水體環(huán)境對咸化湖盆沉積物分布的定量控制：以渤南洼陷沙四上亞段為例

劉雅利，劉鵬

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水體環(huán)境對咸化湖盆沉積物分布的定量控制：以渤南洼陷沙四上亞段為例

劉雅利，劉鵬

(中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營，257015)

咸化湖盆普遍存在著碎屑巖、碳酸鹽巖、硫酸鹽巖及氯化物共生的沉積現(xiàn)象，但多類型沉積物有序分布的機制尚不明確。渤南洼陷沙四上亞段沉積期為咸化湖盆，通過對古鹽度和古水深量化，表征其多類型沉積物的分布規(guī)律，建立咸化湖盆水體分異控制模式。研究結(jié)果表明：水體鹽度和深度耦合共同控制化學(xué)巖的分布，其中碳酸鹽巖和硫酸鹽巖分布以鹽度和水深構(gòu)成的斜線為界，碳酸鹽巖在此線上方分布，而硫酸鹽巖則主要發(fā)育在其下方，隨著鹵水濃度的增大在深部水體中還有氯化物沉積；水體深度對不同成因類型的碳酸鹽巖以及碎屑巖分布產(chǎn)生影響，15 m水深是生物成因碳酸鹽巖和化學(xué)成因碳酸鹽巖的分界線，在其上還發(fā)育砂巖灘壩，30 m水深則是扇三角洲和近岸水下扇的分界面；模式的建立對驗證沉積現(xiàn)象及預(yù)測沉積體具有參考價值。

水體分異；咸化湖盆；沉積分布；定量控制；渤南洼陷

在我國眾多的含油氣盆地中廣泛分布著咸化湖盆[1?4]，目前，關(guān)于咸化湖盆的成因有“淺水成鹽”和“深水成鹽”2種學(xué)說[5?10]，不管咸化湖盆成因如何，普遍認為在咸化湖盆中廣泛發(fā)育著多類型的沉積 物[11?12]。陸相湖盆受控于充足的陸源碎屑供應(yīng)，碎屑巖是主要的沉積物[13]；咸化湖盆中鹽類物質(zhì)的出現(xiàn)使得碳酸鹽巖沉積物也較發(fā)育[14]；隨著鹽度不斷升高，咸化湖盆中出現(xiàn)硫酸鹽沉積物，甚至?xí)霈F(xiàn)氯化物沉 積[15?16]。目前，人們對多類型沉積物共生的成因機制研究還較少，只是對構(gòu)造、地貌、物源、氣候、鹽度及水動力特征進行了研究[11?14]，對各因素如何控制基準面升降進而控制各沉積體的形成與展布進行了定性研究。構(gòu)造、地貌和水動力特征可通過水體深度反映，而氣候則可通過水體鹽度反映，因此，咸化湖盆中可通過量化水體環(huán)境來表征多類型沉積物的分布規(guī)律，并進一步建立水體環(huán)境控制沉積物分布的模式。

1 咸化湖盆沉積物特征

碳酸鹽礦物出現(xiàn)沉積標志著湖盆咸化的開始[2]。對于“淺水成鹽”學(xué)說，這期間氣候相對干旱，降水量減少，河流帶來的砂質(zhì)沉積體向盆地邊緣退縮，若這種情況持續(xù)，則湖水不斷濃縮形成硫酸鹽或氯化鹽與泥質(zhì)巖互層式的沉積；而對于“深水成鹽”學(xué)說，較大水深背景下的鹵水分層是形成硫酸鹽和氯化物的基本模式，當分層鹵水濃度達到某種鹽類的結(jié)晶濃度時，就有該種鹽類沉積[17]。2種不同成因的咸化湖盆雖然咸化過程和咸化機理存在差異，但不同成因的咸化湖盆中出現(xiàn)的沉積物類型以及沉積特征都具有相似性，其中沉積物主要為碎屑巖和碳酸鹽巖類，在鹽度較大的湖盆中還有硫酸鹽類和氯化物出現(xiàn)?，F(xiàn)以渤南洼陷沙四上亞段為例，簡要說明咸化湖盆沉積物的特征。

