岩浆侵入作用影响碎屑围岩储层的研究进展与展望
刘超1, 谢庆宾1, 王贵文1, 崔宇2, 张楚珺1
1. 中国石油大学(北京)地球科学学院 北京 102249
2. 中石油大港油田公司勘探开发研究院 天津 300270

刘超(1986-),男,湖北石首人,博士研究生,主要从事地质学研究. E-mail: liuchao_cupb@163.com

摘要

勘探实践表明,受岩浆侵入改造的变质泥岩能够成为良好的油气储层,同时岩浆侵入引发热对流和提供热液而影响砂岩围岩储层,因此探讨岩浆侵入对碎屑围岩的影响作用及其机理对于扩大油气勘探领域和储层评价具有重要意义。紧密围绕这一知识体系,概述了岩浆侵入影响沉积围岩的过程、侵入活动与油气储层的关系,归纳了国内外的主要研究进展,并从储层储集性能的角度,结合自身研究,总结了岩浆侵入作用对碎屑围岩储层的影响作用,主要表现为:①挤压变形作用。包括围岩宏观上发生塑性变形或脆性破裂、微观上碎屑颗粒脆性破裂和压溶作用。②热传递及热液变质作用。包括引发热对流使砂岩围岩改造、热烘烤引发泥岩热变质以及形成明显的变质构造。③直接或间接为成岩作用提供物质来源,产生溶蚀或沉淀。这些因素对储层储集性能具有双重作用。在此基础上,尝试探讨了今后的主要研究方向:热对流机理研究、侵入作用的影响范围,研究和建立不同侵入特征对围岩储层影响的机理并建立相应的模式。

关键词: 岩浆侵入作用; 碎屑岩储层; 变质作用; 热对流
中图分类号:P618.130.2 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2015)06-0654-14
The Influence of Igneous Intrusion to Detrital Reservoir: Advances and Outlook
Liu Chao1, Xie Qingbin1, Wang Guiwen1, Cui Yu2, Zhang Chujun1
1. Geosciences Department, China University of Petroleum,Beijing, Beijing 102249,China
2. Researching Institute of Petroleum Exploration and Development of Dagang Oilfield, CNPC, Tianjin 300270, China
Abstract

The practice of oil and gas exploration shows that the metamorphic mudstones (slates and hornfels) can be profitable hydrocarbon plays when their petrophysical properties are transformed by igneous intrusion. Meanwhile, igneous intrusions surely effect sandstone country rocks by providing hydrothermal fluids and causing hydrothermal convection. It has great significance to explore the influencing factors and mechanism of intrusive body to country rocks as it is an important aspect to take account in reservoir evaluation and expanding hydrocarbon exploring regime. From this perspective, this paper generally summarizes the intruding and influencing process, the relationship between intrusive activities and hydrocarbon reservoirs, and the major study progresses. From standpoint of reservoir properties (porosity and permeability) and author’s case studies, the influencing factors of intrusion to country rocks are concluded as following aspects. They are: ①pressing deformation mechanism. This mechanism includes plastic deformation or brittle fracturing in macroscopy, detrital grain fracturing and pressure dissolution in microscopy.

②heat transferring and hydrothermal metamorphism. Sandstone country rocks are transformed by hydrothermal convection. Thermal metamorphism of mudstone occurs due to heat baking. Metamorphic geological structures are formed.

③intruding activities provide material sources for diagenesis directly and indirectly, causing dissolution or precipitation. These influencing factors have double effects on country rocks. On the basis of thorough discussion and conclusion above, further studies are proposed in this paper. Hydrothermal convection mechanism study, determining intrusion's influencing range, studying influencing mechanism of different intruding conditions and intrusion characteristics and establishing corresponding models are the main focus for further exploration of influencing mechanisms of igneous intrusions.

Keyword: Lgneous intruding activities; Detrital reservoirs; Metamorphism; Thermal convection.

岩浆活动在世界范围内各大含油气盆地中广泛可见[1~4]。岩浆侵入到沉积盆地上部层位后, 岩浆中逸出的挥发份及液态溶液在热动力作用下进入围岩发生水岩反应, 从而使得围岩变质, 同时高温烘烤也使得对温度敏感的围岩(如泥岩)发生变质, 此外岩浆侵入的挤压作用使得围岩发生变形。因此沉积围岩必然受到岩浆侵入体的影响或改造。在含油气盆地中, 传统观念认为岩浆热液作用加速围岩成岩作用进程, 使储集条件变差或是破坏储层, 油气勘探应避开这些地区[5~7]。但近年油气勘探表明, 岩浆侵入活动能够形成多种不同类型的油气储层[3]。中国东部含油气盆地中发育大量的火山岩或浅层侵入岩, 越来越多的岩浆岩及其变质围岩油藏被发现, 如松辽盆地兴隆台古潜山古生代变质岩储层和侏罗系火山岩储层[8], 渤海湾盆地济阳凹陷罗151井区侵入岩储层[9, 10], 惠明洼陷变质岩及火山岩储层[11, 12], 冀中洼陷的板岩储层[13], 苏北盆地高邮凹陷变质岩储层[14]等, 尤其在我国渤海湾盆地, 受岩浆侵入活动影响的碎屑岩围岩储层已经成为油气勘探中不容忽视的储量增长点[15]。因此深入探讨和认识此类储层的成因和发育机理, 对扩大油气勘探领域具有重要意义。

