一種基於砂巖中元素XRF法判別沉積環境的方法與流程
2023-05-28 13:23:56 2
本發明涉及地球化學及沉積學領域，利用XRF方法判別沉積環境。
背景技術：
沉積巖中的微量元素與其形成環境有密切關係。在沉積過程中，沉積物與水介質之間有著複雜的地球化學平衡，如沉積物對某些元素的吸附及沉積物與水介質之間的元素交換等。這種吸附和交換作用除與元素本身性質有關外，還受到沉積介質物理化學條件的影響，而不同沉積環境的水介質有不同的物理化學條件，元素的分散與聚集的規律也不相同，這就為利用沉積物微量元素進行古環境分析提供了理論依據。通過對沉積巖中微量元素百分比含量及分布，尤其是一些相關元素比值的研究，可以推斷當時的沉積環境，反演沉積時期的地質條件。
X射線螢光光譜分析(XRF)在20世紀末已廣泛地應用於地質、冶金、環境、化工、材料等領域中元素的分析,並在大規模地球化學勘探和國際地球化學填圖的多元素分析中成為最快速、最經濟的主導方法。由於常規的XRF分析不能完全滿足定量與高解析度分析要求,XRF巖芯掃描分析方法便逐步發展起來。XRF巖芯掃描分析方法是直接掃描巖芯剖面得到元素百分比含量的相對變化,根據其中指示性元素的百分比含量及元素之間比率的變化,不僅用於推斷環境變化、成巖過程、汙染物質的輸入等,而且可以幫助解釋沉積的相互性和研究沉積過程。因此,可根據元素百分比含量的波動用來研究當時地球化學特徵及環境的變化情況,重建其古環境或古氣候,達到高解析度分析的效果。
前人在利用微量元素判別沉積環境方面已經取得了大量的成果，但主要集中在泥頁巖中，如：公開了X射線螢光光譜分析測定泥頁巖中元素百分比含量。水體越深溶解氧含量相對越高，海水中Mn2+被氧化，以 Mn(Ⅳ)的氧化物或氫氧化物沉澱下來。Ti是一種較穩定的元素，很難形成可溶性化合物，所以海水中Ti的含量很低，沉積物中Ti主要來自陸源碎屑物質，根據Mn和Ti兩種元素的特徵差異性，Mn/Ti比值可以判斷水體的深淺，比值越大水體越深，反之則反（[1]梁文君,肖傳桃,肖勝. 川西地區中二疊世-中三疊世微量、常量元素與古環境、古氣候關係研究[J]. 科學技術與工程,2015,11:14-24. [2]程文斌,顧雪祥,胡修棉,李有核,董樹義. 現代大洋紅色粘土與白堊紀大洋紅層元素地球化學對比[J]. 地質學報,2008,01:37-47.）。
在潮溼氣候條件下，Mn的含量較低，Mn在湖水中常以Mn2+穩定存在，當湖水強烈蒸發而使Mn2+濃度飽和時，它會大量沉澱，從而在巖石中顯示高值。而Fe在潮溼的環境下易以Fe（OH）膠體狀態快速沉澱，因而Fe/Mn可以很好的反應氣候，比值高說明氣候潮溼，比值低表明氣候乾旱。Ca、Mg含量可以指示氣候，在乾旱氣候下由於水分的蒸發，水介質的鹼性增強，水中的Ca、Mg元素會被大量析出，發生沉澱，所以它們的含量增高，即Ca、Mg含量高表明氣候乾旱（[3]李智超,李文厚,賴紹聰,李永項,李玉宏,尚婷. 渭河盆地古近系細屑巖的古鹽度分析[J]. 沉積學報,2015,03:480-485.[4]李仁澤,劉成東,李志文,梁良. 巴音塔拉凹陷呼和砂巖型鈾礦床微量元素地球化學特徵[J]. 鈾礦地質,2015,04:438-444+466.[5]張茂盛,胡曉靜. 微量元素在地質沉積環境中的應用[J]. 光譜儀器與分析,2001,04:19-21.）；
Sr元素在搬運過程中不易於沉澱，只有在大量Sr元素隨水流富集到較深水位時，才會析出被泥質顆粒吸附，或者乾旱氣候下大量析出，並被泥質顆粒吸附。Ca元素活潑性差，遷移能力要低的多，同時Ca的氫氧化物主要在PH=5的弱酸性介質中沉澱，在淡水中比在海洋條件下更容易富集，前人根據Sr和Ca的這種富集差異性，利用Sr/Ca比值判斷古鹽度，Sr/Ca 越大指示鹽度越高（[6]陳洪德,李潔,張成弓,程立雪,程禮軍. 鄂爾多斯盆地山西組沉積環境討論及其地質啟示[J]. 巖石學報,2011,08:2213-2229.[7]杜軼倫,曹毅,李大鵬,高志偉. 安徽銅陵志留系—三疊系地層層序地層和微量元素地球化學:對沉積環境的約束[J]. 現代地質,2014,02:281-291.）。
