陸相石膏賦存狀態及沉積過程

摘 要 庫車坳陷牙哈氣藏是我國開發時間最早、開發技術最為成熟的凝析氣藏之一，其主要產層段為古近系蘇維依組底砂巖段，巖性以含石膏團塊的細砂巖為主。石膏的賦存狀態多種多樣，而不同賦存狀態的石膏發育時期、水動力條件、沉積環境和對儲層物性的影響均有不同。基于牙哈氣田古近系蘇維依組底砂巖段鉆井取心、野外剖面、巖石薄片等資料，探討石膏賦存狀態及其形成過程。結果表明：（1）研究區古近系底砂巖段沉積成因石膏可分為異地沉積石膏和原地沉積石膏；（2）異地沉積石膏團塊經流水搬運，搬運距離從近到遠依次為：①撕裂狀，粒徑8～10 cm的不規則狀石膏團塊；②云霧狀，粒徑4～8cm的云霧狀石膏團塊，具棱角；③團礫狀，粒徑2～5 cm，近圓狀石膏團塊，磨圓度較好；④定向排列石膏，粒徑0.5～2 cm，石膏團塊定向排列，圍巖見平行層理構造；原地沉積石膏包括蒸發濃縮形成均勻分布的點狀石膏，以及流水攪動形成的具核心、不具同心圈層結構的鮞狀石膏；（3）干旱氣候背景下湖泊蒸發環境沉積時期可分為豐水期與枯水期，枯水期為鹽湖蒸發沉積模式，石膏等鹽類礦物蒸發沉積，豐水期為河流—三角洲—湖泊沉積，沉積砂體。不同賦存狀態的石膏代表了不同的古環境、古氣候、古水動力條件，該研究為蘇維依組干旱氣候條件下季節性河流—鹽湖三角洲的沉積模式研究提供了新的思路。

關鍵詞 石膏；賦存狀態；沉積過程；沉積模式

第一作者簡介 王壯生，男，1996年出生，博士研究生，沉積學，E-mail： 407587627@qq.com

通信作者 林小兵，男，博士，講師，E-mail： linxiaobing07@cdut.edu.cn

中圖分類號 P512.2 文獻標志碼 A

0 引言

石膏是一種十分重要的工業資源，作為建筑材料、工業原料被廣泛使用。在油氣領域，膏鹽巖層因良好的封閉性常被視為優質蓋層[1?3]；同時，膏鹽巖發育和碳酸鹽巖油氣藏的形成具有一定的關系[4]，常作為碳酸鹽巖油氣藏一個重要的標志[5]。石膏作為蒸發沉積巖，是飽和鹵水經過蒸發失水濃縮，析出溶解的離子成分[6]，最后固結成巖。對于蒸發巖成因模式，國內外學者提出了大量的論點，沙洲理論[7?10]和沙漠理論[11]爭論了將近百年，主要矛盾在于鹽類物質來源，“沙洲說”認為主要來自海水，“沙漠說”強調陸源供給。我國學者也提出地中海干化理論[12?14]、高山深盆理論等。目前對于蒸發巖成因模式廣泛認可的是薩布哈理論[6，15]、深水深盆、淺水深盆和淺水淺盆蒸發成因模式[16?19]。我國蒸發巖發育也十分廣泛，如塔里木盆地、渤海灣盆地等[1]，涉及層位也十分廣泛，從古生代至今均有發育[15]。

陸相蒸發環境主要有陸內薩布哈和湖泊，其鹽鹵水來源復雜，主要有殘余海水、大氣降水淋濾、深部來源供給等。湖相沉積時，濱湖亞相水動力相對較強，常沉積條狀石膏，低能鮞粒石膏等；淺湖亞相水動力條件弱，通常發育凝塊狀石膏；半深湖—深湖亞相主要沉積厚層石膏巖[1]。前人對于海相石膏賦存狀態以及相應沉積環境做了大量的歸納總結，但對于陸相石膏沉積研究較為缺乏。

