易承龙. (2016)河南省泌阳凹陷安棚地区古近系核桃园组含碱地层层序特征及其意义[J]. 古地理学报, 18(1): 93-100
Yi Chenglong. (2016)Sequence stratigraphy characteristics and its significance of alkaliferous strata of the Paleogene Hetaoyuan Formation in Anpeng area,Biyang sag in Henan Province[J]. Journal Of Palaeogeography, 18(1): 93-100. DOI:10.7605/gdlxb.2016.01.007  
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河南省泌阳凹陷安棚地区古近系核桃园组含碱地层层序特征及其意义
易承龙
河南省地质矿产勘查开发局第一地质勘查院,河南郑州 450000

作者简介：易承龙,男, 1969年生,高级地质师, 1990年毕业于长春地质学院,现在主要从事地质矿产勘查工作。 E-mail: yclycl22@sina.com。

收稿日期:2014-11-29
摘要

泌阳凹陷位于南襄盆地东南缘,为一西北浅、东南深的陆相断陷型盆地,其沉降中心安棚地区古近纪发育巨厚的白云岩地层,主要天然碱矿层赋存于核桃园组核三段上部和核二段下部,并与白云岩地层密切相关。基于岩心、录井与地震等资料,该区古近系核桃园组含碱岩系地层划分为 3个二级旋回,进一步划分为 8个三级旋回。所含天然碱矿层位于基本层序顶部、二级或三级旋回的上部,含碱岩系地层层序由(纹层状)白云岩到天然碱矿层规律性变化。根据天然碱矿层垂向变化规律进行找矿预测和钻探中预判矿层位置,已经取得较好效果。同时根据该区盐类矿产沉积旋回的研究,一级旋回顶部有钾盐的显示,预示该区有寻找钾盐的可能。

关键词: 泌阳凹陷; 安棚地区; 古近系; 核桃园组; 天然碱矿
中图分类号:P619.2 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2016)01-0093-08
Sequence stratigraphy characteristics and its significance of alkaliferous strata of the Paleogene Hetaoyuan Formation in Anpeng area,Biyang sag in Henan Province
Yi Chenglong
The First Geological Exploration Institute of Henan Provincial Bureau of Geo-exploration and Mineral Development,Zhengzhou 450000,Henan

About the author：Yi Chenglong,born in 1969,graduated from Changchun Geological University in 1990. Now he is a senior geological engineer,and mainly engaged in geological and mineral exploration work. E-mail: yclycl22@sina.com.

Abstract

：Biyang sag,located in the southeast margin of the Nanxiang Basin,is a continental faulted basin and shallower in the northwest than in the southeast. In the central part of Anpeng area,dolostones with huge thickness developed in the Paleogene. The main ore deposits occurred in the upper Member 3 and the lower Member 2 of the Hetaoyuan Formation,and is closely related to dolomitic strata. Based on cores,logging and seismic data,the alkaline rock series stratum of the Paleogene Hetaoyuan Formation can be divided into three second-order cycles,and further can be divided into eight third-order cycles. The trona ore seam is located at the top of the basic sequence and the upper parts of the second-order cycle or third-order cycle,and the alkali rock stratigraphic sequence varies regularly from the laminated dolostone to the trona ore seam. According to trona ore seam vertical change rule, prospecting prediction and predicting seam position in drilling have made good effect. And according to the research of the salt mineral depositional cycle,there may be a potassic salt at the top of the first-order cycle,which indicates the possibility of discovery of potash deposits.

