江陵凹陷古近系沙市组含膏盐岩系沉积特征研究

沈均均, 陈 波*, 王春连, 宋换新, 周晓峰, 周 林

1)长江大学非常规油气湖北省协同创新中心, 湖北武汉 430100; 2)中国地质科学院矿产资源研究所, 国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室, 北京 100037

江陵凹陷古近系沙市组含膏盐岩系沉积特征研究

沈均均1), 陈 波1)*, 王春连2), 宋换新1), 周晓峰1), 周 林1)

1)长江大学非常规油气湖北省协同创新中心, 湖北武汉 430100; 2)中国地质科学院矿产资源研究所, 国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室, 北京 100037

研究发现, 在江陵凹陷中南部梅槐桥向斜带内沙市组发育两套膏盐岩层。通过对钻井、岩心、地震资料的分析, 明确了膏盐岩的岩性、电性及地震响应特征: 岩性变化主要为由湖盆中心至边缘膏盐类矿物的含量越来越低而陆源碎屑物质含量越来越高; 电性特征表现为低伽马、低密度、高电阻、中子趋于0、扩径明显; 在地震剖面上表现为强振幅、低频率的反射特征。结合研究区古气候和古构造背景, 对沙市组两套膏盐岩的沉积特征进行分析, 结果表明, 两套膏盐岩在凹陷内的分布差异巨大且沉积中心具有向南迁移的趋势, 物源、古地貌和湖平面变化三种因素的综合作用是造成这种差异的主要原因。最后总结出研究区沙市组所沉积的膏盐岩是一种“非匀称补给”的成盐模式, 主要形成于湖盆基准面下降晚期浅水蒸发沉积环境中。

江陵凹陷; 沙市组; 膏盐岩; 沉积特征; 成盐模式

江陵凹陷位于中扬子地台江汉盆地西南部, 是盆地内最大的次一级构造单元, 面积6500 km2, 是在侏罗纪末期燕山变形褶皱基底上形成的晚白垩—下第三系断陷湖盆。凹陷的发展经历了早期的伸展断陷阶段、中期走滑拉张阶段、后期的挤压抬升剥蚀阶段。凹陷的东界为清水口断层, 西为问安寺断层, 南为公安松滋断层, 北为纪山寺断层, 它们共同控制着凹陷的形成和发展(杨长清等, 2003; 张永生等, 2005; 卢明国等, 2007; 刘俊等, 2008), 以万城断层为界, 凹陷现今的构造格局表现为“东西分块、南北分带”的特点(图1)。研究区沙市组由底至顶可划分为四段, 分别为沙四段、沙三段、沙二段、沙一段, 两套膏盐岩分别位于沙四段和沙一段。近年来, 公开发表了众多关于江陵凹陷沙市组区域构造、膏盐岩沉积古环境、盐韵律特征及构造形态方面的文献(刘成林, 2013; 刘成林等, 2013a, b; 王春连等, 2012, 2013a, b; 张永生等, 2005; 尤英等, 2013), 但在这些文献中均未见有对沙市组膏盐岩沉积背景、沉积体系展布、成因及成盐模式方面的相关报道。针对以上问题, 运用井震结合的研究方法, 从宏观上对沙市组含膏盐岩系沉积特征进行了研究, 明确了两套膏盐岩的时空分布规律、发育的主控因素、成因及成盐模式, 这对研究中国南方相似构造背景下的陆相第三纪断陷湖盆中膏盐岩的发育及分布规律具有重要的指导意义。

1 膏盐岩地层的发育特征

通过对研究区钻井、地震、取心资料的详细分析, 归纳出了研究区沙市组岩性特征、膏盐岩的测井识别标准及其地震响应特征。

1.1 岩性特征

在对研究区 30口含膏盐岩井及 3口取心井的岩心资料仔细分析后, 认为沙市组地层主要具有以下四个方面的特征:

(1)从沙四段至沙一段膏盐岩的含量逐渐降低,而砂泥岩的比重逐渐增大, 从底至顶整体表现出从盐岩→钙芒硝岩→膏岩→砂泥岩→膏岩→盐岩这样一个由淡化-咸化的变化规律(图2)。

