魯西隆起北側博興洼陷新生界碎屑重礦物的物源示蹤分析*

許承武 李忠 韓登林

XU ChengWu1，2，LI Zhong3＊＊ and HAN DengLin4

1. 大慶油田勘探開發(fā)研究院，大慶 163712

2. 東北石油大學，大慶 163318

3. 中國科學院地質與地球物理研究所，北京 100029

4. 長江大學，武漢 434023

1. Daqing Oilfield E＆D Research Institute，Daqing 163712，China

2. Northest Petroleum University，Daqing 163318，China

3. Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China

4. Yangtze University，Wuhan 434023，China

2013-01-10 收稿，2015-01-04 改回.

1 引言

魯西隆起與鄰近盆地屬于華北地塊內部的新生代盆山系統(tǒng)，兩者在中生代以前經歷了基本一致的地質演變過程，但自晚中生代末期，魯西隆起與鄰區(qū)盆地間的構造分異逐漸顯現(xiàn)，最終形成了現(xiàn)今的盆山系統(tǒng)(馬杏垣等1983;任紀舜等，1999;李三忠等，2005)。魯西隆起剝露速率、時空變化及其對周緣盆地的物源貢獻目前還很不清楚或缺乏可靠的分析數據，致使出現(xiàn)很不一致的認識(蔡進功等，1995;郭旭升，2000)。碎屑沉積巖的組分中包含了關于源區(qū)古環(huán)境、古地形和古氣候以及構造活動和地殼演化等多種信息(Dickinson and Suczed，1979;Dickinson，1985;李任偉等，2000;李忠等，2000，2003)，其中碎屑重礦物組合對物源反映十分敏感，是物源示蹤分析的重要對象(Morton and Hallsworth，1994)。本文對魯西隆起北緣博興洼陷新生界碎屑重礦物組合進行了較系統(tǒng)地研究，并與周圍隆起出露巖石進行對比，明確了研究區(qū)物源方向、組成及變化，并探討了魯西新生界的隆升和剝蝕過程。

2 地質背景

濟陽坳陷位于渤海灣盆地東南部，主要由沾化、車鎮(zhèn)、東營、惠民等4 個凹陷組成。博興洼陷位于東營凹陷西南部，南接魯西隆起，后者向東方向隔郯廬斷裂帶與膠萊盆地、蘇魯造山帶相望。博興洼陷是古近紀開始發(fā)育的裂陷盆地中的一個次級構造單元(圖1)，其古近系由下至上為孔店組、沙河街組和東營組，主要發(fā)育灰色、雜色泥巖和砂巖互層，夾少量碳酸鹽巖、油頁巖和膏巖。新近系館陶組為灰白色礫狀砂巖、細礫巖、灰綠色細砂巖和棕紅色間互沉積;館陶組之上的明化鎮(zhèn)組主要由土黃色、棕紅色泥巖、砂質泥巖和灰白色砂巖組成。

3 樣品分析方法與結果

本次研究對博興洼陷40 余口鉆井采集了100 多個巖心樣品，樣品一般為中-細砂巖。為減小源區(qū)、搬運距離等因素的影響，選取了部分緊靠魯西隆起的博興洼陷南緣鉆井巖心樣品(圖1)，建立了研究剖面(圖2)，層位由下至上包括中生界(Mz)頂部、古近系孔店組(E1-2k)、沙河街組四段(E2s4)、沙河街組三段(E2s3)、沙河街組二段(E2-3s2)、沙河街組一段(E3s1)，新近系館陶組(N1-2g)和明化鎮(zhèn)組(N2m)。博興洼陷南緣目前無古近系東營組(E3d)保存，這可能是古近紀末期“東營運動”抬升剝蝕作用的結果，故本次研究未采集到東營組樣品。