渤南洼陷位于濟陽坳陷沾化凹陷中部，為北斷南超的箕狀盆地。其沙四上亞段的沉積物類型主要有碎屑巖類、碳酸鹽巖類以及硫酸鹽巖類[18]，其中碎屑巖類又包括礫巖、砂礫巖、砂巖、粉沙巖及泥巖等。渤南洼陷沙四上亞段的碎屑巖主要呈裙帶狀分布在洼陷南北兩端，其中北部陡坡帶主要為近岸水下扇沉積，南部緩坡帶為扇三角洲沉積，洼陷中南部發(fā)育砂巖灘壩(圖1)；渤南洼陷沙四上亞段出現(xiàn)的碳酸鹽巖類主要包括石灰?guī)r、白云巖、生物灰?guī)r、膏質(zhì)灰?guī)r及砂質(zhì)灰?guī)r等類型，碳酸鹽巖主要發(fā)育在濱淺湖的隆起部位，呈帶狀、團塊狀展布(圖1)；硫酸鹽巖類包括石膏巖、泥膏巖、石膏質(zhì)泥巖、石膏質(zhì)白云巖、石膏質(zhì)灰?guī)r、石膏質(zhì)砂巖、含膏泥巖等類型[19]，其中以石膏質(zhì)泥巖和含膏泥巖為主，硫酸鹽類主要分布在半深湖和深湖中，呈疊合連片狀展布，見圖1。

圖1 渤南洼陷沙四上亞段沉積類型分布圖

2 水體環(huán)境的定量控制作用

咸化湖盆對沉積起控制作用的水體參數(shù)主要為古鹽度和古水深[14, 20]。古鹽度和古水深有較多的定量獲取方法，結(jié)合渤南洼陷實際資料，首先依據(jù)黏土礦物從水體中吸收的硼元素質(zhì)量分數(shù)與水體鹽度呈雙對數(shù)關(guān)系[21]，據(jù)硼元素質(zhì)量分數(shù)定量計算古鹽度，結(jié)果表明渤南洼陷沙四上亞段沉積期鹽度整體較高且變化較大，在5.67‰到23.75‰之間，總體上為半咸水的水體環(huán)境；其次，又利用微體古生物法定量確定古水深[22]，其原理是根據(jù)地層中微體古生物的種類、數(shù)量以及保存程度來判斷其生存時的古水深范圍，若有幾種微體古生物發(fā)育，則古水深取各古生物生存水深范圍的相交深度，由此得出發(fā)育有微體古生物化石井的古水深，據(jù)微體古生物法獲得的古水深再結(jié)合古地貌研究成果獲取各沉積期的古水深。研究表明：渤南洼陷沙四上亞段沉積期古水深為0~70 m(見表1)，古水深分布具有北深南淺、東西兩側(cè)深中間淺的特點。

2.1 碳酸鹽巖和硫酸鹽巖

利用硼元素質(zhì)量分數(shù)以及微體古生物獲得渤南洼陷沙四上亞段所有樣品點的古鹽度和古水深后，將所有樣品點的古鹽度和古水深做散點圖，見圖2。圖2表明水體鹽度和深度有較好的相關(guān)關(guān)系；鹽度隨著深度增大而升高；水體鹽度和深度共同控制著碳酸鹽巖和硫酸鹽巖的發(fā)育。古鹽度大于10‰是碳酸鹽巖和硫酸鹽巖形成的基礎(chǔ)。對碳酸鹽巖和硫酸鹽巖發(fā)育的水體范圍進行劃定后發(fā)現(xiàn)：碳酸鹽巖和硫酸鹽巖的分布大致以直線=60?2為界(其中，為古水深；為古鹽度)，碳酸鹽巖的分布主要在此線上方，而硫酸鹽巖則主要發(fā)育在其下方(圖2(a))。水體環(huán)境的不同決定了碳酸鹽巖和硫酸鹽巖分布的差異性：首先水體深度控制著碳酸鹽巖的沉積位置，表現(xiàn)在水深小于30 m時水體為碳酸鹽巖型水，因而碳酸鹽巖主要發(fā)育在水深小于30 m的區(qū)域；其次，水體深度還決定著不同類型碳酸鹽巖的分布，在水深小于15 m的水體中沉積的碳酸鹽巖主要為生物成因，而在15~30 m的水深中則多為化學(xué)成因。經(jīng)分析認為形成這種沉積現(xiàn)象的原因主要是生物成因碳酸鹽巖的形成不但要有造巖生物能夠生長的環(huán)境，即要有較淺的水深、足夠的光照，而且需足夠的水動力在后期對生物骨架進行改造，因此，認為15 m水深是生物生長的底界，也是水動力能夠影響到的正常浪基面位置；而化學(xué)成因碳酸鹽巖的形成則需避開陸源淡水的注入，要求較高的鹽度，故在水深大于15 m的水體環(huán)境中由于距岸較遠，受陸源淡水影響較弱，同時，古鹽度隨著古水深的增大而升高，15~30 m的水深中有更高的古鹽度，這些因素都有利于化學(xué)成因碳酸鹽巖沉淀的發(fā)生。水體深度不但影響著碳酸鹽巖的分布位置，而且與古鹽度耦合共同控制著硫酸鹽巖的形成。具體表現(xiàn)在：硫酸鹽巖的分布范圍之所以是1條水深和鹽度的斜線，是因為硫酸鹽巖的沉積不只受鹽度或水深單一因素的影響，而是受兩者耦合控制，即當水深較淺甚至為0 m時，只要鹽度高到一定程度就會有硫酸鹽巖發(fā)育，為“淺水成鹽”模式，現(xiàn)代蒸發(fā)成因的硫酸鹽巖屬于這一模式；而當鹽度較小時，只要水深足夠大仍然會有硫酸鹽巖沉積，因為水深不斷增大可使水體溫度逐漸降低，水溫降低使硫酸鹽巖溶解度降低，從而在鹽度較小但水深較大的水體環(huán)境中依然會發(fā)生硫酸鹽巖沉淀(圖2(a))，為“深水成鹽”模式，研究區(qū)的硫酸鹽巖屬于這種模式。需指出的是：隨著水深繼續(xù)增大，鹽度也不斷升高，使得分層鹵水濃度不斷升高，從而在水深較大的深湖區(qū)往往有氯化物沉積。