研究表明, 在含油气盆地内, 岩浆活动不仅可以造成围岩较为强烈的变质和变形, 而且将带来大量的高温热液, 并伴随异常高的地温梯度, 它们对油气的生成、运移、聚集以及油气藏的形成与保存都有明显影响[16, 17]。前人研究主要侧重于岩浆活动对烃源岩的影响机理研究, 并普遍认为岩浆侵入加速有机质向油气转化, 对生油有积极影响[18~20], 但对于侵入体影响围岩油气储层的机理研究则相对较少[21, 22], 这主要是因为:①各沉积盆地中受岩浆侵入影响的碎屑岩围岩储层相对较少, 且分布范围较为局限, 加之围岩受到岩浆活动带来的高温高压热液影响而发生强烈变形和变质作用, 其研究手段与沉积岩差别极大, 整体上国内外研究较少; ②围岩储层发育特征受岩浆侵入体特征(产状、性质及规模)、侵入时围岩成岩阶段、侵入前围岩特征、距侵入体远近等多种因素综合控制[14, 22~25], 使得其储层特征研究更加复杂。因此, 岩浆侵入对围岩的影响机理还没有形成较为系统的研究理论与方法。

对于受岩浆侵入活动影响的碎屑岩围岩, 国外学者主要从围岩的岩石学特征、成岩作用方面进行了研究:Jaeger早在1957年[26]和1959年[27]通过模型模拟计算了不同厚度侵入体从中心到外接触带的降温过程, 为后来研究岩浆侵入围岩中的水岩反应奠定了基础; Brauckmann等[28]对格陵兰NUGSSUAD石炭系距玄武岩接触带不同距离的砂岩和泥岩矿物组合特征进行了分析, 研究了矿物组分的变化规律, 并推测孔隙水的热对流和热传递是造成这种规律分布的重要原因; Luiz[21]进一步认为岩浆活动引起热流体的纵向和横向运移, 使砂岩成岩现象的空间分布复杂化, 进而引起储层非均质性的复杂化; Mckinley等[22]分析了薄层侵入体(2 m)影响下的围岩自生矿物组合特征, 探讨了自生矿物随温度增高的反应机理, 并提出了“ 接触成岩” (contact diagenesis)的概念; Jean-Pierre等[24]对西非TAOUDENI盆地上元古代硅质碎屑岩受辉绿岩侵入的“ 异常高温” 成岩作用也有类似研究。

本文结合笔者自身研究, 主要从碎屑岩围岩储集性能的角度, 总结了岩浆侵入对碎屑岩围岩的影响因素及其作用机理, 并讨论各个因素对储集性能的影响, 然后在阐述目前研究所存在问题和争议的基础上, 初步探讨了下一步深入研究的方向, 以期对进一步认识岩浆侵入作用对碎屑岩油气储层影响机理有所帮助。

1. 挤压变形作用

在岩浆向浅层运动过程中, 由于热流体释放膨胀和机械贯入作用产生的初始异常高压, 对围岩产生挤压冲击作用, 其结果是引发围岩发生塑性形变或是脆性破裂, 形成次生裂缝或是碎屑颗粒发生破裂及产生压溶作用。

1.1 岩浆侵入导致围岩发生塑性变形或破裂

岩浆侵入首先改变的是围岩物理形态, 对围岩地层产生挤压作用, 从宏观上使得塑性围岩发生挤压变形或脆性地层发生破裂, 或者两者同时发育。苏北盆地高邮凹陷北斜坡带, 在码头庄构造部位, 辉绿岩侵位后呈顶厚翼薄的岩床形态, 使上覆围岩产生挤压变形, 形成背斜构造, 成为有利的油气圈闭[16]; 而在中东部地区阜三段, 辉绿岩浅成侵入机械贯入作用强、同化混染弱、接触变质带窄且厚度较小(依据变质作用出现的范围分为两种接触变质带:由岩浆侵入体内部的变质作用形成的为内接触变质带, 由围岩中的变质作用形成的为外接触变质带。此处所说的接触变质带, 主要是指外接触变质带), 在辉绿岩附近的细砂-粉砂围岩中易产生诸多构造裂缝。这些裂缝被后期充填形成方解石脉, 脉体不规则, 呈细脉状、网脉状在围岩中分布, 脉体与围岩界限清楚, 反应了原始裂缝的形态和形成时的环境。而距离侵入体越远, 方解石脉越不明显, 说明了原始裂缝的岩浆活动成因及岩浆活动的影响范围[25]。在三江盆地滨参1井钻遇的东荣组地层也有类似构造特征。安山玢岩侵入体上部砂岩中, 发育非构造成因的脆性裂缝, 裂缝呈锯齿状、楔状、网状并被填充形成方解石脉和白云母脉, 这些裂缝仅见于与侵入体紧邻接触砂岩中, 远离侵入体的砂岩中则不发育类似裂缝, 并且砂岩中自生绢云母常量元素成分接近于岩脉中的白云母[29], 这说明岩浆侵入不仅使围岩产生裂缝, 并且这些裂缝还是后期岩浆热液的通道, 即岩浆热液首先填充裂缝, 进而进入围岩孔隙发生流体— 围岩反应。

