2018, Vol. 30
2. 中国石油集团油藏描述重点实验室, 兰州 730020;
3. 中国石油青海油田分公司, 甘肃 敦煌 736200
, ZHANG Daowei3, YI Dinghong1, YUAN jianying1,2, SHI Yajun1, MA Xinmin1, GAO Yanfang1, ZHANG Ping1, WANG Peng3
2. Key Laboratory of Reservoir Description, CNPC, Lanzhou 730020, China;
3. Research Institute of Exploration and Development, PetroChina Qinghai Oilfield Company, Dunhuang 736200, Gansu, China
湖相碳酸盐岩常发育于内陆咸水湖盆和盐湖中，一般是湖盆从淡水向咸水直到盐、碱湖演变过程的必然产物，其分布受控于构造背景、物源供给和古气候、水体盐度等因素。湖相碳酸盐岩自三叠系到新近系的古湖泊中均有发育，但主要集中在中生界和新生界。我国最典型的湖相碳酸盐岩发育于柴达木盆地下干柴沟组上段[1-2]、四川盆地下侏罗统自流井组大安寨段[3-4]、渤海湾盆地济阳坳陷和东营凹陷古近系沙河街组[5-7]、泌阳凹陷古近系核桃园组[8]、松辽盆地下白垩统青山口组[9]、陕甘宁盆地上三叠统延长组[10]、平邑盆地古近系官庄组[11-13]、三水盆地古近系布心组[14]、江汉盆地古近系潜江组等[15-16]。
湖相碳酸盐岩以灰岩、白云岩为主，但大多数含一定数量的黏土和陆源碎屑，表现为混合沉积特征[17-23]。因沉积环境、古地貌、古气候的特殊性，造成湖相碳酸盐岩的成因与结构类型表现出较大的差异性，有生物成因和化学成因两大类。生物成因的有：济阳坳陷明化镇组、黄骅坳陷沙河街组的柯世藻灰岩[24-25]，松辽盆地青山口组的介形虫灰岩[9]，四川盆地大安寨段结晶介壳灰岩[3-4]；化学成因的有：柴达木盆地下干柴沟组准同生成因的灰云岩[29-30]，准噶尔盆地风城组热液成因的白云岩[26-28]，酒泉盆地下沟组热液成因的白云岩等[31]。以混合沉积成因的湖相碳酸盐岩岩性多样，成分复杂，一般与暗色泥岩呈互层状。通常发育在湖盆构造稳定、持续扩张的阶段，处于气候温热干旱、半咸水—咸水环境中，且受陆源碎屑物质影响较小[32-34]。
柴达木盆地下干柴沟组上段(E32)是古近纪以来的最大洪泛期，在柴西南地区的沉降沉积中心狮子沟地区发育有较厚的烃源岩，同时也广泛发育以灰云岩为主的湖相碳酸盐岩储集层，并形成源储一体的碳酸盐岩油气藏。近几年，狮子沟地区针对碳酸盐岩油气藏勘探陆续获得重大发现，该类油藏具有厚度大、产量高、横向分布广、纵向油层数量多等特征，其中狮38井、狮205井等多口井获得日产1 000 t以上的产量，表明湖相碳酸盐岩是柴达木盆地重要的油气勘探领域。目前柴达木盆地E32湖相碳酸盐岩是油气勘探的热点，已引起国内学者的广泛关注，众多学者针对跃西地区和狮子沟地区的E32碳酸盐岩在白云石成因[35]、岩性变化[29, 36-37]、储层物性[38-40]、沉积环境[37, 41-42]和成藏模式[43]等方面进行了深入研究，但缺乏对柴西地区(柴达木盆地西部地区) E32湖相碳酸盐岩系统性认识。立足于柴西地区碳酸盐岩整体发育区，以E32为目的层段，基于钻井、测井、地震以及大量的分析化验资料，对湖相碳酸盐岩的沉积演化及相带分布、结构类型、岩石类型及其成因主控因素进行系统研究，以期深化湖相碳酸盐成藏地质认识，并指导柴达木盆地湖相碳酸盐的油气勘探。
