川西坳陷中段須二段與須四段水巖相互作用機(jī)制研究

川西坳陷中段須二段與須四段水巖相互作用機(jī)制研究

巖相學(xué)的相互作用是油氣儲(chǔ)層形成和過程中最重要的地質(zhì)過程之一。它貫穿儲(chǔ)層所有發(fā)育過程，參與油氣田的形成和遷移，甚至氣田的分離。它對(duì)儲(chǔ)存層的性質(zhì)發(fā)展和發(fā)展具有重要意義，對(duì)儲(chǔ)層的聚集、分布、儲(chǔ)層的形成和采礦效率有顯著影響。很多碎屑巖儲(chǔ)層的次生孔隙都與長(zhǎng)石等鋁硅酸鹽礦物的溶解有關(guān),而長(zhǎng)石溶解是一個(gè)十分復(fù)雜的過程,涉及到不同化學(xué)反應(yīng)間的相互作用、與長(zhǎng)石溶解過程有關(guān)的自生礦物的沉淀、系統(tǒng)的開放性和封閉性、元素的帶進(jìn)帶出以及流體性質(zhì)等多種因素,因此,有關(guān)的水巖反應(yīng)受到特別關(guān)注。如多位學(xué)者對(duì)有關(guān)長(zhǎng)石的溶解開展了實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用研究,系統(tǒng)探討了在地質(zhì)條件下長(zhǎng)石的溶蝕效應(yīng),取得了豐碩成果,建立了相關(guān)反應(yīng)的化學(xué)模型,模型表明在同一個(gè)成巖體系中,針對(duì)不同的元素其開放程度是不同的。Chuhan等研究了封閉體系中砂巖的埋藏成巖作用,從水巖反應(yīng)的角度探討了其反應(yīng)機(jī)制,研究表明,封閉體系中,石英的膠結(jié)基本都是體系內(nèi)部長(zhǎng)石溶解的結(jié)果,這預(yù)示著一旦成巖體系為封閉環(huán)境,由于長(zhǎng)石溶解和石英增生對(duì)孔隙度的相反效應(yīng),次生孔隙的增加可能并不明顯。黃思靜等研究表明,砂巖埋藏前其中長(zhǎng)石的類型及相對(duì)含量、含膨脹層的黏土礦物(如同期火山物質(zhì))的數(shù)量、系統(tǒng)的開放性與封閉性以及流體中額外鉀離子的存在與否直接控制了長(zhǎng)石的溶解方式和次生孔隙的形成機(jī)制。碎屑巖儲(chǔ)層中,自生碳酸鹽礦物通常是具有最大體積的膠結(jié)物,是很多碎屑巖儲(chǔ)層致密化的重要因素。碳酸鹽膠結(jié)物的沉淀除了與長(zhǎng)石的溶解有關(guān)外,早期的水化作用、黏土礦物的轉(zhuǎn)化以及碳酸鹽巖屑的溶蝕也是其沉淀的重要機(jī)制。而不同成因的碳酸鹽膠結(jié)物具有不同的沉淀溫度和同位素特征,這為我們利用碳氧同位素確定碳酸鹽膠結(jié)物的沉淀機(jī)制提供了依據(jù)。近年來,不同學(xué)者分別從地層水和巖石學(xué)角度探討了有關(guān)須家河組地層水成因及水巖相互作用機(jī)制。研究成果可總結(jié)為以下3方面:(1)認(rèn)為須家河組二段(簡(jiǎn)稱須二段)和須家河組四段(簡(jiǎn)稱須四段)地層水主要來源于原始的沉積水、煤層或泥頁(yè)巖壓釋水,海相地層水和大氣淡水對(duì)其有一定影響,但影響程度不盡相同,須二段具有濃厚的海相地層水特征,須四段則具有明顯的淡水背景;(2)利用多種地層水離子組合關(guān)系,從地層水角度描述了川西坳陷須二段和須四段水巖作用;(3)從巖石學(xué)角度探討了儲(chǔ)層流體演化特征、儲(chǔ)層致密化成因、時(shí)間以及主要礦物之間的物質(zhì)轉(zhuǎn)換關(guān)系。上述前人的研究成果為本次水巖機(jī)制分析提供了重要基礎(chǔ)。然而,地層水和巖石是多種水巖作用的綜合記錄,對(duì)水巖過程中的“水、巖”記錄從同位素、元素地球化學(xué)和巖石學(xué)等方面做綜合研究是分析其形成機(jī)制等問題的基本工作。