河南濮陽梨園巖鹽礦成礦地質(zhì)條件及鹽湖盆地充填演化特征*

李萬忠 柴重陽 李珂瑩 宋 瑋

(1.河南省地質(zhì)科學(xué)研究所；2.河南省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過程與資源利用重點實驗室；3.河南省煤田地質(zhì)局資源環(huán)境調(diào)查中心)

河南省濮陽縣梨園巖鹽礦區(qū)位于豫北平原東部，地處濮陽市濮陽縣東南部梨園鄉(xiāng)—白堽鄉(xiāng)一帶。20世紀(jì)80年代，該區(qū)以石油勘查為主，中原油田以找石油為目的在區(qū)域上施工有多個鉆孔，均見到含鹽層位存在。近年來，隨著河南省地勘基金項目(河南省濮陽縣梨園巖鹽礦普查)的開展，在收集區(qū)域95.26 km三維地震資源、6 400 m鉆探資料的基礎(chǔ)上，通過地質(zhì)測量、二維地震、鉆探與數(shù)字測井、采樣化驗等工作手段，確定了研究區(qū)普遍存在沙一下亞段鹽(沙一鹽)，巖鹽礦層自然單層厚度最小為0.5 m，最大為17.0 m，單礦層厚度一般在2.0 m以上，埋藏深度為2 920～3 486 m，鹽巖資源量達到超大型規(guī)模。本研究結(jié)合梨園巖鹽礦區(qū)地質(zhì)工作成果，著重對礦區(qū)成礦地質(zhì)條件及鹽湖盆地充填演化特征進行研究。

1 區(qū)域成礦地質(zhì)背景

河南梨園巖鹽礦位于華北陸塊南部東濮凹陷構(gòu)造單元的前梨園洼陷帶中，地層分區(qū)屬華北區(qū)華北平原分區(qū)、豫北小區(qū)[1-2]。東濮凹陷為古近紀(jì)拉張斷陷盆地，根據(jù)凹陷區(qū)內(nèi)構(gòu)造特征及地層結(jié)構(gòu)，可將東濮凹陷自西向東劃分為西部斜坡帶、柳屯—海通集洼陷帶、中央隆起帶、前梨園洼陷帶、東部陸岸帶5個次級構(gòu)造單位(圖1)。前梨園洼陷為東深西淺的箕狀洼陷，NNE走向，為東濮凹陷最大的單斷式次洼，受蘭聊斷層控制，具有東斷西超的特點，凹陷內(nèi)斷裂不發(fā)育[4-6]。前梨園洼陷為東濮凹陷古近系沉積沉降中心。

圖1 東濮凹陷次級構(gòu)造單元示意[3]

由于新生代的沉陷作用，區(qū)內(nèi)被第四系黃土覆蓋，無基巖出露。根據(jù)本研究鉆孔資料，可知第四系覆蓋層厚度一般約300 m；第四系之下為新近系，自下而上有館陶組、明化鎮(zhèn)組；新近系之下為古近系，自下而上有古近系孔店組、沙河街組和東營組。各組巖性組合、厚度及沉積相等特征如圖2所示。沙河街組為區(qū)內(nèi)主要的賦礦層位，本研究將沙河街組內(nèi)廣泛發(fā)育的多套厚層膏鹽分為12個鹽組。

研究區(qū)中南部為凹陷最底部，向東很快抬升至陡岸帶，向西抬升較為緩慢，整體上構(gòu)造較為簡單(圖3)。沙一鹽在中南部沉積厚度最大，受中央隆起帶控制及地形作用，區(qū)域上圍繞中央隆起呈環(huán)形分布。

