膏鹽脫水在鹽底辟發(fā)育過程中的作用分析——以東營凹陷為例

孫祥飛，陳 勇，王成軍，王鑫濤

(中國石油大學 (華東)地球科學與技術(shù)學院，山東青島266580)

早在1960年，特魯斯海姆就描述了鹽構(gòu)造的3個發(fā)展階段 (鹽枕、鹽底辟和后底辟階段)，指出假設表面的巖石是粘性的，發(fā)展階段都有典型的瑞利-泰勒不穩(wěn)定性作用［1］。對波斯灣盆地、墨西哥灣盆地和北海盆地的鹽構(gòu)造研究取得很多重要認識［2～5］，Vendeville等［6～7］也曾系統(tǒng)總結(jié)過世界各地鹽構(gòu)造研究成果。近年來，國內(nèi)對鹽構(gòu)造研究也越來越重視。湯良杰等［8］、賈承造等［9］對塔里木盆地進行研究，指出了其包含的多期鹽構(gòu)造和多種鹽構(gòu)造樣式;鄔光輝［10］等對塔里木盆地庫車凹陷鹽構(gòu)造進行分析，認為差異負載是庫車凹陷鹽構(gòu)造初始形成時的動力來源;劉曉峰等［11］對東營凹陷鹽構(gòu)造進行研究，指出區(qū)域伸展作用下的重力滑動作用是東營凹陷鹽-泥構(gòu)造的主導成因機制。還有一些鹽底辟構(gòu)造至今都在緩慢的抬升，例如:威克斯島鹽丘在過去的2500 a間頂部沉積物被抬高了50 m，相當于每年2 mm［12］;死海的the Mount Sedom底辟構(gòu)造，在過去的8000 a間以每年6～7 mm的速度抬高［13］;也門的Salif底辟構(gòu)造在過去的3700 a間以每年4.6 mm的速度抬升［14］。前人主要用浮力作用和差異載荷作用解釋鹽枕的抬升，不同地區(qū)的作用機制也有差異。本文以東營凹陷的鹽相關(guān)構(gòu)造為研究對象，考慮到東營凹陷中含有大量膏鹽、鹽膏、含膏泥巖和含膏砂巖等，膏鹽埋深達一定深度時會發(fā)生脫水反應，認為膏鹽脫水在鹽構(gòu)造發(fā)育中有重要作用，本文嘗試從膏鹽脫水過程分析了流體對巖鹽變形機制的影響。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

東營凹陷為渤海灣盆地濟陽坳陷中的一個次級構(gòu)造單元，東西長約90 km，南北寬約65 km，面積大約5700 km2。其周圍被凸起包圍，北有陳家莊凸起，南有魯西隆起，西為濱縣、青城凸起，東為青坨子凸起;具有北斷南超的箕狀凹陷特色，內(nèi)部發(fā)育一系列正向二級構(gòu)造帶［15～18］;中央隆起帶也處于凹陷之中 (見圖1)。其地質(zhì)構(gòu)造主要由2個同向錯位疊合的箕狀洼陷和這兩者之間的隆起帶所構(gòu)成，因此可以將盆地劃分為民豐洼陷、利津洼陷、博興洼陷、牛莊洼陷、北部陡坡帶和南部緩坡帶等二級構(gòu)造單元。本次研究的區(qū)域主要為東營凹陷北部陡坡帶 (圖1紅框內(nèi)區(qū)域)，其東起永北地區(qū)，西到濱縣凸起，北起陳家莊凸起，南到洼陷帶，面積約1500 km2。

圖1 東營凹陷構(gòu)造分區(qū)圖 (據(jù)文獻［19］，有修改)Fig.1 Structural scheme of Dongying sag

2 膏鹽巖類型及分布特征

東營凹陷的鹽巖主要分布在沙四段，孔店組也有巖鹽層出現(xiàn)。沙四段的鹽巖層主要位于東營凹陷中北部，包括中央隆起帶、民豐洼陷、利津洼陷和牛莊洼陷?？v向上主要發(fā)育在沙四下亞段，深度基本都在3500 m以下，累計厚度約900 m。膏鹽巖性類型眾多，包括膏鹽、鹽膏巖、泥膏巖、膏鹽巖、鹽巖、石膏質(zhì)泥巖、含膏泥巖、含鹽泥巖、含膏砂巖、含膏泥巖及少量膏質(zhì)白云巖和灰?guī)r［20～21］。洼陷中心以膏鹽巖和鹽巖為主，洼陷邊緣以膏巖和泥膏巖等為主。表1為部分井的膏鹽層厚度，從表中可以看出東營凹陷的鹽巖里含有大量的膏鹽。

