沉积学报  2015, Vol. 33 Issue (2): 242-253

扩展功能

文章信息

王伟锋, 张美
WANG WeiFeng, ZHANG Mei
洪泽凹陷赵集次凹阜宁组四段盐岩深水再沉积成因探讨
Study on Deep Water Resedimented Origin of Saline Sediments of E1f4 in Zhaoji Sag, Hongze Depression, Northern Jiangsu Basin
沉积学报, 2015, 33(2): 242-253
ACTA SEDIMENTOLOGICA SINCA, 2015, 33(2): 242-253
10.14027/j.cnki.cjxb.2015.02.004

文章历史

收稿日期:2013-12-20
收修改稿日期:2014-05-19
洪泽凹陷赵集次凹阜宁组四段盐岩深水再沉积成因探讨
王伟锋1, 张美1,2    
1. 中国石油大学(华东)地球科学与技术学院 山东青岛 266580;
2. 中国石化胜利油田分公司纯梁采油厂 山东滨州 256600
摘要:为了查明洪泽凹陷赵集次凹阜四段盐岩成因,利用录井、测井、古生物和地球化学资料,对苏北盆地洪泽凹陷赵集次凹古新统阜宁组四段(E1f4)的盐岩沉积特征进行了分析,发现阜四段含盐系地层主要发育石盐岩,硫酸盐岩次之,还有少量碳酸盐岩。石盐岩单层厚度大,纯度高,横向分布稳定。对比研究认为赵集次凹E1f4盐岩应为淮安凸起上白垩统浦口组(K2p)盐岩经溶解搬运至洪泽凹陷赵集次凹深水湖盆中,使盐度过饱和后再沉积成因。赵集次凹E1f4比淮安凸起K2p石盐岩矿层纯度高;盐岩洁净、盐间夹灰—深灰色泥岩,未见浅水蒸发构造;生物化石以陆相介形类为主,淡水滨浅湖的腹足类和轮藻化石稀少,在E1f4地层中存在仅见于K2p地层中的Cicat ricosisporites pseudoanrifer化石以及WelwitschiapitesningensisCicatricosisporites pseudoaurifer等;两地盐岩的卤水类型均为硫酸盐—氯化物型,而赵集次凹E1f4盐岩重金属元素含量较低。赵集次凹阜四段存在两个主要成盐期:上盐亚段与下盐亚段,对比研究发现二者的盐岩类型、特征及成盐序列有较大差异,尝试根据盐类物质供给的成分和速率的不同建立了相应的成盐模式:下盐亚段为深水近源快速补给"石盐岩—无水芒硝岩—石盐岩再沉积"成盐模式;上盐亚段为深水近源缓慢补给"钙芒硝岩—石盐岩再沉积"成盐模式。
关键词赵集次凹     阜宁组四段     石盐岩     无水芒硝岩     钙芒硝岩     成盐模式    
Effect of Compaction Methods on Performance of ATB-30 Asphalt Mixture
WANG WeiFeng1, ZHANG Mei1,2     
1. Faculty of Earth Sciences and Technology, China University of Petroleum, Qingdao, Shandong 266580;
2. Chunliang Oil Poduction Plant, Shengli Oilfield Branch Company, SINOPEC, Binzhou, Shandong 256600
Abstract:The saline sediments' characteristics of member 4 of Funing Formation of Paleogene (E1f4) in Zhaoji sag of Hongze depression, North Jiangsu Basin were studied by means of mud logging, well logging, paleontological and geochemical data, in order to find out the origin of saline sediments of E1f4 in Zhaoji sag, Hongze depression. It's found that the E1f4 saline formation mainly develops halilyte, sulfate rock, and a small amount of carbonate rock, and saline mineral layers are relatively thick, pure and distribute steadily on the lateral direction. Through comparisons, it's proposed that much saline substance of Pukou Formation of Late Cretaceous (K2p) in Huaian Uplift was dissolved and transported into the deep water of Zhaoji Sag, and then made the saline substance reach saturation, finally resedimented to form the saline formation of E1f4. Compared with the saline sediments of K2p in Huaian Uplift, salt rocks of E1f4 in Zhaoji Sag are much purer and cleaner, and inter-salt rocks are mainly gray-dark or gray mudstone, and moreover, shallow water evaporation structures have not been discovered; ostracoda fossil is dominated among the aquatic fossil, but gastropod and charophyta fossils living in shallow water are poor, furthermore, the Cicat ricosisporites pseudoanrifer, Welwitschiapitesningensis and Cicatricosisporites pseudoaurifer fossils only existing in the K2p Formation show in the E1f Formation; the type of brine of the two places is sulphate-chloride type, but the content of heavy metal elements of E1f4 in Zhaoji sag is much less than that of K2p in Huaian Uplift. The salt-forming period of E1f4 in Zhaoji sag can be divided into two stages: the Upper Salt Bed Sub-member and the Lower Salt Bed Sub-member. Through comparative study on the Upper Salt Bed Sub-member and the Lower Salt Bed Sub-member, it is found that there is a big difference on the types and characteristics of the saline sediment and sedimentary sequences, therefore, the salt-forming models could be tried to establish according to the differences in the rate and composition of salt supplies. The salt-forming model of the Upper Salt Bed Sub-member is "the resedimented model :Halite-Thenardite-Halite" in the saline substance supplied quickly, near source and deep water sedimentary environment; and the Lower Salt Bed Sub-member is "the resedimented model: Glauberite-Halite" in the saline substance supplied slowly, near source and deep water sedimentary environment.
Key words: Zhaoji sag     member 4 of Funing Formation     halite     thenardite     glauberite     salt-forming models    
0 引言

19世纪提出的浅水浅盆成盐即传统认识上的湖水蒸发浓缩成盐—“沙洲说”与“沙漠说”,为海相和陆相盐类成因研究奠定了理论基础[1]。20世纪及21世纪,成盐理论快速发展,相继出现了“风成说”,Branson的“分离盆地假说”,Schmalz[2],Last[3],Manzi[4]的“深水深盆成盐理论”,Hardie,Eugster[5],Babel[6]的“萨布哈成盐”,Hsu[7]的“干化深盆说”,袁见齐等[8]、张彭熹[9]的“高山深盆,振荡干化,分离盆地同步分异”,郑绵平[10]的“多级盐湖成盐模式”,李凌、谭秀成[11]的“潮上萨布哈和水下浓缩沉淀型”等。对比苏北盆地洪泽凹陷赵集次凹阜宁组四段盐岩成盐序列、成盐类型和成盐环境等特征,发现这些模式均不能很好地解释其成因。

