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本文作者：孟凡晉1,2肖麗華1謝玉洪3王振峰3劉景環(huán)3童傳新4張伙蘭3高煜婷1孟元林1魏巍1趙曉慶5作者單位：1東北石油大學(xué)2UniversityofHouston3中國海洋石油總公司西部分公司4中國地質(zhì)大學(xué)

區(qū)域地質(zhì)概況

新生界自下而上依次發(fā)育始新統(tǒng)、漸新統(tǒng)的崖城組和陵水組，中新統(tǒng)的三亞組、梅山組和黃流組，上新統(tǒng)的鶯歌海組以及第四系樂東組，總厚度達(dá)17km［19，20］。鶯歌海盆地崖城組為陸相沉積，從陵水組開始發(fā)育海相沉積。從盆地邊部到中心，依次發(fā)育海岸平原、(扇)三角洲、濱海相、淺海相、半深海相，在盆地中央還發(fā)育盆底扇、滑塌體帶等。根據(jù)構(gòu)造變形特征，將鶯歌海盆地劃分為鶯東斜坡、鶯西斜坡、中央坳陷三個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元(圖1)［21］。中央坳陷包括臨高凸起、底辟構(gòu)造帶兩個(gè)正向構(gòu)造單元。由于盆地基底快速沉降和細(xì)粒沉積物快速充填，鶯歌海盆地普遍發(fā)育超壓［20，22］。鶯歌海盆地超壓體系主要分布于盆地的中央坳陷。在中新世鶯歌海組沉積時(shí)期，中央坳陷三亞組和梅山組的半深海相泥質(zhì)沉積物沿?cái)嗔焉蠜_，刺穿上覆地層，形成底辟構(gòu)造，伴隨著底辟的發(fā)育，深部富含CO2的高溫?zé)崃黧w沿?cái)鄬舆M(jìn)入淺部地層，加速了有機(jī)質(zhì)的熱演化。東方區(qū)和樂東區(qū)分別位于底辟構(gòu)造帶的北部和南部(圖1)，具有高溫、超壓的特征，二者的DST實(shí)測地溫梯度平均值分別為44．2℃/km、40．6℃/km，實(shí)測壓力系數(shù)分別為1．95、1．80。中央坳陷東南部的LD30-1-1A井區(qū)及其周圍地區(qū)，在底辟構(gòu)造帶之外，沒有熱流體活動(dòng)，但由于發(fā)育巨厚的欠壓實(shí)泥巖，泥巖孔隙度高，熱導(dǎo)率低，超壓發(fā)育，地溫梯度很高，LD30-1-1A井實(shí)測地溫梯度為43．3℃/km，DST實(shí)測壓力系數(shù)最高可達(dá)2．4，這一地區(qū)一般稱為東南區(qū)。鶯東斜坡區(qū)位于盆地的東部，既不發(fā)育超壓，也沒有熱流體的活動(dòng)，具有正常的溫度和壓力環(huán)境。而臨高凸起區(qū)也沒有熱流體活動(dòng)，僅在3673m以下的泥巖中出現(xiàn)弱超壓，壓力系數(shù)平均為1．38。

黏土礦物轉(zhuǎn)化的三種模式、成因及其地質(zhì)意義

1正常演化型

鶯歌海盆地的鶯東斜坡區(qū)具有正常的溫、壓特征。臨高凸起帶只有在3500m以深才發(fā)育超壓，因此，在3500m以淺，黏土礦物轉(zhuǎn)化屬于正常演化型(圖2)。隨埋深的增加，蒙皂石經(jīng)I/S混層，轉(zhuǎn)化為伊利石，I/S混層中的S%逐漸減小，伊利石含量增加，這一過程可用下式表示［2］:3．93K++1．57KNaCa2Mg4Fe4Al14Si38O100(OH)20•H2O(蒙皂石)→K5．5Mg2Fe1．5Al22Si35O100(OH)20(伊利石)+1．57Na++3．14Ca2++4．28Mg2++4．78Fe3++24．6Si4++57O2－+11．4OH－+15．7H2O(1)此外，隨埋深和地溫的增加，黏土礦物中的高嶺石還逐漸發(fā)生伊利石化，因此高嶺石隨埋深的增加而減小，并最終消失(圖2)，高嶺石的伊利石化可用下式表示:3Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)+2K+→K5．5Mg2Fe1．5Al22Si35O100(OH)20(伊利石)+2H++3H2O(2)由于隨埋深的增加，高嶺石的伊利石化和蒙皂石向伊利石的轉(zhuǎn)化程度增高，二者共同導(dǎo)致了伊利石隨埋深的增加而增加的趨勢(圖2)。