由于長(zhǎng)石溶解、石英膠結(jié)、碳酸鹽膠結(jié)、自生黏土礦物充填和轉(zhuǎn)化是砂巖中最為普遍的成巖作用,這些礦物的水巖作用受到特別關(guān)注。因此,本次研究將地層水化學(xué)和巖石學(xué)微觀特征研究相結(jié)合,在大量數(shù)據(jù)的支撐下,重點(diǎn)解決川西坳陷中段須家河組以上幾種成巖礦物溶解-沉淀的水巖作用機(jī)制問題。1沖斷構(gòu)造作用川西坳陷是四川盆地西部晚三疊世以來陸相盆地的深坳陷部分,為龍門山推覆構(gòu)造帶的前陸盆地。其成因與龍門山造山帶和米倉(cāng)山—大巴山造山帶側(cè)向擠壓的沖斷構(gòu)造加載和巨厚沉積物的重力負(fù)荷雙重作用所導(dǎo)致的巖石圈強(qiáng)烈撓曲變形及構(gòu)造沉降作用有關(guān)。川西坳陷中段西界為龍門山推覆構(gòu)造帶,東界位于龍泉山一帶(圖1)。坳陷基底為中三疊統(tǒng)海相灰?guī)r,自晚三疊世后,川西坳陷逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殛懴喑练e,其上依次充填上三疊統(tǒng)馬鞍塘組、小塘子組、須家河組陸相碎屑巖及煤系,以及侏羅系至白堊系陸相紅層。其中須二段、須四段為研究區(qū)重要的超致密儲(chǔ)產(chǎn)層,砂泥比分別為3∶1和1∶1左右。2儲(chǔ)層中自生礦物含量與地層水離子含量的關(guān)系水巖相互作用是成巖礦物演化和地層水離子變化的橋梁,兩者之間通過水巖反應(yīng)達(dá)到水巖體系的平衡。一般來說,儲(chǔ)層中自生礦物含量與地層水離子含量之間具有良好的此消彼長(zhǎng)關(guān)系。現(xiàn)今地層水和儲(chǔ)層中的自生礦物是巖石成巖過程中水巖相互作用的產(chǎn)物,是反演成巖過程中水巖相互作用機(jī)制的直接證據(jù)。因此,通過儲(chǔ)層中自生礦物的微觀特征和現(xiàn)今地層水地球化學(xué)特征的綜合研究,可為水巖相互作用研究提供有用信息。2.1儲(chǔ)層巖石礦物成分分析本次研究所涉及的樣品均采自鉆井巖心。涉及的井包括川孝560井、川孝565井、新場(chǎng)21井、川豐563井、川高561井、新5井和新11井等。共計(jì)采集樣品285塊,其中須二段126塊、須四段159塊。所有樣品均進(jìn)行了鑄體制片和物性測(cè)試,在此基礎(chǔ)上,對(duì)樣品的微觀組成進(jìn)行分析,以確定儲(chǔ)層巖石的成分特征、成巖自生礦物的沉淀序次和孔隙類型等。同時(shí)結(jié)合掃描電子顯微鏡、陰極發(fā)光、X射線衍射分析等,進(jìn)一步明確成巖演化序列。在上述研究的基礎(chǔ)上,選取了其中的46件典型樣品進(jìn)行碳酸鹽膠結(jié)物碳、氧同位素分析,同位素樣品的分析由四川石油管理局勘探開發(fā)研究院分析測(cè)試中心完成。2.2須家河組儲(chǔ)層成巖礦物組成川西坳陷中段須家河組儲(chǔ)層在巖石學(xué)上表現(xiàn)為低成分成熟度、低膠結(jié)物含量和結(jié)構(gòu)成熟度中等的“兩低一中”特征。但就須二段和須四段儲(chǔ)層而言,兩者在巖石骨架顆粒構(gòu)成及自生礦物的組成方面均存在一定差異(表1和表2):(1)在骨架顆粒構(gòu)成上,須四段相對(duì)于須二段更富巖屑而貧長(zhǎng)石。(2)在膠結(jié)物的總體構(gòu)成上,碳酸鹽膠結(jié)物(白云石和方解石)是須家河組第一重要的自生礦物,其在須二段和須四段的平均值分別占到全巖的4.456%和5.664%,占到自生礦物總量的80%以上。