微区XRF在细粒沉积岩研究中的应用
随着非常规油气田的深入勘探和开发，细粒沉积岩成为重要的储层之一。虽然外表简单，但由于沉积速度较慢，细粒沉积岩的粒度较小，并且具有极强的非均质性和纹层结构的差异性。受到超微观察的限制，这类岩石的研究面临巨大挑战。
目前，地球化学分析法是研究细粒沉积岩的主要手段，包括XRD、传统XRF和ICP-MS等，可以用来研究岩石的矿物组成和无机地球化学特征。然而，这些方法需要将样品粉碎均一化，难以研究细粒沉积岩的非均质性。近年来，微区XRF（μXRF）逐渐成为研究细粒沉积岩的重要手段。μXRF具有高空间分辨率和元素分辨率的优势，可对整块岩石进行元素成分分析，同时保留样品的原貌，为致密油气的勘探开发提供更加精细和可靠的数据来源。
识别沉积构造
μXRF是识别细粒沉积构造的有效研究手段。下图显示了不同类型细粒沉积岩的元素分布图。图中第一行(a-e)显示了手标本的光学照片，包括白云质石灰岩、粉质泥岩、泥岩和页岩。第二行(f-j)显示了对应的元素铝(Al)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)和硅(Si)的分布情况。a中白云质灰岩的颜色没有显示出任何沉积结构，然而在对应的元素分布图f中，可以观察到一个富含钙的生物扰动结构，生物扰动结构暗示了浅水沉积环境；g显示样品下部没有分层，而上部富含铝、钾、硅的岩石中含有高量的钙和镁的碳酸盐岩碎屑，这些碎屑的形状不均匀，是快速沉积的信号；c中的泥岩通常是深水沉积的结果，然而，h显示了高含量的钙、镁和铝、硅的交互层，像树的年轮一样记录了干湿环境的交替周期；i显示了样本中部的高铝和高硅平行分层，底部有凹边侵蚀结构以及高铝、高硅的碎片，暗示流体力学发生了显著变化；j中可以看到页岩具有低含量的钙和镁，高含量的铝、硅和钾，并且呈现出垂直的层状结构。
图1. 细粒沉积岩典型样品手标本光学照片和元素分布
推断沉积物来源及成因
μXRF不仅可以识别细粒沉积岩的显微构造，还可以为推断沉积物来源和成因提供证据。沉积物中的元素来源和成因可能非常不同。来源可以分为内源和外源，成因可以分为自生和陆源碎屑。以硅为例，它主要包括内源自生二氧化硅(SGSi)和外源陆源碎屑二氧化硅(TCSi)。不同来源和形成机制的硅会影响岩石的可压性，可压性在非常规油气勘探开发中作为重要的评价指标，它决定了岩层的压裂的性能。其中SGSi的可压性优于TCSi。过去人们认为硅含量越高，可压性越好，但最近的研究发现，只有自生硅才具有可压性。
在细粒沉积岩中，钛通常来自陆源碎屑，具有稳定性，可以作为良好的陆源碎屑输入指示器。因此，可以使用Ti-Si图来区分二氧化硅是SGSi还是TCSi。铝通常来自粘土矿物，高铝暗示了陆源碎屑输入。而陆源石英的增加会降低铝含量。粘土矿物、钾长石和钠长石都含有铝和硅，而无论是SGSi还是TCSi，它们只含有硅。因此，根据不同的矿物化学公式和蒙脱土与纯石英的比例，在Al-Si图上建立了几个矿物边界，以确定硅的具体来源。
图2. 细粒沉积岩典型样品硅质类型识别
图2中，ab、cd和ef分别是页岩、粉质泥岩和粉砂岩。在a、b中，所有数据均匀地分布在SGSi和TCSi区域，表明两种类型的二氧化硅贡献相当，只有大约三分之一的硅来自蒙脱石。在c、d中，大部分数据位于TCSi区域，只有少数数据位于SGSi区域，大部分硅来自蒙脱石。在e、f中，几乎所有数据都位于TCSi区域，与c、d类似，主要是蒙脱石贡献的硅。
演绎古环境
利用细粒度沉积岩的μXRF数据还可以研究古环境。古环境包括气候、氧化还原条件、水深和盐度等方面。通过观察指示元素的分布图可以简单地分析古环境。
常见的指示元素及其含义如下：
高Al、K、Si、Ti含量和低Sr含量表示气候湿润、水深较深、盐度较低
高Cu和低Sr含量表示湿润气候、水深较深、盐度较高
高V和高U含量表示存在还原环境
图3. 古环境指数雷达图
从图3中各数据提取位置可知，Object-1和Object-2、Object-3和Object-4、Object-5和Object-6分别属于同一相。古环境指数雷达图显示，Object-1和Object-2的沉积环境为干旱气候、强还原条件、咸水和浅水环境；Object-3和Object-4的沉积环境为干旱气候、强还原条件、咸水和深水环境；Object-5和Object-6的沉积环境为干旱气候、强还原条件以及咸水和深水环境。
通过这种方式，可以利用细粒度沉积岩μXRF数据来重建古环境，并获得有关过去地球表面环境的宝贵信息。
μXRF技术在研究细粒度沉积岩中有广泛的应用前景。通过分析样品中元素分布信息，研究人员可以确定沉积构造、沉积物来源和成因，甚至可以重建古环境。这为深入理解地球历史提供了重要的线索和证据。随着技术的不断发展和进步，μXRF技术在地质科学领域的应用将会越来越广泛，并为我们揭示地球演化的谜团提供更多的解答。
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