渤中凹陷西斜坡碎屑鋯石特征及物源定量示蹤

余宏忠

(中國石油大學，北京 102249)

引 言

近年來，盆地物源分析的技術(shù)和方法逐漸完善[1]，其中鋯石同位素定年技術(shù)操作性強、示蹤精度高[2]，適用于火成巖和變質(zhì)巖地層，在盆地物源定量分析中應(yīng)用廣泛[3]。前人對渤中凹陷西斜坡的古物源通道[4]、沉積體系[5]和砂體展布規(guī)律[6]進行了較深入的研究，一般認為古近系的物源來自盆地內(nèi)的凸起，但沒有考慮盆外物源的影響，相關(guān)的研究也停留在定性分析上。本次研究以鋯石U-Pb定年技術(shù)為主，結(jié)合碎屑成分分析法和重礦物分析法，對渤中凹陷西斜坡古近系沙河街組和東營組的物源進行定量示蹤分析，為尋找有利儲集砂體提供定量依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

渤中凹陷西斜坡位于渤海灣盆地中部[7-8]，北部為燕山褶皺帶，往南構(gòu)造單元依次為石臼坨凸起、南堡凹陷、沙壘田凸起和沙南凹陷，研究區(qū)的物源可來自石臼坨凸起、沙壘田凸起和燕山褶皺帶的的各種火成巖和變質(zhì)巖類等。其中古近系的沙河街組和東營組為重要的含油層系[9]，是本次研究的目標層。

2 碎屑鋯石成因及特征

本次研究采集了來自6口井的沙一段、東二下段和東二上段的多塊樣品，對200多顆鋯石進行了統(tǒng)計測試，依據(jù)鋯石形成環(huán)境、結(jié)晶習性及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異[10]，結(jié)合陰極發(fā)光特征，識別出了巖漿成因和變質(zhì)成因2類鋯石，從而區(qū)分鋯石所屬的不同母巖類型。

2.1 巖漿成因鋯石形態(tài)特征

砂礫巖樣品中巖漿成因鋯石多為長柱狀，結(jié)晶環(huán)帶比較發(fā)育，具有典型的巖漿作用特征(圖1)，其晶形、晶棱磨蝕一般較弱，表明鋯石的搬運距離短。

圖1 巖漿成因鋯石陰極發(fā)光圖像

BZ2-1-2井東二下段含炭質(zhì)紋層細砂巖中發(fā)育典型的環(huán)帶結(jié)構(gòu)鋯石，體現(xiàn)了巖漿活動過程中鋯石振蕩分帶生長的特點(圖1a);CFD5-5-1D井沙一段下部礫巖中鋯石呈長方柱狀，內(nèi)部結(jié)構(gòu)環(huán)帶清晰(圖1b);CFD5-5-1D井沙一段礫巖中鋯石環(huán)帶結(jié)構(gòu)明顯，發(fā)育較大的無環(huán)帶核部(圖1c);BZ3-1-1井東二上段紅色泥質(zhì)紋層細砂巖中，鋯石呈柱狀，發(fā)生一定程度的磨蝕(圖1d)。

沙一段和東二下段巖漿成因鋯石形態(tài)特征清晰，普遍發(fā)育環(huán)帶結(jié)構(gòu)，具有明顯的火成巖標型特征，因此其母巖屬于火成巖，指示了凸起內(nèi)大面積分布的中生代火成巖與火山碎屑巖作為物源。

2.2 變質(zhì)成因鋯石形態(tài)特征

砂礫巖樣品中變質(zhì)成因鋯石有的呈渾圓狀，有的呈環(huán)帶狀，但都共同發(fā)育次生邊，鋯石具明顯的變質(zhì)作用的特征(圖2)。

圖2 變質(zhì)成因鋯石陰極發(fā)光圖像

BZ8-4-1井東二下段砂巖中鋯石磨蝕明顯，外形呈渾圓狀，渾圓狀顆粒在變質(zhì)過程中，發(fā)生增生，形成1個白色的次生邊(圖2a)，CFD5-5-1D井沙一段礫巖中鋯石則在動力變質(zhì)作用下發(fā)生了明顯碎裂(圖2b)，這些鋯石都以變質(zhì)成因為主，表明其母巖屬于變質(zhì)巖。

BZ3-1-1井和BZ2-1-2井東二段細砂巖中鋯石核部具明顯的環(huán)帶結(jié)構(gòu)，環(huán)帶外側(cè)也形成了白色的次生邊(圖2cd)，因此這類鋯石具巖漿-變質(zhì)復(fù)合成因，表明其母巖為火成巖和變質(zhì)巖。

3 碎屑鋯石定年及物源示蹤

本次研究共測定來自6口井的200多顆鋯石，以鋯石的成因特征為基礎(chǔ)，采用鋯石U-Pb測年法，通過單顆粒碎屑鋯石的年齡分析，結(jié)合區(qū)域沉積演化過程，綜合探討凹陷內(nèi)古近系碎屑沉積物的物源位置和巖性組合。

