地质力学学报  2017, Vol. 20 Issue (4): 446-454
引用本文
孙祥飞, 陈勇, 王成军, 王鑫涛. 膏盐脱水在盐底辟发育过程中的作用分析-以东营凹陷为例[J]. 地质力学学报, 2017, 20(4): 446-454.
SUN Xiang-fei, CHEN Yong, WANG Cheng-jun, WANG Xin-tao. THE EFFECT OF SALT-GYPSUM DEHYDRATION ON THE DEVELOPMENT OF SALT DIAPIR: A CASE STUDY OF DONGYING SAG[J]. Journal of Geomechanics, 2017, 20(4): 446-454.
膏盐脱水在盐底辟发育过程中的作用分析-以东营凹陷为例
孙祥飞 , 陈勇 , 王成军 , 王鑫涛     
中国石油大学(华东)地球科学与技术学院, 山东 青岛 266580
摘要:基于国内外已经取得的盐构造研究成果, 根据东营凹陷盐构造的发育特征, 指出流体在盐构造发育过程的重要作用。东营凹陷沙四段含有大量膏盐和含膏地层, 根据岩心、测井和地震等资料分析了东营凹陷盐构造特征。由于膏盐脱水作用会导致地层内部产生异常高压, 而异常高压可以作为动力迫使流体向上流动继而在上覆地层产生水压力裂缝, 流体上涌过程中可以带动盐类物质向上运动, 因此认为膏盐脱水对盐构造形成发育有重要作用。基于膏盐脱水和超压流体作用, 建立了东营凹陷沙四段盐底辟构造发展史模型, 分析了东营凹陷盐构造在流体作用下形成发育过程, 结果表明膏盐脱水在盐构造发育初期和中期具有重要作用。
关键词东营凹陷    盐底辟构造    膏盐脱水作用    
THE EFFECT OF SALT-GYPSUM DEHYDRATION ON THE DEVELOPMENT OF SALT DIAPIR: A CASE STUDY OF DONGYING SAG
SUN Xiang-fei , CHEN Yong , WANG Cheng-jun , WANG Xin-tao     
College of Geo-resources and Information, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China
Abstract: There is a series of achievements about salt tectonics both at home and abroad. This paper points out that fluid in the tectonics development of the important role of salt, which is based on previous studies and the developmental characteristics of salt tectonics in Dongying sag. It contains a lot of salt-gypsum and salt-gypsum formations. This paper analyzes the characteristic of the salt tectonics according to the core, logging and seismic data. Abnormal high pressure created by salt-gypsum dehydration in stratum, high pressure can be used as a dynamic force fluid flow upward and this contributes to hydraulic fracturing in the overlying strata and can drive the salts material in the process of fluid upwelling upward movement. This paper proposes that salt-gypsum dehydration has an important influence on the formation of the salt tectonics. Based on the effect of salt-gypsum dehydration and overpressure fluid, the history of model of member 4 of Shahejie Formation salt diapir in Dongying sag is established according to seismic cross-section and logging data. Salt tectonics is analyzed during the migration of fluids in the process of development, salt-gypsum dehydration effect in early and mid-salt tectonic development important role.
Key words: Dongying sag    salt diapir    salt-gypsum dehydration    

早在1960年,特鲁斯海姆就描述了盐构造的3个发展阶段(盐枕、盐底辟和后底辟阶段),指出假设表面的岩石是粘性的,发展阶段都有典型的瑞利-泰勒不稳定性作用[1]。对波斯湾盆地、墨西哥湾盆地和北海盆地的盐构造研究取得很多重要认识[2~5],Vendeville等[6~7]也曾系统总结过世界各地盐构造研究成果。近年来,国内对盐构造研究也越来越重视。汤良杰等[8]、贾承造等[9]对塔里木盆地进行研究,指出了其包含的多期盐构造和多种盐构造样式;邬光辉[10]等对塔里木盆地库车凹陷盐构造进行分析,认为差异负载是库车凹陷盐构造初始形成时的动力来源;刘晓峰等[11]对东营凹陷盐构造进行研究,指出区域伸展作用下的重力滑动作用是东营凹陷盐-泥构造的主导成因机制。还有一些盐底辟构造至今都在缓慢的抬升,例如:威克斯岛盐丘在过去的2500 a间顶部沉积物被抬高了50 m,相当于每年2 mm[12];死海的the Mount Sedom底辟构造,在过去的8000 a间以每年6~7 mm的速度抬高[13];也门的Salif底辟构造在过去的3700 a间以每年4.6 mm的速度抬升[14]。前人主要用浮力作用和差异载荷作用解释盐枕的抬升,不同地区的作用机制也有差异。本文以东营凹陷的盐相关构造为研究对象,考虑到东营凹陷中含有大量膏盐、盐膏、含膏泥岩和含膏砂岩等,膏盐埋深达一定深度时会发生脱水反应,认为膏盐脱水在盐构造发育中有重要作用,本文尝试从膏盐脱水过程分析了流体对岩盐变形机制的影响。

