岩溶环境中岩—土界面方解石的表面化学特征及其反应机理

碳酸盐岩—土界面是碳酸盐岩-土-水-大气-生物构成的岩溶环境系统中最重要的环境界面之一，也是岩溶环境中地球化学作用最活跃和环境敏感性及生态脆弱性特征最为明显的地带。方解石是岩溶环境中的主要碳酸盐矿物，其表面化学反应机理代表了岩溶作用过程中最本质的特征，成为岩溶环境研究领域最为引人注目的内容之一。虽然X射线光电子谱（XPS）和扫描电镜（SEM）技术作为目前最为有用的矿物表面分析和研究方法已被应用于方解石等矿物的表面化学研究，但是以往的工作主要局限于实验室条件下的矿物表面化学反应研究，且着眼点主要是讨论矿物表面溶解过程。本文利用XPS和SEM技术，对自然条件下碳酸盐岩—土界面的方解石进行了观察和研究，获得了自然条件下方解石表面化学特征，探讨了方解石表面化学反应机理。

1.样品与分析方法

样品采自贵州安顺、遵义和贵阳等地碳酸盐岩红色风化壳剖面半风化带岩—土界面，剖面特征如图1-1所示。

方解石为灰白色粒状。样品均同步进行了X射线、红外光谱和电子探针分析，确认矿物成分，并进行相应的矿物学和地球化学研究。为保持样品的新鲜和原始状态，野外采集的样品均用特制真空包装袋保存，经惰性气体处理后，送入样品保护室制样。

矿物表面化学分析使用北京理工大学美国P E公司制造的PHI 5300型XPS谱仪进行，其表面分析深度范围为10 nm。为减少样品保存和制备过程中样品表面被污染的程度，测试前均用氩离子枪对样品表面进行2min 溅射，以“清洗”表面。扫描电镜为 KtKt 1000 B型扫镜电镜（带能谱仪）。

2.方解石表面化学特征

利用PHI-5300型XPS谱仪分别对贵州岩溶地区碳酸盐岩红色风化壳剖面半风化层岩—土界面部位的方解石、针铁矿和赤铁矿表面进行了分析。图6-7～6-9分别列出了方解石表面XPS谱图以及方解石表面C1s结合能区域高分辨XPS谱图。方解石表面的XPS分析反映出自然条件下方解石表面化学特征具有以下两个较突出的特点。一是方解石表面和整体之间在化学成分、状态和结构方面存在明显差异，矿物表面具有更为复杂的化学成分、状态和结构特征以及分布的不均匀性，方解石表面除部分地继承其内部化学成分（Ca、C和O等）和结构状态外，其表面还存在许多表面吸附成分如Cl、S、Si和Al等（图6-7、图6-8）。二是方解石表面的选择性吸附作用，主要反映在两个方面：其一为方解石表面对元素的吸附具有选择性，虽然在剖面岩—土界面同一位置同时采集和分析了方解石、针铁矿和赤铁矿表面化学成分，但分析结果表明，它们对元素的吸附是不同的，如方解石表面对硫、氯和外来碳具有较大吸附量，而针铁矿和赤铁矿表面含量极少或不存在上述元素的吸附；而对氟和砷等元素的吸附，针铁矿和赤铁矿表面分别有较大的吸附量，方解石表面极少或不存在；其二为方解石表面对元素吸附量在不同表面位置有较大差异，即选择性吸附作用对方解石表面微形貌特征也具有一定的选择。配置能谱仪的扫描电镜观测到方解石表面极发育的菱面体解理交角组成的阶梯位置比晶面、解理面具有更强的吸附能力和较高的元素吸附量（图版Ⅹ-1）。

图6-7 方解石表面的XPS图

图6-8 方解石表面低结合能区域的XPS图

碳是XPS最易探测的元素之一。位于岩—土界面的方解石、针铁矿和赤铁矿等矿物表面都存在着较强的289.5eV（结合能）的C1s谱峰，这是来自碳酸盐的C1s谱峰，其强度随分析深度的增加而降低，并向高结合能方向位移，即经过2min溅射后的近表面C1s峰向290eV方向位移（图6-9）。这是由于水化作用引起的矿物表面的重碳酸盐化的结果，反映了岩—土界面水在矿物表面化学反应中的作用。此外，方解石表面还存在—个强度大于290eV峰近1倍的外来碳C1s峰，其结合能为284.6eV（图6-9），而在氧化铁矿物表面均不存在。根据Stipp和Hochela（1991）总结的各种碳化物的C1s结合能值，这一外来碳是与C—H、C—C和C—O键有关的碳的物种，由方解石在风化过程中方解石表面选择性吸附形成，而不是广泛分布于样品所处的岩溶环境中的CO2（键型为C=O）。

