重礦物資料在沉積物物源分析中的應(yīng)用①——以潿西南凹陷古近系流三段下亞段為例

操應(yīng)長 宋 玲 王 健 李俊良 劉明全 方 勇

(1.中國石油大學(xué)地球資源與信息學(xué)院 山東青島 266555;2.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司西部新區(qū)研究中心 山東東營 257000; 3.中國海洋石油有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057)

重礦物資料在沉積物物源分析中的應(yīng)用①
——以潿西南凹陷古近系流三段下亞段為例

操應(yīng)長1宋 玲2王 健1李俊良3劉明全3方 勇3

(1.中國石油大學(xué)地球資源與信息學(xué)院 山東青島 266555;2.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司西部新區(qū)研究中心 山東東營 257000; 3.中國海洋石油有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057)

重礦物資料在沉積物物源分析中被廣泛的應(yīng)用。采用聚類分析的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法,將重礦物資料在垂向上分出不同的沉積期次,得出表征不同母巖區(qū)的重礦物組合類型,進(jìn)而在整個(gè)研究區(qū)對(duì)比劃分物源體系并結(jié)合ZTR等值線圖研究各沉積期次物源方向。由此潿西南凹陷古近系流三段下亞段可劃分為四大物源體系,分別為北西物源體系,南西物源體系,北東物源體系,東部物源體系。各物源體系及物源方向與扇三角洲或沖積扇的主推進(jìn)方向一致。因此,利用聚類分析方法所得的重礦物組合類型劃分潿西南凹陷物源區(qū)是十分有效的。

重礦物 ZTR指數(shù) 聚類分析 物源 潿西南凹陷

重礦物自身具有穩(wěn)定性,相對(duì)于其他碎屑沉積物而言受風(fēng)化、搬運(yùn)和成巖作用的影響較少,而來自于同一母巖區(qū)的各種重礦物間必然存在著內(nèi)在聯(lián)系,即同一來源的沉積物往往具有相同的重礦物組合特征。另外,ZTR指數(shù)作為重礦物組合成熟度的一個(gè)度量,在陸源碎屑沉積盆地物源分析中也具有顯著的效果[1]。前人在根據(jù)重礦物資料分析物源體系及物源方向時(shí),多是利用重礦物含量的分布特征或ZTR指數(shù)來實(shí)現(xiàn)的[2～10]。這不但難以表征來自同一母巖區(qū)的各個(gè)重礦物間的內(nèi)在聯(lián)系,而且忽略了垂向上層序內(nèi)部不同沉積期次的沉積物物源差異性的重要信息。本文運(yùn)用聚類分析方法對(duì)重礦物資料進(jìn)行處理,劃分沉積物沉積期次和研究每一期次沉積物重礦物組合特征,結(jié)合ZTR指數(shù)分析,對(duì)潿西南凹陷古近系流三段下亞段物源體系進(jìn)行了系統(tǒng)的探討。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

潿西南凹陷位于北部灣盆地北部坳陷帶的北部(圖1),是典型的北斷南超的陸相斷陷盆地。流三段下亞段位于流沙港組沉積早期,此時(shí)潿西南凹陷的發(fā)育受控于北東東至南西西走向的1號(hào)控盆斷層,沉降中心位于斷層中段下降盤,整個(gè)北部坳陷為一個(gè)統(tǒng)一的湖盆。流三段下亞段沉積時(shí)期沉積物供給量充足,湖盆水體范圍小且水體淺,整體為陸上-濱淺湖沉積環(huán)境。在盆地周緣近物源粗碎屑物質(zhì)的供應(yīng)下,主要發(fā)育了以淺灰白色含礫細(xì)-粗砂巖為主的陸上沖積扇、沖積平原和扇三角洲沉積。

