山東省東營(yíng)凹陷沙四上亞段咸化機(jī)制特征

吳 靖, 姜在興*, 錢(qián) 侃, 徐 丹

1)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院, 北京 100083; 2)中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院, 北京 102249;

3)勝利油田海洋采油廠, 山東東營(yíng) 257237

關(guān)于東營(yíng)凹陷沙河街組沉積期的咸化機(jī)制問(wèn)題早已有所研究, 而時(shí)至今日近30年仍有爭(zhēng)議, 討論促進(jìn)了相關(guān)學(xué)科(沉積學(xué)、古生物學(xué)、地球化學(xué)等)的發(fā)展。東營(yíng)凹陷僅有沙河街組四段上亞段(以下簡(jiǎn)稱(chēng)沙四上)和沙河街組三段中下亞段(以下簡(jiǎn)稱(chēng)沙三中下)兩套烴源巖, 二者形成環(huán)境不同(張林曄等,2003)。咸水沉積環(huán)境是沙四上優(yōu)質(zhì)烴源巖形成的一個(gè)重要影響因素(朱光有等, 2003)。因而該層段咸化機(jī)制的討論又具有重要的生產(chǎn)價(jià)值。

對(duì)其咸化的機(jī)制, 前人認(rèn)為主要有以下三種:1)海侵、海嘯等受海水影響的咸化。該觀點(diǎn)起始于20世紀(jì)70年代古生物界直管藻和龍介蟲(chóng)管化石的發(fā)現(xiàn)(朱浩然, 1979), 在80年代“海侵論”學(xué)者迅速擴(kuò)展到整個(gè)沉積學(xué)界, 海侵的范圍也由濟(jì)陽(yáng)坳陷擴(kuò)大為中國(guó)東部的沙一段、沙三段和沙四段(戈亞生, 1985;田景春等, 1998)。2)高山深盆模式造成的咸化。比深(湖水深度與湖區(qū)面積的比)大的湖泊蒸發(fā)量小, 有助于保持較大容積的水體, 進(jìn)而接納來(lái)源于地殼深層的鹵水, 有益于形成穩(wěn)定的湖水分層, 從而有利于鹽躍層以下的高礦化度湖水不致因湖水混合而被淡化帶走, 使得湖泊咸化(孫鎮(zhèn)城等, 1997)。3)下伏巖層(沙四段中下亞段)發(fā)育有水上紅層或經(jīng)過(guò)剝蝕的白云巖化地層。這些經(jīng)過(guò)一定時(shí)間風(fēng)化剝蝕的沉積間斷面上殘留下大量的堿土金屬元素, 當(dāng)沙四上亞段水進(jìn)開(kāi)始時(shí)即可溶于湖水中, 使湖水咸化(李守軍, 1998)。

筆者認(rèn)為, 若要明確研究區(qū)的咸化機(jī)制, 需從鹽源及成鹽機(jī)制兩方面入手。總結(jié)不同地區(qū)鹽類(lèi)物質(zhì)的來(lái)源, 主要有以下五種: 1)陸源區(qū)母巖風(fēng)化導(dǎo)致的“古鹽”釋放; 2)通過(guò)深大斷裂上涌的深部鹵水;3)火山或巖漿活動(dòng)帶來(lái)的鹽類(lèi)物質(zhì); 4)來(lái)自海水入侵或殘留海水; 5)天然水熱溶液(溫、熱、沸泉水)循環(huán)(孫鎮(zhèn)城等, 1997)。關(guān)于成鹽機(jī)制上, 蒸發(fā)巖的形成主要有以下兩種: 1)蒸發(fā)成鹽, 主要受氣候控制;2)兌鹵成鹽, 不同濃度、組分的鹵水混合后, 會(huì)有相應(yīng)新的固相析出(李秉孝, 1990)。另有生物成鹽, 具體包括: 1)生物經(jīng)光合作用, 利用水體中 CO2和HCO3–中的C, 使水溶液的 pH值提高從而引起碳酸鹽的沉積; 2)生物分泌粘液, 捕獲碳酸鹽巖顆粒形成碳酸巖鹽; 3)生物體鈣化, 形成生物鈣質(zhì)骨架(Reid et al., 2006; Hallam et al., 2004; Peckmann et al., 2005)。