图6-9 方解石表面C1s结合能区域的高分辨XPS图

3.自然条件下方解石表面溶蚀特征

方解石具有平行{1011}的3组完全解理，极易产生平坦完整的解理面。但通过扫描电镜对大量自然状态下方解石表面的观察表明，自然条件方解石表面不仅化学和物理性质同其晶体内部的性质大不一样，而且其晶体表面不同方向和部位的微形貌特征也存在很大差异，方解石表面具有十分明显的非均匀性特征。在大多数情况下，即使在方解石表面5μm范围内也总可以发现许多由晶体表面缺陷与解理交角等构成的平台、平台空位和阶梯等，以及分布的不均匀性（图版Ⅹ-1）。这种由平台和阶梯为主构成的方解石表面的差异性微形貌特征并非由机械力（外力）引起解理产生的，而是在岩溶环境中方解石表面反应控制的选择性溶蚀作用造成的。因此，对矿物而言，这种选择性溶蚀作用总是发生在矿物晶体结构的薄弱部位或方向上，如晶体表面缺陷、解理和解理交汇处（即解理交角处）和晶体边缘等；但对岩石而言，则表现为对易溶矿物或组分（如方解石）的选择性溶蚀，在碳酸盐岩样品表面形成许多由方解石被选择溶蚀而留下的菱形或近于菱形的溶蚀凹陷（图版Ⅹ-2）。

4.讨论

方解石表面的选择性吸附和溶蚀作用是岩溶环境中方解石表面化学反应及其与环境相互作用过程中的最基本特征。这种由矿物表面反应控制的选择性吸附和溶蚀作用在岩溶环境中是同时存在、相互促进和共同作用的。由于矿物表面在结构、成分和状态等方面与其晶体内部有着明显差异，矿物表面结构上质点的周期性排列的终止，使矿物表面存在部分悬空键。为了降低表面能，矿物表面就趋向吸附某种外来物质，但这种吸附又受到矿物表面性质如离子性质、化学键、表面化学态等的制约，对吸附的物质具有选择性。同时，矿物表面微形貌特征在这一过程中也起着重要作用，不同表面微形貌部位具有不同的表面能，尤其是矿物表面的台阶、空位和阶梯部位处于高表面能状态，吸附作用活跃，具有比晶面、解理面更强的吸附能力，表现出具有较高的外来物质含量。同时，这些部位表面化学活性的增强也促进了选择性溶蚀作用的进行。因此，方解石表面化学成分、结构和状态及其分布的非均匀性特征使方解石表面化学反应活性增强，控制着方解石表面的选择性吸附和溶蚀作用。当方解石与流体（H2O、CO2等）作用时，首先是方解石表面的某一活性面和吸附物与流体反应，这不仅是方解石表面选择性溶蚀作用的主要动力学起因，也是碳酸盐岩—土界面方解石表面吸附的元素进入环境的生物地球化学循环的重要机制之一。由此可见，碳酸盐岩—土界面方解石表面的选择性吸附和溶蚀作用，对控制岩溶环境中元素地球化学行为和循环、岩溶地下水水质和岩溶发育特征均具有重要意义。

准噶尔盆地腹部中部区块孔隙度和渗透率比较致密，孔隙度介于3%～13%之间，渗透率低于10×10-3μm2，大多低于1×10-3μm2，属于低孔—特低孔低渗—特低渗储层；在中部区块，发现工业油气流的井，产量递减快，在准噶尔盆地腹部中部区块寻找优质储层成为一个值得研究的问题。近年来的研究表明，孔隙度低于12%的储层易于形成气水倒置的深盆气藏。深部储层保持较高的孔隙度、渗透率是寻找油气藏的关键。

在沉积盆地演化过程中，随着埋藏深度增大，砂岩的孔隙度、渗透率逐渐降低，但勘探实践证实，在一定条件下深部砂岩可以保持异常高的孔隙度、渗透率。深部砂岩储层保持高孔隙度、渗透率的主要机制包括颗粒包壳对石英胶结的抑制作用、早期原油聚集、早期超压及深埋溶蚀作用。下面讨论这几种机理对准噶尔盆地腹部中部区块深部储层的影响，阐明准噶尔盆地中部区块深层优质储层的发育机理。

4.4.1 颗粒包壳机理对深部储层的影响

颗粒包壳主要是粘土矿物单体或者集合体垂直或者平行于碎屑颗粒表面生长，并形成粘土包壳，通常为绿泥石颗粒包壳。颗粒包壳可以抑制碎屑石英颗粒上自生石英的沉淀，从而抑制石英胶结作用，阻止或减缓砂岩孔隙度、渗透率的降低，使深部砂岩保持异常高的孔隙度和渗透率。图4.38显示，发育颗粒包壳的储层孔隙度演化趋势明显偏离没有发育颗粒包壳的储层孔隙度的演化趋势线。

