江汉盆地潜江凹陷古近系潜江组白云岩成因

吴世强，陈凤玲，姜在兴，孔祥鑫，陈 晨，管文静

[1.中国石化 江汉油田分公司 勘探开发研究院，湖北 武汉 430223； 2.中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083]

潜江凹陷位于江汉盆地中部，是江汉盆地最主要的富烃凹陷之一[1]。中晚始新世—早渐新世时期沉积了由蒸发岩和细粒沉积岩组成的193个韵律层[2]。研究发现一个完整的韵律层的岩性变化自下而上为：石盐—钙芒硝岩—白云岩—泥岩—白云岩—钙芒硝岩—盐岩[3]。这些层内的泥质白云岩富含有机物质，具有良好的生烃潜力[2,4-5]。近来的生产发现这些白云岩同时也是潜在的优质储集岩，因此这套白云岩岩层是典型的源储一体式油藏[3,6]。然而，有关潜江凹陷白云岩的成因一直存在争议[7-8]，从而限制了进一步的勘探工作。

碳酸盐岩广泛分布在现代和古代的湖盆中[9-11]，这些物质大多由泥级大小的(小于4 μm)碳酸盐颗粒组成。中国古代的咸化湖盆中大多发育泥晶白云岩,这使其成为湖相泥岩的重要组成成分[8,12-13]。沉积白云岩的形成机制一直是沉积学领域重点关注的前沿课题[14]。现代的实验已经证明在常温常压环境中，仅仅通过控制镁离子浓度和盐度无法形成白云石晶体[15]。近来的研究发现硫酸盐还原细菌可以促进白云石晶体的沉淀，使得人们用微生物白云岩来重新审视古代白云岩沉积[16-17]。然而，古代形成的白云岩大多经历了重结晶作用[18]，因此其微生物参与留下的痕迹常被忽视。

本文的主要目的为通过沉积分析，确定微生物活动在富含白云石泥岩里保留的原始沉积特征。

1 区域地质概况

潜江凹陷为北陡南缓的箕状凹陷[19]，位于江汉盆地中部，是一个中、新生代(K-E)断陷型盆地(图1a)[20]。潜江凹陷总面积为2 530 km2，北部为荆门地堑、乐乡关地堑、汉水地堑和永隆河隆起，东北方向为龙赛湖低凸起和岳口低凸起，东南方向以通海口断层为界，西南抵丫角新沟低凸起(图1b)。

前白垩系的海相地层被中生代—新生代湖相地层覆盖。上覆地层从上至下包括第四系平原组，新近系广化寺组，古近系荆河镇组、潜江组、荆沙组、新沟咀组和沙市组，以及白垩系渔洋组。潜江组包含潜一段(Eq1)、潜二段(Eq2)、潜三段(Eq3)和潜四段(Eq4)(图1c)。潜四段可进一步划分为潜四下亚段(Eq4L)和潜四上亚段(Eq4U)。北部的蚌湖洼陷在潜四下亚段(图1c)。北部的蚌湖洼陷由潜北断裂控制，在潜四下亚段—潜二段沉积阶段为潜江凹陷的沉积中心[21-22]。该区域发育江汉盆地潜在的生油岩[23]。本次研究聚焦富含有机质的潜三段第四油组的第十韵律层(Eq3(4)-10)和潜四下亚段第六、第十五和第十八韵律层(Eq4L-6、Eq4L-15、Eq4L-18)。

2 材料与方法

本次研究中，约有70 m岩心样品取自蚌页油1井Eq3(4)-10韵律和蚌页油2井Eq3(4)-10、Eq4L-6、Eq4L-15和Eq4L-18韵律。全岩矿物分析和总有机碳含量(TOC)测定由中石化江汉油田勘探开发研究院完成。岩性特征和矿物鉴定工作依靠中国地质大学(北京)偏光显微镜(德国蔡司)以及中国地质大学(北京)科学研究院S-4800场发射扫描电子显微镜(日本日立)完成。

