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咸化湖盆高频湖平面升降特征及地质意义

乔艳萍 谭秀成 刘耘 熊鹰 伍坤宇 张永庶 杨勃 任灵

乔艳萍, 谭秀成, 刘耘, 熊鹰, 伍坤宇, 张永庶, 杨勃, 任灵. 咸化湖盆高频湖平面升降特征及地质意义—以柴达木盆地英西地区下干柴沟组上段为例[J]. 沉积学报, 2020, 38(6): 1152-1165. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.113
引用本文: 乔艳萍, 谭秀成, 刘耘, 熊鹰, 伍坤宇, 张永庶, 杨勃, 任灵. 咸化湖盆高频湖平面升降特征及地质意义—以柴达木盆地英西地区下干柴沟组上段为例[J]. 沉积学报, 2020, 38(6): 1152-1165. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.113
QIAO YanPing, TAN XiuCheng, LIU Yun, XIONG Ying, WU KunYu, ZHANG YongShu, YANG Bo, REN Ling. Characteristics of High⁃frequency Lake⁃level Fluctuations in the Saline Lacustrine Basin and Its Geological Significance: A case study from the upper member of the Paleogene Lower Ganchaigou Formation in the Yingxi area, Qaidam Basin[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2020, 38(6): 1152-1165. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.113
Citation: QIAO YanPing, TAN XiuCheng, LIU Yun, XIONG Ying, WU KunYu, ZHANG YongShu, YANG Bo, REN Ling. Characteristics of High⁃frequency Lake⁃level Fluctuations in the Saline Lacustrine Basin and Its Geological Significance: A case study from the upper member of the Paleogene Lower Ganchaigou Formation in the Yingxi area, Qaidam Basin[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2020, 38(6): 1152-1165. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.113

咸化湖盆高频湖平面升降特征及地质意义—以柴达木盆地英西地区下干柴沟组上段为例

doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.113
基金项目: 

国家科技重大专项 2016ZX05004002⁃001

详细信息
    作者简介:

    乔艳萍,女,1995年出生,硕士研究生,储层地质学,E⁃mail: qiaoyp21@163.com

    通讯作者:

    谭秀成,男,教授,E⁃mail: tanxiucheng70@163.com

  • 中图分类号: P618.13

Characteristics of High⁃frequency Lake⁃level Fluctuations in the Saline Lacustrine Basin and Its Geological Significance: A case study from the upper member of the Paleogene Lower Ganchaigou Formation in the Yingxi area, Qaidam Basin

Funds: 

National Science and Technology Major Project 2016ZX05004002⁃001

  • 摘要: 以柴达木盆地英西地区下干柴沟组上段(E32)为例,基于钻井岩芯、测录井和配套分析等资料发现,英西地区下干柴沟组上段(E32)整体为干旱、咸化背景下的湖相混合沉积,但内部岩石组分和结构产状变化频繁,表现为周期性垂向叠置的湖平面升降沉积旋回。旋回界面以层状岩盐、含膏斑块状灰质云岩、块状砂岩等顶部的岩性转换面或局部存在的暴露侵蚀面为典型标志。单个旋回多表现为短暂湖侵—持续湖退的向上变浅和咸化沉积序列,构成薄层状/块状灰质云岩—含膏斑块状灰质云岩、薄层状/块状灰质云岩—含膏斑块状灰质云岩—层状岩盐、薄层状/块状灰质云岩—块状砂岩等旋回结构类型。不同沉积旋回在空间的叠置组合受湖盆水动力能量、湖水盐度及古气候频繁波动的共同控制。通过旋回对比,利用井间旋回厚度差异近似反映相对古地貌起伏,研究区整体具有西高东低的古地貌格局,盆内则为低起伏的凹隆相间特征,自下而上各井区间的旋回厚度和地貌差异逐渐减小,反映湖盆填平补齐、逐渐咸化萎缩的演变规律。
  • 图  1  柴达木盆地英西地区 E 3 2 构造和沉积相(据张永庶等[2];Yin et al.[9];黄成刚等[10]

    (a)柴达木盆地英西沉积相;(b)柴达木盆地构造单元划分;(c)柴达木盆地新生代地层综合柱状图

    Figure  1.  Structural and depositional characteristics of the upper member of the Paleogene Lower Ganchaigou Formation ( E 3 2 ) from the Yingxi area in Qaidam Basin (modified from Zhang et al.[2]; Yin et al.[9]; Huang et al.[10])

    图  2  柴达木盆地英西地区地下干柴沟组上段岩性、湖平面升降及旋回划分(据郭荣涛等[8];黄成刚等[10],有修改)

    Figure  2.  Synthesis stratigraphic section showing lithology, stratigraphy, and lake⁃level fluctuation characteristics of E 3 2 in the Yingxi area of the Qaidam Basin (modified from Guo et al.[8];Huang et al.[10])

