珠江口盆地番禺低隆起稀土元素配分模式和重礦物組合特征的分析與應(yīng)用

陳淑慧

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司研究院）

珠江口盆地番禺低隆起稀土元素配分模式和重礦物組合特征的分析與應(yīng)用

陳淑慧

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司研究院）

利用稀土元素配分模式和重礦物組合特征，結(jié)合構(gòu)造背景、沉積物源分析以及測井、井壁取心等資料，對珠江口盆地番禹低隆起的前古近系基底、珠海組、珠江組下段提出了新的分層方案，這一分層與已有的其他資料符合性更好。分析了研究區(qū)內(nèi)銪、鈰異常的特征與原因，認(rèn)為除了不同物源的影響以外，較強的化學(xué)分化作用和沉積時的氧化環(huán)境也是造成本區(qū)銪、鈰異常的直接原因。

古近系；新近系；稀土元素異常；重礦物；地層劃分；沉積環(huán)境；珠江口盆地

稀土族元素在地質(zhì)作用過程中往往相互共生，它們的分布特征可反映沉積物各原始來源物質(zhì)的本性［1-4］，重礦物的組合特征同樣也可指示物源的變化［4-5］，那么，若能確定兩套地層的物源存在著變化，則可推斷這兩套地層的重礦物組合特征、稀土元素分布特征也應(yīng)有所不同。稀土族元素中存在著兩個特殊成員，即變價元素鈰（Ce）和銪（Eu），在構(gòu)造背景、沉積時代和物源相同的情況下，化學(xué)風(fēng)化作用的強弱或氧化還原條件的不同都會導(dǎo)致這兩個元素價位的改變，從而使它們與其它稀土元素發(fā)生分離［6-7］。

珠江口盆地番禺低隆起與東沙隆起交界處斷層較多，井位稀少，加上地震資料的品質(zhì)及分辨率問題，導(dǎo)致了地層對比困難，L21井珠海組頂?shù)捉缑婧突滓恢贝嬖诙喾N分層方案。由于基底與其之上的地層明顯不同，珠海組與其之上的珠江組前人也已經(jīng)證實物源發(fā)生了改變［2］，本次研究利用稀土元素與重礦物組合等特征對所述的分層情況進(jìn)行細(xì)致分析，提出了新的分層方案。

研究區(qū)內(nèi)新鉆的L16井處于東沙物源影響范圍，筆者對該井從珠海組至韓江組進(jìn)行巖屑取樣，并在取心段選取7個樣品作為對比樣，進(jìn)行重礦物和主微量元素分析，從而確定其物源方向及演化特征，并且利用鈰和銪兩個元素的異常特征來探討其古沉積環(huán)境。

1 地質(zhì)和研究概況

番禺低隆起位于珠江口盆地中央隆起帶西南部，其南側(cè)是白云凹陷，東北邊是東沙隆起區(qū)（圖1）。在漸新世珠海組沉積晚期，來自東南沿海的海西期—燕山期花崗巖分布區(qū)的古珠江物源已經(jīng)對番禺低隆起提供沉積物，受白云運動影響,古珠江流域向西拓展，物質(zhì)來源豐富，各種微量元素和稀土元素都在珠海組與珠江組之間的界面上出現(xiàn)突變［8］。

圖1 研究區(qū)位置及珠江組下段物源示意圖

位于中央隆起帶東北部的東沙隆起在南海東北部大陸邊緣拉張破裂期（珠海組沉積早期）的剝蝕最為強烈，為周邊坳陷區(qū)提供了沉積物質(zhì)來源；晚漸新世—中新世進(jìn)入快速裂后沉降階段，它對番禺低隆起等周邊地區(qū)的物源供應(yīng)逐漸減弱，沉積環(huán)境也發(fā)生了相應(yīng)變化，開始發(fā)育碳酸鹽巖和生物礁［9］。

