多參數(shù)約束剖析柴達木盆地砂西地區(qū)古近系沉積物源

徐良佳 ，于勝堯 ，2，紀文濤 ，高翔宇

（1.中國海洋大學海洋地球科學學院，山東 青島 266100；2.青島海洋科學與技術國家實驗室海洋地質過程與環(huán)境功能實驗室，山東 青島 266037）

物源分析是沉積學的重要研究內容，其主要目的是確定沉積物物源位置、性質及搬運路徑，是恢復沉積盆地沉積、構造演化的基礎［1-3］，已發(fā)展成為多方法、多技術相結合的綜合研究領域［4］。成熟的研究方法包括重礦物法、碎屑巖類法、裂變徑跡法、沉積法、地球化學和同位素法等［2，5-6］。每一種方法都有其優(yōu)勢和劣勢。如碎屑巖組分分析雖然具有直接反映物源的優(yōu)點，但也應該考慮次生作用的影響、是否屬于混合源區(qū)的情況以及人為統(tǒng)計的影響等［4，7］；地球化學方法具有精確的特點，但是因為巖石化學成分容易受到外界環(huán)境的影響，其結果也有一定的不確定性［8］。在研究某一地區(qū)物源時，應該根據(jù)實際情況，利用多種方法綜合分析，以求獲得接近實際的準確結論［3，7］。

1 區(qū)域地質背景

砂西地區(qū)位于柴達木盆地西部（見圖1），油氣資源十分豐富。其西北為阿爾金造山帶、七個泉和紅柳泉油田，西南為昆侖山造山帶，東南為躍進、尕斯庫勒油田［9］。砂西地區(qū)下干柴溝組下段（E31）為一套辮狀河三角洲-湖泊沉積。盡管前人對該辮狀河三角洲已有了廣泛的研究，然而，關于其物源一直存有爭議［10-12］。本文通過重礦物組合及穩(wěn)定系數(shù)、稀土元素地球化學以及砂體幾何學的共同約束，綜合分析了砂西地區(qū)的物源特征。

圖1 研究區(qū)區(qū)域位置、古地貌及沉積-構造演化背景

柴達木盆地西部地區(qū)（柴西地區(qū)）位于盆地西北的阿爾金山和西南的祁曼塔格山之間，東抵東柴山，是一個新生代發(fā)育的前陸坳陷區(qū)［13］（見圖1a）。柴西地區(qū)新生代以來一直處于印-歐板塊碰撞所引起的青藏高原階段性隆升的擠壓構造背景下，主要經歷了斷陷、坳陷、構造反轉三大構造變形期［14］（見圖1b）。 古近紀以斷陷-坳陷為主要構造演化特征，盆地邊緣發(fā)育沖積扇-河流-三角洲沉積體系，盆地內部發(fā)育湖泊沉積體系。這一時期，是湖盆形成并不斷擴大時期，其中下干柴溝組上段（E32）沉積時期湖盆范圍最大，廣泛發(fā)育的湖相烴源巖成為現(xiàn)在柴達木盆地油氣勘探的物質基礎。新近紀—第四紀發(fā)生的構造反轉又分為逆沖階段、強烈逆沖階段和表層滑脫褶皺階段［11］。其結果是，柴西地區(qū)經歷了強烈的構造變形，盆緣區(qū)以走滑沖斷為主，盆內區(qū)以壓扭變形為主，厚皮構造十分發(fā)育，形成了多隆多坳的現(xiàn)今構造格局［15］。沉積上表現(xiàn)為湖泊逐漸退出柴西地區(qū)，取而代之的是大面積的河流-三角洲沉積。強烈的構造反轉，使得早期沉積物的物源追蹤變得更加復雜。

柴西地區(qū)保留了新生代沉積的完整記錄（見圖1b），并成為眾多沉積學和地層學研究的焦點［12，16］。其新生代沉積速率極快，沉積厚度最厚處可達上萬米，自下而上由8套地層組成。其新生代地層始于路樂河組（E1+2），不整合覆蓋于基巖或中生界地層上，頂部以侵蝕不整合為終點，主要由沖積扇或辮狀河礫巖、砂礫巖和棕紅色砂質泥巖組成。下干柴溝組（E3）通常分為E31，E32段。E31由棕紅色粗碎屑砂、礫巖、灰色中細砂巖和泥巖組成，沉積在辮狀河三角洲環(huán)境中。該地層已被證明是柴西地區(qū)最重要的儲層之一。E32主要由灰色泥巖（濱岸至淺湖環(huán)境）、深灰色泥巖（半深湖環(huán)境）、波紋交錯層狀粉砂巖和泥灰?guī)r組成，常發(fā)育碳酸鹽巖夾層。上干柴溝組（N1）以一系列不同顏色的細砂巖、泥巖和泥灰?guī)r為主，為海岸和淺湖沉積，表明該時期湖盆開始收縮（見圖1b）。自晚漸新世—中新世以來，柴達木盆地的沉積中心開始向東移動［11，13］，因 此，在下 油砂 山組 期間，柴西地區(qū)沉積相開始從湖相變?yōu)檗p狀河三角洲相。下油砂山組地層（N21）以棕紅色砂質沉積物為主，呈現(xiàn)向上粗化的演替。

