庫車坳陷膏鹽形成機(jī)理及其對油氣生成的催化效應(yīng)

孫寧富，郭鳳霞

（山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266590）

庫車坳陷膏鹽形成機(jī)理及其對油氣生成的催化效應(yīng)

孫寧富，郭鳳霞

（山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266590）

摘 要：庫車坳陷膏鹽形成是蒸發(fā)成因和深部鹵水成因共同作用的結(jié)果。不僅膏鹽的存在有助于有機(jī)質(zhì)的富集和保存及后期的演化，而且膏鹽形成過程對儲集層及運(yùn)移通道的發(fā)育也具有良好的改造作用。通過分析膏鹽的化學(xué)組成及形成過程，明確了油氣與膏鹽的伴生關(guān)系，對于分析含鹽地區(qū)油氣催化與成藏具有重要意義。

關(guān)鍵詞：膏鹽；形成機(jī)理；油氣催化；庫車坳陷

The Formation Mechanism of Gypsiferous Salt and Its Catalytic Effect on Hydrocarbon Generation in Kuqa Depression

SUN Ningfu, GUO Fengxia

（College of Earth Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China）

Abstract:The formation of gypsiferous salt is the outcome of evaporation and deep brine in Kuqa depression. The existence of gypsiferous salt can help the enrichment, preservation and final evolution of organism. In addition, the formation process of gypsiferous salt can modify greatly the development of reservoir and migration pathway. Through analysis of the chemical composition and the formation process of gypsiferous salt, the associate relationship between hydrocarbon and gypsiferous salt has been made clear, which is significant to analyze the catalytic effect on hydrocarbon and reservoir forming in gypsiferous salt area.

Keywords:gypsiferous salt; formation mechanism; catalytic effect to formation of oil and gas; Kuqa Depression

膏鹽層的發(fā)育與分布與大部分大型油氣田密切相關(guān)[1-3]。統(tǒng)計表明：在世界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的100多個大型油氣田中，有超過一半的油氣田分布在含鹽盆地中，例如墨西哥灣、波斯灣以及中國的塔里木等大型盆地。大部分學(xué)者研究的是膏鹽形成之后穩(wěn)定期與油氣的運(yùn)聚與成藏關(guān)系[4,5]，包括對儲層的影響、對運(yùn)移通道的影響、對油氣聚集的影響等，但是對于膏鹽成巖過程與油氣演化的關(guān)系則研究較少。筆者認(rèn)為，既然油氣田的分布與膏鹽呈現(xiàn)共生的關(guān)系，那么膏鹽的形成過程必然與烴源巖的發(fā)育及演化存在某些必然的聯(lián)系，本文通過膏鹽形成的根本入手，以庫車坳陷典型巨厚膏鹽為分析對象，探討膏鹽與油氣生成的相關(guān)關(guān)系。

1　膏鹽的形成機(jī)理研究

對于膏鹽或膏泥巖的形成，目前存在大體兩種理論：蒸發(fā)成因和深部鹵水成因。前者氣候變化起著重要作用，呈現(xiàn)分布較為廣泛，厚度較小的特點(diǎn)。而后者往往形成巨厚鹽相沉積，是后期鹽構(gòu)造變化的主要物質(zhì)來源。

1.1 蒸發(fā)成因類型

蒸發(fā)成因是在蒸發(fā)量大于補(bǔ)給量的條件下，在一定地質(zhì)歷史時期內(nèi)蒸發(fā)而成。根據(jù)沉積環(huán)境可分為湖相沉積和海相潮坪沉積，根據(jù)膏鹽類型

又可分為硫酸鹽型和氯化物型。部分學(xué)者認(rèn)為膏鹽具備蒸發(fā)巖類的大部分特征，膏鹽是在古海水或陸源水入侵后，構(gòu)造運(yùn)動形成封閉半封閉的鹽湖環(huán)境，加之古氣候的干旱強(qiáng)烈蒸發(fā)所致[6]，因此沉積環(huán)境就決定了膏鹽的化學(xué)組成、內(nèi)含有機(jī)質(zhì)類型、旋回特征以及產(chǎn)狀。古海侵之后的海水因局部構(gòu)造分割和大氣降水等陸源水的補(bǔ)給在持續(xù)的干旱條件下，水體濃縮析出成巖，具體過程大體分為三個階段：一是沉積初期，即碳酸鹽階段，水中大量碳酸根離子發(fā)生水解，表達(dá)式為CO2-3+H2O→OH-+HCO3-。圖1為蒸發(fā)成因示意圖。

