塔里木盆地寒武系膏盐岩沉积特征与发育模式

2021-04-21樊太亮李清平苑雅轩

石油实验地质 2021年2期

樊奇，樊太亮，李清平，杜洋，张岩，苑雅轩

(1.中海油研究总院有限责任公司，北京 100028；2.中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083；3.中国海洋石油国际有限公司，北京 100028)

膏盐岩是形成于强蒸发气候下的特殊沉积岩，在盐下勘探领域具有重要的科学价值和应用意义。膏盐岩具有“毛管压力”和“异常高压”双重封闭机制，其优越的封堵性能为区域性油气聚集和古油藏保存提供了有利条件[1-4]，对344个油田统计表明，分布面积占8%的膏盐岩盖层，覆盖了包括墨西哥湾、西非盐盆地等全球55%的油气资源量[5]。

“源—盖控烃、枢纽控富”是塔里木盆地下古生界海相油气勘探的重要思路。盆地中—下寒武统吾松格尔组、阿瓦塔格组发育的蒸发台地相膏盐岩分布于巴麦、塔中等塔西台地的高构造部位，面积约12×104km2，厚度100～300 m(方1井膏盐岩厚340 m)，以“薄互层、中—厚层状灰白色、灰红色”为特征[6-7]。GAO等[8-10]认为构造断洼带是蒸发潟湖的集中发育区，在平面上控制了这套膏盐岩的分布。本文基于对塔里木盆地中央隆起带钻遇寒武系的16口探井岩心、录井资料和地震解释的细致统计分析，重新确认了吾松格尔组和阿瓦塔格组膏盐岩盖层的纵向和平面分布特征，建立了塔里木寒武系膏盐岩“干热古气候+持续海退过程+礁体障壁背景”发育成因模式。

1 膏盐岩综合识别

1.1 岩石类型与岩相特征

塔里木寒武系膏盐岩主要发育于塔西台地的蒸发台地沉积环境，具体分布在吾松格尔组和阿瓦塔格组沉积时期的巴楚隆起、塔中隆起及其周缘的局限台地和蒸发台地，在塔北隆起障壁区的局部也有发育。其中，蒸发台地发育蒸发台坪亚相，包括盐坪、膏坪、云坪等沉积微相，发育薄—中层状、块状灰白色、褐色、褐灰色、灰色、紫红色、褐红色的盐岩、膏岩、膏盐岩、含云膏岩、含泥膏岩、膏质云岩、膏质泥岩、粉晶白云岩等岩石类型。

在柯坪蓬莱坝寒武系露头，膏盐岩地层整体发育一套浅紫红色、灰黄色含膏粉晶白云岩，局部夹膏盐岩，常见波状层理和嗜盐微生物叠层石构造。由于膏盐岩易溶于水，在野外仅局部矿洞可见薄层半透明石盐、膏溶孔发育的云质灰岩(图1)。

在镜下，石膏和石盐的微观形态多样，通常呈等粒隐晶质、微板块状、鸡笼状、条带状与周围矿物呈镶嵌式接触。由于中—下寒武统膏盐岩与碳酸盐岩混生，造成石膏、盐岩多以脉状、条带状夹于方解石或白云石之间；盐岩多为后期溶蚀重结晶，少见自形晶，多见他形—半自形晶；石膏多为自形晶(图1)。

图1 塔里木盆地中—下寒武统膏盐岩岩石学特征Fig.1 Mineral characteristics of Lower to Middle Cambrian gypsum-salt rocks, Tarim Basin

塔里木盆地钻揭寒武系的探井有限，已钻揭膏盐岩地层的岩相为泥岩、泥灰岩与石膏、盐岩薄互层(楚探1井)，紫红色含膏泥岩夹薄层石膏、盐岩(舒探1井)，连续中—厚层状膏盐岩夹薄层含膏泥岩、灰质泥岩、薄层含膏白云岩(和田1井)等类型。对巴探5井吾松格尔组、阿瓦塔格组岩心观察，可见大段块状灰白色、浅紫红色盐岩，舔之有咸味。玛北1井沙依里克组岩心可见多处膏溶云质灰岩，大量发育膏溶孔缝洞结构和交错层理、波状层理等(图1，图2)。