2快速演化型

在新近紀(jì)，鶯歌海盆地發(fā)育了大規(guī)模的底辟作用和富含CO2高溫?zé)崃黧w的活動(dòng)［22］，并形成一系列底辟構(gòu)造(圖1)，DF1-1構(gòu)造就是其中之一(圖1，圖3)［21，23］。在鶯歌海期，該構(gòu)造發(fā)育了一系列南北向張性斷層，當(dāng)熱流體由深部超壓帶通過斷裂向淺層和地表運(yùn)移時(shí)，運(yùn)移通道附近的地?zé)釄龊涂紫读黧w的化學(xué)成分就會(huì)受到影響，例如:位于DF-1-1構(gòu)造南北向斷裂周圍的DF1-1-2井，在1200m處，記錄當(dāng)時(shí)熱流體溫度的流體包裹體均一溫度高達(dá)200℃［23］!高溫?zé)崃黧w的強(qiáng)烈活動(dòng)，勢必影響到巖石的成巖作用和水—巖反應(yīng)，使黏土礦物的轉(zhuǎn)化出現(xiàn)異常(圖4)。在正常情況下，蒙皂石向伊利石轉(zhuǎn)化是漸變的，但在高溫?zé)崃黧w作用下，黏土礦物的轉(zhuǎn)化出現(xiàn)躍變，位于東方1-1構(gòu)造南北向斷裂周圍的DF1-1-1井、DF1-1-2井、DF1-1-3井、DF1-1-7井(圖3)，在1200～1500m深度范圍內(nèi)熱流體活動(dòng)強(qiáng)烈(圖4)，儲(chǔ)層中CO2的含量驟增至40%以上，I/S混層中的S%出現(xiàn)躍變，由R0帶跳躍到R2、R3帶，缺失R1帶。鶯歌海盆地?zé)崃黧w的活動(dòng)不僅加速了黏土礦物的轉(zhuǎn)化，而且改變了黏土礦物轉(zhuǎn)化的方向。在大多數(shù)盆地中，隨著埋深和地溫的增加，地層中的高嶺石經(jīng)高嶺石/綠泥石混層，逐漸向綠泥石轉(zhuǎn)化，直至消失［17］，反應(yīng)式如下:5CaMg(CO3)2+Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)+SiO2+H2O→5CaCO3+5CO2+Mg5Al2Si3O10(OH)8(綠泥石)(3)而在鶯歌海盆地東方區(qū)，富含CO2的高溫酸性熱流體使得綠泥石變得極不穩(wěn)定，向高嶺石轉(zhuǎn)化，并析出了過量的Mg2+和Fe2+，造成了在熱流體活動(dòng)段(1200～1500m)，綠泥石含量減少和高嶺石含量增加的現(xiàn)象(圖4)，反應(yīng)式如下:Fe3．5Mg3．5Al6Si6O20(OH)16+14H+→3Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)+3．5Fe2++3．5Mg2++9H2O(4)上述兩個(gè)反應(yīng)在地下可能同時(shí)發(fā)生，但其難易程度不同，可以通過熱力學(xué)中吉布斯自由能增量的計(jì)算結(jié)果加以研究。在熱力學(xué)研究中，化學(xué)反應(yīng)的吉布斯自由能增量(ΔG)可作為熱力學(xué)過程方向和限度的判據(jù)，以及過程不可逆性大小的量度。