库车坳陷膏岩沉积特征及形成环境分析

赵东芳

中化地质矿山总局地质研究院， 河北 涿州 072754

应用地质

库车坳陷膏岩沉积特征及形成环境分析

赵东芳*

中化地质矿山总局地质研究院， 河北 涿州 072754

库车坳陷是塔里木盆地的一个大型坳陷区，蒸发岩广泛分布，硫酸盐矿物是蒸发岩中最常见的矿物之一，其中石膏矿物是分布最为广泛的硫酸盐矿物。研究表明，不同蒸发岩岩相中产出的石膏矿物类型多样，产状、沉积构造复杂多变，不同的原生石膏矿物组合指示着不同的沉积相和沉积环境，利用岩矿鉴定方法分析石膏沉积特征与形成环境。

膏岩 沉积特征 形成环境 库车坳陷

库车坳陷为塔里木盆地的组成部分，地层发育较全，从晚古生界至第四系均有分布，但新生界古近系、新近系分布广泛。新近系主要为砂、砾岩、粉砂岩，下部夹有灰绿色泥岩、石膏质泥灰岩条带，而古近系以棕红色为主的细碎屑岩、石膏、岩盐层为特征，石膏矿物分布广泛。

近年来，中化地质矿山总局地质研究院在塔里木盆地进行了多个钾盐资源调查评价项目，包括库车坳陷和莎车坳陷，采集了大量的盐类样品，取得了丰富的地质资料，对库车坳陷的石油钻井进行了膏、盐岩屑样采集、S同位素分析以及岩矿鉴定工作。

本文主要对库车坳陷钻井采集的石膏岩屑样品用岩屑颗粒粘连，制成薄片，在显微镜下观察其特征，并把石膏总结、分类，从而分析库车坳陷膏岩的沉积特征与形成环境。

1 区域地质概况

库车坳陷位于塔里木盆地北部，南界以阿—库公路南部至轮台一线为界，北界为天山南部山路，东西长约400km，南北宽30～80km，面积约2.20万km2（图1）。出露地层主要为新近系中新统吉迪克组（N1j），分布于调查区中部，整体受控于区域性断裂，呈北东东向展布，以棕红色—褐红色为主，夹灰绿色，或与灰绿色互层，岩性以泥岩、粉砂质泥岩及泥质粉砂岩为主，发育层状、团块状等石膏，局部形成小规模石膏矿（照片1、2、3）。

2 硫同位素沉积环境

据现代海水蒸发试验表明，石膏硫同位素与沉积它的卤水硫酸根硫同位素之间差别仅为1.65‰±0.12‰，因此蒸发岩地层中膏盐层的硫同位素基本上可以代表沉积卤水中的δ34S值，正常海相沉积的δ34S值一般20‰左右，陆相沉积的δ34S值分布于10‰甚至更低，根据S同位素δ34S值得分布范围大小可初步判定沉积环境【1】。S是自然界同位素分布最丰富的元素，石膏或硬石膏硫同位素组成可反映沉积盆地的封闭蒸发条件、氧化还原特征、判别海陆沉积相环境。

硫同位素分析样品主要采自库车坳陷、莎车坳陷，少量分布于民丰凹陷、满加尔凹陷与塔中坳陷。分析了各代表性构造单元的石膏硫同位素分布特征，从δ34S值分布范围说明，库车坳陷卤水浓缩沉积环境为海陆交互相特征。

图1 工作区范围略图Fig.1 Geological sketch map of Loutizhai mine

照片1 吉迪克组地质地貌特征

照片2 自形石膏晶簇

照片3 自形石膏晶簇

3 库车拗陷蒸发岩沉积特征

在一般情况下，盐类矿物可通过水溶液的蒸发而析出，其沉淀顺序基本上取决于他们的溶解度，或卤水当时的浓度。钙的碳酸盐溶解度最小，因而在蒸发浓缩时最先沉淀，其次为钠、钙的硫酸盐及其复盐如石膏、硬石膏、钙芒硝等，再次为石盐，最后为钾、镁的氯化物和硫酸盐类，如钾石盐、光卤石、钾盐镁矾及水氯镁石等。很明显，盐类矿物溶解度的大小控制着盐盆地蒸发浓缩过程中盐类沉淀顺序，从而形成了含盐系剖面中的旋回结构特征。库车地区蒸发岩沉积特征是一个动态平衡过程，总体上遵循化学沉积分异规律，一般可分为六个阶段：①碳酸盐一石膏沉积阶段；②石盐沉积阶段；③硫酸钠、镁阶段；④钾、镁盐沉积阶段；⑤光卤石沉积阶段；⑥水氯镁石沉积阶段。盐类物质来自卤水，析出的盐类矿物按晶出的先后呈层状堆积，在蒸发岩剖面中由下至上可以相应地划分出六个沉积带【2】。