然而，颗粒包壳对储层物性的保存机理是有条件的，并非所有发育颗粒包壳的储层都能够保存较高的孔隙度和渗透率。颗粒包壳对储层物性的保存机理与粒度和组分有关。较粗的粒度表面积较小，易于被粘土膜包裹，形成完整的颗粒包壳膜；即使同样完整的粘土膜包壳，粒度较细的砂岩比粒度较粗的砂岩也更易于沉淀石英胶结物。砂岩的渗透率主要受喉道影响，而不是孔隙本身。同样厚度的粘土膜对粒度较细和粒度较粗的砂岩渗透率影响程度是不一样的。粒度较粗的砂岩其孔隙和喉道本身都较为粗大，而粒度较细的砂岩孔隙和喉道较为狭窄，同样厚度的粘土膜包壳(一般为2～5μm)，对粒度较粗的砂岩喉道影响不大，却会堵塞粒度较细砂岩的喉道，降低砂岩的渗透率(图4.37)。

图4.38 颗粒包壳对孔隙度的保存图

准噶尔盆地腹部中部区块砂岩石英含量低，岩屑含量高，成分成熟度低，多为岩屑砂岩和长石岩屑砂岩(见图4.2)；粒度偏细，以粉砂岩和细砂岩为主。颗粒包壳抑制成岩作用主要是在石英含量比较高的石英砂岩中，主要抑制碎屑颗粒石英表面的硅质胶结，对于准噶尔盆地中部区块石英含量低的岩屑砂岩和长石岩屑砂岩中物性的保存意义不大；颗粒包壳对粒度较粗的砂岩较为有利，粒度较细的砂岩颗粒包壳的发育反而堵塞喉道，降低渗透率，使储层物性变差，而中部区块多为粉砂岩和细砂岩，颗粒包壳虽然对储层的孔隙度有一定的保存，但是却堵塞喉道，降低砂岩的渗透率，导致物性变差(图4.37)。

4.4.2 早期原油充注对储层物性机理

烃类聚集对砂岩孔隙度和渗透率的影响长期存在争议。1990年以前，学者们认为烃类的聚集导致成岩作用终止，从而有利于储层孔隙度的保存；近年来的研究表明，至少石英、伊利石等在原油聚集后仍可继续沉淀，导致孔隙度和渗透率的进一步降低。尽管如此，总体而言，原油的早期注入有利于高孔隙度、渗透率的保存。

图4.39可以看出，油区石英胶结物含量低于水区，油区孔隙度也高于水区孔隙度。石英胶结速率计算公式：

lnr＝lnB-Ea/RT (4.5)

式中：r表示石英胶结物速率，mol/cm2·s；B是频率因子；Ea表示活化能，J/mol；R是气体常数，J/(K·mol)，T是温度，K。

图4.39显示，油区石英胶结速率为10-22，水区石英胶结速率为10-19。为了消除沉积相和砂岩结构对孔隙度的影响，所采集的103样品在矿物和结构上都相似(见表4.7)。矿物组成主要通过薄片鉴定，平均颗粒是通过测量每个薄片中的100个石英颗粒长轴统计得出；粒度的标准差是用来衡量分选的。总的来说，砂岩为石英砂岩，粒度中等，分选中等。石英胶结是主要的成岩相(3%～15%)，除了石英胶结物，其他的胶结物高岭石、方解石和黄铁矿都﹤2%。因而，图4.39中孔隙度的差异是石英胶结物差异引起的。烃类充注使成岩环境发生较大变化，导致孔隙水中无机离子浓度降低，烃类流体同时阻碍矿物与离子之间的质量传递，矿物胶结受到抑制。油气对矿物胶结作用的抑制还与其饱和度有关，含油饱和度较低时，原油对成岩环境未造成明显影响；当含油饱和度﹥50%时，对成岩环境影响就很明显。砂岩中有效渗透率很低，有限的孔隙水循环影响了离子从外界穿过储层，因此，残留孔隙水中可溶化合物(离子)的物质转换将主要受控于扩散作用，矿物胶结受到比较大的影响，受到一定程度的抑制。从图中可以看出，靠近油-水界面处，油区与水区孔隙度差异变小，石英胶结物含量差异缩小，石英胶结速率相差减小，这是因为接近油-水界面处水的饱和度增高，油的饱和度降低，油对成岩作用的抑制减弱所致。

图4.39 油区与水区胶结特征对比图

(据Marchand et al.，2002)

表4.7 Brace组地层样品特征一览表

注：*为用粒度的标准偏差量化分选程度。

从以上例子可以看出，早期油气充注是可以抑制石英胶结作用进行的，然而这种作用是有条件的，并不是只要存在早期油气聚集就可以抑制储层的成岩作用。在某些储层中，由于油气的聚集会导致成岩作用的强化，不仅不能改善储层，而且使储层质量下降。在本例子中，砂岩中石英含量为80.2%～88.2%，石英含量高，成分成熟度高；杂基含量低，分选较好，结构成熟度较高。众所周知，油气充注携带的有机酸能够溶蚀长石和岩屑中的易溶成分，而石英由于在酸性环境是稳定的，因而，油气聚集携带的有机酸对成分成熟度高的石英砂岩不会溶蚀，而且油气的早期聚集改变了流体环境，一定程度上抑制成岩作用的进行，因而有利于储层的保存。在准噶尔盆地腹部的中部区块，岩屑含量高，多为岩屑砂岩和长石岩屑砂岩，岩石成分成熟度低(图4.2，4.3)，尽管在这些地区存在早期油气充注，然而，由于油气携带的有机酸溶蚀长石、岩屑(图版Ⅷ，Ⅸ)，生成高岭石和石英(式4.3)，这些高岭石和石英堵塞孔隙，将孔隙分割成多个独立的空间，成为微细束缚孔隙，从而使储层质量变差。

