膏盐脱水在盐底辟发育过程中的作用分析——以东营凹陷为例

孙祥飞，陈 勇，王成军，王鑫涛

(中国石油大学 (华东)地球科学与技术学院，山东青岛266580)

早在1960年，特鲁斯海姆就描述了盐构造的3个发展阶段 (盐枕、盐底辟和后底辟阶段)，指出假设表面的岩石是粘性的，发展阶段都有典型的瑞利-泰勒不稳定性作用［1］。对波斯湾盆地、墨西哥湾盆地和北海盆地的盐构造研究取得很多重要认识［2～5］，Vendeville等［6～7］也曾系统总结过世界各地盐构造研究成果。近年来，国内对盐构造研究也越来越重视。汤良杰等［8］、贾承造等［9］对塔里木盆地进行研究，指出了其包含的多期盐构造和多种盐构造样式;邬光辉［10］等对塔里木盆地库车凹陷盐构造进行分析，认为差异负载是库车凹陷盐构造初始形成时的动力来源;刘晓峰等［11］对东营凹陷盐构造进行研究，指出区域伸展作用下的重力滑动作用是东营凹陷盐-泥构造的主导成因机制。还有一些盐底辟构造至今都在缓慢的抬升，例如:威克斯岛盐丘在过去的2500 a间顶部沉积物被抬高了50 m，相当于每年2 mm［12］;死海的the Mount Sedom底辟构造，在过去的8000 a间以每年6～7 mm的速度抬高［13］;也门的Salif底辟构造在过去的3700 a间以每年4.6 mm的速度抬升［14］。前人主要用浮力作用和差异载荷作用解释盐枕的抬升，不同地区的作用机制也有差异。本文以东营凹陷的盐相关构造为研究对象，考虑到东营凹陷中含有大量膏盐、盐膏、含膏泥岩和含膏砂岩等，膏盐埋深达一定深度时会发生脱水反应，认为膏盐脱水在盐构造发育中有重要作用，本文尝试从膏盐脱水过程分析了流体对岩盐变形机制的影响。

1 研究区地质概况

东营凹陷为渤海湾盆地济阳坳陷中的一个次级构造单元，东西长约90 km，南北宽约65 km，面积大约5700 km2。其周围被凸起包围，北有陈家庄凸起，南有鲁西隆起，西为滨县、青城凸起，东为青坨子凸起;具有北断南超的箕状凹陷特色，内部发育一系列正向二级构造带［15～18］;中央隆起带也处于凹陷之中 (见图1)。其地质构造主要由2个同向错位叠合的箕状洼陷和这两者之间的隆起带所构成，因此可以将盆地划分为民丰洼陷、利津洼陷、博兴洼陷、牛庄洼陷、北部陡坡带和南部缓坡带等二级构造单元。本次研究的区域主要为东营凹陷北部陡坡带 (图1红框内区域)，其东起永北地区，西到滨县凸起，北起陈家庄凸起，南到洼陷带，面积约1500 km2。

图1 东营凹陷构造分区图 (据文献［19］，有修改)Fig.1 Structural scheme of Dongying sag

2 膏盐岩类型及分布特征

东营凹陷的盐岩主要分布在沙四段，孔店组也有岩盐层出现。沙四段的盐岩层主要位于东营凹陷中北部，包括中央隆起带、民丰洼陷、利津洼陷和牛庄洼陷。纵向上主要发育在沙四下亚段，深度基本都在3500 m以下，累计厚度约900 m。膏盐岩性类型众多，包括膏盐、盐膏岩、泥膏岩、膏盐岩、盐岩、石膏质泥岩、含膏泥岩、含盐泥岩、含膏砂岩、含膏泥岩及少量膏质白云岩和灰岩［20～21］。洼陷中心以膏盐岩和盐岩为主，洼陷边缘以膏岩和泥膏岩等为主。表1为部分井的膏盐层厚度，从表中可以看出东营凹陷的盐岩里含有大量的膏盐。

表1 膏盐层厚度数据表Table1 The data sheet of thickness for gypsum-salt strata

3 盐底辟类型与变形特征

费琪等［22］根据底辟构造核与上覆地层的接触关系，将东营凹陷分为3种底辟构造:微弱背斜隆起，如南部缓坡带;低隆起背斜，如坨庄—胜利村构造;高隆起背斜，如东营、郝家、辛镇。由于高隆起背斜盐岩变形明显，下面重点介绍东营凹陷的高隆起背斜。