當(dāng)ΔG＞0時(shí)，過程不可能自動(dòng)發(fā)生;ΔG=0，過程平衡;ΔG＜0，過程自動(dòng)發(fā)生(不可逆)。ΔG值越低，說明自動(dòng)過程越易發(fā)生，而且反應(yīng)越快。本文選用受熱流體影響的DF1-1-3井的實(shí)測溫、壓數(shù)據(jù)，分別計(jì)算了高嶺石綠泥石化(式3)和綠泥石高嶺石化(式4)的自由能增量。結(jié)果表明，這兩個(gè)反應(yīng)的自由能增量均為負(fù)值，且在趨勢上都隨著深度和地溫的增加而降低，說明這兩個(gè)反應(yīng)在地下均可發(fā)生，且均隨溫度的增加，反應(yīng)越來越劇烈。然而，在數(shù)值上，反應(yīng)(4)的自由能增量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于反應(yīng)(3)(圖5)，即在酸性條件下，綠泥石向高嶺石轉(zhuǎn)化的反應(yīng)遠(yuǎn)比高嶺石向綠泥石轉(zhuǎn)化的反應(yīng)易于發(fā)生。這一計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)完全吻合(圖4)，在1200～1600m，熱流體活動(dòng)強(qiáng)烈，受熱流體影響的DF1-1-1井、DF1-1-2井、DF1-1-3井和DF1-1-7井的綠泥石減少，高嶺石增加，這是綠泥石向高嶺石轉(zhuǎn)化的結(jié)果。由式(1)～(4)可見，在黏土礦物轉(zhuǎn)化的過程中，排出大量Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Si4+等陽離子，這些陽離子從泥巖進(jìn)入砂巖后，沉淀下來，形成膠結(jié)物，例如:Si4+沉淀下來可形成自生石英，Na+可為砂巖的鈉長石化提供物質(zhì)來源。特別是與熱流體活動(dòng)伴生的CO2，從深處沿?cái)嗔焉嫌?，進(jìn)入儲(chǔ)層后，轉(zhuǎn)化成大量CO2－3，與陽離子結(jié)合后，形成大量菱鐵礦、鐵白云石和鐵方解石(圖6)。在同一深度下，DF1-1構(gòu)造中有熱流體活動(dòng)的井段(DF1-1-3)和無熱流體活動(dòng)的井段(DF1-1-5)相比，儲(chǔ)層天然氣中的CO2含量增加，黏土礦物迅速轉(zhuǎn)化，伊/蒙混層中蒙皂石層的含量S%急劇降低，菱鐵礦、鐵白云石、白云石和鐵方解石大量出現(xiàn)。碳酸鹽膠結(jié)物的大量形成勢必影響儲(chǔ)層的物性［24］。也就是說，熱流體的活動(dòng)加速了黏土礦物轉(zhuǎn)化，使泥巖各種陽離子的排放量增加，可以導(dǎo)致砂巖膠結(jié)物的大量形成，不利于優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育。