(3)須四段方解石含量較高、白云石含量相對(duì)較低而且貧鐵;須二段方解石含量相對(duì)較低、白云石含量較高,且以鐵白云石為主,說明須二段成巖流體中有較為豐富的鎂、鐵來源。(4)須二段的自生石英含量相對(duì)較高。(5)薄片分析和X射線衍射分析均表明,須二段高嶺石含量平均值接近0。薄片分析中,僅在一個(gè)樣品中見到微量的高嶺石;在X射線衍射分析結(jié)果中,須二段黏土礦物中高嶺石含量也只有0.46%,因而其在巖石中的含量可以忽略不計(jì)。另外,在須四段中,高嶺石也僅僅分布在須四段頂部一個(gè)深度非常有限的范圍內(nèi),大多數(shù)僅限于須四段上部,少數(shù)鉆井涉及到須四段中上部(圖2)。自生的綠泥石則主要分布于須二段中,約占全巖的0.42%,須四段含量相對(duì)較低。自生伊利石在薄片分析中能識(shí)別的數(shù)量很少,且難以區(qū)分,因此,未對(duì)其進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)。但X射線衍射分析結(jié)果表明,伊利石是研究區(qū)最重要的黏土礦物(表2)。須家河組儲(chǔ)層經(jīng)歷的主要成巖作用包括壓實(shí)作用、壓溶作用、自生礦物的充填膠結(jié)作用和溶解作用。根據(jù)成巖礦物的共生組合關(guān)系,初步確定了須家河組儲(chǔ)層成巖礦物形成的相對(duì)順序:早期方解石(連晶膠結(jié))→石英Ⅰ期加大→綠泥石薄膜→長(zhǎng)石(伴生高嶺石生長(zhǎng))、少量巖屑溶解→石英Ⅱ期加大→溶蝕作用→晚期碳酸鹽膠結(jié)物→后期溶蝕作用。須二段和須四段儲(chǔ)層具有基本類似的成巖序列,兩者最大的區(qū)別在于須四段有更多長(zhǎng)石的溶解,次生孔隙較為發(fā)育[圖3、圖4(a)和圖4(b)],形成了以粒內(nèi)溶孔、粒間溶孔為主,原生孔極少的孔隙組合類型。而須二段長(zhǎng)石溶解相對(duì)有限[圖4(c)和圖4(d)],次生孔隙發(fā)育較少。同時(shí),與長(zhǎng)石溶解伴生的黏土礦物以伊利石為主,僅在須四段中上部有少量高嶺石存在。2.3須片段地層水為明顯的淡水組川西坳陷中段典型鉆井的地層水化學(xué)特征見表3,表中列出了樣品的主要離子含量及氘、氧同位素值。從須二段、須四段地層水基本特征來看,兩者的差異是顯而易見的:(1)須二段地層水總礦化度相對(duì)較高,須四段地層水總礦化度相對(duì)較低,兩者總礦化度的差異主要體現(xiàn)在Cl-和Na+含量上。(2)須二段地層水K+含量明顯較高,平均含量為923mg/L左右,約為須四段地層水K+含量的2.84倍;同時(shí)須二段地層水K+/Cl-顯著大于須四段,且基本沿海水蒸發(fā)線分布,表現(xiàn)出濃厚的海相地層水特征,須四段地層水則表現(xiàn)為更明顯的淡水特征。(3)須四段地層水在總礦化度相對(duì)更低的情況下,Ca2+、Mg2+含量明顯較高,平均值分別為須二段地層水的1.32倍和1.42倍。(4)須二段埋藏深度更大(比須四段約深1000m左右),其δ18O值更為偏負(fù)。(5)海水的蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)證實(shí),在Cl-Na-Br體系中,隨鹽類的析出,Cl-和Na+進(jìn)入礦物晶格中,而Br-殘存在海水中,即使進(jìn)入埋藏階段后,成巖作用也不對(duì)Br-產(chǎn)生影響,因此,Br-可以作為示蹤元素,區(qū)分地層水的來源、混合及成巖作用。從研究區(qū)地層水的Cl-Na-Br離子組合特征來看(表3),研究區(qū)須家河組地層水具有顯著的富集Br-的特征。無論地層水礦化度大小,Br/Cl和Br/Na比值均與海水的蒸發(fā)線基本平行,地層水中Cl-Na-Br離子組合具有海水的組合特征。