库车坳陷膏盐形成机理及其对油气生成的催化效应

孙宁富，郭凤霞

（山东科技大学地球科学与工程学院，山东青岛 266590）

库车坳陷膏盐形成机理及其对油气生成的催化效应

孙宁富，郭凤霞

（山东科技大学地球科学与工程学院，山东青岛 266590）

摘 要：库车坳陷膏盐形成是蒸发成因和深部卤水成因共同作用的结果。不仅膏盐的存在有助于有机质的富集和保存及后期的演化，而且膏盐形成过程对储集层及运移通道的发育也具有良好的改造作用。通过分析膏盐的化学组成及形成过程，明确了油气与膏盐的伴生关系，对于分析含盐地区油气催化与成藏具有重要意义。

关键词：膏盐；形成机理；油气催化；库车坳陷

The Formation Mechanism of Gypsiferous Salt and Its Catalytic Effect on Hydrocarbon Generation in Kuqa Depression

SUN Ningfu, GUO Fengxia

（College of Earth Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China）

Abstract:The formation of gypsiferous salt is the outcome of evaporation and deep brine in Kuqa depression. The existence of gypsiferous salt can help the enrichment, preservation and final evolution of organism. In addition, the formation process of gypsiferous salt can modify greatly the development of reservoir and migration pathway. Through analysis of the chemical composition and the formation process of gypsiferous salt, the associate relationship between hydrocarbon and gypsiferous salt has been made clear, which is significant to analyze the catalytic effect on hydrocarbon and reservoir forming in gypsiferous salt area.

Keywords:gypsiferous salt; formation mechanism; catalytic effect to formation of oil and gas; Kuqa Depression

膏盐层的发育与分布与大部分大型油气田密切相关[1-3]。统计表明：在世界已经发现的100多个大型油气田中，有超过一半的油气田分布在含盐盆地中，例如墨西哥湾、波斯湾以及中国的塔里木等大型盆地。大部分学者研究的是膏盐形成之后稳定期与油气的运聚与成藏关系[4,5]，包括对储层的影响、对运移通道的影响、对油气聚集的影响等，但是对于膏盐成岩过程与油气演化的关系则研究较少。笔者认为，既然油气田的分布与膏盐呈现共生的关系，那么膏盐的形成过程必然与烃源岩的发育及演化存在某些必然的联系，本文通过膏盐形成的根本入手，以库车坳陷典型巨厚膏盐为分析对象，探讨膏盐与油气生成的相关关系。

1　膏盐的形成机理研究

对于膏盐或膏泥岩的形成，目前存在大体两种理论：蒸发成因和深部卤水成因。前者气候变化起着重要作用，呈现分布较为广泛，厚度较小的特点。而后者往往形成巨厚盐相沉积，是后期盐构造变化的主要物质来源。

1.1 蒸发成因类型

蒸发成因是在蒸发量大于补给量的条件下，在一定地质历史时期内蒸发而成。根据沉积环境可分为湖相沉积和海相潮坪沉积，根据膏盐类型

又可分为硫酸盐型和氯化物型。部分学者认为膏盐具备蒸发岩类的大部分特征，膏盐是在古海水或陆源水入侵后，构造运动形成封闭半封闭的盐湖环境，加之古气候的干旱强烈蒸发所致[6]，因此沉积环境就决定了膏盐的化学组成、内含有机质类型、旋回特征以及产状。古海侵之后的海水因局部构造分割和大气降水等陆源水的补给在持续的干旱条件下，水体浓缩析出成岩，具体过程大体分为三个阶段：一是沉积初期，即碳酸盐阶段，水中大量碳酸根离子发生水解，表达式为CO2-3+H2O→OH-+HCO3-。图1为蒸发成因示意图。

图1　蒸发成因示意图

随着水解反应的进行，水体以碱性为主，OH-与Mg、Fe等金属离子形成沉淀，水解产生大量的H+阻止了金属离子的水解效应；相反，蒸发作用的不断进行导致水体矿化度不断提高，硫酸根离子与金属离子进行离子缔结[7]，导致pH值开始降低，硫酸盐浓度不断增大，此时pH值在7～8左右，进入了沉积中期，即硫酸盐阶段；三是氯化物阶段，蒸发的不断进行，溶解度最大的氯化物固相析出，此时pH值达到5～7左右。在整个蒸发固相析出过程中，温度只是维持蒸发进行的辅助因素，酸碱度才是控制固相析出的关键控制因素。在这个过程中，如果有其他成分的溶液注入，会由于能量的改变、以及化学物质相互作用，出现兑卤成盐效应[8]，这部分溶液可能由于环境的改变引起的溶液成分变化，也可能深部卤水岩深大断裂混入等。

