山東省東營凹陷沙四上亞段咸化機制特征

吳 靖, 姜在興*, 錢 侃, 徐 丹

1)中國地質大學(北京)能源學院, 北京 100083; 2)中國石油大學(北京)地球科學學院, 北京 102249;

3)勝利油田海洋采油廠, 山東東營 257237

關于東營凹陷沙河街組沉積期的咸化機制問題早已有所研究, 而時至今日近30年仍有爭議, 討論促進了相關學科(沉積學、古生物學、地球化學等)的發展。東營凹陷僅有沙河街組四段上亞段(以下簡稱沙四上)和沙河街組三段中下亞段(以下簡稱沙三中下)兩套烴源巖, 二者形成環境不同(張林曄等,2003)。咸水沉積環境是沙四上優質烴源巖形成的一個重要影響因素(朱光有等, 2003)。因而該層段咸化機制的討論又具有重要的生產價值。

對其咸化的機制, 前人認為主要有以下三種:1)海侵、海嘯等受海水影響的咸化。該觀點起始于20世紀70年代古生物界直管藻和龍介蟲管化石的發現(朱浩然, 1979), 在80年代“海侵論”學者迅速擴展到整個沉積學界, 海侵的范圍也由濟陽坳陷擴大為中國東部的沙一段、沙三段和沙四段(戈亞生, 1985;田景春等, 1998)。2)高山深盆模式造成的咸化。比深(湖水深度與湖區面積的比)大的湖泊蒸發量小, 有助于保持較大容積的水體, 進而接納來源于地殼深層的鹵水, 有益于形成穩定的湖水分層, 從而有利于鹽躍層以下的高礦化度湖水不致因湖水混合而被淡化帶走, 使得湖泊咸化(孫鎮城等, 1997)。3)下伏巖層(沙四段中下亞段)發育有水上紅層或經過剝蝕的白云巖化地層。這些經過一定時間風化剝蝕的沉積間斷面上殘留下大量的堿土金屬元素, 當沙四上亞段水進開始時即可溶于湖水中, 使湖水咸化(李守軍, 1998)。

筆者認為, 若要明確研究區的咸化機制, 需從鹽源及成鹽機制兩方面入手。總結不同地區鹽類物質的來源, 主要有以下五種: 1)陸源區母巖風化導致的“古鹽”釋放; 2)通過深大斷裂上涌的深部鹵水;3)火山或巖漿活動帶來的鹽類物質; 4)來自海水入侵或殘留海水; 5)天然水熱溶液(溫、熱、沸泉水)循環(孫鎮城等, 1997)。關于成鹽機制上, 蒸發巖的形成主要有以下兩種: 1)蒸發成鹽, 主要受氣候控制;2)兌鹵成鹽, 不同濃度、組分的鹵水混合后, 會有相應新的固相析出(李秉孝, 1990)。另有生物成鹽, 具體包括: 1)生物經光合作用, 利用水體中 CO2和HCO3–中的C, 使水溶液的 pH值提高從而引起碳酸鹽的沉積; 2)生物分泌粘液, 捕獲碳酸鹽巖顆粒形成碳酸巖鹽; 3)生物體鈣化, 形成生物鈣質骨架(Reid et al., 2006; Hallam et al., 2004; Peckmann et al., 2005)。

東營凹陷作為渤海灣盆地中的一個三級構造單元, 是在中、古生界基巖古地形背景上經構造運動發育起來的中、新生代斷陷-坳陷湖盆(圖 1)。孢粉數據顯示, 研究區總體受溫暖潮濕的氣候影響。有機質豐度變化范圍較大, 自 0.15%至 13%不等。古鹽度在22‰～32‰之間, 平均值為31‰(李成鳳等,1988), 屬咸化湖泊。其縱向上的演化具明顯的階段性特征。根據鹽度特征可分為: 早期鹽度異常高值段及中后期鹽度穩定低值段(圖2)。

1 咸化背景下的沉積特征

湖水的咸化對沉積物(巖石、礦物、鹽類演化序列等)、古生物(種類、數量、組合等)、地球化學(有機地球化學、無機地球化學)等方面都產生一定的影響。因而可主要從這些方面對咸化環境的響應上來分析鹽源及成鹽機制, 從而探討其咸化機制。

1.1 沉積物

1.1.1巖石

(1)白云巖

本次研究發現, 沙四上亞段早期, 伴隨著四個鹽度異常高值點(Sr/Ba、MgO/Al2O3曲線高值異常點)的出現, Mg含量亦出現了四個異常高值點, 同白云巖含量的變化趨勢相同(圖2)。對于此現象, 單純的依靠陸相鹽源及淡水輸入減小、氣候干旱等成鹽機制并不能作出合理的解釋。另據構造特征表明,XX井(圖1)所在地區并不受斷層影響, 鹵水供給的可能性較小。從而可推測為海水侵入提供物質基礎(Mg2+)、介質基礎(高鹽度), 配以本區適宜的還原、溫暖、堿性的環境條件, 形成大量白云巖。白云巖產出層位與鹽度高值點(疑似海侵發生層位)呈一一對應的關系。

