準(zhǔn)噶爾盆地環(huán)瑪湖地區(qū)三疊系百口泉組物源分析

單 祥 鄒志文 孟祥超 唐 勇 郭華軍 陳能貴 徐 洋

(1.中國石油杭州地質(zhì)研究院 杭州 310023；2.中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院 新疆克拉瑪依 834000)

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準(zhǔn)噶爾盆地環(huán)瑪湖地區(qū)三疊系百口泉組物源分析

單 祥 鄒志文 孟祥超 唐 勇 郭華軍 陳能貴 徐 洋

(1.中國石油杭州地質(zhì)研究院 杭州 310023；2.中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院 新疆克拉瑪依 834000)

通過對百口泉組重礦物特征研究、古流向分析、礫石成分特征研究及地層含砂率特征研究，討論了環(huán)瑪湖地區(qū)百口泉組沉積時期的物源方面和母巖性質(zhì)。采用重礦物Q型聚類分析，結(jié)合重礦物ZTR等值線圖以及地層傾角測井古流向分析，指出環(huán)瑪湖地區(qū)百口泉組存在3大物源體系，分別為北部夏子街物源、西部黃羊泉物源以及東部夏鹽物源；通過礫巖成分以及重礦物組合類型研究，認(rèn)為北部物源和西部物源成分存在差異：北部夏子街物源及夏鹽物源成分以凝灰?guī)r和中酸性火山噴出巖為主；西部黃羊泉物源成分以凝灰?guī)r、沉積巖和花崗巖為主。西部物源中花崗巖巖屑含量較高，致使儲層剛性顆粒含量高、抗壓實能力強，這是西部扇體儲層物性普遍優(yōu)于北部扇體儲層物性的原因之一。各物源方向及物源體系與扇三角洲的推進方向具有較好的一致性，因此，利用多種方法結(jié)合來劃分環(huán)瑪湖地區(qū)百口泉組沉積時期物源是十分有效的。

物源分析 重礦物 聚類分析 百口泉組 瑪湖凹陷 準(zhǔn)噶爾盆地

0 引言

物源分析是沉積學(xué)研究的重要內(nèi)容，是再現(xiàn)盆地演化、恢復(fù)巖相及古地理環(huán)境、預(yù)測沉積礦床的重要依據(jù)[1]。隨著實驗分析測試手段的不斷提高，物源分析方法也日趨多樣化，日趨完善。目前物源分析方法總結(jié)起來主要有以下幾類：常用的方法有重礦物分析法(包括單礦物分析法和重礦物組合法)[2-4]、沉積體系研究法(包括基礎(chǔ)編圖法、地震地層學(xué)分析法、古地貌分析法、古流向分析法)以及輕礦物分析法[5-6]；特色方法有地質(zhì)年代學(xué)研究法(包括磷灰石裂變徑跡法、同位素測年法)[7-8]以及地球化學(xué)分析法[9-10]。在物源分析過程中，只有將各種方法相結(jié)合，取長補短，才能得到較為準(zhǔn)確且合理的結(jié)論。

準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷三疊系百口泉組油氣勘探近年來獲得重大突破，瑪北地區(qū)獲得近億噸的石油控制儲量，瑪西地區(qū)也獲得近七千萬噸的石油控制儲量。物源分析作為沉積體系研究中一項重要的研究內(nèi)容，其對于精細刻畫砂體展布、對比不同地區(qū)儲層性質(zhì)差異性有著重要的指導(dǎo)意義。近年來，前人對瑪湖凹陷勘探潛力、層序地層格架、沉積體系、優(yōu)質(zhì)儲層成因等方面進行了研究，取得了多方面的進展[10-15]，部分研究內(nèi)容涉及物源分析，但研究方法單一且研究不夠深入，特別是沒有指出不同扇體物源性質(zhì)的差異性。本文從礫石成分、重礦物特征、古流向、地層含砂率等方面對環(huán)瑪湖地區(qū)百口泉組物源特征進行綜合分析，旨在為下一步油氣勘探開發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

