柴达木盆地英西地区E32碳酸盐岩沉积演化特征

易定红 ，王建功 ，2，石兰亭 ，王 鹏 ，陈 娟 ，孙松领 ，石亚军 ，2，司 丹

（1.中国石油勘探开发研究院西北分院，兰州730020；2.中国石油集团油藏描述重点实验室，兰州730020；3.中国石油青海油田分公司，甘肃敦煌736200）

0 引言

碳酸盐岩是重要的油气储集层，塔里木盆地的塔河—轮南油田、塔中油气田和四川盆地的川东北普光大气田的储集层均是海相碳酸盐岩［1］；渤海湾盆地的济阳坳陷、黄骅坳陷、冀中坳陷，苏北盆地和柴达木盆地均发育一定规模的优质湖相碳酸盐岩储集层并获得油气勘探的重大发现［2-4］。

20世纪90年代，在柴达木盆地西部跃进斜坡区渐新统下干柴沟组上段（E32）发现优质藻灰岩储层并获得油气勘探的重大发现［5］。近年来，英西地区因针对E32碳酸盐岩油气勘探陆续发现多口日产千吨井而成为油气勘探的热点地区。众多学者针对柴西地区的E32碳酸盐岩的岩性变化［6-9］、储层物性［10-12］、沉积环境和沉积相［13-20］以及油气藏特征［21］等方面均开展过详细的研究，但缺乏对英西地区碳酸盐岩的发育规模、沉积演化特征及其控制因素的系统认识。在前人研究成果基础上，依托英西地区近年来新钻井的岩心资料、测/录井资料、岩矿鉴定、全岩矿物分析、元素分析等相关分析测试资料，在系统分析该地区E32沉积期的古地理背景、沉积体系类型、碳酸盐岩矿物成分、岩性特征、元素与碳氧同位素组成特征的基础上，系统认识该地区E32碳酸盐岩的沉积环境和演化特征，以期为该地区下一步精细勘探提供地质依据。

1 区域地质背景

英西地区位于柴达木盆地英雄岭构造带的北西端，包括狮子沟构造和游园沟构造，东面与干柴沟构造相接，北面与犬牙沟构造相接，南邻建设沟构造，西接红柳泉斜坡［图 1（a）］。E32主要为一套灰色、深灰色泥岩、碳酸盐岩和膏盐岩，其次为含钙泥岩、含膏泥岩和泥质粉砂岩，地层厚度为1 410 m～2 250 m，分为 6个砂组［14］，Ⅰ—Ⅲ砂组（盐间）碳酸盐岩发育程度较差，Ⅳ—Ⅵ砂组（盐下）主要发育碳酸盐岩［图 1（b）］。

图1 英西地区位置（a）和E32地层柱状图（b）Fig.1 Location（a）and stratigraphic column of E32（b）in Yingxi area

英西地区E32湖相碳酸盐岩沉积明显受古地理背景和古气候环境控制［14-18］。西北部的七个泉—咸水泉地区位于阿尔金斜坡西段，距离物源近、地形坡度大，主要发育干旱气候条件下的扇三角洲—湖泊沉积体系，并发育小规模的湖底扇沉积。依据岩性、电性特征，可识别出扇三角洲平原亚相、扇三角洲前缘亚相和湖底扇亚相；西南部红柳泉—跃进地区地形平缓，距离物源远，主要发育滨浅湖—滩坝沉积体系，可识别出滩坝微相、泥灰坪微相和泥坪微相；英西地区位于湖盆的沉积中心，主要发育深水背景下的内源碳酸盐岩—膏盐岩沉积体系，可识别出呈环形展布的膏盐坪微相和（灰）云坪微相［14］（图2）。