(2)研究区陆源碎屑沉积物粒度较细, 主要为杂色、棕红色泥岩夹薄层的粉砂岩, 未见有砾质沉积物(图 2), 粗砂岩和中砂岩仅在靠近凹陷北部边界的拾桥单斜带内可见(G2井), 泥岩内部一般发育块状层理。主要出现的层位为沙二段、沙一段底部。

(3)膏盐岩在沙市组地层中存在以下三种发育形式: ①盐岩层: 为纯的石盐, 颜色以浅褐灰色-灰白色为主, 颜色不均, 成色调韵律层(图 3A), 少部分由于外来物源的影响, 使铁质混入其中而表现为黄褐色(图 3B)。盐岩晶体有一定的透明度, 具有玻璃光泽, 为巨晶级、他形, 一般夹有棕色、棕红色的泥岩。②膏岩-泥岩薄互层: 常表现为深灰色、灰黑色泥岩与灰白色泥膏岩、膏岩互层。石膏晶体多呈针状或雪花状, 易破碎, 部分由于挤压蠕动变形,呈竹叶状顺层分布于泥岩中(图3C)。泥岩与石膏呈渐变接触, 这种类型在本区主要发育于沙三段与沙二段中下部。③盐岩充填于砂泥岩裂缝中: 砂泥岩性脆, 在构造应力下易发生破碎形成裂缝, 盐岩在高温高压下易发生“盐流动”, 从而充注于裂缝空隙中重结晶(图3D)。这种类型在研究区较为少见。

图1 江陵凹陷工区位置图及构造单元划分Fig. 1 Location of Jiangling Depression and division of tectonic units

图2 Fu2井沙市组地层综合柱状图Fig. 2 Composite stratigraphic columnar section of Shashi Formation in well Fu 2

图3 江陵凹陷沙市组蒸发岩岩性特征Fig. 3 Lithologic characteristics of evaporation salt minerals of Shashi Formation in Jiangling Depression

(4)碳酸盐岩在研究区不发育: 盐湖盆地中, 一个完整的蒸发序列包括碎屑岩→碳酸盐岩→硫酸盐岩→盐岩(刘成林等, 2013; 邢万里等, 2013)。在对研究区 200余口探井资料研究后发现, 碳酸盐岩沉积序列并不发育, 其分布也具有一定局限性, 并非在典型的盐湖盆地中, 各类析出顺序不同的蒸发岩围绕湖盆呈“环带状分布”的模式, 仅在凹陷西南缘公安单斜带内的 Lu13井沙市组底部发现有较厚的泥质灰岩与灰岩互层沉积, 累计厚度达 110 m;公开发表的文献中, 也只是报道了在凹陷南部边缘的B103井沙市组地层中发育有碳酸盐岩沉积(王春连等, 2012, 2013a, b), 并未见有报道在凹陷中北部发现碳酸盐岩的相关文献。湖相碳酸盐岩形成条件较为复杂, 一般发育于构造活动相对稳定阶段, 物源所影响不到的地区(潘立银等, 2009; 夏青松等, 2003), 其沉积水体较浅, 要有一定的封闭性和盐度(邓运华等, 1990, 1991; 唐鑫萍等, 2012)。江陵凹陷北部为主要的物源区, 以陆源碎屑沉积为主, 而南部则是膏盐岩的汇聚区, 因此只有在凹陷南部远离物源地势低洼的浅水封闭区域, 才有可能沉积一定厚度的碳酸盐岩。通过上述分析, 也可以推测, 江陵凹陷南部可能没有物源或物源量很小, 不是主要的物源方向。

1.2 电性特征

通过对测井与岩心资料的综合分析, 建立了研究区主要膏盐岩类型的测井识别标准:

(1)膏质盐岩: 自然伽马值极低(在研究区所有岩性中为最低), 一般在25~35 API; 电阻率为高阻;密度值低(研究区膏盐类矿物中最低), 一般为2.1~2.3 g/cm3; 声波时差一般在 180~235 μs/m; 中子曲线趋于 0(图 2); 由于盐岩易溶于水, 因此在水基泥浆下扩径明显。