(2)礁灰巖

圖1 東營凹陷沙四上亞段地質概況(據田繼軍等, 2009修改)Fig.1 Geological diagram of Upper Es4 in the Dongying Sag(modified after TIAN et al., 2009)

圖2 東營凹陷XX井沙四上亞段沉積特征綜合柱狀圖Fig.2 Composite columnar section of sedimentary characteristics of XX well in the Dongying Sag

研究區平方王地區沙四上亞段發育管狀藻礁灰巖, 面積約100 km2, 最大殘余厚度49.5 m。碳酸鹽含量可高達 98%, 幾乎不含陸源碎屑, 富含有機質和鈣、鎂離子(錢凱等, 1980)。值得注意的是, 不論是作為該地區礁灰巖主要骨架生物的中華直管藻,還是次級骨架生物的多毛類龍介蟲, 都與海相有密切關系(朱浩然, 1979)。該區礁灰巖呈點狀分布, 海相生物數量不及海洋中的豐富等特點說明該區曾受海水影響, 但規模不大。由此可推測受海嘯等事件性海水侵入的影響。

1.1.2礦物

東營凹陷沙四上亞段中發育有原生海綠石(圖3A, B), 其周緣未見長石、云母類礦物及生物碎屑,因而排除湖相成因。可判斷由于海水的電解作用,使得河水帶入的鉀、鐵和鋁等物質富集, 在鹽度高、溫和氣候及還原環境下形成海綠石(曹潔等, 2013)。濟陽坳陷沾車凹陷沙四段上部中亦含有豐富的原生海綠石礦物(葛瑞全, 2004)。二者沉積時代相近且分布范圍相對集中。同上述礁灰巖沉積特征相同, 對比分析表明, 該區曾遭受海水影響。

圖3 東營凹陷XX井沙四上亞段團粒狀海綠石Fig.3 Pelletoid glauconite of well XX on Upper Es4 in the Dongying Sag

1.1.3巖相組合

受海侵影響的層段內, 發育有特征性的巖相組合(李榮西等, 2005)。以XX井為例, 自膏巖結束后,在鹽度更大(鍶鋇比更高)的層段, 發育著六套巖相組合(圖4)。其中第一、三、四、五套巖相對應于四期海侵期(其中第二套為濁流沉積, 不排除海侵時,受動蕩的水體環境影響)。每一期均對應于高鹽度、白云巖的發育、有機質的逐漸增加。第六套為四期海侵后造成的湖水被動上升、高水位期沉積物, 以中、高有機質頁狀灰巖為主。

1.2 古生物

生物受水體深度、鹽度、濁度等物理化學條件影響深刻, 這些變化的信息記錄在生物個體、組合及分異度等特征上。因此, 古生物是進行沉積環境分析的重要研究手段(林防等, 2004)。東營凹陷的生物化石以陸相為主, 夾有海相生物。后者具體包括:多毛綱蟲管(圖 5a)、溝鞭藻(圖 5b)、鈣藻(圖 5c)、中華直管藻(圖5d)、群體珊瑚(圖5e)、鯡超目(圖5f)等。上述海相生物中多數具有: ①屬種單調; ②殼體小、殼壁薄、殼飾弱; ③種類變異強、畸形個體多; ④與湖相淡水生物共生等特征(戈亞生,1985; 徐金鯉等, 1997; 袁文芳等, 2006; 朱浩然,1979; 張彌曼, 1985)。綜合以上發現, 該區海侵規模并不大, 疑似由海嘯引發。

圖4 東營凹陷XX井沙四上亞段早期巖相組合及海侵期次劃分Fig.4 Lithofacies array and transgressive periods of XX well in the Dongying Sag

圖5 東營凹陷沙四上亞段海相生物特征Fig.5 Characteristics of marine biont on upper Es4 in the Dongying Sag

1.3 古遺跡

Paleodictyon屬于耕作跡的一種, 通常發育在深海區(半深海-深海)遠源濁積巖的底面, 以印模形式出現(Seilacher, 1962)。在東營凹陷純良地區純37、萊 109等井的沙四上亞段地層中均發現了Paleodictyon遺跡化石(圖 5g), 幾乎都產于具水平層理的深灰色鈣質泥巖中, 發育于一個遠源濁積巖系中的E段(袁文芳等, 2006)。