1.2 测井特征

膏盐岩层段的岩石组合类型决定了其特殊测井响应。总结发现，石膏层表现为“中—高幅波动的中—低值自然伽马、中—高幅波动的中—高值电阻率、低声波时差”测井响应。盐岩层表现为“中—高幅波动的低伽马、中—高幅波动高值电阻率、高值声波时差”测井响应(图2)。

1.3 地震特征

由于膏盐岩地层与围岩存在较明显的波阻抗差异，尽管存在地区因素，但膏盐岩地层多以强振幅、中—高连续地震相和规模发育盐相关滑脱构造为主要识别标志。

图2 塔里木盆地巴探5井下寒武统吾松格尔组岩心素描图版Fig.2 Core sketch plate of Lower Cambrian Wusongger Formation, well BT-5, Tarim Basin

在巴麦—塔中地区，中—下寒武统厚层膏盐岩表现为中—强振幅、中—高连续、中—低频、平行—亚平行反射波组；常见盐丘、盐枕、盐背斜、盐席、盐断块构造，较易于识别。在塔北地区，膏盐岩地层厚度普遍减小，地震相表现为强振幅、中—高连续、中—低频、平行—亚平行反射波组。但在塔北盆缘东部见褶皱带膏盐岩厚度异常增大，表现为外部丘状内部杂乱断续、叠瓦状充填反射特征(图3)。

1.4 纵向沉积序列

巴探5井是少有的沉积特征典型的取心井，其纵向岩石组合特征反映了吾松格尔组蒸发台地向局限台地演化的沉积过程。吾松格尔组下段(18回次，5 637～5 644 m，图2)发育的深灰色泥晶白云岩(含叠层石)、砂屑泥晶白云岩含有大量灰黑色泥质条带，发育波状交错层理、平行层理，反映了水体低速交换过程，推测处于局限台地相局限台坪亚相的云坪、藻席、砂云坪和台内砂屑滩沉积环境。吾松格尔组上段(16回次，5 486～5 494 m，图2)主体发育的厚层红褐色盐岩反映了炎热蒸发气候下海水浓缩与台地暴露过程，而其顶部深灰色云灰岩表明在炎热蒸发阶段的晚期，可能发生短暂的海平面上升事件。因此，吾松格尔组晚期处于蒸发台地的盐坪、膏盐坪、泥坪沉积微相，在末期发育局限台地灰云坪沉积微相。

2 膏盐岩沉积特征

2.1 膏盐岩地质统计分析

全球27个大型海相含油气盆地和341个海相碳酸盐岩油气田的盖层统计表明，泥页岩、致密灰岩、蒸发岩是盖层的最主要类型[6]。巴探5井盖层评价表明，巴楚地区早奥陶世以来具备了较强的封盖能力(强塑性膏盐岩形成时间早于油气聚集时间)，后期的构造活动并未使其发生盖层裂缝化的破坏过程[7]。塔北地区盖层样品突破压力实验表明，膏质白云岩(含膏白云岩)、泥晶白云岩、泥晶灰岩(泥灰岩)、石膏、盐岩、泥岩的平均突破压力大于5 MPa，可作为有效区域性盖层的优势岩性[11]。

基于这一认识，系统梳理了塔里木盆地钻遇中—下寒武统膏盐岩的探井资料。对方1井、和4井、康2井等老井进行资料复查，对新和1井、夏河1井、玉龙6井等新井资料补充完善，重点统计巴楚—麦盖提构造带、塔中地区吾松格尔组、阿瓦塔格组膏岩、盐岩、膏盐岩、泥灰岩、泥岩、云泥岩的岩石类型、厚度、层数和盖地比等基础信息(膏质泥晶、粉晶白云岩可充当致密储层，不计入)，为盖层和膏盐岩统计提供数据支撑(表1)。

