李 被，刘池洋，黄 雷，蒋飞虎，郭 佩，鹿 坤

(1.西北大学 大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069；2.中国石化中原油田分公司 勘探开发科学研究院，河南 濮阳 457001)

0 引 言

含油气盆地中盐岩与烃源岩共生现象普遍，由于在传统认识中盐岩代表较浅水蒸发环境，烃源岩代表深水沉积相，两者成因解释上的矛盾带来咸化含油气湖盆在沉积环境解释上的分歧[1-3]。有些研究认为在干旱期，随着湖水蒸发浓缩，卤水饱和后析出膏盐和石盐；在气候潮湿期，随降水量增加，湖水变深，沉积暗色泥岩及烃源岩等无盐沉积，湖平面的频繁升降造成深水成因的暗色泥岩与浅水干旱成因的盐岩形成韵律互层[4-8]。有些研究认为含油气湖盆中的盐是在一定的水深条件下形成的，盐源来自地下深部热卤水，分层卤水是成盐的基本模式；盐湖表层水体盐度低，与大气接触，适宜生物生长，此层生存的浮游生物是盐湖有机质重要来源之一[9]。地下深部热卤水上涌带来了微生物生存必需的氮、磷、钾等元素，加之咸化环境缺少天敌，嗜盐生物爆发式生长，可以提供大量有机质；深水部位的底层水盐度大、缺乏游离氧，微生物死后沉入底部可以免遭氧化分解，从而较好地保存下来。表层水为生物的高产率区，底层水盐度高，为缺氧区，二者的叠合部位就是优质烃源岩的发育区[10-19]。冯振东通过石盐析出实验认为盐岩沉积是一个溶解-析出的平衡过程，所谓的深部浓度大、浅部浓度小的分层卤水沉积很难出现[20]。

东濮凹陷是典型的咸化湖盆，在相关研究上也存在此类分歧。有学者认为东濮凹陷沙三段沉积时期，干旱与潮湿气候交替出现造成湖平面频繁变化，使盐岩与烃源岩互层共生，并根据相关资料计算出沙三段沉积期湖平面的升降变化速率为1 000次/Ma[21-22]。另外一部分学者持不同观点，认为东濮凹陷大量的盐膏层属于一种潮湿气候条件的深水成盐模式，但关于盐类物质来源有不同的看法[23-24]。

明确烃源岩和盐岩发育时期湖盆沉积环境是解决上述分歧的关键。本文以地球化学微量元素数据为基础，辅以岩石学、古生物学等方法，对沙三中亚段的沉积环境进行全面分析，并与前人的研究结果进行对比，旨在更为全面深入地分析该凹陷地质时期的沉积环境特征，揭示盐岩与烃源岩的共生机制。

1 区域地质概况

东濮凹陷是渤海湾含油气盆地的一个次级构造单元，位于渤海湾盆地西南端，属于临清坳陷的一部分，是一个呈NNE向延伸的、具有多沉积韵律的新生代含盐盆地[25]。在构造格局上具明显的“东西分带、南北分块”的特征，受NNE向的断层控制，形成“两洼一隆一陡一斜坡”的构造格局[26](图1)。

图1 东濮凹陷构造分区图[29]Fig.1 Tectonic division of Dongpu Depression[29]

古近系沙河街组是东濮凹陷重要的含盐层段，该组地层可分为4段，自下而上分别为沙四段、沙三段、沙二段和沙一段，沙一段、沙二段和沙四段各分为上、下两个亚段，沙三段可分为4个亚段；盆地的4套主要含盐层系分布于沙一段和沙三段，分别为沙一段盐岩、沙三二亚段盐岩(卫城上盐)、沙三三亚段盐岩(卫城下盐)、沙三四亚段盐岩(文23盐)[27]。与盐岩相间发育的主要是深灰色泥页岩和棕褐色油页岩等(图2、图3中(C)和(E))；平面上，以桥口-白庙-海通集一线为界把凹陷分为南北两个部分，北部盐岩发育，南部盐岩不发育[28]。

图2 卫42井岩性剖面Fig.2 Lithologic section of well Wei 42

东濮凹陷是我国东部地区一个非常典型的既富油又富气的盆地，是渤海湾盆地中唯一一个油气并举的地区，其主力含油气层段为下第三系沙河街组，已探明的储量基本都分布其中；区域上，北部地区集中了全盆地95.7%的石油和84%的天然气[29]。由此可见该凹陷油气的分布在垂向上和横向上都与盐岩有比较好的对应关系。文中的沙三中亚段是沙三二和沙三三两个亚段的合称，该时期盆地普遍沉积白色膏岩层和烃源岩，前人研究认为沙三中亚段是盆地强烈拉伸期形成的沉积地层[30]。因此对沙三中亚段的沉积环境进行研究，对揭示盐岩和烃源岩的形成环境以及二者之间的共存关系具有重要意义。

