柴西狮子沟地区渐新统下干柴沟组上段膏盐岩沉积演化特征
易定红1, 王建功1, 石亚军1, 孙秀健1, 马新民1, 王鹏2, 李延丽1
1.中国石油勘探开发研究院西北分院
2.中国石油青海油田公司勘探开发研究院

作者简介:易定红,1975年生,高级工程师,硕士;主要从事沉积学与石油地质学方面的研究工作。地址:(730020)甘肃省兰州市城关区雁儿湾路535号。ORCID: 0000-0003-0578-7845。E-mail: yidh@petrochina.com.cn

摘要

经过多年的油气勘探,已在柴达木盆地的多个层位发现了油气藏。其中,该盆地西部(柴西)狮子沟地区古近系渐新统下干柴沟组上段是油气勘探的重要目的层,膏盐岩是该区油气藏得以保存的优质盖层。为了预测柴西下一步油气勘探的方向和目标、指导区域油气勘探部署,在岩心观察的基础上,综合薄片鉴定,粒度,敏感参数Sr/Cu、Fe/Mn、(Fe+Al)/(Ca+Mg)、V/(V+Ni)、Pr/Ph比值以及黄铁矿含量,包裹体等分析结果,研究了该区膏盐岩发育的沉积演化特征和沉积环境。结果表明:①膏盐岩主要分布在湖盆的沉积中心,往盆地边缘方向变薄,横向上相变为碳酸盐岩或陆源碎屑岩,平面分布呈不规则的椭圆形;②膏盐岩纵向上主要发育在下干柴沟组上段的中部和上部,与碳酸盐岩或陆源碎屑岩相间发育,单层厚度变化大、层数多、连续性较好;③下干柴沟组上段Ⅲ砂组—Ⅰ砂组(盐间)地层沉积时气候干旱炎热,为半深湖—深湖还原性水体环境。结论认为:①该区下干柴沟组上段膏盐岩分布面积较广,累计厚度较大;②膏盐岩是在干旱炎热气候条件和深水背景下湖水蒸发浓缩结晶而成的,非热液成因。

关键词: 柴达木盆地西部; 狮子沟地区; 古近纪; 下干柴沟组上段; 膏盐岩; 盖层; 沉积环境; 沉积特征; 蒸发浓缩
Evolution characteristic of gypsum-salt rocks of the upper member of Oligocene Lower Ganchaigou Fm in the Shizigou area, western Qaidam Basin
Yi Dinghong1, Wang Jiangong1, Shi Yajun1, Sun Xiujian1, Ma Xinmin1, Wang Peng2, Li Yanli1
1. Northwest Branch of PetroChina Petroleum Exploration & Development Research Institute, Lanzhou, Gansu 730020, China
2. Research Institute of Exploration and Development, PetroChina Qinghai Oilfield Company, Dunhuang, Gansu 736202, China
Abstract

Over years of oil and gas exploration in the Qaidam Basin, reservoirs have been discovered in many layers. In the Shizigou area, western Qaidam Basin, the upper member of Oligocene Lower Ganchaigou Fm is an important target for oil and gas exploration, and gypsum-salt rocks are the high-quality caprocks for the preservation of oil and gas reservoirs in this area. For predicting oil and gas exploration direction and target in the western Qaidam Basin and providing guidance for its oil and gas exploration deployment, its depositional characteristics and environment of gypsum-salt rocks in this area were investigated based on the core observation, thin section identification, and analysis of grain size, sensitivity parameter ratios (Sr/Cu, Fe/Mn, (Fe+Al)/(Ca+Mg), V/(V+Ni) and Pr/Ph), pyrite content and inclusions. The following characteristics are identified. First, gypsum-salt rocks are mainly distributed in the depocenter of the lacustrine basin and their thickness decreases towards the margin of the basin. They are laterally transformed into carbonate rocks or terrigenous clastic rocks. They are areally distributed in the shape of irregular ellipse. Second, gypsum-salt rocks are vertically developed mainly in the middle and upper parts of the upper member of Lower Ganchaigou Fm and they are interbedded with carbonate rocks or terrigenous clastic rocks. Their single layer thickness changes greatly, and there are many layers with good continuity. Third, Sand Group Ⅲto GroupⅠin the upper member of Lower Ganchaigou Fm (intersalt) are of reductive water environment of semi-deep to deep lake facies due to their sedimentation in an arid and hot climate. It is concluded that gypsum-salt rocks of the upper member of Lower Ganchaigou Fm are distributed widely with great accumulative thickness in this area; and that they are originated from deep lake water by virtue of evaporation, concentration and crystallization in an arid and hot climate instead of by hydrothermal fluid.

