库车坳陷克拉苏构造带巴什基奇克组储层中石英胶结物成因机制

摘要：克拉苏构造带巴什基奇克组储层中常见石英胶结物，通过偏光显微镜、阴极发光、扫描电镜、薄片鉴定资料分析、激光微区分析等多种手段，对石英胶结物的微观特征、分布特征以及成因机制进行系统研究。结果表明，偏光显微镜下石英胶结物干净无杂质，通常以加大边或充填孔隙的形式存在，还常见其在裂缝中形成自形—半自形石英。按照阴极发光特征可将石英胶结物分为两期，第一期在阴极射线下几乎不发光，呈蓝黑色，第二期发光略亮于第一期，呈紫黑色。横向上，石英胶结物主要分布在克深和克拉3段，在大北段东部其含量也较高；纵向上，石英胶结物主要分布在靠近不整合处。第一期石英胶结物Li、Al含量普遍高于石英颗粒，Ti含量低于石英颗粒。第一期石英胶结物的物质来源主要为溶解的长石，成岩流体为大气水。白垩纪末研究区发生构造抬升时，大气水淋滤溶解了大量长石而富含H4SiO4、Na+、Ca2+等物质，当H4SiO4达到一定活度时，石英即发生沉淀。第二期石英胶结物成因可能和有机酸充注有关，也可能和黏土矿物转化有关，有机酸沿构造裂缝充注到储层中，溶解了附近的长石并发生石英沉淀，黏土矿物转化释放的SiO2被泥岩排出的地层水带到附近裂缝中产生石英胶结物。

关键词：石英胶结物； 成因机制； 巴什基奇克组； 克拉苏构造带

中图分类号：TE 122.1""" 文献标志码：A

引用格式：王健，李振坤，操应长，等.库车坳陷克拉苏构造带巴什基奇克组储层中石英胶结物成因机制［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2025，49（1）：14-21.

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Genetic mechanism of quartz cements in Bashijiqike Formation

reservoirs of Kelasu Structural Belt， Kuqa Depression

WANG Jian1，2，3， LI Zhenkun1， CAO Yingchang1，2，3， YANG Haijun4， MO Tao4， WANG Shunyu1

（1.State Key Laboratory of Deep Oil and Gas， China University of Petroleum （East China）， Qingdao 266580， China;

2.School of Geosciences in China University of Petroleum （East China）， Qingdao 266580， China;

3.Laboratory for Marine Mineral Resources， Qingdao Marine Science and Technology Center， Qingdao 266071， China;

4.PetroChina Tarim Oilfield Company， Korla 841000， China）

Abstract：Quartz cements are prevalent in" Bashijiqike Formation reservoirs of" Kelasu Structural Belt. This study systematically examines the microscopic characteristics， distribution patterns， and genetic mechanisms of quartz cements using optical microscopy， cathodoluminescence， electron microscope， thin section analysis， and laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry microanalysis. Under optical microscopy， quartz cements appear clean and typically manifest as overgrowths or pore-filling materials， often forming euhedral to sub-euhedral quartz crystals within fractures. Cathodoluminescence analysis identifies two distinct phases of quartz cements： the first phase exhibits nearly non-luminous bluish-black characteristics， while the second phase is slightly brighter， appearing purple-black. Horizontally， quartz cements are primarily distributed in the Keshen and Kela 3 sections， with elevated content also observed in the eastern part of the Dabei section. Vertically， they are concentrated near unconformities. First-phase quartz cements contain higher concentrations of Li and AI compared to quartz particles， lower concentrations of Ti. The first-phase quartz cements originate from feldspar dissolution driven by diagenetic fluids derived from atmospheric water. During the late Cretaceous structural uplift， atmospheric water dissolved feldspar， enriching the fluid with H4SiO4， Na+， Ca2+， and other ions. Quartz precipitated as H4SiO4 reached a critical activity threshold. The second-phase quartz cements likely formed due to organic acid injection and clay mineral transformation. Organic acids migrating along structural fractures" dissolved feldspar， facilitating quartz precipitation. Additionally， SiO2 released from the transformation of clay minerals was transported to nearby fractures by formation water expelled from mudstone， leading to quartz cementation.

