1、塔北地区下石炭统含盐层系的沉积演化及成盐机理周江羽 韩燕英 林忠民摘 要 根据钻井、测井和地震资料，研究了塔里木盆地北部艾协克桑塔木地区下石炭统含盐层系的沉积特征，恢复了早石炭世沉积岩相古地理环境，对含盐层系的垂向层序、地化特征、沉积环境和成盐机理作了初步探讨，建立了研究区下石炭统含盐层系的成盐模式。认为该区下石炭统的含盐层系不仅具有良好的储盖配置，而且由于盐体的塑性流动形成了一系列重要的含油气构造，具有良好的油气勘探远景。主题词 塔里木盆地北早石炭世沉积环境盐沉积盐膏层沉积机理中图法分类号 TE111.3艾协克桑塔木地区位于塔里木盆地北部沙雅隆起带，阿克库勒凸起的中南部，面积约 4500km
2、2，具有丰富的油气资源和良好的油气勘探开发远景。该区下石炭统，夹有一层厚 80220m 的含泥膏盐岩层，它不仅成为该地区极为重要的油气盖层，而且由于它的塑性流动形成了一系列重要的含油气构造。从国内外油气勘探的理论和实践中可以发现，与盐有关的含油气圈闭已成为一种重要的圈闭类型，历来为石油地质学家所重视16。目前，对膏盐岩的研究已不仅仅限于矿床学的范畴，已将其与油气藏的形成和演化联系起来，对含盐层系沉积环境及成盐机理的研究已引起国内学者的普遍关注1，2，6。1 含盐层系的垂向层序塔里木盆地北部艾协克桑塔木地区下石炭统含盐层系主要由盐岩、膏盐岩、石膏、含膏泥岩及泥岩组成。主要分布于沙 30 井沙 1
3、0 井沙 22 井塔河 1 井附近及以南地区，其北部边界基本上与中上奥陶统剥蚀尖灭线位置一致。地震剖面显示，该盐体的西部和北部边界呈顶凸底平的透镜体截然尖灭，而东部边界则与砂泥岩呈相变尖灭。研究区下石炭统含盐层系由下往上可划分为 4 个岩性段。(1)底部砂砾岩段由灰浅灰色的细砂岩、含砾中粗砂岩、砾岩、角砾岩及细砾岩(内夹钙质泥岩及粉砂岩)组成，厚 890m，与下伏志留系或中上奥陶统不整合接触。(2)泥岩段由灰色、浅棕色厚层状钙质泥岩夹灰白色薄层石膏层、粉砂质泥岩和细砂岩组成，厚 4060m.(3)膏盐岩段由灰白色盐岩、膏盐岩夹薄层膏泥岩和泥岩组成，厚115225m.按岩性特征该段可细分为：下部
4、盐岩夹泥岩或膏泥岩薄层亚段，中部盐岩与泥岩互层亚段，上部为厚层盐岩夹泥岩、膏泥岩薄层亚段，顶部为膏岩及泥岩薄层亚段(图 1)。(4)双峰灰岩段由灰色粉泥晶灰岩夹膏质粉砂岩、含膏泥岩、粉砂质泥岩和泥岩组成,厚 1525m，分布稳定。图 1 含盐层系沉积序列剖面上述垂向层序，除底部砂砾岩段相变较明显，膏盐岩段向周围相变尖灭外，其余各段在研究区内稳定性较好。并可与四川盆地中三叠世雷口坡期第三段半闭塞台地泻湖盐湖沉积序列相类比(图 1)。2 地化特征2.1 元素丰度沙 10 井和乡 1 井微量元素分析结果表明，盐岩中含较多的微量元素:Ba、Sr、Br、Mn、Fe、K、Na、Ca、Mg、SO 4 、Cl
5、 -.Rb 普遍小于 1mg/kg；B 含量一般在 230mg/kg.Br/Cl 小于 0.1103 ，个别样品达 0.2941103 .膏盐的成分以 CaO 和 SO3为主，平均含量分别为 44.512和 42.102，其次含少量的Al2O3、MgO、SiO 2、Na 2O 和 K2O.剖面上微量元素的变化较大，可能是由于受淡水及海水共同作用的结果。分析结果还表明，膏盐中 Sr 含量较高，Ba 一般沉积在近岸地区，故乡 1井的 Ba 含量要高于沙 10 井。一般而言，Ti、V、Ni 等铁族元素在泥岩中含量最高，而在碳酸盐岩和砂岩中含量最低，Sr 在碳酸盐岩和膏盐岩中含量最高，Ba 和 Ca
