摘要
红外光谱技术可以识别矿物信息，具有绿色、快速、无损探测的特点。羌塘盆地乌丽地区天然气水合物资源潜力较大，但目前勘探程度较低，地质状况较复杂，钻井岩心矿物格架识别有限，制约了对后续油气资源评价、勘探开发等工作的顺利开展。本文通过红外光谱技术对羌塘乌丽地区TK-1天然气水合物钻井开展岩心录井，并辅以QEMSCAN对红外光谱岩心录井信息补充验证。结果表明：TK-1钻井的砂岩、泥岩主要由石英、斜长石、钾长石、伊利石、高岭石和少量的绿泥石、碳酸盐、蒙脱石、石膏、地开石等矿物组成，砂岩主要的胶结类型按形成顺序依次为黏土矿物胶结、碳酸盐胶结，黏土矿物形成顺序为伊利石—高岭石—绿泥石。高岭石、地开石和绿泥石的脉状发育，代表了成岩后期存在小范围的构造活动和热扰动，可能会影响油气的运移和保存，因此在天然气水合物资源勘查过程中，需要关注绿泥石脉、地开石脉、高岭石脉发育较弱的区域。红外光谱技术对羌塘盆地乌丽地区天然气水合物钻井矿物和岩石等地质信息录井和识别具有独特的优势和应用潜力，是传统录井技术所获信息的重要补充。
Abstract
Infrared spectroscopy technology can collect mineral information according to the characteristics of mineral infrared spectrum, which has the advantages of green, rapid, non-destructive detection. There is a great potential of natural gas hydrate resources in Wuli area, Qiangtang Basin. However, its low exploration degree, complicated geological condition, difficult to identify mineral framework of drilling core, restricts the development of subsequent oil and gas resource exploration and exploitation, at present. This paper is to collect mineral information including types and contents of minerals. and to obtain geological interpretation of the TK-1 well by ore logging using infrared spectroscopy technology as well as QEMSCAN. The following conclusions can be obtained based on this studying: The core of the TK-1 well (containing mudstone and sandstone) is composed with quartz, plagioclase, potash feldspar, illite, kaolinite and a small quantity of chlorite, carbonate, smectite, gypsum dickite etc. Carbonate cementation is formed after clay mineral cementation in sandstone. Clay minerals are formed in the order of illite—kaolinite—chlorite. These kaolinite, dickite and chlorite veins with irregular forms and small scales, demonstrate