摘要
自然界中的大多数有机质都与无机矿物结合在一起，因此有机质和无机矿物间的相互作用一直备受关注。在含油气盆地中，蒙脱石是有机质的最主要载体，蒙脱石结构表面上的固体酸位被认为是有机质生烃的重要催化剂。在成岩过程中，蒙脱石的结构在伊利石化作用和酸碱流体的改造下会发生显著的变化,这种变化是否会对蒙脱石的固体酸性产生改造，进而影响蒙脱石对有机质生烃的催化作用呢？这一问题对理解生烃机理具有重要意义，值得深入探究。 有鉴于此，本文设计了两组模拟实验，分别使用高温高压水热实验和酸碱溶液处理模拟蒙脱石在成岩作用中的伊利石化作用和酸碱环境变化，并测试实验产物的固体酸性。本文的水热实验的条件设置为50Mpa下反应10d，反应温度为250℃、300℃、350℃、400℃和450℃；酸碱溶液处理的条件设置为室温下反应14d，溶液为pH=1和pH=3的盐酸溶液，pH=11和pH=13的氢氧化钠溶液，控制组为pH=7的去离子水溶液。取得实验产物后，使用X射线衍射，红外光谱和扫描电镜-能谱分析其结构变化，使用氨气吸附-程序升温法和吡啶红外法测试其固体酸性。 X射线衍射和元素能谱测试结果表明，高温高压水热实验成功模拟了伊利石化作用，获得了具有不同伊利石化程度的蒙脱石/伊蒙混层样品。固体酸的测试结果表明，随着水热反应中伊利石化的进程，蒙脱石/伊蒙混层的固体酸总量逐渐下降，且Bronsted酸(B酸)和Lewis酸(L酸)的含量呈现出不同的变化规律。对于B酸，在伊利石化的前期其含量逐渐增加，而在伊利石化的后期逐渐减少。通过对其晶体结构的分析，推测伊利石化前期蒙脱石/伊蒙混层的B酸的变化主要与伊利石化过程中蒙脱石层四面体的Si4+/Al3+替代引起的层间电荷变化有关；伊利石化后期B酸的变化则与伊蒙混层中蒙脱石层的比例大幅降低有关。对于蒙脱石/伊蒙混层的L酸，排除水热实验中溶解-重结晶不匹配的现象后推测其含量随着伊利石化的进程逐渐下降。其原因可能为蒙脱石八面体层的Al3+持续溶出，参与到四面体层中的Al3+/Si4+替代中。将水热实验的结果进一步推广到地层条件中，意味着成岩作用的前期蒙脱石/伊蒙混层大量的B酸能催化蒙脱石层间有机质的早期裂解生烃；而在成岩作用的晚期，B酸量大量减少，同时有机质被排出层间，与有机质接触的固体酸类型从B酸转换为L酸。由于伊利石化的晚期往往对应着有机质的裂解阶段，而L酸对裂解反应并无催化作用，因而蒙脱石伊利石化的后期可能不是一个有利的生烃时期。因此，有机质的生烃可能并不是由埋藏温度单一因素控制，而同时受到无机矿物演化协同演化的影响。 在酸碱溶液处理的实验中，结果表明酸性和碱性环境均能够改变蒙脱石晶体的结构，进而改变其固体酸性。在酸性环境中，随溶液酸性的增强蒙脱石的B酸和L酸量均大幅增加。其原因可能为酸性溶液中的原因为H+离子进入层间提高了层间水的极化能力，以及晶层边缘溶蚀产生更多的Al3+和Si-O的暴露。尽管地层中流体的酸性远低于本文实验中使用的溶液，但推测地层中较高的埋藏温度和极长的埋藏时间能够补偿地层环境中酸碱浓度的不足，对蒙脱石的固体酸性产生积极的影响。这意味着地层条件下生烃作用早期有机质脱羧反应产生的有机酸可能提高蒙脱石的固体酸性，且伊利石化前期较高的L酸催化脱羧反应，进一步加强了这一影响。在碱性环境下，pH=11的弱碱环境小幅提高了蒙脱石的B酸和L酸量，而pH=13的强碱溶液则造成蒙脱石的Al元素过度溶出，造成L酸的大量降低。这可能意味着蒙脱石的结构对于碱性环境更为敏感，在地层条件下如果存在合适的碱性环境，也能对蒙脱石的固体酸性产生积极的影响。
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