表1 渤南洼陷沙四上亞段古鹽度與古水深

(a) 碳酸鹽巖、膏巖；(b) 碎屑巖

2.2 碎屑巖

水體環(huán)境除對碳酸鹽巖和硫酸鹽巖的發(fā)育起控制作用外，對碎屑巖的沉積位置也有明顯影響。古鹽度對碎屑巖的沉積影響不大，主要是古水深對其沉積相類型分布產(chǎn)生影響。以渤南洼陷沙四上亞段為例，砂巖灘壩一般分布在水深小于15 m的區(qū)域(圖2(b))，由此可以推測這一時期浪基面大概為15 m水深，這是因為在浪基面之上水動力條件較強，可篩選、淘洗并再次搬運扇三角洲前端的砂巖從而形成砂巖灘壩；而扇三角洲一般分布在0~30 m水深中，這也與扇三角洲分布在斷陷盆地相對較陡古地貌背景下的傳統(tǒng)認識相符。較陡的古地貌使水深向湖中心快速增大，在物源供應(yīng)充足情況下陸源碎屑往湖盆中心推進距離較遠，最深可在30 m水深中發(fā)育；近岸水下扇主要發(fā)育在水深大于30 m的環(huán)境中(圖2(b))，這是因為近岸水下扇一般在斷陷盆地陡坡帶高山深湖背景下形成，在這一地貌背景下陸源碎屑順斷層直瀉而下沖積到半深湖或深湖中，從而使得近岸水下扇發(fā)育的水體深度較大。

3 水體分異控制模式

鹵水分層是咸化湖盆多類型沉積物形成的基本形式[17]，在不同水體分層帶會發(fā)育不同類型沉積物。此次以渤南洼陷沙四上亞段為例，初步建立水體分異控制多類型沉積物共生的模式。