對采集的樣品進行實驗室處理，其步驟為(von Eynatten and Gaupp，1999):(1)去掉樣品表面的風化部分;(2)把樣品無污染破碎至1 ～4mm;(3)將破碎后的樣品放入玻璃瓶中，倒入10%乙酸溶液進行溶解，并加入少量的H2O2防止醋酸鹽沉淀(每1000mL 溶液不少于15mL 雙氧水);(4)將裝有樣品的玻璃瓶密封后放入恒溫箱，恒溫在60oC ±，期間需要不停攪拌，并反復用超聲波清除黏土礦物;(5)待樣品分離成單礦物后，取出樣品進行淘洗;(6)再進行低溫(低于60℃)烘干;(7)從分離好的樣品中選取63 ～125μm 粒級的碎樣，通過重液進行重力分離，再經電磁、精淘分離成電磁、無磁和強磁3 部分;(8)最后用高精度天平，稱取不同類型重礦物重量;(9)根據密度值，換算成體積百分比含量(Deer et al.，1992)。

研究中共鑒定出碎屑重礦物20 多種，計有:鋯石、磷灰石、銳鈦礦、金紅石、重晶石、板鈦礦、黃鐵礦、榍石、石榴石、輝石、角閃石、綠簾石、電氣石、海綠石、鉻鐵礦、白鈦石、鈦鐵礦、赤褐鐵礦、磁鐵礦、獨居石等(圖2)。體積百分含量超過10%的有:鋯石、石榴石、綠簾石、磷灰石、赤褐鐵礦、黃鐵礦、磁鐵礦、鈦鐵礦。

圖1 博興洼陷碎屑重礦物取樣位置圖Fig.1 Position plot for heavy mineral from Boxing sag

圖2 博興洼陷新生界主要碎屑重礦物體積百分含量Fig.2 Distribution characteristics of detrital heavy minerals from Boxing sag

4 物源巖石類型分析

4.1 區(qū)域物源巖石類型

研究區(qū)有3 個潛在的物源區(qū):西南面的魯西隆起區(qū)、北面的渤海灣盆地內隆起和東南面膠東高壓變質帶(圖1)。

魯西隆起區(qū)發(fā)育地層較全，太古界為泰山群，元古界為濟寧群和土門群，古生界缺失志留系和泥盆系，中生界缺失三疊系，新生界地層發(fā)育全。魯西太古界是泰山群變質巖，以片麻巖類及角閃質巖石為主，其重礦物有:綠簾石、綠泥石、透閃石、滑石、角閃石及少量榍石、磷灰石、磁鐵礦、黃鐵礦、褐鐵礦、石榴石、鋯石(多為淺玫瑰色或淡黃色)等。元古界濟寧群僅見于濟寧地區(qū)，為一套淺變質巖及變火山巖，土門群僅見于沂沭斷裂帶及棗莊地區(qū)，是一套未變質的碎屑巖;古生界寒武、奧陶系是一套碳酸鹽巖沉積;石炭、二疊系是一套海陸交互相沉積;中生界為一套陸相砂泥巖沉積，其中白堊系下統(tǒng)由中基性火山巖、火山碎屑巖和沉積巖組成;新生界主要是一套河湖沉積，其中新近系發(fā)育有玄武巖。

渤海灣盆地內發(fā)育的地層有太古界泰山群，下古生界寒武系和奧陶系碳酸鹽巖沉積;上古生界石炭系濱淺海相和海陸交互相，二疊系陸相碎屑巖沉積，中生界侏羅系、白堊系和新生界斷陷湖盆沉積。

魯東只發(fā)育前寒武和中新生代地層，其中太古元古界是膠東群和膠南群，太古代、下元古代的變質巖主要為變粒巖、片麻巖，其重礦物有:黑云母、石榴石、夕線石、藍晶石和少量綠簾石、鋯石、磷灰石、輝石、電氣石等;中生界發(fā)育侏羅系和白堊系，主要為碎屑巖，其中白堊系下統(tǒng)發(fā)育中酸性火山巖、火山碎屑巖和沉積巖，新生界發(fā)育主要是河湖沉積，其中新近系發(fā)育有玄武巖。

4.2 研究區(qū)碎屑重礦物組合與源巖類型

為實現(xiàn)研究區(qū)各種重礦物組分的巖石歸類，選用離差平方和法對樣品進行了Q 型聚類分析。求解過程是首先使每個重礦物組分自成一類，每一步使離差平方和增加最小的兩類合并為一類，直到所有的重礦物組分都歸為一類為止。

