潜江凹陷潜江组盐间泥质白云岩形成模式分析

漆智先，舒向伟，桑 利 张永生

(中石化江汉油田分公司勘探开发研究院，湖北 武汉 430074) (中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037)

潜江凹陷潜江组盐间泥质白云岩形成模式分析

漆智先，舒向伟，桑 利 张永生

(中石化江汉油田分公司勘探开发研究院，湖北 武汉 430074) (中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037)

从潜江凹陷潜江组沉积环境分析入手，通过盐间层中白云岩岩石学特征描述，结合盐间泥质白云岩地球化学特征，论述了盐间白云岩成因。研究表明潜江凹陷潜江组盐间层中白云岩有原生白云岩、准同生白云岩和次生成岩白云岩。其中原生白云岩具有粒度细、镁钙比值低、有序度低、碳酸钙分子含量高的特点，是一种特殊类型的白云岩；准同生白云岩是在盐湖近岸湖坪带经过洪水搬运改造后，继而被高浓度分层盐湖水体“筏运”、漂移至较深水区沉积而成；次生成岩白云岩属于后生交代白云化作用的产物，以白云石交代钙芒硝为主。

潜江凹陷；潜江组；白云岩；成因；沉积环境

潜江凹陷为江汉盆地中一个典型的断坳型凹陷，潜江组时期，受潜北断层控制，临近潜北断层的蚌湖向斜为沉降中心，地层向东、西、南抬升，厚度逐渐减薄。钻井揭示地层自上而下发育有第四系平原组，新近系广华寺组，古近系荆河镇组和潜江组。平原组与广华寺组、广华寺组与荆河镇组为不整合接触，其余地层为整合接触［1］。潜江组沉积时期潜江凹陷总体为封闭型、高盐度、强蒸发环境下的氯化钠盐湖沉积，受北部单向多物源补给的控制，自北而南形成了三角洲前缘砂体-淡、半咸水滨浅湖泥岩(砂岩)-盐湖盐岩依次沉积的沉积序列［2］。盐间地层是位于凹陷中南部含盐韵律地层中盐湖水体相对淡化条件下的沉积物，含盐韵律层为盐岩层与盐间层(为碳酸盐岩、硫酸盐和泥质岩的混合岩)频繁交互沉积。盐间层受化学沉积和机械沉积作用双重影响，化学岩与碎屑岩呈毫米甚至微米级的交替互层，岩石类型较为复杂，主要岩石类型为灰质泥岩、泥灰岩、白云质泥岩、泥质白云岩、钙芒硝泥岩、泥质钙芒硝岩、硬石膏质泥岩、泥质硬石膏岩等，盐间层中白云岩、泥岩普遍分布，目前将这套岩层称为盐间泥质白云岩［2］。

关于白云岩成因目前主要观点有2种：原生白云岩和次生白云岩。由于在常温常压条件下实验室内尚未合成出“真正的”化学计量的白云岩(石)，而现代盐湖又缺乏“原生沉淀的”最典型的实例，原生白云岩存在与否是近代碳酸盐沉积学争论最多的问题［3］。为此，笔者通过盐间层中白云岩岩石学特征描述，结合盐间泥质白云岩地球化学特征研究认为，潜江凹陷潜江组盐间层中白云岩成因类型复杂，既存在原生白云岩，又有准同生白云岩和次生白云岩。

1 潜江组盐间泥质白云岩沉积背景

1.1古气候条件

含盐系地层中孢粉组合类型以裸子植物花粉为主，其次为被子植物花粉，蕨类植物孢子少见，不同岩性差别较大。石盐层孢粉丰度小，主要为裸子类耐旱的麻黄粉，少量的单束松粉和杉科粉，被子植物花粉数量较少。钙芒硝质泥岩和泥质钙芒硝岩中裸子类麻黄粉、杉科粉和单束松粉含量较高，仍以麻黄粉占优势，被子植物花粉含量仍较低［2］。泥质云岩和云质泥岩中喜湿的松粉占优势，其次是麻黄粉，被子植物孢粉明显提高。泥岩中孢粉丰度大，组合较复杂，以裸子类孢粉丰度降低、被子类孢粉丰度提高、两者较为接近为特征。每个盐韵律中由泥岩→白云质泥岩、泥质白云岩→钙芒硝泥岩、泥质钙芒硝岩→盐岩，植被种类逐渐减少，裸子类增多，反映古气候潮湿与干旱交替的特点。