瑪湖凹陷位于準(zhǔn)噶爾盆地西北部，其西北為哈拉阿拉特山和扎伊爾山，東北為陸梁隆起帶，凹陷呈NNE向展布，東西寬約50 km，南北長約120 km，面積達4 147 km2。本文研究區(qū)—環(huán)瑪湖地區(qū)，范圍包括瑪北斜坡區(qū)、瑪西斜坡區(qū)、瑪東斜坡區(qū)，未涉及瑪南斜坡區(qū)(圖1)。準(zhǔn)噶爾盆地是晚古生代以來發(fā)育在古老結(jié)晶地塊和部分海西褶皺基底上的多期疊合盆地。二疊紀(jì)早期，準(zhǔn)噶爾地塊受造山帶產(chǎn)生的垂直載荷作用巖石圈發(fā)生繞曲，西北緣前陸盆地開始形成。早二疊世晚期，塔里木板塊與準(zhǔn)噶爾地塊強烈碰撞，盆地周緣海槽全部褶皺成山，受區(qū)域性南北方向的碰撞擠壓，盆地早期特有的坳隆間列的構(gòu)造格局初步形成，瑪湖凹陷也初見端倪[16-18]。晚二疊世，隨著周緣造山作用的減弱，盆地發(fā)生沉陷，沉積范圍逐漸擴大，到了二疊紀(jì)末期，盆地已經(jīng)處于較為平坦的沉積狀態(tài)。三疊紀(jì)盆地由二疊紀(jì)的強烈壓陷期逐漸向拗陷期過渡，三疊紀(jì)初，盆地整體抬升遭受剝蝕，隨后進入了整體沉積—抬升的震蕩發(fā)展階段[19-20]。

本文研究目的層系百口泉組，與下覆二疊系呈不整合接觸，其巖性組合主要為厚層砂礫巖夾泥，沉積厚度在50～250 m，自下而上可以分為三段，主要發(fā)育扇三角洲粗碎屑沉積體系。

圖1 研究區(qū)位置及構(gòu)造剖面圖Fig.1 Geological setting and tectonic section of the study aera

2 物源分析

2.1 重礦物特征

重礦物是指碎屑巖中相對密度大于2.86 g/cm3的陸源碎屑礦物，其在巖石中含量較少，一般小于1%。在同一個沉積盆地中，來自同一母巖區(qū)、同時期的重礦物之間存在著必然的相關(guān)性，因此可以通過同時期重礦物組合反映物源類型[4]。重礦物種類很多，根據(jù)其風(fēng)化穩(wěn)定性，可以分為穩(wěn)定和不穩(wěn)定兩類，隨著搬運距離的增加，不穩(wěn)定重礦物發(fā)生風(fēng)化及分解，相對含量不斷減小，穩(wěn)定重礦物相對含量不斷增加，因此可以通過重礦物穩(wěn)定系數(shù)判斷物源方向和搬運距離。

本次研究中重礦物分析是在新疆油田公司實驗檢測研究院完成，測試標(biāo)準(zhǔn)是SY/T6336—1997，分析結(jié)果見表1。表1列出了研究區(qū)百口泉組含量大于1%的主要重礦物，共11種類型，其中最主要的重礦物為綠簾石(1.82%～80.28%)、褐鐵礦(1.74%～37.53%)、白鈦礦(0%～67.89%)和鈦鐵礦(0.60%～58.16%)。平面上，不同地區(qū)重礦物表現(xiàn)為不同的組成特征：北部夏子街地區(qū)(瑪001—夏74井一帶)重礦物組合主要以綠簾石—褐鐵礦—白鈦礦—鈦鐵礦為主；西部黃羊泉地區(qū)(烏28—瑪18井一帶)重礦物組合主要以鈦鐵—褐鐵礦—磁鐵礦—綠簾石為主；東部夏鹽地區(qū)(瑪東2—夏鹽1井一帶)重礦物組合主要以綠簾石—白鈦礦—褐鐵礦—鋯石為主。

