁矿、火山玻璃及绿泥石化辉石颗粒构成间隐间粒结构。长石普遍发生高岭土化和绢云母化，蚀变表面略显污浊，辉石等暗色矿物通常发生绿泥石化和褐铁矿化蚀变，蚀变形成的基质溶孔常被隐晶质绿泥石充填。

粗面玄武岩：多呈致密块状构造，无斑或少斑结构。斑晶主要为斜长石和钾长石（图3f），体积分数不足10%，且钾长石以发育卡氏双晶为特征。基质长石与粒间充填的辉石及磁铁矿构成间粒结构，局部可见间隐与填间结构。蚀变矿物以绿泥石为主，含少量钛铁氧化物、石英及方解石等，靠近断裂构造的区域杏仁体大量发育，其中常见石英、绿泥石、沸石及方解石等热液矿物充填。

据文献［23］修编。

2  绿泥石镜下特征

对中国石油天然气集团有限公司的ZG1井、ZG2井、YT1井以及范店剖面的玄武岩镜下鉴定发现，绿泥石是玄武岩中普遍发育的次生蚀变矿物，体积分数最多可达30%以上。依据绿泥石的空间产状可大致划分为杏仁体和基质充填两种类型。其中：杏仁体充填型绿泥石可分为显晶质和微晶两种结晶状态，其既可以全部充填杏仁体内，也可以与其他矿物环带状多期次充填；基质充填型绿泥石则主要赋存在基质矿物粒间，以溶孔和斑晶缝隙充填的隐晶质为主，颗粒细小且结晶程度低。

显晶质绿泥石：形态多呈放射形的花瓣状显晶质集合体充填在次生杏仁体内，单偏光下呈浅黄色—黄褐色多色性，正交光下呈一级灰—黄褐异常干涉色（图4a）。杏仁体多呈椭圆状或者串珠状沿微裂隙分布（图4b、c），具有明显的裂控型特点。通常可见杏仁体的外部边缘发育颜色不同的微晶绿泥石及石英的环边，显晶质绿泥石在杏仁体内与皂石、褐铁矿、石英及方解石等矿物伴生。

微晶绿泥石：通常在显微镜下以纤维状微晶集合体的形式全部或者部分环带状充填在原生气孔中形成杏仁体，单偏光下具灰黄—褐黄色多色性，正交偏光下呈一级灰褐—蓝灰异常干涉色，部分可具十字消光特点（图4d）。杏仁体多呈孤立的圆形椭圆形（图4e），少数沿微裂隙呈串珠状分布。具有微晶绿泥石充填的杏仁体多发育硅化边，中心也可见显晶质绿泥石、微晶石英集合体及方解石（图4f），显示出蚀变热液多期次叠加的特点。

隐晶质绿泥石：显微镜下难以分辨绿泥石的单体形态，通常以不规则隐晶质集合体的形式充填在基质矿物粒间溶孔和斑晶的解理扩溶缝内。绿泥石细小且结晶程度低，单偏光下呈浅绿—褐黄色多色性，一级灰褐异常干涉色（图4g）。绿泥石的充填状态显示其为辉石等暗色矿物的热液溶蚀成因，部分不规则基质溶孔可扩溶成次生杏仁体（图4h、i）。

3种绿泥石在充填位置、形态特征、光学性质以及充填先后顺序上存在明显差异，并且在玄武岩中的整体空间分布也存在不同。其中，隐晶质绿泥石通常在玄武岩上部和顶部发育较多，显晶质和微晶

绿泥石大多沿构造裂隙分布，且明显存在蚀变程度随着远离裂隙而逐渐变弱的趋势。

3  绿泥石微区成分

选取剖面上不同岩性的玄武岩磨制探针片，在西南石油大学电子探针实验室进行绿泥石微区成分分析。测试仪器为JEOLJXA8230型电子探针，加速电压15 kV，加速电流20 nA，束斑直径为4 μm。标样采用天然矿物或者合成金属国家标准，分析误差在±0.01%以内。绿泥石中的n（Fe3+）（物质的量）一般小于铁总量的5%，电子探针分析过程中Fe2+可以近似地用全铁质量分数处理［24］。

