Ⅳ 级盐韵律是含盐层系最基本的韵律单元, 也是最精细的盐韵律级别, 厚度仅为几厘米到几米。它是湖盆水体每一次微小淡化或咸化过程最清晰、最直观的表现形式, 对于了解最小时间尺度(0.05~1.0 ka)内水体蒸发强度变化特征及气候的周期性变化具有重要意义(汪仕忠等, 1988; 张永生等, 2005)。由于组成盐韵律的基本岩性不同, 作者将研究层段中出现的不同岩性称为盐韵律的基本韵律要素, 研究层段主要有7种韵律要素, 它们分别是:①泥岩; ②白云质泥岩; ③膏质泥岩; ④白云岩; ⑤石膏岩; ⑥泥质白云岩; ⑦泥质膏岩。这7种韵律要素在剖面中组合形成了8种不同类型的盐韵律, 这8种盐韵律的厚度范围在40 cm~12 m之间, 每种韵律的规模即为一个Ⅳ 级盐韵律(图 2)。

图2

Fig.2

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	图2 江汉盆地新沟油田新沟嘴组Ⅳ 级盐韵律类型Fig.2 Types of Ⅳ -order salt rhythms of the Xingouzui Formation in Xingou Oilfield, Jinghan Basin

A型盐韵律:由4种韵律要素组成, 成盐序列由白云岩缓慢过渡到白云质泥岩再到泥质沉积, 再由泥岩沉积逐渐过渡为白云质泥岩再到膏质泥岩沉积。这种类型的盐韵律在研究层段较为常见, 是一种逐渐淡化、继而缓慢蒸发浓缩的盐韵律类型(图 2-A)。

B型盐韵律:由4种韵律要素组成, 为膏质泥岩缓慢过渡到白云岩再到泥岩沉积, 向上再从泥岩逐渐过渡到白云岩和膏质泥岩沉积(图 2-B), 形成机理与A类盐韵律相似。

C型盐韵律:仅由2种韵律要素组成, 为白云岩沉积到泥质沉积, 再由泥质沉积过渡到白云岩沉积。与A、B型盐韵律沉积机理相似, 同样为缓慢淡化和缓慢蒸发的盐韵律类型, 但是较A型、B型蒸发强度更弱, 未出现任何膏质沉积, 只有白云岩和泥岩沉积(图 2-C)。

D型盐韵律:由4种韵律要素组成, 从膏质泥岩缓慢过渡到白云质泥岩再到泥岩沉积, 继而快速过渡到膏岩沉积, 是一种缓慢淡化到快速浓缩的沉积过程(图 2-D)。

E型盐韵律:由3种韵律要素组成, 从白云岩沉积直接过渡到泥质沉积并快速过渡为膏岩沉积, 是一种快速淡化继而快速浓缩的盐韵律类型, 且蒸发强度大(图 2-E)。这种类型在研究区较为少见。

F型盐韵律:由5种韵律要素组成, 从膏质泥岩快速过渡到泥岩沉积, 进而缓慢过渡到白云质泥岩沉积、白云岩、膏岩沉积, 是一种快速淡化进而缓慢蒸发浓缩的盐韵律类型(图 2-F)。蒸发强度与D型、E型相似, 但是这种较为完整的盐韵律在研究区并不常见。

G型盐韵律:由3种韵律要素组成, 由膏质泥岩快速过渡到泥岩沉积, 进而因水体快速蒸发浓缩过渡为膏岩沉积, 与D类盐韵律相似, 是一种快速淡化进而快速蒸发浓缩的盐韵律, 具较高的蒸发强度(图 2-G)。

H型盐韵律:由3种韵律要素组成, 从膏岩沉积缓慢过渡到白云岩再到泥岩, 因水体快速蒸发过渡为白云岩, 是一种缓慢淡化继而快速蒸发浓缩的盐韵律(图 2-H)。研究层段中这种类型不常见, 且其膏岩和白云岩沉积厚度均较大, 单层膏岩厚度可达5 m以上。

