南襄盆地泌阳凹陷含碱建造成因及找矿思考

燕长海 马振波 李肖龙 裴中朝 韩江伟 郭 波

(1.河南省地质调查院,河南 郑州 450001;2.河南省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室,河南 郑州 450001;3.河南省地质学会,河南 郑州 450018)

南襄盆地地处河南南阳地区至湖北襄樊地区,面积1.7万km2,为我国中部中新生代陆相含油气断坳复合型盆地。泌阳凹陷是盆地内五凸四陷之一的次级构造单元,不仅形成了河南油田的重要组成部分的双河油田,而且还赋存有目前亚洲第一、世界第三大天然碱矿床——安棚天然碱矿床。

数十年来,地质科技工作者对泌阳凹陷地质构造特征[1-2]、沉积体系[3-5]、岩相古地理[6]、地层层序[7-9],泌阳凹陷含碱建造中的安棚天然碱矿床的地质特征、矿床成因、成矿规律[10-13]和泌阳凹陷含碱建造中的双河油田核三段储集层的沉积层序及微相特征[14-16]以及南襄盆地深部构造[17-20]等方面做了大量细致的工作,取得了丰硕的研究成果。但现有研究鲜有涉及形成碱矿所需要的大量Na和CO2或CO32-的来源,以及形成于两种完全不同气候环境条件的矿产资源——盐(碱)矿和油气的共生问题。

一般认为,含盐(碱)沉积是在干旱—半干旱的气候条件下卤水浓缩的产物,石油与天然气的形成环境是在温暖潮湿的气候条件下,为水下还原环境的产物。根据气候条件,石油与天然气和含盐(碱)沉积似乎是截然不同的两种环境。但是泌阳凹陷油页岩为天然碱矿的直接顶底板,并与其组成多个韵律而共存,而且天然碱矿沉积在凹陷内油页岩集中且含油率比较高的部位。这些事实表明,油页岩的形成环境与盐碱矿的形成环境有一定的关联性。对于此种现象,秦伟军等[21]和周珍奇等[22]认为盐(碱)、油共生的古地理和古气候条件是干旱—半干旱气候条件、封闭的水盆地环境,油、碱共生的物质条件是凹陷周缘分布着的富钠岩石经风化淋滤出的Na以及有机物质分解出的CO2。实际上,以往所有认识均是将这种天然碱矿作为“蒸发沉积矿床”对待的。但是,根据杜乐天先生的幔汁HACONS(H为氢、卤素热,A为碱金属(主要为 Na、K)族,C为碳,O为氧,N为氮,S为硫族)辐射成矿说[23]和崔永强博士幔源油气理论分析[24],本研究认为安棚碱矿(含油气)可能是幔源流体成因。

1 南襄盆地形成的地质背景与含碱建造组分特征

南襄盆地是受NWW向及NNE向深断裂构造控制的多断陷及多断凸的复合沉积区,该区横跨华北和扬子板块两大地质构造单元,以丹凤—内乡—桐柏断裂为界,盆地北部基底属秦岭褶皱带,南部基底为扬子地台(图1)。它是从晚白垩世开始发育的中新生代断陷沉积区。除了丹凤—内乡—桐柏断裂外,区域性的朱阳关—夏馆—大河断裂、商南—镇坪—松扒断裂和新野断裂等穿过盆地内部。南襄盆地3个凹陷的基底构造的活动性不同,泌阳凹陷位于比较活动的秦岭褶皱带上,南阳凹陷位于秦岭褶皱带与扬子地台的接界地区,襄枣凹陷所在的基底是比较稳定的扬子地台地区。因而导致了泌阳凹陷沉降的幅度和沉积岩厚度都最大,天然碱矿床规模也最大、质量最好,生油岩中的有机质丰度最高,所以含油气最丰富,其次为南阳凹陷,襄枣凹陷较差。

图1 南襄盆地大地构造位置及基底结构[25]Fig.1 Tectonic location and basement structure of Nanxiang Basin

