柴達木盆地英西地區E32碳酸鹽巖沉積演化特征

易定紅 ，王建功 ，2，石蘭亭 ，王 鵬 ，陳 娟 ，孫松領 ，石亞軍 ，2，司 丹

（1.中國石油勘探開發研究院西北分院，蘭州730020；2.中國石油集團油藏描述重點實驗室，蘭州730020；3.中國石油青海油田分公司，甘肅敦煌736200）

0 引言

碳酸鹽巖是重要的油氣儲集層，塔里木盆地的塔河—輪南油田、塔中油氣田和四川盆地的川東北普光大氣田的儲集層均是海相碳酸鹽巖［1］；渤海灣盆地的濟陽坳陷、黃驊坳陷、冀中坳陷，蘇北盆地和柴達木盆地均發育一定規模的優質湖相碳酸鹽巖儲集層并獲得油氣勘探的重大發現［2-4］。

20世紀90年代，在柴達木盆地西部躍進斜坡區漸新統下干柴溝組上段（E32）發現優質藻灰巖儲層并獲得油氣勘探的重大發現［5］。近年來，英西地區因針對E32碳酸鹽巖油氣勘探陸續發現多口日產千噸井而成為油氣勘探的熱點地區。眾多學者針對柴西地區的E32碳酸鹽巖的巖性變化［6-9］、儲層物性［10-12］、沉積環境和沉積相［13-20］以及油氣藏特征［21］等方面均開展過詳細的研究，但缺乏對英西地區碳酸鹽巖的發育規模、沉積演化特征及其控制因素的系統認識。在前人研究成果基礎上，依托英西地區近年來新鉆井的巖心資料、測/錄井資料、巖礦鑒定、全巖礦物分析、元素分析等相關分析測試資料，在系統分析該地區E32沉積期的古地理背景、沉積體系類型、碳酸鹽巖礦物成分、巖性特征、元素與碳氧同位素組成特征的基礎上，系統認識該地區E32碳酸鹽巖的沉積環境和演化特征，以期為該地區下一步精細勘探提供地質依據。

1 區域地質背景

英西地區位于柴達木盆地英雄嶺構造帶的北西端，包括獅子溝構造和游園溝構造，東面與干柴溝構造相接，北面與犬牙溝構造相接，南鄰建設溝構造，西接紅柳泉斜坡［圖 1（a）］。E32主要為一套灰色、深灰色泥巖、碳酸鹽巖和膏鹽巖，其次為含鈣泥巖、含膏泥巖和泥質粉砂巖，地層厚度為1 410 m～2 250 m，分為 6個砂組［14］，Ⅰ—Ⅲ砂組（鹽間）碳酸鹽巖發育程度較差，Ⅳ—Ⅵ砂組（鹽下）主要發育碳酸鹽巖［圖 1（b）］。

圖1 英西地區位置（a）和E32地層柱狀圖（b）Fig.1 Location（a）and stratigraphic column of E32（b）in Yingxi area

英西地區E32湖相碳酸鹽巖沉積明顯受古地理背景和古氣候環境控制［14-18］。西北部的七個泉—咸水泉地區位于阿爾金斜坡西段，距離物源近、地形坡度大，主要發育干旱氣候條件下的扇三角洲—湖泊沉積體系，并發育小規模的湖底扇沉積。依據巖性、電性特征，可識別出扇三角洲平原亞相、扇三角洲前緣亞相和湖底扇亞相；西南部紅柳泉—躍進地區地形平緩，距離物源遠，主要發育濱淺湖—灘壩沉積體系，可識別出灘壩微相、泥灰坪微相和泥坪微相；英西地區位于湖盆的沉積中心，主要發育深水背景下的內源碳酸鹽巖—膏鹽巖沉積體系，可識別出呈環形展布的膏鹽坪微相和（灰）云坪微相［14］（圖2）。