舒福明[12]等对赵集次凹阜四段盐岩成因进行了研究,认为阜四段盐岩是由地表岩石风化淋滤、海侵残留水和深层卤水等多个盐源供给下,在干旱的气候条件下,湖水经蒸发、浓缩、沉淀形成。但是陆源论证不充分,海源、深层卤水证据有较大争议,且盐岩浅水蒸发浓缩成因与赵集次凹阜四段(E1f4)盐岩成盐环境、沉积特征有较大矛盾。

综上所述,本文利用录井、测井、古生物和地球化学分析等资料,在前人研究的基础之上,对赵集次凹阜四段盐岩沉积环境和盐源进行深入研究,提出阜四段盐岩不是传统的浅水蒸发浓缩形成,而是在深水还原环境下,由邻近的淮安凸起上白垩统浦口组巨厚盐岩溶解提供盐源,盐类物质浓度持续达到过饱和结晶再沉积形成。

1 区域地质概况

赵集次凹位于苏北盆地洪泽凹陷的西北部,北临鲁苏隆起,南接建湖隆起,西与管镇次凹隔湖相望,东与淮安凸起相连(图 1a,b)。在燕山运动末—喜山运动时期持续下降接受了中、新生界沉积,是一个南断北超、南厚北薄的箕状断陷。赵集次凹可分为三个次一级的构造单元,自南东向北西分别为断阶带、深凹带和斜坡带(图 1d)。勘探表明,该凹陷地层主要由上白垩统和古近系构成,区内钻井揭露上白垩统泰州组、古新统阜宁组、始新统戴南组和三垛组,含盐系地层主要发育在古新统阜宁组四段[13]

图 1 a.苏北盆地构造区划图;b.赵集次凹构造位置图;c.洪泽凹陷NE—SW向剖面图;d.赵集次凹NW—SE向剖面图(据舒福明,2004) Fig. 1 a.Tectonic division of North Jiangsu Basin; b.tectonic location of Zhaoji sag; c.NE-SW-trending section of Hongze Depression; d.NW-SE-trending section of Zhaoji sag (after Shu,2004)

根据前人研究和区域地质资料分析,赵集次凹北部的鲁苏隆起和南部的建湖隆起为长期剥蚀区,只有东部的淮安凸起在早白垩世时期沉积了千余米巨厚的盐类地层[12, 14]。研究认为正是这套盐岩的再溶解为赵集次凹阜四段700 m厚的盐岩沉积提供了物质来源。 2 阜宁组四段盐岩沉积特征

赵集次凹古新统阜宁组四段主要发育石盐岩、无水芒硝岩、钙芒硝岩、硬石膏岩、方解石和白云石等(表 1),盐间岩石主要为泥岩、灰质泥岩、钙芒硝质泥岩和膏泥岩。在这些盐岩中,石盐岩分布最广泛,构成石盐矿层;其次是硫酸盐岩,其中无水芒硝岩分布较为集中,主要赋存于下盐亚段中上部,构成无水芒硝矿层;钙芒硝主要以条带状、团块状分布在上盐亚段;硬石膏岩主要分布在含盐系的顶、底部;碳酸盐岩主要分布在含盐系中部,构成矿层的顶底板剖面上,盐岩集中分布在阜四段的下盐亚段和上盐亚段,埋深在1 544~2 068 m以下。下盐亚段主要发育灰色的石盐岩和棕色的无水芒硝岩(图 2a),盐间岩石主要为灰质泥岩,垂向上具有石盐岩—无水芒硝岩—石盐岩的沉积序列组合,下盐亚段共钻遇5套石盐岩矿层,平均厚度约为7.1 m,石盐矿层纯度均大于90%,上部的Ⅸ、Ⅹ号矿层因含有较多的无水芒硝岩,使得矿层品位较下部的Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ号矿层低。下盐亚段的中部还发育一层厚约12.5 m的棕色无水芒硝矿层,纯度高达95%,在全区稳定分布(图 3)。上盐亚段主要发育灰色的石盐岩(图 2b)和钙芒硝岩,盐间岩石主要为钙芒硝质泥岩,垂向上具有钙芒硝岩—石盐岩的沉积序列组合,上盐亚段主要发育6套石盐岩矿层,平均厚度约为20 m,石盐矿层因含有较多钙芒硝岩,使得纯度较下盐亚段低,约为75%~90%(图 3)。

表 1 洪泽凹陷赵集次凹阜四段主要矿物类型及特征表 Table 1 The main types and characteristics of mineral of E1f4 in Zhaoji sag,Hongze depression
卤化物硫酸盐碳酸盐
矿物类型石盐硬石膏钙芒硝无水芒硝方解石白云石
化学成分NaClCaNa2(SO4)2CaNa2(SO4)2Na2SO4CaCO3CaMg(CO3)2
颜色灰白色灰—灰白色灰—黄棕色灰黄—棕黄色白色白色
光泽玻璃光泽油脂光泽玻璃光泽油脂光泽玻璃光泽玻璃光泽
结构细—巨晶细晶为主中—粗晶细—巨晶泥晶—细晶泥晶—细晶
构造块状—中厚层状纹层状条带状团块条带状柱状板状斑块状条带状斑块状条带状

图 2 a.赵集次凹阜四段下盐亚段无水芒硝岩芯照片(kk12井,1 944.2~1 944.5 m); b.赵集次凹阜宁组四段上盐亚段石盐岩芯照片(kk12井,1 841.3~1 841.7 m,1 842.6~1 843.0 m) Fig. 2 a. The core picture of thenardite of the lower salt bed of E1f4 in Zhaoji sag (Well kk12,1 944.2~1 944.5 m); b. the core picture of halite of the upper salt bed of E1f4 in Zhaoji sag (Well kk12,1 841.3~1 841.7 m,1 842.6~1 843.0 m)