3緩慢演化型

鶯歌海盆地多樣的溫、壓特征孕育了特殊的黏土礦物轉(zhuǎn)化規(guī)律。研究表明，東南區(qū)泥巖的黏土礦物轉(zhuǎn)化明顯慢于鶯東斜坡區(qū)和臨高構(gòu)造帶。隨埋深和地溫的增加，東南區(qū)LD30-1-1A井和鶯東斜坡區(qū)LT33-1-1井I/S混層中蒙皂石層的含量S%均逐漸減小，但前者的轉(zhuǎn)化速率明顯低于后者。在2300m以深，在同一深度前者的伊/蒙混層中蒙皂石層的含量S%明顯高于后者(圖7)，例如:在2500m處，東南區(qū)LD30-1-1A井伊/蒙混層中S%為80%左右，而LT33-井只有50%左右。盡管LD30-1-1A井的地溫梯度高達(dá)43．3℃/km，而LT33-1-1只有33．3℃/km，按照常理LD30-1-1A井的黏土礦物轉(zhuǎn)化應(yīng)該比LT33-1-1井更快，但實(shí)際情況并非如此，其原因是在2300m以下，LD30-1-1A井開始發(fā)育超壓，壓力系數(shù)＞1．2，而LT30-1-1A井仍為正常靜水壓力，壓力系數(shù)≈1．0，超壓不僅抵消了地溫對(duì)黏土礦物轉(zhuǎn)化的影響，而且還進(jìn)一步抑制了東南區(qū)LT30-1-1A井黏土礦物的轉(zhuǎn)化，使其黏土礦物轉(zhuǎn)化變慢。超壓對(duì)黏土礦物轉(zhuǎn)化的抑制作用在世界上其他地區(qū)也有發(fā)現(xiàn)［4，9，25］，其機(jī)理可用LeChartlier定律解釋［25］。當(dāng)蒙皂石脫出高密度的層間水(密度約為1．16～1．46g/cm3)，進(jìn)入巖石孔隙時(shí)，將發(fā)生膨脹，并導(dǎo)致流體壓力增加［1］;另一方面，蒙皂石格架的破壞、Si4+的釋放、硅質(zhì)膠結(jié)物的沉淀、伊利石的重排，可以導(dǎo)致泥巖滲透率降低，阻止流體的排放，促使超壓發(fā)育［26］。根據(jù)LeChartlier定律，流體壓力增加的結(jié)果，將阻止蒙皂石的進(jìn)一步脫水，抑制蒙皂石的轉(zhuǎn)化。此外，由式(1)可見，蒙皂石向伊利石轉(zhuǎn)化時(shí)，需要從介質(zhì)中吸取K+等金屬陽離子，而K+主要來源于有機(jī)酸對(duì)鋁硅酸鹽礦物和植物碎屑的溶解［14，27～29］，但超壓對(duì)有機(jī)酸的生成、機(jī)械壓實(shí)和壓溶具有抑制作用［30～32］，這樣必將導(dǎo)致環(huán)境介質(zhì)中K+等金屬陽離子濃度的減小，不利于超壓背景下黏土礦由于超壓抑制黏土礦物轉(zhuǎn)化，所以在超壓區(qū)黏土礦物轉(zhuǎn)化過程中，泥巖中H+、層間水和各種陽離子的排放將被減緩，儲(chǔ)層的溶蝕作用和膠結(jié)作用都被減弱，使次生孔隙發(fā)育帶出現(xiàn)在深部更深的地層中，有利于深層優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的形成。這種情況在我國渤海灣盆地也曾出現(xiàn)［30，31］。在鶯歌海盆地，由于超壓對(duì)黏土礦物轉(zhuǎn)化的抑制，盡管東南區(qū)的地溫梯度高達(dá)43．3℃/km，而鶯東斜坡區(qū)只有33．3℃/km，按照常理，東南區(qū)的膠結(jié)作用應(yīng)該比鶯東斜坡區(qū)更強(qiáng)，但實(shí)際情況并非如此。如圖8所示，在3500m左右，鶯東斜坡區(qū)膠結(jié)物含量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于東南區(qū)的膠結(jié)物含量，這剛好與之前所述的兩個(gè)地區(qū)黏土礦物轉(zhuǎn)化程度的變化趨勢相一致。

結(jié)論

在熱流體活動(dòng)區(qū)，黏土礦物轉(zhuǎn)化加速，陽離子排放量增加，再加上來自深部的二氧化碳形成的CO2－3，可形成大量(含鐵)碳酸鹽膠結(jié)物，使儲(chǔ)層的膠結(jié)作用增強(qiáng)。在超壓區(qū)，黏土礦物轉(zhuǎn)化較慢，泥巖中H+、層間水和各種金屬陽離子的排放將被減緩，儲(chǔ)層的溶蝕作用和膠結(jié)作用都被減弱，有利于深層優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的形成。