温室效应问题正日益受到人们关注，减少向大气系统释放的CO₂量是直接且有效的解决手段，而CO₂地质封存又是减少其排放的有效方法之一^[1,2,3]。其原理为：CO₂以通过与深部咸水层、深部煤层、枯竭的油气田或深部海洋^[4,5,6,7]中的岩石作用形成碳酸盐矿物的方式完成固定，即完成CO₂的矿物捕获。目前，世界上已有十余个国家开展或正在开展咸水层埋存CO₂和CO₂驱油(EOR)与埋存工程^[8]，如挪威北海Sleipner项目、阿尔及利亚InSalah项目和加拿大Weyburn项目等^{[9,10,11,12,13,14]}。

我国这方面研究起步较晚，工业上主要将CO₂注入技术应用于提高石油采收率^[15]。中国神华鄂尔多斯煤制油分公司在我国CO₂地下埋藏的潜在目标区(鄂尔多斯盆地)开展了国内首个CO₂捕集与埋存(CCS)示范工程。与其他CCS项目相比，该区注入层位之上泥岩盖层的封闭性一直受到争议。笔者通过对与神华集团CO₂注入井相邻且钻遇地层系统、岩石组合一致的JX井之三叠系延长组(位于注入层之上)砂岩进行岩石学、地球化学方面研究，以期明确上部延长组砂岩层对透过泥岩盖层的CO₂的再续固碳能力。

1 取样与研究方法

JX井地处鄂尔多斯盆地北部呈东西向展布的伊盟隆起带东缘(伊金霍洛旗附近)，位于CO₂注入区之内。钻遇古生界、中生界及新生界地层，其中石炭系与奥陶系、第四系与白垩系地层间呈不整合接触关系。JX井与神华集团CO₂注入井相邻，两者具有相同的钻遇地层系统和岩石组合。注入井的CO₂埋存层位在1 545 m之下，本文所研究的延长组(埋深446~958 m，厚512 m)岩性组合特征与注入层位类似，但其泥岩层厚度相对增加，其成为CO₂再续固定场所的可能性较大。延长组下部为深灰色泥岩、棕红色泥岩、黑色泥岩、浅灰色中砂岩和浅灰色砂岩互层；中部为灰色泥岩、浅灰色细砂岩、浅灰色中砂岩互层；上部为浅灰色中砂岩和浅灰色砂岩夹灰色泥岩。

对采集的31件钻井岩屑样品(图 1)进行了钻井过程中可能的上部掉块剔除和选定部分的清洗、烘干等处理。在上部掉块剔除过程中，首先依次确定每件样品的主要岩块和异常岩块，仔细剔除与样品总体特征不协调的岩块。然后，为尽可能的避免钻井泥浆对样品的污染，对选定的岩块分别进行了多次清洗并烘干。为保证所挑选的岩屑样品的可靠性，另外采集并切制了4件岩芯样品(图 1)作为对岩屑样品挑选的约束。对于岩屑样品和岩芯样品切制的薄片均采用日产OLYMPUS偏光显微镜进行了骨架碎屑成分鉴定和统计。在此基础上，选出11件岩屑样品，在吉林大学实验测试中心对其进行了常量元素、稀土元素、微量元素分析。其中：常量元素分析是利用PW1404/10型X射线荧光光谱仪完成的；稀土、微量元素分析是利用Agilent公司生产的7500a型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)完成的。

图 1 JX井延长组岩性柱状图及取样位置 Fig. 1 Lithologic log of JX Well of Yanchang Formation and sample location

图选项

骨架碎屑成分统计表明，岩屑样品的岩石类型主要为长石砂岩和岩屑长石砂岩，其次为岩屑砂岩和岩屑石英砂岩(图 2)。骨架碎屑以石英(40%~70%，平均56.4%)为主，其次为长石(5%~35%，平均19.68%)和岩屑(5%~25%，平均11.09%)。碎屑石英以单晶为主，多晶石英少量(图 3a~f)。长石主要为斜长石，其次为钾长石，可见微弱绢云母化及高岭土化蚀变(图 3b~e)。岩屑主要为变质岩岩屑和火山岩岩屑。非骨架碎屑见有云母和绿泥石，其含量相当(1%~2%，平均1.2%)(图 3e,f)。黑云母往往发生绿泥石化。(图 3f)。