that there are small-scale tectonic activities and thermal disturbance in the postdiagenetic period, which suggest that the area where chlorite, dicket and kaolinite veins are weakly developed should be focused when natural gas hydrate resources are explored in Qiangtang Basin. Infrared spectroscopy technology has great advantages in identifying fine-grained minerals and clay minerals, which can make up for traditional logging technology in mineral information collecting.
Keywords
0 引言
造岩矿物、黏土矿物等是沉积地质体成岩作用和沉积环境主要的信息载体，对造岩矿物、黏土矿物的类型、组合特征、期次划分、空间展布及物理化学性质等信息综合梳理和研究，不仅有利于加深对沉积地质体的生储盖油气地质基础理论研究，而且有助于提高对油气资源的勘查效率（胡受奚等， 2004；张世涛等，2018；陈华勇等，2019；郭东旭等， 2022）。目前获取钻井地质体基础地质信息采用的录井技术包括钻井液录井、岩屑录井、岩心录井、钻时录井、荧光录井、气测录井、自然伽马射线能谱录井、XRF元素录井等（李耀文，2018；周博，2018；荆文峰等，2019；景社，2019；文冉等，2020；赵发宝， 2020）。能够对岩石矿物进行识别的录井方式有自然伽马能谱录井、XRF元素录井、岩屑录井、岩心录井等，然而，自然伽马能谱录井对岩性的识别准确度有限，XRF元素录井只能通过地质体整体的元素含量信息来反演矿物信息，以往的岩屑和岩心录井获取矿物信息，需要经过制样、实验等流程，周期长、效率低、成本高，不利于大批量地获取岩心中矿物信息，制约了对钻井基础地质认识、储层评价、油气勘查理论认识和实践应用的提高。新的录井技术的引入对解决以上问题，显得尤为迫切。
天然气水合物（俗称“可燃冰”）是水分子组成的笼状构架将小型气体分子（如甲烷、乙烷、丙烷等）吸附其中而形成的似冰状固体，主要分布在陆缘海水深度超过300 m的沉积物、高纬度高海拔的冻土带等区域（陈鸣等，2022）。青藏高原羌塘盆地乌丽地区位于青海省南部唐古拉山北麓，具备天然气水合物成矿的温压条件，开心岭地区TK-1钻井在112.50~116.52 m、550.0~570.0 m处的泥岩和砂岩裂隙中发现多处气体异常显示。初步证实，羌塘盆地青海南部上二叠统那益雄组具备较强的生排烃能力，能为天然气水合物成矿提供良好的气源。前人主要针对羌塘盆地的常规油气资源开展了系统的研究，获得一系列新发现和新认识（吴珍汉等， 2014；付修根等，2015；王忠伟等，2017；王剑和付修根，2018；刘若涵等，2019；王剑等，2020；葛天助等， 2023；刘中戎等，2024），但针对羌塘盆地乌丽地区天然气水合物钻井基础地质条件的研究尚浅（刘晖等，2019）。并且，基于红外光谱技术对天然气水合物钻井开展岩心录井的相关学术论文未见报道。羌塘盆地乌丽地区天然气水合物资源潜力较大，但现有勘探程度较低，而且地质状况比较复杂，储层物化性质存在较大的差异性，地层中的油气资源在地质历史中会产生一定的变化，在进行地质录井的过程中，受到这些因素的影响，会造成录井级别较低、钻井岩心矿物格架识别困难等问题，制约了对后续油气资源评价、勘探开发等工作的顺利开展。
