富有机质页岩胶结作用：硅胶结与碳酸盐胶结

胶结作用是指从溶液中以化学方式沉淀出物质，把碎屑颗粒和泥质物质胶结在一起的作用。这类化学沉淀物质在泥页岩中起胶结作用，称胶结物；但也有部分只是孤立分散的矿物晶体，对碎屑物不起胶结作用，这类矿物称为自生矿物。

泥页岩中的胶结物是在颗粒之间的孔隙水中化学沉淀出来的物质，一般是在成岩阶段形成的，在岩石中的含量不能大于50%。常见的胶结物有氧化硅矿物（主要是石英）、碳酸盐矿物（主要是方解石、白云石）、硫酸盐矿物（主要是石膏）、磷酸盐类矿物（主要是磷灰石和胶磷矿）。泥页岩中的自生矿物在岩石中呈孤立零散状或结核状分布，对碎屑颗粒不起胶结作用，大多数也是在成岩阶段形成的。这些自生矿物的种类多与胶结物相同，只是数量很少，无法产生胶结的效果。此外，还有其他一些常见的自生矿物，如黄铁矿、白铁矿等。下面介绍主要的胶结物和自生矿物。

1.硅质胶结物

当碎屑颗粒之间的孔隙水中化学沉淀出来的硅质物质对碎屑颗粒起到了胶结作用时，则称为硅质胶结。如图5—6，原先的钙质胶结物被硅质胶结物所取代。

图5—6　页岩中的硅质胶结（Joe H.S.Macquaker，2014）

自生石英多以微晶石英或石英次生加大形式出现。石英次生加大在早成岩A期一般未见，早成岩B期也少见，可形成于原始孔隙中，而在中成岩期则较普遍，尤其是在伊/蒙有序混层带附近，中成岩期的石英呈次生加大或小晶体，有的也形成于次生孔隙中。这一分布特点表明，SiO2的来源可能与长石的溶解以及混层黏土矿物在转化过程中析出的SiO2有关。例如，鄂尔多斯盆地三叠系延长组富有机质页岩（图5—7），微晶石英分布于泥质之中，多见于次生孔隙之中。

图5—7　泥页岩中的自生石英（耳闯，2013）

杏2008井，1 521.80 m，长9段，微晶石英，分布于泥质之中，SEM图像

在美国Fort Worth 盆地密西西比系Barnett页岩中有各种自生石英。石英取代方解石部分充填于裂缝中（图5—8（a）），石英取代方解石部分充填于化石壳体中（图5—8（b））。

图5—8　Barnett页岩中的硅质胶结（Kitty L.Milliken，2012）

2.碳酸盐胶结物

在泥页岩中，普遍含有一定量的碳酸盐矿物，主要有方解石、白云石和菱铁矿。对中国渝东南地区页岩气资源战略调查研究显示，渝东南地区下寒武统牛蹄塘组页岩碳酸盐矿物总量平均为13%，方解石个别含量可高达8%，主要以晚成岩时期脉状、裂缝充填为主，白云石平均含量为9%，菱铁矿个别含量可达10%，其余几乎不含。从纵向分布的特点来看，方解石可形成于不同成岩阶段，但产状不一样，泥晶方解石常见于早成岩期，亮晶方解石常见于早成岩B期与中成岩期，在晚成岩期以脉状、裂缝充填为主。亮晶铁白云石则主要见于中—晚成岩期，它常出现于伊/蒙有序混层带附近，随深度含量增加，这说明铁白云石中铁镁来源可能与混层转化和暗色矿物（如黑云母等）分解过程中析出的铁镁有关。从铁白云石的产状来看，有交代型、加大型和孔缝充填型3种，其产状说明它们形成较晚，因此可以作为中—晚成岩期所常见到的标志性矿物，其开始形成温度大致在80～90℃，而在温度大于100℃的地层里较为普遍，数量较多。含铁方解石及含铁的白云石也常在早成岩B期及中成岩期出现。亮晶含铁方解石有的是在泥晶方解石基础上重结晶形成的。

当碎屑颗粒之间的孔隙水中化学沉淀出来的钙质物质对碎屑颗粒起到了胶结作用则称为钙质胶结。例如鄂尔多斯盆地三叠系延长组富有机质页岩，可见白云石胶结物（图5—9）；据渝科1井揭示，渝东南地区下寒武统牛蹄塘组富有机质页岩中见自生白云石（图5—10），还可见白云石层及白云石充填于裂缝中（图5—11）。

图5—9　页岩中的白云石胶结（耳闯，2013）

永860井，1 848.97 m，左下角白云石胶结物，SEM图像

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图5—10　页岩中的自生白云石胶结（耳闯，2013）

渝科1井，66.92 m，下寒武统牛蹄塘组富有机质页岩中见自生白云石，SEM图像

在美国Fort Worth 盆地密西西比系Barnett页岩中有各种钙质胶结。如方解石充填头足类化石的壳体，白云石包裹有机质（图5—12）。

图5—11　页岩中的钙质胶结

渝科1井，下寒武统牛蹄塘组富有机质页岩中见自生白云石层及白云石充填于裂缝中

图5—12　Barnett页岩中的钙质胶结（Kitty L.Milliken，2012）

3.黄铁矿

黄铁矿是富有机质沉积的特征矿物，也是恢复沉积环境的重要指标。沉积黄铁矿的形成主要与细菌硫酸盐的还原作用有关。在缺氧条件下，有机质为还原剂和能量来源，硫酸盐被还原成H2S，后者进一步与活性铁反应，形成一系列铁的单硫化物，并最终形成黄铁矿而保存于沉积物中（图5—13）。但是，沉积物中往往存在同生和成岩两种成因的黄铁矿组分，成岩的黄铁矿不能指示沉积环境，成岩黄铁矿颗粒通常较大，多发育于泥页岩孔隙较大的部位，与热液流体活动有关（图5—14）。

图5—13　泥页岩中沉积期形成的黄铁矿

（a）杏6138井，1 074.76 m，长7段，黄铁矿二八面体单晶，SEM图像（耳闯，2013）
（b）渝科1井，24.95 m，下寒武统牛蹄塘组，莓球状黄铁矿，SEM图像

图5—14　泥页岩中成岩期形成的黄铁矿

在美国Fort Worth 盆地密西西比系Barnett页岩中也有相似的黄铁矿产出，如黄铁矿条带和黄铁矿结核（图5—15）。在部分黄铁矿条带周围出现方解石胶结（图5—16、图5—14（a））。

图5—15　Barnett页岩中的黄铁矿（Philip J.Bunting，2012）

图5—16　Barnett页岩中的黄铁矿及钙质胶结（Kitty L.Milliken，2012）