蘇北盆地高郵凹陷E2碎屑巖稀土元素、微量元素地球化學(xué)特征及其地質(zhì)意義

臧詩清 （西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610500）

董桂玉 （中石化江蘇油田博士后科研工作站，江蘇 揚州 225009）

胡 明 （西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610500）

楊建書 （中石化江蘇油田科技情報中心，江蘇 揚州 225009）

張 妮 （南京大學(xué)地球科學(xué)系，江蘇 南京 210093）

1 區(qū)域地質(zhì)概況

蘇北盆地是揚子準(zhǔn)地臺東部一個白堊紀(jì)－第三紀(jì)的大型斷陷盆地，它發(fā)育于下?lián)P子地區(qū)的一整套古生代－早中生代褶皺基礎(chǔ)之上，面積3.5×104km2，可分為3個次級構(gòu)造單元，自北向南為鹽阜坳陷、建湖隆起和東臺坳陷。其中東臺坳陷由金湖、高郵、臨潼、海安等4個斷陷組成，構(gòu)成油氣勘探的主體區(qū)域。高郵凹陷是在晚白堊世儀征運動和新生代喜馬拉雅期吳堡運動作用下，由于斷塊差異升降而形成的一個南斷北超，南深北淺的箕狀斷陷，高郵凹陷在新生代發(fā)育了北東東向、北東向、北西向3組斷裂，自北向南發(fā)育了真1號、真2號斷裂及漢留斷裂，構(gòu)成了凹陷的邊界，并將凹陷切割成次一級構(gòu)造單元。高郵凹陷目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的主要含油層系有上白堊統(tǒng)泰州組 （K2t）、古近系阜寧組 （E1f）、戴南組（E2d）和三垛組 （E2s），其中戴南組位于阜寧組之上、三垛組之下，最大厚度大于1500m，分為戴一段 （E2d1）和戴二段 （E2d2）［1］。

在高郵凹陷戴南組的滾動勘探開發(fā)中，發(fā)現(xiàn)了一些構(gòu)造－巖性油氣藏。這些發(fā)現(xiàn)展示了戴南組具備較好的構(gòu)造－巖性油氣藏的勘探前景。由于缺乏成熟理論的指導(dǎo)，受綜合研究水平及配套技術(shù)等多方面因素的制約，針對隱蔽油氣藏投入的實質(zhì)性勘探工作量較少，也未能取得實質(zhì)性突破，出現(xiàn)一系列與“戴南組物源”有著重要關(guān)系且亟待解決的問題。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景和前人研究成果［2～8］，筆者以戴一段二亞段 （E2）為研究對象，通過對碎屑巖稀土、微量元素地球化學(xué)特征的分析，確定E2物源區(qū)發(fā)育位置，并深化對物源區(qū)構(gòu)造背景及母巖性質(zhì)的認(rèn)識。研究成果能為高郵凹陷戴南組物源體系建立與沉積相精細(xì)刻畫提供技術(shù)支持，從而優(yōu)化高郵凹陷掩蔽油氣藏的勘探效益。

2 樣品和測試

在高郵凹陷E2共采集130個樣品用于稀土元素和微量元素研究，樣品基本集中于E2未遭受明顯變質(zhì)作用的泥巖段或泥砂巖段。遵循分散采樣的原則，由北至南主要集中于周莊、花莊、富民、永安、肖劉莊、曹莊、真武、邵伯、聯(lián)盟莊、馬家嘴地區(qū)。

所采樣品經(jīng)過粗碎至160目以上后，在瑪瑙研缽中研磨成粒徑小于0.071mm （200目）的粉末樣。樣品測試在南京大學(xué)內(nèi)生金屬礦床成礦機制研究國家重點實驗室完成，所用儀器為高分辨電感耦合等離子質(zhì)譜儀 （ICP－MS），儀器型號為ELEMENTⅡ，儀器測量精度為1×10－9，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差≤3%。