3.1  测试结果

绿泥石的微区成分数据见表1，将氧化物含量处理为阳离子物质的量后的特征值见表2（以14个氧原子为标准）。隐晶质与微晶绿泥石成分相似，表现在SiO2、MgO质量分数较低，与显晶质类型差异明显；但总体上绿泥石SiO2、FeO与MgO和Al2O3质量分数之间呈明显的负相关关系，即随着SiO2、FeO质量分数增加，绿泥石中的Al2O3、MgO质量分数降低，揭示峨眉山玄武岩绿泥石普遍存在Mg2+、Fe2+、Al3+等阳离子之间的相互置换。3种绿泥石均表现出高CaO质量分数的成分特点，尤其是显晶质绿泥石的CaO平均质量分数为1.46%，明

显高于其他两种（平均为0.75%）。Foster［25］研究认为，在未被外源物质混染的绿泥石结构中，由于没有Na+、K+、Ca2+等大的阳离子，其w（Na2O+K2O+CaO）<0.5%，峨眉山玄武岩中绿泥石的高钙特点，得益于玄武岩镁铁质矿物及蚀变热液的成分，与前人［2628］关于玄武岩蚀变成因绿泥石CaO质量分数远大于0.5%相一致。

3.2  绿泥石种类判别

原位成分分析在绿泥石研究中占据着重要的地位。前人［25，2930］研究发现，绿泥石的成分特点和种类受到形成时母岩成分、流体温度、环境酸碱度、氧化还原条件等因素的制约。将以14个O原子为标准对样品数据处理后得到阳离子特征值（表2）进行FeSi原子数比投图［31］，绿泥石主要分布在2个不同的区间（图5）：微晶质绿泥石具有高Fe低Si原子

数成分的特点，主体分布在铁镁绿泥石区间，少量归属于铁斜绿泥石（辉绿泥石）；显晶质绿泥石则表现为低Fe高Si原子数，散布在铁斜绿泥石区间；隐晶质绿泥石位于2种类型的交界。

3.3  阳离子置换特点

绿泥石结构通式为（（Mg2+，Fe2+，Mn2+）x（Al3+，Fe3+，Cr3+）y□z）Ⅵ（Si4-uAlu）ⅣO10+w（OH）8-w。其中：Ⅳ和Ⅵ分别代表四次配位和六次配位；□代表结构空穴；x+y+z=6；u代表四次配位上Al3+的物质的量；w是被替代的阴离子，它的数值通常很小。绿泥石中Al3+可以分别对四面体上的Si4+、八面体上的Mg2+、Fe2+等阳离子进行置换，镁铁质矿物蚀变为绿泥石的过程实质上就是Al置换Si的过程［32］。随着Al3+对Si4+的逐渐替代，绿泥石对矿物的蚀变作用也逐渐加强。

峨眉山玄武岩中所有绿泥石的AlⅣ值均小于AlⅥ值，说明Al3+在八面体上对Fe2+、Mg2+的置换高于Al3+在四面体上對Si4+的置换。在n（AlⅥ）n（AlⅣ）关系图（图6a）中，显晶质与微晶绿泥石的AlⅣ值和AlⅥ值存在明显的负相关性，印证了流体蚀变交代形成绿泥石的过程中Al3+的规律性变化。但隐晶质绿泥石的n（AlⅣ）n（AlⅥ）相关性不强，表明其四面体和八面体上Al3+对阳离子的置换情况复杂，可能存在多种成因的复合与叠加。n（AlⅥ+Fe2+）n（Mg2+）关系图（图6b）显示，Al3+和Fe2+都与Mg2+存在离子置换关系。但在n（Fe2+）n（Mg2+）与n（AlⅥ）n（Mg2+）关系图解（图6c、d）中，绿泥石的n（Mg2+）n（Fe2+）相关性强于其n（Mg2+）n（AlⅥ）相关性，表明在峨眉山绿泥石形成过程中八面体位置上主要表现为Fe2+对Mg2+的置换，揭示了绿泥石形成于高铁的流体环境，且与镜下所见的绿泥石与铁矿化的伴生现象相互印证，明确了峨眉山3种富铁种属的绿泥石是高铁流体作用于玄武岩的蚀变结果。