图 2 样品的骨架碎屑成分三角图 Fig. 2 Triangle diagram of detrital components of samples

图选项

图 3 岩屑样品薄片显微特征照片 Fig. 3 Photomicrographs showing characteristics of drilling cutting in thin section a.石英(Q)颗粒之间点(P)—线(L)接触关系与碳酸盐(Cc)胶结物，YC-5，延长组，512 m，正交偏光；b.斜长石(Pl)绢云母化与钾长石(Kf)高岭石化，YC-61，延长组，690 m，正交偏光；c.颗粒分选好—中等，磨圆度为次圆—次棱角状，钾长石高岭石化，YC-60，延长组，706 m，正交偏光；d.方解石交代长石与斜长石绢云母化，YC-35，延长组，786 m，正交偏光；e.斜长石边部的黏土矿物(Clay)包壳与斜长石绢云母化，YC-27，延长组，949 m，正交偏光；f.孔隙中的绿泥石(Ch)与黑云母(Bi)的绿泥石化现象，YC-5，延长组，512 m，单偏光。

图选项

碎屑颗粒粒径为0.01~1.7 mm，主要分布区间为0.15~0.5 mm，为中—细粒碎屑结构。碎屑呈次圆—次棱角状(图 3c,d)。碎屑颗粒间以点—线接触为主，呈颗粒支撑关系(图 3a)。胶结物主要为方解石(3%~10%，平均6.18%)，并以粗晶为主，局部见粗晶方解石交代碎屑长石(图 3a,d)等。孔隙式胶结(图 3a,d)。碎屑颗粒边部见少量黏土包壳(图 3e)，颗粒之间见有少量杂基(2%~4%，平均2%)(图 3f)。 2.2 岩芯样品

岩石类型主要为岩屑长石砂岩，其次为长石砂岩(图 2)。骨架碎屑为石英(45%~56%，平均53.4%)、长石(15%~25%，平均16.6%)、岩屑(4%~10%，平均6%)，绿泥石含量较岩屑样品偏高(3%~4%，平均3.2%)。各矿物鉴定特征与岩屑薄片鉴定结果相似，故在此省略。碎屑颗粒粒径为0.05~1.4 mm，主要分布在0.25~0.85 mm之间，为粗—中粒碎屑结构；分选好—中等，次圆—次棱角状，点—线接触为主。胶结物主要为浊沸石，方解石少量。 2.3 物源岩石类型

根据物源岩石类型判别函数(表 1)、图解(图 4)^[16]及各氧化物含量(表 2)：图 4a中大部分点落于长英质火成岩区域内，仅有2个点落于石英沉积岩区域，其余1个落于中性火山岩区域；图 4b中大部分点落于长英质火山岩物源区，其余3个点落于中性火山岩物源区。因此，砂岩物源岩石类型主要为长英质火山岩，其次为中性火山岩及少量石英沉积岩。

图 4 岩屑样品物源岩石类型判别图解(图解据[16]，数据点位为本次研究实测) Fig. 4 Provenance origin of drilling cutting (chart according to [16],data points are measured in this study)

图选项

岩屑样品中氧化物(表 2)主要为SiO₂(60.14%~77.06%，平均69.34%)，其次为Al₂O₃(10.92%~15.77%，平均13.32%)、K₂O(2.45%~3.13%，平均2.85%)、Na₂O(1.77%~3.87%，平均2.64%)，含少量MgO(0.78%~1.88%，平均1.35%)、Fe₂O₃(0.21%~3.34%，平均1.89%)、FeO(1.14%~4.39%，平均1.87%)和CaO(0.91%~8.74%，平均2.78%)。其中，w(SiO₂+Al₂O₃)(72.73%~88.47%，平均为82.66%)远高于w(Fe₂O₃+FeO+MgO)(3.29%~6.45%，平均为5.12%)。

金属元素丰度换算结果显示，除Ca(0.65%~6.24%，平均1.98%)以外，Al(5.78%~8.35%，平均7.05%)、Na(1.31%~2.87%，平均1.96%)、Mg(0.47%~1.13%，平均0.81%)、Fe(1.78%~3.56%，平均2.77%)元素丰度均大于其在砂岩中的平均值(砂岩中Ca平均3.91%、Al平均2.5%、Na平均0.33%、Mg 平均0.7%、Fe平均0.98%^[17,18])。金属元素的高丰度保证了矿物溶蚀溶解过程中的高阳离子供给量。

