內蒙古二連盆地白音查干凹陷熱水沉積序列探討①

郭 強 李子穎 秦明寬 鐘大康 張放東 賈 翠 鄔 軍

(1．核工業北京地質研究院 北京 100029;2．中國石油大學(北京)地球科學學院 北京 102249;3．中原油田勘探開發科學研究院 河南濮陽 457001;4．中國石油吐哈油田公司魯克沁采油廠 新疆鄯善 838200)

熱水沉積巖為當前地質學研究領域的熱點之一，國外最早由Bostrom K(1979)將其定義為“地球內部熱液流體在海/湖盆水體底部形成的化學沉積物或碎屑沉積物”［1］。經過國內外學者30多年的發現與研究，已經在礦物學特征、巖石學特征、形成環境、熱液循環系統、成因機制和嗜熱動物群落等方面取得了許多重要的研究成果［2～11］。這些成果主要集中在海相熱水沉積方面［12，13］，關于湖相熱水沉積的研究成果則很少［14，15］。而熱水沉積巖性序列及作用過程方面的研究還處于空缺或起步階段，本文以白音查干凹陷下白堊統湖相熱水沉積巖為例，總結該凹陷熱水沉積巖垂向巖性序列，并以此對熱水沉積過程進行解剖，從而達到深刻認識該類型熱水沉積巖的目的。除此之外，研究還發現凹陷內熱水沉積巖中的白色砂礫屑顆粒易遭受后期溶蝕改造形成較好的油氣儲層空間，那么熱水沉積巖性及過程的探討研究，亦可為我們在空間上尋找有利儲層帶來較大的幫助，降低勘探難度。

1 研究背景

白音查干凹陷構造上處于二連盆地西端的川井坳陷，是晚中生代在海西褶皺帶基底上發育起來的北斷南超型箕狀凹陷。該凹陷下白堊統騰格爾組上段、都紅木組一段發育有一套厚度巨大的僅限于深湖—半深湖相的富含泥級鈉長石、鐵白云石和鈉沸石等特殊礦物成分的巖石。研究發現［16］，這套巖石屬于一套特殊的并受熱液影響的沉積巖石:①在巖芯與薄片下可見大量的結晶較好的沸石呈紋層狀或條帶單獨出現，并具有同生變形構造，表明原始沉積成因。②具有特殊的礦物組合，主要為鐵白云石、鈉沸石，還見泥級鈉長石、鉀長石、重晶石、水鎂鐵石等非正常沉積成因的礦物。③白云石具有熱液成因的特征——主要為泥晶或粗晶鐵白云石(含鐵白云石)，粗晶白云石晶面呈曲面，鞍形，單個晶體具有波狀消光，晶體內裂紋發育。④這套巖石的巖石組構具有明顯熱水沉積特征，包括紋層狀構造、熱水碎屑結構、星散狀構造、同生塑性變形、網脈狀構造。⑤該套巖石與斷裂的存在密切相關，主要分布在斷裂的下降盤并沿斷裂走向呈線性展布(圖1)。⑥白音查干凹陷具有熱水沉積發生的理想條件——同沉積斷裂控制的深湖洼地和古地溫異常。⑦研究區大量數據點落在Fe－Mn－(Cu+Ni+Co)×10三角圖(可用來判別熱水沉積物與水成沉積物)的熱水沉積區域內。上述證據初步表明這套特殊的巖石應屬于熱水沉積巖，在此基礎上，通過巖芯、測井資料，進行熱水沉積巖垂向上的識別、巖性序列及沉積過程方面的研究探討。

圖1 白音查干凹陷下白堊統騰格爾組熱水沉積巖展布圖Fig．1 The thickness distribution map of hydrothermal sedimentary rocks of the Lower Cretaceous Tenggeer Formation in Baiyinchagan sag

2 熱水沉積巖的測井響應特征

研究區熱水沉積巖在電性上主要表現為尖峰狀或指狀高自然伽馬值(GR＞300 API，最高達1 000 API)，特高—特低值(0．2～2 000 Ω·m)深感應電阻率(ILD)特征(圖2)，這與正常沉積的泥巖、粉砂巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖的電性特征有很大區別。上述特殊的電性特征可用來很好的識別研究區的熱水沉積巖段。

2．1 異常高自然伽馬

湖相泥巖段中的極高自然伽馬值可能與巖段中所夾火山物質(凝灰巖、火山巖)、鈾活化—聚集或與裂縫中流體所帶來的放射性物質被吸附沉淀有關［17～20］。研究區大量取心巖段薄片的顯微鏡下觀察及前人的工作表明，研究區內并未發現火山物質(凝灰巖、火山巖)，那么火山物質影響自然伽馬值變高的觀點似乎不能成立;尖峰狀自然高伽馬值也可能與地層中裂縫發育及其后期流體所攜帶的放射性物質沉淀充填有關，通過研究成像測井資料顯示，地層中的自然高伽馬值與裂縫的發育并無很好的相關性。

