0.   引言

不整合是构造运动和海平面升降的产物, 在大陆边缘和构造活动区, 不整合尤其常见(梁定益等, 1994; 葛孟春等, 1999).不整合面及其上下相邻岩层中, 常形成各种矿床, 同时世界上在不整合面附近发现了很多油气藏(刘克奇等, 2006).从油气成藏的角度来看, 不整合结构对油气成藏与分布具有重要意义, 主要表现在风化粘土层的封闭能力以及半风化岩层作为油气运移通道和储层的孔、渗性能两个方面.不整合是在古风化壳形成的基础上发育起来的, 经历了成土作用的风化壳顶部在一定条件下会存在风化粘土层, 发育良好、厚度较大的风化粘土层可以成为良好盖层, 对油气的保存具有建设性作用, 其通常具有较强的封闭能力, 不仅可以封闭常压油气, 而且可以封闭超压油气(郝芳等, 2005; 尹微等, 2006).早在20世纪30年代, Levorsen (1934)就指出, 不整合上下发现众多油气藏的实例表明其与油气运移有着密切的关系.我国学者也结合典型油藏实例, 总结了不整合面附近油气富集的5种因素(潘钟祥, 1983).近年来对油气沿不整合体运移的微观机理也有了一定的研究, 曾溅辉和王洪玉(1999)通过二维模型模拟实验, 也认为高渗透率的不整合是油气运移的主要通道.古风化壳遭受了长时间的风化淋滤作用, 孔隙与裂缝大量产生, 形成了孔缝连通体, 研究表明, 不整合面上、下物性条件好的高孔渗层或下部经风化改造后的半风化岩石是不整合输导油气的主要通道(付广等, 2005; 张建林, 2005), 大孔、洞发育的古风化壳是不整合聚集油气的良好储层(贾振远等, 1995).本文通过总结前人的研究成果, 认为细致地研究并划分不整合结构, 对不整合油气藏的勘探实践具有重要意义.划分不整合结构的前提是深入了解不整合结构各个方面的微观变化特征, 国内外研究者采用矿物分析技术和元素分析技术对风化壳的矿物学特征和元素地球化学特征进行了较为细致的研究(Butt et al., 2000; William et al., 2001; Islam et al., 2002; 吴孔友等, 2002, 2003; 牟中海等, 2005; 隋风贵等, 2005).目前的主要认识为: 风化壳上高岭石、伊利石等粘土矿物逐渐生成, 碱、碱土金属及其氧化物大量流失, 而Si、Al、Fe等常量元素及其氧化物相对富集.本文通过济阳坳陷义和庄凸起前第三系不整合结构矿物、元素变化的实测数据, 结合典型地区风化壳的矿物、元素分析结果, 研究了风化粘土层-半风化岩石型不整合结构的矿物学、常量元素地球化学特征, 以求能够从岩石的矿物学和地球化学特征的变化方面更好地识别不整合与不整合结构.

1.   不整合结构的类型

随着对不整合的研究逐渐深入, 许多学者已经注意到, 不整合不仅仅是一个“面”, 更是一个“体”, 其本身具有较独特的微观组构(吴孔友等, 2002; 张建林, 2005; 辛仁臣等, 2008), 也就是在纵向上具有一定的结构.根据前人研究, 不整合的纵向结构应包括不整合面之上的岩石和不整合面之下的风化粘土层与半风化岩石(吴孔友等, 2003; 牟中海等, 2005; 隋风贵等, 2005).目前对不整合的认识为: 风化壳具有垂向分带的结构, 其成分和厚度因地而异, 主要与岩性、气候、地形和风化作用的时间等因素有关.总体来说, 不整合结构可分为风化粘土层-半风化岩石型、半风化岩石型和沉积间断型.风化粘土层-半风化岩石型不整合结构在风化壳形成时经历了较深的风化作用, 已达到成土阶段, 甚至经历了脱硅作用, 但剥蚀搬运作用较弱, 使形成的粘土层能够保留或是短距离迁移后沉积下来, 在其后的成岩作用下形成粘土岩; 在风化速度相对于剥蚀速度较小的区域, 风化残积物有可能一经形成即被搬运走, 从而仅发育半风化岩石, 在没有进入成土作用阶段的风化较弱地区不整合结构也为半风化岩石型, 该类型不整合一般形成于砂岩等沉积岩体之上, 粘土矿物并没有形成粘土层而只是作为填隙物充填于裂缝或孔隙之中; 沉积间断型不整合只是一个无沉积间断面, 在不整合形成的一段时期内既不遭受风化, 也不接受沉积, 从而形成沉积间断型不整合结构, 该不整合结构皆为未遭受风化作用的岩石.

