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金壇儲(chǔ)氣庫阜寧組四段含鹽層系沉積特征及成鹽模式

2022-06-23 05:18韓春元湯小琪楊經(jīng)棟竇連彬
關(guān)鍵詞:阜寧泥巖巖性

薛 輝,韓春元,朱 萍,湯小琪,楊經(jīng)棟,竇連彬

中國(guó)石油華北油田分公司勘探開發(fā)研究院,河北 任丘 062552

0 引言

含鹽層系是在一定成鹽周期內(nèi)形成的含有鹽類礦物的沉積巖系,一般形成于干旱炎熱的氣候條件下[1-2],同時(shí)伴有強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用,其是湖盆從淡水到咸水再到鹽湖演變過程中形成的產(chǎn)物[3],主要發(fā)育在湖盆相對(duì)低洼的部位[4-5]。含鹽層系常與油氣伴生,其沉積和分布對(duì)盆地內(nèi)油氣聚集和成藏有較大影響[6-7],目前,在我國(guó)渤海灣盆地[8]、四川盆地[9]、江漢盆地[10]、柴達(dá)木盆地[11]、塔里木盆地[12]等中、新生界含油氣盆地中均發(fā)現(xiàn)了厚度較大的含鹽層系。隨著油氣資源和鹽類資源的不斷開發(fā)利用,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)含鹽層系的成因、鹽源、分布、沉積環(huán)境及其對(duì)油氣生成、運(yùn)移和保存等方面的影響進(jìn)行了深入研究[13-17],但專門針對(duì)含鹽層系沉積特征和演化規(guī)律的研究較少。

金壇儲(chǔ)氣庫是我國(guó)第一座已投入運(yùn)行的地下鹽穴儲(chǔ)氣庫[18],為保障長(zhǎng)三角地區(qū)安全平穩(wěn)供氣做出了重要貢獻(xiàn)[19],儲(chǔ)氣庫含鹽層系主要發(fā)育于阜寧組四段,受構(gòu)造背景、物源供給和古氣候等因素控制,含鹽層系沉積具有長(zhǎng)期性和多期性等特點(diǎn)。受勘探程度限制,前人對(duì)該區(qū)含鹽層系的研究主要集中在構(gòu)造、沉積環(huán)境及古生物特征上[20-22],而對(duì)微相特征、分布規(guī)律和控制因素研究較少。因此,深入開展含鹽層系沉積特征和發(fā)育規(guī)律研究,對(duì)鹽穴儲(chǔ)氣庫的選址擴(kuò)建及下一步的開發(fā)利用具有重要意義。本文基于大量的鉆井、測(cè)井、地震等資料,結(jié)合巖心觀察和薄片鑒定,分析含鹽層系的巖性特征和沉積微相特征,揭示含鹽層系在層序格架內(nèi)的分布規(guī)律,探討含鹽層系沉積控制因素和成鹽模式,以期為金壇儲(chǔ)氣庫下一步施工建設(shè)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

金壇儲(chǔ)氣庫構(gòu)造位于直溪橋凹陷,該凹陷位于蘇南隆起區(qū)常州坳陷帶金壇盆地西部,是在中生代凹陷基礎(chǔ)上發(fā)育起來一個(gè)箕狀凹陷[23]。凹陷東部和南部與上黃—大華隆起相鄰,北部與陵口盆地、丹陽盆地和寧鎮(zhèn)隆起帶相望,西部緊靠茅山推覆帶,構(gòu)造整體呈北東走向,具西陡東緩、南高北低的特征。研究區(qū)地層平緩,總體向北西傾斜,傾角小于10°,邊部稍大,在20°以內(nèi),含鹽面積60.5 km2,鹽層平均埋深980 m,平均厚度144 m,平均含鹽率81.8%,屬高品位鹽巖,是建設(shè)鹽穴儲(chǔ)氣庫的有利區(qū)域[24-25]。

研究區(qū)形成經(jīng)歷了初期拉張、中期斷陷、末期坳陷3個(gè)階段,可進(jìn)一步劃分為紫陽橋--倪巷淺洼、東崗低拱、陳家莊--上白塘次洼3個(gè)次一級(jí)構(gòu)造單元(圖1a)。受區(qū)域性拉張應(yīng)力影響,區(qū)內(nèi)普遍發(fā)育北東—南西向雁列式正斷層,自西到東分為西部斷層發(fā)育帶、中部小斷層發(fā)育帶和東部斷層發(fā)育帶[26](圖1a)。阜寧組四段含鹽層系屬于新生代古近紀(jì)古新世晚期沉積[27],與上覆戴南組平行不整合接觸,與下伏阜寧組三段整合接觸(圖1b)。在阜寧組四段沉積早期,氣候較為濕潤(rùn),湖盆邊緣受陸源碎屑的影響,鹽度低,鹽類礦物沉積較少,多發(fā)育灰色及灰黑色泥巖、泥灰?guī)r;中期氣候逐漸干旱,沉積灰白色、灰色、深灰色鹽巖夾膏質(zhì)鹽巖,含泥鹽巖和泥灰?guī)r;后期氣候由干旱向濕潤(rùn)演變,鹽度降低,同時(shí),大量碎屑物質(zhì)的注入使湖水動(dòng)蕩、渾濁,不利于鹽巖的形成和析出[28],該時(shí)期主要沉積灰色及灰黑色泥巖、膏質(zhì)泥巖夾少量泥灰?guī)r。

