邓伟, 谭秀成, 张道锋, 钟寿康, 董国栋, 肖笛, 卢子兴, 杨梦颖, 熊鹰, 聂万才. (2022). 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马家沟组马五6亚段硬石膏产状类型与成因* [J]. 古地理学报, 24(2): 226-244.
Deng Wei, Tan Xiu-Cheng, Zhang Dao-Feng, Zhong Shou-Kang, Dong Guo-Dong, Xiao Di, Lu Zi-Xing, Yang Meng-Ying, Xiong Ying, Nie Wan-Cai. (2022). Occurrence types and genesis of anhydrite from the Ma56 submember of Ordovician Majiagou Formation in central and eastern Ordos Basin [J]. Journal Of Palaeogeography, 24(2): 226-244.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2022.02.019
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鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马家沟组马五6亚段硬石膏产状类型与成因*
邓伟1,2, 谭秀成1,2, 张道锋3, 钟寿康1,2, 董国栋3, 肖笛1,2, 卢子兴3, 杨梦颖1,2, 熊鹰1,2, 聂万才4
1 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都 610500
2 中国石油集团碳酸盐岩储层重点实验室西南石油大学研究分室,四川成都 610500
3 中国石油长庆油田公司勘探开发研究院,陕西西安 710021
4 中国石油长庆油田分公司宜黄天然气项目部,陕西延安 716000

通讯作者简介 谭秀成,男,1970年生,教授,博士生导师,主要从事沉积学与储层地质学研究工作。E-mail: tanxiucheng70@163.com。

第一作者简介 邓伟,男,1996年生,在读硕士研究生,主要从事储层地质学研究工作。E-mail: weideng104122@163.com。

收稿日期:2021-08-12 修回日期:2021-10-07
基金资助:*中国石油集团公司上游领域基础性前瞻性项目(编号: 2021DJ0501)资助
摘要

鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马家沟组马五 6亚段硬石膏产状类型多样,基于系统的宏观与微观岩石学分析,识别并区分出星散状( A1型)、纹层状( A2型)、致密块状( A3型)、结核状或团块状( A4型)、鸡雏状或角砾状( A5型)等硬石膏产状类型。单井高频旋回和微相分析表明,马五 6亚段发育与潮坪、潟湖、鲕粒滩、砂屑滩、微生物丘等有关的 5种高频向上变浅序列,硬石膏的产状类型、产出位置和分布形式等与向上变浅序列有很好的耦合关系。 A1型和 A2型硬石膏发育于高频向上变浅序列的下部和中部,主要与膏云质或云膏质潟湖相关,属于潟湖相原生化学沉积成因。 A3型硬石膏分布于高频向上变浅序列的上部,受膏质潟湖控制,也属于原生化学沉积成因。经典的结核状硬石膏( A4- 1)呈随机分布形式产于潮坪沉积序列,为成岩期交代作用或者膏化作用成因,与传统萨布哈交代成因的膏质结核相似。 A4- 2型硬石膏主要出现在颗粒岩和微生物岩中,主要由富含 CaSO4的下渗卤水在溶蚀孔洞中沉淀形成; A5型硬石膏发育于向上变浅序列的上部和顶部,与高频暴露有关,为准同生期以溶蚀—充填为主的岩溶改造成因。发育完整的单个高频旋回,大致经历了高频快速海侵早期、高频快速海侵晚期至缓慢海退早期、高频缓慢海退晚期和高频海退末期暴露 4个演化阶段,形成了与之耦合的海相碳酸盐岩与硬石膏共生序列。这些认识将对马家沟组沉积古环境的再认识具有重要的参考意义。

关键词: 硬石膏; 产状类型; 向上变浅序列; 马五 6亚段; 鄂尔多斯盆地
中图分类号:P588.2 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2022)02-0226-19
Occurrence types and genesis of anhydrite from the Ma56 submember of Ordovician Majiagou Formation in central and eastern Ordos Basin
Deng Wei1,2, Tan Xiu-Cheng1,2, Zhang Dao-Feng3, Zhong Shou-Kang1,2, Dong Guo-Dong3, Xiao Di1,2, Lu Zi-Xing3, Yang Meng-Ying1,2, Xiong Ying1,2, Nie Wan-Cai4
1 State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China
2 Research Branch of Southwest Petroleum University Key Laboratory of Carbonate Reservoirs,CNPC,Chengdu 610500,China
3 Research Institute of Exploration and Development,Changqing Oilfield Company of PetroChina,Xi’an 710021,China
4 Yihuang Natural Gas Project Department,Changqing Oilfield Company of PetroChina,Yan’an 716000,China

About the corresponding author Tan Xiu-Cheng,born in 1970,professor and Ph.D. advisor,is mainly engaged in sedimentology and reservoir geology. E-mail: tanxiucheng70@163.com。

About the first author Deng Wei,born in 1996,master degree candidate,is mainly engaged in reservoir geology. E-mail: weideng104122@163.com。

Fund:China National Petroleum Corporation upstream field basic forward-looking project(No.2021DJ0501)
Abstract

There are diverse anhydrite in Ma56 submember of Ordovician Majiagou Formation in central and eastern Ordos Basin. Based on systematic macroscopic and microscopic petrography analysis,different types of anhydrite were identified and distinguished,such as scattered(A1),laminar(A2),dense massive(A3),nodular or clumpy(A4),squiggly or brecciated(A5).The analysis of high frequency cycles and microfacies of a single well showed that five kinds of high-frequency,shallowing-upward sequences were developed in the Ma56 submember,which are respectively related to tidal flat,lagoon,oolitic shoal,Fragmental shoal and microbial mound. It was found that the occurrence type,production position and distribution form of the anhydrite had a good coupling relationship with the shallower sequences.Type A1 and A2 anhydrite occur in the lower and middle part of the high-frequency,shallowing-upward sequence,which is mainly related to the dolomite lagoon or gypsum lagoon,and belongs to the primary chemical sedimentary origin of the lagoon facies. The A3 type anhydrite is distributed in the upper part of the high-frequency,shallowing-upward sequence,which is controlled by the gypsum lagoon,and also belongs to primary chemical sedimentary origin. The classic nodular anhydrite(A4-1)occurs in tidal flat sedimentary sequence in a random distribution form,and is caused by diagenetic metasomatism or gypsification,which is similar to the traditional sabha metasomatism gypsum nodules.A4-2 anhydrite mainly occurs in grainstone and microbialite,and is mainly formed by precipitation of CaSO4-rich subsurface brine in dissolution pore and small caves.A5 type anhydrite occurs at the upper and top of the shallowing-upward sequence,which is related to high frequency exposure and is caused by karst transformation of dissolution and filling in the syngenetic period.A fully developed single high-frequency cycle has roughly experienced four evolutionary stages: early high-frequency rapid transgression,late high-frequency rapid transgression to early slow regression,late high-frequency slow regression,and exposure at the end of high-frequency regression,which formed a coupled marine carbonate and anhydrite co-occurrence sequence. These understandings will have important referential significance for the re-understanding of the sedimentary paleoenvironment during the deposition of the Majiagou Formation.

