银川盆地清水营组咸化湖盆沉积特征与湖盆演化

Sedimentary Characteristics and Lake Basin Evolution of Salinized Lake Basin of Qingshuiying Formation in Yinchuan Basin

摘要

银川盆地发育厚层新生界，其中清水营组是咸化湖盆发育的时期，也是烃源岩最为发育的层段，因此明确清水营组的沉积特征及湖盆演化具有重要的地质意义和勘探意义. 综合利用野外露头、钻井岩心、测井及有机地球化学资料，对银川盆地古近纪晚期清水营组的岩性、岩相类型进行分析总结，明确沉积环境. 利用岩电特征、小波变换对清水营组进行沉积旋回识别与划分，在此基础上分析湖盆演化. 清水营组岩性主要为灰色泥岩、棕红色泥岩、含石膏泥岩、石膏及薄层细砂岩、粉砂岩等，共有四种岩相组合类型. 清水营组可划分3个四级旋回，对应清水营组咸化湖盆的3个演化阶段：SQ1为裂陷初期咸化湖盆的发育阶段；SQ2为强烈裂陷期，湖盆水体深度有所增大，盐湖鼎盛阶段；SQ3期水体变浅，湖盆范围变大，封闭性减弱，由咸水湖演化成淡水湖.

关键词

银川盆地 / 清水营组 / 岩相组合 / 层序划分 / 咸化湖盆 / 湖盆演化 / 古地理学

Key words

Yinchuan Basin / Qingshuiying Formation / petrographic assemblage / sequence classification / salinized lake basin / lake basin evolution / paleogeography

0 引言

早期研究表明干旱气候是咸化湖盆形成的主要因素（Lowenstein et al.， 2016； 杨万芹等， 2018；李威等，2020；王力宝等，2020），由此推断咸化湖盆难以形成优质烃源岩；然而随着近几年国内对陆相湖盆页岩油的勘探发现，越来越多的研究揭示有机质丰度高的烃源岩均不同程度地含有或与碳酸盐、硫酸盐或氯化岩等共生（李乐等，2020； 孙中良等，2020；吴世强等，2020），证明了咸化湖盆不仅可以发育优质烃源岩且蕴含着丰富的页岩油资源（匡立春等，2012；余宽宏等，2016；张元元等，2018），使得咸化湖盆的页岩油勘探取得了重大突破. 我国中、新生代陆相断陷湖盆数量众多，与膏盐岩共生或伴生的泥页岩广泛发育，蕴藏大量的页岩油资源（Hu et al.， 2018； Li et al.， 2019； 胡涛等，2021）. 银川盆地自始新世以来发生强烈的拉张与沉降，沉积了厚度大于7 000 m的新生界；其中古近世清水营组为湖盆最为发育时期，发育厚层泥岩与盐岩，是潜在的烃源岩与页岩油气发育层段（郝志伟等，2011）. 然而由于资料匮乏，银川盆地勘探程度低，关于清水营组的湖盆沉积特征与湖盆演化研究相对滞后，严重制约着银川盆地油气资源的勘探与开发.

银川盆地仅有少量露头、钻井及2D地震资料，因此其勘探程度较低. 目前研究区共有5口钻井，其中只有银堑1井与银参3井钻穿清水营组. 本文综合利用野外露头、钻井岩心、测录井资料，结合地球化学分析资料对清水营组的岩性特征、岩相组合类型进行分析，明确清水营组沉积环境；结合岩电分析与小波变换对清水营组沉积旋回进行研究，在此基础上分析了清水营组湖盆演化特征.

1 区域地质概况

银川盆地位于宁夏回族自治区境内，东部与鄂尔多斯盆地相隔黄河断裂，西部与巴彦浩特盆地相隔贺兰山东麓断裂，西南为青铜峡‒固原大断裂，北界为正谊关断裂；盆地长约180 km，宽42~60 km，面积约7 790 km²（图1）. 银川盆地总体呈北北东走向，从北往南依次发育平罗凹陷、常信凹陷、银川北凹陷和灵武凹陷，其中平罗凹陷最深可达9 000 m（Lin et al.， 2015）.