1.2 深部卤水成因

张景廉等[9]对蒸发成因提出了质疑，从成盐期气候、热液矿物、岩盐相、形成温度等方面分析了巨厚膏盐层是深部卤水成因的事实。不同卤水混合导致溶液的熵体系发生变化，进而析出新的固相组分，这个过程在成盐反应中表现最为明显。刘成林等[10]通过对新疆罗布泊地区的盐湖研究，肯定了兑卤成盐的可能性，大孔径空洞的存在和分布较广，以及环状展布的膏盐特征是此种假说成立的证据。地幔热流沿着深大断裂向上运移，在萨勃哈环境的前提下，深部流体或地表其他卤水与地表溶液混合，由于能量变化导致熵体系的改变以及交代作用的进行，在双相效应的影响下，膏盐沉淀加速进行，并在较短的地质历史时期内形成巨厚的膏盐层。细菌的还原作用也是这个过程进行不可忽视的一个因素。在整个化学反应的进行过程中，丰富的离子来源和化学反应的副产物最终使游离的化学离子或离子团在沉淀优先的机理中稳定下来，多余的水分通过蒸发和地面渗透等方式散失掉。其酸性的热溶液渗流到地下，对成岩作用的进行和后期孔隙度的改善，以及在下伏地层的不整合部位改善后期油气运移的通道都有重要的作用。

1.3 库车坳陷地区膏盐分布特征及成因分析

该区主要发育古近系库姆格列木群和新近系吉迪克组2套膏盐层[11]，古近系库姆格列木群膏盐层主要分布于库车拗陷的中西部，根据化学组成的偏向性又可以划分为盐岩、硬石膏岩、膏质泥岩、白云岩等组成，厚度最大可达1 000 m，局部因盐的流动增厚到3 000 m[12]。新近系吉迪克组膏盐层主要分布于坳陷东部，岩性因压实的差异性又分为中厚层状膏岩、膏泥岩夹薄层粉砂岩，厚度可大于1 000 m，是东部主要的区域盖层；西部部分与库姆格列木群膏盐层相重合并逐渐尖灭（图2）。两套盐层分布广大，成为控制油气富集的关键因素，下面从物源、古环境和构造等方面分析其成因过程。

1.3.1 物源

古近纪早期库车坳陷西部地区间断性海侵和强烈蒸发环境使得水体盐度较高，并为膏盐岩的形成提供大量的金属离子来源[13]，根据对古近系沉积相的分析，主要物源来自于南天山和温宿凸起的强烈抬升剥蚀。另外，在塔里木盆地板块在向天山内部俯冲过程中，巨大的挤压力产生多条切断基底的纵深断裂，张博等[14]对该区内核杂岩分布进行了研究，因核杂岩的形成与地幔热流沿深大断裂向地表漫溢有关，从而证实了深大断裂的存在并且影响到膏盐的分布。因库车坳陷地区

核杂岩主要为元古界变质岩[3]，通过图2和图3的对比可以看出，核杂岩分布与膏盐分布的一致性，并且膏盐分布巨厚地区与元古界出露变质岩以及三个生油凹陷的分布是完全一致。由此可以证实，物源不仅来自海侵带来的大量金属离子，天山与温宿凸起提供大量膏盐形成介质，而且深大断裂带来的热液与泻湖蒸发卤液相互作用，是膏盐形成的主要物源所在。

图2　膏盐分布图

图3　库车坳陷变质核杂岩平面分布

1.3.2 古环境

通过露头和测井资料，在古近系发育冲积扇，扇三角洲沉积，是重要的泻湖补给源，另外在新近纪吉迪克组垂向上发育多个水进水退序列[15]，是离子源的重要补给。而进入第三纪，塔里木盆地整体及邻区呈现干热气候并持续至吉迪克期，强烈的蒸发作用、海水间歇性补给、陆源剥蚀物的持续供给是这段时期沉积的主要特征。根据古近系孢粉化石所反映的自然环境表明气候以半干旱—干旱的热带或亚热带为主，蒸发作用强烈[16]。

1.3.3 构造作用

膏盐形成期受到外部构造和盐内部构造双重作用的影响。膏盐形成初期，强烈的构造作用是导致多期海侵，北缘天山抬升剥蚀以及强烈的挤压伴随着纵深断裂的发育。后期，随着岩盐埋深，逐渐软化而达到极强的流动性，水的存在会加大盐的蠕变速率，流动性使岩盐不断加厚，对烃源岩的演化起到重要作用。因此，构造作用双重性伴随着岩盐影响烃源岩演化的整个过程。