从东秦岭造山带岩石圈热结构状态分布图(图2)上看[26],丹凤—内乡—桐柏断裂热结构具有地表高热流值81.3 mW/m2、深部热流值63.13 mW/m2、莫霍面温度860℃、岩石圈厚度仅50 km和软流圈上侵幅度在剖面上最大的特征,同时,它又是多期构造运动的活动带,且现今仍有活动。从南襄盆地及周围地区莫霍面等深图(图3)来看[25],在盆地下部存在着一个对应的地幔隆起区,其隆起幅度为2～3 km。王定一等[25]认为这是断裂引起的盆地形成以后,地幔进行了均衡调整,补充了由于地壳减薄上升所留下的空间,形成了盆地与地幔隆起相对应的镜象反映。深部地震、大地电磁测深等地球物理资料表明(图4),南襄盆地中地壳厚且含低速、高导层,在此壳内高导层下方60～70 km深处又出现一很大的低阻块体,这可能是地壳层之下存在有地幔软流体的底劈作用的反映,其顶部在盆地中表现为突起状[19-20,27]。

图2 东秦岭造山带岩石圈热结构状态及地质分析[26]Fig.2 Thermal structure and geological analysis of lithosphere in East Qinling orogenic belt

图3 南襄盆地及周围地区莫霍面平面及A-A′剖面[25]Fig.3 Plan and A-A′profile of M oho in Nanxiang Basin and surrounding areas

图4 南襄盆地及邻域壳幔结构剖面(单位:m/s)[20]Fig.4 Profile of crust and mantle structure in Nanxiang Basin and adjacent regions

泌阳凹陷受NWW向唐河—栗园边界断裂和NE向栗园—泌阳边界断裂联合控制,交汇在栗园以东。唐河—栗园断裂是丹凤—内乡—桐柏断裂带的继承性断裂,具有深源性。该断裂走向NWW,N倾,延伸长33 km,自西向东断距逐渐变大,最大达8 000m以上,断面倾角上陡下缓。栗园—泌阳断裂为盆地东缘的边界大断裂,走向由南段的NNE向转为NEE向,倾向NW,倾角上缓下陡,延伸31 km以上,该断裂南段的断距超过8 000m。唐河—栗园和栗园—泌阳两断裂可能是同沉积断裂,联合控制着泌阳凹陷的沉降中心,此处不仅是白云岩、深湖相的暗色泥岩(生油岩)最发育、天然碱矿最富集的部位,而且也是油气资源最丰富的地区。现有研究认为,该凹陷的深凹区现今仍是生油和油气运移的高峰期,同时还有新的油气不断注入[28]。

泌阳凹陷的含碱建造主要由古近系核桃园组的深灰、灰、灰绿色砂—泥岩、白云岩组成,为天然碱矿、芒硝、油页岩、石油(气)的主要赋矿层位。核桃园组自下而上可分为3个岩性段:核桃园组三段主要岩性为深灰色泥岩、白云质泥岩、泥质白云岩、页岩及薄层粉细砂岩层。白云岩系中发育多层碱岩,有液体碱层的存在,是凹陷的主要生、储油层段。核桃园组二段岩性主要为深灰、灰、褐灰色泥岩、白云质泥岩与泥质白云岩互层,夹浅灰色薄层粉砂岩、薄层碱和液体碱层。核桃园组一段主要岩性为灰—灰绿色泥岩、泥质粉砂岩夹泥质—粉砂质白云岩及灰绿色钙质页岩、劣质油页岩,主要沉积在凹陷沉积中心。

