再论东濮凹陷沙三段成盐模式

彭　君, 冯阵东, 国殿斌, 程秀申, 慕文俊

(1.中石化中原油田分公司勘探开发研究院,河南濮阳 457001; 2.河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作 454003)



再论东濮凹陷沙三段成盐模式

彭君1, 冯阵东2, 国殿斌1, 程秀申1, 慕文俊2

(1.中石化中原油田分公司勘探开发研究院,河南濮阳 457001; 2.河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作 454003)

依据井点X衍射矿物和氯同位素垂向分布资料,分析东濮凹陷盐岩垂向序列,并结合咸水蒸发实验和盐湖钻孔资料分析盐岩沉积及保存过程,研究东濮凹陷沙三段成盐模式。结果表明:浅水蒸发成盐过程中保持有足够的水深,为盐下有机质的保存提供便利,浅水盐岩与油页岩及黄铁矿伴生不矛盾;淡水的注入是影响垂向盐韵律组成的关键因素,注入量少时可能引起氯同位素的变化,随着注入量的增大可能引起盐韵律中氯化物乃至硫化物的缺失;凹陷满盆含砂、控边断层上盘缺少粗碎屑的现象可能是边界断层长期小规模活动造成的,东濮凹陷沙三段盐岩更有可能是浅水蒸发成因。

东濮凹陷; 沙三段; 盐岩序列; 氯同位素; 盐岩成因

引用格式:彭君,冯阵东,国殿斌,等. 再论东濮凹陷沙三段成盐模式[J].中国石油大学学报(自然科学版),2016,40(3):9-15.

PENG Jun, FENG Zhendong, GUO Dianbin, et al. Revisiting salt-forming models in the third member of Shahejie Formation in Dongpu Depression [J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2016,40(3):9-15.

东濮凹陷的盐岩成因的争论主要集中在盐源和沉积模式上[1-15]。由于盐岩主要集中在洼陷中心,早期认为盐源来自受深大断裂活动控制的地下阵发性热卤水[10,16]。其后发现盐岩中的次生包裹体由上到下密度减小,证实盐源来自于上部,因在伴生的地层中发现了海相化石,猜测盐源来自于间歇性的海水[17-18],随着对盆地周边研究的深入,证实东濮凹陷沙三期缺少海水注入的通道,其后苏惠等[5]提出盐源来自于奥陶纪膏盐,海相化石是母岩中未破坏的残留物质,目前该观点最能被人接受。在盐源相对明确之后,争议的焦点主要集中在东濮凹陷的成盐模式上,形成了“浅水成盐说”[1-7]与“深水成盐说”[8-15]两种观点的碰撞。坚持浅水成盐的学者发现,在盐岩接触的地层中存在红层、泥裂、雨痕等氧化环境的标志[3,5],而难以解释多数情况下盐岩与黑色泥页岩、黄铁矿的伴生现象[8,10,12],冯阵东等[19]曾通过食盐的析出实验解释过氧化、还原标志共存的现象,认为在浅水成盐中盐岩可以与油页岩伴生,提出盐岩析出之前相当长的时间内,水体盐度大致使古生物死亡,此时外来淡水注入少，携带入盆地的耐干旱植物孢粉相应含量低,盐岩下部泥岩中古生物、孢粉特征所反映的沉积环境、古气候与成盐期不同步[8,10,14,19]。在其后的生产、科研过程中,针对盐岩及伴生地层的X衍射、氯同位素等数据测试的完成,部分学者重新开始质疑浅水成盐[20]。笔者结合现有的咸水蒸发实验结果、盐湖钻孔资料,利用浅水成盐说解释东濮凹陷沙三段盐岩韵律及氯同位素的垂向变化,结合两种学说及现有资料,从深层机制上探讨东濮凹陷的成盐模式,以作为盐湖盆地沉积研究的参考。

