沉積期古鹽度不均衡性研究范文

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《沉積學報》2016年第二期

摘要

渤海灣盆地不同凹陷區鉆井巖芯資料顯示，古近紀沙三、沙四段沉積的泥巖、灰巖、云巖、膏巖多呈現相互間隔的韻律層分布。但在不同凹陷及各洼陷內，其發育的厚度、缺失程度以及韻律的完整性卻是不盡一致的。通過對孢粉資料的分析發現，當時的古氣候在全盆地基本趨于穩定，干、濕程度的微弱變化不足以引發沉積剖面上如此大的巖性差異。對比下遼河、東營、沾化和東濮凹陷的沉積記錄和古鹽度數據，發現各地巖性組合的不一致性主要是由于各地湖盆古鹽度差異所致。綜合各項數據分析推斷，沉積時期盆地東北部隆—塹夾持區下遼河凹陷(上游)的動態淡水不斷向盆內注入，最終在西南部低洼區東濮凹陷(下游)匯集，造成了盆內咸化環境產生了較大的不均衡性。上游區咸化環境被淡水稀釋，鹽巖類型單一、厚度小;下游區則由于較穩定的高鹽度環境，在遇干旱氣候時，鹽、膏層大量析出，而位處中游的東營、沾化凹陷則呈現由淡趨咸的過渡狀態。高鹽度咸化環境有利于有機質的保存，能夠促成烴類的早生早排，對規模油氣資源量的形成極為有利。

關鍵詞

古近紀；沙三、沙四段沉積時期；渤海灣盆地；古鹽度；不均衡性

沙三、沙四段沉積時期的的渤海灣盆地，多呈現咸水湖沉積特征［1-5］。巖性剖面上，自上而下常見泥灰巖—泥云巖—膏云巖—膏巖—硬石膏巖等與泥質巖類的間互層沉積。渤海灣盆地由南至北分布的多個凹陷或洼陷內，蒸發鹽沉積組合序列(巖性疊加剖面)的完整性和厚度變化在各地常呈現不一致性，通常認為是局部氣候差異的體現［6-8］。一些資料顯示，渤海灣盆地的南部、西南部多呈現較為干旱的氣候;而北部、東北部則呈現相對濕潤的氣候［9-11］。在渤海灣盆地腹部的幾個洼陷內，如孤南、渤南洼陷，還見到有孔蟲、顆石藻和海綠石等在海相地層中常見的化石屬種，雖無可靠證據確定此類洼陷曾經受到海侵影響［12-13］，但足以說明當時水環境的古鹽度值較高，處于較穩定的咸化環境中。近年來，隨著對古環境、古鹽度研究工作的不斷深化和數據的進一步積累，發現了一些新的線索。古生物數據顯示，當時渤海灣盆地的古氣候相對于整個盆地而言差異性并不大，即干旱和濕潤區的分界線并不易確定。古鹽度在南北不同凹陷區的差異并非完全與古環境變化相吻合，或者說古鹽度值的變化幅度遠遠超出古氣候的變化節奏。因此，造成古鹽度發生了如此大的變化，應另有其因。現已證實，盆地的高鹽度對原始有機質的保存及后期生、排烴作用十分有利［14-17］，因此研究盆地的古鹽度變化，將有助于揭示盆地的油氣資源潛力及生烴能力。那么對于渤海灣盆地各凹、洼區較明顯的古鹽度差異，應該有怎樣的解釋呢?本文以渤海灣盆地長軸向SSW—NNE向的遼河—濟陽—臨清坳陷為線，以下遼河、東營、沾化和東濮凹陷為點，對其古鹽度資料和與蒸發鹽相關的巖性剖面進行了分析，發現了渤海灣盆地沙三、沙四段沉積時期特有的NNE向微咸化環境(上游)向SSW向廣布的匯集區咸化環境(下游)注入補給的“動態單向流”規律。即，沙三、沙四段沉積時期的渤海灣盆地可區分為上游淡水補給型低、中鹽度環境、中游過渡型高鹽度環境和下游匯聚型超高鹽度環境三種類。