須二段、須四段地層水在離子含量和同位素特征上的差異說明除了埋藏因素外,兩者在埋藏過程中水巖相互作用機(jī)制的差異是導(dǎo)致這一現(xiàn)象更為重要的原因。3高、地層條件下的利石化模式長(zhǎng)石的溶解是研究區(qū)須家河組次生孔隙形成的最重要機(jī)制。研究區(qū)須四段長(zhǎng)石的溶解主要發(fā)生在其頂部靠近須五段泥巖層的部分,陰極發(fā)光分析結(jié)果顯示須四段儲(chǔ)層原始長(zhǎng)石含量可達(dá)5%以上,那么須四段頂部應(yīng)有5%左右的長(zhǎng)石被完全溶解[圖4(b)]。須二段長(zhǎng)石的溶解同樣主要發(fā)生在其頂部靠近泥巖層的部位,其次是發(fā)生在一些裂縫附近或原生粒間孔隙保存較好的巖石中[圖4(c)],須二段目前長(zhǎng)石含量的平均值約7.69%,由長(zhǎng)石溶解提供的次生孔隙不足1%,大量長(zhǎng)石保存完整[圖4(d)]。Aagaard等根據(jù)熱動(dòng)力學(xué)計(jì)算得出,低K+/H+和低二氧化硅活性有利于長(zhǎng)石的溶解。多種地質(zhì)環(huán)境可以出現(xiàn)上述條件,在海相碎屑巖沉積環(huán)境中,由于海水相對(duì)于長(zhǎng)石是飽和的,因此,在成巖的最初階段,長(zhǎng)石的保存是可能的,但當(dāng)有地表水進(jìn)入時(shí)(低K+/H+),長(zhǎng)石明顯遭受淋濾和溶蝕作用,形成高嶺石沉淀。雖然高嶺石的成因也存在多種假設(shè),但一般認(rèn)為是由低溫條件下地表水或其他酸性流體(有機(jī)酸等)對(duì)砂巖的沖刷作用形成的[式(1)—式(3)],經(jīng)常與不整合面相關(guān),其蝕變母體可以是長(zhǎng)石和白云母等。對(duì)于式(1),只要K+被不斷帶走,長(zhǎng)石就可不斷溶解形成高嶺石。而在一定條件下,高嶺石將通過如下反應(yīng)[式(4)]向伊利石轉(zhuǎn)化:而式(1)和式(4)可以合并為如下反應(yīng):這樣,在封閉體系中,只要體系中仍有鉀長(zhǎng)石和高嶺石同時(shí)存在,必然有持續(xù)的伊利石化,并且伴隨石英的增生,直到兩者或其中之一消失[式(5)],因此,伊利石化將持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。但有關(guān)的事實(shí)證明,大量伊利石化作用多伴隨構(gòu)造事件,沿構(gòu)造形成的裂縫分布,K/Ar測(cè)年的數(shù)據(jù)顯示反應(yīng)持續(xù)時(shí)間并非很長(zhǎng),這主要是由于開放體系中高嶺石的伊利石化與封閉體系有一定差異。針對(duì)這種情況,Berger等提出另一種伊利石化模式,認(rèn)為地層水中K+/H+活度比控制了伊利石化作用的發(fā)生,較高的K+/H+活度比可以降低伊利石化的能量門限。當(dāng)富H+流體進(jìn)入時(shí),如有機(jī)酸等,由于地層水中富集H+,高嶺石伊利石化的能量門限將提高,高嶺石也將更容易得到保存,除非這些H+被消耗。從上述模式可以得到以下重要結(jié)論:與烴源巖距離越近的儲(chǔ)層,顯然更容易受到富H+流體的影響,從而更容易保存高嶺石。大量的研究注意到,長(zhǎng)石的溶解和相鄰泥巖層蒙脫石的伊利石化常處于同一深度段內(nèi),砂巖中長(zhǎng)石溶解產(chǎn)生的K+進(jìn)入相鄰的泥巖層,從而造成泥巖層蒙脫石的伊利石化。這樣,長(zhǎng)石的溶解速率不僅僅是本身反應(yīng)動(dòng)力學(xué)問題,而是受到長(zhǎng)石溶解—離子(K+)遷移速率—伊利石化等整個(gè)三元體系的控制,確切地說是受到上述三個(gè)過程中速率最慢過程的控制。