DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.01.032

水体环境对咸化湖盆沉积物分布的定量控制：以渤南洼陷沙四上亚段为例

刘雅利，刘鹏

(中国石化胜利油田分公司 勘探开发研究院，山东 东营，257015)

摘要：咸化湖盆普遍存在着碎屑岩、碳酸盐岩、硫酸盐岩及氯化物共生的沉积现象，但多类型沉积物有序分布的机制尚不明确。渤南洼陷沙四上亚段沉积期为咸化湖盆，通过对古盐度和古水深量化，表征其多类型沉积物的分布规律，建立咸化湖盆水体分异控制模式。研究结果表明：水体盐度和深度耦合共同控制化学岩的分布，其中碳酸盐岩和硫酸盐岩分布以盐度和水深构成的斜线为界，碳酸盐岩在此线上方分布，而硫酸盐岩则主要发育在其下方，随着卤水浓度的增大在深部水体中还有氯化物沉积；水体深度对不同成因类型的碳酸盐岩以及碎屑岩分布产生影响，15 m水深是生物成因碳酸盐岩和化学成因碳酸盐岩的分界线，在其上还发育砂岩滩坝，30 m水深则是扇三角洲和近岸水下扇的分界面；模式的建立对验证沉积现象及预测沉积体具有参考价值。

关键词：水体分异；咸化湖盆；沉积分布；定量控制；渤南洼陷

中图分类号：P618.130.2       文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2017)01-0239-08

Quantitative controls in water environment to distribution of sediments in saline lacustrine basin: a case of Es4¹ in Bonan sag

LIU Yali, LIU Peng

(Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Shengli Oilfield Company, SINOPEC,

Dongying 257015, China)

Abstract: Though clastic rock, carbonate, sulfate and chloride co-exist in saline lacustrine basin, the mechanism that multiple types of sediments are distributed orderly is not clear. Bonan sag is a saline lacustrine basin in the sedimentary period of Es4¹. Through quantized characterization of the paleosalinity and palaeobathymetric,distribution law of multiple types of sediments was studied. The control pattern about stratified water was established in saline lacustrine basin eventually. The results show that the coupling of paleosalinity and palaeobathymetric jointly controls the distribution of chemical sedimentary rock, and the distribution of carbonate and sulfate is divided by an oblique line coupled by paleosalinity and palaeobathymetric. The distribution area of carbonate is above this line and sulfate is mainly developed below it. With the increase of the palaeobathymetric, the chloride deposites in deep water. Water depth has effect on distribution of different types of carbonate and clastic rock. The water depth of 15 m is the dividing line between biogenic carbonate and chemical carbonate, and sand beach bar is also developed above it. Beside this, the water depth of 30 m is the dividing line between fan delta and near-shore subaqueous fan. The control pattern about stratified water has reference to verifying sedimentary phenomenon and predict sedimentary body.

Key words: delamination of water body; saline lacustrine basin; sedimentary distribution; quantitative control; Bonan sag

在我国众多的含油气盆地中广泛分布着咸化湖盆^[1-4]，目前，关于咸化湖盆的成因有“浅水成盐”和“深水成盐”2种学说^[5-10]，不管咸化湖盆成因如何，普遍认为在咸化湖盆中广泛发育着多类型的沉积物^[11-12]。陆相湖盆受控于充足的陆源碎屑供应，碎屑岩是主要的沉积物^[13]；咸化湖盆中盐类物质的出现使得碳酸盐岩沉积物也较发育^[14]；随着盐度不断升高，咸化湖盆中出现硫酸盐沉积物，甚至会出现氯化物沉积^[15-16]。目前，人们对多类型沉积物共生的成因机制研究还较少，只是对构造、地貌、物源、气候、盐度及水动力特征进行了研究^[11-14]，对各因素如何控制基准面升降进而控制各沉积体的形成与展布进行了定性研究。构造、地貌和水动力特征可通过水体深度反映，而气候则可通过水体盐度反映，因此，咸化湖盆中可通过量化水体环境来表征多类型沉积物的分布规律，并进一步建立水体环境控制沉积物分布的模式。

