東營(yíng)凹陷沙四下鹽湖相沉積序列

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(guó)石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島266580；2.中國(guó)石化勝利地質(zhì)科學(xué)研究院,山東東營(yíng)257061；3.山東省油藏地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266580；4.中國(guó)石化勝利西部研究中心,山東東營(yíng)257061；5.中國(guó)石化勝利油田東辛采油廠,山東東營(yíng)257061)

對(duì)石膏、石鹽的沉積成因國(guó)內(nèi)外學(xué)者做過大量研究[1-7],目前大部分學(xué)者認(rèn)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(duì)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(jiǎn)稱膏鹽層)以下地層已經(jīng)取得了一定的勘探成果和認(rèn)識(shí)[9-11],但膏鹽層內(nèi)部勘探程度和認(rèn)識(shí)較低。前人對(duì)東營(yíng)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(duì)膏鹽層的沉積序列和對(duì)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(cè)井資料,依據(jù)沉積學(xué)理論和馬爾科夫鏈相序研究方法[16],研究東營(yíng)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(jī)制,提出東營(yíng)凹陷不同構(gòu)造帶間沙四下膏鹽層的地層對(duì)比模式,為東營(yíng)凹陷沙四下膏鹽層地層對(duì)比和儲(chǔ)層預(yù)測(cè)提供指導(dǎo)。

1 區(qū)域概況

東營(yíng)凹陷位于濟(jì)陽坳陷南部,東部由牛莊、民豐2個(gè)生油洼陷及北部陡坡帶、中央隆起帶和南部斜坡帶等二級(jí)構(gòu)造單元組成。沙四段沉積時(shí)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(shí)期,東營(yíng)凹陷東部主要由北部陡坡帶、民豐洼陷和南部斜坡帶3個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元組成,盆地整體為北斷南超的半地塹構(gòu)造形態(tài)。東營(yíng)凹陷沙四下沉積時(shí)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(zhuǎn)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(shí)期長(zhǎng)期基準(zhǔn)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(zhǔn)面相對(duì)較低且有一定水體的區(qū)域(圖1)。

圖1 東營(yíng)凹陷東部地質(zhì)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(yíng)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(gòu)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(gòu)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(yíng)凹陷中央隆起帶在沙四下沉積時(shí)期尚未形成,仍屬南部緩坡帶的部分[17]。該構(gòu)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(xì)砂巖為主,泥巖顏色由紫紅色轉(zhuǎn)變?yōu)榛疑?。砂巖粒度累計(jì)概率曲線以兩段式為主,牽引流沉積構(gòu)造豐富,發(fā)育沙紋層理、波狀交錯(cuò)層理和水平層理等,也見重荷模、遞變層理等沉積構(gòu)造,砂泥薄互層中發(fā)育生物擾動(dòng)構(gòu)造(表1)。

綜上所述,第三套膏鹽層沉積時(shí)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(rùn),第二套膏鹽層沉積時(shí)期灰色泥巖占據(jù)范圍向南擴(kuò)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?yàn)I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(shí)期,湖盆水體明顯擴(kuò)大,紫紅色泥巖范圍向南縮退,濱淺湖占據(jù)范圍向南擴(kuò)展,此時(shí)中央隆起帶主要以濱淺湖相沉積為主(圖2)。

表1 東營(yíng)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(jī)制

2.2.1 沉積特征

F2井等巖心資料揭示,東營(yíng)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(zhì)石膏和泥質(zhì)石膏等。石鹽中常夾有薄層的灰色泥質(zhì)或灰色粉砂質(zhì)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(diǎn)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(xué)巖沉積,主要發(fā)育在基準(zhǔn)面相對(duì)低的沉積時(shí)期(圖3)。中央隆起帶在沙四下沉積時(shí)期屬南部緩坡,也存在大量的化學(xué)巖沉積,其代表是H1井,其巖心揭示中央隆起帶化學(xué)巖以石鹽和石膏沉積為主,同時(shí)有一定量的泥質(zhì)石膏和泥質(zhì)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(duì)較高、有一定水體深度的第一套膏鹽層內(nèi),分布在基準(zhǔn)面相對(duì)較低時(shí)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(yīng)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(kuò)展而不斷向南擴(kuò)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(nèi)最為發(fā)育,在第三套膏鹽層內(nèi)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(yíng)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(yíng)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(jī)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(yīng)屬同一沉積時(shí)期不同環(huán)境下的沉積產(chǎn)物。