含碱建造中发现大量的热液矿物。安棚碱矿的矿石矿物除了重碳钠盐和少量天然碱、碳氢钠石外,还有方沸石、碳钠钙石、硅硼钠石、钠沸石、石膏、菱镁矿、磁黄铁矿、黄铁矿以及(泥质)白云岩中大量的铁白云石[12,29]。这些热液矿物中的特殊高温盐类矿物硅硼钠石、碳钠钙石在现代蒸发盐湖中涉及较少,但却大量出现在南襄盆地泌阳凹陷的深湖沉积环境中,与传统的蒸发成盐理论相悖。本研究认为,可能是深部地幔流体上升过程中萃取易溶盐类物质在深湖环境下的海底以热卤水形式喷发沉积而成。苏奥[30]研究发现,南襄盆地泌阳凹陷双河油田部分钻井在核桃园组已钻遇沉凝灰岩(火山碎屑含量为25%～75%),主要由玄武岩岩屑、玻屑和斜长石晶屑组成,并认为沉凝灰岩中的火成碎屑是核桃园组沉积期湖底基性喷溢物。同时,泌阳凹陷C2井核桃园组样品的XRD数据也显示,在高含量白云石发育的泥页岩内有一定含量的方沸石,并认为沸石类矿物通常为深部热液喷流以及玄武岩类矿物转变形成。杨江海等[13]研究表明,泌阳凹陷古近纪含碱岩系中所有的碱矿样品和白云质泥岩均显示Eu的正异常,认为这是高温热液流体参与沉积的响应。

含碱建造中还发现大量的幔源物质。在安棚天然碱矿床核二段底部和核三段顶部的碱卤层分别厚5 m和6 m,两者相隔20 m,储卤层岩性为针孔及孔洞状白云岩,卤水中除了B2O3含量达到综合利用指标外,Br、RbO含量也比较高[31]。在安棚天然碱矿床的矿石中不仅伴生的Li、K可进行工业提取,同时重金属元素 Pb、Mn、Cu、Ni、Cr、Fe 含量均高于海水数十到上千倍[12]。杨江海等[13]测得安棚天然碱矿矿层中的大离子亲石元素 Rb、Br、Sr、K,高场强元素 Zr、Ti和稀土元素La含量明显高于(泥质)白云岩,且碱矿层和泥质白云岩中均显示Eu正异常,并认为是高温热液流体参与沉积的响应。泌阳凹陷含碱建造中出现如此复杂的元素种类,且是高浓度地出现,完全不可能靠陆源岩石风化供给,只能是深部地幔来源。敬国超等[14]研究发现,Ⅰ～Ⅲ油组中见到黑云母蚀变为水黑云母,亦见黑云母碎片蚀变为碳酸盐和含水黏土矿物的集合体;Ⅳ～Ⅸ油组中黑云母多已转变为绿泥石,斜长石一般都发生水云母绢云母化,钾长石多发生高岭石化。蚀变后的长石孔隙发育。凝灰物质中的玻屑常蚀变为显微鳞片状绿泥石集晶或为细板条状、纤维状、针状的沸石集晶。这些现象均是碱交代作用的结果。金芸芸等[32]在泌阳凹陷下二门地区油气储集层中测得4个天然气样品的化学成分中除了主要为CH4外,重要的是较高的乙烷C2H6,说明下二门地区的油气应该是幔源的[33]。

2 泌阳凹陷含碱建造成因

泌阳凹陷含碱建造是一个完整的烃(油气)碱(NaHCO3和Na2CO3等碱矿物)集合体,其中的部分物质可能来自凹陷周缘的高含钠岩石风化的产物,极有可能大部分是来自于深部幔源烃碱流体,整个含碱建造包括白云岩、盐(碱)、油气(或油页岩)是在一个统一的成矿系统中完成的。

对于南襄盆地的成因,目前还仅限于浅层次的地壳升降、走滑的力学分析[1,25]。现有研究认为,南襄盆地所在地区的秦岭褶皱带及其附近的NW向断裂(如丹凤—内乡—桐柏断裂)自晚古生代以来一直存在着左行平移运动,自新生代以来,NE向断裂呈右行平移运动并切断NW向断裂,这种NW向断裂和NE向断裂联合作用的结果是形成南襄断陷盆地。由断裂引起的盆地形成以后,地幔进行了均衡调整,补充了由于地壳减薄上升所留下的空间,形成了盆地下部的软流圈地幔隆起。即南襄盆地和其下的软流圈地幔隆起都是被动形成的。本研究根据前述资料,结合幔汁辐射成矿论综合分析认为,南襄盆地的形成是以深部出现壳幔溃变(中地壳低速、高导层和软流圈地幔隆起)为大前提,即南襄盆地是主动断陷盆地。