鈾礦勘查工作者已在未變質或弱變質海相碳酸鹽、硅質巖、泥巖及其過渡型巖類中發現了鈾礦床，稱為碳硅泥巖型鈾礦床［20］，因此泥巖中的異常高自然伽馬值也可能是放射性物質，尤其是鈾元素的富集所引起。而研究區測井曲線上顯示出異常高的自然伽馬(GR=700～1 100 API)，為正常泥質自然伽馬值的2～4倍，根據自然伽馬能譜測井分析發現，其鈾含量達40～60 ppm，釷含量達60～100 ppm，表明異常高自然伽馬值的形成與鈾、釷、鉀這些高放射性物質的含量有關。目前已有研究工作者發現產于泥巖中的鈾礦為熱水沉積成因［21］，而本文熱水沉積巖的發現及其區域背景、產狀、分布等地質特征也初步說明異常高自然伽馬為熱水沉積成因，可能是熱液從上涌至噴流過程中，將本身所具有的或從基底巖層所萃取的放射性礦物質，通過脈沖式或周期性的噴流［14，15］，釋放至湖盆并被具有較強吸附性的礦物或有機質所吸附，發生沉淀，從而形成指狀高伽馬值的熱水沉積巖層段。

圖2 白音查干凹陷熱水沉積巖層測井響應特征與旋回劃分Fig．2 The logging response features and the vertical cycle division of hydrothermal sedimentary strata in Baiyinchagan sag

圖3 影響電阻率曲線變化較大的礦物類型a．錫 3-69 井，1 771．4 m，高級白干涉色，較純的白云巖，正交光;b．錫 26 井，1 827．5 m，似層狀或條帶狀黃鐵礦Fig．3 Mineral types that tremendously affect the changes of resistivity curve

2．2 特低阻—特高阻

除上述尖峰狀高自然伽馬曲線特征外，熱水沉積巖段的局部可出現特低值—特高值深感應電阻率曲線的異常特征。此特征亦可作熱水沉積巖測井識別的一類參考依據。

通過薄片及巖芯資料分析，異常高阻的形成與熱水沉積過程中形成的導電性較差的較純白云巖有關，當熱液作用形成較純的白云巖時(圖3a)，其電阻率可達2 000 Ω·m;異常特低阻的形成與熱液噴流過程形成大量黃鐵礦有關，并且這些黃鐵礦呈零散狀或似層狀產于巖石中(圖3b)，黃鐵礦的集中分布導致了巖石電阻率的急劇下降，形成異常低阻。

據自然伽馬、感應電阻率曲線所反映的熱水沉積巖信息，按照尖峰狀高自然伽馬值在垂向上變化規律，在研究區騰格爾組—都紅木組識別出4套受熱水沉積的熱水沉積巖，從下至上，依次出現在騰下段、騰下段—騰上段交界處、騰上段及都一段，相應的命名為四個熱水沉積旋回(圖2)。每一期旋回均具有下部自然伽馬值偏低，命名為相對低伽馬段，向上為尖峰狀高伽馬段的特征，這一旋回特征為我們識別和認識熱水沉積巖垂向上的分布帶來很大的幫助。

圖4 白音查干凹陷熱水沉積巖性序列及其過程Fig．4 The sedimentary sequence and process of hydrothermal sedimentation in Baiyinchagan sag

3 熱水沉積的垂向巖性序列及過程解剖

3．1 熱水沉積巖垂向巖性序列

每一期熱水沉積旋回，在自然伽馬曲線上表現為下部(低伽馬段)低自然伽馬值(25～150 API)向上過渡到指狀或尖峰狀高自然伽馬值(尖峰狀高伽馬段)(圖4)。這一伽馬曲線變化特征也對應著垂向上巖性的變化。旋回下部低伽馬段的最底部主要發育紋層狀、條帶狀的黑灰—灰白色白云巖或沸石巖，紋層或條帶厚度一般為0．2～0．8 mm，最寬可達3 cm，條帶狀白云石或沸石局部發生微變形;向上出現的沸石—白云石條帶或紋層發生較強烈的同生變形，并破碎產生長條狀的礫屑;再向上沸石—白云石條帶或紋層、長條狀礫屑進一步破碎產生大量的角礫狀砂—礫屑，構成熱水碎屑結構，其中最大礫屑可達5 cm，一般多為0．5～3 cm。進入高伽馬段后，巖性繼承先期熱水沉積的特點，仍以熱水碎屑結構的角礫狀砂—礫屑為主，含量明顯減少;至高伽馬段的頂部，沸石—白云石碎屑顆粒變小，含量大幅減少，巖性主要為塊狀結構的熱水沉積巖，巖性中主要是泥微晶的鈉沸石、鐵白云石、黏土及少量長石，礦物彼此之間混雜沉積。每一期熱水沉積旋回到此結束，繼而進入下一熱水沉積旋回或正常沉積中。

