江漢盆地古近系潛江組鹽湖沉積特征與成藏模式

黃 華，袁娟梅，彭 偉，張 亮，文 輝

（1.中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司，重慶 408000；2.中國石化江漢油田分公司勘探開發(fā)研究院，武漢 430223）

0 引言

陸相湖盆根據(jù)沉積時水體咸化程度可劃分為淡水和鹽湖（咸湖）沉積。中國陸相咸化湖盆形成時間早，分布地區(qū)廣。早在二疊紀(jì)，準(zhǔn)噶爾和三塘湖盆地就形成了半封閉的咸水湖沉積，分別以風(fēng)城組和蘆草溝組為代表。古近紀(jì)咸化湖盆沉積達(dá)到鼎盛時期［1-2］，鹽湖沉積遍布中國的東西部，以東部渤海灣盆地沙河街組、中部江漢盆地潛江組、西部柴達(dá)木盆地下干柴溝組較為典型［3］。與淡水湖盆沉積物主要為單一的砂泥巖等碎屑巖沉積不同，咸化湖盆沉積物更為豐富，包含碎屑巖、碳酸鹽巖、蒸發(fā)巖及其混合類型。雖然咸化湖盆沉積物類型多，但其主要受控于古氣候影響下的水體咸淡程度，因此沉積序列具有較強的規(guī)律性。咸化湖盆與油氣的關(guān)系十分密切，上述典型咸化湖盆中沉積了多套優(yōu)質(zhì)烴源巖，生成了大量油氣，形成了多個大中型油氣田。按油氣聚集部位與巖鹽的位置關(guān)系劃分，咸化湖盆常規(guī)砂巖油氣藏可劃分為鹽上油成藏、鹽間油成藏和鹽下油成藏，咸化湖盆沉積的混積巖可形成“源儲一體”的非常規(guī)油藏。

江漢盆地古近系早始新統(tǒng)潛江組沉積期，湖水咸化程度較高，鹽湖沉積時間較長，鹽湖沉積特征典型［4］，沉積的旋回性和韻律性較強，油氣藏主要分布在鹽間地層［5-7］，并且非常規(guī)混積巖油藏十分發(fā)育。通過分析江漢盆地潛江組鹽湖沉積環(huán)境和沉積特征，明確鹽湖盆地油氣成藏規(guī)律，建立鹽湖沉積與成藏模式，以期為鹽湖盆地油氣勘探提供借鑒。

1 地質(zhì)概況

江漢盆地為揚子地臺上形成的白堊系—古近系陸相斷陷盆地，地理上位于湖北省中南部（圖1），盆地面積為3.6 萬km2。盆地北部的枝江、遠(yuǎn)安、河溶、荊門、漢水等凹陷受古近紀(jì)末期的剝蝕作用，殘余地層厚度小、埋深淺，石油勘探價值較小，南部的潛江、江陵、沔陽、小板、陳沱口等5 個凹陷為盆地油氣勘探的重點。

江漢盆地古近系潛江組巖鹽的韻律沉積多達(dá)193 個［4］，每個韻律均由鹽層、碎屑巖和碳酸鹽巖組成，單層鹽的厚度一般為10～40 m，最厚可達(dá)84.5 m。重點區(qū)塊潛江凹陷中潛江組鹽層的平均厚度超過1 000 m，鉆井揭示地層最厚處的鹽層累計厚度超過2 000 m（WS2 井）［8］。

2 鹽湖沉積環(huán)境

2.1 古地貌和古構(gòu)造條件

江漢盆地古近紀(jì)，北部為南秦嶺造山帶，東部為大別造山帶，南部為江南雪峰造山帶，西部為黃陵隆起［9-10］，盆地整體為封閉的內(nèi)陸山間斷陷盆地（圖2），整體上表現(xiàn)為“高山深盆”特征。古近紀(jì)潛江組沉積期沉積沉降中心在盆地中東部的潛江凹陷、小板凹陷和云夢凹陷，這些凹陷的控凹斷層持續(xù)高強度的活動導(dǎo)致了凹陷發(fā)生穩(wěn)定沉降，致使這3 個凹陷成為盆地的深凹區(qū)［11］。潛江凹陷為南北雙斷箕狀凹陷，北部的潛北斷層和南部的通?？跀鄬釉跐摻M沉積期活動最為劇烈，活動速率分別為275 m/Ma 和100 m/Ma，形成南北2 個沉積沉降次洼，為潛江組沉積期沉積厚度最大的凹陷。隨著控凹斷層持續(xù)高強度的活動，3 個深凹區(qū)周緣的枝江、河溶、江陵、陳沱口、沔陽、荊門、漢水等均為淺凹區(qū)，淺凹區(qū)圍繞在深凹區(qū)附近，成為其“衛(wèi)星”凹陷。沉積過程中淺凹區(qū)的鹽類物質(zhì)不斷匯入深凹區(qū)的湖盆中，不斷蒸發(fā)濃縮，導(dǎo)致潛江、小板和云夢凹陷沉積了巨厚鹽層，而其周緣的淺凹區(qū)沒有沉積鹽層（圖3）。

