基本信息
- 项目名称：
- 烃类逸散过程中的流体-岩石相互作用
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 鄂尔多斯盆地东北部中生界漂白蚀变现象规模宏大，但以往并未引起重视。通过文献调研，野外地质现象考察，典型剖面解剖，岩矿微观特征观察和岩石、流体地化测试，点的微观剖析与宏观地质特征对比相印证，天然气逸散的直接证据和流-岩作用的蚀变结果相融合，揭示了漂白蚀变岩石是天然气与岩石发生流-岩相互作用的结果。该研究为油气逸散提供了现今不具烃类特征的重要的识别标志，为油气逸散规模这一国际性难题解决指出了新的途径。
- 详细介绍：
- 引言 油气逸散的直接显示油气苗等很早就引起了关注，而对油气逸散过程中与近地表沉积物所发生的流体-岩石相互作用的蚀变产物，如漂白砂岩，虽然早在1926年就曾报导过，但对其研究甚弱，直到最近几年才成为研究的热点。以往研究显示，当还原性的流体进入红层后将发生流-岩相互作用，红色赤铁矿包壳中的Fe3+被还原成Fe2+，从而从红层中移开出现铁亏损从而使砂岩“漂白”了；最新的一项研究（2009）表明，红层漂白并不仅仅是因为铁的亏损，而是由于烃类作用铁质使其从砂岩碎屑颗粒的包壳上移走并被固定在铁白云石、微量的黄铁矿和镜铁矿中。这些研究均证实了砂岩漂白现象的形成与还原性流体-烃类活动密切相关。本课题拟在油气经过和逸散的浅表层，寻找对油气逸散具有指示意义的各种直接证据和间接判识指标，该研究将为示踪、发现和预测相关矿床提供有效线索和重要标志，不仅对鄂尔多斯盆地的油气勘探部署和资源评价具有重要的指导意义，而且可以为世界相关盆地研究提供资料基础和借鉴，并推动流体-岩石相互作用研究及其在示踪、预测相关矿产资源方面的进展。 一、漂白蚀变岩石时空分布特征 鄂尔多斯盆地东北部砂岩漂白现象主要分布在鄂尔多斯市北郊，在由西向东自塔拉壕、白泥渠、白泥梁、石匠窑，至达拉特旗敖包梁区间及东部神山沟和黄铁绵兔沟范围内连续分布；在东胜市西北部高头窑地区、北部罕台川以及达拉特旗马家敖包处零星分布。漂白现象主要发育在延安组顶部，主体位于延安组第Ⅴ单元的1-2煤(主煤) 之上，其分布型式多样。 石油钻井资料显示，在油气显示井中延安组顶部发育灰白色砂岩。因此，漂白现象分布范围远比现今露头所见要广，整体由隐伏带和出露带构成，出露带在西北部被分割成几块，而在东北部、东部近连续分布。 盆地东北部分布着规模宏大的白垩系油苗，砂岩漂白现象分布区域与油苗分布点有一定的对应关系，且漂白分布区与浅层气测显示区重叠，暗示它们在成因上有机相连。 二、蚀变岩石特征 野外露头中见漂白砂岩与红色砂岩层相伴而生，且颜色出现从白色、白色微红向红色的渐变，在弱漂白微红砂岩中见到斑点状褐铁矿结核。 显微特征显示，红色砂岩基质及部分砂屑都被氧化铁浸染，同一样品在漂白部分与弱漂白微红接触部位出现颜色分界，且前者中铁矿物从中心向边部颜色出现逐渐变浅的现象，代表了还原流体作用的结果；漂白砂岩胶结物主要为折扇状、蠕虫状和片状高岭石，且粒度粗细不一，代表了不同的形成期次。 三、岩石地球化学特征 岩石地球化学特征体现：漂白砂岩总铁含量(TFe2O3)及Fe3+/Fe2+比值都很低，表明红色原岩经历从弱漂白至漂白过程出现了两种变化：第一，当二者铁含量接近时，说明砂岩漂白是由于铁以低价的形式重新富集，或者红色的细粒赤铁矿重结晶形成粗粒的镜铁矿；第二，当二者铁含量相差悬殊时，说明漂白是由于红色原岩经弱漂白至漂白过程中铁发生迁移，从而使漂白砂岩中的TFe2O3含量明显低于弱漂白砂岩，由于铁亏损从而变白。 