第二章碎屑巖的主要成巖作用資料.課件

1、第二章 碎屑巖的主要成巖作用關(guān)鍵問題： 各種成巖礦物和成巖現(xiàn)象的識別及其形成條件? 砂巖、泥巖的成巖變化及其對儲集性能的影響?次生孔隙的形成機(jī)理及特點(diǎn)？第一節(jié) 壓實(shí)作用一、機(jī)械壓實(shí)作用定義 機(jī)械壓實(shí)是指沉積物在上覆重力及靜水壓力作用下，發(fā)生水分排出，碎屑顆粒緊密排列，軟組分?jǐn)D入孔隙，使孔隙體積縮小，孔隙度降低，滲透性變差的作用。結(jié)果引起除骨架顆粒溶解之外的巖石總體積的減小。 顆粒間接觸由點(diǎn)線，隨深度加大而變緊密。 塑性變形?；鹕綆r屑、泥質(zhì)巖屑、云母等柔性組分 變形呈假雜基擠入顆?？臻g。 破裂。剛性顆粒發(fā)生破裂，出現(xiàn)小裂縫。 顆粒定向排列，石英拉長具優(yōu)選方位。2. 機(jī)械壓實(shí)的表現(xiàn)形式點(diǎn)狀接觸線狀

2、接觸機(jī)械壓實(shí)剛性顆粒破裂 石英、長石以線狀接觸為主 黑云母擠壓變形呈假雜基脆性礦物破裂脆性礦物破裂后被方解石充填泥巖巖屑擠入顆粒呈假雜基石英顆粒呈半定向排列主要是降低孔隙度，使巖石體積縮小。3. 機(jī)械壓實(shí)對儲集性能的影響B(tài)read和Wegl（1973）在實(shí)驗(yàn)室按不同分選等級以人工排列方式研究砂巖原始孔隙度Fraser（1935）、Graton和Fraser（1935）： 提供了粒度、分選和顆粒排列對孔隙的影響，證明了孔隙度與粒度無關(guān)，卻隨分選程度變差而大大降低，菱面體排列最低，為25-95，立方體最好，為47.64。 分選極差的：27.9% 分選較差的：30.7 分選中等的：34 分選較好的：

3、39 分選好的： 40.8 分選極好的：42.4 平均孔隙度在點(diǎn)砂壩中為1752 （分選較差中等），海灘砂中為39 56，風(fēng)成砂中為4255，障壁 島砂中4045（25個(gè)樣）。Fchtbauer（1967）： 分選較好以上的砂巖在壓實(shí)前平均 有40的孔隙度，一般最低降為26。Pryor（1973）： 不同成分砂巖壓實(shí)效應(yīng)不同。施密特指出：“雜七雜八堆積的陸源碎屑經(jīng)過機(jī)械壓實(shí)作用，顆粒略呈定向，減少了原生孔隙。脆性顆粒經(jīng)過壓實(shí)，破裂成碎塊，堵塞了小孔隙，總孔隙度減少，柔軟的塑性顆粒經(jīng)過壓實(shí)，部分被擠進(jìn)粒間，堵塞了孔隙。如果柔性顆粒經(jīng)過壓實(shí)變成假雜基充填于顆粒之間，那么，體積縮小5，孔隙度可由35

4、.5減至2 ” 。 壓溶是指在壓應(yīng)力作用下，由骨架顆粒在接觸點(diǎn)的溶解所引起的巖石總體積的減小過程。二、化學(xué)壓實(shí)作用（壓溶作用）定義2. 壓溶的表現(xiàn)形式 石英自生加大 顆粒呈凹凸、縫合接觸石英自生加大顆粒凹凸?fàn)罱佑|壓溶的表現(xiàn)形式石英自生加大顆粒呈凹凸、縫合接觸Riecke：3. 壓溶的機(jī)理 與壓力有關(guān) 與壓力無關(guān)Robin (1978) ：J.M.Hamcock（1978）：A. Thomson（1959）： 顆粒接觸點(diǎn)上壓力高于孔隙處壓力， 互相接觸的顆粒之間存在液體薄膜， 薄膜內(nèi)與孔隙中的飽和濃度差導(dǎo)致壓溶。 粒間界面與孔隙中流體的壓力不等，壓 力差產(chǎn)生的化學(xué)位足以使石英溶解、遷 移、沉淀。

5、 埋藏深度、粒徑、顆粒形狀 和顆粒填集在壓溶中必定起作用。 顆粒溶解取決于孔隙溶液與顆粒邊緣某 些物質(zhì)的觸媒作用，壓力不是決定因素。 顆粒接觸點(diǎn)上粘土膜在富CO2孔隙水作 用下游離出K2CO3，形成堿性微環(huán)境， 使氧化硅溶解度增加，屬礦物化學(xué)反應(yīng)。 降低非塑性顆粒砂巖的體積，如果說壓實(shí)作用使孔隙度降為26，那么壓溶可進(jìn)一步使其降低到40以下。 壓實(shí)作用、壓溶作用均使砂巖孔隙度降低。4. 壓溶對儲集性能的影響Housekecht 定量分析：（縱）原始孔隙度百分比粒間體積用巖石總體積的百分?jǐn)?shù)表示（橫）膠結(jié)物百分比膠結(jié)物是指現(xiàn)存膠結(jié)物體積，用巖石體積百分?jǐn)?shù)表示 粒間孔隙度粒間體積膠結(jié)物第二節(jié) 膠結(jié)作

