[科普中国]-风化壳

简介

风化壳是一个地质概念，它指地质历史时期曾出露地表的地层，在经过一定时期的风化剥蚀，形成明显的风化剥蚀带后，再经过埋藏压实固结所形成的“壳体”或“壳带”。由于该“壳体”或“壳带”上部地层经过长时期的风化剥蚀，有发育的孔隙裂缝而具良好的储集性，其顶部又为风化土壤层经过埋藏压实固结形成的致密地层，具有良好的封隔性，从而成为一类有重要意义的地层圈闭而具特殊的石油地质意义。

风化壳有两种典型类型:基岩风化壳和沉积间断形成的风化壳岩体。前者在地质历史时期曾以山丘的地貌出现，现今也具有一定的山丘特征，因此也常称为潜山。

潜山型风化壳数量较多、岩性以碳酸盐岩为主，火山岩、变质岩次之，其油气储集意义较大，是风化壳型油气藏的主要类型。沉积间断形成的风化壳体以火山喷发岩体居多，也具有一定的油气储集意义，但一般不称潜山(一般称具一定风化剥蚀的火山喷发岩体)。1

成因风化壳形成的内因主要是成壳岩石的矿物组成。石灰岩风化过程中，主要是方解石的化学淋失，风化速度较快，残留物少，风化壳浅薄；玄武岩中的辉石、角闪石晶格能小，易于风化，形成风化壳也较厚；花岗岩中的主要矿物长石和石英晶格能大,抗风化能力强,风化速度较慢，但由于花岗岩的强烈崩解作用，水分广泛渗入，可形成深厚的风化壳；砂岩、页岩等沉积岩的组成矿物已经过风化作用，在地表条件下很稳定，风化速度较慢。按不同岩石的风化速度大小，可排列成如下次序：石灰岩>玄武岩>花岗岩>砂岩页岩。

影响风化壳形成的外因很多。首先是大地构造单元。在构造稳定的平坦地形条件下，风化壳形成的速度大于侵蚀速度，有利于形成深厚的风化壳；相反，在年轻的褶皱带，新构造运动剧烈，地形起伏大，坡陡谷深地区的风化壳一般较浅薄。其次是生物气候条件。同一种岩石在不同的生物气候条件下，形成不同的具有地带性特点的风化壳。在干旱气候条件下，风化作用微弱，甚至像方解石、石膏这样极易风化的矿物，在风化壳中也积聚起来，形成的风化壳较为浅薄。而在湿热气候条件下，风化作用强烈，风化壳中几乎无原生矿物，形成的风化壳也较深厚。再次是时间因素，同一种岩石在同样的生物气候条件下，由于风化作用的持续时间不同，形成的风化壳类型和特点也不一样。

风化过程 苏联Б.Б.波雷诺夫首先以发生学观点研究风化壳的地球化学，指出在自然条件下元素的迁移顺序不仅取决于该元素的物理化学性质，而且取决于元素的迁移条件。风化壳的形成可分成四个时期：第一时期，风化物丧失Cl和S的化合物；第二时期,风化物丧失碱金属和碱土金属盐基;第三时期是残积粘土时期,SiO2开始淋失；第四时期是富铝化时期，大量二、三氧化物积聚。2

风化壳的岩屑特点风化壳由于其特殊的岩性组合变化而具有突出的岩屑变化特征。概括起来，主要特点如下:

①风化壳顶面上下的岩性差别极大。其顶面以上多为沉积岩，而顶面以下依次出现土壤层、残积层、裂缝发育的风化淋滤带(此即风化壳的主体带)。

②当钻遇成岩性差、具造浆性的红壤或黄色土状物以及白色的“白玺土”时，则预不风化壳即将钻达。

③钻入风化壳中裂缝发育的风化淋滤带时，常出现钻时变化、钻具放空、钻井液漏失、憋钻、跳钻等“进山征兆”，岩屑中常有晶形完好的自形晶屑返出，据此可以进行综合判断。3

类型按风化壳所处的形成时期，可分成碎屑状风化壳、含盐风化壳、碳酸盐风化壳、硅铝风化壳、富铝风化壳。此外，还有在上述风化壳上发育的渍水风化壳。

碎屑风化壳处于风化起始阶段。主要形成于气候严寒、寒冻风化作用强烈的条件下，风化壳很薄。岩石的化学和生物地球化学风化作用弱。标志元素是 H、Al，标志化合物是化学分解微弱的原生矿物。细土物质常填充于石缝内,风化壳中尚残留易风化的角闪石和辉石,粘土矿物以水化度低的水云母为主，一般呈中性反应。3