地核中储存有巨量的氢。内外地核的强大氢流在压力差、温度差、黏度差、质量差、密度差、浓度差[34]强大的驱动力下向上穿透下—中地幔时,会将大量分散的活性很大的阳离子萃取并携带向上,其中最重要的萃取组分是 Li、Na、K、Rb、Cs(呈氢化物形式),故称此时的幔汁为氢型幔汁(H—HACONS)。当氢型幔汁继续上穿到上地幔时,由于沿途萃取了大量碱金属而演化成碱型幔汁(A—HACONS)或烃碱流体,对上地幔岩进行熔融、交代、富化、断键,造成上地幔溃变,形成上地幔软流圈[23,34-35]。随着上地幔软流圈的不断上拱、侧向扩张,造成上地幔刚性岩石圈的张性破裂,于是伸展、走滑构造发生,就形成了各式各样的盆地,如南襄走滑断陷构造盆地。

已有研究表明[24],烃碱流体在地幔中是非气非液的超临界态,赋存于上地幔岩石圈之下巨厚的上地幔软流层中。随着盆地的形成和演化,上地幔软流层在重力均衡作用下将不断向上隆起,其中蕴藏的烃碱流体将伴随着软流层上隆汇聚到软流层隆起顶部。上地幔软流层隆起上拱导致上覆岩石圈地幔出现张性破裂。汇聚于上地幔软流层隆起顶部的烃碱流体将沿着这些张性破裂进入中地壳,并通过上地壳断裂进入沉积盆地和沉积层。地幔烃碱流体进入上地壳时,由于温度和压力下降,其相态将由超临界流体爆炸相变为高含烃、碱的热液。在地幔烃碱流体上升的过程中,其中碱质组分(Li、Na、K、Rb、Cs)将不断与围岩发生碱交代作用,萃取围岩中的矿质并携带到地表分异并形成各类金属非金属矿床。其中烃类组分将沿途进入圈闭形成油气藏,剩余部分将继续上升进入盆地水体和大气。由于南襄盆地周边没有海水供给,沉积层本身也不发育碱源,仅凭盆地周边含钠基岩的风化提供是远远不够的。因此,本研究认为泌阳凹陷含碱建造中的碱质成分(钠)的主要来源应该是盆地深部。随着地幔烃碱流体源源不断地上升,其中烃类组分将源源不断地向储层和已发现的油气藏供给。泌阳凹陷含碱建造中普遍发育有黑云母的绿泥石化、斜长石的水云母绢云母化和钾长石的高岭石化,如此强烈的碱交代作用,没有巨量的碱质供应是无法实现的。这是地幔烃碱流体进入盆地沉积的岩石学证据。含油砂岩中有大量的自生石英,就是碱交代作用过程中排硅的结果。

3 南襄盆地深边部找矿和研究方向

通过上述分析,形成NaHCO3和Na2CO3等碱矿物所需要的Na和CO2主要来自幔源烃碱流体或幔汁,整个含碱建造包括白云岩、盐(碱)、油气(或油页岩)是在一个统一的成矿系统中完成的。但是,南襄盆地泌阳凹陷油气的潜力如何?盆地基底岩石中有没有天然油(气)藏?根据相关统计资料,全球已超过30个盆地在基底的变质岩或火山岩中发现了基岩油气,全球基岩油气藏的石油储量为248×108t,天然气储量达到2 681×108m3。例如我国的渤海盆地和松辽盆地深部以及越南的白虎油气田(储存在花岗岩内)等。结合区内深部地质构造特征和凹陷内的深凹陷区目前仍有新的油气注入等新信息的综合分析,并根据幔源油气理论判断,本研究认为南襄盆地深部可能会有基岩油气藏!程学峰[36]在泌阳凹陷东南缘地面露头开展的油气苗调查和对部分钻井(泌53、泌150、泌151等)的详细观测结果支持了上述认识,在桐柏县新集乡刘碾村、小南庄和南庄均在蔡家凹组大理岩内发现了油气苗,在湾沟—桐树庄和栗园水库一带0.16 km2范围内廖庄组下部砂砾岩中发现大量的沥青,还在泌53、泌150、泌151等钻井内蔡家凹大理岩层发现有油气显示。

