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    準噶爾盆地車排子凸起新近系沙灣組重礦物、U-Pb 年代學特征及物源分析

    2021-12-17 01:42:34李嚴吳朝東張學才謝利華冷佳宣關旭同
    北京大學學報(自然科學版) 2021年6期

    李嚴 吳朝東,? 張學才 謝利華 冷佳宣 關旭同

    準噶爾盆地車排子凸起新近系沙灣組重礦物、U-Pb 年代學特征及物源分析

    李嚴1,2吳朝東1,2,?張學才3謝利華1,2冷佳宣1,2關旭同1,2

    1.北京大學造山帶與地殼演化教育部重點實驗室, 北京 100871; 2.北京大學石油與天然氣研究中心, 北京 100871; 3.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司油氣勘探管理中心, 東營 257000; ?通信作者, E-mail: cdwu@pku.edu.cn

    綜合巖石學特征、砂巖碎屑組分特征、重礦物組合特征和鋯石 U-Pb 年代學特征, 探討準噶爾盆地車排子凸起新近系沙灣組沙一段的沉積特征和物源演化過程。結果表明, 車排子凸起存在南北雙物源體系, 沙一段以粗碎屑沉積為主。在一砂組沉積階段, 扎依爾山為北部物源區(qū), 發(fā)育小規(guī)模扇三角洲沉積; 中天山及北天山造山帶為南部物源區(qū), 發(fā)育辮狀河三角洲沉積。在二砂組沉積階段, 中天山供給減弱, 北天山供給加強, 盆地水體加深, 南部辮狀河三角洲前端分布小型濱淺湖灘壩。南部物源變化的主要原因可能是受印度板塊和歐亞板塊碰撞的遠程影響, 天山在新生代中新世中期經歷強烈的擠壓和抬升過程, 造成北天山隆升, 為車排子凸起提供物源。

    物源分析; 沉積特征; 沙灣組; 車排子凸起; 準噶爾盆地

    物源分析是沉積地質學研究的重要手段之一, 在判別古侵蝕區(qū)、重塑古地貌特征、追蹤物源區(qū)母巖性質以及含油氣盆地勘探等方面具有重要的作用[1?4]。傳統(tǒng)的物源分析方法包括沉積學、巖石學、重礦物組合及元素地球化學等方法。

    經過 60 余年的油氣勘探, 準噶爾盆地車排子凸起新近系沙灣組的油氣勘探取得較大的突破。作為預測有利儲層分布和烴源巖展布的有效手段, 物源分析為沙灣組的油氣勘探提供了可靠證據。楊少春等[5]通過鉆井和地震勘探等資料, 建立盆地地層與沉積格架, 并分析車排子凸起沙灣組的沉積特征, 認為沙灣組從沉積早期到晚期, 發(fā)育辮狀河三角洲?湖泊沉積體系, 其中沉積物主要來自北西方向的扎依爾山。楊愷等[6]和樊曉伊[7]通過地球化學及地震沉積學等手段, 識別出在沙灣組沉積階段, 車排子凸起存在西南方向和西北方向兩個物源體系, 認為南物源體系主要發(fā)育辮狀河三角洲, 為長距離搬運的牽引流沉積, 北物源體系主要發(fā)育近物源沉積的扇三角洲, 為典型的重力流沉積。

    雖然對準噶爾盆地車排子凸起沙灣組已開展一定程度的研究, 但對其物源演化分析的精細程度還不夠。本文綜合利用區(qū)域地質資料, 通過砂巖碎屑組分、重礦物組合和鋯石 U-Pb 年代學等分析手段, 對車排子凸起沙一段的沉積特征和物源演化從宏觀到微觀進行研究, 旨在為后續(xù)油氣勘探開發(fā)提供更多的依據。

