泥质岩中纤维状结构脉体成因机制及其与油气活动关系研究进展
王淼1, 陈勇1,*, 徐兴友2, 张学军2, 韩云1, 王成军1, 曹梦春1
1. 中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,山东 青岛 266580
2. 中国石化胜利油田地质科学研究院,山东 东营 257000
*通讯作者:陈勇(1976-),男,四川安岳人,副教授,主要从事盆地流体分析和油气地球化学研究. E-mail:yongchenzy@upc.edu.cn

作者简介:王淼(1991-),男,山东东营人,硕士研究生,主要从事地球化学研究.E-mail:fiwater@sina.com

摘要

纤维状结构脉体在泥质岩中普遍发育,根据其微观岩相学不同可分为晶体拉伸、延长块状以及特征纤维状结构脉体;根据其生长岩相学差异又可分为拉伸式、向生式和背生式脉体。脉体最终结构主要由裂缝面的形态特征、裂缝宽度和充填裂缝脉体矿物的生长习性所决定。裂缝开启—闭合机理只能用于说明晶体拉伸结构以及延长块状结构脉体的形成过程,背生式特征纤维状结构脉体是在岩石形变过程中裂缝未开启且晶体生长竞争被抑制的情况下通过成脉物质扩散流动运输,晶体由中间面向两侧连续生长形成的。泥质烃源岩中有机质生烃导致异常高压产生的水平裂缝是平行于纹层背生式方解石脉形成的首要条件,在局部范围内可以提高生排烃效率并影响烃类运移的速率和方向,证明油气存在顺平面的侧向运移,因此平行于纹层背生式方解石脉可以作为超高压排烃和油气运移的标志,也可将其作为泥质烃源岩生烃和油气初次运移的主要证据。

关键词: 泥质岩; 纤维状结构脉体; 背生式; 成因机制; 油气活动
中图分类号:P571 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2015)10-1107-12
Progress on Formation Mechanism of the Fibrous Veins in Mudstone and Its Implications to Hydrocarbon Migration
Wang Miao1, Chen Yong1, Xu Xingyou2, Zhang Xuejun2, Han Yun1, Wang Chengjun1, Cao Mengchun1
1.School of Geosciences, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China
2.Geological scientific research institute of Shengli Oilfield, Dongying 257000, China
Abstract

The fibrous mineral veins are widespread in mudstones. According to the different microscopic morphology of the minerals, the fibres can be divided into stretched crystals, elongate-blocky crystals and the very fibrous crystals. Veins can also be classified according to the growth direction of these crystals into stretched veins, syntaxial veins and antitaxial veins. The resulting texture in the vein depends on the morphology of the fracture surface, the width of the fracture and the growth habit of the vein forming mineral. The crack-seal mechanism can only interpret the formation of the stretched crystal veins and the elongate-blocky crystal veins, and the antitaxial well-developped fibrous veins form without fracturing and the growth competition is inhibited during the rock deformation, which implies that the nutrient transport is by diffusional flow transport. Horizontal crack is the primary condition of the formation of the antitaxial bedding-parallel fibrous calcite veins in muddy hydrocarbon source rocks. The formation of the horizontal crack which caused by the abnormal high pressure can enhance the hydrocarbon generation efficiency and has a great effect on the rate and direction of hydrocarbon migration in the local. The presence of the veins indicates the hydrocarbon fluid can migrate laterally along the layers. The antitaxial bedding-parallel fibrous calcite veins in muddy hydrocarbon source rocks can be the sign of the generation and migration of hydrocarbon under the abnormal high pressure condition in petroleum-bearing basins.

Keyword: Mudstones; Fibrous mineral veins; Antitaxial; Formation mechanism; Hydrocarbon migration.
1 引言

泥质岩中脉体形态种类繁多且成分不一, 其岩相学、岩石学以及地球化学等特征对于不同地质过程都能够提供非常有价值的信息, 其中纤维状结构脉体更是可以直接提供有关裂缝开启轨迹以及岩石形变等方面的信息。前人有关泥质岩纤维状结构脉体的研究主要集中在单类纤维状结构脉体的实验模拟[1~5]、岩相学特征以及指示意义上[6~9], 目前对纤维状结构脉体的形成过程还存在一定的争议[10~14], 缺少对泥质岩中纤维状结构脉体成因机制的系统分析, 特别是其成因与生排烃过程关系的研究。近年来, 随着全球对页岩油气资源的重视和勘探程度加深, 泥质岩中的脉体形成机制受到广泛关注[8, 9]。通过对泥质岩纤维状结构脉体成因机制的研究, 可以分析区域构造应力场和流体化学场的变化, 成熟泥质烃源岩中水平背生式纤维状结构脉体的研究对于揭示泥质烃源岩生排烃的规律和方式、深入认识非常规油气的形成机制以及指导非常规和常规油气的勘探都具有十分重要的意义。本文对泥质岩中不同纤维状结构脉体成因机制、与油气活动关系的研究进展以及存在的问题进行了评述。

