江汉盆地古近系潜江组盐湖沉积特征与成藏模式

2021-04-08袁娟梅

岩性油气藏 2021年2期

黄华，袁娟梅，彭伟，张亮，文辉

（1.中石化重庆涪陵页岩气勘探开发有限公司，重庆 408000；2.中国石化江汉油田分公司勘探开发研究院，武汉 430223）

0 引言

陆相湖盆根据沉积时水体咸化程度可划分为淡水和盐湖（咸湖）沉积。中国陆相咸化湖盆形成时间早，分布地区广。早在二叠纪，准噶尔和三塘湖盆地就形成了半封闭的咸水湖沉积，分别以风城组和芦草沟组为代表。古近纪咸化湖盆沉积达到鼎盛时期［1-2］，盐湖沉积遍布中国的东西部，以东部渤海湾盆地沙河街组、中部江汉盆地潜江组、西部柴达木盆地下干柴沟组较为典型［3］。与淡水湖盆沉积物主要为单一的砂泥岩等碎屑岩沉积不同，咸化湖盆沉积物更为丰富，包含碎屑岩、碳酸盐岩、蒸发岩及其混合类型。虽然咸化湖盆沉积物类型多，但其主要受控于古气候影响下的水体咸淡程度，因此沉积序列具有较强的规律性。咸化湖盆与油气的关系十分密切，上述典型咸化湖盆中沉积了多套优质烃源岩，生成了大量油气，形成了多个大中型油气田。按油气聚集部位与岩盐的位置关系划分，咸化湖盆常规砂岩油气藏可划分为盐上油成藏、盐间油成藏和盐下油成藏，咸化湖盆沉积的混积岩可形成“源储一体”的非常规油藏。

江汉盆地古近系早始新统潜江组沉积期，湖水咸化程度较高，盐湖沉积时间较长，盐湖沉积特征典型［4］，沉积的旋回性和韵律性较强，油气藏主要分布在盐间地层［5-7］，并且非常规混积岩油藏十分发育。通过分析江汉盆地潜江组盐湖沉积环境和沉积特征，明确盐湖盆地油气成藏规律，建立盐湖沉积与成藏模式，以期为盐湖盆地油气勘探提供借鉴。

1 地质概况

江汉盆地为扬子地台上形成的白垩系—古近系陆相断陷盆地，地理上位于湖北省中南部（图1），盆地面积为3.6 万km2。盆地北部的枝江、远安、河溶、荆门、汉水等凹陷受古近纪末期的剥蚀作用，残余地层厚度小、埋深浅，石油勘探价值较小，南部的潜江、江陵、沔阳、小板、陈沱口等5 个凹陷为盆地油气勘探的重点。

江汉盆地古近系潜江组岩盐的韵律沉积多达193 个［4］，每个韵律均由盐层、碎屑岩和碳酸盐岩组成，单层盐的厚度一般为10～40 m，最厚可达84.5 m。重点区块潜江凹陷中潜江组盐层的平均厚度超过1 000 m，钻井揭示地层最厚处的盐层累计厚度超过2 000 m（WS2 井）［8］。

2 盐湖沉积环境

2.1 古地貌和古构造条件

江汉盆地古近纪，北部为南秦岭造山带，东部为大别造山带，南部为江南雪峰造山带，西部为黄陵隆起［9-10］，盆地整体为封闭的内陆山间断陷盆地（图2），整体上表现为“高山深盆”特征。古近纪潜江组沉积期沉积沉降中心在盆地中东部的潜江凹陷、小板凹陷和云梦凹陷，这些凹陷的控凹断层持续高强度的活动导致了凹陷发生稳定沉降，致使这3 个凹陷成为盆地的深凹区［11］。潜江凹陷为南北双断箕状凹陷，北部的潜北断层和南部的通海口断层在潜江组沉积期活动最为剧烈，活动速率分别为275 m/Ma 和100 m/Ma，形成南北2 个沉积沉降次洼，为潜江组沉积期沉积厚度最大的凹陷。随着控凹断层持续高强度的活动，3 个深凹区周缘的枝江、河溶、江陵、陈沱口、沔阳、荆门、汉水等均为浅凹区，浅凹区围绕在深凹区附近，成为其“卫星”凹陷。沉积过程中浅凹区的盐类物质不断汇入深凹区的湖盆中，不断蒸发浓缩，导致潜江、小板和云梦凹陷沉积了巨厚盐层，而其周缘的浅凹区没有沉积盐层（图3）。

图2 江汉盆地古近系沉积厚度分布特征Fig.2 Distribution characteristics of Paleogene sedimentary thickness in Jianghan Basin

图3 江汉盆地古近系潜江组盐层分布特征Fig.3 Distribution characteristics of salt layer of Paleogene Qianjiang Formation in Jianghan Basin