前人［33］在研究Barberton绿岩带绿泥石的过程中发现，由一次变质作用形成的绿泥石中，其主要阳离子与Mg2+物质的量应具有较好的线性相关性。峨眉山玄武岩绿泥石的Mg2+与主要阳离子物质的量关系图解（图6c、d、e）显示，3种绿泥石的Mg2+与Fe2+、AlⅥ、Si4+等阳离子物质的量都存在明显的线性关系，但显晶质绿泥石n（Mg2+）n（Si4+）呈负相关性，隐晶质和微晶两种绿泥石呈正相关。结合n（AlⅣ）Fe2+/（Fe2++Mg2+）关系图（图6f），可知不同类型绿泥石的成因受到单一热液流体控制，但不同绿泥石阳离子与镁离子物质的量相关存在差异，表明其不是形成于同一热液环境，而可能是多期热液分别作用的结果。

4  讨论

4.1  绿泥石的形成环境

绿泥石是一种中—低温压环境下的常见矿物，其成分和结构的变化能揭示其形成环境。绿泥石的

n（Fe2+）/n（Fe2++Mg2+）值的变化一般与系统的氧逸度有关，系统还原度越高则n（Fe2+）/n（Fe2++Mg2+）值越大［34］，且绿泥石六次配位的八面体空间Fe2+和Mg2+的类质同像替代也能表征形成环境的酸碱度，即如果存在广泛的Fe2+替代Mg2+则表示为相对的酸性环境；反之，如果Mg2+取代Fe2+则需要相对碱性的环境［35］。峨眉山玄武岩中显晶质绿泥石的n（Fe2+）/n（Fe2++Mg2+）值主要分布在0.42～0.58之间，微晶与隐晶绿泥石比值集中在0.51～0.63之间，且表现出明显的Fe2+置换Mg2+，揭示了绿泥石形成于还原性的热液流体的水岩反应，且环境具有从碱性向中性、弱酸性逐渐过渡的变化特点。

4.2  绿泥石的蚀变流体来源

选取剖面3种类型绿泥石样品，在澳大利亚昆士兰大学放射性同位素实验室进行激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪（LAICPMS）测试分析（成果见另文［36］）。绿泥石球粒陨石标准化后的原位稀土元素总体上具有轻稀土元素富集的右倾型模式（图7），但3种绿泥石轻、重稀土元素分馏程度存在明显差异。其中：隐晶质绿泥石稀土元素配分具有轻微的Eu负异常，配分模式与峨眉山玄武岩呈现高度一致，且无明显的稀土元素流失及分馏程度的差异，说明其与玄武岩的稀土元素之间具有继承性；微晶绿泥石稀土元素配分具明显的Eu负异常，轻、重稀土元素分馏程度高，表明其蚀变流体可能源于分馏程度较高的热液流体；显晶质绿泥石稀土元素总量最低，具强烈Eu和Ce负异常，稀土元素呈现亏损重稀土元素的右倾型形态，具有明显受到深部热液和地层水叠加改造的特点。原位稀土元素的特点在一定程度上支持隐晶质绿泥石源自岩浆期后热液的自蚀变，而微晶绿泥石和显晶质绿泥石则受到后期区域构造热液的叠加与改造。

4.3  绿泥石的形成期次及对火山岩储集空间的影响

近几年四川盆地内发现了大量非常规火山岩储层，以ZG2井、YT1井为代表的火山熔岩储层形成机制一直是关注的焦点。而川西南玄武岩储层原生孔隙的孔隙度和渗透率都较差，优质的储层空间通常与构造破碎和热液改造形成的次生溶孔和微裂隙密切相关，蚀变成因的绿泥石是影响次生孔隙最重要的黏土矿物。根据3种绿泥石的形态、产状、成分、结构、形成温度以及稀土元素特征，可大致将峨眉山玄武岩中绿泥石的形成分为2个阶段：