6、用 膠結(jié)作用是自生礦物的沉淀堵塞粒間體積的過程，它與巖石總體積的減小無直接關(guān)系。膠結(jié)作用總是導(dǎo)致粒間孔隙度降低，但有些情況下又為溶解作用提供物質(zhì)基礎(chǔ)。確定膠結(jié)順序的標(biāo)志： 膠結(jié)物世代向著孔隙中心逐漸變新，孔隙周圍或喉 道上的膠結(jié)物早于孔隙中間的膠結(jié)物。 交代早期膠結(jié)物的礦物形成時(shí)間較晚 石英運(yùn)移導(dǎo)致成巖作用中斷 無膠結(jié)的孔隙度高的巖石中膠結(jié)物充填的早 膠結(jié)順序應(yīng)考慮成巖最初出現(xiàn)的深度和溫度 常見的膠結(jié)順序：鋁硅酸鹽（粘土、長石）石英 碳酸鹽及硫酸鹽氯化物一、碳酸鹽的膠結(jié)作用1. 膠結(jié)物種類：方解石、白云石、鐵方解石、鐵白云石、菱鐵礦。2. 鑒別方法：方解石 ( 0-0.5% FeO )：紅色；

7、 鐵方解石(0.5-1.5% FeO)：紫紅色鐵方解石(1.5-2.5% FeO)：紫藍(lán)色； 鐵方解石(2.5-3.5% FeO)：深藍(lán)色鐵白云石：藍(lán)綠色顯微鏡下鑒定：晶形、雙晶與解理的關(guān)系、交代關(guān)系 染色：推薦用茜素紅S和鐵氰化鉀混合液染色： 0.2克茜素紅S100毫升蒸餾水3毫升濃鹽酸 2克鐵氰化鉀 100毫升蒸餾水3毫升濃鹽酸 以3：2比例混合，染色3040秒 3. 形成條件： 孔隙水中含有一定量的碳酸鈣（如生物殼的溶解） 化學(xué)結(jié)構(gòu)影響溶解度（文石、高鎂方解石易溶、最終 形成純亮晶方解石） PH值升高（9）使溶解度降低引起沉淀 CO2分壓降低，利于沉淀 溫度升高，利于沉淀 Ca2活度增加

8、，利于沉淀 方解石出現(xiàn)在所有環(huán)境下：50，鹽度2.6-3.8%，PH9， 一般形成于成巖早期 白云石常與方解石共生，溫度升高， Ca2 /Mg2比值 低有利于白云石沉淀。由于CaCO3沉淀從蒸發(fā)水中消耗 Ca2而導(dǎo)致Ca2 /Mg2比值降低，隨后白云石從富鎂溶 液中沉淀出，導(dǎo)致白云石化。鎂離子也可來自蒙脫石向 伊利石轉(zhuǎn)變，如果遇上鐵離子可形成鐵白云石。 菱鐵礦代表還原條件，形成于地表泥炭沼澤或地下富有 機(jī)質(zhì)沉積中。 還原條件下，如有鐵離子存在，當(dāng)CO2分壓105，PH=6- 7時(shí)出現(xiàn)菱鐵礦；當(dāng)CO2分壓減少，PH7時(shí)，出現(xiàn)方解石， Mg/Ca大或淡水條件下形成白云石。 方解石與白云石膠結(jié)順序不

9、固定，常見鐵方解石包繞方解石現(xiàn)象，這是因?yàn)殍F方解石晶格比方解石穩(wěn)定，因此不能交代方解石，只能圍繞早期方解石生長。方解石膠結(jié)物鐵方解石膠結(jié)物鐵方解石包繞方解石鐵白云石菱鐵礦膠結(jié)物發(fā)生溶蝕4. 對儲集性能的影響： 呈連晶式或孔隙式充填孔隙，降低巖石物性，也可抵抗機(jī)械壓實(shí)作用。但較易溶解，產(chǎn)生的次生孔隙可以大大改善儲層儲集性能。 Schmidt 和 Mc Donold（1979) 認(rèn)為，在碳酸鹽發(fā)育地區(qū)，溶解了的碳酸鹽可向上遷移，膠結(jié)更高層位的砂巖，從而形成多個(gè)次生孔隙發(fā)育帶。二、自生粘土膠結(jié)1. 常見類型：高嶺石、蒙脫石、伊利石、伊/蒙混層、綠/ 蒙混層、綠泥石等。識別方法：偏光顯微鏡、電鏡掃描和

10、X光衍射 產(chǎn) 狀： 孔隙襯墊（粘土包殼），粘土集合體以一種 特定排列方式垂直或平行碎屑顆粒表面，孔 隙襯墊沿顆粒表面向外生長，并與相鄰顆粒 襯墊連生，多數(shù)被后來膠結(jié)作用封閉。 孔隙充填：堵塞孔隙 交代：替代碎屑顆粒，分布于顆粒表面 裂縫或晶洞充填粘土包殼2. 粘土膠結(jié)物的種類及特征高嶺石：Al2(OH)4Si2O5 電鏡下可清楚顯示書頁狀、六方板狀、蠕蟲狀， 是一種靠大陸的近濱地帶沉積的指示劑。風(fēng)化帶 中的高嶺石是無序的，但自生高嶺石是有序的， 外形呈蠕蟲狀。 隨埋深加大，孔隙水中離子濃度發(fā)生變化，孔隙 水變?yōu)閴A性，此時(shí)若有K 、Al 離子存在，則變 為伊利石；若有Mg、Al離子存在，則變?yōu)榫G

