松辽盆地南部红岗阶地和华字井阶地含片钠铝石砂岩中的黏土矿物特征

王力娟¹，刘立¹，杨会东²，田海龙³，刘娜¹，孟繁奇¹，于淼¹

(1. 吉林大学 地球科学学院，吉林 长春，130061

2. 中国石油吉林油田公司 勘探开发研究院，吉林 松原，138001

3. 吉林大学 环境与资源学院，吉林 长春，130061)

摘要：松辽盆地南部中央坳陷红岗阶地和华字井阶地含片钠铝石砂岩中黏土矿物主要由伊/蒙混层、伊利石和高岭石组成。采用比较岩石学和数值模拟方法，比较红岗阶地青山口组和华字井阶地泉头组含片钠铝石砂岩与对照组砂岩的岩石学特征。研究结果表明：含片钠铝石砂岩中绿泥石缺失，高岭石和伊利石质量分数显著增加；绿泥石溶解和高岭石沉淀作用发生在深大断裂附近，深大断裂是幔源CO₂运移的主要通道；CO₂充注引起注入点附近砂岩储层中绿泥石溶解和自生高岭石沉淀以及长石的高岭石化；长石等可溶性矿物的溶解，为伊/蒙混层向伊利石转化提供必需的K⁺，促进伊/蒙混层向伊利石的转化。

关键词：含片钠铝石砂岩；黏土矿物；数值模拟；天然类比

中图分类号：P588. 2          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)06-2392-10

Characteristic of clay in dawsonite-bearing sandstones in Honggang terraces and Huazijing terraces of Songliao basin

WANG Lijuan¹, LIU Li¹, YANG Huidong², TIAN Hailong³, LIU Na¹, MENG Fanqi¹, YU Miao¹

(1. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China;

2. Exploration and Development Institute, Jilin Oilfield, Songyuan 138001, China;

3. Environment and Resources, Jinlin Uinversity, Changchun 130061, China)

Abstract: Clay minerals consist of illite/smectite, illite and kaolinite in dawsonite-bearing sandstones in Honggang terrace and Huazijing terrace in south of Songliao Basin. The petrology of dawsonite-bearing sandstone and control group from Honggang terrace and Huazijing terrace was investigated by the method of comparative petrology and numerical simulation. The results show that chlorite in dawsonite bearing sandstone is lack, and the mass fraction of kaolinite and illite significantly increases. Dissolution of chlorite and precipition of kaolinite occur in deep fault, which is the main channel of mantel-genetic CO₂ influx. Chlorite dissolution, authigenic kaolinite precipition and kaolinization of feldspar are impacted by CO₂ injection. CO₂ inject leads to dissolubility feldspar dissolution. K-feldspar dissolution mainly provides K⁺, which is necessary for illitization of smectite.

Key words: dawsonite bearing sandstone; clay mineral; numerical modeling; natural analogy

CO₂是一种可以溶于水形成酸性流体的“活性气体”，其形成的酸性流体可引起储集砂岩中长石等可溶性矿物的溶解、碳酸盐等新矿物的沉淀以及黏土矿物的转化^[1-2]。在富含CO₂的流体中，黏土矿物的溶解—沉淀作用既影响砂岩对CO₂的矿物圈闭(mineral trapping)能力^[3]，也不同程度地影响泥质岩盖层对CO₂的封闭能力^[4]。CO₂—黏土矿物相互作用的研究途径包括自然类比(natural anologue)^{[2, 4]}、数值模拟^{[3, 5-6]}和实验室实验^[7]。Watson等^[2]通过对比同一构造单元、埋深相当的CO₂气田和天然气田的储层岩石学特征表明：天然气田砂岩储层以普遍存在绿泥石和高岭石阙如为特征，而CO₂气田砂岩储层中绿泥石罕见，相反，自生高岭石的含量相对较高。虽然自然类比^[2]、数值模拟^[3]和实验室实验^[7]从不同途径探索了黏土矿物在富CO₂流体中的地球化学行为，但是，由于这些研究往往是各自独立开展的，方法的局限性不可避免地降低了研究结果的说服力。例如，自然类比方法无法揭示CO₂与黏土矿物的反应过程，数值模拟过程中各项初始参数的选择受目前热力学数据完备性等的制约，实验室实验受时间因素影响等。因此，将自然类比与实验室实验或与数值模拟相结合，才能够全面揭示黏土矿物在富CO₂流体中的地球化学行为。本研究以松辽盆地南部中央坳陷红岗阶地青山口组和华字井阶地泉头组含片钠铝石砂岩和不含片钠铝石砂岩为研究对象，通过岩石学研究(自然类比)与数值模拟相结合的研究方法，试图阐明CO₂充注对砂岩中黏土矿物类型和含量的影响。

