孔红喜, 赵健, 侯泽生, 司丹, 翟志伟, 马进业, 申玉山. (2015)柴达木盆地鄂博梁Ⅲ号构造新近系沉积环境演化及物源分析[J]. 古地理学报, 17(1): 51-62
Kong Hongxi, Zhao Jian, Hou Zesheng, Si Dan, Zai Zhiwei, Ma Jinye, Shen Yushan. (2015)Provenance analysis and sedimentary environment evolution of the Neogene in Eboliang Ⅲ structure of Qaidam Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 17(1): 51-62. DOI:10.7605/gdlxb.2015.01.005  
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柴达木盆地鄂博梁Ⅲ号构造新近系沉积环境演化及物源分析
孔红喜, 赵健, 侯泽生, 司丹, 翟志伟, 马进业, 申玉山
中国石油青海油田勘探开发研究院,甘肃敦煌 736202

第一作者简介 孔红喜,1967年生,高级工程师,1989年毕业于西北大学地质学系,现主要从事矿物岩石学、沉积储集层、石油地质综合研究等方面的工作。地址:甘肃省敦煌市青海油田研究院天然气勘探研究室;邮政编码:736202。E-mail: khxqh@petroChina.com.cn。

收稿日期:2014-05-27
基金:国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”(编号:2011ZX05003-006)资助
摘要

鄂博梁 Ⅲ号构造为柴达木盆地大型构造之一,其中仅新近系下油砂山组圈闭面积即可达 470 km2。运用近 3年来在该构造东西高点钻探的鄂深 1、鄂深 2及鄂 7共 3口探井的最新资料,通过岩石学、古生物学及地球化学等综合分析,对鄂博梁 Ⅲ号构造沉积环境演化和物源方向进行了系统研究,取得了不同于前人的新认识。鄂博梁 Ⅲ号构造新近纪沉积环境自上干柴沟期( N1)到狮子沟期(N23)是一个湖进、水体不断加深的沉积演化过程,与前期所认识的湖泊收缩、水体不断变浅的结论不同。鄂博梁 Ⅲ号构造新近系沉积碎屑主要来自于阿尔金山物源区,自下而上具有较强的继承性,浅部地层受冷湖方向物源的影响而具有混源的特点。该研究取得的新成果为该区进一步勘探部署提供了理论依据,并取得了一定的勘探成效。

关键词: 柴达木盆地; 鄂博梁Ⅲ号构造; 新近系; 沉积环境演化; 物源
中图分类号:P512.2 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2015)01-0051-12
Provenance analysis and sedimentary environment evolution of the Neogene in Eboliang Ⅲ structure of Qaidam Basin
Kong Hongxi, Zhao Jian, Hou Zesheng, Si Dan, Zai Zhiwei, Ma Jinye, Shen Yushan
Research Institute of Petroleum Exploration and Development of Qinghai Oilfield,PetroChina,Dunhuang 736202,Gansu

About the first author Kong Hongxi,born in 1967,senior engineer,graduated from Geology Department of Northwest University. He is mainly engaged in mineral petrology,sedimentary reservoir and comprehensive study on petroleum geology. Address:Natural Gas Exploration Research Laboratory, Research Institute of Petroleum Exploration and Development of Qinghai Oilfield Corporation in Dunhuang, Gansu Province. Postcode, 736202. E-mail: khxqh@petroChina.com.cn.

Abstract

Eboliang Ⅲ structure is one of the macrostructures in Qaidam Basin with trap area up to 470 km2 in the Neogene Xiayoushashan Formation. In this paper,the authors studied the systematically the sedimentary environment evolution and provenance direction in Eboliang Ⅲ structure by using the new data of Wells Eshen 1,Eshen 2,and Eshen 7, which were drilled in succession at the east and west structural high points in recent three years. By synthetic analysis with petrology,palaeontology and geochemistry,some new points about the sedimentary environment evolution and provenance direction were obtained. The structure from the Shangganchaigou Age to Shizigou Age was under a deposition process with constantly deepening water, which was completely opposite to the previous viewpoint. Altun Mountains provenance provided main sedimentary clastics for Eboliang Ⅲ Structure. On this basis,the single well and multi well analysis has been developed to confirm the sedimentary evolution process,providing a theoretical basis for further exploration and deployment,and obtaining the corresponding exploration effect.