1.2湖盆的封闭性及水体氧化、还原性

白垩-第三纪沉积时期，江汉盆地四周均为大山所包围，即典型的高山深盆地貌景观，构成了一个封闭的内陆盆地［1］。江汉盆地暗色泥岩、油页岩等油浸岩类十分发育，表明该区为封闭-半封闭沉积环境。盆地内潜江凹陷与其相邻的小板、沔阳、江陵凹陷之间的水体处于时隔时通的状态，构成了相对封闭的沉积环境［2］。在干旱时期，相对封闭的沉积环境内，水体大量蒸发，形成了巨厚的膏盐岩沉积。

盐间地层以褐灰、深灰色为主，广泛发育黄铁矿，缺乏底栖生物化石。根据王云10-6等井薄片分析，黄铁矿含量1%～3%，最高达8%，黄铁矿呈分散状或团块状产出，表明沉积环境是强还原环境。

1.3水体盐度

据王平1井、王云10-6井等6 口井盐间层泥晶碳酸盐岩中碳氧同位素测定结果，δ13C含量为-2.77‰～-5.56‰，δ18O含量23.4‰～28.2‰(标准平均海平面)。采用不同碳酸盐岩水体盐度计算公式［4］计算盐间地层Z值平均为117，反映盐间地层具有较高的水体盐度。

采用硼含量换算方法［5］及盐度换算公式［6］计算盐间层的盐度平均为47.8‰(见表1)，超出正常海水盐度(35‰)，说明盐间地层沉积时期以盐湖沉积环境为主。

表1 潜江凹陷潜江组盐间层中硼含量及水体盐度统计表

1.4沉积期水体温度

采用Craig(1965)计算公式［7］计算水体平均温度，计算结果见表2。水体平均温度(T)为32.2℃，其中潜二段平均为29.7℃，潜三段平均为34.9℃，表明潜江组沉积时水体温度较高。

表2 稳定碳氧同位素测定古温度

2 盐间层中白云岩的岩石学特征

2.1盐间层中白云岩的岩石类型

潜江凹陷潜江组盐间层中白云岩按成分、结构分类法共分4类：泥晶白云岩、粒泥白云岩、颗粒白云岩和晶粒白云岩。每一类可细分为若干类，其中以泥晶白云岩和粒泥白云岩为主，其他相对少见。

1)泥晶白云岩 泥晶白云岩是研究区白云岩中最重要的类型，分布较广，多呈薄纹层状、块状、条带状等；以灰色-深灰色为主，部分灰黑色，生物化石缺乏，在剖面上分布较为稳定。泥晶白云石为泥晶结构，半自形至他形，晶形差，常含有数量不等的陆源粉砂以及少量次生石膏和硬石膏(由钙芒硝潮解形成)。白云石晶体表面多被有机质污染，无环带，偶见硅质交代白云岩，阴极发光呈红色、橙红色。

2)粒泥白云岩和颗粒白云岩 粒泥白云岩和颗粒白云岩分布和含量仅次于泥晶白云岩，常呈灰色至深灰色，以薄层或纹层状为主，部分为条带状、透镜状。粒泥主要由颗粒和泥晶组成，颗粒为粉屑和极细砂屑，少量砂屑，呈圆-椭圆形，成分均为泥晶白云石；泥晶基质为白云石。颗粒白云岩的颗粒为内碎屑，主要由粉屑和极细砂屑组成，少量砂屑和陆屑。粒屑成分为泥晶白云石，少量为泥质，呈园-椭圆形，受挤压变形后成蝌蚪状、透镜状、长条状，其长轴多平行排列。此外还含有泥质、陆源石英、长石和少量黄铁矿。

