河南濮阳梨园岩盐矿成矿地质条件及盐湖盆地充填演化特征*

2018-12-21李万忠柴重阳李珂莹

现代矿业 2018年11期

李万忠柴重阳李珂莹宋玮

(1.河南省地质科学研究所；2.河南省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室；3.河南省煤田地质局资源环境调查中心)

河南省濮阳县梨园岩盐矿区位于豫北平原东部，地处濮阳市濮阳县东南部梨园乡—白堽乡一带。20世纪80年代，该区以石油勘查为主，中原油田以找石油为目的在区域上施工有多个钻孔，均见到含盐层位存在。近年来，随着河南省地勘基金项目(河南省濮阳县梨园岩盐矿普查)的开展，在收集区域95.26 km三维地震资源、6 400 m钻探资料的基础上，通过地质测量、二维地震、钻探与数字测井、采样化验等工作手段，确定了研究区普遍存在沙一下亚段盐(沙一盐)，岩盐矿层自然单层厚度最小为0.5 m，最大为17.0 m，单矿层厚度一般在2.0 m以上，埋藏深度为2 920～3 486 m，盐岩资源量达到超大型规模。本研究结合梨园岩盐矿区地质工作成果，着重对矿区成矿地质条件及盐湖盆地充填演化特征进行研究。

1 区域成矿地质背景

河南梨园岩盐矿位于华北陆块南部东濮凹陷构造单元的前梨园洼陷带中，地层分区属华北区华北平原分区、豫北小区[1-2]。东濮凹陷为古近纪拉张断陷盆地，根据凹陷区内构造特征及地层结构，可将东濮凹陷自西向东划分为西部斜坡带、柳屯—海通集洼陷带、中央隆起带、前梨园洼陷带、东部陆岸带5个次级构造单位(图1)。前梨园洼陷为东深西浅的箕状洼陷，NNE走向，为东濮凹陷最大的单断式次洼，受兰聊断层控制，具有东断西超的特点，凹陷内断裂不发育[4-6]。前梨园洼陷为东濮凹陷古近系沉积沉降中心。

图1 东濮凹陷次级构造单元示意[3]

由于新生代的沉陷作用，区内被第四系黄土覆盖，无基岩出露。根据本研究钻孔资料，可知第四系覆盖层厚度一般约300 m；第四系之下为新近系，自下而上有馆陶组、明化镇组；新近系之下为古近系，自下而上有古近系孔店组、沙河街组和东营组。各组岩性组合、厚度及沉积相等特征如图2所示。沙河街组为区内主要的赋矿层位，本研究将沙河街组内广泛发育的多套厚层膏盐分为12个盐组。

研究区中南部为凹陷最底部，向东很快抬升至陡岸带，向西抬升较为缓慢，整体上构造较为简单(图3)。沙一盐在中南部沉积厚度最大，受中央隆起带控制及地形作用，区域上围绕中央隆起呈环形分布。

2 岩盐矿地质特征

2.1 一般特征

根据区内钻孔资料，本研究将含盐层系岩性分为泥质岩类、膏岩类、石盐类三大类，其中石盐类为区内含盐层系的主要岩性，占含盐地层总厚度的60.09%～85.3%。纯净的块状石盐岩矿石呈无色透明、灰白色，致密块状构造，层状产出，其盐质和厚度在水平方向上延伸稳定性较好，矿石质量较好，可见纯净四方晶体(粒度为1～4 cm)，为区内主要的矿石类型(图4)。