    图  3  英西地区下干柴沟组上段岩芯旋回界面特征

    (a)岩溶角砾,界面之下为岩溶角砾,界面之上为含泥质灰质云岩,S41⁃6⁃1井,3 857.87 m;(b)含膏团灰质云岩,界面之下为浅灰色含膏团灰质云岩,界面之上为深灰色块状含泥质灰质云岩,S41⁃6⁃1井,3 859.45 m;(c)含膏团灰质云岩,界面之下为浅灰色含膏团灰质云岩,暴露面之上为深灰色块状含泥质灰质云岩,S38⁃4井,3 729.50 m;(d)逆粒序粉砂岩,在界面可见大量砂质、小型砾屑混合充填,S41⁃2井,4 100.75 m;(e)岩盐,界面之上为泥质粉砂岩,界面之下为岩盐,S37井,2 699.6 m

    Figure  3.  Cycle interface characteristics of rock core of E 3 2 in the Yingxi area

    图  4  英西地区下干柴沟组上段岩溶识别标志

    (a)岩溶系统发育,S43井,3 820.79 m;(b)岩溶系统发育,S41⁃6⁃1井,3 860.31 m;(c)岩溶角砾,塑性角砾间为砂质、泥质及石膏混合充填,S41⁃6⁃1井,3 857.94 m;(d)花斑岩溶系统,基岩为块状泥质灰云岩,被石膏和碎屑颗粒充填,S41⁃6⁃1井,3 858.92 m;(e)岩溶角砾,角砾成分为泥质灰云岩,角砾间碎屑颗粒半充填,S43井3 912.15 m;(f)岩溶角砾,角砾成分为泥质灰云岩,角砾间石膏半充填,S43井,3 913.05 m;(g)岩溶角砾,角砾成分为含泥质灰质云岩,角砾间石膏全充填S41⁃6⁃1井,3 857.95 m

    Figure  4.  Identification criteria of paleokarst on carbonate of E 3 2 in the Yingxi area

    图  5  英西地区下干柴沟组上段渗流带溶蚀充填微观特征

    Figure  5.  Microscopic characteristics of vadose zone dissolution filling of E 3 2 in the Yingxi area

    图  6  英西地区下干柴沟组上段常规测井及矿物含量旋回界面特征

    (a)S41⁃6⁃1井的典型特征;(b)S37井的典型特征;(c)S49⁃1井的典型特征

    Figure  6.  Cycle interface characteristics of well logging and mineral content of E 3 2 in the Yingxi area

    图  7  英西地区下干柴沟组上段FMI成像测井旋回界面特征

    (a)岩盐顶部界面特征,S37井,2 699.6 m;(b)雪花状石膏顶部界面特征,S39加深井,4 444.3 m;(c)块状石膏顶部界面特征,S51井,4 299.18 m;(d)角砾岩 顶部界面特征,S51井,3 915.3 m

    Figure  7.  Cycle interface characteristics of Fullbore Formation Microimager of E 3 2 in the Yingxi area

    图  8  英西地区下干柴沟组上段典型湖平面升降沉积序列I

    (a)含泥质灰质云岩—含膏质灰质云岩—岩溶角砾岩旋回序列,S43井;(b)粉砂岩—薄层状灰质云岩—块状灰质云岩—粉砂岩旋回序列,S40井

    Figure  8.  Typical sedimentary sequence related to lake⁃level fluctuations of E 3 2 in Yingxi area I

    图  9  英西地区下干柴沟组上段典型湖平面升降沉积序列II

    (a)块状含灰质云质粉砂岩—薄层状灰质云岩—块状灰质云岩—含膏团灰质云岩旋回系列,S49⁃1井;(b)块状灰质云岩—含膏团灰质云岩—岩盐旋回序列,S37井

    Figure  9.  Typical sedimentary sequence related to lake⁃level fluctuations of E 3 2 in Yingxi area II

    图  10  英西地区下干柴沟组上段IV油组沉积旋回对比

    Figure  10.  Sedimentary cycle correlation for pay set IV of E 3 2 in the Yingxi area

    图  11  英西地区下干柴沟组上段下干柴沟组上段沉积模式

    Figure  11.  Sedimentary models of E 3 2 in the Yingxi area

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出版历程
  • 收稿日期:  2019-08-19
  • 刊出日期:  2020-12-25

目录

    咸化湖盆高频湖平面升降特征及地质意义

    doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.113
      基金项目:

      国家科技重大专项 2016ZX05004002⁃001

      作者简介:

      乔艳萍,女,1995年出生,硕士研究生,储层地质学,E⁃mail: qiaoyp21@163.com

      通讯作者: 谭秀成,男,教授,E⁃mail: tanxiucheng70@163.com
    • 中图分类号: P618.13

    摘要: 以柴达木盆地英西地区下干柴沟组上段(E32)为例,基于钻井岩芯、测录井和配套分析等资料发现,英西地区下干柴沟组上段(E32)整体为干旱、咸化背景下的湖相混合沉积,但内部岩石组分和结构产状变化频繁,表现为周期性垂向叠置的湖平面升降沉积旋回。旋回界面以层状岩盐、含膏斑块状灰质云岩、块状砂岩等顶部的岩性转换面或局部存在的暴露侵蚀面为典型标志。单个旋回多表现为短暂湖侵—持续湖退的向上变浅和咸化沉积序列,构成薄层状/块状灰质云岩—含膏斑块状灰质云岩、薄层状/块状灰质云岩—含膏斑块状灰质云岩—层状岩盐、薄层状/块状灰质云岩—块状砂岩等旋回结构类型。不同沉积旋回在空间的叠置组合受湖盆水动力能量、湖水盐度及古气候频繁波动的共同控制。通过旋回对比,利用井间旋回厚度差异近似反映相对古地貌起伏,研究区整体具有西高东低的古地貌格局,盆内则为低起伏的凹隆相间特征,自下而上各井区间的旋回厚度和地貌差异逐渐减小,反映湖盆填平补齐、逐渐咸化萎缩的演变规律。