參考前人(Pettijohn et al.，1972;Lewis，1984)研究結果，根據聚類分析結果(圖3)結合研究區(qū)巖石類型分析，博興洼陷新生界碎屑重礦物組合主要反映5 種源巖類型:(1)以大量石榴石+痕量藍閃石+少量渾圓細小的鋯石組合反映的類型1 變質巖;(2)以綠簾石+棕黃色、玫瑰色鋯石+磁鐵礦組合反映的類型2 變質巖;(3)以金紅石+無色鋯石+鈦鐵礦+鉻鐵礦+薄片中觀察到的安山巖巖屑組合反映的基性火山巖;(4)以鋯石+磷灰石+電氣石+薄片中觀察到的鉀長石組合反映的中酸性火山巖;(5)以重晶石+黃鐵礦+赤褐鐵礦+薄片中觀察到的碳酸鹽巖巖屑組合反映的沉積巖。

4.3 研究區(qū)源巖組合與演化

圖3 博興洼陷碎屑重礦物組合聚類分析圖Fig.3 Cluster analysis of detrital heavy minerals from Boxing sag

根據上述識別出的源巖類型和碎屑重礦物含量(圖2)，古近系孔店組源巖由重晶石+黃鐵礦組合反映沉積巖源巖和石榴石+綠簾石+磁鐵礦+玫瑰色鋯石+痕量的藍閃石組合反映類型1 變質巖源巖以及少量半自形次滾圓狀金紅石+鋯石+電氣石+白鈦石+榍石組合反映基性巖漿巖類型源巖組成。沙四段源巖類型有石榴石+綠簾石+玫瑰色鋯石+痕量的藍閃石組合反映的類型1 變質巖;金紅石+鋯石+鈦鐵礦+鉻鐵礦反映的基性火成巖類型源巖;以鋯石+磷灰石+電氣石反映的中酸性火成巖類型源巖。沙三段源巖以綠簾石+磁鐵礦+磷灰石組合反映的類型2 變質巖為主;其次是少量的以金紅石+鋯石+電氣石+白鈦石+榍石+痕量角閃石組合反映的基性火成巖;最后是以黃鐵礦組合反映的自生礦物為沉積巖來源。沙二段源巖類型由以石榴石+玫瑰色鋯石反映的類型1 變質巖;以鈦鐵礦+銳鈦礦+金紅石+鉻鐵礦組合反映的中基性火成巖類型源巖和少量的磷灰石+ 鋯石+ 電氣石組合反映的中酸性火成巖源巖組成。

沙一段源巖主要有以石榴石+磁鐵礦+綠簾石+痕量角閃石組合反映的類型1 變質巖;其次是以鈦鐵礦+赤褐鐵礦+金紅石+榍石+白鈦石+鉻鐵礦組合反映的基性火成巖類型源巖;再次是很少量的+電氣石+鋯石+磷灰石組合反映的中酸性火成巖類型源巖和極少量的重晶石+赤褐鐵礦反映的自生礦物組合。

新近系館陶組源巖由以石榴石+綠簾石+磁鐵礦反映的類型2 變質巖源巖和角閃石+輝石+鋯石+鉻鐵礦+白鈦石+金紅石反映的基性火成巖為主。明化鎮(zhèn)組源巖類型是以綠簾石+少量的石榴石+白鈦石+磁鐵礦+磷灰石組合反映的類型2 變質巖為主;其次是以半自形滾圓柱狀金紅石+電氣石+黃粉色為主的鋯石+銳鈦礦+榍石組合反映的基性火成巖。

圖4 博興洼陷碎屑重礦物參數特征Fig.4 Diagram of detrital heavy minerals index in Boxing sag

綜上所述，可以看出從古近系孔店組至新近系明化鎮(zhèn)組，以富含石榴石為代表的類型1 變質巖源巖逐漸減少，而以綠簾石為代表的類型2 變質巖源巖逐漸增加;白鈦石+金紅石+鈦鐵礦等組合反映的中基性火成巖類型源巖逐漸增加，而磷灰石+鋯石+電氣石組合反映的中酸性火成巖類型源巖逐漸減少;黃鐵礦+重晶石+赤褐鐵礦反映的沉積巖類型源巖呈減少的趨勢。