Key words: Qaidam Basin; Eboliang Ⅲ structure; Neogene; sedimentary environment evolution; provenance

鄂博梁构造带位于柴达木盆地中北部, 受构造运动和沉积环境的影响, 形成了一系列大型背斜构造, 同时发育有巨厚的侏罗系烃源岩及新近系储盖组合, 新一轮资源评价表明本区天然气资源量近千亿立方米, 是煤型气勘探的有利地区之一(戴俊生等, 2003; 徐凤银等, 2003)。2010年以前由于地表条件以及地质认识等多方面的限制, 未曾开展钻探作业。该区的研究主要借助区域沉积背景的推测, 认为上新世由于昆仑山迅速抬升, 湖盆面积缩小, 加之气候干旱, 至上新世中晚期柴达木湖盆收缩衰亡(吴因业等, 2003; 赵加凡等, 2004)。近几年来, 随着鄂博梁Ⅲ 号构造东西两高点钻探了鄂深1井、鄂深2井和鄂7井3口探井, 为该区地层、沉积环境和构造等地质研究提供了直接的钻井和测井资料, 多种资料的研究表明该构造在新近纪上干柴沟期至狮子沟期是一连续湖侵水进的沉积过程, 水体不断加深, 物源来自西北的阿尔金山脉。

1 地层概况

鄂博梁构造带是柴达木盆地内重要的含油气构造带, 包括:鄂博梁Ⅰ 号、鄂博梁Ⅱ 号、葫芦山、鄂博梁Ⅲ 号和鸭湖共计5个次一级构造(图 1), 从北侧的阿尔金山延伸到盆地的腹地, 受沉积时隆坳位置和后期剥蚀的影响, 目前仍保留的地层及厚度有很大差异。坳陷中心附近地层发育齐全、厚度较大; 靠近老山的地区, 受后期剥蚀的影响, 地层发育不齐全、地层厚度小。

图1 柴达木盆地新近系鄂博梁构造带分布Fig.1 Distribution for Eboliang structural belt of the Neogene in Qaidam Basin

根据物探解释及钻探成果, 该区自上而下发育有新近系狮子沟组、上油砂山组、下油砂山组、上干柴沟组, 古近系下干柴沟组上段、下干柴沟组下段、路乐河组, 中生界侏罗系以及基岩共8套地层。鄂博梁Ⅲ 号构造目前揭示的地层包括新近系狮子沟组、上油砂山组、下油砂山组和上干柴沟组共4套地层(图 2)。从鄂深1井的岩性统计来看, 鄂博梁Ⅲ 号构造岩性以泥岩为主, 粉砂岩其次, 细砂岩最少。

图2 鄂博梁Ⅲ 号构造鄂深1井综合柱状图Fig.2 Comprehensive column of Well Eshen 1 of Eboliang Ⅲ structure

2 沉积环境演化

分析沉积水体升降演化的目的在于研究古沉积环境中丰水期与枯水期的变化, 这是沉积相研究、沉积砂体展布形态分析的基础。在石油天然气勘探中, 沉积水体演化影响储盖组合, 对烃类聚集有重要意义。

2.1 岩石学特征

2.1.1 岩石颜色

沉积地层的颜色是沉积岩最醒目的特征之一, 是分析判断沉积环境的重要标志之一。一般来说, 灰色、深灰色、黑色的泥岩代表缺氧的还原环境, 红色、棕色、褐色泥岩形成于富氧环境(曾允孚和夏文杰, 1986; 杨平等, 2003)。

鄂博梁Ⅲ 号构造沉积地层颜色的变化十分显著, 狮子沟组和上油砂山组主要为以灰为主的还原色, 而下油砂山组和上干柴沟组均为棕灰色、棕褐色的氧化色地层(图 2), 该特征在钻井录井剖面上表现的特别突出。鄂深1井50~1800 m地层的颜色均为浅灰、灰色, 个别见深灰色(图 3-A); 而在1800 m以下, 经过短暂的杂色过渡, 泥岩的颜色演变为棕灰色、棕褐色(图 3-B), 只有粉砂岩、细砂岩由于石英、长石等碎屑颗粒的自身颜色呈现灰色的继承色, 反映沉积环境有明显改变。本构造西高点钻探的鄂深2井和鄂7井也有同样的沉积特征, 灰色地层与棕灰色、棕褐色地层的分界线约在550 m处。