图 3 赵集次凹kk12井E1f4上、下盐亚段盐岩沉积序列 Fig. 3 Section of saline sedimentary sequence of the upper and lower salt bed of E1f4 of Well kk12 in Zhaoji sag

平面上,赵集次凹阜四段盐岩主要分布在深凹带,与深湖半深湖的泥岩伴生,呈环状分布(图 4),石盐岩位于沉积中心,向外依次是无水芒硝岩、硬石膏岩和泥岩(图 4a),反映沉积水介质由超咸水和咸水向四周变为半咸水、微咸水、淡水。石盐矿物较难沉积,主要分布在深凹带,一般呈单中心式分布(图 4b);芒硝类矿物较易沉积,分布在石盐岩矿层的外围,多见于深凹带和斜坡带,一般呈多中心式分布(图 4c)。

图 4 赵集次凹阜四段沉积相图
a.下盐亚段顶部盐岩平面分布图;b.上盐亚段顶部ⅩⅨ号石盐岩矿层厚度等值线图;c.下盐亚段中部Ⅷ号无水芒硝岩矿层厚度等值线图
Fig. 4 Sedimentary facies of E1f4 in Zhaoji sag
a.the plane distribution of saline of the lower salt bed of E1f4; b.the thickness contour map of the NO.ⅩⅨ halite layer of the upper salt bed; c.the thickness contour map of the NO.Ⅷ thenardite layer of the lower salt bed
3 盐岩深水再沉积成因探讨

通过对赵集次凹阜四段盐岩沉积时期的区域地质、构造、沉积、古生物、地球化学分析,并结合前人研究,提出盐岩深水再沉积成因:晚白垩世末期,赵集次凹不断深陷,淮安凸起不断抬升,其上白垩统浦口组巨厚含盐系地层开始遭受风化剥蚀;古新统阜宁组四段沉积时期,赵集次凹继续断陷形成深盆深水环境,接受邻近的淮安凸起K2p含盐系地层溶解的大量盐类物质补给,盐类物质浓度持续达到过饱和状态,结晶析出形成赵集次凹阜四段厚层质纯的盐岩。 3.1 盐岩深水沉积证据

李秉孝[15]通过对世界十大现代陆相盐湖的沉积特征的研究,发现盐湖卤水深度差别极大,从水深仅数厘米至400 m,表明成盐作用可在不同深度的卤水中进行。通过构造、沉积和古生物等资料分析,认为赵集次凹阜四段盐岩是在水体较深的还原环境下形成,依据如下:

(1) 洪泽凹陷内部由于基底构造分异和边界断裂活动性的差异,由西南向东北逐渐形成三个次凹:津里次凹—管镇次凹—赵集次凹,断陷深度逐渐加深,赵集次凹地势最低,湖盆最大,是区域水系汇集的低点[13](图 1c)。从构造演化上看,自中生代晚白垩世末期开始,苏北盆地的发育大致可分为中生代晚白垩世初始拉分阶段、新生代古新世强烈拉分阶段、始新世—渐新世拉分减弱阶段和新近纪后沉积阶段[16, 17]。晚白垩世末期为初始拉分阶段,仪征运动以后苏北盆地的区域性断裂开始活动,在西北部形成呈北东走向的断陷盆地—洪泽凹陷[17],接受晚白垩世泰州组粗碎屑岩沉积,洪泽凹陷南缘的邓码拉张断裂继承了燕山晚期的特征,并强烈发展[12];古新世时期为强烈拉分阶段,是盆地主要沉降阶段,沉积地层厚约3 800~6 000 m[17, 18],断层活动性强,其中邓码断裂逐渐发展为典型的犁状同沉积生长断层,断距达3 000~4 500 m,近南北向的杨庄—倪湖庄拉张断裂也相当活跃[13],在这一系列拉张性断裂活动控制下,E1f4沉积时期,盆地拉张率(8.3%)和沉降率(145.14 m/Mpa)均较大[19],为湖盆发育的兴盛期,湖盆面积迅速扩大,水体大幅上升,盆地内凹陷均处于较深水环境[20]

(2) 赵集次凹阜四段盐间岩石主要是灰色—深灰色泥岩,呈渐变接触,不同程度的含钙质、膏质、钙芒硝质和盐质,在泥岩中未见植物的立生根及由于暴露于干旱环境失水形成的泥裂;盐岩也比较洁净(图 2),细晶—巨晶结构,呈块状—中厚层状(表 1),没有风吹沙粒及其他物质进入盐层中,并在多套石盐岩中见少量有机质而呈深灰—灰黑色(图 2b)。综上所述,盐岩沉积时期应为一个水体较深的还原环境。

(3) 阜四段盐岩主要分布于赵集次凹的深凹带,在平面上呈环状分布(图 4),剖面上主要分布在阜四段的下盐亚段和上盐亚段,层位稳定,呈中厚层状分布(图 3)。这表明阜四段盐岩应是在深水这种稳定水体环境下形成,而非浅水环境形成的成层性不好、常呈平行岸线的带状分布特征的盐岩[3, 11]

(4) 阜宁组沉积时期,介形类化石丰富,淡水滨浅湖的腹足类和轮藻化石稀少[13](表 2),表明沉积水体整体盐度较高、深度较大[21]。由阜一段到阜四段,介形类化石组合由淡水型向半咸水、广盐性的介形类化石演化[22],表明阜四段盐度达到最高,为半咸水—咸水沉积环境;由阜一段到阜四段,轮藻、腹足类化石数量减少,泥岩颜色由紫色变为灰色—深灰色[13],表明沉积水体变深,由阜一段的浅水演变为阜四段的半深水—深水沉积环境[22]

表 2 洪泽凹陷赵集次凹阜宁期古生物化石组合(水生)特征 Table 2 Characteristics of paleontological assemblage of E1f4 in Zhaoji sag,Hongze depression
化石组合(水生)
地层岩性代表环境
腹足类轮藻类介形类
阜一段棕色粉细砂岩与棕红色泥岩互层,以粉细砂岩为主。未见可见见淡水型Sinocypris sp.、Ilyypris sp.化石浅水、淡水环境
阜二、三段灰色泥岩夹薄层泥灰岩为主未见局部可见仅见个别适应半咸水的Candona(Caspiocypris) sp.化石半深水、半咸水环境
阜四段厚层盐岩夹灰色—深灰色的泥岩、膏泥岩等未见局部可见缺乏淡水型介形类化石,仅见适应于半咸水的Sinocypris funingensis和广盐性的Neomonceratina sp.化石半深水—深水、半咸水—咸水环境
3.2 盐类物质来源