3 结果

3.1 矿物组成

研究区盐间地层的岩石主要由碳酸盐矿物(方解石和白云石)、钙芒硝以及硅质碎屑物质(石英、长石和粘土)组成，其垂向变化规律如图2。

图1 江汉盆地研究区位置与地层Fig.1 The location and stratigraphic framework of the study area,Jianghan Basina.江汉盆地凹陷、凸起及火山岩构造位置；b.江汉盆地潜江凹 陷蚌页油1井与蚌页油2井井位;c.江汉盆地潜江凹陷始新 世—渐新世地层

图2 江汉盆地蚌页油1井Eq3(4)-10矿物组合特征Fig.2 Mineral association characteristics of the Eq3(4)-10 cyclothem from Well BYY1 in the Jianghan Basin

3.2 岩相特征

本文总结了3种主要的富含白云石的盐间泥岩岩相组合:薄层-纹层状泥晶白云岩、纹层状含云泥晶灰岩和夹钙芒硝层层状泥晶白云岩(图3)。

3.2.1 薄层-纹层状泥晶白云岩

薄层-纹层状泥晶白云岩主要发育在Eq3(4)-10，Eq4L-6和Eq4L-15韵律中上部，具有较高的TOC含量(图2)。图3a中薄层-纹层状泥晶白云岩的方解石含量为18.3%，白云石含量53.5%，硅质碎屑物质含量为20.8%，钙芒硝含量为7.4%，TOC值达到1.8%。其在岩心上由黄褐色的泥晶白云石纹层/薄层和深灰色的泥质纹层组成，显示为较深水还原环境产物，局部夹有钙芒硝和硬石膏晶体或纹层(图3a)。黄褐色的泥晶白云岩层厚度为0.1 mm～3 cm (图3a)。白云岩薄层内部可见钙芒硝晶体，部分泥晶白云岩纹层呈波状特征(图3a)。显微照片显示薄层状泥晶白云岩在镜下呈弱纹层特征，由泥晶组成的暗色颗粒被亮色的微晶胶结(图4a)，纹层状泥晶白云岩由暗色灰泥层和浅色云质层组成(图4b)，云质层呈微波状，由微亮晶组成(图4c)，富含有机质(图4d)。泥晶白云岩富集层段夹有富有机质泥岩，由富有机质纹层和富方解石纹层组成(图4e，f)。

3.2.2 纹层状含云泥晶灰岩

纹层状含云泥晶灰岩主要发育在Eq3(4)-10和Eq4L-15韵律中部，具有中等TOC含量(图2)。图3b中纹层状含云泥晶灰岩的方解石含量为55.6%，白云石含量为10.1%，硅质碎屑物质含量为34.3%，钙芒硝含量为0，TOC值达1.35%。该岩相在岩心上呈灰色，纹层特征发育，形成于深水还原环境，局部夹有黄褐色纹层状泥晶白云岩(图3b)。泥晶灰岩富集的层段没有明显的硫酸盐纹层发育，此特征不同于泥晶白云岩富集层段内的泥质夹层。泥晶灰岩纹层厚度小于1 mm(图5a)，所含纹层类型与薄层-纹层状泥晶白云岩岩相内部的纹层状泥岩类型相同。荧光下，纹层内部可见波状有机质条带(图5b，c)。

图3 江汉盆地蚌页油1井Eq3(4)-10韵律岩相组合特征Fig.3 Lithofacies combination characteristics of the Eq3(4)-10 cyclothem from Well BYY1 in the Jianghan Basina.薄层-纹层状泥晶白云岩,埋深3 128.32 m;b.纹层状含云泥晶灰 岩,埋深3 129.91 m；c.夹钙芒硝层层状泥晶白云岩,埋深3 131.95 m

图4 江汉盆地蚌页油2井Eq4L-6韵律薄层-纹层状泥晶白云岩特征Fig.4 Characteristics of the thin-bedded-to-lamellar dolomicrite of the Eq4L-6 cyclothem from Well BYY2 in the Jianghan Basina.薄层状泥晶白云岩，埋深3 404.30 m；b.纹层状泥晶白云岩 埋深3 405.34 m； c.为b局部放大图;d.为c荧光照片；e.纹层状泥晶灰岩,3 404.58 m；f.为e荧光照片