表1 環(huán)瑪湖地區(qū)部分井百口泉組重礦物含量統(tǒng)計

2.2 重礦物Q型聚類

聚類分析又稱為蔟分析或群分析，是多元數(shù)學(xué)統(tǒng)計中的一種分類方法，其實質(zhì)是根據(jù)樣品或者變量之間的相似程度或者親疏關(guān)系把他們逐步分類的一種方法[21-22]。根據(jù)研究目的和對象的不同，又可分為Q型聚類和R型聚類。Q型聚類是將不同樣本中的同一變量進行比較，從而確定樣本之間的相似程度，對樣本進行分類；R型聚類是將同一樣本中的不同變量進行比較，從而研究變量之間的相似程度，對變量進行分類。本次研究將不同井作為樣本，運用Q型聚類分析，通過樣本之間的相似距離對樣本進行分類，樣本之間距離采用歐幾里得距離，通過樹狀圖，可以顯示聚類過程，從而比較客觀的劃分研究區(qū)物源。

重礦物聚類分析過程中，需要對每口井的重礦物數(shù)據(jù)剔除異常值之后進行平均，以最大程度的消除重礦物取樣及分離鑒定過程中的人為誤差的影響，當(dāng)分析結(jié)果與其他方法的研究結(jié)果不吻合時，應(yīng)該考慮重礦物樣品的異常情況，加以剔除，再進行分析。

百口泉組重礦物的Q型聚類樹狀圖(圖2)表明，當(dāng)相似距離在10～18范圍內(nèi)取值時，所有樣品可聚為3類：第一類包括夏鹽2、鹽001和夏鹽1井，其代表了東部夏鹽方向的物源；第二類包括瑪18、瑪西1、烏38、烏28井，其代表了西部黃羊泉方向的物源；第三類包括夏11、瑪001、瑪002、瑪11、瑪東1、瑪132和瑪13井，其代表了北部夏子街方向的物源。通過重礦物Q型聚類可以看出，研究區(qū)百口泉組沉積時期，主要物源方向有3個，來自于北部的夏子街物源、來自于東部的夏鹽物源和來自于西部的黃羊泉物源。

圖2 環(huán)瑪湖地區(qū)百口泉組重礦物Q型聚類譜系圖Fig.2 Q-type cluster plots of the heavy minerals identified in the Baikouquan Formation in the northern margin of Mahu depression

2.3 重礦物ZTR指數(shù)特征

ZTR指數(shù)是指重礦物中穩(wěn)定重礦物鋯石(Z)、電氣石(T)和金紅石(R)的百分含量。ZTR指數(shù)可以反應(yīng)物源的方向和搬運距離。ZTR指數(shù)越高，表明沉積物搬運距離越遠，巖石成分成熟度越高。根據(jù)ZTR等值線圖(見圖3)，可以看出，研究區(qū)有3個ZTR低值區(qū)，分別位于凹陷的北部、西部和東部。

研究區(qū)北部ZTR指數(shù)的低值區(qū)分布范圍較大，從北部夏11井(1.83)往南到瑪13井(2.24)到瑪001井(3.7)ZTR指數(shù)值逐漸增大，表明北部夏子街物源方向由北向南。

研究區(qū)西部ZTR指數(shù)從烏38井(1.04)，向盆地中心增大，瑪18井ZTR指數(shù)達到17.25，表明物源方向由西向東，并且通過對比單井ZTR指數(shù)可以看出，瑪西物源搬運距離更遠，砂(礫)巖成熟度更高。

研究區(qū)東部各井ZTR指數(shù)值較高，夏鹽2、夏鹽1井ZTR指數(shù)大于10，推測低值區(qū)位于更東部的陸梁隆起區(qū)，即剝蝕供源區(qū)，ZTR等值線表明物源方向由東北向西南，并且沉積物搬運距離也較瑪北遠。

圖3 環(huán)瑪湖地區(qū)百口泉組重礦物ZTR指數(shù)等值線圖及重礦物組合分布特征Fig.3 Heavy minerals distribution and ZTR contour map of Baikouquan Formation in the northern margin of Mahu depression

