柴达木盆地西部膏盐岩发育特征与成因分析

张津宁, 张金功，杨乾政，吴春燕, 崔 强，黄传卿，郭 岭

(1.西北大学 大陆动力学国家重点实验室/地质学系,陕西 西安 710069;2.中国石油青海油田分公司 勘探开发研究院,甘肃 敦煌 736202;3.陕西科技大学 化学与化工学院,陕西 西安 710021)



·地球科学·

柴达木盆地西部膏盐岩发育特征与成因分析

张津宁1, 张金功1，杨乾政2，吴春燕1, 崔 强1，黄传卿3，郭 岭1

(1.西北大学 大陆动力学国家重点实验室/地质学系,陕西 西安 710069;2.中国石油青海油田分公司 勘探开发研究院,甘肃 敦煌 736202;3.陕西科技大学 化学与化工学院,陕西 西安 710021)

通过对柴达木盆地狮子沟地区膏盐岩的岩石学及纵向和横向的分布和发育特征进行研究，探讨该区膏盐岩的沉积环境和成岩条件，总结成因模式。研究发现，狮子沟地区膏盐岩层发育在内陆咸化湖半深湖—深湖相中，该时期处于温度由炎热向温暖转变，半干旱向干旱过渡的古气候环境。狮子沟地区膏盐岩纵向上具有4种沉积序列，横向上与砂岩呈“此消彼长”的关系，与泥岩呈“同增同涨”的关系。该区膏盐岩沉积的成因模式为“深水成盐”模式。在渐新世(E3)，地下深部热卤水通过处于活动期的深大断裂上涌，盐类物质在狮子沟地区遇冷过饱和，快速堆积成岩。

膏盐岩;成因模式;沉积序列;柴达木盆地;狮子沟地区

全世界以膏盐岩作为油气藏盖层的油气田评价单元占油气田总评价单元数的8%,但它控制了55%的油气储量。中国13个主要含气盆地中,4个盆地发育膏盐岩,发现气田171个，这表明膏盐岩下油气勘探潜力巨大[1]。膏盐岩沉积期盐度增高,使湖盆内各种生物大量死亡,在弱还原—还原性的深水湖盆中心地区的沉积,成为油气生成的物质基础[2-3]。膏盐岩热导率较高,隔热性差,盐下地层热量容易散逸,成岩作用变弱,利于保持盐间层和盐下层的高孔隙度[4-5]。由于膏盐层具有塑性强、易流动的特点,致密膏盐层比泥岩的封盖能力更强,在盖层分级中属于特级盖层[6]。

目前,膏盐岩沉积区成为油气勘探的重点区,膏盐岩的发育特征与形成环境逐渐成为研究的热点。膏盐岩为蒸发岩类,主要由氯化物(石盐、钾盐等)、硫酸盐(石膏、硬石膏等)等组成[7]。目前，膏盐沉积有“浅水成因”和“深水成因”两种成因模式：“浅水成因”认为膏盐岩是一种蒸发岩,主要发育在半封闭—封闭的泻湖、海湾、潮坪及滨海中,同时沉积区气候干旱[8-10]；“深水成因”认为膏盐岩沉积主要为基底热液通过深大断裂上涌,通过化学分层沉积,气候、环境等条件对其影响较小[11-12]。在国内,两种成因模式的膏盐岩沉积均有发现,并且有些地区膏盐岩的成因模式还存在一定的争议[13-23]。

柴达木盆地西部已发现13个油气田,其中狮子沟油田位于狮子沟地区膏盐岩层和盐下层。近几年来,随着油气勘探认识的逐步深化,狮子沟地区膏盐岩层及其盐下地层成为油气勘探的重点层系。本研究以柴达木盆地狮子沟地区膏盐岩纵向和横向的分布关系等发育特征为重点,结合盆地古气候、古构造以及沉积学特征来探讨该区膏盐岩的成因模式。

1 膏盐岩的岩石学特征

柴达木盆地西部古近系膏盐岩发育在狮子沟地区下干柴沟组(E3)(见图1),最大累计厚度近700 m,含膏盐岩岩石类型主要有膏岩、盐岩、膏质(含膏)泥岩和膏质(含膏)灰岩等。