3.1 沙一段鋯石定年及物源分析

沙一段沉積期，研究區(qū)斷陷活動強烈，由于受到石臼坨凸起、沙壘田凸起的分隔，在盆地內(nèi)部形成了多斷多洼、多隆多洼、隆洼相間的復(fù)雜多樣的古地理格局，該階段研究區(qū)的沉積物源主要來自石臼坨凸起、沙壘田凸起。

沙一段鋯石定年表明，元古代、古生代和中生代鋯石占優(yōu)勢(表1)，鋯石以巖漿成因和變質(zhì)成因特征為主，CFD5-5-1D井又位于石臼坨凸起與沙壘田凸起之間的低洼帶，因此，推斷沙一段物源既來自石臼坨凸起的中生代火成巖、火山碎屑巖和古生代碳酸鹽巖，又來自沙壘田凸起的元古代變質(zhì)巖和古生代碳酸鹽巖、碎屑巖。

表1 沙一段、東二下段、東二上段鋯石定年及物源分析

3.2 東二下段鋯石定年及物源分析

東二下段沉積期，研究區(qū)斷陷活動再次加強，盆地內(nèi)形成了許多被石臼坨凸起和沙壘田凸起分割的斷陷湖盆沉積。該階段的沉積物源也主要來自石臼坨凸起、沙壘田凸起。

東二下段鋯石定年表明，元古代、古生代和中生代鋯石占優(yōu)勢(表1)，鋯石具變質(zhì)成因和巖漿成因特征，各取樣井又位于石臼坨凸起和沙壘田凸起周邊，因此，推斷東二下段物源既來自石臼坨凸起的太古代和元古代變質(zhì)巖、中生代火成巖、火山碎屑巖，又來自沙壘田凸起的元古代變質(zhì)巖。

3.3 東二上段鋯石定年及物源分析

東二上段沉積期，研究區(qū)處于坳陷階段，由于坳陷內(nèi)各凸起長期遭受剝蝕夷平，整體為填平補齊沉積，凹陷區(qū)地勢更加平坦，凸起的物源效應(yīng)減弱，物源體系發(fā)生轉(zhuǎn)換，由局部物源轉(zhuǎn)變?yōu)閰^(qū)域物源。因此，該階段沉積物主要來自北部的燕山褶皺帶。

東二下段鋯石定年表明，元古代鋯石占優(yōu)勢(表1)，太古代鋯石和中生代鋯石較少，鋯石以變質(zhì)成因為主，部分有巖漿成因。因此，東二上段的物源已從凸起等局部物源轉(zhuǎn)換為燕山褶皺帶大面積分布的太古代和元古代變質(zhì)巖，而且燕山褶皺帶的物源影響在逐漸增強，局部仍保存有石臼坨凸起的太古代和元古代變質(zhì)巖、中生代火成巖、火山碎屑巖的物源貢獻。

4 物源示蹤結(jié)果討論

4.1 研究區(qū)物源特征

研究區(qū)的物源分為盆外區(qū)域物源和盆內(nèi)局部物源2類，其中北部燕山褶皺帶為區(qū)域物源，石臼坨凸起和沙壘田凸起屬于局部物源，其基巖年代、巖性差別較大，為物源示蹤提供了良好的基礎(chǔ)。北部燕山褶皺帶大面積分布太古代和元古代變質(zhì)巖，局部發(fā)育古生代和中生代基巖。石臼坨凸起基底大面積分布中生代火成巖、火山碎屑巖和古生代碳酸鹽巖、碎屑巖，局部發(fā)育太古代和元古代基巖。沙壘田凸起基底大面積分布元古代變質(zhì)巖，局部發(fā)育太古代和古生代基巖。

4.2 物源轉(zhuǎn)換的驗證

不同物源的巖性特征存在差異，東二下段至東二上段的沉積演化證明了物源轉(zhuǎn)換現(xiàn)象的存在，另外還可以從砂礫巖樣品的碎屑成分和重礦物組合特征對這種轉(zhuǎn)換現(xiàn)象作出解釋。

砂巖碎屑鑒定結(jié)果顯示，沙一段砂巖的火山碎屑含量約為50% ～83%，東二段砂巖的火山碎屑含量約為8%～21%。沙一段的火山碎屑含量較高，表明沙一段沉積物主要來自含火成巖較多的局部物源，對應(yīng)凸起中大面積分布的火成巖、火山碎屑巖。東二段火山碎屑含量較低，表明其沉積物開始受到區(qū)域物源的影響，對應(yīng)燕山褶皺帶的古老變質(zhì)基巖。因此，從沙一段到東二段沉積物中火山碎屑含量的降低，指示了研究區(qū)的物源從石臼坨凸起、沙壘田凸起轉(zhuǎn)換為北部的燕山褶皺帶。