圖2 英西地區E32沉積相圖（據文獻［14］和［20］修改）Fig.2 Sedimentary facies of E32in Yingxi area

2 沉積環境分析

2.1 碳酸鹽巖形成于溫暖干旱型古氣候環境

柴達木盆地英西地區E32下部為一套灰色、深灰色碳酸鹽巖與暗色泥巖，黏土礦物中高嶺石相對發育，孢粉組合以半干旱的林塊及灌叢植被的楝粉屬和云杉粉屬為主，反映了半干旱溫暖的古氣候環境；E32上部發育碳酸鹽巖、鈣芒硝和膏鹽巖，綠泥石和伊利石的含量顯著增大，孢粉組合以蒺藜科的白刺屬和麻黃科的麻黃屬為代表，指示干旱的旱生植物含量高，蒸發作用強烈，元素地球化學敏感參數 w（Sr）/w（Cu）＞10，反映了干旱的古氣候環境［9，14，18，22］（圖 3）。

2.2 碳酸鹽巖形成于干旱封閉咸化水體環境

2.2.1 MnO/Fe

Mn和Fe在沉積作用過程中受沉積介質Eh和pH值影響產生分離，MnO/Fe可以定性判別湖泊水體的酸堿性。Mn的沉淀較Fe需要更高的pH值環境，所以MnO/Fe可指示沉積介質pH值的高低。w（MnO）/w（Fe）＞ 0.055 指示 pH ＞ 9.0，w（MnO）/w（Fe）為 0.026～0.055 指示 pH 為7.8～9.0［23-25］。E23的22個 Ⅳ 砂組樣品的 w（MnO）/w（Fe）為 0.035～0.096，平均為0.057，其中比值為0.026～0.055的樣品占59.1%，比值大于0.055的樣品占40.9%；7個Ⅱ 砂組樣品的 w（MnO）/w（Fe）為 0.044～0.115，平均為 0.059，其中比值為 0.026～0.055的樣品占57.1%，比值大于0.055的樣品占42.9%；8個Ⅰ砂組樣品的 w（MnO）/w（Fe）為 0.044～0.067，平均為0.056，其中比值為0.026～0.055的樣品占50.0%，比值大于0.055的樣品占50.0%（圖3）。

圖3 英西地區E32沉積環境地球化學參數柱狀圖Fig.3 Geochemical data of E32sedimentary environment in Yingxi area

根據上述MnO/Fe判別標準，認為E32沉積時湖盆水體呈弱堿性—堿性，而且從E32的早中期（Ⅳ砂組）至晚期（Ⅰ砂組）湖盆水體的堿性不斷上升，而且在湖盆內部水體的堿性要大于湖盆邊緣（圖3）。

2.2.2 Sr/Ba

微量元素Sr/Ba通常用來定性恢復陸相湖盆水體的古鹽度，其判別標準為 w（Sr）/w（Ba）＞1 表示咸水，w（Sr）/w（Ba）＜0.6 表示淡水，w（Sr）/w（Ba）為0.6～1.0 表示半咸水［23-25］。E32的22個Ⅳ砂組樣品的 w（Sr）/w（Ba）為 0.32～4.19，平均為 1.48，其中大于1.0的樣品占63.6%，比值為1.0～0.6的樣品占18.2%，比值小于0.6的樣品占18.2%；7個Ⅱ砂組樣品的 w（Sr）/w（Ba）為 1.14～8.69，平均為2.52，比值大于1.0的樣品占100%；8個Ⅰ砂組樣品的 w（Sr）/w（Ba）為 1.09～4.28，平均為 2.09，比值大于1.0的樣品占100%（圖3）。

柴西地區E32古鹽度具有環帶狀分布特征，從盆地邊緣至湖盆中心鹽度逐漸增大。在盆地邊緣的干柴溝—紅柳泉地區古鹽度小于10‰，為半咸水—淡水環境；在盆地內部的花土溝至建設溝地區古鹽度為10‰～18‰，為半咸水環境；在盆地的中心部位英西地區古鹽度大于18‰，為咸水環境［26］。

根據Sr/Ba結果，參考陳能貴等［26］的研究成果，結合E32地層巖性組合特征綜合分析認為：從E32的早期到晚期湖盆水體鹽度不斷增大，早中期湖盆水體主要為咸水，偶爾出現半咸水和淡水，至晚期則為咸水。