東營(yíng)凹陷作為渤海灣盆地中的一個(gè)三級(jí)構(gòu)造單元, 是在中、古生界基巖古地形背景上經(jīng)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)育起來(lái)的中、新生代斷陷-坳陷湖盆(圖 1)。孢粉數(shù)據(jù)顯示, 研究區(qū)總體受溫暖潮濕的氣候影響。有機(jī)質(zhì)豐度變化范圍較大, 自 0.15%至 13%不等。古鹽度在22‰～32‰之間, 平均值為31‰(李成鳳等,1988), 屬咸化湖泊。其縱向上的演化具明顯的階段性特征。根據(jù)鹽度特征可分為: 早期鹽度異常高值段及中后期鹽度穩(wěn)定低值段(圖2)。

1 咸化背景下的沉積特征

湖水的咸化對(duì)沉積物(巖石、礦物、鹽類(lèi)演化序列等)、古生物(種類(lèi)、數(shù)量、組合等)、地球化學(xué)(有機(jī)地球化學(xué)、無(wú)機(jī)地球化學(xué))等方面都產(chǎn)生一定的影響。因而可主要從這些方面對(duì)咸化環(huán)境的響應(yīng)上來(lái)分析鹽源及成鹽機(jī)制, 從而探討其咸化機(jī)制。

1.1 沉積物

1.1.1巖石

(1)白云巖

本次研究發(fā)現(xiàn), 沙四上亞段早期, 伴隨著四個(gè)鹽度異常高值點(diǎn)(Sr/Ba、MgO/Al2O3曲線高值異常點(diǎn))的出現(xiàn), Mg含量亦出現(xiàn)了四個(gè)異常高值點(diǎn), 同白云巖含量的變化趨勢(shì)相同(圖2)。對(duì)于此現(xiàn)象, 單純的依靠陸相鹽源及淡水輸入減小、氣候干旱等成鹽機(jī)制并不能作出合理的解釋。另?yè)?jù)構(gòu)造特征表明,XX井(圖1)所在地區(qū)并不受斷層影響, 鹵水供給的可能性較小。從而可推測(cè)為海水侵入提供物質(zhì)基礎(chǔ)(Mg2+)、介質(zhì)基礎(chǔ)(高鹽度), 配以本區(qū)適宜的還原、溫暖、堿性的環(huán)境條件, 形成大量白云巖。白云巖產(chǎn)出層位與鹽度高值點(diǎn)(疑似海侵發(fā)生層位)呈一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

(2)礁灰?guī)r

圖1 東營(yíng)凹陷沙四上亞段地質(zhì)概況(據(jù)田繼軍等, 2009修改)Fig.1 Geological diagram of Upper Es4 in the Dongying Sag(modified after TIAN et al., 2009)

圖2 東營(yíng)凹陷XX井沙四上亞段沉積特征綜合柱狀圖Fig.2 Composite columnar section of sedimentary characteristics of XX well in the Dongying Sag

研究區(qū)平方王地區(qū)沙四上亞段發(fā)育管狀藻礁灰?guī)r, 面積約100 km2, 最大殘余厚度49.5 m。碳酸鹽含量可高達(dá) 98%, 幾乎不含陸源碎屑, 富含有機(jī)質(zhì)和鈣、鎂離子(錢(qián)凱等, 1980)。值得注意的是, 不論是作為該地區(qū)礁灰?guī)r主要骨架生物的中華直管藻,還是次級(jí)骨架生物的多毛類(lèi)龍介蟲(chóng), 都與海相有密切關(guān)系(朱浩然, 1979)。該區(qū)礁灰?guī)r呈點(diǎn)狀分布, 海相生物數(shù)量不及海洋中的豐富等特點(diǎn)說(shuō)明該區(qū)曾受海水影響, 但規(guī)模不大。由此可推測(cè)受海嘯等事件性海水侵入的影響。