圖1　蒸發(fā)成因示意圖

隨著水解反應(yīng)的進(jìn)行，水體以堿性為主，OH-與Mg、Fe等金屬離子形成沉淀，水解產(chǎn)生大量的H+阻止了金屬離子的水解效應(yīng)；相反，蒸發(fā)作用的不斷進(jìn)行導(dǎo)致水體礦化度不斷提高，硫酸根離子與金屬離子進(jìn)行離子締結(jié)[7]，導(dǎo)致pH值開始降低，硫酸鹽濃度不斷增大，此時pH值在7～8左右，進(jìn)入了沉積中期，即硫酸鹽階段；三是氯化物階段，蒸發(fā)的不斷進(jìn)行，溶解度最大的氯化物固相析出，此時pH值達(dá)到5～7左右。在整個蒸發(fā)固相析出過程中，溫度只是維持蒸發(fā)進(jìn)行的輔助因素，酸堿度才是控制固相析出的關(guān)鍵控制因素。在這個過程中，如果有其他成分的溶液注入，會由于能量的改變、以及化學(xué)物質(zhì)相互作用，出現(xiàn)兌鹵成鹽效應(yīng)[8]，這部分溶液可能由于環(huán)境的改變引起的溶液成分變化，也可能深部鹵水巖深大斷裂混入等。

1.2 深部鹵水成因

張景廉等[9]對蒸發(fā)成因提出了質(zhì)疑，從成鹽期氣候、熱液礦物、巖鹽相、形成溫度等方面分析了巨厚膏鹽層是深部鹵水成因的事實。不同鹵水混合導(dǎo)致溶液的熵體系發(fā)生變化，進(jìn)而析出新的固相組分，這個過程在成鹽反應(yīng)中表現(xiàn)最為明顯。劉成林等[10]通過對新疆羅布泊地區(qū)的鹽湖研究，肯定了兌鹵成鹽的可能性，大孔徑空洞的存在和分布較廣，以及環(huán)狀展布的膏鹽特征是此種假說成立的證據(jù)。地幔熱流沿著深大斷裂向上運(yùn)移，在薩勃哈環(huán)境的前提下，深部流體或地表其他鹵水與地表溶液混合，由于能量變化導(dǎo)致熵體系的改變以及交代作用的進(jìn)行，在雙相效應(yīng)的影響下，膏鹽沉淀加速進(jìn)行，并在較短的地質(zhì)歷史時期內(nèi)形成巨厚的膏鹽層。細(xì)菌的還原作用也是這個過程進(jìn)行不可忽視的一個因素。在整個化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行過程中，豐富的離子來源和化學(xué)反應(yīng)的副產(chǎn)物最終使游離的化學(xué)離子或離子團(tuán)在沉淀優(yōu)先的機(jī)理中穩(wěn)定下來，多余的水分通過蒸發(fā)和地面滲透等方式散失掉。其酸性的熱溶液滲流到地下，對成巖作用的進(jìn)行和后期孔隙度的改善，以及在下伏地層的不整合部位改善后期油氣運(yùn)移的通道都有重要的作用。

1.3 庫車坳陷地區(qū)膏鹽分布特征及成因分析

該區(qū)主要發(fā)育古近系庫姆格列木群和新近系吉迪克組2套膏鹽層[11]，古近系庫姆格列木群膏鹽層主要分布于庫車拗陷的中西部，根據(jù)化學(xué)組成的偏向性又可以劃分為鹽巖、硬石膏巖、膏質(zhì)泥巖、白云巖等組成，厚度最大可達(dá)1 000 m，局部因鹽的流動增厚到3 000 m[12]。新近系吉迪克組膏鹽層主要分布于坳陷東部，巖性因壓實的差異性又分為中厚層狀膏巖、膏泥巖夾薄層粉砂巖，厚度可大于1 000 m，是東部主要的區(qū)域蓋層；西部部分與庫姆格列木群膏鹽層相重合并逐漸尖滅（圖2）。兩套鹽層分布廣大，成為控制油氣富集的關(guān)鍵因素，下面從物源、古環(huán)境和構(gòu)造等方面分析其成因過程。