陆相盐湖中盐类物质的来源往往是复杂多样的,主要来源有三种:①海源,主要由海侵海水或者残留海水提供;②陆源,地表风化岩石中的盐类被地表水和地下水携带人湖;③深成盐源,火山或岩浆活动、天然水热溶液循环、深层卤水等[23, 24, 25]。通过对洪泽凹陷赵集次凹阜宁组沉积时期构造演化、沉积特征、以及古生物分析、地球化学分析等,认为阜四段的盐源以陆源—淮安凸起上白垩统浦口组含盐系地层风化淋提供的盐类物质为主,依据如下:

(1) 赵集次凹阜四段盐源单一且供给量大而稳定

赵集次凹阜四段盐岩、卤水类型简单,主要发育石盐岩,无水芒硝岩、钙芒硝、石膏岩次之,有少量碳酸盐岩,表明盐湖水体中主要化学组分为Na+、Cl-、SO2-4、Ca2+、CO2-3等,卤水类型应为硫酸盐氯化物型[26, 27];沉积序列组合类型简单:石盐岩—无水芒硝岩—石盐岩,钙芒硝质泥岩、钙芒硝岩—石盐岩;矿种类型简单,石盐岩成矿,局部无水芒硝岩成矿分布,并且矿层纯度较高(高达95%)。这些均说明赵集次凹阜四段盐源应该比较单一且供给量大而稳定。

(2) 海源、深成盐源不是赵集次凹阜四段盐岩主要物质来源

赵集次凹阜四段盐岩沉积时卤水类型为硫酸盐—氯化物型,而具体发育的硫酸盐型是硫酸钠亚型卤水而不是与海水相似的硫酸镁型卤水[26];赵集次凹阜四段盐岩及盐间泥岩微量元素与海水微量元素含量差别较大(表 3),且阜四段盐岩Br×103/Cl系数约为0.043比海水(正常海水析出石盐时的溴氯系数为0.11~0.43[26])低很多;在阜宁组地层中发育大量的轮藻、盘星藻、孢粉、叶肢介、螺类,陆相介形类化石,局部偶见有孔虫、多毛纲栖管化石,表明阜宁组沉积时的大相环境是湖,而不是海[22]。综上所述,海源不是赵集次凹阜四段盐岩主要物质来源。

表 3 赵集次凹阜宁组四段盐岩、盐间泥岩微量元素与其他湖盆及海水对比(单位:mg/kg) Table 3 Comparison of trace element composition of salt rock and inter-bedded mudstone of E1f4 in Zhaoji sag with that of other basins and ocean water (mg/kg)
样品PbZnCuNiVSrMnFe成因资料来源
东濮凹陷沙三段盐岩、盐间泥岩66.343.738.122.68.3792.78.129.6深部卤水成盐金强(1985)
基伍湖页岩102524554131 080
基伍湖有机物6456162701601 77456951 100Degens & Ross(1969)
基伍湖热卤水2507 000200301519045 000
东营凹陷沙四段盐岩、盐间泥岩82286265824 700袁静(2001)
东海1001007001 000顾家裕(1986)
赵集次凹盐岩、盐间泥岩1.48.2≤21.513001519舒福明(2004)

赵集次凹的东侧和南侧,发育规模较大的淮安断裂和邓码断裂带,且西南紧邻郯庐断裂带,地壳活动比较频繁,可以为深部盐类来源提供通道和动力。但是从宏观盐岩分布上看,盐岩主要分布在赵集次凹的深凹带,呈环状分布(图 4),而非受断裂带控制的由厚到薄的不对称分布[14];并且从地球化学微量元素分析(表 3)也可以看出,与盐源是深部卤水来源的东濮凹陷沙三段[28, 29]和东营凹陷沙四段[25, 30]的盐岩、盐间泥岩微量元素含量相比,赵集次凹盐岩、盐间泥岩中重金属元素含量明显较低[12],综合表明深部盐源不是赵集次凹阜四段盐岩主要物质来源。

(3) 淮安凸起上白垩统浦口组含盐系地层风化淋滤提供大量盐类物质

古新世早期,赵集次凹四周的剥蚀区唯有东部的淮安凸起发育巨厚的上白垩统浦口组含盐系地层,在晚白垩世末期发生仪征运动以后,洪泽凹陷与淮安中生代断陷盆地也开始解体,洪泽凹陷继续沉降,而淮安凸起开始抬升,使淮安凸起浦口组地层遭受了长期的风化、剥蚀,到E1f4沉积时期,赵集次凹继续断陷,淮安凸起K2p含盐系的剥蚀物质开始向邻近的赵集次凹输送大量的盐类组份[12, 14, 31]

通过淮安凸起K2p2-3与赵集次凹E1f4盐岩发育特征对比(表 4),发现在盐岩类型、卤水类型、矿层厚度、品位、含盐系剖面以及古生物组合特征上[14, 31, 32, 33],赵集次凹E1f4与淮安凸起K2p2-3盐岩具有相似性和亲缘性。淮安地区盐岩[33]主要分布在上白垩统浦口组二、三段,K2p3钻探揭示地层厚约137.94~240.40 m,主要发育泥岩,夹有粉砂岩、硬石膏岩,局部可见钙芒硝岩,与赵集次凹E1f4盐下膏岩亚段沉积特征相似。K2p2由上部盐层和下部盐层组成,其上部盐层与赵集次凹E1f4下盐亚段盐岩发育特征相似,均表现为盐岩单层厚度较小、数量多且与碎屑岩频繁互层;其下部盐层与赵集次凹E1f4上盐亚段盐岩发育特征相似,均是厚层盐岩与碎屑岩互层(图 5)。通过sh1井(图 1b)古生物化石分析,发现2 517.99 m岩芯中见有Cicat ricosisporites pseudoanrifer,这一种化石在江苏地区仅见于Klg~K2p;阜宁组岩芯样品中发现K2p典型孢粉分子:Welwitschiapitesningensis、Cicatricosisporites pseudoaurifer[12]。因此,赵集次凹古新世阜宁组的盐源,主要来自于淮安凸起的K2p巨厚含盐系地层。

