馬立民，李志鵬，林承焰，3，劉振陽，李文濤，楊顯成，卜麗俠

(1.中國石油大學地球科學與技術學院,山東青島266580；2.中國石化勝利地質科學研究院,山東東營257061；3.山東省油藏地質重點實驗室,山東青島266580；4.中國石化勝利西部研究中心,山東東營257061；5.中國石化勝利油田東辛采油廠,山東東營257061)

對石膏、石鹽的沉積成因國內外學者做過大量研究[1-7],目前大部分學者認為主要有淺水蒸發(fā)成因和深水成因兩種[8]。近幾年隨著勝利油田對深層油氣勘探力度的加大,沙四下鹽湖相勘探潛力受到重視,石膏、石鹽發(fā)育巖層(簡稱膏鹽層)以下地層已經(jīng)取得了一定的勘探成果和認識[9-11],但膏鹽層內部勘探程度和認識較低。前人對東營凹陷沙四下膏鹽層的研究主要是探究其鹽源和成因[12-15],對膏鹽層的沉積序列和對比模式研究較少。因此,筆者根據(jù)取心井的巖心觀察、巖屑資料和測井資料,依據(jù)沉積學理論和馬爾科夫鏈相序研究方法[16],研究東營凹陷東部不同部位沙四下膏鹽層的沉積序列特征,探討石膏、石鹽的沉積機制,提出東營凹陷不同構造帶間沙四下膏鹽層的地層對比模式,為東營凹陷沙四下膏鹽層地層對比和儲層預測提供指導。

1 區(qū)域概況

東營凹陷位于濟陽坳陷南部,東部由牛莊、民豐2個生油洼陷及北部陡坡帶、中央隆起帶和南部斜坡帶等二級構造單元組成。沙四段沉積時期中央隆起帶和牛莊洼陷尚未形成,仍屬于南部斜坡帶的一部分[17],所以沙四下沉積時期,東營凹陷東部主要由北部陡坡帶、民豐洼陷和南部斜坡帶3個二級構造單元組成,盆地整體為北斷南超的半地塹構造形態(tài)。東營凹陷沙四下沉積時期繼承了孔店期干旱—半干旱的氣候特征[12-15],由孔店期典型的間歇性湖盆轉變?yōu)橛谰眯韵趟?在沙四下亞段的上部沉積了3套穩(wěn)定的膏鹽層。這3套膏鹽層沉積時期長期基準面是不斷上升的過程,中期旋回有一定變化,以完整旋回為主,膏巖和鹽巖主要發(fā)育在中期基準面相對較低且有一定水體的區(qū)域(圖1)。

圖1 東營凹陷東部地質概況Fig.1 General situation of geology in eastern Dongying Depression

2 膏鹽層沉積特征

2.1 碎屑巖沉積特征

(1)北部陡坡帶：F3井和F5井沙四下膏鹽層巖心顯示東營凹陷陡坡帶發(fā)育大套的砂礫巖和砂巖,物源主要來自斷層以北的陳家莊凸起。沉積構造表現(xiàn)出明顯的重力流特征,粒度概率累積曲線主要為一段式和上拱式,發(fā)育塊狀層理、遞變層理、火焰狀構造和沖刷面等(表1),主要為近岸水下扇和濁積扇沉積[18]。

(2)中央隆起帶和南部緩坡帶：東營凹陷中央隆起帶在沙四下沉積時期尚未形成,仍屬南部緩坡帶的部分[17]。該構造部位的第三套膏鹽層碎屑巖以紫紅色泥巖和灰色粉砂巖為主,紫紅色泥巖中見石膏晶體和石鹽假晶,H1井的紫色泥巖中見泥裂現(xiàn)象。第二套膏鹽層碎屑巖仍以紫紅泥巖和灰色粉砂巖為主,較第三套膏鹽層灰色泥巖有所增加。第一套膏鹽層碎屑巖以灰色泥巖、灰色粉砂巖和細砂巖為主,泥巖顏色由紫紅色轉變?yōu)榛疑?。砂巖粒度累計概率曲線以兩段式為主,牽引流沉積構造豐富,發(fā)育沙紋層理、波狀交錯層理和水平層理等,也見重荷模、遞變層理等沉積構造,砂泥薄互層中發(fā)育生物擾動構造(表1)。