Key words: anhydrite; occurrence types; shallowing-upward sequence; Ma56 submember; Ordos Basin

开放科学(资源服务)标志码(OSID)

1 概述

膏盐岩与碳酸盐岩共生是一种非常普遍的沉积现象, 同时也是一个重要的指相标志。20世纪60年代国外学者在波斯湾现代大陆边缘发现大量硬石膏, 由此掀起了继上个世纪“ 沙洲说” 和“ 沙漠说” 争论以来(张彭熹, 1992)又一次蒸发岩成因的研究高潮, 并将这一发现总结为萨布哈蒸发岩沉积和成岩模式。值得注意的是此模式中发育了一种结核状(nodular)硬石膏, 被解释为萨布哈环境的柔软基底遭受暴露蒸发、饱含CaSO4的流体在基底上沉积或交代基底而形成(Butler, 1969; West et al., 1979), 得益于波斯湾良好的潮坪序列发育特征和结核状硬石膏特别的结构(Warren and Kendall, 1985), 此形态的硬石膏常被作为潮上萨布哈的典型标志(Peryt, 1994; Becker and Bechstä dt, 2006; Strohmenger et al., 2010; Aleali et al., 2013; Yeş ilova and Gö kmen, 2020), 同时根据其含量差异可分出以下3种类型: 一是少量、断续分布的结核状硬石膏, 二是鸡笼状(chicken-wire)硬石膏, 三是纹层状(laminar)硬石膏(Shearman and Fuller, 1969), 分别与本研究的结核状或团块状、鸡雏状或角砾状、纹层状硬石膏具一定相似性。但早在20世纪70年代, 许靖华等(Hsu, 1972)在地中海钻探中发现了中新世Messinian期巨厚、广泛分布、类型多样的蒸发岩, 就对这种模式提出了质疑, 陆续也有学者指出nodular硬石膏只是一种成岩标志(Dean et al., 1975; West et al., 1979), 并不唯一地指向潮上萨布哈环境, 在古老地层中存在时应综合实际情况, 进行谨慎判断(Quijada et al., 2020)。对于厚度大、连续性好、延伸远的层状硬石膏, 多被解释为深水盆地成因(Schmalz, 1969; Dean et al., 1975), 或在潮坪环境中水深大于5 m以上的局部低洼地区, 由于盐跃层的存在而形成(Warren, 2006; Sorento et al., 2020), 同时也存在一种泥晶云岩与硬石膏韵律互层, 其极好的韵律, 是气候季节性或年度性周期变化的结果(Anderson et al., 1972; Vogel et al., 2010)。

鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组是该区域的重要含膏盐岩层系, 前人对此开展了大量的研究, 并给出了相应的成因解释。薛平(1985, 1986)基于野外露头资料, 将华北中奥陶统的硬石膏细分为9类, 并表示全区为一个陆表海浅水环境, 不存在潮坪向陆过渡的古地理格局, 膏盐岩的盐度补给来自于一种“ 向心补偿流” 的水体浓缩机制, 提出了“ 陆表海台地型蒸发岩成因模式” 。由于当时对于盆地沉积古地理格局的认识程度有限, 序列分析精度也相对不高, 使得在部分硬石膏岩沉积环境划分和成因解释方面仍存在一些有待深入研究的问题。张吉森等(1991)针对米脂凹陷内3口井钻遇的巨厚蒸发岩, 结合一系列的野外露头资料, 认为蒸发岩的沉淀是在隆坳相间的半封闭深水模式下形成的。包洪平等(2004)用障壁盐坳体系、不断“ 干化蒸发” 来解释蒸发岩的成因, 认为海平面上升时, 海水的“ 回灌重溶” 导致了钾镁盐层的缺失, 残留的不溶物质, 防止了石盐的进一步溶解。该模式给盆地东部巨厚的蒸发岩沉积提供了良好的解释, 并得到了后期石盐流体包裹体的分析测试数据验证(赵艳军等, 2016)。还有许多有关蒸发盐岩的研究, 更多地集中于膏(盐)模孔形成机制和储集性能方面(姚泾利等, 2010; 刘新社等, 2017; 余浩杰等, 2021), 并不侧重于膏盐岩的成因和对环境的指示意义。

近年来, 随鄂尔多斯盆地马家沟组中下组合勘探取得重大突破, 碳酸盐岩与蒸发岩共生地层取心资料日趋丰富, 这为认识古老地层中膏盐岩与碳酸盐岩共生地层的古环境研究提供了绝佳的材料。有鉴于此, 本研究基于系统的宏微观岩石学与高频旋回沉积序列解释工作, 研究高频向上变浅序列内硬石膏岩的产状类型与共生组合类型, 并讨论不同产状类型的硬石膏岩成因, 进而建立起共生组合模式, 其结果对重新认识马家沟组中下组合沉积古环境具有重要的参考意义。

2 区域地质背景

鄂尔多斯盆地隶属于华北板块, 是一个稳定沉降, 凹陷迁移、扭动明显的多旋回叠合盆地, 盆地面积约2.5× 1 km2。研究区位于鄂尔多斯盆地中东部地区, 即中央古隆起以东的区域, 整体位于陕北斜坡之上, 北部为伊盟古陆、东部和南部与吕梁、闻喜2个水下古隆起相连(图 1), 继续向西则为天环坳陷和西缘冲断构造带(冯增昭和鲍志东, 1999; 张永生等, 2015)。

鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组以发育海相碳酸盐岩台地为特征, 由下至上可依次划分为以下6个岩性段: 马一段、马二段、马三段、马四段、马五段、马六段。其中, 马五段沉积期气候干旱炎热, 受基底抬升的影响整体为一个海退的过程, 根据次一级的海平面震荡和岩性组合又可将马五段分为10个亚段(图 1), 其中马五6亚段海退规模较大(席胜利等, 2017), 在整体海退的沉积背景下, 亚段内部可叠置数十个快速海侵、缓慢海退的高频米级向上变浅旋回(图 2)。中央古隆起的分隔使得马五6亚段的沉积呈现由西向东蒸发岩含量逐渐增高的趋势, 西缘沉积正常的浅水碳酸盐岩, 中部发育研究区最为常见的硬石膏岩与碳酸盐岩的韵律共生地层, 向东米脂凹陷内则以盐岩沉积为主。

图 1 鄂尔多斯盆地及邻区奥陶系马家沟组马五段古地理图(a)与研究区马家沟组地层简图(b)(修改自[17] 张永生等, 2015)Fig.1 Palaeogeography map of the Member 5 of Ordovician Majiagou Formation in Ordos Basin and its adjacent areas(a)and stratigraphic column of the Majiagou Formation in study area(b)(modified from Zhang et al., 2015)

图 2 鄂尔多斯盆地T112井奥陶系马家沟组马五6亚段综合柱状图Fig.2 Comprehensive column of the Ma56 submember of Ordovician Majiagou Formation in Well T112, Ordos Basin