    English Abstract

    乔艳萍, 谭秀成, 刘耘, 熊鹰, 伍坤宇, 张永庶, 杨勃, 任灵. 咸化湖盆高频湖平面升降特征及地质意义—以柴达木盆地英西地区下干柴沟组上段为例[J]. 沉积学报, 2020, 38(6): 1152-1165. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.113
    引用本文: 乔艳萍, 谭秀成, 刘耘, 熊鹰, 伍坤宇, 张永庶, 杨勃, 任灵. 咸化湖盆高频湖平面升降特征及地质意义—以柴达木盆地英西地区下干柴沟组上段为例[J]. 沉积学报, 2020, 38(6): 1152-1165. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.113
    QIAO YanPing, TAN XiuCheng, LIU Yun, XIONG Ying, WU KunYu, ZHANG YongShu, YANG Bo, REN Ling. Characteristics of High⁃frequency Lake⁃level Fluctuations in the Saline Lacustrine Basin and Its Geological Significance: A case study from the upper member of the Paleogene Lower Ganchaigou Formation in the Yingxi area, Qaidam Basin[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2020, 38(6): 1152-1165. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.113
    Citation: QIAO YanPing, TAN XiuCheng, LIU Yun, XIONG Ying, WU KunYu, ZHANG YongShu, YANG Bo, REN Ling. Characteristics of High⁃frequency Lake⁃level Fluctuations in the Saline Lacustrine Basin and Its Geological Significance: A case study from the upper member of the Paleogene Lower Ganchaigou Formation in the Yingxi area, Qaidam Basin[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2020, 38(6): 1152-1165. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.113
      • 相对湖平面变化研究的原理及方法最初起源于海平面的研究,因其独特的沉积响应特征和控制因素而一直是沉积学和沉积盆地研究的重要对象[1]。同时,湖平面升降引起的沉积、成储特征变化常与油气资源分布紧密相关,因而也受到了众多油气勘探研究学者的广泛关注[25]。柴达木盆地是我国西部一个大型的新生代山间含油气盆地。新生代巨厚的沉积与构造变形不仅记录了印度及欧亚板块的碰撞导致青藏高原北麓隆升和扩张,同样使盆地具有优异的油气资源潜力[2,67]。其中,英西地区下干柴沟组发育一套典型的咸化湖盆混合沉积,包含陆源碎屑岩、碳酸盐岩和蒸发岩等复杂岩性组合,构成了良好的源、储、盖配置系统,是柴达木西部页岩油勘探的关键领域。同时,区内受湖平面升降影响的沉积响应特征变化灵敏显著,保存完好,是反映古沉积环境、古地貌演变的重要材料。前人有关于英西地区的研究多集中于油气储层特征及其成因机理分析、古地貌意义等方面[34],并利用地震资料解释的现今沉积厚度恢复了该地区的古地貌[5],鲜有针对湖平面升降沉积旋回及其古环境意义方面的研究报道[8]。此外,众多专家学者对于研究区下干柴沟组的古气候、古环境特征虽然已达成了一致意见,即湖盆由早至晚具有逐渐咸化和变浅特征,而针对湖平面高频旋回的研究以Ⅳ级为主,难以准确刻画构造幕式沉降背景下的地层充填和古地貌特征。近年来,随着英西地区下干柴沟组上段( E 3 2 )的勘探突破和系统取芯资料的日渐丰富,揭示了即使在传统认为的湖盆中心也存在发育的高频向上变浅和暴露序列,这为更高级次的高频旋回研究奠定了基础。有鉴于此,本文以英西地区下干柴沟组上段( E 3 2 )为例,基于钻井岩芯、测录井和配套分析资料,阐明混积咸化湖盆受高频湖平面升降控制的沉积旋回界面识别特征、旋回结构组成及空间对比规律,进而探讨湖盆沉积环境及古地貌的演变,以期丰富咸化湖盆沉积旋回研究的地质资料,为研究区后续油气勘探及古环境恢复研究提供参考。

      • 柴达木盆地位于青藏高原北麓,为祁连山、阿尔金山以及昆仑山所环抱的菱形山间大型叠合含油气盆地,盆地长轴约650 km,短轴约为250 km,其平均海拔为2 800 m[9],是我国著名的四大盆地之一。英西地区位于柴达木盆地柴西地区英雄岭构造带北西端(图1),南与英中地区油砂山构造相接,北至犬牙沟,西到红柳泉斜坡,东与干柴沟相接,覆盖范围主要是狮子沟地区,外围包括花土沟、游园沟地区[11]。柴达木盆地在新生代经历了多期构造运动,尤其是喜山晚期的构造运动对整个盆地构造演化影响最为强烈,在此区域地质背景的影响下,研究区构造演化具有幕式演化特征[12]。因受阿尔金断裂走滑和盆地晚期近南北向挤压的影响,研究区的构造带呈反“S”型构造形态,盆地内部的构造样式以自盆地边缘至中心以此形成背斜构造为显著特征,背斜两翼多发育逆断层,构成“两断夹一隆”的构造格局[13]。自新生代以来长期处于青藏高原隆升背景之下,持续分阶段的隆升导致盆地的古海拔变高,湖盆封闭,气候干寒,且盐源供给充足,形成了典型的高原咸化湖盆[14]