本次研究對番禺低隆起和東沙隆起多口鉆井（圖1中所示各井）利用沉積巖石學(xué)、礦物學(xué)及地球化學(xué)等方法，分析了物源方向及演化規(guī)律,有兩點認(rèn)識。

（1）L19—P30—P34—P33井區(qū)珠海組—韓江組始終受到古珠江物源的影響，稀土元素表現(xiàn)為銪負(fù)異常，鈰無異常。

（2）L21、L18井在珠海組、珠江組上段和韓江組具有相同的物源，主要接受古珠江物源的碎屑物質(zhì)；珠江組下段主要受東沙隆起中性火山物質(zhì)影響，稀土元素表現(xiàn)為銪正異?；驘o異常、鈰無異常特征。

番禺低隆起上第一口井P16井1984年開鉆。L21井位于番禺低隆起東北部，鄰近東沙隆起，鉆于1991年，鉆遇前古近系盆地基底，古近系僅沉積了珠海組，主要目的層為新近系珠江組。鉆井初期僅有二維地震，井位稀少，L19井以南各井均未開鉆，研究區(qū)斷層較多，地震同相軸不連續(xù)，分析資料較少，地層對比手段單一，因此分層方案相對比較粗糙，誤差較大。2001年以后，隨著三維地震采集和其他井陸續(xù)開鉆，在2005—2010年“十一五”期間進(jìn)行了全區(qū)地震追蹤對比，分層相對較細(xì)，但受地震分辨率制約，仍有部分界面誤差較大，一些井位稀少、斷層復(fù)雜地區(qū)的層位仍難以對比，如L21井、L19井和L16井一帶。筆者本次研究主要利用稀土元素與重礦物組合特征，結(jié)合巖石學(xué)、古生物資料對L21井進(jìn)行細(xì)化分層，提出了新的方案（圖2）。

2 分層方案

L21井位于兩物源交匯處（圖1），測井曲線上與L19井難以對比劃分，地震資料受斷層及品質(zhì)影響難以追蹤對比，在鉆井初期和“十一五”期間分別出現(xiàn)兩種分層方案（圖2）。L21井完鉆井深2817.3 m，已進(jìn)入前第三系基底，鉆井初期的地層劃分，把珠海組的底部劃在井深2779m，頂部劃在2465m?！笆晃濉逼陂g，對全區(qū)在地震格架下進(jìn)行高分辨率地層對比，把珠海組頂部定在2528.96 m。筆者此次增加了密集取樣的稀土元素、重礦物及取心情況等資料，在地震和古生物資料控制下更精準(zhǔn)地進(jìn)行了層位劃分。

圖2 番禺低隆起L21井綜合柱狀圖及三種分層方案①Gardemal M，Siemann-gartmann S.LIUHUA21 Well post drilling appraisal.AMOCO Orient Petroleum Company，1991.②楊亞娟，張麗麗，等.截至2009年底珠江口盆地東部探、評價井地層分層數(shù)據(jù)表.中海石油（中國）有限公司深圳分公司研究院，2010.

首先按 “十一五”分層方案繪制了L21井的基底、珠海組及珠江組的稀土元素配分模式圖（圖3）和重礦物組合圖（圖4）。其中發(fā)現(xiàn)珠海組樣品的稀土元素配分模式（圖3c）、重礦物組合特征（圖4b）分異明顯：在圖3c中，井深2540m、2580m和2590m處的三個樣品表現(xiàn)為銪正異常，其它樣品均表現(xiàn)為銪負(fù)異常；在圖4b中，下部井深2730m和2750m處的兩個樣品重礦物種類單一，鋯石含量明顯高于上部其它樣品。據(jù)此認(rèn)為“十一五”時期的分層方案仍不符合地質(zhì)情況，故嘗試?yán)孟⊥猎嘏浞帜Ｊ胶椭氐V物組合綜合分析，在前人研究基礎(chǔ)上進(jìn)行重新分層。為了便于更準(zhǔn)確對比，特給出了從基底到珠江組下段三個地層段的大比例尺分層柱狀圖（圖5）。