1  地质背景

本次研究样品采自松辽盆地南部红岗阶地青山口组和华字井阶地泉头组四段。图1所示为其井位分布。红岗地区在湖盆演化过程中受白城沉积体系控制，沉积了一套以辫状河三角洲为主的沉积体^[8]。含片钠铝石砂岩样品分布于NE向深大断裂附近(图1)，埋藏深度为1.476 5~1.742 0 km，红岗阶地含片钠铝石砂岩中黏土矿物相对质量分数和片钠铝石绝对质量分数见表1。不含片钠铝石砂岩样品埋藏深度为1.250~1.750 km，红岗阶地对照组砂岩中黏土矿物相对质量分数见表2。华字井阶地泉四段受保康水系控制，为三角洲-湖泊沉积体系，主要发育三角洲前缘沉积亚相^[10]。含片钠铝石砂岩样品分布于NW向深大断裂附近，埋藏深度范围为1.188 3~1.668 2 km，华字井阶地含片钠铝石砂岩中黏土矿物相对质量分数和片钠铝石绝对质量分数见表3，不含片钠铝石砂岩样品埋深范围为1.192 93~1.740 26 km，华字井阶地对照组砂岩中黏土矿物相对质量分数见表4。

图1  松辽盆地南部中央凹陷区红岗阶地和华字井阶地含片钠铝石砂岩与对照组砂岩井位分布^[9]

Fig. 1  Locations of wells containing dawsonite-bearing sandstones and control group in Honggang Terraces and Huazijing terraces

表1  红岗阶地含片钠铝石砂岩中黏土矿物相对质量分数和片钠铝石绝对质量分数

Table 1  Mass fraction of clay composition and dawsonite in dawsonite-bearing sandstones in Honggang terraces  %

2  研究思路与分析方法

在研究中采用了比较岩石学和数值模拟相结合的研究思路。首先通过含片钠铝石砂岩(遭受了幔源CO₂充注影响)与同一构造单元、同一沉积环境、大致相同埋深的不含片钠铝石砂岩(未遭受幔源CO₂充注影响，以下称之为对照组砂岩)的岩石学比较，确定幔源CO₂充注对砂岩中黏土矿物类型和质量分数的影响。然后，利用数值模拟软件重建黏土矿物在富CO₂流体中的溶解—沉淀过程。

在比较岩石学研究中，分析或收集了相关砂岩中的黏土矿物的相对质量分数数据，并选择代表性样品利用扫描电镜进行了黏土矿物的形貌特征及其与自生矿物之间的共生关系观察。红岗阶地含片钠铝石砂岩和对照组砂岩中黏土矿物相对质量分数在中国石油勘探开发科学研究院实验中心进行测试。华字井阶地含片钠铝石井砂岩和对照组砂岩中黏土矿物相对质量分数数据收集于吉林油田勘探开发研究院。黏土矿物类型与相对质量分数是利用砂岩中粒度＜2 μm部分经X线衍射分析获得的。分析的仪器型号均为Dmax-2500型；分析条件如下：加速电压为40 kV，电流为40 mA，扫描步长0.02°，时间步长2 s，2θ范围为0~50°。扫描电镜资料收集于吉林油田勘探开发研究院，测试仪器为配置能谱的JM6700扫描电镜，工作条件如下：加速电压为10 kV，加速电流为5.74 mA，束斑小于1 μm。

