基于矿物学的下泥盆统硅质碎屑岩层序地层学研究：阿拉伯东部地区

《Journal of African Earth Sciences》：Mineralogy-based sequence stratigraphy of the Lower Devonian siliciclastic successions: Eastern Arabia

矿物学、沉积环境与层序地层学关系研究显示，下志留统及上覆中-上志留统 deposits 可划分为 M1-M3 三个矿物带，分别对应石英富集的浅海环境（M1）、碳酸盐及长石增加的三角洲环境（M2.1-M2.2）和河流环境（M3）。XRD 与测井数据表明矿物组合可有效划分层序边界，伊利石含量影响储层物性及测井响应，揭示 Milankovitch-like 气候旋回

　　

Mohamed Soua | Hasan Algheryafi

沙特阿美公司，沙特阿拉伯达兰

摘要

在科学界，建立矿物学、地球化学和层序地层学之间的关系已经被广泛研究。在本研究中，通过矿物学和粘土矿物学来评估下泥盆统以及部分上覆中泥盆统至晚泥盆统沉积物中的这种关系。分析的层序具有两个明显的矿物带：矿物带M1以丰富的石英、缺乏高岭石和长石为特征；矿物带M2进一步分为两个亚带M2.1和M2.2，其特点是石英含量减少而碳酸盐和长石含量显著增加。亚带M2.2产生大量的绿泥石，这种特征在早泥盆统与中晚泥盆统边界处逐渐减弱。矿物带M3与中晚泥盆统沉积物相关，表现为石英含量增加、长石和碳酸盐含量减少，并在顶部产生大量的高岭石。沉积环境和矿物带之间存在明显的关系，河流系统与矿物带M3相关联，而河口环境大致对应于矿物带M2。对下泥盆统粘土矿物学的分析证实了先前的研究结果，并提供了关于关键矿物学参数的见解。

石英/粘土比率是判断颗粒大小的有用指标，在本研究中用于模拟层序地层。高岭石含量的增加被用来解释层序边界。此外，矿物学数据可能显示出泥盆纪时期的米兰科维奇式气候周期性，沉积模型可作为轨道驱动的沉积周期识别的代理指标。下泥盆统显示了5.5个周期，表明该时期为浅海环境，持续时间为200万至220万年。

引言

下泥盆统通常由五个不同的成员组成（例如，Powers等人，1966年；Powers，1968年；Wallace等人，1996年、1997年；Janjou等人，1997年；Al-Husseini和Matthews，2006年；Breuer等人，2015年）。上埃姆西亚段被中晚泥盆统的砂岩序列不整合地覆盖（Wallace等人，1996年、1997年；Janjou等人，1997年）。这一明显的侵蚀边界将上埃姆西亚潮间带砂岩与中晚泥盆统河流砂岩分隔开来，标志着沉积环境的突然变化，构成了一个三级层序边界（Breuer等人，2015年；Al-Juboury等人，2020年、2024年）。

根据现有的少量公开数据，各种粘土矿物（特别是伊利石和绿泥石）的性质和分布以及沉积环境似乎对下泥盆统的储层质量有显著影响（Rutty等人，2002年；Cocker等人，2003年）。在其他古生代硅质碎屑单元（如Tawil组，Wender等人，1998年；Soua，2019年）中发现的硅质胶结作用在下泥盆统序列中不存在。自生伊利石粘土以孔隙衬里、桥接丝状物和颗粒涂层的形式存在，但对储层砂的胶结作用较弱（例如，Cocker等人，2003年）。保持这些深埋砂岩高孔隙度的主要因素是伊利石颗粒涂层，它阻止了石英的胶结（例如，Al-Ramadan等人，2004年）。