此外, 岩浆侵入活动也能导致泥岩变质并产生裂缝。岩浆在侵入和冷凝过程中要释放大量高矿化度流体(如水和CO2等), 同时高温对泥岩的烘烤使其变质发生脱水和脱碳作用, 根据前人的研究结果[30, 31], 平均每千克泥岩要释放近2 mol的流体。这些瞬间生成的CHO热液产生异常高压, 必然要快速向围岩中排泄, 由于泥岩在高温的烘烤下变的性脆, 热液压力突破岩石骨架的破裂极限后, 产生张性裂缝, 流体释放到压力较低的地层。久而久之, 形成了大量热液成因的微裂缝。笔者对苏北盆地高邮凹陷北斜坡阜宁组辉绿岩侵入体变质泥岩研究时, 发现变质泥岩围岩中广泛发育裂缝(图1a和b), 并且越靠近侵入体, 裂缝越发育; 远离侵入体则裂缝变少。根据岩心观察, 裂缝主要发育距离侵入体边界30 cm内, 且岩石被烘烤的非常脆, 岩心破碎严重。不同岩性的变质带中裂缝发育程度不同, 在角岩中裂缝最发育, 而板岩中少见此类裂缝。分析认为这类裂缝主要是岩浆热液成因, 原因在于:①所观察的裂缝呈弯曲状、分支状、交叉状发育展布, 并且分布范围局限于紧邻侵入体附近的角岩带, 与岩浆热液侵入特征相符合。而矿物结晶缝则仅在纳米尺度可见(图1c); 构造裂缝通常形态较规则, 呈区域分布, 裂缝延伸远(图1d); 泥岩脱水收缩产生的解理缝与构造裂缝有相似特征(图1e)。②全岩分析发现, 在变质围岩(泥岩、板岩)的含油气薄片中, 几乎不含碳酸盐类胶结物, 而不含油气薄片中方解石和铁白云石十分常见, 并且通常呈方解石脉填充于裂缝中, 在成岩晚期这些碳酸盐矿物很可能来自于岩浆侵入所带来的热液。高压热液使围岩产生裂缝, 随后热液填充其中冷却成为碳酸盐胶结。后期部分胶结物被溶蚀, 油气充注其中从而导致上述现象。

实际上, 变质泥岩裂缝在与侵入体紧密接触带十分常见, 如果这类缝隙在后期地质过程中得以保留或填隙物后期被溶蚀, 不仅可以成为良好的储集空间, 还能沟通其它微裂缝成为裂缝系统[13, 32, 33]

综上所述可见, 无论砂岩还是泥岩围岩, 这种挤压变形作用均能产生裂缝系统, 对储层的改善或是改造有积极影响。以岩浆侵入成因的裂缝系统为主要储集空间的典型油气藏, 如冀中廊固凹陷斑点板岩油藏[34], 储渗空间以裂缝为主, 孔隙度极大值23.3%, 极小值8.8%, 平均值18.6%, 试油日产油6~9 t; 济阳凹陷罗151块接触角岩带发育大量拱张裂缝, 和侵入岩裂缝系统相连通, 成为良好的侵入体— 接触变质带储集系统[32]

图1 高邮凹陷(a)~(e)及团山子(f)薄片与岩石样品(a)紧邻侵入体的角岩中发育热液成因不规则裂缝, 大部分碳酸盐填充物被溶蚀, 沙7井, 2 683.30 m, 蓝色铸体, X40; (b)角岩中发育热液成因裂缝, 呈弯曲状, 后期被碳酸盐全充填, 沙4井, 2 863.70 m, 蓝色铸体, X40; (c)矿物晶体结晶缝, 沙4井, 2 467.26 m, 扫描电镜; (d)构造成因裂缝, 裂缝平直, 形态规则, 被碳酸盐充填, 陈6井, 1 895.80 m; (e)泥岩脱水收缩成因的裂缝, 形态与构造成因裂缝相似, 但裂缝宽度较小, 被碳酸盐充填, 庄1井, 1 571.68 m; (f)团山子采石场发育的气孔— 杏仁构造Fig.1 Thin sections and rock samples of Gaoyou sag (a)~(e) and Tuanshanzi quarry(f)(a) Irregular patterned fissures in hornfels adjacent to intrusion body, most carbonate cements are dissolved, Sha 7, 2 683.30 m, blue casting, X40; (b)Hydrothermal generating curved fissures, space are filled with carbonate cements, Sha 4, 2 863.70 m, blue casting, X40; (c)Mineral crystallizing fissures, Sha 4, 2 467.26 m, SEM; (d)Structural fissures, fissures are regular patterned, filled with later carbonate cemnets, Chen 6, 1 895.80 m; (e)Mudstone dehydrating generating fissures, similar with structural fissures with smaller scale.Fissure space are filled with carbonate cements, Zhuang 1, 1571.68 m; (f)Stomatal-almond structure from Tuanshanzi quarry