1.1.2礦物

東營(yíng)凹陷沙四上亞段中發(fā)育有原生海綠石(圖3A, B), 其周緣未見(jiàn)長(zhǎng)石、云母類(lèi)礦物及生物碎屑,因而排除湖相成因。可判斷由于海水的電解作用,使得河水帶入的鉀、鐵和鋁等物質(zhì)富集, 在鹽度高、溫和氣候及還原環(huán)境下形成海綠石(曹潔等, 2013)。濟(jì)陽(yáng)坳陷沾車(chē)凹陷沙四段上部中亦含有豐富的原生海綠石礦物(葛瑞全, 2004)。二者沉積時(shí)代相近且分布范圍相對(duì)集中。同上述礁灰?guī)r沉積特征相同, 對(duì)比分析表明, 該區(qū)曾遭受海水影響。

圖3 東營(yíng)凹陷XX井沙四上亞段團(tuán)粒狀海綠石Fig.3 Pelletoid glauconite of well XX on Upper Es4 in the Dongying Sag

1.1.3巖相組合

受海侵影響的層段內(nèi), 發(fā)育有特征性的巖相組合(李榮西等, 2005)。以XX井為例, 自膏巖結(jié)束后,在鹽度更大(鍶鋇比更高)的層段, 發(fā)育著六套巖相組合(圖4)。其中第一、三、四、五套巖相對(duì)應(yīng)于四期海侵期(其中第二套為濁流沉積, 不排除海侵時(shí),受動(dòng)蕩的水體環(huán)境影響)。每一期均對(duì)應(yīng)于高鹽度、白云巖的發(fā)育、有機(jī)質(zhì)的逐漸增加。第六套為四期海侵后造成的湖水被動(dòng)上升、高水位期沉積物, 以中、高有機(jī)質(zhì)頁(yè)狀灰?guī)r為主。

1.2 古生物

生物受水體深度、鹽度、濁度等物理化學(xué)條件影響深刻, 這些變化的信息記錄在生物個(gè)體、組合及分異度等特征上。因此, 古生物是進(jìn)行沉積環(huán)境分析的重要研究手段(林防等, 2004)。東營(yíng)凹陷的生物化石以陸相為主, 夾有海相生物。后者具體包括:多毛綱蟲(chóng)管(圖 5a)、溝鞭藻(圖 5b)、鈣藻(圖 5c)、中華直管藻(圖5d)、群體珊瑚(圖5e)、鯡超目(圖5f)等。上述海相生物中多數(shù)具有: ①屬種單調(diào); ②殼體小、殼壁薄、殼飾弱; ③種類(lèi)變異強(qiáng)、畸形個(gè)體多; ④與湖相淡水生物共生等特征(戈亞生,1985; 徐金鯉等, 1997; 袁文芳等, 2006; 朱浩然,1979; 張彌曼, 1985)。綜合以上發(fā)現(xiàn), 該區(qū)海侵規(guī)模并不大, 疑似由海嘯引發(fā)。

圖4 東營(yíng)凹陷XX井沙四上亞段早期巖相組合及海侵期次劃分Fig.4 Lithofacies array and transgressive periods of XX well in the Dongying Sag

圖5 東營(yíng)凹陷沙四上亞段海相生物特征Fig.5 Characteristics of marine biont on upper Es4 in the Dongying Sag

1.3 古遺跡

Paleodictyon屬于耕作跡的一種, 通常發(fā)育在深海區(qū)(半深海-深海)遠(yuǎn)源濁積巖的底面, 以印模形式出現(xiàn)(Seilacher, 1962)。在東營(yíng)凹陷純良地區(qū)純37、萊 109等井的沙四上亞段地層中均發(fā)現(xiàn)了Paleodictyon遺跡化石(圖 5g), 幾乎都產(chǎn)于具水平層理的深灰色鈣質(zhì)泥巖中, 發(fā)育于一個(gè)遠(yuǎn)源濁積巖系中的E段(袁文芳等, 2006)。

1.4 地球化學(xué)

1.4.1無(wú)機(jī)地球化學(xué)特征

若東營(yíng)凹陷曾遭受海水的影響, 那么水體的無(wú)機(jī)地球化學(xué)測(cè)試應(yīng)具有一定海相特征。通過(guò)各項(xiàng)測(cè)試發(fā)現(xiàn), 研究區(qū)的無(wú)機(jī)地球化學(xué)測(cè)試均符合海相環(huán)境的特征, 具體如表1所示。