        图  1  柴达木盆地英西地区 E 3 2 构造和沉积相(据张永庶等[2];Yin et al.[9];黄成刚等[10]

        Figure 1.  Structural and depositional characteristics of the upper member of the Paleogene Lower Ganchaigou Formation ( E 3 2 ) from the Yingxi area in Qaidam Basin (modified from Zhang et al.[2]; Yin et al.[9]; Huang et al.[10])

        在复杂构造活动及独特气候条件的共同影响下,柴达木盆地英西地区下干柴沟组上段发育滨浅湖和半深湖亚相及膏云坪、砂质浅滩、膏盐湖、泥云质半深湖等微相类型,岩石矿物成分较为复杂,包含陆源碎屑、黏土、碳酸盐岩矿物及各种蒸发岩矿物等[3,1517]。其中碳酸盐—蒸发盐和陆源碎屑—碳酸盐混积岩是本区最主要的岩石类型。已有的勘探及研究表明,研究区新生界地层发育较为齐全,自下而上依次为以下6套地层:路乐河组(E1+2)、下干柴沟组(E3)、上干柴沟组(N1)、下油砂山组( N 2 1 )、上油砂山组( N 2 2 )、狮子沟组( N 2 3 )(图1)。其中,下干柴沟组上段( E 3 2 )是英西地区最主要的致密油气勘探对象,自下而上划分为六个油层组(图2)。

        图  2  柴达木盆地英西地区地下干柴沟组上段岩性、湖平面升降及旋回划分(据郭荣涛等[8];黄成刚等[10],有修改)

        Figure 2.  Synthesis stratigraphic section showing lithology, stratigraphy, and lake⁃level fluctuation characteristics of E 3 2 in the Yingxi area of the Qaidam Basin (modified from Guo et al.[8];Huang et al.[10])

      • 受柴达木盆地区域性构造活动及古近纪特殊气候的影响,湖盆沉积类型复杂多样,多级次的旋回沉积特征明显。目前,已有相关专家学者对英西地区下干柴沟组上段咸化湖盆混合沉积进行了旋回划分。黄成刚等[10]依据不同油组的主体岩性以及区域性的湖盆面积和可容空间变化将下干柴沟组上段划分为两个三级旋回。其中VI和II油组分别为两个湖侵半旋回,V—III和I油组则对应两套湖退半旋回(图2)。郭荣涛等[8]依据区域性盐岩层的分布和湖水性质演变将 E 3 2 进一步划分为7个四级旋回(图2),完整VI旋回自下而上包含碎屑岩段、碳酸盐岩段、混积型蒸发岩段和区域性岩盐层,其旋回界面为湖退和湖侵形成的岩性转换面。本次研究基于详细的系统岩芯观察发现,除了上述相对宏观尺度的岩性纵向变化和区域性沉积环境演变,在四级旋回内部及不同井区间同样存在明显的古沉积环境更替和湖平面升降变化,表现为频繁的岩石组分、结构产状以及湖水盐度、水动力能量的交替变化。这种更高级次的湖平面升降旋回也最终得以在岩石产状、蒸发岩矿物含量变化,暴露侵蚀等沉积记录中显现出来。因此,本文主要依据岩性产状、矿物学特征及侵蚀间断过程等,对反映研究区高频湖平面升降和高频沉积旋回的岩芯、测井界面特征和识别标志进行总结分析。

      • 受气候旋回及湖平面频繁升降变化的控制,研究区下干柴沟组上段高频沉积旋回界面在岩芯上特征明显,主要为各类型的岩性和岩相转换面。旋回界面之下多为逆粒序粉砂岩(图3d)、含膏团灰质云岩(图3b,c)、岩盐(图3e),反映单个沉积旋回末期湖水变浅盐度增大的结果。旋回界面之上则以相对静水低能的下一旋回初始沉积为主,包括块状灰质云岩、含泥质灰质云岩、泥质粉砂岩或初始湖泛带入的陆源(黏土、粉砂岩)沉积等,与下部的含膏质灰质云岩、岩盐等富蒸发岩矿物岩石(图3d,e)构成明显的岩性岩相突变。另外局部可见少量的暴露溶蚀特征及相应的岩溶角砾岩(图3a)指示局部的暴露和沉积间断,也是旋回识别和划分的重要依据。局部由于沉积物的堆积和湖平面波动变化的影响,在部分旋回顶部可见受短暂暴露溶蚀而形成的岩溶,以研究区狮41⁃6⁃1井、狮43井等井区为例,在岩芯和薄片分析中,均识别出了典型的岩溶标志:1)花斑状岩溶系统(图4a,b,d),由于受短期相对湖平面下降的影响,位于局部古地貌高地的浅滩或膏云坪沉积时常发生暴露并受大气淡水的非选择性溶蚀作用从而形成不规则小型囊状溶洞及各类渗流充填物,“花斑”主要表现为深色斑块和浅色斑块的斑杂共存,主要由离散的陆源碎屑颗粒、泥质与碳酸盐灰(云)泥构成;而深色斑块受岩溶作用影响较小,由块状含泥质灰质云岩原岩构成;2)岩溶角砾(图4c,e~g),膏云坪沉积在暴露阶段受大气淡水淋滤溶蚀而成,早成岩期(包括准同生期)岩溶以近原地角砾化为特征,沉积时间较短的沉积物具有大量的基质微孔,淡水沿此渗滤,逐渐发育称为优势通道,并切割成为近原地角砾或称假角砾(图5)。角砾之间多为淋溶渗滤带入的碎屑颗粒、黑色泥质及石膏胶结物混合充填。这些岩石学特征表明在上个沉积旋回结束后出现了明显的沉积环境或水动力条件变化,湖水水体由浅快速变深、盐度降低的转换过程,因此可以作为湖平面升降沉积旋回的识别标志之一。