    1 地質背景

    準噶爾盆地地處中亞造山帶中部, 為典型的疊合盆地[8?10]。車排子凸起位于準噶爾盆地西部, 是該盆地油氣資源富集的區(qū)域之一[11]。車排子凸起是以石炭系火成巖為基底發(fā)育的凸起, 構造區(qū)劃上歸屬準噶爾類前陸盆地前隆?隆后斜坡帶, 是盆地西部隆起的次級構造單元(圖 1)[5?6,8,12], 東面以紅車斷裂帶為界, 西面和北面鄰近扎依爾山, 南面為四棵樹凹陷[13?14]。車排子凸起的形成和演化分為 3 個階段: 石炭紀末至侏羅紀的強烈隆升階段, 白堊紀至古近紀的緩慢沉降階段, 新近紀至第四紀的快速沉降階段[15?16]。車排子凸起的主體形成時間較早, 在后期演變歷史中, 長期繼承性地發(fā)展, 具有不均衡隆升特點, 在西北部扎依爾山前隆起最高, 東部、南部和東南部隆起幅度逐漸降低, 其東南角至奎屯?安集海一帶逐漸隱伏并消失。

    圖1 準噶爾盆地車排子凸起地質簡圖(據文獻[8]修改)

    現今車排子凸起的地層傾角約為 2°, 地層展布較寬緩, 主體基底為石炭系, 自下而上發(fā)育下白堊統(tǒng)吐谷魯群、古近系、新近系沙灣組、塔西河組、獨山子組及第四系, 東部局部(紅車斷裂帶上下盤附近)及凸起的上部分溝谷中殘存較薄的二疊系、三疊系及侏羅系等多套地層。

    新近系沙灣組可細分為沙一段(N1S1)、沙二段(N1S2)和沙三段(N1S3), 其中沙一段是車排子凸起最富集油氣的地層。如圖 2 所示, 沙一段自下而上分為 3 個砂組, 地層南厚北薄, 與上下地層均為不整合接觸。沙一段一砂組(N1S11)主要由厚層砂礫巖、含礫砂巖及中粗砂巖組成, 局部夾薄層泥巖; 二砂組(N1S12)主要由厚層泥巖組成; 三砂組(N1S13)主要由厚層細砂巖組成。本文主要采集一砂組和二砂組的樣品進行研究。

    2 沉積環(huán)境

    準噶爾盆地車排子凸起巖芯和錄井資料分析結果表明, 沙灣組沙一段的巖性具有向上變細的特征, 主要為礫巖、砂礫巖和中細砂巖等。

    一砂組沉積階段, 車排子凸起中部以北的地區(qū)以青灰色中?粗礫巖及灰色細礫巖為主(圖 3(a)), 巖屑含量較高, 存在沖刷面(圖 3(b))。顯微鏡下見方解石膠結, 礫石含量為 29% (圖 3(c)), 顆粒間為點?線接觸(圖 3(d)), 碎屑顆粒分選性比較差, 粒徑為0.5~7.2mm, 棱角?次棱角狀, 結構成熟度和成分成熟度較低, 屬扇三角洲沉積環(huán)境。車排子凸起南部地區(qū)沉積碎屑物成分成熟度高, 石英等穩(wěn)定礦物含量增加(圖 3(e)), 分選性較好, 指示搬運距離遠, 發(fā)育范圍較廣的辮狀河三角洲沉積。兩大沉積體系在中部地區(qū)交匯分布, 沒有明顯的界線。

    圖2 準噶爾盆地車排子地區(qū)沙灣組綜合柱狀圖

    二砂組沉積階段, 車排子凸起中部地區(qū)沉積碎屑物粒度變細, 粒徑主要分布在 0.2~3.3mm 之間, 鈣質膠結度強, 孔隙不發(fā)育(圖 3(f))。此時盆地水體加深, 南部辮狀河三角洲前端分布小型的濱淺湖灘壩。

    3 物源分析

    通過砂巖碎屑成分、巖屑組分和重礦物組合特征分析和鋯石 U-Pb 定年, 研究車排子凸起沙灣組一段的物源。為了更準確地了解物源區(qū)特征, 對潛在物源區(qū)的母巖年齡、母巖巖性、主要重礦物組合和砂巖碎屑成分進行總結歸納(表1)。