2.2 古气候条件

江汉盆地古近纪潜江组沉积期古气候以亚热带干旱为主，偶为干湿交替［12-18］，潜江凹陷中的湖水为封闭型高盐度水，呈碱性—弱碱性，为强还原环境。张旗等［19］、吴根耀等［20］研究认为，侏罗纪—早白垩世，中国东部形成了高原，中白垩世—古近纪，高原逐步坍塌。刘晓燕等［21］通过氧同位素计算得出，潜江凹陷的古高程为680～2 000 m，平均古高程为1 400 m，表明潜江组沉积期江汉盆地为“准高原”地区，“准高原”的干燥和少雨的古气候特征也是盐湖形成的重要因素。

通过对W99 井潜江组进行系统取样，分析了不同岩性中的孢粉类型，发现岩盐、含芒硝泥岩、泥质云岩、泥岩中的旱生裸子植物花粉含量逐步降低，湿生被子类植物花粉和蕨类孢子含量逐渐增多（图4），表明干旱气候易于盐类物质沉积，气候相对湿润期易于碳酸盐岩和碎屑岩沉积，潜江凹陷潜江组纵向上变化较频繁的岩性组合也反映了干旱交替的古气候。通过对潜江组页岩样品进行氩离子抛光-扫描电镜观察，发现了大量草莓状和分散状的黄铁矿（图5），其直径多小于5 μm，指示了潜江组沉积期为缺氧的强还原硫化环境。

图4 潜江凹陷潜江组孢粉类型及含量Fig.4 Types and contents of sporopollen of Qianjiang Formation in Qianjiang Sag

图5 潜江凹陷潜江组页岩中黄铁矿形态特征（W99 井，1 678 m）Fig.5 Pyrite morphology in shale of Qianjiang Formation in Qianjiang Sag

2.3 盐类矿物来源

江汉盆地潜江组沉积了巨厚的盐层，通过计算可得出潜江凹陷潜江组的石盐总量约1.7 亿t。关于盐类物质的来源存在多种学说［22-27］，主要有2 种观点，一种认为是海源，一种认为是陆源，但江汉盆地古近系中未发现任何海侵生物化石，其构造演化史也不支持盐类矿物来源于海侵的观点。因此可以推测，江汉盆地潜江组盐类矿物主要为陆源，包括以下2 个方面的来源：①物源区水系携带的岩石风化和剥蚀的矿物质。潜江组沉积期，物源主要来自凹陷北部，分别为汉水物源和荆门物源。通过恢复盆地潜江组沉积期岩相古地理，发现北部物源区出露的地层为震旦系—白垩系，为海相沉积，其中多套地层（寒武系和三叠系）为蒸发台地相，沉积了厚层的膏盐层，其余大部分地层为碳酸盐岩。这些地层出露地表后，遭受风化剥蚀作用和地表水的溶蚀作用，由水系带入江汉盆地，成为其盐类矿物沉积的重要物质来源。②断裂系统成为深部热液物质向盆地内运移的通道。盆地内部发育多条深大断裂，如北部的南荆断层、汉水断层等。盐类矿物来源于深部热液最直接的证据是潜江组沉积早期盆地北部靠近深大断裂处发育大量火山沉积物。钻探结果显示，在潜江组下部的潜四段发育10～280 m 不等的玄武岩（图6），表明潜江组沉积期大量深部热液物质进入了湖盆，为后期蒸发浓缩成盐奠定了物质基础。

综上所述，江汉盆地古近纪“高山深盆”式的古地貌、晚始新世潜江组沉积期“准高原”亚热带干旱为主、干湿交替为辅的古气候特征是盐湖多韵律沉积形成的核心要素，物源区水系带来的岩石风化产物和溶蚀的盐类物质、沿断裂系统向上运移的深部热液物质均为湖盆盐类矿物的重要来源，并且盐湖沉积的持续时间约为13 Ma（距今45～32 Ma）。

3 盐湖沉积特征

3.1 岩相分布特征

江汉盆地潜江组沉积期，物源主要来自于北部，发育盐类矿物的3 个凹陷中，仅有潜江凹陷发育砂岩沉积。潜江凹陷潜江组主要发育碎屑岩、碳酸盐岩、蒸发岩（包括硫酸盐岩、石盐、钾盐）及其过渡类型的混积岩。碎屑岩是气候湿润、淡水河流体系较发育的产物，碳酸盐岩是气候半干旱、水体咸化的产物，蒸发岩是气候干旱、水体极咸化的产物，在纵向上和平面上均出现有规律的岩性组合，即岩性和岩相相序具有高度有序性。