當(dāng)相鄰的泥巖出現(xiàn)大量伊利石化的時(shí)候,可以為K+提供充足的沉淀場(chǎng)所,砂巖中長(zhǎng)石將大量被溶蝕。蒙脫石的伊利石化也大量發(fā)育于砂巖儲(chǔ)層中,缺少離子從泥巖到砂巖的反滲透作用可能加快體系中長(zhǎng)石的溶解。對(duì)于須二段來說,由于其泥巖發(fā)育較少(砂泥比為3∶1),單層砂巖厚度大,早期長(zhǎng)石溶解產(chǎn)生的K+難以與泥巖層進(jìn)行有效交換,因此,這些K+將得到保存,從而導(dǎo)致地層水中K+/H+活度比保持較高值,這與須二段地層水中具有顯著較高的K+含量這一特征是一致的。在高的K+/H+活度比情況下,式(4)反應(yīng)將一直向右進(jìn)行,直至高嶺石全部轉(zhuǎn)化為伊利石,因此,須二段基本不存在高嶺石,而長(zhǎng)石得以保存[圖5(a)]。另一方面,當(dāng)開放體系有外源富K+流體的入侵時(shí),高嶺石的伊利石化將更容易發(fā)生[圖5(b)]。一般認(rèn)為,石油的充注對(duì)伊利石的生長(zhǎng)具有明顯的抑制作用,但有研究發(fā)現(xiàn),石油的充注并沒有抑制伊利石化的發(fā)生,相反,由于其阻止儲(chǔ)層中鉀離子的流動(dòng)性,造成石油充注后儲(chǔ)層中伊利石化相對(duì)含水層更為明顯。擴(kuò)散遷移使得大量鉀離子從砂巖中進(jìn)入相鄰的泥巖層,但如果有石油的充注,將大大降低鉀離子的流動(dòng)性,使得鉀離子在砂巖中相對(duì)富集,從而造成石油充注后的伊利石化。這樣,伊利石化的量和分布將是鉀長(zhǎng)石、高嶺石含量及鉀離子活動(dòng)性的函數(shù),泥巖并不是成巖過程中體系封閉性的重要因素,相反是砂巖成巖第一開放對(duì)象。同時(shí),也說明通過伊利石測(cè)年確定成藏時(shí)期存在風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于研究區(qū)須四段頂部地層來說,在高嶺石沉淀階段,雖然有長(zhǎng)石或長(zhǎng)石溶蝕產(chǎn)生的K+存在,但溫度較低,且由于臨近泥巖產(chǎn)生的有機(jī)酸流體的入侵,地層水中H+含量高,低的K+/H+活度比使伊利石化難以發(fā)生。而當(dāng)溫度達(dá)到理想的驅(qū)動(dòng)溫度時(shí),由于大量長(zhǎng)石已被溶蝕、且溶蝕所產(chǎn)生的K+進(jìn)入相鄰的泥巖層(雖然缺少研究區(qū)關(guān)于泥巖成巖研究的直接證據(jù),但須四段砂巖單層厚度較薄,砂泥比1∶1,說明須四段具有充足的K+遷移場(chǎng)所,須四段長(zhǎng)石溶蝕產(chǎn)生的K+遷移至相鄰泥巖層的可能性很大),使得地層水中沒有足夠的K+,高嶺石的伊利石化將相對(duì)有限,所以須四段頂部高嶺石得以保存[圖5(c)]。當(dāng)?shù)貙又泻凶銐蛄康拿擅撌瘯r(shí),如下兩個(gè)反應(yīng)也可導(dǎo)致伊利石化的產(chǎn)生[式(6)~式(7)]:由于二氧化硅的遷移性較低,因此,一般認(rèn)為石英的膠結(jié)基本都是體系內(nèi)長(zhǎng)石溶解、石英顆粒的壓溶(縫合線等發(fā)育為特征)、黏土礦物的轉(zhuǎn)化、硅質(zhì)生物巖屑溶蝕等結(jié)果。顯微觀察表明,研究區(qū)須家河組相當(dāng)數(shù)量的硅質(zhì)膠結(jié)物存在于長(zhǎng)石溶解形成的次生孔隙中(圖6),這種現(xiàn)象在須四段尤其顯著,顯示長(zhǎng)石的溶解是須家河組尤其是須四段硅質(zhì)膠結(jié)物的重要物質(zhì)來源之一。