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.pdf

第 44 卷第 6 期 中南大学学报自然科学版 Vol.44 No.6 2013 年 6 月 Journal of Central South University Science and Technology June 2013 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1672−7207201306−2392−10 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 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 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-mailliuli0892 第 6 期 王力娟，等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粘土矿物特征 2393 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 51.742 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 1.2501.750 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 31.668 2 km，华字井阶地含片 a 松辽盆地位置；b 松辽盆地南部断裂构造；c 含片钠铝石砂岩与对照组砂岩井位分布 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 中南大学学报自然科学版 第 44 卷 2394 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 井号 样品 深度/km 黏土矿物 片钠 铝石 伊蒙 混层 伊利 石 高岭 石 绿泥 石 绿/蒙 混层 红 143 1.598 70 97 3 2 红 145 1.476 50 38 566 1 红 145 1.491 10 97 3 6 红 146 1.506 66 96 4 4 红 146 1.508 16 100 3 红 146 1.518 35 97 3 4 红 146 1.545 95 95 5 5 红 146 1.550 21 95 5 3 红 150 1.548 91 91 9 11 红 150 1.556 80 92 8 9 红 150 1.575 44 99 1 3 红 152 1.536 05 90 10 10 红 152 1.536 15 86 122 11 红 152 1.536 45 78 157 14 红 152 1.727 05 79 20 1 微量 红 152 1.732 30 50 50 微量 红 152 1.735 20 62 36 2 微量 红 152 1.739 40 75 24 1 微量 红 152 1.742 00 63 37 微量 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 1.192 931.740 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。 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 m 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 050。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 m。 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， 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 井号 样品 深度/km 黏土矿物 伊蒙 混层 伊利石 高岭石 绿泥石 红 168-1-21.552 05 81 19 红 168-1-21.553 35 92 8 红 168-1-21.554 50 66 34 红 168-1-21.556 12 68 32 红 95 1.250 00 87 9 2 2 红 95 1.300 00 85 9 1 5 红 95 1.350 00 86 10 2 2 红 95 1.400 00 84 12 2 2 红 95 1.450 00 87 9 1 3 红 95 1.500 00 87 11 1 1 红 95 1.550 00 87 6 2 5 红 95 1.600 00 84 11 2 3 红 95 1.650 00 87 9 2 2 红 95 1.700 00 88 8 4 红 95 1.750 00 80 14 2 4 第 6 期 王力娟，等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粘土矿物特征 2395 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 井号 样品 深度/km 黏土矿物 片钠 铝石 伊蒙 混层 伊利 石 高岭 石 绿泥 石 绿/蒙 混层 孤 11 1.558 90 65 11 15 3 6 微量 孤 11 1.563 80 80 11 4 2 3 2 孤 14 1.570 21 24 32 44 微量 孤 27 1.188 30 94 5 1 5 孤 27 1.196 98 92 8 7 孤 27 1.214 48 90 10 7 孤 34 1.653 76 87 9 4 1 孤 34 1.660 35 94 6 1 孤 34 1.664 64 90 10 1 孤 34 1.668 20 93 7 1 孤 36 1.519 05 81 7 8 1 3 2 孤 36 1.537 99 83 5 7 1 4 1 孤 48 1.208 10 79 8 9 2 2 6 孤 48 1.215 20 77 13 2 1 7 2 孤 48 1.235 90 77 23 5 孤 48 1.239 43 79 19 1 1 7 孤 5 1.262 98 84 12 4 4 孤 5 1.277 58 82 11 7 1 孤 5 1.278 00 18 75 7 1 孤 5 1.278 98 83 12 5 1 孤 5 1.279 00 27 69 4 2 孤 5 1.282 20 88 5 7 3 孤 5 1.285 30 88 9 3 1 孤 51 1.601 85 75 9 15 1 微量 孤 51 1.607 06 67 10 21 2 微量 孤 52 1.546 40 76 5 16 3 微量 孤 52 1.553 55 65 5 25 5 微量 孤 7 1.549 28 52 12 36 3 孤 7 1.550 09 52 8 39 1 4 孤 7 1.551 24 54 7 37 2 3 孤 7 1.553 10 74 8 13 3 2 2 孤 7 1.553 38 57 9 34 2 孤 7 1.553 40 53 9 38 2 孤 7 1.553 70 54 9 35 2 孤 7 1.554 50 64 10 26 3 孤 7 1.554 90 63 10 27 孤 7 1.555 90 74 7 15 2 2 3 孤 7 1.570 90 50 13 36 1 孤 7 1.571 50 55 7 33 5 3 孤 7 1.571 85 55 8 32 5 3 孤 7 1.576 08 41 5 54 1 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 井号 样品 深度/km 黏土矿物 伊蒙 混层 伊利石 高岭石 绿泥石 绿蒙 混层 孤 101.598 9048 10 6 1 35 孤 101.601 0063 11 6 1 19 孤 311.514 9186 7 6 1 孤 311.520 3083 6 9 2 孤 321.388 1585 9 3 1 2 孤 321.392 4051 11 19 3 16 孤 331.633 9054 5 14 27 孤 331.637 8078 4 1 17 孤 331.646 4267 4 2 27 孤 381.192 9358 8 31 3 孤 461.736 4039 8 16 