膠結作用

膠結作用研究就是自生礦物形成的研究。在碎屑岩儲層中最常見的自生礦物有：

①各種碳酸鹽類礦物，如方解石、白雲石、及菱鐵礦等；

②硅質岩和鋁硅酸鹽類，如石英、長石、粘土礦物等；

③沸石類和硫酸鹽類礦物，如石膏、硬石膏、重晶石等。

碎屑沉積物剛一沉積，孔隙水就和顆粒發生反應。到底是礦物顆粒發生溶解，還是沉澱形成新的自生礦物，決定因素有兩個。一是礦物的飽和度，涉及到孔隙流體和岩石顆粒的成分；二是礦物質和孔隙水之間的反應速度，受控於温度和壓力。 ^[1] 

礦物的膠結方式主要有孔隙充填、孔隙襯邊、孔隙橋塞和加大式四類型。

（1）孔隙充填式膠結

是指膠結物分佈於顆粒之間的孔隙中，它最常見的膠結方式。自生粘土礦物（特別是高嶺石）、碳酸鹽、硫酸鹽和沸石類膠結物多呈這種產狀。

根據自生礦物晶體的大小，孔隙充填方式又可分為微晶充填、嵌晶充填和連晶充填。

（2）孔隙襯邊式膠結

膠結物分佈在顆粒外部，包裹整個顆粒。在顆粒表面垂直生長或平行顆粒分佈，貼附在顆粒表面，如伊利石、針葉片狀綠泥石、菱鐵礦等。

（3）孔隙橋塞式膠結

亦稱橋狀或搭橋狀，多為自生粘土礦物的膠結產狀。粘土礦物自孔隙壁向孔隙空間生長，最終達到孔隙空間的彼岸，形成粘土橋。最常見的是條片狀、纖維狀的自生伊利石，它們在孔隙中可形成網絡狀的分佈，分割大孔隙而使其變成微孔隙，使流體流動通道曲折多變。另外，蒙脱石和混層粘土礦物也可在孔隙喉道處形成粘土橋。

（4）加大式膠結

主要為石英和長石的次生加大。 ^[2] 

（1）碳酸鹽膠結作用

碳酸鹽膠結物種類多，其中方解石是碳酸鹽膠結物中最普遍的礦物，其次為白雲石、鐵白雲石和菱鐵礦等。孔隙水中含有一定數量的碳酸鹽是碳酸鹽膠結物形成的前提，適宜的物理化學條件（尤其是溶液的pH值）是碳酸鹽膠結物沉澱的關鍵（鄭浚茂等，1989）。在成巖過程中，碳酸鹽膠結物可形成於不同的成巖階段，並具有不同的特徵。

碳酸鹽溶解度對溶液的pH值極敏感，隨着pH值的升高，其溶解度降低而發生碳酸鹽沉澱，pH值的升降常與岩層中有機質在埋藏時被喜氧或厭氧細菌分解形成CO₂有關。地下水向下循環經過強烈蝕變鐵鎂質火山岩層是引起pH值增加的一種途徑；pH值的降低可以是因水向下移動經過酸性土壤層所致。溶液的温度及其中CO₂的分壓對碳酸鹽的沉澱也有很大的影響．温度升高，CO₂的分壓降低，有利於碳酸鹽沉澱。含碳酸鹽的地表水，在地下深處會由於温度升高，pH值增加，CO₂壓力降低而使其中碳酸鹽沉澱。

由於鈣長石的溶解和粘土礦物的形成，導致Ca²⁺活度的增加，從而引起方解石的沉澱，如鈣長石高嶺土化的變化所示：

CaAl₂Si₂O₈+2H⁺+H₂O→Ca²⁺+Al₂Si₂O₅（OH）₄

該反應同時也提高了pH值，而使方解石的溶解度降低。另外，在含有NaCl的孔隙水中，鈣長石向鈉長石轉變所發生的離子交換，也是一個增強Ca2+活度的反應：

CaAl₂Si₂O₈+2Na⁺+2Cl+4SiO₂→2NaAlSi₃O8+Ca²⁺+2Cl^-

該反應影響了氧化硅的活度，因此可引起了硅質的溶解，但並不影響pH值。

在我國陸相湖盆砂體中，碳酸鹽膠結作用具有如下一些特徵（吳勝和等，1998）：薄層砂層比厚層砂岩中的碳酸鹽含量高；厚層砂岩頂底部的碳酸鹽含量較中部為高；三角洲前緣分流河道底部含礫或礫狀砂岩常被碳酸鹽礦物所膠結；開闊湖相頁岩中夾的砂岩，含有較多鐵白雲石膠結物；油頁岩中央的砂岩，含有較多含鐵方解石膠結物。由此可見，砂岩中碳酸鹽膠結物的分佈、含量及礦物種類，都直接或間接地受沉積相控制，並與地温變化有關。 ^[2] 

