樊 奇，樊太亮，李清平，杜 洋，張 巖，苑雅軒

(1.中海油研究總院有限責任公司，北京 100028；2.中國地質(zhì)大學(北京) 能源學院，北京 100083；3.中國海洋石油國際有限公司，北京 100028)

膏鹽巖是形成于強蒸發(fā)氣候下的特殊沉積巖，在鹽下勘探領(lǐng)域具有重要的科學價值和應用意義。膏鹽巖具有“毛管壓力”和“異常高壓”雙重封閉機制，其優(yōu)越的封堵性能為區(qū)域性油氣聚集和古油藏保存提供了有利條件[1-4]，對344個油田統(tǒng)計表明，分布面積占8%的膏鹽巖蓋層，覆蓋了包括墨西哥灣、西非鹽盆地等全球55%的油氣資源量[5]。

“源—蓋控烴、樞紐控富”是塔里木盆地下古生界海相油氣勘探的重要思路。盆地中—下寒武統(tǒng)吾松格爾組、阿瓦塔格組發(fā)育的蒸發(fā)臺地相膏鹽巖分布于巴麥、塔中等塔西臺地的高構(gòu)造部位，面積約12×104km2，厚度100～300 m(方1井膏鹽巖厚340 m)，以“薄互層、中—厚層狀灰白色、灰紅色”為特征[6-7]。GAO等[8-10]認為構(gòu)造斷洼帶是蒸發(fā)潟湖的集中發(fā)育區(qū)，在平面上控制了這套膏鹽巖的分布。本文基于對塔里木盆地中央隆起帶鉆遇寒武系的16口探井巖心、錄井資料和地震解釋的細致統(tǒng)計分析，重新確認了吾松格爾組和阿瓦塔格組膏鹽巖蓋層的縱向和平面分布特征，建立了塔里木寒武系膏鹽巖“干熱古氣候+持續(xù)海退過程+礁體障壁背景”發(fā)育成因模式。

1 膏鹽巖綜合識別

1.1 巖石類型與巖相特征

塔里木寒武系膏鹽巖主要發(fā)育于塔西臺地的蒸發(fā)臺地沉積環(huán)境，具體分布在吾松格爾組和阿瓦塔格組沉積時期的巴楚隆起、塔中隆起及其周緣的局限臺地和蒸發(fā)臺地，在塔北隆起障壁區(qū)的局部也有發(fā)育。其中，蒸發(fā)臺地發(fā)育蒸發(fā)臺坪亞相，包括鹽坪、膏坪、云坪等沉積微相，發(fā)育薄—中層狀、塊狀灰白色、褐色、褐灰色、灰色、紫紅色、褐紅色的鹽巖、膏巖、膏鹽巖、含云膏巖、含泥膏巖、膏質(zhì)云巖、膏質(zhì)泥巖、粉晶白云巖等巖石類型。

在柯坪蓬萊壩寒武系露頭，膏鹽巖地層整體發(fā)育一套淺紫紅色、灰黃色含膏粉晶白云巖，局部夾膏鹽巖，常見波狀層理和嗜鹽微生物疊層石構(gòu)造。由于膏鹽巖易溶于水，在野外僅局部礦洞可見薄層半透明石鹽、膏溶孔發(fā)育的云質(zhì)灰?guī)r(圖1)。

在鏡下，石膏和石鹽的微觀形態(tài)多樣，通常呈等粒隱晶質(zhì)、微板塊狀、雞籠狀、條帶狀與周圍礦物呈鑲嵌式接觸。由于中—下寒武統(tǒng)膏鹽巖與碳酸鹽巖混生，造成石膏、鹽巖多以脈狀、條帶狀夾于方解石或白云石之間；鹽巖多為后期溶蝕重結(jié)晶，少見自形晶，多見他形—半自形晶；石膏多為自形晶(圖1)。

圖1 塔里木盆地中—下寒武統(tǒng)膏鹽巖巖石學特征Fig.1 Mineral characteristics of Lower to Middle Cambrian gypsum-salt rocks, Tarim Basin