1.4 地球化學

1.4.1無機地球化學特征

若東營凹陷曾遭受海水的影響, 那么水體的無機地球化學測試應具有一定海相特征。通過各項測試發現, 研究區的無機地球化學測試均符合海相環境的特征, 具體如表1所示。

1.4.2有機地球化學特征

東營凹陷內處于大致同一層段烴源巖的主峰碳數互不相同。在用成熟度差別不能完全解釋的情況下, 可判斷其母質類型為既與海生生物有聯系,又與陸生生物有關的過渡型母質類型。其后, 袁文芳等(2006)在研究區目的層段發現了豐度極高、可作為海相環境標志物的甲藻甾烷。陸相環境中甲藻甾烷的出現及其相對強度, 可指示海侵作用的發生與強度(侯讀杰, 1999)。

根據上述沉積物、古生物及地球化學三方面的綜合分析, 確定了在研究區沙四上亞段曾遭受海水的影響, 但規模較小且呈期次出現, 可初步判斷,是由海嘯引發。

1.5 海嘯的特征

1.5.1海嘯的誘發

海嘯的誘發因素中, 由地震引發的海嘯是最為常見的, 需要里氏震級6.5以上。東營凹陷沙四上亞段有大量震積巖存在, 根據巖石特征及斷裂情況等估算, 震級約為7.9級(陳世悅等, 2003), 不論是出現的時間, 還是強度, 均具有誘發海嘯的可能。

1.5.2海嘯的沉積

海嘯沉積包含的物質范圍從礫石到淤泥, 也包含有孔蟲類等生物異常豐富、地球化學元素的突變等。向陸方向能量減少, 沉積物減少(Nichol et a1.,2007)。若海嘯沉積單獨出現, 識別起來可能存在一定難度(杜遠生等, 2000)。由此看來, 研究區的海嘯沉積因形成于單獨出現的海嘯沉積晚期、向陸方向的末端而難于識別, 但生物組合的異常、化學元素的突變等特征還是存在的。

1.5.3海嘯的期次

前人對海侵期次的劃分不一, 地層跨度較大(裘松余等, 1994; 田景春等, 1998; 袁文芳等,2006)。本文根據巖相組合的變化、白云巖的沉積規律及地球化學階段性突變等特征, 確定沙四上亞段為受海侵影響的其中一期并將海侵出現的層段具體到沙四上亞段早期, 且劃分出四個期次, 其后恢復為正常湖相沉積。

2 咸化機制分析

2.1 鹽源

通過分析發現, 研究區的鹽源主要有以下四種:(1)陸源區母巖風化導致的“古鹽”釋放。組成山東各盆地四周剝蝕區的地層具有一共同特點, 即都有鹽類最發育的寒武、奧陶系地層分布。所以說古鹽釋放作為鹽類物質來源是不容忽視的。當鹽源為陸相時, 一般是蒸發成鹽, 這就需要氣候等條件的配合。沙四上沉積期氣候相對溫暖濕潤, 由此判斷陸相鹽源不會是最主要的鹽源。(2)火山或巖漿活動。與地殼深部有良好通道的古近紀盆地, 伴隨火山巖的噴發, 鹽類物質被帶入盆地內是完全可能的。(3)通過深大斷裂上涌的深部的鹵水。沙四上亞段研究區存在陳南斷層、博興斷層等深大斷裂, 這為深部鹵水上涌提供通道。勝北斷裂帶的地溫梯度及壓力異常、巖石礦物學異常等也證明了深部鹵水沿斷層上涌的客觀存在(于翠玲等, 2005)。當鹽源為上述兩種情況時, 一般需通過深大斷裂輸送, 經兌鹵成鹽形成鹽類。這一輸送途徑也限制了該種鹽類的展布范圍, 即集中在大斷裂附近, 這與碳酸鹽巖在全區的廣泛分布不符。由此判斷深層鹵水及火山物質亦不是最主要的鹽源。(4)海水侵入。由上述多方面證明, 研究區在沙四上沉積早期曾遭受四期海水影響, 雖然規模較小, 但為該區提供大量鹽類物質,是最主要的鹽源。對其咸化影響最深刻, 是沙四上亞段早期鹽度異常最主要的原因。

表1 東營凹陷沙四上亞段早期鹽度特征Table 1 Characteristics of salinity on the upper part of fourth member of shahejie formation in the Dongying Sag

表2 海相碳酸鹽巖與陸相碳酸鹽巖區別Table 2 Differences between marine facies and continent facies carbonate rock

