库车坳陷大北地区古近纪沉积特征及盐湖演化

许 丽，李江海，王洪浩，黄少英，能 源

(1.造山带与地壳演化教育部重点实验室，北京 100871；2.北京大学，北京 100871；3.中国石油塔里木油田分公司，新疆 库尔勒 841000)



库车坳陷大北地区古近纪沉积特征及盐湖演化

许 丽1，2，李江海1，2，王洪浩1，2，黄少英3，能 源3

(1.造山带与地壳演化教育部重点实验室，北京 100871；2.北京大学，北京 100871；3.中国石油塔里木油田分公司，新疆 库尔勒 841000)

依据岩性组合及测井曲线变化，对大北地区古近系膏盐岩进行分段研究，结合元素地球化学分析，研究其沉积环境，建立古盐湖演化模式。研究认为：该区古近系膏盐岩可分为3段，即下部膏泥岩段、中部膏盐岩段和上部泥岩段。古气候主要为干热气候，湖泊可分为微咸水湖、半咸水湖、咸水湖和盐湖，为常年性较深水湖泊下的缺氧还原环境。研究区盐湖演化存在多期补给和咸化事件，初始阶段(膏泥岩段)对应于3次海侵事件及3次强烈蒸发阶段；中—高级阶段(膏盐岩段)在强烈蒸发时期发生2次盐湖淡化事件；消亡阶段(泥岩段)盐湖快速淡化。该研究为研究区盐下油气勘探提供了地质基础，对古气候、古环境指示具有重要意义。

膏盐岩；沉积特征；古盐湖演化；大北地区；库车坳陷

0 引 言

盐湖盆地的盐下油气勘探长期以来一直是石油界关注的研究领域[1]。库车坳陷是中国中西部天然气储量发现最多、油气勘探和研究程度最高的前陆盆地，是西气东输的主力供气区[2]。大北地区位于其西部，古近系膏盐岩分布及变形特征对该区油气成藏产生了重要影响，形成煤成气、特低孔渗、深层(大于5 600 m)等多种类型的特种油气藏[3-4]。目前，已发现大北1、大北3、大北201等多个盐下含油气构造，具有良好的勘探前景。

研究膏盐岩区域分布特征，划分膏盐岩内幕层序组合，能为该区盐下油气勘探提供更加可靠的地质基础；分析膏盐岩沉积环境，建立古盐湖演化模式，对古气候、古环境指示具有重要意义。但前人的研究均将膏盐岩层作为一个整体，主要探讨盐岩变形样式及盐构造形成机制[5-6]，对膏盐岩沉积环境、盐内幕层序及古盐湖演化的研究较少。因此，在前人研究的基础上，基于井震结合，对库车坳陷西部大北地区的膏盐岩内幕沉积层序进行划分，并结合重点井的岩屑地球化学分析，分析其沉积环境，重建古盐湖演化模式。

1 区域地质背景

库车坳陷位于塔里木盆地北部，是盆地重要的油气勘探区。古新世—始新世和中新世，库车地区处于干旱湖泊—盐湖的环境下，在西部和东部分别沉积了古新统—始新统库姆格列木群(E1-2km)和中新统吉迪克组(N1j)膏盐岩[7]。盐岩作为研究区最重要的滑脱层，起到协调盐上层和盐下层变形的作用。按照该区变形强弱的不同，库车坳陷自北向南可划分为北部单斜带、克拉苏—依奇克里克构造带、中轴凹陷带、秋里塔格构造带和南部斜坡带等5个构造变形带[8]。其中，克拉苏—依奇克里克构造带和秋里塔格构造带属于收缩型强变形带，并分隔了弱变形带(北部单斜带、中轴凹陷带和南部斜坡带)。

