漆智先,舒向偉,桑 利 張永生
(中石化江漢油田分公司勘探開發(fā)研究院,湖北 武漢 430074) (中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所,北京 100037)
潛江凹陷潛江組鹽間泥質(zhì)白云巖形成模式分析
漆智先,舒向偉,桑 利 張永生
(中石化江漢油田分公司勘探開發(fā)研究院,湖北 武漢 430074) (中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所,北京 100037)
從潛江凹陷潛江組沉積環(huán)境分析入手,通過鹽間層中白云巖巖石學(xué)特征描述,結(jié)合鹽間泥質(zhì)白云巖地球化學(xué)特征,論述了鹽間白云巖成因。研究表明潛江凹陷潛江組鹽間層中白云巖有原生白云巖、準(zhǔn)同生白云巖和次生成巖白云巖。其中原生白云巖具有粒度細(xì)、鎂鈣比值低、有序度低、碳酸鈣分子含量高的特點,是一種特殊類型的白云巖;準(zhǔn)同生白云巖是在鹽湖近岸湖坪帶經(jīng)過洪水搬運(yùn)改造后,繼而被高濃度分層鹽湖水體“筏運(yùn)”、漂移至較深水區(qū)沉積而成;次生成巖白云巖屬于后生交代白云化作用的產(chǎn)物,以白云石交代鈣芒硝為主。
潛江凹陷;潛江組;白云巖;成因;沉積環(huán)境
潛江凹陷為江漢盆地中一個典型的斷坳型凹陷,潛江組時期,受潛北斷層控制,臨近潛北斷層的蚌湖向斜為沉降中心,地層向東、西、南抬升,厚度逐漸減薄。鉆井揭示地層自上而下發(fā)育有第四系平原組,新近系廣華寺組,古近系荊河鎮(zhèn)組和潛江組。平原組與廣華寺組、廣華寺組與荊河鎮(zhèn)組為不整合接觸,其余地層為整合接觸[1]。潛江組沉積時期潛江凹陷總體為封閉型、高鹽度、強(qiáng)蒸發(fā)環(huán)境下的氯化鈉鹽湖沉積,受北部單向多物源補(bǔ)給的控制,自北而南形成了三角洲前緣砂體-淡、半咸水濱淺湖泥巖(砂巖)-鹽湖鹽巖依次沉積的沉積序列[2]。鹽間地層是位于凹陷中南部含鹽韻律地層中鹽湖水體相對淡化條件下的沉積物,含鹽韻律層為鹽巖層與鹽間層(為碳酸鹽巖、硫酸鹽和泥質(zhì)巖的混合巖)頻繁交互沉積。鹽間層受化學(xué)沉積和機(jī)械沉積作用雙重影響,化學(xué)巖與碎屑巖呈毫米甚至微米級的交替互層,巖石類型較為復(fù)雜,主要巖石類型為灰質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r、白云質(zhì)泥巖、泥質(zhì)白云巖、鈣芒硝泥巖、泥質(zhì)鈣芒硝巖、硬石膏質(zhì)泥巖、泥質(zhì)硬石膏巖等,鹽間層中白云巖、泥巖普遍分布,目前將這套巖層稱為鹽間泥質(zhì)白云巖[2]。
關(guān)于白云巖成因目前主要觀點有2種:原生白云巖和次生白云巖。由于在常溫常壓條件下實驗室內(nèi)尚未合成出“真正的”化學(xué)計量的白云巖(石),而現(xiàn)代鹽湖又缺乏“原生沉淀的”最典型的實例,原生白云巖存在與否是近代碳酸鹽沉積學(xué)爭論最多的問題[3]。為此,筆者通過鹽間層中白云巖巖石學(xué)特征描述,結(jié)合鹽間泥質(zhì)白云巖地球化學(xué)特征研究認(rèn)為,潛江凹陷潛江組鹽間層中白云巖成因類型復(fù)雜,既存在原生白云巖,又有準(zhǔn)同生白云巖和次生白云巖。
1.1古氣候條件