3 碎屑巖地球化學(xué)特征

3.1 稀土元素地球化學(xué)特征

稀土元素 （REE）中，Y、Sc、Ti、Zr、 Hf、Nb、Ta、Th等高場強元素以及部分大離子親石元素如Rb、Sr、Cs、Ba等地球化學(xué)性質(zhì)一般較穩(wěn)定，往往被固體物質(zhì)吸附或者結(jié)合其中，隨顆粒物一起搬運和沉積［9］，受搬運、沉積和成巖等作用的影響小。源區(qū)巖石中REE能夠較好地保存在沉積 物 中［10］， 所 以 沉 積 巖 中REE的特征可以用來反映碎屑源區(qū)的地球化學(xué)特征。不同類型沉積巖中REE有所不同：輝長巖的輕稀土元素略有富集并具Eu正異常，島弧玄武巖輕稀土富集而無Eu異常，大洋玄武巖的輕稀土元素虧損，地幔捕擄體具有輕、重稀土元素均虧損的特點［11］。

高郵凹陷E2稀土元素總量較高，除永19井∑REE出現(xiàn)50.01μg/g的低值外，樣品稀土元素平均為177.42μg/g。球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化曲線表現(xiàn)為輕稀土元素 （LREE）明顯富集，重稀土元素 （HREE）強烈虧損，輕重稀土元素分餾顯著，稀土配分曲線為 “右傾型”，呈現(xiàn)明顯的Eu負(fù)異常（圖1）。

高郵凹陷E2的REE總量高于上部地殼的REE平均含量 （146.37μg/g）及北美頁巖平均值（163.16μg/g）。輕稀土分餾程度高于重稀土分餾程度，呈明顯富集，Eu強烈虧損，δEu平均為0.39，上述特征反映物源與上地殼物質(zhì)相當(dāng)。

圖1 高郵凹陷E2稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化曲線

表1 高郵凹陷E2稀土元素統(tǒng)計表

表1 高郵凹陷E2稀土元素統(tǒng)計表

層位 ∑REE/μg·g－1 ∑LREE/∑HREE δEu （La/Yb）N （La/Ce）N 樣品數(shù)/個E2d21 177.42 10.98 0.39 11.26 1.25 23

E2在高郵凹陷內(nèi)各地區(qū)的∑REE及 （La/Yb）N存在較大差異，表明各地區(qū)間存在較大的物源差異。同時，源巖的輕重稀土元素分異作用明顯，說明沉積物普遍具有近源特征。隨埋深增加稀土總量減少，Eu虧損程度則保持穩(wěn)定，這與E2沉積時期存在湖盆進(jìn)一步擴張有關(guān)，隨著水域擴大，細(xì)粒沉積物厚度增加，導(dǎo)致∑REE相應(yīng)增大。

3.2 微量元素地球化學(xué)特征

通常把巖石中含量低于1%的化學(xué)元素稱為微量元素。其所包含的具體元素是相對的，即某一種元素在某一種巖石中是微量元素，而在另一種巖石中可能就成為常量元素。因此，分析微量元素時一定要指明其所賦存的巖石名稱。通過對所測樣品的微量元素進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化計算，以此作為判斷源區(qū)源巖類型以及構(gòu)造背景的重要工具，常用的標(biāo)準(zhǔn)化圖解包括平均大陸上地殼［1］和北美組合頁巖［12］。

對高郵凹陷E2沉積物微量元素含量進(jìn)行北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化（圖2）可見，相容性元素Cr、Co、Ni等的含量穩(wěn)定。其中Co均表現(xiàn)為富集，標(biāo)準(zhǔn)化值均為4左右，Ni含量與北美頁巖均一致，Cr表現(xiàn)為強烈虧損，北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化值僅為0.005，相對北美頁巖中的Cr含量可忽略不計。大離子親石元素和高場強元素的含量地區(qū)差異明顯。

在E2沉積時期，各地區(qū)的Sr含量差異最明顯，標(biāo)準(zhǔn)化值介于0.01～1之間，Ba含量較為集中，標(biāo)準(zhǔn)化值集中在0.08～0.2之間，其中周莊地區(qū)的Sr含量最高，邵伯、真武地區(qū)的Sr含量最低。高場強元素在各個地區(qū)差異較大，根據(jù)高場強元素較好地指示物源性質(zhì)，可大致推斷各地區(qū)物源的相似性，其中馬家嘴、聯(lián)盟莊和周莊南部的物源較為相似，均表現(xiàn)為Y含量可忽略不計；花莊、聯(lián)盟莊北部和永安地區(qū)的物源較為相似，Y含量較富集；富民、真武和邵伯的物源較為相似，同時出現(xiàn)Y虧損和Y富集的情況，可能受到兩種以上物源的影響 （圖3）。

