岩石学报  2012, Vol. 28 Issue (9): 3042-3050   PDF    
内蒙古锡林郭勒地区上古生界极低级变质作用:伊利石和镜质体反射率的证据
胡大千1, 韩春元2,3, 马瑞1, 刘越1, 王静3, 高正虹3     
1. 吉林大学地球科学学院, 长春 130061;
2. 中国矿业大学, 北京 100083;
3. 中国石油华北油田公司, 任丘 062552
摘要: 本文使用D/max-2500 X射线衍射仪研究了内蒙古锡林郭勒地区上古生界泥质岩石伊利石的成因标志, 讨论了有机质镜质体反射率对变质温度的表征。研究区上古生界泥质岩石伊利石的标型特征为:伊利石结晶度分布于0.28~>0.77之间, 平均值0.40;伊利石(白云母)多型以2M1型为主, 2M1+1Md多型和1Md多型相对较少;伊利石(白云母) b0值变化于8.983~9.046之间, 平均值9.019, 指示其形成于成岩-极低级变质作用。有机质镜质体反射率具有示踪变质温度的作用, 应用Barker and Pawlewiez (1986, 1994)、Barker and Goldsteinl (1990)和Mullis et al.(2001)建立的镜质体反射率地质温度计, 对研究区上古生界泥质岩石变质温度进行了估算, 揭示古地温处于136~321℃之间, 温度估算值主要分布在180~260℃之间, 平均值为245℃, 这表明研究区上古生界遭受了成岩-极低级变质作用, 变质程度属近变质带。研究区上古生界泥质岩石的Ro值主要分布在1.01%~3.67%之间, 表明有机质演化处于成熟-过成熟阶段, 泥质岩石具有生烃的能力, 部分层位可能具有形成油气资源的潜力。
关键词: 上古生界泥质岩石     伊利石     镜质体反射率     地质温度计     极低级变质作用     内蒙古    
The very low grade metamorphism in the Upper Paleozoic in Xinlingol area of Inner Mongolia, NE China: Evidence from studies of illite and vitrinite reflectance
HU DaQian1, HAN ChunYuan2,3, MA Rui1, LIU Yue1, Wang Jing3, GAO ZhengHong3     
1. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China;
2. China University of Mining & Technology, Beijing 100083, China;
3. Huabei Oilfield Company, PetrChina, Renqiu 062552, China
Abstract: This paper deals with the genetical characteristics of illite in the Upper Paleozoic pelitic rocks in the Xilingol regions of Inner Mongolia using D/max-2500 X-ray diffraction and the relationship between organic matter vitrinite reflectance and metamorphic temperature. The typomorphic features of illite in the Upper Paleozoic pelitic rocks in the area under study are: crystallinity is 0.28~ > 0.77, averaged at 0.40; illite (muscovite) polymorphism is dominated by 2M1, and 2M1+1Md and 1Md polymorphisms are less developed; illite (muscovite) b dimension changes from 8.983 to 9.046, with an average of 9.019. These characteristics reveal the illite was formed at diagenetic to very low-grade metamorphic conditions. Organic matter vitrinite reflectance in the area can be used to reveal the metamorphic temperature. Using the vitrinite reflectance thermometer proposed by Barker and Pawlewiez (1986, 1994), Barker and Goldsteinl (1990) and Mullis et al.(2001), the metamorphic temperature of the Upper Paleozoic pelitic rocks in the area has been estimated to be from 136~321℃, averaged at 245℃ and concentrated around 180~260℃. This indicates that the study area has undergone very low-grade metamorphism and the metamorphic grade belongs to anchizone. The Ro value of the Upper Paleozoic pelitic rocks in the studied area is mainly concentrated in 1.01%~3.67%, showing that the organic matter is at its mature to over-mature evolution stage and the pelitic rocks in the area was able to produce hydrocarbons. Hence, some horizons in the studied area have the potential of generating oil and gas resources.
Key words: Upper Paleozoic pelitic rock     Illite     Vitrinite reflectance     Geothermometer     Very low-grade metamorphism     Inner Mongolia    
1 引言