表 4 淮安凸起K2p2-3盐岩与赵集次凹E1f4盐岩发育特征对比表 Table 4 Comparison of saline sedimentary characteristics of K2p2-3 in Huaian Uplift with that of E1f4 in Zhaoji sag
盐岩特征淮安凸起K2p2-3盐岩赵集次凹E1f4盐岩
构造沉积演化古新世早期淮安中断陷抬升,K2P盐岩遭受剥蚀赵集次凹继续断陷,接受阜宁组沉积
盐岩类型石盐岩、无水芒硝岩、钙芒硝、石膏岩石盐岩、无水芒硝岩、钙芒硝、石膏岩
卤水类型硫酸盐—氯化物型硫酸盐—氯化物型
厚度总厚度超过1 900 m,纯盐岩累计厚度为1 052.8 m,单层最大厚度为130.2 m总厚度为700 m,纯盐岩累计厚度为 254 m,单层最大厚度为63.2 m
矿层品位一般为40%~50%,最高80%一般为60%~80%,最高95%
含盐系剖面K2p2有上下两个盐岩发育段,上部盐层,盐层累计厚度达到200 m以上,盐层单层厚度小,一般在4~5 m左右,数量多;下部盐层,盐层累计厚度达306.91 m,单层厚度为33.50~56.10 m,平均为43.50 mE1f4分为盐下膏盐亚段—下盐亚段—中淡化亚段—上盐亚段—盐上膏盐亚段,下盐亚段,盐层累计厚度为68 m以上,盐层单层厚度小,一般在5 m左右,数量多;上盐亚段,盐层累计厚度达123 m,单层厚度为10~54 m,平均为23 m
古生物在E1f地层中存在仅见于K2p地层中的水生和孢粉化石

图 5 淮安地区K2p与赵集次凹E1f4含盐系剖面对比图 Fig. 5 Correlation of saline section between K2p in Huaian area and E1f4 in Zhaoji sag
3.3 再沉积成因盐岩特征

Eugster[26]认为陆相盐岩沉积的多变性以及多样性取决于流入盐湖卤水的变化,因为卤水在搬运、沉积的过程中存在分馏—分异作用。因此,虽然赵集次凹E1f4与淮安凸起K2p盐岩具有亲缘性,但由于陆相盐岩沉积较复杂,所以二者在卤水演化和成矿特征上会存在一定差异。

(1) 赵集次凹E1f4较淮安凸起K2p盐岩纯度高,淮安地区K2p石盐矿层品位一般为40%~50%,最高80%,赵集次凹E1f4石盐矿层品位一般为60%~80%,最高95%(表 4)。赵集次凹E1f4盐岩纯度增高,主要是因为在搬运过程中,大量盐类物质溶于水中,溶解度较小的盐类物质SO2-4、Ca2+就近沉积,使得溶解度大的Na+、Cl-在搬运的过程中相对富集,浓度逐渐增大,最终在湖盆深处沉积,形成纯度更高的石盐岩矿层。

(2) 赵集次凹E1f4较淮安凸起K2p盐岩重金属含量低。赵彦彦、林春明等认为淮阴地区盐岩,主要是深部卤水通过深大断裂上涌到达上部凹陷饱和结晶而成,热卤水在地下会汲取围岩中重金属和古老地层中的盐类,致使盐层及盐间泥岩重金属含量较高[14];但赵集次凹E1f4盐岩及盐间泥岩重金属含量低[12](表 3),一方面表明赵集次凹E1f4盐岩与深成卤水没有直接关系,另一方面表明,在搬运、沉积过程中,发生机械沉积分异作用,重金属搬运距离短、近源沉积,导致赵集次凹E1f4较淮安凸起K2p盐岩重金属含量低。

(3) 赵集次凹E1f4与淮安凸起K2p盐岩矿石中硫酸盐类矿物的百分含量及产出状态有差异(表 5)。总体来看,赵集次凹E1f4较淮安凸起K2p盐岩中石膏、钙芒硝盐类矿物含量减少,而无水芒硝矿物含量相对增大,且局部富集为矿层。盐类物质在搬运过程中,首先沉积溶解度较小的碳酸钙、硫酸钙矿物,导致Ca2+的不断减少,而且再沉积过程中,淡水冲淡作用带来的钙离子有限,最终钙芒硝的生成减弱,造成局部“硫酸根离子相对富余”,促成无水芒硝成矿[34]

表 5 淮安凸起K2p2-3盐岩与赵集次凹E1f4盐岩中硫酸盐矿物百分含量及产出状态对比表 Table 5 Comparison of the percentage and output stage of Sulfate Mineral of K2p2-3 in Huaian Uplift with that of E1f4 in Zhaoji sag
矿物地层石膏钙芒硝无水芒硝
含量产出状态含量产出状态含量产出状态
淮安地区K2p盐岩5%~30%呈团块状、斑块状、条带状产出1%~30%呈条带状、薄层状产出5%~20% 斑点状、团块状、斑块状产出
赵集次凹E1f4盐岩1%~15%呈团块状、斑块状、条带状产出1%~18%呈团块状、斑块状产出5%~25%,局部大于80%呈团块状、斑块状,局部呈薄—中层产出

综上所述,在搬运过程中,溶解度较小的矿物及质量分数较大的矿物就近沉积下来,使得溶解度较大的矿物相对富集,到达湖盆受再沉积环境的影响,最终使得再沉积盐岩较源岩纯度更高、重金属含量低及溶解度较低的硫酸盐类矿物类型发生变化。 4 盐岩深水再沉积成盐模式

阜宁组四段成盐时期,赵集次凹持续断陷,此时期以稳定沉降为主,因此盐岩沉积主要受盐类供给和淡水冲淡作用的影响,当盐类供给占主导作用时主要沉积盐岩,并且盐类供给速率的大小会影响盐湖卤水的演化序列,进而影响成盐序列;当淡水冲淡占主导作用时,湖水淡化主要沉积碎屑岩,其中土吸附带来的Ca2+也会对盐湖卤水的演化产生重要影响[34, 35]。成盐早期阶段,盐类物质从东部的淮安凸起由阵发性水体带入,大量的盐类物质快速涌入湖盆,盐水比重大于淡水,在重力作用下盐度向下增加,形成下部卤水、盐跃层、上部稀释层的分层现象[28]。盐湖形成之后,随着盐度的增加,溶解度较小的盐类物质如CaSO4就近沉积在湖盆浅处的斜坡带、断阶带;而溶解度较大的NaCl、Na2SO4随着盐类物质的增加继续向湖盆深处聚集最终沉积。