位于咸化湖盆浪基面之上的水體受陸源碎屑注入影響最強烈，發(fā)育有扇三角洲，而這部分水體由于水動力條件較強，動蕩的水體對扇三角洲前緣砂體進行再次搬運、沉積進而可形成砂巖灘壩，因此，浪基面控制著砂巖灘壩的發(fā)育位置；此外，較淺的水深不但有利于透光，而且可使水體含氧量增大，適宜生物繁殖，從而浪基面之上也為生物成因碳酸鹽巖發(fā)育區(qū)；在浪基面以下，一方面，水體深度增大使水動力變?nèi)?，不再有砂巖灘壩沉積，而碎屑巖中只有順溝道注入到深水區(qū)的扇三角洲發(fā)育，另一方面，水體加深也伴隨著鹽度升高和鹵水濃度增大，鹵水濃度增大到一定程度即為碳酸鹽型水，從而沉淀出化學(xué)成因碳酸鹽巖。化學(xué)成因碳酸鹽巖發(fā)育的頂、底界不但受水深影響，而且受水體鹽度影響，因此，其發(fā)育的水體范圍頂、底界線為2條向上變凸的弧線(圖3)。造成這種現(xiàn)象的原因是近岸水體受陸源淡水注入影響較大，在相同水深下遠岸水體鹽度往往比近岸水體的鹽度高，因此，在水深和鹽度耦合下，適宜化學(xué)成因碳酸鹽巖發(fā)育的區(qū)域應(yīng)是向上變凸的弧線；隨著水深進一步增大，到30 m以下時碎屑巖沉積物只有近岸水下扇發(fā)育，這是由于在渤南洼陷沙四上亞段沉積期水深大于30 m的區(qū)域主要集中在洼陷帶和陡坡帶，而這2個構(gòu)造帶上的碎屑巖沉積物主要是近岸水下扇；另一方面，水深超過30 m造就的高山深湖古地貌環(huán)境也為近岸水下扇的發(fā)育提供了條件；水深增大不但使發(fā)育的碎屑巖沉積物轉(zhuǎn)變?yōu)榻端律龋瑫r，鹵水濃度也隨之增大，鹵水性質(zhì)逐漸由碳酸鹽型水演變?yōu)榱蛩猁}型水，2種不同類型鹵水的分界面即為1條水深和鹽度相耦合的界面，同樣受近岸淡水注入影響，此界面也為向上變凸的弧線(圖3)；若水深足夠大，則鹵水濃度不斷升高，鹵水性質(zhì)會向氯化物型水轉(zhuǎn)變，因此，在深部水體中還可能存在氯化物沉積(圖3)。

水體的分層現(xiàn)象在現(xiàn)代湖泊考察結(jié)果中得到證實[23?24]，不同分層鹵水中會發(fā)育不同類型沉積物，這也在古柴達木盆地中得到驗證[25](圖4)，表明以渤南洼陷沙四上亞段為例建立的水體分異控制模式的正確性。需說明的是：咸化湖盆中碎屑巖、碳酸鹽巖、硫酸鹽巖以及氯化物的分布雖受水體環(huán)境的影響，但物源供應(yīng)是各類型沉積物形成的基礎(chǔ)，尤其是碎屑巖的發(fā)育明顯受物源的控制；此外，碎屑巖發(fā)育區(qū)由于水體混濁及淡水注入，不利于碳酸鹽巖、硫酸鹽巖以及氯化物的形成[18]，因此，咸化湖盆中水體環(huán)境對碎屑巖分布的定量控制是在物源決定碎屑巖發(fā)育基礎(chǔ)上起作用的，同時，水體環(huán)境對碳酸鹽巖、硫酸鹽巖及氯化物分布的定量控制在無陸源碎屑注入的水體中才會發(fā)揮作用。

圖3 渤南洼陷沙四上亞段水體分異控制模式

圖4 柴達木盆地水化學(xué)圖(據(jù)文獻[24])

4 控制模式建立的地質(zhì)意義

水體分異控制模式將水體環(huán)境和沉積物分布相聯(lián)系，不但明確了水體環(huán)境對咸化湖盆多類型沉積物的定量控制，而且對沉積現(xiàn)象驗證以及沉積體預(yù)測等都具有重要意義。

4.1 驗證沉積現(xiàn)象

通過水體分異控制模式可知：渤南洼陷沙四上亞段碎屑巖的分布受古水深影響較大，其中砂巖灘壩在水深小于15 m的水體中發(fā)育，扇三角洲分布的水體深度范圍為0~30 m，而近岸水下扇則主要分布在水深大于30 m的區(qū)域；碳酸鹽巖和硫酸鹽巖的分布在避開陸源碎屑注入基礎(chǔ)上，還受古水深和古鹽度的雙重控制，其中碳酸鹽巖主要分布在水深小于30 m，且古鹽度大于10‰的水體中，而硫酸鹽巖主要分布在水深大于30 m，同時古鹽度大于15‰的水體中(圖2)。事實上，在對渤南洼陷沙四上亞段各沉積期的沉積相展布和古水深、古鹽度等值線疊合后發(fā)現(xiàn)：各類型沉積相發(fā)育的古水深、古鹽度范圍都遵循水體分異控制模式(圖5)，因此，水體分異控制模式的建立可指導(dǎo)沉積相類型及空間展布研究。