塔里木盆地鉆揭寒武系的探井有限，已鉆揭膏鹽巖地層的巖相為泥巖、泥灰?guī)r與石膏、鹽巖薄互層(楚探1井)，紫紅色含膏泥巖夾薄層石膏、鹽巖(舒探1井)，連續(xù)中—厚層狀膏鹽巖夾薄層含膏泥巖、灰質(zhì)泥巖、薄層含膏白云巖(和田1井)等類型。對巴探5井吾松格爾組、阿瓦塔格組巖心觀察，可見大段塊狀灰白色、淺紫紅色鹽巖，舔之有咸味。瑪北1井沙依里克組巖心可見多處膏溶云質(zhì)灰?guī)r，大量發(fā)育膏溶孔縫洞結(jié)構(gòu)和交錯層理、波狀層理等(圖1，圖2)。

1.2 測井特征

膏鹽巖層段的巖石組合類型決定了其特殊測井響應?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn)，石膏層表現(xiàn)為“中—高幅波動的中—低值自然伽馬、中—高幅波動的中—高值電阻率、低聲波時差”測井響應。鹽巖層表現(xiàn)為“中—高幅波動的低伽馬、中—高幅波動高值電阻率、高值聲波時差”測井響應(圖2)。

1.3 地震特征

由于膏鹽巖地層與圍巖存在較明顯的波阻抗差異，盡管存在地區(qū)因素，但膏鹽巖地層多以強振幅、中—高連續(xù)地震相和規(guī)模發(fā)育鹽相關(guān)滑脫構(gòu)造為主要識別標志。

圖2 塔里木盆地巴探5井下寒武統(tǒng)吾松格爾組巖心素描圖版Fig.2 Core sketch plate of Lower Cambrian Wusongger Formation, well BT-5, Tarim Basin

在巴麥—塔中地區(qū)，中—下寒武統(tǒng)厚層膏鹽巖表現(xiàn)為中—強振幅、中—高連續(xù)、中—低頻、平行—亞平行反射波組；常見鹽丘、鹽枕、鹽背斜、鹽席、鹽斷塊構(gòu)造，較易于識別。在塔北地區(qū)，膏鹽巖地層厚度普遍減小，地震相表現(xiàn)為強振幅、中—高連續(xù)、中—低頻、平行—亞平行反射波組。但在塔北盆緣東部見褶皺帶膏鹽巖厚度異常增大，表現(xiàn)為外部丘狀內(nèi)部雜亂斷續(xù)、疊瓦狀充填反射特征(圖3)。

1.4 縱向沉積序列

巴探5井是少有的沉積特征典型的取心井，其縱向巖石組合特征反映了吾松格爾組蒸發(fā)臺地向局限臺地演化的沉積過程。吾松格爾組下段(18回次，5 637～5 644 m，圖2)發(fā)育的深灰色泥晶白云巖(含疊層石)、砂屑泥晶白云巖含有大量灰黑色泥質(zhì)條帶，發(fā)育波狀交錯層理、平行層理，反映了水體低速交換過程，推測處于局限臺地相局限臺坪亞相的云坪、藻席、砂云坪和臺內(nèi)砂屑灘沉積環(huán)境。吾松格爾組上段(16回次，5 486～5 494 m，圖2)主體發(fā)育的厚層紅褐色鹽巖反映了炎熱蒸發(fā)氣候下海水濃縮與臺地暴露過程，而其頂部深灰色云灰?guī)r表明在炎熱蒸發(fā)階段的晚期，可能發(fā)生短暫的海平面上升事件。因此，吾松格爾組晚期處于蒸發(fā)臺地的鹽坪、膏鹽坪、泥坪沉積微相，在末期發(fā)育局限臺地灰云坪沉積微相。