1 研究区地质概况

东营凹陷为渤海湾盆地济阳坳陷中的一个次级构造单元,东西长约90 km,南北宽约65 km,面积大约5700 km2。其周围被凸起包围,北有陈家庄凸起,南有鲁西隆起,西为滨县、青城凸起,东为青坨子凸起;具有北断南超的箕状凹陷特色,内部发育一系列正向二级构造带[15~18];中央隆起带也处于凹陷之中(见图 1)。其地质构造主要由2个同向错位叠合的箕状洼陷和这两者之间的隆起带所构成,因此可以将盆地划分为民丰洼陷、利津洼陷、博兴洼陷、牛庄洼陷、北部陡坡带和南部缓坡带等二级构造单元。本次研究的区域主要为东营凹陷北部陡坡带(图 1红框内区域),其东起永北地区,西到滨县凸起,北起陈家庄凸起,南到洼陷带,面积约1500 km2

图 1 东营凹陷构造分区图(据文献[19],有修改) Figure 1 Structural scheme of Dongying sag
2 膏盐岩类型及分布特征

东营凹陷的盐岩主要分布在沙四段,孔店组也有岩盐层出现。沙四段的盐岩层主要位于东营凹陷中北部,包括中央隆起带、民丰洼陷、利津洼陷和牛庄洼陷。纵向上主要发育在沙四下亚段,深度基本都在3500 m以下,累计厚度约900 m。膏盐岩性类型众多,包括膏盐、盐膏岩、泥膏岩、膏盐岩、盐岩、石膏质泥岩、含膏泥岩、含盐泥岩、含膏砂岩、含膏泥岩及少量膏质白云岩和灰岩[20~21]。洼陷中心以膏盐岩和盐岩为主,洼陷边缘以膏岩和泥膏岩等为主。表 1为部分井的膏盐层厚度,从表中可以看出东营凹陷的盐岩里含有大量的膏盐。

表 1 膏盐层厚度数据表 Table 1 The data sheet of thickness for gypsum-salt strata
3 盐底辟类型与变形特征

费琪等[22]根据底辟构造核与上覆地层的接触关系,将东营凹陷分为3种底辟构造:微弱背斜隆起,如南部缓坡带;低隆起背斜,如坨庄—胜利村构造;高隆起背斜,如东营、郝家、辛镇。由于高隆起背斜盐岩变形明显,下面重点介绍东营凹陷的高隆起背斜。

典型的高隆起背斜在东营凹陷郝家的沙四段盐岩段(见图 2),可以看到,中间最厚,两翼略薄。这种现象的产生与瑞利-泰勒不稳定性有重要关系[23],由于热的等离子体在磁场中会出现抗磁性漂移,因此在等离子体与真空的边界上出现扰动时,在扰动的波峰波谷之间会出现电荷的积累。这种积累产生的电场由洛仑兹力分析可知,会使波谷加深,波峰变高,从而使等离子体的槽纹变深。由于瑞利-泰勒不稳定性的影响,盐构造上浮过程中,在盐构造顶部和槽部,盐岩越来越厚。盐上层变形样式主要表现为断层相关褶皱和三角带构造;岩层变形样式主要表现为盐枕构造和岩层内部复杂的褶皱构造;盐下层变形样式主要表现为断褶构造和双重构造。在上述复杂多变的盐相关构造样式中,盐底辟构造尤其引人注意。根据断层是否穿过盐岩层,本文又把高隆起背斜盐底辟构造分为2类。