图2 英西地区E32沉积相图（据文献［14］和［20］修改）Fig.2 Sedimentary facies of E32in Yingxi area

2 沉积环境分析

2.1 碳酸盐岩形成于温暖干旱型古气候环境

柴达木盆地英西地区E32下部为一套灰色、深灰色碳酸盐岩与暗色泥岩，黏土矿物中高岭石相对发育，孢粉组合以半干旱的林块及灌丛植被的楝粉属和云杉粉属为主，反映了半干旱温暖的古气候环境；E32上部发育碳酸盐岩、钙芒硝和膏盐岩，绿泥石和伊利石的含量显著增大，孢粉组合以蒺藜科的白刺属和麻黄科的麻黄属为代表，指示干旱的旱生植物含量高，蒸发作用强烈，元素地球化学敏感参数 w（Sr）/w（Cu）＞10，反映了干旱的古气候环境［9，14，18，22］（图 3）。

2.2 碳酸盐岩形成于干旱封闭咸化水体环境

2.2.1 MnO/Fe

Mn和Fe在沉积作用过程中受沉积介质Eh和pH值影响产生分离，MnO/Fe可以定性判别湖泊水体的酸碱性。Mn的沉淀较Fe需要更高的pH值环境，所以MnO/Fe可指示沉积介质pH值的高低。w（MnO）/w（Fe）＞ 0.055 指示 pH ＞ 9.0，w（MnO）/w（Fe）为 0.026～0.055 指示 pH 为7.8～9.0［23-25］。E23的22个 Ⅳ 砂组样品的 w（MnO）/w（Fe）为 0.035～0.096，平均为0.057，其中比值为0.026～0.055的样品占59.1%，比值大于0.055的样品占40.9%；7个Ⅱ 砂组样品的 w（MnO）/w（Fe）为 0.044～0.115，平均为 0.059，其中比值为 0.026～0.055的样品占57.1%，比值大于0.055的样品占42.9%；8个Ⅰ砂组样品的 w（MnO）/w（Fe）为 0.044～0.067，平均为0.056，其中比值为0.026～0.055的样品占50.0%，比值大于0.055的样品占50.0%（图3）。

图3 英西地区E32沉积环境地球化学参数柱状图Fig.3 Geochemical data of E32sedimentary environment in Yingxi area

根据上述MnO/Fe判别标准，认为E32沉积时湖盆水体呈弱碱性—碱性，而且从E32的早中期（Ⅳ砂组）至晚期（Ⅰ砂组）湖盆水体的碱性不断上升，而且在湖盆内部水体的碱性要大于湖盆边缘（图3）。

2.2.2 Sr/Ba

微量元素Sr/Ba通常用来定性恢复陆相湖盆水体的古盐度，其判别标准为 w（Sr）/w（Ba）＞1 表示咸水，w（Sr）/w（Ba）＜0.6 表示淡水，w（Sr）/w（Ba）为0.6～1.0 表示半咸水［23-25］。E32的22个Ⅳ砂组样品的 w（Sr）/w（Ba）为 0.32～4.19，平均为 1.48，其中大于1.0的样品占63.6%，比值为1.0～0.6的样品占18.2%，比值小于0.6的样品占18.2%；7个Ⅱ砂组样品的 w（Sr）/w（Ba）为 1.14～8.69，平均为2.52，比值大于1.0的样品占100%；8个Ⅰ砂组样品的 w（Sr）/w（Ba）为 1.09～4.28，平均为 2.09，比值大于1.0的样品占100%（图3）。

柴西地区E32古盐度具有环带状分布特征，从盆地边缘至湖盆中心盐度逐渐增大。在盆地边缘的干柴沟—红柳泉地区古盐度小于10‰，为半咸水—淡水环境；在盆地内部的花土沟至建设沟地区古盐度为10‰～18‰，为半咸水环境；在盆地的中心部位英西地区古盐度大于18‰，为咸水环境［26］。

根据Sr/Ba结果，参考陈能贵等［26］的研究成果，结合E32地层岩性组合特征综合分析认为：从E32的早期到晚期湖盆水体盐度不断增大，早中期湖盆水体主要为咸水，偶尔出现半咸水和淡水，至晚期则为咸水。