6、在砂泥岩中的含量要明显高于碳酸盐岩。2.2 碳氧同位素利用碳酸盐岩的 13C 和 18O 可以确定环境中水介质的盐度与温度。一般而言， 13C 和 18O 的值随水介质盐度增加而增加。据 Saekett(1996)资料，当海水和淡水相混时， 13C 值将提高。含盐度 Z 值是根据 Keuth 和Weker(1964)的公式计算的：Z=2.048( 13C50)0.498( 18O50).当 Z 大于 120 时为海相灰岩，Z 小于 120 时则为淡水灰岩。对于 34S，随蒸发岩由低阶段向高阶段转化，即浓缩程度提高， 34S 有升高趋势，盆地中心较边缘的 34S 值高。据研究区饱和烃、芳烃、非烃
7、类及沥青质四种 13C 同位素测定结果， 13C(PDB)一般为2732，平均为31.28.巴楚地区石炭系泥晶灰岩和泥灰岩的 13C、 18O 同位素平均值分别为 3.189和6.41，计算的古盐度指数 Z 值为 130.64，古温度 t 为 23.92；满西地区(43004700m) 13C、 18O 同位素平均值分别为 1.125和 5.062,Z 和 t 分别为 125.70 和 18.24;轮南地区(5200m)的 13C、 18O 同位素平均值分别为3.76和9.56,Z 和 t 分别为 114.84 和 40.14;东河塘地区(5600m)的 13C、 18O 同位素平均值分别为4
8、.11和8.45，Z 和 t 分别为 114.67和 33.56.轮南地区中上奥陶统的古盐度指数为 125.70，古地温为 22.02，基本接近于正常海相沉积7。上述结果表明，轮南和东河塘地区在石炭纪曾有过较高的古地表温度，有利于蒸发岩系的发育，古盐度指数 Z 值普遍小于 120，有可能是受到了局部地区淡水的影响。巴楚和满西地区的古盐度指数大于 120，但古地表温度偏低(1824)，可能代表一种弱的蒸发潮坪环境。3 沉积环境及演化史3.1 沉积相类型及特征根据含盐层系的岩性、粒序、沉积结构和构造、化石等资料，可识别如下沉积相：滨岸砂坝相，近岸辫状河流相、泻湖相(包括正常泻湖和蒸发咸化泻湖)和局
9、限台地相。3.1.1 滨岸砂坝相滨岸砂坝相主要发育于底部砂砾岩段，以沙 10 井和沙 30 井为代表。由细砂岩夹薄层泥岩和泥质粉砂岩组成，砂岩成分以石英为主，少量长石和岩屑，石英含量为 80以上，分选中等好，次棱角次圆状，具向上变粗的粒序，发育水流波纹层理和水平层理，弱的生物扰动，代表临滨带的沉积。该沉积相主要分布于盐体的西部，属于东河砂岩沉积物。3.1.2 近岸辫状河流相近岸辫状河流相主要发育于底部砂砾岩段，以塔河 1 井、吉南 1 井、沙 14井、轮南 46 井、羊屋 1 井和沙 22 井为代表。主要岩性为砾岩、含砾砂岩、砂岩和粉砂岩，局部夹角砾岩层。砾石成分以石英和灰岩为主，最大砾经10
10、5mm，一般 1020mm.砂岩成分以长石和岩屑为主，见有灰岩和泥砾，成分成熟度差，分选中等差，次圆状为主，具向上变细粒序，单个粒序层厚度1236m.该相主要分布于盐体内东北部及盐边北部附近，代表了海侵早期阶段的近岸近源辫状水系沉积。3.1.3 局限台地相局限台地相发育于顶部灰岩段。以亮晶砂屑灰岩、泥灰岩和亮晶鲕粒灰岩为主，夹微泥晶灰岩、微晶生物碎屑灰岩。含有丰富的腕足、笔类、有孔虫、介形虫、棘屑、三叶虫等动物化石，见有缝合线和瘤状泥灰岩，厚 30130m.图 2 正常泻湖与蒸发泻湖沉积层序特征3.1.4 泻湖相泻湖相主要发育于泥岩段和膏盐岩段，根据岩石类型及沉积特征，可将泻湖沉积划分为正常泻