1.2 岩浆侵入使碎屑颗粒破碎和溶蚀

微观上, 岩浆侵入挤压引起接触带碎屑颗粒发生脆性破裂, 在持续高温高压作用下, 矿物颗粒(如石英)进而发生溶蚀。这些微观物理作用在实验中均可得到证实, 如压力条件下石英颗粒发生压溶并且缝合, 石英颗粒相互穿插, 颗粒接触处的各种微裂缝等[35, 36]。笔者在研究团山子辉绿岩侵入体露头时, 发现由于受辉绿岩侵入体的挤压, 上覆砂岩中石英颗粒接触关系发生明显改变, 随着远离辉绿岩侵入体, 石英颗粒由凹凸接触逐渐过渡到点、线接触或者根本不接触(图2); 在砂岩层的薄片观察中, 大量的石英颗粒呈现波状消光现象(图3); 石英颗粒裂隙普遍发育(图4), 随着远离辉绿岩侵入体, 裂隙减少。这些特征说明了辉绿岩侵入体对围岩层的物理挤压作用。此外, 在颗粒破碎带, 石英颗粒发生压溶作用, 为远处石英颗粒次生加大提供硅质, 因此石英次生加大边出现的趋势是随着远离辉绿岩侵入体逐渐增多的, 这与露头岩样薄片观察相符, 也从侧面证实了侵入体对碎屑颗粒的挤压溶蚀作用。Summer等[23]对以色列中南部Makhtesh Ramon地区侏罗系Inmar砂岩在未固结时期受到辉绿岩岩浆侵入进行了研究, 以露头、微构造、岩石学及岩石物理等多方面特征为支撑, 提出了未固结砂岩对岩浆侵入活动响应的岩浆侵位发展模式(图5), 较全面地包含了上述各种物理作用过程。

图2 辉绿岩侵入体围岩石英颗粒接触情况× 40 单偏光(a) 凹凸— 缝合接触; (b) 线接触— 点接触; (c) 点接触— 不接触; (d) 不接触; (a)~(d)离侵入体体距离依次变大Fig.2 Detrital quartz contact in response to different distances to diabase intrusion × 40 plane polarized light(a) Concave-convex and suturing contact; (b)Line-dot contact; (c) Dot-non contact; (d) Non contact; Distances increasing to intrusion body from (a)~(d)

图3 石英颗粒波状消光× 100 正交光Fig.3 Undulatory extinction of quartz detrital × 100 orthogonal light

图4 石英颗粒裂缝× 100左为单偏光, 右为正交光Fig.4 Fissures in detrital quartz × 100left: plane polarized light, right: orthogonal light

与物理挤压作用造成次生裂缝改善储层储集性能不同的是, 这种岩浆侵入挤压作用从微观层面上对围岩储集性能具有明显破坏作用:尽管挤压作用使得矿物颗粒破碎形成微裂缝, 但在持续高温高压作用下, 破碎颗粒之间发生错位蠕动, 这些微裂缝很快愈合, 矿物颗粒缝合在一起[37]; 同时压溶作用在非静岩压力条件下(此处为岩浆侵入造成的异常高压)会导致孔隙快速减小[36]:其溶蚀产生的硅质很快在距侵入体较远处沉淀, 形成次生加大或填充孔隙; 此外挤压作用使弱固结砂岩层发生颗粒排列调整和固化, 使砂岩变致密, 在接触处则形成氧化铁, 方解石等非渗透胶结物[23]

2. 热传递及热液变质作用
2.1 热对流对砂岩的改造

热对流是指由于温差所产生的热力而导致流体的流动, 热对流通过物质迁移和热传播对岩石的成岩作用有重要的影响[38, 39]。岩浆活动是造成热对流的重要因素之一, 高温岩浆侵入加热地层水, 使接触带处与正常地层产生巨大温差, 发生热对流和热传递, 从而对具有连通孔隙的砂岩改造。

岩浆成因热对流溶蚀并搬运早期成岩自生矿物, 使其重新分布。如石英随温度升高溶解度增大, 而方解石则相反, 在热对流过程中, 流体降温流动发生石英沉淀和方解石溶解, 而流体升温流动时发生石英溶解和方解石沉淀[39, 40], 这样造成自生矿物的不均匀分布。实际上, 热对流通过不均匀成岩作用而增强储层非均质性[21]。Haszeldine等[41]研究了Beatrice油田砂岩中的石英胶结物, 认为热对流作用导致了石英的次生加大。地层中自生石英在高渗透率砂岩中的含量远高于低渗透率砂岩, 同时泥质含量高的低渗透率砂岩中长石通常保存较好, 而泥质含量低的高渗透率砂岩中长石多被溶蚀, 说明在成岩形成石英加大边过程中富含二氧化硅成岩流体的流动是主要的物质运移形式。通过分析认为粘土脱水反应、沉积物机械压实排液以及上部海水补充等形成的流体量均不足以搬运成岩作用中大量的二氧化硅, 而孔隙流体对流反复循环则是唯一可能的解释。此外, Haszeldine等[41]还通过观察和推论给出了热对流搬运物质的模型(图6)。在团山子采石场辉绿岩侵入体接触带附近砂岩研究中, 岩浆侵入挤压使得接触带石英颗粒发生溶蚀, 随即这部分硅质在热液对流作用下在温度较低处沉淀形成石英次生加大。其结果是靠近侵入岩的砂岩中石英次生加大体积比未收辉绿岩影响的砂岩大。Luiz[21]对Parana盆地Furnas砂组研究认为, 自生石英和自生伊利石从镜下规模到宏观规模的不均匀分布与岩浆成因的热液对流有关。