1 区域地质概况柴西地区包括阿拉尔—红柳泉斜坡带、英雄岭构造带、咸水泉—油泉子—开特米里克构造带、小梁山—南翼山—大风山构造带以及阿尔金西段斜坡区等次级构造单元，面积约2 850 km2(图 1)。该区E32时期陆源碎屑沉积作用和化学沉积作用共存，其北部狮北—干柴沟地区发育扇三角洲沉积，阿拉尔斜坡区发育滨浅湖陆源碎屑滩坝与碳酸盐岩滩坝沉积；湖盆主体区域发育浅湖—半深湖亚相的碳酸盐岩和膏盐岩沉积，地层厚达1 800 m，平均厚度为1 500 m，其中，沉积中心狮子沟地区E32的Ⅰ—Ⅲ砂组盐岩层发育，与深灰色灰云岩、砂质泥岩及薄层粉砂岩呈互层状，Ⅳ—Ⅵ砂组灰云岩发育，与有机碳含量高的泥岩及粉砂岩呈条带状互层。
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下载eps/tif图 图 1 柴达木盆地西部地区地理位置 ①阿拉尔—红柳泉斜坡带；②尕斯—跃进斜坡带；③英雄岭构造带；④咸水泉—油泉子—开特米里克构造带；⑤；小梁山—南翼山—大风山构造带；⑥阿尔金西段斜坡区 Fig. 1 Location of the western Qaidam Basin |
柴西地区湖相碳酸盐岩颜色为灰色、深灰色和灰黑色等，岩性主要为灰云岩和泥灰岩，其次为白云岩和灰岩，大多数坚硬、致密、性脆，单层厚度从几厘米到几十米不等。
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下载CSV 表 1 柴西地区E32湖相碳酸盐岩常量元素地球化学分析 Table 1 Major element geochemistry analysis of lacustrine carbonate rocks of E32 in western Qaidam Basin |
(1) 碳酸盐岩的化学成分
X荧光元素分析表明，柴西地区E32碳酸盐岩常量元素化学成分主要为SiO2，CO2，CaO和SO2，其次为Al2O3，MgO，Na2O，Fe2O3，K2O(表 2)。质量分数＞100×10-6的微量元素有Cl，Ti，P、Mn，Sr，Ba，Zr，V；质量分数＜100×10-6的有Cr，Co，Cu，Zn，Rb，Y，Nb，Ni，La，Ce，Pb，Th。盐间碳酸盐岩由盆缘带入的造岩元素的含量要明显高于盐下，而盆内自生的化学沉积的元素含量变化趋势则相反(表 3)。微量元素通常以类质同相方式取代Ca2+与Mg2+进入方解石、文石、镁方解石或白云石晶格中。
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下载CSV 表 2 柴西地区E32湖相碳酸盐岩微量元素地球化学分析 Table 2 Trace element geochemistry analysis of lacustrine carbonate rocks of E32 in western Qaidam Basin |
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下载CSV 表 3 柴西地区E32湖相碳酸盐岩X射线衍射全岩矿物含量 Table 3 Whole rock mineral content analysis by XRD of lacustrine carbonate rocks of E32 in western Qaidam Basin |
(2) 碳酸盐岩的矿物成分
X射线衍射全岩定量分析揭示：柴西地区E32碳酸盐岩的矿物组成以碳酸盐岩矿物(质量分数为50.1%)为主[其中(铁)白云石、方解石分别占34.6%，9.6%]，其次为陆源碎屑矿物(质量分数为21.7%)和黏土矿物(质量分数为11.4%)(表 3)。
