江漢盆地潛江凹陷古近系潛江組白云巖成因

吳世強(qiáng)，陳鳳玲，姜在興，孔祥鑫，陳 晨，管文靜

[1.中國(guó)石化 江漢油田分公司 勘探開發(fā)研究院，湖北 武漢 430223； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083]

潛江凹陷位于江漢盆地中部，是江漢盆地最主要的富烴凹陷之一[1]。中晚始新世—早漸新世時(shí)期沉積了由蒸發(fā)巖和細(xì)粒沉積巖組成的193個(gè)韻律層[2]。研究發(fā)現(xiàn)一個(gè)完整的韻律層的巖性變化自下而上為：石鹽—鈣芒硝巖—白云巖—泥巖—白云巖—鈣芒硝巖—鹽巖[3]。這些層內(nèi)的泥質(zhì)白云巖富含有機(jī)物質(zhì)，具有良好的生烴潛力[2,4-5]。近來的生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)這些白云巖同時(shí)也是潛在的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集巖，因此這套白云巖巖層是典型的源儲(chǔ)一體式油藏[3,6]。然而，有關(guān)潛江凹陷白云巖的成因一直存在爭(zhēng)議[7-8]，從而限制了進(jìn)一步的勘探工作。

碳酸鹽巖廣泛分布在現(xiàn)代和古代的湖盆中[9-11]，這些物質(zhì)大多由泥級(jí)大小的(小于4 μm)碳酸鹽顆粒組成。中國(guó)古代的咸化湖盆中大多發(fā)育泥晶白云巖,這使其成為湖相泥巖的重要組成成分[8,12-13]。沉積白云巖的形成機(jī)制一直是沉積學(xué)領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的前沿課題[14]。現(xiàn)代的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明在常溫常壓環(huán)境中，僅僅通過控制鎂離子濃度和鹽度無法形成白云石晶體[15]。近來的研究發(fā)現(xiàn)硫酸鹽還原細(xì)菌可以促進(jìn)白云石晶體的沉淀，使得人們用微生物白云巖來重新審視古代白云巖沉積[16-17]。然而，古代形成的白云巖大多經(jīng)歷了重結(jié)晶作用[18]，因此其微生物參與留下的痕跡常被忽視。

本文的主要目的為通過沉積分析，確定微生物活動(dòng)在富含白云石泥巖里保留的原始沉積特征。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

潛江凹陷為北陡南緩的箕狀凹陷[19]，位于江漢盆地中部，是一個(gè)中、新生代(K-E)斷陷型盆地(圖1a)[20]。潛江凹陷總面積為2 530 km2，北部為荊門地塹、樂鄉(xiāng)關(guān)地塹、漢水地塹和永隆河隆起，東北方向?yàn)辇堎惡屯蛊鸷驮揽诘屯蛊?，東南方向以通?？跀鄬訛榻?，西南抵丫角新溝低凸起(圖1b)。

前白堊系的海相地層被中生代—新生代湖相地層覆蓋。上覆地層從上至下包括第四系平原組，新近系廣化寺組，古近系荊河鎮(zhèn)組、潛江組、荊沙組、新溝咀組和沙市組，以及白堊系漁洋組。潛江組包含潛一段(Eq1)、潛二段(Eq2)、潛三段(Eq3)和潛四段(Eq4)(圖1c)。潛四段可進(jìn)一步劃分為潛四下亞段(Eq4L)和潛四上亞段(Eq4U)。北部的蚌湖洼陷在潛四下亞段(圖1c)。北部的蚌湖洼陷由潛北斷裂控制，在潛四下亞段—潛二段沉積階段為潛江凹陷的沉積中心[21-22]。該區(qū)域發(fā)育江漢盆地潛在的生油巖[23]。本次研究聚焦富含有機(jī)質(zhì)的潛三段第四油組的第十韻律層(Eq3(4)-10)和潛四下亞段第六、第十五和第十八韻律層(Eq4L-6、Eq4L-15、Eq4L-18)。