岩屑样品稀土总量(ΣREE)为102.77×10^-6~256.59×10^-6(图 5)，平均值(171.33×10^-6)与北美页岩(173.21×10^-6)^[20]接近；轻重稀土元素比值(LREE/HREE)为10.50~13.65，平均为12.60，表明轻稀土元素富集而重稀土元素亏损；δEu值差异能够反映岩石类型的不同，本文δEu为1.14~1.60，平均为1.31，表现出正异常特征，且介于中性斜长岩的含量范围内(1.01＜δEu＜2.33)^[21]；Ce_anom为-0.05~-0.03，平均为-0.04，表明砂岩沉积时水体为还原环境^[22]，这与该组砂岩多为浅灰色这一事实是相符合的。REE配分曲线(图 5)相互平行，轻稀土元素部分较陡而重稀土元素曲线较平缓。微量元素Th含量在4.94×10^-6~11.91×10^-6之间，平均为8.19×10^-6；U含量在1.21×10^-6~2.2×10^-6之间，平均为1.73×10^-6。Th/U比值在3.45~6.31之间，平均为4.66，反映源区主要为长英质火山岩^[23]。

图 5 岩屑样品稀土元素配分模式 Fig. 5 REE patterns of drilling cutting

图选项

上述判断与物源分析得出的砂岩母岩类型主要为长英质火山岩，其次为中性火山岩及少量石英沉积岩的结果是一致的，均反映出砂岩及其母岩长石含量丰富的特点。 3.3 风化作用强度指标

砂岩矿物组成不仅与原始成分有关，还受母岩风化作用的影响。CIA、ICV及Th/U指标可分别用于判断母岩风化作用强度与组分特征。根据图 6中各曲线变化规律及各指标分界值(虚线所示)，可将其以534 m、666 m为界分为三段，即上段(466~534 m)、中段(534~666 m)和下段(666~958 m)。CIA值(44.64~64.19，平均55.58)(表 2)变化如图 6a所示：上段、下段砂岩CIA值介于52~64.19，平均57.98；中段砂岩CIA值介于44.64~49.74，平均47.58。ICV值(0.70~1.60，平均0.91)(表 2)变化如图 6b所示：上、下段砂岩ICV介于0.7~0.91，平均0.8；中段砂岩ICV值介于1.04~1.6，平均1.26。Th/U值变化趋势(图 6c)与CIA值类似，除YC-10、YC-68和YC-70三个样品外，其余样品Th/U值(3.45~6.31)均大于4。

前人研究表明，CIA＜50表示物源区岩石未受化学蚀变作用影响^[24]，在50~60、60~80范围内代表其受弱、中等化学蚀变作用影响^[25]，Th/U＞4表示受到风化作用影响。另外，ICV值大于1表示砂岩可能为第一次旋回沉积物；ICV值小于1表示砂岩可能经历再旋回过程，或者为经过强烈风化的第一次旋回沉积物^[26]，因此，上段及下段砂岩母岩受到弱—中等化学蚀变，并可能经历了再旋回过程；中段砂岩母岩未受化学蚀变影响，并可能为第一次旋回沉积物(图 6a,b,c)。这表明砂岩母岩总体风化程度较弱，即使易受风化作用影响的铝硅酸盐类矿物(主要为长石)也可以得到完整保存。

图 6 化学蚀变指标(CIA)、化学组分指标(ICV)和 Th/U比值变化趋势 a.CIA值随深度变化曲线；b.ICV值随深度变化曲线；c.Th/U比值随深度变化曲线； Ⅰ.上段；Ⅱ.中段；Ⅲ.下段 Fig. 6 Trend chart of chemical index alteration(CIA), index chemical variation(ICV) and Th/U ratio

图选项

前文所述部分岩石学特征及全部地球化学特征均来自对岩屑样品测试结果的分析，但在测试之前，岩屑样品均经过了严格的岩性比对、剔除杂质、清洗烘干等处理。此外，岩屑和岩芯样品的骨架碎屑成分统计表明，二者在骨架碎屑成分上具有可比性。因此，根据岩屑样品进行岩石类型研究是可行的。

神华集团CO₂注入井注入层顶部之上至延长组底部之下地层中多为棕红色泥岩与浅红/浅灰色砂岩互层，其中泥岩层厚度在2~12 m之间，间或可见深灰、灰绿色泥岩。延长组内泥岩为深灰色，厚度在2~24 m之间，虽然颜色及厚度较下部层位泥岩发生较明显变化，但与国内外长期发育的典型CO₂气藏相比，注入层之上盖层无论岩性还是厚度均无可比性，如挪威北海Sleipner项目CO₂注入层上部暗色泥岩盖层厚度为200~300 m^[27]。CO₂注入层最上部之上地层中缺乏巨厚的区域暗色泥岩盖层，随着时间的推移，可能出现CO₂因浮力及流体压力大于泥岩毛细管吸入压力^[27]等因素发生缓慢向上运移并透过泥岩层的情况，进而使注入层上部砂岩成为再续固碳的场所。注入层之上延长组发育有较厚暗色泥岩层，另外，其单层砂岩厚度在1~31 m之间，而注入层位内砂岩厚度在1~29 m范围内，两者的储集层厚度大体相当，因此，一旦发生CO₂泄露，延长组可能成为首要的CO₂聚集层位。