2 岩石学与沉积构造特征

岩石学特征和沉积构造特征分析是不同沉积环境判别的最基本手段。对东濮凹陷盐岩及相邻伴生泥岩的岩石学及沉积构造特征进行了详细分析。结果显示，与盐岩伴生的泥岩多表现出指示深水沉积环境的特征，主要证据如下。

(1)颜色。泥岩颜色是沉积环境的良好反映，气候潮湿条件下的半深湖—深湖环境的泥岩一般为灰色、深灰色等还原色；气候干旱条件下的陆上、滨湖等环境一般沉积紫红色、红色、棕红色、杂色等具有氧化色的泥岩；气候相对较为干旱条件下的滨湖-浅湖环境一般以灰绿色、绿色等过渡色为主[31]。东濮凹陷沙三段中亚段泥岩沉积物颜色主要以灰色、深灰色等还原色为主，紫红、棕红、杂色等氧化色极少，由此表明东濮凹陷沙三段中亚段以温暖潮湿的深水环境为主。(图2和图3(A)、(C)、(E))

(2)矿物特征。黄铁矿是典型的深水还原指相矿物，沙三中亚段发现了还原指相矿物黄铁矿颗粒，说明该时期为较深水的还原沉积环境(图3中(B)、(D))。

(3)沉积构造。泥岩的纹层沉积于免遭波浪作用的静水环境中。对较大型湖盆来说，只有浪基面之下的半深湖—深湖环境才能满足此条件，在研究区盐岩上下皆为薄层状的泥页岩(图3(E))。

(4)盐岩的微观形态。在扫描电镜下，沙三中亚段石盐晶体形态规整，基本上都是立方体(图4)，表明其形成时结晶环境稳定、盐源供应充分，推测应为较深水环境。

(A)黑色泥岩，上面有薄层的膏盐层，卫42井，3 281.69 m；(B)金黄色立方体状黄铁矿颗粒，文245井，3 919.25 m[32](C)棕褐色油页岩，卫气1井，2 589.39 m；(D)泥膏岩与黄铁矿共存，卫42井，3 276.2 m；(E)盐岩夹于深灰色油页岩之中，卫42井，3 277.2 m图3 东濮凹陷沙三中亚段沉积特征Fig.3 Sedimentary characteristics of the middle section of the third Member of Shahejie Formation in Dongpu Depression

(A)盐岩晶体微观形态，呈规则的立方体，卫42井，3 282.2 m；(B)盐岩晶体微观形态，呈规则的立方体，卫42井，3 285.48 m；(C)盐岩晶体微观形态，卫42井，3 278.09 m；(D)盐岩晶体微观形态，呈规则的立方体，濮35井，3 334.9 m图4 东濮凹陷沙三中亚段盐岩微观形态Fig.4 Salt rock micromorphology of the middle section of the third Member of Shahejie Formation in Dongpu Depression

3 地球化学对沉积环境的指示

沉积物中所含的常量元素、微量元素及其中某些元素的比值，已被广泛用于古气候恢复和沉积环境判别[33-34]。一些微量元素具有特殊性质，它们与沉积环境密切相关，且受后生成岩作用的影响较小，因此对沉积岩中微量元素含量及分布，尤其是一些相关元素比值的分析，可以推断当时的沉积环境，反演沉积时期的地质条件[35-37]。

3.1 古盐度分析

古盐度的复原是恢复古环境、认识环境变化过程与机理的一种重要方法[38]。本研究将前人已成功使用的B/Ga、Sr/Ba比值方法用于东濮凹陷古盐度研究中[39-43]。

钟红利等对塔里木盆地晚古生代的古盐度进行了研究，其依据威尼斯盐度分类方案(1958)及与Sr/Ba质量比和 B/Ga质量比的匹配等，总结出了古盐度综合划分表(表1)[44]。对东濮凹陷文33-310以及文75两口井中沙三中亚段的泥岩、页岩样品进行了Sr/Ba 、B/Ga测试，从(图5)可以看出36个样品中有21个的Sr/Ba大于1，其余大多分布与0.7～1之间，平均值为1.35；B/Ga大于6的样品有19个，其余基本分布于4～6之间，全部样品的平均值为6.37，按照上面的标准东濮凹陷沙三段中亚段为咸水-超咸水的沉积环境。另外，东濮凹陷北部沙三段沉积岩中的氯离子含量大部分在1 000×10-6～3 000×10-6之间，属于典型的咸水沉积[45]。