據(jù)文獻(xiàn)[19]修改。

2 含鹽層系沉積相標(biāo)志

2.1 巖石學(xué)標(biāo)志

2.1.1巖石類型

據(jù)研究區(qū)44口測(cè)錄井資料分析及2口取心井巖心觀察表明,阜寧組四段含鹽層系巖石類型復(fù)雜多樣,主要為石鹽巖,其次為硫酸鹽巖、碳酸鹽巖和泥巖,少量粉砂巖。

1)石鹽巖。石鹽巖是含鹽層系中主要的巖石類型,體積分?jǐn)?shù)約占80%,呈灰色、灰白色、灰黑色,玻璃光澤,巖性致密,質(zhì)地較純,發(fā)育層狀構(gòu)造(圖2a,b)和塊狀構(gòu)造(圖2c)。薄片觀察鹽巖晶體以細(xì)晶、中粗晶及不等粒結(jié)構(gòu)為主(圖2d),局部見巨晶結(jié)構(gòu)。該類巖石常形成于地勢(shì)低洼、水體受限、鹽度高的靜水沉積環(huán)境中。

2)硫酸鹽巖。研究區(qū)內(nèi)硫酸鹽巖以淺灰色或灰白色石膏為主,局部見鈣芒硝和無水芒硝,巖心觀察發(fā)現(xiàn)石膏多呈星點(diǎn)狀(圖2e)、斑狀或團(tuán)塊狀分布,常夾雜在鹽巖和泥巖之間,發(fā)育透鏡狀、塊狀及條帶狀等構(gòu)造類型(圖2f)。薄片觀察石膏晶體呈厚板狀(圖2g),以細(xì)晶結(jié)構(gòu)為主。此類巖石主要發(fā)育于水體循環(huán)受限且蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于補(bǔ)給量的封閉靜水環(huán)境中。

3)碳酸鹽巖。主要有以下2種類型:①灰?guī)r,灰色或暗灰色,塊狀或條帶狀(圖2h),發(fā)育水平或波狀泥質(zhì)紋層,見縫合線構(gòu)造,此類巖性不純,含較多泥質(zhì),主要分布在含鹽層系頂、底部,形成于水動(dòng)力條件較弱的局限、半局限靜水環(huán)境中;②白云巖,灰白色,主要由細(xì)晶或粉晶白云石構(gòu)成,晶粒細(xì)小,一般為0.05~0.10 mm,見少量泥質(zhì),發(fā)育塊狀、層狀及紋層狀構(gòu)造(圖2i),遍布于含鹽層系各類巖石中,與灰?guī)r沉積環(huán)境相似。

4)泥巖。工區(qū)內(nèi)泥巖顏色多樣,棕紅色、灰色、灰黑色,多發(fā)育水平層理(圖2j),也見少量波狀層理、緩波狀層理,泥裂構(gòu)造,薄片觀察泥巖樣本孔徑細(xì)小,大多呈星點(diǎn)結(jié)構(gòu),裂縫發(fā)育,多被石膏充填(圖2k),嘗之略帶咸澀味,不同程度的含鈣質(zhì)、膏質(zhì)和鹽質(zhì),泥巖巖性特征及構(gòu)造特征說明沉積時(shí)水體較淺[29],氣候干旱。

a. 層狀鹽巖,水平層理,JK8-5井,1 105.53 m;b. 層狀鹽巖,韻律層理,JK8-5井,1 032.78 m;c. JK8-5井,鹽巖塊狀分布, 1 074.61 m;d. 中粗晶鹽巖,JK3-3井,1 150.63 m;e. 灰白色石膏巖,呈大小不一的星點(diǎn)狀,JK8-5井,1 132.61 m;f. 泥巖夾薄層狀石膏條帶,JK8-5井,1 146.9 m;g. 硬石膏顆粒,JK3-3井,948.23 m;h. 微晶灰?guī)r,暗灰色,具水平或波狀紋層,見縫合線構(gòu)造,JK8-5井,1 225.6 m;i. 泥晶白云巖,灰白色,水平紋層, JK3-3井,1 205.4 m;j. 泥巖,水平層理,JK8-5井,1 187.5 m;k. 含膏泥巖,石膏充填裂縫,JK3-3井,1 155.44 m;l. 泥質(zhì)粉砂巖,見緩波狀沙紋層理,JK8-5井,1 035.69 m;m. 泥質(zhì)粉砂巖,卷曲變形,JK8-5井,998.54 m;n. 條帶狀石膏與泥巖互層,韻律層理,見微小斷層,JK3-3井,1 178.46 m;o. 含膏泥巖,見透鏡狀層理,JK8-5井,1 052.2 m;p. 泥質(zhì)粉砂巖,見揉皺變形及粉砂質(zhì)條帶及泥巖撕裂屑,JK3-3井,1 168.9 m;q. 泥巖,見石鹽晶體印痕及假晶,方解石填充,JK3-3井,970.48 m;r. 白云巖中見石膏結(jié)核,成層分布,JK8-5井,1 165.8 m。

圖2 金壇儲(chǔ)氣庫阜寧組四段含鹽層系巖心及鏡下照片

Fig.2 Salt-bearing sequence core picture and photomicrographs of Member 4 of Funing Formation in Jintan gas storage

5)粉砂巖。在研究區(qū)分布較少,依據(jù)成分可劃分出以下2種類型:①泥質(zhì)粉砂巖,灰白色、白色,見紋層向上傾斜的小型沙紋層理和變形層理(圖2l,m),前者主要發(fā)育在湖盆邊緣的低能環(huán)境中,后者是未固結(jié)的沉積物在重力作用下發(fā)生滑動(dòng)變形,形成的變形構(gòu)造,并伴隨快速沉積作用[30],多分布在湖盆邊緣斜坡帶等沉積環(huán)境中;②鈣(云)質(zhì)粉砂巖,灰色、灰黑色,分選較好,發(fā)育水平層理,沉積于水動(dòng)力條件較弱的靜水還原環(huán)境。