极低级变质作用是指变质作用的最低级部分, 可归属于极端变质作用的范畴, 为变质地质学研究的前沿领域。泥质岩石极低级变质作用的特点为:粘土矿物间的转变处于准平衡状态, 不符合Gibbs相率(Lippmann, 1981, 1982Jiang et al., 1994, 2004Essene and Peacor, 1995), 不存在矿物间的平衡共生, 控制粘土矿物间转变的是低的温度和缓慢的反应速率(Frey, 1987Pollastro, 1990Huang et al., 1993)以及上覆岩层压力和构造应力(Frey and Robinson., 1999)。在极低级变质作用过程中, 泥质岩石中没有特征变质矿物, 缺乏矿物共生组合标志, 因此以平衡热力学理论和岩相学观察为基础的变质作用研究方法难以解决这一科学问题。自Kübler (1967a, b, 1968)研究了近变质带内伊利石结晶度指数(KI°Δ2θ, 以下简称为伊利石结晶度), 奠定了泥质岩石极低级变质作用的研究基础。无机矿物的成分、结构、形态、共存矿物等标型特征已成为极低级变质作用研究和划分近变质带的主要标志(Kübler, 1968Robinson, 1985索书田等, 1998Frey and Robinson, 1999Merriman and Peacor, 1999Arkai et al., 2002Battaglia, 2004毕先梅和莫宣学, 2004胡大千和于介江, 2009胡大千等, 2010, 2011)。

近年的研究表明:沉积岩中有机质的成熟度对古地温的变化十分敏感, 可以记录地质热事件, 具有表征变质温度的作用(Barker and Pawlewiez, 1986, 1994Barker and Goldsteinl, 1990Teichmuller, 1987a, b;Horsifield and Rullkütter, 1994;Stasiuk et al., 1999Mullis et al., 2001付少英等, 2003Frings et al., 2004Rantitsch and Russegger, 2005Aldega et al., 2007Sakaguchi et al., 2007Schoenherr et al., 2007Williams et al., 2007承金等, 2009何江林等, 2009秦建中等, 2009Rimmer et al., 2009李儒峰等, 2010李亚军等, 2011Noten et al., 2011)。镜质体反射率(Ro)作为示踪古地温的一类地质温度计, 在石油地质领域内广为利用, 而在区域极低级变质作用的研究中应用较少。前人虽然对该区部分地域的黏土矿物和有机质镜质体反射率做过一些探讨, 但是缺乏相对系统的研究工作。基于此, 本文研究了内蒙古锡林郭勒地区上古生界泥质岩石中伊利石、有机质及其与变质程度的关系, 探讨了区内晚古生代变质作用强度和时空分布规律, 这对揭示研究区晚古生代热演化历史以及油气资源潜力评价具有重要意义。

2 区域地质背景

内蒙古锡林郭勒地区处于东亚造山带的东端, 大地构造单元主要由额尔古纳-兴安地块和松嫩地块组成(李春昱和汤耀庆, 1983Sengör et al., 1993)。以往, 地质学家将该区上古生界视为中、新生代盆地的“结晶基底”, 认为其经历了低绿片岩相的区域变质作用(董申保等, 1986a, b内蒙古自治区地质矿产局, 1991程裕淇等, 1994), 成为油气勘查的禁区。近年的研究结果表明:该区上古生界是一个具有区域性分布的准盖层沉积(佳蒙地块), 岩相古地理研究揭示, 晚石炭-二叠纪沉积环境是一个规模巨大的南与古亚洲洋相连的海相沉积盆地, 发育大量的暗色泥岩和碳酸盐岩, 中生代后形成的二连盆地、松辽盆地等断陷盆地内发育晚古生代地层, 其作为潜在的烃源岩, 具有形成油气资源的潜力, 已经成为一个重要的油气勘察新层系(王成文等, 2008张兴洲等, 2008韩春元等, 2011)。胡大千和于介江(2009)胡大千等(2010, 2011)、张兴洲等(2008)对东北地区上古生界泥质岩石中伊利石结晶度、伊利石(白云母)多型、伊利石(白云母) b0值及共存黏土矿物等进行了研究, 得到了晚古生代地层主体属于晚期成岩带和低级近变质带的认识;刘晓艳等(2001)对松辽盆地边缘石炭-二叠系有机质镜质体反射率的研究表明, Ro平均值为2.83, 反映石炭系-二叠系地层应相当于近变质带;李景坤等(2007)余和中等(2003)任战利等(2006)对松辽盆地基底石炭-二叠系伊利石结晶度、有机质镜质体反射率、包裹体测温等的研究, 获得了地层属于或相当于近变质带的认识;焦玉国等(2005)对松辽盆地钻遇石炭-二叠系的7口井9块岩心样品伊利石结晶度的研究结果是, 部分样品的伊利石结晶度<0.25, 属于浅变质带产物, 部分样品的伊利石结晶度>0.25, 在近变质带内。任战利等(2006)报道了松辽盆地四深1井石炭-二叠纪地层含气砂岩自生伊利石131.4~144.4Ma的测年结果, 为研究区晚古生代成岩-极低级变质时代归属于早白垩世提供了年代学的支撑, 这同东北地区花岗岩和火山岩的年代学格架研究结果吻合(张兴洲等, 2008Wu et al., 2011)。

