川西南二疊系茅口組一段滑石特征及其形成機理
——以A1井茅一段樣品為例

任海俠，林小兵，劉 葉，敬永紅， 鐘玉梅，康保平，韓智英

(1.中國石化 西南油氣分公司 勘探開發(fā)研究院，成都 610041； 2.中國石化 西南油氣分公司 地質(zhì)中心實驗室，成都 610081； 3.成都理工大學 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610059)

四川盆地二疊系茅口組是油氣勘探開發(fā)的重要層系之一，勘探始于20世紀50年代[1]。近年來在川東南、川中地區(qū)部署的DS1、JS1、TT1等井均在茅口組一段獲得工業(yè)氣流，展示了四川盆地茅一段良好的勘探潛力。前人對茅口組的儲層特征研究主要集中在碳酸鹽巖、硅質(zhì)巖的沉積環(huán)境[2-4]、成因[5-9]和儲層發(fā)育演化[10-11]方面。多位學者關(guān)注到了四川盆地茅一段發(fā)育滑石，并提出了滑石成因的不同觀點與認識。劉瑾等[11]認為滑石孔縫為川東南茅一段儲層的主要儲集空間類型，其滑石成因是海泡石沉積、埋藏到一定深度，壓力、溫度增大，導致其晶格不穩(wěn)定，發(fā)生層鏈坍塌轉(zhuǎn)化為滑石；張連湘等[12]認為川東南二疊系茅口組的滑石為海相生物化學沉積成因。事實上，不同成因的滑石，揭示了不同的沉積環(huán)境或成巖演化過程，導致了滑石的賦存狀態(tài)具有明顯差異。因此，根據(jù)滑石的賦存狀態(tài)，分析滑石的成因機理，可以深入探討滑石—沉積/儲層演化耦合關(guān)系。

本文以川西南A1井茅一段樣品分析為例，通過巖心觀察、薄片鑒定，結(jié)合掃描電鏡、包裹體均一溫度等測試數(shù)據(jù)，精細描述滑石的顏色、結(jié)構(gòu)、賦存狀態(tài)，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造沉積背景，探討川西南茅一段滑石的成因及其形成機理，以及對儲層的意義，以期為該區(qū)茅一段的儲層研究及勘探部署提供一種新思路。

1 地質(zhì)背景

川西南地區(qū)位于四川盆地西南平緩構(gòu)造帶(圖1a)鐵山—威遠構(gòu)造帶白馬鎮(zhèn)向斜，西南坳陷南側(cè)，北鄰威遠構(gòu)造，西北部為梧桐場背斜、東南部為自流井背斜，沉積主要受地殼活動、海平面變化、拉張斷裂等因素控制[13]。

圖1 川西南地區(qū)構(gòu)造位置及二疊系茅口組地層柱狀簡圖

2 滑石礦物學特征及賦存狀態(tài)

采用物性檢測、薄片鑒定、陰極發(fā)光分析、掃描電鏡及能譜分析、X衍射分析、包裹體測試等多種實驗技術(shù)，對A1井茅一段16.5 m巖心(圖1b)進行系統(tǒng)分析，為茅一段滑石特征及其成因機理研究提供了數(shù)據(jù)支撐。

2.1 茅一段巖性及滑石礦物學特征

川西南地區(qū)茅口組主要為淺水開闊臺地相[14]，其沉積環(huán)境是碳酸鹽臺地面臨廣海的部位，地形相對較平坦，水體較淺，處于正常浪基面以上的淺水臺地，A1井巖石薄片鑒定也表明沉積物巖性以生屑灰?guī)r類為主。

A1井茅一段巖石致密、性脆，斷口粗糙。巖石類型主要為褐灰、灰黑、深灰色泥晶生屑灰?guī)r、生屑泥晶灰?guī)r、灰質(zhì)云巖。介形蟲、腕足、蟲筳類、藻類等生物發(fā)育，生物個體保存較完整(圖2a)，輪廓清晰；藻類與有孔蟲內(nèi)壁被瀝青浸染；基質(zhì)為泥晶膠結(jié)，局部見燧石結(jié)核、條帶。