(2)泥膏岩: 自然伽马低值, 一般在30~45 API;电阻率为高阻; 密度值在研究区已发现的膏盐类矿物中最高, 为 2.7~2.9 g/cm3; 声波时差一般在185~200 μs/m; 中子曲线趋于 0; 由于膏岩不易溶于水, 水基泥浆下井径曲线正常。

研究区所发育的这两类主要的蒸发岩, 在进行测井解释时, 通过以上测井组合序列能很容易识别出来, 而区分这两类岩性, 主要是根据密度和井径曲线的差别。

1.3 地震响应特征

盐岩密度低, 地震波传播速度快。由于其特殊的沉积环境, 一般不与砂岩直接接触, 而是与泥岩互层, 因此可以形成很高的波阻抗差, 形成强反射界面(杨长清, 2004; 胡炳煊等, 1984)。在地震剖面上一般表现为强振幅, 低频率的反射特征(谢泰俊等, 1983; 屈红军等, 2003; 余一欣等, 2011)。而在凹陷内部远离物源的沉积中心(沙市构造、资福寺洼陷、弥陀寺洼陷), 由于盐岩层上覆沉积地层厚度大,在盐岩层易形成较高的温度和压力, 高温高压下盐岩易塑性变形, 发生“盐流动”, 在地震剖面上表现出不连续-杂乱反射的特征。通过以上膏盐岩的地震响应特征并结合钻井资料, 在研究区共识别出了三种盐构造样式:

(1)盐断鼻: 盐岩由于“盐流动”, 沿着断裂一侧上拱形成盐核, 核部地层厚度明显加厚, 内部成层性差, 地震剖面上表现为不连续-杂乱反射特征。此种构造类型在研究区的发育规模和隆升幅度较小(图4A), 主要出现于南岗构造带。

(2)盐枕: 地震剖面上呈底平顶凸的丘形。沙市组中上段、新沟咀组、荆沙组地层向上隆升, 呈较为对称的背斜形态; 沙市组中下段呈杂乱反射特征,地层厚度较两翼有较为明显的增加。已有少数井钻至盐核顶部(H2井等), 证实为沙市组下部地层(图4B)。主要出现于李家台、沙市构造带。

(3)盐背斜: 背斜下部的核体为盐体, 其形态控制了盐上层的形态。地震剖面上, 盐核部隆起幅度较大, 一般错断了顶部地层, 但断层没有伸入盐核内部, 与两翼地层厚度差异也非常明显(图 4C)。主要出现于荆州背斜带。

2 沙市组含盐岩系沉积特征

通过对江陵凹陷古近系沙市组层序地层的划分与对比以及沉积特征的研究, 认为沙市组沉积期主要经历了两次大的沉积旋回: 沙下段沉积期(沙四段和沙三段)和沙上段沉积期(沙二段和沙一段),每一次旋回均代表了一次水体由淡化到咸化的变化过程, 与盆地内其他凹陷相比有一个明显的区别就是在两次旋回的末期均沉积了一套膏盐岩。

图4 江陵凹陷沙市组含盐岩系地层地震反射特征Fig. 4 Seismic reflection characteristics of Shashi Formation gypsum-salt rocks in Jiangling Depression

2.1 纵向上盐韵律类型及其变化特征

由于沉积环境变化快, 加之成盐期构造活动性的差异, 不同地区陆相含盐层系或层序结构和成盐作用各有不同(张永生等, 2005)。为了深入了解研究区不同构造部位蒸发岩的析出特点及变化规律, 笔者对研究区 30多口含有蒸发岩的测井岩性剖面进行了细致的研究, 在研究区一共识别出了 5种类型的Ⅲ级盐韵律(单个韵律层一般在几米到几十米),认为其具有以下规律:

图5 江陵凹陷沙市组Ⅲ级盐韵律类型Fig. 5 III salt rhythm of Shashi Formation in Jiangling Depression

