江陵凹陷新沟嘴组下段沉积环境与沉积特征

黄华,彭伟，杜学斌

(中石化江汉油田分公司勘探开发研究院，湖北 武汉 430223)(中国地质大学(武汉)海洋学院，湖北 武汉 430074)

江汉盆地是发育在中扬子为基底的白垩纪-新近纪断陷盆地，古近纪沉积了2套成油、成盐地层，(沙市组-新沟嘴组和潜江组)[1～3]。伴随着区内油气和盐卤矿产的勘探开发，逐步认识到2套盐湖沉积在时空分布上具有明显差异。第1期(古新世-早始新世沙市期-新沟嘴期)盐湖沉积在盆地中西部，以江陵凹陷为典型代表；第2期(晚始新世潜江期)盐湖沉积在盆地中东部，以潜江凹陷为典型代表。前人在基于构造和古环境研究基础上，对潜江凹陷潜江组和江陵凹陷沙市组沉积特征做了大量细致的研究工作[4～10]，取得了丰硕成果。由于新沟嘴组处于第1期盐湖末期，古气候频繁变化，沉积环境复杂，因此涉及到古环境的沉积特征研究相对较少。

笔者在对江陵凹陷新沟嘴组下段古湖盆沉积范围、古地貌恢复的基础上，开展古水深恢复，通过岩心观察、地球化学元素含量及比值、碳氧同位素等来定性和(半)定量表征沉积古环境(包括沉积古水深、古气候、古盐度和湖盆封闭性等)。在上述沉积背景研究的基础上，开展沉积特征研究，指导江陵凹陷下一步的油气勘探。

1 地质概况

江陵凹陷位于江汉盆地西南部，面积约7500km2，是江汉盆地中最大的次级凹陷(见图1)。江陵凹陷北部的河溶和荆门凹陷新沟嘴组大部分被剥蚀，因此其分界线并不明确；西以问安寺断层与枝江凹陷为界，东以丫角-新沟低凸起与潜江凹陷为界，南以洞庭凹陷为邻，东南以剥蚀线与陈沱口为界。

图1 江陵凹陷区域构造位置

图2 江陵凹陷地层综合柱状图

江陵凹陷古近系下始新统新沟嘴组分为2段(见图2)，上段以“红层”为主，主要沉积物为厚层紫色、紫红色泥岩夹薄层砂岩，厚度200～300m，为典型浅水氧化湖泊沉积。由于新沟嘴组上段无生油能力，且砂岩缺乏，仅在荆州背斜带八岭山、花园、复兴场、沙市等局部地区下部发现少量油藏[11]，作为主力油藏新沟嘴组下段的区域盖层。新沟嘴组下段是江陵凹陷主要的勘探层系，厚度250～845m，根据地层对比自上而下又可以划分为3个油组和1个泥岩隔层。Ⅰ油组厚度约50～250m，以棕色泥岩、灰色膏岩、泥膏岩和灰色砂岩不等厚互层沉积为主，顶部有一套8～10m的膏岩层作为全区的标志层；

Ⅱ油组厚度约100～400m，以灰色泥岩、泥膏岩、砂岩沉积为主，在洼陷周缘还沉积有数层2～5m的盐岩，为江陵凹陷的主要生油层段；泥岩隔层厚度约20～45m，上部为紫红色泥岩，下部为紫红色泥岩和灰色泥岩不等厚互层，泥岩隔层在4m电阻率曲线上呈现一个“倒钩”，可以作为全区的标志层；Ⅲ油组厚度约80～150m，以灰色、棕紫色泥岩、泥膏岩、盐层沉积为主，在顶部有一套3～5m砂体广泛分布，底部在洼陷中有2套厚度超过10m的盐膏岩层。

2 沉积古地貌特征

从东西向宜-洪剖面和南北向605剖面(见图3)可以看出，江陵凹陷新沟嘴组下段分布稳定，地层厚度变化小，同沉积断层整体不发育，仅见问安寺、万城、天鹅洲、资北断层控制的江口、梅槐桥、虎渡河、资福寺等次级洼陷，同沉积断层前缘未见明显的楔状加厚，表现出断拗特征。上述特征都说明新沟嘴组下段沉积时期，江陵凹陷为拗陷沉降，因此整个湖盆为拗陷型湖盆。