    3.1 砂巖碎屑成分成熟度分析

    對車排子凸起沙灣組一段的 18 個樣品進行薄片觀察, 并統(tǒng)計碎屑成分, 結果如圖 4(a)所示。一砂組沉積階段, 車排子凸起北部地區(qū)沉積物以長石巖屑砂巖和巖屑砂巖為主, 巖屑含量較高(16%~ 82%, 平均 58%), 石英和長石含量較低(平均含量分別為 15%和 23%)。穩(wěn)定性礦物含量少于不穩(wěn)定性礦物, 指示碎屑顆粒被搬運的距離較短, 表現為不穩(wěn)定沉積環(huán)境特征。車排子凸起南部地區(qū)樣品中, 沉積碎屑成分石英等穩(wěn)定性較好的礦物含量增加, 石英、長石和巖屑的含量比值為 36:23:28。南、北部砂巖碎屑成分有所差異, 指示存在南北雙向物源, 且南部搬運距離遠, 成分成熟度高。

    3.2 巖屑組分分析

    沙灣組 18 個樣品的巖屑組分分析結果顯示, 車排子凸起沙一段砂巖巖屑含量較高, 以花崗巖巖屑、泥巖巖屑、石英巖巖屑和片巖巖屑等為主。

    圖 4(b)顯示, 巖屑組合特征表明物源區(qū)較為復雜, 一砂組沉積階段巖屑類型豐富, 三大巖屑均占一定的比例, 火山巖巖屑以花崗巖巖屑為主, 在車排子凸起北部地區(qū)分布較多; 沉積巖巖屑以砂巖和泥巖巖屑為主, 變質巖巖屑主要是石英巖巖屑和片巖巖屑。二砂組沉積階段, 砂巖巖屑以火山巖巖屑和沉積巖巖屑為主, 變質巖巖屑含量比一砂組少。

    3.3 重礦物組合及其分布特征

    重礦物分析是通過沉積巖中礦物組合來指示物源方向和母巖性質[26]。本研究對車排子凸起沙灣組沙一段 21 口井的 63 個樣品進行重礦物分析。重礦物鑒定在河北省廊坊市宇能巖石礦物分選技術服務有限公司進行。剔除自生礦物和不透明礦物的數據, 并對剩余的透明重礦物數據進行百分化歸一處理, 得出車排子凸起沙一段沉積地層主要存在鈦鐵礦+磁鐵礦、白鈦礦+石榴石以及電氣石+磷灰石 3種重礦物組合(圖 5)。

    圖 5(a)顯示, 一砂組沉積階段, 車排子凸起北部地區(qū)鈦鐵礦+磁鐵礦組合分布范圍較廣, 占比也較大; 南部地區(qū)鈦鐵礦+磁鐵礦組合占比減小, 白鈦礦+石榴石組合與電氣石+磷灰石組合占比增加, 約為 71%。圖 5(b)顯示, 二砂組沉積階段, 車排子凸起北部地區(qū)仍主要分布鈦鐵礦+磁鐵礦組合, 與一砂組沉積階段相比, 白鈦礦+石榴石組合明顯減少, 電氣石+磷灰石組合有所增加。

    (a)蘇 8 側井, 1459.1m, N1S11, 青灰色細礫巖, 水下分流河道沉積(巖芯照片); (b)蘇 8 側井, 1460m, N1S11, 青灰色鈣質膠結細礫巖, 具有沖刷面, 水下分流河道沉積(巖芯照片); (c)蘇 11 井, 1401.3m, N1S11, 粗粒巖屑砂巖, 顆粒間點?線接觸, 分選差(正交偏光); (d)排 612 井, 317.5m, N1S11, 中粒巖屑砂巖, 顆粒間點?線接觸(正交偏光); (e)排 703 井, 593.5 m, N1S11, 中粒巖屑長石砂巖(正交偏光); (f) 排 630 井, 320.52 m, N1S12, 巖屑長石砂巖(正交偏光)

    表1 車排子凸起潛在物源區(qū)母巖特征

    說明: 扎依爾山數據來自文獻[17?21], 天山山脈數據來自文獻[4,22?24]。

    4 碎屑鋯石年齡分布及物源分析

    對車排子凸起沙一段一砂組的兩個樣品(ly-01, ly-02)和二砂組的一個樣品(ly-03)中 248 粒鋯石進行U-Pb 定年, 其中 ly-01 測點數為 85 個, ly-02 測點數為 80 個, ly-03 測點數為 83 個。鋯石分選在河北省廊坊市宇能巖石礦物分選技術服務有限公司進行,制靶及透射光、反射光和陰極發(fā)光照相在北京鋯年領航科技有限公司完成, 鋯石 LA-ICP-MS U-Pb 年齡測試在北京大學造山帶與地殼演化教育部重點實驗室完成。表 2 列出部分測試數據。

