江陵凹陷新溝嘴組下段沉積環(huán)境與沉積特征

黃華,彭偉，杜學(xué)斌

(中石化江漢油田分公司勘探開發(fā)研究院，湖北 武漢 430223)(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)海洋學(xué)院，湖北 武漢 430074)

江漢盆地是發(fā)育在中揚(yáng)子為基底的白堊紀(jì)-新近紀(jì)斷陷盆地，古近紀(jì)沉積了2套成油、成鹽地層，(沙市組-新溝嘴組和潛江組)[1～3]。伴隨著區(qū)內(nèi)油氣和鹽鹵礦產(chǎn)的勘探開發(fā)，逐步認(rèn)識(shí)到2套鹽湖沉積在時(shí)空分布上具有明顯差異。第1期(古新世-早始新世沙市期-新溝嘴期)鹽湖沉積在盆地中西部，以江陵凹陷為典型代表；第2期(晚始新世潛江期)鹽湖沉積在盆地中東部，以潛江凹陷為典型代表。前人在基于構(gòu)造和古環(huán)境研究基礎(chǔ)上，對(duì)潛江凹陷潛江組和江陵凹陷沙市組沉積特征做了大量細(xì)致的研究工作[4～10]，取得了豐碩成果。由于新溝嘴組處于第1期鹽湖末期，古氣候頻繁變化，沉積環(huán)境復(fù)雜，因此涉及到古環(huán)境的沉積特征研究相對(duì)較少。

筆者在對(duì)江陵凹陷新溝嘴組下段古湖盆沉積范圍、古地貌恢復(fù)的基礎(chǔ)上，開展古水深恢復(fù)，通過巖心觀察、地球化學(xué)元素含量及比值、碳氧同位素等來(lái)定性和(半)定量表征沉積古環(huán)境(包括沉積古水深、古氣候、古鹽度和湖盆封閉性等)。在上述沉積背景研究的基礎(chǔ)上，開展沉積特征研究，指導(dǎo)江陵凹陷下一步的油氣勘探。

1 地質(zhì)概況

江陵凹陷位于江漢盆地西南部，面積約7500km2，是江漢盆地中最大的次級(jí)凹陷(見圖1)。江陵凹陷北部的河溶和荊門凹陷新溝嘴組大部分被剝蝕，因此其分界線并不明確；西以問安寺斷層與枝江凹陷為界，東以丫角-新溝低凸起與潛江凹陷為界，南以洞庭凹陷為鄰，東南以剝蝕線與陳沱口為界。

圖1 江陵凹陷區(qū)域構(gòu)造位置

圖2 江陵凹陷地層綜合柱狀圖

江陵凹陷古近系下始新統(tǒng)新溝嘴組分為2段(見圖2)，上段以“紅層”為主，主要沉積物為厚層紫色、紫紅色泥巖夾薄層砂巖，厚度200～300m，為典型淺水氧化湖泊沉積。由于新溝嘴組上段無(wú)生油能力，且砂巖缺乏，僅在荊州背斜帶八嶺山、花園、復(fù)興場(chǎng)、沙市等局部地區(qū)下部發(fā)現(xiàn)少量油藏[11]，作為主力油藏新溝嘴組下段的區(qū)域蓋層。新溝嘴組下段是江陵凹陷主要的勘探層系，厚度250～845m，根據(jù)地層對(duì)比自上而下又可以劃分為3個(gè)油組和1個(gè)泥巖隔層。Ⅰ油組厚度約50～250m，以棕色泥巖、灰色膏巖、泥膏巖和灰色砂巖不等厚互層沉積為主，頂部有一套8～10m的膏巖層作為全區(qū)的標(biāo)志層；

Ⅱ油組厚度約100～400m，以灰色泥巖、泥膏巖、砂巖沉積為主，在洼陷周緣還沉積有數(shù)層2～5m的鹽巖，為江陵凹陷的主要生油層段；泥巖隔層厚度約20～45m，上部為紫紅色泥巖，下部為紫紅色泥巖和灰色泥巖不等厚互層，泥巖隔層在4m電阻率曲線上呈現(xiàn)一個(gè)“倒鉤”，可以作為全區(qū)的標(biāo)志層；Ⅲ油組厚度約80～150m，以灰色、棕紫色泥巖、泥膏巖、鹽層沉積為主，在頂部有一套3～5m砂體廣泛分布，底部在洼陷中有2套厚度超過10m的鹽膏巖層。