红外光谱技术可以根据矿物光谱特征提取矿物信息，具有绿色、快速、无损探测的优势。红外光谱包括可见光-近红外波段（VNIR，400~1100 nm），可以识别一些金属离子如Fe2+、Fe3+、Cr3+、Mn3+和稀土元素等；短波红外波段（SWIR，1100~2500 nm），可以识别含水层状硅酸盐类矿物、碳酸盐矿物和部分水合硫酸盐矿物（Wang et al.，2017；Han et al.，2021； Xue et al.，2021）；热红外波段（TIR，6000~14000 nm），可以识别无水无羟基的岛状、链状、架状硅酸盐，碳酸盐，磷酸盐等矿物（Van der Meer et al.， 2012；代晶晶等，2020；郭东旭等，2021）。因此，为了系统获取羌塘盆地乌丽地区TK-1钻井的矿物信息，进一步探索青藏高原冻土区天然气水合物的基础成藏地质条件，本文应用红外光谱技术对羌塘盆地乌丽地区TK-1钻井进行岩心录井，获取了海量的录井数据，并结合地质实际和综合自动矿物岩石学检测方法（QEMSCAN），从而加深对该钻井的基础地质的认识，夯实羌塘盆地油气资源勘查和开发基础研究，为天然气水合物资源调查与评价提供支撑。
1 研究区地质背景
羌塘盆地位于可可西里—金沙江、班公湖—怒江缝合带之间，整体上为“两坳夹一隆”的构造格局：北羌塘坳陷带、中央隆起带和南羌塘坳陷带（王剑等，2020）。乌丽地区大地构造单元属于羌塘地体，钻井TK-1位于北羌塘盆地东北部的沱沱河隆起的乌丽地区，处于羌塘盆地北缘边界断裂的南侧，是盆地外缘过渡带（李亚林等，2006；吴军虎， 2011；唐世琪等，2015）（图1）。TK-1钻井地层层序上，15.20~173.70 m为上二叠统那益雄组（P3n），分为两个三级层序；173.70~646.86 m 为下二叠统诺日巴尕日保组（P1nr），分为两个三级层序。
诺日巴尕日保组层序一为一不完整的三级层序，钻遇深度为521.00~646.86 m，只发育高位体系域，下部发育的岩性主要为灰色和灰白色砂岩与薄层（泥质）粉砂岩互层，准层序组稳定沉积，为无障壁海岸临滨亚相；上部发育紫红色粉砂岩、泥质粉砂岩，准层序组具有加积式特点，为暴露环境下的后滨—前滨亚相。诺日巴尕日保组层序二发育低位体系域，钻遇深度173.70~521.00 m，后期海平面有所上升。下部以灰白色砂岩夹紫红色凝灰质粉砂岩薄层为特点，向上多发育紫红色泥质粉砂岩夹薄层砂岩，总体划分为4个准层序组，均具有加积式特点。层序界面处自然伽马曲线和浅电阻率特征变化明显，岩心发育紫红色冲刷泥裂的含砾砂岩与紫红色泥岩突变接触，可见明显的冲刷作用，为辫状河三角洲平原分流河道沉积。
那益雄组层序一为一个不完整的三级层序，钻遇深度163.70~173.70 m，发育高位体系域，岩性主要发育深灰色泥岩及藻球粒泥灰岩，沉积相为浅海相沉积。那益雄组层序二，为完整三级层序，钻遇深度为36.00~163.70 m，低位域为辫状河三角洲前缘沉积，表现为进积式准层序组。低位域为92.60~163.70 m，底界与层序一顶界一致，海平面下降，可见明显的河流冲刷作用，反映河流下切动力增强。海侵域为75.80~92.60 m，具有明显的退积式特点。高位域为15.20~75.80 m，为浅海相和三角洲平原沉积，表现为弱加积式特点，把灰岩的出现作为最大海泛面的位置，三角洲平原发育炭质泥岩及煤层 （图2）。
2 实验方法
本文以羌塘盆地TK-1天然气水合物钻井为研究对象，对整井岩心开展红外光谱录井工作。为补充验证红外光谱录井数据，同时对部分典型代表的岩心样品开展矿物成分定量分析工作，编号依次为 TK-1@1~TK-1@8。其中，TK-1@1（深37.92 m，泥质粉砂岩）和TK-1@2（深94.09 m，含砾砂岩）位于那益雄组层序一；TK-1@3（深193.03 m，粉砂岩）、 TK-1@4（深272.85 m，钙质粉砂岩）、TK-1@5（深 297.52 m，粉砂—细砂岩）、TK-1@6（深306.05 m，含砾砂岩）位于诺日巴尕日保组层序二；TK-1@7（深 527.05 m）和TK-1@8（深643.39 m）位于诺日巴尕日保组层序一，是泥灰质粉砂岩样品。
2.1 红外光谱岩心录井