我国东部—西太平洋是一个岩石圈地幔撕裂的地区。软流圈从撕裂的口子向上涌出,形成一个蘑菇云构造,这个蘑菇云构造分布范围与已发现油气田的空间关系如图5所示。上升的软流圈是低速体[37],软流圈是生成油气之本源(深源),壳内低速高导层是中间站(中源),沉积盆地内是生油、储油的终点(浅源),深、中、浅(源)依靠区域性深大断裂贯通。位于Ⅱ号蘑菇云柄南端的南襄盆地内的河南油田仅打至第三系以上地层,有些保守,基底很值得一探[38]。进一步说明,加大对盆地深部基岩中的油气探测力度,会有新的重大突破。

图5 华北岩石圈蘑菇云构造的蘑菇云柄形态与油气田分布[37]Fig.5 Distribution of stems of lithospheric mushroom cloud with the distribution of oil fields in North China

位于南襄盆地泌阳凹陷与吴城盆地之间的桐柏山是河南省重要的金多金属矿集区,分布着多个大、中、小型金、银、铜多金属矿床,在其中的多个矿床流体包裹体中发现幔源流体成分,如老湾金矿床的上上河矿段石英流体包裹体不仅在液相组分中发现K+、Na+、Mg2+、F-、Cl-,还在气相组分中发现 CO2、CO、CH4、N2等[39];在银洞坡金矿床石英流体包裹体气相组分中测得少量的 N2、CH4、H2S、C2H6、Ar、CO、CO2和H2等幔源物质[40-41];在银洞岭银多金属矿床不同成矿阶段的矿石和顶底板围岩的石英流体包裹体中均测得 CH4、C2H6、Ar、H2S 和 CO2等地幔物质[42];在桐柏矿集区的刘山岩铜矿和宝石崖铁铜矿点的石英流体包裹体中测得 CH4、CO、CO2、H2等地幔物质[43]。

综上所述,南襄盆地泌阳凹陷的天然碱矿、石油天然气可能是幔源烃碱流体成矿作用的结果,桐柏矿集区的金属矿床均发现大量的幔源物质,那么,它们之间在成因上有没有联系呢?是否是一个成矿系统?这将是未来非常值得深入研究的重大科学问题。

4 结 论

(1)南襄盆地泌阳凹陷油气是幔源烃碱流体沿蘑菇云构造的“柄——软流圈地幔隆起”和“云——中地壳低速高导层”,借助区域性深大断裂(丹凤—内乡—桐柏断裂、朱阳关—夏馆—大河断裂、商南—镇坪—松扒断裂等)向上运移进入盆地形成的。盆地深部存在基岩气藏的可能性很大,依据有:① 盆地深部有与赋存地幔烃碱流体的软流圈地幔沟通的深大断裂构造;②盆地周边地表或钻井中的基岩内发现大量的油气苗和沥青。建议加强盆地深部构造研究,以期有所突破。

(2)泌阳凹陷含碱建造中发现大量的幔源物质和热液矿物以及广泛的碱交代作用现象,其中大部分(油气、钠(Na)和二氧化碳(CO2))成矿物质极有可能是来自于深部幔源烃碱流体,整个含碱建造包括白云岩、盐(碱)、油气(或油页岩)是在一个统一的成矿系统中完成的。

(3)泌阳凹陷含碱建造中的油气、盐碱矿可能与桐柏金多金属矿集区的金属矿产构成一个完整的幔源流体成矿系统。