2.   不整合结构的矿物学、元素地球化学特征

2.1   不整合结构的矿物学特征

不整合结构的矿物学特征主要表现为长石、云母等原生矿物的蚀变和高岭石、伊利石、蒙脱石等次生粘土矿物的生成, 从而导致不整合结构具有一定的矿物分布模式.其中主要的原生矿物为石英, 有时也会出现黑云母、白云母、正长石和斜长石等原生矿物, 这些矿物在下部蚀变程度较低, 向上蚀变程度增强.例如委内瑞拉安第斯山北部古风化壳下部原生矿物的级别较高, 而在风化壳的顶部这些原生矿物则含量甚微(William et al., 2001).长石、云母等矿物的风化先从矿物的颗粒边缘与矿物解理面开始, 先形成一些难以辨别的模糊物质, 随着风化的继续进行, 这些模糊物质逐渐转化为次生矿物(Islam et al., 2002).据马在平和李守军(1997)对斜长石风化壳的研究, 矿物的风化具有阶段性.因此, 在不整合结构中, 抗风化能力弱的原生矿物先发生蚀变, 由下到上蚀变矿物逐渐增多, 蚀变程度逐渐加深.

岩石在风化过程中, 成岩矿物被部分溶蚀, 并发生了水解与水合作用(Islam et al., 2002).首先是长石类和含铁镁质矿物遭到破坏, 通常最先形成的次生矿物是伊利石与蒙脱石, 接下来是埃洛石和高岭石; 蒙脱石作为中间产物在湿润的环境中较少保存, 而在干旱的环境中大量存在; 在风化的最后阶段, 伴随着淋滤作用的增强, 局部开始发生去硅作用, 高岭石向三水铝石转化(Butt et al., 2000; Islam et al., 2002).粘土矿物的形成还受到地层条件的影响, 高岭石在水流通畅的高地或斜坡位置容易生成, 而蒙脱石和伊利石在排水条件差的凹陷区域更容易产生并保存下来.另外不稳定的铁镁质矿物(辉石、橄榄石、角闪石、黑云母)在风化作用下还会生成氧化铁, 这样风化完全的风化壳剖面上具有复杂的岩性组成, 包括风化粘土层中的高岭石、赤铁矿和(或)针铁矿以及三水铝石, 还有在半风化岩石中的原生和次生矿物(Butt et al., 2000), 铁镁质和超铁镁质岩石风化壳之上易大量发育含铁质带, 但在花岗岩中较少见.

因此, 对于风化粘土层-半风化岩石型不整合来说, 粘土矿物含量由半风化岩石到风化粘土层明显增多, 而且在进一步的风化和淋滤作用之下, 粘土矿物逐渐向铁铝矿物转化并向下充填裂缝, 从而使得粘土矿物在风化粘土层底部与半风化岩石顶部较为富集, 形成了一个粘土矿物富集带.例如济阳坳陷义和庄凸起前第三系风化壳, 其基岩为砂质泥岩, 该风化壳上长石含量由半风化岩石到风化粘土层明显降低, 高岭石含量与粘土矿物总量明显增加, 说明风化壳上长石矿物逐渐被蚀变, 并转化为粘土矿物(图 1); 新加坡地区Bukit Timah花岗岩质风化壳中高岭石、伊利石和蛇纹石等粘土矿物含量由半风化岩石至风化粘土层也呈明显增多趋势(Rahardjo et al., 2004)(图 2); 委内瑞拉古风化壳由半风化层到风化粘土层伊利石和伊利石-蒙脱石的增加趋势表明该层由下向上逐渐增强的风化作用导致伊利石的转化(William et al., 2001)(图 2).