11、泥石。 d(001)=7.15 d(002)=3.56-3.58 d(003)=2.38在酸性孔隙水條件下，高嶺石變成葉臘石的溫度約 為 300 ，變成地開石約200 ，變成珍珠陶土要 求壓力條件要大些。高嶺石穩(wěn)定范圍為25-300 , 壓力約0.01-0.2Gpa, 一般中成巖末期消失。高嶺石：Al2(OH)4Si2O5書頁狀高嶺石自生高嶺石蒙皂石組 ( Na,Mg) H2OAl2-x(OH2Si4O10) 蒙皂石出現(xiàn)于富鈣的、富鈉的堿性離子存在的地區(qū)， 常見的種類是皂石、蛭石、海泡石和縷石。 典型的晶形是蜂巢狀，由兩個(gè)四面體和一個(gè)八面體組 成2:1型含水硅酸鹽。 蒙皂石在成巖過程中向伊利石

12、和綠泥石轉(zhuǎn)化，但其間 必須經(jīng)過混層階段。 d(001)=12-15 ，加熱600 9.6-10 。蒙脫石 Al2(OH)2Si4O10自生蒙脫石在火山碎屑表面分布的自生蒙脫石伊利石 KAl4(OH)4 (Al,Si7)O20伊利石（水云母）與白云母相比K離子少，多SiO2 和 H2O。片狀、針狀集合體，由2個(gè)四面體加一個(gè)八面體組成。d(001)=10 ； d(002)=5 ；d(003)=3.3 。伊利石 KAl4(OH)4 (Al,Si7)O20：片狀、毛發(fā)狀綠泥石 Mg2Al(OH)6Mg3(OH)2(AlSi3)O10 綠泥石結(jié)晶度與化學(xué)成分復(fù)雜，一般在風(fēng)化帶中出現(xiàn) 在高緯度地區(qū)。絨球狀

13、、玫瑰花狀、針狀集合體均有，二個(gè)八面體加 二個(gè)四面體以2:2型構(gòu)成，晶層間短，14 。d(001)=14.2 ；d(002)=7.1 ；d(003)=4.7 ； d (003) =3.53 ， 加熱600 d(001)=13.8-14。 蒙脫石在有Mg2的情況下可通過I/Ch混層向綠泥石轉(zhuǎn) 化，早成巖期富鐵，晚成巖期富鎂。玫瑰花瓣?duì)罹G泥石針葉狀綠泥石3. 對儲集性能的影響：降低孔隙度，堵塞孔隙喉道。 高嶺石、綠泥石呈分散質(zhì)點(diǎn)的孔隙充填或蒙脫石、伊利石、綠泥石呈薄膜式膠結(jié)，粒間孔為主，孔隙大，連通好；若伊利石、埃洛石呈粘土橋，則以晶間孔為主，連通差。 對開發(fā)的影響：注水可使蒙脫石和I/S膨脹，導(dǎo)

14、致孔喉堵塞，如鈉質(zhì)蒙脫石可膨脹至600-1000倍，注水速度大可使高嶺石、伊利石破碎，酸化可使綠泥石遇酸溶解，并變?yōu)镕e(OH)3沉淀，堵塞孔隙。三、沸石膠結(jié)1. 形成條件 沸石的穩(wěn)定性隨水化物的多少而變化，即水化物越少越穩(wěn)定，這點(diǎn)與溫度相關(guān)，沸石隨成巖強(qiáng)度增加由多水化合物逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗镙^少的沸石。 沸石一般是孔隙水與巖石的不穩(wěn)定組分相互作用的產(chǎn)物，不穩(wěn)定組分：火山玻璃、結(jié)晶度差的粘土（蒙脫石、鈣長石）、生物成因的硅質(zhì)巖 形成條件：PH值高，富含SiO2、Ca2、Na、K的高礦化度孔隙水；高鹽度；低CO2分壓；高Ca2、Si(OH)4濃度。方沸石膠結(jié)物方沸石晶體濁沸石膠結(jié)物充填粒間孔濁沸石沿

15、斜長石解理分布2. 形成環(huán)境鹽堿湖、鹽堿土壤：均易出現(xiàn)沸石，鹽堿湖里PH 9， Al、Si溶解度大，如凝灰物質(zhì)，幾千年里就可變?yōu)榉惺?常見組合有鈣十字沸石、斜發(fā)沸石、毛沸石、絲光沸 石、菱沸石。遠(yuǎn)洋沉積：最多的礦物是蒙皂石類（蒙皂石、坡縷石、 海泡石）次為沸石（鈣十字沸石、斜發(fā)沸石、方沸石、 絲光沸石、毛沸石），再次為蛋白石、石英，三者共存， 隨成巖加強(qiáng)，鈣十字沸石轉(zhuǎn)變?yōu)樾卑l(fā)沸石。熱液蝕變帶：溫度低的地帶，見斜發(fā)沸石、鈉沸石，隨 水溫增加，出現(xiàn)方沸石、片沸石、濁沸石，主要見于火 山碎屑巖埋藏成巖及淺變質(zhì)帶： a帶：早期成巖階段，出現(xiàn)鈣十字沸石、斜發(fā)沸石、菱 沸石、鈉沸石、埋深 0-2km；b

