泌阳凹陷核桃园组钙质页岩中晶粒灰质纹层成因分析

2017-11-01孙峥嵘

石油地质与工程 2017年5期

孙峥嵘

孙峥嵘

（中国石化河南油田分公司勘探开发研究院，河南南阳 473132）

泌阳凹陷页岩油甜点富集与钙质页岩具有一定的关联性，研究页岩中晶粒灰质纹层的成因具有较大的意义。通过岩心观察、岩石薄片、电镜能谱等实验分析，从矿物成分、物理特性、岩石结构、构造特征等方面综合研究了钙质页岩纹层成因，结果表明，泌阳凹陷钙质页岩中的晶粒灰质纹层形成于同生早成岩期，为淡水溶解早期形成的泡碱纹层，后期被富钙碳酸盐流体通过黏土渗流、过滤、结晶、交代或填充作用形成。

泌阳凹陷；钙质页岩；灰质纹层；成岩作用

1 区域概况

泌阳凹陷位于河南省南部，属南襄盆地中的一个次级凹陷，面积约1 000 km2，是一个中新生代的小型断陷，基底为前白垩系，其内所钻遇的地层自上而下依次为平原组、凤凰镇组、廖庄组、核桃园组、大仓房组和玉皇顶组。其中核桃园组是泌阳凹陷主要含油气层段，厚2 000～3 000 m，发育岩性有灰绿色–灰–深灰色泥岩、砂岩、碳酸盐岩、页岩、油页岩和天然碱。在盆地的深凹区发育钙质页岩，其中钙质纹层的碳酸盐矿物有泥晶结构，也有晶粒结构[1]。本区2口页岩水平井初期均已达到工业油流，但由于产量递减快而未能实现页岩油田的效益开发。

2 钙质页岩晶粒灰质纹层特征

2.1 研究现状

晶粒灰质纹层成因通常认为是晚成岩溶解再沉淀结晶。王冠民[2]等在研究济阳坳陷3 000 m以下的古近系黑色页岩中纹层状方解石脉的成因时认为，该区黑色页岩中的纹层状方解石脉是钙质纹层页岩或富碳酸盐油页岩在晚成岩期随有机质的热演化经溶解和再沉淀作用的产物，并随孔隙水的排出伴有碳酸盐的流失。其依据主要为：晶粒方解石脉与钙质泥晶纹层页岩、油页岩、钙质页岩相伴生或薄互层出现；方解石脉中的晶体干净、明亮，部分晶粒垂直纹层生长，具有明显的近距离经溶解再重结晶的特征；其产出与有机质的含量密切相关，页岩中并无石膏的发育和残留；与相邻的其他页岩相比较，Mg/Ca、Mn/Ca值明显偏低，Sr/Ca值则明显升高，同时碳酸盐的δ18O明显降低，δ13C小幅波动[3]。

2.2 泌阳凹陷钙质页岩特征

泌阳凹陷核桃园组钙质页岩中的晶粒灰质纹层通常为白色、灰白色、镜下无色或被浸染成褐色，矿物为“亮晶”，多为不规则的粒状、栉壳状，用普通茜素红染色为红色，起初矿物均定性为“方解石”，后期经电镜能谱分析，认为晶粒钙质纹层矿物既有方解石，又有碳酸钠钙石。

页岩大部分纹层厚度横向变化基本稳定，钙质页岩中的晶粒灰质纹层通常与深灰色泥质纹层、含粉砂泥质纹层成韵律互层，按照纹层内纵向上叠置的晶粒层数可分为单晶纹层、双晶纹层、多晶纹层（图1）。

单晶纹层是晶粒碳酸盐纹层内纵向上叠置的晶粒层数为一层的纹层，晶粒多为三向近等轴粒状，晶粒大小相近；横向晶间通常分布黏土，晶间距离1 μm左右。

双晶纹层是晶粒碳酸盐纹层内纵向上叠置的晶粒层数为二层的纹层，通常晶间分布黏土，晶间距离1 μm左右。双晶纹层又分为：粒状双晶纹层、栉壳状双晶纹层。粒状双晶纹层晶粒多为三向等轴粒状，晶粒大小相近；横向晶间通常分布黏土，晶间距离1 μm左右，纵向晶间距离0～1 μm，常见压溶现象或缝合线。栉壳状双晶纹层晶粒多为短至长柱状，晶体垂直于层理生长，上下晶层的晶粒大小相近；横向晶间通常接触紧密，纵向晶间距离小于1 μm，常见压溶现象或缝合线。栉壳状双晶纹层部分呈扁平的透镜体出现。