3 样品采集和测试条件

锡林郭勒地区广泛发育的晚古生代地层, 主要由一套海相沉积层和部分陆相沉积层组成, 含有大量的泥质岩石(泥级粘土矿物碎屑含量一般大于25%的细碎屑岩)。主要岩石类型有泥岩、含粉砂泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及其遭受变形作用改造的岩石。由于后期构造运动的影响, 有些岩石发生了相对较强烈的构造变形, 致使部分岩石在野外和镜下矿物呈定向排列, 片理化明显, 岩石薄片鉴定常为千枚岩。这可能是前人将区内上古生界认为属于低绿片岩相区域变质作用的一个重要的因素。

研究样品共计100余个。由于有些样品采集地较近, 根据层位、岩性特征等对其进行合并后示于图 1。合并后样品有36个(详见后述), 其中泥盆系样品7个, 石炭系样品7个, 二叠系样品22个, 有较好的代表性。

图 1 锡林郭勒地区上古生界研究样品分布图 Fig. 1 Map of sample locations in Xinlingol area of Inner Mongolia

伊利石测试在中国石油勘探开发研究院石油地质实验研究中心完成。测试仪器:D/max-2500。伊利石结晶度、伊利石(白云母)多型等测试条件:Cu靶, 电压40kV, 电流100mA, 扫描速度2°/min, 步长0.01°, 狭缝系统1°、1°、0.3mm, 扫描范围2.6°~15°(自然片、高温片), 2.6°~30°(乙二醇饱和片)。伊利石(白云母) b0值测试条件:Cu靶, 电压40kV, 电流250mA, 步长0.02°, 扫描速度1°/min, 狭缝系统1°、1°、0.15mm, 扫描范围58°~63°(自然片)。

镜质体反射率测试在中国石油华北油田勘探开发研究院生油实验室完成。测试仪器:MPV-SP、MPM80型显微光度计, 放大倍数125倍, 反射率量程0.1%~10.0%, 分辨率0.01%。测试条件:环境温度23±3℃, 相对湿度<70%, 光线波长546nm。测试标定标准物质:钆镓石榴石, 浸油中反射率1.72%(23℃时浸油折射率Ne=1.5180%)。测试执行标准为SY/T 5124-1995(2004)《沉积岩中镜质体反射率测定方法》。

4 分析结果

研究区综合样品测试结果示于表 1。由表 1可知, 伊利石结晶度变化于0.28~>0.77之间, 平均值0.40。泥盆系伊利石结晶度变化于0.30~0.45之间, 平均值0.38;石炭系伊利石结晶度处于0.31~0.54之间, 平均值0.40;二叠系伊利石结晶度变化于0.28~>0.77之间, 平均值0.40。伊利石(白云母)有三种多型现象, 即2M1多型、2M1+1Md多型和1Md多型。泥盆系伊利石(白云母)多型以2M1多型为主, 石炭系伊利石(白云母)多型主要为2M1多型及部分2M1+1Md多型, 二叠系伊利石(白云母)2M1、2M1+1Md、1Md三种多型均有产出。伊利石(白云母) b0值变化于8.983~9.046之间, 平均值9.019。泥盆系伊利石(白云母) b0值分布于8.9892~9.029之间, 平均值9.019;石炭系伊利石(白云母) b0值处于8.983~9.046之间, 平均值9.022;二叠系伊利石(白云母) b0值在8.974~9.036之间, 平均值9.018。镜质体反射率总体分布在1.01%~3.67%之间, 平均值1.97%。其中石炭系镜质体反射率在1.63%~1.87%之间, 平均值1.75%;二叠系镜质体反射率在1.01%~3.67%之间, 平均值2.02%。