16、帶：斜發(fā)沸石、絲光沸石、毛沸石，埋深2-4km；c帶：方沸石、片沸石，埋深4-5km（日本卡達(dá)油田）；d帶：濁沸石、鈉長石，埋深3-11km（新西蘭）。 沸石的形成溫度變化較大，不同地區(qū)不同井段差別較大。 沸石膠結(jié)的結(jié)果是使孔隙度降低，但也為溶解作用提供物質(zhì)基礎(chǔ)（如陜甘寧濁沸石溶解）。四、硅質(zhì)膠結(jié)1. 硅質(zhì)膠結(jié)方式和形成條件 常見的形式是自生加大和自形晶粒，硅質(zhì)膠結(jié)來孔隙水（孔隙水中硅離子濃度正常平均值為6ppm，最大達(dá)80ppm）當(dāng)孔隙水中硅離子濃度超過正常值（如溶解SiO2的加入），則發(fā)生硅質(zhì)沉淀。 硅質(zhì)膠結(jié)有晶質(zhì)和非晶質(zhì)兩種形態(tài)，非晶質(zhì)是蛋白石（蛋白石A、蛋白石CT)，晶質(zhì)為玉髓和石英。

17、蛋白石A為均質(zhì)體蛋白石CT雙峰衍射圖衍射圖上為寬闊球狀面低峰為鱗石英、高峰為方英石呈微晶球粒狀，5m 非晶質(zhì)SiO2溶解度高，為100-200ppm，石英溶解度在PH9時(shí)，溶解度急劇增加，但一般只有非晶質(zhì)的5%（6ppm），隨溫度上升，非晶質(zhì)SiO2溶解加快，石英溶解度增加緩慢，造成利于石英沉淀的條件。 蛋白石A 蛋白石CT（通過溶解沉淀），后者硅質(zhì)濃度低于前者的平衡濃度。蛋白石CT 石英 Ernst和Calvert（1969)認(rèn)為是固相 轉(zhuǎn)變（300，7個(gè)月；400 , 12 天；500 ，30小時(shí)變?yōu)槭ⅲ?Stein和Kirkparick(1976）認(rèn)為自生石 英自形程度好，所以是溶解沉

18、淀； 隨溫度增加，石英和非晶質(zhì)溶解度也增加，形成蛋白石CT的條件。硅質(zhì)溶解度在非晶質(zhì)SiO2和石英之間，由于石英結(jié)晶速度非常緩慢，因此不能馬上沉淀，而蛋白石CT具較差的有序度，Si容易進(jìn)入晶格中 蛋白石CT不能出現(xiàn)在非常老的時(shí)代，一般在前白堊紀(jì)，石英膠結(jié)一般反映埋藏較深（時(shí)代較老）的地層。II級石英加大石英的自生加大2. 硅質(zhì)膠結(jié)方式和形成條件 硅質(zhì)生物骨骼溶解火山玻璃蝕變和土壤水 蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化 硅酸鹽溶解（長石高嶺石化） 壓溶作用五、硫酸鹽及硫化物膠結(jié) 硫酸鹽主要指石膏，硬石膏和重晶石，它們沉淀于蒸發(fā)環(huán)境（早期成巖），如薩布哈的灘坪積。中成巖和晚成巖期的硫酸鹽往往與石膏溶解和沉淀有關(guān)。

19、石膏和硬石膏的轉(zhuǎn)化是可逆的，它取決于孔隙水的鹽度、溫度和壓力。石膏隨埋深增加，增溫或鹽度增加即轉(zhuǎn)變?yōu)橛彩啵粗?，又可轉(zhuǎn)化為石膏。一般情況下，硬石膏晚于白云石而早于石英，它的形成可能與在溫暖、深埋的鹵水中的Ca2和SiO42的活動性變化有關(guān)。 硫化物常見的是黃鐵礦，早期成巖者呈莓球狀，中晚成巖具晶粒狀。硬石膏膠結(jié)重晶石膠結(jié)莓球狀黃鐵礦晶粒狀黃鐵礦六、自生長石膠結(jié)自生鈉長石和自生鉀長石。1. 形成條件（ Fchtbawer）溶液中有足夠的SiO2；足夠的Na+/H +或K + /H + 活度值；地溫較高；巖石中有粘土礦物，因Al+3不能長途搬運(yùn)， 只能由粘土礦物提供。2. 特征鈉長石：9.8，C

20、O2降低，方解石沉淀，方解石交代石英；反之則相反。 （2）方解石交代粘土 PH 8，Ca+2濃度高，多發(fā)生在成巖中晚期。 常見的交代現(xiàn)象（3）粘土交代石英 （4）長石高嶺石化 富CO2水時(shí)，粘土可分離出碳酸鉀（強(qiáng)堿），溶解石英、長石。（5）白云石交代方解石淺層高CO2分壓和PH值低酸性環(huán)境中易進(jìn)行2CaAl2Si2O8+2CO2+4H2O Al4(Si4O10 )(OH)8 +2CaCO32KAlSi3O8+16H2O 2K+2Al+3+8OH -+6 H4SiO4 Al2 (OH)4Si2O5 +4SiO2 + 2K+ 2OH - + 13H2O 碳酸鹽交代石英鐵方解石交代綠泥石常見的交代現(xiàn)

