火山岩成因论文：火山岩储层形成原因探究
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本文作者：潘文庆1张巍2,3于红枫1于红娇2张正红1关平2简星2作者单位：1中国石油天然气股份有限公司塔里木油田分公司勘探开发研究院2造山带与地壳演化教育部重点实验室3中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院
地质背景及样品采集
塔里木盆地位于我国新疆维吾尔自治区境内,是我国重要的含油气盆地之一。在全盆地范围内,二叠系火山岩广泛分布,残余玄武岩覆盖面积约为2.46×105km2,残余流纹岩覆盖面积约为4.04×104km2[23]。地球化学数据表明塔里木二叠系火山岩具有典型的双峰式特征,其基性和酸性端元发育,而中性岩不占优势,具有典型的板内岩浆特性[24]。广泛分布的二叠系火山岩对油气形成与成藏具有重要的意义。塔里木盆地不乏优质烃源岩[20],主要分布于寒武系–奥陶系、石炭系–二叠系以及三叠系–侏罗系等,二叠系火山岩能使其下伏烃源岩在短期内经历异常高温和催化改造而成熟,并增加生烃量。二叠系火山岩本身作为储层也有不容忽视的潜力,如前面所述,跃南1井(图1)具有良好的储集性能[16],另外满西2井二叠系火山岩段电测解释结果显示孔隙度高达42%,塔中地区二叠系火山岩在部分井孔洞、裂缝都比较发育,在中1井见油气显示[25–26],塔河地区二叠系火山岩之上存在不整合,含气孔、溶孔、裂缝等的火山岩储层较发育,并在S79井、S87井和T208井等的火山岩裂缝中有油气显示[27–28],因此二叠系火山岩可作为特殊油气储层,也可形成岩性圈闭[25]。另外,二叠系火山岩及侵入体增加并改善了油气运移的通道,形成岩浆岩遮挡的圈闭和油气藏等[25]。因此,塔里木盆地二叠系火山岩具有成藏的条件,研究火山岩储层的形成机理及主控因素对进一步勘探具有重要意义。塔里木盆地跃南地区跃南1井位于北部凹陷内满西低凸起构造单元(图1),二叠系由下至上发育玄武岩、凝灰岩及巨厚流纹岩等。二叠系下伏石炭系地层以棕色、暗棕色泥岩为主,次为褐灰色、棕色、暗棕色灰质泥岩,夹浅灰色、灰色、灰褐色泥灰岩和膏质泥岩,灰褐色泥晶灰岩,浅灰色、灰白色泥质粉砂岩和粉砂岩,以及白色石膏,二者为不整合接触[16]。二叠系上覆地层为三叠系底砾岩,二者为不整合接触[16]。海西末期构造隆升运动导致跃南1井缺失上二叠统,不整合剥蚀量约为385m,经历了较为强烈的暴露与剥蚀[29]。本文对跃南1井二叠系火山岩从顶界向下系统采样(图2),岩性均为流纹岩,通过岩石学、矿物学及地球化学研究探讨其储集空间特征及成因。
岩石学研究
火山岩储集空间的形成既受火山岩岩性的控制,又受岩浆热液作用、风化作用和构造作用等后期改造作用的控制。不同岩性及火山喷发的不同阶段形成火山岩的孔隙类型差别很大[3032]。通过对跃南1井火山岩二叠系顶部、中部、底部典型的岩芯及其薄片观察,发现该井顶部流纹岩段溶孔发育,长石已风化成黏土矿物(图3(a)和(b))。铸体薄片中,顶部样品孔隙类型多样,包括大的斑晶内溶孔、铸模孔、基质中网状的溶孔–裂缝系统等,溶孔–裂缝系统是在大量原生冷凝收缩缝、收缩节理缝、隐爆裂缝及矿物本身具有的解理缝、双晶缝等薄弱面的基础上改造形成的溶蚀孔、溶蚀风化缝和构造缝,孔隙面积大,裂缝数量多(图3(c));中部样品的薄片观察到晶内溶孔和基质中网状分布的溶孔,但是溶孔的面积和裂缝的数量减少(图3(d));底部样品仅发育原生的孔隙和裂缝(图3(e)),说明本区火山岩体曾暴露地表,遭受一定程度的风化作用。
矿物学研究
为了研究风化作用的机制,选取样品YN1-8,YN1-6,YN1-4和YN1-1(图2)进行流纹岩中各种矿物的扫描电子显微镜观察和能谱分析。