2 材料與方法

本次研究中，約有70 m巖心樣品取自蚌頁油1井Eq3(4)-10韻律和蚌頁油2井Eq3(4)-10、Eq4L-6、Eq4L-15和Eq4L-18韻律。全巖礦物分析和總有機(jī)碳含量(TOC)測(cè)定由中石化江漢油田勘探開發(fā)研究院完成。巖性特征和礦物鑒定工作依靠中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)偏光顯微鏡(德國(guó)蔡司)以及中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)科學(xué)研究院S-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本日立)完成。

3 結(jié)果

3.1 礦物組成

研究區(qū)鹽間地層的巖石主要由碳酸鹽礦物(方解石和白云石)、鈣芒硝以及硅質(zhì)碎屑物質(zhì)(石英、長(zhǎng)石和粘土)組成，其垂向變化規(guī)律如圖2。

圖1 江漢盆地研究區(qū)位置與地層Fig.1 The location and stratigraphic framework of the study area,Jianghan Basina.江漢盆地凹陷、凸起及火山巖構(gòu)造位置；b.江漢盆地潛江凹 陷蚌頁油1井與蚌頁油2井井位;c.江漢盆地潛江凹陷始新 世—漸新世地層

圖2 江漢盆地蚌頁油1井Eq3(4)-10礦物組合特征Fig.2 Mineral association characteristics of the Eq3(4)-10 cyclothem from Well BYY1 in the Jianghan Basin

3.2 巖相特征

本文總結(jié)了3種主要的富含白云石的鹽間泥巖巖相組合:薄層-紋層狀泥晶白云巖、紋層狀含云泥晶灰?guī)r和夾鈣芒硝層層狀泥晶白云巖(圖3)。

3.2.1 薄層-紋層狀泥晶白云巖

薄層-紋層狀泥晶白云巖主要發(fā)育在Eq3(4)-10，Eq4L-6和Eq4L-15韻律中上部，具有較高的TOC含量(圖2)。圖3a中薄層-紋層狀泥晶白云巖的方解石含量為18.3%，白云石含量53.5%，硅質(zhì)碎屑物質(zhì)含量為20.8%，鈣芒硝含量為7.4%，TOC值達(dá)到1.8%。其在巖心上由黃褐色的泥晶白云石紋層/薄層和深灰色的泥質(zhì)紋層組成，顯示為較深水還原環(huán)境產(chǎn)物，局部夾有鈣芒硝和硬石膏晶體或紋層(圖3a)。黃褐色的泥晶白云巖層厚度為0.1 mm～3 cm (圖3a)。白云巖薄層內(nèi)部可見鈣芒硝晶體，部分泥晶白云巖紋層呈波狀特征(圖3a)。顯微照片顯示薄層狀泥晶白云巖在鏡下呈弱紋層特征，由泥晶組成的暗色顆粒被亮色的微晶膠結(jié)(圖4a)，紋層狀泥晶白云巖由暗色灰泥層和淺色云質(zhì)層組成(圖4b)，云質(zhì)層呈微波狀，由微亮晶組成(圖4c)，富含有機(jī)質(zhì)(圖4d)。泥晶白云巖富集層段夾有富有機(jī)質(zhì)泥巖，由富有機(jī)質(zhì)紋層和富方解石紋層組成(圖4e，f)。

3.2.2 紋層狀含云泥晶灰?guī)r

紋層狀含云泥晶灰?guī)r主要發(fā)育在Eq3(4)-10和Eq4L-15韻律中部，具有中等TOC含量(圖2)。圖3b中紋層狀含云泥晶灰?guī)r的方解石含量為55.6%，白云石含量為10.1%，硅質(zhì)碎屑物質(zhì)含量為34.3%，鈣芒硝含量為0，TOC值達(dá)1.35%。該巖相在巖心上呈灰色，紋層特征發(fā)育，形成于深水還原環(huán)境，局部夾有黃褐色紋層狀泥晶白云巖(圖3b)。泥晶灰?guī)r富集的層段沒有明顯的硫酸鹽紋層發(fā)育，此特征不同于泥晶白云巖富集層段內(nèi)的泥質(zhì)夾層。泥晶灰?guī)r紋層厚度小于1 mm(圖5a)，所含紋層類型與薄層-紋層狀泥晶白云巖巖相內(nèi)部的紋層狀泥巖類型相同。熒光下，紋層內(nèi)部可見波狀有機(jī)質(zhì)條帶(圖5b，c)。

