南襄盆地泌陽凹陷含堿建造成因及找礦思考

燕長海 馬振波 李肖龍 裴中朝 韓江偉 郭 波

(1.河南省地質調查院,河南 鄭州 450001;2.河南省金屬礦產成礦地質過程與資源利用重點實驗室,河南 鄭州 450001;3.河南省地質學會,河南 鄭州 450018)

南襄盆地地處河南南陽地區至湖北襄樊地區,面積1.7萬km2,為我國中部中新生代陸相含油氣斷坳復合型盆地。泌陽凹陷是盆地內五凸四陷之一的次級構造單元,不僅形成了河南油田的重要組成部分的雙河油田,而且還賦存有目前亞洲第一、世界第三大天然堿礦床——安棚天然堿礦床。

數十年來,地質科技工作者對泌陽凹陷地質構造特征[1-2]、沉積體系[3-5]、巖相古地理[6]、地層層序[7-9],泌陽凹陷含堿建造中的安棚天然堿礦床的地質特征、礦床成因、成礦規律[10-13]和泌陽凹陷含堿建造中的雙河油田核三段儲集層的沉積層序及微相特征[14-16]以及南襄盆地深部構造[17-20]等方面做了大量細致的工作,取得了豐碩的研究成果。但現有研究鮮有涉及形成堿礦所需要的大量Na和CO2或CO32-的來源,以及形成于兩種完全不同氣候環境條件的礦產資源——鹽(堿)礦和油氣的共生問題。

一般認為,含鹽(堿)沉積是在干旱—半干旱的氣候條件下鹵水濃縮的產物,石油與天然氣的形成環境是在溫暖潮濕的氣候條件下,為水下還原環境的產物。根據氣候條件,石油與天然氣和含鹽(堿)沉積似乎是截然不同的兩種環境。但是泌陽凹陷油頁巖為天然堿礦的直接頂底板,并與其組成多個韻律而共存,而且天然堿礦沉積在凹陷內油頁巖集中且含油率比較高的部位。這些事實表明,油頁巖的形成環境與鹽堿礦的形成環境有一定的關聯性。對于此種現象,秦偉軍等[21]和周珍奇等[22]認為鹽(堿)、油共生的古地理和古氣候條件是干旱—半干旱氣候條件、封閉的水盆地環境,油、堿共生的物質條件是凹陷周緣分布著的富鈉巖石經風化淋濾出的Na以及有機物質分解出的CO2。實際上,以往所有認識均是將這種天然堿礦作為“蒸發沉積礦床”對待的。但是,根據杜樂天先生的幔汁HACONS(H為氫、鹵素熱,A為堿金屬(主要為 Na、K)族,C為碳,O為氧,N為氮,S為硫族)輻射成礦說[23]和崔永強博士幔源油氣理論分析[24],本研究認為安棚堿礦(含油氣)可能是幔源流體成因。

1 南襄盆地形成的地質背景與含堿建造組分特征

南襄盆地是受NWW向及NNE向深斷裂構造控制的多斷陷及多斷凸的復合沉積區,該區橫跨華北和揚子板塊兩大地質構造單元,以丹鳳—內鄉—桐柏斷裂為界,盆地北部基底屬秦嶺褶皺帶,南部基底為揚子地臺(圖1)。它是從晚白堊世開始發育的中新生代斷陷沉積區。除了丹鳳—內鄉—桐柏斷裂外,區域性的朱陽關—夏館—大河斷裂、商南—鎮坪—松扒斷裂和新野斷裂等穿過盆地內部。南襄盆地3個凹陷的基底構造的活動性不同,泌陽凹陷位于比較活動的秦嶺褶皺帶上,南陽凹陷位于秦嶺褶皺帶與揚子地臺的接界地區,襄棗凹陷所在的基底是比較穩定的揚子地臺地區。因而導致了泌陽凹陷沉降的幅度和沉積巖厚度都最大,天然堿礦床規模也最大、質量最好,生油巖中的有機質豐度最高,所以含油氣最豐富,其次為南陽凹陷,襄棗凹陷較差。

圖1 南襄盆地大地構造位置及基底結構[25]Fig.1 Tectonic location and basement structure of Nanxiang Basin