2.2 碳酸盐岩的结构组分碳酸盐岩的结构组分随沉积环境和古地貌的变化而具有较大的差异，柴西地区碳酸盐岩的结构组分以灰泥为主，其次为局部地区发育的内碎屑、生物骨架、生物碎屑、鲕粒、团粒、团块等多种类型的颗粒。根据成岩变化以及结晶粒度，碳酸盐岩绝大部分为泥晶与微晶结构，只有极少量的亮晶结构，它们相互组合构成多种结构类型，反映了不同的沉积作用和沉积条件。
(1) 灰泥。灰泥晶粒一般为0.001~2.000 μm，最大为5 μm[图 2(a)~(b)]，在滨浅湖、半深湖—深湖以及盐湖等低能环境均有发育。灰泥是柴西地区碳酸盐岩沉积的主要结构组分，如狮30井的含粉砂灰质白云岩[图 3(a)]，由泥晶白云石(体积分数为50%)与泥晶方解石(体积分数为20%)、黏土矿物、条带状粉砂岩组成，且混杂分布。
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下载eps/tif图 图 2 柴西地区E32扫描电镜下泥晶白云石的晶体形貌 (a)跃灰101井，3 255.22 m，含粉砂泥晶白云岩，白云石晶体大小为1~3 μm，发育晶间孔，最大孔径800 nm；(b)狮32斜井，4 133.48 m，含泥白云岩，白云石晶体大小为1~4 μm，发育晶间孔，最大孔径600 nm Fig. 2 Morphology of mud-sized crystalline dolomite under scanning electronic microscope |
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下载eps/tif图 图 3 柴西地区E32湖相碳酸盐岩结构类型 (a)狮30井，4 083 m，含粉砂灰质白云岩；(b)狮46井，3 774 m，颗粒泥晶灰岩；(c)跃灰101井，2 997 m，球粒与团块状藻灰岩；(d)狮24井，3 910 m，藻团块白云岩；(e)跃灰101井，2 932.1 m，含鲕泥晶灰岩；(f)跃灰101井，3 280 m，含生屑灰质泥晶白云岩 Fig. 3 Sedimentary structure types of lacustrine carbonate rocks in western Qaidam Basin |
(2) 内碎屑颗粒。分布在跃进斜坡、狮子沟斜坡区等湖盆边缘以及湖盆内部水下隆起带水动力较强的浅湖区，岩石类型为颗粒灰岩，晶体类型主要为白云石和方解石的泥晶与微晶，这些都是准同生化学沉淀作用的产物。破坏了岩石原始结构而形成，部分保留了原始结构则为残余结构。如狮46井的颗粒泥晶灰岩[图 3(b)]，主要由泥晶方解石组成，为圆形及椭圆形，边界模糊，呈条带状分布，并夹杂少量陆源碎屑颗粒，其中颗粒体积分数为35%。
(3) 生物藻颗粒。发育在跃进斜坡、七个泉等盆地边缘的碳酸盐岩台地和盆内隆起带的静水环境中，由藻灰岩粘接和凝聚而形成的颗粒及其复合体，表现为球粒和团块状复合体，并与少量的陆源碎屑颗粒混杂共生。
球粒为不具内部结构的球形或卵球形，颜色较深，为灰色、深灰色，大小不等，粉砂级至细砂级颗粒，粒度为50~300 μm，主要为生物藻颗粒和无机沉淀的泥晶方解石、黏土矿物等发生凝聚作用，经流水搬运、滚动形成。球粒在各种环境中都大量存在，但因其易碎易分解，主要保存在低能环境中，如跃灰101井，含灰含藻团块泥晶白云岩，发育大量球粒，体积分数为20% [图 3(c)]。
团块是由多个碳酸盐颗粒被灰泥或藻类粘结而形成的复合颗粒[图 3(c)~(d)]，是柴西地区生物藻颗粒灰岩的主要类型，但在沉积物总量的含量较小，体积分数为1%~2%。团块形状有球状、椭球状、扁平状、长条状、蛇形状、纹层状以及不规则状等；粒度为0.05~10.00 mm。藻灰团块往往与泥砂混层，黄铁矿多发育在藻团块边缘及泥砂混层内，并发育大量微孔，多赋存于泥晶白云石富集区。在亮晶区、泥砂混层及方解石内不发育孔隙，微裂缝则多发育在泥砂混层内。