塔里木盆地庫車坳陷牙哈地區古近系蘇維依組發育一套含膏泥巖和含膏砂巖建造，上部含膏泥巖為湖相沉積，膏鹽巖層和膏泥巖層分布廣泛，是一套良好的封蓋層，底部為辮狀河三角洲前緣沉積，含石膏的砂巖段則為一套良好的儲層。蘇維依組底砂巖段發育的石膏以團塊狀、點狀、鮞狀等形式賦存在砂巖中，賦存狀態復雜多樣。因此，開展牙哈氣藏蘇維依組底砂巖段石膏賦存狀態及其成因過程研究與討論，可揭示碎屑巖中石膏賦存狀態對沉積環境的響應關系，以期為陸相蒸發沉積模式提供新的資料與參考。

1 地質背景

塔里木盆地塔北隆起自西向東劃分為英買力低凸起、輪臺凸起、哈拉哈塘凹陷、輪南低凸起、草湖凹陷以及庫爾勒鼻隆，總體以“四隆兩凹”的形態分布[20?21]。牙哈氣田構造位置位于輪臺凸起中段北側牙哈斷裂構造帶上，北鄰庫車坳陷，西鄰英買力低凸起，南為哈拉哈塘凹陷（圖1a）[22?25]。雖然構造劃分上隸屬于塔北隆起，但由于以陸相油氣為主，其主要來源為北部的庫車坳陷，在油氣系統劃分時仍然將其歸為庫車陸相油氣系統，以輕質油和凝析油為主要產物，同時有少量的正常油和天然氣[25]。

研究區鉆遇地層由老到新依次發育：白堊系巴什基奇克組（K1bs）、古近系蘇維依組（E2-3s）、新近系吉迪克組（N1j）、康村組（N1-2k）和庫車組（N2k）[25]，主要研究層位為蘇維依組底砂巖段（圖1b）。

蘇維依組沉積時期，研究區氣候干旱炎熱，蒸發強烈，發育廣泛的濱淺湖沉積，局部地區為蒸發鹽湖相，沉積巨厚湖相地層，只在蘇維依組底部發育一套扇三角洲、辮狀河三角洲砂體[26]。

2 石膏分布與特征

古近系蘇維依組沉積環境從辮狀河三角洲沉積相演變為湖泊沉積相，底砂巖段發育水下分流河道微相與分流間灣微相，巖性以含膏粉砂巖、膏質細砂巖及膏泥巖為主，厚度一般為30～45 m。鉆井巖心與薄片資料表明，研究區古近系蘇維依組底砂巖段均有石膏賦存，賦存狀態以石膏團塊和石膏膠結為主（圖2，3）。

底砂巖段頂部石膏含量最多，以石膏團塊為主，粒徑較大，石膏團塊具清晰邊界。中上部與底部，石膏含量次之，以粒徑較小的石膏團塊為主，石膏團塊分選較差，大小不一，同時伴隨著石膏膠結物發育。其余部位多發育石膏膠結與方解石膠結，零星發育石膏團塊，粒徑較小，磨圓以次圓為主，同時可見點狀石膏（圖3，4）。

石膏團塊一般賦存于粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、細砂巖和中砂巖，石膏賦存圍巖具塊狀構造和平行層理構造，分選中等，磨圓以次棱—次圓狀為主，填隙物以泥質雜基和方解石膠結、石膏膠結為主，團塊狀石膏賦存部位方解石膠結物較少（圖4），主要發育在底砂巖段頂部、中上部和下部。石膏按其形成階段可分為沉積成因石膏與成巖成因石膏，本文主要討論石膏沉積環境與其揭示的沉積過程，重點探討陸相干旱氣候條件蒸發環境沉積模式。因此，主要開展沉積成因石膏分析與研究。

3 石膏成因類型與沉積過程

3.1 石膏成因類型劃分

盡管目前對于蒸發巖的成因存在多種學說[7?19]，但普遍認為蒸發巖物理形態、化學成分、展布特征均與沉積環境密切相關[1]。本文通過對研究區39口鉆井蘇維依組底砂巖段巖心觀察、取樣薄片鑒定，基于石膏的不同賦存狀態，分析其沉積環境與沉積過程。按照沉積過程、石膏團塊特征和圍巖特征劃分為2大類、6小類（表1）。