1穩定的古氣候特征

根據對遼河、濟陽、濮陽凹陷區不同洼陷內的孢粉資料分析，沙四段沉積時期，被子植物花粉主要以亞熱帶類型的櫟粉屬Quercoidites和溫帶類型的Ul-mipollites為主［18］，熱帶和亞熱帶花粉占較大比重、類型較多，常見Rhoipites，Cupuliferoipollenites，Meliacei-dites，Rutaceoipollis，Liqudambrapollenites等，在各個地區的組成不盡相同，但總體上，此時渤海灣的氣候處于亞熱帶是無疑的;裸子植物花粉以具雙氣囊類的松科為主，說明沉積水體周圍有地勢起伏。Ephedripites普遍含量較高，反映氣候相對干旱。綜上，沙四段沉積時期，各洼陷的氣候基本趨于一致，均為相對干旱的亞熱帶氣候。沙三段沉積時期，在全盆地的孢粉組合中，亞熱帶類型的Quercoidites含量都很高，遼河坳陷和濟陽坳陷的裸子植物花粉中，耐旱的Ephedripites普遍較低，在冀中凹陷和濟陽坳陷一般低于4%［19］，東濮凹陷的鹽間深灰色泥巖中，Ephedripites含量為3%～6%［20］，個別樣品可能達到10%［21］，說明該區此時的氣候盡管較其他兩個地區略干和熱，但仍以濕潤為主，少量的Ephedripites可能來自陸上斜坡無水區。因此，從NNE向的下遼河凹陷延伸至SSW向的東濮凹陷，沙四段沉積時期基本趨于偏干旱的穩定氣候;沙三段沉積時期基本趨于較濕潤的穩定氣候，但兩期古氣候在地理位置上相對穩定，變化不明顯，至少不足以造成蒸發鹽序列發生較大的變化。實際巖性剖面中巖層的厚度和類型有著明顯的差異(圖2)。