数值模拟采用的是TOUGHREACT软件^[3]。数值模拟样品采自孤10井泉四段砂岩，埋深为1.596 2 km(表5)，该井内尚未发现示踪CO₂存在的片钠铝石，并且录井资料内未发现CO₂气层。模型采用的基本参数如下：(1) 泉头组四段地层厚度为25~30 m，本次建立的地质模型选取砂岩平均厚度为25 m^[11]；(2) 设置埋深为1.6 km，静水压力梯度为10 MPa/km；地温梯度为0.426 ℃/km^[12]，设置温度为70 ℃(模拟中均视为等温过程)^[3]；(3)水平渗透率为3×10^-3 μm，孔隙度为10%；压缩系数为2.95×10^-9 Pa^-1[13]；(3) CO₂注入速率为14 kg/s^[14]，持续注入时间为10 a，模拟总时间为10 000 a。需要说明的是，因为目前尚不了解幔源CO₂通过断层通道向地壳浅部的运移速率，因此，在模拟中采用了意大利斯特隆布利火山的CO₂释放速率^[14]来替代；(4) 其主要矿物组成及质量分数见表5，伊/蒙混层体积分数按照其混层比，换算成软件需要输入的蒙皂石和伊利石层的体积分数^[3]；(5) 该模型所需其他动力学和热力学参数见文献[3]。

表2  红岗阶地对照组砂岩中黏土矿物相对质量分数

Table 2  Mass fraction of clay composition in control group in Honggang terraces      %

表3  华字井阶地含片钠铝石砂岩中黏土矿物相对质量分数和片钠铝石绝对质量分数

Table 3  Mass fraction of clay composition and dawsonite in dawsonite-bearing sandstones in Huazijing terraces  %

表4  华字井阶地对照组砂岩中黏土矿物相对质量分数

Table 4  Mass fraction of clay composition in control group in Huazijing Terraces        %

表5  孤10井对照组砂岩的矿物组成

Table 5  Mineral composition in control group in well Gu10

3  结果

3.1  岩石学特征

3.1.1  红岗阶地

X线衍射分析结果见表1、表2和图2。从表1、表2和图2可见：红岗阶地仅个别含片钠铝石砂岩中存在绿泥石(质量分数为1%~2%；平均为1.3%)，其质量分数低于对照组砂岩质量分数(质量分数为1%~5%，平均为3%)；大部分样品中检测到高岭石(1%~10%，平均5.1%)，其质量分数高于对照组砂岩质量分数(1%~2%，平均1.7%)；伊利石相对质量分数(12%~56%，平均31.3%)高于对照组砂岩的相对质量分数(6%~34%，平均13.4%)；伊/蒙混层相对质量分数(38%~100%，平均为83.2%)低于对照组砂岩的相对质量分数(66%~100%，平均83.8%)。

图3所示为含片钠铝石砂岩中黏土矿物的扫描电镜像。在扫描电镜下，高岭石呈书页状或蠕虫状集合体，晶体板片较厚，常充填在粒间孔隙中(图3(a))，此外，另见有少量高岭石生长于片钠铝石放射状集合体之上(图3(b))，说明高岭石形成于片钠铝石之后。自生伊利石极为常见，呈发丝状、搭桥状分布(图3(c))。

3.1.2  华字井阶地

X线衍射分析表明(表3、表4、图2)：华字井阶地仅个别含片钠铝石砂岩中检测到绿泥石(质量分数为1%~5%，平均2.1%)，其质量分数低于对照组砂岩质量分数(1%~39%，平均7.7%)；大部分样品中检测到高岭石(1%~54%，平均20.0%)，其质量分数高于对照组砂岩质量分数(1%~31%，平均5.7%)，伊利石相对质量分数(5%~75%，平均12.9%)高于对照组砂岩(4%~18%，平均9%)相对质量分数；伊/蒙混层相对质量分数(18%~94%，平均69.2%)低于对照组砂岩相对质量分数(26%~94%，平均72.9%)。

在扫描电镜下，片钠铝石呈放射状及毛发状充填孔隙，伊利石呈片状，边缘出现纤细的丝状突出(图3(d))。

图2  红岗阶地和华字井阶地含片钠铝石砂岩和对照组砂岩中黏土矿物类型、相对质量分数比较

Fig. 2  Comparison of mineral compositions between dawsonite-bearing sandstones and control group in Honggang Terraces (a) and Huazijing terraces (b)