银川盆地是鄂尔多斯区块周围新生代裂谷盆地之一，自始新世以来发生强烈的拉张与沉降，沉降速率与华北新生代断陷盆地大体一致，第四系沉降更为剧烈. 贺兰山、牛首山和桌子山分别构成了盆地的西、南、北边界，主要出露前新生代的岩石. 银川盆地及其周边地区缺少上奥陶统、志留系、泥盆系、下石炭统和上白垩统等沉积地层. 银川盆地周缘露头出露的前寒武纪岩石主要由片麻岩、石英片岩和板岩组成. 寒武系主要由灰岩组成. 奥陶系是灰岩与砂岩和页岩的夹层. 中、上石炭统主要由砂岩、页岩、石灰岩和煤层组成. 下二叠统由灰绿色砂质页岩与砂岩互层组成，上二叠统是由砂岩和泥岩组成的红岩系列. 三叠系主要是长石石英砂岩、石英质长石砂岩、长石砂岩和少量紫红色淤泥质泥岩. 下侏罗统为灰色砂岩，与黑色页岩和煤层互层. 中侏罗统为黄绿色、灰白色砂岩与灰色泥岩互层. 上侏罗统主要由紫红色砂岩和砾岩组成，夹有薄层页岩和薄层煤层. 下白垩统主要是砖红色砾岩.

银川盆地的基底地层由古生代地层和前古生代地层组成，南部还可能有侏罗纪和白垩纪地层. 银川盆地内部新生界不整合于前古近系之上，自下而上划分为渐新统清水营组、中新统红柳沟组（彰恩堡组）和上新统干河沟组（图1）. 清水营组主要发育绿灰、灰、棕红色泥岩、膏质泥岩、云质泥岩夹浅灰色砂岩，泥岩中含有分散装的有机质及黄铁矿微粒，指示清水营组为湖相还原性环境（Liu et al.， 2020）. 红柳沟组（彰恩堡组）发育灰白色含砾砂岩、浅黄色细砂岩与棕红色泥岩互层，沉积环境主要为河流相与滨浅湖相. 干河沟组砂砾岩明显增多，砂岩含量超过60%，主要为浅棕色、灰色、褐黄色含砾砂岩夹薄层棕黄色泥岩，指示湖盆进一步萎缩，水体进一步变浅（郝志伟等，2011）.

2 清水营组岩相及沉积环境

2.1　露头岩性特征

本次研究共观测了3个露头剖面，分别是牛首山烽坡台露头、红墩子露头、燕子湖露头. 牛首山烽坡台露头剖面（起点坐标N37°41’57’’，E106°7’34’’）为银川盆地典型的不整合接触剖面（图2a~2c），下部清水营组发育厚层棕红色‒灰绿色泥岩、粉砂质泥岩夹薄层细砂岩，由于露头长期暴露，灰绿色泥岩表面被氧化成棕黄色，新鲜面仍为灰绿色，以块状层理为主，局部发育水平层理. 此露头剖面上显示清水营组发育薄层状石膏（图2f），厚度多小于1 cm，横向连续性强. 此剖面指示在银川盆地南部边缘仍为湖相沉积，且湖水盐度较高. 上部干河沟组发育砂砾岩与中粗砂岩，河道沉积特征明显，发育冲刷面、平行层理、交错层理、砾石定向排列等沉积构造，河道下切清水营组泥质沉积（图2a、2b）. 露头剖面显示下部清水营组与上部干河沟组存在角度不整合，且在清水营组可观察到正断层发育（图2c、2d）.

红墩子剖面（起点坐标N38°25’57’’， E106°33’2’’）出露于清水营组的中上部，岩性露头显示清水营组岩性以灰绿色‒棕色厚层泥岩为主，观察点近黄河断裂带，断层发育；不同位置露头出现的灰绿色泥岩层数与厚度有所差异，厚度为0.1~1.2 m，横向稳定连续性好（图3a~3d），夹薄层粉砂岩、细砂岩（图3c）. 个别露头显示清水营组上覆红柳沟组（彰恩堡组），上部发育红柳沟组（彰恩堡组）棕红色含砾砂岩，砾石定向排列，发育交错层理；下部发育灰绿色泥岩，厚度约0.8 m， 发育块状层理（图3b）.

燕子湖剖面（起点坐标N38°25’39’’， E106°32’23’’）外围被牧场栅栏圈闭无法近距离观察，从远处观察，清水营组出露块状灰绿色泥岩厚度大于1.5 m，灰绿色泥岩与棕褐色泥岩突变接触（图4a）. 栅栏外露头上部出露灰绿色厚层泥岩，表层氧化呈黄绿色（图4b），下部出露棕红色泥岩夹薄层细砂岩（图4c）.