圖2 江漢盆地古近系沉積厚度分布特征Fig.2 Distribution characteristics of Paleogene sedimentary thickness in Jianghan Basin

圖3 江漢盆地古近系潛江組鹽層分布特征Fig.3 Distribution characteristics of salt layer of Paleogene Qianjiang Formation in Jianghan Basin

2.2 古氣候條件

江漢盆地古近紀(jì)潛江組沉積期古氣候以亞熱帶干旱為主，偶為干濕交替［12-18］，潛江凹陷中的湖水為封閉型高鹽度水，呈堿性—弱堿性，為強還原環(huán)境。張旗等［19］、吳根耀等［20］研究認(rèn)為，侏羅紀(jì)—早白堊世，中國東部形成了高原，中白堊世—古近紀(jì)，高原逐步坍塌。劉曉燕等［21］通過氧同位素計算得出，潛江凹陷的古高程為680～2 000 m，平均古高程為1 400 m，表明潛江組沉積期江漢盆地為“準(zhǔn)高原”地區(qū)，“準(zhǔn)高原”的干燥和少雨的古氣候特征也是鹽湖形成的重要因素。

通過對W99 井潛江組進行系統(tǒng)取樣，分析了不同巖性中的孢粉類型，發(fā)現(xiàn)巖鹽、含芒硝泥巖、泥質(zhì)云巖、泥巖中的旱生裸子植物花粉含量逐步降低，濕生被子類植物花粉和蕨類孢子含量逐漸增多（圖4），表明干旱氣候易于鹽類物質(zhì)沉積，氣候相對濕潤期易于碳酸鹽巖和碎屑巖沉積，潛江凹陷潛江組縱向上變化較頻繁的巖性組合也反映了干旱交替的古氣候。通過對潛江組頁巖樣品進行氬離子拋光-掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)了大量草莓狀和分散狀的黃鐵礦（圖5），其直徑多小于5 μm，指示了潛江組沉積期為缺氧的強還原硫化環(huán)境。

圖4 潛江凹陷潛江組孢粉類型及含量Fig.4 Types and contents of sporopollen of Qianjiang Formation in Qianjiang Sag

圖5 潛江凹陷潛江組頁巖中黃鐵礦形態(tài)特征（W99 井，1 678 m）Fig.5 Pyrite morphology in shale of Qianjiang Formation in Qianjiang Sag

2.3 鹽類礦物來源

江漢盆地潛江組沉積了巨厚的鹽層，通過計算可得出潛江凹陷潛江組的石鹽總量約1.7 億t。關(guān)于鹽類物質(zhì)的來源存在多種學(xué)說［22-27］，主要有2 種觀點，一種認(rèn)為是海源，一種認(rèn)為是陸源，但江漢盆地古近系中未發(fā)現(xiàn)任何海侵生物化石，其構(gòu)造演化史也不支持鹽類礦物來源于海侵的觀點。因此可以推測，江漢盆地潛江組鹽類礦物主要為陸源，包括以下2 個方面的來源：①物源區(qū)水系攜帶的巖石風(fēng)化和剝蝕的礦物質(zhì)。潛江組沉積期，物源主要來自凹陷北部，分別為漢水物源和荊門物源。通過恢復(fù)盆地潛江組沉積期巖相古地理，發(fā)現(xiàn)北部物源區(qū)出露的地層為震旦系—白堊系，為海相沉積，其中多套地層（寒武系和三疊系）為蒸發(fā)臺地相，沉積了厚層的膏鹽層，其余大部分地層為碳酸鹽巖。這些地層出露地表后，遭受風(fēng)化剝蝕作用和地表水的溶蝕作用，由水系帶入江漢盆地，成為其鹽類礦物沉積的重要物質(zhì)來源。②斷裂系統(tǒng)成為深部熱液物質(zhì)向盆地內(nèi)運移的通道。盆地內(nèi)部發(fā)育多條深大斷裂，如北部的南荊斷層、漢水?dāng)鄬拥?。鹽類礦物來源于深部熱液最直接的證據(jù)是潛江組沉積早期盆地北部靠近深大斷裂處發(fā)育大量火山沉積物。鉆探結(jié)果顯示，在潛江組下部的潛四段發(fā)育10～280 m 不等的玄武巖（圖6），表明潛江組沉積期大量深部熱液物質(zhì)進入了湖盆，為后期蒸發(fā)濃縮成鹽奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