2 巖鹽礦地質(zhì)特征

2.1 一般特征

根據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔資料，本研究將含鹽層系巖性分為泥質(zhì)巖類、膏巖類、石鹽類三大類，其中石鹽類為區(qū)內(nèi)含鹽層系的主要巖性，占含鹽地層總厚度的60.09%～85.3%。純凈的塊狀石鹽巖礦石呈無色透明、灰白色，致密塊狀構(gòu)造，層狀產(chǎn)出，其鹽質(zhì)和厚度在水平方向上延伸穩(wěn)定性較好，礦石質(zhì)量較好，可見純凈四方晶體(粒度為1～4 cm)，為區(qū)內(nèi)主要的礦石類型(圖4)。

石鹽巖的主要成分為石鹽(NaCl)、硬石膏及微量鐵質(zhì)、有機質(zhì)、自生石英、黃鐵礦和黏土礦物、白云石、方解石等， NaCl品位一般大于80%，最高達98.09%。

2.2 地球物理特征

區(qū)內(nèi)巖鹽礦層與泥巖、膏質(zhì)泥巖互層，通過鉆探取芯、地球物理測井曲線的研究，認(rèn)為巖鹽礦層反映地球物理特征效果最佳的測井曲線為視電阻率、自然伽瑪、自然電位3條曲線。區(qū)內(nèi)巖鹽在固體狀態(tài)下呈晶體狀態(tài)，導(dǎo)電性能差，所測巖鹽層視電阻率明顯高于泥巖地層[7-9]；自然伽瑪值主要取決于巖石中的泥質(zhì)含量，泥質(zhì)含量越多，放射性越強，所以在自然伽瑪測井曲線上，礦層的自然伽瑪值明顯低于泥質(zhì)巖層；自然電位測井中由于巖鹽礦層被溶解后的空間內(nèi)充滿了高礦化度的泥漿，導(dǎo)電性能明顯變好，使得自然電極在礦層部位所測到的電阻率值非常小。巖鹽的這種高視電阻率值、低自然伽瑪、井徑呈明顯擴徑的測井特征不受地層埋深影響(圖5)，這種差別可作為劃分礦層、區(qū)分礦層與圍巖的重要標(biāo)志。

圖2 沙河街組各鹽組特征

通過分析已知巖鹽在地震剖面上的地震響應(yīng)特征可知，Es1底部的巖鹽層具有連續(xù)多相位、強振幅特征。巖鹽在地震剖面上普遍表現(xiàn)為1～3個能夠連續(xù)對比追蹤的相位組成，在沉積中心相位增多(最大3個)，在沉積中心邊部相位減少(一般為1個)。相位的多少在一定程度上反映了巖鹽層厚度的變化，在瞬間相位剖面上可看出巖鹽層性好、連續(xù)性好。區(qū)內(nèi)表現(xiàn)為位于前梨園凹陷中部(ZK1003、ZK0403鉆孔)礦層數(shù)多、厚度較大、含礦率高，位于凹陷兩側(cè)部位(西部ZK0401、文75等鉆孔，東部前參1鉆孔)礦層數(shù)少、厚度較小、含礦率低、礦層埋藏相對較淺等特征。各鉆孔的見礦特征參數(shù)見表1。

2.3 鹽巖礦標(biāo)志層劃分

在含鹽地層巖-電關(guān)系研究、含鹽層系巖性對比分析的基礎(chǔ)上，以含鹽層系下部一套厚度較大(27～34 m)、分布穩(wěn)定的巖鹽層作為直接標(biāo)志層；以該巖鹽層上、下巖性組合特征作為重要標(biāo)志層：上部為一層厚度為4.60～5.90 m的暗灰色泥巖，下部為一層厚度為2.90～3.60 m的含膏泥巖或白云質(zhì)泥巖[8]。本研究根據(jù)鹽巖電性特征，并結(jié)合主礦層和鹽巖標(biāo)志層，對礦區(qū)鹽巖礦層進行了圈連對比，結(jié)果如圖6所示。

2.4 沉積旋回

圖3 沙一段巖鹽等厚線

圖4 灰白色石鹽巖樣品

圖5 鹽巖電性特征

表1 梨園鹽礦區(qū)各鉆孔見礦特征參數(shù)