1　浅水成盐底部保存有机质的可能性分析

东濮凹陷沙三段盐岩通常与烃源岩互层,且黄铁矿十分发育,这些特征往往被当做深水成盐模式的最有力证据(图1)。然而,暗色的泥页岩及黄铁矿仅仅指示一个水体相对安静、强还原的沉积环境,其在水体较深的深湖环境可以形成,在湖盆变浅过程中也能形成类似的沉积物,因此该沉积序列便不能作为反驳浅水成盐的证据。

1.1盐下有机质保存原因

反驳东濮凹陷浅水成盐的主要疑问在于盐岩互层中有机质的保存问题,认为水体变浅的过程中有机质可能被氧化。事实上,湖水底部盐层形成以后,便会阻隔底部有机质与水体、大气中的氧接触的机会[19],因此只需要探讨晶体析出之前的水体深度,便可明确有机质的保存条件。

由于东濮凹陷的盐岩存在大量的石盐,假设东濮凹陷当时的盐度与海水相当,在缺少盐源补给的条件下,体积需要萎缩约90%,即氯化钠饱和时对应的湖水总体积为原来的10%,坚持深水成盐的学者认为,水深下降90%的条件下有机质很难保存,因此极力反对浅水成盐模式。然而,只有在盆地边界陡峭的情况下湖盆水体变浅而水体面积基本保持不变,湖水体积V与深度h成正比:

V∝h.

(1)

实际地质条件下很少有盆地边界近直立,多数情况下湖水变浅的同时湖盆大面积萎缩,湖水体积与水深的三次方成正比:

V∝h3.

(2)

图1　东濮凹陷盐岩相关岩心照片Fig.1　Related picture of salt rock core in Dongpu Depression

1.2现代沉积证据

现代沉积中存在浅水盐岩与高有机碳含量、富含H2S的地层接触。青海地区的茶卡盐湖在雨季面积大于100 km2,对应的水深则不足1 m,湖水底部沉积厚层的盐,是典型的浅水成因,刘兴起等[21]研究钻孔资料发现,盐岩层底部保存了较高的有机质,总有机碳含量一般大于0.2%,存在多个有机碳大于0.5%的数据点,该钻孔692 m处对应有机碳含量最高大于0.8%,且有较强的H2S气味,紧邻该层的上部为石膏层,其上依次为钙芒硝—粗粒石盐—中粗粒石盐—细粒石盐,在沉积序列和湖盆演化模式上都符合浅水成盐特征。与之相对应的是,东濮凹陷盐岩发育的沙三下、沙三中作为盆地的主力烃源岩,有机碳含量大于0.8%的井段偏少,大部分井点有机碳含量不足0.5%,与茶卡盐湖岩层下部的有机碳含量相比没有明显优势。由此推断,东濮凹陷沙三段盐岩即便为浅水成盐,与烃源岩互层也不矛盾。

2　垂向盐岩序列、同位素特征及原因分析

在实验室条件下，开展了大量的海水、湖泊咸水的蒸发实验,存在典型的蒸发岩形成时产生的盐岩序列以及同位素规律性变化[22],坚持深水成盐的学者将东濮凹陷的测试结果与实验结果相对比,发现差异十分明显,因此认为东濮凹陷的浅水成盐不成立[20]。然而,实验条件与实际地质条件并不吻合,只有从机制上分析其差异,并结合现代沉积证据,才能更好地解释盐岩的成因模式。

2.1垂向矿物成分变化特征

由于海水中不同化合物的溶解度差异,造成沉积时率先析出溶解度小的碳酸盐,其次为硫酸盐,氯化物往往最后析出,在钻井资料中是否存在碳酸盐、石膏→石盐→硫酸钠镁盐→钾盐→光卤石→水卤镁石的沉积序列往往用来验证“浅水成盐”是否成立的证据[23-24]。