21、象鐵白云石交代斜長石常見的交代現(xiàn)象鐵方解石交代方解石方解石交代濁沸石2.判斷交代順序的標(biāo)志（1）礦物假象：溶解和沉淀同時(shí)進(jìn)行，后者保留前者結(jié)晶習(xí)性 ；（2）幻影結(jié)構(gòu)：原生顆粒只留下模糊的輪廓，如硅化鮞粒，白 云石化生物骨骼；（3）交叉切割：交代的切割被交代的；（4）交代殘留：殘留的被交代。 總之，上述各種成巖作用，機(jī)械壓實(shí)主要發(fā)生在中成巖較淺部位（半成熟期前，2000m以上）；壓溶作用發(fā)生在中成巖的淺部（1000-2000m）；溶解作用發(fā)生在中成巖成熟期（2000m以下）和表生成巖階段；交代作用發(fā)生于整個(gè)過程，主要在中成巖淺部到深部的上部；膠結(jié)作用與交代作用類似。鐵白云石脈切穿鐵方解石方解石交

22、代濁沸石硬石膏交代碳酸鹽粘土交代方解石第四節(jié) 砂巖的成巖作用石英砂巖類的成巖作用？貧石英砂巖類的成巖變化？本節(jié)重點(diǎn)：中成巖階段石英砂巖類的孔隙演化、成巖模式、孔隙演化及其與構(gòu)造運(yùn)動的關(guān)系？ 研究目的提高預(yù)測多孔隙砂巖分布狀況的能力，以便做好石 油勘探；獲得全面的有關(guān)砂巖儲集層的礦物組成、結(jié)構(gòu)組成 方面的知識，了解礦物和進(jìn)入儲層流體間可能發(fā)生 的化學(xué)反應(yīng)和物理反應(yīng)的知識；模擬砂巖儲集層中孔隙度和滲透率的分布；研究從松散沉積物轉(zhuǎn)變?yōu)楣探Y(jié)巖石的作用(純理論)。一、石英砂屑巖的成巖作用1.中成巖演化階段超成熟階段幾乎無有效孔隙，但一旦地層隆升，可使儲層溶解產(chǎn)生次生孔隙。2、孔隙度的演化被動大陸邊緣的孔

23、隙演化現(xiàn)存孔隙達(dá)20孔隙度的演化3.石英砂屑巖成巖模式1只發(fā)生石英膠結(jié)作用的石英砂屑巖的埋藏成巖作用（據(jù)R.Hess和V.Schmidt,1984)石英砂屑巖成巖模式2 石英壓溶作用與石英沉淀作用相平衡下的石英砂屑巖的埋藏成巖作用 （據(jù)R.Hess和V.Schmidt,1984)石英砂屑巖成巖模式3在壓溶和無膠結(jié)作用條件下,石英砂屑巖的埋藏成巖作用 （據(jù)R.Hess和V.Schmidt,1984)石英砂屑巖成巖模式4通過碳酸鹽的溶解造成次生孔隙；由于再生石英的成巖，使孔隙喪失。原始石英的成巖作用；由于碳酸鹽膠結(jié)，使孔隙喪失；（據(jù)R.Hess和V.Schmidt,1984)石英砂屑巖成巖模式5

24、由于石英成巖作用使孔隙喪失后,早期成巖階段和沉積的碳酸鹽的溶解作用 （據(jù)R.Hess和V.Schmidt,1984)石英砂屑巖成巖模式6通過碳酸鹽的溶解/沉淀作用,原生孔隙轉(zhuǎn)變?yōu)榇紊紫叮〒?jù)R.Hess和V.Schmidt,1984)4.孔隙與構(gòu)造運(yùn)動的關(guān)系開始向被動大陸邊緣那樣沉降，然后造山，地殼上升，最后又沉降。另一條線代表水動力系統(tǒng)，頁巖脫水不流動(上升階段) 大氣水與地下水混合大氣水(地表)大氣水與地下水混合(上升末與下降初) 脫水，但不如第一次強(qiáng)烈。 可產(chǎn)生三次次生孔隙：第一次由于粘土礦物埋藏；第二次由于上升運(yùn)動；第三次由于年青的沉積物里有成熟的有機(jī)質(zhì)存在。（據(jù)R.Hess和V.Sc

25、hmidt,1984)5.砂巖成巖階段（據(jù)R.Hess和V.Schmidt,1984) 從未成熟到成熟階段，固結(jié)作用明顯，原生孔隙基本喪失，次生孔隙生成，機(jī)械壓實(shí)變?yōu)榛瘜W(xué)壓實(shí)。半成熟階段：第一相，膠結(jié)物是石英、碳酸鹽及粘土礦物，碳 酸鹽和長石溶解；第二相，主要為方解石、石英和粘土礦物；第三相，碳酸鹽和長石溶解，次生孔隙生成，膠 結(jié)物是碳酸鹽、石英、少量粘土、高嶺石，化學(xué) 壓實(shí)繼續(xù)。砂巖各成巖階段特征成熟階段： 第一相，相當(dāng)于上述第三相，但有鈉長石，由于碳酸鹽和 長石溶解產(chǎn)生了大量次生孔隙，因此又有機(jī)械壓實(shí)和化學(xué) 壓實(shí)； 第二相，含鐵碳酸鹽代替一般碳酸鹽，膠結(jié)物是石英和鈉 長石，粘土礦物變?yōu)榫G泥

