塔北地区下石炭统含盐层系的沉积演化及成盐机理.docx

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4500km2，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80〜220m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［1〜6］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10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8〜90m，与下伏志留系或中一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40〜60m.(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115〜225m.按岩性特征该段可细分为：下部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15〜25m，分布稳定塔北世匱下石妊鸵霑盐尼系^)四.111鱼地初门址组【£心小我右益拧及4和箱：1块浓:典毎畀和宏丐二袋;」狀逬割訳1=^7宕丈兜昂疾阳咬宗昨:磁迟贞兜品庆料图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)地化特征元素丰度沙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+、Cl-.Rb普遍小于lmg/kg；B含量一般在2〜430mg/kg.Br/Cl小于0.1X10-3,个别样品达0.2941X10-3.膏盐的成分以CaO和SO为主，平均含量分别为44.512％和42.102％，其次含少量的AlO、MgO、SiO、3232Na3O和KO.剖面上微量元素的变化较大,可能是由于受淡水及海水2共3同作用的结222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在砂泥岩中的含量要明显高于碳酸盐岩1.1 碳氧同位素利用碳酸盐岩的613C和6180可以确定环境中水介质的盐度与温度一般而言，613C和6180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，613C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(613C+50)+0.498(618O+50).当Z大于120时为海相灰岩，Z小于120时则为淡水灰岩对于634S,随蒸发岩由低阶段向高阶段转化，即浓缩程度提高，634S有升高趋势，盆地中心较边缘的634S值高据研究区饱和烃、芳烃、非烃类及沥青质四种613C同位素测定结果，6i3C(PDB)—般为一27%〜一32%平均为一31.28%巴楚地区石炭系泥晶灰岩和泥灰岩的6曲、618同位素平均值分别为3.189%和一6.41%，计算的古盐度指数Z值为130.64，古温度t为23.92°C；满西地区(4300〜4700m)613C、6町同位素平均值分别为1.125%和5.062%o,Z和t分别为125.70和18.24C;轮南地区(5200m)的6曲、6町同位素平均值分别为一3.76%和一9.56%o,Z和t分别为114.84和40.14C;东河塘地区(5600m)的6曲、6町同位素平均值分别为一4.11%和一8.45%，Z和t分别为114.67和33.56C•轮南地区中一上奥陶统的古盐度指数为125.70，古地温为22.02C，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(18〜24C)，可能代表一种弱的蒸发潮坪环境1.2 沉积环境及演化史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)和局限台地相1.2.1 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1.2.2 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105mm，一般10〜20mm.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12〜36m.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。

1.2.3 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30〜130m.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33〜44°C）,这些较浅的、孤立的封闭一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］。

1.3 成盐机理和成盐模式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，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。