2 膏鹽巖沉積特征

2.1 膏鹽巖地質(zhì)統(tǒng)計分析

全球27個大型海相含油氣盆地和341個海相碳酸鹽巖油氣田的蓋層統(tǒng)計表明，泥頁巖、致密灰?guī)r、蒸發(fā)巖是蓋層的最主要類型[6]。巴探5井蓋層評價表明，巴楚地區(qū)早奧陶世以來具備了較強的封蓋能力(強塑性膏鹽巖形成時間早于油氣聚集時間)，后期的構(gòu)造活動并未使其發(fā)生蓋層裂縫化的破壞過程[7]。塔北地區(qū)蓋層樣品突破壓力實驗表明，膏質(zhì)白云巖(含膏白云巖)、泥晶白云巖、泥晶灰?guī)r(泥灰?guī)r)、石膏、鹽巖、泥巖的平均突破壓力大于5 MPa，可作為有效區(qū)域性蓋層的優(yōu)勢巖性[11]。

基于這一認識，系統(tǒng)梳理了塔里木盆地鉆遇中—下寒武統(tǒng)膏鹽巖的探井資料。對方1井、和4井、康2井等老井進行資料復查，對新和1井、夏河1井、玉龍6井等新井資料補充完善，重點統(tǒng)計巴楚—麥蓋提構(gòu)造帶、塔中地區(qū)吾松格爾組、阿瓦塔格組膏巖、鹽巖、膏鹽巖、泥灰?guī)r、泥巖、云泥巖的巖石類型、厚度、層數(shù)和蓋地比等基礎(chǔ)信息(膏質(zhì)泥晶、粉晶白云巖可充當致密儲層，不計入)，為蓋層和膏鹽巖統(tǒng)計提供數(shù)據(jù)支撐(表1)。

結(jié)果如圖4a，4b示，有11口探井的蓋層與地層比值超過0.50，有12口探井的蓋層累計厚度超過200 m，中—下寒武統(tǒng)蓋層累計厚度從38 m至387 m，平均厚度245 m，表明區(qū)域性蓋層十分發(fā)育。其中，巴楚隆起有7口探井的膏鹽巖厚度超過200 m，中央隆起帶有11口探井的膏鹽巖厚度超過100 m，膏鹽巖平均厚度167 m，最厚達340 m方1井)，具有厚層連續(xù)發(fā)育沉積特征，數(shù)據(jù)表明中央隆起帶中—下寒武統(tǒng)具有厚層膏鹽巖發(fā)育特征。

圖3 塔里木盆地巴楚隆起中—下寒武統(tǒng)膏鹽巖地震剖面 剖面位置見圖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鹽巖蓋層厚度—巖性統(tǒng)計Table 1 Thickness and lithology of Cambrian gypsum-salt rock wells, Tarim Basin

同時，數(shù)據(jù)確認了研究區(qū)蓋層的優(yōu)勢巖性排序為：膏巖>鹽巖>泥巖>泥灰?guī)r，鹽巖分布最廣泛，石膏在厚度上有顯著優(yōu)勢(圖4c)。結(jié)合沉積演化特征發(fā)現(xiàn)，在吾松格爾組沉積早期，中央隆起帶普遍發(fā)育局限臺地相薄層云泥巖、泥灰?guī)r、膏泥巖等非優(yōu)勢巖性的蓋層。而在吾松格爾組沉積晚期和阿瓦塔格組沉積時期，受海平面下降和氣候影響，局限臺地向蒸發(fā)臺地演化，發(fā)育厚層膏鹽巖沉積，形成分布廣泛的蒸發(fā)巖—碳酸鹽巖蓋層(圖4b)。

2.2 膏鹽巖縱向沉積特征

巴楚隆起NW—SE向膏鹽巖蓋層對比格架，進一步揭示了膏鹽巖縱向沉積特征及主控因素。如圖5所示，研究區(qū)膏鹽巖蓋層主要包括4種巖相組合，分別是：(1)以鹽巖為主的石膏和鹽巖頻繁互層(和4井、楚探1井)；(2)以石膏為主的石膏和鹽巖頻繁互層(舒探1井、夏河1井)；(3)膏鹽巖夾薄層含膏或含鹽泥巖(局部夾灰云巖)；(4)含膏或含鹽泥巖夾薄層膏鹽巖(局部夾灰云巖)。巴楚隆起東西向穩(wěn)定發(fā)育4套膏鹽巖蓋層，其中2套發(fā)育在吾松格爾組，2套發(fā)育在阿瓦塔格組。