通过HyLogger-3TM型岩心红外光谱扫描仪（以下简称“HyLogger”）对TK-1油气钻井岩心开展录井工作。在红外光谱录井之前，要对岩心进行整理、清洁等，将岩心有油漆或其他字迹、标记的表面旋转到侧面或底面，岩心标签放在岩心箱内侧，岩心表面用湿抹布擦干、晾干，确保岩心清洁、干燥、无尘、无遮挡。HyLogger是澳大利亚联邦科工组织 （CSIRO）研发和设计、FLSmidth公司负责加工和生产的一种岩心红外光谱数据测量系统。该系统利用数字线扫描相机、ASD光谱仪、热红外光谱仪、激光表面测度仪4个传感器，模拟太阳光源和热红外光源照射岩心，使用光谱仪传感器探头逐点同步获取岩心（或切片、粉末等样品）相同位置的图像和红外光谱反射率数据，方便岩心的数字化存档。基于配套的TSG（全称“The Spectral Geologist”，翻译为 “光谱地质专家”）软件（郭娜等，2018a），实现集成管理和分析样品的岩矿地球化学测试等数据，帮助用户建立虚拟岩心数据库，建立光谱应用模型。Hy Logger工作环境温度为20~25℃，岩心扫描间隔为5 cm，分辨率为：约3 nm @V-NIR（400~1100 nm），约 10 nm @SWIR（1100~2500 nm），约18 nm @6000 nm，约150 nm @14000 nm（史维鑫等，2020）。
2.2 红外光谱数据处理
首先，将获取的原始HyLogger光谱数据导入 TSG8.0软件中进行处理。TSG软件通过将获取的数据与典型光谱数据库中的数据进行对比，确定光谱匹配度最高的矿物，并充分评估它们之间的相对比例和拟合误差。对每盒岩心均进行单独的质量控制，以保证对无效的光谱信息进行充分屏蔽，并进行交互式深度校正，从而保证数据质量。整个钻孔岩心的高清图像自动拼接后，以岩心箱或岩心柱为单位呈现。根据地质实际情况，将一些不可能出现的矿物屏蔽掉，增加光谱解译的准确度。随后，进一步应用TSG软件中的CLS算法进行标定，如果出现了明显与实际观察不一致的矿物组合，会进一步根据岩心的颜色、形状、结构、矿物实际情况设置合适的算法阈值进行标定（Schodlok et al.，2016）。
TK-1钻井岩心主要为碎屑岩和极少量碳酸盐岩类沉积岩，因此，光谱数据中矿物信息的提取，关注黏土类矿物（蒙脱石、伊利石、高岭石、地开石、绿泥石等）、碳酸盐类矿物（方解石、白云石等）、石膏 （硬石膏）。黏土矿物含量以短波红外的光谱特征吸收谷的相对吸收深度进行表征，石英、长石和碳酸盐含量以热红外波段光谱数据表征；黏土矿物伊利石中包含了蒙脱石，考虑到伊利石和蒙脱石反射率曲线特征有叠加重合的情况，伊利石和蒙脱石相对含量并未加以区分，仅采用了一个光谱参数表征蒙脱石与伊利石相对含量，伊+蒙=伊利石+蒙脱石，伊/蒙=伊利石与蒙脱石相对含量的比值。
2.3 矿物成分定量分析
为补充验证本次红外光谱录井数据，挑选8件典型岩性样品进行矿物成分定量分析实验，涵盖 37.92~643.39 m的整孔岩心，涉及泥质粉砂岩、含砾砂岩、粉砂岩、钙质粉砂岩、粉-细砂岩、含砾砂岩、泥灰质粉砂岩等岩性。本次矿物成分定量分析实验在数岩科技股份有限公司完成，使用的仪器为 QEMSCAN 650F型矿物成分定量分析仪，该仪器采用综合自动矿物岩石学检测方法（QEMSCAN），以扫描电镜+能谱仪为平台，并结合数学科学和计算机科学发展而来的矿物综合分析技术（李俊键等， 2019）。该仪器在分析样品前需要对铜、金和石英3 块标样进行校准，确保数据质量。仪器工作条件为：电压15 kV，电流5.5 nA，工作距离13 mm，分辨率25 μm。该仪器利用非常细的聚焦高能电子束在样品表面扫描激发出各种物理信息，通过背散射电子图像灰度与X射线的强度相结合能够得出元素的含量。使用iDiscover软件进行处理，获取不同岩石光片矿物质量含量的分析结果（张弘等，2021）。
3 结果与讨论
3.1 红外光谱岩心录井结果