2 泥质岩纤维状结构脉体岩相学特征
2.1 泥质岩纤维状结构脉体微观岩相学分类

纤维状结构通常指的是具有明显延长状晶体的脉体, 包括本身结晶习性为纤维状的矿物(例如石棉)所形成的脉体, 但在多数情况下, 形成脉体的矿物主要有石英, 方解石以及石膏等矿物。为了更好地认识纤维状脉体结构差异及其所包含的地质信息, Bons等[7]通过对不同成因的纤维状结构脉体中的晶体结构、形态以及排列方式等微观岩相学的观察, 将其分为3种类型, 即晶体拉伸结构脉体、延长块状结构脉体和特征纤维状结构脉体。

2.1.1 晶体拉伸结构脉体

晶体拉伸结构脉体由成脉晶体阶段性拉伸所形成, 裂缝形成于原始颗粒的内部并为脉体的生长提供了空间。晶体拉伸结构脉体中矿物晶体通常横跨整个脉体的宽度且边界为锯齿状, 脉体内部有原始围岩的遗迹(图1a)或平行于围岩的遗迹条带(图1c), 表明该类脉体经历了多期次重复性的裂缝开启和闭合[4, 7, 11]

2.1.2 延长块状结构脉体

块状结构脉体内部矿物晶体各方面等距且走向具有随机性, 这种结构通常为原生的, 但是在某些情况下原生脉体中的晶体发生重结晶后也可以形成块状结构的脉体[6], 而在延长块状结构脉体中晶体适度延长(长宽比通常为10)且晶体长轴对齐(图1b)。在脉体内部晶体生长过程中没有新矿物颗粒成核作用的发生, 且所有生长均是在原先存在颗粒的基础上发生晶体的快速生长, 即晶体从围岩矿物颗粒或早期成核阶段形成的矿物颗粒外延。在延长块状结构脉体中, 一些晶体生长快于一些晶体, 颗粒彼此之间表现出明显的生长竞争, 且沿着晶体生长的方向, 生长竞争逐渐减弱, 具有生长优势的晶体不仅生长较快横向上也较宽。当晶体进入流体充填的空间中生长竞争开始出现[10], 当裂缝面不平滑且较狭窄时生长竞争被抑制[13], 当其宽度小于10 μ m时则完全被抑制[4]。该类脉体中晶体的生长方向不仅由裂缝开启的方向控制, 而且还受晶体本身结晶习性控制的生长竞争的影响, 因此脉体中晶体的大致走向可能与裂缝开启的方向不一致[15]

2.1.3 特征纤维状结构脉体

特征纤维状结构脉体沿其生长方向宽度未表现出明显的增加, 与延长块状结构脉体相比具有更高的长宽比, 尽管形成脉体的矿物晶体没有纤维状的结晶习性, 但是所有晶体颗粒形态大致相同且晶体呈现出明显的纤维状形态, 表明其形成过程不受矿物晶体正常生长理论的限制且生长竞争被抑制[2, 4, 13]图1d), 这是因为特征纤维状结构的脉体在生长开始后没有成核作用的发生。需要指出的是, 许多学者将延长块状结构脉体与特征纤维状结构脉体统称为“ 纤维状” , 裂缝开启— 闭合机理被普遍认为是造成两者被混淆的主要原因, 直到20世纪70年代Durney等[10]将二者区分开, 他们认为特征纤维状脉体是在无裂缝开启的条件下成脉物质通过扩散流动的方式形成, Fisher等[14]也证明了此观点。但是, 裂缝开启— 闭合导致所有纤维状脉体形成这一观点仍被许多学者所认同[13, 16]。Hilgers等[4]认为二者之间没有明显的区别, 特征纤维状结构脉体只是延长块状结构脉体生长竞争被抑制的一种特殊形态。Bons等[2, 6]则认为应该将二者分开, 因为特征纤维状结构脉体并没有像延长块状脉体一样向开放的裂缝内生长, 而是在保持闭合的界面上生长[17], 即二者成因机制有显著不同。

图1 不同纤维状结构脉体的微观岩相学(据参考文献[7]修改)Fig.1 Microscopic morphology of different fibrous vein types ( modified after reference[7])