典型的高隆起背斜在东营凹陷郝家的沙四段盐岩段 (见图2)，可以看到，中间最厚，两翼略薄。这种现象的产生与瑞利-泰勒不稳定性有重要关系［23］，由于热的等离子体在磁场中会出现抗磁性漂移，因此在等离子体与真空的边界上出现扰动时，在扰动的波峰波谷之间会出现电荷的积累。这种积累产生的电场由洛仑兹力分析可知，会使波谷加深，波峰变高，从而使等离子体的槽纹变深。由于瑞利-泰勒不稳定性的影响，盐构造上浮过程中，在盐构造顶部和槽部，盐岩越来越厚。盐上层变形样式主要表现为断层相关褶皱和三角带构造;岩层变形样式主要表现为盐枕构造和岩层内部复杂的褶皱构造;盐下层变形样式主要表现为断褶构造和双重构造。在上述复杂多变的盐相关构造样式中，盐底辟构造尤其引人注意。根据断层是否穿过盐岩层，本文又把高隆起背斜盐底辟构造分为2类。

3.1 断层未穿型高隆起背斜

针对高隆起背斜类型，以东营凹陷郝科1井 (见图2)为例，本区盐岩层处于盐底辟阶段，盐枕上拱致使上覆地层发生断裂，形成了东营凹陷盐-泥滚-滑脱断层簇-滚动背斜构造样式。其形成初期受浮力作用、差异载荷和膏盐等的脱水作用共同控制，本文认为膏盐等的脱水作用为主要控制作用;后期主要受区域伸展作用控制。当水的带动作用停止时，没有足够的动力支持盐岩上升，盐岩层就停止上拱，形成良好的密封，这很好地解释了东营凹陷盐岩层为什么停止上拱。镜下观察盐岩样品可以看到流体对岩盐作用时留下的地质证据，图3为由于流体作用在岩盐颗粒边缘形成的盐水包裹体群。对膏盐岩样品进行镜下观察，流体痕迹很常见，而流体作用有利于岩盐变形，前人对此已有研究。Urai等［24］通过观察晶界附近的流体膜和流体包裹体形态，发现了表面能驱动溶解-沉淀过程的证据。在研究变形作用的实验中，这些流体膜可以增加晶界的流动性。非常少的盐水便可以影响岩盐的蠕变，在晶体周围薄的盐水膜可以提高动态重结晶。这些膜可以引起溶液转移蠕变，水可以扩散氯化钠晶格，可以影响位错机制［24］。而少量的水也很容易在岩盐颗粒边缘形成流体包裹体。这些证据表明流体活动对盐构造的变形和演化具有重要影响。若盐岩层仅受浮力作用影响，那无法解释盐岩层为什么自动停止上拱［25］。盐岩层上覆断层发育，构造样式多样，有断层经过盐岩段，但没有穿透盐岩层。

图2 东营凹陷郝科1井南北向地震剖面图Fig.2 South-north seismic cross-section of HK1 in Dongying sag

图3 流体作用在岩盐颗粒边缘形成的盐水包裹体群Fig.3 Aqueous fluid inclusions assemblage in the edge of grain because of fluid process

3.2 断层穿过型高隆起背斜

以过东风5等井的地震剖面为例，本区盐岩处于盐底辟阶段 (见图4)，但却被复杂的断层穿过。不仅盐上断层发育丰富，盐岩层本身也受复杂断层影响，盐岩变形显著，盐岩段高处和低处最厚，其他处略薄。从东风5-东风1-东风3-东风2剖面可以看出，断层对盐岩段的改造很大，伴随着区域伸展作用的加强，加之重力作用影响，形成沿盐-泥层顺层切层的滑脱断层。在滑脱断层下盘的盐-泥层逐渐向上运动，形成了盐-泥滚构造，而在上盘形成反向牵引断裂和滚动背斜。在滑脱带前缘，盐-泥层由于受到滑脱断层的牵引力，从而聚集隆升发育成盐-泥核背斜。

图4 东营凹陷东风5-东风1-东风3-东风2地震剖面Fag.4 Seismic cross-section of DF5-DF1-DF3-DF2 in Dongying sag