赵集次凹阜四段主要两个成盐期:上盐亚段和下盐亚段,通过对比上、下盐亚段成盐期及淡化期岩石类型、成盐序列、矿层厚度及品位、成盐期盐度及其变化速率、沉积微相以及成盐先后等特征(图 3表 6),发现上、下盐亚段成盐特征有很大不同,尤其是盐岩类型、特征及成盐序列有较大差异,表明上、下盐亚段沉积时期,盐类物质供给的成分和速率有很大不同,应分开建立成盐模式。

表 6 赵集次凹阜四段上、下盐亚段盐岩沉积特征对比表 Table 6 Comparison of saline sedimentary characteristics of the upper and lower salt bed of E1f4 in Zhaoji sag
亚段特征下盐亚段上盐亚段
成盐期岩石主要为石盐岩、无水芒硝岩主要为石盐岩、钙芒硝岩
淡化期岩石灰质泥岩钙芒硝质泥岩
成盐序列石盐岩—无水芒硝岩—石盐岩钙芒硝岩—石盐岩
矿层厚度平均7.1 m平均20 m
矿层品位均大于90%75%~95%
成盐期盐度约为35‰约为32‰
盐度变化速率快(见图 3)慢(见图 3)
沉积微相超咸水、咸水、半咸水和微咸水微相咸水、半咸水和微咸水微相
成盐期在长的淡化期之前在长的淡化期之后

由下盐亚段的石盐岩—无水芒硝岩—石盐岩成盐序列,可以看出盐岩沉积早期没有按照溶解度由小到大的顺序沉积,而是先沉积了溶解度最大的石盐,表明此时盐类物质大量供给,快速涌向湖盆深处,卤水层迅速增厚,卤水中Na+、Cl-占绝对优势,卤水的液相成分点a点落在石盐相区(图 6-ⅠH),此阶段沉积的石盐岩矿层纯度一般较高(平均为84.7%)。随着盐类供给速率减缓,以及Na+、Cl-含量减少,SO2-4含量逐渐增大,卤水的液相成分点马上偏离石盐相区向下移动,与石盐相区邻近的主要有硬石膏相区、石膏相区、钙芒硝相区和无水芒硝相区,最终落在哪个 相区主要取决于Ca2+ 的含量及供给方式[34],此时下盐亚段主要沉积的是无水芒硝岩,表明此时卤水溶液中Ca2+含量很少,液相点落在无水芒硝相区的b点(图 6-ⅠTh)。随着无水芒硝岩的沉积,卤水中SO2-4含量逐渐减小,Na+、Cl-含量又逐渐占优势,卤水液相成分点偏离无水芒硝相区向上移动,落在石盐相区c点(图 6-ⅠH),沉积薄层石盐岩,此时石盐矿层因含较多无水芒硝岩而使品位降低(平均为82.8%),致使下盐亚段上部的石盐岩矿层品位普遍较下部低。综上所述,将下盐亚段成盐模式总结为深水近源快速补给石盐岩—无水芒硝岩—石盐岩再沉积成盐模式。

图 6 NaCl—Na2SO4—CaSO4三元相图(25℃) Fig. 6 Ternary phase diagram of NaCl-Na2SO4-CaSO4 at 25℃

由上盐亚段的钙芒硝岩—石盐岩成盐序列,可以看出盐岩按照溶解度由小到大依次沉积,表明此时盐类物质供给缓慢。朱井泉等[35]、魏东延等[36, 37]提出形成钙芒硝的条件是富Na+溶液中Ca2+缓慢而源源不断地供给。上盐亚段沉积环境给钙芒硝的形成提供了有利条件,盐类供给速率较慢,淡水冲淡(黏土吸附)带来的Ca2+缓慢稳定供给,此时卤水液相成分点在钙芒硝相区的d点(图 6-ⅡGb),钙芒硝大量生成后,伴随着淡水冲淡作用的减弱,盐类物质继续缓慢供给,卤水液相成分点马上偏离钙芒硝相区向上移动,此时卤水溶液中Ca2+、SO2-4大量减小,Cl-、Na+的浓度逐渐增大,最终液相成分点上移至石盐相区e点(图 6-ⅡH),石盐岩缓慢大量沉积,此时沉积的石盐岩矿层因含有较多钙芒硝岩使得纯度降低(平均78.5%),致使上盐亚段石盐岩矿层品位普遍较下盐亚段低。综上所述,将上盐亚段成盐模式总结为深水近源缓慢补给钙芒硝岩—石盐岩再沉积成盐模式。

5 结论

(1) 洪泽凹陷赵集次凹阜四段主要发育石盐岩,无水芒硝岩、钙芒硝岩、石膏岩次之,含少量碳酸盐岩。具有石盐岩矿层单层厚度大、纯度高、垂向沉积序列简单、平面呈近北东—南西向环状分布的特征。

(2) 阜宁组四段沉积时期,赵集次凹继续断陷形成深盆深水环境,接受邻近淮安凸起K2p含盐系地层剥蚀的大量盐类物质,湖盆水体盐度增大,盐类物质浓度持续达到过饱和状态,结晶析出形成赵集次凹阜四段层厚质纯的盐岩。

(3) 经过风化、搬运、再沉积,与源岩相比,赵集次凹E1f4再沉积盐岩,具有纯度更高、重金属含量减小以及硫酸盐类矿物类型发生变化的特征。

(4) 对比发现上、下盐亚段盐岩类型、特征及成盐序列有较大差异,根据盐类物质供给的成分和速率的不同建立了相应的成盐模式:下盐亚段为深水近源快速补给“石盐岩—无水芒硝岩—石盐岩再沉积”成盐模式;上盐亚段为深水近源缓慢补给“钙芒硝岩—石盐岩再沉积”成盐模式。