表 1 锡林郭勒地区黏土矿物和镜质体反射率参数 Table 1 The data of clay mineral and vitrinite reflectance in Xinlingol area of Inner Mongolia
5 讨论 5.1 伊利石的成因标志 5.1.1 伊利石结晶度

伊利石结晶度是描述伊利石晶体结构中原子或离子规则排列延伸的一种状态, 可以视为其晶体的大小和完整性。合并后伊利石结晶度指数示于表 1。样品的空间展布图和伊利石结晶度分布的直方图分别见图 2图 3

图 2 锡林郭勒地区矿物成因参数和镜质体反射率分布图 矿物参数及Ro值:第一行到第四行分别为伊利石结晶度、伊利石b0值、伊利石多型、Ro值 Fig. 2 Map of mineral genesis datas and vitrinite reflectance distribution in Xinlingol area of Inner Mongolia

图 3 锡林郭勒地区伊利石结晶度统计图(n=36) Fig. 3 Illite crystallinity cumulation map in Xinlingol area of Inner Mongolia (n=36)

Frey and Robinson (1999), 毕先梅和莫宣学(2004), 归纳总结了伊利石结晶度与形成温度之间的关系, 提出了成岩-极低级变质作用的划分方案:晚期成岩带(高级成岩带), 伊利石结晶度处于1.0~0.42之间, 温度上限200℃;低级近变质带(极低级变质带A), 伊利石结晶度在0.42~0.30之间;高级近变质带(极低级变质带B), 伊利石结晶度变化于0.30~0.25之间, 温度上限300~350℃。

区内伊利石结晶度分布于0.28~>0.77之间, 平均值0.40(表 1)。由泥盆纪(伊利石结晶度平均值0.38)经石炭纪(伊利石结晶度平均值0.40)到二叠纪(伊利石结晶度平均值0.40), 伊利石结晶度数值逐渐增大, 反映一个正常的埋深变质序列。统计研究表明伊利石结晶度位于0.30~0.42之间者占总含量的60%, 而伊利石结晶度>0.42的出现几率大于总含量的30%。按现行的成岩-极低级变质作用的划分方案(Frey and Robinson, 1999毕先梅和莫宣学, 2004), 表明研究区有些地区变质温度高于200℃, 部分地区温度低于200℃。揭示研究区晚古生代地层经历了成岩-极低级变质作用, 地层主体属于低级近变质带和晚期成岩带。

林西等地伊利石结晶度通常在0.30左右, 并且岩石变形相对强烈(多为千枚岩), 反映构造应力对伊利石结晶度的影响(Frey and Robinson, 1999)。但是, 其影响程度有待进一步研究。

5.1.2 伊利石(白云母)多型

伊利石(白云母)多型是其晶体结构单元层沿C轴方向堆垛的差异的一种体现。伊利石(白云母)多型与形成时的温度、压力等有关。Frey and Robinson (1999)研究表明:伊利石(白云母)1Md多型, 经常出现在晚期成岩带, 形成温度一般<200℃;2M1多型, 多为极低级变质作用的产物, 形成温度一般>200℃。

研究区伊利石(白云母)多型空间展布特征见图 2, 图 4是研究区伊利石(白云母)多型分布的直方图。研究样品具有三种多型现象, 其中以2M1多型为主, 2M1+1Md多型次之, 1Md多型较少。区内伊利石(白云母)多型出现的几率可见, 占总量60%以上为2M1多型, 而2M1+1Md多型和1Md多型约占总量的30%。由研究区样品的三种多型现象(表 1)可见:样品中仅出现1Md多型(n=5)的岩性主要为泥岩, 其伊利石结晶度相对大, 平均值0.59, 说明其是在较低温度下形成的, 是晚期成岩带的产物;样品中同时具有2M1多型和多型1Md (n=8), 岩性主要为泥岩或粉砂质泥岩, 其伊利石结晶度较大, 平均值0.44, 应形成于200℃左右的温度条件, 处在晚期成岩带与低级近变质带界限附近的环境;样品中只出现2M1多型(n=23), 岩性主要为泥质粉砂岩和变形较强的绢云母千枚岩, 其伊利石结晶度较小, 平均值0.34, 反映形成的温度相对较高, 在200℃以上, 属于近变质带的产物, 这同伊利石结晶度的研究结果一致。