2 原理與方法

聚類分析是多元統(tǒng)計(jì)中的一種數(shù)字分類方法。其實(shí)質(zhì)是根據(jù)樣本或變量之間的相似程度或親疏關(guān)系把它們逐步分類的方法[11,12]。從數(shù)學(xué)的角度看,聚類分析是在一個(gè)大的對(duì)稱矩陣中,探索諸元素之間的相關(guān)關(guān)系的一種方法。根據(jù)研究目的和對(duì)象的不同,分為Q型和R型聚類分析.型聚類分析是研究樣本間的相互關(guān)系,是把不同樣本中的同一變量進(jìn)行比較。通過確定樣本間的相似程度而對(duì)樣本進(jìn)行分類.型聚類分析是研究變量之間的相關(guān)關(guān)系,即把同一樣本中的不同變量進(jìn)行比較,以確定不同變量間的親疏關(guān)系,進(jìn)而對(duì)變量進(jìn)行分類。

不同類型的母巖其礦物組分不同,經(jīng)風(fēng)化破壞后形成的風(fēng)化產(chǎn)物具有不同的重礦物組合,因此利用重礦物恢復(fù)母巖和判別物源效果顯著[5]。但不論是地質(zhì)歷史時(shí)期中還是現(xiàn)代沉積環(huán)境中形成的沉積物,往往都是多期次或多物源沉積物供給的混合。同一期次沉積的碎屑物常具有相同或相近的重礦物組合特征;而不同期次所形成的沉積物的物源方向或母巖類型不同,各個(gè)期次沉積物的重礦物組合特征可能會(huì)存在一定的差異。因此,在研究某一時(shí)期(如流三段下亞段)的沉積物物源時(shí),首先采用Q型聚類分析方法,將垂向上特征相同或相近的樣本群作為來自同一期次的沉積物區(qū)分開,每一樣本群即代表了某一期次或某一母巖類型的沉積物供給。在Q型聚類分析的基礎(chǔ)上,利用R型聚類分析將同一期次的重礦物資料進(jìn)行處理,使不同類型重礦物之間的親疏關(guān)系顯現(xiàn),進(jìn)而獲得來自不同母巖區(qū)的重礦物組合類型。將相同重礦物組合類型視作同一物源體系劃分出研究區(qū)不同的物源區(qū)。在此基礎(chǔ)上,將各重礦物組合類型所代表的各沉積期次的沉積物作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)計(jì)算其ZTR指數(shù),勾畫ZTR等值線圖.TR指數(shù)逐漸增大的方向即是碎屑巖成分成熟度變高,搬運(yùn)距離變遠(yuǎn),沉積物的供給方向。

圖1 北部灣盆地潿西南凹陷構(gòu)造格架與研究區(qū)位置圖Fig.1 Major structural elements in the Weixinan Depression of the Beibuwan Basin and the location of the study area

3 潿西南凹陷古近系流三段下亞段物源分析

3.1 重礦物組合類型及分布特征

利用上述原理及方法對(duì)潿西南凹陷古近系流三段下亞段14口井的重礦物資料進(jìn)行處理,以A-4井為例進(jìn)行說明.-4井在流三段下亞段共有29個(gè)樣品,主要重礦物包括:鋯石、金紅石、電氣石、柘榴石、磁鐵礦、赤褐鐵礦、白鈦礦、銳鈦礦、十字石、獨(dú)居石(表1)。對(duì)這29個(gè)樣品進(jìn)行Q型聚類分析得A-4井的Q型聚類分析譜圖(圖2)。當(dāng)相關(guān)系數(shù)為-0.48時(shí),所有樣品在垂向上聚為上下兩個(gè)樣本群。這表明在流三段下亞段的沉積時(shí)期內(nèi),A-4井經(jīng)歷了兩個(gè)期次的沉積物供給過程,在此分析基礎(chǔ)上分別對(duì)這兩個(gè)期次的重礦物組合類型進(jìn)行判斷。