2.2 泥质岩纤维状结构脉体生长模式

Durney等[10]根据纤维状结构脉体晶体生长界面的位置和生长方向的不同将纤维状结构脉体分成以下3种:拉伸式脉体、向生式脉体和背生式脉体。

2.2.1 拉伸式脉体

拉伸式脉体形成于围岩中一系列充填了成脉流体的裂缝中, 这些裂缝出现在围岩或早期生成的脉体中, 通过不同裂缝的多期次重复开合最终形成拉伸式脉体。拉伸式脉体在形成过程中, 裂缝不会在同一位置重复形成且生长界面的位置也一直在变化, 其内部矿物颗粒结构为晶体拉伸结构[10]图2a)。另外, 所有裂缝均在生长的脉体中形成与裂缝随机出现在脉体或围岩中, 会导致2种不同最终形态的拉伸式脉体的形成, 因此, 裂缝的开启历史不能通过拉伸式脉体的最终形态所判断, 且其形态只能判断在整个脉体生长历史过程中裂缝的大致开启方向[6]

2.2.2 向生式脉体

当成脉矿物为围岩中的主要矿物时, 即脉体矿物从围岩颗粒中外延, 易形成向生式脉体。向生式脉体通常为原始围岩矿物颗粒向裂缝内快速增长形成, 且与原始围岩矿物颗粒在视觉上呈现出连续性。不同于拉伸式脉体, 向生式脉体只有一个生长界面且其位置不变, 通常为一个单一的裂缝面, 位于脉体中间, 但有时则完全位于脉体一端[10]。当生长界面位于脉体中间时, 成脉物质在生长界面两侧不断沉淀而使脉体快速增长, 最晚的一期沉淀发生在中间面附近, 而最早的一期沉淀则位于脉体与围岩的接触面上, 即形成对称型向生式脉体(图2b); 当生长界面位于脉体一侧时, 则会形成非对称型向生式脉体[6, 7]图2c)。

2.2.3 背生式脉体

当成脉矿物不是围岩主要矿物时, 通常会形成背生式脉体[10]。背生式脉体中矿物晶体由脉体中央向围岩生长, 存在2个同时生长的界面, 位于脉体和围岩之间的脉体两侧外界面上(图2d)。形成时间最晚的脉体在两侧界面上同时沉淀, 而形成时间最早的脉体则位于脉体内部的中间面上。与向生式脉体相比, 背生式脉体的中间面明显不同, 通常由一系列的围岩矿物遗迹或在脉体形成初期快速增长形成的不同结构的脉体(通常为延长块状结构脉体)条带所组成[4, 6, 7]。组成背生式脉体的晶体常具有明显的纤维状特征, 这些纤维状结构脉体通常随着裂缝的开启轨迹发生弯曲, 多形成于黑色泥质岩中且以方解石脉为主[4, 9, 18, 19], 有时也会形成如石英或石膏等其他矿物类型的脉体。

图2 不同纤维状结构脉体的生长方向(据参考文献[7]修改)Fig. 2 Different vein types classified by the growth direction of vein-filling crystals (modified after reference[7])

3 泥质岩纤维状结构脉体成因机制

由于纤维状结构脉体特殊的结晶习性及其形态对推断岩石形变动力学的重要性, 有关纤维状脉体成因机制的研究前人已做过大量的工作[10, 13, 16]。脉体的形成主要包括两个重要过程, 一是携带有成脉物质流体的流动运输; 二是成脉流体中矿物的沉淀析出[6]。通常认为纤维状脉体由液相过饱和流体结晶沉淀而成, 因此成脉物质流体的流动方式以及导致流体过饱和沉淀析出的流体介质环境是控制脉体形成最主要的2个因素。

3.1 成脉物质的运输机制

3.1.1 成脉物质通过流体运输:扩散流动

扩散作用是地质流体非常重要的一种流动方式, 即在浓度差驱动下的粒子运移过程, Bons等[2]通过实验证明化学势梯度是导致成脉物质扩散流动最直接的驱动力。这种成脉物质运输方式基本上不需要流体的流动, 在一个相对封闭的体系甚至在一个完全停滞的流体介质中, 成脉物质也能通过流体扩散所提供的连接通道运输。对于小范围运输(< cm ~ dm), 流体扩散成脉方式非常有效, 而对于成脉物质长距离的运输效率则相对降低[10, 19, 20]

3.1.2 成脉物质伴随流体运输:流体流动

Oliver等[20]认为该种物质运输方式可以导致延长块状脉体的形成。液相流体与周围岩石介质相比通常具有非常低的粘滞性, 导致其在岩石空隙中流动成为可能。流体流动也是成脉物质长距离运输(> m ~ km)最有效的一种方式[19, 21], 即流体通过彼此相互连通的运移通道由高流体势部位向低流体势部位流动, 这些通道可以是裂缝或渗透性岩体内部的孔隙(渗流)。流体流动对于开放的体系而言十分有效[22], 无论是局部的流体流动或是渗流, 流体都会与围岩相互接触并发生水— 岩反应, 在改造围岩的同时也会对流体的地球化学特征产生影响。