图 4 锡林郭勒地区伊利石多型统计图(n=36) Fig. 4 Illite polymorphism cumulation map in Xinlingol area of Inner Mongolia (n=36)
5.1.3 伊利石(白云母) b0

伊利石(白云母)的单位晶胞结构参数b0值作为地质体形成压力的函数, 在成岩-极低级变质作用研究中广泛使用(Padan et al., 1982Kemp et al., 1985Guidotti and Sassi, 1986Guidotti et al., 1989Robinson and Bevins, 1986), 是一个良好的地质压力计。Guidotti and Sassi (1986)根据伊利石(白云母) b0值的大小, 将压力划分成三个系列:b0<9.0000, 为低压相;9.0000<b0>9.0400, 属中压相;b0>9.0400, 是高压相。

图 2揭示了研究区伊利石(白云母) b0值的空间展布特征, 图 5是研究区伊利石(白云母) b0值分布的直方图。伊利石(白云母) b0值分布于8.983~9.046, 平均值9.019。众值为9.000~9.040, <9.000样品较少, 而>9.0400的样品极少(强烈变形岩石)。表明区内晚古生代地层的变质压力属于低中压的环境。

图 5 锡林郭勒地区伊利石b0值统计图(n=36) Fig. 5 Illite b dimension cumulation map in Xinlingol area of Inner Mongolia (n=36)

由研究区伊利石(白云母) b0值的测试结果(表 1)可见, 伊利石(白云母) b0值研究样品中有3个样品的b0值<9.0000, 有1个>9.0400(灰岩), 其余都在9.0000~9.0400之间, 属于中压产物。统计研究表明, 伊利石(白云母) b0值与伊利石结晶度、多型表现出相关性, 伊利石(白云母) b0值较小的样品, 伊利石结晶度大多>0.42, 多型多为1Md或1Md+2M1混合型;伊利石(白云母) b0值较大的样品, 伊利石结晶度大都<0.42, 多型多呈2M1型。揭示这些成因信息的相关性和一致性。

5.2 镜质体反射率与古地温

镜质体反射率是表征生油岩成熟度的一个重要指标, 并且与古地温的关系密切, 是古地温的函数, 可以示踪变质温度, 记录地质热事件(Barker and Pawlewiez, 1986, 1994Barker and Goldsteinl, 1990Teichmuller, 1987a, b;Horsifield and Rullkütter, 1994;Stasiuk et al., 1999Mullis et al., 2001付少英等, 2003Frings et al., 2004Rantitsch and Russegger, 2005Aldega et al., 2007Sakaguchi et al., 2007Schoenherr et al., 2007Williams et al., 2007承金等, 2009何江林等, 2009秦建中等, 2009Rimmer et al., 2009李儒峰等, 2010李亚军等, 2011Noten et al., 2011)。

Frey and Robinson (1999)研究认为:成岩带, Ro<2.0%, 温度上限200℃;近变质带, Ro 2.0%~4.0%之间, 温度上限300~350℃;浅变质带, Ro>4.0%, 温度>300~350℃, 定性的描述了镜质体反射率与古地温(极低级变质作用)的关系。

Barker and Pawlewicz (1986)统计研究了镜质体反射率与古地温之间的相互关系, 提出了镜质体反射率地质温度计:

(1)

Barker and Goldsteinl (1990)确立了镜质体反射率与古地温的关系, 给出的地质温度计:

(2)

Barker and Pawlewicz (1994)修改后的镜质体反射率地质温度计:

(3)

Mullis et al.(2001)建立的镜质体反射率地质温度计:

(4)