大北地区位于库车坳陷西部的克拉苏构造带，受控于盐岩原始沉积和后期塑性流变，该区为库车坳陷西部膏盐岩的主要厚度中心。研究认为，研究区在垂直于区域主应力方向(近NE—SW向)，盐岩厚度变化相对平稳。在平行于区域主应力方向(近NW—SE向)，受天山山前构造带的挤压作用，导致膏盐岩塑性流变，厚度变化较大。膏盐岩主要集中在研究区南部的盐背斜(大宛齐背斜)中，在背斜核部，古近系地层厚度最大可超过6 000 m。盐下发育克拉苏与拜城北2条主断裂，其夹持的楔形体内派生一系列次级逆冲断层，形成由北向南的逆冲叠瓦构造。该构造构成的圈闭是大北气田天然气富集的有利区带[9]。目前，大北1、大北2、大北101、大北102等多口井均获得工业气流。

2 大北地区膏盐岩沉积特征

大北地区膏盐岩层厚度分布极不均匀，但在层序上具有普遍性规律。对膏盐岩内部沉积层段进行划分能更好地研究该区膏盐岩的沉积特征，也是建立盐湖演化的基础。

研究区古近系膏盐岩为典型陆相蒸发盐岩，与海相蒸发盐岩相比，该区含盐地层岩性变化大，盐内杂质较多，除石盐、石膏外，还可见大量泥岩、砂岩、粉砂岩和少量泥质灰岩沉积。由于盐岩在后期构造应力作用下发生塑性流变，且流动性规律较差，在对膏盐岩段沉积层序进行划分的过程中，需要剥离盐岩塑性流的影响。采用的方法是利用详实的钻井及三维地震资料，通过井震结合，首先对能够在全区进行类比的大套岩性组合进行划分，建立旋回的基本框架，然后进一步通过相邻井之间能干层标定，剥离小范围内膏盐岩流动对厚度变化的影响。

从划分结果(图1、2)可以看出，大北地区古近系膏盐岩可进行全区类比的大套岩性组合可以划分为3段：下部为膏泥岩段，岩性以石盐(石膏)和泥岩交互沉积为主，受基底断裂影响明显；中部为膏盐岩段，岩性以石盐为主，夹少量石膏、泥岩等碎屑岩能干层；上部为泥岩段，岩性以泥岩为主，偶见石膏和石盐层，厚度较薄，且在全区厚度变化较小。

图1 大北地区近东—西向井震结合剖面

图2 大北地区近北东—南西向井震结合剖面

在上述框架基础上，选取相邻井之间的能干层作为标尺，剥离盐岩流动在小范围内的影响，进一步对膏泥岩段和膏盐岩段进行划分。研究区膏泥岩段自下而上可分为6个亚段，每层厚度不大，约为30～150 m，按岩性特征可分为泥岩层亚段和膏盐岩层亚段2类，2个亚段相间分布，形成3套旋回。膏盐岩段自下而上分为3个亚段：最底部Ⅰ亚段(盐—泥层组合)以石盐沉积为主，其上部沉积薄层泥岩，沉积较为连续；中部Ⅱ亚段沉积厚层石盐，偶尔夹有薄层泥岩及石膏，厚度变化较大，最小为50 m，最大可达850 m；顶部Ⅲ亚段(泥—盐层组合)厚度约为50～300 m，一部分地区由泥岩逐渐变为盐岩沉积，另一部分地区为泥岩、盐岩交互沉积。

3 大北地区膏盐岩地球化学分析

地壳中元素的迁移富集规律，一方面取决于自身的物理化学性质，另一方面取决于地质环境。因此，沉积岩中元素的含量变化和含量组合在一定程度上能反映古环境、古气候[10]。