2.2.3 碳氧同位素分析

碳酸盐岩沉积物埋藏后，其同位素值可能会受到因有机物质降解和大气淡水胶结等作用和过程的影响而改变，在选择高保存程度的碳酸盐岩样品时一般利用间接反映成岩破坏程度的无机元素地球化学指标 Mn/Sr［27］。英西地区 sh40 井样品w（Mn）/w（Sr）值为 0.28～0.97，平均为 0.68，远小于临界值3，说明样品没有受到成岩作用的影响。

碳酸盐岩的δ13C和δ18O值（PDB标准）在不同类型的湖泊和不同盐度的水体中具有不同的分布范围。现代开放型淡水湖泊中的原生碳酸盐岩δ13C和δ18O均为负值，而且δ13C和δ18O之间不相关或略有相关性，而封闭型咸水、半咸水湖泊中，δ18O和δ13C更接近于0或者正值，蒸发盐湖中的碳酸盐δ13C数值一般为-2‰～5‰，而且δ13C和δ18O之间有明显的相关性，封闭性越强，相关系数越大［28］；通过对狮子沟地区sh40井Ⅲ砂组19个含膏白云质泥岩样品碳氧同位素分析测试表明（PDB标准）［29］：方解石的 δ13C 值为 -2.34‰～-0.63‰，平均为 -0.073‰，δ18O 值为 -9.68‰～-1.66‰，平均为-4.21‰；白云石的 δ13C值为-0.47‰～1.58‰，平均为0.90‰，δ18O值为-7.34‰～0.12‰，平均为-2.32‰。碳同位素数值分布范围变化小，而氧同位素数值变化区间大，方解石的δ13C值明显负偏，白云石的δ13C值普遍偏正，但数值较小，而且δ13C和δ18O之间的相关性强，其相关系数（R）为0.61（图4），说明 E32晚期地层沉积于强烈蒸发的封闭水体环境中。

图4 英西地区sh40井E32白云质泥岩δ13C与δ18O关系图Fig.4 Crossplot of δ13C and δ18O values of E32dolomitic mudstone from well sh40 inYingxi area

根据敏感参数MnO/Fe，Sr/Ba和碳氧同位素数值的分布特征，E32时期英西地区湖盆水体环境为弱碱性—碱性、半咸水—咸水封闭性湖泊水体环境。

3 碳酸盐岩岩石学特征

3.1 矿物成分

对柴达木盆地英西地区E32目的层的盐间和盐下全岩矿物分析结果表明：碳酸盐岩的矿物组分种类多，其中，主要矿物有铁白云石、黏土矿物和方解石，其体积分数分别为30.79%，25.77%和11.29%；次要矿物有10种，分别是石英（7.94%）、钠长石（6.2%）、黄铁矿（3.38%）、石盐（2.82%）、硬石膏（2.21%）、菱铁矿（2.1%）、钙芒硝（1.79%）、赤铁矿（1.65%）、钾长石（1.58%）和鳞石英（1.01%）；其他4种零星矿物体积分数之和为1.27%。

3.2 岩石类型

根据英西地区4口井57个E32碳酸盐岩样品的岩心描述和薄片鉴定，由陆源碎屑矿物、碳酸盐岩矿物、黏土矿物、硫酸盐矿物的含量，碳酸盐岩可分为白云岩、灰岩和过渡性的灰云岩与云灰岩三大类岩石，其中白云岩占碳酸盐岩样品数的56.14%，包括5种主要岩性（频数＞5%），分别是含粉砂含泥白云岩（8.77%）、含粉砂泥质白云岩（8.77%）、含灰白云岩（7.02%）、含灰含粉砂泥质白云岩（7.02%）和含粉砂含泥含灰白云岩（5.26%）；灰岩占碳酸盐岩样品数的1.75%，岩石类型为含云含泥含粉砂灰岩（1.75%）；过渡类型占碳酸盐岩样品数的42.11%，包括5种主要岩性（频数＞5%），分别是含泥含粉砂灰云岩（14.04%）、粉砂质泥质灰云岩（7.02%）、含粉砂泥质灰云岩（5.26%）、含粉砂泥质云灰岩（5.26%）和含泥含粉砂云灰岩（5.26%）。