2古鹽度控制的蒸發鹽分布

目前探知的渤海灣盆地古隆起背景多為早古生代形成的碳酸鹽沉積物，也夾雜有晚古生代形成的陸表海沉積物，說明當時的沉積物以不乏碳酸鹽和咸水背景為主要特點。這些隆起區沉積的海相碳酸鹽巖是古近紀的主要物源區。中生代的渤海灣盆地，隨著燕山隆起的形成，NEE向扭張作用加強，裂谷、裂陷開始增多，并在漸新世幅度達到最大，周圍隆起區碳酸鹽臺地背景尤為發育，為湖盆咸化環境的形成提供了豐富的物質資源。一些觀點認為鹽膏層的物質來源源自深部，是由熱液形成的高礦化度流體在幕式斷裂作用下分不同期次上涌至近地表結晶而成［22］。一般而言，鹽湖在干旱條件下發生蒸發作用，并導致水中溶解度的降低，隨著溶解能力的不斷下降(干旱持續過程)，湖水中最先析出碳酸鈣，即方解石沉淀，依次是白云石、石膏、鈉鹽、鉀鹽、鈣芒硝、天然堿等。這一規律與渤海灣盆地多數凹陷的實際巖性剖面相吻合，其巖性疊置順序完全符合水中溶解度變化而引發的正常蒸發鹽排列順序，而深源熱液活動形成的鹽層則無此規律。所以，渤海灣盆地地層中的結晶鹽大部分是正常蒸發沉積而形成的，包括鹽膏層，而非熱液活動成因。干旱程度、蒸發量(持續蒸發時間)與湖水的古鹽度值共同決定了巖性序列體征。動蕩、雨水充沛的濕潤環境，即使鹽度較高也不一定伴有完整結晶鹽序列的形成，相反，沉積物多以泥、砂為主;隨著干旱氣候的到來，蒸發作用可能導致碳酸鹽巖的沉淀，如果僅僅沉積了一層碳酸鈣，氣候又恢復濕潤，地層巖性剖面即體現灰、泥間互層;如果干旱程度達到結晶了大量的膏巖，繼而又轉為濕潤，則巖性剖面呈現泥、灰、云、膏互層;但目前尚未發現干旱程度達到出現天然堿的級別，南方江漢盆地的局部見有極干旱條件下形成的鈣芒硝等［23］;有時氣候的變化非常復雜，即多個不同級次的氣候帶相互疊加，巖性剖面上出現較為雜亂的現象，甚至其旋回性也很難區分。就渤海灣盆地而言，根據各地區巖性剖面中存在的鹽巖層數量和類型，可以看出湖盆古鹽度差異性較大，但古鹽度變化亦存在某些規律性。沙四段沉積時期，下遼河洼陷內的巖性記錄中并沒有見到鹽巖和膏巖的發育層，僅見有少量薄層灰巖和泥巖的薄互層，泥云化現象多出現于含灰質條帶較多的層段，但并不是具備灰質發育的層段都見有白云石的出現，其分布范圍較為局限。說明下遼河地區當時的水環境相對偏淡。在濟陽坳陷的東營和沾化凹陷，這一時期則廣泛發育膏巖和鹽巖沉積，與上述孢粉數據特征相吻合，當時的古環境應該是較為干旱的氣候，而水體古鹽度值亦偏高。東濮凹陷在這一時期同樣發育了大套的鹽巖和膏巖沉積，同時在鹽巖沉積層中伴有少量鈣芒硝的出現。沙三段沉積時期，下遼河凹陷的湖相沉積層中多以泥、粉砂和局部分布的薄層灰質間互層為主，極少見有云質層的分布，鹽巖、膏巖沉積少見，證實古鹽度演化更趨淡化。東營、沾化凹陷在這一時期廣泛發育灰、云質層，膏巖層規模較沙四段沉積時期大為縮減，鹽巖層很少發育，由于古環境變化不大，證實該地區水體古鹽度亦有所降低。東濮凹陷沙三段地層中仍發育較厚的鹽巖沉積，并伴有大量的膏巖和灰、云質層分布，證實其仍具有較高的古鹽度值。沙三段、沙四段沉積的地層記錄均顯示，同一沉積期NNE向下遼河凹陷的水體古鹽度值最低，SSW向東濮凹陷古鹽度值最高，東營、沾化凹陷居中(表1)。在古鹽度完全均一的湖盆內，蒸發鹽以及其沉積層的巖性具有一定規律性。如果湖盆面積過大，軸向延伸距離遠，即具有跨氣候的區域分布，則可能造成沉積和蒸發巖層的巖性差異。但上述分析已經證實沙三、沙四段沉積時期自遼河至濮陽具有氣候一致性特征，從地理位置上分析，由于古氣候的穩定性，鹽巖沉積的這種規律性排除了由各地干、濕度引發的可能性。說明造成沉積和蒸發沉淀的巖性差異原因并非氣候因素，而是存在其他因素。