综上所述，油气早期聚集对储层质量进行改善的机理局限于那些成分成熟度高的石英砂岩中，对于成分成熟度低的岩屑砂岩或者长石岩屑砂岩的储层来说，不仅不会改善储层，还会强化成岩，导致储层物性变差，降低储层质量。

4.4.3 深埋溶解作用

早在1934年，Nutting就发现了次生孔隙的存在，但是在相当长的时期，次生孔隙一直没有受到重视。1976年以后，Schmidt，Hayes，Ptiiman等研究了欧美不同地质背景下砂岩次生孔隙的发育情况，认识到地下深部砂岩次生孔隙发育的普遍性和重要性。从此开始对砂岩次生孔隙的研究才得以深入。我国近年来也发现了许多以次生孔隙为主要储集空间的油气储集层。如我国核桃地区的古近系渐新统，在埋深4158～4440.2m的井段中，发现了孔隙度为20.5%～26.4%、渗透率为81.9×10-3～1954.0×10-3μm2的次生孔隙砂岩；在鄂尔多斯、准噶尔、渤海湾、南襄、苏北、松辽等盆地，都发现了以次生孔隙为主的砂岩储集层。实践表明，次生孔隙可以大大改善储层的物性。

砂岩被深埋后，有机酸成熟产生的有机酸和CO2溶蚀胶结物及碎屑颗粒，产生次生孔隙，从而使已经固结成岩的砂岩产生较多的次生孔隙，改善储层物性。砂岩中的任何碎屑颗粒、杂基、胶结物和交代矿物，包括最稳定的石英和硅质胶结物，在一定的成岩环境中都可以不同程度地发生溶解作用。砂岩组分的溶解包括两种方式，即一致溶解和不一致溶解。前者指的是对组分的直接溶解，如纯的NaCl，CaCO3等的溶解，未溶解的固相的新鲜面成分上没有变化；岩石组分的不一致溶解也称为溶蚀作用，它指的是溶解过程有选择性，矿物中残留下来的未溶组分成分有所变化，并形成与未溶矿物化学组成相近的新矿物，如长石在溶解过程中的高岭石化。

4.4.3.1 溶解作用对储层的改善作用

溶解作用是指流体对砂岩组分的直接溶解，未溶解的组分与被溶解的组分在成分上没有变化，如碳酸盐、沸石类矿物。碳酸盐矿物早期析出胶结沉积物，强化砂岩颗粒的支撑能力，增强砂岩骨架颗粒的抗压实作用能力，延缓压实作用(见表4.6)，随着碳酸盐矿物含量的增加，压实作用减孔量减小；在成岩晚期，碳酸盐矿物被溶解，形成次生孔隙，改善储层。这种次生孔隙的发育机理对于深部储层的改善最为有利。东营凹陷次生孔隙主要是溶解碳酸盐矿物发育的次生孔隙。这种溶解作用发生的前提条件是要有充足的碳酸盐矿物可以溶解，换言之，溶解作用主要发育于碳酸盐胶结物和沸石类等易溶胶结物发育的盆地和地层中。

在咸水盆地和盐湖盆地中，碳酸盐胶结物发育。例如东营凹陷经历了淡水—咸水的演化过程，为碳酸盐矿物的早期沉淀提供了充足的物质，这些胶结物在深埋后溶蚀，形成良好的次生孔隙，改善了储层。江汉盆地为盐湖盆地，广泛发育碳酸盐胶结物和硫酸盐胶结物等，碳酸盐含量为10.5%～15.7%(表4.8)。

表4.8 江汉盆地王场油田储层胶结物含量表

表4.1中显示，准噶尔盆地中部区块X-衍射碳酸盐矿物平均含量中2区块为2.6%，中3区块为8.1%，中4区块为3.9%；薄片中碳酸岩矿物含量分别为4%，5%，5%。总的来说，碳酸岩矿物含量低。从染色薄片中(图版Ⅳ，Ⅴ)可以看到中部区块碳酸盐矿物晶体粗大，呈连晶方解石，判断为晚期沉淀析出的碳酸盐矿物。准噶尔盆地中部区块深部储层发育于淡水盆地，盆地内碳酸岩胶结物来源少。同时储层为煤系储层，流体从同生期到成岩晚期一直为酸性，不利于碳酸盐矿物的沉淀；深埋成岩后，流体pH不断升高，流体从酸性、弱酸性变为中性、碱性，这时碳酸盐矿物开始沉淀，堵塞孔隙，使储层致密。