圖2 高郵凹陷E2微量元素北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化圖

4 討 論

4.1 研究區(qū)構(gòu)造背景判別

通過對各種構(gòu)造背景下形成的砂巖的稀土元素特征的研究，建立了不同源區(qū)構(gòu)造背景下砂巖的稀土元素特征判別標(biāo)志，把砂巖的形成環(huán)境分為大洋島弧、大陸島弧、活動大陸邊緣和被動大陸邊緣4種類型［13］。

表2 不同構(gòu)造環(huán)境稀土元素含量

圖3 高郵凹陷E2微量元素北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化分布圖

將高郵凹陷E2沉積巖中的稀土元素參數(shù)與表2對比，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)沉積巖中除δEu含量值較低外，其他各參數(shù)與活動大陸邊緣 （安第斯型盆地）的稀土元素參數(shù)相似 （表2）。說明該研究區(qū)物源背景主要為活動大陸邊緣，物源區(qū)類型為克拉通內(nèi)的高地，反映出高郵凹陷為穩(wěn)定的地臺沉積的特點。

沉積物的微量元素和稀土元素結(jié)合起來可以更好地反映其物源組成［13］。Bhatia等［10，14］研究了東澳大利亞已知物源區(qū)構(gòu)造環(huán)境的古代泥巖及雜砂巖，發(fā)現(xiàn)其稀土元素、微量元素La－Sc－Th和Th－Sc－Zr/10三相判別圖解可用于區(qū)分不同構(gòu)造背景物源，這些判斷數(shù)據(jù)得到了地質(zhì)學(xué)界的認(rèn)可和廣泛運用。在Th－Sc－Zr/10三角圖 （圖4）中，反映高郵凹陷E2的物源以活動大陸邊緣為主，這與之前稀土元素對于高郵凹陷戴南組物源的構(gòu)造背景分析一致。在E2沉積時期，大部分樣品均落在活動大陸邊緣區(qū)范圍內(nèi)。

4.2 物源研究

4.2.1 母巖性質(zhì)研究

根據(jù)La/Tu－Hf圖可判別高郵凹陷E2物源區(qū)母巖性質(zhì)及其變化，由圖5可見：E2沉積時期，周莊、曹莊和花莊等少數(shù)地區(qū)受大陸上地殼的長英質(zhì)物質(zhì)和火山物質(zhì)的控制，其他大部分樣品處于長英質(zhì)/基性物源混合物源區(qū)，同時受安山質(zhì)島弧源區(qū)和長英質(zhì)源區(qū)的影響，說明物源主要來源于大陸上地殼的長英質(zhì)物質(zhì)和中酸性火山弧物質(zhì)。其中永安地區(qū)的樣品Hf含量出現(xiàn)低值，受安山質(zhì)島弧物質(zhì)的影響較大。

4.2.2 物源方向研究

根據(jù)La/Th－Hf的物源判別圖可判斷高郵凹陷E2的泥巖樣品主要落在安山質(zhì)島弧源區(qū)和長英質(zhì)源區(qū)之間的混合源區(qū)，反映其母巖來源于以火山弧物質(zhì)和大陸上地殼長英質(zhì)物質(zhì)為主的物源區(qū)，說明母巖區(qū)的構(gòu)造背景為活動大陸邊緣，這與前面稀土元素的物源分析結(jié)論相符。