图3 柴达木盆地鄂博梁Ⅲ 号构造新近系岩石类型Fig.3 Neogene rock types of Eboliang Ⅲ structure in Qaidam Basin

2.1.2 岩性特征

钻探录井资料显示, 鄂博梁Ⅲ 号构造新近系岩性主要为单层较薄的砂泥岩互层, 泥岩、粉砂质泥岩占地层厚度的83.8%, 泥质粉砂岩、粉砂岩占地层厚度的16.0%, 细砂岩含量很低, 仅占地层厚度的0.2%。总体上反映了鄂博梁Ⅲ 号构造新近系沉积水动力条件较弱、水体较深的特点。砂岩储集层碎屑颗粒分选较差, 长石风化程度中等, 磨圆度次棱角状, 成分成熟度低, 结构成熟度中等, 储集层空间类型主要为原生粒间孔, 深层有部分井段为次生孔隙。由于沉积条件和成岩作用等地质因素的差异, 各地层储集层的岩石学特征也存在一定差别。

上油砂山组中的细砂岩主要为岩屑长石细砂岩(图 3-C), 碎屑颗粒占岩石总量的71%~80%, 平均75.4%。其中石英约占碎屑颗粒总量的59%~67%, 平均61.4%; 长石占19%~28%, 平均25.6%; 岩屑占10%~21%, 平均13.0%; 填隙物组分主要为泥质、方解石和黄铁矿、菱铁矿, 总量为6%~10%, 平均8.25%。岩石胶结类型以孔隙式胶结为主, 面孔率在11%~20%之间。

下油砂山组中的细砂岩主要为长石岩屑细砂岩(图 3-D), 碎屑颗粒占岩石总量的76%~86%, 平均83.0%。其中石英占40%~59%, 平均49%; 长石占9%~25%, 平均18%; 岩屑占25%~44%, 平均32%。填隙物总量为8%~11%, 平均9.0%。填隙物组分主要为泥质、方解石和赤铁矿。岩石胶结类型以孔隙式胶结为主, 面孔率在3%~15%之间, 平均值8.3%。

2.2 古生物特征

生物化石不仅可以用于鉴定地层的地质年代, 也是进行沉积环境分析的重要标志之一。古生物的门类组合、生态及其埋藏条件对恢复古环境有重要意义(王水, 1961; 孙镇城等, 1997; 唐伦和等, 1998)。

通过对鄂博梁Ⅲ 号构造鄂深1井和鄂深2井的介形虫化石和轮藻化石进行分离鉴定, 2口井在古生物的分布上具有相同的特征。鄂博梁Ⅲ 号构造新近系介形类亚纲(Ostracoda)化石主要为正星介属(Cyprideis), 分布在鄂深1井1700 m以上、鄂深2井1300 m以上的地层中, 主要包括近岸正星介(Cyprideis littoralis)、鄂博梁正星介(Cyprideis eboliangensis)、近鄂博梁正星介(Cyprideis subeboliangensis)。正星介属现今种大多数生活于半咸水的水域中, 主要在内陆咸化湖泊中(路艳丽等, 2005)。在中国仅大兴安岭— 太行山— 武陵山一线以西的中新世晚期、第四纪和现代干燥地区的微咸水— 半咸水沉积内有发现(孙镇城等, 1997)。因此鄂博梁Ⅲ 号构造钻井中保存的正星介化石表明该区上油砂山组至狮子沟组为半咸水湖泊环境的产物, 代表了干热的气候条件。

