伊寧凹陷中二疊統含膏巖層的形成及其對油氣勘探的意義

莊一鵬，曹建康，林社卿，侯 娟，顧 超，常文鑫

（1．中國石化河南油田分公司勘探開發研究院，河南鄭州 450048；2．中國石化河南油田分公司，河南南陽 473132）

伊寧凹陷地處新疆西部，構造上隸屬于伊犁盆地北部坳陷帶，北界為科-博陸內造山帶南緣向盆地的逆沖斷裂，南界為恰普恰勒山北緣向盆地的高角度逆沖推覆斷裂，東界為阿吾勒拉山西端的賽-莫斷裂及盆內隱伏的白尼斷裂[1]，西與哈薩克斯坦扎爾肯特凹陷相鄰（本文評價只到國境線），是伊犁盆地內面積最大、石油地質條件最好的凹陷（圖1）。

圖1 伊寧凹陷構造位置

伊寧凹陷周緣中二疊統出露廣泛，本文研究團隊于 2010年首次在凹陷北緣的潘津布拉克剖面中二疊統塔姆其薩依組（P2tm）發現含膏巖層，之后對東部的群吉薩依、瓊布拉克等剖面開展了多次野外地質調查，并對凹陷內探井巖心、巖屑取樣測試，系統地對中二疊世沉積環境和含膏巖層的特征進行了研究，落實了中二疊世含膏巖層沉積前后古沉積環境的變化，發現含膏巖層下伏地層烴源巖條件較好，油苗顯示豐富，具備較好的油氣勘探前景。

1 中二疊世沉積環境

膏鹽巖是蒸發巖的一種主要巖石類型[2]，含膏巖層的形成主要受古氣候與古鹽度兩大因素控制，富含 Na+、Mg2+、Ca2+、K+、Sr2+、Cl-等離子的高鹽度水體是含膏巖層形成的物質基礎，干旱的氣候環境是含膏巖層形成的重要條件。

1.1 古氣候分析

早、中二疊世，歐亞泛大陸逐漸形成，板塊碰撞導致了強烈的火山活動。在伊犁盆地、準噶爾盆地、塔里木盆地大面積分布的火山巖，正是多期次火山噴發的結果，強烈的火山噴發導致了空氣中CO2濃度劇烈上升，致使整個新疆處于一個巨大、悶熱的“溫室”之中，“溫室效應”是形成伊寧凹陷及周緣炎熱干旱古氣候的因素之一。

鉆井和野外剖面發現中二疊統孢粉化石豐富，屬種分異度低，主要為真蕨類、種子蕨類、科達類和松柏類。喜濕的蕨類植物孢子罕見，雙氣囊具肋花粉 Protohaploxypinus，Hamiapollenites，Striatopodocarpites及Vittatina等種類繁多，為組合中的優勢分子。其中，種子蕨類花粉（大部分為盾籽目）在形態和氣候指示上可與現代植物麻黃或買麻藤花粉類比，本體上的肋條起收縮作用，能夠更好地適應干旱的氣候環境。

苗建宇等[3]研究認為，二疊紀新疆北部地區總體具溫帶氣候特征，早二疊紀有轉暖的趨向，到早二疊紀晚期，巖石中長石碎屑明顯增加，表明形成時為干旱氣候，與區內古生物反映的氣候條件一致。

1.2 古鹽度分析

利用巖石微量元素研究沉積巖形成時的沉積環境和成巖環境，已成為沉積地球化學的一個重要方面，特別是利用微量元素進行沉積水介質環境等的判定。元素Sr比元素Ba的遷移能力強，淡水與海水相混時，元素Ba易形成BaSO4沉淀，所以Sr/Ba（鍶鋇比）隨著鹽度的提高具有明顯增大的趨勢，常用作區分淡水和咸水沉積環境的標志。一般認為Sr/Ba大于1為咸水沉積環境，Sr/Ba小于1為淡水沉積環境[4]。

伊寧凹陷周緣露頭與鉆井資料揭示中二疊統塔姆其薩依組Sr/Ba較高，多集中在0.9～11.2（表1），表明沉積時湖盆古鹽度較高，屬典型的咸水湖泊沉積環境。不同區域Sr/Ba差異較大，整體上，北部潘津布拉克地區Sr/Ba高于南部及東部地區，反映湖盆干旱時期可能被分割成不同的沉積中心，南部斜坡帶水體較淺，受淡水補給影響，古水咸度較低，未形成含膏巖層，與區內已發現的含膏巖層展布特征基本一致。

2 含膏巖層發育特征

伊寧凹陷周緣中二疊統塔姆其薩依組發育的石膏普遍含泥質，風化后呈土黃色，易與鈣質泥巖混淆，野外識別難度大。本文研究團隊通過多次開展露頭調查，在含膏巖發育層位密集取樣，利用大量的薄片鑒定與X衍射分析，落實含膏巖層在野外的賦存狀態，以及巖石中膏鹽的含量，并精確測量膏巖層的厚度。

伊寧凹陷二疊系剖面石膏晶體較為罕見，石膏多呈疙瘩狀和同生脈狀（圖2a）。其中，石膏脈以平行層理為主，長可達數米，單層厚度較薄，一般不超過5 cm。巖層中大部分石膏呈泥晶狀賦存于含泥膏巖中，野外很難識別。潘津布拉克剖面含膏巖層X衍射分析，石膏含量為41.1%～53.1%，方解石含量為 25.4%～40.2%，陸源碎屑及泥質含量為12.5%～24.4%（表2），石膏含量較低，但含膏巖層總厚可達50 m。

