砂岩成岩作用的偏光显微镜研究
2013-04-03 20:16阅读：
对砂岩岩石薄片的熟练鉴定，除了需要熟练掌握常见矿物碎屑、岩石碎屑及各类型填隙物之外，最为重要的任务是要熟练掌握砂岩成岩作用的显微镜下特征。
下面是我根据部分成岩作用及沉积岩石学方面的专著及文献归纳的砂岩成岩作用方面的资料，并加载了一些我自己的理解、认识和照片，文中若有不妥之处还请读者谅解并及时指出，更欢迎大家一起进行讨论。
砂岩成岩作用的主要类型：
松散的沉积物被上覆沉积物埋藏之后便开始进入埋藏成岩阶段。在埋藏成岩阶段，沉积物内部会发生各种成岩变化，主要成岩变化有压实作用（包括机械压实作用和化学压实作用）、交代作用、矿物转化作用、矿物沉淀作用、矿物溶解作用等等。这些成岩变化的结果使沉积物固结成岩、矿物稳定、孔隙体积发生变化。从对砂岩储集性能的影响角度分析，最为重要的成岩作用是压实作用、胶结作用和溶蚀作用。
一、机械压实作用：指沉积物在上覆重力及静水压力作用下发生水分排出、碎屑颗粒紧密排列、塑性岩屑变形、刚性颗粒破裂而使孔隙体积减少的作用。
二、压溶作用：是机械压实作用的延续。由于矿物的溶解度是随着颗粒接触的压力增加而增加的，因此，在颗粒接触处可能发生溶解作用，而且扩散出去在颗粒的面向开放空间的表面上沉淀。压溶速率取决于颗粒表面液体薄膜的厚度、扩散系数、孔隙流体饱和度及粒度。
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压实作用使碎屑颗粒间紧密接触，白云母压实变形明显
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压实作用使塑性岩屑及富含泥质纹层部位强烈变形
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压实作用使片岩屑强烈变形
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压实作用致使部分碎屑颗粒沿边缘被压溶
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压溶现象，两粒不同消光方位的石英颗粒之间呈线压溶接触
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压溶作用致使部分碎屑颗粒间呈压溶缝合线状接触
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压溶作用常沿颗粒接触部位的泥质发生，使岩石中不易溶组分残留下来，沿颗粒接触部位分布
三、胶结作用：是指矿物质在碎屑沉积物孔隙中沉淀，并使沉积物固结为岩石的作用。它是使储层孔隙度降低的重要因素。
胶结作用是碎屑岩主要的成岩作用。在石英砂岩中，胶结物可由许多矿物组成，其中大部分是碳酸盐和氧化物；在岩屑砂岩、杂砂岩和火山碎屑岩中，其主要的胶结物是蚀变了的杂基和化学沉淀物的混合物，其成分有粘土矿物、沸石和其它硅酸盐矿物。有的砂岩中氧化铁可能是主要的胶结物，也有的是石膏和其它蒸发盐矿物胶结。随着砂岩储层研究工作的不断深入，不断有新的胶结物类型被发现，如呈充填孔隙状产出的自生帘石、榍石、石榴石等以及黄钾铁矾、铝土矿等。
砂岩中常见的胶结作用：
（一）碳酸盐胶结作用
主要包括方解石、白云石、铁白云石和菱铁矿的胶结。
方解石常呈糖粒状，形成粒状结构、镶嵌结构或栉状结构；白云石常呈菱形自形晶体，沿碎屑周围呈断续的薄膜式胶结或加大边状，或分散充填于孔隙中；菱铁矿常环绕碎屑，充填孔隙或形成结核，在砂岩或粉砂岩中还可见到球状或鲕状菱铁矿。
碳酸盐胶结作用的形成机理：
1.与一定沉积环境有关的碳酸盐胶结物是早期成岩沉淀物
碳酸盐胶结的砂岩，在横向上可渐变为砂质灰岩。在地表砂岩中碳酸盐胶结物集中，是因为钙质壳的形成，是干旱环境的产物，这种胶结物能指示古气候。
对于大部分砂岩碳酸盐胶结物来说，是在成岩过程中，在轻微埋藏后形成的。孔隙水中含有一定数量的碳酸盐是碳酸盐胶结物形成的前提，孔隙水中碳酸盐含量的变化取决于许多因素。当砂岩中含有足够易溶生物介壳等碳酸盐碎屑，它会使孔隙水的碳酸盐相饱和，而使纯的亮晶方解石开始沉淀。
碳酸盐溶解度对溶液的pH值极敏感，随着pH值升高其溶解度降低而发生碳酸盐沉淀。
2.白云石的沉淀是因CaCO3沉淀从蒸发水中消耗Ca2+而导致Ca2+／Mg2+的比值降低引起的。
形成含铁白云石及铁白云石所需的Fe2+和Mn2+来自碎屑蒙脱石向自生伊利石的转变。方解石与白云石常共生，它们之间的置换平衡取决于Ca∶Mg比值及温度，在较低温度下，与方解石处于平衡的溶液中，当温度升高有利于白云石沉淀，Ca2+／Mg2+的增加则有利于方解石沉淀。
3.菱铁矿是在还原条件下形成的，在地表形成于泥炭沼泽中，在地下形成于富含有机质的沉积物中。成岩菱铁矿是由于地下水中亚铁离子交代方解石形成。
碳酸盐胶结物可形成于不同的成岩阶段。当砂岩中碳酸盐胶结物呈嵌晶状，碎屑颗粒呈漂浮状，则此胶结物形成于未经压实的浅埋藏阶段。在深埋藏阶段所形成的碳酸盐，往往晶粒较大，多为微—粗晶，成分上多含Fe2+和Mn2+，常与蒙脱石向伊利石转化过程中析出的Fe2+和Mn2+有关。