而須二段則除了內(nèi)源的長(zhǎng)石溶蝕外,外部來源(物質(zhì)對(duì)流)也有較大的影響,主要的地質(zhì)證據(jù)有:(1)相對(duì)于須四段來說,須二段具有相對(duì)更高的硅質(zhì)膠結(jié)物含量(須二段平均含量1.5%,須四段平均含量0.55%)和相對(duì)更低的長(zhǎng)石溶蝕量,說明須二段有其他二氧化硅來源;(2)須二段裂縫石英脈包裹體均一溫度較高,甚至超過模擬的最大古地溫;(3)須二段自生石英均一溫度大都對(duì)應(yīng)構(gòu)造沉降緩慢或反轉(zhuǎn)抬升時(shí)期,這預(yù)示須二段至少有部分硅質(zhì)膠結(jié)物來源與構(gòu)造有關(guān),可能受到了流體對(duì)流、侵入的影響。4碳酸鈣膠結(jié)物同位素研究的必要性川西坳陷中段須家河組砂巖中碳酸鹽膠結(jié)物平均含量在5.43%左右,占膠結(jié)物總量的80%以上。雖然地層水的各種離子組合與成巖礦物的對(duì)應(yīng)關(guān)系印證了多種有關(guān)碳酸鹽水巖作用的存在,但并不能說明這些碳酸鹽膠結(jié)物的物質(zhì)來源、膠結(jié)時(shí)間和水巖反應(yīng)機(jī)理。要解決上述問題,碳酸鹽膠結(jié)物的同位素研究是必須的。須家河組碳酸鹽膠結(jié)物的碳、氧同位素關(guān)系見圖7。4.1-1.3-4.5smow須四段碳酸鹽膠結(jié)物氧同位素值為-11.37‰~-16.55‰(PDB),平均為-14.22‰(PDB);須二段碳酸鹽膠結(jié)物氧同位素值為-8.87‰~-16.70‰(PDB),平均值為-15.13‰(PDB)(圖7)。膠結(jié)物氧同位素受到多種因素影響,其中主要包括:(1)沉積期沉積水的氧同位素和鹽度;(2)沉積時(shí)期溫度;(3)成巖改造,成巖過程中由于地層溫度的升高,膠結(jié)物氧同位素值變輕。須四段現(xiàn)今地層水的氧同位素為0.5‰~-4.3‰(SMOW),平均值為-1.4‰(SMOW);須二段地層水氧同位素值輕于須四段,為-1.3‰~-4.5‰(SMOW),平均值為-2.4‰(SMOW)(圖8)。研究區(qū)地表水氧同位素平均值在-10‰(SMOW)左右,中三疊統(tǒng)(T2)海相地層水的氧同位素平均值在-2‰(SMOW)左右,埋深基本在6000m以下,現(xiàn)今海水的氧同位素平均值則在0(SMOW)左右。根據(jù)同位素分餾原理,在不考慮其他因素的情況下,對(duì)于上述三者中任意兩者的混合,其混合曲線呈線性關(guān)系,因此,兩者之間的連線可代表理想狀態(tài)下兩種流體的混合。由此,給出了地表水、海水分別與深層海相地層水氧同位素值的混合曲線。從研究區(qū)地層水氧同位素與深度的關(guān)系來看(圖8),在500m以淺的深度范圍內(nèi),地層水氧同位素迅速增大(相對(duì)于地表水),說明水巖相互作用在很淺的深度即對(duì)研究區(qū)儲(chǔ)層產(chǎn)生影響。須四段及以上地層的地層水氧同位素基本分布在地表水與海相地層水混合線的右側(cè),而須二段則基本在該混合線的左側(cè),并無隨兩條混合線變化的趨勢(shì)。因此,研究區(qū)地層水氧同位素的變化應(yīng)主要與埋藏過程中水巖作用有關(guān),如須四段較大的氧同位素值被認(rèn)為與該段內(nèi)碳酸鹽礦物的溶解作用有關(guān)。根據(jù)須二段和須四段地層水氧同位素的變化范圍,利用Friedman關(guān)于方解石同位素分餾關(guān)系,計(jì)算了須家河組方解石膠結(jié)物的沉淀溫度,溫度主要分布在38~130℃(圖9)。