图1 柴达木盆地西部狮子沟地区膏盐岩发育区位置图Fig.1 The map of gypsum-salt rock developmental zone in Shizigou, western Qaidam basin

膏岩呈白、灰白色,较为致密,主要成分为硬石膏和石膏。膏岩微观结构具有放射状、花瓣状、纤维状、片状、条状等特征(见图2A，B)，构造类型有条带状、波纹状、块状、放射状等。膏岩在狮子沟地区分布广泛,最大累计厚度291 m,单井层数达70层(见表1)。

表1 狮子沟地区膏盐岩统计表

Tab.1 Thickness tables of gypsum-salt rock in Shizigou area

井号 纯盐岩 纯膏岩 层数单层最大厚度/m单层最薄厚度/m累计厚度/m层数单层最大厚度/m单层最薄厚度/m累计厚度/mS201615282173130S22312115171575114S234164283325271257116291S24111173114S25920253670705125S282471460000S292298178736131142S3032111122260811175S3126396161128S35520886302137S367321134525101935S37108254390000S38222445112S404315409212664414161S41502440818825432148S4211101572512184

盐岩为纯石盐,呈白、灰白、灰深灰色,成色具有韵律特征,见无色、透明薄层(见图2C，D)。盐岩晶体近正立方形,具有条带状、层状构造特征,部分层位盐岩严重溶蚀(见图2E)。盐岩在狮子沟地区分布广泛,最大累计厚度325.2 m,单井层数达73层。

膏质(含膏)泥岩灰岩,硬石膏或石膏半全填充于泥岩和灰岩孔隙及裂缝中(见图2F，G),呈块状、条带状、层状、雪花状、波纹状、放射状等。膏质(含膏)泥岩灰岩与膏岩、盐岩常见互层接触,具有明显韵律特征(见图2H)。

2 膏盐岩发育特征

2.1 纵向发育特征

由于沉积环境变化快,加之成盐期构造活动性的差异,膏盐岩常与泥岩及砂岩构成不等厚互层,组成多个盐韵律[18]。对狮子沟地区16口井膏盐岩层进行研究后发现,膏盐岩层纵向岩性变化多样,薄互层较多，但也有一定的规律。该区膏盐岩主要有4种沉积序列(每个沉积序列在10～100 m)类型(见图3)。

1)GA型。以泥岩与膏质泥岩或膏岩频繁互层为主,单层厚度在1～5 m。GA型在该区较为常见,几乎每口含膏盐岩井都会出现。

2)GB型。自下而上为泥岩→膏质泥岩→膏岩→膏质泥岩→泥岩,中间含少量灰岩、膏质灰岩、砂岩、钙芒硝岩的薄层,膏岩单层厚度1～3 m,膏质泥岩和泥岩单层厚度1～7 m。GB型主要在膏盐岩沉积中心井常见,膏盐岩沉积边缘相对较少。

3)GC型。其为泥岩或膏质泥岩与盐岩互层,含少量砂质泥岩、灰质泥岩、钙芒硝岩薄层,盐岩厚度不等,最大厚度达到15 m,最小厚度0.8 m,泥岩和膏质泥岩厚度范围在1～16 m。GC型主要发育在膏盐岩沉积中心,以膏盐岩层中、上部较多,膏盐岩沉积的边缘出现较少。

4)GD型。其自下而上为膏质泥岩→膏岩→盐岩→膏岩→膏质泥岩,中间含少量灰岩、膏质灰岩、盐质泥岩、钙芒硝岩、砂岩薄层,盐岩单层厚度差别较大,范围在1～24.4 m,膏岩在盐岩层之上厚度小于盐岩层之下厚度,一般为1～3 m,膏质泥岩单层厚度1～5 m。GD型发育在膏盐岩沉积中心,膏盐岩沉积边缘未见。

图2 柴达木盆地狮子沟地区下干柴沟组(E3)膏盐岩岩石学特征Fig.2 Lithology characteristics of Oligocene gypsum-salt rock in Shizigou area of Qaidam Baisn