11、湖相和咸化(蒸发)泻湖相。(1)正常泻湖相以泥岩段为代表。以厚层巨厚层状的泥岩为主，夹薄层膏岩、细砂岩、灰岩和泥质粉砂岩为特征，含有较多的轮藻和孢粉化石。主要沉积构造是透镜状层理、水平层理、变形层理，在砂岩的底面常见负载构造。(2)咸化(蒸发)泻湖相以膏盐岩段为代表。以膏岩、盐岩为主，夹薄层泥岩、含膏泥岩和泥质粉砂岩。石膏层发育于顶部，膏盐岩层发育于盐体的东部边缘(吉南 1 井为代表)，可能是由于后期水体淡化及陆源碎屑物质的影响所致。石盐层质纯，结晶良好，晶体相互镶嵌。内部的泥岩夹层常呈泥砾岩出现，与石盐岩呈港湾状截然接触(图 2)。3.2 沉积演化史受晚加里东运动的影响，塔里木盆地整体抬升遭
12、受剥蚀，塔北和塔东南古陆相连，形成塔里木盆地东高西低的古地形特征，石炭纪的海侵就由西往东逐渐推进。巴楚组沉积早期，处于海侵早期阶段，沙 30 井至沙 10 井一线以西沉积了分选磨圆较好的石英细砂岩，具前滨临滨砂坝特征，可与塔中及沙雅东部地区的东河砂岩类比。但至沙 30 井沙 10 井一线以东的轮南 46 井、塔河 1 井及其以北的沙 22 井、沙 14 井、沙 17 井的底部砂砾岩即具有近湖辫状河道沉积特征，不论从岩性、沉积结构和构造、粒序等方面都与东河砂岩存在较大差别。如果沿塔中 2 井满西 1 井轮台地区一线，存在轮南低隆和塔中低隆的话，那么这一向西凸出的弧形低隆带，与东河砂岩带的分布位置
13、基本一致，由此，将东河砂岩解释为障壁砂坝或临滨带的滨外砂坝都有一定依据，只是这个低隆起带可能间歇性的淹没于水下。但位于塔河 1 井沙 17 井一带的向上变粗的含砾砂岩和砂岩层，由于位于隆起带的南部边缘，物源主要来自于北部隆起区，应属于后滨带低洼处的近源碎屑辫状水系充填物的可能性较大。这与塔北隆起带的中段和东段隆起幅度较西段大，造成物源供应充足有关7。随着海平面的不断上升，陆源碎屑物质供应减少，在临滨砂坝的东侧后滨低洼地带开始接受正常泻湖沉积(泥岩段)，由于海侵来自西部，海水受到了临滨砂坝(东河砂岩)的阻挡，水体较浅，分布面积可能较大，并向东南方向延伸，沉积了一套以厚层泥岩为主夹溥层砂岩和膏岩的
14、沉积物。在海平面下降期，沿岸地区水体变浅，临滨砂坝露出水面，造成滨岸地区水体分割而形成封闭半封闭水体，在干旱炎热的气候条件下(古温度可达 3344)，这些较浅的、孤立的封闭半封闭水体受到强烈蒸发而发育成蒸发(咸化)泻湖环境，沉积了一套以膏岩、盐岩、膏盐岩夹薄层泥砾岩、泥岩为主的含盐层系(膏盐岩段)。泥砾岩和泥岩可能是水体淡化的产物，也可能是由于涨潮或短暂海侵期从泻湖周缘带入的细碎屑沉积物。膏盐层系最厚处位于沙 10 井至塔河 1 井附近，分别达221m 和 188.5m.根据地震和钻井资料，膏盐层向东相变尖灭，向北和向西呈上凸低平状截然尖灭。其原因可能是由于东部边缘物源供应充分(以砂为主)，而
15、北部和西部碎屑供应相对贫乏(以泥为主)；也可能与后期差异或塑性流动有关，值得进一步探讨。该蒸发泻湖可能覆盖了满加尔凹陷的大部分地区(满参 1 井和羊屋 1 井都已见到了厚层膏盐层)，水体通过塔中轮南低隆带的潮道口进入满加尔凹陷的蒸发泻湖。由此可见，研究区的蒸发泻湖应处于满加尔凹陷蒸发泻湖的北部边缘带。随着海平面的上升及气候转向温暖潮湿，形成了大面积分布的双峰灰岩段，厚度稳定，可作为区域标志层。研究区的双峰灰岩以泥晶灰岩为主夹膏质粉砂岩薄层，含大量动物化石，应属局限台地的沉积环境8。4 成盐机理和成盐模式4.1 成盐机理上述沉积史分析表明，研究区总体处于滨岸泻湖环境。从含盐层系的沉积结构来看，含