表1 古盐度综合划分数据表(据钟红利等，2012)Table 1 The synthetic classification of paleosalinity

图5东濮凹陷样品B/Ga、Sr/Ba比值变化图Fig.5 The ratios of B/Ga，Sr/Ba in samples of Dongpu Depression

3.2 古水深分析

利用生物标志(包括生物的壳体构造、生态特征、地球化学和群落组合等)恢复古代海相沉积盆地的古水深的研究已经卓有成效[46]。但仍然缺乏可靠的手段和方法对陆相盆地水体深度进行定量研究。近年来在现代沉积方面的研究表明，盆地水体的深度与离岸距离有关，而后者与某些元素的含量相关联。刘平略[47]在研究松辽盆地白垩系湖相泥岩时发现元素(V+Ni+Mn)的含量由河流相泥岩向湖相泥岩逐渐升高。邓宏文等[48]总结出河流相的(V+Ni+Mn)<150×10-6；滨浅湖相为150×10-6～170×10-6；半深湖相为170×10-6～190×10-6；深水湖相>190×10-6。

图6 东濮凹陷样品(V+Ni+Mn)、Fe/Mn含量图Fig.6 The values of (V+Ni+Mn),(Fe/Mn)in samples of Dongpu Depression

利用Fe/Mn值也可以判定古水深。这两种元素的化学性质差异较大，Fe的化合物易在河口或滨岸地带富集，Mn 的化学性质较稳定，在湖盆中可发生长距离的迁移，随离岸距离的加大及水深增加，呈现逐渐增高的趋势，深湖环境的Fe/Mn值小于100，半深湖相的Fe/Mn为100～150，浅湖环境的Fe/Mn值大于150[13,47]。

本次研究共选用了4口井26个沙三中亚段灰色、深灰色泥页岩样品进行分析(图6)，采用(V+Ni+Mn)、Fe/Mn值来判识沙三中亚段沉积离岸距离及可能的水体深度。26个样品中有3个样品的Fe/Mn值分布与100～150之间，另外1个样品大于150，其余的全部分布在100以下；而26个样品的(V+Ni+Mn)值均大于190×10-6，表明东濮凹陷古近系沙河街组三段中亚段基本为较深湖沉积(图6)。

3.3 古气候分析

泥质沉积物中微量元素的分配受元素本身的物理化学性质和古气候、古环境两方面因素的影响,所以泥质沉积物中较敏感的微量元素含量以及比值的变化在某种程度上可以指示气候变化。如喜干型元素Sr和喜湿型元素Cu 的比值可以作为研究古气候的变化的参数[49-50]。通常，Sr/Cu比值介于1～10之间指示温湿气候，而大于10指示干热气候；Mg/Ca比的高值指示干旱气候；低值反映潮湿气候，当Mg/Ca比值介于0～1之间，基本上为相对潮湿的气候环境[51]。

分析东濮凹陷3口井沙三中亚段共13个灰色、深灰色泥岩样品(文13-50井5个、胡123井3个、濮深7井5个)的测试结果，其中有2个样品的Mg/Ca大于1，其余均小于1，Sr/Cu比值基本都在1～10之间，有一个样品值超过10，据此可以得出沙河街组三段中亚段基本属于温湿气候。

盐类沉积时氯同位素因为键结合能的差异会发生热力学分馏，37Cl具有较大的键结合能，总是优先于35Cl进入盐类沉积物中，所以在盐类物质垂向沉积中氯同位素的组成变化主要是由气候条件所控制[52-58]。沙三中亚段3口井18个连续沉积的盐岩样品的δ37Cl值自下而上(即从深到浅)均没出现由于干旱气候条件所形成的逐渐降低的变化特征，而是呈无规律的升降变化(图7)。可见，东濮凹陷沙河街组三段中亚段并不是强烈蒸发的干旱环境，而是相对温湿的气候环境，且湖水深度不会太浅，在这种环境下湖水中δ37Cl可不断得到补充。这与沉积构造特征和矿物微观形态所反映的沙三中亚段温暖湿润的气候是一致的。