圖3 番禺低隆起L21井各層段（按“十一五”分層方案）稀土元素配分模式圖

2.1 L21井基底頂面

根據(jù)“十一五”方案，L21井基底頂面位于井深2755.50m。從圖4c可以看出，L21井基底重礦物種類單一，以鋯石為主，少量電氣石和白鈦礦，其中鋯石相對百分含量在74%以上。根據(jù)重礦物組合特征，我們將“十一五”方案中的珠海組分為兩段，上段2560～2710m和下段2730～2750m，結(jié)果可見，下段2730～2750m地層中的重礦物種類（圖6b）如同圖4c中的基底一樣比較單一，也以鋯石為主，鋯石含量在80%以上，特征與基底樣品非常相似。通過井壁取心描述可知L21井在2715.70m以下（2730～2817m）為灰綠色閃長巖，L16井已鉆遇基底的樣品薄片鑒定為安山質(zhì)火山角礫巖和含火山角礫安山質(zhì)凝灰?guī)r，均為中性火成巖，說明L21井在2715.7m以下地層均應(yīng)屬于基底。井壁取心描述還顯示上段2560～2710m為碎屑巖（圖5），重礦物種類相對較多（圖6a），雖仍以鋯石為主，但含量下降為40%～70%，其次為電氣石、白鈦礦，含量主要在10%～20%之間，重礦物組合特征明顯與下段2730～2750m地層不同。經(jīng)綜合分析并結(jié)合GR和DT測井曲線特征，筆者將基底的頂面確定為井深2715.70m。

圖4 番禺低隆起L21井各層段（按“十一五”分層方案）重礦物組合圖

2.2 L21井珠海組頂面

圖5 番禺低隆起L21井基底至珠江組下段的綜合柱狀圖及三種分層方案

圖6 番禺低隆起L21井2715.7m上下重礦物組合特征

從圖3c中可以看出，按照“十一五”分層方案繪制的珠海組稀土配分模式分異明顯，既有銪正異常也有銪負(fù)異常。通過分析發(fā)現(xiàn)銪正異常的樣品深度范圍為2540～2590m，其中夾一2560m樣品為銪負(fù)異常（圖3c,7a）；銪負(fù)異常深度范圍為2630～2710m（圖7b）。2540～2590m層段與上方（珠江組下段下部）的稀土配分模式（Eu為正異常，圖3b）相一致，說明該層段的物源與上方珠江組下段地層相同，其中2560m樣品與其它三個樣品有異，為銪負(fù)異常，可能是由于局部的物源變化引起的，但整體仍受東沙物源影響，故建議把“十一五”分層方案中2540～2 590 m地層劃分到珠江組下段中。由古生物資料得知，L21井在2 500～2 670 m地層段中為雙囊粉-榿木粉組合，榿木粉主要出現(xiàn)在珠海組中，說明珠海組頂部很可能在2 500～2 670 m之間，結(jié)合上述稀土配分模式特征,考慮把珠海組頂面劃分在2 590～2 630 m之間。從圖5上看，“十一五”的分層方案把珠海組頂面劃在2528.96m處，落在了一大套砂巖的中部，顯然不太恰當(dāng)，若移至2620m處則剛好位于該套砂巖的底部，也落在上面所考慮的2590～2630m深度范圍內(nèi)。因此，筆者認(rèn)為珠海組的頂面劃在井深2620m處更為合理。

圖7 番禺低隆起L21井2620m上下稀土元素配分模式

結(jié)合地震剖面（圖8）分析，珠海組頂面（T60）就從原來的同相軸位置剛好下移至下一個紅色同相軸的底部（綠色虛線所示位置）。這一調(diào)整方案與區(qū)塊項目組的最新分層方案相符，參考最新追蹤對比方案，發(fā)現(xiàn)上面所建議的L21井珠海組頂面位置恰好能與L16井的珠海組頂面位置進(jìn)行追蹤對比。