表1 伊犁盆地露頭/鉆井Sr、Ba元素分析數據

表2 潘津布拉克剖面含膏巖層X衍射分析數據

鏡下分析潘津布拉克含膏巖層巖性主要包括灰質膏巖、石膏巖、泥質膏巖、含膏灰巖等。其中，純石膏巖晶體多呈片狀、板狀、纖維狀、柱狀，晶粒間呈線、凹凸或鑲嵌接觸，局部晶體內呈“顆粒狀結構”，粒間充填殘余淺黑色泥質，巖石偶見構造縫，充填纖維狀隱晶石膏，并伴黑色有機質（圖2b）。含泥灰質膏巖類石膏多呈片狀、柱狀、纖維狀或嵌晶狀連晶結構，連晶內呈顆粒狀石膏集合體，顆粒大小0.05～0.20 mm，顆粒間殘余淺黑色泥質，石膏晶體邊緣多見石膏被方解石交代現象，表明沉積時巖石中石膏含量應高于現今 X衍射分析數值（圖2c）。

3 含膏巖層對油氣成藏的影響

圖2 伊寧凹陷含膏巖層特征

炎熱干旱的氣候和咸水沉積環境是含膏巖層形成的主要條件，伊寧凹陷古氣候與古水環境在含膏巖層形成前后發生了較大變化，致使含膏巖層上下地層的古生物具有較大的差異，從而影響泥巖中有機質的富集及油氣運聚成藏。

3.1 含膏巖層對烴源巖的影響

前人研究認為，膏鹽巖的形成環境有利于有機質的保存，在有機質轉化成油氣后提供良好的封蓋條件和雄厚的物質保障[5～6]。

含膏巖層上下沉積環境的改變首先表現為巖性組合的變化。潘津布拉克剖面含膏巖層下為厚約400 m的灰色、灰黑色泥頁巖沉積，隨著氣候逐漸變得炎熱干燥，伊寧凹陷沉積了一套含膏巖層，水體持續變淺，在沉積了一套厚約200 m的灰色泥巖夾薄層砂巖之后，湖盆進入消亡階段。

中二疊統塔姆其薩依組含膏巖層上覆地層烴源巖飽和烴色譜主峰碳分布在nC17-nC29，以前單峰和雙峰為主，具有陸生植物和水生植物混源的特征（圖3）；含膏巖層下伏地層烴源巖飽和烴色譜主峰碳分布在nC16-nC23，以前單峰為主，具有浮游生物和藻類來源的特征（圖 4），具備發育Ⅰ型干酪根的物質基礎[7]。

圖3 潘津布拉克塔姆其薩依組飽和烴色譜（深度290 m）

圖4 潘津布拉克塔姆其薩依組飽和烴色譜（深度740 m）

潘津布拉克剖面塔姆其薩依組含膏巖層之上地層的 24個樣品有機碳含量 0.47%～5.23%，平均1.63%，氯仿瀝青“A”含量0.003%～0.161%，平均0.046%，為中等豐度烴源巖；含膏巖層之下地層的18個樣品有機碳含量0.74%～6.87%，平均3.17%，氯仿瀝青“A”含量0.014%～0.210%，平均0.113%，為較好烴源巖（圖 5）。表明含膏巖層下伏地層生烴條件更好，具備較大的勘探潛力。

3.2 含膏巖層對油氣富集的影響

與泥質巖類、碳酸鹽巖類蓋層相比，蒸發巖的韌性更大，排替壓力更高，具有良好的封閉性能[8]。膏鹽巖隨著地層深度的增加彈性強度降低，韌性和塑性增加，而頁巖與砂巖則與之變化相反。前人研究發現，當膏鹽巖埋深在3 000 m左右、地層溫度約100 ℃時，膏鹽巖完全處于流變狀態，具有很強的韌性和塑性[9]，因此未破裂的膏鹽巖層在蓋層分級中屬于特級蓋層，封蓋能力較泥巖更強。

伊寧凹陷沉積主體區上覆蓋層厚度較大，中二疊統含膏巖層長期處于埋深大于3 000 m的狀態，具有整體塑性強，封蓋能力好的特點。潘津布拉克剖面含膏巖層下伏地層油苗豐富（圖 5），也表明含膏巖層對油氣具有較好的封蓋作用。綜合分析認為，含膏巖層下伏地層才是伊寧凹陷二疊系油氣勘探的重點層系。

4 結論

（1）伊寧凹陷中二疊世受火山活動影響，整體處于炎熱干旱氣候，蒸發量大于補給量，古水咸度較高，具備形成膏鹽巖的地質條件。

（2）伊寧凹陷中二疊世沉積環境在含膏巖層形成前后發生了較大變化，早期沉積的烴源巖具有浮游生物和藻類來源的特征，晚期具有陸生植物和水生植物混源的特征，含膏巖層下伏地層發育較好烴源巖。

（3）中二疊統發育一套厚約50 m的含膏巖層，區內含膏巖層長期處于較大埋深條件，塑性強，對油氣具有較好的封蓋作用，含膏巖層下伏地層是油氣生成、運聚、成藏的有利層系。

圖5 潘津布拉克剖面塔姆其薩依組有機地化綜合剖面