2　膏盐形成与油气催化效应

2.1 膏盐与油气的伴生关系

林九皓[17]研究东部含油气区生油岩全烃色谱资料发现，在膏盐发育地区，生油岩中正构烷烃和类异戊二烯烷烃组合为正烷烃偶碳优势和植烷优势组合，其特征是OEP值小于1，Pr/Ph比值小于1，但在膏盐层不发育地区，其组合形式与前面

组合截然不同。刘景东[18]通过研究东濮凹陷蒸发岩地层与有机质分布的关系，发现膏盐发育地区相对膏盐欠发育地区有机质丰度高。对于无机成因的油气，膏盐分布与幔源成烃共生。由此可见，在膏盐发育地区的油气资源量及油气化学特征都与膏盐欠发育地区都有明显不同。综合分析认为，伴生机理主要在于：（1）膏盐层内黏土矿物丰富，对有机质演化起到良好的催化作用；（2）膏盐层的高导热率导致附近烃源岩的演化受到抑制，有利于有机质的保存；（3）由于膏盐层的热导性，导致边缘地层与附近地层的温差加大，温差产生的热流效应有利于有机质向低温地区相对富集。因此在膏盐发育的地区，烃源岩的富集发育及油气的后期演化都与膏盐的位置有着良好的伴生关系。

2.2 膏盐形成对烃源岩演化的催化与影响

刘绍文等[19]对塔里木盆地的膏盐样品进行热导率的测定，发现膏盐热导率为普通泥质岩的2～3倍，因此其优异导热性能对盆地地温场及烃源岩有机质热演化产生重要影响。石膏和硬石膏都是硫酸盐矿物，在80℃时开始失水转化成硬石膏，每升石膏脱水将释放出0.486 L的自由水，有利于黏土矿物对有机质的催化作用。赵桂瑜[20]在研究矿质金属元素对黏土矿物的催化作用时，发现加入硫酸钙时所得到的催化产物产量增加，具有较强的催化作用。对于膏盐层覆盖的烃源岩及下伏储层，由于地层水的流动将膏盐内大量的金属离子带入烃源岩内，也将有助于有机质的催化及后期油气的演化。孙锡文[21]研究地层水的矿化关系，同样证明膏盐对深部地层金属离子不可忽略的影响。

库车坳陷地区膏盐分布范围很广，通过对该区的膏盐样品分析发现，硫酸钙和硫酸镁为主要成分，伴随着大量的钾盐和钠盐。而本区黏土矿物成分伊/蒙混层占主要成分，由此可见，此时该区处于油气生成阶段。根据黏土矿物的组合特点，可以判定盆地浓缩程度。

综合分析认为，膏盐层的发育不仅体现在有利于储层的发育和防止油气逸散方面以及对高压的协助作用，还体现在有机地球化学方面。主要表现为：（1）矿质金属离子的运移至烃源岩层，作为电子传递的载体有利于催化反应的进行；（2）膏盐独特的物性封闭和可塑性协助产生高压效应，超压存在影响烃源岩的演化和油气的生成。正是因为膏盐这种独特的化学组成及物理特性产生的后续效应，直接或间接地影响了油气成藏的整个过程。

3　结论

（1）膏盐发育对于有机质的演化有重要影响，研究含盐区油气的生成要考虑有机质富集区与膏盐或膏泥岩的伴生关系。库车坳陷地区膏盐形成是蒸发成因和深部卤水共同作用的结果，后期的盐流动及构造运动是现今盐层厚度巨大的另一个重要原因。

（2）库车坳陷变质核杂岩分布、三个生油凹陷及膏盐分布巨厚位置相一致，充分说明了膏盐形成和烃源岩分布内在联系以及两者之间伴生关系。

（3）膏盐地层黏土矿物含量丰富、矿质金属元素富集，协助高压效应有利于油气的生成和后期的二次裂解；独特的高导热性对于有机质的富集和保存有重要影响。

（4）膏盐在成岩过程中产生大量的酸性水溶液通过渗流作用和温差产生压强效应向下伏地层和侧向流动，改善储集性能、拓宽输导通道意义重大。

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作者简介：第一孙宁富，男，1988年生，山东科技大学地球科学与工程学院硕士研究生，主要从事油气与地质方面的研究工作。E-mail：fuzixianyun@sina.cn。

收稿日期：2014-05-09；改回日期：2014-07-31

文章编号：1008-2336（2015）01-0058-05

中图分类号：P588.24；TE132.5

文献标识码：A DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2015.01.058