東營(yíng)凹陷沙四下沉積時(shí)期為半干旱氣候[13-15],湖水具一定鹽度,這可從3個(gè)方面得到證實(shí)：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(zhì)和鹽質(zhì)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(qiáng),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?dāng)y帶碎屑沉積物有限,湖水較為平靜而清澈,此時(shí)湖水易于鹵化。在氣候相對(duì)濕潤(rùn)的季節(jié),湖平面相對(duì)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(dá)到CaSO4和NaCl的飽和溶解度,開始有細(xì)小的鹽類晶體析出,當(dāng)結(jié)晶到一定程度時(shí),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(shí)就已經(jīng)達(dá)到湖底,部分晶體沉積下來,深水區(qū)晶體在還沒有達(dá)到湖底時(shí)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(yùn)動(dòng),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(dòng)性,流動(dòng)方向?yàn)檠刂仔逼掠蓽\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(nèi)析出的石鹽和石膏晶體可以直接在湖底沉積下來,可同時(shí)在淺水區(qū)和深水區(qū)沉積石鹽和石膏。

圖4 東營(yíng)凹陷沙四下膏鹽巖形成機(jī)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(rùn),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?dāng)y帶大量碎屑沉積物的注入使湖水較為動(dòng)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(shí)期主要沉積碎屑巖。在深水區(qū),干旱低湖平面時(shí)期沉積下來的石膏和石鹽被該時(shí)期的泥質(zhì)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(shí)期沉積的石鹽由于湖水動(dòng)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(qiáng),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(shí)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(yíng)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(duì)較低時(shí)期,從濱淺湖一直到湖盆中心,其沉積范圍隨湖盆水體的擴(kuò)展而相應(yīng)擴(kuò)展。這正是東營(yíng)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(shí)也證實(shí)石膏、石鹽主要發(fā)育在低湖平面時(shí)期。

3 沉積序列特征及對(duì)比

3.1 沉積序列特征

(1)北部陡坡帶：利用F2和L97等東營(yíng)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(jié)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(jié)束。3種沉積序列顏色為深灰—黑的還原色調(diào),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(diào)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(jié)束,主要發(fā)育在湖盆范圍相對(duì)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(shí)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(duì)應(yīng),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(duì)比

在上述研究的基礎(chǔ)上按照層序地層學(xué)的旋回對(duì)比原則,同時(shí)考慮沉積相序,建立了東營(yíng)凹陷沙四下鹽湖相的沉積序列對(duì)比模式(表2),借此指導(dǎo)膏鹽層內(nèi)部次級(jí)旋回的劃分和對(duì)比(圖5)。首先根據(jù)基準(zhǔn)面旋回進(jìn)行等時(shí)對(duì)比,在基準(zhǔn)面旋回對(duì)比框架下進(jìn)行旋回內(nèi)部的巖相對(duì)比。

第一套膏鹽層的巖相對(duì)比基本可以化學(xué)巖對(duì)化學(xué)巖,碎屑巖對(duì)碎屑巖,化學(xué)巖橫向上可相變?yōu)榛疑鄮r相和深灰色泥頁巖相。該時(shí)期湖盆水體大,在化學(xué)巖沉積時(shí)期,湖盆處于鹵水分層控制階段,湖水安靜、清澈,河水?dāng)y帶作用弱；在碎屑沉積時(shí)期,湖平面相對(duì)較高,河流攜帶作用強(qiáng),湖水較為動(dòng)蕩,水體相對(duì)渾濁,不利于化學(xué)巖沉積。由北部陡坡帶到南部緩坡帶化學(xué)巖相主要發(fā)育兩種側(cè)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(cè)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(shí)期湖盆水體小,在膏鹽巖沉積時(shí)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(cè)向上石鹽巖相、石膏巖相與紫紅色泥巖相之間應(yīng)存在淺水灰色泥巖相。自北部陡坡帶到南部緩坡帶化學(xué)巖主要發(fā)育一種側(cè)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(cè)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(jié) 論

(1)東營(yíng)凹陷沙四下膏鹽層沉積時(shí)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(jī)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(zhì)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(yuǎn)離物源、坡度小、水深淺,碎屑巖主要為漫湖三角洲、濱淺湖細(xì)粒砂質(zhì)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(yíng)凹陷沙四下膏鹽層沉積時(shí)期,由于沉積環(huán)境、成因機(jī)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(zhì)巖沉積結(jié)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?qū)Ρ确绞蕉鄻?第一套膏鹽層存在4種對(duì)比模式,第二和第三套膏鹽層存在2種對(duì)比模式。

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