綜上所述,第三套膏鹽層沉積時期中央隆起帶和南部緩坡帶主要被紫紅色泥巖所占據(jù),屬水體間歇性覆蓋的漫湖相沉積。隨著氣候逐漸濕潤,第二套膏鹽層沉積時期灰色泥巖占據(jù)范圍向南擴展,紫紅色泥巖占據(jù)范圍稍有減少,中央隆起帶由漫湖相向濱淺湖相演變,南部緩坡區(qū)仍處于漫湖沉積環(huán)境。到第一套膏鹽層沉積時期,湖盆水體明顯擴大,紫紅色泥巖范圍向南縮退,濱淺湖占據(jù)范圍向南擴展,此時中央隆起帶主要以濱淺湖相沉積為主(圖2)。

表1 東營凹陷東部沙四下膏鹽層碎屑巖沉積特征Table 1 Sedimentary characteristics of clastic rock in gypsum-salt bed of lower 4thmember of Shahejie Formation,Dongying Depression

2.2 石膏、石鹽沉積特征及成因機制

2.2.1 沉積特征

F2井等巖心資料揭示,東營凹陷湖盆中心在沙四下發(fā)育大量的石膏和石鹽沉積,包括灰色石膏、石鹽、鹽質石膏和泥質石膏等。石鹽中常夾有薄層的灰色泥質或灰色粉砂質碎屑巖,反映了石鹽的沉積期次,也反映出石鹽沉積過程中沉積水體存在一定變化。湖盆中心石膏、石鹽最大特點是與大套灰黑色或深灰色泥巖、泥頁巖等深水巖相共生,屬深水化學巖沉積,主要發(fā)育在基準面相對低的沉積時期(圖3)。中央隆起帶在沙四下沉積時期屬南部緩坡,也存在大量的化學巖沉積,其代表是H1井,其巖心揭示中央隆起帶化學巖以石鹽和石膏沉積為主,同時有一定量的泥質石膏和泥質石鹽。石鹽在晶型和顏色上與湖盆中心石鹽基本相同,但兩者在共生巖性上存在明顯差異。中央隆起帶膏鹽層主要與大套紫紅色泥巖和淺灰色泥巖共生,紫紅色泥巖很少與石鹽、石膏上下直接接觸,之間一般有一定厚度的灰色泥巖段。中央隆起帶的鹽巖和石膏主要發(fā)育在湖平面相對較高、有一定水體深度的第一套膏鹽層內,分布在基準面相對較低時期(圖1、3)。綜上所述,中央隆起帶石鹽、石膏形成環(huán)境與湖盆中心深水環(huán)境存在明顯不同,中央隆起帶的形成環(huán)境應與“紅層”形成環(huán)境相同或相近,屬淺水沉積環(huán)境。

平面上石膏和石鹽的沉積范圍隨水體范圍的擴展而不斷向南擴展,說明其沉積需要一定深度的水體。石膏在第二套膏鹽層內最為發(fā)育,在第三套膏鹽層內范圍最廣；石鹽在第二套膏鹽層湖盆中心沉積厚度最大,在第一套膏鹽層受水體影響范圍最廣(圖2)。

圖2 東營凹陷沙四下膏鹽層主要巖性平面分布特征Fig.2 Distribution characteristics of main lithology of lower 4thmember of Shahejie Formation,Dongying Depression

圖3 東營凹陷沙四下膏鹽層鹽巖沉積特征Fig.3 Sedimentary characteristics gypsum-salt bed of lower 4thmember of Shahejie Formation,Dongying Depression

2.2.2 形成機制

通過以上湖盆中心和中央隆起帶石膏、石鹽沉積特征的分析,可知兩者在形成環(huán)境上存在較大差異,應屬同一沉積時期不同環(huán)境下的沉積產(chǎn)物。