37 孤 461.740 2668 18 5 9 孤 501.500 1274 9 12 1 4 孤 501.514 0085 9 6 孤 581.204 0092 6 1 1 孤 581.254 0086 12 1 1 孤 581.304 0084 8 8 孤 581.354 0065 10 9 16 孤 581.404 0088 10 1 1 孤 581.454 0083 16 1 孤 581.504 0089 9 1 1 孤 581.554 0089 9 1 1 孤 581.606 0094 6 孤 581.619 9626 10 39 25 孤 581.626 2362 5 16 17 孤 581.655 0085 13 1 1 孤 581.704 0086 11 1 2 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 2530 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 310−3 μm，孔隙度为 10；压缩系数为 2.9510−9 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 中南大学学报自然科学版 第 44 卷 2396 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 5 孤 10 井对照组砂岩的矿物组成 Table 5 Mineral composition in control group in well Gu10 矿物 名称 分子式 质量 分数/ 体积 分数/ 石英 SiO2 43 38.46 钾长石 KAlSiO3O8 6 5.55 斜长石 Ca0.2Na0.8Al1.2Si2.8O8 18 16.1 方解石 CaCO3 7 6.62 伊利石 K0.6Mg0.25Al1.8Al0.5Si3.5O10OH2 23 21.48 绿泥石 Mg5Al2Si3O10OH8 1 0.18 蒙皂石 2 0.96 伊/蒙 混层比 15 *吉林大学测试中心 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 12； 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 15，平均为 3；大部分样品中检测到高岭石 110，平均 5.1，其质量分数高于对照组砂岩 质量分数12，平均 1.7；伊利石相对质量分数 1256，平均 31.3高于对照组砂岩的相对质量 分数634， 平均 13.4； 伊/蒙混层相对质量分数 38100，平均为 83.2低于对照组砂岩的相对质 量分数66100，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 3a，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 3b，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 3c。 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 15，平均 2.1，其质量分数低于对照组砂岩 质量分数139，平均 7.7；大部分样品中检测 到高岭石154，平均 20.0，其质量分数高于对 照组砂岩质量分数131，平均 5.7，伊利石相 对质量分数575，平均 12.9高于对照组砂岩 418，平均 9相对质量分数；伊/蒙混层相对质 量分数1894，平均 69.2低于对照组砂岩相对 质量分数2694，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 3d。 a 红岗阶地；b 华字井阶地 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 810−7图 4a。 高岭石仅在注入点附近 1 km 内 沉淀图 4b，远离注入点未发生溶解-沉淀反应；随 第 6 期 王力娟，等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粘土矿物特征 2397 a 自生高岭石呈书页状充填于粒间孔隙埋深 1.256 51.256 6 km，上白垩统青山口组，红岗阶地红 143 井； b 片钠铝石、自生高岭石、微晶石英共生关系埋深 1.256 51.256 6 km，上白垩统青山口组，红岗阶地红 143 井； c 自生伊利石呈搭桥状埋深 1.256 51.256 6 km，上白垩统青山口组，红岗阶地红 143 井； d 伊利石呈片状，边缘出现纤细的丝状突出埋深 1.254 90 km，泉头组四段，华字井阶地孤 5 井 Kao高岭石；MQ微晶石英；Daw片钠铝石；I伊利石 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 时间/a110 000；25 000；31 000；4100；510 a 绿泥石；b 高岭石；c 伊利石；d 蒙皂石 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 中南大学学报自然科学版 第 44 卷 2398 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 2.210−4图 4b。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 4c。 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 4d。 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 51.742 0 km表 1；对照组砂岩 样品埋藏深度为 1.2501.750 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 31.668 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 14，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 5a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 Mg5Al2Si3O10OH8CaCO35CO2→ 绿泥石 方解石 5CaMg,FeCO3Al2Si2O5OH3SiO22H2O[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 5b，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 第 6 期 王力娟，等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粘土矿物特征 2399 a,b,c 红岗阶地；d,e,f 华字井阶地 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 充注实验，结果显示砂岩中绿泥石溶解，高岭石和石 英沉淀。 按照反应式1，绿泥石消耗和高岭石沉淀的比例 为 11，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 2KAlSi3O82CO2H2O → 钾长石 Al2Si2O5OH34SiO22K2HCO3−[22] 2 高岭石 石英 2CaAlSi3O822NaAlSi3O82H2CO23H2O→ 钙长石 钠长石 2NaAlOH2CO32Ca22SiO2Al2Si2O5OH3[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 5075 ℃，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 5c， 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KAl3→伊利石Si4H2O[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。 中南大学学报自然科学版 第 44 卷 2400 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