3引發古鹽度變化的因素

在氣候均衡的情況下，封閉盆地內連續水域的古鹽度值應保持一致性;但當水域是動水環境時，即有注入端，亦有泄水端時，盆地內古鹽度受來自端口處淡水的稀釋作用影響，則會造成由上游注入端至下游泄水端古鹽度值的不斷變化。這種現象在中國內陸湖并不鮮見［25］。通過對渤海灣盆地不同地區含有蒸發巖的巖性剖面分析，在整體氣候一致的條件下，渤海灣水域的古鹽度值變化應屬于上述情形。根據渤海灣盆地各凹陷區沙三下普遍存在的最大湖泛面及所形成的密集段(渤海灣盆地沙三下暗色泥巖標志層)推測，這一地質歷史的演化過程可還原為:沙三、沙四段沉積時期，隨著斷陷盆地的進一步擴張和盆地基底的再次沉降(伴隨一系列拉張斷層的形成)，原本孤立的次級洼陷相互貫通，成為一個以“千島湖”面貌呈現的、統一的水系統。由于白堊紀構造擠壓作用形成的古隆起處于盆地西北緣至燕山古隆起東段，這一地區成為渤海灣盆地水域的淡水補給注入口，位于盆地東北部松遼盆地的狹長地帶成為最上游的注入區域，而臨清坳陷南部東濮凹陷等地成為廣闊的匯水區域，雖然也有向南的泄水河口，但由于湖盆在這一地區的古邊界寬泛，泄水部位不集中，鹽湖淡化趨勢不明顯。在淡水不斷向湖盆注入的動態環境下，湖水古鹽度的不均衡性取決于咸水—淡水的置換速度，上游注入端由于其面積狹小，淡水相對注入量大，淡水的置換速度遠遠大于下游匯水區域，這就造成了長期動態環境下整個渤海灣盆地中水體鹽度呈現NNE向低而SSW向偏高的狀態。下游匯水區域由于其面積寬泛，相對來自上游的淡水注入量較少，淡—咸水的置換速度低，保存了較高的水體古鹽度。同時，鹽巖層在垂向上的結晶順序既符合咸水溶解度變化所體現的蒸發鹽序列(由下向上:灰—云—膏—鹽—硝—堿)，在橫向上也吻合了湖泊水體由深至淺的巖相分布規律(由腹部至邊緣:鹽—膏—云—灰—泥)，這也解釋了臨清坳陷內有些小洼陷因為水淺不含鹽，而水體稍有加深即有鹽類析出的現象。由于盆洼格局的不斷變化，實際巖相分布情況更為復雜。隨著沙三段中、晚期最大湖泛面的形成，沙四段和沙三早期沉積時期的這種鹽度動態不均衡性被打破，隨之出現了一套遍布于整個渤海灣盆地的暗色泥巖標志性沉積，在此之后盆地淡水的注入呈現多源化特征，古鹽度值一直保持均衡且逐漸淡化的趨勢，尤以沙二段沉積時期，河流相廣泛發育，湖盆整體淡化。進入沙一段沉積時期，由于相對偏干旱的氣候和相對較穩定的水體條件，湖水古鹽度值再次升高。但總體而言，后期的古鹽度值均未能超越前期的沙三早期至沙四段這一特殊階段。

4高鹽度環境與油氣地質意義

古鹽度值的偏高對有機質保存十分有利。相對于整個渤海灣盆地而言，南部東濮凹陷發育有多個高鹽度內陸盆地，有機質豐度極高，且以Ⅰ型和Ⅱ型干酪根為主，由于受氧化環境的改造不大，姥/植比較低;相反，東北部遼河地區，古鹽度值相對偏低，對有機質保存不利，氧化環境明顯，姥/植比偏高，原油稠化程度高。因此，我國東部的油氣資源在渤海灣盆地南部廣大區域尚有較大的潛力。受古鹽度影響，該地區有機質類型偏Ⅰ型較多，多以浮游藻類為主，且易于保存，生、排烴期多對應于強還原條件下的高溫、高壓環境，生成的油質較輕;北部干酪根類型由Ⅰ型向Ⅱ型轉化，氧化條件明顯，不利于有機質的保存，油氣資源量相對貧于南部。由于高鹽度環境在地層中形成了許多致密化學膠結層，如硫酸鹽結晶形成的致密膏巖層、碳酸鈣結晶形成的致密灰質層(鈣殼)［26］以及極干旱條件下形成的巨厚鹽巖層等，均有利于地溫、地熱的保存，能夠促成干酪根過早進入熱演化階段，對生成油氣較為有利。同時，白云巖化過程能夠形成大量的自形晶間孔隙，所以，有條帶狀白云巖發育的地層常常為油氣運移提供通道，有利于油氣成藏。高鹽度環境對規模油氣資源量的形成極為有利，這一結論有助于深化渤海灣盆地油氣勘探部署和提高鉆井準確率。

5結語

渤海灣盆地沙三、沙四段沉積時期發育了古鹽度值不均等的內陸湖泊沉積，咸化環境對有機質的保存和油氣成藏有著重要的意義，研究湖盆古鹽度的變化規律將有助于對本地區的油氣資源做出正確的評估，同時能夠指導勘探開發的決策方向，也為渤海灣盆地古近系油氣分布的不均衡性和深化勘探部署提供借鑒。本文尚有部分觀點系推論，還待今后新的認識、新的依據輔以佐證、補充或修正。

作者：張守鵬 李保利 賀振建 張存霞 單位：中國石化勝利油田分公司勘探開發研究院