图3 膏盐岩沉积序列类型示意图Fig.3 Sedimentary sequence type of gypsum-salt rock

2.2 横向发育特征

通过狮子沟地区连井剖面分析,结合4类膏盐岩沉积序列在横向上的分布规律,认为该区膏盐岩横向发育特征由沉积中心至边缘展布规律为:GA型+GB型+GC型+GD型→GA型+GB型+GC型→GA型+GB型→GA型(见图4)。膏盐岩沉积中心盐岩累计厚度345 m,膏岩累计厚度291 m,向边缘呈环形递减,薄互层逐渐增多,岩性变化加快,最终膏盐岩逐渐尖灭；其厚度变化规律为:厚盐岩+厚膏岩+厚泥岩+薄砂岩→薄盐岩+中厚膏岩+中厚泥岩+中薄砂岩→中薄膏岩+中泥岩+中砂岩→薄膏岩+中薄泥岩+中厚砂岩。从膏盐岩横向厚度发育规律可以发现,膏盐岩与砂岩呈“此消彼长”的关系,而与泥岩呈“同增同涨”的关系。

图4 膏盐岩发育区横向特征图Fig.4 The lateral characteristics of gypsum-salt rock zone

3 膏盐岩的形成环境

δ34S同位素数据显示,狮子沟地区下干柴沟组(E3)δ34S值为2.65%～3.55%,这个数值远远大于海洋硫酸盐的δ34S值(小于2.5%)[24]。古生物资料表明,柴达木盆地新生代生物生长于内陆半咸化湖—咸化湖环境,不是海相或海陆过渡相环境[25-26]。因此,狮子沟地区膏盐岩层发育在内陆咸化湖沉积环境,非海水蒸发沉积。

根据古地磁资料显示,柴达木盆地古近系位于北纬30°,至新近系向北迁移至北纬33.4°[27],渐新世(E3)为盆地亚热带气候向温带气候过渡期。孢粉分析结果表明,渐新世(E3)旱生植物孢粉的质量百分含量达到40%～60%[28],渐新世早期经历了干旱降温的过程,植被面貌由喜暖喜潮湿的常绿阔叶、落叶植被转变为耐干旱喜冷的植被;渐新世后期,常绿阔叶乔木含量进一步降低,常绿落叶植物含量略有回升,说明该时期湿度和温度再次降低[29-30]。总体来说,柴达木盆地在渐新世(E3)为温度由炎热向温暖转变、半干旱向干旱过渡的古气候环境,期间存在短期或季节性的气候变化,而这种气候变化会促使湖盆面积发生波动。

随着柴达木盆地周缘造山带的隆起,盆地在渐新世(E3)持续下沉,柴西地区处于湖盆面积的扩张期,狮子沟地区在该期为柴西地区的沉积中心,沉积相是半深湖—深湖相[31-35]。通过对连井沉积对比剖面的分析,结合盐韵律特征在横向上的变化规律,发现该区盐类主要发育在半深湖—深湖相中,浅湖中未见盐类沉积。在沉积韵律中,膏盐岩与暗色泥岩和浊积砂岩形成互层:与膏盐岩形成互层的暗色泥岩(见图5A，B)较为纯净,厚度不一,见水平层理,与盐类沉积纵向上呈渐变接触,横向上有“同增同涨”的关系;与膏盐岩形成互层的砂岩(见图5C，D)，厚度小,具有滑塌混层和变形等特征,横向上与膏盐岩呈“此消彼长”的关系。同时,狮子沟地区膏盐岩纵向的韵律特征也显示了膏盐岩沉积期湖盆体积短期或季节性的变化特征,横向的渐变特征则说明了湖盆由低洼区域至边缘盐类物质在水体里的密度分布(见图6)：湖盆收缩期的盐类沉积量明显大于湖盆扩张期的盐类沉积量。

图5 狮子沟地区深湖相暗色泥岩和浊积砂岩(部分图片由杭州地质研究所提供)Fig.5 Dark mudstone and gravity flow sand of deep lake facies in Shizigou area

4 盐类的供给

4.1 盐类的来源

根据以上分析,认为狮子沟地区膏盐岩的盐源来自陆相,非海水蒸发形成,而陆相的盐类物质主要是通过地表径流和地下深部热卤水两种方式注入湖盆。

本研究过程中,在该区膏盐岩层中发现沸石和含铁白云石共同沉积的现象(见表2)。沸石为一种高温作用产生的矿物,由湖盆底部地下热水上涌,与岩体发生水岩反应形成[36-38],而方沸石与含铁白云石共同沉积更被认为是湖底热液喷流沉积作用形成的结果[39]。这证实了狮子沟地区湖盆底部发生过深部热液上涌事件。