东濮凹陷钻井资料表明,垂向上的盐韵律变化与海水蒸发序列类似,更支持“浅水成盐”模式。分析濮深18-1井25块样品X衍射特征可以发现(图2),该井3 257～3 292 m盐岩-碎屑岩沉积可以划分为10个膏盐岩韵律准层序,按照盐韵律变化特征可以归纳为3种类型:A型为泥质岩-碳酸盐岩旋回,B型为泥质岩-碳酸盐岩-硫酸盐岩旋回,C型为泥质岩-碳酸盐岩-硫酸盐岩-岩盐旋回。按照海水蒸发序列,化学岩的沉积随着溶解度变化,碳酸盐在浓缩初期便已形成,硫酸盐需浓缩19%,氯化物需浓缩90%,一个完整的盐韵律应为泥页岩-碳酸盐岩-硫酸盐岩-岩盐,实际地质材料中盐韵律多数不完整,部分韵律则缺失硫化物。

图2　濮深18-1井盐岩韵律特征Fig.2　Characteristics of salt rock rhythm for well 18-1

2.2垂向氯同位素变化特征

图3　东濮凹陷与昆特依盐湖氯同位素垂向变化特征Fig.3　Vertical variation characteristics of Cl isotope between Dongpu Depression and Kunteyi Salt lake

由于湖水蒸发过程中存在氯同位素分馏效应,沉积物中δ37Cl的变化一定程度上可以反映气候的变化。咸水蒸发实验表明,随着水体的浓缩、晶体析出,37Cl-优先进入固相,溶液中δ37Cl含量降低,因此造成连续的盐岩沉积旋回中δ37Cl含量逐步减小。东濮凹陷盐岩的氯同位素分析数据不多,卫42、卫48、卫69等井共有18个37Cl-测试数据,在岩性没有变化的盐岩段没有表现出δ37Cl下大上小的变化规律[20],因此有学者认为这是反驳东濮凹陷沙三段盐岩浅水成因的重要证据(图3,数据来自文献[20]、[23])。然而,中国西北地区的昆特依湖湖底沉积的盐岩作为典型的浅水成因,由下到上37Cl-含量也没有呈现出逐渐降低的趋势[25]。可见,以氯同位素为基础探讨环境变化,不能简单地以37Cl-含量变化判断,必须将实验室条件与实际地质条件相对比,详细分析阴阳离子之间的结合规律,才能更好地解释环境变化。

2.3盐岩序列、同位素垂向变化原因

咸化的湖泊中各种离子以水合离子的形势存在,同一元素中35Cl-与37Cl-相比,水合离子之间的键能更低,因此更容易脱水并与Na+结合形成晶体,在咸水快速蒸发的室内试验中可以看出35Cl-优先进入固相。然而,实际地质条件下食盐晶体析出的速度较慢,进入固相的35Cl-并不稳定,与湖水时刻存在着离子交换,存在溶解-析出的平衡,在此过程中35Cl-离子在化合物中键能偏低,更容易溶解进入液相,最终造成固相中37Cl-相对富集,而溶液中的37Cl-含量降低。必须强调的是,这一同位素变化趋势是在没有外来水体注入的前提下发生的,现实条件下外来水体会携带37Cl-离子,母岩类型不同37Cl-离子含量也可能存在差异,必然会影响后期沉积的37Cl-离子含量。以昆特依湖为例,钻孔270 m附近有一δ37Cl明显偏高的数据点,可能对应一次湖盆的淡化(图3(a)),钻孔19 m以上δ37Cl含量降低速度快,可能对应湖盆的快速蒸发萎缩。必须说明的是,昆特依湖氯同位素变化曲线基础数据偏少,300多米的井段仅有28个数据,加密测试数据后可能出现更为频繁的δ37Cl高低变化。相应地,东濮凹陷卫22井自3 289.7 m开始析出晶体,沉积至3 284.5 m点后,存在一期淡水注入,此时河流带来的碎屑物质并未运移至卫22井点处,通过水分子与矿物离子之间的扩散影响,因37Cl-的外来补给,新沉积的盐岩δ37Cl含量增高,其后碎屑物质运移至该井点附近,沉积厚度约1.7 m的泥岩;而3 284～3 282.3 m之间,进入另一个盐岩沉积旋回(图3(b))。与昆特依湖一样,卫22井盐岩取样密度较大,仍不能保证漏掉盐岩的析出-溶解的旋回。如此高频率的盐岩沉积旋回在现代沉积中并不难解释,以昆特湖为例年降水量约为300 mm,而年蒸发量约为3 400 mm,每年的降水一般都是在雨季多次完成的,降雨后在快速蒸发条件下很快便再次达到饱和,每一次降雨都可能对应一次δ37Cl垂向变化的旋回。