英語新聞翻譯要從認知角度出發(fā)，根據目標域中譯語隱喻與源域中源語隱喻間形成的相似或相異 “映射關系”，采取直譯、意譯策略，準確傳達源語信息。

4.4 物源分組分析

重礦物組合和豐度在搬運沉積和成巖過程中往往受到多種因素的影響，為了提高重礦物分析物源的精確性，減少如物理分選、機械破碎、層間溶解等作用對物源解釋的影響，Morton and Hallswor(1999)提出了利用在相似水動力條件和成巖作用下穩(wěn)定性相差不大的重礦物比值反映物源特征，即重礦物指數，包括:ATi 指數(磷灰石/(磷灰石+電氣石)×100%)、GZi 指數(石榴石/(石榴石+鋯石)×100%)、RuZi指數(金紅石/(金紅石+鋯石)×100%)、MZi 指數(獨居石/(獨居石+鋯石)×100%)等。根據研究區(qū)實際重礦物組成，采用了ATi 指數、GZi 指數、RuZi 指數三個指標，分別作了Gzi-RuZi 和Gzi-ATi 兩個交繪圖來分析研究區(qū)的物源變化。

根據重礦物指數樣品明顯可以分成3 組(圖4):A 組包括古近系孔店組、沙四段、沙二段、沙一段和新近系館陶組樣品，具有高GZi;B 組包括新近系明化鎮(zhèn)組，較低的RuZi、GZi值，高ATi 值;C 組包括古近系沙三段，具有低GZi、RuZi 值，高ATi。從GZi-ATi 圖可知A 組GZi 值高，主要集中在70%～100%之間，均值為87.60%，表明源區(qū)富含石榴石的變質巖對研究區(qū)貢獻大，ATi 值從孔店組和沙四段向館陶組逐漸減小，表明中酸性巖漿巖從沙四段向館陶組貢獻相對減小。GZi-RuZi 交匯圖中A 組沙四段和沙二段樣品向沙一段和館陶組RuZi 值減小，表明從沙四段向館陶組與中基性火成巖相比，變質巖分范圍越來越大;B 組GZi 值集中在40% ～70%，均值55.71%，RuZi 值集中在10% ～25%，ATi 值集中在20% ～70%，與A 組相比，明化鎮(zhèn)組時期源區(qū)以石榴石代表變質巖分布范圍減小;C 組GZi、RuZi 值集中在0，ATi 值多集中在90% ～100%，表明C 組樣品源巖以鋯石為代表的變質巖為主。

綜上所述，可以看出古近系孔店組至新近系館陶組GZi指數相近，表明源巖類型沒有發(fā)生較大變化，ATi 指數相對減小，表明巖漿巖類源巖呈減少趨勢，變質巖類源巖呈增加趨勢。新近系明化鎮(zhèn)組源巖GZi 指數明顯減小，表明石榴石代表的變質巖類源巖發(fā)生了明顯的減小，源巖組合類型發(fā)生了大的變化。

5 討論

由研究區(qū)碎屑礦物及其組合和薄片觀察可知源區(qū)巖石類型多樣，以變質巖加基性火山巖類型源巖為主，另外還有沉積巖和中酸性火成巖源巖。從研究區(qū)碎屑礦物形態(tài)上來看，研究區(qū)碎屑鋯石主要分為2 種，均粒度細小且量少。一種粉色，半自形柱狀，透明，弱金剛光澤，表面較光滑，斷口有溶磨痕跡，該類鋯石磨圓度較低，分選性較好，搬運痕跡多不明顯，少數從不明顯向較明顯呈過渡狀，推測距源巖很近，可能來自魯西隆起的火山巖。另一種淺玫瑰色，次滾圓粒狀，半透明，毛玻光澤，表面多從較光滑向較粗糙過渡，斷口均見溶磨至磨蝕痕跡，該類鋯石磨圓度較高，分選性好，搬運痕跡多數呈不明顯向較明顯過渡，少數較明顯，推測該類鋯石距源巖稍遠，經中短距離搬運而來，生成年代早，可能來自變質巖。