图 5 辉绿岩— 砂岩相互作用动态模型[23]①绿岩侵入前, 砂岩仍处于未固结状态; ②辉绿岩刚大规模侵入时, 顶部砂岩中形成含水裂隙通道; ③辉绿岩大量侵入到裂隙通道中, 突然挤压砂岩, 附近的碎屑石英颗粒内部产生裂缝; ④高温石英颗粒内部的裂缝愈合, 持续的挤压和高温作用使石英颗粒压溶现象普遍, 在接触带处砂岩完全转化为石英岩; ⑤随着侵入岩冷却, 铁质氧化物沉淀在辉绿岩和石英岩之间.1.碎屑石英颗粒; 2.石英内的裂缝; 3.辉绿岩; 4.石英的压溶; 5.铁质氧化沉淀Fig.5 Cartoon of the overall model for the dike/sandstone interaction[23]①The country sandstone prior to intrusion; ②Hydraulic fracturing of the sandstone ahead of the dike tip; ③Dike tip enters fracture, wedging through the sandstone and repacking and fracturing quartz grains; ④As this wedging continues, or as the dike dilates, the sandstone on each side of the dike is compressed and heated with fracture healing and pressure solution. Thus the sandstone is indurated to a quartzite in the contact zone; ⑤As the dike cools, it is partially altered to a clay-rich matrix. Veins are emplaced in the altering dike. Iron oxides precipitate between the altering dike and quartzite, and within the quartzite along fractures and adjacent microporosity. 1. Quartz grain in sandstone; 2. Quartz grain with fractures; 3. Diabase intrusive body; 4. Pressure solution of quartz grain; 5. Iron oxide precipitate

图 6 热对流搬运物质的模式图[41]Fig.6 Transporting pattern of mass under thermal convection[41]

热对流搬运溶液物质在温度相对较低处沉淀在孔隙中。Rabinowicz等[42]对North Sea油田Chalk油气藏中一套极低孔低渗的硅质夹层进行研究, 认为其形成是由于孔隙流体热对流所携带的物质在Chalk油层微裂缝聚集形成。由热对流引起的二氧化硅和方解石等物质在裂缝中的沉淀使得孔渗性逐渐降低, 直至对流循环终止, 最终形成一套致密硅质隔层。

热对流通过热传递和水岩反应形成“ 相对高温” 自生矿物。Jean-Pierre等[24]对西非Taoudeni盆地上元古代硅质碎屑岩成岩作用与辉绿岩侵位作用进行研究, 流体包裹体证据表明, 后期的石英次生加大边(与压实阶段低温条件下的石英加大相对应)、铁白云石、方解石等自生矿物形成于较高温度条件下(135~170 ℃), 而按正常低温梯度(25 ℃/km)计算, 所研究层位埋深2.5-3km, 最大埋深成岩温度不超过100 ℃。这种“ 相对高温” 的自生矿物与辉绿岩侵位造成的热液活动密切相关; 并且, 在辉绿岩侵入体大约15 m范围内, 发育云母— 伊利石— 高岭石的代表先升温后降温的热液矿物组合, 其矿物的连续性和演化特点与正常成岩序列有明显的不同。北爱尔兰三叠系Sherwood砂组接触变质带, 离侵入体距离由远到近, 自生矿物温度由低到高, 矿物含量变化明显(图7b)[22]。距离辉绿岩侵入体10 m处, 其岩石学特征基本不受影响, 以含少量白云石为特点(2%); 距离侵入体6 m处, 白云石含量减少(0.25%), 出现薄板状的硅镁矿物和铁铝矿物, 及微量碱元素, 结合高强度反射特征, 推测其为富钠环境形成的白云母; 距离侵入体3 m处, 主要为放射针状的角闪石-阳起石系列矿物, 出现方解石, 氧化铁矿物减少, 蒙皂石逐渐消失; 而临近侵入体自生矿物主要为阳起石, 而缺少白云母、蒙脱石。实验室模拟反应表明, 原岩中的富镁锰皂石、石英、白云石等矿物在热液作用下发生反应:在低温条件下, 白云石与含矿物晶体水溶液发生反应形成方解石; 在130~180 ℃, 白云石与石英发生作用产生白云母; 在200~230 ℃, 白云母与方解石、石英发生反应生成角闪石, 在Fe2+丰富的情况下, 则形成阳起石; 在更高温情况下(250~300 ℃), 角闪石(或阳起石)可由蒙皂石、方解石、石英反应得到。