3．2 熱水沉積過程解剖

根據熱水沉積巖的垂向巖性變化規律，認為熱水沉積巖的旋回在自然伽馬曲線上表現為低伽馬—尖峰狀高伽馬的特征，并按這一巖性旋回，劃分出熱水沉積的三個階段:初期為溢流，中期為噴流，末期為溢流(圖4)。初期溢流和中期噴流階段形成的巖石在自然伽馬測井曲線上屬于低伽馬段，尖峰狀高伽馬段對應著熱水沉積末期溢流所形成的巖石。

(1)初期熱液溢流階段主要發育在熱水沉積旋回的底部，這一階段熱液活動穩定，形成的熱水沉積巖厚度在0～6 m，主要形成低自然伽馬值(正常自然伽馬值)的泥質白云巖或白云質泥巖，并夾有較多厚度較薄的清晰可見的沸石、白云石紋層或條帶。

(2)爾后熱液活動加劇，進入熱液噴流階段，這一階段可進一步分為早、中、晚3個噴流階段，噴流早期階段因熱液活動加劇使初期溢流階段形成的半固結泥質白云巖(白云質泥巖)、白云石或沸石條帶發生強烈變形，形成同生變形構造;噴流活動繼續進入中期階段，先期產生變形的白云石或沸石條帶、紋層發生破碎形成長條狀或竹葉狀的礫級內碎屑;噴流末期階段，長條狀或竹葉狀內碎屑進一步破碎形成大量的砂礫屑;噴流階段形成的巖層厚度在10～45 m，其中主要以噴流晚期含大量白色砂礫屑的泥質白云巖為主。這一階段形成的大量白色砂礫內碎屑在后期成巖過程中，易遭受溶蝕改造可形成大大小小的溶蝕孔洞，提供很好的儲層空間，后期油氣流體進入，形成縫洞型油藏。

(3)中期熱液噴流階段結束后，熱液活動減弱，開始進入末期溢流階段，末期溢流階段形成的巖石厚度較大，為40～80 m，在自然伽馬曲線上顯示尖峰狀高伽馬異常特征，這一階段又可分為早、晚兩期，早期階段延續噴流階段的作用，巖性仍以含大量白色砂礫屑顆粒的泥質白云巖或白云質泥巖為主，只是較噴流階段白色顆粒的粒徑有所減小，含量減少，為噴流階段晚期的后續沉積產物;進入末期溢流的晚期階段，巖性中的白色砂礫屑顆粒大量減少并逐漸消失，形成塊狀構造的泥微晶含沸石的白云巖或白云質泥巖。

每一期熱水沉積的整個過程到此結束，巖性向上過渡為新一期的熱水沉積巖或過渡為正常湖泊沉積的泥巖、泥質粉砂巖類。

4 結論與存在問題

4．1 結論

(1)白音查干凹陷熱水沉積巖在礦物成分與測井曲線響應上與正常沉積巖有明顯差異。礦物組合上為鐵白云石—沸石—水鎂鐵石—重晶石—黃鐵礦等低溫熱液礦物組合，測井曲線上顯示為異常高自然伽馬(大于300 API)，電阻率出現特高(2 000 Ω·m)特低(0．2 Ω·m)的劇烈變化。異常高自然伽馬值與熱液本身所具有的或從基底巖層所萃取的鈾、釷、鉀物質含量有關;電阻率特高值與熱水沉積過程形成的較純白云巖有關，電阻率特低值則是熱水沉積巖層中大量黃鐵礦所引起。

(2)根據熱水沉積巖在測井曲線(自然伽馬、電阻率)上的響應特征，白音查干凹陷騰格爾組—都紅木組可劃分為騰下段、騰下段—騰上段、騰上段及都一段四個熱水沉積旋回，自下而上熱水沉積巖的厚度、分布范圍都有所增大。