2 沉積古地貌特征

從東西向宜-洪剖面和南北向605剖面(見圖3)可以看出，江陵凹陷新溝嘴組下段分布穩(wěn)定，地層厚度變化小，同沉積斷層整體不發(fā)育，僅見問安寺、萬(wàn)城、天鵝洲、資北斷層控制的江口、梅槐橋、虎渡河、資福寺等次級(jí)洼陷，同沉積斷層前緣未見明顯的楔狀加厚，表現(xiàn)出斷拗特征。上述特征都說明新溝嘴組下段沉積時(shí)期，江陵凹陷為拗陷沉降，因此整個(gè)湖盆為拗陷型湖盆。

圖3 江陵凹陷東西向宜-洪剖面和南北向605剖面地震地質(zhì)解釋

根據(jù)南北向605剖面新溝嘴組下段厚度趨勢(shì)恢復(fù)(見圖3)可以發(fā)現(xiàn)，公安斜坡帶南緣新溝嘴組向南延伸較遠(yuǎn)，江陵凹陷南部在新溝嘴組沉積時(shí)期與洞庭盆地連為一體。江陵凹陷現(xiàn)在的北部邊界紀(jì)山寺斷層并不控制白堊系、沙市組和新溝嘴組的沉積，是新溝嘴組沉積后再活動(dòng)的斷層(推測(cè)為荊沙期斷層)，因此在該時(shí)期江陵凹陷與北部的河溶凹陷是一體的。綜上所述，江陵凹陷在新溝嘴組沉積時(shí)期，北部與河溶凹陷相通，南部與洞庭盆地連為一體，現(xiàn)今凹陷為殘凹，古江陵凹陷沉積范圍較現(xiàn)今范圍大，表現(xiàn)為廣盆的特征。通過去壓實(shí)校正進(jìn)行古地貌恢復(fù)(見圖4)，江陵凹陷新溝嘴組下段整體為一個(gè)碟狀盆地，沉積中心位于凹陷中部，凹陷坡度平坦，平均坡度僅0.58°，呈現(xiàn)出“平底鍋”式緩坡沉積特征。

3 沉積環(huán)境

沉積環(huán)境對(duì)沉積巖和沉積礦床具有重要的影響和控制作用，但是古沉積環(huán)境的表征卻十分困難，主要依靠古生物、沉積礦物、地球化學(xué)元素等定性或(半)定量恢復(fù)[12]。筆者主要利用江陵凹陷4口系統(tǒng)取心井的180m巖心資料，通過沉積礦物觀察，泥巖中Mn、Fe、Al、Ca、Mg、Rb、Sr等元素測(cè)試和δ13C、δ18O等同位素，來(lái)恢復(fù)新溝嘴組沉積環(huán)境。

圖4 江陵凹陷新溝嘴組下段古地貌

3.1 古水深

大量江陵凹陷鉆井揭示，新溝嘴組下段紅色泥巖占比高，平均厚度占泥巖總厚度的70%。從H2井取心資料可看到泥裂、生物擾動(dòng)構(gòu)造、碳屑等大量淺水沉積特征(見圖5)，均證實(shí)江陵凹陷為淺水沉積環(huán)境。同時(shí)巖心顏色變化頻繁，也說明水體震蕩劇烈。