图5 江汉盆地蚌页油2井Eq4L-6韵律纹层状含云泥晶灰岩特征Fig.5 Characteristics of the lamellar marlstone bearing dolomite of the Eq4L-6 cyclothem from Well BYY2 in the Jianghan Basina.层状泥晶灰岩, 埋深3 404.44 m；b.泥晶灰岩，埋深3 404.47 m；c.为b荧光照片

3.2.3 夹钙芒硝层层状泥晶白云岩

夹钙芒硝层层状泥晶白云岩主要发育在Eq3(4)-10，Eq4L-6和Eq4L-15韵律下部和Eq4L-18韵律内。该岩相主要由钙芒硝、白云石及一定含量的硅质碎屑物质(粘土、石英和长石)组成，TOC含量较低(图2)。图3c中夹钙芒硝层层状泥晶白云岩含有方解石6.80%，白云石41.16%，硅质碎屑物质20.25%，钙芒硝31.79%，TOC值为0.83%。岩心观察显示该岩相由泥晶白云岩层段和钙芒硝层段组成，其中泥晶白云岩呈灰色，局部具有黄褐色纹层，钙芒硝层段呈灰白色，厚度约3～5 cm，由钙芒硝纹层组成，钙芒硝晶体不定向排列，裂缝中可见被钙芒硝充填现象(图3c)。薄片显示钙芒硝晶体具有向上变大的特征，而晶体数量逐渐减少(图6a)。位于薄片上部的基质主要由白云石、粘土等矿物组成，可见泥质碎屑物质(图6b)。泥晶白云岩富集层段也可见明显的陆源碎屑物质颗粒(图6c)。大量的蒸发矿物和陆源碎屑物质指示其形成于相对浅水环境。

3.3 矿物微观特征

3.3.1 白云石

薄层-纹层状泥晶白云岩内的白云石晶体直径小于2 μm(图7a)。这些泥晶白云石晶体以环状形式围绕一个中空的孔洞聚集在一起(图7a)。这些中央孔洞的直径范围为3～8 μm(图7a，c)。大部分白云石晶体呈菱形或亚菱形(图7a)。这些环状聚集物可以合并成更大的聚集体，其彼此被较大的白云石颗粒胶结(图7a)。较少有粘土和其它矿物在这种白云石富集的层内被发现。一些环状聚集物内的中央孔洞被微晶黄铁矿晶体充填。在泥晶白云岩富有机质层内可见泥晶白云石晶体与有机质膜和黄铁矿聚集在一起(图7c)。

夹钙芒硝层层状泥晶白云岩内的白云石晶体大小大多在3～4 μm(图7d)。这些白云石晶体呈完美的菱形晶形(图7d)。没有环状构造或中空的孔洞被发现(图7d)。片状和丝状粘土矿物被发现在该岩相内，其充填在白云石间的晶间孔隙内(图7f)。该岩相内白云石富集的层段中可见分散分布的硫酸盐矿物(如硬石膏和钙芒硝)(图7g)。这些矿物周边的基质内含有被粘土矿物围绕的白云石颗粒(图7g)。

图6 江汉盆地蚌页油2井Eq4L-18韵律夹钙芒硝层层状泥晶白云岩特征Fig.6 Characteristics of the lamellar dolomicrite interbedded with glauberite of the Eq4L-18 cyclothem from Well BYY2 in the Jianghan Basina. 层状钙芒硝，埋深3 647.32 m；b. 泥质碎屑，为a红色方框内的镜下特征, 埋深3 647.32 m；c. 陆源碎屑矿物，埋深3 647.32 m