观察以上8种不同类型的Ⅳ 级盐韵律中不同岩性的厚度特征, 可发现不同类型中泥岩、白云岩、膏岩厚度存在差异, 其中, A、B、C、D型盐韵律中, 白云岩及膏岩均为薄层, 厚度与泥岩厚度相差不大, 说明其沉积过程中存在长期的、稳定的淡水注入, 成盐期较为短暂, 成盐过程中以淡化作用为主, 作者将这种特征的Ⅳ 级盐韵律归为Ⅰ 型Ⅳ 级盐韵律, 即为淡化型Ⅳ 级盐韵律; 而在E、F、G、H型盐韵律中, 白云岩尤其是膏岩的沉积厚度均较大, 泥岩层相对较薄, 表明在这几种盐韵律的沉积过程中, 蒸发量大, 蒸发持续时间长, 且淡水量注入较少, 成盐过程以浓缩作用为主, 作者将这类Ⅳ 级盐韵律归为Ⅱ 型Ⅳ 级盐韵律, 即为浓缩型Ⅳ 级盐韵律。这些Ⅳ 级盐韵律显示了成盐过程中湖盆水体整体上处于缓慢淡化到缓慢浓缩的过程, 仅在局部出现快速淡化或快速浓缩, 可能是由突发性的旱涝事件所致。识别这些Ⅳ 级盐韵律, 对清晰认识湖盆水体最小尺度的淡化及咸化过程, 具有重要意义。

一个Ⅲ 级盐韵律一般底部为一个淡化型的Ⅳ 级盐韵律, 上部为一个浓缩型的Ⅳ 级盐韵律, 厚度为几米到几十米。在前面划分的8种类型的Ⅳ 级盐韵律的基础上, 在研究层段识别出AG型、BF型、DG型、DE型、CG型和CH型共6种类型的Ⅲ 级盐韵律(图 3, 图4)。这6种韵律类型都反映出湖盆水体缓慢淡化再逐渐浓缩的过程, 厚度在8~23 m, 整体变化范围不大, 是在干燥气候条件下, 成盐凹陷内局部较小幅度发生构造运动如断层活动、古地貌或古气候变化所引起的湖盆水体发生缓慢的淡化— 浓缩变化而形成的沉积序列。

图3

Fig.3

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	图3 江汉盆地新沟油田新沟嘴组Ⅲ 级盐韵律类型Fig.3 Types of Ⅲ -order salt rhythms of the Xingouzui Formation in Xingou Oilfield, Jinghan Basin

图4

Fig.4

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	图4 X391井盐韵律划分柱状图Fig.4 Column of salt rhythms division in well X391

Ⅱ 级盐韵律是在比Ⅲ 级盐韵律形成周期长的时间尺度内, 可在盆地内进行对比的、代表盆地内广阔范围水体淡化— 浓缩变化规律的沉积序列。一般内部包含2个或以上的Ⅲ 级盐韵律。以泥岩和白云岩、膏岩宏观上的厚度变化为主要依据, 在研究层段自下而上划分出3个Ⅱ 级盐韵律(图 4), 分别命名为Ⅱ ₁, Ⅱ ₂, Ⅱ ₃。其中, Ⅱ ₁盐韵律主要为下部泥岩段, 总厚度110~150 m, 主要为泥岩夹少量薄层砂岩及少量含膏泥岩, 泥岩单层厚度可达40 m以上, 远大于蒸发岩和碳酸盐沉积总厚度, 说明这一时期, 盆地以淡化作用为主; Ⅱ ₂盐韵律为中部蒸发岩段, 主要为泥岩、泥质白云岩、泥膏岩、膏岩, 总厚度180~220 m, 是这3个Ⅱ 级盐韵律中白云岩和膏岩总沉积厚度最大的, 膏岩最厚达120 m(X461井), 这一时期, 虽然湖盆水体经历了多次小规模的淡化— 浓缩过程, 但是整体上蒸发作用远大于淡化作用, 水体以浓缩作用为主; Ⅱ ₃盐韵律与Ⅱ ₁盐韵律特征相似, 为上部泥岩段, 主要以泥岩、含膏泥岩、白云质泥岩为主, 厚 150~200 m, 仍然是以淡化作用为主。

Ⅰ 级盐韵律, 指一个完整的成盐旋回, 代表该时代的成盐作用的发生、发展到消亡的全部演化过程, 即一个完整的成盐旋回, 其厚度一般为几百米到几千米(余丽玲, 2012)。渔洋组和沙市组共同组成了一个完整的成盐旋回, 为Ⅰ 级盐韵律, 总厚数千米且沉积连续, 代表了江汉盆地内由从白垩纪晚期开始, 发展到古新世再到渐新世早期消亡的盐湖沉积的全过程(鉴于本次研究的主要层段为新沟嘴组, 因此未在图4中给出渔洋组和沙市组的岩心特征, 仅标注了新沟嘴组的盐韵律划分, 渔洋组和沙市组具体岩心特征见汪仕忠和金朝熙(2004)), 对于恢复区域内的构造、古气候变化具有重要指示意义。