含盐风化壳处于第一时期。形成于干旱、半干旱的条件下，盐分在风化壳中积累。在滨海地区，因海水浸淹亦可形成盐渍风化壳。标志元素是Cl、Na、S(Ca、Mg),标志化合物是碱金属和碱土金属的氯化物和硫酸盐，呈碱性反应。

碳酸盐风化壳处于第二时期。在暖温带和温带干旱、半干旱条件下,随着大部分易溶盐类的淋溶,不易溶解的碳酸盐开始移动。碳酸盐中主要是 CaCO3。CaCO3积聚的程度取决于生物气候条件和岩石中Ca的含量。标志元素是Ca、Mg，标志化合物主要是Ca、Mg的碳酸盐。Si、Fe、Al等很少移动。粘土矿物以水云母- 蛭石为主。呈碱性反应。

硅铝风化壳处于第三时期。形成于暖温带、温带和寒温带半湿润条件下。易溶盐类淋失殆尽，碳酸盐也基本淋失。标志元素是 H、Al、Fe、Si，标志化合物为Al2O3、Fe2O3和SiO2等。Fe从硅酸盐矿物中分离出来，由低价氧化物变成游离的氢氧化物，风化壳呈褐色或棕色。风化壳中Ca、Mg、K、Na的氧化物含量减少,硅铝率稍为变小。粘土矿物为 2:1型，蛭石和过渡矿物有明显增加。呈中性或微酸性反应。3

富铝风化壳处于第四时期。形成于湿润的热带、亚热带，风化作用强烈，元素迁移活跃。硅酸盐原生矿物基本分解，硅强烈淋失，而Fe、Al、Ti的水化氧化物相对积聚,风化壳呈鲜明的红色。标志元素是H、Al、Si、Mn、Fe，标志化合物为Al2O3、Fe2O3、SiO2的水化物。风化壳的硅铝率在2以上,粘土矿物以高岭石和三水铝矿为主。呈酸性反应。

渍水风化壳长期处于淹水还原条件下，Fe、Mn还原，使原来包裹土粒和结构物体表面的胶膜消散，并沿剖面向下移动，发生渍水离铁作用，并在一定部位出现锈纹和锈斑。标志元素是Fe、Mn，标志化合物是Fe、Mn的化合物。这个类型可以发育在上述各类型风化壳上。4

按氧化还原概念，风化壳可分成氧化系列和还原系列两类。按物质平衡，风化壳可分成淋溶型(负的)、累积型（正的）和过渡型（对于一些化学元素是正的，而对于另一些化学元素是负的）。按风化壳形成年代，风化壳可分成现代风化壳（第四纪或在冰后期形成）和古风化壳（第四纪前形成）。

标志风化程度： 风化壳中岩石的风化程度是因深度而不同的，表层风化程度较深，深处风化程度较浅，以致逐渐过渡到未风化的母岩。

风化壳的厚度：取决于气候、地形、构造等许多因素。一般说来，在气候湿热、地形平坦、构造活动比较稳定的地区，风化作用较强，剥蚀作用较弱，风化残余物质易于保存，故风化壳厚度较大。在相反的条件下，风化壳厚度就较小，以至为零。

时期：风化壳分为现代的和古代的，两者常以第三纪作为划分界限。由于保存条件的限制，古风化壳大都已残缺不全了。另外，古风化壳由于已经经历了成岩作用及后生作用的变化，它们已与现代的风化壳有很大的不同，它们实际上已经算是没有经过搬运的沉积岩了。古风化壳有很大的地质意义和经济意义，因为它是地壳上升、沉积间接、不整合的重要的标志，是古气候、古地理分析的重要依据，其中常蕴藏着一些重要的金属和非金属矿床（如高岭石矿、铝土矿、铁矿、镍矿等），在古风化壳中或其下带可以形成油气藏，如潜山油气藏。

风化壳垂直分带：土壤层、残积层、半风化层。3

风化壳地层岩屑录井的重要意义由于风化壳的主体为裂缝发育储渗条件优越的风化淋滤带，其上覆盖的沉积物又常常具有生油潜力和封盖条件，因而风化壳常常成为优越生储盖组合和高产油气藏的所在。由于钻入风化壳之前和之中有明显的岩屑特征显不和预兆。因而可以根据岩屑录井资料预报接近和进入风化壳的$}离，据此可以提前准备必要的钻井工程措施和加密地质录井，以发现可能的油气层和避免钻井事故发生。我国任丘油田的发现，就有岩屑录井的一份重要功劳。1