Keywords： quartz cements; genetic mechanism; Bashijiqike Formation; Kelasu Structural Belt

收稿日期：2024-03-16

基金项目：国家自然科学基金项目（42172146）；山东省泰山学者青年专家项目（tsqn202312111）；国家重点研发计划（2022YFE0203400）；深层油气全国重点实验室基金项目（SKLDOG2024-ZYRC-05）

第一作者及通信作者：王健（1985-），男，教授，博士，博士生导师，研究方向为沉积学及层序地层学、储层地质学。E-mail： wangjian8601@ upc.edu.cn。

文章编号：1673-5005（2025）01-0014-08""" doi：10.3969/j.issn.1673-5005.2025.01.002

石英胶结物是深层、超深层碎屑岩储层中普遍发育的自生矿物，其成因主要有4种：

①压溶成因［1-4］，当储层被深埋，地层温度达到75～80 ℃时

［5］，颗粒接触处的溶解度增高并发生晶格变形和溶解作用，产生的游离Si会在附近孔隙中沉淀生成石英胶结物;②来自长石的溶解［5-8］，浅埋藏期或表生期的大气水以及伴随油气充注而来的有机酸均会使长石发生溶解，使孔隙水中游离Si含量增加，为石英胶结物的形成提供物质基础;③来自黏土矿物的转化［3，9-10］，随着温度压力升高，地层中的黏土矿物会发生规律性转变产生游离Si并进一步发生石英胶结;④热液成因［9］，深部的热液流体能够通过裂缝等通道向上运移进入上部地层，其中的Si在降温过程中结晶形成石英胶结物。库车坳陷克拉苏构造带巴什基奇克组是典型的深层、超深层碎屑岩储层，天然气资源十分丰富。储层中常见石英胶结物，但前人对于石英胶结物的成因提出了不同观点，多数学者认为储层中发育两期石英胶结物，且均来自长石的溶解，第一期和白垩纪末大气水的淋滤有关，第二期和有机酸有关［6，7，11］。目前，尚无文献对巴什基奇克组储层中石英胶结物的成因进行讨论，且前人对石英胶结物的研究多集中在岩相学方面。笔者通过偏光显微镜、阴极发光和扫描电镜等手段对石英胶结物的微观特征进行总结，并利用大量薄片鉴定资料确定石英胶结物的空间分布特征，在此基础上结合微量元素特征明确储层中石英胶结物的成因机制。

1" 区域地质背景

克拉苏构造带是塔里木盆地库车坳陷中的一个次级构造单元（图1），是坳陷内天然气最富集的地区，其为一褶皱冲断带，构造上具有“东西分段，南北分带，垂向分层”的特点。自西向东，根据构造特征的差异自西向东可划分为5段：阿瓦特段（AW）、博孜段（BZ）、大北段（DB）、克深段（KS）、克拉3段（KL）［14］。自南向北，以克拉苏断裂和克深断裂为界可划为3带：博孜—克拉断裂带、克深断裂带、拜城断裂带（图1）。垂向上，古近系塑性膏岩层的存在使盐上地层和盐下地层的变形发生拆离，盐下层整体表现为逆冲叠瓦状构造样式，盐上层主要发育线性延伸的紧闭背斜和宽缓向斜组成的褶皱带［15］（图1）。库车坳陷的沉积盖层由上二叠统和中、新生界组成，研究区在晚白垩世发生构造抬升剥蚀而缺失上白垩统，下白垩统整体上是一套陆相“红层”，其与上覆古近系呈区域不整合接触［16-17］。自下而上，下白垩统可分为亚格列木组（K1y）、舒善河组（K1s）、巴西盖组（K1bx）、巴什基奇克组（K1bs），其中巴什基奇克组是研究区油气的主力产层，为一套扇三角洲前缘-辫状河三角洲前缘沉积［16-20］，其与下部三叠系、侏罗系湖相烃源岩以及上覆古近系库姆格列木群（E1+2m）巨厚膏岩层构成了一套十分优越的“生储盖”组合。巴什基奇克组在白垩纪被长期浅埋（最大埋深小于2000 m），并在晚白垩世受燕山运动影响遭受抬升剥蚀，进入新生代，在喜山运动的作用下，巴什基奇克组迅速被埋藏到很大的深度（大于6000 m）［6］。

2" 巴什基奇克组储层特征

巴什基奇克组储层的碎屑颗粒主要为石英，平均体积分数为46.5%，其次为岩屑和长石，平均体积分数分别为28.8%和24.7%，杂基含量较低，平均体积分数小于5%。储层中发育碳酸盐、硬石膏（石膏）、石英、钠长石、方沸石等多种胶结物。巴什基奇克组储层碎屑粒级主要分布在细砂～中砂范围，分选以中等和好为主，岩石类型主要为长石质岩屑砂岩和岩屑质长石砂岩［21］。储层孔隙度集中在2%～6%，平均为4.4%，渗透率主要介于（0.05～5）×10-3 μm2，平均为1.5×10-3 μm2，属超低孔超低渗—低孔特低渗储层。