图3 江陵凹陷东西向宜-洪剖面和南北向605剖面地震地质解释

根据南北向605剖面新沟嘴组下段厚度趋势恢复(见图3)可以发现，公安斜坡带南缘新沟嘴组向南延伸较远，江陵凹陷南部在新沟嘴组沉积时期与洞庭盆地连为一体。江陵凹陷现在的北部边界纪山寺断层并不控制白垩系、沙市组和新沟嘴组的沉积，是新沟嘴组沉积后再活动的断层(推测为荆沙期断层)，因此在该时期江陵凹陷与北部的河溶凹陷是一体的。综上所述，江陵凹陷在新沟嘴组沉积时期，北部与河溶凹陷相通，南部与洞庭盆地连为一体，现今凹陷为残凹，古江陵凹陷沉积范围较现今范围大，表现为广盆的特征。通过去压实校正进行古地貌恢复(见图4)，江陵凹陷新沟嘴组下段整体为一个碟状盆地，沉积中心位于凹陷中部，凹陷坡度平坦，平均坡度仅0.58°，呈现出“平底锅”式缓坡沉积特征。

3 沉积环境

沉积环境对沉积岩和沉积矿床具有重要的影响和控制作用，但是古沉积环境的表征却十分困难，主要依靠古生物、沉积矿物、地球化学元素等定性或(半)定量恢复[12]。笔者主要利用江陵凹陷4口系统取心井的180m岩心资料，通过沉积矿物观察，泥岩中Mn、Fe、Al、Ca、Mg、Rb、Sr等元素测试和δ13C、δ18O等同位素，来恢复新沟嘴组沉积环境。

图4 江陵凹陷新沟嘴组下段古地貌

3.1 古水深

大量江陵凹陷钻井揭示，新沟嘴组下段红色泥岩占比高，平均厚度占泥岩总厚度的70%。从H2井取心资料可看到泥裂、生物扰动构造、碳屑等大量浅水沉积特征(见图5)，均证实江陵凹陷为浅水沉积环境。同时岩心颜色变化频繁，也说明水体震荡剧烈。

图5 江陵凹陷岩心照片

目前，对于古水深定量恢复的技术较多[13,14]，笔者利用测井资料计算相对古水深，利用有机碳质量分数确定最大古水深，再将相对古水深转换为绝对古水深。通过对单井古水深的恢复，发现恢复的古水深与岩性颜色对应性好，符合区域沉积特征。在单井古水深恢复的基础上，编制了Ⅰ油组、Ⅱ油组、泥岩隔层和Ⅲ油组的平面古水深分布(见图6)。从各油组最大古水深看，呈现出2个水深→水浅过程，即从Ⅲ油组最大古水深为16m逐步变浅为泥岩隔层的8m，从Ⅱ油组最大古水深28m逐步变浅为Ⅰ油组12m，整体表现为水浅湖平的特征。

图6 江陵凹陷各油组古水深平面分布图

目前，主要利用黏土中地球化学元素质量分数w(Fe/Mn)和w(Fe+Al)/w(Ca+Mg)来表征古水深[6、8]，但更多的是表征相对水深，并非绝对湖水深度。一般情况下，w(Fe/Mn)大于100，水体就属于浅湖，w(Fe/Mn)为100～60属于半深湖，w(Fe/Mn)小于60属于深湖环境[8]。通过分析，江陵凹陷新沟嘴组下段泥岩段w(Fe/Mn)最大为284.14，最小为4.36，平均为73.33(见表1)，表明新沟嘴组下段沉积时期，古水深整体属于半深湖。从层位上看(见图7)，Ⅲ油组～Ⅱ油组中下部w(Fe/Mn)小，相对水深大，属于半深湖；Ⅱ油组顶部～Ⅰ油组w(Fe/Mn)大，相对水深浅，属于浅湖。新沟嘴组下段整体水深下部较上部深，是一个水退过程，最大水深出现在Ⅱ油组中下部，与区域上认识的烃源岩发育部位相符。