從研究區(qū)碎屑礦物組合來看，魯西隆起北緣靠近博興洼陷一側新生界下覆地層主要是侏羅系、白堊系和寒武、奧陶系，此外還有少量石炭、二疊系和太古界地層(李忠等，2004①李忠等. 2004. 中國典型疊合盆地關鍵構造變革時期的盆山耦合與深部過程(國家973 項目課題中期進展報告))。以綠簾石為代表的綠簾石+較高磨圓的玫瑰色鋯石+磁鐵礦+痕量角閃石+輝石組合反映的類型2 變質巖重礦物組合與泰山群的重礦物組合相近，進一步說明了存在魯西源巖。從研究區(qū)沉積相展布來看，前人均認為博興洼陷南斜坡孔店組、沙四段物源來自魯西(許衛(wèi)平和田海芹，2000;王建偉等，2001;蔡進功等，1995;譚明友，2003)。

從研究區(qū)巖屑成分及含量來看，薄片中的安山巖巖屑和碳酸鹽巖巖屑也證明了近源的巖漿巖和沉積巖源巖的存在，同時最近研究(勝利油田，2007②勝利油田. 2007.博興洼陷沙四(上)段沉積復合體形成演化研究及儲層預測(勝利油田研究報告))認為，博興洼陷南部沙四上亞段火山巖巖屑向北含量迅速減少，也說明研究區(qū)具有來自洼陷以南魯西隆起的物源。

同時本次研究還發(fā)現(xiàn)，以細小的電氣石+玫瑰色渾圓狀鋯石+大量石榴石+痕量藍閃石組合反映的類型1 變質巖與魯東出露的下元古界粉子山群及榴輝巖重礦物組合相近，因此推測以石榴石為代表的變質巖反映的是蘇魯變質巖，即研究區(qū)也受蘇魯源區(qū)的影響。更進一步對本區(qū)碎屑重礦物進行了鑒定分析，在古近系孔店組和沙四段樣品中發(fā)現(xiàn)了痕量的藍閃石、凍藍閃石和多硅白云母。為確認結果對這些礦物進行了電子探針分析，結果證實確實為藍閃石等低溫高壓礦物。這些礦物是典型的低溫高壓形成的礦物，從目前的報道來看，只有蘇魯-大別超高壓帶有此類礦物(張景森等，2006)。此類礦物的來源只能有兩個途徑，一是直接從魯東超高壓帶搬運而來，另一種是魯東超高壓物質沉積至魯西諸盆地中，再旋回至博興洼陷中。大別山超高壓物質從中-晚侏羅世就已經出露(王道軒等，2001;李雙應等，2005)，如果蘇魯超高壓物質的剝露也能與之對比，那么由于此時魯西隆起并不高(李理和鐘大賚，2006)，東高西低的古地理格局使得蘇魯超高壓物質有可能以礫石先期堆積在魯西諸盆地中;但李忠等對魯西諸盆地侏羅白堊系礫巖層的考察中未發(fā)現(xiàn)與蘇魯相關的超高壓類型的巖石(李忠等，2004)，而且迄今也沒有在魯西該層位中發(fā)現(xiàn)藍閃石等超高壓礦物的報導。更重要的是藍閃石等礦物在榴輝巖中含量并不高，而且非常容易風化，因此再旋回后又被發(fā)現(xiàn)的可能性極小。白堊紀，在蘇魯超高壓帶與魯西之間的沂沐斷陷盆地沉積水體較深，超高壓物質很難越過盆地到達魯西。綜上所述，孔店組和沙四段樣品中發(fā)現(xiàn)的藍閃石、凍藍閃石和多硅白云母礦物是直接搬運而來，也就是說此時洼陷有來自蘇魯超高壓帶的物源。另外對研究區(qū)進行了近千顆碎屑石榴石探針分析，其結果也證明研究區(qū)有大量來自蘇魯地區(qū)石榴石碎屑重礦物(李忠等，2009)。綜上，說明了博興洼陷古近紀既受魯西源區(qū)的影響也受蘇魯源區(qū)的影響。