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沿碎屑颗粒边缘向孔隙中央生长的泥--粉晶状方解石（未染色）
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中下部呈充填状的连生晶状方解石（染色片），照片右上方孔隙内为浊沸石
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呈半自形粉晶粒状充填孔隙的白云石胶结物
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沿白云岩岩屑周缘呈再生长状的铁白云石胶结（染色片）
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呈连生状充填孔隙的铁白云石（染色片）
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呈扇形集合体状充填胶结的菱铁矿
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具十字消光的菱铁矿胶结物
（二）硅质胶结作用
氧化硅胶结物可以呈晶质和非晶质两种形态出现，非晶质是蛋白石，晶质的是玉髓和石英。蛋白石胶结物常与硅质生物溶解和沉淀有关，比较少见。硅质胶结最常见的形式是石英颗粒的光性连续增生（即石英次生加大），常形成石英自形晶面或相互交错连接的镶嵌结构。
硅质胶结物来自孔隙水，超过石英平衡溶解度的水分布广泛，石英沉淀不一定需要过饱和，只要几十个ppm的浓度便可，但要孔隙水不断循环才能形成一定量的胶结物。孔隙水中溶解的SiO2可有不同的来源：硅质生物骨骼溶解、火山玻璃蚀变和土壤水、粘土矿物转变、硅酸盐类溶解、压溶作用等等。pH值及温度的增加是提高氧化硅溶解度的两个主要因素。在pH值小于9时，石英在溶液中稳定，当pH值增高到9－9.5以上时，石英的溶解度急剧增加，因此，石英沉淀需要酸性环境。
温度对硅质胶结作用的影响较为复杂。一般情况下，温度升高，石英的溶解度增加，在高温下形成的饱和氧化硅孔隙水，当在一定因素作用下向上扩散和流动时，流到较高层位，温度降低，其结果就会使SiO2呈过饱和状态，使得石英沉淀下来。
石英的自生加大是随着埋深增加而增加，石英胶结作用是埋藏较深的标志。石英加大与颗粒表面性质有一定关系。过厚的粘土膜会阻碍石英自生加大，当粘土含量多时，有碍于硅质溶液的交替和沉淀。所以，通常泥质砂岩没有石英自生加大。此外，一般细粒石英碎屑的自生加大要比粗粒发育，这是因棱角多、表面粗糙有利于自生加大的发生。
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沿剩余粒间孔壁呈微晶状生长的自生硅质
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呈他形晶粒状集合体充填胶结的自生硅质
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沿碎屑石英颗粒呈加大边状胶结的硅质
（三）粘土矿物的胶结及转变作用
几乎所有的砂岩中都有一定数量的粘土胶结物，常见的粘土胶结物有高岭石、伊利石、蒙脱石、绿泥石及它们之间的过渡类型。砂岩中的粘土矿物有自生的和它生的两种。它生的指来源于母岩的粘土矿物，而自生的指就地生成或再生的粘土矿物。
在砂岩中，它生粘土常出现在颗粒接触处，并可充填整个孔隙，而自生粘土矿物在颗粒表面形成薄膜。在孔洞中，理想的分布是从颗粒表面向孔洞中间生长，常围绕颗粒形成粘土包壳，可以呈放射状，也可以呈同心圆状。它生粘土常呈平坦带状出现或富集在与沉积纹层平行的薄层里，受结晶习性的影响，其排列具有明显的定向性；而自生粘土矿物以分散的孔洞充填物形式出现，通常构成不规则分布的凝块，产状有孔隙衬里、孔隙充填、交代假象、裂缝和晶洞充填等多种。
砂岩中发育粘土矿物的种类取决于原有矿物的成分及孔隙溶液的成分、温度及氢离子浓度。在石英砂岩中，以高岭石为主，所需的氧化铝由循环水带入，有些含有自生蒙脱石、伊利石或绿泥石，形成这些矿物的金属阳离子来自上下泥岩或不纯砂岩，也可能来自砂岩中的重矿物。长石砂岩中绿泥石、高岭石易于形成；岩屑砂岩及杂砂岩以伊利石为主，而蒙脱石主要见于火山碎屑砂岩中，这些砂岩中，自生粘土矿物的形成几乎完全可以通过内部物源离子的交换完成。
粘土矿物从软泥水或孔隙水中结晶出也要求一定的介质条件，在富钾的碱性条件下有利于形成自生伊利石，在富钙的碱性条件下有利于形成蒙脱石，而自生高岭石是在酸性的介质条件下形成。
高岭石当介质pH值增加，又有K+离子加入时就会转变为伊利石；蒙脱石得到大量钾离子时，会释放层间水而形成伊利石；高岭石和伊利石在pH值7以上，很低的氧化电位，富含Fe2+、Mg2+、Fe3+及SiO2很少的介质条件下可以转变为绿泥石。
随着埋藏深度和温度的增加，其周围介质条件也不断发生变化，便会引起原来粘土矿物向新的粘土矿物转化。高岭石随着温度的增加和地质时代的变老会消失；蒙皂石随着成岩温度和埋深的增加可以向伊利石和绿泥石转化；伊利石随着埋深的增加，其结晶程度越好。
粘土矿物对储层物性有很大的影响，它不仅减少了砂岩的孔隙空间，而且对于孔隙喉道的影响也极大，常使孔隙喉道变得迂回曲折，