为了解决羌塘盆地乌丽地区天然气水合物TK-1钻井录井级别较低、钻井岩心矿物格架识别困难等问题，开展整井岩心的红外光谱录井，以便为后续的油气资源评价、勘探开发等工作的顺利开展奠定坚实的基础。钻井TK-1经红外光谱扫描和数据处理解译，主要识别的矿物包括石英、斜长石、钾长石、伊利石、高岭石和少量的绿泥石、碳酸盐矿物、蒙脱石、石膏、地开石等（图2），与该钻孔主要岩性 （砂岩、粉砂岩、泥岩）相对应，同时获取了该钻孔的岩心图像。红外光谱数据表明，石英几乎遍布整个钻孔，在那益雄组的中部和诺日巴尕日保组的中部，含量相对较少；斜长石整体含量较少，在诺日巴尕日保组的上部含量相对较高；钾长石在那益雄组上部和诺日巴尕日保组的中下部含量相对较高；高岭石主要位于那益雄组与诺日巴尕日保组相邻位置以及诺日巴尕日保组的中下部；绿泥石含量较少，仅在那益雄组和诺日巴尕日保组上部的部分岩心段有很少量的分布；碳酸盐矿物主要分布在那益雄组；石膏含量相对较少，主要分布在泥岩中。从红外光谱的角度解读TK-1钻井具体的矿物地质信息如下。
图2钻孔TK-1岩性、测井、录井（中国地质调查局油气中心，2015①）红外光谱录井主要矿物相对含量综合柱状图
3.1.1 砂岩和泥岩
砂岩的抗破碎能力大于泥岩，即使均为破碎状态，砂岩通常碎块明显大于泥岩，石英含量高的均为岩心较完整的砂岩（图3），部分泥页岩和粉砂质泥岩因为具有微层理和页理而呈现破碎状态。泥岩短波红外光谱主要解译矿物为伊利石+蒙脱石，热红外光谱反射率曲线主要解译矿物为石英+长石+碳酸盐等（图3）。砂岩短波红外光谱反射率曲线主要解译的矿物为伊利石+蒙脱石，热红外光谱反射率曲线主要解译矿物为石英。
图3TK-1井典型砂岩和泥岩岩心图像和红外光谱反射率曲线
a—TK-1钻井第130盒岩心图像，主要有泥岩（典型测点1、2、3）和砂岩（典型测点4、5、6）组成；b、c、d—典型泥岩短波红外光谱反射率曲线，主要解译矿物为伊利石+蒙脱石，泥岩岩心破碎程度大，光谱反射率较低；e、f、g—典型泥岩热红外光谱反射率曲线，主要解译矿物为石英+长石+碳酸盐，泥岩岩心较完整，破碎程度大，光谱反射率较低；h、i、j—典型砂岩短波红外光谱反射率曲线，主要解译矿物为伊利石+蒙脱石，砂岩岩心较完整，破碎程度小，反射率较高；k、l、m—典型砂岩热红外光谱反射率曲线，主要解译矿物为石英，砂岩岩心较完整，破碎程度小，反射率较高
3.1.2 蒙脱石和伊利石
蒙脱石、伊利石矿物组合占据了沉积岩黏土矿物的大部分（周张健，1994）。在TK-1钻井岩石中，伊利石和蒙脱石常常紧密伴生。伊利石的诊断吸收谷位置在1408 nm、2200 nm、2348 nm和2442 nm 附近，在2100 nm附近具有一个较宽的双吸收谷，混合了蒙脱石的伊利石在1455 nm具有反射特征，在 1910 nm具强水分吸收（郭娜等，2018a）。蒙脱石在 2208 nm附近表现出强烈吸收的特征，同时在1410 nm和1910 nm附近具有典型的吸收谷（郭东旭等， 2021）。根据伊利石-蒙脱石矿物组合的光谱曲线特征判断，伊-蒙矿物相对含量中等偏上，遍布整个钻井（图2）。伊-蒙黏土矿物中，伊利石含量高（图4）。应用伊利石在1910 nm与2200 nm 附近的吸收谷的相对吸收深度进行比值运算，可估算伊利石结晶度（Chang and Yang，2012）。提取钻孔TK-1钻井中的伊利石，并计算IC=1910 nm附近光谱相对吸收深度/2200 nm 附近光谱相对吸收深度，IC值与伊利石结晶度成反比（郭娜等，2019）。TK-1钻井岩心的伊利石IC值，整体具有一定的波动。IC值与石英含量具有反相关关系，随着IC值的升高，石英含量降低。而石英含量越高，在砂岩和泥岩中代表成分成熟度越高。因此，TK-1钻井伊利石的结晶度与砂岩、泥岩的成分成熟度具有正相关的关系（图2）。
图4TK-1井伊利石-蒙脱石矿物组合（以伊利石为主）短波红外光谱曲线图
3.1.3 高岭石和地开石