Keyword: Western Qaidam Basin; Shizigou area; Paleogene; Upper member of Lower Ganchaigou Fm; Gypsum-salt rock; Sedimentary environment; Depositional characteristic; Evaporation and concentration
1 研究简况及区域地质背景
1.1 研究简况

据不完全统计, 全球约91%的石油资源量和近80%的天然气资源量均来源于膏盐岩分布的盆地或地区。其中, 油气层产于盐系地层之下(简称盐下)的约占46%, 产于盐系地层之上(简称盐上)的约占41%, 产于盐系地层之间(简称盐间)的约占13%[1, 2, 3, 4]。我国膏盐岩分布广泛, 油气勘探实践已经证实渤海湾盆地的黄骅坳陷、济阳坳陷、冀中坳陷、东濮凹陷, 南襄盆地, 江汉盆地, 塔里木盆地的库车坳陷和柴达木盆地等均发育厚度较大的膏盐岩地层[2, 5, 6]。其中, 柴达木盆地西部狮子沟地区古近系渐新统下干柴沟组上段(E32)为一套连续沉积的暗色含膏盐岩地层, 由于该套地层蕴含丰富的油气资源而备受石油地质学家和沉积学家们的广泛关注, 自20世纪70年代花79井获得油气勘探突破以来, 针对膏盐岩的成因、盐的来源、油源共生及膏盐岩对油气成藏影响等方面国内外众多学者曾展开过详细的讨论[4, 7, 8, 9, 10, 11, 12]。但对膏盐岩本身的沉积演化特征及其沉积环境的研究却被忽略了。近年来, 随着油气勘探的不断深入, 该套膏盐岩的研究才逐渐被重视起来, 目前, 该地区展现出上亿吨级规模油气储量的勘探前景。因此, 非常有必要开展对狮子沟地区膏盐岩的沉积特征、分布范围、沉积环境及成因的研究, 以期为该区下一步盐下与盐间油气精细勘探和目标优选奠定理论基础。

笔者基于前人的研究成果, 充分利用狮子沟地区近年来新的钻/测井资料、分析测试资料和新采集、处理的三维地震资料, 在系统分析该地区E32沉积时的区域沉积背景、泥岩颜色、粒度累计概率曲线图、C-M图及相关敏感参数的基础上, 重新认识了该地区E32膏盐岩沉积演化特征和沉积环境, 认为研究区膏盐岩分布范围大、单层厚度变化大、层数多、连续性较好, 膏盐岩是在干旱炎热气候条件下、半深湖— 深湖沉积环境下由湖水浓缩结晶而成的。

1.2 区域地质背景

研究区狮子沟地区位于柴达木盆地西部南区英雄岭西段, 毗邻阿尔金斜坡, 东面以干柴沟地区的干南断层为界, 北面以七个泉地区的七东断层为界, 南面为游园沟地面构造, 西接红柳泉斜坡, 面积约为140 km2。该区E32地层岩性细、颜色深, 主要为1套灰色、深灰色泥岩、钙质泥岩、含膏泥岩、泥质粉砂岩、碳酸盐岩和膏盐岩, 厚度介于1 410~2250 m, 分为6个砂组, 其中上部的Ⅰ 砂组— Ⅲ 砂组膏盐岩较发育, 下部的Ⅳ 砂组— Ⅵ 砂组膏盐岩发育程度很差。