2.4 古水流方向分析

地層傾角測井資料蘊含著豐富的地質(zhì)信息，其在沉積環(huán)境研究中發(fā)揮巨大的作用。利用地層傾角測井判斷古水流方向主要有兩種方法：一種是矢量方位頻率圖法，即為目的層段所有矢量點方位進行統(tǒng)計，在此基礎(chǔ)上繪制矢量方位頻率圖，方位頻率圖中主峰的方向指示古水流方向。這種方法對于具有一連串傾角和方位穩(wěn)定的層理發(fā)育的儲層效果較好，但是對于塊狀結(jié)構(gòu)儲層效果差；另一種是統(tǒng)計目的層段內(nèi)所有藍模式的矢量方向，一般來說藍模式的矢量方向指示著古水流方向[23-24]，因此可以通過藍模式矢量方向判斷古水流向。研究區(qū)百口泉組以塊狀的砂礫巖沉積為主，矢量方位頻率圖法來判斷古水流向效果差，而藍模式法對研究區(qū)古水流方向的識別可靠性較高，并且其結(jié)果與FMI成像測井中疊瓦礫石所指示的古水流方向具有較好的對應(yīng)性(圖4)。本次研究以地層傾角測井資料為主，輔以FMI成像測井資料，對研究區(qū)百口泉組沉積時的古水流走向進行了識別，共對研究區(qū)23口井百口泉組地層傾角藍模式進行識別統(tǒng)計，結(jié)果表明，百口泉組沉積時，研究區(qū)北部夏子街扇體古水流主要來自北東向，研究區(qū)西部黃羊泉扇體古水流主要來自北西向，研究區(qū)東部夏鹽扇體古水流主要來自東北方向(圖5)。

2.5 礫石成分分析

瑪湖凹陷白口泉組巖石類型幾乎都是粗碎屑的砂礫巖和中細礫巖，礫石成分變化是確定物源的直接證據(jù)，利用不同成分礫石的百分含量資料，可以區(qū)分母巖區(qū)的主要巖性。對研究區(qū)21口井共139個砂礫巖巖芯樣品薄片進行仔細鑒定，統(tǒng)計薄片中不同成分礫石的相對含量，再對同一塊樣品所有礫石含量進行歸一化處理，最后對同一口井多個樣品礫石歸一化百分含量取平均值，作出平面上各井礫石成分百分含量餅圖。由圖6可以看出，西部黃羊泉物源礫石成分組合為花崗巖+凝灰?guī)r+沉積巖+變質(zhì)巖；北部夏子街物源礫石成分為凝灰?guī)r+中酸性火山噴出巖+沉積巖；東部夏鹽物源礫石成分組合為凝灰?guī)r+中酸性火山噴出巖+沉積巖。西部黃羊泉物源的典型特征是酸性侵入巖花崗巖(圖7A)和沉積巖含量較高，北部夏子街物源和東部夏鹽物源成分類似，典型特征是凝灰?guī)r和中酸性火山噴出巖(安山巖、流紋巖、霏細巖(圖7B))含量較高。前期勘探開發(fā)結(jié)果表明，西部黃羊泉泉扇體物性要普遍優(yōu)于北部夏子街扇體。由物源成分分析可知，西部扇體物源富含花崗巖屑巖屑，剛性顆粒含量較高，儲層抗壓實能力較強，對粒間孔保存更為有利。上述物源成分分析為解釋不同地區(qū)儲層物性的差異性提供了地質(zhì)依據(jù)。

2.6 沉積學(xué)證據(jù)

由百口泉組砂礫巖百分含量等值線圖(圖8)分析表明，西部物源體系扇三角洲砂體展布主要由西向東，瑪18井位于扇三角洲前緣地帶，地層含砂率在50%左右，這與重礦物ZTR值增大方向和地層傾角判斷的古水流向一致；北部物源體系扇三角洲砂體主要由北東向南西方向展布，與重礦物ZTR值曲線和古水流向所判斷的物源方向一致；東部物源體系扇三角洲砂體主要由東北向西南方向推進，也對應(yīng)于ZTR指數(shù)的增大方向。綜上所述，利用重礦物Q型聚類、ZTR等值線圖綜合地層傾角古水流向的方法對環(huán)瑪湖地區(qū)百口泉組物源區(qū)劃分及物源方向的判斷與其砂體展布規(guī)律是相吻合的。

圖4 研究區(qū)典型井百口泉組地層傾角識別古水流方向特征Fig.4 Paleocurrent direction feature with dip angle of Baikouquan Formation in the study area