2.2.3 碳氧同位素分析

碳酸鹽巖沉積物埋藏后，其同位素值可能會受到因有機物質降解和大氣淡水膠結等作用和過程的影響而改變，在選擇高保存程度的碳酸鹽巖樣品時一般利用間接反映成巖破壞程度的無機元素地球化學指標 Mn/Sr［27］。英西地區 sh40 井樣品w（Mn）/w（Sr）值為 0.28～0.97，平均為 0.68，遠小于臨界值3，說明樣品沒有受到成巖作用的影響。

碳酸鹽巖的δ13C和δ18O值（PDB標準）在不同類型的湖泊和不同鹽度的水體中具有不同的分布范圍。現代開放型淡水湖泊中的原生碳酸鹽巖δ13C和δ18O均為負值，而且δ13C和δ18O之間不相關或略有相關性，而封閉型咸水、半咸水湖泊中，δ18O和δ13C更接近于0或者正值，蒸發鹽湖中的碳酸鹽δ13C數值一般為-2‰～5‰，而且δ13C和δ18O之間有明顯的相關性，封閉性越強，相關系數越大［28］；通過對獅子溝地區sh40井Ⅲ砂組19個含膏白云質泥巖樣品碳氧同位素分析測試表明（PDB標準）［29］：方解石的 δ13C 值為 -2.34‰～-0.63‰，平均為 -0.073‰，δ18O 值為 -9.68‰～-1.66‰，平均為-4.21‰；白云石的 δ13C值為-0.47‰～1.58‰，平均為0.90‰，δ18O值為-7.34‰～0.12‰，平均為-2.32‰。碳同位素數值分布范圍變化小，而氧同位素數值變化區間大，方解石的δ13C值明顯負偏，白云石的δ13C值普遍偏正，但數值較小，而且δ13C和δ18O之間的相關性強，其相關系數（R）為0.61（圖4），說明 E32晚期地層沉積于強烈蒸發的封閉水體環境中。

圖4 英西地區sh40井E32白云質泥巖δ13C與δ18O關系圖Fig.4 Crossplot of δ13C and δ18O values of E32dolomitic mudstone from well sh40 inYingxi area

根據敏感參數MnO/Fe，Sr/Ba和碳氧同位素數值的分布特征，E32時期英西地區湖盆水體環境為弱堿性—堿性、半咸水—咸水封閉性湖泊水體環境。

3 碳酸鹽巖巖石學特征

3.1 礦物成分

對柴達木盆地英西地區E32目的層的鹽間和鹽下全巖礦物分析結果表明：碳酸鹽巖的礦物組分種類多，其中，主要礦物有鐵白云石、黏土礦物和方解石，其體積分數分別為30.79%，25.77%和11.29%；次要礦物有10種，分別是石英（7.94%）、鈉長石（6.2%）、黃鐵礦（3.38%）、石鹽（2.82%）、硬石膏（2.21%）、菱鐵礦（2.1%）、鈣芒硝（1.79%）、赤鐵礦（1.65%）、鉀長石（1.58%）和鱗石英（1.01%）；其他4種零星礦物體積分數之和為1.27%。

3.2 巖石類型

根據英西地區4口井57個E32碳酸鹽巖樣品的巖心描述和薄片鑒定，由陸源碎屑礦物、碳酸鹽巖礦物、黏土礦物、硫酸鹽礦物的含量，碳酸鹽巖可分為白云巖、灰巖和過渡性的灰云巖與云灰巖三大類巖石，其中白云巖占碳酸鹽巖樣品數的56.14%，包括5種主要巖性（頻數＞5%），分別是含粉砂含泥白云巖（8.77%）、含粉砂泥質白云巖（8.77%）、含灰白云巖（7.02%）、含灰含粉砂泥質白云巖（7.02%）和含粉砂含泥含灰白云巖（5.26%）；灰巖占碳酸鹽巖樣品數的1.75%，巖石類型為含云含泥含粉砂灰巖（1.75%）；過渡類型占碳酸鹽巖樣品數的42.11%，包括5種主要巖性（頻數＞5%），分別是含泥含粉砂灰云巖（14.04%）、粉砂質泥質灰云巖（7.02%）、含粉砂泥質灰云巖（5.26%）、含粉砂泥質云灰巖（5.26%）和含泥含粉砂云灰巖（5.26%）。