高岭石族矿物是TK-1钻井黏土矿物的重要组成部分，包括高岭石和地开石。高岭石的化学式为 Al2Si2O5（OH）4，红外光谱反射率曲线显著的特征是在 1400 nm和2200 nm波段出现双吸收谷（郭娜等， 2018b）。钻井TK-1岩心中，高岭石几乎遍布整个钻孔。高岭石有两种产状，一部分高岭石发育在岩石的内部，与伊利石+蒙脱石紧密共生，形成高岭石+伊利石+蒙脱石的矿物组合（图5a、b、c），另一部分高岭石呈细脉状产出，发育典型的高岭石脉（图5a、d、e）。钻井岩石中，并没有发现脉状的伊利石或蒙脱石，因此，高岭石的形成晚于伊利石。
地开石的红外光谱反射率特征虽然在形态上与高岭石类似，两者都在1400 nm和2200 nm波段处有双吸收谷。但是，两者的区别在于，高岭石在 1400 nm处的双吸收谷位置距离较近，一般10~15 nm；而地开石在1400 nm处的双吸收谷位置距离较远，可达到20 nm以上（郭娜等，2018b）。TK-1钻井3 6.49 m脉状发育的地开石，在1400 nm附近典型的双吸收谷是1382 nm、1412 nm，在2200 nm附近的典型双吸收谷是2186 nm、2208 nm（图6b）。TK-1钻井36.68 m的岩心段，岩心沿着地开石脉一分为二，整个地开石脉的裂隙面朝上放置，因此，红外光谱采集的数据，地开石信号非常强烈，双吸收谷显著，在1400 nm附近典型的双吸收谷是1383 nm、1414 nm，在2200 nm附近的典型双吸收谷是2180 nm、 2208 nm（图6c）。TK-1钻井37.63m脉状发育的地开石，在1400 nm附近典型的双吸收谷是1396 nm、 1412 nm，在2200 nm附近的典型双吸收谷是2186 nm、2207 nm（图6d）。
TK-1钻井的地开石集中分布于4~52.6 m深度的砂岩和泥岩中，常见为细脉状产出（图6），脉宽 0.1~0.8 cm不等。如图6a，第8盒岩心图像，主要由泥岩和砂岩组成，普遍发育地开石脉。地开石脉的形态非常不规则，有缝合线型，有“X”形相互剪切，有近乎直线型但不连续。通常情况下，砂岩中的地开石有两种形成形式：一种是成岩高岭石随埋藏温度升高和水/岩比增加的情况下转化而来；另一种是在较高温度下直接从富Si 和Al 的流体中沉淀出来 （热液成因）。若TK-1钻井砂岩中的地开石是随温度增加由高岭石转化而来，则根据地温梯度的计算必须埋藏很深（>3000 m）才能达到形成地开石的温度（伏美燕等，2012），而TK-1钻井岩心埋深小于 645 m。另外，沉积成因的矿物，在沉积岩中有明显的沉积层理和沉积构造，但地开石显然没有这样的特点。因此，TK-1钻井中的地开石可能是热液成因。
3.1.4 绿泥石
通常情况下，富Fe绿泥石吸收峰位置在2260~2265 nm，富 Mg 绿泥石吸收峰位置在2255~2260 nm，绿泥石的次一级结晶水吸收峰位置在1910 nm、 2000 nm（郭东旭等，2021）。TK-1钻井的绿泥石只有局部砂岩岩心以脉状形式产出，且大部分绿泥石的特征吸收峰位于2255~2260 nm，属于富Mg绿泥石。如图7，砂岩中发育的一些不规则构造缝，有明显应力痕迹的缝隙，可能是成岩后期的构造作用而形成。这些小型的构造缝被绿泥石填充形成绿泥石细脉，明显为成岩后期结晶的矿物。脉状发育的绿泥石及其周边岩体内发育的高岭石、伊利石表明，绿泥石的形成晚于高岭石、伊利石。
图5TK-1钻井典型高岭石-伊利石-蒙脱石黏土矿物组合
a—第121盒岩心图像，主要由泥岩和砂岩组成；b—钻井261.25 m处岩体内高岭石+伊利石+蒙脱石黏土矿物组合短波红外光谱反射率曲线；c— 钻井262.07 m处岩体内高岭石+伊利石+蒙脱石黏土矿物组合红外光谱反射率曲线；d—钻井262.03 m处脉状高岭石+岩体内高岭石+伊利石+蒙脱石黏土矿物组合红外光谱反射率曲线；e—钻井262.36 m处脉状高岭石+岩体内高岭石+伊利石+蒙脱石黏土矿物组合红外光谱反射率曲线
图6钻井TK-1（第8盒岩心）中地开石脉状发育
a—第8盒岩心图像，主要由泥岩和砂岩组成，发育地开石脉；b—钻井36.49 m典型脉状发育的地开石短波红外光谱反射率曲线；c—钻井36.68 m典型地开石脉裂隙面短波红外光谱反射率曲线；d—钻井37.63 m典型脉状发育的地开石短波红外光谱反射率曲线