表1 膏鹽層厚度數(shù)據(jù)表Table1 The data sheet of thickness for gypsum-salt strata

3 鹽底辟類型與變形特征

費琪等［22］根據(jù)底辟構(gòu)造核與上覆地層的接觸關(guān)系，將東營凹陷分為3種底辟構(gòu)造:微弱背斜隆起，如南部緩坡帶;低隆起背斜，如坨莊—勝利村構(gòu)造;高隆起背斜，如東營、郝家、辛鎮(zhèn)。由于高隆起背斜鹽巖變形明顯，下面重點介紹東營凹陷的高隆起背斜。

典型的高隆起背斜在東營凹陷郝家的沙四段鹽巖段 (見圖2)，可以看到，中間最厚，兩翼略薄。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生與瑞利-泰勒不穩(wěn)定性有重要關(guān)系［23］，由于熱的等離子體在磁場中會出現(xiàn)抗磁性漂移，因此在等離子體與真空的邊界上出現(xiàn)擾動時，在擾動的波峰波谷之間會出現(xiàn)電荷的積累。這種積累產(chǎn)生的電場由洛侖茲力分析可知，會使波谷加深，波峰變高，從而使等離子體的槽紋變深。由于瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的影響，鹽構(gòu)造上浮過程中，在鹽構(gòu)造頂部和槽部，鹽巖越來越厚。鹽上層變形樣式主要表現(xiàn)為斷層相關(guān)褶皺和三角帶構(gòu)造;巖層變形樣式主要表現(xiàn)為鹽枕構(gòu)造和巖層內(nèi)部復雜的褶皺構(gòu)造;鹽下層變形樣式主要表現(xiàn)為斷褶構(gòu)造和雙重構(gòu)造。在上述復雜多變的鹽相關(guān)構(gòu)造樣式中，鹽底辟構(gòu)造尤其引人注意。根據(jù)斷層是否穿過鹽巖層，本文又把高隆起背斜鹽底辟構(gòu)造分為2類。

3.1 斷層未穿型高隆起背斜

針對高隆起背斜類型，以東營凹陷郝科1井 (見圖2)為例，本區(qū)鹽巖層處于鹽底辟階段，鹽枕上拱致使上覆地層發(fā)生斷裂，形成了東營凹陷鹽-泥滾-滑脫斷層簇-滾動背斜構(gòu)造樣式。其形成初期受浮力作用、差異載荷和膏鹽等的脫水作用共同控制，本文認為膏鹽等的脫水作用為主要控制作用;后期主要受區(qū)域伸展作用控制。當水的帶動作用停止時，沒有足夠的動力支持鹽巖上升，鹽巖層就停止上拱，形成良好的密封，這很好地解釋了東營凹陷鹽巖層為什么停止上拱。鏡下觀察鹽巖樣品可以看到流體對巖鹽作用時留下的地質(zhì)證據(jù)，圖3為由于流體作用在巖鹽顆粒邊緣形成的鹽水包裹體群。對膏鹽巖樣品進行鏡下觀察，流體痕跡很常見，而流體作用有利于巖鹽變形，前人對此已有研究。Urai等［24］通過觀察晶界附近的流體膜和流體包裹體形態(tài)，發(fā)現(xiàn)了表面能驅(qū)動溶解-沉淀過程的證據(jù)。在研究變形作用的實驗中，這些流體膜可以增加晶界的流動性。非常少的鹽水便可以影響巖鹽的蠕變，在晶體周圍薄的鹽水膜可以提高動態(tài)重結(jié)晶。這些膜可以引起溶液轉(zhuǎn)移蠕變，水可以擴散氯化鈉晶格，可以影響位錯機制［24］。而少量的水也很容易在巖鹽顆粒邊緣形成流體包裹體。這些證據(jù)表明流體活動對鹽構(gòu)造的變形和演化具有重要影響。若鹽巖層僅受浮力作用影響，那無法解釋鹽巖層為什么自動停止上拱［25］。鹽巖層上覆斷層發(fā)育，構(gòu)造樣式多樣，有斷層經(jīng)過鹽巖段，但沒有穿透鹽巖層。