3" 石英胶结物微观特征

巴什基奇克组储层中的石英胶结物含量较少，平均体积分数为0.69%，最高达4%。石英胶结物主要发育在孔隙中（图2（a）～（e）），也常见于裂缝中（图2（f）～（i））。偏光显微镜下石英胶结物干净

无杂质，极少见包裹体（图2（a）、（b）、（f）、（g）），通常以加大边的形式与石英质碎屑颗粒共轴生长，两者之间常有红—褐色黏土薄膜分隔（图2（a）～（c）），相邻颗粒的加大边紧密接触或加大边极度发育时均会使胶结物呈孔隙充填的形式（（图2（d）），加大边与碎屑颗粒晶体的光性方位一致（图2（b））。在扫描电镜下可见一些自生微晶石英附着在碎屑表面，这些微晶石英自形程度很高呈柱锥状发育（图2（e））。在裂缝中常见到一些棱角分明的自形-半自形石英，其核心为石英碎屑，边缘为与碎屑共轴生长的石英胶结物（图2（f）～（i））。常见到石英加大边边缘被无铁碳酸盐胶结物交代蚕食成港湾状（图2（a））。按照阴极发光特征可将石英胶结物分为两期，第一期在阴极射线下几乎不发光，呈蓝黑色（图2（d）、（h）、（i）），第二期发光略亮于第一期，呈紫黑色，储层中绝大部分石英胶结物均为第一期。目前仅在DB304井含铁白云石充填的两条裂缝中识别出了第二期石英胶结物，第二期石英与石英颗粒和第一期石英共轴生长，或充填在石英颗粒和第一期石英胶结物的破裂缝中（图2（h）、（i））。

4" 石英胶结物分布特征

横向上，石英胶结物主要分布在克深和克拉3段，在大北段东部其含量也较高，KS2井中平均体积分数可达2.1%，DB304井中可达1.2%，在博孜段地区各井的平均体积分数几乎均小于1%（图3～5）。

石英胶结物含量与巴什基奇克组剥蚀量具有一定关联，在剥蚀量较高的地区石英胶结物含量较高，克深和克拉3段靠近克拉苏古隆起，大北段东部靠近大北—吐北古隆起（图3～5）。纵向上，石英胶结物与白垩系—古近系不整合具有密切联系，在距不整合0～230 m范围内含量较高且较稳定，最高体积分数为4%，超过230 m石英胶结物含量降低但仍较稳定（图6）。

5" 石英胶结物微量元素特征

对各种产状的第一期石英胶结物及相邻与之共轴生长的石英颗粒进行激光原位微区分析。结果表明石英胶结物和石英颗粒在Li、Al、Ti含量上有明显差异，详见表1，整体来看，第一期石英胶结物的Li和Al含量普遍高于石英颗粒，Ti含量低于石英颗粒（表1、图7）。石英胶结物的Li质量分数可大于70×10-6，Al质量分数平均大于400×10-6，而石英颗粒的Li质量分数最高仅为10×10-6，Al质量分数平均小于100×10-6；石英胶结物Ti含量极低，几乎为0，而石英颗粒Ti质量分数可大于100×10-6（表1、图7）。

6" 石英胶结物成因机制

6.1" 第一期石英胶结物

在第一期石英胶结物发育的部位，碎屑颗粒之间呈点接触或不接触（图2（d）），另外在岩相学上，第一期石英胶结物早于无铁方解石形成（图2（a）），而无铁方解石往往形成于氧化性较强的环境中［24-25］，推测第一期石英胶结物形成于压实作用较弱的浅埋藏环境。第一期石英胶结物在阴极射线下几乎不发光，说明沉淀温度较低，另外储层中并未找到热液侵入的证据，可以推断第一期石英胶结物并非热液成因。第一期石英胶结物形成时压实作用较弱，石英颗粒的压溶很难发生，且镜下压溶现象很少，另外第一期石英胶结物比石英颗粒富Li、Al贫Ti（图7），两者具有明显的元素差异，以上证据可说明第一期石英胶结物不是压溶成因。

巴什基奇克组储层中的黏土矿物类型主要为伊利石（平均相对体积分数43%）和伊/蒙间层（平均相对体积分数39%，平均伊/蒙间层比23%），绿泥石（平均相对体积分数14%）和高岭石（平均相对体积分数4%）含量较低。前人研究表明，随着埋深的增加，当地层温度至少达到60 ℃且有足够K+供应时，蒙皂石会向伊利石转化并释放出SiO2，反应方程可简写为：蒙皂石+K+→伊利石+SiO2+H2O［26-27］。本文中统计了埋深在3132～8085 m范围内的巴什基奇克组储层主要黏土矿物相对含量，发现伊利石含量和伊/蒙间层比约在4000 m开始升高，超过4500 m之后变化较稳定，绿泥石含量也约在4000 m开始升高（图8）。这说明储层中黏土矿物转化产生SiO2主要发生在埋深4000 m左右的范围内，而第一期石英胶结物形成时储层埋藏尚浅，因此其并非黏土矿物转化成因。