        图  3  英西地区下干柴沟组上段岩芯旋回界面特征

        Figure 3.  Cycle interface characteristics of rock core of E 3 2 in the Yingxi area

        图  4  英西地区下干柴沟组上段岩溶识别标志

        Figure 4.  Identification criteria of paleokarst on carbonate of E 3 2 in the Yingxi area

        图  5  英西地区下干柴沟组上段渗流带溶蚀充填微观特征

        Figure 5.  Microscopic characteristics of vadose zone dissolution filling of E 3 2 in the Yingxi area

      • 沉积物中的某些元素及矿物的含量与沉积环境密切相关。旋回界面之下发育的层状岩盐、膏质团块或受到短暂暴露溶蚀而形成的角砾化结构,由于湖平面下降,水体盐度达到最大值,矿物中的碳酸盐岩逐渐转变为氯化物、硫化物,形成大量的蒸发岩,因而蒸发岩的含量相对较高,随着湖平面升高,界面之上发育的含粉砂质灰质云岩、含灰质云质粉砂岩,沉积物中陆源碎屑、黏土的含量逐渐升高,蒸发岩的含量降低(图6);旋回界面之下发育粉砂岩,沉积物中陆源碎屑、黏土含量较高,随着湖平面的上升,界面之上发育块状灰质云岩,沉积物中陆源碎屑含量逐渐减少,碳酸盐岩矿物含量逐渐升高。

        图  6  英西地区下干柴沟组上段常规测井及矿物含量旋回界面特征

        Figure 6.  Cycle interface characteristics of well logging and mineral content of E 3 2 in the Yingxi area

      • 测井曲线的旋回界面识别标志通常表现为各项测井参数的突变、反映不同沉积环境、水体性质和不同岩性组合的转换面和突变面。

        在电性上,旋回界面的典型特征表现为以下两种:一种为自然伽马(GR)曲线表现为钟型突变为漏斗型(图6a,c),进积转变为退积,对应于含膏质灰质云岩或岩溶角砾岩向旋回界面之上块状含泥质灰质云岩的转变,反映水体由浅变深。含膏质灰质云岩由于石膏、硬石膏含量较高,因此表现为自然伽马(GR)值较低;岩溶角砾在自然伽马(GR)曲线上显示为中值,补偿密度(DEN)在低—中值;含膏团块在自然伽马(GR)曲线上显示为较低值,补偿密度(DEN)较高,大于2.8;第二种为自然伽马GR曲线表现为箱型突变为钟型(图6b),反映水体上升速度增大或是沉积物供应充足,湖平面快速上升的特征,由于岩盐层放射性含量极低,所以常规测井曲线表现为自然伽马(GR)曲线总是显示为极低值,补偿密度(DEN)曲线显示为中值,AC值中等,岩层上部曲线幅度增大,可能是受到泥质的影响。

        此外,本区大量的FMI成像测井资料也可以比较好的识别典型的旋回界面,在FMI成像测井上岩盐层表现为亮黄色的特征(图7a);雪花状、块状含膏质是石膏充填的岩性(图7b,c),成像测井上呈不规则杂乱状;角砾岩在成像测井中表现为明显的杂乱成像特征,可以看到明显的角砾化特征,部分可见石膏斑块发育,角砾间见亮色或暗色的充填物,可能为砂质、泥质、碳酸盐或石膏(图7d)。薄层状含泥质灰质云岩,成像测井图像有明暗变化,表现出明显的层状特征。通过以上的界面特征描述,我们完全可以利用取芯、元素、常规测井和成像测井识别出高频旋回界面。

        图  7  英西地区下干柴沟组上段FMI成像测井旋回界面特征

        Figure 7.  Cycle interface characteristics of Fullbore Formation Microimager of E 3 2 in the Yingxi area

      • 通过岩芯及薄片观察发现,研究区下干柴沟组上段纵向上总体为向上变浅的沉积旋回特征。同时,因湖平面的频繁变化,研究区下干柴沟组上段的各种岩石类型在垂向上的有序叠置,形成了多种完整或不完整的旋回序列。根据旋回序列中岩石类型的叠置样式、沉积特征和沉积环境的演变,识别出了以下4种典型的向上变浅的旋回序列。