2.1.2 沉積構(gòu)造

1)層理構(gòu)造

① 塊狀層理。在石鹽巖和膏巖中普遍發(fā)育(圖2c),不具任何紋層特征,內(nèi)部物質(zhì)均勻,在組分和構(gòu)造上都沒有分異現(xiàn)象,反映沉積時(shí)水動(dòng)力較強(qiáng),為水體閉塞、咸化程度較高的湖水動(dòng)蕩沉積。

② 水平層理。由呈直線狀且平行于層面的紋層組成(圖2j),多出現(xiàn)在細(xì)粒碎屑巖、泥巖和碳酸鹽巖中,說明形成時(shí)水體比較穩(wěn)定,屬于低能環(huán)境。

③ 韻律層理。是由成分、結(jié)構(gòu)、顏色等性質(zhì)不同的薄層作有規(guī)律地重復(fù)出現(xiàn)而組成的層理,紋層的厚度一般小于4 mm,研究區(qū)存在兩種類型:一種在石鹽巖地層中較為常見,構(gòu)成韻律的各個(gè)單層的物質(zhì)基本一致,只是顏色深淺不一,實(shí)質(zhì)上是暗色層和淡色層交替組成(圖2b),反映沉積時(shí)氣候季節(jié)性變化;另一種在石膏和泥巖薄互層中常見(圖2n),二者平行排列,交替構(gòu)成韻律,其中膏巖在水體強(qiáng)烈濃縮、蒸發(fā)的環(huán)境中形成,泥巖是水體淡化階段形成的產(chǎn)物。

④ 復(fù)合層理。在膏巖、砂巖和泥巖互層中常見,見波狀層理、透鏡狀層理(圖2o)、脈狀層理,反映沉積時(shí)高能水體和低能水體交替出現(xiàn)。

⑤ 包卷層理。主要發(fā)育在含鹽層系下部薄層粉砂巖層中,沉積紋層呈卷曲狀(圖2p),是沉積物在固結(jié)成巖之前發(fā)生塑性變形形成[31],主要發(fā)育湖盆邊緣。

⑥ 滑塌層理。在湖盆邊緣斜坡上未固結(jié)的軟沉積物在重力作用下滑塌而產(chǎn)生揉皺變形(圖2p),主要發(fā)育在泥質(zhì)粉砂巖中,內(nèi)部見少量泥礫或泥巖撕裂屑,推測(cè)應(yīng)為湖底重力流沉積。

2)化學(xué)成因構(gòu)造

①石鹽晶體印痕及假晶。研究區(qū)石鹽晶體印痕及假晶常見(圖2q),多出現(xiàn)紫紅色泥巖中,反映了經(jīng)常性暴露的沉積環(huán)境,屬于內(nèi)陸型干旱鹽湖沉積。

②結(jié)核。是巖石中自身礦物的集合體,在成分、結(jié)構(gòu)、顏色等方面與圍巖明顯不同,研究區(qū)結(jié)核成分主要為石膏,核徑一般為2~5 mm,形狀不規(guī)則,可單獨(dú)存在,也可平行層面成群分布(圖2r),多發(fā)育在泥巖中,說明沉積時(shí)水體蒸發(fā)作用強(qiáng)烈,氣候炎熱干旱。

2.1.3 孢粉標(biāo)志

依據(jù)S26、J9、ZK02井的鉆孔資料發(fā)現(xiàn):研究區(qū)阜寧組四段含鹽層系中孢粉發(fā)育,以被子植物花粉為主,花粉顆粒分?jǐn)?shù)在47.9%~71.6%之間,裸子植物花粉較少,約占5.0%~20.0%,蕨類孢子顆粒分?jǐn)?shù)在10.0% 以內(nèi),說明沉積古氣候?yàn)闊釒А獊啛釒У臍夂騕32-33];同時(shí)在湖盆周圍檢測(cè)出許多耐鹽、耐干旱的麻黃粉,進(jìn)一步說明沉積時(shí)氣候炎熱干燥,湖盆水體蒸發(fā)作用強(qiáng)烈,鹽度較高。

2.2 測(cè)井相標(biāo)志

對(duì)比研究區(qū)取心井段巖性和電性特征,建立含鹽層系中不同巖性的測(cè)井識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)(表1)。并依據(jù)伽馬曲線的形態(tài)、幅度,將研究區(qū)測(cè)井相劃分為箱形、漏斗形、鐘形、齒形及平直形5種類型。

表1 金壇儲(chǔ)氣庫阜寧組四段含鹽層系主要巖性測(cè)井響應(yīng)特征

1)箱形。該類型測(cè)井相在研究區(qū)較為常見,自然伽馬曲線平緩、低幅,局部齒化,形態(tài)呈箱狀,頂?shù)拙鶠橥蛔兘佑|,箱形形態(tài)(圖3a)。相對(duì)于圍巖,其自然伽馬曲線值極低,一般小于20 API;電阻率高值;中子曲線小于0.0%;密度低值,一般不超過 2.1 g/cm3。對(duì)應(yīng)的巖性主要為石鹽巖、石膏巖、膏質(zhì)鹽巖、泥質(zhì)鹽巖、白云質(zhì)膏巖,箱形說明蒸發(fā)作用強(qiáng)烈持續(xù),主要為膏坪、鹽坪沉積環(huán)境。