在橫向上，方1井—和4井一帶的膏鹽巖厚度最大且向兩側(cè)逐漸減??；方1井—楚探1井一帶的膏鹽巖分布連續(xù)穩(wěn)定，結(jié)合地震測線解釋推測當時聚鹽中心的主體位置在這一帶。在縱向上，阿瓦塔格組膏鹽巖累計厚度明顯大于吾松格爾組膏鹽巖累計厚度；聚鹽中心的膏鹽巖連續(xù)性強、鹽巖比例高，邊緣部位的膏鹽巖連續(xù)性差、石膏巖比例高，這種分布特征與石膏、鹽巖溶解度差異有關(guān)；對于每個完整層序，海退期對應的下旋回膏鹽巖厚度大，海侵期對應的上旋回膏鹽巖厚度小。

初步研究認為，干旱炎熱古氣候下，海平面升降直接控制了膏鹽巖沉積特征，造成聚鹽中心發(fā)育鹽巖為主體的膏鹽巖蓋層，聚鹽邊緣發(fā)育膏巖為主體的膏鹽巖蓋層。每個層序內(nèi)部，厚層膏鹽巖形成于海平面下降過程(第2，4套)，薄層膏鹽巖形成于海平面上升過程(第1，3套)。因此，干旱炎熱氣候下，海平面持續(xù)下降的晚期是最發(fā)育膏鹽巖的層段。

2.3 膏鹽巖平面展布特征

基于上述認識，編制了塔里木盆地寒武系蓋層厚度等值線圖(圖6)。圖6a表明，寒武系蓋層以“菱形環(huán)帶狀”發(fā)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，覆蓋了中央隆起帶大部及阿瓦提坳陷南部地區(qū)。其中，寒武系蓋層總厚度300 m等值線分布在同1井西南側(cè)—康2井西南側(cè)—瑪北1井東側(cè)—和田1井東側(cè)—巴東4井東北側(cè)—和4井北側(cè)—方1井北側(cè)—柯坪斷隆內(nèi)側(cè)，完整覆蓋了巴楚隆起。寒武系蓋層總厚度200 m等值線向玉龍6井和塔中西段擴展。塔北地區(qū)星火1井—新和1井的局部寒武系蓋層厚度也超過50 m。

圖4 塔里木盆地寒武系探井膏鹽巖蓋地比、膏鹽巖厚度和蓋層優(yōu)勢巖性統(tǒng)計Fig.4 Histograms of ratio of cap and stratum, thickness,and dominant lithologies of cap rocks of Cambrian gypsum-salt rock wells, Tarim Basin

圖5 塔里木盆地中—下寒武統(tǒng)膏鹽巖地層對比格架Fig.5 Stratigraphic correlation framework of Middle to Lower Cambrian gypsum-salt rocks, Tarim Basin

在寒武系蓋層厚度編制基礎(chǔ)上，結(jié)合最新鉆井、地震資料與前人認識[7-11]，細化了吾松格爾組和沙依里克組膏鹽巖類蓋層厚度等值線圖。如圖6b所示，膏鹽巖厚度300 m等值線圍繞方1井—巴楚東南側(cè)—巴探5井北側(cè)—和田1井東南側(cè)—和4井北側(cè)—順托果勒低隆于奇6井西南—阿瓦提坳陷阿參1井南側(cè)—柯坪以東形成“雙環(huán)狀”展布。膏鹽巖蓋層100 m等值線分布在同1井西南側(cè)—康2井南側(cè)—瑪北1井南側(cè)—玉龍6井南側(cè)—塔參1井西側(cè)—于奇6井北側(cè)—阿參1井南側(cè)—柯坪—舒探1井北側(cè)，以“寬廣環(huán)帶狀”覆蓋在中央隆起帶西段、阿瓦提坳陷和順托果勒低隆。膏鹽巖蓋層0線圍繞麥蓋提—玉龍6井南側(cè)—中4井東側(cè)—英買7井北側(cè)—阿參1井—舒探1井，以“寬廣圓環(huán)狀”覆蓋塔西局限臺地主體。