如果忽视储层砂中的伊利石存在，可能会由于其对测井响应的显著影响而对地层评价产生不利影响（Muramoto和Elders，1984年；Zorski等人，2011年；Herron等人，2011年；El-Gendy等人，2017年；Venieri等人，2021年；Fu等人，2024年）。导致电阻率降低的主要因素是与伊利石相对较高的阳离子交换容量（CEC）相关的结合水（例如，Cheng和Heidari，2017年；Fernandes和Baeyens，2019年；Arthur等人，2020年）。此外，下泥盆统砂体中的伊利石还会增强伽马射线（GR）响应（例如，Al-Jafar和Al-Jaberi，2022年；Mahmoud和Marashdeh，2023年；Salisu等人，2024年），这主要受铀（U）、钍（Th）和钾（K）含量的影响（例如，Ruffell等人，2006年；??nar等人，2017年；Soua，2019年）。此外，这种粘土的存在可能会减少中子密度测井中观察到的“气体效应”（例如，Yang和Lee，2018年；Zhang等人，2024年）。这种现象可以归因于伊利石带来的较高表观中子孔隙度和氢指数（例如，Bouton等人，1996年；Edge，2015年）。

本文重点关注下泥盆统区间，并通过X射线衍射矿物学方法将其与上覆的中晚泥盆统区分开来。本研究旨在利用矿物学数据集作为表征沉积环境的工具，并为阿拉伯东部地区的地下地层构建基于矿物的地层框架（图1）。该研究的地层控制基于已建立的生物地层分区（D3B孢粉带及相关组合；Breuer等人，2015年）、区域公认的层序边界（Al-Husseini和Matthews，2006年），以及与沙特阿拉伯西北部和阿曼地下剖面的岩石地层对比（详细地质背景见第2节）。

部分摘录

地质背景

沙特阿拉伯东部的下泥盆统沉积在一个克拉通内盆地环境中，沉降作用很小（Al-Husseini和Matthews，2006年）。在早泥盆世（晚普拉吉安期至埃姆西亚期），研究区域位于大约45°S的古纬度，位于冈瓦纳大陆的北部边缘。

该时期的区域沉积模型是一个受轨道驱动的沿海平原到三角洲环境，沉积在一个宽阔、低起伏的陆架上（

材料与方法

当前研究的主要关注点是早泥盆世（晚普拉吉安期至埃姆西亚期）。为了描述上述层序，还选取了上覆的中晚泥盆统样本。本研究共分析了172个岩芯样本。

利用X射线衍射仪（XRD）为两口井生成了矿物学数据集，并将其与测井数据和岩芯描述相结合。

X射线衍射批量矿物学

图3a、图3b（a和b）和图4展示了来自井1和井2的批量矿物学分析结果。这些样本主要是相对纯净的砂岩，富含长石，并含有少量泥质成分。井1中碳酸盐矿物的平均含量约为15%，尽管大多数样本中的碳酸盐含量很低或几乎没有。下泥盆统中的碳酸盐主要由安山石组成，其d间距为2.90 ?-2.91 ?（图3a；

矿物分区

一种使用矿物的相关方法称为矿物分区。在大多数研究中，仅选择五到十种矿物进行表征和相关分析。创建的分区是基于分辨率逐渐提高的区间识别，类似于其他地层技术。

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一级 = 区域

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二级 = 亚区

在本研究中，“矿物带”是一个通用术语，用于描述任何区域或亚区。

结论

对阿拉伯东部下泥盆统的矿物学分析得出了几个结论。本研究过程中强调了以下结果：

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根据XRD批量矿物学和粘土矿物学分析，识别出三个不同的矿物带和四个亚区。矿物带M1以丰富的石英、缺乏高岭石和长石（包括斜长石和钾长石）以及伊利石和混合层I/S粘土为主。这一区域对应于浅海环境

CRediT作者贡献声明

Mohamed Soua：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。Hasan Algheryafi：撰写——初稿、可视化、方法论、调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢沙特阿美公司提供数据并允许发表本文。我们感谢达兰勘探岩芯实验室的工作人员在X射线衍射分析和样品制备方面的协助。同时，我们也感谢主编Damien Delvaux博士、副主编Remi Charton以及两位匿名审稿人的详细而有见地的评论，这些评论显著提高了本文的质量和清晰度。