1.4.2有機(jī)地球化學(xué)特征

東營(yíng)凹陷內(nèi)處于大致同一層段烴源巖的主峰碳數(shù)互不相同。在用成熟度差別不能完全解釋的情況下, 可判斷其母質(zhì)類(lèi)型為既與海生生物有聯(lián)系,又與陸生生物有關(guān)的過(guò)渡型母質(zhì)類(lèi)型。其后, 袁文芳等(2006)在研究區(qū)目的層段發(fā)現(xiàn)了豐度極高、可作為海相環(huán)境標(biāo)志物的甲藻甾烷。陸相環(huán)境中甲藻甾烷的出現(xiàn)及其相對(duì)強(qiáng)度, 可指示海侵作用的發(fā)生與強(qiáng)度(侯讀杰, 1999)。

根據(jù)上述沉積物、古生物及地球化學(xué)三方面的綜合分析, 確定了在研究區(qū)沙四上亞段曾遭受海水的影響, 但規(guī)模較小且呈期次出現(xiàn), 可初步判斷,是由海嘯引發(fā)。

1.5 海嘯的特征

1.5.1海嘯的誘發(fā)

海嘯的誘發(fā)因素中, 由地震引發(fā)的海嘯是最為常見(jiàn)的, 需要里氏震級(jí)6.5以上。東營(yíng)凹陷沙四上亞段有大量震積巖存在, 根據(jù)巖石特征及斷裂情況等估算, 震級(jí)約為7.9級(jí)(陳世悅等, 2003), 不論是出現(xiàn)的時(shí)間, 還是強(qiáng)度, 均具有誘發(fā)海嘯的可能。

1.5.2海嘯的沉積

海嘯沉積包含的物質(zhì)范圍從礫石到淤泥, 也包含有孔蟲(chóng)類(lèi)等生物異常豐富、地球化學(xué)元素的突變等。向陸方向能量減少, 沉積物減少(Nichol et a1.,2007)。若海嘯沉積單獨(dú)出現(xiàn), 識(shí)別起來(lái)可能存在一定難度(杜遠(yuǎn)生等, 2000)。由此看來(lái), 研究區(qū)的海嘯沉積因形成于單獨(dú)出現(xiàn)的海嘯沉積晚期、向陸方向的末端而難于識(shí)別, 但生物組合的異常、化學(xué)元素的突變等特征還是存在的。

1.5.3海嘯的期次

前人對(duì)海侵期次的劃分不一, 地層跨度較大(裘松余等, 1994; 田景春等, 1998; 袁文芳等,2006)。本文根據(jù)巖相組合的變化、白云巖的沉積規(guī)律及地球化學(xué)階段性突變等特征, 確定沙四上亞段為受海侵影響的其中一期并將海侵出現(xiàn)的層段具體到沙四上亞段早期, 且劃分出四個(gè)期次, 其后恢復(fù)為正常湖相沉積。