3.3 结构组分

英西地区E32碳酸盐岩的结构组分主要为灰泥，仅在局部地区见少量的盐间内碎屑颗粒；绝大部分为泥晶与微晶结构，只有极少部分为粉晶结构，反映了很弱的沉积水动力环境。

4 碳酸盐岩发育演化

4.1 碳酸盐岩沉积序列

柴达木盆地英西地区E32盐下碳酸盐岩主要有泥灰岩、灰岩、含云灰岩和含灰云岩，微相类型主要有泥灰坪、灰坪和灰云坪，与钙质泥岩互层或夹于钙质泥岩之中。随着湖水盐度的增加，云质成分不断增加，碳酸盐岩的泥质和灰质成分不断减少，灰坪和灰云坪发育程度逐渐增强，泥灰坪发育程度逐渐减弱［图 5（a），图 6—8］。

E32盐间碳酸盐岩主要为白云岩，其次为含灰云岩，微相类型主要有云坪和灰云坪，夹于膏质泥岩或膏盐岩层之中。湖水盐度增加，膏盐岩发育程度增强，碳酸盐岩发育程度减弱，同时，碳酸盐岩的云质成分不断增加，灰质成分不断减少；云坪发育程度逐渐增强，灰云坪发育程度逐渐减弱［图5（b），图6—8］。

图5 英西地区E32盐下（a）和盐间（b）岩心柱状图Fig.5 Core column of E32subsalt（a）and intersalt（b）in Yingxi area

图6 英西地区E32典型岩心照片（a）烟灰色盐岩与浅灰色灰云岩，块状层理，shi37井，2 703.48 m；（b）深灰色含膏泥灰岩，水平层理，shi38井，2 794.42 m；（c）浅灰色灰云岩，块状层理，shi38井，2 794.82 m；（d）灰色灰质泥岩，水平层理，发育裂缝，shi37井，2 691.18 m；（e）灰色泥质粉砂岩，块状层理，shi37井，2 695.68 m；（f）灰色含灰云岩，块状层理，发育裂缝，裂缝内充石膏，shi203井，4 501.5 m Fig.6 Typical core photographs of E32in Yingxi area

图7 英西地区E32典型岩性铸体薄片（a）含灰泥岩，ch6井，2 587.0 m；（b）含细砂含粉砂灰质长石砂岩，shi37井，2 697.06 m；（c）泥质泥晶灰岩，shi38井，2 795.41 m；（d）含粉砂灰云质泥岩，shi38井，3 146.01 m；（e）含砂泥质灰云岩，shi38井，3 145.61 m；（f）泥晶灰云岩，shix28井，4 168.5 mFig.7 Microscopic photos of typical lithologic cast thin section of E32in Yingxi area

图8 英西地区E32盐下（a）与盐间（b）碳酸盐岩厚度Fig.8 Carbonate rock distribution of E32subsalt（a）and intersalt（b）in Yingxi area

4.2 碳酸盐岩平面分布

通过对英西及其邻区65口重点井E32碳酸盐岩发育情况统计表明，盐下碳酸盐岩分布面积为1 034.8 km2，外形呈不规则的椭圆形，厚度大于320 m，自盆地边缘向盆地中心变厚［图8（a）］。盐间碳酸盐岩分布范围变小，面积为839.3 km2，北部边界向南退缩，碳酸盐岩沉积中心向南迁移，厚度大于 60 m［图 8（b）］。