1）岩浆期后热液自蚀变阶段。二叠纪末期峨眉山大火成岩省的大面积喷发结束后，漫长的期后热液对玄武岩中正在冷却的辉石、角闪石等暗色矿物进行蚀变交代，显微镜下可见暗色矿物全部消失或者部分残留，蚀变产物即为充填在基质矿物粒间的隐晶质绿泥石，并且由于岩浆期后热液密度低于玄武岩，这种基质蚀变通常在溢流玄武岩的上部和顶部更加强烈。该种绿泥石颗粒细小，堵塞了原生的气孔和粒间孔，降低了火山岩的孔隙度和连通性，对川西南火山岩储层起到了破坏性作用。

2）多期次构造热液叠加蚀变阶段。二叠纪以来，四川盆地遭受了海西、印支、燕山及喜马拉雅等构造运动，其不仅使玄武岩产生相应的构造形变，更是为来自深部的构造热液与玄武岩之间的水岩反应提供了通道。这种多期次的构造热液对玄武岩的溶蚀具有非均质性，在断裂带附近的玄武岩多发育“串珠状”的次生杏仁体，且靠近断裂带杏仁体分布密集，远离断裂带杏仁体数量减少并逐渐消失。多期次构造热液作用于玄武岩不仅会直接形成绿泥石，还会溶蚀、萃取、活化迁移玄武岩中的鎂铁质组分以绿泥石胶体的形式运移至原生气孔和次生溶蚀孔中沉淀结晶绿泥石。这个过程中，流体溶蚀迁移在岩体中形成大量未被充填的次生微孔（图8a、b、c）和充填残余孔隙（图8d、e、f），为川西南玄武岩储集天然气提供了新的储集空间，改善了火山岩储层的物性。

不同成因的绿泥石对火山岩储层的影响重大，至少在储集空间形成的过程中起到了双重作用：岩浆期后热液对玄武岩溶蚀交代，形成的隐晶质绿泥石通常充填原生孔隙降低火山岩储集性能；而多期次构造热液的叠加蚀变形成绿泥石的过程，一方面绿泥石会阻塞原有的孔喉结构影响物性，另一方面热液流体的迁移过程又会形成大量未被充填的次生微孔，改善火山岩储层的物性。并且绿泥石的形成会产生大量H+，促使原本孤立的原生孔隙连通性增强。综合分析认为，多期构造热液流体溶蚀—迁

ac. YT1井，不规则溶孔被黄绿色绿泥石充填形成次生杏仁体，发育大量未充填的微孔，蓝色铸体（-）；d. YT1井，不规则杏仁体被两期绿泥石充填，内部绿泥石被后期改造发育未充填微孔，蓝色铸体（-）；ef. YT1井，不规则次生杏仁体被绿泥石充填，发育杏仁体充填残留孔隙，蓝色铸体（-）。

移—沉淀结晶绿泥石的过程，在一定程度上改善了火山岩储层的物性，是川西南峨眉山玄武岩能否构成天然气储层的重要制约因素。

5  结论

1）峨眉山玄武岩中大量蚀变成因的绿泥石可以分为显晶质、隐晶质以及微晶3种结晶类型。其中，隐晶质绿泥石赋存在玄武岩基质矿物粒间，微晶绿泥石和显晶质绿泥石一般充填在位于杏仁体中，并显示出由老到新的形成顺序。

2）峨眉山绿泥石均为富铁种属，显晶质和隐晶的绿泥石属于铁斜绿泥石（辉绿泥石），微晶属于铁镁绿泥石，指示其形成于还原环境。绿泥石八面体位置上阳离子表现为Fe2+对Mg2+的普遍置换，揭示出蚀变热液具有富Fe且由碱性向弱酸中酸性逐渐过渡的变化特点。且稀土元素特征显示，隐晶质与微晶和显晶质

绿泥石分别受到了岩浆期后热液和来自深部的多期次构造热液叠加蚀变的控制。

3）绿泥石的形成过程对川西南火山岩储集空间起到双重制约作用。岩浆期后热液的充填—结晶减少了火山岩的原生孔隙，降低储层物性；而多期次构造热液的溶蚀—迁移—沉淀结晶形成大量未充填的次生微孔，提供了新的火山岩有效储层空间。

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