现代湖泊对古湖泊具有一定的继承性。前人对柴达木盆地现代湖泊中氯同位素组成的研究发现,41个盐湖卤水及共存盐类矿物样品中[40],δ37Cl值范围在-2.57‰～0.69‰,其中负值比例占到94.6%。δ37Cl值负偏的氯同位素特征代表了地下深部卤水为盐源的盐湖盆地沉积特征[41]。据柴达木盆地狮子沟地区膏盐岩地层厚度的统计(见表1),该区纯盐岩和纯膏岩最大累加厚度达到616.2 m,这种规模的巨厚膏盐层是地表径流注入的盐量所无法达到的。

综合以上研究认为,狮子沟地区膏盐岩中的盐类物质主要是通过地下深部热卤水方式注入湖盆。

图6 狮子沟地区连井沉积对比图(据青海油田公司资料修改)Fig.6 Well correlation section of sedimentary facies in Shizigou area

Tab.2 XRD analytical results of gypsum-salt rock in Shizigou area

井号深度/m浊沸石/%方沸石/%铁白云石/%S32407274120562S32408147050496S32409787120645S32414091150252S32414171070475S32414381060564S32415352005452S3716597045212S3716615304647S372700830807288S3716597039279S371660037212S3716618038270S3716628046174S3716632038248S37270068004462S38314582070238S414070015367S414083005190S4227925043112

续表2

井号深度/m浊沸石/%方沸石/%铁白云石/%S422794．3903．510．3S422797．403．820．2S433913．5700．634．9S433913．850．9019．5S433916．080．9038．8S433916．47800．512．6S433921．071．1036．6S433926．50．80．642．8

4.2 输盐方式

受昆仑山与祁连山双重挤压的影响,柴达木盆地西部地区渐新世(E3)古地理面貌以北西向凹陷为主;同时，受阿尔金山的隆升作用,古湖盆具有北西向坡度较缓,靠阿尔金山一侧坡度较陡的特征,成椭圆形展布。柴达木盆地西部地区基底断裂较发育,盆地内部II级以上断裂多为基底断裂受挤压运动的延伸断裂[42]。XI号断裂为I级断裂,北西西走向,倾向南西,断裂切过狮子沟地区,断裂顶端断至下干柴沟组(E3)膏盐岩层(见图7),渐新世(E3)为活动最强烈时期[43-44]。XI号断裂的构造运动为深部热卤水上涌提供了有利条件。

图7 过XI号断裂地震剖面(剖面位置见图1)Fig.7 Seismic profile across XI fault

5 成因模式

综合以上分析,认为柴达木盆地狮子沟地区膏盐岩为“深水成盐”。渐新世(E3)时期,周缘造山带隆起,切断了外部海水的补给,盆地内部以内陆湖盆的形式接受湖相沉积,狮子沟地区为湖盆沉积的中心。该时期柴达木盆地温度、湿度逐渐降低,湖盆体积扩大，同时存在短期或季节性的收缩。受东昆仑造山带走滑推覆运动的影响,XI号断裂进入强烈活动期,成为深部热液上涌的良好通道；受高温膨胀、挤压等作用的影响,深部卤水沿XI号断裂上涌；深部卤水上涌后,邻近的地层水和通过断裂渗滤下去的地层水就来补充,受热后再上涌,从而形成深层热卤水循环[23]。在湖盆体积扩大的间歇期或收缩期,高浓度卤水上涌溶入湖盆后遇冷降温,在湖盆短暂的收缩期处于过饱和状态,盐类物质开始析出,以较快的速率沉积了巨厚的盐岩和石膏层。盐类物质密度较大,具有流动性,受自身重力作用向盆地低洼区域流动汇聚,形成的膏盐层集中在盆地沉积中心,即狮子沟地区(见图8)。同时，这一过程使膏盐岩的横向发育特征呈现为低洼区域盐类物质分布密度大,盐岩沉积发育;湖盆边缘盐类物质密度逐渐变小,膏岩相对发育,盐岩欠发育。在湖盆体积扩大时期,周缘山脉通过河流等,向湖盆提供大量碎屑物质,造成膏盐岩与泥质岩互层,形成“同增同涨”的关系；同时受构造运动等因素的影响,致使湖盆边缘浊积砂体沉积,与膏盐岩形成“此消彼长”的关系。