4.4.3.2 溶蚀作用对储层的影响

溶蚀作用是指岩石组分的不一致溶解，溶解过程有选择性，矿物中残留下来的未溶组分成分有所变化，并形成与未溶矿物化学组成相近的新矿物，如长石在溶解过程中还发生高岭石化。

溶蚀长石、岩屑等的溶蚀作用对储层物性的影响，一直存在争议。一些学者认为在深层很难将溶蚀产物迁移带离出溶蚀区域，因而大量的次生孔隙只能在浅埋藏时候产生，这时大量的孔隙水可以将溶蚀产物以溶蚀的方式迁移出砂岩，改善储层。许多学者从矿物组成和地球化学方面研究深埋成岩期次生孔隙的发育机理。溶蚀产物必须被迁移出砂岩，才能产生次生孔隙，否则，形成的次生孔隙将被自生矿物沉淀充填而被平衡，这个过程只是孔隙的再分配，孔隙不会增加。只有溶蚀产物迁移出溶蚀区域，孔隙才会增大，孔隙度才会提高。

准噶尔盆地中部侏罗系特低渗砂岩油藏成藏机理

准噶尔盆地中部侏罗系特低渗砂岩油藏成藏机理

式(4.6)和式(4.7)中，斜长石与高岭石的分子量相近，An30斜长石的分子量为256.8，An40斜长石的分子量为268.4，高岭石的分子量为256。因此沉淀高岭石与溶蚀长石颗粒间的体积关系与它们密度大小有关。斜长石的密度为2.61～2.76g/cm3。对于上述长石来说，取2.62g/cm3和2.65g/cm3；高岭石的密度一般为1.7g/cm3，随晶间孔隙的增加其密度减小。通过计算可知，1cm3斜长石(An30)溶解生成约1cm3的高岭石；1cm3斜长石(An40)溶解生成多于1cm3的高岭石。因此，如果长石的溶蚀产物没有流失，沉淀高岭石与溶蚀长石颗粒的体积近乎相等。在这种情况下，长石溶解对砂岩的有效孔隙没有贡献，尽管高岭石中含大量晶间孔隙，但都是无效孔隙。

Wilkinson M.等研究发现，沉积相和矿物组成相似的数口井，位于超压释放点的井具有高的孔隙度，距离超压释放点较远的井其孔隙度并没有出现异常，其孔隙度比位于超压释放点的井的孔隙度低11%左右。这是因为超压释放点的断裂或者水力破裂周期性开启，流体发生穿层的幕式运移，将溶蚀产物向上迁移出溶蚀区，从而改善储层的缘故。

从表4.9中可以看出，22/30a-1井平均孔隙度高出相同埋深、埋深较浅和埋深较深的储层。而且高出大约10%。与其相邻的23/27-6井比其埋藏浅600m左右，其孔隙度为21.6%，所以，22/30a-1井孔隙度为异常高值。表4.10显示，22/30a-1井与23/27-6井在石英、岩屑、胶结物含量等是相近的，只是碱性长石含量22/30 a-1井(8.4%)明显低于23/27-6井(23.0%)，铸体薄片和SEM照片也显示22/30a-1井中长石溶蚀的现象；超压发育历史数值模拟结果显示，22/30a-1井的超压随地质时间呈锯齿状，超压的发育经历了增高—降低的数次过程；而23/27-6井超压随地质时间呈不断增高的趋势，没有呈现出增高—降低的反复过程(图4.10，4.41)。

表4.9 孔隙度一览表

表4.10 砂岩组成数据表

上述数据显示，22/30a-1井孔隙度异常增高，是因为其超压的发育引起流体穿层运移，以幕式排放的形式进入上覆储层，这些幕式排放的流体将长石的溶蚀产物迁移带离出溶蚀区域，从而改善储层；另一方面，将溶蚀产物带离出溶蚀区域，促进了溶蚀作用的进行，因而，尽管23/27-6井也发现长石等的溶蚀，但是其溶蚀程度和规模不如22/30a-1井，其长石含量减少的并不多，况且其溶蚀产物没有被迁移出溶蚀区域，这就是23/27-6井孔隙度并没有异常增高的原因。从区域上看，22/30a-1井位于区域性超压的释放点，这也与超压的数值模拟结果相符，这从侧面说明上述结论是正确性。