3 硬石膏产状类型与特征

本研究在鄂尔多斯盆地中东部地区钻遇马五6亚段的上百口井中, 观察了53口取心井, 并磨制了抛光薄片959件, 使用徕卡DM4P光学显微镜进行观察, 充分考虑不同位置的硬石膏差异, 在上部、中部、下部共选取了11口岩心资料较全、硬石膏发育情况较好的井进行系统观测、描述和镜下分析, 主要依据硬石膏在地层中的产出状态, 将研究区马五6亚段内产出的硬石膏划分为星散状(A1型)、纹层状(A2型)、致密块状(A3型)、结核状或团块状(A4-1和A4-2型)、鸡雏状或角砾状(A5型)等6种不同产状类型, 它们主要赋存于泥粉晶白云岩类、颗粒白云岩类、微生物白云岩类、蒸发岩类等四大岩类内(黄道军等, 2021)。下面分别描述不同产状硬石膏的形态特征、主要赋存岩性、以及在高频序列中的发育位置等。

3.1 星散状硬石膏(A1型)

这种类型的硬石膏, 当晶体较大时, 在岩心上多呈星点状分散分布, 少见晶形极好的板条状硬石膏呈层状分布(图 3-a, 3-b)。微观下, 针状、板条状的硬石膏被分散包裹于泥粉晶云岩内, 被溶蚀后可形成膏模孔, 为研究区内一种重要的储集空间类型(姚泾利等, 2010; 余浩杰等, 2021), 板条状相对针状自形更好, 晶形更加粗大, 常被后期改造为以假晶形式发育的“ 硬石膏” 。除上述明显可见晶体形态的硬石膏外, 云岩中仍存在许多彩色小亮点, 为十分细小的硬石膏晶体(图 3-c)。此类硬石膏主要与泥粉晶云岩共生, 出现于高频序列下部, 发育频率低, 向上可过渡为纹层状硬石膏。

图 3 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马家沟组马五6亚段硬石膏的产状类型与宏微观特征
a— 含星散状硬石膏的泥晶云岩, 岩心照片, J5井, 3588.81 m; b— 图 3-a的局部放大, 可见板条状硬石膏顺层分布、点状硬石膏零星分布(黄色箭头); c— 星散状硬石膏, 因硬石膏干涉色为三级黄绿色在镜下易被识别, 晶体呈针状和板条状, 正交光, J5井, 3587.98 m; d— 纹层状膏质云岩, 纹层由上至下逐渐变厚, 亮色层为膏岩, 暗色层为泥晶云岩, 岩心照片, S446井, 4118.46 m; e— 纹层状硬石膏, 下部针状硬石膏呈星散状分布(黄色松散虚线处), 向上硬石膏含量增加, 且具有由泥晶云岩逐渐变为薄韵律互层硬石膏的现象(虚线框内箭头指示), 单偏光, T112井, 3682.28 m; f— 纹层状硬石膏, 已基本过渡为薄层的硬石膏, 可见数个针状硬石膏含量较高的纹层(黄色虚线上部), 单偏光, T112井, 3381.42 m; g— 致密块状膏岩, 褐色, 均质块状, 敲开的新鲜面呈乳白色, 岩心照片, S446井, 4115.93 m; h— 鲕粒云岩, 可见大小不一的硬石膏团块, 上部大, 下部小, 岩心照片, T112井, 3346.30 m; i— 膏溶角砾岩, 网格状的溶缝、溶沟将膏岩切割成角砾状, 砾间充填细粒云泥, 岩心照片, S446井, 4117.08 mFig.3 Occurrence types and macro- and microscopic characteristics of anhydrite within the Ma56 submember of Ordovician Majiagou Formation in central and eastern Ordos Basin

3.2 纹层状硬石膏(A2型)

这类硬石膏在岩心上以发育黑白相间的、膏岩与云岩呈韵律性频繁交互的纹层为特征, 纹层多为毫米级, 亮色层与暗色层变化频繁。暗色层为泥粉晶云岩, 以灰— 灰褐色为主, 当泥质含量较高时, 暗色层会更偏黑。亮色层为膏岩, 呈浅灰色— 乳白色(图 3-d), 经机械压实, 易发生揉搓变形或错裂断位。硬石膏晶体在显微镜下较为细小, 呈条状、针柱状, 根据硬石膏晶体的含量和聚集状态可识别出以下3种硬石膏纹层: (1)硬石膏晶体含量较低, 呈星点状分散分布, 但略显纹层(图 3-e); (2)硬石膏在垂向上具有明显的渐变趋势, 下部硬石膏晶体呈分散状, 向上晶径变大, 硬石膏含量明显增加, 逐渐聚集为连续分布的纹层(图 3-e); (3)硬石膏含量较为稳定, 晶体密集聚集, 形成硬石膏纹层, 白云石含量较低(图 3-f)。纹层状硬石膏在研究区内发育频率高, 主要赋存于纹层状膏云岩和云膏岩中, 常发育于高频序列中部, 下部为含膏泥粉晶云岩和泥粉晶云岩, 上部可叠置颗粒岩类、微生物岩类、膏溶角砾岩等。

3.3 致密块状硬石膏(A3型)

该类型的硬石膏是块状或层状膏岩的主力组分, 岩心表面一般为褐色或灰白色, 新鲜断面呈乳白色, 成分单一, 致密, 均一块状, 未见水平层理、交错层理等沉积构造(图 3-g)。显微镜下硬石膏一般呈针柱状、纤维状、板条状等形态, 相互聚集交织在一起, 无明显的定向性。由于后期常遭受溶蚀改造, 难以保存原始面貌, 致密块状硬石膏出现频率低、厚度小, 通常分布于向上变浅序列的中上部。

3.4 结核状或团块状硬石膏(A4型)

这类硬石膏以其集合体具有结核状或者团块状的形态为特征, 多数呈独立个体分布于岩层中, 可大可小, 可多可少, 传统上被称为膏质结核或者膏质团块。考虑到已有的习惯称谓, 暂且将它们归为一类(A4型硬石膏), 实际上它们的形态多种多样, 成因也比较复杂。并非都是成岩期交代形成的结核, 因此将它们简单地细分为A4-1型和A4-2型2种类型。

第1种A4-1型硬石膏, 其集合体以结核状形态为主, 更接近于圆形或椭圆形, 更像经典的成岩结核, 这种膏质结核在区内出现频率低, 在横剖面上呈随机、密集出现的特征, 大小结核的分布具一定的规律性, 每一个大的结核周缘往往伴生了许多小结核(图 4-c), 在纵剖面上可见其主要沿着平坦的泥晶云岩纹层或藻纹层发育, 随着含量的增加具有逐渐连结成层的趋势(图 4-f), 在硬石膏间伴生有石盐等氯化物(图 4-g)(由于取心工艺和后期保存问题造成石盐等氯化物溶解产生了大量在岩心上明显可见的假孔), 未见明显的溶蚀现象和干裂、鸟眼孔等暴露特征。