结果如图4a，4b示，有11口探井的盖层与地层比值超过0.50，有12口探井的盖层累计厚度超过200 m，中—下寒武统盖层累计厚度从38 m至387 m，平均厚度245 m，表明区域性盖层十分发育。其中，巴楚隆起有7口探井的膏盐岩厚度超过200 m，中央隆起带有11口探井的膏盐岩厚度超过100 m，膏盐岩平均厚度167 m，最厚达340 m方1井)，具有厚层连续发育沉积特征，数据表明中央隆起带中—下寒武统具有厚层膏盐岩发育特征。

图3 塔里木盆地巴楚隆起中—下寒武统膏盐岩地震剖面剖面位置见图6a。Fig.3 Seismic interpretation of Lower to Middle Cambrian gypsum-salt rocks, Bachu Uplift, Tarim Basin

表1 塔里木盆地寒武系探井膏盐岩盖层厚度—岩性统计Table 1 Thickness and lithology of Cambrian gypsum-salt rock wells, Tarim Basin

同时，数据确认了研究区盖层的优势岩性排序为：膏岩>盐岩>泥岩>泥灰岩，盐岩分布最广泛，石膏在厚度上有显著优势(图4c)。结合沉积演化特征发现，在吾松格尔组沉积早期，中央隆起带普遍发育局限台地相薄层云泥岩、泥灰岩、膏泥岩等非优势岩性的盖层。而在吾松格尔组沉积晚期和阿瓦塔格组沉积时期，受海平面下降和气候影响，局限台地向蒸发台地演化，发育厚层膏盐岩沉积，形成分布广泛的蒸发岩—碳酸盐岩盖层(图4b)。

2.2 膏盐岩纵向沉积特征

巴楚隆起NW—SE向膏盐岩盖层对比格架，进一步揭示了膏盐岩纵向沉积特征及主控因素。如图5所示，研究区膏盐岩盖层主要包括4种岩相组合，分别是：(1)以盐岩为主的石膏和盐岩频繁互层(和4井、楚探1井)；(2)以石膏为主的石膏和盐岩频繁互层(舒探1井、夏河1井)；(3)膏盐岩夹薄层含膏或含盐泥岩(局部夹灰云岩)；(4)含膏或含盐泥岩夹薄层膏盐岩(局部夹灰云岩)。巴楚隆起东西向稳定发育4套膏盐岩盖层，其中2套发育在吾松格尔组，2套发育在阿瓦塔格组。

在横向上，方1井—和4井一带的膏盐岩厚度最大且向两侧逐渐减薄；方1井—楚探1井一带的膏盐岩分布连续稳定，结合地震测线解释推测当时聚盐中心的主体位置在这一带。在纵向上，阿瓦塔格组膏盐岩累计厚度明显大于吾松格尔组膏盐岩累计厚度；聚盐中心的膏盐岩连续性强、盐岩比例高，边缘部位的膏盐岩连续性差、石膏岩比例高，这种分布特征与石膏、盐岩溶解度差异有关；对于每个完整层序，海退期对应的下旋回膏盐岩厚度大，海侵期对应的上旋回膏盐岩厚度小。

初步研究认为，干旱炎热古气候下，海平面升降直接控制了膏盐岩沉积特征，造成聚盐中心发育盐岩为主体的膏盐岩盖层，聚盐边缘发育膏岩为主体的膏盐岩盖层。每个层序内部，厚层膏盐岩形成于海平面下降过程(第2，4套)，薄层膏盐岩形成于海平面上升过程(第1，3套)。因此，干旱炎热气候下，海平面持续下降的晚期是最发育膏盐岩的层段。