总之,不能将没有岩性变化的盐岩简单看做连续沉积,其间可能发生过多次的析出-溶解-再结晶的旋回,每一次淡水的注入都可能引起一个新的盐岩沉积旋回,这种变化频率超高,可能对应到湖盆周围的每一次降水。降水量较为集中时,溶解作用不仅会造成氯同位素的垂向变化,进一步溶解可能造成氯化物、甚至硫酸盐的缺失,造成垂向上盐岩沉积序列的不完整。

3　深水成盐的不利证据

深水成盐最有力的证据是盐岩与油页岩互层,且黄铁矿十分发育。然而,油页岩与盐岩并不具备等时关系,且只能反映相对安静的还原环境,对水深的要求并不太高。油页岩及黄铁矿的出现不一定代表水深,而红层的出现证明东濮凹陷当时一定水浅,濮深7井沙三段盐岩发育段伴生有红层,伴随有雨痕、泥裂等标志,垂向序列上表现出原地堆积的特征[5],这点深水成盐无法解释。

前已述及的垂向盐序列、氯同位素的变化,深水成盐更难解释。深水成盐认为盐水密度偏大,在重力作用下在湖底富集,达到饱和后析出沉积,如该假设成立,重力大于扩散力,离子按照重量由大到小为SO42-、CO32-,Cl-应该从深到浅分布,沉积物中应该存在硫酸盐-碳酸盐-氯化物的盐序列,对于氯元素,37Cl-重量大于35Cl-,垂向上也应该存在37Cl-逐渐减小的现象,然而在东濮凹陷并未发现满足类似条件的盐序列。必须说明的是,深水成盐无法像浅水成盐一样,用后期的淡水注入来解释成盐旋回的终止,因为该学说认为湖底饱和盐水与浅层湖水之间存在盐跃层,后期注入的水体矿化度偏小,难以影响盐跃层之下。

深水成盐必须强调盐跃层存在[10],跃层的定义为水深增加1 m,盐度增加0.01‰,如深水成盐中不强调跃层,氯化钠饱和度为26.7%,湖底如达到饱和需要满足水深达到数万米,显然地质条件无法满足。现代沉积中并未发现盐湖存在盐度跃层的报道,无淡水注入的海洋跃层也难以存在,且多以温度为主导,并未发现盐度主导的跃层,如大西洋暖水注入北冰洋高冷水体之中、黄海底部的高冷水团、太平洋不同性质水团的叠置等[26-27],东濮凹陷沙三期显然不具备高冷水体存在的条件。而在东濮凹陷,按照深水成因的假设,盐离子为重力沉淀下形成,浅层具备的盐度不会太高,即便外来水体注入,也难形成跃层。由此推断,东濮凹陷的沙三期深水成因可能极小。

