砂岩和泥岩矿物组成及孔隙结构分析

2023-01-07卓锦沂刘伟岩王晓雨

黑龙江科学 2022年24期

卓锦沂，刘伟岩，王晓雨

(石家庄铁道大学，石家庄 050043)

1 矿层地质

姚家组上段岩性总体为细砂岩，常见有浅灰色细砂岩、粉砂岩及少量粗砂岩夹灰色泥岩。其常见为板状及槽状水平、交错层理，分选均一般，粒内局部见微裂纹，有的被碳酸盐填充。含矿砂岩厚度较大，一般约为30～50 m，其碎屑成分以岩屑为主，黄铁矿及深灰色泥岩夹层，上段顶部厚层约为5～15 m，厚度达10多m，常见为棕红色泥岩，构成了上部良好的隔水层。姚家组上段泥岩与砂岩组成了多个较完整的下粗上细正旋，砂岩对下伏泥岩具有强烈的冲刷作用，底部有冲刷面存在。上面分布有大量泥砾及砾石，最大粒径可达4 cm，主要为紫红色泥砾。由于后期遭受还原作用而使部分泥砾带灰色环边，该段厚度为25 m，一般为70 m左右。上段与下段呈明显的冲蚀接触关系，冲刷面上为砾岩含砾砂岩，下段与上段之间地层一岩性无多大区别，但上段泥岩夹层略多些[1]。

根据矿床4个试验地段水文孔揭露显示，该组地层在矿床内埋深为141.7～1 700 m，厚度为66.7～83.5 m，其间夹2～3层灰色、紫红色泥岩，粉砂质泥岩，厚度20～50 m。因矿区北东、北西部有构造存在，该层位埋深、厚度变化较大。据钱Ⅱ-SW-14C孔揭露，该含水层隔水顶板位置为166.30～170 m，厚度3.70 m，岩性主要为紫红色泥岩，隔水性能良好；含水层位置为170.0～231.0 m，厚度61.00 m，岩性主要为浅灰色细砂岩、灰色细砂岩，其间夹多层灰色、浅红色粉砂质泥岩，含水性、富水性较差。试验段该层位底部局部可见铀矿化异常，但品位低，厚度小，无工业矿体存在。据该区段水文孔揭露显示，含水层隔水底板位置为218.90～238.20 m，厚度3.0～5.20 m，岩性为紫红色泥岩、紫红色粉砂质泥岩，致密、坚硬，隔水性良好。

2 样品采集与测试

实验样品来自于内蒙古通辽地区铀矿层姚家组，采集后立刻用保鲜膜裹好，防止岩样氧化造成实验误差。对样品进行岩性鉴定，按照矿物颗粒大小及矿物组成的不同，将通辽地区砂岩分为砂岩和泥岩，如图1所示。通过岩样破碎机和研磨机将所选试样制成<200粉末、50～80目颗粒和2～10 mm颗粒，分别进行XRD、液氮吸附和高压压汞实验和薄片实验。高压压汞法测试孔径范围广泛，孔径范围>10 nm；氮气吸附法测试孔径范围为0～100 nm[2-3]。两种手段结合，可以更精准地探测砂岩和泥岩孔隙结构及分布。

S01砂岩；S02泥岩图1 样品采集及岩性划分Fig.1 Sample collection and lithologic division

低温液氮和高压压汞实验测试过程严格依据国家标准GB/T 21650.1-2008。汞实验测试流程：低温氮吸附采用美国麦克公司产生的 ASAP 2460吸附仪，仪器孔径为0.35～500 nm，实验室测试前，样品在200℃抽真空处理6～8 h，测试温度是液氮温度77 k。测量方法采用静态容积法，通过质量守恒方程、静态气体平衡和压力完成吸附的测定过程，计算固体的比表面和孔径分布[4]。高压压汞实验采用AutoPore IV 9500全自动压汞仪，测试前真空抽到50 mm汞柱，测试温度为室温。压汞仪使用压力最大约为600 MPa，仪器孔径测量范围为0.003 3～950 μm，通过改变注入压力的大小得到砂岩样品的孔径分布曲线[5]。采用扫描电子显微镜(SEM)(日立SU8000)观察样品的孔隙形貌。依照测定标准SY/T5162-2014，试样直径不超过2.5 mm、厚度不超过20 mm块状物体。将样品置入喷金箱中，在真空条件下将金粉末喷在其表面，以提高电导率，获得更好的观察效果。孔隙结构特征来自于代表性区域和典型区域。