石盐岩的主要成分为石盐(NaCl)、硬石膏及微量铁质、有机质、自生石英、黄铁矿和黏土矿物、白云石、方解石等， NaCl品位一般大于80%，最高达98.09%。

2.2 地球物理特征

区内岩盐矿层与泥岩、膏质泥岩互层，通过钻探取芯、地球物理测井曲线的研究，认为岩盐矿层反映地球物理特征效果最佳的测井曲线为视电阻率、自然伽玛、自然电位3条曲线。区内岩盐在固体状态下呈晶体状态，导电性能差，所测岩盐层视电阻率明显高于泥岩地层[7-9]；自然伽玛值主要取决于岩石中的泥质含量，泥质含量越多，放射性越强，所以在自然伽玛测井曲线上，矿层的自然伽玛值明显低于泥质岩层；自然电位测井中由于岩盐矿层被溶解后的空间内充满了高矿化度的泥浆，导电性能明显变好，使得自然电极在矿层部位所测到的电阻率值非常小。岩盐的这种高视电阻率值、低自然伽玛、井径呈明显扩径的测井特征不受地层埋深影响(图5)，这种差别可作为划分矿层、区分矿层与围岩的重要标志。

图2 沙河街组各盐组特征

通过分析已知岩盐在地震剖面上的地震响应特征可知，Es1底部的岩盐层具有连续多相位、强振幅特征。岩盐在地震剖面上普遍表现为1～3个能够连续对比追踪的相位组成，在沉积中心相位增多(最大3个)，在沉积中心边部相位减少(一般为1个)。相位的多少在一定程度上反映了岩盐层厚度的变化，在瞬间相位剖面上可看出岩盐层性好、连续性好。区内表现为位于前梨园凹陷中部(ZK1003、ZK0403钻孔)矿层数多、厚度较大、含矿率高，位于凹陷两侧部位(西部ZK0401、文75等钻孔，东部前参1钻孔)矿层数少、厚度较小、含矿率低、矿层埋藏相对较浅等特征。各钻孔的见矿特征参数见表1。

2.3 盐岩矿标志层划分

在含盐地层岩-电关系研究、含盐层系岩性对比分析的基础上，以含盐层系下部一套厚度较大(27～34 m)、分布稳定的岩盐层作为直接标志层；以该岩盐层上、下岩性组合特征作为重要标志层：上部为一层厚度为4.60～5.90 m的暗灰色泥岩，下部为一层厚度为2.90～3.60 m的含膏泥岩或白云质泥岩[8]。本研究根据盐岩电性特征，并结合主矿层和盐岩标志层，对矿区盐岩矿层进行了圈连对比，结果如图6所示。

2.4 沉积旋回

图3 沙一段岩盐等厚线

图4 灰白色石盐岩样品

图5 盐岩电性特征

表1 梨园盐矿区各钻孔见矿特征参数

3 盐湖盆地充填演化模式

图6 梨园盐矿区盐层标志层对比结果

表2 ZK0403钻孔分层及岩性特征

(1)初期断陷阶段(Ek—Es4)。初始断陷期，湖盆逐渐形成，范围较小，沉积厚度不大。沙四段最大厚度为200 m，岩性为粉砂岩、泥岩交互，凹陷南部由于基底抬升致使沉积较薄或缺失，岩性以红色粗碎屑为特征。沙四段泥岩中淡水环境的介形虫类、轮藻化石的发现，反映了湖盆初期河流、浅湖相沉积[10]。

(2)强烈裂陷阶段(Es4—Es3)。强烈裂陷期兰聊断裂、长垣断裂、黄河—文西—卫西断裂活动的差异，初步造就了“两凹一隆”的格局，当时南高北低的地形、北部水体加深、咸化，相对低洼地带沉积了砂泥岩—膏盐岩—砂泥岩的垂向旋回，向四周渐变为含膏泥岩、白云岩及砂岩，呈环带状分布[8]。

图7 东濮凹陷形成演化阶段示意

图8 东濮凹陷古近系沉积旋回与盆地演化阶段示意

(3)萎缩(Es2) 阶段。控制盆地沉降的NE向断裂活动减弱，湖盆水体变浅，范围缩小，成为浅湖泥滩和河流浅水的沉积环境，在边缘缓坡地带为三角洲沉积。区域上总体为一套下粗上细的正旋回沉积，矿区内该时期的沉积特征为红色砂、泥岩互层—红色含膏泥岩。由下部的河流浅湖相到上部的浅湖沉积，显示出了盆地由浅至深的新发展阶段，揭示了第2次沉积旋回开始。