此外, 流体热扩散还能导致砂岩自生矿物的改造和新生矿物的形成。Enrique等[43]对美国Hartfort裂谷盆地侏罗系New Haven长石砂岩研究表明, 在该地区发生的基性玄武岩侵位作用突然“ 加热盆地” , 使得接下来的成岩作用发生急剧变化, 主要表现在:岩浆侵位驱动孔隙水发生对流, 循环的孔隙流体不断溶蚀早先大气水条件下的成岩产物(如磁铁矿胶结、石英和钠长石次生加大和少量自形金红石), 使之消失殆尽或是溶蚀成微晶结构; 某些新生胶结物的快速增长, 如燧石和钠长石胶结、伊利石/绿泥石胶结、纤维状沸石胶结等。Luiz[21]对巴西Parana盆地志留系— 泥盆系Furnas组砂岩研究中发现, 由于区域隆升和岩浆活动引发的热液循环促使高岭石和长石发生伊利石化以及硅质胶结。

图7 高邮凹陷北斜坡阜宁组辉绿岩侵入体与接触变质带厚度关系图Fig.7 Thicknesses relationships between diabase intrusion and metamorphic belt, Ef formation, northern slope of Gaoyou sag

上述改造的综合结果就是加速了成岩作用, 使处于早成岩作用阶段的围岩出现了晚成岩阶段的成岩现象。如在东营凹陷南斜坡草桥和金家一带, 虽然沙二至沙四段泥岩和砂岩层以埋藏浅(1 000 m左右)、Ro值低(0.28%~0.35%), 处于早成岩作用阶段的A或B期为特征, 但却出现了晚成岩阶段A期的成岩现象。结合渤海湾盆地沙三段外变质带中碳酸盐脉的δ 13C分析, 其形成被认为与岩浆活动的热事件有关[44]

2.2 热烘烤引发泥岩热变质

变质作用在变质带形成热接触变质岩。砂岩如果孔隙连通性好, 在受岩浆侵入时, 高温流体在孔隙中发生热对流使砂岩发生上述改造。但如果砂岩在热烘烤为主作用下发生变质, 常形成变余砂岩或石英岩, 变质砂岩与正常砂岩差别较小。相对于砂岩, 泥岩孔渗性差, 岩浆热液或孔隙水难以发生流动发生类似于砂岩的改造, 但泥岩对温度敏感, 在高温下易发生各种变质反应, 因此岩浆侵入带来的高温烘烤对泥岩影响更大。泥岩变质反应主要在高温下发生脱水反应, 矿物颗粒发生重结晶, 形成自生矿物。离侵入体由近至远, 变质程度逐渐减弱, 如依次出现角岩带和板岩带。在石榴子石角岩相中, 由于脆性变大, 产生冷凝收缩缝, 岩浆热液沿构造裂缝和冷凝收缩缝使变晶矿物发生溶蚀, 形成晶间、晶内溶蚀孔缝; 而在堇青石角岩中溶蚀孔不发育, 主要是这类角岩易酸溶矿物的含量较低, 残留COH热液在封闭环境下逐渐冷凝形成碳酸盐类矿物堵塞喉道, 阻止后期流体进入[45]。对于板岩类低级变质带, 通常离侵入体较远, 受岩浆热液溶蚀少, 故溶蚀孔缝不发育, 次生裂缝较发育[34]。显然, 岩浆高温烘烤使泥岩变质, 形成次生裂缝以及晶间、晶内溶孔, 使非储层转变为储层[13]。此外, 岩浆岩裂缝与板岩裂缝相互沟通成为统一的储集系统[46]。泥岩变质岩储集性能好坏与其变质程度正相关[14]

2.3 变质构造的形成

在砂岩围岩变质带易形成柱状解理。柱状节理常见于浅层侵入岩和喷出岩中, 发育规模从毫米级别至上千米, 是由于岩浆快速冷却固结收缩形成的[47~49], 受岩浆侵入体影响的砂岩也有类似构造[23, 50, 51]。在未完全固结成岩的砂岩中, 这种节理缝通常沿着层理面发育、并且其发育范围明显受侵入体控制, 在接触处具有与侵入体柱状节理相似的形态, 而离侵入体越远, 柱状节理越不发育。其形成机理是:高温岩浆沿层应力较小方向(如层理面)进入砂岩层, 砂岩层受到加热快速固结, 侵入过后发生冷却收缩, 形成柱状裂缝。这种柱状解理缝通常发育规模大且连续性好, 与上述物理挤压裂缝形成网状裂缝系统, 改善储层储集性能。

在早成岩阶段发生侵入, 在围岩地层中易形成气孔— 杏仁构造。在对松辽盆地南部团山子采石场辉绿体露头研究时, 发现角岩和砂岩中普遍发育气孔构造(图1f), 其中填充的杏仁体为方沸石、钙斜沸石、钠沸石, 与火成岩中的杏仁成分一致, 说明其成因与岩浆侵入作用有关, 而非一般的沉积后生结核构造。之前对该地区也有类似研究[29, 52], 并认为气孔— 杏仁构造的形成与围岩弱固结状态和岩浆热液和挥发分有关。刘立等[29]将其形成过程解释为, 岩浆侵位的富含硅质高温流体上升遇冷的孔隙水后, 一部分迅速过饱和形成氧化硅凝胶, 而另一部分则引起未固结或弱固结的砂质沉积物或泥质沉积物局部膨胀, 冷凝后形成“ 杏仁” 构造。而彭晓蕾[52]则认为气孔主要是岩浆侵入过程中所释放气体挤压围岩形成, “ 杏仁” 构造则是后来岩浆热液充填形成。根据研究推断, 如果“ 杏仁体” 被后期溶蚀, 加之接触带广泛发育的裂缝体系, 能够提高围岩的孔隙度。但是这类构造分布局限, 还未见以此为主要储集空间的油气聚集。