w(Fe+Al)/w(Ca+Mg)大于1属于浅湖， 1～0.5属于半深湖，小于0.5属于深湖沉积[8]。江陵凹陷新沟嘴组下段w(Fe+Al)/w(Ca+Mg)最大值为7.92，最小值为0.05，平均值为1.66(见表1)，表明新沟嘴组下段平均水深较浅，属于浅湖。纵向层位上，也与w(Fe/Mn)判识的水深趋势一致，即Ⅲ油组～Ⅱ油组中下部相对水深大，Ⅱ油组顶部～Ⅰ油组相对水深小，整体水深下部较上部深(见图7)。w(Fe/Mn)和w(Fe+Al)/w(Ca+Mg)得出的新沟嘴组水深趋势完全一致，但在是浅水还是半深水上存在差异。综合认为，新沟嘴组沉积时期为浅湖沉积，局部时期(Ⅱ油组中下部沉积时期)可达到半深湖沉积，新沟嘴组下部(Ⅲ油组～Ⅱ油组中下部)较上部(Ⅱ油组顶部～Ⅰ油组)沉积古水深大。

表1 江陵凹陷新沟嘴组下段古环境表征参数表

注：以上数值均为各元素、化合物的质量分数之比。括号内为样品数。

3.2 古气候

由于古气候的差异性，湖盆会沉积一些与气候相对应的特殊类指相矿物。郑绵平等[15]把对气温敏感的盐类矿物划分为3种类型：①冷相盐类矿物，以稳定或不稳定芒硝层沉积为特征；②暖相盐类矿物，以稳定的钙芒硝层或无水芒硝层为特征;③广温相盐类矿物，以广温性石盐、钾石盐或天然碱的沉积层等为特征[8]。新沟嘴组下段沉积矿物中，有稳定钙芒硝层和盐层沉积(见图5)，反映了温暖干旱的气候特征。同时，由于新沟嘴组下段局部地区和层段沉积有蒸发盐层，表明部分时期气候炎热干旱，即湖盆蒸发量要大于注入量。

利用w(MgO/CaO)来表征古气候的温暖与寒冷，比值大表明古气候相对温暖；反之，则表明古气候相对寒冷[16]。江陵凹陷新沟嘴组下段w(MgO/CaO)最大值为1.19，最小值为0.03，平均值为0.22(见表1)，表明纵向上Ⅲ油组～Ⅱ油组中下部古气候偏冷，Ⅱ油组顶部～Ⅰ油组则为温暖(炎热)气候(见图7)。

利用w(Rb/Sr)来表征古气候的干旱与潮湿，比值大表明古气候相对干旱；反之，则表明相对潮湿。江陵凹陷新沟嘴组下段w(Rb/Sr)最大值为1.625，最小值为0.002，平均值为0.497(表1)，表明纵向上Ⅲ油组～Ⅱ油组中下部古气候潮湿，Ⅱ油组顶部～Ⅰ油组则为干旱气候(见图7)。

综上所述，新沟嘴组下段总体以干热气候为主。纵向上，下部(Ⅲ油组～Ⅱ油组中下部)偏湿冷，上部(Ⅱ油组顶部～Ⅰ油组)则更为干热，呈现出一个大的旋回变化。

3.3 古盐度

沉积时期湖盆水体古盐度是盐湖最为直接的标志。当有盐层(盐层主要成分为NaCl)沉积时，古盐度约为30%，因此只要见到盐层就表明湖盆沉积时期出现过高盐度的卤水。江陵凹陷新沟嘴组局部地区Ⅲ油组底部和Ⅱ油组底部均有盐层出现，盐层厚度2～10m(见图5)。笔者该次主要利用w(MgO/Al2O3)×100和w(Sr/Ba)来表征古湖盆的盐度[17,18]。

w(MgO/Al2O3)×100大于10为咸水，1～10为半咸水，小于1为淡水。江陵凹陷新沟嘴组下段w(MgO/Al2O3)×100最大值为288.21，最小值为6.22，平均值为30.14(见表1)，表明其整体为咸化湖盆，但纵向上分异明显(见图7)，即Ⅲ油组为咸化湖盆，泥岩隔层为半咸化湖盆，Ⅱ油组又为咸化湖盆，Ⅰ油组又为半咸化湖盆，自下而上呈现周期性的咸淡变化。

w(Sr/Ba)常作为判定盐度标志，大于1为咸水湖盆，1～0.6为半咸水环境，小于0.6为淡水沉积环境。江陵凹陷新沟嘴组下段w(Sr/Ba)最大值为10.11，最小值为0.09，平均值为0.68(见表1)，表明新沟嘴组下段整体为半咸化湖盆，与w(MgO/Al2O3)判断的湖盆盐度略有差异，但是从纵向分布趋势(见图7)上看具有一致性，也呈现出周期性的咸淡变化。综上所述，新沟嘴组下段整体为咸化湖盆，经历了周期性的咸淡变化。