图  1  义和庄凸起沾北2井前第三系埋藏古风化壳主要矿物含量变化

Fig.  1.  Diagram showing the change of main minerals contents of pre-Tertiary buried weathered crust of well Zhanbei 2 in Yihezhuang uplift

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图  2  新加坡花岗岩质风化壳(Rahardjo et al., 2004)(a)和委内瑞拉安第斯山北部古风化壳(William et al., 2001)(b)粘土矿物含量变化

Fig.  2.  Diagram showing the change of clay minerals contents of granite weathered crust in Singapore (Rahardjo et al., 2004)(a) and paleo-crust of the North Andean in Venezuela (William et al., 2001)(b)

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2.2   不整合结构的元素地球化学特征

不整合结构的元素地球化学特征表现为不活动元素(Al₂O₃、Fe₂O₃)的富集, 相对不活动元素(SiO₂)的相对富集以及碱和碱土金属元素(CaO、Na₂O、K₂O、MgO)的流失.风化壳物质通常来源于风化壳基底中相对不溶部分的聚集和变性, 从化学上来说, 风化物质的主要成分为硅、铁和铝的氧化物(Smith et al., 2000).但碱及碱土金属元素的流失和Si、Al、Fe等元素的相对富集程度还与风化母岩的原矿物成分有密切关系.长石类和含铁镁质矿物在风化过程中遭到破坏, Si、Al、Na、Ca等离子被释放出来, Na、Ca等离子从地层中淋滤掉, 而Si、Al离子在高岭石和多水高岭石中被保存下来, 或赋存在二氧化硅和高岭石矿物中, 于粘土层下部杂色泥岩段再沉积或继续遭受淋滤作用; 不稳定的铁镁矿物(辉石、橄榄石、角闪石、黑云母)在风化作用下生成氧化铁(Butt et al., 2000), 其中的Mg和正长石及黑云母中的K都会失去, 但由于交代作用有可能再重新回到不整合之中.

因此, 对于风化粘土层-半风化岩石型不整合来说, 风化壳上Si是除O之外最主要的元素, 其次是Al, 再次是Fe.例如义和庄前第三系埋藏古风化壳Si氧化物含量在60%~80%之间, Al氧化物含量在5%~10%之间, Fe氧化物的含量为5%左右(图 3).各元素氧化物的含量变化还与风化母岩的矿物成分有关, 如美国东南部地区辉绿岩风化壳中Fe氧化物含量在10%左右, 而在花岗片麻岩风化壳中不到5%(Neung-Hwan and Daniel, 2005)(图 4), Fe氧化物的含量不同是Fe元素在辉绿岩等铁镁质、超铁镁质岩石中本身含量较高导致的.另外高度风化的风化粘土层中还易发生脱硅作用, 高岭石等粘土矿物向三水铝石转化, Al和Fe及其倍半氧化物在风化粘土层中相对富集(图 4), 而在委内瑞拉安第斯山北部古风化壳地区, 强烈的垂向淋滤作用使粘土矿物向风化粘土层的中下部迁移并向下部半风化岩石的裂缝中充填, 从而在半风化岩石上部形成了一个Al、Fe富集带(图 5).义和庄前第三系埋藏古风化壳中风化粘土层与半风化岩石上部皆为Fe、Al富集区带, 这是由于随着风化程度的增强, 风化粘土层中以Al、Fe为主要成分的高岭石和氧化铁等逐渐富集, 而由于沉积层序沉积之后仍在继续的深层风化作用, 部分Al和Fe及其倍半氧化物经垂向淋滤作用在半风化岩石顶部沉淀, 由此形成了一个从风化粘土层到半风化岩石顶部的Al、Fe富集带(图 3).