该区多年的勘探实践及科研成果表明[13, 14, 15, 16, 17, 18]:E32沉积时期是柴达木古湖盆发育的鼎盛时期, 湖盆面积最大, 湖岸线向南直抵现今的昆仑山前, 狮子沟— 游园沟地区为该时期的湖盆沉积中心。E32沉积时期柴西南地区发育3类沉积体系:

1)第1类位于研究区西北部、紧邻阿尔金斜坡地区的近源陡坡扇三角洲— 湖底扇— 湖泊沉积体系。扇三角洲前缘向东南方向延伸至七24井— 狮深6井— 柴3井以东, 其中, 在狮北地区的狮北1井— 狮39井区、干柴沟南部地区的狮45井— 狮38井区和咸水泉地区的咸8井区发育小规模的浊积扇沉积。

2)第2类是位于研究区中心区域的内源碳酸盐岩— 膏盐岩沉积体系, 发育膏盐坪微相和灰云坪微相。

3)第3类是位于研究区西南部的红柳泉— 跃进斜坡地区, 发育远源缓坡滨浅湖— 滩坝沉积体系。主要发育滩坝微相、泥灰坪微相和泥坪微相。滩坝微相包括碎屑岩滩坝和碳酸盐岩滩坝2种滩坝类型, 其中, 碎屑岩滩坝主要发育在阿拉尔— 红柳泉北部地区的红41井区、红深5井区、红27井— 红38井区、红深4井— 七东1井区, 以及跃进斜坡的高部位跃83井区和跃116井区; 碳酸盐岩滩坝的岩性为生物碎屑灰岩和藻纹层(团块)石灰岩, 主要发育在跃西地区的跃70井区和跃进一号地区跃灰101井区, 规模较小; 泥灰坪微相主要发育在红柳泉地区的南部的红33井— 砂西1井区及斜坡的低部位的红33井区和跃进斜坡中低部位的东得1井区, 岩性主要为泥灰岩; 其他区域则发育泥坪微相(图1)。

图1 柴西南狮子沟及其邻区E32沉积相平面分布图

2 膏盐岩发育演化特征
2.1 膏盐岩岩石类型及测井曲线响应特征

狮子沟地区膏盐岩地层岩性复杂, 主要矿物成分为石盐, 其次为(硬)石膏以及少量的钙芒硝。石盐层的测井曲线响应特征为:井眼扩径、低伽马、低密度、低中子、高电阻率、低声波时差, 受井眼扩径的影响声波时差值增大或发生周波跳跃; (硬)石膏层的测井曲线响应特征为:井眼不扩径或微扩径、低伽马、较高电阻率、低声波时差值(图2)。

图2 狮37井E32膏盐岩岩心照片及测井曲线响应特征图

2.2 膏盐岩平面分布特征

2.2.1 E32沉积早期(Ⅳ 砂组— Ⅵ 砂组)

通过对狮子沟及其邻区48口重点井膏盐岩发育情况统计表明, 狮子沟地区E32沉积早期(Ⅳ 砂组— Ⅵ 砂组)膏盐岩平面分布具有以下特征:①平面分布范围较小, 自北面的狮45井至南面的建参1井以南, 外形呈不规则的椭圆形, 分布面积为268.5 km2; ②膏盐岩自盆地边缘向盆地中心变厚, 最厚处分布在狮25井— 狮44井以东区域, 厚度大于200 m; ③膏盐岩只分布在狮子沟— 游园沟— 建设沟, 盆地的其他区域则不发育(图3-a)。

图3 研究区E32膏盐岩平面分布特征图

2.2.2 E32沉积晚期(Ⅰ 砂组— Ⅲ 砂组)

狮子沟地区E32沉积晚期(Ⅰ 砂组— Ⅲ 砂组)膏盐岩平面分布具有以下特征:①与E32早期相比, 膏盐岩的平面分布范围增大, 北面延伸至柴6井— 柴深1井, 南面退缩至建参1井— 英探1井以北, 西面延伸至红东1井— 红30井, 分布面积为402.8 km2; ②膏盐岩在E32早期沉积的基础上继承性发育, 湖盆的沉积中心位置狮25井— 狮44井以东区域的膏盐岩厚度大于250 m(图3-b)。