撕裂狀石膏團塊粒徑為8～10 cm，形狀極不規則，圍巖以細砂巖為主，磨圓為棱角狀，分選差；云霧狀團塊粒徑為4～8 cm，形狀不規則，圍巖以細砂巖為主，磨圓為棱角狀，分選差；團礫狀石膏團塊粒徑為2～5 cm，形狀橢圓，圍巖以細—粉砂巖為主，磨圓為次棱—次圓狀，分選中等；定向排列石膏團塊粒徑為0.5～2 cm，形狀橢圓，具定向排列特征，圍巖以細—粉砂巖為主，磨圓為次圓—圓狀，分選較好；點狀石膏粒徑為0.2～0.5 cm，形狀橢圓，具定向排列特征，圍巖以細—中砂巖為主，磨圓為次圓狀，分選較好；鮞狀石膏粒徑為0.01～0.03 cm，形狀橢圓，具定向排列特征，圍巖以細—中砂巖為主，磨圓為次棱—次圓狀，分選中等（圖5）。

3.2 石膏沉積過程

3.2.1 異地沉積石膏

前人認為海相團塊狀石膏巖主要沉積于臺地邊緣斜坡帶和潮上帶劇烈蒸發環境，潮上帶塊狀石膏為水體受劇烈蒸發，石膏晶體密集堆積形成層狀石膏，斜坡帶塊狀石膏受重力流、塊體流作用沉積形成[1]。因此，團塊狀石膏形成一是需要存在大量石膏蒸發析出、沉淀堆積形成石膏層，二是石膏層破碎形成石膏團塊。

牙哈地區古近紀早期沉積環境為寬淺湖盆，湖水鹽度較高，與現今氣候條件類似，為干旱氣候條件，地表河流以季節性河流為主。枯水期大氣降水減少，陸表水減少，注入湖盆水源減少，氣溫高，湖水持續蒸發，進入鹽湖沉積，在此階段形成了一層較純的石膏層；受山前大氣環流影響，蒸發之后富含水汽的空氣向山區移動，在山前受冷空氣影響，形成降水，山前沖—洪積扇發育，洪水事件頻發，水動力條件及搬運能力強[26]，大量降水攜帶大量陸源碎屑物質自山前沖出，強動力水流攪碎之前沉積的石膏層，并攜帶、搬運破碎后的石膏團塊，與同時期攜帶的碎屑顆粒同時沉積，固結成巖。在此背景下，異地石膏沉積過程可分為兩個階段，鹽湖和洪泛鹽沼蒸發沉淀石膏層階段與洪水搬運石膏團塊沉積階段。不同的搬運距離導致石膏團塊粒度與磨圓度不同，可分為撕裂狀、云霧狀、團礫狀和定向排列石膏（圖6）。

1） 撕裂狀石膏

撕裂狀石膏一般為棱角—次棱角狀，撕裂特征明顯，為弱固結，石膏團塊在應力作用下破碎，或石膏團塊整體發生形變，與碎屑物質同時快速沉積，顏色以淡黃色—白色為主，團塊大小一般為8～10 cm，形狀極不規則，磨圓差。圍巖一般為細砂巖，據塊狀結構，分選較差，磨圓為棱角狀，反映其水動力條件較強，搬運距離較近，為洪水事件等較強水動力條件下搬運，快速堆積沉積形成（圖6a）。

2） 云霧狀石膏

云霧狀石膏為具棱角的云朵狀，或不規則形狀，邊界清晰，石膏純凈度較高，顏色雪白，團塊粒度為4～8 cm。石膏團塊在水流沖擊破碎后經過短距離搬運，與水流攜帶的陸源碎屑物質同時沉積。由于搬運距離較短，形成磨圓度差，粒度大小不一，具棱角的云霧狀石膏。圍巖一般為細砂巖，水動力條件較強，具塊狀結構，但分選中等，磨圓為棱角狀（圖6b）。