2.3 膏盐岩平面展布特征

基于上述认识，编制了塔里木盆地寒武系盖层厚度等值线图(图6)。图6a表明，寒武系盖层以“菱形环带状”发育在中4井以西的巴楚隆起、塘古孜巴斯坳陷北部和卡塔克隆起，覆盖了中央隆起带大部及阿瓦提坳陷南部地区。其中，寒武系盖层总厚度300 m等值线分布在同1井西南侧—康2井西南侧—玛北1井东侧—和田1井东侧—巴东4井东北侧—和4井北侧—方1井北侧—柯坪断隆内侧，完整覆盖了巴楚隆起。寒武系盖层总厚度200 m等值线向玉龙6井和塔中西段扩展。塔北地区星火1井—新和1井的局部寒武系盖层厚度也超过50 m。

图4 塔里木盆地寒武系探井膏盐岩盖地比、膏盐岩厚度和盖层优势岩性统计Fig.4 Histograms of ratio of cap and stratum, thickness,and dominant lithologies of cap rocks of Cambrian gypsum-salt rock wells, Tarim Basin

图5 塔里木盆地中—下寒武统膏盐岩地层对比格架Fig.5 Stratigraphic correlation framework of Middle to Lower Cambrian gypsum-salt rocks, Tarim Basin

在寒武系盖层厚度编制基础上，结合最新钻井、地震资料与前人认识[7-11]，细化了吾松格尔组和沙依里克组膏盐岩类盖层厚度等值线图。如图6b所示，膏盐岩厚度300 m等值线围绕方1井—巴楚东南侧—巴探5井北侧—和田1井东南侧—和4井北侧—顺托果勒低隆于奇6井西南—阿瓦提坳陷阿参1井南侧—柯坪以东形成“双环状”展布。膏盐岩盖层100 m等值线分布在同1井西南侧—康2井南侧—玛北1井南侧—玉龙6井南侧—塔参1井西侧—于奇6井北侧—阿参1井南侧—柯坪—舒探1井北侧，以“宽广环带状”覆盖在中央隆起带西段、阿瓦提坳陷和顺托果勒低隆。膏盐岩盖层0线围绕麦盖提—玉龙6井南侧—中4井东侧—英买7井北侧—阿参1井—舒探1井，以“宽广圆环状”覆盖塔西局限台地主体。

结合盖层(膏盐岩)地层比值数据和巴楚隆起解释成果，确定了阿瓦提坳陷和巴楚隆起(膏盐岩稳定厚度300 m以上)极有可能是早—中寒武世海平面下降期的聚盐中心，膏盐岩厚度沿着这两大聚盐中心由内向外逐渐减薄。具体到地区，中—下寒武统膏盐岩盖层集中发育在巴楚隆起、麦盖提斜坡北缘、塔中地区、阿瓦提坳陷、顺托果勒低隆。而小海子、夏河、和田河、玛扎塔格构造带、顺托果勒低隆为膏盐岩盖层次级发育区(膏盐岩稳定厚度200 m以上)。膏盐岩的平面展布特征受控于蒸发台地相带范围，表明干旱炎热气候下沉积相对膏盐岩分布具有约束作用。

3 膏盐岩沉积环境

吾松格尔组沉积时期，塔里木盆地已形成“西台东盆”的构造—沉积格局。伴随早寒武世晚期海平面的持续下降，塔西台地区发育的开阔台地范围不断扩大，环满加尔坳陷西缘的台缘带东迁，塔东和塔西南地区发育的陆棚相范围减小，塔东盆地相范围减退至塔东2井以东。与肖尔布拉克组晚期相比，吾松格尔组沉积时期的局限台地范围明显变大，在盆地北缘阿克苏—星火1井一带发育孤立局限台地。在局限台地内部，构造高部位及障壁水体发育蒸发台地分布在巴—麦和塔中一带，沉积了寒武系规模最大的一套蒸发岩—碳酸盐岩层系。