2.3 膏盐岩发育演化特征

选取研究区的狮北1井— 狮22井— 狮25井— 游6井用于阐述狮子沟地区至游园沟地区E32时Ⅰ 砂组— Ⅵ 砂组膏盐岩纵向发育演化特征。该剖面主体穿过狮北地区和狮子沟地区, 呈北西— 南东方向, 北西起狮北地区的狮北1井, 剖面主体经过狮子沟地区的狮35井、狮39井、狮22井、狮23井、狮41井、狮25井、狮44井, 终于游园沟地区的游6井(图4)。

图4 狮北1井— 狮22井— 狮41井— 游6井区E32膏盐岩发育演化连井剖面图

2.3.1 E32沉积早期(Ⅳ 砂组— Ⅵ 砂组)

研究区E32沉积早期(Ⅳ 砂组— Ⅵ 砂组)膏盐岩发育演化具有以下特点:①Ⅵ 砂组不发育膏盐岩; ②Ⅴ 砂组膏盐岩分布范围局限, 只发育在狮44井— 游6井区, 向北西方向延伸至狮25井以东, 膏盐岩层数少, 单层厚度小; ③与Ⅴ 砂组相比, Ⅳ 砂组膏盐岩发育程度变好, 首先分布面积增大, 不仅狮44井区和狮22井区的次洼区域发育膏盐岩, 而且狮41井— 狮25井区的局部低隆起也发育膏盐岩; 其次膏盐岩连续性变好、层数增多、累计厚度增大, 盐地比数值增大; ④膏盐岩单层厚度变化大, 在2.70~14.70 m; 平均厚度变化较大, 介于5.36~9.95 m; 累计厚度变化大, 介于29.85~96.00 m, 盐地比逐渐增大, 介于7.27%~21.31%; ⑤膏盐岩横向相变为膏质泥岩或钙质泥岩。

2.3.2 E32沉积晚期(Ⅰ 砂组— Ⅲ 砂组)

研究区E32沉积晚期(Ⅰ 砂组— Ⅲ 砂组)膏盐岩发育演化的特点为:①Ⅰ 砂组— Ⅲ 砂组时, 膏盐岩连片分布, 不但2个次洼(狮22井区和狮44井区)发育厚度较大的膏盐岩, 而且在低隆起上(狮41井— 狮25井)也发育一定厚度的膏盐岩, 其中, 狮44井区的膏盐岩发育程度要好于狮22井区; ②膏盐岩单层厚度变化大, 介于1.95~20.70 m; 平均厚度变化较大, 介于5.37~10.87 m; 累计厚度变化大, 介于45.75~89.35 m, 盐地比值变化较大, 介于16.95%~26.47%; ③膏盐岩横向相变为膏质泥岩或钙质泥岩或碳酸盐岩; ④Ⅲ 砂组时膏盐岩发育程度最好、分布范围最大, 北西方向延伸至狮35井— 狮北1井一带。

研究区E32膏盐岩发育的总体特征是:①盆地边缘发育差, 盆地中心发育好; ②E32沉积早期(Ⅳ 砂组— Ⅵ 砂组)发育差, 分布面积小, 晚期(Ⅰ 砂组— Ⅲ 砂组)发育好, 分布面积大; ③膏盐岩单层厚度变化大, 既没有发育连续的巨厚层膏盐岩, 也没有发育连续的薄层膏盐岩, 一般是厚薄相间发育; ④盐地比值小于30%; ⑤受湖盆外陆源碎屑注入的影响, 狮22井区的膏盐岩发育程度要差于狮44井区。

3 膏盐岩沉积环境
3.1 膏盐岩形成于干旱的古气候环境

3.1.1 Sr/Cu比值

近年来, 微量元素Sr/Cu比值被广泛应用于古气候恢复研究并取得了很好的效果, 通常认为Sr/Cu> 10表示干热气候, Sr/Cu比值介于1~10表示温湿气候[19, 20, 21]。研究区狮37井、狮38井和狮40井23个E32Ⅱ 砂组— Ⅰ 砂组地层样品Sr/Cu比值介于11.69~195.27, 平均值为44.74(表1), 反映了研究区E32上部地层沉积时为干热的古气候条件。