图 2 东营凹陷郝科1井南北向地震剖面图 Figure 2 South-north seismic cross-section of HK1 in Dongying sag
3.1 断层未穿型高隆起背斜

针对高隆起背斜类型,以东营凹陷郝科1井(见图 2)为例,本区盐岩层处于盐底辟阶段,盐枕上拱致使上覆地层发生断裂,形成了东营凹陷盐-泥滚-滑脱断层簇-滚动背斜构造样式。其形成初期受浮力作用、差异载荷和膏盐等的脱水作用共同控制,本文认为膏盐等的脱水作用为主要控制作用;后期主要受区域伸展作用控制。当水的带动作用停止时,没有足够的动力支持盐岩上升,盐岩层就停止上拱,形成良好的密封,这很好地解释了东营凹陷盐岩层为什么停止上拱。镜下观察盐岩样品可以看到流体对岩盐作用时留下的地质证据,图 3为由于流体作用在岩盐颗粒边缘形成的盐水包裹体群。对膏盐岩样品进行镜下观察,流体痕迹很常见,而流体作用有利于岩盐变形,前人对此已有研究。Urai等[24]通过观察晶界附近的流体膜和流体包裹体形态,发现了表面能驱动溶解-沉淀过程的证据。在研究变形作用的实验中,这些流体膜可以增加晶界的流动性。非常少的盐水便可以影响岩盐的蠕变,在晶体周围薄的盐水膜可以提高动态重结晶。这些膜可以引起溶液转移蠕变,水可以扩散氯化钠晶格,可以影响位错机制[24]。而少量的水也很容易在岩盐颗粒边缘形成流体包裹体。这些证据表明流体活动对盐构造的变形和演化具有重要影响。若盐岩层仅受浮力作用影响,那无法解释盐岩层为什么自动停止上拱[25]。盐岩层上覆断层发育,构造样式多样,有断层经过盐岩段,但没有穿透盐岩层。

图 3 流体作用在岩盐颗粒边缘形成的盐水包裹体群 Figure 3 Aqueous fluid inclusions assemblage in the edge of grain because of fluid process
3.2 断层穿过型高隆起背斜

以过东风5等井的地震剖面为例,本区盐岩处于盐底辟阶段(见图 4),但却被复杂的断层穿过。不仅盐上断层发育丰富,盐岩层本身也受复杂断层影响,盐岩变形显著,盐岩段高处和低处最厚,其他处略薄。从东风5-东风1-东风3-东风2剖面可以看出,断层对盐岩段的改造很大,伴随着区域伸展作用的加强,加之重力作用影响,形成沿盐-泥层顺层切层的滑脱断层。在滑脱断层下盘的盐-泥层逐渐向上运动,形成了盐-泥滚构造,而在上盘形成反向牵引断裂和滚动背斜。在滑脱带前缘,盐-泥层由于受到滑脱断层的牵引力,从而聚集隆升发育成盐-泥核背斜。

图 4 东营凹陷东风5-东风1-东风3-东风2地震剖面 Figure 4 Seismic cross-section of DF5-DF1-DF3-DF2 in Dongying sag
4 膏盐脱水与盐构造演化

根据含盐岩段的地震剖面图和盆地演化史[26],本文建立了东营凹陷沙四段盐岩发展史模型(见图 5),分析了膏盐脱水在盐构造发育过程的重要作用。

图 5 东营凹陷沙四段盐底辟构造演化模型图 Figure 5 The tectonic evolution model of salt diapir in the fourth Member of Shahejie Formation in Dongying sag
4.1 膏盐脱水与超压流体作用