圖3 江漢盆地蚌頁油1井Eq3(4)-10韻律巖相組合特征Fig.3 Lithofacies combination characteristics of the Eq3(4)-10 cyclothem from Well BYY1 in the Jianghan Basina.薄層-紋層狀泥晶白云巖,埋深3 128.32 m;b.紋層狀含云泥晶灰 巖,埋深3 129.91 m；c.夾鈣芒硝層層狀泥晶白云巖,埋深3 131.95 m

圖4 江漢盆地蚌頁油2井Eq4L-6韻律薄層-紋層狀泥晶白云巖特征Fig.4 Characteristics of the thin-bedded-to-lamellar dolomicrite of the Eq4L-6 cyclothem from Well BYY2 in the Jianghan Basina.薄層狀泥晶白云巖，埋深3 404.30 m；b.紋層狀泥晶白云巖 埋深3 405.34 m； c.為b局部放大圖;d.為c熒光照片；e.紋層狀泥晶灰?guī)r,3 404.58 m；f.為e熒光照片

圖5 江漢盆地蚌頁油2井Eq4L-6韻律紋層狀含云泥晶灰?guī)r特征Fig.5 Characteristics of the lamellar marlstone bearing dolomite of the Eq4L-6 cyclothem from Well BYY2 in the Jianghan Basina.層狀泥晶灰?guī)r, 埋深3 404.44 m；b.泥晶灰?guī)r，埋深3 404.47 m；c.為b熒光照片

3.2.3 夾鈣芒硝層層狀泥晶白云巖

夾鈣芒硝層層狀泥晶白云巖主要發(fā)育在Eq3(4)-10，Eq4L-6和Eq4L-15韻律下部和Eq4L-18韻律內(nèi)。該巖相主要由鈣芒硝、白云石及一定含量的硅質(zhì)碎屑物質(zhì)(粘土、石英和長(zhǎng)石)組成，TOC含量較低(圖2)。圖3c中夾鈣芒硝層層狀泥晶白云巖含有方解石6.80%，白云石41.16%，硅質(zhì)碎屑物質(zhì)20.25%，鈣芒硝31.79%，TOC值為0.83%。巖心觀察顯示該巖相由泥晶白云巖層段和鈣芒硝層段組成，其中泥晶白云巖呈灰色，局部具有黃褐色紋層，鈣芒硝層段呈灰白色，厚度約3～5 cm，由鈣芒硝紋層組成，鈣芒硝晶體不定向排列，裂縫中可見被鈣芒硝充填現(xiàn)象(圖3c)。薄片顯示鈣芒硝晶體具有向上變大的特征，而晶體數(shù)量逐漸減少(圖6a)。位于薄片上部的基質(zhì)主要由白云石、粘土等礦物組成，可見泥質(zhì)碎屑物質(zhì)(圖6b)。泥晶白云巖富集層段也可見明顯的陸源碎屑物質(zhì)顆粒(圖6c)。大量的蒸發(fā)礦物和陸源碎屑物質(zhì)指示其形成于相對(duì)淺水環(huán)境。