1长石斑晶的风化序列
通过扫描电子显微镜观察发现,长石斑晶风化有3种类型:1)解理不发育的长石斑晶表面未遭受明显的溶蚀,直接在矿物表面生长绿泥石(图4(a)和(b));2)斜长石晶体沿聚片双晶的双晶缝方向溶蚀形成一组相互平行的不连续溶蚀缝,或沿微缝加大溶蚀,扫描电子显微镜放大观察,这些溶蚀缝边缘多呈港湾状。随着长石风化程度的提高,此类溶蚀缝的连续性、宽度、深度和边缘的不规则程度均明显增加,它们拓宽到一定程度后,在横向上相互贯通,形成孔–缝网状系统(图4(e)和(f)),同时在矿物的表面也开始溶蚀改造(图4(g)),随着风化程度进一步加剧,在矿物表面及缝里形成鳞片状伊利石(图4(h));3)长石斑晶沿解理缝被溶蚀成板条状、针条状、柱状,形成晶内溶孔,随着进一步风化,在残余部分生长叶片状伊利石(图4(i)~(l))。后两种类型都可以形成孔渗较好的储集空间。由此可见,具有构造破裂面、解理面、双晶接合面的长石易遭受风化,并且这些薄弱面也是长石晶体优先风化的部位。长石晶体上溶蚀痕迹的扩大受长石晶体各向异性控制,同时受长石类型、环境的酸碱度、温度等的影响[33–38]。石英是抗风化能力较强的矿物,仅少数遭受了溶解作用(图4(c)和(d))。
2基质的风化序列
通过对流纹岩基质的扫描电子显微镜观察可发现,基质的风化过程可以分为以下几个阶段:1)沿微裂缝最先溶蚀、扩大、延伸,形成溶蚀缝(图5(a));2)沿缝逐渐溶蚀成溶孔、溶洞,在几条缝的交点处更易形成溶孔(图5(b));3)形成网络连通系统(图5(c)和(d));4)黏土矿物首先沿缝隙生长(图5(e)~(h));5)黏土矿物呈衬垫式充填溶孔和溶洞(图5(i)和(j));6)整个基质表面都被风化成黏土矿物(图5(k)和(l))。跃南1井流纹岩基质的风化程度比斑晶风化程度更强烈,说明基质比斑晶更容易风化。
3风化过程中黏土矿物的生长
黏土矿物是岩石风化的产物,黏土矿物的种类与母岩成分、液体酸碱性以及温压条件等因素密切相关[37–39]。扫描电子显微镜和能谱分析可以依据黏土矿物的微观形态和成分特征,准确地鉴定黏土矿物的种类。常见黏土矿物的化学式如下:高岭土,Al4[Si4O10](OH),常含Fe3+,Mg2+,Ca2+,K+等;蒙脱石,Nax(H2O)4{(Al2xMgx)[Si4O10](OH)2},成分复杂,Al>Mg>Fe;伊利石,K1x(H2O)x{Al2[AlSi3O10](OH)2x(H2O)x}。利用扫描电子显微镜观察跃南1井流纹岩样品中黏土矿物的形态,同时对形态不同的黏土矿物进行能谱分析,发现大量单体为长叶片状、鳞片状的黏土矿物和少量絮状的黏土矿物。能谱分析表明:长叶片状黏土矿物和鳞片状黏土矿物的化学成分几乎一样,铁含量较高,除了O2,Si4+和Al3+之外,以K+为主,为伊利石的特征;絮状的黏土矿物除了O2,Si4+和Al3+之外,以Mg2+为主,为蒙脱石的特征(图6)。可见该井流纹岩的风化产物以伊利石为主,含少量蒙脱石,并且保存了黏土矿物生长的整个序列。单体伊利石主要有两种形态:长叶片状和鳞片状,集合体有鳞片状杂乱排列、花瓣状排列等。长叶片状伊利石的生长过程如图7(a)至(b)所示:图7(a)为雏形伊利石,在长石残余体上可见长叶片状轮廓,但未脱离母岩;图7(b)为部分脱离母岩的长叶片状雏形伊利石,未发现这类伊利石发育完全的单体。鳞片状伊利石的生长过程如图7(e)至(g)所示:图7(e)为雏形伊利石,未脱离母岩;图7(f)为发育完全的伊利石,大部分已脱离母体成为鳞片状单体,部分还在母岩上继续生长;图7(g)为发育完全的鳞片状伊利石。还可见长叶片状伊利石和六边形状的伊利石混杂堆在一起(图7(c)和(d)):图7(c)为六边形状的伊利石和雏形长叶片状伊利石混在一起,图7(d)为六边形状的伊利石和发育完全的长叶片状伊利石混在一起。蒙脱石的生长过程如图7(h)至(k)所示:图7(h)为絮状雏形蒙脱石,未完全脱离母岩;图7(i)为絮状雏形蒙脱石,脱离母岩;图7(j)为发育完全的花絮状蒙脱石集合体;图7(k)为发育完全的花状蒙脱石。