3. 热液活动提供成岩作用物质来源

在松辽盆地南部团山子采石场辉绿岩侵入体紧邻砂岩中, 石英颗粒边部发育不规则“ 毛刺” 状石英微晶。这种微晶石英加大在实验条件下可以得到[53]:在偏碱性溶液中(NaOH, Na2CO3, K2CO3), 当溶液浓度较高且流动较快时, 在石英颗粒C轴方向结晶较快形成正常的次生加大, 而在其它部位结晶较慢形成微晶, 由于微晶与母体石英颗粒具有强的内聚力, 因而能够形成稳定微晶胶结。不难推断, 上述紧邻侵入体砂岩带中, 岩浆热液扮演了“ 浓度高, 流速快的碱性溶液” 角色, 辉绿岩的侵入提供了钾、钠等碱性离子和溶液环境, 参与了石英微晶的形成。且距侵入体越近, 热液越集中、流速越快, 石英微晶越发育, 而在较远处微晶不发育。岩浆热液参与水岩反应岩还可使围岩粘土矿物成分和含量发生变化。如临邑洼陷沙三段、沙四段的基性侵入岩富含Fe2+, Mg2+而贫K+, 为蒙脱石向绿泥石转化提供条件, 导致侵入岩体附近的碎屑岩出现富含绿泥石而贫蒙脱石的特征[11]

岩浆作用携带的无机二氧化碳进入砂岩储层后, 使砂岩孔隙介质呈弱酸性, 打破了原来已经形成的水— 岩平衡, 促使一些不稳定的组分和长石发生蚀变, 并造成新矿物沉淀[54]。如岩浆活动能够提供大量二氧化碳[55], 进而导致片钠铝石的沉淀[56~58]。二氧化碳溶于地层水形成酸性流体后, 首先交代富钠铝的长石类形成片钠铝石, 大量的二氧化碳被消耗, 并导致孔隙热液中Na+和Al3+浓度增加, 流体转为碱性并引起片钠铝石沉淀。砂岩中片钠铝石以板状交代长石, 以放射状或菊花状填充于粒间孔隙或先前溶解孔隙, 使得砂岩孔隙减小。岩浆活动直接引起或间接引起的片钠铝石和方解石的沉淀常见于我国东北部盆地[44, 58~60]。此外, 岩浆侵入所携带的熔融状态二氧化硅引起氧化硅凝胶在孔隙中的直接沉淀[61]、石英和长石的加大等[41~43]

从上述讨论可知, 在油气储层中, 无论是石英微晶的生成、自生石英的沉淀, 还是石英的次生加大和片钠铝石的沉淀, 都对储集性能产生不利影响。如苏北金湖凹陷阜宁组砂岩储层中, 自生片钠铝石填充于粒间孔、粒内孔和裂缝中, 使得孔隙度降低[62]

4. 研究展望
4.1 热对流作用机理研究

上已述及, 岩浆活动是造成热对流的重要因素, 热对流通过物质的迁移和热传播从而对岩石的成岩作用有重要的影响, 是解释热液在围岩中流动的理论基础。因此, 对热对流发生和作用机理的研究, 是正确认识流体— 围岩作用的前提。但长期以来, 对热对流发生的条件以及其在成岩作用中的研究仍存在争议, 主要表现在:有研究认为不仅较浅地层发生热对流, 在深部的静岩压力条件下, 也能够发生热液对流[63~65]; 也有研究表明, 在地层条件下不能形成有效的热液对流[66, 67], 并且其对物质运移的作用非常微小[40], 有学者更是通过实验模拟认为热对流根本不可能发生[68]。弄清这一问题, 关键在对热液活动示踪, 弄清热液的运动方式及运动路径。依据热流体— 岩石相互作用的结果, 通过热液示踪, 进而探讨侵入热液作用对围岩储层影响的机理。

4.2 探讨围岩的受影响范围

侵入体对围岩的影响范围具有一定规模, 才能形成具有勘探价值的油气藏或是对已存在的油气藏储层评价产生影响, 但不同研究对其影响范围有不同结论:Dow对得克萨斯州特拉华盆地含有机质页岩研究认为侵入体对围岩的影响范围在侵入体厚度的两倍左右, 而且上部变质程度通常比下部轻得多[18]; 陈荣书等[69]通过对冀中葛渔城— 文安地区苏401井辉绿岩床(厚45 m)影响的烃源岩研究表明, 上下方的影响范围均超过岩床厚度的两倍, 上方甚至达2.72倍; 而Simoneit等[19]的研究认为油页岩围岩受影响范围仅相当于侵入体厚度的1~2/3; 高邮凹陷北斜坡阜宁组的变质泥岩厚度均不超过50 m, 而该地区辉绿岩侵入体厚度最大可达252 m[16], 笔者也对该地区的钻井资料进行了统计(如图7), 显示侵入体影响范围仅为其自身厚度的1/3; 在Barrandian盆地志留系玄武岩侵入体(厚度范围从小于1 m到12 m不等)更是对围岩(黑色页岩、泥岩)的影响范围极其有限[70]。因此, 分析不同地区侵入体影响范围差别的内在原因, 对预测储层发育规模和进行储层评价有重要的意义。对此不少学者对此做了积极的探索, 较多观点认为, 对泥页岩围岩, 影响范围除了与侵入体规模直接相关外, 还与围岩的导热性, 热量传播速率, 孔隙水体积以及侵入时有机质成熟度等因素有关[71~73]。Vaclav等[70]更是利用物理模拟实验证实了侵入体极其有限的影响范围与泥岩中包含水有关, 为开展类似的研究提供了很好的方法。