图 4 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马家沟组马五6亚段团块状或结核状硬石膏的产状特征
a— 凝块云岩, 发育花斑状(海绵状)溶蚀, 溶扩孔隙被团块状石膏充填(黄色箭头), 岩心照片, T112井, 3378.34 m; b— 凝块云岩, 网状溶蚀孔隙, 可见大量的溶蚀残余(黄色箭头), 孔隙并未充填石膏(蓝色铸体), 单偏光, T105井, 3681.84 m; c— 团块状或结核状硬石膏, 基岩为泥晶云岩, 团块呈椭圆形, 大团块周缘总是伴生了许多小团块, 可见假孔, 岩心照片, J5井, 3539.48 m; d— 团块状硬石膏, 基岩为凝块云岩, 溶洞被硬石膏充填, 见残余孔隙, 岩心照片, J5井, 3540.90 m; e— 泥晶云岩, 孔洞边界清晰, 内部充填硬石膏, 可见残余孔隙(黄色箭头), 单偏光, T112井, 3382.29 m; f— 藻纹层云岩, 毫米级的膏质结核顺层分布, 有的已开始相互连结, 岩心照片, J5井, 3539.81 m; g— 硬石膏与石盐等氯化物相互伴生, 发育假孔(黄色箭头), 单偏光, J5井, 3539.81 m; h— 泥晶云岩, 溶孔和溶缝被硬石膏充填, 局部将原岩切割成原地角砾(黄色箭头), 下部可见被黑色沥青(绿色箭头)充填的溶蚀缝, 单偏光, T112井, 3362.20 m; i— 与(h)同一视域的正交偏光显微照片, 可见干涉色鲜艳的硬石膏晶体(黄色箭头), T112井, 3362.20 mFig.4 Occurrence characteristics of lumpy or nodular anhydrite within the Ma56 submember of Ordovician Majiagou Formation in central and eastern Ordos Basin

第2种A4-2型硬石膏常呈现相对孤立的乳白色结核状或团块状, 团块破坏了原始的沉积结构, 大小差异较大, 边缘凹凸不平, 与周缘的岩性呈突变接触, 仿佛浮于岩心表面(图 4-a, 4-h), 可出现于颗粒白云岩、微生物白云岩和泥晶白云岩中, 其中凝块云岩是微生物岩中孔洞最为发育的岩性, 常见花斑状溶蚀, 岩溶水以漫流的方式沿着先存的孔渗优势通道, 可形成大量不规则的网状溶蚀空间(图 4-b), 而此种膏质团块在凝块云岩中的出现频率也最高。虽然泥晶云岩的孔隙发育程度低, 但也偶尔可见溶蚀流体沿着优势岩溶通道将基岩切割成角砾状, 角砾间的孔隙被膏质和沥青充填(图 4-h, 4-i), 发育少许残余溶孔(图 4-d, 4-e)。硬石膏结核或团块的大小具有一定的差异性, 充填于溶孔和小型溶洞中的硬石膏团块呈毫米级大小(图 4-a, 4-b); 产于溶沟或经溶沟连通的溶洞中的硬石膏团块, 亦可达厘米— 分米级大小(图 4-d)。此种结核状或团块状硬石膏在研究区内发育频率中等, 处于高频序列中上部或顶部, 下部为泥粉晶云岩或纹层状云质膏岩, 上部有时叠置膏溶角砾岩, 推测为孔洞充填成因。

3.5 鸡雏状或角砾状硬石膏(A5型)

鸡雏状或角砾状硬石膏与泥质泥晶白云岩和少量方解石等其他物质构成了膏溶角砾岩, 此岩性在岩心上可见硬石膏集合体呈角砾状, 浅灰— 乳白色, 含量大于70%, 角砾大小不一, 砾径范围大, 一般为5~6 cm。角砾间成分主要为云质, 呈灰色、灰黑色充填于角砾间的溶缝、溶沟中(图 3-i)。受溶蚀强度的影响, 角砾状或鸡雏状硬石膏呈现2种不同的形态, 一种为岩心上硬石膏整体性较好, 保留块状硬石膏均一连续特征, 局部被高角度的溶沟所贯穿, 溶沟内充填泥质云岩(图 5-a, 5-b, 5-e), 镜下溶蚀呈现明显的分带性: 一是可见原始硬石膏特征保存较好的基岩带, 基岩整体性相对较好, 边缘受淡水影响逐渐被离解, 呈港湾状、锯齿状, 若继续溶蚀基岩会被切割成膏质角砾; 二是沿着溶缝流动的高盐流体在基岩间的溶蚀孔隙(洞)中再次沉淀析出的再沉积带, 高盐流体是由就近的块状膏岩(上部或侧翼)溶蚀所产生的(图 5-b)。第2种类型, 溶缝、溶沟呈网格状分布, 硬石膏已整体被切割成角砾状, 角砾边缘可大致拼接(图 3-i, 5-d), 角砾间见泥质、泥粉晶白云石、粉晶— 细晶方解石充填物和溶蚀残余(图 5-c, 5-d)。同时由于石膏塑性强, 埋藏期压实作用使得硬石膏与充填物质紧密接触且具有横向延伸的优势。鸡雏状或角砾状出现频率中等— 高, 主要发育于序列上部, 顶部常见暴露面(图 5-f), 下部可为纹层状膏质云岩、微生物叠层云岩、颗粒云岩或砂屑云岩。

图 5 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马家沟组马五6亚段鸡雏状或角砾状硬石膏的产状特征
a— 膏溶角砾岩, 发育少许的溶沟将膏岩横向贯穿, 整体性较好, 仅局部被切割成角砾状, 云泥充填, 岩心照片, S446井, 4117.22 m; b— 角砾状硬石膏, 可见良好的基岩带、基岩边缘产生的溶蚀带及中心的再沉淀带, 基岩边缘硬石膏逐渐被离解, 孔隙局部被泥质充填, 在孔隙中心再次沉淀析出, 单偏光, S446井, 4117.20 m; c— 鸡雏状或角砾状硬石膏, 角砾间泥质、细— 粉晶方解石充填, 单偏光, T112井, 3349.41 m; d— 鸡雏状或角砾状硬石膏, 硬石膏已被完全溶蚀切割成孤立的角砾, 角砾边缘具有可拼接特征, 角砾边缘存在细小的膏质残余, 角砾间充填云泥, 单偏光, T105井, 3726.09 m; e— 膏溶角砾岩, 高角度溶沟将膏岩切割成角砾状, 可见云泥充填, 残余块状结构, 岩心照片, T112井, 3388.58 m; f— 暴露面(红线), 左侧为泥晶云岩, 右侧为膏溶角砾岩, 角砾间被云泥与膏质混杂充填, 岩心照片, T112井, 3377.92 mFig.5 Occurrence characteristics of squiggly or brecciated anhydrite within the Ma56 submember of Ordovician Majiagou Formation in central and eastern Ordos Basin

4 向上变浅序列与硬石膏产状类型的耦合关系

根据马家沟组马五6亚段丰富的岩心和薄片资料分析, 发现该层位硬石膏岩与碳酸盐岩的垂向共生组合发育良好, 总体上呈现出快速海侵到缓慢海退的、向上变浅、变咸的米级高频旋回沉积特征。下面优选T112井、T105井、T112井和J5井, 通过潮坪、潟湖、颗粒滩、微生物丘等向上变浅序列的沉积微相、海平面相对升降变化以及岩性序列的案例剖析, 阐明不同产状类型的硬石膏在米级高频沉积序列中的分布样式及其相互关系。