3.2 裂缝中成脉物质的沉淀析出机制

裂缝是脉体形成最普遍的场所, 因为它既提供了流体运移的通道也为脉体的沉淀提供了空间。裂缝中脉体的形成主要包括以下2种模式[6, 23]

(1)成脉物质来源于裂缝和围岩中的流体, 即近源成脉。裂缝中脉体可以通过近停滞水体中扩散流动形成, 也可能通过附近围岩中产生的流体流动至裂缝中形成, 主要有以下2种情况:①围岩和裂缝中成脉流体均达到过饱和, 但在围岩中脉体的沉淀被抑制。据Taber[1]和Putnis[24]等的研究, 低孔低渗介质(比如泥岩)能够抑制脉体的沉淀析出。因此, 孔隙流体一直处于过饱和状态直到裂缝形成为脉体沉淀提供可能的空间, 成脉物质的运输方式通常为扩散运输。②裂缝和围岩中不同的环境条件导致了其内部流体地球化学行为上的差异。例如流体压力对石英的溶解度影响很大, 当流体中SiO2浓度为一定值时, 在流体压力较高的围岩中流体就会处于不饱和状态, 而在流体压力相对较低的裂缝中SiO2就有可能处于过饱和状态而沉淀析出形成脉体。裂缝开启导致压力降低, 就可以促使石英沉淀而形成石英脉, 这就是所谓的压力释放成脉机制。

(2)成脉物质来源于外源流体, 即远源成脉。裂缝提供了流体流动的通道使流体长距离的运移成为可能。对于纤维状脉体而言, 在流体流动期间, 溶液是否过饱和形成沉淀则主要受流体与围岩的化学作用, 流体介质环境(特别是温压的下降)的控制[9]

3.3 裂缝开启— 闭合机理

裂缝开启— 闭合机理由Ramsay于1980年首次提出[11], 并很快在关于特征纤维状结构和延长柱状结构脉体的成因上得到了学者的广泛认可[12, 13, 25]。理论上在这种脉体幕式开— 合的情况下, 任何矿物都可以具有纤维状的结晶特征[26]。该机理并未阐述流体或溶解物的运输机制以及导致脉体沉淀析出的具体原因, 其内容详述了重复性的裂缝开启和成脉物质沉淀愈合。据研究裂缝开— 合在脉体形成过程中将会重复上百次, 通常每一次开— 合会导致脉体形成约10 μ m[14]。裂缝开启— 闭合机理可以用于解释在脉体中发现的很多平行于围岩的岩石矿物遗迹。

另外, 裂缝中脉体的形成通常伴随着由成岩作用所引起的岩石颗粒的形变[27], 这种形变机制通常包括某一部位矿物的溶解、溶解物质的运输以及在其它部位物质的沉淀, 即物质的重新分布导致了岩石的形变。图3所示是由裂缝开启— 闭合机理所伴随的岩石形变[11], 应力作用导致裂缝的初次形成(σ 1和σ 3代表最大和最小的主应力)而后应力释放, 含有成脉物质的流体由围岩基质压溶作用形成后运输到流体压力较低的裂缝中形成脉体, 应力再次累积导致裂缝再次被打开, 其打开的位置位于脉体和围岩的接触面上, 且裂缝在接触面两侧打开的概率是相等的, 随后新生矿物在最初形成的脉壁上开始生长, 即向外生长直到裂缝再次愈合。随着上述过程的不断重复加之剪切作用就会导致脉体的弯曲和岩石中缝合线的形成, 使岩石发生形变。

图3 裂缝开启-闭合机理伴随的岩石形变示意图(据参考文献[11]修改)Fig. 3 Diagram showing the sequence of events leading to elongation of a rock by the crack-seal mechanism(modified after reference[11])