從東秦嶺造山帶巖石圈熱結構狀態分布圖(圖2)上看[26],丹鳳—內鄉—桐柏斷裂熱結構具有地表高熱流值81.3 mW/m2、深部熱流值63.13 mW/m2、莫霍面溫度860℃、巖石圈厚度僅50 km和軟流圈上侵幅度在剖面上最大的特征,同時,它又是多期構造運動的活動帶,且現今仍有活動。從南襄盆地及周圍地區莫霍面等深圖(圖3)來看[25],在盆地下部存在著一個對應的地幔隆起區,其隆起幅度為2～3 km。王定一等[25]認為這是斷裂引起的盆地形成以后,地幔進行了均衡調整,補充了由于地殼減薄上升所留下的空間,形成了盆地與地幔隆起相對應的鏡象反映。深部地震、大地電磁測深等地球物理資料表明(圖4),南襄盆地中地殼厚且含低速、高導層,在此殼內高導層下方60～70 km深處又出現一很大的低阻塊體,這可能是地殼層之下存在有地幔軟流體的底劈作用的反映,其頂部在盆地中表現為突起狀[19-20,27]。

圖2 東秦嶺造山帶巖石圈熱結構狀態及地質分析[26]Fig.2 Thermal structure and geological analysis of lithosphere in East Qinling orogenic belt

圖3 南襄盆地及周圍地區莫霍面平面及A-A′剖面[25]Fig.3 Plan and A-A′profile of M oho in Nanxiang Basin and surrounding areas

圖4 南襄盆地及鄰域殼幔結構剖面(單位:m/s)[20]Fig.4 Profile of crust and mantle structure in Nanxiang Basin and adjacent regions

泌陽凹陷受NWW向唐河—栗園邊界斷裂和NE向栗園—泌陽邊界斷裂聯合控制,交匯在栗園以東。唐河—栗園斷裂是丹鳳—內鄉—桐柏斷裂帶的繼承性斷裂,具有深源性。該斷裂走向NWW,N傾,延伸長33 km,自西向東斷距逐漸變大,最大達8 000m以上,斷面傾角上陡下緩。栗園—泌陽斷裂為盆地東緣的邊界大斷裂,走向由南段的NNE向轉為NEE向,傾向NW,傾角上緩下陡,延伸31 km以上,該斷裂南段的斷距超過8 000m。唐河—栗園和栗園—泌陽兩斷裂可能是同沉積斷裂,聯合控制著泌陽凹陷的沉降中心,此處不僅是白云巖、深湖相的暗色泥巖(生油巖)最發育、天然堿礦最富集的部位,而且也是油氣資源最豐富的地區。現有研究認為,該凹陷的深凹區現今仍是生油和油氣運移的高峰期,同時還有新的油氣不斷注入[28]。

泌陽凹陷的含堿建造主要由古近系核桃園組的深灰、灰、灰綠色砂—泥巖、白云巖組成,為天然堿礦、芒硝、油頁巖、石油(氣)的主要賦礦層位。核桃園組自下而上可分為3個巖性段:核桃園組三段主要巖性為深灰色泥巖、白云質泥巖、泥質白云巖、頁巖及薄層粉細砂巖層。白云巖系中發育多層堿巖,有液體堿層的存在,是凹陷的主要生、儲油層段。核桃園組二段巖性主要為深灰、灰、褐灰色泥巖、白云質泥巖與泥質白云巖互層,夾淺灰色薄層粉砂巖、薄層堿和液體堿層。核桃園組一段主要巖性為灰—灰綠色泥巖、泥質粉砂巖夾泥質—粉砂質白云巖及灰綠色鈣質頁巖、劣質油頁巖,主要沉積在凹陷沉積中心。