Key words: Biyang sag; Anpeng area; Paleogene; Hetaoyuan Formation; trona ore

泌阳凹陷位于南襄盆地东南缘, 总面积约1000, km2。凹陷内矿产资源丰富, 从周边向中心、由下向上依次富集了石油、页岩气、天然碱、芒硝、石膏等矿产, 以“ 小而肥” 著称全国(王启军等, 1983)。安棚位于泌阳凹陷东南部的沉降中心部位, 为重要的天然碱矿富集区, 安棚一带天然碱矿分布面积约50, km2。泌阳凹陷矿产地质勘查工作始于20世纪70年代初期, 其中地质部门先后发现了安棚石膏矿、安棚天然碱矿① ②( ① 李玉堂, 李书进, 邹克顺, 刘顺龙, 孟宪松．1986．河南省桐柏县安棚矿区碱矿初步普查地质报告．② 李功伟, 曾光明, 李世英, 吴德云, 干国经．1992．河南省桐柏县安棚碱矿勘探地质报告．)等矿产, 石油部门则发现了双河油田和下二门油田。2012年, 地质部门在安棚东南部又发现了一处特大型的天然碱矿床③(③ 易承龙, 杨振军, 郑双信, 李文涛, 张宏伟, 董丽, 孙建涛, 张丽娜, 张贤良, 王建明, 张征, 张国跃, 赵洪涛, 杨士辉, 沙艳梅, 杜建富, 赵志强, 王明军, 易志强, 胡呈祥, 李胜利, 陈建立, 汤清龙, 薛克亮．2012．河南省桐柏县曹庄矿区天然碱矿详查报告．)。伴随着找矿工作实践, 许多专家学者对泌阳凹陷构造特征(胡受权, 1998; 钟俊义等, 2003)、沉积体系(杨香华等, 1994; 胡受权, 1997; 李斌等, 2005)、岩相古地理(王启军等, 1983)、地层层序(胡受权等, 1999; 侯艳平等, 2005; 李海华, 2008)和安棚地区天然碱矿找矿预测(漆丹志等, 1983)、物质成分④(④李玉堂, 李书进, 孟宪松, 袁标, 刘成林, 袁鹤然, 陈郁华．1989．安棚碱矿物质成分、沉积环境及钾盐成矿研究报告．)、成矿规律(陈小军等, 2009; 陈建立, 2013)、成矿物质来源(杨江海等, 2014)等方面做过大量细致的工作, 取得了丰硕的研究成果。

前人在该区的研究成果大体可以分为2个方面:一是围绕凹陷周边砂体、 以寻找油气资源为目的的研究工作, 在凹陷构造、 沉积体系、 岩相古地理和地层层序等多方面取得了研究成果, 未涉及到凹陷中心、特别是含碱岩系地层的研究; 二是围绕凹陷沉降中心、以寻找天然碱矿为目的的研究工作, 在找矿预测、成矿规律、物质成分以及物质来源等多方面取得了研究成果, 未涉及到天然碱矿垂向变化以及含碱岩系地层层序方面的研究。

安棚天然碱矿具有埋藏深(2100~2900, m)、矿层多且分散、极易溶解的特点, 钻探取心非常困难且费用高昂。实际工作中采用含矿层段取心钻进、无矿层段无心钻进及岩屑录井的钻探施工方法, 大大提高了工作效率, 降低了成本。作者根据钻孔资料, 研究了该区天然碱矿层段地层层序特征, 填补了含碱地层层序的研究空白。同时通过含碱地层层序的研究, 总结天然碱矿层垂向上的赋存、变化规律, 对预测矿层、指导钻探取心都具有重要的现实意义。目前施工的5个钻孔(ZK01-ZK05), 孔孔见矿, 且无遗漏, 取得了很好的找矿效果。

1 地质背景
1.1 区域地质背景

泌阳凹陷大地构造位置位于东秦岭造山带与桐柏大别造山带过渡带上的南襄盆地东南缘, 为一断陷型盆地, 其东缘和南缘分别受栗园-泌阳断裂和唐河-栗园断裂所围限, 北西为社旗、新野凸起。随2组断裂的继承性活动、发展, 造就了泌阳凹陷西北缓、东南陡的箕状特征(图 1)。

图1 泌阳凹陷核二段底面构造及安棚地区天然碱矿分布图Fig.1 Bottom surface structure in the Member 2 of Hetaoyuan Formation and trona ore distribution of Anpeng area, Biyang sag

由图1所示, 凹陷沉降中心位于安棚东南一带, 凹陷轴向北西向。受南部深大断裂持续下降的影响, 以及南部山区充足的物源, 早期凹陷内堆积了巨厚的陆源碎屑物, 盆地发展的末期则沉积了巨厚的碳酸盐岩。随着盆地的萎缩、湖水的不断蒸发, 在碳酸盐沉积末期则形成了干盐湖模式④的天然碱矿、芒硝矿以及膏盐矿床。