圖2 東營凹陷郝科1井南北向地震剖面圖Fig.2 South-north seismic cross-section of HK1 in Dongying sag

圖3 流體作用在巖鹽顆粒邊緣形成的鹽水包裹體群Fig.3 Aqueous fluid inclusions assemblage in the edge of grain because of fluid process

3.2 斷層穿過型高隆起背斜

以過東風5等井的地震剖面為例，本區(qū)鹽巖處于鹽底辟階段 (見圖4)，但卻被復雜的斷層穿過。不僅鹽上斷層發(fā)育豐富，鹽巖層本身也受復雜斷層影響，鹽巖變形顯著，鹽巖段高處和低處最厚，其他處略薄。從東風5-東風1-東風3-東風2剖面可以看出，斷層對鹽巖段的改造很大，伴隨著區(qū)域伸展作用的加強，加之重力作用影響，形成沿鹽-泥層順層切層的滑脫斷層。在滑脫斷層下盤的鹽-泥層逐漸向上運動，形成了鹽-泥滾構(gòu)造，而在上盤形成反向牽引斷裂和滾動背斜。在滑脫帶前緣，鹽-泥層由于受到滑脫斷層的牽引力，從而聚集隆升發(fā)育成鹽-泥核背斜。

圖4 東營凹陷東風5-東風1-東風3-東風2地震剖面Fag.4 Seismic cross-section of DF5-DF1-DF3-DF2 in Dongying sag

4 膏鹽脫水與鹽構(gòu)造演化

根據(jù)含鹽巖段的地震剖面圖和盆地演化史［26］，本文建立了東營凹陷沙四段鹽巖發(fā)展史模型 (見圖5)，分析了膏鹽脫水在鹽構(gòu)造發(fā)育過程的重要作用。

4.1 膏鹽脫水與超壓流體作用

在鹽巖中當流體壓力接近巖石靜壓力時，容易產(chǎn)生斷裂和水力壓裂縫［27～28］。蒸發(fā)巖中的流體壓力隨著埋深的增加會發(fā)生重要的變質(zhì)反應，例如石膏變成硬石膏，這個過程會從晶體中釋放水 (CaSO4·2H2O==CaSO4+2H2O)，可以增加38%的空隙體積 (石膏體積為74.7 cm3/mol，硬石膏為46 cm3/mol)［29］?？紫读黧w礦化度、孔隙流體壓力、鹽成分、晶粒大小和地熱梯度等因素均會影響膏鹽的脫水反應。當溫度為70～105℃時可以觀察到石膏到硬石膏的轉(zhuǎn)化［30］，地下埋深2～3 km的鹽巖層中包含的膏鹽將會脫水，其中的自由流體被擠入到一個鹽巖層外的臨時運移通道，并產(chǎn)生高壓流體，流體帶動鹽巖上涌，上涌過程中使上覆地層產(chǎn)生裂縫。同時在蒸發(fā)巖序列中光鹵石轉(zhuǎn)變成鉀鹽，導致體積變化 (KMgCl3·6H2O+4H2O→KCl+Mg2++2Cl-+10H2O)。該反應使孔隙體積增大了40%［27］，這可能會使大量的流體逃離光鹵石層。由變質(zhì)作用引起的高流體壓力可引起流體擴散膨脹，導致地層中的裂縫相互連通，增加了孔隙率［31］。Sahay等［32］指出超壓常出現(xiàn)在鹽構(gòu)造地區(qū)。數(shù)據(jù)表明東營凹陷沙四段地層水是超壓的，與鹽構(gòu)造相關(guān)的斷裂活動會導致超壓流體的幕式釋放，超壓給流體流動提供動力。

圖5 東營凹陷沙四段鹽底辟構(gòu)造演化模型圖Fag.5 The tectonic evolution model of salt diapir in the fourth Member of Shahejie Formation in Dongying sag

4.2 鹽構(gòu)造演化過程分析

本文初步把鹽構(gòu)造演化分為3個階段，包括發(fā)展初期A、發(fā)展中期B和穩(wěn)定期C，分別表述如下:

發(fā)展初期A，黑色段代表沙四段 (見圖5)，結(jié)合東營凹陷構(gòu)造演化史分析［26］，沙四段底層埋深到2 km的時候距今約40 Ma左右，地層溫度約為80℃，在該條件下膏鹽容易發(fā)生脫水作用。發(fā)展初期膏鹽巖受浮力作用、差異載荷和膏鹽等的脫水作用共同控制鹽巖段的上升，構(gòu)造活動對鹽構(gòu)造幾乎沒有影響，超壓流體帶動鹽類物質(zhì)向上運動。差異載荷作用可以在巖鹽早期階段引起鹽運動，上覆地層比巖鹽密度大，一旦瑞利-泰勒不穩(wěn)定開始，鹽枕將持續(xù)上升直到它們上面的地層都被剝蝕掉，而現(xiàn)實是鹽枕上升過程中自發(fā)停止抬升，這個矛盾證實現(xiàn)在存在的枕狀構(gòu)造形成不是簡單的由于浮力作用。

從錄井資料可以得知，沙四段鹽巖含有大量的膏鹽，如石膏變成硬石膏，這個過程會從晶體中釋放水，還有其他導致地層體積變小的化學反應，都會導致地層的脫水作用，如在蒸發(fā)巖序列中光鹵石轉(zhuǎn)變成鉀鹽，導致體積變化，這個反應使孔隙體積增大了40%［27］，這可能會使大量的超壓流體帶著鹽類物質(zhì)上涌。

發(fā)展中期B，繼續(xù)受浮力、差異載荷和脫水等作用影響，鹽枕持續(xù)上升，發(fā)育成鹽底辟構(gòu)造。在該階段鹽巖上升過程中，受瑞利-泰勒不穩(wěn)定性影響，鹽巖段頂?shù)缀?，兩翼薄?3～34］，同時鹽巖的上升引起上覆地層發(fā)生斷裂。在該階段末期由于斷裂使得超壓得以釋放，同時水壓力裂縫愈合，沒有足夠的動力支持鹽巖繼續(xù)上升，最終形成一系列的鹽背斜和向斜。

穩(wěn)定期C，即目前看到的沙四段鹽構(gòu)造，在本階段鹽巖層也停止上升，幾乎沒有浮力和差異載荷作用。發(fā)展中期以后是構(gòu)造活動對鹽枕的改造時期，區(qū)域伸展作用下的重力滑動作用是東營凹陷鹽-泥構(gòu)造的主導成因機制。根據(jù)巖石力學研究成果進行的物理模擬實驗［6～7］證實，與浮力作用、擠壓作用和刺穿作用相比，伸展作用和下沉形成作用對鹽構(gòu)造的演化具有更重要的影響。

5 結(jié)論

本文基于巖心觀察、地震和錄井等資料，結(jié)合膏鹽脫水特征，對東營凹陷鹽底辟構(gòu)造演化發(fā)展過程進行了分析。

本區(qū)膏鹽巖處于鹽底辟階段，鹽巖變形顯著，通過鏡下觀察鹽巖樣品，可發(fā)現(xiàn)流體作用痕跡，這說明在鹽構(gòu)造發(fā)育過程中，流體活動對其有重要影響。

東營凹陷沙四段鹽底辟構(gòu)造在發(fā)展初期受浮力作用，差異載荷和脫水作用共同控制鹽巖段的上升，尤其是脫水作用起主要作用。由于膏鹽等的脫水反應，產(chǎn)生超壓流體帶動鹽巖上涌，并使上覆地層產(chǎn)生水力壓裂縫。發(fā)展中期在巖鹽段上浮過程中受到瑞利-泰勒不穩(wěn)定性影響，鹽巖段頂?shù)缀駜梢肀?在此階段末期超壓得以釋放，同時水壓力裂縫愈合，沒有足夠的動力支持鹽巖段繼續(xù)上升，最終形成一系列的鹽背斜和向斜。發(fā)展中期以后，膏鹽巖停止上浮，在此階段構(gòu)造活動起到重要作用。

由于流體容易導致巖鹽溶解和變形，有關(guān)膏鹽脫水和流體作用下的鹽構(gòu)造演化機制還需要深入研究。

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