綜上所述，江漢盆地古近紀(jì)“高山深盆”式的古地貌、晚始新世潛江組沉積期“準(zhǔn)高原”亞熱帶干旱為主、干濕交替為輔的古氣候特征是鹽湖多韻律沉積形成的核心要素，物源區(qū)水系帶來的巖石風(fēng)化產(chǎn)物和溶蝕的鹽類物質(zhì)、沿斷裂系統(tǒng)向上運移的深部熱液物質(zhì)均為湖盆鹽類礦物的重要來源，并且鹽湖沉積的持續(xù)時間約為13 Ma（距今45～32 Ma）。

3 鹽湖沉積特征

3.1 巖相分布特征

江漢盆地潛江組沉積期，物源主要來自于北部，發(fā)育鹽類礦物的3 個凹陷中，僅有潛江凹陷發(fā)育砂巖沉積。潛江凹陷潛江組主要發(fā)育碎屑巖、碳酸鹽巖、蒸發(fā)巖（包括硫酸鹽巖、石鹽、鉀鹽）及其過渡類型的混積巖。碎屑巖是氣候濕潤、淡水河流體系較發(fā)育的產(chǎn)物，碳酸鹽巖是氣候半干旱、水體咸化的產(chǎn)物，蒸發(fā)巖是氣候干旱、水體極咸化的產(chǎn)物，在縱向上和平面上均出現(xiàn)有規(guī)律的巖性組合，即巖性和巖相相序具有高度有序性。

當(dāng)湖水由淡水逐漸變咸時，沉積物的沉積序列由下至上分別為碎屑巖、碳酸鹽巖和蒸發(fā)巖，為一個完整的鹽韻律，潛江凹陷潛江組縱向上發(fā)育193個類似的鹽韻律。平面上巖相的分布主要受控于北部的淡水供給體系，從北向南分別形成了淡水沉積區(qū)、咸水沉積區(qū)和鹽水沉積區(qū)，分別形成了碎屑巖巖相區(qū)、碳酸鹽巖巖相區(qū)和蒸發(fā)巖巖相區(qū)。當(dāng)氣候相對濕潤時，北部淡水體系向南推進，碎屑巖沉積范圍較大；當(dāng)氣候干旱時，咸水范圍較大，以碳酸鹽沉積為主；當(dāng)氣候極干旱時，湖泊演變?yōu)辂}湖，以蒸發(fā)巖沉積為主。平面上碎屑巖巖相區(qū)、碳酸鹽巖巖相區(qū)和蒸發(fā)巖巖相區(qū)形成了一個有序的巖相組合（圖7）。

3.2 砂體展布特征

潛江凹陷北部發(fā)育淡水河流沉積體系，河水?dāng)y帶碎屑物質(zhì)從北部進入凹陷區(qū)，形成三角洲—鹽湖沉積體系。當(dāng)氣候濕潤時，北部物源發(fā)育，越靠近北部地區(qū)，水體越淡。北部三角洲規(guī)模較大，砂體向南推進較遠(yuǎn)，如Eq42油組砂巖分布面積為647 km2，南部鹽層的分布面積為935 km2。當(dāng)氣候干旱時，北部物源中等發(fā)育，水體相對咸化，北部三角洲規(guī)模中等，砂巖向南推進有限，南部的鹽湖向北擴張，如Eq41下油組砂巖分布面積為150 km2，南部鹽層的分布面積為1 520 km2。當(dāng)氣候極干旱時，北部物源不發(fā)育，水體鹽度最高，北部三角洲規(guī)模小，凹陷內(nèi)大面積分布鹽類礦物，沉積物全部為巖鹽和碳酸鹽巖，如Eq4下油組在潛江凹陷中幾乎不發(fā)育砂巖（圖8）。

圖7 潛江凹陷潛江組巖性巖相平面分布特征Fig.7 Distribution characteristics of lithology and lithofacies of Qianjiang Formation in Qianjiang Sag