在对大北地区古近系膏盐岩层序组合划分的基础上，结合重点井岩屑地球化学分析来探讨膏盐岩的沉积环境及古气候。由于石盐和石膏在溶样中存在离子混入问题，挑选泥岩、膏泥岩岩屑进行分析化验。测试的指标主要包括湖泊盐度、水体深度、氧化还原条件及古气候。其中，以镁元素与钙元素的比值(Mg/Ca，下同)作为区分盐度参数，比值小于0.25表示微咸水，介于0.25～0.50表示半咸水，介于0.50～1.00表示咸水，大于1.00表示盐湖环境[11]。湖泊水体深度指标有2个，一个是钒元素、镍元素与锰元素之和(V+Ni+Mn，下同)；另一个是铁元素、铝元素之和与钙元素、镁元素之和的比值[(Fe+Al)/(Ca+Mg)，下同]。(V+Ni+Mn)含量介于150.00×10-6～170.00×10-6μg/g为滨浅湖，介于170.00×10-6～190.00×10-6μg/g为半深湖，大于190.00×10-6μg/g为深湖环境[12]；(Fe+Al)/(Ca+Mg)值小于1.30为深湖，介于1.30～2.00为半深湖，大于2.00为浅湖沉积[13]。古湖泊氧化还原条件指标也有2个，一个是镍元素与钴元素之比(Ni/Co，下同)；另一个是钒元素与钒元素、镍元素之和的比值[V/(V+Ni)，下同]。Ni/Co值不小于1.80代表还原环境，小于1.80代表氧化环境[14]；V/(V+Ni)值大于0.46为厌氧环境，小于0.46表示富氧环境[15]。以锶元素与铜元素的比值(Sr/Cu，下同)作为古气候指标，比值介于1.00～10.00指示温湿气候，大于10.00指示干热气候[16]。岩屑地球化学实验委托中国地质科学院国家地质测试中心进行，实验数据相关处理结果见表1、2。

表1 大北地区重点井泥岩、膏泥岩岩屑盐度、水体深度地球化学分析

表2 大北地区重点井泥岩、膏泥岩岩屑氧化还原条件、古气候地球化学分析

从表中可以看出，研究区重点井泥岩段、膏泥岩段沉积环境从微咸水到咸水均有分布，考虑到进行实验的泥岩、膏泥岩与未进行实验的石膏、石盐在层位上相间分布，而石膏和石盐又是典型盐湖环境下的产物，故该区盐湖演化应存在多期淡水补给和咸化事件。从水深测定结果来看，研究区古近系膏盐岩基本在深湖环境下沉积，少部分地区为半深湖环境。从氧化还原条件测定结果来看，研究区所处的环境以还原环境为主，极少部分为氧化环境。从古环境测定结果来看，该区膏盐岩沉积阶段主要为干热气候，短暂出现过温湿气候。

4 大北地区古盐湖演化模式

基于大北地区重点井岩屑的地球化学分析，并结合盐内层序划分和连井剖面对比，建立大北地区古近纪盐湖从形成到消亡的演化模式(图3)。

图3 大北地区古近纪盐湖演化模式

古近系是库车坳陷由海变陆的时期，古特提斯海水继晚白垩世的入侵与退缩后，重新进入该区[17]。古新统是目前库车坳陷发现的最早盐层，对应于该区膏泥岩段底部，以厚度小、结构不均一、盐质差为特征，其分布范围比较局限，仅在大北地区东南部见石膏、膏质泥岩、含膏泥岩及薄层盐岩。古新统是古盐湖发展初期阶段。由于北部天山褶皱带持续上升，库车坳陷在古近纪和新近纪早期频繁升降，研究区膏泥岩段出现膏盐岩层亚段—泥岩层亚段交互沉积的3套韵律层，对应3次强烈蒸发阶段及3次的海侵事件，局部地区出现的第3化石层及含生物化石的薄层泥灰岩则为海侵的主要证据。而东部克深地区膏泥岩段只出现一套膏盐岩—泥岩交互沉积，表明海侵方向从西往东，且前2次海侵范围不大，未到达克深地区。

以3次海侵时间为界限，可将膏泥岩段演化自下而上分为6个阶段。第2、4、6段为泥岩层亚段，对应于海侵阶段，主要表现为微咸水—半咸水沉积，岩性以泥岩类为主，均为深湖、还原条件下的产物；第1、3、5段为膏盐岩层亚段，为海退后蒸发作用加强、逐步沉积的膏盐岩层，整体表现为半深湖—深湖、还原条件为主的半咸水—咸水沉积，在部分地区首先出现硫酸盐沉积阶段，沉积石膏、硬石膏，继而达到氯化钠沉积阶段，析出石盐，如DB302、303井区。在图3中，将膏泥岩6个阶段简化为“蒸发—海侵—蒸发”3段，其他2次海侵旋回即“海侵—蒸发”与此类似，只是蒸发作用强度略有不同。