3)晶粒白云岩 晶粒白云岩在白云岩中所占比例均不超过10%。具薄层状、纹层状、条带状和透镜状构造，压实后纹层多显示出波状起伏，可见钙芒硝晶体或白云石晶体压实后隔断或压弯泥纹层。以半自形为主，少量自形和它形，此外还有钙芒硝、泥质以及少量陆源石英、长石、黄铁矿、石膏等。显微镜下可见白云石交代发育完好的钙芒硝菱形假晶，使其边缘呈锯齿状或不规则状。阴极发光镜下，白云石晶体中心呈红色光，晶体边缘发光暗或不发光。

2.2盐间层中白云岩的结构

据扫描电镜观察统计，盐间层中白云岩的晶粒普遍小于10μm，隐晶结构占碳酸盐晶粒结构的73.76%～87.08%，晶粒平均值2～3μm，细小的晶粒结构是蒸发条件快速沉积的产物(见图1)。

3 不同白云岩的地球化学特征

图1 潜江凹陷潜江组盐间白云岩粒度分布图

3.1微量元素特征

根据王云10-6井、王平1井等井分析(见表3)，泥晶白云岩、粒泥白云岩、颗粒白云岩和晶粒白云岩等4类白云岩的微量元素均表现出Sr、Ba、Ni、V、Fe、Mn等含量较高的特点。4类白云岩中Sr/Ba比值均大于1，反映沉积环境盐度较高。其中泥晶白云岩与后3类存在一定差别，Sr/Ba值较大，反映出两者沉积环境有微弱的不一致性。

表3 白云岩微量元素含量表

3.2镁钙比值

据盐间层中白云岩的样品分析结果，镁钙当量比值为0.60～0.95，平均0.79，Mg/Ca比值极低；与现代盐湖和人工合成白云石的试验条件相差大。例如，西藏扎仓茶卡现代盐湖Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型湖表水Mg/Ca比值分别为35.78、36.85、31.2；人工室内试验值为5～10；海洋中Mg/Ca比值为3。

3.3泥晶白云岩有序度及碳酸钙分子含量

根据泥晶白云岩X-衍射分析(见表4)，白云岩的有序度为0.37～0.43，平均值为0.40，CaCO3分子含量为57.30%，为低有序度、高CaCO3分子含量，表明白云岩成核作用弱，结晶速度快，为强蒸发、快速沉积所致。

表4 泥晶白云岩中白云石晶体化学参数表

表5列出了国内外不同地区、不同成因类型白云岩的有序度及CaCO3分子含量，对比结果表明潜江组泥晶白云岩有序度非常低，CaCO3分子含量非常高。

表5 白云岩晶体化学参数与氧碳同位素组成对比表

注：括号中的数为样品数。

3.4泥晶白云石的伴生矿物

白云石的伴生矿物可以2种形式存在：一是与白云石同时形成并保存下来，另一是白云石的交代残余矿物，伴生矿物的结构反映出白云石的形成过程。从现代白云石来看，被视为最具代表性的原生白云石实例的澳大利亚库隆泻湖中呈乳状间歇悬浮的碳酸盐沉积物和湖底沉积物中，方解石与白云石形影相随。就研究区盐间泥晶白云岩而言，白云石的伴生矿物除钙芒硝、石盐、少量陆源细屑外，关键的伴生矿物方解石没有或很少(见表6)。出现这种情况有2种可能：一是白云石非常彻底地交代了方解石，二是所形成的碳酸盐矿物主要就是白云石。而前者的可能性极小，因为任何形式白云化作用形成的交代白云石均应与方解石伴生，至少应见到程度不同的方解石交代残余，而这一基本特征在研究区无明显表现。

表6 泥晶白云岩X衍射分析表

从盐间白云岩岩石学特征、地球化学特征等分析看出，盐间层中的泥晶白云岩与其他3种白云岩沉积环境存在一定差别，具有原生沉积的特点。

4 潜江凹陷盐间白云岩成因模式

4.1泥晶白云岩成因模式

根据潜江凹陷潜江组卤水组份结晶沉淀顺序，在蒸发条件下溶液中首先析出是碳酸盐矿物，即方解石(CaCO3)和菱镁矿(MgCO3)；然后是硫酸盐矿物，即钙芒硝、无水芒硝；最后析出石盐、钠镁矾类矿物。在方解石与菱镁矿沉积之间是否存在白云石(CaCO3·MgCO3)沉淀呢？当方解石沉淀富镁而菱镁矿沉淀所需镁不足时，即可形成白云石。实际上潜江凹陷盐间层中方解石以富镁方解石为主，而菱镁矿仅在盐间层顶部出现。因此从化学沉积产物而言，盐间层中具备原生沉淀白云岩的条件，具体形成过程如下：