3.2  数值模拟

图4所示为CO₂充注后，储集砂岩中黏土矿物组成的时空变化情况。绿泥石仅在据注入点1 km内溶解，远离注入点未发生溶解-沉淀反应；绿泥石溶解量随时间的推移而增加，反应至10 000 a时，最大溶解量为8×10^-7(图4(a))。高岭石仅在注入点附近1 km内沉淀(图4(b))，远离注入点未发生溶解-沉淀反应；随着时间的推移，高岭石的沉淀量增加，反应至10 000 a时，最大沉淀量约为2.2×10^-4(图4(b))。伊利石在据注入点1 km内溶解，远离注入点沉淀，并且随着时间的推移，伊利石的溶解量降低，沉淀量增加(图4(c))。蒙皂石在据注入点1 000 m范围内沉淀远离注入点溶解，随着时间的推移，蒙皂石的溶解量和沉淀量均增加，溶解量大于沉淀量(图4(d))。

图3  含片钠铝石砂岩中黏土矿物特征

Fig. 3  Characteristics of clay in dawsonite-bearing sandstones

图4  绿泥石，高岭石，伊利石，蒙皂石体积分数变化量

Fig. 4  Changs of chlorite (a), kaolinite (b), illite (c), and smectite (d) content

4  讨论

影响含片钠铝石砂岩和对照组砂岩在黏土矿物类型发育或含量方面差别的主要原因包括沉积环境、埋藏深度以及形成片钠铝石的地质流体。红岗阶地在青山口组时期沉积了一套以辫状河三角洲为主的沉积体；华字井阶地泉四段为三角洲-湖泊沉积体系，主要发育三角洲前缘沉积亚相。红岗阶地含片钠铝石砂岩的埋藏深度为1.476 5~1.742 0 km(表1)；对照组砂岩样品埋藏深度为1.250~1.750 km(表2)。华字井阶地含片钠铝石砂岩样品埋藏深度范围为1.188 3~1.668 2 km(表3)，对照组砂岩样品埋深范围为1.192 93~1.740 26 km(表4)。沉积环境和埋藏深度直接影响黏土矿物的成岩演变特征和自生黏土矿物的组成^[8]。鉴于所研究的含片钠铝石砂岩与对照组砂岩分布于相同地区、相同层位、埋藏深度大体相当，因此，沉积环境和埋藏深度的影响基本可以排除。显然，形成片钠铝石的地质流体极有可能是造成这种差别的根本原因。目前已证实，松辽盆地南部形成片钠铝石的地质流体为幔源—岩浆成因CO₂^[15]。所研究的样品采集地区，华字井阶地和红岗阶地均为幔源CO₂气藏主要分布区；所研究样品中片钠铝石形成时的CO₂与CO₂气藏中CO₂是同源的^[15]。幔源—岩浆CO₂充注导致片钠铝石的形成并不是个例，相同情况已报道于国内外许多盆地，澳大利亚BGS盆地，海拉尔盆地乌尔逊凹陷、塔木察格盆地等。

4.1  含片钠铝石砂岩中绿泥石质量分数降低、高岭石质量分数增加的原因

砂岩中绿泥石的溶解现象与酸性流体有关^[16]。红岗阶地和华字井阶地的酸性流体有大气水、有机酸和幔源CO₂流体^[15]。通过断裂带渗入的大气水淋滤可造成砂岩中的绿泥石溶解^[17]。油气的运移和聚集过程中产生的有机酸的溶解作用，也可能导致砂岩中的绿泥石溶解^[18]。若红岗阶地和华字井阶地存在大气水淋滤作用或有机酸溶解作用，则含片钠铝石砂岩和对照组砂岩中绿泥石均发生溶解作用，然而绿泥石在含片钠铝石砂岩中缺失，而在对照组砂岩中却普遍发育(表1~4)，说明绿泥石的溶解现象与大气水、有机酸关系不大。含片钠铝石砂岩中铁白云石δ¹³C为-6.35‰~2.12‰与片钠铝石的碳同位素分布区间相近，并且铁白云石形成于CO₂充注之后^[19]。在华字井阶地和红岗阶地，含片钠铝石砂岩中绿泥石质量分数明显低于对照组砂岩(图2)，并且绿泥石质量分数与片钠铝石呈互为消长关系(图5(a)和(d))。因此，CO₂流体充注是引发绿泥石溶解的主要机制，反应方程式为：