3.3 礦物微觀特征

3.3.1 白云石

薄層-紋層狀泥晶白云巖內(nèi)的白云石晶體直徑小于2 μm(圖7a)。這些泥晶白云石晶體以環(huán)狀形式圍繞一個(gè)中空的孔洞聚集在一起(圖7a)。這些中央孔洞的直徑范圍為3～8 μm(圖7a，c)。大部分白云石晶體呈菱形或亞菱形(圖7a)。這些環(huán)狀聚集物可以合并成更大的聚集體，其彼此被較大的白云石顆粒膠結(jié)(圖7a)。較少有粘土和其它礦物在這種白云石富集的層內(nèi)被發(fā)現(xiàn)。一些環(huán)狀聚集物內(nèi)的中央孔洞被微晶黃鐵礦晶體充填。在泥晶白云巖富有機(jī)質(zhì)層內(nèi)可見泥晶白云石晶體與有機(jī)質(zhì)膜和黃鐵礦聚集在一起(圖7c)。

夾鈣芒硝層層狀泥晶白云巖內(nèi)的白云石晶體大小大多在3～4 μm(圖7d)。這些白云石晶體呈完美的菱形晶形(圖7d)。沒有環(huán)狀構(gòu)造或中空的孔洞被發(fā)現(xiàn)(圖7d)。片狀和絲狀粘土礦物被發(fā)現(xiàn)在該巖相內(nèi)，其充填在白云石間的晶間孔隙內(nèi)(圖7f)。該巖相內(nèi)白云石富集的層段中可見分散分布的硫酸鹽礦物(如硬石膏和鈣芒硝)(圖7g)。這些礦物周邊的基質(zhì)內(nèi)含有被粘土礦物圍繞的白云石顆粒(圖7g)。

圖6 江漢盆地蚌頁油2井Eq4L-18韻律夾鈣芒硝層層狀泥晶白云巖特征Fig.6 Characteristics of the lamellar dolomicrite interbedded with glauberite of the Eq4L-18 cyclothem from Well BYY2 in the Jianghan Basina. 層狀鈣芒硝，埋深3 647.32 m；b. 泥質(zhì)碎屑，為a紅色方框內(nèi)的鏡下特征, 埋深3 647.32 m；c. 陸源碎屑礦物，埋深3 647.32 m

3.3.2 方解石

紋層狀含云泥晶灰?guī)r內(nèi)的泥晶方解石晶體隨粘土礦物定向排列(圖7i)，并可見明顯的紋層構(gòu)造(圖7i)。這些方解石晶體不具有完美的菱形晶形，且不顯示明顯的生物微結(jié)構(gòu)特征。方解石晶體小于5 μm(圖7i，l)。一些圓形或橢圓形的孔或凹坑出現(xiàn)在泥晶方解石顆粒上，其大小小于2 μm(圖7j)。一些拉長(zhǎng)的橢圓形孔洞被泥晶方解石環(huán)繞，這些孔洞直徑在8～10 μm(圖7l)。

4 討論

4.1 方解石與灰?guī)r沉積成因

研究區(qū)紋層狀含云泥晶灰?guī)r內(nèi)部的方解石晶體大小基本相同，且晶體內(nèi)一般發(fā)育有晶內(nèi)孔洞，這些特征與藻類誘導(dǎo)的方解石晶體相似。被相同泥晶方解石晶體圍繞的長(zhǎng)橢圓狀孔洞的形狀類似于浮游藻類的形態(tài)特征。這些孔洞的形成源于微生物對(duì)有機(jī)物質(zhì)的降解作用[25]。降解過程中釋放的H+會(huì)溶解生物鈣質(zhì)殼壁，并形成重結(jié)晶方解石晶體。

紋層狀含云泥晶灰?guī)r內(nèi)的細(xì)的連續(xù)的紋層表明它們是懸浮沉積的產(chǎn)物。高的伽馬蠟烷含量指示一個(gè)高鹽度的沉積環(huán)境[27]。在這個(gè)沉積環(huán)境里，由于長(zhǎng)期的鹽度分層導(dǎo)致方解石晶體與粘土礦物一起沉淀，因此研究區(qū)內(nèi)的大部分方解石晶體是與粘土混雜在一起的。而對(duì)于季節(jié)性分層的古湖盆，其內(nèi)部的細(xì)粒沉積物顯示方解石礦物和粘土物質(zhì)一般出現(xiàn)在不同的紋層內(nèi)[11]。