1.2 矿区地层

从钻孔已揭示的情况看, 凹陷内地层自下而上为古近系玉皇顶组、大仓房组、核桃园组、廖庄组以及新近系凤凰镇组等。玉皇顶组、大仓房组和廖庄组均为陆源碎屑沉积, 核桃园组上、下部为陆源碎屑沉积, 中部为碳酸盐沉积。

核桃园组是区内含碱层位, 自下而上分为核三段、核二段和核一段3个岩性段。核三段岩性为深灰色泥岩、白云质泥岩、泥质白云岩、页岩以及粉细砂岩; 核二段岩性为深灰、灰、褐灰色泥岩、白云质泥岩与泥质白云岩互层, 夹浅灰色薄层粉砂岩; 核一段岩性为灰、灰绿色泥岩、泥质粉砂岩夹浅灰色粉砂质白云岩及灰绿色钙质页岩、劣质油页岩。在核三段上部、核二段下部白云岩相地层中发育多层碱岩, 碱矿层厚薄不一, 最厚达7.95, m, 最薄0.20, m, 一般厚度为1~3, m。核一段下部白云岩地层中发育零星碱矿层。

1.3 沉积物变化规律

泌阳凹陷是一个南断北超的箕状凹陷, 具有断陷型盆地特征, 经历了从早期发展阶段、中期稳定沉降阶段以及晚期缓慢上升萎缩阶段。自晚白垩世至古近纪末时期, 是泌阳凹陷发育的主要时期, 周边丰富的物源, 在其内堆积了巨厚的沉积物。下白垩统胡岗组到古近系玉皇顶组、大仓房组, 沉积了一套以洪积河流相-滨湖相棕红、紫红色厚层状砾岩、砂砾岩、砂岩为主的沉积物, 上部夹泥岩及泥质石膏。泌阳凹陷主体部位最大沉积厚度达5600余米, 向凹陷西北部沉积物厚度逐渐减小。到大仓房组沉积后期, 地层中见石膏斑块及泥质石膏薄层, 说明湖水有咸化趋势。

古近纪核桃园期核三段、核二段沉积时期, 凹陷中心发育一套深灰、灰色泥岩、泥质白云岩、白云质泥岩、油页岩为主的沉积物, 反映了深湖-浅湖相的沉积特点。向凹陷周边碎屑岩逐渐增多, 凹陷边缘则发育了多种类型的三角洲, 沉积了很厚的砂砾岩、砂岩, 构成了湖缘地带的粗碎屑沉积。在凹陷中心部位, 核三段上部和核二段下部白云岩系地层中夹多层天然碱矿层, 构成安棚碱矿的主矿层。

古近纪核桃园期核一段沉积时期及廖庄期, 发育一套灰绿、紫红色泥岩、砂岩沉积物, 凹陷中心夹浅灰色粉砂质白云岩及灰绿色钙质页岩等, 反映了浅湖-滨湖相的沉积物特点。而在边缘则继续发育多种类型三角洲相以及河流-洪积平原相。

1.4 岩相古地理分析

从沉积物组合看, 纵向上, 沉积物特征表现为粗-细-粗、红-黑-红的变化趋势, 横向上亦具有粗-细-粗、红-黑-红的变化趋势, 反映了干旱-潮湿-干旱①(① 李玉堂, 李书进, 孟宪松, 袁标, 刘成林, 袁鹤然, 陈郁华．1989．安棚碱矿物质成分、沉积环境及钾盐成矿研究报告．)的环境变化以及河流、湖泊(陈小军等, 2009; 朱晶晶等, 2011)的沉积特征。凹陷北西部主要接受陆相碎屑岩沉积, 沉积物厚度较小, 东南部则沉积了巨厚的陆相碎屑岩以及湖相碳酸盐岩、泥岩。

核桃园期为泌阳凹陷的最大湖泛期, 凹陷内沉积物最具代表性。从凹陷周边向沉降中心, 岩性从棕红、紫红色砂砾岩、粗砂岩、细砂岩、砂泥岩向深灰、灰色(纹层状)泥质白云岩(白云质泥岩)、泥岩渐变, 反映了沉积环境从河流向湖泊转变(图 2), 白云岩和天然碱密切共生。