由图2可以看出海水浓缩的过程，在干旱炎热的古气候环境下海水强烈蒸发，不断浓缩，当海水蒸发浓缩到原来含盐度的3.55倍（30°Bé以下）时，石膏开始沉淀。

图2 蒸发岩矿物蒸发沉积分异图Fig.2 Map of sedimentary differentiation for evaporites

4 镜下不同类型石膏特征及沉积环境分析

研究表明，不同蒸发岩岩相中产出的石膏矿物类型多样，产状、沉积构造复杂多变，不同的原生石膏矿物组合往往指示着不同的沉积相和沉积环境，可作为蒸发岩沉积相划分的重要标志。层状和薄层石膏与浊流粒序碎屑石膏交互，可代表非常细粒的碎屑改造石膏，表明一定深度的水下沉积环境（Matano等，2005）；透镜状石膏往往形成于潮上带萨布哈环境，波状藻类纹层蒸发岩相潮上泥坪的极浅洼陷，人字形石膏—藻类微晶纹层形成于浅水泻湖浓缩阶段的水下沉淀（Aref，1997）；最普通的深水蒸发盐相是纹层状硫酸盐类（Peryt，2000）等。可见原生石膏矿物的类型、产状和沉积构造的差异受沉积卤水的来源、盐度、水深、水动力条件和底水含氧量等的控制。本文所阐述的石膏为库车坳陷钻井采集的石膏岩屑样品，用岩屑颗粒粘连，制成薄片，观察其镜下特征，并把石膏总结、分类，从而推断库车坳陷膏岩的沉积环境【3】。

4.1 纯石膏岩屑

镜下特征：岩屑颗粒主要由纯石膏岩屑组成，粒径3～15mm不等，呈次棱角状次圆状。镜下观察纯石膏岩屑表面光滑，成分由石膏组成，石膏呈纤维状或粒状集合体，细粒结晶粒状结构，薄片中无色，负低突起，具不明显糙面。最高干涉色一级白至黄白。岩屑表面可见细小的裂隙。裂隙里充填少量褐色富含沥青的有机质、铁质等（照片4）。

照片4 纯石膏岩屑

成岩沉积环境分析：因岩屑颗粒由大部分石膏组成，依据蒸发岩蒸发分异顺序，在干旱炎热的古气候环境下，当卤水被蒸发而浓缩到原来含盐度的3.55倍（30°Bé以下）时，石膏开始沉淀。石膏岩屑纯净说明膏岩形成于硫酸钙成岩的鼎盛时期，成岩环境稳定，水动力弱如泻湖、潮上带、浪基面以下的深水区。

4.2 与泥岩、砂岩共生的石膏岩屑

（1）石膏夹泥质岩屑、含泥石膏岩屑

镜下特征：岩屑颗粒粒径1～10mm不等，呈次棱角状、次圆状。镜下观察岩屑颗粒主要由石膏夹泥质岩颗粒、含泥石膏岩屑颗粒组成。岩屑中可见纯净的石膏颗粒边部连生或在裂隙中伴生有泥质岩屑，纯石膏部分中石膏呈柱状或细粒状集合体，具细粒结晶粒状结构，薄片中无色，负低突起，具不明显的糙面，最高干涉色一级白至黄白二轴晶正光性；泥质岩屑部分呈土褐色，具泥晶结构，可见细小的长英质陆源碎屑被粘土矿物、铁质、有机质等胶结，长石、石英粒径在0.01mm左右，粘土矿物与铁质颗粒微细，小于0.002mm，呈胶状、微粒集合体状产出（照片5）。

照片5 石膏夹泥质岩屑、含泥石膏岩屑

成岩沉积环境分析：因岩石大部分由石膏组成，干旱炎热的古气候环境使海水强烈蒸发，不断浓缩，依据蒸发岩蒸发分异顺序，盐岩依次由碳酸盐—硫酸盐组成蒸发韵律结构，当卤水被蒸发浓缩到原来含盐度的3.55倍（30°Bé以下）时，石膏开始沉淀，推测其形成于在水浅、低能的泻湖或海湾中，石膏与泥岩共生怀疑岩石成岩时处于潮上带、盐坪和泥坪环境的浅水和大气暴露的交替环境。