准噶尔盆地深层储层以煤系储层为主，有机酸丰富，溶蚀能力强，长石和岩屑多遭受溶蚀，准噶尔盆地中部区块虽然也发育超压，但是为晚期超压，超压发育时储层已经致密，在这样的条件下，储层中的流体是比较有限的。有限的流体其溶蚀能力也有限，即使发生流体的幕式排放，其迁移的溶蚀产物也是比较有限的，对储层的改善不大。中部4区块董1井各种数据显示，头屯河组中的油气藏为传递性超压油气藏，即在其下部储层中的流体曾经发生过幕式排放的地质过程，然而，从其物性上看，其孔隙度并没有太大的改善。因此，可以说，这种溶蚀作用对储层的改善意义不大，即使如北海22/30a-1井那样，发育早期超压，流体模式排放将溶蚀产物迁移带离出溶蚀区域，改善储层，那对储层的改善也是非常局部。在研究区域，只有22/30a-1井孔隙度较高，其余井的孔隙度与背景值基本一致就说明了这一点(表4.9)。

图4.40 长石溶蚀图片

A—长石溶蚀的铸体薄片照片，线段比例尺为30μm；B—长石溶蚀的

SEM(Scanning Electronic Microscope，即扫描电镜)照片，线段比例尺为10μm

图4.41 22/30a-1井与23/27-6井超压演化历史图

4.4.4 超压保存储层的机理

超压对储层孔隙度和渗透率的降低起一定程度的减缓作用。然而，不是所有的超压都对储层物性的改善起作用，早期超压对储层物性的改善较大，而晚期超压对储层物性的影响不大。早期超压对储层的影响主要体现在两个方面：超压抑制机械压实作用和化学压实作用，即压溶作用；另一方面，超压体系为相对封闭的体系，流体流动性差，抑制了成岩作用的进行。这两个方面使深部储层可以保存较好的孔隙度和渗透率。

莺歌海盆地乐东30-1-1 A井埋藏深度超过5000m的砂岩仍保持点接触，孔隙度可达20%。可见超压对延缓机械压实起着很大的作用。超压抑制压溶作用，减少胶结物的来源，抑制胶结作用，从而保存储层孔隙度和渗透率。图4.19显示，强超压体系中SiO2胶结物含量低于弱超压体系中SiO2胶结物含量。这是因为压溶作用是SiO2胶结物的一个重要来源，超压抑制了压溶作用，SiO2胶结受到抑制，导致超压体系中胶结作用的减弱；另一方面，超压强度不同，对压溶作用的抑制程度也不同，强超压对压溶作用的抑制更为强烈，因而，强超压系统中石英胶结物的含量低于低超压系统的石英胶结物含量。

晚期超压形成时，储层已经经受强烈的压实作用和胶结作用，储层已经致密，或者说，正是储层的致密才导致了晚期超压的形成。因而，晚期超压对储层孔隙度和渗透率的保存意义不大。准噶尔盆地中部区块虽然发育超压，然而却为晚期超压。超压对储层孔隙度的保存机理不适用于准噶尔盆地中部区块。

由于石棉种类很多，矿物成分和化学组成不同，不同种类的石棉，物理性质和化学性质也都不同，致使石棉具有诸多的优良特性。

一、石棉纤维的劈分性

1.蛇纹石石棉

蛇纹石石棉纤维几乎具有可以无限劈分的性质，能劈分成柔韧微细的纤维，在电子显微镜下可以观察到无数彼此平行的微细管状纤维，纤维直径约为2×10－5mm。石棉纤维的劈分难易程度与石棉种类和产状有关，直接影响到工业利用和选矿时石棉的分解难易。一般劈分性好的纤维，可以劈分得比蚕丝还要细，理论上甚至可达到其结晶时的硅氧链状组成的“细管状体”，但是实际上是不可能的。影响纤维劈分性的原因主要有:化学成分、结晶程度、含吸附水的多少、应力破坏、矿石中某些物质的加入等。不同矿床类型或矿石类型纤维的劈分性不同，同一类型不同地质环境下形成的石棉矿石其劈分性也有差异。

目前鉴别石棉纤维可劈分性的方法有:手掰法、捻搓法或机械研磨法等简单的方法，主要用此判断石棉劈分成纤维束、丝的难易程度，确定其可劈分性是否良好。也有以石棉纤维的最小直径(纤维细度)来衡量石棉的可劈分性。纤维细度通常利用透射电镜或扫描电镜拍摄的显微照片经实测得出还有以单位质量(g或mg)内含有纤维的根数或以单位截面积(mm2)内能剥分出纤维的根数，或用氮吸附法测定比表面积(对实心的角闪石石棉)值来评价其可劈分性。

2.角闪石石棉

角闪石石棉平均直径为0.16～0.86μm，最小直径为0.041μm，比表面积为2.4～12.4m2/g，纤维越细，比表面积越大。一般地，纤维的平均直径为0.162～0.420μm，比表面积为6.88～12.42m2/g时，纤维的劈分性就较好。角闪石石棉纤维的细度及劈分性与其成分和晶体结构有关。首先与结构中双链的坚固性和双链之间的结合力有关。Al3+代Si4+时，所形成的Al—O四面体比Si—O四面体大，引起双链发生扭曲和负电价增加，它们均影响链的坚固性，即大致沿链方向的化学键力减弱和垂直于链方向上化学键增强，从而引起角闪石晶体形成时沿垂直于双链方向发育相对增大，并影响纤维细度。双链间若为低电价、大半径的Na+、K+、Ca2+阳离子联结时，所形成的角闪石石棉纤维细度就较细。所以自然界产出的碱性角闪石石棉往往纤维细度小、比表面积大、质量好，如蓝石棉。