26、石和伊利石，仍有碳酸鹽和長石 溶解，但較弱，化學(xué)壓實(shí)繼續(xù)； 第三相，出現(xiàn)石英、綠泥石、伊利石，化學(xué)壓實(shí)為主，次 生孔隙仍出現(xiàn)，但數(shù)量減少。 二、貧石英砂巖的成巖作用 盆地沉降5000英尺(1.5km)，石英砂巖未成熟末，但火山巖屑砂巖則在1km達(dá)到；半成熟階段對于石英砂巖是2.5km，而火山巖巖屑砂巖主要1.5km；成熟帶石英砂巖埋深為2.5-8km，而火山巖屑砂巖只有5km，長石砂巖的埋深處于兩者之間。貧石英砂巖的成巖演化 開始砂巖的孔隙度較高，經(jīng)機(jī)械壓實(shí)、化學(xué)壓實(shí)、自生礦物膠結(jié)作用后，孔隙度隨成巖作用變化非?？?，孔隙一般保存到4000m左右，這是因?yàn)樨毷⑸皫r中常是柔性組分，易被壓實(shí)。粘土

27、礦物水化（包括沸石化）比石英砂巖中重要的多，因此有更多的粘土礦物。滲透率比石英砂巖中降低的還要快?；鹕匠梢蛏皫r的成巖作用時(shí)間溫度鹽度深度溶解反應(yīng)水化反應(yīng)碳酸鹽化反應(yīng)粘土環(huán)邊玻璃水化作用碳酸鹽膠結(jié)物玻璃 沸石斜長石 沸石 含鐵碳酸鹽 或白云石脫水反應(yīng)片沸石片沸石片沸石片沸石濁沸石濁沸石方沸石濁沸石方沸石鈉沸石葡萄石綠纖石葡萄石鈉長石三、石英砂巖與貧石英砂巖成巖作用對比石英砂巖貧石英砂巖機(jī)械壓實(shí)弱機(jī)械壓實(shí)強(qiáng)化學(xué)壓實(shí)強(qiáng)化學(xué)壓實(shí)弱溶解作用強(qiáng)溶解作用弱水化、脫水弱水化重要、脫水強(qiáng)膠結(jié)作用強(qiáng)膠結(jié)作用弱交代作用弱交代作用強(qiáng)破裂作用弱破裂作用強(qiáng)中成巖更重要始成巖和晚成巖更重要第五節(jié) 泥巖的成巖作用粘土礦物的成

28、巖作用？ 泥巖的壓實(shí)作用？泥巖成巖過程對砂巖成巖作用的影響？本節(jié)重點(diǎn)：主要的物質(zhì)組成 泥巖主要由層狀硅酸鹽礦物組成，主要組份有：高嶺石、蒙皂石組、伊利石、綠泥石。由于它們在自然界中常以粘土混合物形式出現(xiàn)，且粒度細(xì)小，因此較困難。鑒別方法：電 鏡晶形及成分 X光衍射化學(xué)成分 透射電鏡晶體結(jié)構(gòu)一、粘土礦物的成巖變化1. 高嶺石 高嶺石是風(fēng)化帶的產(chǎn)物，代表溫帶和熱帶氣候，其特征是無序的三斜晶系，顆粒較其它成因的粘土略粗，易于在近岸地帶沉積。 成巖帶中的高嶺石要求酸性孔隙水，其特征是有序的單斜晶系，顆粒略細(xì)，電鏡下常呈蠕蟲狀。風(fēng)化高嶺石三斜無序或假單斜無序（PMd）成巖高嶺石三斜有序（ITC）地開石近

29、變質(zhì)（ZMabc）在成巖過程中，孔隙水中有K、Al離子存在時(shí)：（PH值高）KoaliniteKSiO2 Illite 上述轉(zhuǎn)變與離子濃度關(guān)系很大，如K+/H+106，高嶺石于100 變?yōu)橐晾?。如果K+/H+103 ，則需200 。隨著深度加大，時(shí)代變老，高嶺石變少，古生代數(shù)量最少，此時(shí)有石英存在，可變成迪開石和珍珠陶土（壓力大），溫度再升高可變?yōu)槿~臘石。（PH值低）KoaliniteSiO2 Pyrophyllite 約300孔隙水中有Mg、Al離子存在時(shí)：（PH值高）KoaliniteAl2O3 Chlorite（離子濃度低）KoaliniteSiO2 Dickite 約200 Nacri

30、te(壓力大時(shí)） 高嶺石在成巖作用的早期和中期是豐富的，在晚期階段通缺失，高嶺石熱力學(xué)條件為：T25300 ，P0.010.2GPa 。 高嶺石通常消失的溫度為80190 ，深度11003000m。風(fēng)化帶和成巖環(huán)境中的高嶺石 蒙皂石形成于地表和近地表帶的五種環(huán)境中：土壤、堿性湖泊、斑脫巖帶、遠(yuǎn)洋沉積和熱水巖脈。2. 蒙皂石（Smectite） 蒙皂石為風(fēng)化作用較弱的產(chǎn)物，一般形成于富鈣、富鈉的堿性離子存在的地區(qū)。常見的種類是皂石、蛭石、海泡石和坡縷石。蒙脫石指Al、Mg二八面體的蒙皂石。它們一般由火山玻璃轉(zhuǎn)化而來，指示海相環(huán)境。從河流到海洋，Ca+2 減少，K+、Na+、Mg+2增加。 蒙皂石