4.1 序列Ⅰ : 潮沟→ 泥云坪→ 膏云坪→ 藻云坪序列

这种潮坪向上变浅序列可以J5井3538.80~3540.40 m井段岩心为代表, 厚1.60 m(图 6)。底部冲刷面之上为含砾屑的砂屑云岩, 代表相对高能的潮沟沉积, 厚约20 cm, 未见膏质结核(图 6-E)。向上过渡为潮间带泥云坪微相的泥质泥晶云岩, 厚约20 cm, 泥质与云质混杂沉积, 发育水平层理, 顶部可见少量灰白色膏质结核, 大致呈次圆形— 椭圆形, 个体小, 直径几毫米, 顺层发育(图 6-D)。中部膏云坪微相, 以沉积纹层状含膏和膏质泥晶云岩为特征, 厚80 cm, 隐约可见断续分布的藻纹层, 发育许多顺层分布的小型膏质结核和石盐等氯化物(已因工艺问题被水洗掉了), 形态多种多样, 有的逐渐连结成层(图 6-B, 6-C)。上部为藻云坪微相, 主要沉积叠层石云岩, 厚40 cm, 灰白色膏质结核明显比下伏层减少(图 6-A)。

图 6 鄂尔多斯盆地中东部J5井奥陶系马家沟组马五6亚段硬石膏与碳酸盐岩共生序列Fig.6 Symbiotic sequence of anhydrite and carbonate rocks in the Ma56 submember of Ordovician Majiagou Formation in Well J5 in central and eastern Ordos Basin

这个以潮坪相为主的向上变浅序列, 在研究区出现较少, 但仍然显示出硬石膏与潮坪相泥粉晶云岩的共生关系。其中的硬石膏主要呈结核状(A4-1型), 灰白色, 个体普遍较小, 发育位置不固定, 分布具有随机性。下部膏质结核数量较少, 以次圆形— 圆形为主; 中部的膏质结核大量增加, 基本上沿纹层分布, 有逐渐连结成层的趋势; 上部硬石膏含量减少。该序列中硬石膏结核的发育特征与传统的萨布哈交代成因的膏质结核具有一定的相似性。

4.2 序列Ⅱ : 云质潟湖→ 云膏质潟湖→ 膏质潟湖序列

这种潟湖相向上变咸序列可以T112井3345.10~3346.10 m井段岩心为代表(图 7), 整体表现为向上变浅、变咸的高频沉积序列, 厚约100 cm。序列底界面为泥晶云岩与下伏鲕粒云岩的岩性界面, 实际上也是鲕粒云岩顶部的高频暴露面。序列下部的泥晶云岩, 厚约20 cm, 隐约见水平层理, 可见少量乳白色的点状凹坑, 为星散分布的针状— 板条状硬石膏(A1型), 推测为高频快速海侵期云质潟湖的沉积产物(图 7-C)。向上过渡为序列中部的纹层状膏质云岩和云质膏岩的薄韵律互层(A2型), 厚约30 cm, 韵律层理发育良好, 推测为膏云质和云膏质潟湖沉积(图 7-B)。序列上部为角砾状硬石膏岩(A5型), 厚约50 cm, 顶部可见凹凸起伏的暴露面, 导致原来在膏质潟湖中沉积的致密块状硬石膏岩(A3型)遭受溶蚀, 改造成膏溶角砾岩, 岩心中可见小型溶缝、溶沟, 并被残余石膏与下一个序列的细粒海侵沉积物混杂充填(图 7-A)。由此可见, 夹于上、下2个高频暴露面之间的这个沉积序列, 为一个较为完整的潟湖向上变浅、变咸的沉积序列, 这是对高频快速海侵到缓慢海退变咸再到最终暴露的沉积响应, 伴随潟湖逐渐咸化, 硬石膏的产状从星散状变为纹层状再变为致密块状, 最终因暴露溶蚀而变成角砾状, 组成A1-A2-A5产状序列。如果序列顶部未暴露, 上部的膏质潟湖微相的致密块状硬石膏保存完好, 则可见A1-A2-A3产状序列, 例如T105井3720.35~3720.95 m井段岩心(图 8)

图 7 鄂尔多斯盆地中东部T112井奥陶系马家沟组马五6亚段硬石膏与碳酸盐岩共生序列Fig.7 Symbiotic sequence of anhydrite and carbonate rocks in the Ma56 submember of Ordovician Majiagou Formation in Well T112 in central and eastern Ordos Basin

图 8 鄂尔多斯盆地中东部T105井奥陶系马家沟组马五6亚段硬石膏与碳酸盐岩共生序列Fig.8 Symbiotic sequence of anhydrite and carbonate rocks in the Ma56 submember of Ordovician Majiagou Formation in Well T105 in central and eastern Ordos Basin

4.3 序列Ⅲ : 云质潟湖→ 鲕粒滩序列

T112井3346.10~3347.0 m井段岩心, 为云质潟湖→ 鲕粒滩组成的向上变浅序列。如图 7所示, 序列下部为云质潟湖微相的泥粉晶云岩, 厚约30 cm, 与上一个沉积旋回的膏溶角砾岩呈不平整接触(图 7-F), 代表着快速海侵的低能沉积。上部鲕粒滩主要发育鲕粒云岩, 厚约60 cm, 鲕粒大多为同心鲕, 受云化的影响, 内部圈层结构均已模糊化, 微亮晶白云石紧密胶结, 为海退早期微地貌高势带形成的中— 高能沉积。此序列上部明显可见大量的团块状硬石膏(A4-2)充填于鲕粒云岩的孔洞内(图 7-D, 7-E), 且充填的硬石膏呈现一定的分异性。鲕粒滩上部暴露时间较长, 岩溶强度较强, 因此膏质团块的分布表现出由上至下数量减少、半径逐渐减小, 同时在发育膏质团块的鲕粒云岩局部总是可见少量的泥晶云岩, 指示能量的相对降低。研究区内的砂屑滩和微生物丘沉积体中也存在此类相似的现象, 推测这与丘滩翼部更加靠近潟湖一侧、孔隙(洞)内可先得到高盐流体供给有关, 使得出现膏质团块的序列往往都是在丘滩翼部, 展现出丘滩体与膏质团块的良好耦合关系, 因此, 丘滩体是膏质团块的主要发育场所, 反之, 丘滩组合中膏质团块的大量出现可指示丘翼、滩翼环境。