作為熱液蝕變礦物，滑石為典型的三八面體層狀硅酸鹽礦物，其化學式為Mg3(Si4O10)(OH)2[19]。茅一段發(fā)育的滑石在單偏光下呈淺黃色，具有低正突起和一組完全解理(圖2b)。正交偏光下呈Ⅲ級橙色，形狀多為薄片狀、鱗片狀、纖維狀、致密狀等，通常為細粒的片狀集合體，或呈雜亂的、半平行的放射狀和同心圓狀排布的葉片狀集合體，略定向排列(圖2c)。

2.2 滑石的賦存狀態(tài)

滑石主要賦存于褐灰、灰黑、深灰色泥晶生屑灰?guī)r、生屑泥晶灰?guī)r、灰質(zhì)云巖中，以交代生屑顆?；虺市屈c狀基質(zhì)賦存，程度不一，零散分布。

2.2.1 滑石在顆粒中以交代生屑的形式產(chǎn)出

氣焰赫赫的風云八虎，不到一年，三虎死于非命，均被烈焰焚燒而死，死狀極慘。一般人提及此事，皆心有余悸；茍活于世的三虎，以及他們的后臺德公公，此后寢無眠，食無味，惶惶不可終日。

薄片鑒定表明，川西南地區(qū)茅一段泥晶生屑灰?guī)r中，滑石交代生屑(蟲筳、腕足、瓣鰓、有孔蟲、介形蟲、苔蘚動物等)，主要以生屑腔體內(nèi)部發(fā)生滑石化為主，生屑殼體發(fā)生滑石化次之，結(jié)構(gòu)完整，滑石化程度不一(圖3a-f)。

掃描電鏡背散射條件下，依據(jù)礦物元素不同而呈現(xiàn)不同灰度，滑石灰度較方解石深，可見泥晶生屑灰?guī)r中滑石交代生屑(有孔蟲、瓣鰓、介形蟲等)現(xiàn)象，因滑石交代程度不一，僅能分辨出有孔蟲、介形蟲等，部分生屑種類較難準確判斷(圖4a-f)。

2.2.2 滑石在基質(zhì)中以自生礦物的形態(tài)發(fā)育

薄片鑒定表明，滑石呈星點狀分布(圖5a)于泥晶灰?guī)r中；灰質(zhì)白云巖中見滑石呈條帶狀分布(圖5b)；裂縫中見滑石、石英全充填，并具巖流產(chǎn)狀(圖5c)。

掃描電鏡下，滑石呈同心圓狀排布的葉片狀集合體零散分布于泥晶生屑灰?guī)r中(圖6a)；呈片狀集合體順層分布于生屑泥晶灰?guī)r中(圖6b)；在灰質(zhì)云巖中呈片狀集合體附著于顆粒周圍(圖6c)，具流紋結(jié)構(gòu)。

3 滑石成因機理

前人[20-21]研究認為滑石成因主要有3種類型：(1)富硅熱液交代富鎂碳酸鹽巖型，為中低溫熱液經(jīng)裂隙交代鎂質(zhì)碳酸鹽巖而形成，滑石呈鱗片狀變晶結(jié)構(gòu)；(2)基性—超基性巖經(jīng)富硅熱液蝕變型，多產(chǎn)于元古宙蛇綠巖系中，系蛇紋巖受富鋁質(zhì)熱液蝕變交代而形成；(3)沉積型滑石，系鎂質(zhì)與硅質(zhì)在海洋中沉積后經(jīng)埋藏變質(zhì)形成。

根據(jù)研究區(qū)滑石的礦物學特征及賦存狀態(tài)，展示了川西南茅一段滑石在顆粒中呈片狀集合體保存完整，交代程度不一，零星分布；基質(zhì)、裂縫中滑石具有巖流產(chǎn)狀，分布不均，非層狀產(chǎn)出；結(jié)合構(gòu)造沉積背景，可判斷研究區(qū)滑石成因非沉積型。認為川西南地區(qū)茅一段滑石成因為中低溫熱液經(jīng)裂隙交代鎂質(zhì)碳酸鹽巖形成，即含鎂、硅、水等物質(zhì)在特定的地質(zhì)條件下形成。