1.3.1 物源

古近紀(jì)早期庫車坳陷西部地區(qū)間斷性海侵和強(qiáng)烈蒸發(fā)環(huán)境使得水體鹽度較高，并為膏鹽巖的形成提供大量的金屬離子來源[13]，根據(jù)對古近系沉積相的分析，主要物源來自于南天山和溫宿凸起的強(qiáng)烈抬升剝蝕。另外，在塔里木盆地板塊在向天山內(nèi)部俯沖過程中，巨大的擠壓力產(chǎn)生多條切斷基底的縱深斷裂，張博等[14]對該區(qū)內(nèi)核雜巖分布進(jìn)行了研究，因核雜巖的形成與地幔熱流沿深大斷裂向地表漫溢有關(guān)，從而證實了深大斷裂的存在并且影響到膏鹽的分布。因庫車坳陷地區(qū)

核雜巖主要為元古界變質(zhì)巖[3]，通過圖2和圖3的對比可以看出，核雜巖分布與膏鹽分布的一致性，并且膏鹽分布巨厚地區(qū)與元古界出露變質(zhì)巖以及三個生油凹陷的分布是完全一致。由此可以證實，物源不僅來自海侵帶來的大量金屬離子，天山與溫宿凸起提供大量膏鹽形成介質(zhì)，而且深大斷裂帶來的熱液與瀉湖蒸發(fā)鹵液相互作用，是膏鹽形成的主要物源所在。

圖2　膏鹽分布圖

圖3　庫車坳陷變質(zhì)核雜巖平面分布

1.3.2 古環(huán)境

通過露頭和測井資料，在古近系發(fā)育沖積扇，扇三角洲沉積，是重要的瀉湖補(bǔ)給源，另外在新近紀(jì)吉迪克組垂向上發(fā)育多個水進(jìn)水退序列[15]，是離子源的重要補(bǔ)給。而進(jìn)入第三紀(jì)，塔里木盆地整體及鄰區(qū)呈現(xiàn)干熱氣候并持續(xù)至吉迪克期，強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用、海水間歇性補(bǔ)給、陸源剝蝕物的持續(xù)供給是這段時期沉積的主要特征。根據(jù)古近系孢粉化石所反映的自然環(huán)境表明氣候以半干旱—干旱的熱帶或亞熱帶為主，蒸發(fā)作用強(qiáng)烈[16]。

1.3.3 構(gòu)造作用

膏鹽形成期受到外部構(gòu)造和鹽內(nèi)部構(gòu)造雙重作用的影響。膏鹽形成初期，強(qiáng)烈的構(gòu)造作用是導(dǎo)致多期海侵，北緣天山抬升剝蝕以及強(qiáng)烈的擠壓伴隨著縱深斷裂的發(fā)育。后期，隨著巖鹽埋深，逐漸軟化而達(dá)到極強(qiáng)的流動性，水的存在會加大鹽的蠕變速率，流動性使巖鹽不斷加厚，對烴源巖的演化起到重要作用。因此，構(gòu)造作用雙重性伴隨著巖鹽影響烴源巖演化的整個過程。

2　膏鹽形成與油氣催化效應(yīng)

2.1 膏鹽與油氣的伴生關(guān)系

林九皓[17]研究東部含油氣區(qū)生油巖全烴色譜資料發(fā)現(xiàn)，在膏鹽發(fā)育地區(qū)，生油巖中正構(gòu)烷烴和類異戊二烯烷烴組合為正烷烴偶碳優(yōu)勢和植烷優(yōu)勢組合，其特征是OEP值小于1，Pr/Ph比值小于1，但在膏鹽層不發(fā)育地區(qū)，其組合形式與前面

組合截然不同。劉景東[18]通過研究東濮凹陷蒸發(fā)巖地層與有機(jī)質(zhì)分布的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)膏鹽發(fā)育地區(qū)相對膏鹽欠發(fā)育地區(qū)有機(jī)質(zhì)豐度高。對于無機(jī)成因的油氣，膏鹽分布與幔源成烴共生。由此可見，在膏鹽發(fā)育地區(qū)的油氣資源量及油氣化學(xué)特征都與膏鹽欠發(fā)育地區(qū)都有明顯不同。綜合分析認(rèn)為，伴生機(jī)理主要在于：（1）膏鹽層內(nèi)黏土礦物豐富，對有機(jī)質(zhì)演化起到良好的催化作用；（2）膏鹽層的高導(dǎo)熱率導(dǎo)致附近烴源巖的演化受到抑制，有利于有機(jī)質(zhì)的保存；（3）由于膏鹽層的熱導(dǎo)性，導(dǎo)致邊緣地層與附近地層的溫差加大，溫差產(chǎn)生的熱流效應(yīng)有利于有機(jī)質(zhì)向低溫地區(qū)相對富集。因此在膏鹽發(fā)育的地區(qū)，烴源巖的富集發(fā)育及油氣的后期演化都與膏鹽的位置有著良好的伴生關(guān)系。