2.2 成鹽機制

對于研究區的碳酸鹽巖, 筆者認為主要有以下四種成因: (1)機械成因, 母巖風化帶來顆粒狀碳酸鹽巖。(2)化學成因, 包括蒸發成鹽與兌鹵成鹽。(3)生物成因, 包括生物自身是鈣質, 如中華直管藻。(4)復合成因, 包括物理-化學成因與生物-化學成因。前者為水體攪動盆地使CO2溢出, 誘發碳酸鹽沉淀。后者為生物經新陳代謝消耗 CO2, 誘發碳酸鹽沉淀, 或生物活動引發鈣質加積。

2.3 咸化機制

綜合考慮看來, 高山深盆、下伏巖層溶解再沉積固然是一種有利的成鹽方式, 但不適用于本區。(1)沉積物方面, 難以解釋伴隨鹽度異常出現的白云石; (2)古生物方面, 以空中運送方式難以解決海相生物及碎屑的存在; (3)地球化學方面, 受限的鹽類輸送途徑, 不能解釋區域咸化問題; (4)氣候特征與高山深盆模式的要求不符, 且離海較近, 其影響既可行也難以避免。結合鹽源及成鹽機制發現, 東營凹陷沙四上亞段的咸化具有四種鹽源, 早期以海水攜帶的鹽類物質為主, 中后期以陸源、火山或巖漿活動、深部鹵水共同作用為主, 具有不同鹽源分段控制的特點; 成鹽機制共四種, 海陸相鹽類共存,成因復雜。

3 海相碳酸鹽巖與湖相碳酸鹽巖的區分

東營凹陷沙四上亞段為該區重要的烴源巖段,其中碳酸鹽巖沉積占有重要角色。由上述分析可知,其中海、陸相碳酸鹽巖并存。常規碳酸鹽巖的研究僅局限在正常海相或陸相, 而由海水攜帶遷移至此的碳酸鹽巖該如何與陸相碳酸鹽巖區分是值得討論的。本文從其成因上著手做分析, 希望能引起同行學者們的廣泛關注與探討。

對于該區碳酸鹽巖的成因, 機械成因屬于湖相。生物成因的鹽巖中, 海相生物本身若為碳酸鹽巖的, 當屬海相, 如中華直管藻。而陸相生物及少數海相生物(如顆石藻), 經新陳代謝及生物活動引發的鈣質加積, 應屬海陸相鹽類混合。這兩種成因的鹽巖可通過鏡下觀察來區分。而化學成因及復合成因屬于海陸相鹽類混合, 且多呈泥晶狀, 從外在形態上較難區分, 這就需要更為精細的測試分析來區別。以下對于該區可行的方法, 做簡要的介紹。

3.1 元素法

研究元素豐度及變化規律, 可為沉積環境研究提供佐證(張英志等, 2006)。本文通過微量元素、溴氯系數及碳氧同位素等測試對海、陸相碳酸鹽巖進行區別(表2)。本區微量元素的變化與海侵的發育層段對應良好(圖2)。

3.2 陰極發光法

化學成因及復合成因的碳酸鹽巖呈泥晶狀, 遭受蝕變的程度較低。海相碳酸鹽巖保存了海水的特征而發弱光, 發光顏色向暗紅色過渡。因湖水中Mn含量相對較高, 湖相碳酸鹽巖發強光, 發光顏色向亮黃色過渡。由此可用該方法來區分。

4 結論

探討東營凹陷沙四上亞段咸化機制的問題時,為避免單項證據的片面性及局限性, 本文從沉積物(巖石與礦物)、古生物、地球化學(無機地球化學與有機地球化學)三個方面進行了綜合分析。發現白云巖、海綠石及巖相組合等沉積特征與海侵存在一定的聯系。而古生物中中華直管藻等海相指標的發現,進一步驗證了海侵的猜想。各項地化測試亦均符合海相環境指標。綜合判斷, 證明了在東營凹陷古近系確實遭受過海水影響, 并將時間確定到沙四上亞段沉積早期。鑒于本區海侵沉積的特點發現, 海水是由地震引發的海嘯帶來, 規模不大。因形成于單獨出現的海嘯沉積晚期、向陸方向的末端而難于識別。基于上述結果分析可知, 該區具有四種鹽源,分別是母巖風化造成的古鹽釋放、火山或巖漿活動、深層鹵水帶來的鹽類物質及海水侵入。沙四上亞段早期, 以海水攜帶的鹽類為主要鹽源, 中后期以其余三種為主。不同沉積階段, 由不同鹽源分段主控。本區共具有四種成鹽機制, 分別是機械成因、化學成因、生物成因及復合成因, 海陸相鹽類共存, 成因復雜。針對由海水攜帶碳酸鹽巖進入湖盆這一特殊現象, 本文嘗試運用地球化學及陰極發光等方法,對海陸相碳酸鹽巖進行區分。

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