当湖水由淡水逐渐变咸时，沉积物的沉积序列由下至上分别为碎屑岩、碳酸盐岩和蒸发岩，为一个完整的盐韵律，潜江凹陷潜江组纵向上发育193个类似的盐韵律。平面上岩相的分布主要受控于北部的淡水供给体系，从北向南分别形成了淡水沉积区、咸水沉积区和盐水沉积区，分别形成了碎屑岩岩相区、碳酸盐岩岩相区和蒸发岩岩相区。当气候相对湿润时，北部淡水体系向南推进，碎屑岩沉积范围较大；当气候干旱时，咸水范围较大，以碳酸盐沉积为主；当气候极干旱时，湖泊演变为盐湖，以蒸发岩沉积为主。平面上碎屑岩岩相区、碳酸盐岩岩相区和蒸发岩岩相区形成了一个有序的岩相组合（图7）。

3.2 砂体展布特征

潜江凹陷北部发育淡水河流沉积体系，河水携带碎屑物质从北部进入凹陷区，形成三角洲—盐湖沉积体系。当气候湿润时，北部物源发育，越靠近北部地区，水体越淡。北部三角洲规模较大，砂体向南推进较远，如Eq42油组砂岩分布面积为647 km2，南部盐层的分布面积为935 km2。当气候干旱时，北部物源中等发育，水体相对咸化，北部三角洲规模中等，砂岩向南推进有限，南部的盐湖向北扩张，如Eq41下油组砂岩分布面积为150 km2，南部盐层的分布面积为1 520 km2。当气候极干旱时，北部物源不发育，水体盐度最高，北部三角洲规模小，凹陷内大面积分布盐类矿物，沉积物全部为岩盐和碳酸盐岩，如Eq4下油组在潜江凹陷中几乎不发育砂岩（图8）。

图7 潜江凹陷潜江组岩性岩相平面分布特征Fig.7 Distribution characteristics of lithology and lithofacies of Qianjiang Formation in Qianjiang Sag

图8 潜江凹陷潜四段典型油组砂岩分布图Fig.8 Sandstone distribution of typical oil formation of the fourth member of Qianjiang Formation in Qianjiang Sag

通过对潜江凹陷潜江组193 个韵律层的统计，发现砂岩的韵律层仅有35 个，其余158 个韵律层不发育砂岩，表明潜江凹陷潜江组沉积期大部分时间处于干旱气候，自下而上的砂岩层在凹陷中由南向北逐步尖灭，分布在凹陷北部近1 200 km2范围内。湖水淡化期沉积的砂层分布面积大，而湖水咸化期沉积的砂岩分布面积小（图8）。综上所述，潜江凹陷潜江组沉积主要受控于气候条件，砂岩分布与碳酸盐岩、蒸发岩（盐层）的分布存在“此消彼长”的关系，具有“半凹砂-满凹混积-满凹盐”的特征。

4 盐湖成藏特征

盐湖盆地中，泥岩、碳酸盐岩及混积岩均具有一定的生烃潜力［3］，生烃母质类型好，生烃效率高［28-33］，明显比淡水湖盆生烃条件优越。由于盐韵律层发育，在断层不发育的条件下，烃源岩生成的油气主要以侧向运移为主，相比于常规砂岩油藏而言，排烃效率则较低。潜江凹陷潜江组存在2 套含油气系统（图9），一套是常规砂岩含油气系统，以紧邻的泥岩为烃源岩，侧向和垂向运移为主；另一套是非常规混积岩含油气系统，以盐层封闭的混积岩为烃源岩，具有“自生自储”特征。盐湖盆地发育的非常规混积岩成藏模式，丰富了陆相含油气盆地成藏理论［34］。

图9 潜江凹陷盐湖油气成藏模式Fig.9 Hydrocarbon accumulation model of salt lake in Qianjiang Sag

江汉盆地勘探实践证实了其常规砂岩油藏的成藏规律［3］包括以下3 个方面：①源控富集，盐层之间的薄层烃源岩（泥岩）的生烃能力直接控制了油藏的富集程度；②层控运移，由于盐层对生油岩层具有一定的分割作用，油气运移以顺层方向为主，成藏聚集单元以盐间的生烃小层为主；③砂控规模，研究区发育北部单向物源，砂体在平面上和纵向上分别受控于物源携砂规模和古气候变化频率，进而控制了常规油藏的规模大小。非常规混积岩油藏的成藏主控因素包括以下2 个方面［35］：①沉积控区块，混积岩沉积区控制了油藏的平面分布，其中纹层状泥质白云岩相最为有利；②源岩控层位，混积岩生烃能力强，生成的油气可原地成藏，主要分布在Eq23，Eq33—Eq34，Eq43—Eq4下等3 个层段。