含堿建造中發現大量的熱液礦物。安棚堿礦的礦石礦物除了重碳鈉鹽和少量天然堿、碳氫鈉石外,還有方沸石、碳鈉鈣石、硅硼鈉石、鈉沸石、石膏、菱鎂礦、磁黃鐵礦、黃鐵礦以及(泥質)白云巖中大量的鐵白云石[12,29]。這些熱液礦物中的特殊高溫鹽類礦物硅硼鈉石、碳鈉鈣石在現代蒸發鹽湖中涉及較少,但卻大量出現在南襄盆地泌陽凹陷的深湖沉積環境中,與傳統的蒸發成鹽理論相悖。本研究認為,可能是深部地幔流體上升過程中萃取易溶鹽類物質在深湖環境下的海底以熱鹵水形式噴發沉積而成。蘇奧[30]研究發現,南襄盆地泌陽凹陷雙河油田部分鉆井在核桃園組已鉆遇沉凝灰巖(火山碎屑含量為25%～75%),主要由玄武巖巖屑、玻屑和斜長石晶屑組成,并認為沉凝灰巖中的火成碎屑是核桃園組沉積期湖底基性噴溢物。同時,泌陽凹陷C2井核桃園組樣品的XRD數據也顯示,在高含量白云石發育的泥頁巖內有一定含量的方沸石,并認為沸石類礦物通常為深部熱液噴流以及玄武巖類礦物轉變形成。楊江海等[13]研究表明,泌陽凹陷古近紀含堿巖系中所有的堿礦樣品和白云質泥巖均顯示Eu的正異常,認為這是高溫熱液流體參與沉積的響應。

含堿建造中還發現大量的幔源物質。在安棚天然堿礦床核二段底部和核三段頂部的堿鹵層分別厚5 m和6 m,兩者相隔20 m,儲鹵層巖性為針孔及孔洞狀白云巖,鹵水中除了B2O3含量達到綜合利用指標外,Br、RbO含量也比較高[31]。在安棚天然堿礦床的礦石中不僅伴生的Li、K可進行工業提取,同時重金屬元素 Pb、Mn、Cu、Ni、Cr、Fe 含量均高于海水數十到上千倍[12]。楊江海等[13]測得安棚天然堿礦礦層中的大離子親石元素 Rb、Br、Sr、K,高場強元素 Zr、Ti和稀土元素La含量明顯高于(泥質)白云巖,且堿礦層和泥質白云巖中均顯示Eu正異常,并認為是高溫熱液流體參與沉積的響應。泌陽凹陷含堿建造中出現如此復雜的元素種類,且是高濃度地出現,完全不可能靠陸源巖石風化供給,只能是深部地幔來源。敬國超等[14]研究發現,Ⅰ～Ⅲ油組中見到黑云母蝕變為水黑云母,亦見黑云母碎片蝕變為碳酸鹽和含水黏土礦物的集合體;Ⅳ～Ⅸ油組中黑云母多已轉變為綠泥石,斜長石一般都發生水云母絹云母化,鉀長石多發生高嶺石化。蝕變后的長石孔隙發育。凝灰物質中的玻屑常蝕變為顯微鱗片狀綠泥石集晶或為細板條狀、纖維狀、針狀的沸石集晶。這些現象均是堿交代作用的結果。金蕓蕓等[32]在泌陽凹陷下二門地區油氣儲集層中測得4個天然氣樣品的化學成分中除了主要為CH4外,重要的是較高的乙烷C2H6,說明下二門地區的油氣應該是幔源的[33]。

2 泌陽凹陷含堿建造成因

泌陽凹陷含堿建造是一個完整的烴(油氣)堿(NaHCO3和Na2CO3等堿礦物)集合體,其中的部分物質可能來自凹陷周緣的高含鈉巖石風化的產物,極有可能大部分是來自于深部幔源烴堿流體,整個含堿建造包括白云巖、鹽(堿)、油氣(或油頁巖)是在一個統一的成礦系統中完成的。

對于南襄盆地的成因,目前還僅限于淺層次的地殼升降、走滑的力學分析[1,25]。現有研究認為,南襄盆地所在地區的秦嶺褶皺帶及其附近的NW向斷裂(如丹鳳—內鄉—桐柏斷裂)自晚古生代以來一直存在著左行平移運動,自新生代以來,NE向斷裂呈右行平移運動并切斷NW向斷裂,這種NW向斷裂和NE向斷裂聯合作用的結果是形成南襄斷陷盆地。由斷裂引起的盆地形成以后,地幔進行了均衡調整,補充了由于地殼減薄上升所留下的空間,形成了盆地下部的軟流圈地幔隆起。即南襄盆地和其下的軟流圈地幔隆起都是被動形成的。本研究根據前述資料,結合幔汁輻射成礦論綜合分析認為,南襄盆地的形成是以深部出現殼幔潰變(中地殼低速、高導層和軟流圈地幔隆起)為大前提,即南襄盆地是主動斷陷盆地。