(4) 鲕粒。发育于湖盆边缘或水动力较强的浅湖区，在柴西地区湖相碳酸盐岩中占比较小，厚度一般小于1 m，大多为厘米级到分米级。由核心和同心层状的碳酸盐岩包壳组成，呈圆球状和椭球状。粒径为100~500 μm，核心主要为内碎屑，个别为石英碎屑和球粒等，包壳为泥晶碳酸盐岩。如跃灰101井2 932.1 m井深段岩心铸体薄片揭示的含鲕泥晶灰岩[图 3(e)]，由多种矿物组成，主要为泥晶方解石(体积分数为74%)，其次为粉砂、白云石、泥和黄铁矿(体积分数分别为7%，8%，6%和2%)，粉砂条带内多发育泥鲕(体积分数为7%)，成分主要为泥晶和微晶方解石，且多发育微晶方解石环带，粉砂岩的填隙物主要为方解石；微孔较少，分布不均匀，偶见微裂缝。
(5) 生物碎屑。生屑以介形虫为主，仅在跃进斜坡地区零星发现[图 3(f)]，分布在泥晶白云岩和含灰含云泥岩中，颗粒多呈漂浮状离散分布。介形虫数量少，其个体小，大小为1 mm左右，壳体光滑、无纹饰，体腔被泥质成分充填，或钙化成亮晶方解石，或白云石化，体腔与壳壁界限明显。大量颗粒为新月状介形虫碎片，混杂分布在泥灰中，由较强水动力异地搬运而来。
3 控制湖相碳酸盐岩的沉积环境渐新世E32沉积时期，柴西南地区整体处于相对稳定的构造阶段[44]，该时期是柴西烃源岩发育的最主要时期，湖泊范围达到最大，沉积了富含有机质的湖相泥岩。陆源碎屑沉积相带窄，主要集中在阿尔金斜坡区。湖盆主体区在红柳泉—跃进斜坡以东、狮子沟—干柴沟—咸水泉及其以南广大地区发育以灰云岩为主的碳酸盐岩，累计厚度较大，面积为3 300 km2。
3.1 碳酸盐岩沉积微相柴西地区E32碳酸盐岩沉积微相类型主要有泥灰坪和灰云坪，其次为藻滩和颗粒滩(图 4)。
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下载eps/tif图 图 4 柴西地区E32湖相碳酸盐岩沉积相(据文献[41]修改) Fig. 4 Sedimentary facies distribution of lacustrine carbonate rocks of E32 in western Qaidam Basin |
(1) 灰云坪。是狮子沟地区碳酸盐岩最主要的沉积微相类型，岩性为灰色、浅灰色和深灰色灰云岩、云灰岩和白云岩。主要分布在半深湖—深湖以及盐湖沉积环境，发育块状层理和水平层理，碳酸盐岩晶体颗粒较小，以泥晶与微晶为主。
(2) 泥灰坪。主要分布在半深湖—深湖沉积环境的红沟子—小梁山南部—南翼山南部—油泉子—开特跃东地区，其次为滨浅湖沉积环境的红柳泉—跃进斜坡区的局部地区。岩性以泥灰岩为主，夹薄层粉砂质泥岩，并与泥岩互层形成含泥灰坪。泥灰岩以泥晶与微晶为主。深湖—半深湖区的泥灰岩主要发育块状层理、水平层理，碳酸盐岩晶体颗粒较小，常见微晶及颗粒晶体；在滨浅湖区的泥灰岩则发育波状层理和沙纹交错层理，碳酸盐岩晶体颗粒较大，以颗粒晶体为主。
(3) 藻滩和颗粒滩。分布在红柳泉—跃进斜坡的滨浅湖沉积环境，古地形平缓，水体较浅、清澈，阳光充足、水动力较强，适于生物生长，发育大量的生物藻，易于形成藻灰云岩、藻灰岩和叠层石，局部发育含介形虫灰岩、介壳灰岩、鲕粒灰岩和含鲕灰岩等生物碎屑灰岩和颗粒灰岩，具有水动力搬运与改造特征，并夹有薄层粉砂质泥岩，与泥岩互层形成藻灰云坪和含藻泥灰坪，藻灰云岩、藻灰岩以灰泥和结晶颗粒为主，结晶颗粒的粒度较大，以颗粒晶体为主。