圖8 番禺低隆起L21井與L16井地震連井剖面

3 銪、鈰異常特征及其成因

3.1 異常特征

按“十一五”分層方案的稀土元素配分模式，L16井珠海組、珠江組上段及韓江組與前人研究認(rèn)識相同，表現(xiàn)為銪元素負(fù)異常，鈰元素?zé)o異常（圖9），主要受古珠江物源的影響。前面已經(jīng)說明L21井珠江組下段（圖3b）接受來自東北方向的東沙物源，那么L16井在L21井的東北側(cè)，自然也屬于東沙物源影響范圍，其稀土元素配分模式也應(yīng)表現(xiàn)為銪正異?；驘o異常。但L16井珠江組下段多數(shù)樣品的稀土元素銪呈現(xiàn)明顯負(fù)異常，僅2個樣品為無異常（圖9c），整體表現(xiàn)出銪虧損特征。從圖10可見，L16井微量元素與稀土元素比值在珠江組下段發(fā)生突變，顯示該層段物源與下伏珠海組和上覆珠江組上段均不相同，推斷該時期仍受東沙物源影響，那么其銪虧損的原因是什么？鈰在研究區(qū)一般都為無異常，但在L18井珠江組上段碳酸鹽巖中出現(xiàn)虧損，呈明顯負(fù)異常，銪則基本無虧損，呈無異常（圖11a中下部曲線），稀土元素表現(xiàn)出這種特征的原因又是什么呢？

3.2 成因分析

3.2.1 對沉積巖銪、鈰異常成因的現(xiàn)有認(rèn)識

在表層沉積物中，陸源碎屑組分基本上不受成巖作用的影響,它們對母巖的稀土元素分布具有很強的繼承性［10-12］，但對于深層沉積物而言,由于所處環(huán)境的溫壓條件常會使沉積物受到較強的成巖作用改造,從而降低其對母巖稀土元素分布特征的繼承程度,造成物源示蹤上的困難。苗衛(wèi)良等［13］對珠江口盆地恩平組和珠海組的樣品進(jìn)行了分析，證實成巖作用對珠江口盆地沉積物的稀土元素分異性影響較小，稀土元素仍完全可用來進(jìn)行物源示蹤。

圖9 番禺低隆起L16井珠海組—韓江組稀土元素配分模式

圖10 番禺低隆起L16井微量元素與稀土元素質(zhì)量比

圖11 東沙隆起L18井基底至珠江組稀土元素配分模式（缺失古近系）

一般來說，造成鈰異常的原因主要有三方面［14-16］：

（1）沉積的大地構(gòu)造背景 鈰在海水中的大量遷移發(fā)生在開闊大洋的較深水域，而在靠近大陸邊緣淺海區(qū)鈰的遷移能力相對較弱。

（2）成巖的氧化還原條件 正鈰異常形成于還原環(huán)境，負(fù)鈰異常形成于氧化環(huán)境。

（3）沉積成巖時代 早元古代開始存在的錳結(jié)核使得海水中鈰被氧化成“+4”價而與其它稀土元素發(fā)生分離，使得早元古代后的化學(xué)沉積巖有明顯的負(fù)鈰異常。

造成銪異常的原因主要有五個方面［14］。

（1）沉積的大地構(gòu)造背景 與鈰的情形相同，認(rèn)為被動大陸邊緣的沉積物是由多次再循環(huán)的沉積碎屑、古老侵入巖及變質(zhì)巖的碎屑所組成，它們的稀土組成類似于太古代之后頁巖的平均值，富LREE（輕稀土元素）。與之相反，活動大陸邊緣的沉積物主要由分異程度低的火山巖碎屑組成，它們的稀土組成特征相對富HREE（重稀土元素）。