2)漏斗形。此種測(cè)井相在含鹽層系下部較為常見,自然伽馬曲線值下大上小,形態(tài)呈漏斗狀,幅度上高下低,頂部突變、底部漸變(圖3b)。自然伽馬值一般為15~45 API;電阻率下大上?。恢凶訛?.0%~0.3%;密度一般為2. 1~2.5 g/cm3。自下而上巖性由泥巖、膏質(zhì)泥巖向膏巖、石鹽巖變化,說明沉積時(shí)水體逐漸咸化。

3)鐘形。該類測(cè)井相在含鹽層系上部較為常見,與漏斗形特征相反,自然伽馬曲線值下小上大,曲線幅度下高上低(圖3c),形態(tài)為鐘形,頂部漸變接觸,底部突變接觸。測(cè)井曲線的響應(yīng)特征與漏斗形相似,對(duì)應(yīng)的巖性下部為石鹽巖、石膏巖,向上過渡為碳酸鹽巖、鹽(膏)質(zhì)泥巖、泥巖等,說明水體鹽度逐漸降低,代表中心膏鹽巖亞相向邊緣帶砂泥巖亞相轉(zhuǎn)變的沉積環(huán)境。

4)齒形。該類測(cè)井相表現(xiàn)為自然伽馬曲線幅度變化較大,曲線呈尖峰或較圓滑的指狀形態(tài),頂?shù)锥紴橥蛔兘佑|(圖3d)。此種曲線特征對(duì)應(yīng)巖性為膏(鹽)巖與泥巖間互,膏(鹽)巖段自然伽馬曲線值低,一般在10~30 API之間;密度中低值,一般小于2.2 g/cm3;電阻率曲線高值;泥巖段自然伽馬曲線高值,一般大于90 API;密度中高值,大于2.4 g/cm3;中子高值,大于10.0%;電阻率曲線中低值。齒狀形態(tài)中膏(鹽)巖單層厚度一般小于3 m,說明沉積時(shí)湖水咸淡變化頻繁,干旱與濕潤(rùn)氣候交替出現(xiàn)。

a. 箱形;b. 漏斗形;c. 鐘形;d. 齒形;e. 平直形。

5)平直形。此類測(cè)井相在含鹽層系頂部較為常見,伽馬曲線形態(tài)平滑—較平滑、高值(圖3e),大于100 API;密度中高值,一般大于2.5 g/cm3;中子高值,大于25%;電阻率曲線低值。對(duì)應(yīng)的巖性多為泥巖,夾膏質(zhì)、粉砂質(zhì)和鈣質(zhì)條帶,屬于低能靜水沉積環(huán)境。

2.3 地震相標(biāo)志

含鹽層系密度低,孔隙不發(fā)育,地震波傳播速度與碎屑巖差異明顯(圖4)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),含鹽層系中不同的巖性組合在地震剖面上具有不同的反射特征,通過井的地震剖面可以看出,研究區(qū)主要發(fā)育3種地震相(圖5)。

1)平行狀。此類反射特征主要發(fā)育在低洼區(qū)域,如陳家莊—上白塘次洼,該區(qū)屬于湖盆中心,水體安靜,咸化程度最高,沉積物分異度相對(duì)較高,成層性也較好[34],該區(qū)以鹽坪微相為主,多期次鹽巖縱向疊置,橫向成層分布。同時(shí),因石鹽巖密度低,平均為2.08 g/cm3,速度平均為4 450 m/s,與圍巖具有較強(qiáng)的波阻抗差異,所以,在地震剖面上石鹽巖表現(xiàn)為強(qiáng)振幅、高連續(xù)平行—亞平行反射結(jié)構(gòu)。平行狀地震相在單井上巖性主要為灰白色石鹽巖、鈣芒硝質(zhì)鹽巖及灰白色含膏鹽巖,夾薄層棕紅色泥巖或灰色含膏泥巖,測(cè)井曲線整體表現(xiàn)為高幅箱形和齒化箱形。碎屑巖中平行狀地震相主要發(fā)育在濱淺湖區(qū)域,水體條件弱,沉積環(huán)境穩(wěn)定,沉積物均勻垂向加積,同石鹽巖平行狀地震相相比,碎屑巖平行狀地震相中地震反射強(qiáng)度要弱得多,同向軸弱連續(xù),在厚層泥巖段甚至表現(xiàn)為空白反射,主要為分布均勻的薄砂巖和厚層泥巖互層。

2)雜亂丘狀。主要發(fā)育在水下隆起區(qū)域,如東崗低拱,該區(qū)水體較淺,波浪作用強(qiáng),成層性差,在地震剖面上表現(xiàn)為中等—強(qiáng)振幅圖(圖5);同時(shí),因鹽巖具有較強(qiáng)的可塑性,極易發(fā)生揉皺變形和“鹽流動(dòng)”現(xiàn)象[10],地震同向軸表現(xiàn)為丘狀不連續(xù)—雜亂反射特征。結(jié)合R9井測(cè)井相(圖5),發(fā)現(xiàn)沉積物類型多樣,巖性主要為灰黑色塊狀鹽巖、灰色泥質(zhì)灰?guī)r、紫紅色泥巖,測(cè)井曲線形態(tài)表現(xiàn)為漏斗形。碎屑巖中雜亂丘狀地震相主要發(fā)育在水體較淺的環(huán)境中,反映沉積物在搬運(yùn)過程中快速卸載,同向軸具不規(guī)則、連續(xù)性差的反射特征,中—強(qiáng)振幅,多發(fā)育在近岸水下扇、沖積扇環(huán)境中,巖性顆粒較粗,主要為粗砂巖、細(xì)礫巖。