(1)受湖平面快速、频繁变化的影响, 纵向上组成盐韵律的蒸发岩类型较为单一。通过对岩性、测井剖面的细致研究, 研究区所识别的五种盐韵律类型中, 每种盐韵律一般仅由2~4种矿物组成(图5)。A类由两种盐韵素组成, 成盐序列从泥膏岩快速淡化为泥岩, 再从泥岩快速咸化为泥膏岩, 在本区较为常见, 主要出现于洼陷的边缘; B类较 A类蒸发强度稍有增强, 出现纯膏岩层且厚度较大, 从泥岩直接过渡至泥膏岩再过渡至膏岩, 主要出现于洼陷中心向洼陷边缘的过渡区域; C类从泥岩直接过渡至钙芒硝岩; D类蒸发强度较大, 出现膏盐岩层, 从泥膏岩直接过渡为膏质盐岩; E类较D类成盐期更为短暂, 蒸发强度更大, 从泥岩直接过渡为膏质盐岩, 后三类主要出现于洼陷中心。上述五种类型的盐韵律表明沙市组沉积期, 湖水蒸发强度大, 湖平面的变化快速而频繁, 成盐期和淡化期时间非常短暂, 导致其在淡化和成盐过程中缺失大量过渡类型的蒸发岩。

(2)同一凹陷中, 在不同地区, 盐韵律类型差异很大。一般来说, 洼陷的中心地势较低, 为有利于蒸发岩的汇聚区域, 湖水的盐度高, 主要沉积蒸发析出序列靠后的蒸发岩; 洼陷的边缘地势相对较高,不利于蒸发岩的汇聚, 湖水盐度相对较低, 主要沉积蒸发析出序列比较靠前的蒸发岩, 从洼陷的中心至边缘, 其盐韵律类型表现出从 D(E)→C→B→A的变化规律, 即膏盐岩的含量相对降低, 而泥岩、含膏泥岩及膏泥岩含量相对增加。

2.2 横向上含膏盐岩系的变化特征

通过对南北向连井沉积对比剖面的分析, 并结合盐韵律类型在横向上的变化规律, 认为江陵凹陷沙市组含膏盐岩系与陆源碎屑砂岩呈明显的“互为消长”的关系。由于膏盐岩与砂岩的沉积方式不同,导致二者在湖盆中所发育的区域有所不同。砂岩属于机械沉积, 主要出现于湖盆边缘; 膏盐岩属于化学沉积, 一般出现于湖盆沉积的沉降中心。虽然两者的沉积方式及出现区域有所不同, 但通过层序地层理论进行的地层划分及沉积对比结果显示, 两者表现为“同期异相”, 且两者不能直接接触, 呈“此消彼长”的关系(杜海峰等, 2007, 2008; 胥菊珍等, 2003; 柳保军等, 2004), 即砂岩的发育会抑制膏盐岩的沉积, 反之则有利于膏盐岩的沉积(图6)。

图6 G2井-Fu2井-H2井-AD1井沙市组连井沉积对比图Fig. 6 Well correlation diagram between well G2, well Fu 2, well H 2 and well AD 1

2.3 平面上含膏盐岩系的分布特征

江陵凹陷沙市组沉积期, 膏盐岩的分布十分广泛, 主要集中于凹陷内受物源影响较小的次一级洼陷中, 如梅槐桥洼陷、资福寺洼陷。从湖盆的中心至边缘, 膏盐岩含量减少而碎屑岩含量增加(徐磊等, 2008)。随着构造背景的转变及湖盆的演化, 不同时期膏盐岩的沉积中心及沉积规模有所不同。在膏盐岩集中发育的区域内, 其下伏地层中物性较好的碎屑岩即有可能储集丰富的富钾卤水。

沙四段沉积期, 砂岩分布范围较小, 主要出现在拾桥单斜带北部 G2井附近; 碳酸盐岩的分布较为局限, 仅出现于凹陷南部公安单斜带内, 呈条带状沿公安断层分布; 膏盐岩分布则十分广泛且沉积厚度巨大, 集中分布于凹陷中部荆州背斜带与梅槐桥向斜带内(图 7), 这一时期盐湖发育处于鼎盛期,其沉积中心位于荆州背斜带内Fu2井附近, 膏盐岩的厚度达700 m(地震剖面上读取)。