2.2　岩心岩性特征

本文共收集并观察了银参4井与银堑1井的岩心. 银参4井清水营组岩心显示，清水营组主要发育块状灰褐色泥岩、棕红色泥岩和灰色膏质泥岩，灰色泥岩中石膏以脉状（图5a）、团块状（图5b）产出. 银参4井取心段发育厚层盐岩，厚度约13.5 m，指示清水营组发育咸化湖沉积（图5c）. 泥岩以块状层理为主（图5d、5e），同时发育平行层理的灰色泥岩（图5g）、沙纹层理的粉砂岩（图5h），灰白色细砂岩中碳屑发育（图6i）. 银堑1井取心较少，清水营组岩性主要为块状灰色泥岩（图6a）、灰色细砂岩（图6b）、灰色膏质泥岩（图6c）、棕红色泥岩（图6d），偶见平行层理细砂岩（图6e）.

2.3　岩相组合与沉积环境

清水营组发育沉积构造简单，主要为块状，因此本文主要通过颜色、岩性两个方面对清水营组岩相进行划分（表1）. 综合野外露头、岩心及岩屑录井资料，清水营组岩相组合主要有泥岩类、砂岩类、盐岩类、混合岩类4种类型（图7）. 第一种岩相组合主要为块状棕褐色泥岩、棕红色含灰泥岩相，夹薄层块状浅棕色细砂岩相. 第二种岩相组合类型为块状棕褐色泥岩相、白云质泥岩相、含灰泥岩相，以及薄层平行层理浅棕色细砂岩相. 第三种岩相组合类型为块状黄灰色膏质泥岩相、石膏岩相和膏质白云岩相. 第四种岩相组合类型为绿灰色白云质泥岩、块状棕褐色膏质泥岩与棕红色白云质岩相互层.

银川盆地清水营组4种岩相组合含有白云质、灰质、膏质等蒸发岩相，蒸发岩的形成本质为在干旱气候条件下，湖盆水体蒸发量大于注入量，使湖盆水体浓缩而盐度不断增高，从而会在湖底依次产出碳酸盐、硫酸盐、氯化盐等蒸发岩沉积序列（孙大鹏等，1995；Lowenstein and Risacher， 2009）. 蒸发岩相的广泛发育指示了银川盆地清水营组主要为咸水湖沉积. 清水营组岩心观察显示其发育块状棕红色泥岩夹薄层细砂岩岩相，指示清水营组发育滨浅（咸化）湖；还发育块状灰黑色泥岩、厚层块状石膏岩，指示清水营组发育半深（咸化）湖. 另外碳酸盐、硫酸盐、氯化盐的出现，指示清水营组经历了湖盆的咸化演化过程.

2.4　有机地化特征与沉积环境

为了进一步明确清水营组沉积环境，对银堑1井泥岩（灰绿色泥岩、灰色泥岩、棕红色泥岩）进行有机地化分析. 结果显示，清水营组14个样品中，除了3个样品的Pr/Ph值大于1，其余样品分布范围为0.43~0.80；Ph/nC₁₈值分布范围为0.25~0.75，Pr/nC₁₇值分布范围为0.20~0.75（1个样品值为1.41），投点到图版上可以看出清水营组泥岩中有机质主要为湖相还原环境中的藻类有机质（图8），进一步证明研究区清水营组为湖相沉积.

3 层序划分与湖盆演化

层序地层的划分主要依据岩心、露头、古生物及地球化学资料，结合地震及测井资料进行分析（高达等，2021）. 由于银川盆地勘探程度低，岩心资料较少，未收集到过井地震资料及古生物化石资料，因此主要依靠露头、少量岩心、岩屑录井与测井资料，结合Matlab小波变换（Osleger， 1991； 王亚辉等，2011；谢国根和郑俊，2016）对银川盆地清水营组进行层序划分.