Mg₅Al₂Si₃O₁₀(OH)₈+CaCO₃+5CO₂→绿泥石       方解石

5Ca(Mg,Fe)(CO₃)+Al₂(Si₂O₅)OH₃+SiO₂+2H₂O^[1]  (1)

铁白云石       高岭石     石英

绿泥石的溶解和高岭石的沉淀是同一流体—矿物相互作用的2种表现形式。高岭石在含片钠铝石砂岩中的相对质量分数明显高于对照组砂岩，与片钠铝石质量分数呈正相关关系(图5(b))，并且部分自生高岭石生长于片钠铝石之后。因此，幔源CO₂流体充注是引起高岭石沉淀的主要原因。

TOUGHREACT软件进行的数值模拟重建了黏土矿物的溶解-沉淀过程，在CO₂充注形成的酸性流体作用下，绿泥石溶解和高岭石沉淀仅发生在注入点附近。深大断裂是幔源CO₂运移的主要通道，往往会使无机成因CO₂成藏，形成高CO₂分压，有利于片钠铝石的生成^[20]。华字井阶地和红岗阶地含片钠铝石砂岩均分布于NE和NW向深大断裂附近(图1)。岩石学研究表明：幔源CO₂流体充注促使砂岩储层中绿泥石溶解、高岭石沉淀作用也发生在深大断裂附近。因此，砂岩储层中黏土矿物组成的差异可以作为CO₂气藏的预测的依据和准则。

与松辽盆地情况相似，被广泛引用的典型研究实例报道于澳大利亚Otway盆地^[2]。在该盆地中，Ladbroke Grove CO₂气藏和Katnook甲烷气藏相距不到1 km，处于同一构造单元，埋深相当。Watson等^[2]通过成岩作用的比较研究证实，CO₂侵入前，Pretty Hill组的自生矿物组合为钠长石、绿泥石和方解石，在Ladbroke Grove油气田这些矿物的溶蚀溶解与CO₂充注有关，CO₂注入后形成的主要自生矿物为高岭石、石英和铁白云石。类似现象还见于美国Springerville-St. Johns气田和白俄罗斯的库兹涅茨盆地Zaozernyi矿床。

CO₂-H₂O-砂岩相互作用实验是在实验室范围内，再现了CO₂充注后，短时间内绿泥石溶解和高岭石沉淀的过程。Luquot等^[21]采用富绿泥石/浊沸石砂岩在95 ℃和10 MPa条件下，进行了砂岩的原位CO₂充注实验，结果显示砂岩中绿泥石溶解，高岭石和石英沉淀。

图5  绿泥石(a、d)、高岭石(b、e)、伊利石(c、f)、伊蒙混层(c、f)与片钠铝石质量分数对比

Fig. 5  Comparison of chlorite (a, d), kaolinite (b, e), illite (c, f), and illite/smectite (c, f) and dawsonite content

按照反应式(1)，绿泥石消耗和高岭石沉淀的比例为1:1，显然，绿泥石完全反应形成的高岭石低于X线衍射分析得出的高岭石质量分数(图2)，高岭石的形成还应存在其他形成机制。在含片钠铝石砂岩中高岭石也往往分布于长石溶蚀溶解形成的次生孔隙中，这说明在幔源—岩浆成因CO₂充注过程中也发生了长石的高岭石化过程(反应式(2)和(3))：

2K(AlSi₃O₈)+2CO₂+H₂O →钾长石

Al₂(Si₂O₅)OH₃+4SiO₂+2K⁺+2HCO₃^-[22]    (2)

高岭石        石英

2Ca(AlSi₃O₈)₂+2Na(AlSi₃O₈)+2H⁺+2CO₂+3H₂O→钙长石     钠长石

2NaAl(OH)₂CO₃+2Ca²⁺+2SiO₂+Al₂(Si₂O₅)OH₃^[22]  (3)

片钠铝石          石英     高岭石

按照反应式(2)和(3)，长石的溶解和高岭石的沉淀是同一流体—矿物相互作用的2种表现形式。CO₂充注引起的长石的高岭石化在含片钠铝石砂岩中是常见的现象^[21]，类似现象还见于国内外其他地区，如美国Springerville-St.Johns气田、海拉尔盆地乌尔逊凹陷和塔木察格盆地等。