2.2 膏鹽形成對烴源巖演化的催化與影響

劉紹文等[19]對塔里木盆地的膏鹽樣品進(jìn)行熱導(dǎo)率的測定，發(fā)現(xiàn)膏鹽熱導(dǎo)率為普通泥質(zhì)巖的2～3倍，因此其優(yōu)異導(dǎo)熱性能對盆地地溫場及烴源巖有機(jī)質(zhì)熱演化產(chǎn)生重要影響。石膏和硬石膏都是硫酸鹽礦物，在80℃時開始失水轉(zhuǎn)化成硬石膏，每升石膏脫水將釋放出0.486 L的自由水，有利于黏土礦物對有機(jī)質(zhì)的催化作用。趙桂瑜[20]在研究礦質(zhì)金屬元素對黏土礦物的催化作用時，發(fā)現(xiàn)加入硫酸鈣時所得到的催化產(chǎn)物產(chǎn)量增加，具有較強(qiáng)的催化作用。對于膏鹽層覆蓋的烴源巖及下伏儲層，由于地層水的流動將膏鹽內(nèi)大量的金屬離子帶入烴源巖內(nèi)，也將有助于有機(jī)質(zhì)的催化及后期油氣的演化。孫錫文[21]研究地層水的礦化關(guān)系，同樣證明膏鹽對深部地層金屬離子不可忽略的影響。

庫車坳陷地區(qū)膏鹽分布范圍很廣，通過對該區(qū)的膏鹽樣品分析發(fā)現(xiàn)，硫酸鈣和硫酸鎂為主要成分，伴隨著大量的鉀鹽和鈉鹽。而本區(qū)黏土礦物成分伊/蒙混層占主要成分，由此可見，此時該區(qū)處于油氣生成階段。根據(jù)黏土礦物的組合特點(diǎn)，可以判定盆地濃縮程度。

綜合分析認(rèn)為，膏鹽層的發(fā)育不僅體現(xiàn)在有利于儲層的發(fā)育和防止油氣逸散方面以及對高壓的協(xié)助作用，還體現(xiàn)在有機(jī)地球化學(xué)方面。主要表現(xiàn)為：（1）礦質(zhì)金屬離子的運(yùn)移至烴源巖層，作為電子傳遞的載體有利于催化反應(yīng)的進(jìn)行；（2）膏鹽獨(dú)特的物性封閉和可塑性協(xié)助產(chǎn)生高壓效應(yīng)，超壓存在影響烴源巖的演化和油氣的生成。正是因為膏鹽這種獨(dú)特的化學(xué)組成及物理特性產(chǎn)生的后續(xù)效應(yīng)，直接或間接地影響了油氣成藏的整個過程。

3　結(jié)論

（1）膏鹽發(fā)育對于有機(jī)質(zhì)的演化有重要影響，研究含鹽區(qū)油氣的生成要考慮有機(jī)質(zhì)富集區(qū)與膏鹽或膏泥巖的伴生關(guān)系。庫車坳陷地區(qū)膏鹽形成是蒸發(fā)成因和深部鹵水共同作用的結(jié)果，后期的鹽流動及構(gòu)造運(yùn)動是現(xiàn)今鹽層厚度巨大的另一個重要原因。

（2）庫車坳陷變質(zhì)核雜巖分布、三個生油凹陷及膏鹽分布巨厚位置相一致，充分說明了膏鹽形成和烴源巖分布內(nèi)在聯(lián)系以及兩者之間伴生關(guān)系。

（3）膏鹽地層黏土礦物含量豐富、礦質(zhì)金屬元素富集，協(xié)助高壓效應(yīng)有利于油氣的生成和后期的二次裂解；獨(dú)特的高導(dǎo)熱性對于有機(jī)質(zhì)的富集和保存有重要影響。

（4）膏鹽在成巖過程中產(chǎn)生大量的酸性水溶液通過滲流作用和溫差產(chǎn)生壓強(qiáng)效應(yīng)向下伏地層和側(cè)向流動，改善儲集性能、拓寬輸導(dǎo)通道意義重大。

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作者簡介：第一孫寧富，男，1988年生，山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生，主要從事油氣與地質(zhì)方面的研究工作。E-mail：fuzixianyun@sina.cn。

收稿日期：2014-05-09；改回日期：2014-07-31

文章編號：1008-2336（2015）01-0058-05

中圖分類號：P588.24；TE132.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2015.01.058