3)舌形孤立狀。在湖盆邊緣靠近茅山推覆帶區(qū)域,該區(qū)屬于沉積過渡區(qū)域,在地震上表現(xiàn)為短軸、中—弱振幅、連續(xù)性差的反射特征,含鹽層系內(nèi)部同向軸不連續(xù),整體呈舌形孤立狀,具有陣發(fā)性重力流成因特征[35]。結(jié)合J10井測(cè)井相,發(fā)現(xiàn)舌形孤立狀地震相在巖性上混雜特征明顯,主要巖性為粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖,夾少量鹽巖,測(cè)井曲線形態(tài)表現(xiàn)為齒形。碎屑巖中舌形孤立狀地震相主要發(fā)育在濱淺湖環(huán)境中,水動(dòng)力條件不穩(wěn)定,物源供給有限,在地震剖面上弱振幅,同向軸有反射終止和分叉現(xiàn)象,波動(dòng)起伏小,連續(xù)性差,橫向范圍比地層厚度大,反映弱水流沉積,巖性主要為厚層泥巖夾少量細(xì)砂巖和粉砂巖。

圖4 金壇儲(chǔ)氣庫阜寧組四段不同巖性密度與速度交會(huì)圖

圖5 金壇儲(chǔ)氣庫阜寧組四段含鹽層系地震反射特征

3 沉積相類型及分布特征

3.1 沉積相類型

通過對(duì)2口取心井的巖心觀察,結(jié)合測(cè)井相和地震相,認(rèn)為研究區(qū)含鹽層系屬于鹽湖沉積產(chǎn)物,可識(shí)別出中心膏鹽巖、過渡帶碳酸鹽巖、邊緣帶砂泥巖3種亞相,7種微相(表2,圖6)。

3.1.1 中心膏鹽巖亞相

1)鹽坪。研究區(qū)鹽坪微相主要分布在陳家莊—上白塘次洼,該區(qū)受盆地周緣水流影響較小,陸源碎屑少,地勢(shì)低洼,水體受限。巖性以石鹽巖、含泥鹽巖及泥質(zhì)鹽巖為主,研究區(qū)鹽坪微相中石鹽巖多被有機(jī)質(zhì)浸染而成灰黑色,玻璃光澤或油脂光澤,以塊狀和韻律層理為主,自然伽馬曲線多呈箱形(圖6),鹽坪微相在含鹽層系中段廣泛發(fā)育,厚度變化較大,在洼陷中心部位最厚,向兩端減薄尖滅。

表2 金壇儲(chǔ)氣庫阜寧組四段含鹽層系沉積相類型

2)膏坪。膏坪主要發(fā)育在湖盆內(nèi)部相對(duì)低洼的地區(qū),該區(qū)屬浪基面以下的靜水沉積環(huán)境,氣候干旱,水體循環(huán)受限,蒸發(fā)作用強(qiáng)烈,膏坪常與鹽坪共生,巖性主要為灰色或灰白色石膏巖,含少量無水芒硝和鈣芒硝,沉積構(gòu)造以塊狀和透鏡狀層理為主。平面上主要分布在陳家莊—上白塘次洼邊緣地區(qū),縱向上主要分布在含鹽層系頂?shù)撞?,厚度?.0~30.0 m,平均為15.6 m。膏坪微相在測(cè)井曲線上表現(xiàn)為自然伽馬曲線低值,形態(tài)整體表現(xiàn)為箱形或齒化箱形(圖6)。

3.1.2 過渡帶碳酸鹽巖亞相

1)灰云坪?;以破褐饕l(fā)育在東崗低拱附近的淺水地帶,該區(qū)受地勢(shì)阻隔,湖水循環(huán)受到一定的限制,與外界交換不暢,水體能量弱?;以破簬r性主要為白云巖、灰質(zhì)云巖、膏質(zhì)云巖,偶夾云質(zhì)灰?guī)r和灰?guī)r,水平層理發(fā)育,灰云坪巖性不純,質(zhì)地較脆,晶間孔發(fā)育,局部發(fā)育溶蝕孔、縫,在測(cè)井曲線上表現(xiàn)為自然伽馬曲線中低值,多呈小幅箱形(圖6)。

Rs.淺側(cè)向電阻率。

2)泥灰(云)坪。泥灰(云)坪縱向上主要分布在含鹽層系的頂、底部,平面上主要發(fā)育在湖盆邊緣靠近茅山高地的局限或半局限靜水環(huán)境中,該區(qū)水體周期性淡化,鹽度較低,巖性以深灰色泥質(zhì)灰?guī)r為主,夾薄層泥質(zhì)云巖,發(fā)育水平層理、塊狀層理,見紋層狀泥質(zhì)條帶和縫合線構(gòu)造,自然伽馬曲線值較大,多呈漏斗形(圖6)。

3.1.3 邊緣帶砂泥巖亞相

1)含鹽(膏)泥坪。含鹽(膏)泥坪主要發(fā)育在湖盆邊緣濱岸帶較淺水成鹽區(qū),水體鹽度整體較低,沉積的鹽(膏)巖晶粒細(xì)小,薄而質(zhì)雜,多為灰黑色,薄層狀,少數(shù)條帶狀。含鹽(膏)泥坪巖性以含鹽泥巖為主,含少量含膏泥巖和鈣芒硝質(zhì)泥巖,在自然伽馬曲線上表現(xiàn)為低幅背景下的齒形高值(圖6)。