1  咸化湖盆沉积物特征

碳酸盐矿物出现沉积标志着湖盆咸化的开始^[2]。对于“浅水成盐”学说，这期间气候相对干旱，降水量减少，河流带来的砂质沉积体向盆地边缘退缩，若这种情况持续，则湖水不断浓缩形成硫酸盐或氯化盐与泥质岩互层式的沉积；而对于“深水成盐”学说，较大水深背景下的卤水分层是形成硫酸盐和氯化物的基本模式，当分层卤水浓度达到某种盐类的结晶浓度时，就有该种盐类沉积^[17]。2种不同成因的咸化湖盆虽然咸化过程和咸化机理存在差异，但不同成因的咸化湖盆中出现的沉积物类型以及沉积特征都具有相似性，其中沉积物主要为碎屑岩和碳酸盐岩类，在盐度较大的湖盆中还有硫酸盐类和氯化物出现。现以渤南洼陷沙四上亚段为例，简要说明咸化湖盆沉积物的特征。

渤南洼陷位于济阳坳陷沾化凹陷中部，为北断南超的箕状盆地。其沙四上亚段的沉积物类型主要有碎屑岩类、碳酸盐岩类以及硫酸盐岩类^[18]，其中碎屑岩类又包括砾岩、砂砾岩、砂岩、粉沙岩及泥岩等。渤南洼陷沙四上亚段的碎屑岩主要呈裙带状分布在洼陷南北两端，其中北部陡坡带主要为近岸水下扇沉积，南部缓坡带为扇三角洲沉积，洼陷中南部发育砂岩滩坝(图1)；渤南洼陷沙四上亚段出现的碳酸盐岩类主要包括石灰岩、白云岩、生物灰岩、膏质灰岩及砂质灰岩等类型，碳酸盐岩主要发育在滨浅湖的隆起部位，呈带状、团块状展布(图1)；硫酸盐岩类包括石膏岩、泥膏岩、石膏质泥岩、石膏质白云岩、石膏质灰岩、石膏质砂岩、含膏泥岩等类型^[19]，其中以石膏质泥岩和含膏泥岩为主，硫酸盐类主要分布在半深湖和深湖中，呈叠合连片状展布，见图1。

图1  渤南洼陷沙四上亚段沉积类型分布图

Fig. 1  Distribution about sedimentary type of Es4¹ in Bonan sag

2  水体环境的定量控制作用

咸化湖盆对沉积起控制作用的水体参数主要为古盐度和古水深^{[14, 20]}。古盐度和古水深有较多的定量获取方法，结合渤南洼陷实际资料，首先依据黏土矿物从水体中吸收的硼元素质量分数与水体盐度呈双对数关系^[21]，据硼元素质量分数定量计算古盐度，结果表明渤南洼陷沙四上亚段沉积期盐度整体较高且变化较大，在5.67‰到23.75‰之间，总体上为半咸水的水体环境；其次，又利用微体古生物法定量确定古水深^[22]，其原理是根据地层中微体古生物的种类、数量以及保存程度来判断其生存时的古水深范围，若有几种微体古生物发育，则古水深取各古生物生存水深范围的相交深度，由此得出发育有微体古生物化石井的古水深，据微体古生物法获得的古水深再结合古地貌研究成果获取各沉积期的古水深。研究表明：渤南洼陷沙四上亚段沉积期古水深为0~70 m(见表1)，古水深分布具有北深南浅、东西两侧深中间浅的特点。