東營凹陷沙四下沉積時期為半干旱氣候[13-15],湖水具一定鹽度,這可從3個方面得到證實：①深灰色泥巖和紫紅色泥巖中發(fā)育石膏、石鹽晶體；②灰色泥巖和紫紅色泥巖嘗之略帶咸澀味；③泥巖中常含膏質和鹽質成分。這種半干旱氣候受氣候短周期(如季節(jié)變化)的影響,在干旱炎熱的夏季蒸發(fā)作用強,湖水蒸發(fā)量大于注入量,湖平面降低,體積減小,湖水溶解鹽類礦物的能力降低,如2011年的鄱陽湖,漫湖區(qū)露出水面發(fā)生沉積物的氧化,加之河水攜帶碎屑沉積物有限,湖水較為平靜而清澈,此時湖水易于鹵化。在氣候相對濕潤的季節(jié),湖平面相對高,隨著氣溫的不斷升高和降雨量的減少,湖平面不斷降低,湖水表層首先達到CaSO4和NaCl的飽和溶解度,開始有細小的鹽類晶體析出,當結晶到一定程度時,在重力作用下下沉(圖4(a))。沉降過程中晶體又不斷被溶解,淺水區(qū)由于水體淺晶體在還沒有完全被溶解時就已經(jīng)達到湖底,部分晶體沉積下來,深水區(qū)晶體在還沒有達到湖底時就已經(jīng)被溶解,所以湖平面降低的早期深水區(qū)并不存在石鹽、石膏沉積。隨著氣候不斷干旱,湖平面不斷降低,湖水表面晶體不斷析出,造成湖水含鹽度不斷增加,高鹽度水在重力作用下下沉,淺水區(qū)形成的高鹽度水體在重力作用下也沿著斜坡緩慢向湖盆中心運動,最終形成湖水分層。超過飽和溶解度的鹵水層受重力控制位于最底部,其上是鹽度向上不斷降低的鹽躍層,表層是稀釋層(圖4(b)),氣候越干旱、湖平面越低,湖水的分層現(xiàn)象越明顯。這種干旱氣候下蒸發(fā)作用形成的鹵水層具有流動性,流動方向為沿著湖底斜坡由淺水區(qū)流向湖盆中心,造成鹵水層的形態(tài)與湖底形態(tài)相近,湖盆中心厚,邊緣薄。鹵水層內析出的石鹽和石膏晶體可以直接在湖底沉積下來,可同時在淺水區(qū)和深水區(qū)沉積石鹽和石膏。

圖4 東營凹陷沙四下膏鹽巖形成機制Fig.4 Genesis of gypsum-salt rocks in lower 4th member of Shahejie Formation,Dongying Depression

隨著氣候不斷濕潤,降雨量增加,湖平面上升,造成湖水深度和體積增加,溶解能力增加,湖水鹽度不斷降低。河水攜帶大量碎屑沉積物的注入使湖水較為動蕩,湖水變渾濁,以上條件都不利于石鹽、石膏晶體鹵水層的形成和析出,所以高湖平面時期主要沉積碎屑巖。在深水區(qū),干旱低湖平面時期沉積下來的石膏和石鹽被該時期的泥質巖覆蓋得以保存；在淺水區(qū)特別是浪基面之上,干旱低湖平面時期沉積的石鹽由于湖水動蕩將很大程度上發(fā)生回溶作用,難以保存(圖4(c)),石膏因穩(wěn)定性強,回溶作用弱,在浪基面之上得到一定程度的保存,所以同一時期淺水區(qū)石膏的沉積范圍比石鹽的沉積范圍更廣(圖2)。

通過以上分析發(fā)現(xiàn),東營凹陷沙四下膏鹽層的石鹽和石膏主要形成在氣候干旱的水下沉積環(huán)境,發(fā)育在湖平面相對較低時期,從濱淺湖一直到湖盆中心,其沉積范圍隨湖盆水體的擴展而相應擴展。這正是東營凹陷沙四下膏鹽層中膏巖和石鹽在湖盆中心與深灰色泥巖互層,南坡淺水區(qū)與紫紅色泥巖共生的原因,也是石膏和石鹽不直接與紫紅色泥巖接觸的原因,同時也證實石膏、石鹽主要發(fā)育在低湖平面時期。

3 沉積序列特征及對比

3.1 沉積序列特征

(1)北部陡坡帶：利用F2和L97等東營凹陷北部陡坡帶8口井的取心和巖屑資料建立北部陡坡帶沙四下膏鹽層的3種沉積序列。第一種為深水石膏沉積序列,第二種為深水石鹽沉積序列,反映了氣候干旱、湖平面較低條件下的鹵化深水環(huán)境,以深水灰色、黑色泥頁巖結束；第三種為深水重力流沉積序列,包括近岸水下扇和濁積扇兩類沉積序列,主要發(fā)育在砂礫巖體中,同樣以深灰色泥頁巖結束。3種沉積序列顏色為深灰—黑的還原色調,反映深水沉積,沉積序列種類少,沉積環(huán)境穩(wěn)定(表2)。

(2)中央隆起帶：利用D1和H1等中央隆起帶8口井的取心和巖屑資料建立中央隆起帶沙四下膏鹽層的沉積序列。該區(qū)帶主要發(fā)育4類6種沉積序列,沉積序列種類多,反映水體變化頻繁,穩(wěn)定性差,泥巖顏色以灰色的弱還原色調為主,屬淺水沉積。4類沉積序列分別是淺水石鹽沉積序列、淺水石膏沉積序列、淺水石膏-石鹽沉積序列和漫湖沉積序列,其中淺水石鹽沉積序列發(fā)育種類最多,有3種沉積序列,其他3類各1種沉積序列。淺水石鹽沉積序列、淺水石膏沉積序列和淺水石膏-石鹽沉積序列都以濱淺湖灰色泥巖結束,主要發(fā)育在湖盆范圍相對最大的第一套膏鹽層中。漫湖相沉積序列,主要發(fā)育在第二和第三套膏巖層中,是中央隆起帶沙四下膏巖層沉積時期的主要沉積序列,包括紫色泥巖和碎屑砂巖兩種巖相(表2)。