（2）泥膏岩岩屑

镜下特征：岩屑颗粒主要由泥膏岩岩屑颗粒组成，粒径1.5～6mm不等，呈次棱角状、次圆状。镜下观察泥膏岩岩屑中石膏呈细粒集合体，具细粒结晶粒状结构，薄片中无色，负低突起，具不明显糙面。最高干涉色一级白至黄白。岩屑多具不规则的纹层，纹层宽度在0.01～0.05mm的裂隙里充填泥质、铁质等，岩屑表面已被铁质染成浅褐色。含铁质、泥质石膏层与纯石膏层互层形成不规律韵律层，粘土矿物与铁质颗粒微细，小于0.002mm，呈胶状、微粒集合体状产出，局部见颗粒极其细小的石英被泥质铁质胶结充填（照片6）。

照片6 泥膏岩岩屑

成岩沉积环境分析：因岩石大部分由石膏组成，并混有泥岩，干旱炎热的古气候环境使海水强烈蒸发，不断浓缩，依据蒸发岩沉积分异规律，盐岩依次由碳酸盐—硫酸盐组成蒸发韵律结构，当卤水被蒸发浓缩到原来含盐度的3.55倍（30°Bé以下）时，石膏开始沉淀。岩屑具不规则的层韵律，怀疑其成岩与季节性气候变化、水流有关。在冬季时卤水表面分布一层含有粘土矿物等比较轻的悬浮物质，淡水时在夏季对流之后沉积下来，而水环境动荡使之韵律层无规则。因此推测岩石成岩时应处于存在泥质来源并可以形成石膏的环境，如海湾、泻湖潮上带。

4.3 含膏质砂岩岩屑、含膏质粉砂岩岩屑

（1）含膏质砂岩岩屑

镜下特征：岩屑颗粒主要由含膏质砂岩岩屑颗粒组成，粒径1～15mm不等，呈次棱角状次圆状。镜下观察含膏质砂岩岩屑中矿物碎屑为纯净的石膏、石英，二者呈次棱角状次圆状，石膏粒径在0.05～0.1mm之间，石英粒径0.05～0.25mm，岩屑为硅质岩屑，含量较少，粒径0.2mm左右，粘土矿物作为杂基，碳酸盐作为胶结物充填其中（照片7）。

照片7 含膏质砂岩岩屑

成岩沉积环境分析：岩石属于陆源碎屑岩，矿物碎屑中的石膏经流水等搬运作用混入陆源碎屑岩中。原石膏岩沉积环境向上变化，成岩时此陆源碎屑岩离形成石膏的泻湖或海湾较近，处于潮上带、盐坪和泥坪环境的浅水和大气暴露的交替环境。

（2）含膏质粉砂岩岩屑

镜下特征：岩屑颗粒主要由粉砂岩岩屑颗粒组成，粒径2～11mm不等，呈次棱角状次圆状。镜下观察含膏质粉砂岩岩屑中矿物碎屑为石英、石膏。石英、石膏呈次棱角状磨圆度不高，粒径0.01～0.05mm，胶结物为粘土矿物、铁质，呈基底式胶结。可见薄的水平层理（照片8）。

成岩沉积环境分析：粉砂岩是在水动力条件较弱而稳定，沉积速度缓慢的条件下形成，此时石膏经流水等搬运作用混入陆源碎屑岩中。粉砂岩在横向上以及剖面上的分布有一定的规律，它一般分布在砂岩和粘土岩的过渡带，形成环境来看多产于河漫滩、三角洲、泻湖潮上带、沼泽以及海湖的较深处。

照片8 含膏质粉砂岩岩屑

4.4 具纹层状构造的石膏岩屑

（1）具有原生纹层结构的石膏岩屑

镜下特征：岩屑颗粒主要由原生纹层状石膏岩屑颗粒组成，粒径1～8mm不等，呈次棱角状、次圆状。正交偏光下观察纹层状石膏岩屑中石膏呈细粒集合体，具细粒结晶粒状结构，薄片中无色，负低突起，具不明显糙面，最高干涉色一级白至黄白。单偏光下观察岩屑可见含铁质、泥质石膏层与纯石膏层互层形成规则的韵律层，纹层呈规则的两层式构造。纹层基本呈平行排列，岩屑表面多具裂隙，宽度在0.01～0.05mm的裂隙里充填泥质、铁质、碳酸盐等，岩屑表面已被铁质染成浅褐色（照片9）。