图7TK-1钻井岩心绿泥石脉状发育
a—砂岩照片，砂岩构造缝被绿泥石填充，白色箭头处为典型绿泥石细脉；b—光谱测点1短波红外光谱反射率曲线，主要解译矿物为高岭石+伊利石，不含绿泥石；c—构造缝被绿泥石填充形成绿泥石细脉位置、光谱测试点2短波红外光谱反射率曲线，解译矿物为绿泥石+高岭石+伊利石
3.1.5 碳酸盐和石膏
TK-1钻井碳酸盐含量低，多数碳酸盐以脉状形式在砂岩中产出，脉宽0.1~3.0 cm。碳酸盐矿物的短波红外光谱特征在2340 nm附近处具有典型吸收谷，热红外光谱特征是在6000 nm处反射率突然抬升，第一处主反射峰在6500 nm附近，第二处中等强度反射峰在11300 nm附近（代晶晶等，2020）。TK-1 钻井中碳酸盐在2340 nm的吸收谷以及在6500 nm、11300 nm附近的典型反射峰非常明显。一些碳酸盐脉切穿或者截断了高岭石脉，显示碳酸盐矿物的形成晚于高岭石（图8）。
图8TK-1钻井典型碳酸盐脉与高岭石脉共生组合关系
a—含有碳酸盐脉和高岭石脉的砂岩照片，其中，碳酸盐脉切穿了高岭石脉；b—砂岩中碳酸盐脉和高岭石脉短波红外光谱反射率曲线；c—砂岩中碳酸盐脉和高岭石脉热红外光谱反射率曲线
石膏在短波红外典型的特征峰是在1449 nm、 1489 nm、1550 nm处有3个连续的吸收谷。TK-1钻井中石膏整体含量较少，主要分布在泥岩中。
3.2 矿物成分定量分析结果
为了补充验证本次红外光谱录井数据，挑选典型岩心样本进行矿物成分定量分析实验。矿物成分定量分析结果表明，TK-1钻井砂岩、粉砂岩中矿物以石英、长石、伊利石、高岭石、碳酸盐、云母以及少量的绿泥石、蒙脱石和石膏等组成，与红外光谱的矿物信息解译结果基本一致。其中，各矿物的质量分数，石英52.33%~85.09%，长石0~29.58%，伊利石1.13%~15.25%，高岭石 1.30%~16.06%，碳酸盐 （方解石+白云石+菱铁矿等）1.16%~17.15%，云母 （白云母+黑云母）1.05%~10.75%，绿泥石0.03%~2.13%（表1）。
表1QEMSCAN测试获取的TK-1钻井矿物类别及其质量分数
注：“/” 表示低于检出限。
总体上，岩石中石英含量最高，其次为长石、高岭石、伊利石、碳酸盐、绿泥石等。石英和长石以原生为主，样品普遍发育一些粒间孔、溶蚀孔，部分岩心段发育一些裂缝。钠长石溶蚀分为颗粒完全溶蚀和部分溶蚀两种情况，当长石颗粒完全溶蚀时，溶蚀孔更容易被方解石半充填或全充填；当长石颗粒边缘部分溶蚀时，更易被高岭石和伊利石所充填 （图9b）。
3.3 钻井岩心矿物信息提取
3.3.1 胶结类型和黏土矿物的形成顺序
TK-1钻井岩心有碳酸盐和黏土矿物两种胶结类型，碳酸盐在整个钻井中以脉状分布为主，少量以碳酸盐胶结的形式分布于岩石中，黏土矿物中，蒙脱石-伊利石只在岩体中发育，高岭石脉被碳酸盐脉切穿，砂岩中的碳酸盐脉从宏观和微观上的产状及其与黏土矿物的产出关系表明，碳酸盐胶结形成于黏土矿物胶结之后。
TK-1钻井，以砂岩、泥岩为主，矿物以石英含量最高，其次为长石、高岭石、伊利石、碳酸盐以及少量的绿泥石、蒙脱石、石膏、地开石等（图2）。石英含量高的砂岩抗破碎能力强，而石英含量低的泥岩抗破碎能力弱（图3）。钻井TK-1中的伊利石-蒙脱石矿物组合，以伊利石为主，蒙脱石含量较低。伊利石（＋少量蒙脱石）以黏土胶结物形式充填石英或长石颗粒溶蚀孔隙。高岭石有两种产状，一部分高岭石发育在岩石的内部，这部分高岭石与伊利石+蒙脱石紧密共生，形成高岭石+伊利石+蒙脱石的矿物组合（图5a、b、c），另一部分高岭石呈脉状产出，发育典型的高岭石脉（图5a、d、e）。钻井岩石中，并没有发现脉状的伊利石+蒙脱石。高岭石脉的发育表明，高岭石的形成晚于伊利石。整个钻孔绿泥石含量较低（图2），少量绿泥石以脉状形式发育在砂岩构造缝中（图7），而同一位置的高岭石、伊利石仅在构造缝隙周围的岩石产出，因此绿泥石形成晚于高岭石、伊利石。伊利石、高岭石和绿泥石的产状特征表明，TK-1钻井黏土矿物形成顺序为伊利石—高岭石—绿泥石。