3.水镁石石棉

水镁石石棉纤维束细度(SEM测定)为0.98～1.68μm，最细者为0.086μm，比表面积为3.8～23.45m2/g。

二、石棉纤维的机械强度

1.蛇纹石石棉

蛇纹石石棉纤维具有较强的抗拉强度，尤其是从块状矿石中分离出的未变形的纤维，其抗拉强度更大，最高可达4237MPa，远远超过钢丝的抗拉强度(1304MPa)。在常见的纤维材料中，玻璃纤维和硼纤维的抗拉强度与蛇纹石石棉相近，其余无机纤维和有机纤维的抗拉强度均较蛇纹石石棉低。尤其是在较高温度下，温石棉纤维仍能保持相当好的强度，是一突出的优点。

温石棉纤维的机械强度与纤维的化学成分特征、纤维表面结构的完整性、纤维性和管心充填物情况等因素有关。富镁碳酸盐岩型温石棉纤维间常有碳酸盐矿物黏结或充填，其抗拉强度一般高于超镁铁质岩型温石棉横纤维石棉一般比纵纤维石棉的强度高，含水镁石纤维的温石棉，其抗拉强度可降低至1203MPa，此外，风化作用、裂隙构造的再活动及人为的损伤也会使其抗拉强度显著降低。蛇纹石石棉在300～450℃范围内的加热处理过程中，其抗拉强度要增大，且在冷却后相当长时间内仍能保持良好的强度。这一性能对提高温石棉制品的机械强度有积极意义。加热处理使纤维强度增大的原因之一是加热时可使纤维间键力增强。此外，也可能与吸附水的排除有关，因为吸附水排除后，纤维之间结合更紧密，强度也就随之增大。

2.角闪石石棉

角闪石石棉的抗拉强度为158.9～1598MPa，拉伸弹性模量为9709～32264MPa，断裂伸长度为1.5%～5.2%。蓝石棉的力学性质优于其他角闪石石棉。影响角闪石石棉力学性质的因素除了成分、结构外，还与纤维胶结物特点、风化程度、分散程度及人为折损程度等因素有关。

3.纤维水镁石

纤维水镁石的抗拉强度为902MPa，属中等强度纤维材料，加热处理(400℃)、风化或酸蚀作用可大大降低其强度。其弹性模量为13800MPa，有一定脆性。

三、石棉的耐热性

石棉具有一定的耐热性能，并且不燃烧。通常是以失去结构水的温度为石棉纤维的耐热度。温石棉长时间耐热温度为550℃，短时间耐热温度为700℃。因此，温石棉的耐热度为550～700℃。此时，温石棉纤维的物理性质遭到破坏，失去光泽，颜色变成淡红色至肉红色，弹性韧性丧失，易搓成粉末。在各种石棉中，角闪石石棉的耐热性能最强，温度在900℃时其物化性能仍保持不变。水镁石石棉分解温度为450℃，可靠使用温度为400℃，最高使用温度为450℃，极限稳定温度为500℃。风化作用及酸蚀、潮湿环境、延长加热时间都会使耐热性下降。

四、石棉的导热性能

松解或絮状纤维的石棉导热性很低，松解程度越好，导热系数越小。温石棉的导热系数为0.09～0.14W/(m·K)，角闪石石棉的导热系数为0.07～0.09W/(m·K)，纤维水镁石原矿的导热系数为0.46W/(m·K)，松散纤维(体积密度为0.47g/cm3)为0.131～0.213W/(m·K)。

五、石棉的导电性能

石棉是良好的电绝缘物质，其导电性能和氧化铁的含量有关，也和这些物质赋存状态有关，铁的存在会大大降低石棉的电绝缘性能。结晶度好、质地纯净的石棉电阻率较小。温石棉的质量电阻率ρm在104～108Ω·g/cm2之间，体积电阻率ρv在1.9×108～4.79×109Ω·cm，角闪石的质量电阻率ρm在104～107Ω·g/cm2之间，水镁石石棉的质量电阻率ρm为8.82×106Ω·g/cm2，体积电阻率ρv为5.9×106Ω·cm，电阻率显各向异性，加热可使电阻率上升12倍。