4.4 序列Ⅳ : 云质潟湖→ 砂屑滩→ 膏质潟湖序列

序列Ⅳ 可以T105井3720.95~3722.95 m岩心为代表, 厚2 m(图 8)。序列的底界面是膏溶角砾岩(图 8-H)到泥粉晶云岩的岩性突变面, 由下至上岩性依次为泥粉晶云岩、砂屑云岩、膏溶角砾岩, 厚度分别为40 cm、140 cm、20 cm, 依次对应向上变浅的云质潟湖、砂屑滩、膏质潟湖微相。序列中部的砂屑滩发育上、下2套砂屑云岩沉积。下部的滩相砂屑云岩, 砂屑粒径一般为70~150 μ m, 粒径相对较小, 泥晶— 微亮晶胶结(图 8-E, 8-F), 发育逆粒序层理和生物潜穴, 普遍可见毫米级大小的团块状硬石膏(A4-2型), 但主要集中于上部。上部的滩相砂屑云岩受云化改造严重, 整体岩性已变为粉晶云岩, 厚度比下部的小, 显微镜下可见残余颗粒幻影、形态奇特的石膏充填其中(图 8-D)。序列上部代表膏质潟湖沉积的薄层膏溶角砾岩叠置在砂屑云岩之上, 结束了砂屑滩的发育, 顶部可见暴露面(图 8-C)。

该序列中与白云岩共生的硬石膏, 主要有A4-2型和A5型2种类型, 前者集中分布于砂屑滩体内, 后者与致密块状硬石膏岩暴露溶蚀有关。砂屑滩体内团块状硬石膏的分布样式, 可能因岩溶系统的不同而有所差异。下部滩相砂屑云岩中的膏质团块在岩心上多呈斑点状分布(图 8-E), 也许是硬石膏充填孤立小溶孔的结果; 上部滩相砂屑云岩中的膏质团块, 形态较为特殊(图 8-D), 推测与硬石膏充填复杂的缝洞系统有关。

4.5 序列Ⅴ : 云质潟湖→ 云膏质潟湖→ 微生物丘→ 膏质潟湖序列

此类向上变浅序列以其中发育有微生物丘为特征, 可以T112井3377.35~3379.85 m井段的岩心为代表, 厚2.5 m(图 9)。序列底部为云质潟湖微相的泥质泥晶云岩, 厚约20 cm, 为高频初始海侵沉积物, 岩心上未见藻纹层, 但可见星散状硬石膏(A1型)。向上膏质增多, 发育云膏质潟湖微相的纹层状膏质云岩和云质膏岩, 厚约20 cm, 纹层相对平滑, 虽存在一定的弯曲, 但始终处于连续的状态, 云质与膏质部分自然过渡, 组成纹层状硬石膏(A2型)。再向上, 为厚达1.9 m的微生物丘发育段, 主要由叠层云岩和凝块云岩组成。丘体下部为平直状叠层云岩, 厚20 cm, 发育亮暗间互的纹层, 暗色纹层密集分布, 相对更细, 颜色更深, 存在一定的微起伏(图 9-E), 指示微生物丘发育早期环境能量相对较低。丘体中部为中— 高能环境下沉积的凝块云岩, 厚约130 cm, 凝块在局部连结为格架(图 4-a), 格架孔隙遭受溶蚀改造后演变为溶扩孔隙或孔洞, 孔洞内充填乳白色的硬石膏形成A4-2型膏质团块, 个体一般不大, 数量也不多, 形态与孔洞基本一致, 呈分散状分布(图 9-C, 9-D), 丘体上部衍生出小段的丘状叠层云岩, 厚约40 cm, 相较于下部的顺层状叠层石, 纹层起伏更大, 具有丘状叠层石的特征, 纹层间充填少量硬石膏。序列顶部为20 cm厚的膏溶角砾岩, 顶部可见暴露面, 受溶蚀— 充填作用影响, 形成鸡雏状或角砾状硬石膏(A5型)(图 9-A)。膏岩整体性较差, 已角砾化, 角砾间细粒物质混杂充填, 具有残余块状石膏的特征, 原始的块状石膏均质性较好, 无颗粒结构和藻纹层, 反映潟湖水体浅、盐度高、能量低。

图 9 鄂尔多斯盆地中东部T112井奥陶系马家沟组马五6亚段硬石膏与碳酸盐岩共生序列Fig.9 Symbiotic sequence of anhydrite and carbonate rocks in the Ma56 submember of Ordovician Majiagou Formation in Well T112 in central and eastern Ordos Basin

在这个向上变浅序列中, 顺层状叠层石发育在纹层状膏质云岩(丘基)之上, 凝块云岩并未整体形成抗浪格架, 加之顶部膏溶角砾岩的发育, 整体为一个早期低能— 中期中能— 晚期低能的演化序列, 未出现高能的沉积物, 表明其可能处于丘核向丘翼过渡的位置。与之共生的硬石膏可见A1、A2、A4、A5共4种类型, 是所研究的5个向上变浅序列中硬石膏产状类型最多的一个。

5 讨论:不同产状类型硬石膏成因与形成模式
5.1 不同产状类型硬石膏的成因

5.1.1 星散状及纹层状硬石膏

星散状硬石膏多数发育于高频垂向沉积序列的下部, 形成于高频海侵后不久, 主要赋存于泥粉晶云岩中, 此时处于化学沉积分异中后期, 水体盐度相对于碳酸盐是饱和的, 硬石膏含量低, 仅在泥粉晶云岩上部出现少量的此类硬石膏, 说明此时的海水条件初步受限, 仍不足以形成具一定规模的硬石膏。该类硬石膏的发育频率较低, 在许多垂向序列下部并不发育, 与区内的早期微地貌存在一定的关系, 在地貌的低洼区水体相对循环不畅, 加之马五段沉积时期气候干燥炎热, 蒸发量大, 使得在海侵期间, 局部形成了零散分布的硬石膏。硬石膏晶体形态多呈0.1 mm× 0.4 mm的长方形, 且自形程度高(图 3-c), 在假设温度和有机质富集程度基本不变的情况下, 高自形的晶体形态可能与初期海水盐度变化小, 以及低盐度的海水导致沉积速率较小有关(Cody and Cody, 1988)。

上述的星散状硬石膏数量增加后会逐渐成层, 同时纹层状硬石膏也明显具有从星散状逐渐过渡而来的特征, 反映海水向上逐渐封隔浓缩和咸化。在潟湖水体已整体达到石膏沉积的盐度时, 此时海平面较高, 特大风暴和季节变化可对潟湖内水体进行周期性的补给, 使得碳酸盐与硫酸钙交替沉积(Anderson et al., 1972; 王泽中和翟永红, 1992; Vogel et al., 2010)。总体来说, 对于纹层状硬石膏, 虽有学者指出其发育于潮上膏泥坪环境(Dean et al., 1975; 薛平, 1985), 可在研究区内纹层状硬石膏, 并不与藻纹层紧密共生, 也未见鸟眼孔、泥裂等典型的潮上暴露标志, 而是由硬石膏与云泥组成密集交互的毫米级纹层, 纹层平直且连续性好, 说明其与潮上断续分布的层状石膏不同, 为典型的水下沉积的产物(Schmalz, 1969; Schreiber et al., 1976), 处于一个水体能量低、安静稳定的环境, 后生动物干扰少, 且出现频率较高, 可能与化学沉积过程中晶体的相互联固和胶结等因素也存在一定的联系(Warren, 2006)。