    剔除諧和度小于 95%的鋯石定年數據, 得到239 個有效數據, 碎屑鋯石 U-Pb 年齡分布在 160~ 915Ma 之間。陰極發(fā)光照片(圖 6)顯示, 大多數鋯石顆粒為自形?半自形, 不同程度地保留巖漿成因振蕩環(huán)帶, 且具有較高的 Th/U 值(0.21~1.15), 表明絕大多數鋯石為巖漿結晶鋯石[23]。

    Q:石英; F:長石; R:巖屑; I:石英砂巖; Ⅱ:長石石英砂巖; Ⅲ:巖屑石英砂巖; Ⅳ:長石砂巖; Ⅴ:巖屑長石砂巖; Ⅵ:長石巖屑砂巖; Ⅶ:巖屑砂巖; Lv:火山巖巖屑; Lm:變質巖巖屑; Ls:沉積巖巖屑。(a)的底圖引自文獻[25]

    圖5 準噶爾盆地車排子凸起沙一段一砂組(a)和二砂組(b)重礦物組合分布

    沙一段一砂組砂巖樣品 ly-01 中諧和度大于95%的鋯石有 80 粒(圖 7(a)), 年齡分布范圍為 261~ 556Ma (圖 8(a1)), 主要峰值年齡為 312 和 336 Ma, 集中在石炭紀時期, 車排子凸起西北緣主要的巖漿活動也發(fā)生在該時期。通過對比前人收集的大量潛在物源區(qū)鋯石數據[22?24], 推測該時期沉積物主要來自扎依爾山。

    沙一段一砂組砂巖樣品 ly-02 中諧和度大于95%的鋯石有 79 粒(圖 7(b)), 年齡分布范圍為 209~ 871Ma (圖 8(a2)), 主要峰值年齡為 431 和 257Ma, 次要峰值年齡為 380, 274 和 224Ma。鋯石年齡呈現多個峰值, 對比潛在物源區(qū)鋯石年齡譜(圖 8(b1)~ (b3)), 推段車排子凸起中部地區(qū)為南北雙向混合物源, 扎依爾山、中天山和北天山均提供碎屑物。

    表2 車排子凸起沙灣組砂巖LA-ICP-MS 鋯石U-Pb 年齡測試數據

    Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results of sandstone of Shawan Formation in Chepaizi Uplift

    續(xù)表

    續(xù)表

    續(xù)表

    續(xù)表

    圖6 準噶爾盆地車排子凸起沙一段砂巖碎屑鋯石陰極發(fā)光照片 Fig.6 Cathodoluminescence photo of sandstone detrital zircon of Sha 1 member in Chepaizi Uplift, Junggar Basin

    圖7 準噶爾盆地車排子凸起沙一段碎屑鋯石U-Pb年齡諧和圖 Fig.7 U–Pb concordia diagrams for detrital zircons of Sha 1 member in Chepaizi Uplift, Junggar Basin

    沙一段二砂組砂巖樣品 ly-03 中諧和度大于95%的鋯石有 80 粒(圖 7(c)), 年齡分布范圍為 160~ 915Ma (圖 8(a3)), 主要峰值年齡為 374Ma, 兩個次要峰值年齡分別為 293 和 405Ma。有 8 顆粒的鋯石年齡大于 600Ma, 占總數的 10%。對比峰值年齡譜(圖 8(b1)~(b3))可以看出, 二砂組沉積時期, 北天山已成為南部主要物源區(qū)。

    (a1)~(a3)為本文實驗數據; (b1)中數據引自文獻[17?21] ; (b2)和(b3)中數據引自文獻[4,22?24] 圖8 準噶爾盆地車排子凸起沙一段碎屑鋯石U-Pb年齡分布 Fig.8 U-Pb age distribution map for detrital zircons of Sha 1 member in Chepaizi Uplift, Junggar Basin