2.1  碳酸盐岩和硫酸盐岩

利用硼元素质量分数以及微体古生物获得渤南洼陷沙四上亚段所有样品点的古盐度和古水深后，将所有样品点的古盐度和古水深做散点图，见图2。图2表明水体盐度和深度有较好的相关关系；盐度随着深度增大而升高；水体盐度和深度共同控制着碳酸盐岩和硫酸盐岩的发育。古盐度大于10‰是碳酸盐岩和硫酸盐岩形成的基础。对碳酸盐岩和硫酸盐岩发育的水体范围进行划定后发现：碳酸盐岩和硫酸盐岩的分布大致以直线y=60-2x为界(其中，y为古水深；x为古盐度)，碳酸盐岩的分布主要在此线上方，而硫酸盐岩则主要发育在其下方(图2(a))。水体环境的不同决定了碳酸盐岩和硫酸盐岩分布的差异性：首先水体深度控制着碳酸盐岩的沉积位置，表现在水深小于30 m时水体为碳酸盐岩型水，因而碳酸盐岩主要发育在水深小于30 m的区域；其次，水体深度还决定着不同类型碳酸盐岩的分布，在水深小于15 m的水体中沉积的碳酸盐岩主要为生物成因，而在15~30 m的水深中则多为化学成因。经分析认为形成这种沉积现象的原因主要是生物成因碳酸盐岩的形成不但要有造岩生物能够生长的环境，即要有较浅的水深、足够的光照，而且需足够的水动力在后期对生物骨架进行改造，因此，认为15 m水深是生物生长的底界，也是水动力能够影响到的正常浪基面位置；而化学成因碳酸盐岩的形成则需避开陆源淡水的注入，要求较高的盐度，故在水深大于15 m的水体环境中由于距岸较远，受陆源淡水影响较弱，同时，古盐度随着古水深的增大而升高，15~30 m的水深中有更高的古盐度，这些因素都有利于化学成因碳酸盐岩沉淀的发生。水体深度不但影响着碳酸盐岩的分布位置，而且与古盐度耦合共同控制着硫酸盐岩的形成。具体表现在：硫酸盐岩的分布范围之所以是1条水深和盐度的斜线，是因为硫酸盐岩的沉积不只受盐度或水深单一因素的影响，而是受两者耦合控制，即当水深较浅甚至为0 m时，只要盐度高到一定程度就会有硫酸盐岩发育，为“浅水成盐”模式，现代蒸发成因的硫酸盐岩属于这一模式；而当盐度较小时，只要水深足够大仍然会有硫酸盐岩沉积，因为水深不断增大可使水体温度逐渐降低，水温降低使硫酸盐岩溶解度降低，从而在盐度较小但水深较大的水体环境中依然会发生硫酸盐岩沉淀(图2(a))，为“深水成盐”模式，研究区的硫酸盐岩属于这种模式。需指出的是：随着水深继续增大，盐度也不断升高，使得分层卤水浓度不断升高，从而在水深较大的深湖区往往有氯化物沉积。

表1  渤南洼陷沙四上亚段古盐度与古水深

Table 1  Paleosalinity and paleobathymetry of Es4¹ in Bonan sag

图2  渤南洼陷沙四上亚段水体环境对各类型沉积相发育的控制

Fig. 2  Controls on water environmental to distribution of multiple types sedimentary facies of Es4¹ in Bonan sag

2.2  碎屑岩

水体环境除对碳酸盐岩和硫酸盐岩的发育起控制作用外，对碎屑岩的沉积位置也有明显影响。古盐度对碎屑岩的沉积影响不大，主要是古水深对其沉积相类型分布产生影响。以渤南洼陷沙四上亚段为例，砂岩滩坝一般分布在水深小于15 m的区域(图2(b))，由此可以推测这一时期浪基面大概为15 m水深，这是因为在浪基面之上水动力条件较强，可筛选、淘洗并再次搬运扇三角洲前端的砂岩从而形成砂岩滩坝；而扇三角洲一般分布在0~30 m水深中，这也与扇三角洲分布在断陷盆地相对较陡古地貌背景下的传统认识相符。较陡的古地貌使水深向湖中心快速增大，在物源供应充足情况下陆源碎屑往湖盆中心推进距离较远，最深可在30 m水深中发育；近岸水下扇主要发育在水深大于30 m的环境中(图2(b))，这是因为近岸水下扇一般在断陷盆地陡坡带高山深湖背景下形成，在这一地貌背景下陆源碎屑顺断层直泻而下冲积到半深湖或深湖中，从而使得近岸水下扇发育的水体深度较大。