目前砂巖中元素主要用來區分區域構造背景。泥頁巖的主要成分為細粒沉積物，而砂巖中細粒沉積物百分比含量在10%左右。由於大多數微量元素都吸附在細粒沉積物的表面，因此砂巖中微量元素的百分比含量除了受到古沉積環境影響外，還與砂巖中細粒沉積物（泥質）百分比含量密切相關，所以利用砂巖中常量、微量元素進行環境判別時，首先要剔除掉砂巖中的細粒沉積物（泥質）百分比含量對元素的影響。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是：現有技術中沒有基於砂巖中元素判別沉積環境的方法。
本發明提供一種基於砂巖中元素XRF法判別沉積環境的方法，包括如下步驟：
1）以X射線光譜儀對砂巖的巖心進行測試並獲取各元素在巖心中的百分比含量的數據；
2）對每種元素與油田鑽井同時測得砂巖的巖心的GR值進行相關分析，找出與GR值相關性好的元素，以及對應的相關性公式；
3）根據步驟2）中得到的相關性，將每種元素的百分比含量用對應的GR值進行標準化，消除泥質多少對元素百分比含量的影響；
4）利用標準化後的特徵元素以及特徵元素的比值判斷指示沉積環境的變化。
優選地，上述的基於砂巖中元素XRF法判別沉積環境的方法，包括如下步驟：
1）以X射線光譜儀對砂巖的巖心進行測試並獲取Mg、Sr、Mn、Ti、Fe和Ca在巖心中的百分比含量的數據；
2）對Mg、Sr、Mn、Ti、Fe、Ca的百分比含量與油田鑽井同時測得砂巖的巖心的GR值進行相關性分析得出：Ca百分比含量與GR無相關性，Mg、Sr、Mn、Ti、Fe的百分比含量與GR呈線性正相關；
3）根據步驟2）中的相關性對元素進行標準化：以Mg的百分比含量、Sr的百分比含量分別除以對應的GR值；得到標準化後的Mg的百分比含量和標準化後的Sr的百分比含量；
4）做出Sr的百分比含量、Mn的百分比含量/Ti的百分比含量、Fe的百分比含量/Mn的百分比含量、Ca的百分比含量、標準化後的Mg的百分比含量、標準化後的Sr的百分比含量/Ca的百分比含量隨取巖心的井內深度的變化曲線；
5）根據標準化後的Sr的百分比含量、Mn的百分比含量/Ti的百分比含量、Fe的百分比含量/Mn的百分比含量判斷古水深，根據Ca的百分比含量、標準化後的Mg的百分比含量、Fe的百分比含量/Mn的百分比含量判斷古氣候，根據標準化後的Sr的百分比含量/Ca的百分比含量判別古鹽度。
根據權利要求1或2所述的基於砂巖中元素XRF法判別沉積環境的方法，其特徵在於，步驟1）前還包括以毛刷將砂巖的巖心表面清潔乾淨的步驟。
本發明的方法能夠消除不同沉積微相砂巖儲層中，泥質的百分比含量對元素的影響，從而利用砂巖中元素判斷古沉積環境。
附圖說明
圖1A為本發明實例中Mg元素的百分比含量與GR相關性分析圖；
圖1B為本發明實例中Fe元素的百分比含量與GR相關性分析圖；
圖1C為本發明實例中Sr元素的百分比含量與GR相關性分析圖；
圖1D為本發明實例中Ti元素的百分比含量與GR相關性分析圖；
圖1E為本發明實例中Mn元素的百分比含量與GR相關性分析圖；
圖1F為本發明實例中Ca元素的百分比含量與GR相關性分析圖；
圖2為本發明實例中校正前後古水深判斷結果對比圖；
圖3為本發明實例中校正前後古氣候判斷結果對比圖；
圖4為本發明實例中校正前後古鹽度判斷結果對比圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明，以使本領域的技術人員可以更好的理解本發明並能予以實施，但所舉實施例不作為對本發明的限定。