須四段地層水氧同位素較重,其膠結(jié)溫度要高于須二段,但基本都位于有機(jī)質(zhì)成熟的溫度區(qū)間(50~120℃)。這一溫度分布特征顯示,除了早期(鋁)硅酸鹽礦物水化作用導(dǎo)致的碳酸鹽膠結(jié)物沉淀外(低的沉淀溫度對(duì)應(yīng)的膠結(jié)物),研究區(qū)須家河組大部分碳酸鹽膠結(jié)物的沉淀與有機(jī)質(zhì)成熟產(chǎn)生的酸性流體對(duì)儲(chǔ)層的溶蝕作用有關(guān)。隨溫度的迅速升高,烴源巖進(jìn)入生烴門限后,大量有機(jī)酸和二氧化碳排出并進(jìn)入相鄰的儲(chǔ)層中,進(jìn)而使儲(chǔ)層中碳酸鹽和鋁硅酸鹽碎屑產(chǎn)生溶蝕,當(dāng)大量酸根離子被消耗時(shí),碳酸鹽膠結(jié)物沉淀。4.2碳酸鈣膠結(jié)巖碳源來源碳穩(wěn)定同位素具有在各個(gè)碳庫(kù)中含量穩(wěn)定和深循環(huán)性,因此,在碳源分析中被廣泛應(yīng)用?；驹硎且罁?jù)碳循環(huán)系統(tǒng)中δ13C的基值和不同碳庫(kù)之間分餾系數(shù)來確定碳源。在陸相碎屑巖中,由于地層本身缺乏碳源,因此,一般認(rèn)為碳酸鹽膠結(jié)(MgCO3、CaCO3、FeCO3、MnCO3)明顯受體系外二氧化碳來源的影響。須四段碳酸鹽膠結(jié)物的碳同位素值為1.83‰~-5.43‰(PDB),平均值為-1.92‰(PDB);須二段碳酸鹽膠結(jié)物的碳同位素值為2‰~-1.93‰(PDB),平均值為0.86‰(PDB)(圖7),須四段明顯輕于須二段,說明埋藏較深的須二段膠結(jié)物中的碳(CO2)來源主要為無機(jī)來源,而須四段則受到了有機(jī)碳等輕碳來源的影響。4.3須片段地層水巖體系氧同位素組成就須二段和須四段碳酸鹽膠結(jié)物溫度區(qū)間來看(圖9),兩者膠結(jié)作用主要發(fā)生在有機(jī)質(zhì)成熟階段,因此,碳酸鹽礦物的溶蝕和重結(jié)晶主要與有機(jī)質(zhì)成熟產(chǎn)生的有機(jī)酸和碳酸有關(guān)。大量有機(jī)質(zhì)降解成因CO2的進(jìn)入使得碳酸鹽膠結(jié)物貧13C。須四段碳酸鹽膠結(jié)物的碳同位素有降低的趨勢(shì),說明有機(jī)質(zhì)成熟過程產(chǎn)生的CO2參與了碳酸鹽礦物的溶蝕和重結(jié)晶作用。但在須二段碳酸鹽膠結(jié)物中并沒有觀察到這種情況。因此,可以認(rèn)為須二段碳酸鹽膠結(jié)物的沉淀缺少外來有機(jī)碳(HCO3-)的參與,而以“自產(chǎn)自銷”為主[式(8)],這種特征決定了碳酸鹽礦物重結(jié)晶前后碳同位素的一致性;或者進(jìn)入須二段的含有機(jī)碳流體有限,以至于并沒有顯著影響須二段碳酸鹽膠結(jié)物的碳同位素特征,這也反映了進(jìn)入須四段的有機(jī)酸性流體顯著多于須二段。水-巖封閉體系中,巖石、地層水和膠結(jié)物三者氧同位素值的大小取決于水巖的相對(duì)比率和地層溫度。假設(shè)兩種極端的情況下,當(dāng)?shù)貙又辛黧w摩爾組分等于0時(shí),膠結(jié)物的同位素值反映了巖石的同位素特征;而當(dāng)流體組分為1時(shí),膠結(jié)物氧同位素取決于流體的同位素值和礦物與流體的分餾系數(shù)。而在流體流動(dòng)體系(開放體系)中,膠結(jié)物中氧同位素值的大小取決于巖石中地層水流動(dòng)速率與水巖交換速率之比,即流動(dòng)率越小,水巖交換速率越快,水巖反應(yīng)越充分,膠結(jié)物中氧同位素很大程度上反映流體的同位素特征。一般情況下,由于地層滲透率的限制,該比值很小,體系為巖石緩沖型的,膠結(jié)物的同位素值取決于巖石的同位素大小。