3.2 碳酸盐岩沉积环境气候对湖泊的影响远比海洋显著，我国东部诸多盆地的湖相碳酸盐岩形成于半潮湿和潮湿的较炎热的古气候环境，蒸发作用强烈，古水介质pH值＞9，为偏碱性的半咸水，适合大量生物繁殖，易于形成生物成因的碳酸盐岩[9, 24-25, 32]。柴西地区下干柴沟组沉积早期，高岭石相对发育，干旱植物相对不发育，表明当时气候温暖潮湿，形成了以湖相碳酸盐岩与富含有机质的泥岩互层共生、源储一体的沉积特征。到下干柴沟组沉积中晚期，绿泥石和伊利石的含量显著增大，干旱植物占优势[45]，表明该时期蒸发作用强烈，气候长期寒冷干旱，大规模发育干旱低温的盐层和碳酸盐岩，形成了盖储一体的沉积特征，同时发育灰黑色、深灰色泥岩，表明此套含盐地层形成于干旱低温的水下沉积环境。原生纯液相包裹体均一温度恢复表明英西地区岩盐形成于正常低温环境，包裹体群生长层的结晶形态也反映了盐岩为水下沉积成因[41, 46]。
大柴旦现代盐湖底也发现了由水下沉积的蒸发类盐层、碳酸盐岩与灰黑色淤泥层组成的混合层，盐类矿物以石膏、碳酸盐和石盐为主；反映了湖区数十至百年级水体淡咸波动及水位高低的更替，这说明大柴旦湖底蒸发盐沉积序列与该地区的气候干湿变化和入湖水补给量变化有密切的联系[47]。
3.3 碳酸盐岩沉积主控因素(1) 古地理面貌与湖水性质
在E32沉积时期，柴西地区的古地貌特征差异较大，盆地洼隆相间，山前带盆缘特征也不尽相同，其中阿尔金西段盆缘窄而陡，而昆仑山东段自山向盆古地形先宽缓而后变陡入湖。主体沉积区受中央隆起带及水下低隆分隔，形成了狮子沟凹陷、干柴沟凹陷以及油泉子南部—开特米里克凹陷等3个次级凹陷。受中央隆起带限制，狮子沟凹陷为局限性湖盆，水体独立、水域面积较小，水介质咸化程度相对较高，古盐度为27.9‰~31.2‰，平均为29.3‰，盐间古盐度高达40.0‰；受油泉子水下低隆影响，干柴沟具备半封闭湖盆特征，在丰水期其水体与开阔湖盆水域相连，在枯水期则相对独立，属于半封闭湖盆，水介质咸化程度中等，古盐度为27.3‰~34.9‰，平均为30.7‰；油泉子南部—开特米里克凹陷为开阔型湖盆，水域面积大，地表径流注入的水体较多，水介质咸化程度降低。跃进斜坡碳酸盐岩台地区古盐度为28.7‰~35.1‰，平均为32.1‰ [48]。
(2) 古地貌
在半干旱—干旱气候背景下，受古地貌及盆地内部结构差异的影响，碳酸盐岩沉积特征在纵横向上表现出不同的组合特征(图 5)。在湖盆边缘斜坡高部位的跃进地区碳酸盐岩发育程度较差，岩性以泥灰岩为主，局部发育薄层藻灰岩[图 5(a)]。狮子沟凹陷碳酸盐岩岩性以灰云岩和云灰岩为主，发育盐间和盐下2套岩性组合，其中盐间为膏盐岩、灰云岩和泥岩互层，砂质条带和薄层粉砂岩较盐下明显增多，形成盖储一体的组合[图 5(b)]；盐下为灰云岩、云灰岩和有机质含量较高的暗色泥岩互层，组成源储一体的组合[图 5(c)]；盐间和盐下2套岩性组合是由局限性湖盆特殊性所决定，尤其是E32沉积中晚期，蒸发量远大于地表水的充注量，湖盆缩小形成超咸水盐湖，膏盐岩非常发育。研究表明：碳酸盐岩的碳(δ13CPDB)、氧(δ18OPDB)同位素值分别为−4.5‰~0.2‰(平均值为−2.4‰)和−6.1‰~0.4‰(平均值为−2.6‰)，相对于典型湖相碳酸盐岩具有“碳偏负、氧偏正”的特征[44]，说明含盐层系形成于蒸发作用强烈的陆相闭塞沉积环境。
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下载eps/tif图 图 5 柴西E32湖相碳酸盐岩不同环境沉积序列 Fig. 5 Sedimentary sequence of lacustrine carbonate rocks of E32 under the different depositional environment in western Qaidam Basin |