A 渐新世(E3)前湖盆开始形成; B 早渐新世湖盆体积扩大盐类物质进入湖盆咸度增大; C 晚渐新世湖盆体积收缩或扩大间歇期, 盐类物质持续增加, 过饱和, 膏盐岩开始沉积图8 狮子沟地区膏盐岩成因模式Fig.8 Origin model of gypsum-salt rocks in Shizigou area

6 结 论

1)柴达木盆地狮子沟地区膏盐岩主要发育在下干柴沟组(E3)。膏盐岩层纵向上岩性变化多样,薄互层较多,具有4种沉积序列:GA型,以泥岩与膏质泥岩或膏岩频繁互层为主;GB型,自下而上为泥岩,膏质泥岩,膏岩,膏质泥岩,泥岩;GC型,为泥岩或膏质泥岩与盐岩互层;GD型,自下而上为膏质泥岩,膏岩,盐岩,膏岩,膏质泥岩。膏盐岩横向上由沉积中心至边缘沉积序列发育模式为:GA型+GB型+GC型+GD型→GA型+GB型+GC型→GA型+GB型→GA型,膏盐岩与砂岩呈“此消彼长”的关系,而与泥岩呈“同增同涨”的关系。

2)狮子沟地区膏盐岩层发育在内陆咸化湖沉积环境,温度由炎热向温暖转变,半干旱向干旱过渡的古气候环境。该区盐类沉积主要发育在半深湖—深湖相中,为深水成盐。盐类物质主要通过地下深部热卤水方式注入湖盆,XI号断裂的构造运动为深部热卤水上涌提供了良好通道。在湖盆体积扩大间歇期或收缩期,高浓度卤水上涌溶入湖盆后遇冷降温,处于过饱和状态后,盐类物质开始析出,以较快的速率沉积为巨厚的盐岩和石膏层。

致谢:本项研究得到了中国石油青海油田分公司勘探开发研究院石油勘探研究室和地球物理研究中心同仁的大力支持；文中部分图片由中国石油勘探开发研究院杭州地质研究所提供,在此一并深表感谢!

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(编 辑 雷雁林)

Characteristics and genesis of gypsum-salt rocks in western Qaidam Basin

ZHANG Jinning1, ZHANG Jingong1, YANG Qianzheng2, WU Chunyan1,CUI Qiang1, HUANG Chuanqing3, GUO Ling1

(1.State key Laboratory for Continental Dynamics/Department of Geology, Northwest University, Xi′an 710069, China;2.Exploration and Development Research Center, Qinghai Oilfield, CNPC, Dunhuang 736202, China;3.College of Chemistry and Chemical Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021，China)

Through the study on petrology and distribution characteristics of gypsum-salt rocks, with sedimentary environment and diagenetic condition of gypsum-salt rocks, genetic model of gypsum-salt rocks was analyzed in Shizigou area of Western Qaidam Basin. Gypsum-salt rocks have four sedimentary sequences vertically, they had inversely proportional relationship with sandstone, and had proportional relationship with mudstone in the lateral. The genetic model of gypsum-salt rocks is salt deposited in deep water. There were subtropical climate to temperate climate in depositional stage of gypsum-salt rocks in Qaidam basin, the temperature reduced and humidity changed from semiarid to arid at that stage. It was low-lying areas of lake basin in Shizigou area, there was interval and systole of the water volume. Deep fault was active sharply, as channel of deep brine upwelling in quantity, evaporite materials were sedimentation with cold weather and saturation.

gypsum-salt rock; genetic model; sedimentary sequence; Qaidam Basin; Shizigou area

2015-09-06

国家自然科学基金资助项目(41372129)；中国地质调查局基础地质调查计划基金资助项目(12120113040700)；中国石油天然气股份有限公司青海油田分公司科技基金资助项目(研究院2014-技术-勘探-07)

张津宁，男，辽宁阜新人，西北大学博士生，从事石油与天然气地质研究。

张金功，男，山东安丘人，教授，博士生导师，从事石油地质研究。

P624

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-06-015