表1 漂白砂岩及围岩主量元素含量表 单位：Wt% 样号 样品 SiO2 TiO2 Al2O3 TFe2O3 MnO MgO CaO Na2O K2O P2O5 LOI TOTAL M1 神山沟露头,漂白砂岩 73.84 0.41 18.00 0.44 0.01 0.17 0.11 0.06 0.45 0.01 6.76 100.26 M2 ,漂白砂岩，岩心 71.14 0.63 19.21 0.49 0.01 0.26 0.07 0.19 1.46 0.02 6.74 100.22 M3 漂白砂岩，岩心, 67.22 0.84 21.95 0.70 0.01 0.27 0.11 0.14 0.86 0.02 7.79 99.90 M5 白泥渠露头,漂白砂岩 74.50 0.49 16.43 0.39 <0.01 0.14 0.08 0.07 3.00 0.03 4.84 99.97 M6 神山沟露头, 漂白砂岩 76.60 0.78 17.49 0.53 0.01 0.17 0.10 0.25 2.87 0.02 1.30 100.12 M8 神山沟露头, 弱漂白砂岩 76.22 0.57 16.39 2.02 0.01 0.19 0.09 0.18 2.83 0.01 1.04 99.55 M9 高头窑露头,漂白含泥质砾岩 73.50 0.39 18.46 0.33 0.01 0.13 0.13 0.04 0.35 0.02 6.86 100.22 REE分析显示漂白砂岩和红色砂岩呈右倾的V型REE配分型式,表明二者具有继承性；ΣREE含量漂白砂岩大部分低于红色砂岩，说明在流岩作用过程中REE发生了活化迁移；漂白砂岩显示Eu亏损而Ce弱富集，指示其形成过程中的物理化学条件为酸性介质、还原环境。 四、漂白蚀变现象与天然气逸散的关系 漂白砂岩与红色原岩的颜色变化、岩石学、地球化学特征指示了流体作用。岩石地球化学结果已证实漂白砂岩形成介质为酸性、还原环境。到底这种还原性流体是什么？研究认为，漂白现象形成与上古生界煤成气关系密切，主要证据有：漂白砂岩与白垩系油苗空间分布有很好的对应性，北部白垩系油苗存在证实上古生界天然气在盆地北缘的散失；产气井本身发育漂白砂岩，且伊深1井气体分析确认来自石炭-下二叠统煤系地层(付金华等，1983)，更直接证明了漂白砂岩与上古生界煤型气关系密切 。 漂白砂岩分布区域与层位显示高的二叠系气测异常关系密切，油苗显示也与气测异常层位显示高的区域重叠，说明浅层气藏的天然气逸散作用对东北部延安组砂岩漂白现象形成有一定的贡献；紧邻漂白砂岩底板的有机质条带生物标志物特征、方解石胶结物碳同位素特征及流体包裹体研究均显示存在天然气逸散，上古生界天然气的散失满足了漂白砂岩形成所需的环境，漂白砂岩中的高岭石胶结物氢氧同位素显示为低温热液成因，也印证了存在深部热流体作用。 五、漂白蚀变岩石的形成机制 砂岩漂白现象的形成机制可以通过以下模式来表达： （1）从上古生界气藏中向上逸散的天然气达到延安组，其首先作为还原剂将砂岩中的Fe3+胶结物还原形成Fe2+迁移，反应方程式为: CH4+4Fe2O3+16H+= CO2+10H2O +8Fe2+ （2）天然气继续上升，与上覆直罗组中下渗的含氧水相遇，在氧化环境下，喜氧细菌氧化甲烷产生二氧化碳和水，反应方程式为: CH4+ O2 = CO2+ H2O （3）一旦沉积物或孔隙流体中的氧被消耗，便开始了厌氧细菌还原硫酸盐作用，产生H2S，进一步的反应使砂岩中的Fe3+被H2S还原形成硫同位素较大负值（低至-39.2‰）的黄铁矿沉淀。 CH4+ SO42-= H2S +HCO3- 2H2S+ Fe2O3+2H+= FeS2+3H2O +Fe2+ （4）以上过程，细菌还原硫酸盐的结果，使SO42-减少，同时，HCO3-进入到孔隙流体中，使流体pH值升高，促使了碳同位素较轻（小于－10‰）的孔隙充填方解石沉淀。 六、结论 鄂尔多斯盆地东北部漂白蚀变砂岩主要发育在延安组顶部，在延安组出露地层和钻孔岩心中均可见到，平面分布上具有一定的规模。通过蚀变岩石野外露头地质特征、岩石学、大量的岩石地球化学以及相关砂岩的对比研究，结合研究区天然气逸散的地质作用，探讨了盆地东北部中生界砂岩漂白蚀变现象判识标志及其形成机制，认为其形成为上古生界较高成熟度的天然气逸散后与岩石发生还原作用的结果。 