图7 江陵凹陷新沟嘴组下段古环境综合柱状图

3.4 封闭性

图8 江陵凹陷各层位碳氧同位素相关性图

湖泊封闭性可以利用沉积物的稳定同位素来判定[9]，笔者利用泥岩δ13C和δ18O来判定。δ13C和δ18O之间相关性与水体滞留时间有关，正相关性越强，则湖泊封闭性越强，相关性差或呈现负相关则表明湖泊封闭性越弱。

通过对新沟嘴组下段Ⅰ油组、Ⅱ油组、Ⅲ油组、沙市组35个样品的δ13C和δ18O检测，做出相关性分析图(见图8)。由图8可知，沙市组、Ⅲ油组和Ⅱ油组δ13C和δ18O均呈现明显的正相关性，而Ⅰ油组则呈现出负相关性，表明沙市组、Ⅲ油组和Ⅱ油组为封闭性湖泊，Ⅰ油组为开放性湖泊。故新沟嘴组下段湖泊自下向上逐步由封闭向开放过渡。

4 沉积特征

江陵凹陷具备“盆广坡缓古地形，动荡较浅古水深，频繁多变湖平面，咸淡交替古介质，相对封闭古湖盆”的沉积环境，决定了江陵凹陷独特的沉积特征。

江陵凹陷新沟嘴组沉积时期以北部物源为主[19]，广盆的特点决定了现今残存的江陵凹陷北部主物源入口距物源区距离较远(见图9)。目前，江陵凹陷北部区域仍为三角洲前缘，三角洲平原还在北部河溶凹陷中，从而形成了远源汇聚体系，因此江陵凹陷中砂岩较细，以中、细粒砂岩及粉砂岩为主，未见砾岩、粗砂岩。

浅水的特点决定了凹陷中砂体推进较远，北部三角洲砂体进入湖盆后，形成浅水三角洲沉积。通过统计，北部河道砂体向南部推进了20～30km，北部物源区在南部沉积的滩坝砂体的推进距离达到50km(见图9)。

图9 江陵凹陷新沟嘴组下段沉积相图

缓坡沉积背景和动荡多变湖平面及咸淡交替的古水介质决定了凹陷中砂体沉积类型多样(见图9)。北部砂体进入凹陷形成浅水三角洲，在缓坡沉积背景下，三角洲前缘河道发育，入湖较远，河口坝欠发育。延伸较远的河道砂体与同沉积断层斜交或垂交后，形成凹陷内次级坡折砂体(坡折扇)。在动荡湖平面下，滨浅湖带十分宽广，对三角洲前缘砂体又进行了大规模的改造，形成了大量的滩坝沉积，如荆州背斜带南缘；同时在咸淡交替的古水介质条件下，砂体携带能力增强，滩坝砂体可以在远离物源地区大规模沉积[19]，如江陵凹陷公安斜坡带。

相对封闭古湖盆则有利于烃源岩形成。在Ⅲ油组～Ⅱ油组中下部的相对水深期，洼陷中部沉积了烃源岩，该时期古湖盆较为封闭，沉积了大量盐层，快速将烃源岩覆盖，在浅水-半深水环境中得以保存，为油气形成提供了物质基础。

5 结论

1)江陵凹陷新沟嘴组下段沉积具有广盆平缓古地貌特征，古江陵凹陷较现今残凹的南部和北部面积更大。

2)江陵凹陷新沟嘴组古水深相对较浅，古气候以干旱炎热为主，水体总体为封闭性，纵向上自下而上沉积环境呈现旋回性和周期性。

3)在沉积环境控制下，江陵凹陷为远源浅水三角洲-湖相沉积体系，砂体类型多样，形成了“满凹含砂”的沉积特点。