3） 團礫狀石膏

團礫狀石膏相對云霧狀石膏團塊磨圓度較好，次棱角—次圓狀為主，顏色為雪白色，團塊一般為2～5 cm，團塊直徑可達8 cm。石膏團塊在水流破碎后經過較長距離搬運，圍巖一般為細—粉砂巖，分選好，磨圓以次棱—次圓為主，具塊狀結構，反映其搬運距離相對較遠（圖6c）。

4） 定向排列石膏

定向排列石膏一般為多個粒度小，磨圓度好的石膏團塊定向排列形成，粒徑一般為0.5～2 cm。形態為橢球狀或球狀，磨圓度為次圓狀，極個別達到圓狀，顏色一般為淺灰白色，是經過較長距離搬運與長時間流水沖刷形成。圍巖一般為細—粉砂巖，具平行層理，為水流長期沖刷形成，分選好，磨圓以次圓—圓狀為主（圖6d）。

3.2.2 原地沉積石膏

1） 點狀石膏

前人認為，海相點狀石膏主要是由于脫水形成的嵌套式石膏，常見于鹽沼和鹽泥坪過渡的蒸發環境[1]，陸相點狀石膏同樣為蒸發脫水形成。研究區點狀石膏均勻分布在砂巖當中，顏色以淺灰白色為主，粒度一般為0.2～0.5 cm。

研究區沉積環境為寬淺湖盆，由水流攜帶大量陸源碎屑物質和各種離子匯聚于湖盆中，湖水持續蒸發，富含Ca2+和SO24 -的水體隨蒸發逐漸形成膠體溶液，凝結點均勻分布，蒸發劇烈，逐漸濃縮結晶，形成點狀的石膏，該類型石膏發育較少。圍巖一般為細—中砂巖，分選中—好，次棱—次圓，具塊狀結構（圖7）。

2） 鮞狀石膏

鮞狀石膏多呈放射狀，同心紋層不發育，沉積于鹽堿地或湖泊低能區，如濱湖帶[27?28]，在水動力條件相對較強的情況下，石膏生長過程中受水流攪動影響，鮞狀石膏通常呈非同心疊層狀賦存。

鮞狀石膏是由水流破碎、搬運、溶蝕形成的微小石膏殘余顆粒，或由水流攜帶的細小顆粒為核，在富含Ca2+和SO24 -的水體當中經過微弱的攪動，析出的CaSO4晶體逐漸圍繞核心附著沉積、生長，形成具一定核心的、不規則的、非同心層的、具鮞狀結構或疊層結構的石膏顆粒，圍巖以泥質粉砂巖與粉砂質泥巖為主，分選差，磨圓以棱角狀—次棱角狀為主（圖8）。

3.3 石膏分布特征及沉積模式

前人認為陸相薩布哈環境主要為鹽湖、牛軛湖等，與海相環境類似，均為暴露環境沉積[1]，通過鹽巖模擬結晶實驗以及現代鹽湖沉積模式研究[29?31]，認為鹽湖沉積可分為四個階段：淡水—微咸水階段、湖水濃縮—碳酸鹽階段、湖水濃縮—硫酸鹽階段和湖泊干涸—巖鹽階段，不同階段析出的鹽類不同，研究區主要經歷湖水濃縮—硫酸鹽階段。

塔里木盆地古近系蘇維依組與白堊系巴什基奇克組間存在沉積間斷，古近紀早期庫姆格列木群時期，塔里木盆地經歷一次短暫海侵，海水自西南方向進入[32]，古近紀中期，海侵結束，庫車坳陷形成一個寬淺湖盆，構造活動逐漸減弱，湖盆持續沉降，沉積巨厚層的含膏泥巖層[26]。干旱氣候條件下的陸相蒸發環境鹵水來源多樣，殘余海水、深部流體、大氣降水均能供給[1]。蘇維依組時期湖水繼承早期海侵殘余海水，鹽度較高，是主要的鹵水來源，同時，季節性河流中溶解的鹵鹽分子是持續來源之一[26，32]。