2)泥坪。泥坪微相主要發(fā)育在湖盆邊緣低能的弱水動(dòng)力環(huán)境中,處于湖水洪水面與枯水面之間,偶爾會(huì)暴露出水面,沉積巖性粒度較細(xì),以白云質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)泥巖、泥巖為主,多發(fā)育水平層理,見泥裂構(gòu)造,泥坪微相在自然伽馬曲線上表現(xiàn)為低幅高值,平直形(圖6)。

3)灘砂。灘砂微相主要發(fā)育在湖盆邊緣靠陸一側(cè)的淺水地區(qū),受陸源物質(zhì)供給影響,主要巖性為泥質(zhì)粉砂巖和鈣質(zhì)粉砂巖,常呈條帶狀?yuàn)A雜在泥巖之間,見緩波狀或波狀層理,研究區(qū)灘砂微相發(fā)育較少,在自然伽馬曲線上表現(xiàn)為齒形低值(圖6)。

3.2 分布特征

金壇儲(chǔ)氣庫阜寧組四段含鹽層系自下而上構(gòu)成一個(gè)完整的沉積旋回,縱向上具有多期成鹽、咸淡周期性交替等特點(diǎn)。在單井層序特征及沉積特征分析的基礎(chǔ)上,將阜寧組四段含鹽層系劃分為3個(gè)亞段(圖7),不同層段內(nèi)含鹽層系在縱向和平面上的演化規(guī)律如下。

含鹽層系沉積早期(SQ1),即鹽下硫酸鹽-碳酸鹽亞段沉積時(shí)期(圖8a),該時(shí)期氣候由潮濕逐漸演變?yōu)楦珊担饕l(fā)育過渡帶碳酸鹽巖亞相和邊緣帶砂泥巖亞相,TST(湖侵體系域)由短期湖侵形成的向上加深的四級(jí)旋回組成,主要發(fā)育泥坪微相;HST(高位體系域)時(shí)期湖平面下降,蒸發(fā)作用較強(qiáng),發(fā)育過渡帶碳酸鹽巖亞相,主要沉積泥灰(云)坪、含鹽(膏)泥坪、泥坪等微相。平面上(圖8a),在湖盆邊緣R6井以西地區(qū),水體鹽度低,鹽類礦物不發(fā)育,主要發(fā)育邊緣帶砂泥巖亞相,東部主要為泥坪、灰云坪微相;在湖盆中心JK10-1井區(qū),水體咸化程度較高,發(fā)育中心膏鹽巖亞相,主要發(fā)育鹽坪微相,該時(shí)期鹽巖厚度較薄,在10.30~31.10 m之間,平均18.31 m,在JK7-11井區(qū)鹽巖厚度最大,向四周鹽層厚度減薄。

含鹽層系沉積中期(SQ2),對(duì)應(yīng)中部鹽巖亞段(圖7),該時(shí)期氣候持續(xù)干旱,湖水濃縮,主要發(fā)育中心膏鹽亞相夾邊緣帶砂泥巖亞相。底部TST整體屬低能沉積,灰云坪、泥灰(云)坪微相發(fā)育,巖性主要為灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r,以齒形為主;HST由眾多向上變淺的四級(jí)旋回疊置組成,箱形或齒化箱形,縱向上構(gòu)成一個(gè)進(jìn)積—加積序列。平面上(圖8b),研究區(qū)主要發(fā)育中心膏鹽巖亞相,以鹽坪微相為主,在湖盆邊緣發(fā)育膏坪微相。該時(shí)期鹽坪微相廣泛發(fā)育,厚度較大,在153.50~198.99 m之間,平均175.60 m,在JK10-1、JK5-6等井區(qū)為鹽湖沉積中心,石鹽巖厚度最大,向四周減薄,在研究區(qū)周邊零星發(fā)育灰云坪、含鹽(膏)泥坪和泥坪微相。

含鹽層系沉積后期(SQ3),對(duì)應(yīng)鹽上硫酸鹽-碳酸鹽亞段(圖7),該時(shí)期氣候由干旱向濕潤(rùn)演變,湖平面快速上升,水體淡化,主要發(fā)育TST。該時(shí)期主要發(fā)育泥坪、灰云坪、泥灰(云)坪等微相(圖8c),石鹽巖不發(fā)育。

4 含鹽層系沉積控制因素

4.1 古地貌

研究區(qū)古地貌具有“一隆兩洼” 構(gòu)造格局:西部紫陽橋—倪巷淺洼、東部陳家莊—上白塘次洼和夾于二者之間的東崗低拱,疊合古地貌圖和鹽巖厚度等值線圖(圖9),發(fā)現(xiàn)含鹽層系沉積特征受古地貌控制明顯,古地貌條件決定盆地周緣淡水補(bǔ)給程度,從而控制含鹽層系沉積微相類型及分布。