图2 泌阳凹陷始新统晚期(核二段下部)岩相图(据林社卿等, 2010②(② 林社卿, 罗家群, 邱荣华, 刘桂兰．2010．泌阳凹陷核三下段成藏条件研究及勘探目标优选); 修编)Fig.2 Lithofacies map of the Late Eocene(the Lower of Member 2 of Hetaoyuan Formation)in Biyang sag(modified from Lin et al., 2010②)

泌阳凹陷核桃园期, 沉积环境主要为河流相和湖相, 由边部到中心可分为扇三角洲、辫状河三角洲、曲流河三角洲、近岸水下扇、湖泊相(鲜本忠等, 2002)以及滑塌浊积扇, 图2中凹陷边缘的粗碎屑沉积物实际就是不同类型的三角洲砂体或砂体群。扇三角洲和近岸水下扇发育于凹陷南部陡坡带, 辫状河三角洲发育于东北部, 曲流河三角洲发育于西北部, 湖泊发育于中部(鲜本忠等, 2002; 吕奇奇等, 2012), 滑塌浊积扇发育于深湖区(刘宗斌等, 2003; 朱晶晶等, 2011; 廖纪佳等, 2012; 彭勇民等, 2012)。每大类沉积相包含了许多亚相, 发育最多的是扇三角洲和辫状河三角洲相, 可进一步划分为三角洲平原和三角洲前缘(刘启亮和罗顺社, 2010; 杨雄涛等, 2010; 朱晶晶等, 2011)。

泌阳凹陷沉积早期, 盆地处于发展阶段, 沉积物以陆源碎屑岩为主, 沉积相主要为扇三角洲、辫状河三角洲、曲流河三角洲, 中晚期随着南部的持续沉降, 湖平面加大, 在沉降中心部位发育了近岸水下扇、湖泊相以及滑塌浊积扇。

2 天然碱矿层系沉积规律
2.1 含碱岩系地层层序

核桃园组是天然碱矿的主要赋存层位, 主要矿层赋存于核二段下部和核三段上部白云岩地层中, 核一段下部有零星发育。

根据5个钻孔的岩心、录井资料, 建立了泌阳凹陷古近系核桃园组层序地层格架, 将该区古近系核桃园组划分为3个二级(以Ⅱ 表示)层序(图 3), 并进一步划分为8个三级(以Ⅲ 表示)层序(核三段未见底)。根据凹陷边缘的陆源碎屑岩组合, 将核桃园组-廖庄组划分了1个一级层序(李海华, 2008)、4个二级层序和10个三级层序。本文与此划分方案基本相当, 不同点在于李海华划分的Ⅱ 1层序顶界面位于核三段顶, 而本文Ⅱ 1层序顶界面位于核二段下部砂岩层顶部。由图3-a所示, 核三段划分了1个二级层序、2个三级层序; 核三段和核二段分别划分了1个二级层序和3个三级层序。Ⅱ 1仅揭示了上半部分, 相当于Ⅱ 1层序湖退体系域, 岩性组合为泥质白云岩、白云质泥岩、泥质粉砂岩、碱岩以及细砂岩, 白云岩-碱岩、白云岩-砂岩的变化反映了湖退过程, 到核二段下部厚层砂岩湖退过程结束, 白云岩为相对湖泛标志, 该层砂岩顶面即为Ⅱ 1层序顶界面, 与之对应的三级层序特征相似。Ⅱ 2、Ⅱ 3层序特征相似, 岩性组合为泥质白云岩、白云质泥岩、泥岩、粉细砂岩以及中粒砂岩。由白云岩-砂岩的变化反应了湖退的过程, Ⅱ 、Ⅲ 层序的顶界面为砂岩相对由薄到厚的顶界面。核桃园组-廖庄组相当于李海华(2008)划分的一级层序, 最大湖泛面位于核三段下部的巨厚层白云岩中。