七、特色与创新 将本研究置于鄂尔多斯盆地演化-改造过程、期次及特征的区域背景下， （1）通过野外实地考察、追踪，查明不同蚀变岩石的空间分布、组合、产状等地质特征；进而遴选典型地区和剖面，有序、系统采集具有代表性的样品，使不同岩石类型在空间分布和蚀变序列中得以体现，使测试样品的地质背景代表性、质量的可靠性得以保证。 （2）将鄂尔多斯盆地东北部规模宏大但以往并未引起重视的侏罗系砂岩的漂白蚀变现象，与油气，特别是古生界天然气的规模逸散相联系，结合研究区油苗和岩石蚀变现象的形成和时空分布关系进行深入的专题研究，为油气逸散研究提供了现今不具烃类特征的重要的识别标志，为油气逸散这一国际性难题解决指出了新的途径。 致谢 本研究得到国家自然基金（40902042）与西安石油大学大学生创新基金联合资助，在论文完成过程中得到了马艳萍老师的悉心指导和学院的大力支持，在此深表感谢。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的：研究拟通过揭示蚀变岩石形成的流-岩作用机制，确立油气逸散的间接判识指标，其将为示踪、发现和预测相关矿床提供有效线索和重要标志。 基本思路：以鄂尔多斯盆地东北部漂白砂岩为切入点，通过野外考察，典型剖面解剖，宏观地质现象、岩矿微观特征和大量岩石、流体地化测试结合，点的微观剖析与宏观地质特征对比相印证，天然气逸散的直接证据和流-岩作用的蚀变结果融为一体，揭示蚀变岩石形成的流-岩相互作用机制。
科学性、先进性及独特之处
- （1）通过野外考察，查明不同蚀变岩石的空间分布地质特征；遴选典型剖面，系统采集代表性样品，使不同岩石类型在空间分布和蚀变序列中得以体现，使测试样品的地质背景代表性、质量的可靠性得以保证。（2）将鄂尔多斯盆地东北部规模宏大但以往并未引起重视的中生界漂白蚀变现象，与古生界天然气的规模逸散相联系，为油气逸散研究提供了现今不具烃类特征的重要的识别标志，为油气逸散规模这一国际性难题解决指出了新的途径。
应用价值和现实意义
- 油气逸散是资源评价中的重要内容。本研究对油气与围岩相互作用后形成的已不具烃类特征的蚀变产物与直接显示油气逸散的过程及结果相结合，对其追根溯源，可能为深入探讨和全面评价油气逸散及其规模提供新的重要途径和判识标志。该研究对鄂尔多斯盆地的油气勘探部署和资源评价具有重要的指导意义，并且可以为世界相关盆地研究提供资料基础和借鉴，并推动流体-岩石相互作用研究及其在示踪、预测相关矿产资源方面的进展。
学术论文摘要
- 鄂尔多斯盆地东北部漂白蚀变砂岩主要发育在延安组顶部，平面分布上具有一定的规模。通过蚀变岩石野外露头地质特征、岩石学、大量的岩石地球化学以及相关砂岩的对比研究，结合研究区东北部天然气逸散的地质作用、蚀变岩石及其围岩方解石胶结物碳氧同位素分析、流体包裹体特征、有机质特征分析，结果表明，漂白砂岩与红色砂岩的颜色变化、岩石、地球化学特征指示了流体作用，漂白砂岩总铁含量(TFe2O3)及Fe3+ /Fe2+比值都很低。漂白现象形成与上古生界煤成气关系密切，方解石胶结物碳氧同位素分析表明，其δ13C较轻，小于-10‰，指示有有机碳源供给；流体包裹体研究表明，研究区存在天然气逸散作用；漂白砂岩有机质生物标志物参数显示，其中的有机质成熟度较高，为外来有机质。综合分析表明，漂白蚀变岩石的形成是由于上古生界较高成熟度的天然气逸散后与岩石发生流体-岩石相互作用的结果。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 全部属实
参考文献