結(jié)合蓋層(膏鹽巖)地層比值數(shù)據(jù)和巴楚隆起解釋成果，確定了阿瓦提坳陷和巴楚隆起(膏鹽巖穩(wěn)定厚度300 m以上)極有可能是早—中寒武世海平面下降期的聚鹽中心，膏鹽巖厚度沿著這兩大聚鹽中心由內(nèi)向外逐漸減薄。具體到地區(qū)，中—下寒武統(tǒng)膏鹽巖蓋層集中發(fā)育在巴楚隆起、麥蓋提斜坡北緣、塔中地區(qū)、阿瓦提坳陷、順托果勒低隆。而小海子、夏河、和田河、瑪扎塔格構(gòu)造帶、順托果勒低隆為膏鹽巖蓋層次級發(fā)育區(qū)(膏鹽巖穩(wěn)定厚度200 m以上)。膏鹽巖的平面展布特征受控于蒸發(fā)臺地相帶范圍，表明干旱炎熱氣候下沉積相對膏鹽巖分布具有約束作用。

3 膏鹽巖沉積環(huán)境

吾松格爾組沉積時期，塔里木盆地已形成“西臺東盆”的構(gòu)造—沉積格局。伴隨早寒武世晚期海平面的持續(xù)下降，塔西臺地區(qū)發(fā)育的開闊臺地范圍不斷擴大，環(huán)滿加爾坳陷西緣的臺緣帶東遷，塔東和塔西南地區(qū)發(fā)育的陸棚相范圍減小，塔東盆地相范圍減退至塔東2井以東。與肖爾布拉克組晚期相比，吾松格爾組沉積時期的局限臺地范圍明顯變大，在盆地北緣阿克蘇—星火1井一帶發(fā)育孤立局限臺地。在局限臺地內(nèi)部，構(gòu)造高部位及障壁水體發(fā)育蒸發(fā)臺地分布在巴—麥和塔中一帶，沉積了寒武系規(guī)模最大的一套蒸發(fā)巖—碳酸鹽巖層系。

圖6 塔里木盆地中央隆起帶寒武系蓋層總厚度和膏鹽巖蓋層厚度等值線Fig.6 Total thickness of Cambrian cap rocks and thickness of gypsum-salt cap rocks in Central Uplift, Tarim Basin

阿瓦塔格組沉積時期，盆地繼承了吾松格爾組沉積相展布格局。受海平面再次下降和干旱炎熱古氣候的影響，開闊臺地分布范圍擴大，塔東和塔西南陸棚相邊界略收縮，塔東地區(qū)盆地相范圍擴大至塔東2井以西。阿瓦塔格組最大的變化是局限臺地范圍擴大，包括英買7井—中深1井—玉龍6井—康2井范圍均發(fā)育局限臺地。同時，中央隆起帶中西部地區(qū)和塔北星火1井一帶廣泛發(fā)育蒸發(fā)臺地，形成了寒武系蒸發(fā)巖—碳酸鹽巖沉積體系(圖7)。

4 膏鹽巖發(fā)育模式

對塔里木盆地中—下寒武統(tǒng)膏鹽巖沉積特征和蓋層統(tǒng)計的研究發(fā)現(xiàn)，干旱炎熱的古氣候、海平面持續(xù)下降階段與適當?shù)恼媳跅l件(臺內(nèi)及臺緣生物礁)是研究區(qū)發(fā)育大規(guī)模厚層膏鹽巖的重要背景，古氣候和海平面變化是主控因素。