图2 MIP和LTN2A实物图Fig.2 Real products of MIP and LTN2A

图3 SEM实物图Fig.3 Real products of SEM

3 结果分析

3.1 矿物成分分析

对样品的矿物成分进行测定，结果见表1。从表1可以看出，泥岩的矿物成分比较复杂，砂岩中含量最多的为石英，占60.2%。斜长石占22.1%，钾长石占12.1%。黏土矿物最少，占1.6%。泥岩石英含量最多，为49.6%。斜长石为15.6%，黏土矿物为10.7%，钾长石为11%，白云石为8.8%。方解石最少，为4.3%。总体而言，砂岩中石英、钾长石、斜长石含量略高于泥岩，而泥岩的黏土矿物含量略高于砂岩。砂岩中方解石、白云石、铁白云石和普通辉石含量较少，某样品中并未检测到。

表1 试样矿物含量分析Tab.1 Analysis of mineral content of samples

3.2 孔隙结构特征分析

高压压汞法，测得泥岩孔体积为0.116 1 mL/g，砂岩测得孔体积为0.181 3 mL/g，砂岩孔体积明显多于泥岩。砂岩孔隙体积多分布于大孔和中孔，而泥岩孔隙体积多分布于小孔。泥岩样品高压压汞比表面为7.52 m2/g，砂岩样品高压压汞比表面为2.13 m2/g，泥岩比表面积明显高于砂岩，说明微小孔是比表面积占主导，而中大孔是孔体积占主导。

液氮吸附，测得泥岩孔隙体积为0.021 8 mL/g，砂岩孔隙体积为0.009 41 mL/g，泥岩测得孔隙比表面积为11.614 2 m2/g，砂岩孔隙比表面积为2.977 m2/g。

全孔径分布，砂岩大孔、中孔体积占比较大，分别为75.624%、16.053%，小孔和微孔占比较小，分别为7.178%和1.47%；泥岩的微孔、小孔孔隙体积占比较大，分别为4.968%、45.539%，中孔、大孔孔隙体积占比更小，分别为20.337%和29.156%。砂岩大孔、中孔比表面积占比较小，分别为1.851%和10.367%，小孔和微孔占比较大，分别为31.822%和55.96%；泥岩的微孔、小孔孔隙体积占比较大，分别为51.527%、44.987%，中孔、大孔孔隙体积占比更小，分别为3.255%和0.231%。中孔和大孔提供了大量的孔容，是提供渗流的重要场所，而微孔和小孔控制了砂岩和泥岩孔隙总比表面积，是气体吸附存储的重要场所。

图4 砂岩样品全尺度分布情况Fig.4 Full scale distribution of sandstone samples

表2 孔隙结构数据Tab.2 Pore structure data

3.3 孔隙空间特征分析

砂岩孔隙主要为粒间孔，少见晶间孔(主见黏土矿物间)及破裂隙(见石英、长石粒内)，由石英、长石、岩屑端元组成，磨圆一般，次棱角状、次圆状常见，分选差，有的颗粒粒内见破裂隙，多晶石英及硅质岩岩屑少见；填隙物由黏土质杂基及钙质胶结物组成，黏土质杂基由<0.005 mm的黏土矿物组成，常见沿砂粒边缘分布，部分相对聚集填隙于砂粒间，褐铁矿化较明显，有的见晶间孔；钙质成分为白云石，半自形菱形-它形粒状，填隙状分布，粒度0.03～0.2 mm。

泥岩孔隙主要为粒间孔、破裂隙，以破裂隙相对较多，由石英、长石、岩屑端元组成，磨圆较差，以次棱角状为主，次圆状较少见，石英端元主见单晶石英，有的粒内见微裂纹，填隙物由黏土质杂基及硅质、铁质胶结物组成，以黏土质杂基为主，黏土质杂基由<0.005 mm的黏土矿物组成，大部分相对聚集分布似纹层状，少部分相对聚集填隙于砂粒间，具不均匀褐铁矿化；硅质重结晶为石英的次生加大边；铁质呈微粒状、尘点状，相对聚集填隙状分布。

砂岩和泥岩孔隙主要为粒间孔，粒间孔隙位于岩石颗粒之间，受到颗粒、填隙物多类的溶解溶蚀作用而形成，主要为长石、方解石胶结溶蚀孔隙，孔隙通常不规则，边缘为锯齿状[6]，该砂岩孔隙存在于可溶性碎屑颗粒或碎屑颗粒之间的可溶性胶结物中，孔隙大小变化大，个别长石或碎屑颗粒被完全侵蚀形成大孔隙。溶蚀孔孔隙[7]形态取决于可溶性矿物的空间分布特征，如条带状可溶性矿物可以溶解并产生微裂缝。晶间微孔包括晶间孔和晶间溶孔，晶间孔隙一般分布在侵蚀颗粒和岩屑颗粒之间，如伊利石、高岭石和绿泥石之间混层矿物裂隙。根据黏土矿物的生长规律，这些孔隙具有良好的取向性，在砂岩中，主要为晶间矿物之间的孔隙。