      • 该沉积序列的岩石组合相对简单,自下而上依次为含泥质灰质云岩—含膏质灰质云岩—岩溶角砾岩(图8a)。在该沉积序列中,膏质团块厚度为0.6~1.7 m,岩溶角砾岩厚度为0.2~1.5 m,该岩相组合的典型特征是发育暴露标志的岩溶角砾岩,角砾岩主要发育在研究区内古地貌高地,水体变浅,微地貌高地出露地表,暴露遭受大气淡水淋滤溶蚀,形成溶蚀孔洞。

        图  8  英西地区下干柴沟组上段典型湖平面升降沉积序列I

        Figure 8.  Typical sedimentary sequence related to lake⁃level fluctuations of E 3 2 in Yingxi area I

      • 该岩相组合序列可称为双“滩”型变浅序列,从下至上依次发育粉砂岩—薄层状灰质云岩—块状灰质云岩—粉砂岩,厚度为4~5 m(图8b)。该序列的典型特征为底部和顶部各发育一套正粒序和逆粒序滩体。其中,下部滩体主要是由于湖侵期,水动力弱,湖浪影响小,河水等所携带的陆源碎屑物质堆积,形成了粒度较粗的细砂级别的正粒序浅滩。而随着湖水逐渐变浅,水动力条件增强,在陆源供给充足的区域,旋回顶部往往可以有一套薄层的砂质浅滩沉积,夹有少量碳酸盐颗粒,主要受湖浪作用的控制,因而表现出逆粒序特征。该序列主要发育在靠近陆源的盆内斜坡区。

      • 该旋回序列在研究区发育较为广泛(图9a),反映一个较为完整的向上变浅的单旋回,厚度为9~10 m,序列低部为块状含灰质云质粉砂岩,厚0.8 m,中部为薄层状灰质云岩,厚5.5 m,块状含泥质灰质云岩,厚2 m,顶部为含膏团灰质云岩,厚2 m。旋回底部的块状含灰质云质粉砂岩,初始的短暂湖侵,水动力较弱,河水带来了陆源碎屑物质,快速沉积;薄层状灰质云岩形成于最大湖平面附近,水体较深水,动力条件相对较弱;伴随着湖平面缓慢相对下降,在浪基面之下、水体能量较低的静水低能环境中沉积了块状含泥质灰质云岩,沉积水体能量较低;当湖平面进一步下降,水体变浅,盐度增大,重卤水不断下渗并不断发生结晶作用,该时期矿物类型逐渐由碳酸盐向硫酸岩演变。大量的团块状硬石膏和钙芒硝形成,构成含膏团块灰质云岩。此外,局部地貌高地可能发生暴露溶蚀而形成了角砾状的含膏团块灰质云岩特征。整体上,该旋回序列反映自下至上水体变浅、盐度增加,气候也愈加干热的特征。

        图  9  英西地区下干柴沟组上段典型湖平面升降沉积序列II

        Figure 9.  Typical sedimentary sequence related to lake⁃level fluctuations of E 3 2 in Yingxi area II

      • 单个旋回总体厚度为6~7 m,序列低部为块状灰质云岩,中部为含膏团灰质云岩,顶部则发育岩盐(图9b)。块状灰质云岩形成于风暴浪基面至正常浪基面之间的水下地貌洼地,水体较深水,动力条件相对较弱;湖平面下降,水体变浅,在大量的硬石膏和钙芒硝等硫酸盐矿物沉淀之后;湖平面进一步下降,盐度持续增大,湖盆向干盐湖发展,此时矿物类型逐渐由硫酸盐岩向氯化物转变。在整体的干旱蒸发气候背景下,由于地貌高地的障壁遮挡作用,位于地貌洼地的区域盐度很大,且高盐度卤水不断下沉汇聚,因此形成处于浪基面之下相对静水低能环境呈层状产出的膏盐岩。

        在上述几种旋回序列中,块状灰云质粉砂岩—薄层状灰质云岩—块状灰质云岩—含膏团灰质云岩在研究区最为发育,也是比较典型的旋回序列,发育规模较大,分布广泛。英西地区下干柴沟组湖平面升降变化频繁,其沉积相应特征明显,单个旋回序列经历淡水—微咸湖碎屑沉积、微咸—咸水湖碳酸盐岩和少量硫酸盐沉积、盐湖蒸发盐沉积的演化过程[18],相应的岩石产状及矿物组分也呈现旋回性的变化特征。

      • 在旋回界面识别和旋回结构分析的基础上,对英西地区下干柴沟组上段进行连井旋回对比,以确定旋回地层特征及演化模式,本文以位于工区北西—南东向走向的S27井—SB1井—S35井—S41井—S25井剖面为例进行分析研究。

        下干柴沟组上段( E 3 2 )划分为两个三级旋回,每个旋回代表一次完整的湖水面快速上升到缓慢下降的过程。在湖侵半旋回,湖平面上升,湖相沉积范围增大,湖平面扩大;湖退半旋回,湖平面下降,湖相沉积范围缩小,湖平面萎缩,由于东部隆起抬升的影响,沉积中心具有向东迁移的趋势。另外,通过对各油组平均旋回厚度进行对比,地层自下而上,VI油组至I油组,各井之间的平均旋回厚度差异大体上呈现的是逐渐减小的趋势,该趋势也相对地反映了整体湖盆逐渐蒸发萎缩以及填平补齐的沉积充填的过程。

