压实作用研究在沉积环境分析中的应用

2005/12/5 11:55:46

　　摘要　通过对第四系沉积物孔隙度的分析及对研究区岩矿特征、密度资料的研究，推算出不同岩性岩石厚度的压缩率和压实比。根据压实比换算出过去一定埋深范围内的原始沉积厚度，从而作出原始沉积的岩相古地理剖面图。这种剖面图可以直观地解决复杂结构的煤层对比问题，直观地分析地层沉积演化过程。
　　关键词　压实作用　密度　孔隙度　压缩率　环境分析

APPLICATION OF CONSOLIDATION STUDY IN
　　SEDIMENTARY ENVIRONMENT ANALYSIS
　　Jiang Minggen(No.3 Geological Team of Shandong Bureau of Coal Geology)

　　Abstract　Through analysis on porosity of the Quaternary deposits and research on properties of minerals and rocks,and the data of density,the compression ratio and consolidation ratio of different deposited rocks in target area can be calculted.According to the consolidation ratio,the original thickness of deposits at certain depth can be calculated,too,so that it is possible to delineate the lithofacies—paleogeographic profile of original deposits.This kind of profile is useful for correlation of complicated coal seams and analysis on sedimentary evolution.
　　Keywords　consolidation;density;porosity;compression ratio;environmental analysis

1　引言

　　沉积物的压实作用是成岩过程中的一个重要作用，尤其是在成岩作用的早期和中前期。通过压实作用的研究，可以制作出一定埋深范围内原始沉积的岩相剖面图，从而直观地分析、解决勘探工作中的一些实际问题。笔者针对山东巨野煤田梁宝寺勘探区研究山西组3煤层赋存规律的需要，根据对第四系松散沉积物的压实作用分析，以及对勘探区山西组地层岩矿资料、密度资料的研究，制作了梁宝寺勘探区山西组原始沉积岩相古地理剖面图(图1a)。下面介绍一下制作此图的原理、方法和意义。

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图1　梁宝寺勘探区山西组原始沉积岩相古地理剖面图
　　a——压实校正后；b——未作压实校正
　　1——泻湖相；2——决口扇；3——末端砂坝、河口砂坝；4——泥炭沼泽；5——分流河道；6——天然堤及泛滥盆地；7——河道充填沉积

2　第四系沉积物的压实成岩作用分析

　　为了恢复原始沉积的岩相剖面，笔者首先分析了第四系松散沉积物的成岩作用特征，如表1所示。表的左边是随机抽取的工程地质实验资料，右边是在宁阳、济宁收集的两个钻孔的实测资料。孔隙度是假设固相相对密度γ_S＝2.65、2.72(钙质层)，利用计算公式：
　　孔隙度α＝(γ_S－γ)／(γ_S－γ_W)，
式中　γ——湿密度；
　　　γ_W——液相密度(取1g/cm³)；
计算而得。
　　因为石英的相对密度为2.65，长石平均相对密度接近2.65，高岭石、伊利石平均相对密度为2.65；所以粘士、砂层、砂质粘土的固相相对密度都取2.65。又因方解石的相对密度为2.72，所以将其作为钙质层的固相相对密度。从表1的资料可以看出，第四系松散沉积物的孔隙度总体是随埋深的增大而减小的，但并不是简单递减的规律。在浅埋阶段，砂质粘土比粘土的压实作用快得多，孔隙度较小。在埋深2～30 m时压实作用较强，孔隙度变化较大、较乱。在埋深40～200 m时压实作用减慢，孔隙度变化相对较小。在这个埋深范围内平均孔隙度：砂层为31.67%，粘土为30.42%，砂质粘土为22.63%。砂质粘土的压实作用较粘土快；很可能是因为砂质粘土颗粒之间的孔隙很容易被粘土充填，其中的自由水、吸附水很快就可以被挤出，形成紧密的接触关系。

表1　鲁西南第四系沉积物的湿密度和孔隙度

岩　　性	埋深／m	密度／ g^.cm^-3	孔隙度／%	岩　　性	埋深／m	密度／ g^.cm^-3	孔隙度／%
粉　　土	1.9	1.93	43.64	中　　砂	73.7	2.05	36.36
粉　　土	3.2	1.96	41.82	细　　砂	102.0	2.10	33.33
粉　　土	4.2	1.88	47.67	粗　　砂	110.0	2.15	30.30
粉　　砂	5.9	1.87	47.27	粗　　砂	180.0	2.21	26.67
砂质粘土	7.2	1.76	53.94	砂质粘土	76.0	2.28	22.42
粉　　土	11.1	2.00	39.39	砂质粘土	108.0	2.31	20.61
砂质粘土	12.2	1.97	41.21	砂质粘土	151.0	2.24	24.85
砂质粘土	12.5	1.97	41.21	钙质层	118.0	2.30	24.42
砂质粘土	14.4	1.99	40.00	钙质层	146.0	2.33	22.67
砂质粘土	24.2	1.98	40.61	砂质粘土	236.5	2.22	26.06
粘　　土	2.2	1.87	47.27	粘　　土	39.8	2.15	30.30
粘　　土	4.0	2.03	37.58	粘　　土	47.0	2.10	33.33
粘　　土	5.2	1.71	56.97	粘　　土	124.0	2.17	29.09
粘　　土	6.8	1.76	53.94	粘　　土	127.0	2.16	29.70
粘　　土	7.9	1.66	60.00	粘　　土	140.0	1.96	41.82
粘　　土	8.2	1.70	57.58	粘　　土	156.0	2.03	37.58
粘　　土	14.6	1.93	43.64	粘　　土	162.0	2.28	22.42
粘　　土	16.3	1.80	51.52	粘　　土	173.0	2.32	20.00
粘　　土	22.0	1.84	49.09	粘　　土	180.0	2.21	26.67
粘　　土	28.0	1.76	53.94	粘　　土	198.0	2.10	33.33