(3)南部緩坡帶沉積序列：利用W46和G121的巖屑資料建立南部緩坡帶沙四下膏鹽層的兩種沉積序列：①漫湖相沉積序列,是南部緩坡帶主要的沉積序列,碎屑巖較中央隆起帶發(fā)育；② 淺水碳酸鹽巖沉積序列,與中央隆起帶和北部陡坡帶的石鹽、石膏沉積序列相對應,發(fā)育較少,在第一套膏鹽巖上部有一定發(fā)育(表2、圖5)。

3.2 沉積序列對比

在上述研究的基礎上按照層序地層學的旋回對比原則,同時考慮沉積相序,建立了東營凹陷沙四下鹽湖相的沉積序列對比模式(表2),借此指導膏鹽層內部次級旋回的劃分和對比(圖5)。首先根據(jù)基準面旋回進行等時對比,在基準面旋回對比框架下進行旋回內部的巖相對比。

第一套膏鹽層的巖相對比基本可以化學巖對化學巖,碎屑巖對碎屑巖,化學巖橫向上可相變?yōu)榛疑鄮r相和深灰色泥頁巖相。該時期湖盆水體大,在化學巖沉積時期,湖盆處于鹵水分層控制階段,湖水安靜、清澈,河水攜帶作用弱；在碎屑沉積時期,湖平面相對較高,河流攜帶作用強,湖水較為動蕩,水體相對渾濁,不利于化學巖沉積。由北部陡坡帶到南部緩坡帶化學巖相主要發(fā)育兩種側向相變模式：石鹽(石膏)→灰?guī)r；深灰色泥頁巖→石鹽(石膏)→灰色泥巖。碎屑巖相也主要發(fā)育兩種側向相變模式：深灰色泥頁巖相→灰色泥巖相；砂礫巖相→深灰色泥頁巖相→灰色泥巖相(表2)。

第二和第三套膏巖層沉積時期湖盆水體小,在膏鹽巖沉積時期漫湖區(qū)出露水面一般不接受石鹽、石膏沉積,主要發(fā)育漫湖三角洲砂體和紫紅色漫湖泥。沉積序列上石鹽、石膏不與紫紅色泥巖直接接觸,之間夾有一定厚度的灰色泥巖,按相序原則側向上石鹽巖相、石膏巖相與紫紅色泥巖相之間應存在淺水灰色泥巖相。自北部陡坡帶到南部緩坡帶化學巖主要發(fā)育一種側向相變模式：石鹽(石膏)巖相→灰色泥巖相→紫紅色泥巖相夾砂巖相。碎屑巖主要發(fā)育兩種側向相變模式：深灰色泥頁巖相→灰色泥巖相→紫紅色泥巖相；砂礫巖相→深灰色泥頁巖相→灰色泥巖相→紫紅色泥巖相夾砂巖相(表2)。

4 結 論

(1)東營凹陷沙四下膏鹽層沉積時期盆地不同部位水深差異大,造成同期碎屑巖、石鹽、石膏等存在不同成因機制。北部陡坡帶緊靠物源、坡度大、水體深,碎屑巖為近岸水下扇、濁積扇等砂質沉積和深灰色、灰黑色深水泥巖、油頁巖沉積；石鹽與石膏為蒸發(fā)環(huán)境下的深水成因。中央隆起帶與南部緩坡帶遠離物源、坡度小、水深淺,碎屑巖主要為漫湖三角洲、濱淺湖細粒砂質沉積與紫紅色淺水泥巖沉積；石鹽與石膏為蒸發(fā)環(huán)境下的淺水鹽巖沉積。

(2)東營凹陷沙四下膏鹽層沉積時期,由于沉積環(huán)境、成因機制不同,造成不同部位沉積序列存在較大差異。北部陡坡帶主要發(fā)育深水石膏、深水石鹽和深水重力流3種沉積序列,均以深水泥質巖沉積結束。中央隆起帶主要發(fā)育淺水石鹽、淺水石膏、淺水石膏-石鹽和漫湖4類沉積序列。淺水石鹽發(fā)育3種沉積序列,其他3類各發(fā)育1種沉積序列。南部緩坡帶主要發(fā)育漫湖沉積序列和淺水碳酸鹽巖沉積序列。沉積序列橫向對比方式多樣,第一套膏鹽層存在4種對比模式,第二和第三套膏鹽層存在2種對比模式。

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