31、在成巖過程中晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，變成伊利石和綠泥石，但其間必須經(jīng)過混層階段（I/S或C/S）初始：蒙皂石含70層間水，7孔隙水，13膨脹粘土固體， 5非粘土土壤。 研究蒙皂石向伊利石轉(zhuǎn)變的先驅(qū)是Burst（1969）在美國墨西哥灣的工作，他把粘土的轉(zhuǎn)變分為三個(gè)帶：I帶：早期成巖，機(jī)械壓實(shí)使層間水減少60，孔隙水由720 ，沉積物密度由1.321.96 。II 帶：經(jīng)脫水密度變?yōu)?.28，蒙皂石層內(nèi)水減少1/2(脫去倒數(shù)第 二層殘留層間結(jié)合水，轉(zhuǎn)化為混層，可失去被壓實(shí)體積的 1015的水)，每個(gè)蒙皂石結(jié)晶單位中只有2個(gè)水分子 。III帶：脫水使所有層間水失去，皂石不含水 。 Perry（19701

32、972）著重研究孔隙水化學(xué)成分對礦物變的影響：埋深與脫水作用間的關(guān)系圖I帶：孔隙水由機(jī)械壓實(shí)作用由70 30，后期礦物結(jié)構(gòu)組分 有變化，由I/S混層組成，I2 。II 帶：以I/S為主，其中I65%，為無序結(jié)構(gòu)（晶體結(jié)構(gòu)、Ro、 晶層無順序，堆積沒次序）。III帶：失去更多的蒙皂石，主要為伊利石，I8085%，有序結(jié) 構(gòu)，R1。 蒙脫石向伊利石的變化是連續(xù)的，之所以不能分出階段，是因?yàn)檫@種變化有兩個(gè)突變點(diǎn)：一個(gè)大約在20002500m，T8090，另一個(gè)大約在30005000m，T120150。IV帶：無水、固結(jié)，準(zhǔn)變質(zhì)帶。 Dallogev(1976)認(rèn)為:蒙脫石變?yōu)镮/S混層的溫度為70-

33、95。 蒙皂石變成伊利石的方式是失去晶體結(jié)構(gòu)中的層間水和得到K+、Al +3離子， K+、Al +3離子一般來源于孔隙水和其它陸源物質(zhì)分離的結(jié)果。一般在2000m時(shí)， K+增多，蒙皂石開始變?yōu)橐晾琄2O從25%, Al +3可來源于硅酸鹽溶解,蒙皂石向伊利石轉(zhuǎn)化的深度常與鉀長石消失一致。 在蒙皂石向伊利石轉(zhuǎn)化過程中，Na、Ca、Fe、Mg、Si和水被釋放出來，關(guān)于硅的釋放可見Boles和Franks（1979）的文章。1摩爾的蒙皂石可放出3摩爾SiO2或16摩爾SiO2 。在夾有17m的厚砂巖的100m厚的頁巖中，有40%的蒙皂石通過成巖變化后只剩下20%的蒙皂石，其余變成伊利石，硅質(zhì)被釋

34、放出來。蒙皂石（Na、Mg）2H2OAl2x（OH2Si4O10）伊利石 KAl5(OH)4Si7O20鉀長石+蒙皂石伊利石 +綠泥石+石英伊利石的同質(zhì)多象:3. 伊利石分散狀伊利石的大量出現(xiàn)是與有機(jī)質(zhì)超成熟帶基本一致的。IMd 無序 產(chǎn)于風(fēng)化帶IM 單層有序 成巖帶IM 雙層有序 淺變質(zhì)帶 伊利石的成巖變化是結(jié)晶度的變化，由Weaver(1960)提出以10峰高度和10.5峰高度之比。后來Kuble(1966)認(rèn)為10.5不能正解反映開放系統(tǒng)，以X光衍射10峰半高寬作為衡量伊利石結(jié)晶程度的指數(shù)。結(jié)晶程度越好， 10峰越窄，隨埋深增加，變質(zhì)程度加強(qiáng)，結(jié)晶程度變好，結(jié)晶度指數(shù)變小，半峰高單位用毫

35、米，半峰高寬度投射到橫座標(biāo)上，用不同的角表示。 目前研究較為詳細(xì)的是晚成巖至淺變質(zhì)階段（魁北克的勞倫斯河與蒙特利爾）: 國際IC技術(shù)測定委員會統(tǒng)一規(guī)定，用Kbler指數(shù)，0.422或Kitch指數(shù)0.37-0.382作為成巖階段與變質(zhì)階段界限。中成巖晚期 0 .72-1.10 5.5-8.5晚成巖期 0.42-0.72 3.2-5.5近地表變質(zhì)帶 0.23-0.42 1.8-3.2淺變質(zhì)帶 0.23 1.8 2 mm(002)(001)比值對IC的影響：1.成巖早期，IC與 無相關(guān)(002)(001)2.成巖中、晚期，IC與 正相關(guān)(002)(001)3.晚成巖期，不隨強(qiáng)度變化4.準(zhǔn)變質(zhì)帶，負(fù)