4.2 白云石與白云巖成因

如前所述，研究區(qū)的白云石顆粒出現(xiàn)在富有機(jī)質(zhì)和貧有機(jī)質(zhì)兩種巖相內(nèi)(圖2)。

夾鈣芒硝層層狀泥晶白云巖沒有細(xì)胞狀結(jié)構(gòu)，且TOC含量較低。大量的粘土礦物出現(xiàn)在白云石晶體周圍。存在厚的鈣芒硝層說明其沉積時(shí)的鹽度要高于層狀-薄層狀泥晶白云巖沉積的水體鹽度。鈣芒硝的粒序特征說明其是常年鹽湖的水底沉積物，其具有鹵水濃度波動(dòng)的特征[31]。白云石層和鈣芒硝層內(nèi)出現(xiàn)的大量的陸源碎屑物質(zhì)和粘土礦物說明有陸源物質(zhì)參與到蒸發(fā)礦物的化學(xué)沉淀中。大量的陸源碎屑物質(zhì)的輸入和蒸發(fā)礦物的形成會(huì)稀釋盆內(nèi)有機(jī)物質(zhì)的濃度[5]。此外，過高的鹽度會(huì)限制微生物的種類和數(shù)量，并導(dǎo)致微生物發(fā)生降解活動(dòng)從而影響有機(jī)質(zhì)的保存[5]，因此該巖相TOC含量較低。我們無法將微生物活動(dòng)從該巖相內(nèi)白云石的形成過程中排除，因?yàn)槭甥}菌在高鹽湖中被發(fā)現(xiàn)且能誘導(dǎo)白云石的結(jié)晶[18,32]。但是，高鹽度和陸源物質(zhì)輸入會(huì)限制微生物的活動(dòng)。受限的微生物可能不能完全對(duì)強(qiáng)蒸發(fā)環(huán)境下的形成的白云石負(fù)責(zé)。我們推測(cè)鹵水過高的溫度會(huì)對(duì)白云石的化學(xué)結(jié)晶產(chǎn)生影響[37]。因此，貧有機(jī)質(zhì)巖相內(nèi)的白云石晶體的形成可能是蒸發(fā)濃縮、高溫和微生物共同參與的結(jié)果。

因此，研究區(qū)內(nèi)白云石的形成受多種因素控制，在微生物主導(dǎo)沉積階段，形成云質(zhì)沉積物有機(jī)質(zhì)含量較高，而在蒸發(fā)作用主要沉積時(shí)，形成的沉積物有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較低。

5 結(jié)論

潛江凹陷潛江組主要巖相組合包括薄層-紋層狀泥晶白云巖、紋層狀含云泥晶灰?guī)r和夾鈣芒硝層層狀泥晶白云巖。沉積物中保留了部分微生物活動(dòng)留下的痕跡。方解石由浮游微生物誘導(dǎo)結(jié)晶并懸浮沉積，白云石由底棲生物誘導(dǎo)原地結(jié)晶。有機(jī)質(zhì)的豐度受微生物活動(dòng)、陸源物質(zhì)輸入和有機(jī)質(zhì)保存條件等控制。

研究結(jié)果表明，潛江凹陷潛江組富有機(jī)質(zhì)頁巖中的白云石為生物誘導(dǎo)成因的泥晶碳酸鹽巖，白云石的沉淀與微生物活動(dòng)密切相關(guān)，古生產(chǎn)力大，烴源條件好。這些泥晶白云石圍繞生物降解孔呈環(huán)狀分布，晶間孔(生物降解孔)發(fā)育，儲(chǔ)集條件優(yōu)越。生成的油氣受頂?shù)装妍}巖封隔，大量滯留在鹽間頁巖系統(tǒng)中，形成連續(xù)型聚集的頁巖油層。因此，生物誘導(dǎo)成巖的云質(zhì)頁巖相具有烴源好、儲(chǔ)集優(yōu)和含油量高的特點(diǎn)，是頁巖油勘探開發(fā)的最有利巖相。