（2）硅質膠結作用

氧化硅膠結物可以呈晶質和非晶質兩種形態出現。非晶質的為蛋白石—A，蛋白石—CT，晶質的為玉髓和石英。蛋白石膠結物常與硅質生物溶解和沉澱有關，比較少見。硅質膠結最常見的形式是石英顆粒光性連續增生，即石英次生加大，常形成石英自形晶面，或相互交錯連接的鑲嵌狀結構。通常將石英的次生加大分為四級：

Ⅰ級加大：在薄片下見少量石英具窄的加大邊或自形晶面。

Ⅱ級加大：大部分石英和部分長石具次生加大，自形晶面發育，有的可見石英小晶體。

Ⅲ級加大：幾乎所有石英和長石具次生加大，且加大邊較寬，多呈鑲嵌狀。

Ⅳ級加大：顆粒之間呈縫合接觸，自形晶面基本消失。

石英次生加大對砂岩孔隙度的影響程度差異很大，這取決於石英次生加大的強度，當石英次生加大很強時，可使砂岩變為緻密層或極低滲透層，失去儲集性能。然而，我國東部中、新生代陸相斷陷盆地中的長石砂岩，一般石英次生加大較弱，僅使孔隙度降低3%～5%，孔喉及滲透率降低並不很大。

硅質膠結物的來自孔隙水，而孔隙水中溶解的SiO₂可有不同的來源：

①硅質生物骨骼的溶解；

②火山玻璃蝕變和土壤水；

③粘土礦物的轉變，蒙脱石隨着埋深的增加，温壓的升高，在向混層礦物和伊利石轉化的過程釋放出SiO₂；

④硅酸鹽礦物的溶解；長石風化，轉變為高嶺石可釋放出SiO2；

⑤壓溶作用。

影響石英次生加大的因素很多，既有巖性因素──岩石礦物成分與結構，也有成巖環境和動力因素──温度、壓力及流體。

（3）粘土礦物的膠結作用

粘土礦物是砂岩的又一重要膠結物，幾乎所有砂岩中都有一定量粘土填隙物，

常見砂岩的粘土礦物膠結物有高嶺石、伊利石，蒙脱石和綠泥石等，它們有自生的和他生的兩種。他生的指來源於母巖的粘土礦物，自生的指就地生成或再生的粘土礦物，它們之間成分、結構及分佈等方面存在着明顯的差異。

粘土礦物的產狀通常有四種類型：①孔隙襯墊（也稱粘土或顆粒包殼）；②孔隙填充；③交代假象；④裂縫和晶洞充填。

粘土礦物的形成條件多樣，取決於砂岩中礦物的成分、孔隙流體的性質、温度及氫離子濃度。 砂岩中自生礦物的生長，反映滲流孔隙水與碎屑顆粒的相互作用。主要控制因素是孔隙水的成分及性質、孔隙水中砂粒的化學穩定性以及砂岩的孔隙度和滲透率。酸性孔隙水有利於形成高嶺石類礦物，而鹼性孔隙水有利於形成和保存其它粘土礦物。通常最容易與滲流孔隙水起反應的碎屑是火山玻璃、岩屑、長石、鐵鎂礦物及碳酸鹽顆粒，在長石砂岩中易於形成伊利石、高嶺石，在岩屑砂岩和雜砂岩中以 伊利石為主。而蒙脱石主要形成於火山碎屑岩中。

（4）沸石類膠結作用

沸石類膠結物較為少見，但在某些盆地個別層位的砂岩中可作為主要膠結物出現。其中以濁沸石、方沸石、片沸石為多，它們可以形成於各個成巖階段。有利於形成沸石的介質條件是pH值高，富含SiO₂及鈣、鈉離子的高礦化度孔隙水及適當的CO₂分壓。沸石在火山碎屑岩中最為豐富，火山碎屑的蝕變是砂岩中沸石類礦物的主要來源。富含鈉長石的砂岩，在高pH值的成巖環境中也容易形成濁沸石。濁沸石既可在高温，又可在低温條件下形成，它不僅與温度有關，還取決於岩石成分及孔隙流體的性質。