蒸發(fā)巖成因模式較多，有“蒸發(fā)潟湖砂壩說”、“干化深盆說”、“深層鹵水成鹽”、“薩布哈蒸發(fā)臺地”等。陳永權(quán)等[14]對塔里木中寒武統(tǒng)泥晶白云巖分析，認為其形成于潮上帶薩布哈環(huán)境，但針對塔里木中—下寒武統(tǒng)膏鹽巖成因的討論較少。

圖7 塔里木盆地寒武系阿瓦塔格組沉積相平面圖Fig.7 Sedimentary facies of Cambrian Awatag Formation, Tarim Basin

薩布哈成因模式多指潮上帶或潮間帶干旱炎熱氣候背景下的鹽潮坪(鹽沼)環(huán)境，強調(diào)平緩海岸地貌(坡度1/1 000)和淺水位(小于1 m)及規(guī)模化蒸發(fā)巖和白云巖化的巖石學特征。考慮塔里木中寒武世沉積特征，干旱炎熱的古氣候及其驅(qū)動下的海平面變化是形成膏鹽巖的重要條件，而臺緣和臺內(nèi)的生物礁帶可能是加速形成厚層膏鹽巖的重要背景。塔里木地臺在早寒武世的緩坡碳酸鹽巖臺地背景，和晚寒武世海侵引起的臺地退積及臺地淹沒過程不利于膏鹽巖的大規(guī)模發(fā)育。而在吾松格爾組和阿瓦塔格組沉積時期，塔里木地臺處于海平面持續(xù)下降階段，塔西臺地逐漸建設(shè)成強鑲邊臺地結(jié)構(gòu)(圖8地震剖面)，進而阻擋了外部海水注入且促進了蒸發(fā)潟湖海水咸化，使局限臺地、蒸發(fā)臺地發(fā)育了區(qū)域性厚層膏鹽巖。

在干旱炎熱古氣候和海平面持續(xù)下降階段，臺內(nèi)和臺緣生物礁群的障壁作用，會加快臺地內(nèi)部坳陷帶蒸發(fā)潟湖水體的濃縮咸化，長時間在縱向上發(fā)育成厚層連續(xù)的膏鹽巖及紅層沉積(含膏泥晶、粉晶白云巖)。同時，石膏和鹽巖的溶解度差異，會使蒸發(fā)巖在平面上由內(nèi)至外形成鹽巖—石膏—紅層—泥巖的“牛眼環(huán)帶狀”沉積序列(圖8)。在干旱炎熱古氣候和海平面持續(xù)上升階段，礁體退積破壞了蒸發(fā)潟湖的障壁條件，較高的海平面也有利于臺內(nèi)海水與外海溝通。在海平面高頻上升過程中，這一沉積過程易造成鹽巖周期性溶解和泥質(zhì)晶體析出，形成膏鹽巖—暗層膏泥巖—紅層膏云巖的薄互層式沉積。這些由暗層膏泥巖組成的薄層沉積覆蓋在膏鹽巖之上，減緩了下伏膏鹽巖層的差異性溶解，在縱向上就組成了膏鹽與鹽巖及膏泥巖的互層式沉積序列(圖8)。

圖8 塔里木盆地寒武系膏鹽巖蓋層發(fā)育模式Fig.8 Genetic model of Cambrian gypsum-salt cap rocks, Tarim Basin

5 結(jié)論

(1)塔里木盆地中—下寒武統(tǒng)蓋層均厚245 m，膏鹽巖均厚167 m，這套區(qū)域性蓋層在中央隆起帶具備較強的油氣封蓋能力。吾松格爾組和阿瓦塔格組縱向發(fā)育4種巖相組合的4套膏鹽巖沉積。海退期膏鹽巖具有“內(nèi)鹽—中膏—外紅層”的“牛眼”特征；海侵期膏鹽巖具有與膏云巖、膏泥巖的互層特征。

(2)中寒武世的干旱炎熱古氣候、持續(xù)海退過程、礁體障壁條件是塔里木盆地厚層膏鹽巖形成的重要背景和有利條件。

(3)巴楚隆起、阿瓦提坳陷(膏鹽巖穩(wěn)定厚度300 m以上)極可能是塔里木中寒武世的聚鹽中心。