图7 江陵凹陷沙市组沙四期沉积相平面分布图Fig. 7 Sedimentary facies map of the fourth member of Shashi Formation in Jiangling Depression

图8 江陵凹陷沙市组沙一期沉积相平面分布图Fig. 8 Sedimentary facies map of the first member of Shashi Formation in Jiangling Depression

进入沙一段沉积期, 砂岩沉积范围明显扩大,北部的南荆水系向南推进至 L2-L26-L61-S18井一线附近; 西部的枝江水系向东推进至ES21-ES20-ES10-Lu1井一线附近, 膏盐岩的沉积中心则向南迁移至资福寺洼陷内的H2井附近(图6, 8), 累计厚度仅91 m。由于陆源碎屑供应量的加带内则以泥岩、膏泥岩夹泥膏岩、粉砂岩沉积为主。

3 研究区膏盐岩的成因及其成盐模式

3.1 沙市组膏盐岩地层的成因

通过查阅相关文献, 发现关于江陵凹陷沙市组膏盐岩的成因, 前人研究中基本未涉及。依据现有资料, 本文尝试从沙市组含膏盐岩系沉积特征入手,探讨研究区膏盐岩成因, 认为江陵凹陷沙市组膏盐岩为“深盆浅水”成因, 其证据有四。

(1)膏盐岩只出现在凹陷中南部的沉积中心, 与凹陷北部所沉积的陆源碎屑物质呈一种渐变的接触关系。若是“深水成盐”成因, 依据“分层卤水”理论(金强等, 1985), 不能解释膏盐岩在凹陷内分布的局限性, 因为由于扩散作用的存在, 全凹陷都应有盐类矿物的存在(纪友亮等, 2005), 不可能存在凹陷南、北沉积特征如此之大的差异。

(2)通过岩心的观察发现, 部分盐岩和膏岩颜色为黄褐色, 这主要是由于氧化的铁离子混入引起的,而高价氧化的铁离子是判断浅水氧化沉积环境的重要标志(图3B)。

(3)通过对钻井资料研究发现, 在膏盐岩集中发育、沉积较为连续的层段夹有薄层的紫色, 杂色,棕红色的泥岩、膏泥岩和粉砂岩(图2), 即红层, 主要形成于干旱氧化的浅水沉积环境中。

(4)湖平面频繁的变化使得在凹陷内沉积中心(也是盐岩沉积较厚区域), 沙市组含膏盐岩系岩性特征表现为深湖相暗色泥岩夹膏盐岩, 暗色泥岩内部块状层理发育, 为湖侵晚期深水沉积; 膏盐岩则主要发育于湖盆基准面下降晚期和上升早期的浅水沉积环境中。

3.2 研究区成盐模式

江陵凹陷沙市组沉积期, 主要接受来自凹陷北部南荆水系和西部枝江水系的物源补给, 南部和东部无陆源碎屑的注入, 为一种“非匀称补给”的成盐模式, 膏盐岩主要沉积在淡水补给三角洲相对彼岸的浅湖相内(苏显烈等, 1990), 其在平面上的分布受古地貌、物源及湖平面变化三种因素的综合控制。

沙四段沉积期, 湖盆处于断陷扩张期, 断层活动强烈, 地形高差大, 梅槐桥与资福寺洼陷逐渐形成(杨长清, 2005), 北部和西部的补给水系稳定, 向湖盆提供了大量的膏盐类矿物。由于气候干旱, 使湖水不断蒸发浓缩, 在同沉积断层控制的深洼内沉积了巨厚的膏盐岩。从湖盆中心到边缘, 各类蒸发岩环带状分布不明显, 主要表现为碳酸盐岩的分布具有局限性, 仅发育于凹陷南部边缘的斜坡带上(图9)。这一时期, 膏盐岩沉积的厚度和分布范围最大, 为盐湖发育的鼎盛期。

图9 江陵凹陷沙市组膏盐岩沉积模式图Fig. 9 Sedimentary model of Shashi Formation salt rock in Jiangling Depression