酸性环境下，孔隙水中H4SiO4达到一定的活度（与浓度具正相关关系）石英即可发生沉淀［27-28］。第一期石英胶结物中Al相对富集说明其物质来源很可能为溶解的长石，大部分学者认为储层中长石的大规模溶解与白垩纪末构造抬升期的大气水淋滤有关［7，11，29-30］，而大气水恰好可以为石英的沉淀提供酸性的环境，这让人不禁做出如下推测：大气水作为成岩流体溶解了长石后又在储层中沉淀出石英。上述推测可以得到石英胶结物分布特征的佐证，纵向上，石英胶结物均在靠近白垩系—古近系不整合处含量较高，这说明成岩流体的运移路径是自上而下的，与大气水的运移特点相符。横向上，石英胶结物倾向于分布在古地貌较高巴什基奇克组剥蚀量较大的地区，考虑为在高地貌地区大气水的剥蚀淋滤作用更强烈，更多长石发生溶解，为石英胶结物的沉淀提供了更多的物质。

综上所述，第一期石英胶结物的物质来源主要为溶解的长石，成岩流体为大气水。结合沉淀条件，现将其成因机制详述如下。白垩纪末库车坳陷发生构造抬升，巴什基奇克组遭受到大气水的强烈剥蚀、淋滤，大气水将储层中残留的原始沉积水驱替掉使成岩环境变为酸性，储层的长石和岩屑含量很高，这些长石颗粒和岩屑中的长石矿物在酸性环境中容易发生溶解，使大气水富含H4SiO4、Na+、Ca2+等物质，当H4SiO4达到一定活度时，石英发生沉淀。石英胶结物与石英颗粒共轴生长形成加大边，若物质来源和生长空间充足，加大边则具棱角，甚至形成自形石英。大气水在靠近地表部位和高地貌地区作用更强烈，结果便是在靠近现今的不整合处以及古地貌较高处沉淀了较多的石英。长石中Al含量很高，溶解了长石的大气水中Al也较丰富，因而形成的石英具有富Al的特点。尽管发生溶解的长石颗粒中Ti含量也相对较高，但Ti作为极不容易迁移的元素［31］ 仅有少量溶解到大气水中，因而沉淀出的石英具有贫Ti的特点。

6.2" 第二期石英胶结物

第二期石英胶结物发育在裂缝中，表明相关成岩流体在裂缝中运移，推测其成因可能和有机酸充注有关，也可能和黏土矿物转化有关。随着地层埋深逐渐增大，深部侏罗系、三叠系的烃源岩成熟度升高开始生烃并排出有机酸［32］，有机酸伴随油气一起充注到白垩系储层中。克拉苏构造带白垩系储层主要经历了3期油气充注，第一期为16.3～11 Ma前的原油充注，为有机酸的主要充注时期，第二期为11～3 Ma前的油气充注，第三期为3 Ma至今的天然气充注［33］。有机酸沿构造裂缝充注到储层中，溶解了附近的少量长石，H4SiO4达到一定活度之后即发生石英沉淀。巴什基奇克组储层中发育泥岩夹层，随着地层温压升高，泥岩中的孔隙水以及黏土矿物的吸附水、层间水不断排出，并将黏土矿物转化释放的SiO2带到附近的裂缝中产生石英胶结物。

7" 结束语

巴什基奇克组储层中第一期石英胶结物的物质来源为长石的溶解，成岩流体为大气水。白垩纪末坳陷发生构造抬升时，大气水淋滤溶解了大量长石而富含H4SiO4、Na+、Ca2+等物质，当H4SiO4达到一定活度时，石英即发生沉淀。大气水在靠近地表部位和高地貌地区作用更强烈，因而在靠近现今的不整合处以及古地貌较高处沉淀了较多石英胶结物。第二期石英胶结物成因可能和有机酸充注有关也可能和黏土矿物转化有关，有机酸沿构造裂缝充注到储层中，溶解了附近的长石并发生石英沉淀，黏土矿物转化释放的SiO2被泥岩排出的地层水带到附近裂缝中沉淀出石英。

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（编辑" 修荣荣）