含鹽系地層中孢粉組合類型以裸子植物花粉為主,其次為被子植物花粉,蕨類植物孢子少見,不同巖性差別較大。石鹽層孢粉豐度小,主要為裸子類耐旱的麻黃粉,少量的單束松粉和杉科粉,被子植物花粉數(shù)量較少。鈣芒硝質(zhì)泥巖和泥質(zhì)鈣芒硝巖中裸子類麻黃粉、杉科粉和單束松粉含量較高,仍以麻黃粉占優(yōu)勢,被子植物花粉含量仍較低[2]。泥質(zhì)云巖和云質(zhì)泥巖中喜濕的松粉占優(yōu)勢,其次是麻黃粉,被子植物孢粉明顯提高。泥巖中孢粉豐度大,組合較復(fù)雜,以裸子類孢粉豐度降低、被子類孢粉豐度提高、兩者較為接近為特征。每個鹽韻律中由泥巖→白云質(zhì)泥巖、泥質(zhì)白云巖→鈣芒硝泥巖、泥質(zhì)鈣芒硝巖→鹽巖,植被種類逐漸減少,裸子類增多,反映古氣候潮濕與干旱交替的特點。
1.2湖盆的封閉性及水體氧化、還原性
白堊-第三紀(jì)沉積時期,江漢盆地四周均為大山所包圍,即典型的高山深盆地貌景觀,構(gòu)成了一個封閉的內(nèi)陸盆地[1]。江漢盆地暗色泥巖、油頁巖等油浸巖類十分發(fā)育,表明該區(qū)為封閉-半封閉沉積環(huán)境。盆地內(nèi)潛江凹陷與其相鄰的小板、沔陽、江陵凹陷之間的水體處于時隔時通的狀態(tài),構(gòu)成了相對封閉的沉積環(huán)境[2]。在干旱時期,相對封閉的沉積環(huán)境內(nèi),水體大量蒸發(fā),形成了巨厚的膏鹽巖沉積。
鹽間地層以褐灰、深灰色為主,廣泛發(fā)育黃鐵礦,缺乏底棲生物化石。根據(jù)王云10-6等井薄片分析,黃鐵礦含量1%~3%,最高達(dá)8%,黃鐵礦呈分散狀或團(tuán)塊狀產(chǎn)出,表明沉積環(huán)境是強(qiáng)還原環(huán)境。
1.3水體鹽度
據(jù)王平1井、王云10-6井等6 口井鹽間層泥晶碳酸鹽巖中碳氧同位素測定結(jié)果,δ13C含量為-2.77‰~-5.56‰,δ18O含量23.4‰~28.2‰(標(biāo)準(zhǔn)平均海平面)。采用不同碳酸鹽巖水體鹽度計算公式[4]計算鹽間地層Z值平均為117,反映鹽間地層具有較高的水體鹽度。
采用硼含量換算方法[5]及鹽度換算公式[6]計算鹽間層的鹽度平均為47.8‰(見表1),超出正常海水鹽度(35‰),說明鹽間地層沉積時期以鹽湖沉積環(huán)境為主。
表1 潛江凹陷潛江組鹽間層中硼含量及水體鹽度統(tǒng)計表
1.4沉積期水體溫度
采用Craig(1965)計算公式[7]計算水體平均溫度,計算結(jié)果見表2。水體平均溫度(T)為32.2℃,其中潛二段平均為29.7℃,潛三段平均為34.9℃,表明潛江組沉積時水體溫度較高。
表2 穩(wěn)定碳氧同位素測定古溫度
2.1鹽間層中白云巖的巖石類型
潛江凹陷潛江組鹽間層中白云巖按成分、結(jié)構(gòu)分類法共分4類:泥晶白云巖、粒泥白云巖、顆粒白云巖和晶粒白云巖。每一類可細(xì)分為若干類,其中以泥晶白云巖和粒泥白云巖為主,其他相對少見。
1)泥晶白云巖 泥晶白云巖是研究區(qū)白云巖中最重要的類型,分布較廣,多呈薄紋層狀、塊狀、條帶狀等;以灰色-深灰色為主,部分灰黑色,生物化石缺乏,在剖面上分布較為穩(wěn)定。泥晶白云石為泥晶結(jié)構(gòu),半自形至他形,晶形差,常含有數(shù)量不等的陸源粉砂以及少量次生石膏和硬石膏(由鈣芒硝潮解形成)。白云石晶體表面多被有機(jī)質(zhì)污染,無環(huán)帶,偶見硅質(zhì)交代白云巖,陰極發(fā)光呈紅色、橙紅色。
2)粒泥白云巖和顆粒白云巖 粒泥白云巖和顆粒白云巖分布和含量僅次于泥晶白云巖,常呈灰色至深灰色,以薄層或紋層狀為主,部分為條帶狀、透鏡狀。粒泥主要由顆粒和泥晶組成,顆粒為粉屑和極細(xì)砂屑,少量砂屑,呈圓-橢圓形,成分均為泥晶白云石;泥晶基質(zhì)為白云石。顆粒白云巖的顆粒為內(nèi)碎屑,主要由粉屑和極細(xì)砂屑組成,少量砂屑和陸屑。粒屑成分為泥晶白云石,少量為泥質(zhì),呈園-橢圓形,受擠壓變形后成蝌蚪狀、透鏡狀、長條狀,其長軸多平行排列。此外還含有泥質(zhì)、陸源石英、長石和少量黃鐵礦。