表1 柴西南狮子沟地区E32重点井沉积环境地球化学参数表

3.1.2 指相盐类矿物

相关研究成果认为, 指相盐类矿物中典型的冷相盐类矿物为芒硝层, 典型的暖相和偏暖相盐类矿物是钙芒硝层或无水芒硝层, 典型的过渡相盐类矿物是广温性石盐、假石盐或天然碱[20]。该区E32中部和上部广泛发育多层厚薄不一的广温相盐类矿物— 石盐岩层和硬石膏层, 全岩矿物分析表明23个盐间样品中有9个样品含暖相盐类矿物原生钙芒硝, 含量介于0.4%~50.8%, 平均值为11.25%; 石盐比较普遍, 含量介于0~5.7%, 平均值为1.19%(表2)。

表2 柴西南狮子沟地区E32重点井盐类矿物和黄铁矿含量表

因此, 根据E32典型暖相盐类矿物石盐和原生钙芒硝层发育情况和指示气候干旱程度的Sr/Cu比值特征, 结合前人孢粉化石组合的研究成果[10], 认为研究区E32中晚期的古气候属于暖旱型气候。

3.2 E32上部地层为还原性沉积环境的产物

3.2.1 Pr/ Ph比值

Pr/ Ph比值在有机地球化学研究中被广泛应用于判别沉积环境的氧化还原性。姥鲛烷(Pr)和植烷(Ph)等类异戊二烯烃主要来源于叶绿素的植醇侧链。在氧化的成岩条件下植醇主要被氧化成羧酸, 脱羧后形成姥鲛烷, 在还原的条件下主要被加氢转变为植烷, 因而两者比值Pr/ Ph能反映沉积环境的氧化还原性。高的Pr/ Ph值(大于1)指示有机质形成于氧化环境, 低的Pr/ Ph值(小于1)则指示还原环境[22]。狮子沟地区狮37井、狮38井、狮41井和狮42井4口井95个E32上部的生油岩样品饱和烃气相色谱分析数据表明, 该地区E32上部咸湖相生油岩Pr/Ph呈低值(介于0.12~0.82, 平均值为0.40), 结合前人研究成果[22], 认为该区E32上部地层为咸水湖相强还原沉积环境。

3.2.2 V/(V+Ni) 比值

微量元素V/(V+Ni)比值已经成功地被广泛应用于恢复古湖泊水体氧化还原条件研究中。通常认为V/(V+Ni)> 0.54代表厌氧沉积环境, V/(V+Ni)比值介于0.46~0.6之间表示贫氧的沉积环境, V/(V+Ni)< 0.46代表氧化沉积环境[19, 20, 21]。根据上述V/(V+Ni)判别标准, 研究区23个E32上部地层样品的V/(V+Ni)比值介于0.6~0.71, 平均为0.66(表1), 说明了该区E32上部地层沉积时湖泊水体是厌氧沉积环境。

3.2.3 黄铁矿含量

全岩矿物分析表明, 狮子沟地区23个E32上部地层样品普遍含有黄铁矿, 含量为0~7.4%, 平均值为3.6%(表2)。说明E32上部地层沉积时主要为还原环境。

3.3 E32上部地层形成于深水环境

3.3.1 狮37井盐间灰色泥质粉砂岩为深水浊流沉积成因

狮37井E32Ⅰ 砂组— Ⅱ 砂组(2 532~2 800 m)发育1套深灰色泥岩、砂质泥岩夹薄层泥质粉砂岩、膏盐岩。其中, 泥质粉砂岩沉积特征主要为:①岩性细, 主要为泥质粉砂岩和粉砂岩; ②颜色深, 主要为深灰色、灰色, 局部见灰黑色; ③层数多, 单层厚度小(介于2.5~6.5 m), 夹于灰色、深灰色泥岩、砂质泥岩之中; ④对2 538.0~2 794.0 m地层的19个岩屑样品和取心段2 695.58~2 703.58 m的6个岩心样品粒度分析(图5)表明, 该段地层泥质粉砂岩的累计概率曲线均为一宽缓的上拱弧形, 粒度(Φ 值)介于1~8(图5-a); 与之相对应的 C-M图上25个数据点集中分布在QR段, 包络线平行于C=M基线(图5-b)。综合分析认为, 该套暗色泥质粉砂岩为小规模多期次浊流沉积成因。