在盐岩中当流体压力接近岩石静压力时,容易产生断裂和水力压裂缝[27~28]。蒸发岩中的流体压力随着埋深的增加会发生重要的变质反应,例如石膏变成硬石膏,这个过程会从晶体中释放水(CaSO4·2H2O==CaSO4+2H2O),可以增加38%的空隙体积(石膏体积为74.7 cm3/mol,硬石膏为46 cm3/mol)[29]。孔隙流体矿化度、孔隙流体压力、盐成分、晶粒大小和地热梯度等因素均会影响膏盐的脱水反应。当温度为70~105 ℃时可以观察到石膏到硬石膏的转化[30],地下埋深2~3 km的盐岩层中包含的膏盐将会脱水,其中的自由流体被挤入到一个盐岩层外的临时运移通道,并产生高压流体,流体带动盐岩上涌,上涌过程中使上覆地层产生裂缝。同时在蒸发岩序列中光卤石转变成钾盐,导致体积变化(KMgCl3·6H2O+4H2O→KCl+Mg2++2Cl-+10H2O)。该反应使孔隙体积增大了40%[27],这可能会使大量的流体逃离光卤石层。由变质作用引起的高流体压力可引起流体扩散膨胀,导致地层中的裂缝相互连通,增加了孔隙率[31]。Sahay等[32]指出超压常出现在盐构造地区。数据表明东营凹陷沙四段地层水是超压的,与盐构造相关的断裂活动会导致超压流体的幕式释放,超压给流体流动提供动力。

4.2 盐构造演化过程分析

本文初步把盐构造演化分为3个阶段,包括发展初期A、发展中期B和稳定期C,分别表述如下:

发展初期A,黑色段代表沙四段(见图 5),结合东营凹陷构造演化史分析[26],沙四段底层埋深到2 km的时候距今约40 Ma左右,地层温度约为80 ℃,在该条件下膏盐容易发生脱水作用。发展初期膏盐岩受浮力作用、差异载荷和膏盐等的脱水作用共同控制盐岩段的上升,构造活动对盐构造几乎没有影响,超压流体带动盐类物质向上运动。差异载荷作用可以在岩盐早期阶段引起盐运动,上覆地层比岩盐密度大,一旦瑞利-泰勒不稳定开始,盐枕将持续上升直到它们上面的地层都被剥蚀掉,而现实是盐枕上升过程中自发停止抬升,这个矛盾证实现在存在的枕状构造形成不是简单的由于浮力作用。

从录井资料可以得知,沙四段盐岩含有大量的膏盐,如石膏变成硬石膏,这个过程会从晶体中释放水,还有其他导致地层体积变小的化学反应,都会导致地层的脱水作用,如在蒸发岩序列中光卤石转变成钾盐,导致体积变化,这个反应使孔隙体积增大了40%[27],这可能会使大量的超压流体带着盐类物质上涌。

发展中期B,继续受浮力、差异载荷和脱水等作用影响,盐枕持续上升,发育成盐底辟构造。在该阶段盐岩上升过程中,受瑞利-泰勒不稳定性影响,盐岩段顶底厚,两翼薄[33~34],同时盐岩的上升引起上覆地层发生断裂。在该阶段末期由于断裂使得超压得以释放,同时水压力裂缝愈合,没有足够的动力支持盐岩继续上升,最终形成一系列的盐背斜和向斜。

稳定期C,即目前看到的沙四段盐构造,在本阶段盐岩层也停止上升,几乎没有浮力和差异载荷作用。发展中期以后是构造活动对盐枕的改造时期,区域伸展作用下的重力滑动作用是东营凹陷盐-泥构造的主导成因机制。根据岩石力学研究成果进行的物理模拟实验[6~7]证实,与浮力作用、挤压作用和刺穿作用相比,伸展作用和下沉形成作用对盐构造的演化具有更重要的影响。

5 结论

本文基于岩心观察、地震和录井等资料,结合膏盐脱水特征,对东营凹陷盐底辟构造演化发展过程进行了分析。

本区膏盐岩处于盐底辟阶段,盐岩变形显著,通过镜下观察盐岩样品,可发现流体作用痕迹,这说明在盐构造发育过程中,流体活动对其有重要影响。

东营凹陷沙四段盐底辟构造在发展初期受浮力作用,差异载荷和脱水作用共同控制盐岩段的上升,尤其是脱水作用起主要作用。由于膏盐等的脱水反应,产生超压流体带动盐岩上涌,并使上覆地层产生水力压裂缝。发展中期在岩盐段上浮过程中受到瑞利-泰勒不稳定性影响,盐岩段顶底厚两翼薄;在此阶段末期超压得以释放,同时水压力裂缝愈合,没有足够的动力支持盐岩段继续上升,最终形成一系列的盐背斜和向斜。发展中期以后,膏盐岩停止上浮,在此阶段构造活动起到重要作用。

由于流体容易导致岩盐溶解和变形,有关膏盐脱水和流体作用下的盐构造演化机制还需要深入研究。

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