圖2 川西南地區(qū)A1井二疊系茅一段滑石特征

圖3 川西南地區(qū)A1井二疊系茅一段滑石交代生屑薄片鑒定特征

圖4 川西南地區(qū)A1井二疊系茅一段滑石交代生屑掃描電鏡鑒定特征

圖5 川西南地區(qū)A1井二疊系茅一段滑石在基質(zhì)中的賦存狀態(tài)薄片鑒定特征

圖6 川西南地區(qū)A1井二疊系茅一段滑石在基質(zhì)中的賦存狀態(tài)掃描電鏡鑒定特征

3.1 滑石形成的熱力學條件

峨眉地裂運動和玄武巖噴發(fā)為川西南二疊系茅一段滑石的形成提供了：(1)熱源，外來的熱源對流(火山作用)比自由熱源對流更有效；(2)拉張、走滑斷裂或裂縫系統(tǒng)存在的構(gòu)造條件；(3)開放系統(tǒng)，滑石形成過程中需要大量流體通過開放系統(tǒng)來完成[22]。

A1井薄片鑒定見滑石由稀疏到密集(圖7a)，可推斷，密集區(qū)為富硅熱液能量聚集區(qū)；顯微鏡下見滑石交代范圍逐漸變小，喉道第一階段為3 mm，第二階段為0.5 mm(圖7b)，可判斷，滑石交代作用在研究區(qū)開始減弱；共生方解石包裹體均一溫度為84～100 ℃(圖7c)，可推斷，滑石發(fā)生交代作用的臨界溫度約在100 ℃。

3.2 滑石形成的物質(zhì)基礎(chǔ)

滑石中兩種重要元素為Si和Mg。Si存在兩種來源：(1)熱水環(huán)境，海水中硅質(zhì)含量增多；(2)峨眉地裂運動及玄武巖噴發(fā)提供的高能硅質(zhì)流體。A1井茅一段薄片鑒定見硅質(zhì)流體沿裂隙發(fā)育(圖7a)，灰質(zhì)云巖中見硅質(zhì)條帶發(fā)育(圖8a)。

Mg的來源途徑也主要為兩種：(1)中二疊世海水Mg2+含量處于整個顯生宙的波峰位置，有利于碳酸鹽巖中高鎂方解石、白云石發(fā)育，提供滑石沉積所需的Mg2+來源，在A1井茅一段陰極發(fā)光、薄片鑒定下見滑石交代白云石殘余(圖8a，b，9a)；(2)生物殼屑，在無脊椎動物的含鎂方解石骨骼中，鎂是以固溶體的形式存在于方解石晶格中[23]，在A1井茅一段薄片鑒定下，可見含鎂生屑殼體被滑石交代(圖8c)。

圖7 川西南地區(qū)A1井二疊系茅一段滑石熱力學特征

圖8 川西南地區(qū)A1井二疊系茅一段滑石的鑒定特征

3.3 滑石的形成機理

在四川盆地海相碳酸鹽巖中熱液交代作用對于改善碳酸鹽巖儲集物性至關(guān)重要[24-28]。A1井茅一段樣品薄片鑒定下見滑石交代白云石殘余(圖8a，b，9a)，硅質(zhì)流體沿裂隙流經(jīng)自形晶白云石時，與白云石邊緣發(fā)生滑石交代作用(圖9c)；掃描電鏡下見滑石圍繞低鎂他形方解石(能譜確定)發(fā)育(圖9b)；滑石基質(zhì)中見殘余石英(圖9d)，滑石中見大量氣泡孔發(fā)育(圖9e)；圍巖方解石晶體表面微溶孔相當發(fā)育(圖9f)。據(jù)此，可認為川西南茅一段滑石的形成機理為：