早始新世末期盆地下沉，再次接受海水补给(即研究区第3次海侵)，浓缩卤水被强烈冲淡。受干旱气候的影响，湖水又一次蒸发浓缩，并在早始新世晚期造成生物大量死亡，形成含生物化石的泥灰岩夹石膏薄层，此层可作为该区膏泥岩段与膏盐岩段的分界。强烈的蒸发作用一直持续到始新世末期，形成厚度大、分布广、质量好的石盐层，即该区膏盐岩段。据现有资料及测井、录井解释分析，膏盐岩段沉积期间发生过2次较大范围的盐湖淡化事件，可能与陆缘水及地下水的补给有关。规模不大的淡水补给未能造成盆地的剧烈淡化，只是在短暂的相对淡化过程中沉积了薄层的石膏、泥岩，后又恢复了石盐的沉积。

以2次盐湖淡化事件为界线，可将膏盐岩段盐湖演化分为3段。第1阶段为膏盐岩段I亚段，对应于膏盐岩段底部盐—泥组合，该阶段为盐湖演化中级阶段，为咸水湖—盐湖相，在南北两侧存在2个小的盐岩沉积中心；第2阶段为膏盐岩段Ⅱ亚段，对应于膏盐岩段中部盐岩段，该阶段为盐湖演化高级阶段，研究区整体为盐湖环境，南北两侧石盐沉积中心厚度增大，最厚可达2 000 m，盐湖边缘地区盐岩厚度只有上百米；第3阶段为膏盐岩段Ⅲ亚段，对应于膏盐岩段上部泥—盐组合，该阶段盐湖开始出现退化趋势，南北两侧石盐沉积厚度减小，淡水的补给使盐度减小，由盐湖相变为咸水湖、半咸水湖环境，在南部DB201、DB4井区依然为石盐沉积，表明淡水补给主要来自北部。

盐湖演化的消亡阶段对应顶部的泥岩段，整体表现为微咸水沉积，南部主要为半咸水沉积，沉积物以泥岩类为主，夹石膏沉积层。

5 结 论

(1) 大北地区古近系膏盐岩可进行全区类比的大套岩性组合可划分为3段：下部为膏泥岩段，岩性以石盐(石膏)和泥岩交互沉积为主，受基底断裂影响明显，自下而上可分为6个亚段；中部为膏盐岩段，岩性以石盐为主，夹少量碎屑岩能干层，自下而上分为3个亚段；上部为泥岩段，岩性以泥岩为主，偶见石膏和石盐层。膏盐岩沉积自底部膏泥岩段开始，在中部膏盐岩段达到顶峰，到上部泥岩段逐渐停止，与古盐湖从形成到消亡相对应。

(2) 研究区古近系膏盐岩沉积时期古气候主要为干热气候，底部膏泥岩段沉积时出现短暂温热气候。该时期湖泊类型可分为微咸水湖、半咸水湖、咸水湖和盐湖，主要为常年性较深水湖泊，沉积环境主要为湖泊浪基面之下的缺氧还原环境。

(3) 研究区盐湖演化存在多期补给和咸化事件。膏泥岩段为古盐湖演化初级阶段，对应于3次海侵事件及3次强烈蒸发，可分为6个阶段，前2次海侵范围不大，海侵方向从西往东，早始新世末期第3次海侵影响范围最大；膏盐岩段为古盐湖演化中—高级阶段，以2次短暂的盐湖淡化事件为界线，可分为3个阶段，第2阶段石盐沉积厚度最大，盐湖范围达到最大；泥岩段则对应古盐湖演化的消亡阶段，膏盐岩沉积逐渐结束，整体为微咸水—咸水湖环境。

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编辑 黄华彪

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.05.013

20160408；改回日期：20160710

国家重点基础研究发展计划“973”项目“中国西部古亚洲洋构造域火山岩油气藏形成的地质背景”(2009CB219302)

许丽(1990-)，女，2012年毕业于中国矿业大学(北京)地质工程专业，2016年毕业于北京大学地质学专业，获硕士学位，现主要从事石油地质学、含油气盆地构造研究工作。

TE122.1

A

1006-6535(2016)05-0056-06