朱國華（1985）對陝甘寧盆地陝北地區延長統的濁沸石的形成進行了深入的研究。該區延長統埋深小於2500m，鏡質組反射率0.5%～0.8%，估算濁沸石形成温度為50～80℃，顯然是在低温下形成的。

他認為斜長石的壓溶及其與孔隙水的相互作用是延長統砂岩中濁沸石形成的主要方式，其反應式為：

2CaAl₂Si₂O₃+2Na⁺+4H₂O+6SiO₂→CaAl₂Si₄O₁₂·4H₂O+2NaAlSi₃O₈+Ca²⁺

（鈣長石） （濁沸石） （鈉長石）

該區濁沸石膠結物既起了堵塞孔隙的作用，又起了支撐作用，使骨架顆粒免遭強烈壓實，併為後來次生溶蝕孔隙的發育奠定了物質基礎：濁沸石次生孔隙砂體成為陝北地區延長統的主要儲集砂體。

5）其它自生礦物的膠結作用

在成巖過程中，還有一些其它自生礦物形成，如長石、石膏、硬石膏及氧化鐵等，它們在數量上並不重要，但其存在對研究成巖歷史，推測各種自生礦物的共與起源具有重要的意義。 ^[2] 

自生膠結物對儲層的影響，總的趨勢是使孔隙和喉道變小，使孔隙形態複雜化，因而降低了其儲集性能，嚴重的致使岩石喪失儲集能力而成為非儲層。如一些岩石中的晚期方解石膠結物將孔隙空間全部堵塞，使其成為緻密岩石。

顯然，膠結物含量越多，對儲層的儲集性能影響越大。在實際工作中，我們常用膠結率來定量表示膠結作用對砂體孔隙性的影響：

膠結率=（膠結物含量/原始孔隙體積）×100%

從中可以看出，膠結率反映了膠結作用降低砂體原始孔隙體積的百分數，亦即反映了膠結作用的強度。

值得重視的是，膠結作用對岩石儲集性能的影響最主要的是表現在對滲透率的降低，因為膠結作用直接減小孔隙喉道的大小。岩石孔隙的喉道一般較小，喉道膠結作用則會大大降低岩石的滲透率（因滲透率與喉道半徑的平方成反比）。 ^[2] 

成巖過程中，壓實作用和膠結作用是使孔隙度降低的最重要的成岩作用類型，但兩者降低孔隙度的方式不同，並互相制約。壓實作用不可逆地減小岩石的粒間體積，如果它進行得快，則孔隙度和滲透率

下降得快，層間水的便流動受限制，膠結作用就不會發育。反之，膠結作用雖然堵塞孔隙，但不減少粒 間體積，一旦孔隙流體與岩石之間的平衡被破壞，這些自生膠結物仍可被溶解而再次成為孔隙，但無論怎樣，膠結作用如果進行得快，壓實作用就會受阻。Housknechet（1987）為了評價這兩種作用的相對重要性，作出了評價圖。圖3中的上部橫座標代表粒間體積（假設砂層原始孔隙度為40%），下部橫座標代表由機械壓實和化學壓溶

所消除的原始孔隙百分比，此值由下式確定：

被壓實作用減小的原始孔隙百分比=（（40粒間體積）/40）×100%

圖3的右縱座標代表膠結物的百分比、左縱座標代表膠結作用所消除的原始孔隙百分比，該比值的計算方法如下：

被膠結作用消除的原始孔隙百分比=（膠結物/40）×100%

粒間孔隙度在圖3以對角線形式給出。粒間體積可從圖3直接讀出，也可通過下式算出： 粒間孔隙度=粒間體積－膠結物 圖3對角線分出了以壓實作用為主的區（左上部）和以膠結作用為主的區（右下部），應用此圖即可對壓實作用和膠結作用的相對重要性作出評價。如圖中A、C、D樣品主要受壓實作用影響降低粒間體積，而B樣品主要是受膠結作用影響而使孔隙度減小。 ^[2]