16、盐层系是在泥岩段正常泻湖沉积的基础上发育起来的，之后被双峰灰岩沉积所覆盖。显然，在海平面下降期，被滨岸砂坝(或障壁坝)所分割的水体在干旱炎热的气候条件下，直接进入了咸化(蒸发)泻湖盐岩沉积，致使研究区的石盐直接沉积在下伏正常泻湖相泥岩层之上，由于该地区距物源区较近，水体较浑浊，加上当时温度较高，而不利于碳酸盐岩的发育，在南部满参1 井的含盐层段底部也仅见到厚度 3.5m 的灰岩薄层，至东部沙 32 井石炭系底部有一层 7m 厚的泥质灰岩，表明当时东部地区的物源供应很少。在随后的蒸发泻湖发育阶段，海平面有间歇性的升降变化(潮汐作用)，使研究区基本上处于潮间泻湖环境。在海平面下降期，沙坝露出水面，
17、滞留泻湖水体受到强烈蒸发而沉积了盐岩层。在海平面上升期，海水越过沙坝而进入泻湖，使泻湖水体淡化阻止了石盐的结晶，沉积了以泥岩为主的夹层，同时泻湖滨岸水体以上的潮上泥坪由于蒸发而干裂，在波浪的作用下打碎，然后搬运到泻湖中沉积，造成了盐岩层中夹有泥砾岩层的现象(沙 10 井)，随后海平面下降泻湖水体又开始蒸发而沉积石盐。盐岩与泥砾岩层的港湾状截然接触可能是含盐层系埋藏后，由于发生重结晶作用，在压实作用下嵌入下伏泥砾岩层形成的。如此反复进行，就形成了研究区含盐层系中盐岩夹泥岩或泥砾岩以及盐岩和泥岩频繁互层现象。含盐层系顶部的石膏层可能是由于当时水体的淡化(海侵早期海平面上升或地表水体注入)，或者是处
18、于潮上萨布哈蒸发盐坪环境中形成的石膏层。东部吉南 1井的含盐层系均为膏盐层，未见纯的石膏层或石盐层发育，是否与该井靠近东部隆起区，受陆源碎屑物质供应较充分，水体淡化所致，值得进一步研究。地质剖面显示的盐体东部边界不清，可能是盐体与东部碎屑物质存在相变有关。从满参 1 井含盐段泥岩的分散元素分析结果可见，Sr/Ba=1.25，泥岩段 Sr/Ba为 0.2，水体明显淡化了，说明当时沉积环境受陆湖碎屑的影响较大9。由此可见，研究区含盐层系的形成条件受水体注入量与蒸发量的动态关系控制。4.2 成盐模式通过对研究区上述沉积背景、含盐层系的沉积结构、形成环境及成盐机理的初步分析认为，研究区的含盐层系主要形
19、成于干旱炎热气候条件下，受海平面变化控制的滨岸潮间蒸发泻湖环境，称为滨岸潮间泻湖成盐模式(图 3)。图 3 塔北地区下石炭统含盐层系的成盐模式该成盐模式是对研究区含盐层系形成演化机制的一种总结，因而它具有地区性模式的特点。目的是为新区的含盐层系研究提供一种类比和预测的手段。感谢中国新星石油公司西北石油局规划院的大力支持。作者单位：第一作者：副教授煤、油气地质中国科学院广州地球化学研究所广州 5106405 参考文献1杰克逊 MPA，盖洛韦 WE 著，刘民中译.墨西哥湾沿岸第三纪大陆边缘构造与沉积类型及其在油气勘探中的应用.石油工业出版社(北京)，1988.2湖北省石油学会.蒸发岩与油气，石油工
20、业出版社(北京)，1985.3Montgomery S L,Moore D C.Subsalt play,gulf of Mexico，a review,AAPG Bulletin,1997,81(6),871896.4Jenyon M K.Salt tectonics,Elsevier applied science Pub lishers,London and NewYork,1985.5Jackson M P A,Roberts D G,Snelson S.Salt tectonics，aglobal perspective，AAPG Memoir 65,1995.6Jenyon M K,王国纯译.盐流动所引起的上覆碎屑岩层的某些形变，国外油气勘探，1989，1(2)，6677.7顾家裕.塔里木盆地沉积层序特征及其演化，石油工业出版社(北京)，1996.8叶德胜等.新疆塔里木盆地北部储层沉积、成岩特征及储层评价，成都科技大学出版社(成都)，1995.9刘宝君，曾允孚.岩相古地理基础和工作方法，地质出版社(北京)，1985.