圖5 江陵凹陷巖心照片

目前，對(duì)于古水深定量恢復(fù)的技術(shù)較多[13,14]，筆者利用測(cè)井資料計(jì)算相對(duì)古水深，利用有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)確定最大古水深，再將相對(duì)古水深轉(zhuǎn)換為絕對(duì)古水深。通過對(duì)單井古水深的恢復(fù)，發(fā)現(xiàn)恢復(fù)的古水深與巖性顏色對(duì)應(yīng)性好，符合區(qū)域沉積特征。在單井古水深恢復(fù)的基礎(chǔ)上，編制了Ⅰ油組、Ⅱ油組、泥巖隔層和Ⅲ油組的平面古水深分布(見圖6)。從各油組最大古水深看，呈現(xiàn)出2個(gè)水深→水淺過程，即從Ⅲ油組最大古水深為16m逐步變淺為泥巖隔層的8m，從Ⅱ油組最大古水深28m逐步變淺為Ⅰ油組12m，整體表現(xiàn)為水淺湖平的特征。

圖6 江陵凹陷各油組古水深平面分布圖

目前，主要利用黏土中地球化學(xué)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(Fe/Mn)和w(Fe+Al)/w(Ca+Mg)來(lái)表征古水深[6、8]，但更多的是表征相對(duì)水深，并非絕對(duì)湖水深度。一般情況下，w(Fe/Mn)大于100，水體就屬于淺湖，w(Fe/Mn)為100～60屬于半深湖，w(Fe/Mn)小于60屬于深湖環(huán)境[8]。通過分析，江陵凹陷新溝嘴組下段泥巖段w(Fe/Mn)最大為284.14，最小為4.36，平均為73.33(見表1)，表明新溝嘴組下段沉積時(shí)期，古水深整體屬于半深湖。從層位上看(見圖7)，Ⅲ油組～Ⅱ油組中下部w(Fe/Mn)小，相對(duì)水深大，屬于半深湖；Ⅱ油組頂部～Ⅰ油組w(Fe/Mn)大，相對(duì)水深淺，屬于淺湖。新溝嘴組下段整體水深下部較上部深，是一個(gè)水退過程，最大水深出現(xiàn)在Ⅱ油組中下部，與區(qū)域上認(rèn)識(shí)的烴源巖發(fā)育部位相符。

w(Fe+Al)/w(Ca+Mg)大于1屬于淺湖， 1～0.5屬于半深湖，小于0.5屬于深湖沉積[8]。江陵凹陷新溝嘴組下段w(Fe+Al)/w(Ca+Mg)最大值為7.92，最小值為0.05，平均值為1.66(見表1)，表明新溝嘴組下段平均水深較淺，屬于淺湖。縱向?qū)游簧?，也與w(Fe/Mn)判識(shí)的水深趨勢(shì)一致，即Ⅲ油組～Ⅱ油組中下部相對(duì)水深大，Ⅱ油組頂部～Ⅰ油組相對(duì)水深小，整體水深下部較上部深(見圖7)。w(Fe/Mn)和w(Fe+Al)/w(Ca+Mg)得出的新溝嘴組水深趨勢(shì)完全一致，但在是淺水還是半深水上存在差異。綜合認(rèn)為，新溝嘴組沉積時(shí)期為淺湖沉積，局部時(shí)期(Ⅱ油組中下部沉積時(shí)期)可達(dá)到半深湖沉積，新溝嘴組下部(Ⅲ油組～Ⅱ油組中下部)較上部(Ⅱ油組頂部～Ⅰ油組)沉積古水深大。

表1 江陵凹陷新溝嘴組下段古環(huán)境表征參數(shù)表

注：以上數(shù)值均為各元素、化合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比。括號(hào)內(nèi)為樣品數(shù)。

3.2 古氣候

由于古氣候的差異性，湖盆會(huì)沉積一些與氣候相對(duì)應(yīng)的特殊類指相礦物。鄭綿平等[15]把對(duì)氣溫敏感的鹽類礦物劃分為3種類型：①冷相鹽類礦物，以穩(wěn)定或不穩(wěn)定芒硝層沉積為特征；②暖相鹽類礦物，以穩(wěn)定的鈣芒硝層或無(wú)水芒硝層為特征;③廣溫相鹽類礦物，以廣溫性石鹽、鉀石鹽或天然堿的沉積層等為特征[8]。新溝嘴組下段沉積礦物中，有穩(wěn)定鈣芒硝層和鹽層沉積(見圖5)，反映了溫暖干旱的氣候特征。同時(shí)，由于新溝嘴組下段局部地區(qū)和層段沉積有蒸發(fā)鹽層，表明部分時(shí)期氣候炎熱干旱，即湖盆蒸發(fā)量要大于注入量。