地核中儲存有巨量的氫。內外地核的強大氫流在壓力差、溫度差、黏度差、質量差、密度差、濃度差[34]強大的驅動力下向上穿透下—中地幔時,會將大量分散的活性很大的陽離子萃取并攜帶向上,其中最重要的萃取組分是 Li、Na、K、Rb、Cs(呈氫化物形式),故稱此時的幔汁為氫型幔汁(H—HACONS)。當氫型幔汁繼續上穿到上地幔時,由于沿途萃取了大量堿金屬而演化成堿型幔汁(A—HACONS)或烴堿流體,對上地幔巖進行熔融、交代、富化、斷鍵,造成上地幔潰變,形成上地幔軟流圈[23,34-35]。隨著上地幔軟流圈的不斷上拱、側向擴張,造成上地幔剛性巖石圈的張性破裂,于是伸展、走滑構造發生,就形成了各式各樣的盆地,如南襄走滑斷陷構造盆地。

已有研究表明[24],烴堿流體在地幔中是非氣非液的超臨界態,賦存于上地幔巖石圈之下巨厚的上地幔軟流層中。隨著盆地的形成和演化,上地幔軟流層在重力均衡作用下將不斷向上隆起,其中蘊藏的烴堿流體將伴隨著軟流層上隆匯聚到軟流層隆起頂部。上地幔軟流層隆起上拱導致上覆巖石圈地幔出現張性破裂。匯聚于上地幔軟流層隆起頂部的烴堿流體將沿著這些張性破裂進入中地殼,并通過上地殼斷裂進入沉積盆地和沉積層。地幔烴堿流體進入上地殼時,由于溫度和壓力下降,其相態將由超臨界流體爆炸相變為高含烴、堿的熱液。在地幔烴堿流體上升的過程中,其中堿質組分(Li、Na、K、Rb、Cs)將不斷與圍巖發生堿交代作用,萃取圍巖中的礦質并攜帶到地表分異并形成各類金屬非金屬礦床。其中烴類組分將沿途進入圈閉形成油氣藏,剩余部分將繼續上升進入盆地水體和大氣。由于南襄盆地周邊沒有海水供給,沉積層本身也不發育堿源,僅憑盆地周邊含鈉基巖的風化提供是遠遠不夠的。因此,本研究認為泌陽凹陷含堿建造中的堿質成分(鈉)的主要來源應該是盆地深部。隨著地幔烴堿流體源源不斷地上升,其中烴類組分將源源不斷地向儲層和已發現的油氣藏供給。泌陽凹陷含堿建造中普遍發育有黑云母的綠泥石化、斜長石的水云母絹云母化和鉀長石的高嶺石化,如此強烈的堿交代作用,沒有巨量的堿質供應是無法實現的。這是地幔烴堿流體進入盆地沉積的巖石學證據。含油砂巖中有大量的自生石英,就是堿交代作用過程中排硅的結果。

3 南襄盆地深邊部找礦和研究方向

通過上述分析,形成NaHCO3和Na2CO3等堿礦物所需要的Na和CO2主要來自幔源烴堿流體或幔汁,整個含堿建造包括白云巖、鹽(堿)、油氣(或油頁巖)是在一個統一的成礦系統中完成的。但是,南襄盆地泌陽凹陷油氣的潛力如何?盆地基底巖石中有沒有天然油(氣)藏?根據相關統計資料,全球已超過30個盆地在基底的變質巖或火山巖中發現了基巖油氣,全球基巖油氣藏的石油儲量為248×108t,天然氣儲量達到2 681×108m3。例如我國的渤海盆地和松遼盆地深部以及越南的白虎油氣田(儲存在花崗巖內)等。結合區內深部地質構造特征和凹陷內的深凹陷區目前仍有新的油氣注入等新信息的綜合分析,并根據幔源油氣理論判斷,本研究認為南襄盆地深部可能會有基巖油氣藏!程學峰[36]在泌陽凹陷東南緣地面露頭開展的油氣苗調查和對部分鉆井(泌53、泌150、泌151等)的詳細觀測結果支持了上述認識,在桐柏縣新集鄉劉碾村、小南莊和南莊均在蔡家凹組大理巖內發現了油氣苗,在灣溝—桐樹莊和栗園水庫一帶0.16 km2范圍內廖莊組下部砂礫巖中發現大量的瀝青,還在泌53、泌150、泌151等鉆井內蔡家凹大理巖層發現有油氣顯示。