六、石棉的表面电性

纤维表面电性是温石棉的重要电学性质之一，常用电动电位ξ表征，单位为mV。温石棉和其他固体颗粒一样，当其分散在液相中时，表面会带不同的电性，表面电性对温石棉的絮凝性及吸附性能有重要影响。完好的温石棉纤维表面荷正电，是由于管状结构的温石棉纤维的最外壳层是“氢氧镁石”八面体层，其中的OH－基团在水中表现出亲水性，易进入液相，使纤维表面失去阴离子团，存在过剩的阳离子而荷正电同时，纤蛇纹石中常发生三价阳离子如Al3+取代基本结构层中的Si4+和Mg2+，造成八面体层中正电荷过剩而四面体层中的负电荷过剩，产生一种双电层偶极子结构，因此，在正常情况下温石棉纤维表面总是带正电荷。但是不同产地的温石棉，或同一矿床不同层位的石棉的ξ值也有较大的差异。如我国集安产的温石棉ξ值为6.69mV，茫崖石棉ξ值为21.38mV，四川石棉矿的ξ值为8.37～26.15mV，加拿大魁北克的温石棉ξ值为93mV。这与纤维表面的完整情况、杂质成分及种类、风化程度等因素有关。例如含磁铁矿、碳酸盐矿物及粘土微粒较多时，由于这些杂质均显负电，使石棉纤维的ξ值降低甚至呈负值。如含水镁石的温石棉，因水镁石的OH－易进入溶液而使ξ值增大。风化作用对温石棉的ξ值影响也很大，因为风化作用过程中水常呈弱酸性，使温石棉管状结构表面的羟基和Mg2+易被淋滤带走，即易剥离掉“氢氧镁石”层，使ξ值变小。

水镁石纤维的ξ值为正值，可高达36.3mV。pH值增大，其ξ值变小，零电位点的pH值为12.5。风化、酸蚀、纤维束中混入磁铁矿、碳酸盐矿物将降低其电动电位值，甚至变为负值。

七、石棉的吸附性及过滤性

石棉具有良好的吸附性能，其吸附能力的大小取决于比表面积大小。蛇纹石石棉是一种极微细的管状体，因此具有吸附周围其他物质的能力。如石棉水泥制品中的石棉纤维在渗水时，纤维能吸附水泥中的Ca(OH)2和水分，使石棉水泥制品能迅速地胶凝和硬化。因此石棉在水泥制品中起类似“钢筋”的增强作用，又起到胶凝硬化作用。在空气中，石棉也能吸附水分，将其置于饱和状态下的水蒸气中，其吸附量最大可达8%，在一般空气中也能吸附1.5%～5%的水分。表面结构完整的柔软型温石棉纤维，在水溶液中表面荷正电，能吸附OT分子(一种阴离子表面活性剂)，能充分松解分散，纤维柔软，相互绞缠，增大浮力，易于稳定地悬浮于水中，极难沉淀。如我国祁连小八宝、双岔沟的温石棉，加拿大魁北克的温石棉等，都具有很好的成浆性，适合作泡沫石棉及复合硅酸盐保温涂料的原料。

一些物质，如有毒烟雾、细菌、病毒、放射性尘埃等通常以0.1～200μm的气溶胶状态出现，蓝石棉中的镁钠闪石石棉和镁钠铁闪石石棉具有很大的比表面积和表面活性，常被作为过滤剂和吸附剂来净化气体和液体，用于化工、冶金、军事等部门。蓝石棉是净化有毒气体唯一的天然纤维材料，对于滤除穿透能力最强的粒径为0.1～1μm的有毒粒子十分有效。在液体过滤方面，用蓝石棉制成的过滤材料能过滤净化热的浓酸和其他腐蚀性液体在电化学工业，蓝石棉作为电解过程中的筛孔材料。在制药工业，用于过滤抗菌素、滤除细菌和分离病毒等。

八、石棉的化学性质

石棉的耐酸耐碱性能，一般用石棉在酸、碱溶液中的溶蚀率来表示。各种石棉的耐酸、碱性性质各不相同，详见表12－2。从表12－2可以看出，蛇纹石石棉耐碱性较好，耐酸性较差，而角闪石石棉类的耐酸与耐碱腐蚀性能都很强。角闪石石棉的耐酸性能大大优于蛇纹石石棉的原因，是因为角闪石石棉具有表面电性为负值，这种表面负电性的作用是排斥酸根负离子，从而起到阻止角闪石石棉纤维表面上阳离子同酸根离子相结合的作用，因此降低了酸溶液对角闪石石棉的腐蚀性。而蛇纹石石棉其外层为(OH)－，在水溶液中显较强的碱性，并且具有表面正电性，因此，蛇纹石石棉易遭受酸溶蚀。

表12－2 石棉的酸、碱溶蚀率

(据潘兆橹等，1993)

纤维水镁石耐碱性极强，是天然无机纤维中耐碱性最优者，但耐酸性极差。在强酸中能被全部溶解，在草酸、柠檬酸、乙酸、食醋、pH=0.1～2的缓冲溶液中均可以不同的速率溶解。纤维越短、细度越细、酸蚀速率越大。溶解量与作用时间成正比，但溶蚀率较大的是开始半小时以内。纤维水镁石在潮湿或多雨气候条件下，易受大气中的CO2、H2O的侵蚀。故其制品表面需要作一防水防潮处理。

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