分別對(duì)這兩組樣本群進(jìn)行R型聚類分析,得到其R型聚類譜圖(圖2),并綜合流三段下亞段內(nèi)其它13口井的聚類譜圖分析得到流三段下亞段的重礦物組合類型。由圖2中A-4井R型聚類譜圖可見,雖然A-4井流三段下亞段的樣本被明顯的分成兩組,但是這兩組樣本的重礦物組合類型卻一致,均為Ⅰ1類(鋯石+金紅石+獨(dú)居石+白鈦礦+銳鈦礦)和Ⅱ1類(石榴石+磁鐵礦+赤褐鐵礦),表明兩期沉積物供給可能來自同一方向,并且沉積時(shí)期母巖區(qū)的母巖類型沒有發(fā)生明顯變化。

綜合分析流三段下亞段14口井的Q型及R型聚類分析圖譜,認(rèn)為流三段下亞段的重礦物組合類型可分為Ⅰ類(巖漿巖母巖類)和Ⅱ類(變質(zhì)巖母巖類)兩大類(表2),其中Ⅰ類包括Ⅰ1(鋯石+金紅石+獨(dú)居石+白鈦礦+銳鈦礦)和Ⅰ2(赤褐鐵礦+輝石);Ⅱ類包括Ⅱ1(石榴石+磁鐵礦+赤褐鐵礦)、Ⅱ2(電氣石+十字石)、Ⅱ3(電氣石+磁鐵礦+赤褐鐵礦+綠泥石)和Ⅱ4(電氣石+簾石類+石榴石)。這些不同的重礦物組合在凹陷中具有不同的分布規(guī)律。Ⅰ1類在全區(qū)均有分布,Ⅰ2類僅見于E-2井,Ⅱ1類分布于A井區(qū)、C-1井、G-1井和J-1井區(qū),Ⅱ2類分布于A井區(qū),Ⅱ3類分布于F井區(qū),Ⅱ4類僅見于G-1井。根據(jù)重礦物組合類型在平面上的分布特征,將流三段下亞段分為①、②、③和④四個(gè)區(qū)域(圖3)。①區(qū)重礦物組合以Ⅰ1+Ⅱ1+Ⅱ2類為主,②區(qū)重礦物組合以Ⅰ1+Ⅱ3類為主,③區(qū)重礦物組合以Ⅰ1+Ⅱ1+Ⅱ4類為主,④區(qū)重礦物組合以Ⅰ1+Ⅱ1為主。表明這四個(gè)區(qū)域的沉積物具有不同的來源。

表1 A-4井流三段下亞段重礦物百分含量表Table1 Heavy m inerals type and content in the lower submember of the third member of Liushagang Formation from the W ell A-4

通過分析①區(qū)內(nèi)重礦物組合類型發(fā)現(xiàn),雖然主要有Ⅰ1、Ⅱ1、Ⅱ2三種類型,但是Ⅱ2類僅分布于A井區(qū),在C-1井不發(fā)育,而Ⅰ1和Ⅱ1類在A井區(qū)和C-1井均有分布.井區(qū)所有井的樣品基本都可以在垂向上分成上下兩個(gè)樣本群,其重礦物組合類型分別為Ⅰ1+Ⅱ1型和Ⅰ1+Ⅱ1+Ⅱ2型,表明此處的沉積物物源復(fù)雜.-1井的重礦物組合類型為Ⅰ1+Ⅱ1型,與A井區(qū)的兩個(gè)樣本群之一相同。因此,①區(qū)內(nèi)存在兩個(gè)小的物源體系,應(yīng)分別計(jì)算兩種重礦物組合的ZTR值并繪制相應(yīng)的ZTR等值線圖。②區(qū)、③區(qū)和④區(qū)三個(gè)區(qū)域內(nèi)的不同井不同期次的重礦物組合特征基本一致,表明各個(gè)母巖區(qū)母巖性質(zhì)變化不大,沉積物供給方向單一。