参考文献
[1] Nutting D I. Origin of bedded salt deposits: a critique of evaporative models and defense of a hydrothermal model[D].California: Institute for Creation Research Graduate School, 1984.
[2] Schmalz R F. Deep water evaporate deposition: a genetic model[J]. American Association of Petroleum Geologists Bulletin, 1969, 53(4): 798-823.
[3] Last W M. Deep-water evaporite mineral formation in lakes of western Canada[J]. Special Publication-society of Economic Paleontologists and Mineralogists, 1994, 50: 51-58.
[4] Manzi V, Lugli S, Lucchi F R, et al. Deep-water clastic evaporites deposition in the Messinian Adriatic foredeep (northern Apennines, Italy): did the Mediterranean ever dry out?[J]. Sedimentology, 2005, 52(4): 875-902.
[5] Hardie L A, Eugster H P. The depositional environment of marine evaporites: a case for shallow, clastic accumulation[J]. Sedimentology, 1971, 16(3/4): 187-220.
[6] Babel M. Depositional environments of a salina-type evaporite basin recorded in the Badenian gypsum facies in the northern Carpathian Fore deep[J]. Geological Society, London, Special Publications, 2007, 285(1): 107-142.
[7] Hsu K J. Origin of saline giants: a critical review after the discovery of the Mediterranean Evaporite[J]. Earth-Science Reviews, 1972, 8(4): 371-396.
[8] 袁见齐,霍承禹,蔡克勤. 高山深盆的成盐环境-一种新的成盐模式的剖析[J]. 地质论评,1983,29(2):159-164.[Yuan Jianqi, Huo Chengyu, Cai Keqin. The high mountain-deep basin saline environment a new genetic model of salt deposits[J]. Geological Review, 1983, 29(2): 159-164.]
[9] 张彭熹. 中国蒸发岩研究中几个值得重视的地质问题的讨论[J]. 沉积学报,1992,10(3):78-83.[Zhang Pengxi. Discussion on some geological problems of the research on evaporite in China[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 1992, 10(3): 78-83.]
[10] 郑绵平. 青藏高原盐湖资源研究的新进展[J]. 地球学报,2001,22(2):97-102.[Zheng Mianping. Study advances in saline lake resources on the Qinghai-Tibet Plateau[J]. Acta Geosicientia Sinica, 2001, 22(2): 97-102.]
[11] 李凌,谭秀成,邹春,等. 四川盆地雷口坡组膏盐岩成因及膏盐盆迁移演化与构造意义[J]. 地质学报,2012,86(2):316-324.[Li Ling, Tan Xiucheng, Zou Chun, et al. Origin of the Leikoupo Formation gypsum-salt and migration evolution of the Gypsum-Salt Pot in the Sichuan Basin, and their structural significance[J]. Acta Geologica Sinica, 2012, 86(2): 316-324.]
[12] 舒福明. 洪泽凹陷赵集次凹阜宁组四段盐岩沉积特征及成因[J]. 安徽地质,2004,14(2):81-85.[Shu Fuming. Sedimentary characteristics and origin of salt rock of Member 4 of Funing Formation in Zhaoji Sub-sag of Hongze sag[J]. Geology of Anhui, 2004, 14(2): 81-85.]
[13] 中石化股份公司江苏油田分公司地质科学研究院. 洪泽凹陷江苏油田盐岩探区盐类矿床地质综合评价[R]. 扬州:中石化股份公司江苏油田分公司地质科学研究院,2005:16-57.[Institute of Geoscience, Jiangsu Oilfield of SINOPEC. The comprehensive evaluation of mineral deposit in saline exploratory area, Jiangsu Oilfield, Hongze depression[R]. Yangzhou: Institute of Geoscience, Jiangsu Oilfield of SINOPEC, 2005: 16-57.]
[14] 赵彦彦,林春明,汪亚军,等. 苏北淮阴凹陷上白垩统浦口组盐岩成因探讨[J]. 高校地质学报,2004,10(3):468-476.[Zhao Yanyan, Lin Chunming, Wang Yajun, et al. A discussion on the characteristics and genesis of salt deposit in Pukou Formation of Late Cretaceous, Huaiyin depression[J]. Geological Journal of China Universities, 2004, 10(3): 468-476.]
[15] 李秉孝. 现代陆相盐湖蒸发岩研究[J]. 地球化学,1990(4):333-339.[Li Bingxiao. On modern continental evaporites[J]. Geochimica, 1990(4):333-339.]
[16] 左中航,胡丰产,高超. 苏北盆地构造演化阶段划分及特征[J]. 能源与节能,2012(9):109-110.[Zuo Zhonghang, Hu Fengchan, Gao Chao. The structural evolution stages division and characteristics of northern Jiangsu province basin[J]. Energy and Energy Conservation, 2012(9): 109-110.]
[17] 邱海峻,许志琴,乔德武. 苏北盆地构造演化研究进展[J]. 地质通报,2006,25(9/10):1117-1120.[Qiu Haijun, Xu Zhiqin, Qiao Dewu. Progress in the study of the tectonic evolution of the Subei basin, Jiangsu, China[J]. Geological Bulletin of China, 2006, 25(9/10): 1117-1120.]
[18] 刘彬,周小进,王果寿. 盆地演化阶段性与油气富集——以东部下第三系盆地为例[J]. 石油实验地质,2005,27(4):346-352.[Liu Bin, Zhou Xiaojin, Wang Guoshou. Basin evolution stages and oil and gas enrichment-Taking the Lower Tertiary basins in the Eastern China as an example[J]. Petroleum Geology & Experiment, 2005, 27(4): 346-352.]
[19] 刘东鹰. 苏北-南黄海盆地的构造演化分析[J]. 石油天然气学报,2010,32(6):27-31.[Liu Dongying. Analysis on structural evolution of Northern Jiangsu-South Yellow Sea Basin[J]. Journal of Oil and Gas Technology, 2010, 32(6): 27-31.]