鄂博梁Ⅲ 号构造新近系轮藻有有盖轮藻(Jectochara)、球状轮藻(Sphaerochara)、克氏轮藻(Croftiella)等类型, 分布在鄂深1井1700 m和鄂深2井1300 m以下的地层中。轮藻主要是一种淡水水生植物, 浅水、静水是轮藻密集分布的有利场所(王水, 1961)。在柴达木盆地现代湖泊中, 轮藻生长的场所水介质含盐量多数在3‰ 左右, 最高也没有超过10‰ , 而咸水湖里至今还未找到任何轮藻(唐伦和等, 1998)。区域地层研究成果也反映柴达木盆地轮藻的地理生态分布一直受控于水的含盐度, 在地层中有无轮藻的分布主要取决于水体的盐度, 咸水湖泊中只有淡水水域才有轮藻出现。这说明鄂博梁Ⅲ 号构造下油砂山组处于水体较浅的淡水环境, 与上覆上油砂山组和狮子沟组在水体性质上存在明显差异。表明新近系湖盆水体性质在下油砂山组与上油砂山组之间存在明显转变。

2.3 自生矿物反映的古环境

在碎屑岩沉积中, 沉积期或同生期形成的原生矿物能反映沉积介质的物理化学条件。在砂岩中常见作为胶结物出现的菱铁矿、黄铁矿等铁类矿物, 菱铁矿是二价铁的碳酸盐, 黄铁矿是铁的二价硫化物, 另外, 二价铁矿物白铁矿也常与这2种矿物共生, 它们的形成受Eh值的控制, 形成于还原环境中; 赤铁矿是铁的三价氧化物, 形成于氧化条件下, 磁铁矿在化学组成上由Fe2O3和FeO组成, 处于氧化— 还原过渡相。

从鄂深1井X射线衍射全岩分析结果(表 1)可以看出, 下油砂山组样品中普遍含赤铁矿, 除个别样品外, 含量介于1.6%~5.3%之间, 平均为2.9%。而上油砂山组样品中未见赤铁矿, 相反有部分样品含有黄铁矿、菱铁矿。说明下油砂山组形成于氧化环境, 上油砂山组以后逐渐演化为还原环境, 总体上反映了一个水进的过程。偏光显微镜下的鉴定结果也普遍见有铁质矿物的存在, 黄铁矿色深(图 3-D), 赤铁矿颜色偏浅、表面发红(图 3-F), 均以胶结物的形态存在于碎屑颗粒之间。

表1 柴达木盆地鄂深1井新近系自生矿物X衍射分析 Table1 X-ray diffraction analysis of authigenic mineral of the Neogene for Well Eshen 1 in Qaidam Basin
2.4 新近系沉积环境演化

根据上述岩石颜色、岩石类型、古生物分布以及自生矿物等资料综合分析, 认为柴达木盆地鄂博梁Ⅲ 号构造新近系主要为干热的气候条件, 自上干柴沟组到狮子沟组是一个水进的沉积过程。

1)地层中泥岩的颜色由上干柴沟组和下油砂山组的以棕灰色、棕褐色为主的氧化色转变为上油砂山组和狮子沟组的以灰色为主的还原色。

2)岩石类型中上油砂山组细砂岩的石英含量(61.4%)明显高于下油砂山组(49%), 填隙物的含量则正好与之相反, 表明从上油砂山组到下油砂山组, 物源的风化强度明显增加。

3)自生矿物组成由下油砂山组以赤铁矿为主逐渐转变为上油砂山组以黄铁矿和菱铁矿为主, 反映了沉积环境由氧化到还原的演化过程。

4)古生物分析表明, 上干柴沟组、下油砂山组为静水、浅水环境, 含盐度较低, 轮藻类化石发育; 上油砂山组、狮子沟组未见轮藻类化石, 而代表半咸水滨浅湖环境的介形虫种属则常见。

3 物源分析

物源分析是沉积相纵横向展布研究的重要内容(赵加凡等, 2004; 李凤杰等, 2012)。鄂博梁Ⅲ 号构造位于伊北凹陷的中心地带, 前人普遍认为该区物源来自于北部的赛什腾山(徐凤银等, 2003; 赵加凡等, 2004; 李凤杰等, 2012; 林洪等, 2014)。作者依据研究区钻井所获取的岩心、岩屑资料, 通过重矿物、元素地球化学、砂体特征等多方面的综合研究, 认为鄂博梁Ⅲ 号构造物源来自西北的阿尔金山, 经鄂博梁Ⅰ 号构造和Ⅱ 号构造到达该区。