3  水体分异控制模式

卤水分层是咸化湖盆多类型沉积物形成的基本形式^[17]，在不同水体分层带会发育不同类型沉积物。此次以渤南洼陷沙四上亚段为例，初步建立水体分异控制多类型沉积物共生的模式。

位于咸化湖盆浪基面之上的水体受陆源碎屑注入影响最强烈，发育有扇三角洲，而这部分水体由于水动力条件较强，动荡的水体对扇三角洲前缘砂体进行再次搬运、沉积进而可形成砂岩滩坝，因此，浪基面控制着砂岩滩坝的发育位置；此外，较浅的水深不但有利于透光，而且可使水体含氧量增大，适宜生物繁殖，从而浪基面之上也为生物成因碳酸盐岩发育区；在浪基面以下，一方面，水体深度增大使水动力变弱，不再有砂岩滩坝沉积，而碎屑岩中只有顺沟道注入到深水区的扇三角洲发育，另一方面，水体加深也伴随着盐度升高和卤水浓度增大，卤水浓度增大到一定程度即为碳酸盐型水，从而沉淀出化学成因碳酸盐岩。化学成因碳酸盐岩发育的顶、底界不但受水深影响，而且受水体盐度影响，因此，其发育的水体范围顶、底界线为2条向上变凸的弧线(图3)。造成这种现象的原因是近岸水体受陆源淡水注入影响较大，在相同水深下远岸水体盐度往往比近岸水体的盐度高，因此，在水深和盐度耦合下，适宜化学成因碳酸盐岩发育的区域应是向上变凸的弧线；随着水深进一步增大，到30 m以下时碎屑岩沉积物只有近岸水下扇发育，这是由于在渤南洼陷沙四上亚段沉积期水深大于30 m的区域主要集中在洼陷带和陡坡带，而这2个构造带上的碎屑岩沉积物主要是近岸水下扇；另一方面，水深超过30 m造就的高山深湖古地貌环境也为近岸水下扇的发育提供了条件；水深增大不但使发育的碎屑岩沉积物转变为近岸水下扇，同时，卤水浓度也随之增大，卤水性质逐渐由碳酸盐型水演变为硫酸盐型水，2种不同类型卤水的分界面即为1条水深和盐度相耦合的界面，同样受近岸淡水注入影响，此界面也为向上变凸的弧线(图3)；若水深足够大，则卤水浓度不断升高，卤水性质会向氯化物型水转变，因此，在深部水体中还可能存在氯化物沉积(图3)。

水体的分层现象在现代湖泊考察结果中得到证 实^[23-24]，不同分层卤水中会发育不同类型沉积物，这也在古柴达木盆地中得到验证^[25](图4)，表明以渤南洼陷沙四上亚段为例建立的水体分异控制模式的正确性。需说明的是：咸化湖盆中碎屑岩、碳酸盐岩、硫酸盐岩以及氯化物的分布虽受水体环境的影响，但物源供应是各类型沉积物形成的基础，尤其是碎屑岩的发育明显受物源的控制；此外，碎屑岩发育区由于水体混浊及淡水注入，不利于碳酸盐岩、硫酸盐岩以及氯化物的形成^[18]，因此，咸化湖盆中水体环境对碎屑岩分布的定量控制是在物源决定碎屑岩发育基础上起作用的，同时，水体环境对碳酸盐岩、硫酸盐岩及氯化物分布的定量控制在无陆源碎屑注入的水体中才会发挥作用。

图3  渤南洼陷沙四上亚段水体分异控制模式

Fig. 3  Control pattern about stratified water of Es4¹ in Bonan sag

图4  柴达木盆地水化学图(据文献[24])

Fig. 4  Hydrochemical map of the Qaidam Basin (cited in Ref.[24])