3 鹽湖盆地充填演化模式

圖6 梨園鹽礦區(qū)鹽層標(biāo)志層對比結(jié)果

表2 ZK0403鉆孔分層及巖性特征

(1)初期斷陷階段(Ek—Es4)。初始斷陷期，湖盆逐漸形成，范圍較小，沉積厚度不大。沙四段最大厚度為200 m，巖性為粉砂巖、泥巖交互，凹陷南部由于基底抬升致使沉積較薄或缺失，巖性以紅色粗碎屑為特征。沙四段泥巖中淡水環(huán)境的介形蟲類、輪藻化石的發(fā)現(xiàn)，反映了湖盆初期河流、淺湖相沉積[10]。

(2)強烈裂陷階段(Es4—Es3)。強烈裂陷期蘭聊斷裂、長垣斷裂、黃河—文西—衛(wèi)西斷裂活動的差異，初步造就了“兩凹一隆”的格局，當(dāng)時南高北低的地形、北部水體加深、咸化，相對低洼地帶沉積了砂泥巖—膏鹽巖—砂泥巖的垂向旋回，向四周漸變?yōu)楹嗄鄮r、白云巖及砂巖，呈環(huán)帶狀分布[8]。

圖7 東濮凹陷形成演化階段示意

圖8 東濮凹陷古近系沉積旋回與盆地演化階段示意

(3)萎縮(Es2) 階段。控制盆地沉降的NE向斷裂活動減弱，湖盆水體變淺，范圍縮小，成為淺湖泥灘和河流淺水的沉積環(huán)境，在邊緣緩坡地帶為三角洲沉積。區(qū)域上總體為一套下粗上細(xì)的正旋回沉積， 礦區(qū)內(nèi)該時期的沉積特征為紅色砂、泥巖互層—紅色含膏泥巖。由下部的河流淺湖相到上部的淺湖沉積，顯示出了盆地由淺至深的新發(fā)展階段，揭示了第2次沉積旋回開始。

(4)穩(wěn)定下沉(Es1) 階段。沙一段時期屬于第2次旋回發(fā)育階段，盆地在邊界斷層的活動下又一次下降，湖盆水體變深、范圍變大，但規(guī)模較Es3小，水體咸化，凹陷中心發(fā)育一套分布廣泛的膏鹽層，沉降中心厚度達600 m以上。該沉積時期中央隆起帶仍具有控制作用，沙一鹽圍繞中央隆起帶呈環(huán)帶分布。

(5)收縮(Ed)階段。 東營組沉積時期進入第2次旋回萎縮階段，華北運動使得東濮地區(qū)急劇抬升，湖盆萎縮，水體快速退縮，區(qū)域上以河流—淺水沉積為主，沉積了一套紫紅色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂礫巖。

(6)坳陷(N)階段。東濮凹陷末期，東濮地區(qū)構(gòu)造最終定型。區(qū)域上經(jīng)整體上抬和短暫剝蝕夷平后又整體下沉，沉積了一套雜色砂礫巖與泥巖，覆蓋了所有的隆起和坳陷[8]。

4 礦床成因

在邊界斷層的強烈活動下，沙一鹽沉積時東濮凹陷北部地區(qū)呈現(xiàn)“高山深盆”的地理景觀[12]、鹽度較高的半咸水—咸水水體、半干旱半潮濕的氣候條件提供了石鹽礦床的沉積條件。本研究認(rèn)為梨園巖鹽礦為深盆淺水蒸發(fā)成因，以古近系第2次旋回沉積為例，對梨園巖鹽礦成因進行剖析。

4.1 湖盆環(huán)境

通過分析古近系微體古生物生態(tài)，可知湖盆發(fā)生過2次從淡水到半咸水—咸水的演化階段，并造成了咸、深水型生物與淺、淡水型生物周期性更替和橫向分布上的變化。區(qū)內(nèi)沙一段含膏泥巖中微咸水—咸水生物較發(fā)育，沙一段膏鹽層之上的灰色泥巖出現(xiàn)淡水藻類化石，表明水體由咸化開始逐漸淡化，當(dāng)時氣候不完全為干旱環(huán)境，應(yīng)屬于半干旱半潮濕的氣候條件。