3.3 結構組分

英西地區E32碳酸鹽巖的結構組分主要為灰泥，僅在局部地區見少量的鹽間內碎屑顆粒；絕大部分為泥晶與微晶結構，只有極少部分為粉晶結構，反映了很弱的沉積水動力環境。

4 碳酸鹽巖發育演化

4.1 碳酸鹽巖沉積序列

柴達木盆地英西地區E32鹽下碳酸鹽巖主要有泥灰巖、灰巖、含云灰巖和含灰云巖，微相類型主要有泥灰坪、灰坪和灰云坪，與鈣質泥巖互層或夾于鈣質泥巖之中。隨著湖水鹽度的增加，云質成分不斷增加，碳酸鹽巖的泥質和灰質成分不斷減少，灰坪和灰云坪發育程度逐漸增強，泥灰坪發育程度逐漸減弱［圖 5（a），圖 6—8］。

E32鹽間碳酸鹽巖主要為白云巖，其次為含灰云巖，微相類型主要有云坪和灰云坪，夾于膏質泥巖或膏鹽巖層之中。湖水鹽度增加，膏鹽巖發育程度增強，碳酸鹽巖發育程度減弱，同時，碳酸鹽巖的云質成分不斷增加，灰質成分不斷減少；云坪發育程度逐漸增強，灰云坪發育程度逐漸減弱［圖5（b），圖6—8］。

圖5 英西地區E32鹽下（a）和鹽間（b）巖心柱狀圖Fig.5 Core column of E32subsalt（a）and intersalt（b）in Yingxi area

圖6 英西地區E32典型巖心照片（a）煙灰色鹽巖與淺灰色灰云巖，塊狀層理，shi37井，2 703.48 m；（b）深灰色含膏泥灰巖，水平層理，shi38井，2 794.42 m；（c）淺灰色灰云巖，塊狀層理，shi38井，2 794.82 m；（d）灰色灰質泥巖，水平層理，發育裂縫，shi37井，2 691.18 m；（e）灰色泥質粉砂巖，塊狀層理，shi37井，2 695.68 m；（f）灰色含灰云巖，塊狀層理，發育裂縫，裂縫內充石膏，shi203井，4 501.5 m Fig.6 Typical core photographs of E32in Yingxi area

圖7 英西地區E32典型巖性鑄體薄片（a）含灰泥巖，ch6井，2 587.0 m；（b）含細砂含粉砂灰質長石砂巖，shi37井，2 697.06 m；（c）泥質泥晶灰巖，shi38井，2 795.41 m；（d）含粉砂灰云質泥巖，shi38井，3 146.01 m；（e）含砂泥質灰云巖，shi38井，3 145.61 m；（f）泥晶灰云巖，shix28井，4 168.5 mFig.7 Microscopic photos of typical lithologic cast thin section of E32in Yingxi area

圖8 英西地區E32鹽下（a）與鹽間（b）碳酸鹽巖厚度Fig.8 Carbonate rock distribution of E32subsalt（a）and intersalt（b）in Yingxi area

4.2 碳酸鹽巖平面分布

通過對英西及其鄰區65口重點井E32碳酸鹽巖發育情況統計表明，鹽下碳酸鹽巖分布面積為1 034.8 km2，外形呈不規則的橢圓形，厚度大于320 m，自盆地邊緣向盆地中心變厚［圖8（a）］。鹽間碳酸鹽巖分布范圍變小，面積為839.3 km2，北部邊界向南退縮，碳酸鹽巖沉積中心向南遷移，厚度大于 60 m［圖 8（b）］。