（2）成巖的氧化還原條件 主要是化學(xué)沉積物受該條件制約，還原環(huán)境下銪負(fù)異常，氧化環(huán)境下銪正異常。

（3）沉積成巖時代 太古代鐵建造正銪異常，早元古代銪異常不明顯，中—晚元古代輕度至明顯的銪負(fù)異常。

（4）源區(qū)巖石特征 中基性火山巖中明顯銪正異常，碳酸鹽巖一般負(fù)異常。

（5）化學(xué)風(fēng)化作用強弱 隨著化學(xué)風(fēng)化作用，長石、橄欖石等不穩(wěn)定礦物被風(fēng)化淋濾，地層的成分成熟度增加，銪的含量隨之減少，呈銪負(fù)異常［2］。

3.2.2 研究區(qū)沉積巖銪、鈰異常的成因解釋

上述表明，銪、鈰異常的影響因素很多。對于研究區(qū)珠江組下段沉積而言，當(dāng)時番禺低隆起上的L21井和L16井處于相同的大地構(gòu)造背景。而此時東沙隆起剝蝕最為強烈［9］，它為周邊坳陷提供物質(zhì)來源，位于該隆起的L18井其基底也已證實為具有銪正異?；驘o異常的花崗巖（圖11c），因此可以推斷番禺低隆起上L21井和L16井中的珠江組下段物源主要應(yīng)是來源于東沙隆起中性火山巖。L18井缺失文昌組、恩平組和珠海組，說明它長期遭受風(fēng)化剝蝕。L21井珠江組下段沉積時期又正好處于東沙物源影響范圍內(nèi)。結(jié)合鑄體薄片分析可知，L16井珠江組下段溶蝕孔發(fā)育，長石普遍具有溶蝕現(xiàn)象（圖12a），且長石的含量明顯低于L18井（圖12b），指示著L16井區(qū)明顯經(jīng)過較強的化學(xué)風(fēng)化作用。

采用CIA（化學(xué)風(fēng)化指數(shù)）來表示化學(xué)風(fēng)化強度，公式為［17］：

式中，主要組分均為摩爾數(shù)值，CIA值為摩爾數(shù)比，但CaO*代表硅酸鹽巖中的CaO百分含量。隨著化學(xué)風(fēng)化作用的進(jìn)行，Na、K、Ca等堿性和堿土性元素不斷淋失，CIA值逐漸增大。通過對比L16、L21和L18三口井珠江組下段的CIA值（圖13），發(fā)現(xiàn)L16井的CIA值明顯高于另外兩井，說明L16井的化學(xué)風(fēng)化作用最強，導(dǎo)致了長石淋濾而含量減少，其中的銪也隨之淋濾而出現(xiàn)虧損，因而呈現(xiàn)銪負(fù)異常特征（圖9b）。也是由于化學(xué)風(fēng)化作用影響，L16井珠江組下段的重礦物中僅剩下了穩(wěn)定性高的鋯石和磁鐵礦、赤褐鐵礦，其它重礦物所含極少（圖14）。

L18井基底花崗巖呈鈰無異常、銪無異?；蛘惓Ｌ卣鳎细仓榻M下段延續(xù)了這種特征。但珠江組上段的石灰?guī)r則表現(xiàn)為明顯鈰負(fù)異常、銪無異常或輕微正（負(fù)）異常特征（圖11a）。由前述分析可知，海相碳酸鹽巖中的鈰異常取決于成巖的氧化還原條件，負(fù)鈰異常形成于氧化環(huán)境［1］，而氧化環(huán)境下銪呈正異常。中新統(tǒng)珠江組上段沉積時期大規(guī)模的海侵作用［15］，導(dǎo)致了古珠江物源影響范圍擴(kuò)大到東沙隆起區(qū)，按理說，L18井應(yīng)當(dāng)與L16井一樣，珠江組上段石灰?guī)r段（圖9b）一樣為負(fù)銪異常、鈰無異常，而事實上卻為鈰負(fù)異常、銪輕微負(fù)異?；蜉p微正異?；驘o異常（圖11a），這說明了L18井該段碳酸鹽巖的沉積環(huán)境為氧化環(huán)境，這才導(dǎo)致了鈰的虧損和銪的增加，從而使得該段地層中的鈰從原來的無異常變?yōu)樨?fù)異常，銪從原來的負(fù)異常變?yōu)檩p微負(fù)異?；驘o異?；蜉p微正異常。