4 膏盐脱水与盐构造演化

根据含盐岩段的地震剖面图和盆地演化史［26］，本文建立了东营凹陷沙四段盐岩发展史模型 (见图5)，分析了膏盐脱水在盐构造发育过程的重要作用。

4.1 膏盐脱水与超压流体作用

在盐岩中当流体压力接近岩石静压力时，容易产生断裂和水力压裂缝［27～28］。蒸发岩中的流体压力随着埋深的增加会发生重要的变质反应，例如石膏变成硬石膏，这个过程会从晶体中释放水 (CaSO4·2H2O==CaSO4+2H2O)，可以增加38%的空隙体积 (石膏体积为74.7 cm3/mol，硬石膏为46 cm3/mol)［29］。孔隙流体矿化度、孔隙流体压力、盐成分、晶粒大小和地热梯度等因素均会影响膏盐的脱水反应。当温度为70～105℃时可以观察到石膏到硬石膏的转化［30］，地下埋深2～3 km的盐岩层中包含的膏盐将会脱水，其中的自由流体被挤入到一个盐岩层外的临时运移通道，并产生高压流体，流体带动盐岩上涌，上涌过程中使上覆地层产生裂缝。同时在蒸发岩序列中光卤石转变成钾盐，导致体积变化 (KMgCl3·6H2O+4H2O→KCl+Mg2++2Cl-+10H2O)。该反应使孔隙体积增大了40%［27］，这可能会使大量的流体逃离光卤石层。由变质作用引起的高流体压力可引起流体扩散膨胀，导致地层中的裂缝相互连通，增加了孔隙率［31］。Sahay等［32］指出超压常出现在盐构造地区。数据表明东营凹陷沙四段地层水是超压的，与盐构造相关的断裂活动会导致超压流体的幕式释放，超压给流体流动提供动力。

图5 东营凹陷沙四段盐底辟构造演化模型图Fag.5 The tectonic evolution model of salt diapir in the fourth Member of Shahejie Formation in Dongying sag

4.2 盐构造演化过程分析

本文初步把盐构造演化分为3个阶段，包括发展初期A、发展中期B和稳定期C，分别表述如下:

发展初期A，黑色段代表沙四段 (见图5)，结合东营凹陷构造演化史分析［26］，沙四段底层埋深到2 km的时候距今约40 Ma左右，地层温度约为80℃，在该条件下膏盐容易发生脱水作用。发展初期膏盐岩受浮力作用、差异载荷和膏盐等的脱水作用共同控制盐岩段的上升，构造活动对盐构造几乎没有影响，超压流体带动盐类物质向上运动。差异载荷作用可以在岩盐早期阶段引起盐运动，上覆地层比岩盐密度大，一旦瑞利-泰勒不稳定开始，盐枕将持续上升直到它们上面的地层都被剥蚀掉，而现实是盐枕上升过程中自发停止抬升，这个矛盾证实现在存在的枕状构造形成不是简单的由于浮力作用。

从录井资料可以得知，沙四段盐岩含有大量的膏盐，如石膏变成硬石膏，这个过程会从晶体中释放水，还有其他导致地层体积变小的化学反应，都会导致地层的脱水作用，如在蒸发岩序列中光卤石转变成钾盐，导致体积变化，这个反应使孔隙体积增大了40%［27］，这可能会使大量的超压流体带着盐类物质上涌。

发展中期B，继续受浮力、差异载荷和脱水等作用影响，盐枕持续上升，发育成盐底辟构造。在该阶段盐岩上升过程中，受瑞利-泰勒不稳定性影响，盐岩段顶底厚，两翼薄［33～34］，同时盐岩的上升引起上覆地层发生断裂。在该阶段末期由于断裂使得超压得以释放，同时水压力裂缝愈合，没有足够的动力支持盐岩继续上升，最终形成一系列的盐背斜和向斜。

稳定期C，即目前看到的沙四段盐构造，在本阶段盐岩层也停止上升，几乎没有浮力和差异载荷作用。发展中期以后是构造活动对盐枕的改造时期，区域伸展作用下的重力滑动作用是东营凹陷盐-泥构造的主导成因机制。根据岩石力学研究成果进行的物理模拟实验［6～7］证实，与浮力作用、挤压作用和刺穿作用相比，伸展作用和下沉形成作用对盐构造的演化具有更重要的影响。

5 结论

本文基于岩心观察、地震和录井等资料，结合膏盐脱水特征，对东营凹陷盐底辟构造演化发展过程进行了分析。

本区膏盐岩处于盐底辟阶段，盐岩变形显著，通过镜下观察盐岩样品，可发现流体作用痕迹，这说明在盐构造发育过程中，流体活动对其有重要影响。

东营凹陷沙四段盐底辟构造在发展初期受浮力作用，差异载荷和脱水作用共同控制盐岩段的上升，尤其是脱水作用起主要作用。由于膏盐等的脱水反应，产生超压流体带动盐岩上涌，并使上覆地层产生水力压裂缝。发展中期在岩盐段上浮过程中受到瑞利-泰勒不稳定性影响，盐岩段顶底厚两翼薄;在此阶段末期超压得以释放，同时水压力裂缝愈合，没有足够的动力支持盐岩段继续上升，最终形成一系列的盐背斜和向斜。发展中期以后，膏盐岩停止上浮，在此阶段构造活动起到重要作用。

由于流体容易导致岩盐溶解和变形，有关膏盐脱水和流体作用下的盐构造演化机制还需要深入研究。

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