        以下干柴沟组上段IV油组为例,通过横向及纵向特征进行高频旋回对比,通过井间旋回厚度差异的变化,从而可以更好地反映该研究区的古地貌特征的演化。在识别旋回界面的基础上将IV油组各井划分出19个高频旋回,单旋回厚度普遍较小,多为10~14 m,自西向东平均旋回厚度具有逐渐增大的趋势,表明沉积期湖盆西高东低的古地貌特征,其中湖盆中心的旋回厚度远大于湖盆边缘的旋回厚度,可以说明英西地区整体上是补偿—过补偿沉积。纵向上,下部的沉积旋回厚度明显大于上部旋回,同时井间的旋回厚度差异也表现出明显的自下而上逐渐变小的特征(图10),表明IV油组湖盆底形的地貌差异逐渐缩小,反映该时期湖盆填平补齐、逐渐咸化萎缩的演变规律。

        图  10  英西地区下干柴沟组上段IV油组沉积旋回对比

        Figure 10.  Sedimentary cycle correlation for pay set IV of E 3 2 in the Yingxi area

      • 目前认为,湖平面变化不具有全球可对比性,控制湖平面升降变化的两个主要驱动力是构造升降和气候变化因素,二者的变化都可以引起湖平面升降、沉积物供给等方面的差异[1921]。在构造和古气候的共同作用下所形成的产物为地层记录中的沉积旋回,因此盆地构造沉降和气候变化与湖平面变化或沉积旋回的形成有密切的关联。

        湖泊的水体范围要比海洋小的多,因而受气候影响要比海洋的大,湖平面变化的频率要比海平面变化频率要高,古气候从来水量和蒸发量的平衡角度控制了高频湖平面变化[22]。湖平面变化是气候变化对湖泊影响过程最为直观的表现,气候是控制高频湖平面升降的重要因素之一。在古近纪 E 3 2 时期,由于印度—欧亚板块的碰撞和早喜马拉雅构造运动的开始,导致柴达木盆地周缘山系逐渐隆起,形成天然“屏障”,阻碍了来自盆地西南方向温暖潮湿的印度洋海洋季风[23],温湿气流对盆地内部的影响逐渐减小,使得本地区气候逐渐转变为干旱、蒸发作用增强的古气候环境。英西地区 E 3 2 为咸化湖盆沉积,但在其整体气候干旱、湖盆萎缩、水体下降的背景下,又存在多期次级的湖平面变化,其最终所体现出的沉积响应则是高频的快速湖侵—缓慢湖退沉积旋回的不断更迭。基于本区地质背景和沉积旋回的综合分析,结合前人的研究成果认识,对英西地区的高频湖平面升降特征进行简要的成因探讨和推测。

        现有研究表明,喜马拉雅山在55~50 Ma前海拔约为1 000 m,之后缓慢上升并在21~19 Ma前隆升至2 300 m,最后在5~7 Ma年前海拔才达到现今的高度[24]。因此在 E 3 2 时期(34~28.5 Ma)[5],柴达木盆地并不是一个完全封闭的盆地,周缘山脉的隆升并没有完全阻隔盆外与盆内的气候演变。同时受到西北方向阿尔金物源的不断输入和淡水补给的影响,盆地更多表现为半封闭—半开放的特征[25]。因此,来自西南方向印度洋的暖湿气候以及来自北方的干冷气候并没有被完全分隔,两种气候可能对柴达木盆地进行了交替的影响,导致了盆地内部气候的高频波动和湖平面的频繁升降变化。

        另外,因各星体受地球引力的地球轨道参数的变化,地球表面接收日照量也会发生变化,其变化促使气候带在纬线方向移动[26],在 E 3 2 时期,柴达木盆地处于西风带和亚热带副高带的交汇地区[27],由于天体轨道周期性的变化,西风带和亚热带副高带可能会表现为周期性的向南向北移动,大气温度和降雨量会发生相应的变化;在西风带的控制下,西风给盆地内部带来大量水汽,气候以温暖湿润为特征,伴随而来的则是降雨量以及周缘河流淡水注入的快速增加,相对湿度的增大会使得降水量大于蒸发量,湖平面会再次升高,盐度减小。在亚热带副高带的控制下,气候以炎热干燥为主,降水量减少,蒸发量会大于降水量,湖盆的水体蒸发,湖平面会相对降低,盐度增大。因而由天文周期引起的气候带波动对该时期盆地内部气候变化的控制作用也不能排除。

      • 所谓湖盆底形是指盆地演化过程中湖盆底部的地貌形态[28]。前面通过横向及纵向特征的高频旋回对比,利用了各井的旋回厚度差异来反映地貌起伏。从旋回结构分析和空间对比结果来看,研究区整体具有西高东低的古地貌格局,盆内则为低起伏的凹隆相间特征,自下而上各井区间的旋回厚度和地貌差异逐渐减小,反映湖盆在 E 3 2 时期不断填平补齐、逐渐咸化萎缩的演变规律。这与前人对该区的研究成果认识一致[11,2930]