这些地质温度计为研究镜质体反射率与古地温的相互关系提供了可能。研究区Ro值空间分布见图 2表 1显示区内实测Ro值变化于1.01%~3.67%之间。依据上述4个地质温度计分别估算的古地温示于表 1。由估算结果可以看出, 所估算温度最小的为136℃, 最大者为321℃, 平均值是245℃。地质温度计式(1)和式(2)估算的温度相近, 地质温度计式(3)和(4)估算的温度值相对偏低, 一般相差30~60℃。式(1)建立者曾指出, 该式估算的是最大的古地温(Barker and Pawlewiez, 1986), 显然, 研究区地层遭受的变质温度应在300~350℃以下, 变质作用类型属于极低级变质作用, 变质程度为近变质带。

镜质体反射率地质温度计估算的温度值与伊利石结晶度和伊利石(白云母)多型类型有一定的相关性:估算温度值较高的样品, 其伊利石结晶度通常较小, 伊利石(白云母)多型多为2M1型;估算温度值较低的样品, 伊利石结晶度通常较大, 伊利石(白云母)多型多为1Md型。这一特征揭示了有机碳物质和无机矿物都具有表征地质体变质温度的作用。但是, 这些地质温度计所估算温度的差异, 反映对地质体古温度的研究, 采用多种方法, 进行综合评价是有益的。

镜质体反射率是研究烃源岩成熟度和进行成熟阶段划分的最佳指标之一。一般讲, Ro<0.5%, 为有机质未成熟阶段;Ro介于0.5%~0.8%之间, 为成熟阶段早期(或低成熟阶段);Ro处于0.8%~1.3%之间, 属成熟阶段(或生油高峰阶段);Ro分布于1.3%~2.0%之间, 为高成熟阶段(或凝析油湿气阶段);Ro>2.0%, 属过成熟阶段(或干气阶段)(秦建中等, 2005)。研究区实测的Ro值变化于1.01%~3.67%之间(表 1), 有机质应处于成熟-过成熟阶段, 表明泥质岩石具有生烃的能力, 部分层位可能具有形成油气资源的潜力(韩春元等, 2011)。

综上讨论, 有机物和无机矿物都可以表征极低级变质作用。研究区伊利石的标型特征和镜质体反射率地质温度计估算温度的结果证实, 其寄主岩石-泥质岩石主体属于成岩-近变质带范畴, 并且总体表现出随埋藏深度增加(伊利石b0值增大), 形成温度增加(伊利石结晶度变小、多型由1Md→1Md+2M1→2M1型、镜质体反射率古地温估算值变大)的变化规律, 暗示该区泥质岩石可能处于一个与埋深有关的沉积-极低级变质作用序列, 其极低级变质作用相当于埋深变质作用(沈其韩和耿元生, 2009)。依据伊利石结晶度和镜质体反射率地质温度计估算的晚古生代地层的变质温度<300℃, 表明区内晚古生代海相地层热演化程度属于晚期成岩带-低级近变质带, 未达到区域低绿片岩相变质程度。按余和中等(2003)所估算的松辽盆地石炭-二叠系古地温梯度3.3℃/100m, 区内晚古生代地层埋深应>5km。由于晚古生代末华北板块与佳蒙地块的拼接, 东北地区大多数地区隆起, 三叠纪沉积普遍不发育, 侏罗纪在松辽盆地及其以西地区的断陷盆地内有一些沉积, 全区形成统一的沉积时代为早白垩世, 出露较大面积和厚度的火山岩, 晚古生代的成岩-极低级变质作用可能发生在这一时期。任战利等(2006)报道的松辽盆地四深1井石炭-二叠纪地层含气砂岩自生伊利石131.4~144.4Ma的测年结果, 证明晚古生代地层经历了早白垩世的这一热事件, 为东北地区晚古生代成岩-极低级变质时代归属于早白垩世提供了年代学的支撑。这同东北地区花岗岩和火山岩的年代学格架研究结果吻合(张兴洲等, 2008Wu et al., 2011)。

6 结论

(1)研究区伊利石结晶度和伊利石(白云母)多型的标型特征表明, 其为成岩-极低级变质作用的产物。

(2)有机质镜质体反射率可以表征区域极低级变质作用, 其地质温度计是研究变质温度的一种有效方法。

(3)内蒙古锡林郭勒地区上古生界变质温度主要为180~260℃之间, 变质压力为中低压, 表明上古生界遭受了成岩-极低级变质作用, 变质程度最高属近变质带。

参考文献
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