图  3  义和庄凸起沾北2井前第三系埋藏古风化壳常量元素含量变化

Fig.  3.  Diagram showing the change of elements contents of pre-Tertiary buried weathered crust of well Zhanbei 2 in Yihezhuang uplift

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图  4  美国东南部地区花岗片麻岩风化壳(a)和辉绿岩风化壳(b)元素氧化物含量变化(据Neung-Hwan, 2005)

Fig.  4.  Diagram showing the change of elements contents of granite gneiss (a) and diabase (b)weathered crusts in Southeast America

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图  5  委内瑞拉安第斯山北部古风化壳元素含量变化(据William et al., 2001)

Fig.  5.  Diagram showing the change of elements contents of the North Andean paleo-crust in Venezuela

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不整合中Ca、Na金属离子大量流失, 但流失率有所差别.例如义和庄凸起前第三系古风化壳上Ca和Na含量在半风化岩石与风化粘土层也分别只有不到1%的含量(图 3), 美国东南部地区花岗片麻岩风化壳上Ca和Na含量在风化基岩与半风化岩石的分界面上成阶梯式的显著降低(图 4), 至半风化岩石与风化粘土层含量几近于无, 说明风化基岩中几乎所有的Ca和Na在整个风化壳上都已淋失殆尽.义和庄凸起前第三系古风化壳半风化岩石层上Ca含量显著增高的区带可能是由于钙质充填.美国东南部地区辉绿岩风化壳上Ca和Na则表现为比较缓慢的流失(图 4), 一直到风化粘土层也还有一定的含量, 这是由于较多的原始含量与较弱的淋滤作用导致的(William et al., 2001).不整合中Mg和K的流失情况较为复杂, 有时会表现出流失后又重新富集的特点(图 4), 义和庄凸起前第三系古风化壳在半风化岩石层中Mg和K各具有一个富集带, 至风化粘土层中Mg含量逐渐降低, K含量在降低之后又有增高, 可能是受到了重新沉积的上覆地层中矿物含量的影响(图 3).Mg和K在不整合中的富集趋势可能是由于交代作用, 黑云母等矿物的蚀变有可能产生过剩的Mg, 在风化土层形成之后通过Mg交代作用又加入到风化岩层中(Yoko et al., 2005).

综上所述, 风化壳上元素的分布模式决定于风化母岩的原生矿物组成与其经历的化学风化作用, 以碱质CaO和Na₂O的流失、MgO和K₂O的流失或流失后又重新富集、倍半氧化物(Al₂O₃、Fe₂O₃或FeO)的逐渐富集为特征(Tijani et al., 2006).不整合中一般具有Fe、Al元素的富集带, 该富集带位于风化粘土层下部和半风化岩层上部.

3.   结论

不整合结构对油气成藏与分布具有重要意义, 风化粘土层可作为油藏的良好封盖层, 半风化岩石孔缝系统可作为油气运移通道, 也可为油气聚集提供良好储层.

(1) 由于岩性、气候、地形和风化作用的时间等因素的影响, 不整合结构可划分为风化粘土层-半风化岩石型、半风化岩石型和沉积间断型.深入分析风化粘土层-半风化岩石型不整合的结构特征对于不整合油气藏的勘探实践具有重要意义.

(2) 风化粘土层-半风化岩石型不整合结构的矿物学特征主要表现为长石、云母等原生矿物的蚀变和高岭石、伊利石、蒙脱石等次生粘土矿物的生成.粘土矿物含量随风化程度的增高由半风化岩石到风化粘土层明显增多, 粘土矿物在风化粘土层下部与半风化岩石上部较为富集.

(3) 风化粘土层-半风化岩石型不整合结构上元素的分布模式决定于风化母岩的原生矿物组成与其经历的化学风化作用, 不整合中一般Ca、Na元素含量迅速减少; 通常具有Fe、Al元素的富集带, 该富集带位于风化粘土层的下部与半风化岩层上部; Mg和K的流失情况较为复杂, 有时会由于交代作用表现出流失后又重新富集的特点.