[20] 范文科,王建功,刘丽芳,等. 苏北盆地洪泽凹陷含油气系统研究[J]. 石油实验地质,2006,28(3):253-258.[Fan Wenke, Wang Jiangong, Liu Lifang, et al. Study on the petroleum systems in the Hongze Sag, the North Jiangsu Basin[J]. Petroleum Geology & Experiment, 2006, 28(3): 253-258.]
[21] 卫民. 生物标志的环境含义及其应用[J]. 岩相古地理,1999,19(1):32-58.[Wei Min. The environmental implications and application of biological indications[J]. Sedimentary Facies and Palaeogeography, 1999, 19(1): 32-58.]
[22] 李道琪. 苏北盆地古新统泰州组、阜宁组大相环境的讨论[J]. 地质学报,1984(1):80-85.[Li Daoqi. A discussion on the environment of the large facies of the Paleocene Taizhou and Funing Formations in the Northern Jiangsu Basin[J]. Acta Geologica Sinica, 1984(1): 80-85.]
[23] 孙镇城,杨藩,张枝焕,等. 中国新生代咸化湖泊沉积环境与油气生成[M]. 北京:石油工业出版社,1997:167.[Sun Zhencheng, Yang Fan, Zhang Zhihuan, et al. The Sedimentary Environment and Production of Hydrocarbons of Saline Lake of Cenozoic of China[M]. Beijing: Petroleum Industry Press, 1997: 167.]
[24] 胡光明,纪友亮,张亚京. 陆相盐湖层序地层学研究简述[J]. 盐湖研究,2006,14(1):55-59.[Hu Guangming, Ji Youliang, Zhang Yajing. Summarization on continental salt lake sequence stratigraphy[J]. Journal of Salt Lake Research, 2006, 14(1): 55-59.]
[25] 徐磊,操应长,王艳忠,等. 东营凹陷古近系膏盐岩成因模式及其与油气藏的关系[J]. 中国石油大学学报:自然科学版,2008,32(3):30-35,39.[Xu Lei, Cao Yingchang, Wang Yanzhong, et al. Genetic model of salt-gypsum rock of Paleogene in Dongying depression and its relationship with hydrocarbon reservoir[J]. Journal of China University of Petroleum: Edition of Natural Science, 2008, 32(3): 30-35, 39.]
[26] Eugster H P. Geochemistry of evaporitic lacustrine deposits[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 1980, 8:35-63.
[27] 金章东. 湖泊沉积物的矿物组成、成因、环境指示及研究进展[J]. 地球科学与环境学报,2011,33(1):33-44.[Jin Zhangdong. Study on the composition, origin and environmental interpretation of minerals in lake sediments and its recent progress[J]. Journal of Earth Sciences and Environment, 2011, 33(1): 33-44.]
[28] 金强,黄醒汉. 东濮凹陷早第三纪盐湖成因的探讨-一种深水成因模式[J]. 华东石油学院学报:自然科学版,1985(1):1-13.[Jin Qiang, Huang Xinghan. Studies on the origin of the Early Tertiary salt lake Dongpu depression a postulated deep water model[J]. Journal of China University of Petroleum: Edition of Natural Science, 1985(1): 1-13.]
[29] 高红灿,陈发亮,刘光蕊,等. 东濮凹陷古近系沙河街组盐岩成因研究的进展、问题与展望[J]. 古地理学报,2009,11(3):251-264.[Gao Hongcan, Chen Faliang, Liu Guangrui, et al. Advances, problems and prospect in studies of origin of salt rocks of the Paleogene Shahejie Formation in Dongpu sag[J]. Journal of Palaeogeography, 2009, 11(3): 251-264.]
[30] 袁静,赵澄林,张善文. 东营凹陷沙四段盐湖的深水成因模式[J]. 沉积学报,2000,18(1):114-118.[Yuan Jing, Zhao Chenglin, Zhang Shanwen. Genetic model of the deep water salt lake of the Paleogene Sha-4 member in Dongying sag[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2000, 18(1): 114-118.]
[31] 牟荣. 盐阜坳陷淮阴凹陷上白垩统浦口组沉积构造[J]. 新疆石油地质,2006,27(6):692-695.[Mu Rong. Sedimentary structures of Pukou Formation of Upper Cretaceous in Huaiyin sag, Yanfu depression[J]. Xinjiang Petroleum Geology, 2006, 27(6): 692-695.]
[32] 龚与觐,孔庆玉. 苏北淮安凹陷白垩系浦口组成盐条件的讨论[J]. 石油实验地质,1989,11(2):136-143.[Gong Yujin, Kong Qingyu. Discussion on formation conditions for salt in Pukou Formation of Cretaceous System in Huaian depression, Northern Jiangsu[J]. Experimental Petroleum Geology, 1989, 11(2): 136-143.]
[33] 中石化股份公司江苏油田分公司地质科学研究院. 中生界浦口组膏盐岩封盖条件为主的储盖组合、保存条件等油气成藏条件评价研究[R]. 扬州:中石化股份公司江苏油田分公司地质科学研究院,2009:46-50.[Institute of Geoscience, Jiangsu Oilfield of SINOPEC. Studies on the evaluation of conditions of oil and gas accumulation (reservoir-cap association and preserve condition based on the gypsum-salt cap) of Pukou Formation of Mesozoic Group[R]. Yangzhou: Institute of Geoscience, Jiangsu Oilfield of SINOPEC, 2009: 46-50.]
[34] Li Jianren, Lowenstein T K, Blackburn I R. Responses of evaporite mineralogy to inflow water sources and climate during the past 100 k.y. in Death Valley, California[J]. Geological Society of America Bulletin, 1997, 109(10): 1361-1371.
[35] 朱井泉,胡文瑄. 云南安宁盆地钙芒硝的类型与成因[J]. 河北地质学院学报,1989,12(1):34-42.[Zhu Jingquan, Hu Wenxuan. Types and geneses of glauberite in the Anning Basin, Yunnan province[J]. Journal of Hebei College of Geology, 1989, 12(1): 34-42.]
[36] 魏东岩. 盐类沉积中的钙芒硝及其成因[J]. 矿物岩石,1988,8(2):92-98.[Wei Dongyan. Glauberite in saline deposit and its origin[J]. Minerals and Rock, 1988, 8(2): 92-98.]
[37] 魏东岩. 论中国钙芒硝矿床[J]. 化工矿产地质,2001,23(2):75-81.[Wei Dongyan. A discussion on glauberite deposits in China[J]. ]Geology of Chemical Minerals, 2001, 23(2): 75-81.