众所周知，CO₂通过人工或自然方式进入含水砂岩后可通过溶于水形成碳酸的形式使地层流体变为弱酸性sup>[28]，而这种弱酸性环境导致的不稳定骨架碎屑(如长石)及胶结物(如方解石)发生溶蚀、溶解所释放的阳离子正是诸如方解石^[29]、菱铁矿、白云石及片钠铝石等固碳矿物^[30]生成所必须的成分。根据样品金属元素丰度与砂岩平均金属元素丰度的比较结果判断，延长组砂岩易于释放更多的金属阳离子。而作为阳离子主要物质来源的长石被视为是最有潜力提高CO₂储存能力的矿物^[31]，其含量将影响CO₂的最终捕获效果。需要说明的是，形成上述碳酸盐矿物所需阳离子可能少数来源于地层水。另外，长石也不等量赋存于各类岩屑中，因此长石及岩屑的含量都将影响砂岩的固碳能力，即富长石、岩屑的砂岩对CO₂的矿物捕获能力较强，而作为砂岩骨架碎屑成分之一的石英基本不受CO₂注入的影响。

延长组砂岩母岩仅部分遭受了弱—中等化学蚀变作用，从而确保了易风化硅酸盐矿物的大量保存。对样品的薄片鉴定结果也显示，岩石类型主要为长石砂岩和岩屑长石砂岩，其次为岩屑砂岩和岩屑石英砂岩，其中长石含量为5%~35%，并且斜长石含量大于钾长石，岩屑含量达到5%~35%，平均为19.68%。前人对长石溶蚀的热力学研究表明^[32]，在相同温度条件下，其三端元组分溶蚀强度由弱到强的顺序为钾长石、钠长石、钙长石，因此该组砂岩在与饱和CO₂孔隙流体反应过程中可能将遭受较强溶蚀。

另外，延长组砂岩岩石类型与国内外典型CO₂气藏的储集层砂岩的岩石类型是相似的。例如，松辽盆地南部扶新隆起^[33]及海拉尔盆地乌尔逊凹陷^[34,35]CO₂储集砂岩的主要岩石类型为长石砂岩和岩屑长石砂岩；东海盆地丽水凹陷储集砂岩则主要为岩屑砂岩及长石岩屑砂岩^[36]；澳大利亚Bowen-Gunnedah-Sydney盆地系中含片钠铝石砂岩多为岩屑砂岩^[37]。在上述CO₂气藏或古CO₂气藏的储集砂岩中，幔源CO₂—砂岩相互作用形成的固碳矿物为片钠铝石、方解石、铁白云石和菱铁矿等，推测研究层位砂岩在CO₂注入后所能形成的自生碳酸盐矿物与此相同。JX井延长组砂岩具有实现CO₂矿物圈闭的物质基础。通过对自身矿物组成研究及与典型CO₂气藏对比明确了延长组砂岩作为再续固碳场所所具有的物质条件与固碳潜力。

5 结论

(1) 岩屑样品岩石类型主要为长石砂岩和岩屑长石砂岩，其次为岩屑砂岩和岩屑石英砂岩；岩芯样品岩石类型主要为岩屑长石砂岩，其次为长石砂岩。砂岩物源岩石类型主要为长英质火山岩，其次为中性火山岩及少量石英沉积岩，同时具有中性斜长岩成分特征。

(2) 岩屑样品氧化物成分主要为SiO₂，其次为Al₂O₃、K₂O和Na₂O，另含有少量MgO、Fe₂O₃、FeO和CaO；除Ca外，Al、Na、Mg、Fe等的金属元素丰度均大于其在砂岩中的平均值；稀土元素具轻稀土富集、重稀土亏损特征，REE配分曲线彼此平行。砂岩沉积时水体为还原环境。

(3) 以534 m、666 m为分界可将延长组划为具不同风化强度、化学组分的三个深度段：上段(466~534 m)、下段(666~958 m)砂岩母岩受到弱—中等化学蚀变，并可能经历了再旋回过程；中段(534~666 m)砂岩母岩未受化学蚀变影响，并可能为第一次旋回沉积物。

(4) 通过对自身矿物组成研究及与典型CO₂气藏对比明确了延长组砂岩作为再续固碳场所所具有的实现CO₂矿物圈闭的物质条件及形成片钠铝石、方解石、铁白云石和菱铁矿等固碳矿物的潜力。