        而另一方面,对于英西地区湖盆水体深度的研究却存在较大的争议,目前主要有深湖和浅湖—半深湖两种观点。

        前人认为,现今地层厚度可以代表沉积期的地貌[5],但结合本区典型的湖侵—湖退—暴露沉积序列来看,其单旋回厚度通常几米到十几米不等,这种完整的单沉积旋回对应一次完整的湖盆从初始湖侵、持续咸化到最终萎缩暴露的连续演化过程,在忽略短期构造影响的情况下,可以利用其旋回沉积厚度近似表征该旋回的沉积水深。另外,区内各井区的平均旋回厚度差异也较小,一般不超过3~6 m(图8),反映该时期湖盆内部地势差别很小。这些特征表明,英西地区 E 3 2 更符合半深湖—滨浅湖沉积,其沉积水体绝对深度并不大。同时各类型蒸发岩在本区大量发育,这与前人的大量观察研究结果一致,即现代蒸发岩沉积以及地质历史中的绝大多数盐类矿床普遍均为浅水沉积[3132]。再结合现有岩芯、测井等资料,可以认为从湖盆中心到边缘,厚度差异较小,幕式构造运动影响盆地的沉降和充填,单一旋回的地貌差异较小,现今厚度的巨大差异是各环境位置同沉降持续累积的结果,因此不能用地层厚度差异来说明底形的差异。从整体上看, E 3 2 沉积期研究区底形较平缓,绝对水深不大,湖盆沉积受气候波动和湖平面升降的影响较大,局部发生间接性暴露侵蚀,总体表现为西高东低的宽浅型湖盆特征。

        基于上述研究,建立了如图11所示的柴达木盆地英西地区下干柴沟组上段 E 3 2 沉积模式。研究区为宽浅型湖盆环境,发育半深湖—滨浅湖混积型碳酸盐岩沉积。

        图  11  英西地区下干柴沟组上段下干柴沟组上段沉积模式

        Figure 11.  Sedimentary models of E 3 2 in the Yingxi area

        首先,在湖退期(图11a),气候由温暖逐渐变为干冷,湖平面持续下降,强烈的蒸发作用使水体盐度增加,陆源碎屑输入和外源淡水补给较少,水体较为局限,湖盆大体处于相对还原环境中;在盆地内微地貌隆起地区仍沉积砂质浅滩,在隆起间相对低洼处,由于水体局限,能量较低,沉积以层状膏盐岩为主的膏盐湖沉积;在地貌相对低的地区,则沉积以含膏团块灰质云岩为代表的膏云坪沉积;盆内高地由于强烈的蒸发作用使水体盐度很高,极易发生暴露而受到大气淡水溶蚀,不断析出大量石膏、钙芒硝及石盐等蒸发岩矿物,与渗流带入的陆源碎屑颗粒、泥质等混合充填早期溶蚀孔洞及岩溶角砾间。

        其次,在湖侵期(图11b),由于气候相对暖湿,淡水的注入使水体盐度较低,陆源碎屑物质输入和淡水补给增加,水体相对开阔,氧化环境的范围逐渐增加。在靠近物源区的区域中,河水所携带的陆源碎屑物质沉积下来形成了以细砂岩为主的浅滩,远离物源区的沉积区,则物源供给未能到达,少量碎屑颗粒混溶碳酸盐岩中,形成含粉砂质灰质云岩;低潮线至最高涨潮线之间的低能浅水区域,发育由含膏质灰质云岩和岩溶角砾岩组成的膏云坪微相;在位于湖盆浪基面之下的静水低能环境中,主要以沉积块状灰质云岩为主,局部可见膏团;在微地貌高地间相对低洼处,重卤水下沉,石膏、石盐呈现较自形、分散的产状产出于碳酸盐岩中形成含膏团块灰质云岩,或是形成层状产出的岩盐,由于水体循环相对开阔,形成了薄层状含泥质灰质云岩,岩盐也逐渐向沉积中心沉积,厚度变大。

      • (1) 英西地区下干柴沟组上段( E 3 2 )为咸化背景下的湖相混合沉积,内部由多套米级的向上变浅沉积旋回在垂向上频繁叠置构成,发育岩性转换面、暴露侵蚀面、测井参数突变等岩芯和测井旋回界面识别标志。

        (2) 区内高频旋回结构类型复杂多样,以块状含灰质云质粉砂岩—薄层状灰质云岩—块状灰质云岩—含膏团灰质云岩;块状灰质云岩—含膏团灰质云岩—岩盐旋回序列;砂岩—块状灰质云岩—薄层状灰质云岩—块状灰质云岩—含膏团灰质云岩三种旋回序列为主,反映湖盆水动力能量、湖水盐度的周期性变化。

        (3) 湖平面升降沉积旋回受构造和古气候的协同演变控制,通过旋回对比,利用井间旋回厚度差异近似反映相对古地貌起伏,研究区整体具有西高东低的古地貌格局,盆内则为低起伏的凹隆相间特征,自下而上各井区间的旋回厚度和地貌差异逐渐减小,反映湖盆填平补齐、逐渐咸化萎缩的演变规律。

    参考文献 (32)

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