向凹陷中心, 沉积物以湖相白云岩为主, 碎屑岩很少发育, 总体地层结构特征不太明显, 但含碱层段基本相似。凹陷边缘则发育多类型的三角洲沉积, 具有较典型的陆相裂陷盆地地层层序特征(侯艳平等, 2005; 李海华, 2008), 沉积体系多为多类型三角洲和水下扇。地层层序划分方案基本相似, 核桃园组-廖庄组划分为1个一级旋回、多个二级旋回, 次级旋回略有差异。层序界面类型为Ⅱ 型界面, 特征为沉积相或地层结构转换面。

2.2 天然碱矿层垂向变化规律

泌阳凹陷内共发现17层天然碱矿层, 主要天然碱矿层为第5-9层(图3-a), 呈层状、似层状展布, 平面形态一般近似不规则圆形, 倾向南东, 倾角1° ~11° , 平均5° 左右。矿层埋深1560.92~2929.53, m, 含矿总厚度1368.61, m。单层含矿地层厚度1.72~1072.98, m, 大部分小于100, m, 凹陷中心部位碱矿层发育, 靠近盆地边缘呈减薄尖灭的趋势。主体矿层赋存于核二段下部和核三段上部, 与白云岩地层息息相关; 层序格架上位于Ⅱ 1层序上部或Ⅲ 2、Ⅲ 3层序上部, 与天然碱矿成矿条件相一致, 并与白云岩地层密切伴生。泌阳凹陷为一个陆相局限湖盆, 充足的物源、持续的干旱(陈小军, 2009)条件有利于碱类矿物的形成和富集。从盆地边缘至中心部位, 沉积物由陆源碎屑岩渐变为湖相白云岩, 因此凹陷中心白云岩发育部位是天然碱矿层富集的最有利部位。

天然碱矿层发育于Ⅱ 1层序上部或Ⅲ 2、Ⅲ 3层序上部, 与二、三级湖退旋回相对应, 在次级旋回中亦具有同样的规律。通过对取心段岩石结构构造的详细观察研究, 天然碱矿围岩岩性主要为灰色(纹层状)白云岩和灰色(纹层状)泥质白云岩, 纹层构造发育、泥质含量较少, 天然碱矿层较厚, 随着泥质增多或出现陆源碎屑沉积物, 天然碱矿层逐渐减少至不发育。作者通过天然碱矿层较富集的一段含碱地层来进行基本层序划分(图 3-b)。

图3 泌阳凹陷安棚地区核桃园组ZK01孔含碱岩系地层层序Fig.3 Alkaline rock series stratigraphic sequence of Borehole ZK01 of the Hetaoyuan Formation in Biyang sag

图3-b所示为ZK01孔9、10号天然碱矿层段岩性柱状图, 上部为9号层, 下部为10号层(图2)。该段含碱地层位于核三段上部, 相当于Ⅱ 1旋回或Ⅲ 2旋回上部的湖退体系域。该段天然碱矿较发育, 向上出现碎屑岩沉积, 天然碱矿逐渐减少, 至核三段顶部, 碎屑岩沉积厚度增大、粒度变粗, 天然碱矿不发育。含矿层段岩性由灰色纹层状(含碱团块)白云岩和天然碱矿组成, 中部灰色纹层状(含碱团块)白云岩和浅灰色细砂岩组合则不发育天然碱矿层, 说明天然碱矿与湖相白云岩地层密切相关。天然碱矿层下部与灰色(纹层状)白云岩整合接触、界线渐变过渡, 而天然碱矿层的顶部不规则或其上部白云岩的底部不平整, 一些天然碱矿层上部出现角砾状构造, 说明天然碱矿层顶部出现了冲刷剥蚀面或是小的间断面, 白云岩中的天然碱团块则相当于冲刷砾石沉积。由上看出, 含天然碱矿层段地层的基本层序(六级旋回)组成就是灰色纹层状(含碱团块)白云岩-天然碱矿层、白云岩-砂岩, 根据地层厚度的变化趋势归并五级和四级旋回(图 3-b)。该段层序地层模式为白云岩-天然碱-砂岩, 根据岩石组合以及地层结构的变化进一步归并三级旋回, 比如70碱层上部泥质粉砂岩厚度达到最大, 从而划分了Ⅲ 2层序。天然碱矿层均位于各级旋回的顶部(上部), 这对在垂向上预测矿层具有重要的指示意义。