圖5 環(huán)瑪湖地區(qū)百口泉組地層傾角測井識別古水流向圖Fig.5 Paleocurrent direction of Baikouquan Formtion identified by dip logging in the northern margin of Mahu depression

圖6 環(huán)瑪湖地區(qū)百口泉組礫石成分分布圖Fig.6 Distribution of pebble content of Baikouquan Formation in the northern margin of Mahu depression

圖7 瑪西物源與瑪北物源百口泉組薄片下礫石特征A.黃圈部分為花崗巖礫石，瑪18井，3 922.83 m，百口泉組；B.黃圈部分為兩塊安山巖礫石受擠壓呈現(xiàn)線接觸，紅圈部分為霏細巖巖屑，夏95井，2 781.07 m，百口泉組。Fig.7 Pebble character by thin section from Maxi provenance and Mabei provenance

3 討論

準(zhǔn)噶爾盆地自晚古生代以來，先后經(jīng)歷了海西、印支、燕山和喜山等多次構(gòu)造運動，這些不同時期的構(gòu)造運動造就了現(xiàn)今盆地的構(gòu)造格局與沉積特征[16,20]?，敽枷萑B系百口泉組北部及西部物源主要是由哈拉阿拉特山和扎伊爾山老山剝蝕區(qū)提供穩(wěn)定的物源供給。西—北部的準(zhǔn)噶爾盆地界山主要是在海西運動中晚期的中石炭世，受西伯利亞板塊與塔里木板塊相對運動的影響，準(zhǔn)噶爾陸塊由離散運動為主的裂谷環(huán)境進入了以聚斂運動為主的造山環(huán)境下，陸塊邊緣海槽回返褶皺形成的，并且在二疊紀(jì)早期，造山帶快速隆升并且遭受剝蝕，已構(gòu)成主要物源區(qū)。西北緣山體推覆現(xiàn)象從晚石炭世一直持續(xù)到中侏羅世[18-19]，以各層系底界計算西北緣推覆運動的水平位移，侏羅紀(jì)為0.08～0.32 km 三疊紀(jì)為0.4～1.4 km；二疊紀(jì)為3～7.5 km[18]；由此可見，逆沖運動造成了二疊系沉積時期湖盆邊緣被極大的壓縮，物源區(qū)距離湖盆邊界遠大于現(xiàn)今認(rèn)為的數(shù)公里距離，可能位于距湖岸線20～30 km的范圍內(nèi)[25]；而百口泉組沉積時，湖盆邊緣并未受到很大的壓縮，盆地界山剝蝕物源區(qū)與湖盆距離可能為現(xiàn)今認(rèn)為的數(shù)公里至十幾公里，因此沉積物出了山口形成沖積扇，隨即便直接入湖，這也印證了近年來研究認(rèn)為百口泉組發(fā)育扇三角洲沉積體系[11-13]的結(jié)論。

東部夏鹽物源本文認(rèn)為主要由陸梁隆起帶剝蝕供源。陸梁隆起分隔烏倫古坳陷和中央坳陷(見圖1中全盆地構(gòu)造圖)，也是在海西晚期形成的古隆起。其二疊紀(jì)至三疊紀(jì)早中期一直處于隆升狀態(tài)，除了與瑪湖凹陷和盆1井西凹陷相鄰的地方沉積有厚度不大的二疊系外，陸梁隆起大部分地區(qū)缺失二疊系沉積。三疊紀(jì)中晚期至侏羅紀(jì)，陸梁隆起逐漸下沉，接受了上三疊統(tǒng)、侏羅系沉積，但厚度相對南北兩個坳陷都要薄。由過瑪湖凹陷與夏鹽凸起的地震剖面(圖9)可以看出，在瑪湖凹陷東部，風(fēng)城組到百口泉組都向夏鹽凸起超覆沉積，夏鹽凸起頂部缺少百口泉組及之前的沉積，這也表明二疊紀(jì)到早三疊世，夏鹽凸起一直都是古凸起，瑪湖凹陷百口泉組沉積時期，其處于湖盆邊緣，理應(yīng)為一個較穩(wěn)定的剝蝕供源區(qū)。那么東部物源會和北部物源是否可能為同一物源區(qū)，筆者認(rèn)為兩者為不同的物源區(qū)，主要原因是百口泉組為扇三角洲沉積體系，扇三角洲強調(diào)由沖積扇直接入湖形成，其不同于曲流河三角洲，河流可以繞彎輸送沉積物；前人研究證實了瑪東地區(qū)發(fā)育扇三角洲扇體，那么肯定存在東部物源。