利用w(MgO/CaO)來(lái)表征古氣候的溫暖與寒冷，比值大表明古氣候相對(duì)溫暖；反之，則表明古氣候相對(duì)寒冷[16]。江陵凹陷新溝嘴組下段w(MgO/CaO)最大值為1.19，最小值為0.03，平均值為0.22(見表1)，表明縱向上Ⅲ油組～Ⅱ油組中下部古氣候偏冷，Ⅱ油組頂部～Ⅰ油組則為溫暖(炎熱)氣候(見圖7)。

利用w(Rb/Sr)來(lái)表征古氣候的干旱與潮濕，比值大表明古氣候相對(duì)干旱；反之，則表明相對(duì)潮濕。江陵凹陷新溝嘴組下段w(Rb/Sr)最大值為1.625，最小值為0.002，平均值為0.497(表1)，表明縱向上Ⅲ油組～Ⅱ油組中下部古氣候潮濕，Ⅱ油組頂部～Ⅰ油組則為干旱氣候(見圖7)。

綜上所述，新溝嘴組下段總體以干熱氣候?yàn)橹鳌？v向上，下部(Ⅲ油組～Ⅱ油組中下部)偏濕冷，上部(Ⅱ油組頂部～Ⅰ油組)則更為干熱，呈現(xiàn)出一個(gè)大的旋回變化。

3.3 古鹽度

沉積時(shí)期湖盆水體古鹽度是鹽湖最為直接的標(biāo)志。當(dāng)有鹽層(鹽層主要成分為NaCl)沉積時(shí)，古鹽度約為30%，因此只要見到鹽層就表明湖盆沉積時(shí)期出現(xiàn)過高鹽度的鹵水。江陵凹陷新溝嘴組局部地區(qū)Ⅲ油組底部和Ⅱ油組底部均有鹽層出現(xiàn)，鹽層厚度2～10m(見圖5)。筆者該次主要利用w(MgO/Al2O3)×100和w(Sr/Ba)來(lái)表征古湖盆的鹽度[17,18]。

w(MgO/Al2O3)×100大于10為咸水，1～10為半咸水，小于1為淡水。江陵凹陷新溝嘴組下段w(MgO/Al2O3)×100最大值為288.21，最小值為6.22，平均值為30.14(見表1)，表明其整體為咸化湖盆，但縱向上分異明顯(見圖7)，即Ⅲ油組為咸化湖盆，泥巖隔層為半咸化湖盆，Ⅱ油組又為咸化湖盆，Ⅰ油組又為半咸化湖盆，自下而上呈現(xiàn)周期性的咸淡變化。

w(Sr/Ba)常作為判定鹽度標(biāo)志，大于1為咸水湖盆，1～0.6為半咸水環(huán)境，小于0.6為淡水沉積環(huán)境。江陵凹陷新溝嘴組下段w(Sr/Ba)最大值為10.11，最小值為0.09，平均值為0.68(見表1)，表明新溝嘴組下段整體為半咸化湖盆，與w(MgO/Al2O3)判斷的湖盆鹽度略有差異，但是從縱向分布趨勢(shì)(見圖7)上看具有一致性，也呈現(xiàn)出周期性的咸淡變化。綜上所述，新溝嘴組下段整體為咸化湖盆，經(jīng)歷了周期性的咸淡變化。

圖7 江陵凹陷新溝嘴組下段古環(huán)境綜合柱狀圖

3.4 封閉性

圖8 江陵凹陷各層位碳氧同位素相關(guān)性圖

湖泊封閉性可以利用沉積物的穩(wěn)定同位素來(lái)判定[9]，筆者利用泥巖δ13C和δ18O來(lái)判定。δ13C和δ18O之間相關(guān)性與水體滯留時(shí)間有關(guān)，正相關(guān)性越強(qiáng)，則湖泊封閉性越強(qiáng)，相關(guān)性差或呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)則表明湖泊封閉性越弱。