我國東部—西太平洋是一個巖石圈地幔撕裂的地區。軟流圈從撕裂的口子向上涌出,形成一個蘑菇云構造,這個蘑菇云構造分布范圍與已發現油氣田的空間關系如圖5所示。上升的軟流圈是低速體[37],軟流圈是生成油氣之本源(深源),殼內低速高導層是中間站(中源),沉積盆地內是生油、儲油的終點(淺源),深、中、淺(源)依靠區域性深大斷裂貫通。位于Ⅱ號蘑菇云柄南端的南襄盆地內的河南油田僅打至第三系以上地層,有些保守,基底很值得一探[38]。進一步說明,加大對盆地深部基巖中的油氣探測力度,會有新的重大突破。

圖5 華北巖石圈蘑菇云構造的蘑菇云柄形態與油氣田分布[37]Fig.5 Distribution of stems of lithospheric mushroom cloud with the distribution of oil fields in North China

位于南襄盆地泌陽凹陷與吳城盆地之間的桐柏山是河南省重要的金多金屬礦集區,分布著多個大、中、小型金、銀、銅多金屬礦床,在其中的多個礦床流體包裹體中發現幔源流體成分,如老灣金礦床的上上河礦段石英流體包裹體不僅在液相組分中發現K+、Na+、Mg2+、F-、Cl-,還在氣相組分中發現 CO2、CO、CH4、N2等[39];在銀洞坡金礦床石英流體包裹體氣相組分中測得少量的 N2、CH4、H2S、C2H6、Ar、CO、CO2和H2等幔源物質[40-41];在銀洞嶺銀多金屬礦床不同成礦階段的礦石和頂底板圍巖的石英流體包裹體中均測得 CH4、C2H6、Ar、H2S 和 CO2等地幔物質[42];在桐柏礦集區的劉山巖銅礦和寶石崖鐵銅礦點的石英流體包裹體中測得 CH4、CO、CO2、H2等地幔物質[43]。

綜上所述,南襄盆地泌陽凹陷的天然堿礦、石油天然氣可能是幔源烴堿流體成礦作用的結果,桐柏礦集區的金屬礦床均發現大量的幔源物質,那么,它們之間在成因上有沒有聯系呢?是否是一個成礦系統?這將是未來非常值得深入研究的重大科學問題。

4 結 論

(1)南襄盆地泌陽凹陷油氣是幔源烴堿流體沿蘑菇云構造的“柄——軟流圈地幔隆起”和“云——中地殼低速高導層”,借助區域性深大斷裂(丹鳳—內鄉—桐柏斷裂、朱陽關—夏館—大河斷裂、商南—鎮坪—松扒斷裂等)向上運移進入盆地形成的。盆地深部存在基巖氣藏的可能性很大,依據有:① 盆地深部有與賦存地幔烴堿流體的軟流圈地幔溝通的深大斷裂構造;②盆地周邊地表或鉆井中的基巖內發現大量的油氣苗和瀝青。建議加強盆地深部構造研究,以期有所突破。

(2)泌陽凹陷含堿建造中發現大量的幔源物質和熱液礦物以及廣泛的堿交代作用現象,其中大部分(油氣、鈉(Na)和二氧化碳(CO2))成礦物質極有可能是來自于深部幔源烴堿流體,整個含堿建造包括白云巖、鹽(堿)、油氣(或油頁巖)是在一個統一的成礦系統中完成的。

(3)泌陽凹陷含堿建造中的油氣、鹽堿礦可能與桐柏金多金屬礦集區的金屬礦產構成一個完整的幔源流體成礦系統。