4  控制模式建立的地质意义

水体分异控制模式将水体环境和沉积物分布相联系，不但明确了水体环境对咸化湖盆多类型沉积物的定量控制，而且对沉积现象验证以及沉积体预测等都具有重要意义。

4.1  验证沉积现象

通过水体分异控制模式可知：渤南洼陷沙四上亚段碎屑岩的分布受古水深影响较大，其中砂岩滩坝在水深小于15 m的水体中发育，扇三角洲分布的水体深度范围为0~30 m，而近岸水下扇则主要分布在水深大于30 m的区域；碳酸盐岩和硫酸盐岩的分布在避开陆源碎屑注入基础上，还受古水深和古盐度的双重控制，其中碳酸盐岩主要分布在水深小于30 m，且古盐度大于10‰的水体中，而硫酸盐岩主要分布在水深大于 30 m，同时古盐度大于15‰的水体中(图2)。事实上，在对渤南洼陷沙四上亚段各沉积期的沉积相展布和古水深、古盐度等值线叠合后发现：各类型沉积相发育的古水深、古盐度范围都遵循水体分异控制模式(图5)，因此，水体分异控制模式的建立可指导沉积相类型及空间展布研究。

4.2  指导沉积体预测

通过咸化湖盆水体分异控制模式的建立，将水体环境参数与各类型沉积相的分布位置相互联系，可定量化指导碳酸盐岩、硫酸盐岩以及氯化物分布位置预测。具体对1个咸化湖盆沉积体进行预测时，首先要通过物源分析确定碎屑岩的分布位置和规模，在无碎屑岩沉积的水体中，浪基面以上是生物成因碳酸盐岩的有利发育区，到浪基面之下，当水深增大、盐度升高时首先沉淀的是化学成因碳酸盐岩；随着水深进一步增大，当水深和盐度的耦合点在y=60-2x所示直线的下方时开始沉淀硫酸盐岩，并在深水区可能会有氯化物沉积。因此，在咸化湖盆中依据水深和盐度的定量耦合可确定各类型沉积体发育的水体环境，进而预测各类型沉积物的发育范围。

图5  渤南洼陷沙四上亚段沉积相与水体环境等值线叠合图

Fig. 5  Overlap map about sedimentary facies and water environmental parameters of Es4¹ in Bonan sag

5  结论

1) 渤南洼陷沙四上亚段沉积期为咸化湖盆。咸化湖盆的主要沉积物类型有碎屑岩类、碳酸盐岩类以及硫酸盐岩类；碎屑岩类主要围绕湖岸线呈裙带状分布，碳酸盐岩主要发育在滨浅湖的隆起部位，呈带状、团块状分布，硫酸盐岩类主要分布在半深湖和深湖中，呈带状展布。

2) 渤南洼陷沙四上亚段多类型沉积物分布受水体环境控制。水体盐度和深度耦合共同控制碳酸盐岩和硫酸盐岩的分布，两者大致以直线y=60-2x为界，碳酸盐岩主要在此线上方分布，而硫酸盐岩则主要发育在其下方；水体深度对不同成因类型的碳酸盐岩以及碎屑岩分布产生了影响，15 m水深是生物成因碳酸盐岩和化学成因碳酸盐岩的分界线，在其上还发育砂岩滩坝，30 m水深则是扇三角洲和近岸水下扇的分界；建立了咸化湖盆水体分异控制模式，水体分异现象在现代湖泊和古柴达木盆地中都得到证实。

3) 咸化湖盆水体分异控制模式的建立对验证沉积现象及预测沉积体都具有重要意义。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2016-01-10；修回日期：2016-03-12

基金项目(Foundation item)：国家重大专项资助项目(2011ZX05006) (Project(2011ZX05006) supported by the Important National Science and Technology Specific Project)

通信作者：刘鹏，博士，副研究员，从事储层地质学及油气成藏研究；E-mail: liupeng119.slyt@sinopec.com