图6 塔里木盆地中央隆起带寒武系盖层总厚度和膏盐岩盖层厚度等值线Fig.6 Total thickness of Cambrian cap rocks and thickness of gypsum-salt cap rocks in Central Uplift, Tarim Basin

阿瓦塔格组沉积时期，盆地继承了吾松格尔组沉积相展布格局。受海平面再次下降和干旱炎热古气候的影响，开阔台地分布范围扩大，塔东和塔西南陆棚相边界略收缩，塔东地区盆地相范围扩大至塔东2井以西。阿瓦塔格组最大的变化是局限台地范围扩大，包括英买7井—中深1井—玉龙6井—康2井范围均发育局限台地。同时，中央隆起带中西部地区和塔北星火1井一带广泛发育蒸发台地，形成了寒武系蒸发岩—碳酸盐岩沉积体系(图7)。

4 膏盐岩发育模式

对塔里木盆地中—下寒武统膏盐岩沉积特征和盖层统计的研究发现，干旱炎热的古气候、海平面持续下降阶段与适当的障壁条件(台内及台缘生物礁)是研究区发育大规模厚层膏盐岩的重要背景，古气候和海平面变化是主控因素。

蒸发岩成因模式较多，有“蒸发潟湖砂坝说”、“干化深盆说”、“深层卤水成盐”、“萨布哈蒸发台地”等。陈永权等[14]对塔里木中寒武统泥晶白云岩分析，认为其形成于潮上带萨布哈环境，但针对塔里木中—下寒武统膏盐岩成因的讨论较少。

图7 塔里木盆地寒武系阿瓦塔格组沉积相平面图Fig.7 Sedimentary facies of Cambrian Awatag Formation, Tarim Basin

萨布哈成因模式多指潮上带或潮间带干旱炎热气候背景下的盐潮坪(盐沼)环境，强调平缓海岸地貌(坡度1/1 000)和浅水位(小于1 m)及规模化蒸发岩和白云岩化的岩石学特征。考虑塔里木中寒武世沉积特征，干旱炎热的古气候及其驱动下的海平面变化是形成膏盐岩的重要条件，而台缘和台内的生物礁带可能是加速形成厚层膏盐岩的重要背景。塔里木地台在早寒武世的缓坡碳酸盐岩台地背景，和晚寒武世海侵引起的台地退积及台地淹没过程不利于膏盐岩的大规模发育。而在吾松格尔组和阿瓦塔格组沉积时期，塔里木地台处于海平面持续下降阶段，塔西台地逐渐建设成强镶边台地结构(图8地震剖面)，进而阻挡了外部海水注入且促进了蒸发潟湖海水咸化，使局限台地、蒸发台地发育了区域性厚层膏盐岩。

在干旱炎热古气候和海平面持续下降阶段，台内和台缘生物礁群的障壁作用，会加快台地内部坳陷带蒸发潟湖水体的浓缩咸化，长时间在纵向上发育成厚层连续的膏盐岩及红层沉积(含膏泥晶、粉晶白云岩)。同时，石膏和盐岩的溶解度差异，会使蒸发岩在平面上由内至外形成盐岩—石膏—红层—泥岩的“牛眼环带状”沉积序列(图8)。在干旱炎热古气候和海平面持续上升阶段，礁体退积破坏了蒸发潟湖的障壁条件，较高的海平面也有利于台内海水与外海沟通。在海平面高频上升过程中，这一沉积过程易造成盐岩周期性溶解和泥质晶体析出，形成膏盐岩—暗层膏泥岩—红层膏云岩的薄互层式沉积。这些由暗层膏泥岩组成的薄层沉积覆盖在膏盐岩之上，减缓了下伏膏盐岩层的差异性溶解，在纵向上就组成了膏盐与盐岩及膏泥岩的互层式沉积序列(图8)。