- [1]Chan M A, Parry W T, and Bowman J R. Diagenetic hematite and manganese oxides and fault-related fluid flow in Jurassic sandstones, Southeastern Utah[J]. AAPG Bulletin, 2000, 84(9): 1281-1310 [2]Beitler B, Chan M A, Parry W T. Bleaching of Jurassic Navajo sandstone on Colorado Plateau Laramide highs: Evidence of exhumed hydrocarbon supergiants? [J]. Geology, 2003, 31(12): 1041-1044 [3]马艳萍, 刘池阳, 赵俊峰, 等. 鄂尔多斯盆地东北部砂岩漂白现象与天然气逸散的关系[J].中国科学(D辑), 2007, 37(增刊Ⅰ): 127-138 [4]Ma Yanping, Liu Chiyang, Zhao Junfeng, Huang Lei, Yu Lin, Wang Jianqiang. Characteristics of bleaching of sandstone in Northeast of Ordos basin and its relationship with Natural gas leakage[J]. Science in China (Series D), 2007, 50(Ⅱ): 153-164 [5]刘池洋, 马艳萍, 吴柏林, 刘超. 油气耗散-油气地质和资源评价的弱点和难点. 石油与天然气地质[J], 2008, 29(4): 517-526 [6]Parry W T, Chan M A, and Barbara P. Nash. Diagenetic characteristics of the Jurassic Navajo Sandstone in the Covenant oil field, central Utah thrust belt[J]. AAPG Bulletin, 2009, 93(8): 1039-1061
同类课题研究水平概述
- 关于油气经过和逸散的浅表层形成的各种蚀变产物，如漂白砂岩，很早就已发现(Molton,1926)，之后诸多文献报导了其与烃类空间关系方面的研究实例[8-15]。这些研究表明了红层漂白与油气区或与油气显示关系密切，甚至漂白砂岩本身就聚集了大量油气。 有关红层漂白Moulton (1926) 已在实验室得到验证。Shebl和Surdam(1996)的水-岩-烃类高温分解实验结果也已证实。Parry等(2004)选取Navajo砂岩层中的地下水、储层甲烷以及红色的Navajo砂岩进行地球化学模拟，结果当甲烷参与反应时，红色砂岩被漂白了。 通过同位素、流体包裹体等研究也探讨了漂白成因机制，如Kirkland 等（1995）对比俄克拉荷马州中南部的二叠系红层上部与下部黄铁矿的δ34S 值，表明与赤铁矿反应生成黄铁矿的H2S 是细菌还原硫酸盐的产物。Breit和Meunier(1990)以及Chan等(2000)通过测定漂白砂岩附近的方解石脉中的流体包裹体冰点温度，结果表明红层漂白经历了烃类等还原性流体的改造。Chan等(2000)对比了犹他州东南部的侏罗系漂白砂岩与红色原岩中的方解石脉与方解石胶结物的碳氧同位素值，结果显示漂白区明显要低于未漂白区。Beitler等(2003)和Chan 等(2000)认为，最可能的漂白剂是石油和天然气。Oehler等(2005)通过火星上传回的高反射率的环形坑航片，发现其与陆地上的红层漂白现象相似。据此，他们大胆的推测火星大气层中存在甲烷。 目前，国内学者主要源于对沉积型铀矿的研究[22-31]，据褪色蚀变带中分布的油迹、油斑以及与产油井的空间关系推测其形成与油气关系密切。最近报导了鄂尔多斯盆地东北部的砂岩漂白现象的研究[3,32-34]，对其形成机制进行了初步探讨。 以上研究从实例、理论、测试和实验模拟等证实了漂白砂岩与烃类密切相关。研究区延安组顶部砂岩曾经历过较短暂的风化剥蚀改造,其对砂岩漂白现象的形成有无影响？是否会为烃类-岩石相互作用创造有利条件？对此国内外尚无研究报导，是值得进一步探究的重要问题。流-岩蚀变作用的发生与岩石的类型、组成及其所经历的地质演化过程有何关联？这一系列问题都是值得深入探讨和研究的。