4.3 碳酸盐岩发育演化

英西地区E32碳酸盐岩发育的影响因素有：①湖盆边缘受到陆源碎屑物质注入的影响较大，湖水盐度小，碳酸盐岩发育较差，湖盆中心地区受外部物源影响较小，湖水盐度较大，碳酸盐岩发育较好；②E32的早期（Ⅵ—Ⅳ砂组）湖水为半咸水—咸水，有利于碳酸盐岩的发育，该时期碳酸盐岩发育好，分布面积大；晚期（Ⅲ—Ⅰ砂组）湖水为咸水—盐水，盐水条件下不利于碳酸盐岩的发育，该时期碳酸盐岩发育差，分布面积小；③由于英西地区受到多期次小规模重力流的影响，湖水盐度变化大、变化频率高，盆缘碎屑岩的输入在一定程度上抑制了碳酸盐岩的沉积，碳酸盐岩与陆源碎屑岩相间发育；④碳酸盐岩厚度与地层厚度比值小于35%；⑤湖盆内部碳酸盐岩的岩性变化及其发育程度主要受湖水盐度变化的控制，其次是受陆源碎屑物质的输入量和输入频率的控制；⑥从早期到晚期，湖水盐度增加，云坪发育程度逐渐增大，泥灰坪和灰坪均不断减弱。

（1）英西地区盐下碳酸盐岩发育演化的特点（图9）：①Ⅵ砂组沉积时碳酸盐岩分布范围最大，覆盖整个工区；②Ⅴ砂组沉积时碳酸盐岩分布范围减小。受间歇性陆源碎屑注入的影响，湖盆边缘碳酸盐岩向北西方向延伸至sh22井—sh39井；③Ⅳ砂组沉积时陆源碎屑注入量减少，湖盆边缘碳酸盐岩发育程度增加，而湖盆中心（sh22井—sh44井区）发育膏盐岩，从而制约了碳酸盐岩的发育；④碳酸盐岩厚度变化大。单层厚度为9.0～16.0 m，平均厚度为6.5～15.14 m；累计厚度为71.0～158.1 m。灰地比从Ⅵ砂组至Ⅳ砂组逐渐减小，为21.98%～32.73%；⑤碳酸盐岩横向相变为膏质泥岩或钙质泥岩或陆源碎屑岩；⑥碳酸盐岩微相主要有泥灰坪和云坪，其次为灰坪和灰云坪。

（2）英西地区盐间碳酸盐岩发育演化的特点（图9）：①盐间的碳酸盐岩发育程度变差，表现为碳酸盐岩发育的层数、单层厚度、累计厚度、平均厚度和灰地比数值均不同程度地减小；②碳酸盐岩单层厚度变化大，为2.3～13.3 m；平均厚度变化较大，为3.97～8.28 m；累计厚度变化大，为21.6～65.8 m，灰地比数值变化较大，为7.66%～25.65%；③碳酸盐岩横向相变为膏质泥岩或钙质泥岩或膏盐岩；④Ⅰ砂组沉积时碳酸盐岩发育程度最差、分布范围最小，北西方向延伸至shb1井以东；⑤碳酸盐岩微相主要有云坪，局部发育灰坪和灰云坪，其中，云坪主要发育在英西地区中心区域，而灰云坪和灰坪均主要发育在湖盆边缘的sh35井—sh39井区域。

图9 英西地区E32碳酸盐岩发育剖面（剖面位置见图1）Fig.9 Development profile of E32carbonate rocks in Yingxi area

5 结论

（1）英西地区E32碳酸盐岩形成于温暖干旱型古气候条件下的碱性—弱碱性、咸水—半咸水封闭性水体环境，碳酸盐岩单层厚度大、层数多、连续性好，分布范围大，油气勘探潜力大。

（2）英西地区E32碳酸盐岩为湖相混合沉积成因，以白云岩为主，其次为（含）灰云岩，其矿物成分主要为铁白云石；沉积微相以泥灰坪、灰云坪和云坪为主，其次为灰坪。

（3）湖水的盐度变化是英西地区E32碳酸盐岩发育的主要控制因素。湖盆边缘水体盐度小，湖盆中心盐度大。碳酸盐岩自湖盆边缘向湖盆中心变厚。E32早期湖盆水体以咸水—半咸水弱碱性为主，碳酸盐岩发育好，厚度大；晚期湖盆水体以咸水—盐水碱性为主，碳酸盐岩发育程度变差。