对于背生式纤维状结构脉体而言, 大部分纤维状脉体都有明显的弯曲现象, 但是矿物晶格却未发生相应的弯曲, 表明纤维状脉体的长轴沿着平行于裂缝的开启方向延伸且弯曲发生在晶体生长过程中, 而并非由于岩石形变所致。因此纤维状脉体的形态和走向可以提供有关裂缝开启轨迹方面的信息, 所谓裂缝的开启轨迹指的是在裂缝开启之前原本相互链接在一起的两个颗粒在裂缝开启后所移动的路径[6], 即通过对纤维状脉体的研究可以追溯岩石形变历史和分析区域应力场变化[10]。然而, Urai等[13]建立的模型证明在裂缝重复性的开启— 闭合过程中并非所有的纤维状脉体的形态和走向都会示踪裂缝开启的轨迹(图4), 该模型的建立有3个前提, 即①假定每一期裂缝完全愈合后, 下一期裂缝才会开启; ②充填裂缝的成脉矿物生长速率具有各相同性; ③且只限定于二维空间。每当裂缝形成后, 晶体尖端就会开始向外生长, 生长的方向通常垂直于当时开启的裂缝面, 如果裂缝面不平整, 晶体的生长方向则可能不平行于裂缝的开启轨迹, 其结果为晶体的边界逐渐向裂缝面脊部汇集。如果该裂缝面脊部尖锐, 那么与其临近的晶体边界就会向脊部凸点处生长, 即其生长方向与裂缝的开合轨迹一致; 当裂缝面平直时, 晶体的边界就不会或部分指示裂缝的开启轨迹。同时该模型还指出了影响背生式纤维状脉体形态及其对裂缝开启轨迹示踪能力的主要影响因素, 同时还建立了示踪能力标准, 当满足x< < λ 的前提下, 背生式纤维状脉体的示踪能力主要受α 和β 的控制(图5)(其中x为裂缝开启所增加的长度, λ 为裂缝波长, y为振幅, α 为裂缝开启方向与裂缝面的夹角, β =2arctan(λ /2y)), 且当不满足α > 90° 、x< < λ 这一示踪能力标准时, 则背生式纤维状脉体对裂缝开合轨迹的示踪能力有限[13]。因此, 纤维状脉体的最终形态主要由裂缝面的形态特征、裂缝的宽度和充填裂缝的脉体矿物的生长习性所决定, 当通过背生式纤维状脉体的形态和走向推断岩石的形变历史时, 应对纤维状脉体的岩相学进行详细的观察。

图4 裂缝开启— 闭合过程中背生式纤维状方解石脉颗粒边界生长示意图[13]Fig. 4 An illustralion of grain boundaries propagation in an antitaxial crack-seal vein[13]

3.4 背生式特征纤维状结构脉体的成因机制

Taber[1]和Durney等[10]认为纤维状脉体的形成是幕式的, 可以部分或完全示踪裂缝的开合轨迹, Urai等[13]和Cox[16]还认为裂缝开启— 闭合机理可以用于解释特征纤维状结构脉体的成因, 但是背生式特征纤维状结构脉体平滑的矿物边界说明晶体生长是一个连续的过程[1, 3], 与通过裂缝开启— 闭合的幕式晶体生长所形成的锯齿状矿物边界明显不同, 说明背生式特征纤维状结构脉体与在裂缝中形成的脉体成因上不同。刚性矿物周围形成的压力影构造是一种在无裂缝条件下成脉物质通过扩散流动形成的最常见的脉体。形变中的岩石由于刚性矿物的存在会导致刚性矿物周围应力场的扰动[10, 28], 在矿物周围垂直于最大压应力方向的两侧形成相对低应力区, 压力的差异驱使高应力区发生成脉物质的溶解且以扩散流动的方式向低应力区运输并发生沉淀, 形成压力条纹。上述过程在刚性矿物周围低应力区没有裂缝的形成, 但脉体结构为特征的纤维状结构(非延长块状结构)且没有裂缝重复性开启— 闭合标志物围岩矿物遗迹的存在[6], 这一观点与前人提出的特征纤维状结构脉体形成于无裂缝存在的情况下的假设[1, 2, 10, 17]相一致。此外, 由于没有裂缝的开启, 晶体通过自身的结晶力向外生长, 因此彼此之间不存在生长竞争[3], 同时特征纤维状结构脉体可以作为成脉物质扩散流动运输的标志。

图5 背生式纤维状结构脉体示踪能力与α 和β 的关系[13]Fig. 5 Tarcking efficiency as a function of α and β [13]

Taber[1]、Wiltschko等[29]认为特征纤维状结构脉体的形成与围岩孔隙中过饱和溶液密切相关, 即脉体生长发生在围岩和脉体的接触面上。Mugge[17]认为特征纤维状结构晶体缺少生长竞争也是因为没有裂缝的形成, 且晶体的结构与裂缝的开启速率和成脉矿物的结晶习性有关, 主要有以下3种模式:①当裂缝开启的速率快于生长最快晶面的生长速率时, 形成自形晶脉体; ②当裂缝开启的速率慢于生长最快晶面的生长速率而快于生长最慢晶面的生长速率时, 晶体生长就会被部分抑制形成沿优势结晶方向生长的延长块状结构的脉体; ③当裂缝未开启或开启速率慢于生长最慢晶面的生长速率时, 晶体生长的界面就会与围岩始终接触。因此, 相对于裂缝中的晶体生长而言, 由晶体结晶习性所控制的晶体生长竞争被抑制, 即形成无优势结晶方向的特征纤维状结构的脉体。Pabst通过测量纤维状压力影构造中晶体C轴走向验证了特征纤维状结构的晶体确实没有发生沿优势结晶方向的生长[30]; 而在晶体拉伸结构脉体和延长块状结构脉体中晶体则会沿优势结晶方向生长[16]