3)晶粒白云巖 晶粒白云巖在白云巖中所占比例均不超過10%。具薄層狀、紋層狀、條帶狀和透鏡狀構(gòu)造,壓實后紋層多顯示出波狀起伏,可見鈣芒硝晶體或白云石晶體壓實后隔斷或壓彎泥紋層。以半自形為主,少量自形和它形,此外還有鈣芒硝、泥質(zhì)以及少量陸源石英、長石、黃鐵礦、石膏等。顯微鏡下可見白云石交代發(fā)育完好的鈣芒硝菱形假晶,使其邊緣呈鋸齒狀或不規(guī)則狀。陰極發(fā)光鏡下,白云石晶體中心呈紅色光,晶體邊緣發(fā)光暗或不發(fā)光。
2.2鹽間層中白云巖的結(jié)構(gòu)
據(jù)掃描電鏡觀察統(tǒng)計,鹽間層中白云巖的晶粒普遍小于10μm,隱晶結(jié)構(gòu)占碳酸鹽晶粒結(jié)構(gòu)的73.76%~87.08%,晶粒平均值2~3μm,細(xì)小的晶粒結(jié)構(gòu)是蒸發(fā)條件快速沉積的產(chǎn)物(見圖1)。
圖1 潛江凹陷潛江組鹽間白云巖粒度分布圖
3.1微量元素特征
根據(jù)王云10-6井、王平1井等井分析(見表3),泥晶白云巖、粒泥白云巖、顆粒白云巖和晶粒白云巖等4類白云巖的微量元素均表現(xiàn)出Sr、Ba、Ni、V、Fe、Mn等含量較高的特點。4類白云巖中Sr/Ba比值均大于1,反映沉積環(huán)境鹽度較高。其中泥晶白云巖與后3類存在一定差別,Sr/Ba值較大,反映出兩者沉積環(huán)境有微弱的不一致性。
表3 白云巖微量元素含量表
3.2鎂鈣比值
據(jù)鹽間層中白云巖的樣品分析結(jié)果,鎂鈣當(dāng)量比值為0.60~0.95,平均0.79,Mg/Ca比值極低;與現(xiàn)代鹽湖和人工合成白云石的試驗條件相差大。例如,西藏扎倉茶卡現(xiàn)代鹽湖Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型湖表水Mg/Ca比值分別為35.78、36.85、31.2;人工室內(nèi)試驗值為5~10;海洋中Mg/Ca比值為3。
3.3泥晶白云巖有序度及碳酸鈣分子含量
根據(jù)泥晶白云巖X-衍射分析(見表4),白云巖的有序度為0.37~0.43,平均值為0.40,CaCO3分子含量為57.30%,為低有序度、高CaCO3分子含量,表明白云巖成核作用弱,結(jié)晶速度快,為強(qiáng)蒸發(fā)、快速沉積所致。
表4 泥晶白云巖中白云石晶體化學(xué)參數(shù)表
表5列出了國內(nèi)外不同地區(qū)、不同成因類型白云巖的有序度及CaCO3分子含量,對比結(jié)果表明潛江組泥晶白云巖有序度非常低,CaCO3分子含量非常高。
表5 白云巖晶體化學(xué)參數(shù)與氧碳同位素組成對比表
注:括號中的數(shù)為樣品數(shù)。
3.4泥晶白云石的伴生礦物
白云石的伴生礦物可以2種形式存在:一是與白云石同時形成并保存下來,另一是白云石的交代殘余礦物,伴生礦物的結(jié)構(gòu)反映出白云石的形成過程。從現(xiàn)代白云石來看,被視為最具代表性的原生白云石實例的澳大利亞庫隆瀉湖中呈乳狀間歇懸浮的碳酸鹽沉積物和湖底沉積物中,方解石與白云石形影相隨。就研究區(qū)鹽間泥晶白云巖而言,白云石的伴生礦物除鈣芒硝、石鹽、少量陸源細(xì)屑外,關(guān)鍵的伴生礦物方解石沒有或很少(見表6)。出現(xiàn)這種情況有2種可能:一是白云石非常徹底地交代了方解石,二是所形成的碳酸鹽礦物主要就是白云石。而前者的可能性極小,因為任何形式白云化作用形成的交代白云石均應(yīng)與方解石伴生,至少應(yīng)見到程度不同的方解石交代殘余,而這一基本特征在研究區(qū)無明顯表現(xiàn)。