成岩沉积环境分析：因岩石大部分由石膏组成，推测其形成于在水浅、低能的泻湖或海湾中。干旱炎热的古气候环境使海水强烈蒸发，不断浓缩，依据蒸发岩蒸发顺序，盐岩依次由碳酸盐—硫酸盐组成蒸发韵律结构，当卤水被蒸发浓缩到原来含盐度的3.55倍（30°Bé以下）时，石膏开始沉淀。新的海水经狭窄的海道经常加入，以及浓化卤水又经常通过狭窄的海道流回广海。这样，盆地的水体将长时间地保持较低的稳定状态，在冬季时卤水表面分布一层含有粘土矿物等较轻的悬浮物质，淡水时在夏季对流之后沉积下来，水动力环境稳定，从而形成小型韵律构造而形成纹层状石膏，因此分析此类膏岩形成于水动力稳定的深水潮下带盐湖。

照片9 具有原生纹层结构状石膏岩屑

（2）具有次生纹层结构的石膏岩屑

镜下特征：岩屑颗粒主要由次生纹层状石膏岩屑颗粒组成，粒径1～7mm不等，呈次棱角状次圆状。镜下观察纹层状石膏岩屑呈弯曲的纹层状、裂隙状，其中褐色的粘土矿物、铁质与石膏混杂，石膏呈柱状或粒状集合体，细粒结晶粒状结构，薄片中无色，负低突起，具不明显糙面，最高干涉色一级白至黄白。粘土矿物与铁质颗粒微细，小于0.002mm，呈胶状、微粒集合体状产出。颗粒因钻探削切作用而具有纹层状构造，纹层间夹有泥质、铁质以及褐色富含沥青的有机质（照片10）。

成岩沉积环境分析：岩石大部分由石膏组成因而推断成岩时处于泻湖、海湾中，石膏纹层太过规律，怀疑因钻探探刀削切作用等外力因素而使原生石膏形成纹层，成层后富含泥质、铁质、有机质等药剂注入其中充填于纹层间而形成此种形态。

4.5 与碳酸盐共生的石膏岩屑

（1）白云质石膏岩屑镜下特征：岩屑颗粒主要由白云质石膏岩屑颗粒组成，粒径1～5mm不等，呈次棱角状、次圆状，具纹层状构造。单偏光下观察岩屑可见含铁质、含膏质砂岩层、碳酸盐层与纯石膏层互层形成规则的韵律层，纹层呈规则的三层式构造。少数颗粒呈均匀的褐色，怀疑为钻孔时注入药剂染色而成。纯石膏层中石膏呈细粒集合体，局部可见纤维状，具细粒结晶粒状结构，薄片中无色，负低突起，具不明显糙面。最高干涉色一级白至黄白。岩屑表面多具裂隙，裂隙基本呈平行排列，宽度在0.01～0.05mm裂隙里充填褐色富含沥青的有机质、铁质、碳酸盐等，已被铁质染成浅褐色。含膏质砂岩层中，可见细小的石英、长石、石膏被碳酸盐、基质胶结充填。碳酸盐层中碳酸盐主要为白云石，与石膏共生，白云石颗粒粒径在0.05～0.1mm，晶形与石膏相似，菱形解理，闪突起明显（照片11）。

照片10 具有次生纹层结构状石膏岩屑

成岩沉积环境分析：因岩屑颗粒大部分由石膏组成，推测其形成于封闭或半封闭的泻湖或海湾中。新的海水经狭窄的海道经常加入，以及浓化卤水又经常通过狭窄的海道流回广海。这样，盆地的水体将长时间地保持较低能的稳定状态，蒸发浓缩的结果而形成纹层状石膏。白云质石膏岩屑中白云岩呈次圆形颗粒状与石膏共生推测成岩石硫酸钙不够饱和，碳酸盐混入而形成同期的石膏、白云岩共生的嵌布特征。推断此类岩屑形成于有利于膏岩、碳酸盐产出的潮上带。