3.3.2 方解石

纹层状含云泥晶灰岩内的泥晶方解石晶体随粘土矿物定向排列(图7i)，并可见明显的纹层构造(图7i)。这些方解石晶体不具有完美的菱形晶形，且不显示明显的生物微结构特征。方解石晶体小于5 μm(图7i，l)。一些圆形或椭圆形的孔或凹坑出现在泥晶方解石颗粒上，其大小小于2 μm(图7j)。一些拉长的椭圆形孔洞被泥晶方解石环绕，这些孔洞直径在8～10 μm(图7l)。

4 讨论

4.1 方解石与灰岩沉积成因

研究区纹层状含云泥晶灰岩内部的方解石晶体大小基本相同，且晶体内一般发育有晶内孔洞，这些特征与藻类诱导的方解石晶体相似。被相同泥晶方解石晶体围绕的长椭圆状孔洞的形状类似于浮游藻类的形态特征。这些孔洞的形成源于微生物对有机物质的降解作用[25]。降解过程中释放的H+会溶解生物钙质壳壁，并形成重结晶方解石晶体。

纹层状含云泥晶灰岩内的细的连续的纹层表明它们是悬浮沉积的产物。高的伽马蜡烷含量指示一个高盐度的沉积环境[27]。在这个沉积环境里，由于长期的盐度分层导致方解石晶体与粘土矿物一起沉淀，因此研究区内的大部分方解石晶体是与粘土混杂在一起的。而对于季节性分层的古湖盆，其内部的细粒沉积物显示方解石矿物和粘土物质一般出现在不同的纹层内[11]。

4.2 白云石与白云岩成因

如前所述，研究区的白云石颗粒出现在富有机质和贫有机质两种岩相内(图2)。

夹钙芒硝层层状泥晶白云岩没有细胞状结构，且TOC含量较低。大量的粘土矿物出现在白云石晶体周围。存在厚的钙芒硝层说明其沉积时的盐度要高于层状-薄层状泥晶白云岩沉积的水体盐度。钙芒硝的粒序特征说明其是常年盐湖的水底沉积物，其具有卤水浓度波动的特征[31]。白云石层和钙芒硝层内出现的大量的陆源碎屑物质和粘土矿物说明有陆源物质参与到蒸发矿物的化学沉淀中。大量的陆源碎屑物质的输入和蒸发矿物的形成会稀释盆内有机物质的浓度[5]。此外，过高的盐度会限制微生物的种类和数量，并导致微生物发生降解活动从而影响有机质的保存[5]，因此该岩相TOC含量较低。我们无法将微生物活动从该岩相内白云石的形成过程中排除，因为噬盐菌在高盐湖中被发现且能诱导白云石的结晶[18,32]。但是，高盐度和陆源物质输入会限制微生物的活动。受限的微生物可能不能完全对强蒸发环境下的形成的白云石负责。我们推测卤水过高的温度会对白云石的化学结晶产生影响[37]。因此，贫有机质岩相内的白云石晶体的形成可能是蒸发浓缩、高温和微生物共同参与的结果。

因此，研究区内白云石的形成受多种因素控制，在微生物主导沉积阶段，形成云质沉积物有机质含量较高，而在蒸发作用主要沉积时，形成的沉积物有机质含量相对较低。

5 结论

潜江凹陷潜江组主要岩相组合包括薄层-纹层状泥晶白云岩、纹层状含云泥晶灰岩和夹钙芒硝层层状泥晶白云岩。沉积物中保留了部分微生物活动留下的痕迹。方解石由浮游微生物诱导结晶并悬浮沉积，白云石由底栖生物诱导原地结晶。有机质的丰度受微生物活动、陆源物质输入和有机质保存条件等控制。

研究结果表明，潜江凹陷潜江组富有机质页岩中的白云石为生物诱导成因的泥晶碳酸盐岩，白云石的沉淀与微生物活动密切相关，古生产力大，烃源条件好。这些泥晶白云石围绕生物降解孔呈环状分布，晶间孔(生物降解孔)发育，储集条件优越。生成的油气受顶底板盐岩封隔，大量滞留在盐间页岩系统中，形成连续型聚集的页岩油层。因此，生物诱导成岩的云质页岩相具有烃源好、储集优和含油量高的特点，是页岩油勘探开发的最有利岩相。