对于泥质岩中背生式特征纤维状结构方解石脉体, 由于方解石的杨氏模量为泥质岩的近2倍[31], 因此, 其内部的孤立透镜状方解石脉体相对于周围泥岩介质而言即相当于刚性矿物, 在岩石发生形变过程中, 就会在其周围形成压力梯度, 导致特征纤维状结构脉体在原透镜状方解石脉体两侧进一步生长(图6)。原方解石脉体通常为围岩矿物的遗迹(图7a)或是早期生成的块状结构脉体(图7b)和晶体拉伸结构脉体(图7c), 这也解释了泥质岩中背生式特征纤维状结构脉体内部中间面的存在的原因。综上所述, 背生式特征纤维状结构脉体是在岩石形变过程中裂缝未开启且晶体生长竞争被抑制的情况下通过成脉物质扩散流动运输, 晶体由中间面向两侧连续生长形成的。

图6 形变过程中透镜状刚性矿物周围等压线图(据参考文献[6]修改)Fig. 6 Isobaric lines for deformation of a lenticular inclusion(modified after reference [6])

图7 背生式特征纤维状结构脉体中间面(据参考文献[7]修改)Fig. 7 Micrographs of median zones in antitaxial fibrous calcite veins(modified after reference[7])

4 泥质岩中纤维状脉体形成与油气活动
4.1 泥质岩中纤维状脉体成脉流体来源

泥质岩中平行于纹层(顺层)的纤维状脉体(Bedding-parallel fibrous veins)在沉积盆地中广泛存在, 通常位于低渗透率的地层中, Cobbold等[9]对全球已报道的157个地方顺层纤维状脉体进行了统计, 认为这些形成不同种类脉体的流体在垂向上为近源, 其中顺层纤维状方解石脉发育最为普遍(110个), 其赋存岩石基本都是海相富有机质的页岩或泥岩(都是烃源岩)。

对于顺层纤维状方解石脉的钙质来源, Raiswell等[32]指出碳酸钙的来源可能有多种方式, 包括地层孔隙水、有机质的原位反应平衡或者外部流体的带入; 王冠民等[33]通过对济阳坳陷内古近系黑色页岩中纹层状方解石脉与相邻泥页岩常量元素、微量元素以及碳氧同位素对比分析认为, 成脉流体来源于原始泥质岩中的碳酸盐溶解, 而非外源流体, 纹层状方解石脉表现出明显的近源重结晶特征, 其发育丰度与泥质岩中有机质发育特征以及碳酸盐的含量有关[34]。苗建宇等[34]和张顺等[35]也均通过扫描电镜技术观察发现东营凹陷深部泥质岩中溶蚀作用主要发生在碳酸盐矿物, 有机质在演化形成油气的过程中产生的数量可观的有机酸为碳酸盐矿物溶蚀提供了流体条件。在有机质含量较高的泥质岩中, 当埋深达到一定深度有机质产生的有机酸溶解了原始沉积的钙质纹层, 泥质岩特殊的孔隙结构特征使泥岩流体很难与外界流体发生交流, 随着有机质演化不断进行排出的有机酸含量减少, 泥岩流体中有机酸被不断消耗, 导致流体中所溶解的Ca2+含量逐渐增多达到过饱和, 但是方解石脉的析出在低孔低渗的泥质岩中会被抑制[1, 24], 因此高压流体会保持明显的过饱和状态直到裂缝形成提供沉淀所需的空间, 在原始钙质纹层的附近重新析出, 即在烃类流体流动的微裂缝中形成方解石脉; 李荣西等[36]通过对大巴山地区纤维状方解石脉与围岩碳氧同位素对比分析, 认为成脉流体来源为成岩有机流体与浅部流体相混合而非原始沉积流体, 也表明了其近源次生成因。