通過對(duì)新溝嘴組下段Ⅰ油組、Ⅱ油組、Ⅲ油組、沙市組35個(gè)樣品的δ13C和δ18O檢測(cè)，做出相關(guān)性分析圖(見圖8)。由圖8可知，沙市組、Ⅲ油組和Ⅱ油組δ13C和δ18O均呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性，而Ⅰ油組則呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性，表明沙市組、Ⅲ油組和Ⅱ油組為封閉性湖泊，Ⅰ油組為開放性湖泊。故新溝嘴組下段湖泊自下向上逐步由封閉向開放過渡。

4 沉積特征

江陵凹陷具備“盆廣坡緩古地形，動(dòng)蕩較淺古水深，頻繁多變湖平面，咸淡交替古介質(zhì)，相對(duì)封閉古湖盆”的沉積環(huán)境，決定了江陵凹陷獨(dú)特的沉積特征。

江陵凹陷新溝嘴組沉積時(shí)期以北部物源為主[19]，廣盆的特點(diǎn)決定了現(xiàn)今殘存的江陵凹陷北部主物源入口距物源區(qū)距離較遠(yuǎn)(見圖9)。目前，江陵凹陷北部區(qū)域仍為三角洲前緣，三角洲平原還在北部河溶凹陷中，從而形成了遠(yuǎn)源匯聚體系，因此江陵凹陷中砂巖較細(xì)，以中、細(xì)粒砂巖及粉砂巖為主，未見礫巖、粗砂巖。

淺水的特點(diǎn)決定了凹陷中砂體推進(jìn)較遠(yuǎn)，北部三角洲砂體進(jìn)入湖盆后，形成淺水三角洲沉積。通過統(tǒng)計(jì)，北部河道砂體向南部推進(jìn)了20～30km，北部物源區(qū)在南部沉積的灘壩砂體的推進(jìn)距離達(dá)到50km(見圖9)。

圖9 江陵凹陷新溝嘴組下段沉積相圖

緩坡沉積背景和動(dòng)蕩多變湖平面及咸淡交替的古水介質(zhì)決定了凹陷中砂體沉積類型多樣(見圖9)。北部砂體進(jìn)入凹陷形成淺水三角洲，在緩坡沉積背景下，三角洲前緣河道發(fā)育，入湖較遠(yuǎn)，河口壩欠發(fā)育。延伸較遠(yuǎn)的河道砂體與同沉積斷層斜交或垂交后，形成凹陷內(nèi)次級(jí)坡折砂體(坡折扇)。在動(dòng)蕩湖平面下，濱淺湖帶十分寬廣，對(duì)三角洲前緣砂體又進(jìn)行了大規(guī)模的改造，形成了大量的灘壩沉積，如荊州背斜帶南緣；同時(shí)在咸淡交替的古水介質(zhì)條件下，砂體攜帶能力增強(qiáng)，灘壩砂體可以在遠(yuǎn)離物源地區(qū)大規(guī)模沉積[19]，如江陵凹陷公安斜坡帶。

相對(duì)封閉古湖盆則有利于烴源巖形成。在Ⅲ油組～Ⅱ油組中下部的相對(duì)水深期，洼陷中部沉積了烴源巖，該時(shí)期古湖盆較為封閉，沉積了大量鹽層，快速將烴源巖覆蓋，在淺水-半深水環(huán)境中得以保存，為油氣形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

1)江陵凹陷新溝嘴組下段沉積具有廣盆平緩古地貌特征，古江陵凹陷較現(xiàn)今殘凹的南部和北部面積更大。

2)江陵凹陷新溝嘴組古水深相對(duì)較淺，古氣候以干旱炎熱為主，水體總體為封閉性，縱向上自下而上沉積環(huán)境呈現(xiàn)旋回性和周期性。

3)在沉積環(huán)境控制下，江陵凹陷為遠(yuǎn)源淺水三角洲-湖相沉積體系，砂體類型多樣，形成了“滿凹含砂”的沉積特點(diǎn)。