圖12 番禺低隆起L16井珠江組下段長石溶蝕現(xiàn)象及與東沙隆起L18井長石含量對比

圖13 珠江口盆地L16、L18、L21三井珠江組下段CIA值對比圖

圖14 番禺低隆起L16井珠江組下段重礦物組合特征

4 結(jié) 語

單純采用地球化學(xué)和重礦物組合特征來確定地層分層的方法是否可行還有待進(jìn)一步的證實。但在有古生物、巖石學(xué)特征等資料控制的情況下這種分層方法也可進(jìn)行嘗試，畢竟在該地區(qū)銪元素的異常和重礦物組合代表著一定的物源意義。很多學(xué)者都證實了在珠海組向珠江組過渡的時期（23.8Ma）本區(qū)經(jīng)歷了從斷陷向坳陷的轉(zhuǎn)化，物源發(fā)生了改變，其稀土元素和重礦物組合也相應(yīng)有所指示。

本文把L21井基底與珠海組的界面從“十一五”時期分層方案中的井深2755.50m上移到了2715.70m，而把珠海組的頂面從2528.96m下移到了2620.00m。這個分層方案比起已有的兩種分層方案是否更為合理，愿與同仁作進(jìn)一步的商榷。

根據(jù)微量元素與稀土元素比值資料，L16井珠江組下段沉積物質(zhì)來源于東北部東沙隆起，其銪負(fù)異常原因是受強烈化學(xué)風(fēng)化作用所致。L18井珠江組上段碳酸鹽巖與L16井的相同層段均受古珠江物源范圍控制，但前者明顯偏向形成于氧化環(huán)境。

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Analysis and Application of REE Patterns and Heavy Mineral Assemblage Characterisitcs in Fanyu Lower Uplift,Pearl River Mouth Basin

Chen Shuhui

According to the features of rare-earth-element(REE)pattern and heavy mineral assemblage chareacteristics with integration of GR and AC logging data and sidewall coring data,a new method of strata division from the pre-Paleogene to Neogene(the basement,Zhuhai Fm.and Lower Zhujiang Fm.)is proposed for Fanyu Lower Uplift in Pearl River Mouth Basin.By this method,the boundary between the basement and Zhuhai Fm.is shifted upward from 2,779m to 2,715.7m and the top of Zhuhai Fm.is shifted downward from 2,528.96m to 2,620m.This division is accord better with other available data.It is deemed that the reason why the Eu and Ce elements behave negative anomaly in this area is the influence of chemical differentiation and the oxidation environment during deposition beside the different sediment sources.

Paleogene;Neogene;REE anomaly;Heavy minerals;Stratum division;Sedimentary environment;Pearl River Mouth Basin

TE111.3；P57

A

10.3969/j.issn.1672-9854.2012.03.007

1672-9854(2012)-03-0047-08

2012-02-20；改回日期：2012-06-19

陳淑慧：女，1979年生，碩士。2003年本科畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)（武漢），2005年碩士研究生畢業(yè)。主要從事成巖作用、物源和古環(huán)境分析等方面的研究。通訊地址：510240廣東省廣州市海珠區(qū)江南大道中168號；電話：(020)84262153

感謝同濟(jì)大學(xué)邵磊老師在資料分析過程中給予的指導(dǎo)和幫助！感謝研究院番禺項目組徐徽提供的地震剖面和相關(guān)分層數(shù)據(jù)！

吳厚松

Chen Shuhui：female,M.S.,Geology Engineer.Add:Research Institute of Shenzhen Branch Company,CNOOC,168 Jiangnan Dadao Zhong,Guangzhou,Guangdong,510240,China