因此,不同開放程度的水巖反應(yīng)體系,地層水中氧同位素特征也是不一樣的。須四段酸性流體流量大于須二段,溶蝕作用強(qiáng)烈,須四段地層水中氧同位素和碳酸鹽膠結(jié)物氧同位素交換充分,地層水中氧同位素明顯增大,說明須四段水巖體系相對(duì)開放,在須二段和須四段孔隙空間差別不大的情況下,須四段有更大的流體流量,這與前述長(zhǎng)石溶解沉淀水巖相互作用機(jī)制分析結(jié)果一致。問題是除了酸性流體的數(shù)量,須二段碳酸鹽膠結(jié)物碳同位素總體偏正還與哪些因素有關(guān)呢?為此,進(jìn)一步提出以下3種假設(shè):(1)有機(jī)質(zhì)的演化過程中,大量生成二氧化碳和有機(jī)酸。其中二氧化碳有多次生成高峰,但在時(shí)間上存在一定的先后順序,有機(jī)質(zhì)大量生烴之前存在一個(gè)二氧化碳生成高峰,約在35~90℃,而有機(jī)酸產(chǎn)生則主要伴隨生烴高峰,在80~120℃。研究區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物沉淀時(shí)的溫度區(qū)間在38~130℃,大部分在90℃以下,說明二氧化碳主要為生烴高峰期前有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生的二氧化碳。須二段缺少本次二氧化碳影響的碳同位素記錄,這可能與研究區(qū)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及酸性流體的數(shù)量有關(guān),須二段下伏地層馬鞍塘組、小塘子組在須二段沉積前經(jīng)歷了抬升剝蝕,這對(duì)下伏的馬鞍塘組、小塘子組有機(jī)質(zhì)的演化產(chǎn)生重大影響,由于首次埋藏過程中已經(jīng)經(jīng)歷了二氧化碳的生成高峰,須二段沉積時(shí)的再次埋藏缺少二氧化碳生成高峰,因此,須二段缺少有機(jī)碳記錄。在須四段沉積前須三段同樣也經(jīng)歷了抬升剝蝕及大氣淡水的淋濾作用,這也可能是須四段地層有機(jī)酸影響同樣不太明顯的原因。(2)馬鞍塘組、小塘子組、須三段、須五段的烴源巖在沉積環(huán)境和巖性上存在較大差別,馬鞍塘組、小塘子組及下伏地層主要為海相泥頁(yè)巖、泥灰?guī)r和碳酸鹽巖,而須三段和須五段則主要為陸相泥頁(yè)巖及煤系,因此,其在巖性、有機(jī)質(zhì)類型和演化上也存在較大差別。Heydari等通過對(duì)灰泥巖的研究發(fā)現(xiàn),在富有機(jī)質(zhì)的灰泥巖段內(nèi)由于有機(jī)酸對(duì)方解石的溶蝕和重結(jié)晶作用,碳酸鹽的溶蝕會(huì)產(chǎn)生大量無機(jī)二氧化碳,其碳同位素值增大,由此推測(cè),須二段碳酸鹽膠結(jié)物碳同位素較大可能還受到下伏海相碳酸鹽巖溶蝕的影響。(3)碳酸鹽膠結(jié)物碳同位素隨深度變淺而變輕(圖10),當(dāng)有大量深部流體來源的二氧化碳存在時(shí),隨著流體的向上運(yùn)移,壓力的減小,輕碳(CO2)首先從流體中脫離出來,并向上運(yùn)移,因此,隨運(yùn)移距離的增大,碳酸鹽膠結(jié)物中碳同位素也將變得更輕。研究區(qū)未發(fā)現(xiàn)碳酸鹽礦物含量及碳同位素與斷層、裂縫等構(gòu)造分布有關(guān),但須四段與泥巖直接接觸的砂巖頂?shù)滋妓猁}膠結(jié)作用更為強(qiáng)烈,這說明二氧化碳主要為碳酸鹽碎屑的溶蝕,二氧化碳的運(yùn)移分餾效應(yīng)小。因此,須四段相對(duì)富輕碳的主要原因是有機(jī)質(zhì)碳作用的結(jié)果,二氧化碳分餾影響較小?；谝陨险J(rèn)識(shí),提出了研究區(qū)須家河組碳酸鹽礦物水巖