3　山西组岩矿特征、密度资料分析

　　根据勘探区L1—1号孔16个样品的镜下岩矿鉴定，本区山西组细、中、粗砂岩属于长石石英砂岩或岩屑石英砂岩，主要矿物成分是石英，偶见石英次生加大现象。填隙物含量为15%～35%，平均25%，其主要成分为方解石、菱铁矿，偶见少量泥质。在少数样品中菱铁矿含量可达50%。而另一些细砂岩因填隙物中缺少化学沉淀物，成为典型的泥质细砂岩。粉砂岩中一般有40%左右的填隙物，主要成分为泥质，还有10%左右的是菱铁矿、方解石胶结物(山西组中下部)。泥岩主要矿物成分为高岭石，其次是水云母。
　　山西组泥岩、粉砂岩、细砂岩、中砂岩及粗砂岩的平均密度分别为2.56、2.56、2.58、2.53和2.43。泥岩、粉砂岩、细砂岩属于湿密度，中、粗砂岩属于干密度。根据固相密度γ_S＝2.65可以求得泥岩、粉砂岩、泥质细砂岩的孔隙度分别为5.45%、5.45%、4.24%。钙质、菱铁质的细、中、粗砂岩，由于含大约25%的方解石、菱铁矿胶结物，它们的固相密度应该是2.75左右，由此可以求得它们的孔隙度分别为6.18%、8.00%、11.64%。

4　压实比的确定

　　沉积物压实作用的结果是颗粒重新排列，孔隙中液体被挤出，孔隙度降低，厚度减小。化学沉淀的胶结物可充填孔隙，抑制压实作用的发展。厚度压缩率为过去一定埋深的孔隙度减去现在的孔隙度及胶结物的百分含量。压实比为古厚度除以今厚度。
　　恢复山西组原始沉积的岩相剖面，其实是恢复埋深0～150 m的岩相剖面。由于埋深0～30 m为沉积物压实作用发展最快、变化最大的阶段，因此要精确地恢复埋深0～30 m的原始厚度很复杂、很困难。笔者作的山西组原始沉积岩相古地理剖面图是山西组埋深40 m以下的剖面图。压实比是根据推测的岩层当时的平均孔隙度而求得的。
　　泥岩的压缩率＝30.42%－5.45%＝24.97%，压实比为1.33。
　　粉砂岩的压缩率＝22.63%－5.45%－10%＝7.18%，压实比为1.07。
　　泥质粉砂岩的压缩率＝22.63%－5.45%＝17.18%，压实比为1.21。
　　泥质细砂岩的压缩率＝22.63%－4.24%＝18.39%，压实比为1.23。
　　细砂岩的压缩率＝31.67%－6.18%－25%＝0.49%，压实比为1.00。
　　中粗砂岩的压缩率＝0。这表明，山西组中、粗砂岩在埋深40 m以下有强烈的化学胶结作用，基本不再压实，它们的压实比为1。
　　煤层的压实比根据国内外学者的研究，由致密泥炭→烟煤压实比为2～10。本区考虑到恢复山西组原始沉积的岩相古地理剖面3煤层埋深已达100多米，可以认为它已成为致密泥炭，压实比取5。

5　制图方法

　　先把现在的岩石厚度根据上面推算出的压实比换算成原始沉积一定埋深下的厚度。以太原组顶的最末一层海相泥岩，或者以粉砂岩的底为基准线(也就是“煤4”层位的顶或者是一灰的
底)，在一个小勘探区范围内可以认为它们在同一水平线上。顶界是二叠系最下一层杂色泥岩的底界，它代表干燥气候、氧化条件的出现。顶、底界线具有等时性。

6　意义

　　图1a为经过压实校正后制作的山西组岩相剖面图，可以看出梁宝寺勘探区L1—1号孔的3煤属于3_上煤，3_下煤沉缺。L4—2号孔的3_上煤由于被冲刷，变薄了。L8—2号孔的3煤属于合并区。L2—2号孔3_上1煤层属于沉缺，3_上2、3_下煤被冲刷。L16—3号孔3_下煤属于沉缺。本区以L8—2号孔为中心，分流河道向两边迁移，最后废弃沉积了3_上煤。
　　图1b为未作压实校正制作的岩相古地理剖面图。从图中可以看出，这个剖面图中存在下列问题：首先是山西组上部砂体的对比，联接很成问题；其次是砂体与煤层的相和关系不够明显。
　　由图1看出，经过压实校正制作的原始沉积相古地理剖面图，可以直观地解决复杂结构的煤层对比及其控制因素分析之类的问题，也可以直观地分析地层演化过程。

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