表6 泥晶白云巖X衍射分析表
從鹽間白云巖巖石學(xué)特征、地球化學(xué)特征等分析看出,鹽間層中的泥晶白云巖與其他3種白云巖沉積環(huán)境存在一定差別,具有原生沉積的特點。
4.1泥晶白云巖成因模式
根據(jù)潛江凹陷潛江組鹵水組份結(jié)晶沉淀順序,在蒸發(fā)條件下溶液中首先析出是碳酸鹽礦物,即方解石(CaCO3)和菱鎂礦(MgCO3);然后是硫酸鹽礦物,即鈣芒硝、無水芒硝;最后析出石鹽、鈉鎂礬類礦物。在方解石與菱鎂礦沉積之間是否存在白云石(CaCO3·MgCO3)沉淀呢?當(dāng)方解石沉淀富鎂而菱鎂礦沉淀所需鎂不足時,即可形成白云石。實際上潛江凹陷鹽間層中方解石以富鎂方解石為主,而菱鎂礦僅在鹽間層頂部出現(xiàn)。因此從化學(xué)沉積產(chǎn)物而言,鹽間層中具備原生沉淀白云巖的條件,具體形成過程如下:
由盆地周圍地表河流水帶來的主要物質(zhì)成分是Ca(HCO3)2,在水介質(zhì)含鹽度低、MgSO4含量低時,Ca(HCO3)2直接分解形成方解石,即Ca(HCO3)2→ CaCO3+CO2+H2O。作為硫酸鈉類型鹽湖,當(dāng)水體鹽度顯著增高,水中Mg2+聚集到一定程度時形成白云石,可分為2種模式:
Ca(HCO3)2+MgSO4→CaSO4+CaCO3·MgCO3+H2O+CO2
Ca(HCO3)2+MgSO4(量較低)+Na2SO4→CaMg(CO3)2+CaSO4·Na2SO4+CO2+H2O
當(dāng)Mg2+進(jìn)一步富積時,形成菱鎂礦,即:
Ca(HCO3)2+MgSO4(量較高)+Na2SO4→Mg(HCO3)2+CaSO4·Na2SO4→MgCO3+CO2+H2O
4.2顆粒白云巖、粒泥白云石成因模式
顆粒白云巖與粒泥白云質(zhì)中的顆粒均為粉屑-砂屑(局部見粗屑)級云質(zhì)內(nèi)碎屑,同樣由泥晶白云石組成;但組成顆粒的泥晶白云石與基質(zhì)中的泥晶白云石形成期次不同。這些內(nèi)碎屑顆粒應(yīng)是在水體不是很深的情況下,已經(jīng)形成的處于半固結(jié)狀態(tài)的泥晶白云巖在鹽湖近岸湖坪帶被洪水事件搬運(yùn)改造后,繼而被高濃度分層鹽湖水體“筏運(yùn)”、漂移至較深水區(qū)沉積而成。從基質(zhì)均為含泥泥晶白云石而非亮晶(方解石或白云石)膠結(jié)來看,其沉積環(huán)境并非淺水動蕩的高能環(huán)境,而是水體能量相對較弱的中深水體的沉積環(huán)境。當(dāng)顆粒含量較高時,其形成環(huán)境的水體應(yīng)相對較淺些,大體相當(dāng)于鹵水覆蓋的濱淺湖區(qū);因此該類白云巖屬于準(zhǔn)同生白云巖。
4.3晶粒白云巖成因模式
從產(chǎn)狀上看,它們屬于后生交代白云化作用的產(chǎn)物。以白云石交代鈣芒硝為主,白云化首先沿鈣芒硝晶體邊緣和解理縫進(jìn)行,形成網(wǎng)狀或串珠狀分布。當(dāng)交代白云化進(jìn)一步發(fā)生時,網(wǎng)狀和串珠狀白云石相連成片,全部交代鈣芒硝晶體時則形成云斑狀。白云石為粉-粗晶不等晶結(jié)構(gòu),普遍存在于鈣芒硝晶體中,反映了成巖交代環(huán)境。該類白云巖屬次生成因白云巖。
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A
1673-1409(2012)07-N019-05
2012-04-13
漆智先(1965-),男,1987年大學(xué)畢業(yè),高級工程師,現(xiàn)主要從事鹽礦地質(zhì)評價與開發(fā)、石油地質(zhì)和油田開發(fā)方面的研究工作。
[編輯] 洪云飛