2 咸化機(jī)制分析

2.1 鹽源

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn), 研究區(qū)的鹽源主要有以下四種:(1)陸源區(qū)母巖風(fēng)化導(dǎo)致的“古鹽”釋放。組成山東各盆地四周剝蝕區(qū)的地層具有一共同特點(diǎn), 即都有鹽類(lèi)最發(fā)育的寒武、奧陶系地層分布。所以說(shuō)古鹽釋放作為鹽類(lèi)物質(zhì)來(lái)源是不容忽視的。當(dāng)鹽源為陸相時(shí), 一般是蒸發(fā)成鹽, 這就需要?dú)夂虻葪l件的配合。沙四上沉積期氣候相對(duì)溫暖濕潤(rùn), 由此判斷陸相鹽源不會(huì)是最主要的鹽源。(2)火山或巖漿活動(dòng)。與地殼深部有良好通道的古近紀(jì)盆地, 伴隨火山巖的噴發(fā), 鹽類(lèi)物質(zhì)被帶入盆地內(nèi)是完全可能的。(3)通過(guò)深大斷裂上涌的深部的鹵水。沙四上亞段研究區(qū)存在陳南斷層、博興斷層等深大斷裂, 這為深部鹵水上涌提供通道。勝北斷裂帶的地溫梯度及壓力異常、巖石礦物學(xué)異常等也證明了深部鹵水沿?cái)鄬由嫌康目陀^存在(于翠玲等, 2005)。當(dāng)鹽源為上述兩種情況時(shí), 一般需通過(guò)深大斷裂輸送, 經(jīng)兌鹵成鹽形成鹽類(lèi)。這一輸送途徑也限制了該種鹽類(lèi)的展布范圍, 即集中在大斷裂附近, 這與碳酸鹽巖在全區(qū)的廣泛分布不符。由此判斷深層鹵水及火山物質(zhì)亦不是最主要的鹽源。(4)海水侵入。由上述多方面證明, 研究區(qū)在沙四上沉積早期曾遭受四期海水影響, 雖然規(guī)模較小, 但為該區(qū)提供大量鹽類(lèi)物質(zhì),是最主要的鹽源。對(duì)其咸化影響最深刻, 是沙四上亞段早期鹽度異常最主要的原因。

表1 東營(yíng)凹陷沙四上亞段早期鹽度特征Table 1 Characteristics of salinity on the upper part of fourth member of shahejie formation in the Dongying Sag

表2 海相碳酸鹽巖與陸相碳酸鹽巖區(qū)別Table 2 Differences between marine facies and continent facies carbonate rock

2.2 成鹽機(jī)制

對(duì)于研究區(qū)的碳酸鹽巖, 筆者認(rèn)為主要有以下四種成因: (1)機(jī)械成因, 母巖風(fēng)化帶來(lái)顆粒狀碳酸鹽巖。(2)化學(xué)成因, 包括蒸發(fā)成鹽與兌鹵成鹽。(3)生物成因, 包括生物自身是鈣質(zhì), 如中華直管藻。(4)復(fù)合成因, 包括物理-化學(xué)成因與生物-化學(xué)成因。前者為水體攪動(dòng)盆地使CO2溢出, 誘發(fā)碳酸鹽沉淀。后者為生物經(jīng)新陳代謝消耗 CO2, 誘發(fā)碳酸鹽沉淀, 或生物活動(dòng)引發(fā)鈣質(zhì)加積。

2.3 咸化機(jī)制

綜合考慮看來(lái), 高山深盆、下伏巖層溶解再沉積固然是一種有利的成鹽方式, 但不適用于本區(qū)。(1)沉積物方面, 難以解釋伴隨鹽度異常出現(xiàn)的白云石; (2)古生物方面, 以空中運(yùn)送方式難以解決海相生物及碎屑的存在; (3)地球化學(xué)方面, 受限的鹽類(lèi)輸送途徑, 不能解釋區(qū)域咸化問(wèn)題; (4)氣候特征與高山深盆模式的要求不符, 且離海較近, 其影響既可行也難以避免。結(jié)合鹽源及成鹽機(jī)制發(fā)現(xiàn), 東營(yíng)凹陷沙四上亞段的咸化具有四種鹽源, 早期以海水?dāng)y帶的鹽類(lèi)物質(zhì)為主, 中后期以陸源、火山或巖漿活動(dòng)、深部鹵水共同作用為主, 具有不同鹽源分段控制的特點(diǎn); 成鹽機(jī)制共四種, 海陸相鹽類(lèi)共存,成因復(fù)雜。

3 海相碳酸鹽巖與湖相碳酸鹽巖的區(qū)分

東營(yíng)凹陷沙四上亞段為該區(qū)重要的烴源巖段,其中碳酸鹽巖沉積占有重要角色。由上述分析可知,其中海、陸相碳酸鹽巖并存。常規(guī)碳酸鹽巖的研究?jī)H局限在正常海相或陸相, 而由海水?dāng)y帶遷移至此的碳酸鹽巖該如何與陸相碳酸鹽巖區(qū)分是值得討論的。本文從其成因上著手做分析, 希望能引起同行學(xué)者們的廣泛關(guān)注與探討。