4.3 碳酸鹽巖發育演化

英西地區E32碳酸鹽巖發育的影響因素有：①湖盆邊緣受到陸源碎屑物質注入的影響較大，湖水鹽度小，碳酸鹽巖發育較差，湖盆中心地區受外部物源影響較小，湖水鹽度較大，碳酸鹽巖發育較好；②E32的早期（Ⅵ—Ⅳ砂組）湖水為半咸水—咸水，有利于碳酸鹽巖的發育，該時期碳酸鹽巖發育好，分布面積大；晚期（Ⅲ—Ⅰ砂組）湖水為咸水—鹽水，鹽水條件下不利于碳酸鹽巖的發育，該時期碳酸鹽巖發育差，分布面積小；③由于英西地區受到多期次小規模重力流的影響，湖水鹽度變化大、變化頻率高，盆緣碎屑巖的輸入在一定程度上抑制了碳酸鹽巖的沉積，碳酸鹽巖與陸源碎屑巖相間發育；④碳酸鹽巖厚度與地層厚度比值小于35%；⑤湖盆內部碳酸鹽巖的巖性變化及其發育程度主要受湖水鹽度變化的控制，其次是受陸源碎屑物質的輸入量和輸入頻率的控制；⑥從早期到晚期，湖水鹽度增加，云坪發育程度逐漸增大，泥灰坪和灰坪均不斷減弱。

（1）英西地區鹽下碳酸鹽巖發育演化的特點（圖9）：①Ⅵ砂組沉積時碳酸鹽巖分布范圍最大，覆蓋整個工區；②Ⅴ砂組沉積時碳酸鹽巖分布范圍減小。受間歇性陸源碎屑注入的影響，湖盆邊緣碳酸鹽巖向北西方向延伸至sh22井—sh39井；③Ⅳ砂組沉積時陸源碎屑注入量減少，湖盆邊緣碳酸鹽巖發育程度增加，而湖盆中心（sh22井—sh44井區）發育膏鹽巖，從而制約了碳酸鹽巖的發育；④碳酸鹽巖厚度變化大。單層厚度為9.0～16.0 m，平均厚度為6.5～15.14 m；累計厚度為71.0～158.1 m。灰地比從Ⅵ砂組至Ⅳ砂組逐漸減小，為21.98%～32.73%；⑤碳酸鹽巖橫向相變為膏質泥巖或鈣質泥巖或陸源碎屑巖；⑥碳酸鹽巖微相主要有泥灰坪和云坪，其次為灰坪和灰云坪。

（2）英西地區鹽間碳酸鹽巖發育演化的特點（圖9）：①鹽間的碳酸鹽巖發育程度變差，表現為碳酸鹽巖發育的層數、單層厚度、累計厚度、平均厚度和灰地比數值均不同程度地減小；②碳酸鹽巖單層厚度變化大，為2.3～13.3 m；平均厚度變化較大，為3.97～8.28 m；累計厚度變化大，為21.6～65.8 m，灰地比數值變化較大，為7.66%～25.65%；③碳酸鹽巖橫向相變為膏質泥巖或鈣質泥巖或膏鹽巖；④Ⅰ砂組沉積時碳酸鹽巖發育程度最差、分布范圍最小，北西方向延伸至shb1井以東；⑤碳酸鹽巖微相主要有云坪，局部發育灰坪和灰云坪，其中，云坪主要發育在英西地區中心區域，而灰云坪和灰坪均主要發育在湖盆邊緣的sh35井—sh39井區域。

圖9 英西地區E32碳酸鹽巖發育剖面（剖面位置見圖1）Fig.9 Development profile of E32carbonate rocks in Yingxi area

5 結論

（1）英西地區E32碳酸鹽巖形成于溫暖干旱型古氣候條件下的堿性—弱堿性、咸水—半咸水封閉性水體環境，碳酸鹽巖單層厚度大、層數多、連續性好，分布范圍大，油氣勘探潛力大。

（2）英西地區E32碳酸鹽巖為湖相混合沉積成因，以白云巖為主，其次為（含）灰云巖，其礦物成分主要為鐵白云石；沉積微相以泥灰坪、灰云坪和云坪為主，其次為灰坪。

（3）湖水的鹽度變化是英西地區E32碳酸鹽巖發育的主要控制因素。湖盆邊緣水體鹽度小，湖盆中心鹽度大。碳酸鹽巖自湖盆邊緣向湖盆中心變厚。E32早期湖盆水體以咸水—半咸水弱堿性為主，碳酸鹽巖發育好，厚度大；晚期湖盆水體以咸水—鹽水堿性為主，碳酸鹽巖發育程度變差。