图5 狮37井盐间泥质粉砂岩累计概率曲线图和C-M

3.3.2 Fe/Mn和(Fe+Al)/(Ca+Mg) 比值

近年来对现代沉积物元素地球化学的研究发现, 元素的聚集与分散与盆地水体深度(更确切地说应是离岸距离)也有一定的关系。这一性质主要是元素在沉积作用中所发生的机械分异作用、化学分异作用和生物、生物化学分异作用的结果。

敏感参数Fe/Mn和(Fe+Al)/(Ca+Mg)比值已经被广泛应用于恢复古湖泊水体深度研究中。通常认为Fe/Mn> 150、(Fe+Al)/(Ca+Mg) > 2.0代表滨浅湖亚相; Fe/Mn< 100、(Fe+Al)/(Ca+Mg)< 1.3代表深湖亚相; Fe/Mn比值介于100~150、(Fe+Al)/(Ca+Mg) 比值介于1.3~2.0表示半深湖亚相[19, 20, 21]。研究区狮37井、狮38井和狮40井23个E32上部地层的样品分析表明(表1):Fe/Mn比值为11.24~29.3, 平均值为23.6; ( Fe+Al) /( Ca+Mg)比值为0.13~0.48, 平均值为0.30。说明研究区E32上部地层的沉积环境为深湖亚相, 即浪基面以下的深水环境。

3.4 膏盐岩为湖水浓缩结晶成因

包裹体分析表明:狮子沟地区狮37井盐岩内包裹体是一相纯液和气液两相盐水包裹体, 烃类包裹体不发育。一相纯液包裹体均一温度峰值区间在20~30 ℃, 平均值为30.6 ℃; 两相包裹体气液包裹均一温度峰值区间在80~100℃, 平均值为92.9 ℃。激光拉曼分析测试表明两类包裹体成分相同, 气、液均为典型水峰, 说明两相包裹体为一相纯液包裹体埋藏热改造的结果[23], 表明狮37井的盐岩是低温条件下湖水浓缩结晶沉积成因。

4 结论与认识

1)狮子沟地区膏盐岩E32早期发育差, 平面分布面积小; 晚期发育好, 平面分布面积增大。膏盐岩单层厚度、平均厚度、累计厚度、盐地比值变化均较大, 既没有发育连续的巨厚层膏盐岩, 也未发育连续的薄层膏盐岩。

2)根据E32上部地层中的典型暖相盐类矿物原生钙芒硝发育情况和Sr/Cu 比值以及孢粉化石组合特点, 认为研究区在渐新世E32晚期沉积时期的古气候属于暖旱型气候。

3)根据对参数Pr/ Ph比值、V/(V+Ni) 比值和黄铁矿含量的分析, 认为狮子沟地区E32上部地层为还原性沉积环境的产物。

4)根据对狮37井盐间灰色泥质粉砂岩深水浊流沉积成因分析和参数Fe/Mn和(Fe+Al)/(Ca+Mg) 比值的结果分析, 认为狮子沟地区上部地层形成于深水环境。

5)根据狮37井盐岩包裹体类型、成分和均一温度分析, 认为研究区膏盐岩为低温条件下湖水浓缩结晶成因, 非热液成因。

致谢:感谢中国石油青海油田公司勘探开发研究院在样品采集和资料收集过程中给予的大力帮助和支持,感谢中国石油天然气集团公司油藏描述重点实验室在样品分析测试过程中给予的支持,感谢《天然气工业》审稿专家提出的宝贵修改意见和有益评论。

The authors have declared that no competing interests exist.

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