野外露头上，清水营组与上覆红柳沟组（彰恩堡组）存在明显的沉积差异，岩性上清水营组以泥岩夹盐岩的咸水湖沉积为主，红柳沟组（彰恩堡组）主要发育砾岩、含砾粗砂岩的河流沉积与泥岩、粉砂岩的滨浅湖沉积（图3）. 岩屑录井及岩心资料显示，清水营组底部为浅红色花岗片麻岩，清水营组岩性及岩相组合上具有明显的分段特征：下部以岩相组合类型1与岩相组合类型2为主；中部以厚层膏质泥岩相、厚层盐岩相为主的岩相组合类型3为主；上部以岩性组合类型2与岩性组合类型4为主. 测井曲线上，清水营组的自然电位曲线为明显的三段特征，下部为低值、中部具有明显的高值、上部为低值（图9）. 自然伽马曲线能敏感地反映泥质含量的变化，连续记录所测地层的沉积旋回特征；武向峰等（2014）利用自然伽马曲线通过费希尔图解对银川盆地银参4井清水营组的沉积旋回进行了分析，论证了利用自然伽马曲线的周期性和振幅变化可持续反演地层的旋回特征和沉积环境变迁情况. 小波变换具有多分辨率，能够在时频域内展示测井曲线的局部特征、揭示测井曲线中包含的地层多级别旋回特征，因而被广泛应用于层序地层划分（Donoho， 1995； Weedon， 2003； Maiti and Tiwari， 2005）. 由多个不同周期沉积旋回叠加的测井曲线，通过观察小波时频能量图局部能量团的变化和多种伸缩尺度的周期性震荡特征，可分析地层的旋回性并与各级层序界面建立对应关系（陈钢花等，2007；寻知锋等，2017）. 本文对银堑1井采用小波变化的方法，分析了清水营组的层序特征，小波变换能谱显示明显的三段特征，结合岩电特征将清水营组划分为1个三级沉积旋回（湖进与湖退）与3个四级沉积旋回（SQ1、SQ2、SQ3）.

由于不同盐类溶解度不同，在湖盆咸化演化过程中随着水体浓缩而盐度增加会依次产出碳酸盐‒硫酸盐‒氯化盐等蒸发盐沉积序列. 据此根据银堑1井的沉积及旋回特征，对清水营组沉积时期的湖盆演化进行分析：SQ1为早期浅水咸化发育阶段，此阶段为盆地裂陷初期，湖盆水体较浅，气候开始干旱化，陆源碎屑物质供给量少，湖盆内沉积物中发育碳酸盐；SQ2为中期半深湖盐湖鼎盛阶段，在此阶段，随着持续裂陷作用，湖盆范围变大，湖盆水体变深，但由于气候的持续炎热干旱，盐度增大，发育厚层状石膏、灰色膏质泥岩，砂岩发育较少；SQ3为晚期浅水盐湖逐渐消亡阶段，气候仍为干旱条件，但受构造作用影响，湖盆范围进一步扩大，湖盆封闭性变小，盐度减小，直至变为淡水湖盆，岩性由白云质泥岩沉积过渡到纯泥岩沉积.

4 结论

（1）银川盆地清水营组岩性以棕红色、绿灰色、浅棕色泥岩为主，盐类矿物广泛发育，砂岩以薄层夹层发育为主. 清水营组在岩相组合上主要有四种类型，其中岩性组合类型3发育在清水营组中段，发育厚层状石膏、团块状石膏、脉状石膏等，上部与下部发育白云质、灰质岩类.

（2）清水营组在岩性及岩相组合特征上具有明显的三段特征，结合小波变换将清水营组划分为1个较完整的湖进与湖退三级沉积旋回、3个四级沉积旋回. 不同沉积旋回的岩相组合及沉积环境差异明显，灰黑色富含有机质泥页岩主要发育在第二个四级沉积旋回，因此确定沉积旋回对有利烃源岩及页岩油的分布具有重要的指导意义.

（3）清水营组沉积物中蒸发岩类较为发育，主要为碳酸盐（白云岩）与硫酸盐（石膏），表明清水营组沉积时期为咸化湖盆，但未达到高浓缩阶段. 根据岩相组合分布特征将银川盆地清水营组湖盆演化分为3个阶段，即早期浅水咸化发育阶段、中期半深湖盐湖鼎盛阶段、晚期浅水盐湖逐渐消亡阶段；其中中期半深湖发育富含有机质页岩，是页岩油勘探的重要层段.

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基金资助

国家自然科学基金项目(42202150;42172179)

宁夏自然科学基金项目(2021AAC05024)

湖北省教育厅中青年人才项目(Q20211306)