    5 結論

    本文通過砂巖碎屑成分、巖屑組分、重礦物組合特征分析和鋯石 U-Pb 定年, 研究準噶爾盆地車排子凸起沙灣組沙一段的沉積特征和物源演化, 得到以下結論。

    1)車排子凸起沙一段以粗碎屑為主。一砂組沉積階段, 北部發(fā)育小規(guī)模的扇三角洲沉積, 南部發(fā)育遠距離的辮狀河三角洲沉積; 二砂組沉積階段, 水體加深, 南部辮狀河三角洲前端分布小型的濱淺湖灘壩。

    2)車排子凸起存在南北雙物源體系。沙一段一砂組沉積階段, 北部地區(qū)沉積物成分成熟度低, 巖屑含量高, 砂巖中以鈦鐵礦為標志的重礦物組合占比大, 鋯石峰值年齡較年輕, 指示扎依爾山為主要物源供給區(qū); 中部地區(qū)鈦鐵礦+磁鐵礦、白鈦礦+石榴石以及電氣石+磷灰石 3 種重礦物組合均有分布, 鋯石年齡呈現多個峰值, 為物源疊加區(qū), 扎依爾山、中天山和北天山均提供碎屑物。二砂組沉積階段, 南部中天山供給減弱, 北天山供給加強, 物源主要來自西北部扎依爾山中酸性巖體和南部北天山火山巖巖體。

    3)新生代以來, 受印度板塊和歐亞板塊碰撞的遠程影響, 在區(qū)域擠壓應力作用下, 天山山脈的構造活動是一種北(南)天山沖斷層向南(北)傾斜、向北(南)逆沖的雙向逆沖縮短過程, 并伴隨走滑作用和不同程度的差異隆升剝蝕作用[22,27]。一砂組沉積時期至二砂組沉積時期, 車排子凸起南部物源變化的主要原因可能是, 天山在新生代中新世中期經歷強烈的擠壓和抬升過程, 使得北天山隆升, 為車排子凸起提供碎屑物。這一結論與部分學者提出的天山構造隆升過程[13,22,28?29]相吻合。

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    Heavy Minerals Characteristics, U-Pb Geochronology and Provenance Analysis of Neogene Shawan Formation in Chepaizi Uplift, Junggar Basin

    LI Yan1,2, WU Chaodong1,2,?, ZHANG Xuecai3, XIE Lihua1,2, LENG Jiaxuan1,2, GUAN Xutong1,2

    1.Key Laboratory of Orogenic Belts and Crustal Evolution, MOE, Peking University, Beijing 100871; 2.Institute of Oil & Gas, Peking University, Beijing 100871; 3.Manage Center of Oil and Gas Exploration of Shengli Oilfield Company, Sinopec, Dongying 257000; ? Corresponding author, E-mail: cdwu@pku.edu.cn

    Abstract Based on the petrological characteristics, sandstone detrital composition, analysis of heavy minerals assemblages and U-Pb zircon age, the sedimentary characteristics and provenance evolution of Sha 1 member of Neogene Shawan Formation in Chepaizi Uplift are discussed.The results show that there were double-provenance systems of north and south in Chepaizi Uplift and Sha 1 member of Shawan Formation was dominated by coarse clastic deposits.In the sedimentary period of first sand group of Sha 1 member, the Zaire Mountains was the northern provenance, with small-scale fan delta deposits.The Central Tianshan and North Tianshan orogenic belts were the southern provenances, with braided river delta deposits.In the sedimentary period of second sand group of Sha 1 member, the sediments derived from the Central Tianshan were weakened, while those from the North Tianshan were strengthened, and the water body of the basin was deepened.Small shore-lake beach bars were distributed in front of the southern braided river delta.The main reason for the variation of the provenance in the south may be that the Tianshan experienced a strong extrusion and uplift process in the middle Miocene due to the remote collision between the Indian plate and the Eurasian plate, resulting in the uplift of the North Tianshan, which provided the provenance for Chepaizi Uplift.

    Key words provenance analysis; sedimentary characteristics; Shawan Formation; Chepaizi Uplift; Junggar Basin

    doi: 10.13209/j.0479-8023.2021.080

    收稿日期: 2020-10-05;

    修回日期: 2021-03-24

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