湖相碳酸盐岩特征在干柴沟凹陷和狮子沟地区有明显的差异性[图 5 (d)]。狮子沟地区E32中上部地层以灰云岩和云灰岩为主，夹薄层膏盐岩；中下部地层以泥灰岩为主，发育砂质条带和薄层粉砂岩，不发育膏盐岩。干柴沟凹陷因半封闭性湖盆与开阔性水域处于连通—半连通状态而不发育盐间和盐下2套岩性组合，E32沉积中晚期，水域面积中等、地表水有一定充注量，水体含盐度较低，难以形成超咸水盐湖，盐层不发育。油泉子南部—开特米里克以东区域为开阔型湖盆，岩性以泥灰岩为主，其次为灰岩，灰云岩和云灰岩不发育[图 5(e)]，该区域受陆源碎屑影响较大，薄层粉砂岩和砂质条带较发育，因湖盆古地形宽缓、盆缘径流较多、地表水充注量相对较大，水体咸化程度较小，为半咸水—咸水环境，不发育岩盐层。
4 湖相碳酸盐岩沉积模式阿尔金西段发育七个泉—犬牙沟、干柴沟—彩石岭、红沟子等多条古水系，古地貌坡度较陡，形成扇三角洲沉积体系，岩性较粗、成熟度较低，以辫状水道砂砾岩和砾岩沉积为主，沉积相带较窄，为3~5 km；昆仑山东段的阿拉尔和铁木里克发育辫状河三角洲沉积体系，相比阿尔金西段斜坡带，坡度相对较缓、相带较宽，为5~20 km，岩性以水下分流河道砂岩、席状砂岩和滩坝砂岩为主(图 6)。
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下载eps/tif图 图 6 柴西E32湖相碳酸盐岩沉积模式 Fig. 6 Sedimentary models of lacustrine carbonate rocks of E32 in western Qaidam Basin |
柴西地区下干柴沟组沉积期湖盆主体发育咸水环境下的碳酸盐岩—膏盐岩沉积建造，在纵向上具有双层沉积组合结构，下部为泥岩与碳酸盐岩互层，上部为膏盐岩、碳酸盐岩盐与暗色泥岩互层，构成盐间与盐下2套沉积组合，但膏盐岩主要分布在狮子沟地区，其他地区膏盐岩发育规模较小甚至不发育。沉积相带的平面分布也具有分带性，在红柳泉南部地区和跃进斜坡的中低部位以及七个泉局部地区发育碳酸盐岩颗粒滩和藻灰云坪沉积。狮子沟和干柴沟地区等沉积中心发育以白云岩和含灰云岩为主的湖相碳酸盐岩，咸水泉等陡坡带发育一定规模的碳酸盐岩内碎屑浊流沉积。小梁山—南翼山—油泉子—开特等地区发育半深湖—深湖环境下的泥灰坪沉积。盐间沉积相带与盐下继承性发育，仅在狮子沟地区盐间发育大规模的膏盐岩沉积。
5 结论与讨论(1) 柴西地区湖相碳酸盐岩岩性主要为灰云岩和泥灰岩，其次为白云岩和石灰岩；其结构组分以泥灰为主，大部分表现为泥晶与微晶，局部地区也可见内碎屑，颗粒类型有生物骨架、生物碎屑、鲕粒、团粒、团块等。
(2) 柴西地区湖相碳酸盐岩沉积微相受古地貌和碳酸盐岩结构的影响，主要沉积微相为泥灰坪和灰云坪，其次为藻滩和颗粒滩。
(3) 柴西地区湖相碳酸盐岩沉积受水介质和古气候的影响，在下干柴沟组沉积早期，气候温暖潮湿，中下部形成了以湖相碳酸盐岩与富含有机质的泥岩互存共生、源储一体的沉积组合；下干柴沟组沉积中晚期气候长期寒冷干旱，蒸发作用强烈，发育大规模干旱低温的盐层和碳酸盐岩，形成了盖储一体的沉积组合。
(4) 柴西地区E32发育局限性盐湖(狮子沟凹陷)、半封闭性盐湖(干柴沟凹陷)与开阔性湖泊(油泉子南部—开特米里克凹陷)3种类型的湖盆，其碳酸盐岩沉积序列及沉积模式为：狮子沟凹陷受局限性盐湖发育的特殊性控制形成盐间、盐下2套岩性组合结构；干柴沟凹陷湖相碳酸盐岩主体以灰云岩为主，不发育盐间、盐下2套岩性组合；油泉子南部—开特米里克以东咸化程度较小，整体以泥灰岩沉积为主。
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