(3)每一期熱水沉積旋回，都表現為低伽馬段—尖峰狀高伽馬段的自然伽馬曲線特征，并可將每一期熱液活動劃分為初期溢流，中期噴流，末期溢流。初期溢流在較純的低伽馬泥巖中形成清晰的沸石、白云石條帶和紋層;爾后強烈的構造活動使初期溢流形成的半固結白云石、沸石或沸石白云石共生體紋層發生變形，形成同生變形構造，使半固結的紋層發生破碎形成長條狀礫級內碎屑，隨著噴流能力的進一步增強，紋層及長條狀內碎屑繼續破裂形成大量的砂礫屑;末期溢流的開始階段含有部分內碎屑顆粒，爾后內碎屑逐漸減少消失，形成塊狀構造的泥微晶白云巖、沸石巖及白云石沸石混雜堆積的巖石，同時局部形成不規則的沸石白云石團塊。最后過渡為正常的湖泊泥巖或泥質粉砂巖類，熱水沉積過程到此結束。

4．2 存在問題

每一期熱水沉積旋回表現為低伽馬段—尖峰狀高伽馬段的自然伽馬曲線特征，垂向上對應著熱水沉積巖的變化，根據巖性變化將熱水沉積做出初期溢流、中期噴流、末期溢流的劃分，但目前就熱水流體性質的了解還不清楚，對于熱水沉積旋回中為什么只在末期溢流過程中形成尖峰狀高伽馬段，而在初期溢流和噴流階段卻沒有帶來形成高自然伽馬值的放射性物質，還需做更深一步的研究探討。

References)

1 Bostrom K，Rydell H，Joensuu O．Langbank:An exhalative sedimentary deposit［J］．Economic Geology and the Bulletin of the Society of E-conomic Geologists，1979，74(5):1002-1011

2 周永章，付偉，楊志軍，等．雅魯藏布江縫合帶及藏南地區硅質巖微組構特征及其地質意義［J］．巖石學報，2006，22(3):742-750［Zhou Yongzhang，Fu Wei，Yang Zhijun，et al．Microfabrics of chert from Yarlung Zangbo Suture Zone and southern Tibet and its geological implications［J］．Acta Petrologica Sinica，2006，22(3):742-750］

3 周永章，付偉，楊志軍，等．藏南地區中生代硅質巖的地球化學特征及其成因意義［J］．巖石學報，2008，24(3):600-608［Zhou Yongzhang，Fu Wei，Yang Zhijun，et al．Geochemical characteristics of Mesozoic chert from southern Tibet and its petrogenic implications［J］．Acta Petrologica Sinica，2008，24(3):600-608］

4 Lonsdale P．Nontransform offsets of the Pacific-Cocos plate boundary and their traces on the rise flank［J］．GSA Bulletin，1985，96(3):313-327

5 Grassle J F．Hydrothermal vent animals:Distribution and biology［J］．Science，1985，229(4715):713-717

6 陳多福，陳先沛，陳光謙，等．熱水沉積作用與成礦效應［J］．地質地球化學，1997，4(4):7-12［Chen Duofu，Chen Xianpei，Chen Guangqian，et al．Hydrothermal sedimentation and mineralization effect［J］．Geology-Geochemistry，1997，4(4):7-12］

7 薛春紀，劉淑文，馮永忠，等．南秦嶺旬陽盆地下古生界熱水沉積成礦地球化學［J］．地質通報，2005，24(10/11):927-934［Xue Chunji，Liu Shuwen，Feng Yongzhong，et al．Geochemistry of hydrothermal sedimentary mineralization in the Lower Paleozoic of the Xunyang Basin，South Qinling，China［J］．Geological Bulletin of China，2005，24(10/11):927-934］

8 方維萱，張國偉，胡瑞忠，等．陜西二臺子銅金礦床鈉長石碳酸(角礫)巖類型及形成構造背景分析［J］．巖石學報，2000，16(3):392-400［Fang Weixuan，Zhang Guowei，Hu Ruizhong，et al．Analysis on tectonic background of formation and characteristics of albite carbonate brecciaite from Ertaizi Cu-Au deposits in the Qinling orogen［J］．Acta Petrologica Sinica，2000，16(3):392-400］

9 彭潤民，翟裕生．內蒙古狼山—渣爾泰山中元古代被動陸緣熱水噴流成礦特征［J］．地學前緣，2004，11(1):257-268［Peng Runmin，Zhai Yusheng．The characteristics of hydrothermal exhalative mineralization of the Langshan-Zhaertai belt，Inner Mongolia，China［J］．Earth Science Frontiers，2004，11(1):257-268］

10 李江海，馮軍，牛向龍，等．華北中元古帶硫化物黑煙囪發現的初步報道［J］．巖石學報，2003，19(1):167-168［Li Jianghai，Feng Jun，Niu Xianglong，et al．The preliminary report on the discovery of black smoker chimney within the Mesoproterozoic sulphide deposit of North China［J］．Acta Petrologica Sinica，2003，19(1):167-168］