3.4 氧化还原环境分析

目前，越来越多的学者利用微量元素及其比值恢复古湖泊的氧化还原条件。其中，痕量元素V和Ni因其在暗色泥页岩中趋于富集，对氧化-还原条件较为敏感，其含量及比值已被广泛用于古湖泊沉积时盐水介质的氧化-还原条件的判识中： V/(V+Ni) >0.84代表水体为厌氧还原环境，V/(V+Ni) 在0.6～0.84之间指示缺氧的沉积环境，V/(V+Ni)值介于 0.4～0.6之间表示贫氧的沉积环境[59-61]。

对研究区4口井沙三中亚段26个灰色、深灰色泥页岩样品的分析，多数样品(15个)的V/(V+Ni)值介于0.6～0.84，有11个样品的值大于0.84，总体属还原沉积环境(图8)。高红灿(2015)对东濮凹陷沙三中53个泥页岩(油页岩)样品测试所获得的V/(V+Ni)比值，基本分布在0.64～0.81，平均值为0.75，说明其形成于缺氧的还原环境。

图7 东濮凹陷δ37Cl含量变化图(数据来自高红灿，2015)Fig.7 The content change diagram of δ37Cl in Dongpu Depression

图8 东濮凹陷V/(V+Ni)含量变化图Fig.8 The content change diagram of V/(V+Ni) in Dongpu Depression

前人研究认为，沉积物的稀土元素含量可以指示沉积环境的氧化还原性，ΣREE的低含量和(La/Yb)N的高比值以及铈的负异常都可以指示还原环境[62-64]。另外，当δCe>1 时，表现为 Ce的富集，反映水体为氧化环境；当δCe<1 时，表现为Ce的亏损，反映水体为还原环境；程岳宏等[65]对东濮凹陷沙三段的稀土元素进行分析，结果显示ΣREE 含量较低；(La/Yb)N的范围为 8.53～12.18，平均值为 11.04，比值较高；δCe变化范围为 0.89～0.97，平均值为 0.91，这些都表明沙三中亚段沉积期水体整体为还原环境。

生物标志化合物中姥鲛烷与植烷的比值可以判断氧化还原环境，姥鲛烷(Pr)和植烷(Ph)都由植醇分解而成，一般认为在氧化环境中，叶绿素植醇侧链开裂，植醇继而氧化、脱羧基，可产生姥鲛烷；而在还原环境中，叶绿素侧链开裂后，植醇被还原而形成植烷[66]。Pr/Ph> 3.0指示次富氧到富氧环境，Pr/Ph<1.0指示缺氧环境，1.0

东濮凹陷沙三中亚段为高盐度环境，该环境的电解质含量高、离子的电缩作用强，导致氧气在湖水中的溶解度降低；当盐度达到一定程度后，会导致水中生产氧气的藻类死亡，所以水体含盐度越高，所含氧的比例越小，还原条件越好，在盐跃层之下一般为闭塞的还原环境，这和利用地球化学研究得到的结果是一致的。

4 讨 论

图9 东濮凹陷沙三段主要化石生态环境(据魏美田，1990)Fig.9 Major fossil environments of the third Member of Shahejie Formation of Dongpu Depression

以上岩石学特征、沉积构造特征及系列地球化学分析指示，沙三中亚段沉积时期盐度较高，为咸水-超咸水的沉积环境，气候温暖潮湿，湖水较深，整体处于缺氧的还原环境。前人对该区古生物特征相关研究结果亦可为之提供相关佐证。前人研究表明，东濮凹陷沙三段沉积期，生物极其繁盛，特别是介形类、孢粉、沟鞭藻等是凹陷内早第三纪的第一次生物发育高峰期。介形类主要有梯形华北介(Huabeiniatrapezoidea)、永安华北介(Huabeiniayonganensis)、滨县玻璃介(Candoanbinxiaensnis)、网纹柔星介(Cyproisreticulata)、粗壮玻璃介(Candoanviriosa)等[69-70]。华北介(Huabeinia)和玻璃介(Candoan)属主要分布于灰黑色、深灰色泥岩中。从两类生物的形态推测它们主要生活水体安静、底质为淤泥质的深水环境[12]。由沙三段泥岩中测定的B、K元素含量推算出古盐度为11%～34%，表明水质为咸水至半咸水，由于水质咸化，沟鞭藻类由3个先机种迅猛发展到60余种[71]。滨县玻璃介(Candoanbinxiaensnis)等深水型属种提供了湖盆下沉、湖面扩张事件的信息；痕迹化石Chondrites指示缺氧咸化深水环境。从东濮凹陷主要化石生态环境表(图9)可以看出指示半深水的渤海藻属大量出现，指示咸水环境的副渤海藻属以及华北介属较常见或大量出现。孢粉组合大多属于亚热带植物的孢粉，金强和黄醒汉[11]对孢粉的分异度进行计算，得出沙三段沉积期植物分异度与温度植物相同，耐旱植物麻黄粉属(Ephedripites)含量为3%～6%，喜湿被子植物栎粉属(Quercoidites)占25%左右，说明沙三段沉积期以湿润气候为主，干旱气候为次，或为半干旱半湿润气候，没有出现特别干旱的气候。