5.1.2 致密块状硬石膏

关于块状膏岩的成因, 前人的观点较为一致, 大多认为是水下环境的沉积产物, Warren 和 Kendall(1985)认为块状膏岩是在浪基面以下的平坦表面上, 石膏定向生长而形成的; 根据块状石膏不存在藻叠层石和其他相应的潮坪沉积标志, 薛平(1985)认为块状石膏属于浪基面下洼地中的静水沉积。王泽中和翟永红(1992)所分析的垂向序列中块状膏岩和纹层状膏质云岩的叠置关系与研究区内的相同, 都是块状膏岩叠置在纹层状膏质云岩之上, 并指出此2类石膏皆是静水环境下原生沉积的, 只是前者没有受到淡水注入或淡水与蒸发量保持平衡。上述的沉积分析也得到了相应现代沉积的支撑(Katz and Starinsky, 2009)。综合区内块状膏岩具有致密均一、质纯、未见明显的沉积构造的特征, 以及相应的纵向岩性叠置惯性, 认为其应形成于受外界干扰少、能量低、蒸发量大、盐度高而稳定的膏质潟湖环境。

5.1.3 结核状或团块状硬石膏

前述的第1种结核状或团块状硬石膏(A4-1型), 在平面上虽为随机发育, 但形态上相对规则, 单个膏质结核为椭圆形, 多个结核组成的集合体在形态会有一定的差异, 与A4-2型硬石膏整体形态特征规律性差以及无固定形态有所不同。其在形成过程中始终沿着泥晶云岩或藻纹层的基底顺层发育, 向上不正常盐度的流体越来越充足, 交代现象越来越突出, 因而结核逐渐连结成层, 纵向上因膏质含量的变化和成层性的好坏而呈现3个阶段: 沿纹层分散分布, 未成层; 大量沿层分布, 具成层趋势; 相互连结成薄层状的夹层, 局部断续分布; 这一演化过程与传统萨布哈交代成因的膏质结核相似, 同时其总是伴生有石盐等氯化物, 水体盐度极高, 下部还出现了小段的潮沟砂砾屑沉积, 具有一定的环境指示意义。基于上述特征, 认为此种硬石膏应是在藻纹层或泥晶云岩软质基底之上, 在高浓度的、氯化物含量很高的孔隙水内交代或直接沉积的硬石膏。但此类硬石膏在区内发育频率低, 存在近期有学者提出来的结核状硬石膏连续相关性差、发育位置不固定等问题(Quijada et al., 2020)。

第1种硬石膏(A4-2型), 其发育频率相对前者更高, 主要出现于灰泥丘、颗粒滩等储集性能较好的高能环境, 在泥晶云岩中出现频率低, 岩心发育花斑状等早成岩期溶蚀特征(谭秀成等, 2015)。在强蒸发的环境下, 若先期的孔隙(洞)系统内存在高盐度的流体来源, 可充填一定数量的石膏(Luo et al., 2019), 而通过大量的高频序列分析发现, 区内潟湖水体的高盐度时期与丘滩体遭受早成岩期暴露岩溶的时间耦合较好, 为结核状或团块状石膏的充填提供了良好的孔隙空间和流体供给, 流体可经侧翼回流渗透, 游离于丘滩体中并逐渐蒸发, 遇孔隙压力释放, 使得CaSO4达到过饱和大量沉淀析出, 并未见石盐等更高盐度的沉积物, 推测硬石膏化可能发生在埋藏成岩期。石膏形态受孔洞发育状况和其纵向展布特征的控制, 大小变化大, 由上至下半径降低, 数量逐渐减少。同时在局部发现, 充填过程中硬石膏优先充填于较大的孔洞中, 部分小孔得以保存(图 4-d), 可能与小孔中的界面张力和矿物晶体曲率更大从而导致有效溶解度更高有关(熊鹰等, 2020)。

实质上研究区内的2种结核状或团块状硬石膏虽在形态上具有一定的相似性, 但在大小、纵向分布和发育环境上都存在一定的差异, 成因上也有所区别, 因此将两者区分开来定名是十分有必要的, 前者与传统的萨布哈成因相对应, 称为结核状硬石膏, 结核的形态相对固定, 盐度向上增加时, 硬石膏的演化特征也具一定的规律性。后者则可区别性命名为团块状硬石膏, 但其形态不局限于团块状, 而是由溶蚀形成的孔隙空间的形态所决定。

5.1.4 鸡雏状或角砾状硬石膏

鸡雏状或角砾状硬石膏是成岩期的产物, 这一点是得到学者们的一致认同的, 但对于其具体的形成时间和形成机制还存在一定的争议, 国外主要存在萨布哈成因和埋藏成因2种解释。Shearman和Fuller(1969)认为此类硬石膏是先在潮上环境形成分散分布的硬石膏晶体, 以此作为基础, 后期大量的交代白云岩形成鸡雏状(或鸡笼状)硬石膏, 在这期间由内而外生成的硬石膏晶体, 不断地对前期硬石膏晶体的移动和破坏, 同时他们指出硬石膏的边缘会较内部呈现更加纯白、近平行排列的特征, 许多鸡雏状硬石膏内含多个这样的边缘, 表明其由数个更小的鸡雏状硬石膏聚集而来, 区内的鸡雏状或角砾状硬石膏与上述萨布哈成因的硬石膏相似, 主要发育于高频旋回序列顶部, 但却很少看到类似的特征。而埋藏成因的解释则是凭一种“ 硬石膏幻影” 现象, 推测古老硬石膏的鸡雏状或角砾状形态为深埋藏(> 500 m)作用下石膏脱水形成的(Warren and Kendall, 1985)。

具体到研究区内, 越来越多的学者意识到传统的萨布哈交代作用难以较好地解释鸡雏状或角砾状硬石膏的形成。薛平(1985)曾指出存在一类与萨布哈成因不同的、叠置在块状膏岩之上的鸡雏状硬石膏, 但未进一步的论述, 仅归结为压实变形的产物。

包洪平等(2004)认为鸡雏状硬石膏可能与含石盐石膏中石盐被淡化溶解有一定的关系。而台地内米级旋回频繁发育, 既具有连续的、不同产状的星散状— 纹层状— 鸡雏状的硬石膏叠置方式, 也存在相对高势、高能的颗粒云岩穿插于鸡雏状硬石膏之下, 说明区内膏质潟湖中极可能存在高频海退驱动的早期暴露。而鸡雏状或角砾状硬石膏具块状硬石膏的残余结构(图 5-e), 岩溶呈现分带性, 高盐流体就近再次沉淀(图 5-b), 顶部见不平整的暴露面、下部膏岩呈现近原地角砾化的现象(图 5-f), 角砾间方解石、泥质含量较低, 多被下期海侵的云泥所充填(图5-c, 5-d), 准同生期溶蚀现象明显(Xiao et al., 2019; 谢康等, 2020), 则证实了上述推测。因此我们认为鸡雏状或角砾状硬石膏是由膏质潟湖内沉积的块状膏岩演化而来, 在膏质潟湖水体极浅或蒸干的情况下, 块状膏岩遭受了反复的溶蚀与沉淀, 铸就了硬石膏鸡雏状或角砾状的形态, 角砾间再被紧随而来的细粒碳酸盐沉积物充填, 从而形成了膏溶角砾岩。该解释也得到了研究区内地球化学数据的验证, 有学者通过S同位素数据发现, 海退阶段封闭环境上部的硬石膏具有较低的δ 34S, 表明硫酸盐矿物受到了后期的淡水溶蚀改造(赵海彤等, 2018)。而埋藏作用可能主要使得塑性的鸡雏状硬石膏具有一定横向延伸的优势。