圖8 潛江凹陷潛四段典型油組砂巖分布圖Fig.8 Sandstone distribution of typical oil formation of the fourth member of Qianjiang Formation in Qianjiang Sag

通過對潛江凹陷潛江組193 個韻律層的統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)砂巖的韻律層僅有35 個，其余158 個韻律層不發(fā)育砂巖，表明潛江凹陷潛江組沉積期大部分時間處于干旱氣候，自下而上的砂巖層在凹陷中由南向北逐步尖滅，分布在凹陷北部近1 200 km2范圍內(nèi)。湖水淡化期沉積的砂層分布面積大，而湖水咸化期沉積的砂巖分布面積?。▓D8）。綜上所述，潛江凹陷潛江組沉積主要受控于氣候條件，砂巖分布與碳酸鹽巖、蒸發(fā)巖（鹽層）的分布存在“此消彼長”的關(guān)系，具有“半凹砂-滿凹混積-滿凹鹽”的特征。

4 鹽湖成藏特征

鹽湖盆地中，泥巖、碳酸鹽巖及混積巖均具有一定的生烴潛力［3］，生烴母質(zhì)類型好，生烴效率高［28-33］，明顯比淡水湖盆生烴條件優(yōu)越。由于鹽韻律層發(fā)育，在斷層不發(fā)育的條件下，烴源巖生成的油氣主要以側(cè)向運移為主，相比于常規(guī)砂巖油藏而言，排烴效率則較低。潛江凹陷潛江組存在2 套含油氣系統(tǒng)（圖9），一套是常規(guī)砂巖含油氣系統(tǒng)，以緊鄰的泥巖為烴源巖，側(cè)向和垂向運移為主；另一套是非常規(guī)混積巖含油氣系統(tǒng)，以鹽層封閉的混積巖為烴源巖，具有“自生自儲”特征。鹽湖盆地發(fā)育的非常規(guī)混積巖成藏模式，豐富了陸相含油氣盆地成藏理論［34］。

圖9 潛江凹陷鹽湖油氣成藏模式Fig.9 Hydrocarbon accumulation model of salt lake in Qianjiang Sag

江漢盆地勘探實踐證實了其常規(guī)砂巖油藏的成藏規(guī)律［3］包括以下3 個方面：①源控富集，鹽層之間的薄層烴源巖（泥巖）的生烴能力直接控制了油藏的富集程度；②層控運移，由于鹽層對生油巖層具有一定的分割作用，油氣運移以順層方向為主，成藏聚集單元以鹽間的生烴小層為主；③砂控規(guī)模，研究區(qū)發(fā)育北部單向物源，砂體在平面上和縱向上分別受控于物源攜砂規(guī)模和古氣候變化頻率，進而控制了常規(guī)油藏的規(guī)模大小。非常規(guī)混積巖油藏的成藏主控因素包括以下2 個方面［35］：①沉積控區(qū)塊，混積巖沉積區(qū)控制了油藏的平面分布，其中紋層狀泥質(zhì)白云巖相最為有利；②源巖控層位，混積巖生烴能力強，生成的油氣可原地成藏，主要分布在Eq23，Eq33—Eq34，Eq43—Eq4下等3 個層段。

5 結(jié)論

（1）江漢盆地潛江組“高山深盆”式古地貌和斷層控制下穩(wěn)定沉積的深凹古構(gòu)造是鹽湖盆地形成的關(guān)鍵，亞熱帶干旱氣候為主、干濕交替為輔的古氣候是鹽湖多韻律沉積形成的核心，其中鹽類礦物來源于物源區(qū)水系攜帶的風(fēng)化礦物質(zhì)和深部熱液物質(zhì)。

（2）潛江凹陷潛江組沉積了碎屑巖、碳酸鹽巖、蒸發(fā)巖及其過渡類型混積巖，平面上和垂向上分布的規(guī)律性較強，砂巖的分布與碳酸鹽巖和蒸發(fā)巖（巖鹽）的分布存在“此消彼長”的關(guān)系，具有“半凹砂-滿凹混積-滿凹鹽”的特征。

（3）潛江凹陷鹽湖沉積中發(fā)育常規(guī)砂巖和非常規(guī)混積巖等2 套含油氣系統(tǒng)，常規(guī)砂巖油藏具有“源控富集、層控運移、砂控規(guī)?！钡奶卣鳎浅Ｒ?guī)混積巖油藏具有“沉積控區(qū)塊、源巖控層位”的特征。