综上, 一个完整的最精细级别的盐韵律的垂向变化, 应该是在水体淡化— 浓缩的过程中, 随着白云岩、膏岩含量的变化, 沉积顺序应该依次为膏岩— 泥质膏岩— 膏质泥岩— 白云岩— 泥质白云岩— 白云质泥岩— 泥岩— 白云质泥岩— 泥质白云岩— 白云岩— 膏质泥岩— 泥质膏岩— 膏岩, 但是显然, 这种非常完整的盐韵律在实际剖面中是不存在的。可识别出的盐韵律一般都只包括这个完整序列中的几种岩石组分, 不同级别的盐韵律反映了湖平面不同的变化速率以及不同区域范围内的古气候、构造、物源等变化特征, 从而为研究区的综合地质研究提供比较详实的基础资料。

众所周知, 盐湖沉积的气候条件是干旱气候, 且很多文献中都称盐湖是干旱气候的产物, 但是这个认识只讲对了一半。郑绵平(1998)对中国第四纪盐湖沉积进行了长期实地考察后认为, 盐沉积不仅可以在干旱炎热环境中形成, 也可以在干旱寒冷环境下形成, 只是在2种气候条件下, 它们的盐类沉积矿物种类和组合有所不同。

郑绵平将盐类沉积矿物按照形成温度分为3种类型:冷相、暖相和广温相, 这种分类为准确推测某区域具体的干旱气候类型提供了明确依据(郑绵平, 1998; 张永生等, 2005)。如芒硝是典型的冷相矿物, 形成平均温度为零下7 ℃到零下3 ℃; 稳定性无水芒硝、水碱则为暖相矿物, 如果在一个地方发现大量芒硝, 就说明当时的气候条件比较寒冷, 反之若发现大量暖相矿物, 则说明当时当地的气候比较温暖。

从新沟嘴组储集层的矿物成分分析中发现, 矿物类型主要为白云石(30%~89%)、方解石(3%~30%)、泥质(3%~26%), 其余的则为极少量的长石、石英、岩屑、黄铁矿以及方沸石, 其含量均不超过10%(表 1)。根据郑绵平(1998)的分类, 白云石(MgCO₃· CaCO₃)、方解石(CaCO₃)、石膏(CaSO₄· 2H₂O)等矿物均为广温相盐类矿物, 这些矿物沉积一般产于暖温带至中温带, 指示既不寒冷又不炎热的过渡性气候。新沟嘴组的矿物成分以白云石为主, 据此认为在新沟嘴期, 其古气候特征是气温适中的过渡型半干旱— 干旱气候。前人研究表明, 江汉盆地在晚始新世— 早渐新世潜江期的古气候为暖旱型(张永生等, 2005), 说明江汉盆地在新沟嘴期, 古气候处于逐渐变暖的转换阶段, 同时, 新沟嘴期也是盆地构造演化的一个重要变革期, 构造活动以伸展为主, 这种特征是否反映了构造变化和古气候变化之间存在一定的对应关系, 这也是之后值得进一步研究的问题。

表1

Table1

表1(Table1)

表1 江汉盆地新沟油田新沟嘴组储集层矿物成分分布 Table1 Mineral distribution in reservoir of the Xingouzui Formation in Xingou Oilfield, Jinghan Basin 样品 编号 矿物成分/% 白云石 方解石 黄铁矿 方沸石 石英 长石 岩屑 泥质 1 30 30 3 0 2 8 1 26 2 52 12 2 1 2 5 1 25 3 47 4 1 2 7 8 8 23 4 89 5 1 1 0 0 1 3 5 76 5 2 3 3 4 1 6 6 77 3 1 0 3 4 2 10

表1 江汉盆地新沟油田新沟嘴组储集层矿物成分分布 Table1 Mineral distribution in reservoir of the Xingouzui Formation in Xingou Oilfield, Jinghan Basin