地球化学研究
为了进一步研究风化作用的机制,对跃南1井纵向采样(图2),进行了主量元素分析及物理性能测试(表1),主量元素在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室采用X射线荧光光谱(XRF)分析,分析误差小于0.5%。物理性能测试由中国石油化工股份有限公司江汉油田分公司勘探开发研究院石油地质测试中心完成。国内外许多学者对各类岩石的化学风化作用的程度和级别进行过深入的研究,提出了相应的地球化学参数(表2)[4050],通常使用与两个以上化学成分的比值相关的风化率、相对于母岩而言的变化率和考虑多个变量的综合指标[40]等参数判断岩石的风化程度。流纹岩的风化首先是原生铝硅酸盐矿物的水解、水化和淋失作用,即碱金属(K+,Na+)和碱土金属(Ca2+,Mg2+)组分的淋失。然后是Fe2+很快水解氧化成Fe(OH)3,形成Fe2O3,并因化学惰性而残留下来[40]。这些组分与Si4+和Al3+在不同的酸碱条件和温度条件下相结合形成不同类型的黏土矿物。在选用化学风化指标时,要根据样品中元素淋失或富集的实际情况综合考虑。元素活动性指数MI表示样品中各元素相对于母岩富集或淋失程度,MI大于1表示该元素在风化过程中富集,MI小于1则表示该元素淋失[4950]。将样品中Ti作为稳定元素,样品YN1-10作为母岩进行计算可得:FeO,MgO和MnO的MI值远远小于1,在风化作用变强的过程中(深度由深到浅)MI值有显著减小的趋势且变化较大;CaO的MI值稳定在0.8左右,SiO2,Al2O3和K2O的MI值略小于1,但在风化过程中变化较小;P2O5的MI值基本保持不变(1.0左右);Na2O的MI值与母岩相近,个别样品大于1;Fe2O3的MI值大于1,在风化过程中有增大的趋势,最大到1.3(图8)。由此可以看出,跃南1井在风化过程中FeO,MgO和MnO淋失量最大;其次是CaO;SiO2,Al2O3和K2O少量淋失;P2O5和Na2O基本不变,略有富集;Fe2+被大量氧化成Fe3+。这说明黑云母等少量暗色矿物最易遭受风化,造成Mg2+的大量淋失。Na+,K+和Ca2+没有表现强烈的淋失;SiO2变化不大,说明石英很难被溶解,这与显微镜下观察的结果一致。流纹岩是酸性喷出岩,其Al2O3含量为13%左右,远大于Fe2O3的含量,因此与Al2O3有关的参数可能更有意义。根据MI值所指示的结果,与Fe2+,Fe3+,Mg2+有关的参数同样具有重要的意义。铝铁含量SOC是两种难溶氧化物Al2O3与Fe2O3的总和,由深到浅其值有逐渐增加的总体趋势,反映淋失的加剧、氧化程度加剧以及Fe3+的富集,说明由深到浅风化作用逐渐变强。在酸性岩中SiO2变化小及稳定元素TiO2变化小的情况下,风化物质指数PI及硅/倍半氧化物比Kr反映Al2O3与Fe2O3的总和的变化,且与SOC变化趋势相反,由深到浅呈逐渐减小的总体趋势,代表风化作用变强的过程(图9)。高价/低价铁比Ir指数反映氧化程度,Ir指数越大,氧化程度越强,风化作用也就越强,Ir与SOC有相同的变化趋势,且顶部与底部样品的Ir指数值差距很大。铝/铝钙钠氧化物比ACN及铝/钾钠比AKN主要反映Al2O3的变化,因MI值判断铝元素在风化过程中略有淋失,所以随风化作用变强,二者有逐渐减小的趋势。淋溶系数Lc主要反映MgO的淋失,随风化作用变强有逐渐减小的趋势。残积系数Rc与CaO,MgO的淋失和Fe2O3的富集均有关,在极浅部(YN1-1和YN1-2)及中部(YN1-7和YN1-8)表现为随风化作用变强而减小,说明在浅部CaO,MgO的淋失大于Fe2O3的富集。