圖8 環(huán)瑪湖地區(qū)百口泉組砂礫巖含量百分比等值線圖Fig.8 The isoline of glutenite content of Baikouquan Formation in the northern margin of Mahu depression

4 結(jié)論

(1) 通過重礦物Q型聚類分析方法，將研究區(qū)百口泉組物源劃分為三大體系，北部夏子街物源體系、西部黃羊泉物源體系和東部夏鹽物源體系。通過重礦物ZTR等值線圖和古水流向，判斷沉積時期各物源的具體方向，北部夏子街物源方向由北東向南西；西部黃羊泉物源方向由西向東南，東部夏鹽物源方向由東北向西南。

(2) 通過百口泉組若干礫石成分鑒定統(tǒng)計，判斷三大物源的母巖類型，西部黃羊泉物源成分為凝灰?guī)r+花崗巖+沉積巖+少量變質(zhì)巖；北部夏子街和東部夏鹽物源成分類似，為凝灰?guī)r+中酸性火山噴出巖+沉積巖；西部黃羊泉物源花崗巖屑含量高，致使儲層剛性顆粒含量高，抗壓實能力強。

(3) 各物源體系及物源方向與扇三角洲主推進方向一致，因此利用多種方法結(jié)合來劃分環(huán)瑪湖地區(qū)百口泉組沉積時期物源是十分有效的，本文研究方法可以較有效的應(yīng)用到其他凹陷盆地的物源分析中。

圖9 過夏76—瑪東2—陸2井地震剖面Fig.9 Seismic reflection profiles through Well Xia76 to Well Lu2

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Provenance Analysis of Triassic Baikouquan Formation in the Area around Mahu Depression, Junggar Basin

SHAN Xiang1ZOU ZhiWen1MENG XiangChao1TANG Yong2GUO HuaJun1CHEN NengGui1XU Yang1

(1. PetroChina Hangzhou Institute of Geology, Hangzhou 310023, China;2. Petroleum Exploration and Development Institute, Xinjiang Oilfield, PetroChina, Karamay, Xinjiang 834000, China)

By study of heavy mineral, paleocurrent direction, pebble content and the glutenite percentage, this paper discussed the provenance and the content of material source rock of Baikouquan Formation in the area around Mahu depression. By the method of Q-type clustering analysis, Paleocurrent direction analysis combine ZTR map, it shows that there are three distinct sediment sources of Baikouquan Formation in the study area: the northern Xiazijie provenance, the western Huangyangquan provenance and the eastern Xiayan provenance. The hauling distance of western provenance and eastern provenance are longer than northern provenance's. By analysis of pebble content and heavy mineral combination, it shows that there exist difference of material source rock content between northern provenance and western provenance. The content of northern provenance are primarily tuff, intermediate-acid volcanic rock, while the content of western provenance are tuff, sedimentary rock and granite. As the western provenance has higher content granite, so do the higher content hard particle, and which makes the reservoir has stronger ability to resist the compaction. The directions of different sediment sources identified are in accordance with the main building directions of fans delta. Using comprehensive analysis with several methods to identify source area in the study area is quite effective.

provenance analysis; heavy mineral; cluster analysis; Triassic Baikouquan Formation; Mahu depression; Junggar Basin

1000-0550(2016)05-0930-10

10.14027/j.cnki.cjxb.2016.05.012

2015-11-16； 收修改稿日期： 2016-03-01

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973計劃)項目(2014CB239002)；中國石油股份有限公司科技專項(ZX2012E-34-01)[Foundation: National Basic Research Program of China (973 Program), No. 2014CB239002; Science and Technology Program of PetroChina Co. Ltd, No. ZX2012E-34-01]

單 祥 男 1988年出生 碩士 油氣儲層地質(zhì) E-mail：shanx_hz@petrochina.com.cn

P618.13

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