图1 晶粒分层显微结构

多晶纹层是晶粒碳酸盐纹层内纵向上叠置的晶粒层数为三层以上的纹层，晶粒多为三向等轴粒状，晶粒大小相近；横向、纵向晶间通常分布黏土，晶间距离1～3 μm[4–8]。

3 钙质页岩晶粒灰质纹层成因新认识

根据纹层沉积特征、纹层矿物岩石结构、岩石矿物电镜能谱等综合分析认为，泌阳凹陷钙质页岩中的晶粒灰质纹层形成于早成岩期，为淡水溶解早期形成的泡碱(Na2CO3·10H2O）纹层，后期经碳酸盐及黏土渗流结晶形成。其依据主要为：

（1）本区钙质页岩中的晶粒灰质纹层所含方解石为亮晶状，表明形成于与沉积水体隔绝时期以后，晶体内不再含有其它矿物，并且为缓慢有序结晶。其不是从湖水咸化的化学沉积直接形成的。

（2）本区晶粒碳酸盐碎屑颗粒呈纹层夹层出现（图2），或碳酸盐碎屑呈颗粒状分布在粒度较粗的含泥粉砂纹层中（图3），其二者晶体结构相近，表明晶粒碳酸盐形成时间早，介于沉积期–成岩同生期，晶粒碳酸盐纹层具有低硬度易破碎或易被溶解破碎的特点；同时后期纵向裂缝切割晶粒灰质纹层（图4），也旁证了其形成时间早的事实。

图2 “麻花状”纵向张扭裂缝切割晶粒灰质页岩纹层，填充晶体为浑浊晶粒碳酸盐

（泌页HF1井2 437.49 m，右图为左图的底部局部放大）

图3 晶粒灰质页岩韵律层

（中部夹颗粒灰岩纹层，泌页HF1井2 450.87 m）

图4 混源碎屑岩石中富含碳酸盐碎屑颗粒

（3）本层段岩心观察残留1～2层薄层天然碱层，电镜分析中也发现泥页岩中富含天然碱矿物，盆地沉积中心就是天然碱发育区；显然晶粒灰质纹层与天然碱的形成有关，只是早期碱纹层由于后期保存条件欠缺，大部分在后期成岩改造中被完全溶解消失，或被其它碳酸盐矿物所交代。

（4）常见发育栉壳状双晶纹层，方解石呈短–长纤/柱状，垂直层理面生长，形成这种结晶特色需要自由的晶体生长空间，通常也只有在同生期或早成岩A亚期可以满足此种生长条件，在晚成岩的环境、断陷盆地持续压实的成岩环境下，页岩内基本不具备此充足晶体生长空间。因为深埋较大时，沉积成岩成因的晶粒形状要受限于围岩余留的空间，断陷盆地的深埋成岩环境显然不具备能够使方解石晶粒呈分布广泛、有规律地、连片层状等厚的条件。

（5）岩石薄片染色表明，方解石晶体通常不含铁，即非含铁方解石，而铁方解石在本区通常认为是中–晚成岩阶段的产物。因为本区该层段富含黄铁矿，黄铁矿形成时期分布于页岩整个成岩期，也就是富含Fe2+离子环境，晚期成岩碳酸盐的结晶，Fe2+自然会加入其中。

（6）根据Stokes沉降速度公式，通过测量碳酸盐碎屑颗粒与碎屑长英质颗粒粒径，恢复碳酸盐碎屑颗粒原始密度为1.185～1.363 g/cm3，推测其为天然碱的最初形式为苏打泡碱（Na2CO3·10H2O，密度为1.42～1.47 g/cm3）。

（7）晶粒灰质纹层发育于水平层理夹层内，形成于早期，但不是早成岩浅水条件形成的晶粒碳酸盐。如果固结得早，碳酸盐物理化学固结能力较强，不易被深盆沉积背景下正常的弱水动力所破碎，以及近距离异地搬运[9]。

（8）能谱分析结果表明，晶粒钙质页岩碳酸盐矿物为方解石、碳酸钠钙石。前者为粒状，后者通常为栉壳状、柱状。晶体形态为较粗的柱状碳酸盐矿物，电镜能谱测得主要元素成分为C、O、Ca、Na，Na/Ca原子摩尔百分比为0.94，比值近乎1:1，结合矿物光性特点，判定为碳酸钠钙石。