3.3.2 黏土矿物对地质环境的约束
黏土矿物与油气的形成、运移、存储以及成岩过程、热液蚀变等密切相关（张景军等，2023）。伊蒙混层可划分为成岩程度较浅的以蒙脱石为主的混合层和成岩程度较深的以伊利石为主的混合层两种类型（罗瑞兰等，1985）。相较于以蒙脱石为主的伊蒙混层，以伊利石为主的伊蒙混层形成温度更高（周张健，1994）。在TK-1钻井中，伊蒙混层矿物主要以伊利石为主，而伊利石-蒙脱石矿物组合形成于近中性环境，形成的温度在50~250℃（罗瑞兰等，1985；周张健，1994；张启燕等，2022）。高岭石形成于相对酸性和氧化环境，形成温度范围为100~200℃（张启燕等，2022）。地开石与高岭石成分相同，属于高岭石的多型，其形成环境和高岭石类似，热液成因的地开石形成温度一般相对较高（>130℃）（伏美燕等，2012）。绿泥石形成温度一般为 150~350℃，TK-1钻井绿泥石富镁，可能代表了偏氧化的环境（刘燚平等，2016）。
油气生-储的理想条件需要合适的温度，沉积岩中黏土矿物胶结一般富含蒙脱石、伊利石和高岭石等。而TK-1钻井岩心中发育的高岭石脉，以及少量的地开石脉和绿泥石脉，代表了较高的形成温度和偏氧化的环境，可能是后期热液作用的产物。脉体形态不规则，呈缝合线或者相互剪切状，脉体的规模较小，有的含挤压痕迹，说明脉体的形成可能来源于小规模的构造活动。而这些小规模的构造活动和热扰动，可能会影响油气的运移和保存。因此在油气资源勘查过程中，需要关注绿泥石脉、地开石脉、高岭石脉发育较弱的区域。
图9TK-1井典型样品QEMSCAN矿物定量分析
a—193.03 m深度粉砂岩样品矿物组合，其中有一条较细的碳酸盐脉，由方解石和白云石组成；b—193.03 m深度粉砂岩样品矿物组合，长石颗粒被完全溶蚀后，方解石呈半充填状态，长石颗粒被部分或者完全溶蚀后，高岭石呈半充填状态；c—643.39 m深度泥灰质粉砂岩样品矿物组合，碳酸盐以脉状形式产出，有白云石脉和菱铁矿脉，其中菱铁矿脉含少量高岭石
3.3.3 红外光谱岩心录井的优势
造岩矿物、黏土矿物是羌塘TK-1井地质体成岩作用和沉积环境主要的信息载体，该钻井主要由砂岩、泥岩组成，绝大部分矿物颗粒粒度细小（0~130 μm），黏土矿物含量多，利用QEMSCAN精细分析了矿物含量、空间分布、矿物颗粒粒度等基本信息，用以验证红外光谱矿物信息提取的准确度。结果表明，红外光谱提取的矿物信息与QEMSCAN测试结果保持高度的一致性，符合实际地质情况（图9）。综上所述，本次研究认为，红外光谱岩心录井具有绿色、快速、无损探测矿物信息的特征，在识别细粒矿物、黏土矿物等方面优势显著，可以高效大批量地获取钻井沉积地质体矿物信息，是传统录井所获信息的重要补充。
4 结论
（1）羌塘盆地乌丽地区TK-1钻井岩心主要矿物有石英、斜长石、钾长石、伊利石、高岭石和少量的绿泥石、碳酸盐矿物、蒙脱石、石膏、地开石等。 TK-1钻井岩心砂岩主要的胶结类型包括黏土矿物胶结和碳酸盐胶结，且碳酸盐胶结形成于黏土矿物胶结之后。羌塘盆地TK-1钻井岩心中，伊利石的广泛发育、高岭石和绿泥石的脉状发育及其穿切关系表明，黏土矿物形成顺序为伊利石—高岭石—绿泥石。
（2）高岭石、地开石和绿泥石的脉状发育以及不规则的脉体形态和较小的脉体规模，代表了成岩后期存在小规模的构造活动和热扰动，可能会影响油气的运移和保存，因此在油气资源勘查过程中，需要关注绿泥石脉、地开石脉、高岭石脉发育较弱的区域。
（3）红外光谱技术具有绿色、快速、无损探测矿物信息的特征，在识别钻井岩心细粒矿物、黏土矿物等方面优势显著，可以高效大批量获取钻井沉积地质体矿物信息，是传统录井所获信息的重要补充。
致谢 论文在数据处理和解译过程中，南京优译谱科技有限公司首席科学家杨凯老师与河南工程学院卢燕老师给出了指导和帮助，多位审稿专家提出了宝贵的意见，在此深表感谢！
注释
① 中国地质调查局油气中心.2015. 青海南海乌丽地区评价报告 [R]，1-53.