3.1 重矿物分布特征

重矿物分析是判断物源方向及物源分区的常见方法(和钟铧等, 2001; 赵红格和刘池洋, 2003; 杨仁超等, 2013)。

鄂博梁Ⅰ 号构造鄂3井下干柴沟组上段白钛矿平均含量28.3%, 磁铁矿平均含量23.0%, 锆石平均含量16.3%, 石榴石平均含量15.3%, 角闪石平均含量2.7%, 绿帘石平均含量0.7%。鄂博梁Ⅱ 号构造鄂2井下干柴沟组上段白钛矿平均含量 31.1%, 磁铁矿平均含量15.4%, 锆石平均含量23.1%, 硅灰石平均含量8.7%, 石榴石平均含量4.9%, 角闪石平均含量2.2%, 绿帘石平均含量0.2%。鄂博梁Ⅲ 号构造鄂深1井上干柴沟组白钛矿平均含量15.6%, 磁铁矿平均含量46.6%, 锆石平均含量34.3%, 石榴石平均含量2.0%, 电气石平均含量0.8%, 赤铁矿平均含量0.7%, 未见角闪石和绿帘石。至狮子沟组锆石含量下降到11.2%, 绿帘石、角闪石和透闪石开始出现并不断增加, 表明物源发生变化, 可能是受东侧冷湖方向变质岩物源体系的影响所致(图 4)。

图4 柴达木盆地鄂深1井新近系主要重矿物组合直方图Fig.4 Main heavy mineral assemblage histogram of the Neogene for Well Eshen 1 in Qaidam Basin

针对柴北缘地区中新生界的沉积物源问题, 以重矿物的组合分析为基础, 结合前人对柴北缘西段物源分析的研究成果(王鹏和赵澄林, 2001; 戴俊生等, 2003; 李凤杰等, 2012; 林洪等, 2014), 认为柴北缘逆冲带中新生界主要有3大不同的沉积物源(图 5)。鄂博梁Ⅲ 号构造主要受阿尔金物源的影响, 垂向上具有较强的继承性, 重矿物组合以白钛矿— 锆石— 磁铁矿— 石榴石— (硅灰石)为主, 最大特点是不稳定重矿物角闪石、绿帘石等组分含量很低(相对含量小于5%), 这与冷湖构造带以绿帘石— 石榴石— 磁铁矿— 角闪石为主的重矿物组合有明显区别。

图5 鄂博梁地区新近系重矿物物源示意图Fig.5 Schematic map of heavy mineral provenance for the Neogene in Eboliang area

3.2 稀土元素特征

由于实验技术的不断成熟, 元素地球化学方法在物源分析方面的应用日渐广泛, 基本原理是分析表生环境中元素地球化学行为的差异(覃小锋等, 2008)。一些元素在母岩风化、剥蚀、搬运、沉积及成岩过程中不易迁移, 它们几乎被等量地转移到碎屑沉积物中, 因而可作为沉积物物源的示踪物, 如稀土元素(REE)因其特殊的地球化学性质, 从而在判别岩石类型、分析物源方向方面得到了广泛运用。

根据鄂博梁构造带新近系碎屑岩稀土元素与周围阿尔金山前寒武系岩体的稀土元素分配模式进行对比(图 6), 可以看出鄂博梁地区新近系的稀土元素与北阿尔金山地区前寒武纪片麻岩稀土元素的配分模式之间存在良好的一致性(覃小锋等, 2008), 均具LREE富集, HREE严重亏损, 轻稀土中的Eu严重亏损。分配模式表现为LREE富集呈现斜率较大的右倾斜, 而HREE较平坦的“ 右倾” 型稀土元素地球化学特征。表明阿尔金山的片麻岩与鄂博梁地区新近系沉积存在着渊源关系, 是鄂博梁地区新近系沉积的主要物源区。

图6 鄂博梁地区新近系与北阿尔金山前寒武纪物源稀土元素分配模式图Fig.6 Distribution pattern of rare earth elements for the Neogene provenance in Eboliang area and the Precambrian provenance in northern Altun Mountains