顺层纤维状脉体由“ Beef” 和“ Cone-in-Cone” 2种结构组成[8, 9, 26]。“ Beef” 结构指的是顺层纤维状脉体内部近垂直于脉壁生长的纤维状结构矿物, 由于其纤维状的形态特征与动物肌肉纤维形态相似, 因此Buckland等将其命名为“ Beef” (图8a)[37]。此外, 在顺层纤维状脉体内部还常发育“ Cone-in-Cone” 结构, 即厘米尺度的近似垂直于纹层的纤维状方解石矿物彼此嵌套形成的叠锥状集合体(图8b)[9]

图8 顺层纤维状脉体内“ Beef” 结构和“ Cone-in-Cone” 结构(据参考文献[9]修改)Fig. 8 The Beef and Cone-in-Cone structures in bedding-parallel fibrous veins(modified after reference [9])

4.2 泥质岩中水平裂缝成因机制

导致泥质岩裂缝形成的因素有很多, 外因主要有构造应力、沉积成岩作用和孔隙流体压力等, 内因则主要为岩性及岩石微观结构[38, 39]。丁文龙等[40]根据泥质岩裂缝成因机制的不同将其分为构造裂缝和非构造裂缝, 构造裂缝包括剪切裂缝、张剪性裂缝、滑脱裂缝、构造压溶缝合线、垂向载荷裂缝和垂向差异载荷裂缝, 非构造裂缝包括成岩收缩裂缝、成岩压溶缝合线、超压裂缝、热收缩裂缝、溶蚀裂缝和风化裂缝。

有关顺层纤维状脉体形成的一个关键问题是水平裂缝开启的动力。一种可能来自内部晶体生长的力量; 另一种外部力量可能来自构造应力或孔隙流体压力, 即纤维状晶体是被动地充填裂缝, 或是由晶体结晶力主动将围岩分开。理论上, 顺层方解石脉体的形成过程应当存在一种力, 这种力可以阻止脉体上下围岩的接触(脉体闭合), 使脉体保持生长, 这种力至少大于上覆载荷的重力以便产生新的裂缝以保持脉体生长。但是顺层纤维状方解石脉体的形成到底涉及哪些力或者受哪种力控制, 至今没有足够直接的证据[29, 41]

在沉积物沉积成岩过程中, 随着埋藏深度的增加流体介质受热膨胀是导致异常高压形成最为普遍的原因[42, 43]; 含水矿物的脱水作用也可能造成流体异常高压的形成[42], 对于顺层纤维状石膏脉而言, 一定埋深条件下石膏脱水作用也可能导致超压裂缝的形成; 此外, 由于泥质岩中纤维状脉体通常发育在含油气盆地中, 因此压实作用和有机质生烃作用或两者共同作用导致孔隙流体压力升高这一观点被广大学者普遍接受[8, 43~47], Jochum等[48]通过对泥质岩水平裂缝中的方解石脉内流体包裹体分析, 认为水平裂缝的形成与烃源岩初次排烃产生的异常高压有直接关系。刘庆等[49]认为烃类流体产生的异常高压是导致泥质烃源岩中水平裂缝的主要原因, 其发育表现出较强的非均质性, 受有机质丰度和成熟度的影响, 主要分布于有机质丰度较高、纹层理发育的页岩中, 而有机质丰度较低、块状层理的泥质岩中一般不发育, 因此由水平裂缝的存在分析, 纹层理发育的泥质岩, 其排烃过程可能比厚层块状泥岩更加容易。Rodrigues[50]通过碳氧同位素分析认为顺层纤维状方解石脉形成于页岩晚期成岩阶段, 结合方解石脉中的流体包裹体研究证实油气运移过程存在超压, 并指出超压是形成水平裂缝的原因(超压流体水力破裂)。Michael[51]也通过碳氧同位素以及脉体中流体包裹体测温数据分析认为脉体形成于烃源岩有机质成熟阶段。通常情况下, 脉体关于中间面对称向两端生长且中间面内部被烃类物质占据, 成熟泥质烃源岩中部分未被充填的水平裂缝中沥青的存在以及纤维状结构方解石脉中固态烃类和烃类流体包裹体的存在, 也说明二者成因上密切相关[8, 52, 53], 同时也说明在纤维状晶体结晶与液态烃类流体的运移是同时的[54]。当最小有效应力为垂向时, 易形成水平裂缝, 但在大多数沉积盆地中, 由于上覆载荷的作用最大有效应力的方向通常为垂向而最小有效应力通常为水平方向[55], 不利于水平裂缝的形成。Cobbold等[26]通过物理模型模拟证明, 在最大有效应力为垂向的沉积盆地中, 流体异常高压的存在导致压力梯度产生的垂向渗流压力可以克服甚至超过上覆载荷的影响, 使最大有效应力方向变为水平向[56], 并产生垂向上的有效张应力, 当产生的高流体渗透压力超过了岩石的抗张强度, 即高于上覆载荷时, 就会产生水平裂缝形成顺层纤维状结构方解石脉。因此在泥质岩封闭环境下由于地层中流体排液不畅而导致的流体压力增大在低孔低渗性泥质岩中形成的水平水力破裂缝是顺层纤维状脉体形成的首要条件[57]