4.2  含片钠铝石砂岩中伊利石质量分数增加的原因

同一地区砂岩中影响蒙皂石向伊利石转化的因素包括埋藏深度、孔隙流体特征^[17]。沉积盆地中，温度达60 ℃时，蒙皂石开始向伊利石转化。松辽盆地南部晚白垩世地温梯度为4.26 ℃/100 m^[12]，红岗阶地和华字井阶地含片钠铝石砂岩与对照组砂岩地层温度相近为50~75 ℃，蒙皂石开始向伊利石转化，并且转化程度较低。据扫描电镜分析(图3)，红岗阶地和华字井阶地含片钠铝石砂岩中自生伊利石呈发丝状、搭桥状分布，表明蒙皂石向伊利石转化程度较高。因此，可以排除埋藏深度对黏土矿物转化的影响。岩石学分析表明：含片钠铝石砂岩中伊利石相对质量分数与片钠铝石质量分数变化趋势一致；伊/蒙混层相对质量分数与片钠铝石质量分数呈消长关系(图5(c)，(f))，说明幔源CO₂充注与伊/蒙混层向伊利石转化关系密切，反应方程式为：

伊/蒙混层+K⁺+Al³⁺→伊利石+Si⁴⁺+H₂O^[7]    (4)

蒙皂石向伊利石转化必须要有K⁺的参加，这种K⁺可能来源于CO₂充注引起的钾长石等富钾组分的溶蚀和溶解^[8]。幔源—岩浆成因CO₂充注到砂岩层时，形成的酸性流体引起长石等可溶性矿物的溶蚀溶解^[23]，并且当阳离子积累到一定浓度时，孔隙流体将转变为弱碱性，有利于自生伊利石的沉淀。

数值模拟重建了蒙皂石向伊利石转化过程，CO₂充注，促进了钾长石溶解，孔隙水富含K⁺和Al³⁺，有利于蒙皂石向伊利石转化。含片钠铝石砂岩中伊/蒙混层质量分数降低，伊利石质量分数明显高于对照组砂岩质量分数的现象还见于国内外其他地区，如塔木察格盆地、德国东北部盆地晚三叠世地层和美国Springerville-St.Johns气田等。海拉尔盆地含片钠铝石砂岩中，自生伊利石极为常见，呈发丝状和搭桥状分布，与片钠铝石几乎同时形成，部分伊利石生长在片钠铝石之上，晚于片钠铝石或与片钠铝石同时期形成，自生伊利石的形成与CO₂流体有关^{[15, 19]}。这说明幔源—岩浆成因CO₂充注促进了伊/蒙混层矿物向伊利石的转化。CO₂-H₂O-砂岩相互作用实验，在短时间内再现了CO₂充注对蒙皂石向伊利石转化过程的影响。Credoz等^[7]提取泥岩中的伊/蒙混层进行CO₂-H₂O-岩石相互作用实验，CO₂与伊/蒙混层相互作用首先形成更有序的伊/蒙混层进而向伊利石转化。

5  结论

(1) 华字井阶地和红岗阶地绝大部分含片钠铝石砂岩中绿泥石缺失或低于检测限，而对照组砂岩中却普遍存在绿泥石。含片钠铝石砂岩中的高岭石和伊利石质量分数远高于对照组砂岩中的质量分数。

(2) 华字井阶地和红岗阶地含片钠铝石砂岩中绿泥石溶解和自生高岭石沉淀是幔源CO₂充注的结果。在CO₂充注形成的酸性流体作用下，绿泥石溶解、高岭石沉淀，当CO₂充注导致钾长石溶解产生的K⁺积累到一定浓度时，自生伊利石开始沉淀。

(3) CO₂充注引起的绿泥石溶解和高岭石沉淀仅发生在注入点附近。红岗阶地和华字井阶地含片钠铝石砂岩中绿泥石溶解和高岭石沉淀过程仅发生在深大断裂附近，深大断裂是CO₂运移的主要通道。

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(编辑  何运斌)

收稿日期：2012-10-10；修回日期：2013-03-05

基金项目：国家自然科学基金资助项目(41172091)；中国地质调查局计划项目(1212011120048)

通信作者：刘立(1955-)，男，内蒙古喜桂图人，教授，从事流体-岩石相关作用，成岩作用及其对储层质量的影响研究；电话：0431-88502623；E-mail：liuli0892@vip.sina.com