4.2 指導(dǎo)沉積體預(yù)測

通過咸化湖盆水體分異控制模式的建立，將水體環(huán)境參數(shù)與各類型沉積相的分布位置相互聯(lián)系，可定量化指導(dǎo)碳酸鹽巖、硫酸鹽巖以及氯化物分布位置預(yù)測。具體對1個咸化湖盆沉積體進行預(yù)測時，首先要通過物源分析確定碎屑巖的分布位置和規(guī)模，在無碎屑巖沉積的水體中，浪基面以上是生物成因碳酸鹽巖的有利發(fā)育區(qū)，到浪基面之下，當水深增大、鹽度升高時首先沉淀的是化學(xué)成因碳酸鹽巖；隨著水深進一步增大，當水深和鹽度的耦合點在=60?2所示直線的下方時開始沉淀硫酸鹽巖，并在深水區(qū)可能會有氯化物沉積。因此，在咸化湖盆中依據(jù)水深和鹽度的定量耦合可確定各類型沉積體發(fā)育的水體環(huán)境，進而預(yù)測各類型沉積物的發(fā)育范圍。

圖5 渤南洼陷沙四上亞段沉積相與水體環(huán)境等值線疊合圖

5 結(jié)論

1) 渤南洼陷沙四上亞段沉積期為咸化湖盆。咸化湖盆的主要沉積物類型有碎屑巖類、碳酸鹽巖類以及硫酸鹽巖類；碎屑巖類主要圍繞湖岸線呈裙帶狀分布，碳酸鹽巖主要發(fā)育在濱淺湖的隆起部位，呈帶狀、團塊狀分布，硫酸鹽巖類主要分布在半深湖和深湖中，呈帶狀展布。

2) 渤南洼陷沙四上亞段多類型沉積物分布受水體環(huán)境控制。水體鹽度和深度耦合共同控制碳酸鹽巖和硫酸鹽巖的分布，兩者大致以直線=60?2為界，碳酸鹽巖主要在此線上方分布，而硫酸鹽巖則主要發(fā)育在其下方；水體深度對不同成因類型的碳酸鹽巖以及碎屑巖分布產(chǎn)生了影響，15 m水深是生物成因碳酸鹽巖和化學(xué)成因碳酸鹽巖的分界線，在其上還發(fā)育砂巖灘壩，30 m水深則是扇三角洲和近岸水下扇的分界；建立了咸化湖盆水體分異控制模式，水體分異現(xiàn)象在現(xiàn)代湖泊和古柴達木盆地中都得到證實。

3) 咸化湖盆水體分異控制模式的建立對驗證沉積現(xiàn)象及預(yù)測沉積體都具有重要意義。

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(編輯 陳燦華)

Quantitative controls in water environment to distribution of sediments in saline lacustrine basin: a case of Es41in Bonan sag

LIU Yali, LIU Peng

(Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Shengli Oilfield Company, SINOPEC, Dongying 257015, China)

Though clastic rock, carbonate, sulfate and chloride co-exist in saline lacustrine basin, the mechanism that multiple types of sediments are distributed orderly is not clear. Bonan sag is a saline lacustrine basin in the sedimentary period of Es41. Through quantized characterization of the paleosalinity and palaeobathymetric,distribution law of multiple types of sediments was studied. The control pattern about stratified water was established in saline lacustrine basin eventually. The results show that the coupling of paleosalinity and palaeobathymetric jointly controls the distribution of chemical sedimentary rock, and the distribution of carbonate and sulfate is divided by an oblique line coupled by paleosalinity and palaeobathymetric. The distribution area of carbonate is above this line and sulfate is mainly developed below it. With the increase of the palaeobathymetric, the chloride deposites in deep water. Water depth has effect on distribution of different types of carbonate and clastic rock. The water depth of 15 m is the dividing line between biogenic carbonate and chemical carbonate, and sand beach bar is also developed above it. Beside this, the water depth of 30 m is the dividing line between fan delta and near-shore subaqueous fan. The control pattern about stratified water has reference to verifying sedimentary phenomenon and predict sedimentary body.

delamination of water body; saline lacustrine basin; sedimentary distribution; quantitative control; Bonan sag

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.01.032

P618.130.2

A

1672?7207(2017)01?0239?08

2016?01?10；

2016?03?12

國家重大專項資助項目(2011ZX05006) (Project(2011ZX05006) supported by the Important National Science and Technology Specific Project)

劉鵬，博士，副研究員，從事儲層地質(zhì)學(xué)及油氣成藏研究；E-mail: liupeng119.slyt@sinopec.com