4.3 古地理環(huán)境分析

圖4 高郵凹陷E2樣品Th－Sc－Zr/10圖解

圖5 高郵凹陷E2樣品La/Th－Hf物源判別圖

圖6 高郵凹陷E2稀土元素地球化學(xué)分析圖

稀土元素在母巖的風(fēng)化過程中被復(fù)雜化，稀土元素的化學(xué)活動性取決于母巖的風(fēng)化、搬運程度及風(fēng)化產(chǎn)物對稀土元素的接受能力。在風(fēng)化作用過程中，重稀土元素較輕稀土元素活潑，易于以溶液形式遷移，后者則趨向于在風(fēng)化殘余物中富集［15］。因此輕重稀土分餾值 （La/Yb）N可反映物源在搬運過程中的風(fēng)化程度和物源的遠(yuǎn)近，當(dāng) （La/Yb）N值較小時說明重稀土元素含量相對較高，表明當(dāng)前沉積物在沉積過程中經(jīng)歷了較高的風(fēng)化作用或是經(jīng)過了較長距離的搬運。結(jié)合源區(qū)母巖性質(zhì)綜合研究表明，高郵凹陷E2主要為近源沉積，物源主要集中在周邊一些構(gòu)造凸起，如通揚隆起、柘垛低凸起、菱塘橋低凸起等，每個亞段之間的物源差異不大 （圖6，表3）。

Sr是非常容易被化學(xué)分解和溶解流失的元素，在風(fēng)化殘留沉積物、碎屑巖、泥質(zhì)巖和土壤中Sr明顯貧化，海水中Sr含量比淡水中高得多，海相沉積物中Sr含量普遍較高［15］。沉積作用中，從介質(zhì)中遷入沉積物中的游離態(tài)Sr、Ba元素含量的比值是判斷海陸沉積相的有效指標(biāo)。一般認(rèn)為Sr/Ba值在海相泥質(zhì)巖中大于1，在陸相泥質(zhì)巖中小于1，但其比值往往只指示鹽度的高低。

表3 高郵凹陷E2物源分析表

表3 高郵凹陷E2物源分析表

地區(qū) 物源花莊 柘垛低凸起富民 （北） 柘垛低凸起富民 （南） 通揚隆起周莊 東部母巖區(qū)曹莊 通揚隆起真武 通揚隆起邵伯 通揚隆起黃玨 通揚隆起永安 柘垛低凸起，受菱塘橋低凸起影響卸甲莊 菱塘橋低凸起聯(lián)盟莊 柘垛低凸起，受菱塘橋低凸起影響馬家嘴 菱塘橋低凸起

圖7 高郵凹陷E2樣品Sr/Ba值按地區(qū)分布圖

由圖7可見，E2在真1斷裂附近 （周23、富11、富85、曹18、邵X14、永X30、聯(lián)12、聯(lián)26）尤其是東側(cè)的Sr/Ba值大部分大于1，鹽度較高；而斷裂西側(cè)、離斷裂較遠(yuǎn)或者處于盆地內(nèi)部的沉積巖中Sr/Ba值小于1，鹽度較低。E2的Sr/Ba值差異較大，真2斷裂附近 （真80、許淺1－1），尤其是斷裂東側(cè)，Sr/Ba值大部分均高于1，尤其是斷裂東部的上盤，Sr/Ba值較大?？傮w而言，在高郵凹陷E2的沉積巖中，真2斷裂附近水體鹽度較高，而斷裂西側(cè)和盆地內(nèi)部水體鹽度較低。

5 結(jié) 論

1）將研究區(qū)稀土、微量元素含量特征進(jìn)行對比后可以得出較為一致的結(jié)論，即高郵凹陷戴南組構(gòu)造背景為活動大陸邊緣，物源區(qū)類型為克拉通內(nèi)的高地，具有穩(wěn)定地臺沉積特點。

2）通過大陸上地殼標(biāo)準(zhǔn)化圖看出，在E2微量元素中親鐵性和高場強元素富集，說明戴南組碎屑源巖主要來自活動大陸邊緣上的長英質(zhì)源區(qū)和中酸性島弧源區(qū)，并可能受到巖漿－變質(zhì)體的影響，大離子親石元素明顯虧損，整體上經(jīng)歷了較強烈的風(fēng)化作用，表明不同的構(gòu)造背景對各地區(qū)的物源差異有很大影響。

3）高郵凹陷E2主要為近源沉積，物源主要集中在周邊一些構(gòu)造凸起，如通揚隆起、柘垛低凸起、菱塘橋低凸起等，并且每個亞段之間的物源差異不大。

4）通過Sr/Ba值可以總結(jié)出，E2亞段在高郵凹陷戴一段的沉積巖中，除真2斷裂帶東側(cè)主要為近海湖盆咸水沉積環(huán)境外，斷裂帶西側(cè)和盆地內(nèi)部水體鹽度較低，為淡水－半咸水沉積環(huán)境。

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［編輯］ 宋換新