为便于对比, 表 1列出了研究区马五6亚段不同产状类型硬石膏的岩石学特征、在高频旋回中的产出位置、发育频率及可能的成因。

表 1 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马家沟组马五6亚段不同产状类型硬石膏特征 Table1 Characteristics of anhydrite of different occurrence types within the Ma56 submember of Ordovician Majiagou Formation in central and eastern Ordos Basin
5.2 碳酸盐岩与硬石膏共生序列演化模式

基于上述详细的岩石学和高频旋回分析, 将6种不同产状类型硬石膏的成因与向上变浅沉积序列进行关联, 提出了马五6亚段碳酸盐岩与硬石膏共生序列的演化模式(图 10), 从早到晚大致可以划分为以下4个演化阶段。

图 10 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马家沟组马五6亚段硬石膏与碳酸盐岩共生演化模式Fig.10 Symbiotic evolution model of anhydrite and carbonate rocks within the Ma56 submember of Ordovician Majiagou Formation in central and eastern Ordos Basin

1)高频海侵早期(图 10-a)。海平面快速相对上升, 海水迅速淹没前一个高频旋回顶部的暴露面, 总体上以继承性发育干旱炎热气候背景下的潮坪— 潟湖体系为特征, 环境受限, 能量较低, 主要沉积(泥质)泥粉晶云岩, 局部可晶出少量的星散状硬石膏散布于泥粉晶云岩内(A1型)。

2)高频快速海侵至缓慢海退早期(图 10-b)。沉积环境发生明显分异, 在早期云质潟湖沉积的基础上, 颗粒滩和微生物丘优先在局部海底高地上生长, 成为该演化阶段的一大特色。伴随丘滩的逐步向上建造, 处于滩间或丘间的潟湖, 受限程度不断增加, 水体逐渐变咸, 原来的云质潟湖相继演变为膏云质和云膏质潟湖, 该期间潟湖水体盐度经常发生周期性变化, 时常可达到有利于CaSO4沉淀的高盐度水平, 周期性沉淀析出数量不等的硬石膏, 其发育特征也逐渐由分散的针状— 板条状硬石膏过渡为纹层状硬石膏(A2型), 以沉积薄韵律互层状膏云岩和云膏岩为特征。相邻的潮坪相以藻纹层云岩、泥晶云岩等低能沉积为主。

3)高频缓慢海退晚期(图 10-c)。海平面进一步发生周期性缓慢相对下降, 碳酸盐岩台地上的丘滩体因其相对高隆的地形, 顶部间歇性出露海面, 暴露于大气环境下, 遭受大气淡水差异性溶蚀改造, 在微生物岩和滩相颗粒岩中形成了为数不少、大小不一、形态各异的溶蚀孔洞(肖笛, 2017), 随后被下渗的重卤水所析出的硬石膏充填, 形成大小不等、形态奇特的膏质团块(A4-2型), 并与丘滩相微生物岩和颗粒岩紧密共生。处于滩间或丘间的潟湖, 进一步受限、变浅、变咸, 演变为膏质潟湖。在强烈的蒸发作用影响下, 潟湖水不断蒸发浓缩, 沉积出成层的块状膏岩(A3型)。伴随海平面进一步相对下降, 丘滩停止发育, 逐渐消亡, 代之以极浅水膏质潟湖盛行, 块状膏岩沉积呈披盖层覆盖在地形相对较低的部分丘滩体之上。

在此演化阶段, 相邻的潮坪环境, 地势相对平缓, 无长期稳定的水体覆盖、间歇性的大潮和风暴潮为潮坪带来了咸化海水, 强烈的蒸发作用使流经潮坪沉积物的、富含CaSO4的下渗卤水交代泥晶云岩或藻云岩基底, 形成顺层状发育的结核状硬石膏(A4-1型)。

4)高频海退末期(图 10-d)。为台地高频暴露阶段, 位于高频向上变浅序列上部和顶部的潟湖相块状膏岩, 遭受大气淡水淋滤改造, 形成鸡雏状或角砾状硬石膏(A5型), 同时溶蚀产生的重卤水可从上部或侧翼下渗到孔隙性丘滩体中, 沉淀析出的硬石膏进一步充填其中的孔洞。紧随而来的下一次海侵作用结束了台地的暴露, 导致鸡雏状或角砾状硬石膏中的孔缝被大量的细粒海侵碳酸盐沉积物充填。因此, 从向上变浅序列及其共生的硬石膏产状来看, 马五6亚段的鸡雏状或角砾状硬石膏, 并非传统的萨布哈交代成因, 很可能是层状膏岩沉积期后以溶蚀— 充填为主的准同生期岩溶改造作用的产物。

从上述的演化特征可以看出, 与海相碳酸盐岩紧密共生的硬石膏, 形态多种多样, 成因也比较复杂。并非都是萨布哈成因。高频向上变浅序列下部的硬石膏, 以潟湖相原生化学沉积成因为主, 产状类型包括A1、A2和A3型; 序列上部的硬石膏, 既有成岩期膏化作用形成的A4-1型硬石膏, 也有富含CaSO4的下渗卤水在溶蚀孔洞中沉淀形成的A4-2型硬石膏, 还有潟湖相层状膏岩因高频暴露、经过准同生期岩溶改造作用形成的A5型硬石膏。

6 结论

1)马五6亚段硬石膏可以区分为星散状、纹层状、致密块状、结核状、团块状、鸡雏状或角砾状等6种不同的产状类型。

2)马五6亚段发育与潮坪、潟湖、鲕粒滩、砂屑滩、微生物丘等有关的5种向上变浅序列, 其中的共生硬石膏在产状类型、产出位置和分布形式等方面与向上变浅序列有很好的耦合关系。

3)硬石膏的产状类型和分布样式与多种控制因素有关, 星散状、纹层状、致密块状硬石膏主要受沉积环境控制, 属于原生化学沉积成因; 结核状硬石膏主要为成岩期交代(膏化)成因; 团块状硬石膏主要由富含CaSO4的下渗卤水在溶蚀孔洞中沉淀形成; 鸡雏状或角砾状硬石膏与层状膏岩沉积期后以溶蚀— 充填为主的准同生期岩溶改造作用密切相关。

4)马五6亚段发育完整的单个高频旋回, 大致经历了高频快速海侵、高频快速海侵晚期至缓慢海退早期、高频缓慢海退晚期和高频海退末期暴露4个演化阶段, 形成了与之耦合的海相碳酸盐岩与硬石膏共生序列。

(责任编辑 李新坡; 英文审校 龚承林)

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