照片11 白云质石膏岩屑

（2）含膏质碳酸盐岩屑

镜下特征：岩屑为含膏质碳酸盐岩屑，粒径分别为5～20mm，呈次棱角状次圆状。镜下观察岩屑主要成分为碳酸盐，具微晶结构，薄片中无色，菱形解理，可见闪突起，干涉色高级白，粒状集合体。利用茜素红染剂可区分其变种，方解石遇茜素红变成紫红色，白云石遇茜素红不变色。岩屑中局部含有石膏，石膏呈无色，负低突起，具不明显糙面。石膏颗粒包裹于大颗粒的碳酸盐岩屑中（照片12）。

照片12 含膏质碳酸盐岩屑

成岩沉积环境分析：因岩石由大部分碳酸盐矿物组成，推测岩石成岩时应处于缺少水动力冲洗的低能环境，如泻湖、潮上带、浪基面以下的深水区。干旱炎热的古气候环境使海水强烈蒸发，不断浓缩，依据蒸发岩蒸发分异顺序，当正常的卤水被蒸发浓缩到原来含盐度的3.55倍（30°Bé以下）时，石膏开始沉淀。成岩由半封闭环境的碳酸盐到出现封闭环境的石膏，反映了海水变浅并逐渐咸化的过程，也反映了沉积环境由潮间带到潮上盐湖或萨布哈环境变化的过程【4】。

（3）有碳酸盐悬浮的石膏岩屑

镜下特征：岩屑颗粒主要由含泥质石膏岩屑颗粒组成，粒径2～9mm不等，呈次棱角状、次圆状。镜下观察石膏岩屑中石膏呈细粒集合体，具细粒结晶粒状结构，薄片中无色，负低突起，具不明显糙面。最高干涉色一级白至黄白。岩屑表面可见弯曲的层韵律，层韵律中的石膏混有粘土矿物，其韵律不规则，还可见细小碳酸盐颗粒悬浮于岩屑表面，碳酸盐呈微晶结构，粒径0.01～0.04mm，具菱形解理，闪突起明显，因颗粒极其细小无法辨别其变种（照片13）。

照片13 有碳酸盐悬浮的石膏岩屑

依据上述镜下观察，结合各类石膏岩屑所在的地层和井深，纯石膏岩屑、含膏质砂岩粉砂岩岩屑、泥膏岩岩屑、与碳酸盐共生的石膏岩屑经常产出于潮上带、潮间带，而在沉积的最后阶段，盐类矿物大量富集，因此在潮下带经常可见纹层状石膏岩屑。

5 结论

库车坳陷石膏可分成四大类，即纯石膏岩屑、与泥岩砂岩共生的石膏岩屑、具纹层状石膏岩屑和与碳酸盐共生的石膏岩屑。四类石膏岩屑中推断纯石膏岩屑、与泥岩砂岩共生的石膏岩屑、与碳酸盐共生的石膏岩屑这三种岩屑易产出于海湾、泻湖潮上带。具纹层状石膏岩屑具两层或三层的层式韵律结构，要求水体要长时间地保持较低的稳定、旋回状态，分析膏岩形成于深水潮下带盐湖。

1 章振国，高继雷，张向文. 塔里木盆地古代蒸发岩硫同位素地球化学研究[J]. 甘肃地质，2010，19（1）32～36

2 刘宝珺. 沉积岩石学[M]. 北京地质出版社，1980

3 刘庆，张林晔，宋国奇，等. 利用石膏产状研究汶东盐湖相沉积与烃源岩特征[J]. 高校地质学报，2009，15（3）：371～379

4 邹灏. 四川盆地寒武系膏盐岩沉积环境的研究[D]. 成都理工大学，2011

Analysis on sedlmentary characteristics and environment of gypsolytes in Kuqa depression

Zhao Dongfang
Geological Institute of China Chemical Geology and Mine Bureau, Zhuozhou 072754, Hebei, China

Kuqa depression is a large secondary structural units of Tarim basin, with many evaporites. Sulfate minerals are common evaporites, and gypsum is the commonest kind of sulfate minerals. The type, occurrence, sedimentary structure and mineral association of gypsum is always different in different sedimentary facies. So that we can analyze sedimentary characteristics and environment of gypsolytes by identification of rock and minerals.

gypsolyte, sedimentary characteristics, formation environment, Kuqa depression

P619.261

A

1006-5296（2017）02-0109-08

赵东芳（1989~）女，从事岩矿鉴定工作，助理工程师

2017-2-20；改回日期：2017-03-21