3.3 地层砂地比分布特征

砂体形态、大小和分布通常是对某些主要地形或沉积作用的反应, 因而与沉积环境有着直接的联系(金振奎等, 2002; 党玉琪等, 2004)。砂体的平面几何形态主要通过编制同一地层单位的纯砂岩等厚图或砂地比等值线图来体现, 根据等值线所反映的形态, 可大致了解砂体形态, 判断物源方向及展布特征(曾允孚和夏文杰, 1986; 吴因业等, 2003)。鄂博梁Ⅲ 号构造沉积岩粒度很细, 砂质岩含量很低, 受录井目测粒度精确性的影响, 编制的砂地比等值线不是很准确, 但是仍可大致反映物源方向的影响。从砂地比等值线图(图 7)中可以看出, 鄂博梁Ⅰ 、Ⅱ 号构造沉积较相邻地区为粗, 明显存在一个独立的物源, 鄂博梁Ⅲ 号构造处于沉积中心, 可能受冷湖方向赛什腾物源的影响而部分具有混源的特征, 这与重矿物分布反映的特征具有很大相似性。

图7 鄂博梁地区下油砂山组砂地比等值线图Fig.7 Isoline map of sand ratio of the Xiayoushashan Formation in Eboliang area

3.4 鄂博梁构造带物源方向

从上述重矿物、稀土元素和地层砂地比分布特征等物源分析的各单项指标综合分析, 建立了鄂博梁构造带物源方向的总体框架。从物源方向及物源分区示意图(图 8)可以看出:鄂博梁构造带西侧的东坪构造有相对独立的物源, 不影响鄂博梁构造带。鄂博梁构造带沉积物源来自阿尔金山。阿尔金山母岩风化产物经昆特依构造、鄂博梁Ⅰ 和Ⅱ 号构造, 最终到达鄂博梁Ⅲ 号构造。鄂博梁Ⅲ 号构造北部的赛什腾物源自北东向南西方向可到达冷湖的冷91井一带, 由于鄂博梁Ⅲ 号构造处于沉积凹陷的中心, 部分受到赛什腾物源的影响而具有混源的特点。鄂博梁Ⅲ 号构造新近系自下而上物源方向具有较强的继承性。

图8 鄂博梁地区新近系沉积物源方向及物源分区示意图Fig.8 Schematic map of sedimentary provenance orientation and partition for the Neogene in Eboliang area

4 新近系油气勘探

鄂博梁Ⅲ 号构造下油砂山组沉积水体较浅, 辫状河三角洲前缘亚相砂体发育, 形成了良好的储集层; 上油砂山组持续水进, 主体处于滨浅湖亚相, 泥质含量增加, 更细粒的沉积物对下伏地层的烃类聚集形成有效封盖, 两者形成了有利的储盖组合。所钻3口探井油气显示均主要在下油砂山组中上部, 其中位于构造高点的鄂7井Ⅳ 气层组(1678.1~1692.6 m)试气最高产量为1.5× 104 m3/d。

5 结论

1)通过岩石学、矿物学、古生物学及地球化学等研究方法综合分析, 认为鄂博梁Ⅲ 号构造新近纪自上干柴沟期到狮子沟期是一个水进、水体不断加深的过程, 具体表现在:地层中泥岩的颜色由棕灰色、棕褐色为主的氧化色转变为以灰为主的还原色, 母岩的风化强度明显增加、石英含量增加、储集层孔隙度增加; 自生矿物由下油砂山组的赤铁矿逐渐转变为上油砂山组的黄铁矿和菱铁矿, 反映了沉积环境由氧化到还原的演化转变; 古生物的分析表明上干柴沟组— 下油砂山组为静水、浅水环境, 含盐度较低, 轮藻类化石发育, 上油砂山组— 狮子沟组为半咸水的滨浅湖环境, 介形虫种属常见。

2)通过重矿物、稀土元素和地层砂地比分布等物源特征分析, 认为鄂博梁Ⅲ 号构造新近系沉积碎屑主要来自阿尔金山物源区, 自下而上具有较强的继承性, 浅部地层受冷湖方向物源的影响而具有混源的特点。

3)鄂博梁Ⅲ 号构造沉积环境演化和物源分析的新认识, 为该区新近系进一步勘探部署提供了理论依据, 并取得了一定的勘探成效。

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