西部紫陽橋—倪巷淺洼緊鄰茅山推覆帶,陸源碎屑多,淡水補(bǔ)給量大,鹽巖不發(fā)育,如R6井位于該區(qū)湖盆邊緣,發(fā)育邊緣帶砂泥巖亞相,沒有鉆遇鹽層。中部東崗低拱受古隆起影響,在一定程度上抑制了西部陸源碎屑向湖盆內(nèi)部作長(zhǎng)距離搬運(yùn),平面上越靠近物源區(qū)鹽巖越不發(fā)育,厚度越??;同時(shí)由于該區(qū)水體經(jīng)常淡化,沉積的鹽巖相對(duì)薄而質(zhì)雜,泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)相對(duì)較高,縱向上鹽巖、泥灰?guī)r與泥巖互層,橫向上鹽巖分布不穩(wěn)定,逐漸向西部、北部尖滅。東部陳家莊—上白塘次洼遠(yuǎn)離西部物源,陸源碎屑供給較少,是湖盆沉積沉降中心,主要發(fā)育鹽坪微相,該區(qū)沉積鹽巖較厚,在170.00~280.00 m之間,平均為198.32 m,泥巖夾層少。

SQ1. 沉積早期;SQ2. 沉積中期;SQ3. 沉積后期;HST. 高位體系域;TST. 湖侵體系域。

4.2 水體開放程度

水體開放程度作為化學(xué)沉積最重要的影響因素之一,直接決定湖盆水體類型及水體交換情況[36]。阜寧組四段沉積早期,金壇盆地處于斷陷湖盆階段,湖盆沉降,受四周高地阻隔,水體循環(huán)受限,開放程度逐漸減弱,縱向上整體表現(xiàn)為逐漸變淺的水退沉積序列,由邊緣帶砂泥巖亞相—過渡帶碳酸鹽巖亞相—中心膏鹽巖亞相轉(zhuǎn)變(圖10a),巖性由鹽度低的巖性逐漸過渡為鹽度高的巖性轉(zhuǎn)變。

a. SQ1時(shí)期;b. SQ2時(shí)期;c. SQ3時(shí)期。

阜寧組四段沉積晚期,研究區(qū)總體表現(xiàn)為坳陷沉積特征,東北部與蘇北濱淺海直接連通,水體淡化,開放程度逐漸增大,在膏鹽巖之上依次沉積碳酸鹽巖、砂泥巖。整體表現(xiàn)為逐漸變深的水進(jìn)沉積序列,沉積巖性從鹽度高的巖性逐漸過渡為鹽度低的巖性(圖10b),縱向上沉積序列表現(xiàn)為中心膏鹽巖亞相—過渡帶碳酸鹽巖亞相—邊緣帶砂泥巖亞相。

4.3 湖平面變化

湖平面變化對(duì)含鹽層系沉積特征控制明顯。一方面,湖平面通過控制沉積環(huán)境從而控制含鹽層系在平面上的相態(tài)展布。通過分析含鹽層系中泥巖樣本的硼元素含量,利用科奇公式計(jì)算古鹽度[37],發(fā)現(xiàn)不同研究區(qū)古鹽度呈規(guī)律變化,即自沉積中心向外古鹽度逐漸降低。陳家莊—上白塘地區(qū)古鹽度超過40.0‰,屬于超咸水沉積環(huán)境,該區(qū)沉積厚層狀石鹽巖,屬于中心膏鹽巖亞相;在東崗低拱地區(qū),古鹽度分布在26.8‰~38.5‰之間;平均為32.4‰,為咸水沉積環(huán)境,該區(qū)主要發(fā)育泥灰?guī)r、膏質(zhì)云巖等,屬于過渡帶碳酸鹽巖亞相;再往外紫陽橋--倪巷淺洼到湖盆邊緣,古鹽度值最低,多小于15.0‰,為淡水—微咸水沉積環(huán)境,蒸發(fā)巖不發(fā)育,屬于邊緣帶砂泥巖亞相。金壇地區(qū)鹽巖主要圍繞盆地沉積中心呈環(huán)帶狀分布,在平面上隨沉積環(huán)境變化向四周減薄尖滅,不斷相變。

圖9 金壇儲(chǔ)氣庫阜寧組四段古地貌與鹽巖厚度疊合圖

另一方面,湖平面周期性上升和下降,在巖性剖面上表現(xiàn)為泥巖類、碳酸鹽巖類和石鹽巖類交替出現(xiàn)[38],研究區(qū)含鹽層系自下而上構(gòu)成一個(gè)較完整的成鹽旋回,依次經(jīng)歷湖退鹽類凝聚期、枯水鹽類富集期、水進(jìn)水體淡化期(圖11)。湖退鹽類凝聚期,即阜寧組四段沉積早期(SQ1),氣候開始變得干旱,湖平面降低,湖水咸化,該時(shí)期以泥巖和碳酸鹽巖沉積為主;在枯水鹽類富集期(SQ2),氣候干旱,蒸發(fā)作用強(qiáng)烈,湖水鹽度不斷增加,鹽巖開始大量沉積,同時(shí),伴隨水體溶液反復(fù)出現(xiàn)淡化作用,在厚層鹽巖內(nèi)部常夾雜淡化巖(含泥鹽巖、無水芒硝質(zhì)鹽巖、泥巖);水進(jìn)水體淡化期(SQ3),即阜寧組四段沉積末期,氣候濕潤(rùn),降雨量增加,湖平面上升,大量碎屑物質(zhì)的注入,造成湖水鹽度不斷降低,不利于鹽巖的沉積。

a. 逐漸咸化沉積序列; b. 逐漸淡化沉積序列。

5 含鹽層系成鹽模式

金壇儲(chǔ)氣庫阜寧組四段含鹽層系垂向沉積演化具有一定的規(guī)律性,自下而上構(gòu)成一個(gè)完整成鹽旋回,水體環(huán)境整體表現(xiàn)為淡化—濃縮—淡化過程[39]。通過對(duì)阜寧組四段含鹽層系沉積相特征和演化規(guī)律綜合分析,在沉積控制因素分析基礎(chǔ)上,認(rèn)為研究區(qū)含鹽層系存在局限型和廣覆型2種成鹽模式,2種模式垂向上完整或不完整疊加形成厚層含鹽層系。