4.2.1 盐韵律的形成过程为优质烃源岩的形成创造了有利条件

一方面丰富了有机质来源, 在湖泊水体咸化时期, 由于水体盐度的增高, 湖盆底部水体近于停滞, 因此造成了大量的生物死亡; 淡化时期, 由于大量淡水的注入又为湖泊带来了各种生物和有机质, 之后随着水体盐度增高, 这些生物又会死亡, 在这种生物与有机质不断供给与死亡的过程中, 在湖底形成了腐殖泥相, 为油气生成奠定了物质基础; 另一方面, 湖底这种弱氧化— 还原环境为有机质保存提供了良好的环境。

4.2.2 韵律层中膏岩和云岩的发育对烃源岩的热演化有较大影响

裂解峰值T_max是评价烃源岩成熟度的一项常用指标, 有机质成熟度越高, 其转化为油气的程度就越高, 则T_max值越大。研究区烃源岩的T_max值变化与膏岩和云岩的发育程度呈现密切的相关性。以X1井为例, 膏岩发育程度较高的韵律层附近的烃源岩T_max值为437℃左右, 膏岩发育程度较低的韵律层附近的烃源岩T_max值为407℃左右, 显示出膏岩的发育对烃源岩的热演化程度具有明显的促进作用。原因可能是石膏对烃源岩热解具有催化作用所致, 这种催化作用主要表现在石膏及蒸发盐类物质会加快有机质降解生油气过程, 使生烃反应提前向下一个温阶即高成熟度阶段进行, 从而提高了烃源岩的成熟度(柯小平等, 2006; 王娟等, 2009)。此外, 已有实验证明, 碳酸盐会与有机质相互作用发生热解, 从而对油气热演化产生催化作用。

4.2.3 盐韵律的形成过程对储集层物性具有重要影响

盐韵律中膏岩的形成对储集层物性具有双向影响。由于膏盐岩密度稳定、热导率高, 下部易形成异常高压而产生裂缝, 这样就会减弱下部地层的压实程度, 使成岩作用降低, 这种情况下会造成储集层一般发育以中— 高孔隙度的原生孔隙为主, 物性较好; 随着盐湖收缩, 水体逐渐咸化, 石膏较易发生脱水作用, 在脱水作用过程中会产生富含有机酸的结晶水, 这些有机酸会溶解一些矿物促使溶蚀孔隙的生成; 但是如果盐湖继续浓缩使得石膏脱水形成了硬石膏, 而这些硬石膏作为胶结物充填于储集层中且后期未被溶解的话, 则会造成储集层孔隙度降低, 物性变差(徐天光等, 1997; 熊金玉等, 2007; 刘庆等, 2009; 孙小虹, 2013; 夏胜梅等, 2014)。新沟嘴组的盐韵律层中发育大量石膏, 而未见由石膏析出的硬石膏, 因此整体表现为中高孔的较好物性特征, 主要发育原生晶间孔和少量次生溶蚀孔。

4.2.4 每个完整的盐韵律层中膏岩层都是良好的盖层

膏岩具有很高的排驱压力和稳定的密度, 它对油气的封盖作用主要表现在2个方面:首先即使在埋深很浅的位置(小于70 m), 膏岩的孔渗性已非常差, 这反映了膏岩的致密性特征; 此外, 膏岩的塑性变形具延展性, 不会轻易发生膨胀和破裂, 这些性质都使得膏岩层可以很好地对油气进行封闭而使其不会逸散, 前人也曾列出了不同岩性的封盖能力由高到低的排序:盐岩— 硬石膏(膏岩)— 油页岩— 黏土页岩— 粉砂质页岩— 碳酸盐岩— 泥岩— 燧石, 因此在一个完整的盐韵律层中, 膏岩都可以作为良好的盖层从而保证油气不被逸散(Downey, 1984; Jowett et al., 1994; 王东旭等, 2005; Johannes et al., 2007)。

从研究区发育的盐韵律层的油气显示特征中可看出, 泥岩层多富含有机质, 为良好的烃源岩, 而在白云岩层中可看到波浪式的不均匀油气充注, 上部的膏岩层是重要的盖层(图 6)。说明盐韵律可以形成有效的生储盖组合, 在油气勘探过程中不可忽视。

图6

Fig.6

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	图6 江汉盆地新沟油田新沟嘴组盐韵律与油气生成关系图Fig.6 Relational graph of salt rhythms and oil and gas generation of the Xingouzui Formation in Xingou Oilfield, Jinghan Basin