相对于对温度更为敏感的泥页岩而言, 砂岩受侵入体热作用而发生变质作用的范围比泥页岩小, 但岩浆侵入体加热地层水, 同时释放流体物质, 在砂岩围岩孔隙中可能引发大规模热对流发生水岩反应, 从而影响砂岩的孔渗分布特征。因此砂岩围岩的影响范围研究应该与热对流机理研究相结合。

4.3 深入探讨不同条件下的围岩储层发育模式

从上述讨论可知, 岩浆侵入活动对围岩的改造是必然的, 并且对围岩储集性能影响具有双重作用, 既可产生物理裂缝或溶蚀孔缝增加储集性能, 也能导致矿物或胶体沉淀使储集性能变差。但是总体上改造后围岩的储层物性是改善还是变差了, 还存在较大争议。有些研究认为岩浆侵入活动主要造成各类自生矿物和硅质胶体的沉淀而充填孔隙, 对储层造成不利影响(图8a)[5, 23, 74]。有些研究则认为岩浆热液所携带矿物质和气体使围岩溶蚀改造形成次生孔隙而使储层得以改善[75]。此外, 还有研究认为[22]岩浆侵入体导致一些粘土矿物溶解的同时, 也会导致重结晶作用形成新生矿物填充于孔隙之中, 两者影响相互抵消, 总体上储层孔渗性没有明显变化(图8b)。

图8 Neil S.Summer(a)和McKinley(b)对辉绿岩侵入体的不同研究结论[22, 23]Fig.8 Different studying results of diabase intrusion from Neil S.Summer (a) and Mckinley (b)[22, 23]

实际上, 从典型实例研究(表1)可以看出, 岩浆侵入作用对储层性质的最终影响与诸多因素有关, 如岩浆侵入体特征、侵入时围岩成岩阶段、侵入前围岩特征、侵入体距离等。要具体厘定改造后储层性质的变化, 其核心是探讨不同条件下侵入岩热液对围岩储层影响的机理并建立其相应的模式, 即从以下几个方面进行深入研究:被热液改造的围岩储层与未受热液改造的储层储集性能的差异研究; 侵入热液对不同的围岩(砂泥岩组合不同)的影响研究; 侵入岩的不同产状(岩墙、岩床)其侵入热液对围岩改造研究; 热液对处于不同成岩阶段的围岩储层改造差异研究。最后建立岩浆侵入作用影响围岩机理的模式。有研究者做了一定的工作, 对其影响机理进行了研究[28, 52], 笔者也初步探讨了受辉绿岩侵入改造的砂泥岩组合储层发育模式, 但更多不同地区、不同影响因素组合条件下的影响机理应该进行进一步深入的研究。

表1 典型研究区不同侵入特征及结论(据参考文献23, 22, 14, 25, 24) Table 1 Different intrusion characteristics and results from typical hydrothermal fluids effected regions(modified from references[14, 22~25])
5 总结与讨论

尽管对侵入体影响范围还有待深入研究, 但总体上围岩受影响范围与侵入体规模(主要是厚度)呈正相关关系, 只要侵入体达到一定规模, 便可形成具有勘探价值的油气储层, 多个变质泥岩油藏[8, 11, 13, 14]的勘探开发证实了这一点; 同时侵入体所引发的热对流是影响砂岩储层非均质性的重要因素。因此, 深入研究岩浆侵入作用对碎屑岩围岩的影响机理有重要的意义。

岩浆侵入对碎屑岩储层影响方式包括挤压变形作用、热传递及热液变质作用以及岩浆热液直接或间接为成岩作用提供物质来源, 而其对围岩储集性能影响则具有双重作用:既可产生物理裂缝或溶蚀孔缝增加储集性能, 也能导致矿物或胶体沉淀使储集性能变差。

进一步深入研究的主要内容包括:①热对流机理的研究。对热液活动示踪, 弄清热液的运动方式及运动路径, 从而了解热对流发生的条件、规模, 进而对受侵入体影响的砂岩储层进行评价。②侵入体的影响范围研究。物理模拟实验是研究侵入体对泥页岩围岩影响的范围的有效手段, 而热对流的研究则是预测砂岩围岩受影响范围的基础。③建立岩浆侵入影响围岩机理的模式。主要从被热液改造的围岩储层与未受热液改造的储层储集性能的差异研究、侵入热液对不同的围岩的影响研究、侵入岩的不同产状其侵入热液对围岩改造研究、热液对处于不同成岩阶段的围岩储层改造差异研究等方面进行研究, 并且建立相应的模式。

The authors have declared that no competing interests exist.

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