由巖性及鹽巖韻律特征分析，可知梨園巖鹽礦在垂向上和橫向上具有鹽巖—膏鹽巖—含膏泥巖—泥砂巖的沉積順序[13]，湖盆中心相到邊緣相的變化間接反映了當(dāng)時沉積環(huán)境。氣候潮濕期，湖盆水體變廣、變深，中心地段陸源沉積物相對較少，僅發(fā)育沉積緩慢的頁巖和暗色泥巖；當(dāng)氣候由潮濕期向干旱環(huán)境轉(zhuǎn)化時，湖盆變淺、湖面收縮，在此過程中逐漸蒸發(fā)沉積了碳酸鹽巖、膏鹽巖和鹽巖[14]。湖盆邊緣區(qū)因干旱缺少河流帶來的陸源物而不發(fā)育與膏鹽巖對應(yīng)的沉積物，橫向上巖鹽與泥砂巖表現(xiàn)為長消關(guān)系，由于氣候不斷變化，在盆地中央(沉積中心)形成了深水泥巖和鹽巖的薄互層，并在由斷層或撓曲形成的轉(zhuǎn)折端處，發(fā)育有大量的低水位砂巖。

4.2 成鹽機理

梨園巖鹽礦具有富鈉貧鉀、高氯低溴的特點，據(jù)此可將鹽類礦物分為氯化鹽、硫酸鹽及碳酸鹽三大類。一般認(rèn)為湖盆水體的鹽度達到鹽巖的析出濃度時才會有鹽巖沉積，成鹽初期因為碳酸鹽的溶解度低，當(dāng)湖水稍微濃縮便開始沉淀，因此在湖盆中心多為碳酸鹽與暗色泥巖互層；當(dāng)湖水濃縮了19%時，硫酸鹽礦物開始沉淀，區(qū)內(nèi)表現(xiàn)為近湖盆中心沉積膏鹽巖類礦物、灰色泥巖夾石膏；當(dāng)湖水濃縮了90%時，氯化鹽類礦物開始沉淀，因巖鹽的溶解度高，沉淀速度相對較快，在區(qū)內(nèi)形成了厚度不等的巖鹽層[13-14]。

由上述分析可知，在成鹽過程中，蒸發(fā)巖在一定的物理化學(xué)條件下，礦物質(zhì)按照溶解度大小，由小到大依次沉淀，最先形成的是碳酸鹽(方解石、白云石)，其后為硫酸鹽(硬石膏)、鹽巖。由于化學(xué)分異和蒸發(fā)沉積作用導(dǎo)致各種鹽類相對富集，進而形成了礦層和礦床。

5 結(jié) 論

(1)梨園巖鹽礦區(qū)位于東濮凹陷前梨園沉積中心，通過收集該區(qū)以石油勘查為主的地質(zhì)資料，結(jié)合二維地震、鉆探等工作成果，驗證了沙一下亞段巖鹽礦資源的存在，巖鹽具有富鈉貧鉀、高氯低溴的特點，灰白色巖鹽層多位于深灰色含膏質(zhì)泥巖之上。

(2)梨園巖鹽礦形成于高山深盆淺水蒸發(fā)環(huán)境，展布面積較廣、疊合厚度大。

(3)梨園巖鹽礦中暗色泥巖與鹽膏鹽的互層反映了湖盆水體的頻繁變化，間接反映了當(dāng)時半干旱半潮濕的氣候環(huán)境。

(4)梨園巖鹽礦含鹽層位暗色泥巖中的咸水生物反映了湖盆鹽度較高的半咸水—咸水水體以及還原—強還原環(huán)境。

(5)梨園巖鹽礦層具有展布范圍廣、厚度穩(wěn)定等特點，為良好的蓋層且與泥巖的頻繁互層，對于區(qū)域油氣保存十分有利。