3.2 ZTR指數(shù)特征及物源方向分析

通過上述Q型及R型聚類分析,分別對(duì)四個(gè)區(qū)域內(nèi)的ZTR曲線進(jìn)行了繪制。①區(qū)內(nèi)的ZTR值變化復(fù)雜(圖4),重礦物組合類型為Ⅰ1+Ⅱ1型和Ⅰ1+Ⅱ1+Ⅱ2型的ZTR曲線變化特征具有明顯的區(qū)別。重礦物組合類型為Ⅰ1+Ⅱ1型的ZTR值向南東方向逐漸變大;重礦物組合類型為Ⅰ1+Ⅱ1+Ⅱ2型的ZTR值向南西方向逐漸變大。因此,①區(qū)A井區(qū)存在南東和南西兩個(gè)沉積物供給方向。②區(qū)、③區(qū)及④區(qū)的變化趨勢(shì)較為簡單,均為一個(gè)增大的方向,表明這三個(gè)區(qū)內(nèi)的物源供給方向僅有一個(gè)。

圖2 潿西南凹陷古近系流三段下亞段重礦物Q型聚類和R型聚類譜圖Fig.2 Q-and R-type cluster plots of the heavy minerals identified in the Paleogene lower submember of the third member of the Liushagang Formation in theWeixinan Depression

值得注意的是,位于盆地中部的D-2井的重礦物組合為Ⅰ1、Ⅱ1和Ⅱ3,既有①區(qū)的重礦物組合類型,又有②區(qū)的重礦物組合類型,表明D-2井區(qū)流三段下亞段的沉積物為混源沉積,并且從ZTR等值線圖可以看出,這口井的ZTR值比較接近C-1井的ZTR值,并且由C-1井向D-2井增大,因此,雖然D-2井流三段下亞段的沉積物為混源,但主要應(yīng)來自①區(qū)。

3.3 沉積學(xué)證據(jù)

由流三段下亞段砂礫巖百分含量等值線圖及沉積相帶分析表明,北西物源體系(①區(qū))的扇三角洲砂體展布主要有兩個(gè)方向,即向南及向東南方向,與由重礦物組合類型在垂向上分出的兩個(gè)物源體系及其ZTR值增大方向相一致;南西物源體系(②區(qū))的扇三角洲砂體主要由F井區(qū)向北北東方向展布,其主推進(jìn)方向與由重礦物組合類型及ZTR指數(shù)所判斷的南西方向的主要物源一致;北東物源體系(③區(qū))的沖積扇砂體由北向南展布,其主推進(jìn)方向?qū)?yīng)于由重礦物組合類型及ZTR指數(shù)所判斷的由G-1井向南推進(jìn)的主要物源方向;東部物源體系(④區(qū))的扇三角洲砂體主要由東向西展布,其主推進(jìn)方向?qū)?yīng)于由重礦物組合類型及ZTR指數(shù)所判斷的由東向西的方向(圖5)。綜上所述,利用重礦物組合類型及ZTR值相結(jié)合的方法對(duì)潿西南凹陷流三段下亞段物源區(qū)的劃分及物源方向的判斷與該亞段砂體展布及沉積相帶的分布特征相吻合。

表2 流三段下亞段重礦物組合類型及分布Table2 Suite and distribution of heavy m inerals in the lower submember of the third member of the Liushagang Formation

圖3 潿西南凹陷流三段下亞段重礦物組合類型平面分布特征圖Fig.3 The distribution of different heavymineral suites in the lower submember of the third member of the Liushagang Formation in Weixinan Depression

圖4 潿西南凹陷流三段下亞段ZTR等值線值Fig.4 ZTR isoline in the lower submember of the third member of the Liushagang Formation in theWeixinan Depression

圖5 潿西南凹陷古近系流三段下亞段砂礫巖百分含量等值線及其沉積相平面展布特征Fig.5 The isoline of glutenite content and distribution of different facies in the Paleogene lower submember of the third member of the Liushagang Formation in theWeixinan Depression