從重礦物指數分組來看，古近系沙三段源巖類型屬于C組。前人從沉積相展布與長石含量等方面，多數認為博興洼陷南坡物源仍來自魯西隆起(羅佳強，2001;韓祥磊等，2003;邱桂強等，2001;石世革和張宇，2003;任建業(yè)等，2004;鄭永輝，2005;林會喜等，2005;韓登林等，2007)，然而從重礦物組分來看，研究區(qū)沙三段源巖類型與A、C 組都有顯著的不同，主要是以綠簾石、磁鐵礦、磷灰石組合反映的魯西變質巖為主，其它類型源巖表現(xiàn)不明顯。這種重礦物組合與泰山群變質巖重礦物組合相近，泰山群主要出露于魯西隆起。雖然此時魯西隆起并不高，但盆地斷陷強，盆山分異強烈，沉積速率快(3.8Myr 沉積了近千米厚的近源沉積物)，因此物源巖石屬性主要親距離研究區(qū)較近的魯西，而較遠的蘇魯超高壓帶的物源影響不明顯或逐漸被取代。

沙二段、沙一段、館陶組，與孔店組、沙四段同屬A 組，其源巖類型大致相同，都是以變質巖和中基性火山巖為主，還包括少量沉積巖和中酸性火成巖。在這些層段中雖然沒有發(fā)現(xiàn)藍閃石等礦物，但其重礦物種類，重礦物指數都與孔店組、沙四段大致相同，因此認為其源巖類型與孔店組、沙四段相同。博興洼陷仍受魯西、魯東隆起共同影響。從重礦物含量上看，從沙二段起，碎屑重礦物石榴石、電氣石、磷灰石含量逐漸減少(圖2)，但沙二段至館陶組重礦物指數變化不大，表明研究區(qū)源巖類型基本沒有變化，但富含石榴石、電氣石類型的變質巖類型源巖對盆地的貢獻逐漸減少，而基性火成巖類型源巖逐漸增加。富含石榴石的變質巖與魯東下元古變質巖重礦物組合相近，主要出露于魯東，因此認為這表明魯西逐漸緩慢隆起，使得魯東源區(qū)對博興洼陷的影響逐漸減小。

明化鎮(zhèn)組屬于B 組，與A 組相近，具有較低的GZi 值，石榴石、磷灰石含量接近為零，表明富含石榴石、磷灰石的蘇魯變質巖類型源巖相對減少，含綠簾石、鈦鐵礦魯西變質巖類型源巖相對增大。認為這是魯西發(fā)生了大規(guī)模隆升(李理和鐘大賚，2006)，阻隔了魯東源區(qū)造成的。此時魯西隆起為博興洼陷南斜坡唯一物源。魯西隆起物源對洼陷的貢獻從古近紀到新近紀(特別是新近紀開始)逐漸增大，但直至明化鎮(zhèn)組沉積時期才成為研究區(qū)唯一物源，說明魯西隆起在明化鎮(zhèn)組沉積前雖在緩慢隆升但高度一直不大。

6 結論

通過對博興洼陷新生界碎屑重礦物聚類分析結果與區(qū)域源區(qū)巖石對比，研究區(qū)以綠簾石為代表的變質巖重礦物組合與魯西變質巖重礦物組合相近，結合薄片觀察結果，認為研究區(qū)有來自魯西的物源;研究區(qū)以石榴石代表的變質巖重礦物組合與蘇魯變質巖重礦物組合相近，結合探針分析，認為研究區(qū)有來自蘇魯的物源。

博興洼陷古近系孔店組和沙四段源巖類型多樣，既有即有綠簾石代表的魯西變質巖，也有以富含石榴石為代表的蘇魯變質巖，同時也有火山巖和沉積巖;古近系沙三段源巖以親魯西變質巖和沉積巖為主;古近系沙二段至新近系館陶組源巖類型與孔店組和沙四段相似;新近系明化鎮(zhèn)組源巖以親魯西的變質巖和基性火成巖為主。

博興洼陷古近紀孔店組和沙四段沉積期研究區(qū)即有綠簾石代表的魯西變質巖，也有以富含石榴石為代表的蘇魯變質巖，說明魯西隆起不高，研究區(qū)即受魯西源區(qū)影響也受蘇魯源區(qū)影響;從沙三段沉積期開始以富含石榴石為代表的蘇魯變質巖不斷減少，綠簾石代表的魯西變質巖和基性火成巖不斷增加，表明魯西隆起高度的不斷加大，魯東對洼陷的影響不斷減小。至新近紀明化鎮(zhèn)組沉積期洼陷內幾乎無富含石榴石類型源巖，表明魯西隆起發(fā)生了大幅隆升，蘇魯物源對洼陷的影響被基本阻隔。

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