3 天然碱矿含矿层序划分的意义

天然碱矿赋存于Ⅱ 1旋回或对应的Ⅲ 2、Ⅲ 3旋回的上部(湖退体系域), 在基本层序中, 天然碱矿层位于基本层序的顶部, 这与该区天然碱的干盐湖成矿模式相一致。根据以往资料, 该区不仅仅在Ⅱ 1旋回的湖退体系域上部发育天然碱矿, 向上依次在Ⅱ 2旋回上部发育天然碱矿, Ⅱ 3旋回上部发育芒硝矿, Ⅱ 4旋回(李海华, 2008)上部发育硬石膏矿。换句话说就是, 在一级旋回湖退体系域所对应的核桃园组、廖庄组中, 从下向上依次发育了天然碱、芒硝以及石膏等盐类矿产(图4)。根据这些规律可以很好地进行成矿预测, 缩小找矿靶区, 对盆地找矿具有重要的指导意义。凹陷下部仍有巨厚的沉积物, 根据上部的地层层序分析, 湖退时期沉积的核桃园组、廖庄组发育盐类矿产, 那么其下伏的一级旋回是否具有同样的特征, 目前因钻探能力有限未能进行验证。

图4 泌阳凹陷安棚地区ZK05孔盐碱类矿产垂向变化Fig.4 Vertical variation of salt-alkalies minerals of Borehole ZK05 in Anpang area, Biyang sag

本区天然碱矿埋藏深, 钻探施工均采用大口径, 全取心费用高昂, 同时天然碱矿又是易溶矿物, 钻孔取心十分困难, 因此准确判定矿层位置非常关键。通过地层层序划分, 研究区域天然碱矿层段地层层序特征, 总结天然碱矿层的赋存规律。然后利用基本层序中天然碱矿层的变化规律, 预测天然碱矿层可能出现的位置以及厚度上的变化, 进而对天然碱矿层进行预判, 在钻进过程中提前做好准备, 很好地达到了钻进取心的目的。

另外核桃园组、廖庄组岩盐矿沉积序列中, 天然碱、芒硝、石膏包括石盐发育齐全, 构成了一个完整的盐类成矿序列, 其上部亦具有钾盐的成矿条件, 个别地方有钾的显示, 预示着该区具有寻找钾盐矿的地质条件。核桃园组核三段上部、核二段下部发育天然碱矿, 核一段上部发育芒硝矿, 廖庄组上部发育石膏矿(图4)。矿层中均发育钠盐, 且向上有增多的趋势, 石膏层中部分地段钾盐浓度达到200 mol/L, 以往钻孔碱卤水中K+浓度达到过738 mg/L①（ ① 李玉堂, 李书进, 孟宪松, 袁标, 刘成林, 袁鹤然, 陈郁华．1989．安棚碱矿物质成分、沉积环境及钾盐成矿研究报告．）, 预示凹陷内有钾盐富集的可能。这需要进一步的研究工作来证实。

4 结论

1)泌阳凹陷为一西北浅、东南深的陆相断陷型凹陷, 周边堆积了巨厚的陆源沉积物, 而沉降中心部位古近纪沉积了巨厚的白云岩地层。主要天然碱矿层赋存于该区古近系核桃园组三段上部和二段下部, 并和白云岩地层密切相关。根据岩心、录井资料, 该区古近系核桃园组-廖庄组划分为1个一级旋回, 核桃园组含碱岩系地层划分为3个二级旋回和8个三级旋回。

2)通过对泌阳凹陷安棚地区含碱地层层序的划分与对比, 天然碱矿层赋存于各级旋回上部或顶部, 这与盐类矿产发育规律十分吻合, 对在该区寻找类似的盐类矿产具有重要的指导意义。

3)含碱岩系地层层序由(纹层状)白云岩到天然碱矿层规律性变化, 纹层不发育或碎屑岩增多则天然碱矿层变薄至不发育。根据天然碱矿层垂向变化规律, 可指导钻孔施工中对天然碱矿层的预判, 达到准确判定矿层以及取心的目的。

The authors have declared that no competing interests exist.

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