4　浅水成盐的间接证据

盐岩区之外的沉积特征以及整个凹陷烃源岩的地化特征从一定程度上可以为成盐模式提供参考。从沉积上看,所有钻遇沙三段的井点证实,不同构造部位的沙三段中发育多套薄层砂体,整体具有满盆含砂、砂泥岩薄互层发育[6,9,16],这种特征反映出只有在水体较浅、震荡频繁的环境下湖盆容易萎缩,在靠近沉积中心才能沉积砂体;如东濮凹陷沙三期水体较深,应该更发育透镜砂体,这种砂体分布十分局限,湖盆中心应发育大套的烃源岩,而非泥岩与砂岩的薄互层。兰聊断层作为东濮凹陷的控边断层,沙三期表现出明显的正断层特征[28-29],然而其下降盘砾岩十分少见(东古2井沙三上亚段发现粗相带,该井位于兰聊断层的分叉处,极其靠近断层,砾岩的形成可能受断层影响),推断兰聊断层两侧不具备高山深盆的地貌特征,其下降盘巨厚的沙三段沉积只是断层长期、多次、小规模活动的产物,湖盆所具备的水体并不太深。从东濮凹陷烃源岩地球化学特征上,反L型的标志化合物十分常见,高等植物特征来源的原油遍及东濮凹陷,分布于各个层位,完全可能是凹陷在沙三期整体水深不够,水体较浅时水底高等植物发育造成的。由此可以推断东濮凹陷盐岩沉积时可能是偏浅且震荡频繁的水体环境,盐岩更有可能是浅水成因。

5　结　论

(1)湖水蒸发,盐岩沉积之前能够保持足够水深,盐层形成后又能阻隔有机质与氧气接触,浅水成盐与油页岩、黄铁矿共存不矛盾。

(2)淡水的注入会影响垂向盐韵律的组成,淡水注入量小,可能造成氯同位素的波动,出现δ37Cl偏高数据,该数据的突变频率可能对应到每一次降雨;淡水注入量进一步增大,可能造成氯化物完全溶蚀,进一步造成硫酸盐缺失,从而造成垂向盐韵律的不完整。

(3)深水成盐模式不仅无法解释盐岩伴生红层,对盐韵律、氯同位素的垂向变化也难以解释,沙三段满盆含砂、砂泥岩薄互层的沉积以及高等植物来源的油气遍及凹陷等间接证据也更支持浅水成因。

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(编辑修荣荣)

Revisiting salt-forming models in the third member of Shahejie Formation in Dongpu Depression

PENG Jun1, FENG Zhendong2, GUO Dianbin1, CHENG Xiushen1, MU Wenjun2

(1.Research Institute of Exploration and Development, Zhongyuan Oilfiled, Puyang 457001, China;2.CollegeofSafetyScienceandEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454003,China)

Based on mineral X diffraction and the vertical distribution of chlorine isotopes, vertical sequences in Dongpu Depression and deposition and preservation processes of salt rock were analyzed combining the experiments of saline water evaporation and the salt lake drill data. The salt-forming models in Dongpu Depression from the deep-rooted mechanism were developed. Results suggest that,organic preservation may be facilitated with sufficient water depth during evaporation of salt-forming process in shallow water. Salt rock in shadow water may form with oil shale and pyrite. The volume of injected freshwater is the main factor to affect the vertical salt rhythmic deposition: it may cause the Cl isotope to vary when the injection is small, but with rising volume, chloride even sulfide may become deficient. The sandstone in Dongpu depression and the deficiency of coarse clastic in the hanging wall were caused by activities in bordered fault at small scales. Salt-forming in shadow water is most likely responsible for salt rock in the third member of Shahejie Formation.

Dongpu Depression; the third member of Shahejie Formation; salt rock sequence; Cl isotope; origin of salt rock

2015-10-23

国家科技重大专项(2011ZX05006-004,2011ZX05040-006);河南理工大学博士基金项目(B2015-03)

彭君(1970-),男,高级工程师,博士，研究方向为石油勘探。E-mail:157516239@qq.com。

冯阵东(1983-),男,讲师,博士，研究方向为石油勘探地质。E-mail:fzd203@163.com。

1673-5005(2016)03-0009-07doi:10.3969/j.issn.1673-5005.2016.03.002

TE 122

A