古近系蘇維依組底砂巖段發育多種賦存狀態石膏，主要沉積于底部、中上部以及頂部。橫向上底部含石膏層段普遍發育，東部、西部含石膏層段較厚，中部相對較薄；中上部含石膏層段發育普遍較薄，連續性較差；頂部含石膏層段相對連續，普遍發育2～3層（圖9a）。底砂巖段底部、中上部與頂部含石膏層段主要發育撕裂狀、云霧狀、團礫狀和定向排列石膏，沉積于水下分流河道沉積微相。其余層位偶見點狀、鮞狀石膏發育，主要沉積相為河口壩微相與水下分流河道微相（圖9b）。

上述石膏賦存狀態的垂向差異分布揭示了不同氣候條件與沉積過程。不同于陸相薩布哈環境沉積模式，干旱氣候條件下季節性河流—湖盆沉積存在兩個沉積時期與沉積模式，豐水期為山前沖積扇—辮狀河—辮狀河三角洲—咸湖沉積體系，枯水期為咸湖/洪水三角洲沉積，咸湖沉積發育泥巖—灰巖—石膏—鹽巖的環形條帶狀沉積，洪水事件破碎、搬運石膏，發育含膏質砂巖，兩種沉積模式相互循環，形成多種多樣的石膏賦存狀態（圖10）。

枯水期氣候干旱，季節性河流斷流，大氣降水減少，湖泊與湖岸鹽沼水量補給較少，且蒸發強烈，水分快速蒸發，析出石膏晶體并沉淀形成石膏層，湖泊進入蒸發濃縮—硫酸鹽階段。同時枯水期存在突發性洪水事件，水動力較強，可破碎石膏層形成大量石膏團塊，并隨流水搬運石膏團塊，在三角洲前緣砂巖中形成含石膏沉積。石膏團塊在搬運過程中，粒徑逐漸變小，磨圓度逐漸增高，呈現不同賦存狀態，依次為撕裂狀、云霧狀、團礫狀和定向排列。石膏團塊賦存部位圍巖粒度也逐漸變細，泥質含量逐漸增高（圖10）。

豐水期季節性河流（或洪水）與季節性大氣降雨帶來大量水量補給，湖平面上升，攜帶大量陸源碎屑物質與少量鹵族元素。此時期大氣降水充足，蒸發減弱，團塊狀石膏發育較少，膏質通常以膠結物形式存在。部分淺水區域地表流水與湖水密度不同，導致富含CaSO4的流體在湖盆斜坡帶流速快速降低，發生擾動，形成鮞狀石膏（圖10）。

干旱氣候條件下季節性河流—鹽湖三角洲沉積模式以兩種模式循環往復為特征，形成了各種不同樣式的石膏賦存狀態，代表了研究區干旱與濕潤氣候條件的循環變化，體現不同氣候條件下沉積模式的演化，為陸相蒸發環境沉積模式提供了新的思路與認識。

4 結論

（1） 牙哈地區古近系蘇維依組底砂巖段沉積成因石膏賦存狀態可分為異地沉積石膏和原地沉積石膏兩類。

（2） 異地沉積石膏具有明顯的搬運特征，隨搬運距離增加依次為撕裂狀、云霧狀、團礫狀和定向排列石膏，石膏團塊粒徑逐漸減小，磨圓度變好，圍巖分選逐漸變好，磨圓逐漸變好。原地沉積石膏可分為鮞狀石膏與點狀石膏，點狀石膏為枯水期湖水蒸發濃縮，膏質析出形成；鮞狀石膏為流水攪動，石膏晶體固著析出形成具一定核心并圍繞核心附著沉積形成不規則的、非同心層的、具鮞狀結構或疊層結構的石膏顆粒。

（3） 石膏賦存狀態與沉積過程，揭示了古近系蘇維依組沉積環境為干旱氣候條件下季節性河流沉積，呈豐水期、枯水期交替發育的特征，存在兩個不同沉積模式，枯水期為鹽湖/洪水沉積模式，豐水期流水攪動，為三角洲—湖泊沉積模式。

致謝 感謝成都理工大學田景春教授對本文的指導與建議，感謝編輯部老師的仔細審校，感謝審稿專家提出的意見與不足，師者教誨，學生銘記，再次衷心感謝。

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