3CaMg(CO3)2+4SiO2+H2O=

Mg3(Si4O10)(OH)2+3CaCO3+3CO2↑

或3MgCO3+4SiO2+H2O=

Mg3(Si4O10)(OH)2+3CO2↑

或3MgO+4SiO2+H2O=

Mg3(Si4O10)(OH)2

富鎂碳酸鹽巖與硅質(zhì)流體在100～200 ℃[29]下形成滑石，為中低溫條件下硅質(zhì)流體與富鎂碳酸鹽巖交代而成，屬于接觸交代型成因?；臋C理反應(yīng)式表明，滑石可作為川西南茅一段儲層中含硅流體的指示礦物，其產(chǎn)出和分布能夠示蹤含硅流體運移路徑與作用范圍。結(jié)合滑石的分布范圍(圖5a，7b)及共生方解石包裹體均一溫度(圖7c)可判斷川西南地區(qū)含硅流體屬于低能狀態(tài)，且分布不均，熱液高能區(qū)為下一步勘探部署有利區(qū)?；纬蛇^程中，伴隨大量的酸性氣體CO2的產(chǎn)出，CO2對于深埋藏條件下碳酸鹽巖地層孔隙的發(fā)育和保存具有重要意義。

3.4 滑石演化模式

基于上述實驗分析數(shù)據(jù)，建立川西南地區(qū)茅一段滑石演化模式，通過對滑石成因序列的恢復，進一步明確川西南地區(qū)茅一段沉積構(gòu)造響應(yīng)特征(圖10)。川西南茅一段沉積構(gòu)造演化過程可歸納為3個階段：沉積階段、交代階段和抬升階段。

3.4.1 沉積階段

中二疊世時期，茅口組經(jīng)歷了3個完整的三級海侵海退旋回，形成了一套淺水開闊臺地相碳酸鹽巖沉積，泥晶生屑灰?guī)r中，鎂在無脊椎動物骨骼中以固溶體形式存在于方解石晶格中；灰質(zhì)云巖中，MgO百分含量約為28%，為滑石的形成提供了一定量的Mg2+。生屑殼體結(jié)構(gòu)保存完整，白云石晶體自形程度高，說明此階段受搬運、壓實成巖作用影響均較弱，故孔隙類型以粒間孔為主。

3.4.2 交代階段

晚二疊世時期，峨眉地裂運動及玄武巖噴發(fā)，硅質(zhì)熱液流體沿地裂上升與茅一段沉積的富鎂碳酸鹽巖發(fā)生交代作用，熱液的聚集攜帶了一定量的Mg2+，同時提高了圍巖溫度，使不穩(wěn)定及游離態(tài)的Mg2+更加活躍，加劇交代作用，同時伴隨有大量CO2氣體產(chǎn)生，對茅一段碳酸鹽巖進行了溶蝕作用；滑石中微溶孔保存完整，結(jié)構(gòu)清晰，說明此階段壓實作用弱；滑石的大量賦存，表明交代作用、溶蝕作用強烈，故孔隙類型以溶蝕孔、溶蝕縫為主。

圖9 川西南地區(qū)A1井二疊系茅一段滑石與圍巖的鑒定特征

圖10 川西南地區(qū)二疊系茅一段沉積構(gòu)造響應(yīng)特征

3.4.3 抬升階段

晚二疊世時期，東吳運動爆發(fā)，茅口組整體被抬升，使整個茅口組暴露于地表，受大氣淋濾等表生作用影響，多數(shù)構(gòu)造縫為張開縫，部分被方解石全充填或半充填，溶蝕孔未充填，說明表生作用、壓實作用弱，孔隙類型以構(gòu)造縫，溶蝕孔、溶蝕縫為主。

綜上所述，川西南茅一段受搬運、壓實作用影響較弱，交代、溶蝕作用影響較強；孔隙類型主要為粒間孔、溶蝕孔、溶蝕縫、構(gòu)造縫?；男纬蓹C理對儲層孔隙發(fā)育有著至關(guān)重要的作用。

4 滑石發(fā)育的儲層意義

4.1 滑石的賦存狀態(tài)與儲層孔隙關(guān)系

滑石的賦存狀態(tài)與儲層儲集性能有相關(guān)性?；淮w粒呈薄片狀、鱗片狀、纖維狀等集合體，片狀結(jié)構(gòu)提供了微孔、微縫(圖11a)；滑石在基質(zhì)中賦存，原生孔隙在顆粒的支撐下完整保存(圖11b，c)；滑石的結(jié)構(gòu)完整表明受壓實作用弱，均有利于孔隙發(fā)育及保存。