其他部位总体趋势是随风化作用变强而增大,反映在大多数风化过程中Fe2O3的富集比CaO,MgO的淋失更加强烈。溶滤系数β反映Mg2+,Ca2+的淋失,总体趋势是随风化作用变强而增大。总之,各参数均反映了浅部的样品风化程度大于深部的总体趋势,但也存在个别不符合总体趋势的情况,如YN1-1,YN1-2,YN1-7,YN1-8在部分指标计算时异常。由10个样品的风化程度来看,跃南1井受风化作用影响的深度至少在4670m左右,即影响深度范围达220m左右。孔隙度和渗透率是反映储层优劣的重要参数,上述10个样品在剖面上表现为由深到浅孔隙度和渗透率呈逐渐增大的趋势(图9),且与各风化指标的变化趋势十分吻合,尤其是孔隙度与SOC,PI,Kr,Ir等与铁元素关系密切的指标在YN1-1,YN1-2,YN1-7,YN1-8等几个异常点处也表现相同的趋势,说明储层物理性能直接受控于风化作用,也就是说火山岩储层的主控因素是风化作用。
讨论
海西末期构造隆升运动导致跃南1井缺失上二叠统,不整合剥蚀量约为385m[29],经历了较为强烈的风化作用,通过对其二叠系火山岩的系统研究,可以看出其纵向上呈现出不同的岩石学、矿物学、地球化学特征。接近顶部的流纹岩段溶孔发育,长石已风化成黏土矿物,孔隙类型多样,包括大的晶内溶孔、铸模孔、基质中网状的溶孔–裂缝系统等,孔隙面积大,裂缝数量多,MI指数偏离1的幅度最大,各化学风化指标显示其风化程度最大。中部样品显微镜下可观察到晶内溶孔和基质中网状分布的溶孔,但是溶孔的面积和裂缝的数量减少,长石斑晶及基质都处于风化过程的中间状态,MI指数偏离1的幅度小于顶部样品,各化学风化指标显示风化程度小于顶部样品,且随深度具有一定的变化趋势。底部样品仅发育原生的孔隙和裂缝,长石斑晶和基质均保留较好的原始形态,MI指数接近1,各化学风化指标显示风化程度很小。各方面证据都表明跃南1井的火山岩确实经历了一定程度的风化,风化作用能在原生孔隙,尤其在各种冷凝收缩缝、隐爆裂缝、解理和双晶缝的基础上不断溶蚀、淋滤,形成大量的次生溶孔,纵向上风化程度随深度加深而变小。跃南1井火山岩样品随深度变化完整地保存了流纹岩长石斑晶和基质的风化序列,以及风化过程中黏土矿物的生长过程,从微观的角度揭示了风化作用的机理。在风化过程中,FeO,MgO,MnO淋失量最大,其次是CaO,SiO2,Al2O3,K2O少量淋失,P2O5和Na2O基本不变略有富集,Fe2+被大量氧化成Fe3+。化学风化指标显示纵向上浅部的样品风化程度大于深部,且储层物理性能优劣与风化作用强弱呈正相关关系。跃南1井受风化作用影响的深度至少到达4670m左右,即影响深度范围达220m左右。综上所述,塔里木盆地跃南地区二叠系火山岩储层的主控因素为风化作用,有利储层发育在风化作用强烈的区域。
结论
塔里木盆地跃南地区二叠系火山岩储层中以次生储集空间为主,包括斑晶内溶孔、铸模孔、基质中溶孔和溶蚀缝,孔渗性好,孔隙度可高达14%,渗透率最高可达11×103μm2,可以作为有利的储层。风化作用是次生孔隙和裂缝的主要成因。化学风化指标显示纵向上浅部的样品风化程度大于深部,且储层物理性能优劣与风化作用强弱呈正相关关系。跃南1井受风化作用影响的范围达220m左右。风化过程中,火山岩在冷却阶段产生的大量原生孔隙、冷凝收缩缝、隐爆裂缝及矿物本身具有的解理缝、双晶缝等薄弱面是优先发生溶蚀、淋滤的部位,也是风化作用的基础。在流纹岩中发现长石斑晶及基质的风化序列,确定风化产物以伊利石为主,含少量蒙脱石,并且保存了黏土矿物整个序列的生长过程。风化作用能在原生孔隙和裂缝的基础上改善火山岩的孔隙结构,使储集空间类型复杂多样,大大提高储层物理性能,是塔里木盆地跃南地区二叠系火山岩储层的主控因素。