总之, 水平裂缝的发育证明泥质烃源岩生排烃过程中要经历一个顺层面运移的阶段, 泥质烃源岩中异常高压导致水平裂缝的形成在局部范围内可以提高生排烃效率并影响烃类运移的速率和方向, 因此含有烃类包裹体顺层背生式纤维状结构方解石脉可以作为含油气盆地油气超高压排烃和油气运移的标志, 也可将其作为泥质烃源岩生烃和油气初次运移的主要证据[36, 58, 59]

5 存在的问题

裂缝开启— 闭合机理被普遍认为是导致泥质岩纤维状脉体形成的主要原因, 且脉体内与围岩平行的围岩矿物遗迹条带(图1c)以及特征纤维状的晶体(图1d)也可以作为裂缝开启— 闭合过程存在的重要标志物[11, 16, 60~62]。然而也有学者对背生式纤维状结构脉体的裂缝开启— 闭合成因观点提出了质疑[2, 6, 7, 14, 20], 甚至对于裂缝开启— 闭合的标志物围岩矿物遗迹条带的成因也提出了不同观点, 认为其是由于成脉流体化学扰动所致[3, 29]

有关泥质岩中成脉物质来源及其运输方式的研究目前存在较大的争议, 国内相关学者认为泥质岩特殊的孔隙结构, 导致泥质岩内部缺乏流体长距离流动的必要条件, 因此泥质岩内成脉物质来源不可能来自于外部, 而来源于泥质岩本身, 即主要为近源成脉[33, 34]; 而国外有关学者通过脉体和围岩的同位素对比认为泥质岩中的脉体可能以局部的扩散流动方式成脉为主, 但成脉物质也有可能来自于外源[19], 而Baker等[23]则认为背生式纤维状脉体成脉物质为外源流体, 其运输通道为幕式开合形成的裂缝。

目前有关泥质岩纤维状脉体的研究主要集中在脉体岩相学以及脉体结构形成过程的描述上, 对不同类型纤维状脉体形成的流体介质地球化学环境和动力学条件的研究上鲜有涉及, 特别缺少有关背生式特征纤维状结构脉体的成因环境流体介质条件方面的研究。另外, 有关富有机质成熟泥质烃源岩中顺层纤维状结构脉体的成因机制对油气的指示意义还不是很明确, 即缺乏有关脉体形成的期次、温压条件以及其对油气初次运移形式和效率控制方式等方面研究, 同时关于形成该类脉体的流体特征与泥岩储层中油气的运移动力、运移方式、运移的渗流特征[63]的关系了解甚少。

6 认识与展望

从已有的研究成果来看, 有关泥质岩纤维状脉体成因机制的研究取得如下认识:

(1)根据纤维状结构脉体中晶体的结构、形态以及排列方式等微观岩相学的观察, 将其分为晶体拉伸结构脉体、延长块状结构脉体以及特征纤维状结构脉体; 根据其晶体生长界面的位置和生长方向的不同又可分为拉伸式脉体、向生式脉体和背生式脉体。

(2)裂缝开启— 闭合机理对于解释所有纤维状结构脉体的成因有一定的局限性, 其只能用于说明晶体拉伸结构以及延长块状结构脉体的形成过程, 背生式特征纤维状结构脉体是在岩石形变过程中裂缝未开启且晶体生长竞争被抑制的情况下通过成脉物质扩散流动运输, 晶体由中间面向两侧连续生长形成的。由于其成因上的差异, 不同类型纤维状结构脉体应该不同对待。

(3)脉体的最终结构主要由裂缝面的形态特征、裂缝的宽度和充填裂缝的脉体矿物的生长习性所决定, 因此在利用背生式纤维状结构脉体形态和其边界的延伸方向追溯裂缝开启轨迹以及岩石形变历史时, 应通过岩相学的详细观察对其示踪能力进行判断。

(4)泥质烃源岩中有机质生烃导致异常高压产生的水平裂缝是平行于纹层背生式方解石脉形成的首要条件, 在局部范围内可以提高生排烃效率并影响烃类运移的速率和方向, 证明油气存在顺平面的侧向运移, 因此平行于纹层背生式方解石脉可以作为含油气盆地油气超高压排烃和油气运移的标志, 也可将其作为泥质烃源岩生烃和油气初次运移的主要证据。

The authors have declared that no competing interests exist.

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