进入沙一段沉积期, 气候转暖, 蒸发强度减弱,北部和西部的物源补给量增强, 湖面逐渐下降, 湖盆范围缩小, 湖水盐度降低, 断层活动减弱, 地形平缓, 沉积厚度相对稳定, 总体具有坳陷型沉积特征(杨长清, 2005)。由于构造背景的转变及北部和西部物源向湖盆中心的推进, 膏盐岩的沉积厚度和分布范围明显减少, 只有在凹陷南部远离物源的地势相对低洼处, 才能汇聚一定浓度的卤水, 在一定时期沉积厚度不大的膏盐岩(图9)。这一时期, 盐湖开始逐渐消亡。

4 结论

(1)江陵凹陷古近系沙市组发育两套膏盐岩层,纵向上沙市组地层整体表现出盐岩→钙芒硝岩→膏岩→砂泥岩→膏岩→盐岩这样一个由淡化-咸化的变化规律, 两套膏盐岩层分别形成于沙市组沉积的早期和末期。

(2)膏盐岩的沉积主要受古地貌、物源和湖平面升降三种因素的综合控制。沙四段沉积期, 盐湖处于鼎盛期, 地形差异大, 物源补给稳定, 所沉积的膏盐岩层规模较大; 沙一段沉积期, 盐湖处于消亡期, 地形较为平缓, 物源补给量增大, 所沉积的膏盐岩层的规模明显减小。

(3)研究区膏盐岩为一种“深盆浅水”成因下的“非匀称补给”的成盐模式。沙市组沉积期, 凹陷主要接受北部和西部陆源碎屑的补给, 而东部和南部无物源的注入, 正是这种浅水成因下的不对称的补给模式, 使得凹陷内蒸发岩的分布具有局限性,南北沉积特征差异巨大。

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Sedimentary Characteristics of Gypsum-salt Rocks in Palaeogene Shashi Formation of Jiangling Depression

SHEN Jun-jun1), CHEN Bo1)*, WANG Chun-lian2), SONG Huan-xin1),
ZHOU Xiao-feng1), ZHOU Lin1)
1) Hubei Cooperative Innovation Center of Uncoventional Oil and Gas, Yangtze University, Wuhan, Hubei 430100; 2) MLR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment, Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037

Located in southern central Jianghan Basin, the Shashi Formation of Jiangling Depression is composed of two sets of gypsum-salt rocks. Based on an analysis of drilling, seismic and core data, the authors sum up lithology, electrical properties and seismic response characteristics of the gypsum-salt rock. Main lithologic changes find expression in the reduction of saline minerals and the increase of terrigenous detritus content from bottom to top; electrical character is characterized by low gamma, low density, high resistivity, zero neutron and expanding caliper; there exist high amplitude, low-frequency reflection characteristics on seismic section. In combination with the paleoclimate and ancient tectonic background of the study area, the authors made an analysis of sedimentary characteristics of gypsum-salt rocks in Shashi Formation and reached the conclusion that the distribution of gypsum-salt rocks in the depression is mainly affected such comprehensive factors as material sources, ancient landscapes and lake level changes. Based on the above study, the authors hold that the salt rock deposition model of Shashi Formation is a “non-symmetrical supply” salt-formation model, mainly formed in a shallow water evaporation sedimentary environment in the late falling period of the lake basin datum level.

Jiangling Depression; Shashi Formation; gypsum-salt rock; sedimentary characteristics; salt-formation model

P534.62; P588.24

A

10.3975/cagsb.2014.04.04

本文由国家“973”计划项目(编号: 2011CB403000)和中国地质调查局计划项目(编号: 1212010011808)联合资助。

2013-12-15; 改回日期: 2014-02-26。责任编辑: 闫立娟。

沈均均, 男, 1983年生。博士研究生。主要从事沉积、储层及非常规油气资源评价方面的研究。E-mail: shenhema@163.com。

*通迅作者: 陈波, 男, 1967年生。教授, 博士生导师。主要从事沉积层序、储层及非常规油气资源评价方面的研究。

E-mail: chpo@yantzeu.edu.cn。