對(duì)于該區(qū)碳酸鹽巖的成因, 機(jī)械成因?qū)儆诤?。生物成因的鹽巖中, 海相生物本身若為碳酸鹽巖的, 當(dāng)屬海相, 如中華直管藻。而陸相生物及少數(shù)海相生物(如顆石藻), 經(jīng)新陳代謝及生物活動(dòng)引發(fā)的鈣質(zhì)加積, 應(yīng)屬海陸相鹽類(lèi)混合。這兩種成因的鹽巖可通過(guò)鏡下觀察來(lái)區(qū)分。而化學(xué)成因及復(fù)合成因?qū)儆诤ｊ懴帑}類(lèi)混合, 且多呈泥晶狀, 從外在形態(tài)上較難區(qū)分, 這就需要更為精細(xì)的測(cè)試分析來(lái)區(qū)別。以下對(duì)于該區(qū)可行的方法, 做簡(jiǎn)要的介紹。

3.1 元素法

研究元素豐度及變化規(guī)律, 可為沉積環(huán)境研究提供佐證(張英志等, 2006)。本文通過(guò)微量元素、溴氯系數(shù)及碳氧同位素等測(cè)試對(duì)海、陸相碳酸鹽巖進(jìn)行區(qū)別(表2)。本區(qū)微量元素的變化與海侵的發(fā)育層段對(duì)應(yīng)良好(圖2)。

3.2 陰極發(fā)光法

化學(xué)成因及復(fù)合成因的碳酸鹽巖呈泥晶狀, 遭受蝕變的程度較低。海相碳酸鹽巖保存了海水的特征而發(fā)弱光, 發(fā)光顏色向暗紅色過(guò)渡。因湖水中Mn含量相對(duì)較高, 湖相碳酸鹽巖發(fā)強(qiáng)光, 發(fā)光顏色向亮黃色過(guò)渡。由此可用該方法來(lái)區(qū)分。

4 結(jié)論

探討東營(yíng)凹陷沙四上亞段咸化機(jī)制的問(wèn)題時(shí),為避免單項(xiàng)證據(jù)的片面性及局限性, 本文從沉積物(巖石與礦物)、古生物、地球化學(xué)(無(wú)機(jī)地球化學(xué)與有機(jī)地球化學(xué))三個(gè)方面進(jìn)行了綜合分析。發(fā)現(xiàn)白云巖、海綠石及巖相組合等沉積特征與海侵存在一定的聯(lián)系。而古生物中中華直管藻等海相指標(biāo)的發(fā)現(xiàn),進(jìn)一步驗(yàn)證了海侵的猜想。各項(xiàng)地化測(cè)試亦均符合海相環(huán)境指標(biāo)。綜合判斷, 證明了在東營(yíng)凹陷古近系確實(shí)遭受過(guò)海水影響, 并將時(shí)間確定到沙四上亞段沉積早期。鑒于本區(qū)海侵沉積的特點(diǎn)發(fā)現(xiàn), 海水是由地震引發(fā)的海嘯帶來(lái), 規(guī)模不大。因形成于單獨(dú)出現(xiàn)的海嘯沉積晚期、向陸方向的末端而難于識(shí)別?；谏鲜鼋Y(jié)果分析可知, 該區(qū)具有四種鹽源,分別是母巖風(fēng)化造成的古鹽釋放、火山或巖漿活動(dòng)、深層鹵水帶來(lái)的鹽類(lèi)物質(zhì)及海水侵入。沙四上亞段早期, 以海水?dāng)y帶的鹽類(lèi)為主要鹽源, 中后期以其余三種為主。不同沉積階段, 由不同鹽源分段主控。本區(qū)共具有四種成鹽機(jī)制, 分別是機(jī)械成因、化學(xué)成因、生物成因及復(fù)合成因, 海陸相鹽類(lèi)共存, 成因復(fù)雜。針對(duì)由海水?dāng)y帶碳酸鹽巖進(jìn)入湖盆這一特殊現(xiàn)象, 本文嘗試運(yùn)用地球化學(xué)及陰極發(fā)光等方法,對(duì)海陸相碳酸鹽巖進(jìn)行區(qū)分。

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