另外,位于盆地中部的D-2井在流三段下亞段沉積時(shí)期的主要沉積相類型為扇三角洲相。由砂礫巖百分含量等值線圖結(jié)合沉積相類型分析,D-2井在流三段下亞段沉積時(shí)期為混源沉積,既有來自①區(qū)北西物源體系的沉積物,又包含來自②區(qū)南西物源體系的沉積物。其與上述D-2井重礦物組合類型所得此處為混源沉積的研究結(jié)果相一致。

4 結(jié)論

本文利用潿西南凹陷流三段下亞段的重礦物資料,采用Q型聚類分析方法將樣本在垂向上分出不同沉積期次,分別做出各沉積期次樣本群的R型聚類譜系圖,得出來自不同母巖區(qū)的重礦物組合類型,進(jìn)而在整個(gè)研究區(qū)對(duì)比劃分物源體系。以各重礦物組合類型所代表的各沉積期次沉積物作為獨(dú)立的系統(tǒng)計(jì)算其ZTR指數(shù),勾畫ZTR等值線圖,判斷各沉積期次物源供給的具體方向。研究表明,潿西南凹陷古近系流三段下亞段共有四大物源體系,分別為北西物源體系(①區(qū)),主要物源方向?yàn)楸蔽鞣较?南西物源體系(②區(qū)),主要物源方向?yàn)槟衔鞣较?北東物源體系(③區(qū)),主要物源方向由G-1井向南推進(jìn);東部物源體系(④區(qū)),主要物源方向由東向西。各物源體系及物源方向與扇三角洲或沖積扇的主推進(jìn)方向一致。因此,利用聚類分析對(duì)潿西南凹陷物源區(qū)劃分的研究方法可以較好的應(yīng)用于陸相斷陷湖盆的沉積物物源分析中。

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Application of Heavy M ineral Data in the Analysis of Sediment Source: A case study in the Paleogene lower submember of the third member of the Liushagang Formation,Weixinan Depression

CAO Ying-chang1SONG Ling2WANG Jian1LIJun-liang3LIU Ming-qian3FANG Yong3

(1.College of Geo-resources and Information,China University of Petroleum,Qingdao,Shandong 266555; 2.Research Center of W estern New Development Region,Shengli Oilfield Com pany,SINOPEC,Dongying,Shandong 257000; 3.Research Institute of Zhanjiang Branch Com pany,CNOOC.,Zhanjiang Guangdong 524057)

Heavymineral data are widely used in the analysis of sediment source.Source rocks of different depositional stages and different source areas can be identified based on heavy mineral suites.In this study using Q-type clustering analysis,the sample group with the same or similar features in the vertical profile is identified as sediments of the same depositional stages,so each sample group is representative of a certain depositional stage or source rock.On the basis of Q-type clustering analysis,using R-type clustering analysis,the differences among each kind of heavy mineral are available in the same depositional stage,and different heavymineral suites are defined.The same heavy mineral suite is considered that it comes from the same source rock,and the different heavymineral suites are used to recognize different source areas.These,the sedimentswith features of the same depositional stage and the same heavy mineral suite are as an independent system.Coupled with the independent system's ZTRmaps,allow robust identification of specific directions of sediment source in each depositional stage.The integrated data set shows that there are four distinct sediment sources in the submember in the study area.These are the northwest source,the southwest source,the northeast source,and the east source.The directions of different sediment sources identified are in accordance with themain building directions of fans delta or alluvial fans.Using heavy mineral suites generated from cluster analysis to identify source area in the Weixinan Depression is quite effective.

heavymineral;ZTR maturity index;cluster analysis;provenance;Weixinan Depression

操應(yīng)長 男 1969年出生 博士后 博士生導(dǎo)師 沉積學(xué)和層序地層學(xué) E-mail:caoych@hdpu.edu.cn

宋玲 E-mail:songling86@yahoo.com.cn

P512.2

A

1000-0550(2011)05-0835-07

①國家重大科技專項(xiàng)課題(編號(hào):2008ZX05023-02)和教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(編號(hào):NECT-06-0604)聯(lián)合資助。

2010-08-20;收修改稿日期:2010-10-06