由盆地周围地表河流水带来的主要物质成分是Ca(HCO3)2，在水介质含盐度低、MgSO4含量低时，Ca(HCO3)2直接分解形成方解石，即Ca(HCO3)2→ CaCO3+CO2+H2O。作为硫酸钠类型盐湖，当水体盐度显著增高，水中Mg2+聚集到一定程度时形成白云石，可分为2种模式：

Ca(HCO3)2+MgSO4→CaSO4+CaCO3·MgCO3+H2O+CO2

Ca(HCO3)2+MgSO4(量较低)+Na2SO4→CaMg(CO3)2+CaSO4·Na2SO4+CO2+H2O

当Mg2+进一步富积时，形成菱镁矿，即:

Ca(HCO3)2+MgSO4(量较高)+Na2SO4→Mg(HCO3)2+CaSO4·Na2SO4→MgCO3+CO2+H2O

4.2颗粒白云岩、粒泥白云石成因模式

颗粒白云岩与粒泥白云质中的颗粒均为粉屑-砂屑(局部见粗屑)级云质内碎屑，同样由泥晶白云石组成；但组成颗粒的泥晶白云石与基质中的泥晶白云石形成期次不同。这些内碎屑颗粒应是在水体不是很深的情况下，已经形成的处于半固结状态的泥晶白云岩在盐湖近岸湖坪带被洪水事件搬运改造后，继而被高浓度分层盐湖水体“筏运”、漂移至较深水区沉积而成。从基质均为含泥泥晶白云石而非亮晶(方解石或白云石)胶结来看，其沉积环境并非浅水动荡的高能环境，而是水体能量相对较弱的中深水体的沉积环境。当颗粒含量较高时，其形成环境的水体应相对较浅些，大体相当于卤水覆盖的滨浅湖区；因此该类白云岩属于准同生白云岩。

4.3晶粒白云岩成因模式

从产状上看，它们属于后生交代白云化作用的产物。以白云石交代钙芒硝为主，白云化首先沿钙芒硝晶体边缘和解理缝进行，形成网状或串珠状分布。当交代白云化进一步发生时，网状和串珠状白云石相连成片，全部交代钙芒硝晶体时则形成云斑状。白云石为粉-粗晶不等晶结构，普遍存在于钙芒硝晶体中，反映了成岩交代环境。该类白云岩属次生成因白云岩。

［1］江汉油田石油地质志编写组.石油地质志(卷九)［M］.北京：石油工业出版社，1991.

［2］戴世昭.江汉盐湖盆地石油地质［M］.北京：石油工业出版社，1988.

［3］叶征宇，孙成旺，黄晓东.白云岩的成因研究现状及最新进展［M］.四川地质学报，2011，31(3)：266-268.

［4］Kcith M H，Weber J N.Isotopic composition and environmental classification of selected limestones and fossils［J］.Geochimica Cosmochimica Acta，1964，28(11)：1787-1816.

［5］ 王典敷.盐湖油田地质［M］.北京：石油工业出版社，1998.

［6］Walker C T，Price N B.Departure curves for computing paleosalinity from boron in illities and shales［J］.AAPG Bull，1963，47(5)：833-841.

［7］ Craig H.The measurement of oxygen isotope paleotemperatures［A］.Tongiorgi E.Stable isotopes in oceanographic studies and paleotemperatures ［C］.Pisa：Consigilio Nazionale delle Ricerche Laboratorio di Geologia Nucleare，1965:161-182.

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.07.008

P618.13

A

1673-1409(2012)07-N019-05

2012-04-13

漆智先(1965-)，男，1987年大学毕业，高级工程师，现主要从事盐矿地质评价与开发、石油地质和油田开发方面的研究工作。

［编辑］ 洪云飞