局限型成鹽模式見圖12a,其主要發(fā)育在阜寧組四段沉積早期,該時(shí)期氣候逐漸干旱,湖平面不斷降低,湖盆蒸發(fā)量大于補(bǔ)給量,水體鹽度開始增加,由淡水湖相向鹽湖相轉(zhuǎn)變。該成鹽演化模式可分為3個(gè)階段:早期湖盆沉降,氣候濕潤(rùn),在靠近物源區(qū)茅山高地的紫陽橋—倪巷淺洼地區(qū),有陸源碎屑供給,沉積砂泥巖,在地貌相對(duì)較低的紫陽橋—倪巷淺洼和陳家莊—上白塘次洼,水體較深,沉積深色的泥巖、膏質(zhì)泥巖,在古地貌相對(duì)較高的東崗低拱地區(qū),沉積灰質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r;中期相對(duì)湖平面開始下降,湖水濃縮,鹽度增高,在洼陷區(qū)發(fā)育膏質(zhì)碳酸鹽巖、石膏巖、石鹽巖沉積,隆起區(qū)發(fā)育鹽質(zhì)碳酸鹽巖沉積,湖盆邊緣發(fā)育砂泥巖沉積;晚期蒸發(fā)作用強(qiáng)烈,湖水鹽度較高,高鹽度的湖水由淺水區(qū)流向湖盆中心深水區(qū)[40],在紫陽橋—倪巷淺洼和陳家莊—上白塘次洼區(qū)域沉積鹽巖,東崗低拱發(fā)育鹽質(zhì)碳酸鹽巖,湖盆邊緣發(fā)育泥灰坪。局限型成鹽模式中鹽巖分布范圍局限,集中發(fā)育于古地貌低洼區(qū),單層鹽巖厚度也相對(duì)較薄。

廣覆型成鹽模式見圖12b,其主要發(fā)育在阜寧組四段沉積中期,該時(shí)期湖盆閉塞,氣候干旱,強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用導(dǎo)致湖水不斷濃縮,主要發(fā)育局限鹽湖相。該成鹽演化模式也分為3個(gè)階段:早期湖水鹽度相對(duì)較低,在湖盆邊緣靠近物源區(qū)有零星碎屑巖沉積,以泥巖為主,砂巖分布局限,泥灰坪分布范圍較廣,在湖盆洼陷區(qū)發(fā)育鹽質(zhì)泥巖,低隆區(qū)發(fā)育灰質(zhì)泥巖;中期湖水鹽度增加,低洼區(qū)發(fā)育鹽質(zhì)膏巖及鹽巖沉積,低隆區(qū)發(fā)育鹽質(zhì)碳酸鹽巖沉積,湖盆邊緣發(fā)育碳酸鹽巖沉積,泥灰坪和砂泥巖分布范圍進(jìn)一步變?。煌砥诤}度最高,超過石鹽析出臨界飽和度,在低洼區(qū)和隆起區(qū)均廣泛發(fā)育石鹽巖,湖盆邊緣發(fā)育鹽質(zhì)碳酸鹽巖沉積,砂泥巖和泥灰坪分布局限。廣覆型成鹽模式中鹽巖分布范圍較大,鹽巖厚度受古地貌控制差異明顯,在湖盆中心區(qū)域厚度最大,往四周減薄。

圖11 金壇儲(chǔ)氣庫阜寧組四段含鹽層系沉積特征和古環(huán)境變化

a. 局限型成鹽模式;b. 廣覆型成鹽模式。

6 結(jié)論

1)金壇儲(chǔ)氣庫阜寧組四段含鹽層系巖石類型多樣,可劃分為石鹽巖、硫酸鹽巖、碳酸鹽巖、粉砂巖、泥巖5種類型,發(fā)育6種層理構(gòu)造和2種化學(xué)成因沉積構(gòu)造,具有箱形、鐘形、齒形、漏斗形及平直形5種測(cè)井相特征,發(fā)育平行狀、雜亂丘狀、舌形孤立狀3種地震相特征。

2)金壇儲(chǔ)氣庫阜寧組四段含鹽層系屬于鹽湖沉積,可劃分出中心膏鹽巖、過渡帶碳酸鹽巖、邊緣帶砂泥巖3種亞相,鹽坪、膏坪、灰云坪、泥灰(云)坪,含鹽(膏)泥坪、泥坪、灘砂7種微相??v向上可劃分3個(gè)層序,不同層序內(nèi)部鹽巖沉積特征和分布規(guī)律各異。

3)金壇儲(chǔ)氣庫阜寧組四段含鹽層系沉積控制因素包括古地貌、水體開發(fā)程度和湖平面變化等,古地貌控制含鹽層系沉積微相類型和分布特征,水體開放程度控制沉積序列演化和巖性組合,湖平面變化控制含鹽層系沉積分布和發(fā)育規(guī)律。

4)金壇儲(chǔ)氣庫阜寧組四段含鹽層系存在局限型和廣覆型兩種成鹽模式,每種模式包含3個(gè)演化階段,不同成鹽模式中鹽巖的演化規(guī)律和分布范圍不同,局限型成鹽模式中鹽巖分布局限,集中分布在低洼區(qū),廣覆型成鹽模式中鹽巖分布范圍較大,低洼區(qū)和隆起區(qū)都廣泛發(fā)育。

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