BZ2-1-2井重礦物分析結(jié)果顯示，東二下段重礦物以鋯石和石榴子石為主(圖3a)，東二上段重礦物以石榴子石和磁鐵礦為主(圖3b)?？紤]到研究區(qū)物源中存在較多變質(zhì)巖，而GZi指數(shù)又反映了物源區(qū)片巖、角閃巖、麻粒巖的母巖組成[11]，GZi指數(shù)越大，這些變質(zhì)巖在母巖中比例就越多[12]，因此通過對比不同層段的GZi指數(shù)可區(qū)分不同的物源巖石組成。

式中:Q石榴子石為石榴子石含量，%;Q鋯石為鋯石含量，%。

依據(jù)公式(1)計算可知，東二下段的GZi指數(shù)為20% ～37%，東二上段的GZi指數(shù)為96% ～97%，東二下段的GZi指數(shù)較低，指示了巖性復(fù)雜多樣的局部物源;東二上段的GZi指數(shù)較高，指示了以古老變質(zhì)巖為主的區(qū)域物源。因此，從東二下段到東二上段沉積物中GZi指數(shù)的升高，同樣指示了研究區(qū)的物源從石臼坨凸起、沙壘田凸起轉(zhuǎn)換為北部的燕山褶皺帶。

總而言之，沙一段至東二上段的沉積物性質(zhì)發(fā)生了規(guī)律性變化:表現(xiàn)為火山碎屑含量明顯降低，重礦物的GZi指數(shù)顯著升高。這些變化都表明渤中凹陷新生代沉積充填過程中，凹陷內(nèi)局部物源的影響在逐漸減弱，燕山褶皺帶區(qū)域物源的影響不斷增強，這也是盆地構(gòu)造演化與沉積充填樣式轉(zhuǎn)變的具體體現(xiàn)。

圖3 東二下段和東二上段重礦物含量分布

4.3 不同物源的作用效應(yīng)

研究結(jié)果證實，東二上段沉積之前，研究區(qū)的沉積物主要來自石臼坨凸起和沙壘田凸起。石臼坨凸起提供的沉積物具近源、快速沉積的特點，在凸起南緣的陡坡帶形成了陣發(fā)性水流成因的扇三角洲沉積，扇體規(guī)模較小，平面上呈扇狀、片狀展布(圖4a)。受中生代火成巖、火山碎屑巖物源的影響，扇三角洲砂體中火山巖巖屑含量較高，儲層物性較差。沙壘田凸起東緣為緩坡帶，搬運距離較遠，發(fā)育辮狀河三角洲沉積，三角洲規(guī)模較大，連片性較好(圖4a)。

圖4 渤中凹陷西斜坡東二下段和東二上段沉積體系展布

從東二上段沉積開始，研究區(qū)物源發(fā)生轉(zhuǎn)換，區(qū)域物源的供給逐漸增強，沉積物主要來自北部的燕山褶皺帶。燕山褶皺帶大面積分布太古代和元古代的花崗片麻巖，提供了豐富的石英、長石等粗碎屑，隨著大量陸源碎屑物質(zhì)的注入，在研究區(qū)形成了較大規(guī)模的SE向展布的辮狀河三角洲沉積(圖4b)。此外，沙壘田凸起東緣也發(fā)育小規(guī)模的辮狀河三角洲沉積，這些辮狀河三角洲砂體中火山巖巖屑含量明顯降低，儲層物性變好。

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)的碎屑鋯石主要包括巖漿成因和變質(zhì)成因2類。巖漿成因鋯石具典型的環(huán)帶結(jié)構(gòu)，表明物源的母巖為火成巖;變質(zhì)成因鋯石往往發(fā)育次生邊，部分鋯石有沉積成因特征，表明物源的母巖以變質(zhì)巖為主，少量為沉積巖。

(2)碎屑鋯石成因、鋯石年齡分布和區(qū)域沉積演化綜合表明，沙一段物源既來自石臼坨凸起的中生代火成巖、火山碎屑巖和古生代碳酸鹽巖，又來自沙壘田凸起的元古代變質(zhì)巖和古生代碳酸鹽巖、碎屑巖;東二下段物源既來自石臼坨凸起的太古代和元古代變質(zhì)巖、中生代火成巖、火山碎屑巖，又來自沙壘田凸起的元古代變質(zhì)巖;東二上段的物源從局部物源轉(zhuǎn)換為區(qū)域物源，主要來自燕山褶皺帶大面積分布的太古代和元古代變質(zhì)巖。

(3)沙一段至東二上段的沉積物性質(zhì)發(fā)生規(guī)律性變化，表現(xiàn)為火山碎屑含量明顯降低，重礦物的GZi指數(shù)明顯升高。這些變化進一步驗證了研究區(qū)的物源轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，表明凸起等局部物源的影響在逐漸減弱，燕山褶皺帶區(qū)域物源的影響不斷增強。

(4)不同物源的作用效應(yīng)存在差異。石臼坨凸起和沙壘田凸起等局部物源主要形成扇三角洲和辮狀河三角洲沉積，扇三角洲砂體中火山巖巖屑含量較高，儲層物性較差;燕山褶皺帶區(qū)域物源主要形成富含石英和長石的辮狀河三角洲，辮狀河三角洲砂體中火山巖巖屑含量低，儲層物性變好。

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