36、相關(guān)5.淺變質(zhì)帶，無相關(guān) 伊利石的結(jié)晶度受多種因素控制：顆粒、巖性、 比值、晶層厚度、掃描速度等。(002)(001)蒙皂石伊/蒙混層伊利石系列對油氣的影響： 層狀硅酸鹽微粒質(zhì)點(diǎn)是生油成氣的催化劑，以膨脹層蒙皂石催化力最強(qiáng)（貝得石型更有利）。伊利石催化能力弱，但有選擇催化性能。由于它的水化層間域較窄，因此選分子半徑小的烴類催化，更利于生氣。 微粒質(zhì)點(diǎn)礦物的富集體是泥巖，其中含大量有機(jī)質(zhì)，成巖過程中微粒質(zhì)點(diǎn)催化有機(jī)質(zhì)，本身也轉(zhuǎn)化，因此形成有機(jī)無機(jī)相互制約，相輔相成的演化整體。有機(jī)物、干酪根、石油、天然氣遞進(jìn)形成。1000m2000m3000m50100 150 礦 物 有機(jī)物粘土沉積物脂肪酸脫羧

37、基蒙皂石 IbdI/S,C/S Ib=97 Ib=90I, C/I，IIb 濁沸石向烴類轉(zhuǎn)化(膨脹粘土催化)生油門限伊利石選擇催化裂解氣生成 綠泥石研究較少，主要是其結(jié)晶度與化學(xué)成份復(fù)雜，一般出現(xiàn)在風(fēng)化帶中綠泥石屬高緯度，也即化學(xué)風(fēng)化不重要的地區(qū)。4. 綠泥石 在成巖晚期階段至準(zhǔn)變質(zhì)階段和淺變質(zhì)階段，綠泥石和般與蒙皂石組成混層，蒙脫石在富Mg的情況下通過I/C混層向綠泥石轉(zhuǎn)化。早成巖期富鐵，晚成巖期富鎂。 具有四個(gè)同質(zhì)多型體，即Ia（風(fēng)化帶）、Ib（成巖）、II a、II b（近變質(zhì)150-200）。根據(jù)Hays（1970)研究結(jié)果，綠泥石多型從成巖到變質(zhì)過程的變化為Ibd Ib(=90 )

38、II b（ =97 ）并把最后一種作為成巖作用與變質(zhì)作用的界線。 綠泥石為2:1型礦物。但層間域?yàn)闅溲趸锇嗣骟w片充填，存在大量離子替代，根據(jù)2:1層內(nèi)八面體片的成分將綠泥石分為三八面體和二八面體。前者富鐵鎂，常見；后者富鋁，少見。三八面體綠泥石：斜綠泥石富鎂、富鋁鮞綠泥石、磁綠泥石富鐵鎳綠泥石富鎳葉綠泥石富錳二八面體綠泥石：頓綠泥石(Donbassite)頓巴斯石或片硅鋁石須藤石綠泥石的薄膜式膠結(jié)鎂綠泥石二、泥巖的壓實(shí)作用 壓實(shí)作用：在一個(gè)沉積物柱體中，由于上覆負(fù)荷所引起的正常剪切壓應(yīng)力作用，使其孔隙流體排出和孔隙體積縮小的過程。 沉積物的壓實(shí)是一個(gè)體積縮小的過程，可以用原始孔隙所占的百分?jǐn)?shù)

39、來表示。按Mller(1967)意見，在約500m時(shí)，沉積物總體積減少50%，孔隙度減少約30%而變成泥巖（或頁巖），隨著孔隙度降低，孔隙度只有4-5%，則為板巖。1. 孔隙度與密度隨深度變化 的關(guān)系粘土的典型壓實(shí)曲線，表示孔隙度和密度隨深度變化沉積巖總孔隙度和埋藏深度之間的關(guān)系根據(jù)加利福尼亞洛杉磯和文圖拉盆地以及美國其它各地和意大利的波利河盆地4000多個(gè)巖心實(shí)驗(yàn)測定作出(據(jù)Mc Cuiloh，1967）頁巖和泥質(zhì)沉積物孔隙度和埋藏深度之間的關(guān)系1=Proshlyakov的曲線(1960); 2=Mcade的曲線(1966); 3=Athy的曲線(1930); 4=Hosoi的曲線(1963

40、); 5=Hcdberg的曲線(1936); 6=Dickinson的曲線(1953); 7=Magara的曲線(1968); 8=Weller (1969); 9=Ham的曲線 (1966); 10=Foster和Whalen的曲線(1966)2. 間隙流體 隨著沉積物的堆積，下伏地層受到壓實(shí)，間隙水被排出，此時(shí)流體壓力等于靜水壓力，排出水的運(yùn)動方向和化學(xué)性質(zhì)是兩個(gè)重要的問題。 利于油的運(yùn)移：水化的粘土礦物在壓實(shí)后釋放出大量的水，油被這種有效水排出，因?yàn)槿鄙侔咽蛿D出來的水，所以很多含有非水化粘土的油頁巖被保留下來。 壓實(shí)作用使水通過軟泥運(yùn)移，地下水的鹽度可能顯著增加，烴類的溶解度因較多電解質(zhì)的存在而提高，但飽和了無機(jī)鹽的鹽水最終