(4)稳定下沉(Es1) 阶段。沙一段时期属于第2次旋回发育阶段，盆地在边界断层的活动下又一次下降，湖盆水体变深、范围变大，但规模较Es3小，水体咸化，凹陷中心发育一套分布广泛的膏盐层，沉降中心厚度达600 m以上。该沉积时期中央隆起带仍具有控制作用，沙一盐围绕中央隆起带呈环带分布。

(5)收缩(Ed)阶段。东营组沉积时期进入第2次旋回萎缩阶段，华北运动使得东濮地区急剧抬升，湖盆萎缩，水体快速退缩，区域上以河流—浅水沉积为主，沉积了一套紫红色泥岩、泥质粉砂岩、砂砾岩。

(6)坳陷(N)阶段。东濮凹陷末期，东濮地区构造最终定型。区域上经整体上抬和短暂剥蚀夷平后又整体下沉，沉积了一套杂色砂砾岩与泥岩，覆盖了所有的隆起和坳陷[8]。

4 矿床成因

在边界断层的强烈活动下，沙一盐沉积时东濮凹陷北部地区呈现“高山深盆”的地理景观[12]、盐度较高的半咸水—咸水水体、半干旱半潮湿的气候条件提供了石盐矿床的沉积条件。本研究认为梨园岩盐矿为深盆浅水蒸发成因，以古近系第2次旋回沉积为例，对梨园岩盐矿成因进行剖析。

4.1 湖盆环境

通过分析古近系微体古生物生态，可知湖盆发生过2次从淡水到半咸水—咸水的演化阶段，并造成了咸、深水型生物与浅、淡水型生物周期性更替和横向分布上的变化。区内沙一段含膏泥岩中微咸水—咸水生物较发育，沙一段膏盐层之上的灰色泥岩出现淡水藻类化石，表明水体由咸化开始逐渐淡化，当时气候不完全为干旱环境，应属于半干旱半潮湿的气候条件。

由岩性及盐岩韵律特征分析，可知梨园岩盐矿在垂向上和横向上具有盐岩—膏盐岩—含膏泥岩—泥砂岩的沉积顺序[13]，湖盆中心相到边缘相的变化间接反映了当时沉积环境。气候潮湿期，湖盆水体变广、变深，中心地段陆源沉积物相对较少，仅发育沉积缓慢的页岩和暗色泥岩；当气候由潮湿期向干旱环境转化时，湖盆变浅、湖面收缩，在此过程中逐渐蒸发沉积了碳酸盐岩、膏盐岩和盐岩[14]。湖盆边缘区因干旱缺少河流带来的陆源物而不发育与膏盐岩对应的沉积物，横向上岩盐与泥砂岩表现为长消关系，由于气候不断变化，在盆地中央(沉积中心)形成了深水泥岩和盐岩的薄互层，并在由断层或挠曲形成的转折端处，发育有大量的低水位砂岩。

4.2 成盐机理

梨园岩盐矿具有富钠贫钾、高氯低溴的特点，据此可将盐类矿物分为氯化盐、硫酸盐及碳酸盐三大类。一般认为湖盆水体的盐度达到盐岩的析出浓度时才会有盐岩沉积，成盐初期因为碳酸盐的溶解度低，当湖水稍微浓缩便开始沉淀，因此在湖盆中心多为碳酸盐与暗色泥岩互层；当湖水浓缩了19%时，硫酸盐矿物开始沉淀，区内表现为近湖盆中心沉积膏盐岩类矿物、灰色泥岩夹石膏；当湖水浓缩了90%时，氯化盐类矿物开始沉淀，因岩盐的溶解度高，沉淀速度相对较快，在区内形成了厚度不等的岩盐层[13-14]。

由上述分析可知，在成盐过程中，蒸发岩在一定的物理化学条件下，矿物质按照溶解度大小，由小到大依次沉淀，最先形成的是碳酸盐(方解石、白云石)，其后为硫酸盐(硬石膏)、盐岩。由于化学分异和蒸发沉积作用导致各种盐类相对富集，进而形成了矿层和矿床。