4.2 儲層孔隙類型與滑石的關(guān)系

A1井茅一段16.5 m巖心觀察表明，肉眼可見83處裂縫，縫寬0.1～0.4 mm，滑石、石英、方解石全充填或半充填，多數(shù)平行貫穿巖心，偶有豎直貫穿巖心；752處孔隙，大小為1.0 mm×1.0 mm～2.0 mm×4.0 mm，未充填。川西南地區(qū)茅一段孔、洞、縫主要受峨眉地裂運動、東吳運動等地質(zhì)運動影響，不同時期其孔、洞、縫類型不一，充填物不一。構(gòu)造縫、溶蝕孔縫多形成于東吳運動時期，地面抬升，整個茅口組暴露于地表，受雨水淋濾作用，裂縫被方解石全充填或半充填(圖12a)或為張開縫(圖12b，c)。然而方解石晶體之間呈緊密鑲嵌狀接觸，晶間孔、晶間溶孔、晶內(nèi)溶孔發(fā)育(圖12d)，基質(zhì)中見氣泡孔發(fā)育(圖12e)，結(jié)合圖12b可判斷非同一期次，而是發(fā)生在東吳運動之前，峨眉地裂運動與玄武巖噴發(fā)時期—滑石形成時期。在20件滑石能譜分析中陽離子含量中均未見Al、Ti、Mn、Fe等微量元素(圖12f)，說明茅一段在東吳運動時期，地面抬升受表生、風化作用影響弱，故川西南地區(qū)茅一段孔隙主要形成于峨眉地裂運動和玄武巖噴發(fā)時期。

圖11 川西南地區(qū)A1井二疊系茅一段滑石在基質(zhì)中的賦存狀態(tài)掃描電鏡鑒定特征

圖12 川西南地區(qū)A1井二疊系茅一段孔洞縫特征

4.3 滑石發(fā)育與儲層物性的關(guān)系

A1井茅一段104件樣品物性分析數(shù)據(jù)表明，孔隙度主要集中在1%～3%(圖13a)，最大孔隙度為4.73%。結(jié)合76件薄片鑒定、掃描電鏡樣品、7件X衍射黏土樣品對比發(fā)現(xiàn)，高孔隙度樣品黏土礦物滑石均較發(fā)育。含有滑石的樣品其孔隙度主要集中在1.5%以上(圖13b)，平均孔隙度為2.20%；不含滑石的樣品其孔隙度主要集中在1.5%以下(圖13c)，平均孔隙度為1.23%。由此可見，滑石的發(fā)育對茅一段儲層物性有一定的改造作用。

圖13 川西南地區(qū)A1井二疊系茅一段孔隙度

綜上所述，川西南茅一段的孔隙類型主要來源于峨眉地裂運動與玄武巖噴發(fā)時期，滑石的形成對茅一段儲層發(fā)育有很大的改造作用。

5 結(jié)論

(1)川西南地區(qū)茅一段滑石的成因機理為硅質(zhì)熱液流體與富鎂碳酸鹽巖發(fā)生交代作用產(chǎn)生，屬于熱液交代型。

(2)滑石的賦存狀態(tài)及形成過程中產(chǎn)生大量的CO2酸性氣體，均有利于提高茅一段儲層的儲集性能；川西南地區(qū)茅一段儲層受搬運、壓實、表生等成巖作用較弱，受交代、溶蝕等成巖作用較強，孔隙類型以溶蝕孔、溶蝕縫、構(gòu)造縫為主。

(3)滑石的分布范圍具有指示含硅流體運移路徑及分布范圍的作用，川西南地區(qū)含硅流體屬于低能狀態(tài)，分布不均勻。熱液高能區(qū)為下一步勘探部署有利區(qū)。

致謝：本文特別感謝西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院劉莉萍高級工程師在實驗過程中的探討與指導，在此表示感謝！