研究區位於西湖凹陷東北部，通過巖心觀察，研究區主要發育大套厚層砂巖儲層。由於研究區鑽井數量少，不同學者對研究區沉積相類型觀點不一，主要有兩種觀點：辮狀河沉積相、辮狀河三角洲沉積相。採用本發明的方法，對研究區目的層巖心進行元素密集測試，得出研究區目的層沉積環境，為沉積相判別提供依據。
第一步，研究區為低滲-緻密砂巖氣藏，巖心中基本無瀝青及原油殘存，並進行剖面切割處理，表面無汙染，測試前用毛刷清理乾淨巖心表面的浮土即可（將巖心表面清洗乾淨，不要用自來水或者礦泉水去洗，也不要用溼抹布去擦，避免將外界元素附著到巖心表面，影響檢測結果）。採用美國Innov-X（伊諾斯）DELTA系列礦石分析儀對清理乾淨的巖心進行連續測試（小的間距測數據，具體根據實驗者的需要來定）。根據前人研究，選取Sr、Mn/Ti、Fe/Mn判斷古水深，選取Ca、Mg、Fe/Mn判斷古氣候，選取Sr/Ca判別古鹽度。測得Mg、Sr、Mn、Ti、Fe、Ca的百分比含量。
第二步，對所選元素與油田鑽井同時測得砂巖的巖心的GR值進行相關性分析得出：Ca百分比含量與GR值基本無相關性（圖1F），其它元素（Mg、Sr、Mn、Ti、Fe）的百分比含量與GR值呈線性正相關（圖1A~圖1E）；
第三步，根據第二步中的相關性對元素進行標準化，研究區主要為線性正相關，所以標準化時用（Mg、Sr、Mn、Ti、Fe）的百分比含量值直接除以對應的GR值即可；對元素比值（Mn/Ti、Fe/Mn）進行標準化時，與泥質百分比含量之間為線性正相關的兩個元素在做比值時，分子和分母中泥質百分比含量的影響會抵消，所以標準化前後的值結果相同；而如果有Ca參與比值時（Sr/Ca），其它元素（Sr）需要用校正後的值。
第四步，根據第三步的結果，做出標準化前後元素及元素比值隨取巖心的井內深度的變化曲線；
根據第五步的結果，判斷研究區取心段的古沉積環境。
3600m-3610m深度（井裡面取巖心的深度）區間，校正之前Sr值偏小，指示其水深相對較淺，而Fe/Mn偏小、Mn/Ti比值偏大，指示水體相對較深，兩種判別結果相矛盾。校正後的 Sr在此深度區間百分比含量相對偏大，與Fe/Mn、Mn/Ti所示結果一致（如圖2所示）；此深度段，Ca、Mg百分比含量相對偏低，指示相對乾旱環境，而Fe/Mn比值偏小，指示相對溫溼的環境，兩者同樣矛盾。校正後的Ca、Mg百分比含量在此深度段相對偏高，與Fe/Mn比值的判別結果一致（如圖3所示）。
3990m-3995m深度段與3600m-3610m深度段的情況相反，校正之前Sr值偏大，指示其水深相對較深，而Fe/Mn偏大、Mn/Ti比值偏小，指示水體相對較淺，兩種結果矛盾。校正後的Sr在這一段百分比含量相對偏小，與Fe/Mn、Mn/Ti所反映的結果一致，說明此時的水體深度相對較淺（如圖2所示）； Ca、Mg百分比含量相對偏高，指示相對溫溼環境，而Fe/Mn比值偏高，指示相對乾旱的環境，兩者同樣矛盾。校正後的Ca、Mg百分比含量在此深度段是相對偏低的，與Fe/Mn比值的判別結果一致，指示一種乾旱的環境（如圖3所示）。
Sr/Ca比值在判斷古鹽度時，標準化後的數值明顯比標準化前穩定，標準化前的歧義值標準化後大多得以消除，說明這些點主要是測試段泥質百分比含量的差異引起的，而不是古鹽度的變化引起的（如圖4所示）。
綜上所述，砂巖儲層中元素對環境的判別結果標準化前後差異明顯，應用本發明所述方法所得結果更可靠。
以上所述實施例僅是為充分說明本發明而所舉的較佳的實施例，本發明的保護範圍不限於此。本技術領域的技術人員在本發明基礎上所作的等同替代或變換，均在本發明的保護範圍之內。本發明的保護範圍以權利要求書為準。