11 馮勝斌，周洪瑞，燕長海，等．東秦嶺二郎坪群硅質巖熱水沉積地球化學特征及其地質意義［J］．沉積學報，2007，25(4):564-573［Feng Shengbin，Zhou Hongrui，Yan Changhai，et al．Geochemical characteristics of hydrothermal cherts of Erlangping Group in East Qinling and their geologic significance［J］．Acta Sedimentologica Sinica，2007，25(4):564-573］

12 曾志剛，秦蘊珊．大洋鉆探對海底熱液活動研究的貢獻［J］．地球科學進展，2003，18(5):764-769［Zeng Zhigang，Qin Yunshan．Contribution of ocean drilling to the study of seafloor hydrothermal activity［J］．Advance in Earth Sciences，2003，18(5):764-769］

13 Reyes A G，Massoth G，Ronde，et al．Hydrothermal mineralization in arc-type submarine volcanoes［J］．Geochimica et Cosmochimica Acta，2006，70(18):A528

14 鄭榮才，王成善，朱利東，等．酒西盆地首例湖相“白煙型”噴流巖—熱水沉積白云巖的發現及其意義［J］．成都理工大學學報:自然科學版，2003，30(1):1-7［Zheng Rongcai，Wang Chengshan，Zhu Lidong，et al．Discovery of the first example of“white smoke type”of exhalative rock(hydrothermal sedimentary dolostone)in Jiuxi Basin and significance［J］．Journal of Chengdu University of Technology:Science＆ Technology Edition，2003，30(1):1-7］

15 鄭榮才，文華國，范銘濤，等．酒西盆地下溝組湖相白煙型噴流巖巖石學特征［J］．巖石學報，2006，22(12):3028-3038［Zheng Rongcai，Wen Huaguo，Fan Mingtao，et al．Lithological characteristics of sublacustrine white smoke type exhalative rock of the Xiagou Formation in Jiuxi Basin［J］．Acta Petrologica Sinica，2006，22(12):3028-3038］

16 郭強，鐘大康，張放東，等．內蒙古二連盆地白音查干凹陷下白堊統湖相白云巖成因［J］．古地理學報，2012，14(1):59-68［Guo Qiang，Zhong Dakang，Zhang Fangdong，et al．Origin discussion of the Lower Cretaceous lacustrine dolomites in Baiyinchagan sag，Erlian Basin，Inner Mongolia［J］．Journal of Palaeogeography，2012，14(1):59-68］

17 譚成仟，劉池陽，趙軍龍，等．鄂爾多斯盆地高自然伽馬值異常特征及主控因素研究［J］．石油地球物理勘探，2007，42(1):50-56［Tan Chengqian，Liu Chiyang，Zhao Junlong，et al．Study on feature of high natural gamma anomaly and main controlling factors in Ordos Basin［J］．Oil Geophysical Prospecting，2007，42(1):50-56］

18 邱欣衛，劉池陽，李元昊，等．鄂爾多斯盆地延長組凝灰巖夾層展布特征及其地質意義［J］．沉積學報，2009，27(6):1135-1146［Qiu Xinwei，Liu Chiyang，Li Yuanhao，et al．Distribution characteristics and geological significances of tuff interlayers in Yanchang Formation of Ordos Basin［J］．Acta Sedimentologica Sinica，2009，27(6):1135-1146］

19 王宣龍，李厚裕，馮紅霞．利用聲波和自然伽馬能譜分析泥巖裂縫儲層［J］．測井技術，1996，20(6):432-440［Wang Xuanlong，Li Houyu，Feng Hongxia．Analysis of fracture-type shale reservoir using acoustic and natural gamma ray spectrometry logs［J］．Well Logging Technology，1996，20(6):432-440］

20 趙鳳民．中國碳硅泥巖型鈾礦地質工作回顧與發展對策［J］．鈾礦地質，2009，25(2):91-97［Zhao Fengmin．An review on geology study of carbonaceous-siliceous-pelitic rock type uranium deposit in China and the strategy for its development［J］．Uranium Geology，2009，25(2):91-97］

21 方適宜，李佑威，范少云．海底熱水沉積鈾礦研究——以鄂西北堿性火山巖型與硅灰巖型鈾礦為例［J］．大地構造與成礦學，1992，16(1):105-106［Fang Shiyi，Li Youwei，Fan Shaoyun．Studies of submarine hydrothermal-sedimentary Uranium deposits［J］．Geotectonica et Metallogenia，1992，16(1):105-106］