对凹陷内的盐岩、泥岩和砂岩的分布范围进行研究后发现，盐岩一般都发育在湖盆沉积沉降中心，向边缘逐渐相变为泥岩，再向边缘则变为砂岩，三者表现为同时异相，且在空间上不会直接接触，在横向上表现为长消关系(图10)。从连井剖面(图11)上也可以看出，盐岩发育于盆地沉积沉降中心，而相邻的同时期地层则为泥岩，同样说明盐岩发育的沙三中亚段为较深水沉积。

图10 东濮凹陷北部沙三中亚段砂岩、泥岩和盐岩厚度等值线(据高红灿，2015，有改动)Fig.10 The thickness of sandstone,mudstone and saltrock in the North of Dongpu Depression

图11 东濮凹陷卫19井-卫1井-卫47井地层对比图Fig.11 Stratigraphic correlation of well Wei 19 to well Wei 1 to well Wei 47 in Dongpu Depression

图12 东濮凹陷北部沙三中亚段盐岩与烃源岩平面叠合图Fig.12 Plane stacking diagram of saltrock and source rock in the North of Dongpu Depression during the deposition of the middle section of the third Member of the Shahejie Formation

但在该地区的研究中，前人亦指出存在一些指示浅水沉积的证据，主要有一些岩心和沉积构造方面的现象[5-6,72]。如：(1)沙三段岩心有红色地层出现，认为其是干旱氧化的标志(文13-52、濮深12井、濮深14井、濮深7井)；(2)在沙三段沉积中，与深水相暗色泥岩互层的块状砂岩中含有“同生砂岩角砾”和“泥岩撕裂屑”，把它作为遭受侵蚀暴露再搬运沉积的浅水沉积证据。本次研究发现，出现红层的4口井在沙三中沉积期间皆位于盐岩分布范围的外围，处于盆地的较浅部位，所以推断这些红色沉积层并不具有指示盐岩发育区典型沉积环境的意义；此外，沙三沉积期间，东濮南部均有强烈的火山活动[73]，且同期震积岩在凹陷盐岩沉积期普遍发育，所以正如有些研究者所指出的，所谓浅水沉积证据的“同生砂岩角砾”和“泥岩撕裂屑”可能亦为震积岩[74]。

大量的岩心观察和录井、测井资料表明，盐岩与烃源岩在纵向上互层，具有明显的共生关系；平面上盐岩主要发育在湖盆沉积沉降中心，为半深湖-深湖发育区，与烃源岩具有较好的共生关系(图12)。前人研究表明凹陷北部沙三下、沙三中亚段膏盐岩发育区有机质丰度高，达到“较好-好”的标准，其有机质类型以Ⅱ1干酪根为主；而沙三上亚段膏盐岩欠发育区有机质丰度仅达到“较差-较好”的标准，其有机质类型以Ⅱ1为主，但同时含有较大比例的Ⅱ2干酪根[75]。可见膏盐岩不仅与烃源岩的平面分布范围和纵向分布层位关联密切，而且其发育程度与烃源岩有机质丰度的高低及有机质类型的优劣成正相关。

5 结 论

(1)多种地球化学、岩石学、沉积构造特征以及古生物等研究揭示，东濮凹陷沙三中亚段沉积期湖水古盐度较高，为咸水-超咸水沉积环境；气候温暖湿润，无特别干旱的环境；盐岩发育区水体较深，为深湖相沉积，表现出典型的还原性沉积环境。

(2)深水咸化湖盆沉积环境可能是该区优质烃源岩发育和油气发现的重要条件；大部分生物不能适应这种高盐度环境而死亡，导致嗜盐微生物因缺少天敌而爆发式生长，为凹陷提供丰富的有机质；此外高盐度湖水氧含量较少，可使有机质免遭破坏，有利于有机质的保存。

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