柴達木盆地西部地區(qū)新生代沉積過程主要受阿爾金山和祁曼塔格-東昆侖造山帶控制［15，17］，因此，這兩大造山帶成為柴西地區(qū)新生代沉積物的潛在物源供給區(qū)。 根據(jù) E31時期古地貌研究成果［18］（見圖 1a），柴西地區(qū)呈現(xiàn)西高東低的地理格局?，F(xiàn)今重要的油氣田均發(fā)育于古構造斜坡區(qū)，凹陷區(qū)位于柴西地區(qū)的花土溝—尕斯—烏南沿線的東側。而西部主要為古構造高地，其中又以阿爾金山前以及祁曼塔格山西段2處古高地最為顯著。

2 重礦物分析

2.1 重礦物組合

重礦物在物源分析中占有重要地位，尤其是在礦物種類較復雜、受控因素較多的地區(qū)，重礦物組合是較為準確的物源分析方法［1，19-20］。本次研究收集了砂西及鄰近的尕斯、躍進、紅柳泉、七個泉、烏南地區(qū)重礦物分析數(shù)據(jù)，共62口井，1 452塊樣品。樣品分析檢測由青海油田勘探開發(fā)研究院實驗分析中心完成，檢測儀器為LEICA DMLP偏光顯微鏡，檢測標準參照SY/T 6336—1997《沉積巖重礦物分離與鑒定方法》。檢測結果表明，柴西地區(qū)E31常見的重礦物有鋯石、磁鐵礦、白鈦礦、綠簾石、角閃石、石榴石、榍石、赤鐵礦、輝石、硅灰石、藍晶石以及自生重礦物黃鐵礦和重晶石。各地區(qū)主要重礦物種類及質量分數(shù)見表1，其中質量分數(shù)低于1%的組分未列出。

表1 柴西南區(qū)不同物源區(qū)組分統(tǒng)計

根據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，柴西地區(qū)重礦物組合在平面上具有一定的分區(qū)性（見圖2），其組成依次如下：Ⅰ區(qū)重礦物組合主要為石榴石-白鈦礦-角閃石-硅灰石組合，包含七個泉、獅子溝、干柴溝及咸水泉等地區(qū)；Ⅱ區(qū)重礦物組合主要為綠簾石-角閃石-磁鐵礦-石榴石-白鈦礦，主要為紅柳泉及阿拉爾地區(qū)；Ⅲ區(qū)重礦物組合主要為鋯石-磁鐵礦-白鈦礦-石榴石-綠簾石，包含砂西、尕斯及躍進地區(qū)；Ⅳ區(qū)重礦物組合主要為鋯石-白鈦礦-石榴石組合，包含烏南、昆北、東柴山地區(qū)。

圖2 柴西地區(qū)重礦物組合分區(qū)

2.2 重礦物穩(wěn)定指數(shù)

重礦物穩(wěn)定指數(shù)是指重礦物中相對穩(wěn)定的重礦物的質量分數(shù)，從母巖區(qū)到沉積區(qū)，重礦物穩(wěn)定指數(shù)增加。重礦物按其化學性質和抗風化能力一般可劃分為不穩(wěn)定礦物、較穩(wěn)定礦物、穩(wěn)定礦物和極穩(wěn)定礦物［21］。根據(jù)重礦物鑒定結果，柴西地區(qū)不穩(wěn)定礦物主要為角閃石，較穩(wěn)定礦物為石榴石、綠簾石，穩(wěn)定礦物為磁鐵礦、白鈦礦、榍石，極穩(wěn)定礦物為鋯石。一般認為，隨著搬運距離的增大，沉積物中的不穩(wěn)定礦物的質量分數(shù)會逐漸減少，而穩(wěn)定礦物的質量分數(shù)則相對增高［19，21］。這一規(guī)律可以用重礦物穩(wěn)定指數(shù)作定量描述，如ZTR指數(shù)（指穩(wěn)定礦物鋯石、電氣石和金紅石在透明重礦物中所占比例），代表重礦物的成熟度，是最常用的指數(shù)之一［3］。由于研究區(qū)缺少電氣石和金紅石，故本文采用重礦物穩(wěn)定指數(shù)（即重礦物中極穩(wěn)定礦物及穩(wěn)定礦物之和占所有重礦物的比例）來評價研究區(qū)重礦物穩(wěn)定程度變化趨勢。

通過計算單井重礦物穩(wěn)定指數(shù)，編制穩(wěn)定指數(shù)平面分布圖（見圖3），直觀反映出不同物源區(qū)沉積范圍及物源大致方向。由圖1可知，砂西地區(qū)下干柴溝組上段重礦物穩(wěn)定指數(shù)沿SW—NE向逐漸增大，表明其沉積物搬運方向可能是SW—NE向。紅柳泉地區(qū)重礦物穩(wěn)定指數(shù)由西向東逐漸增大，表明其物源區(qū)位于其西部方向。

圖3 柴西地區(qū)重礦物穩(wěn)定系數(shù)平面分布

3 稀土元素

稀土元素因具有穩(wěn)定性強、在不同類型沉積巖中分配形式不同、在成巖和變質作用過程中基本不分異等地球化學性質，被譽為地球化學的示蹤劑和指紋。據(jù)前人研究，它們在成巖期和變質作用過程中基本不分異，即使絕對質量分數(shù)有所變化，但分配模式不變，仍與源巖相似［22-23］。因而，稀土元素作為沉積物物源的示蹤劑，被廣泛應用于構造背景分析、沉積源區(qū)確定等。本次研究采樣地點涵蓋砂西及其周緣的七個泉、紅柳泉、尕斯、躍進地區(qū)，所有樣品均為該區(qū)鉆井巖心，采樣井點位置見圖1。采用電感耦合等離子體質譜（ICPMS）方法對139塊樣品進行稀土元素質量分數(shù)檢測。整個檢測工作委托國土資源部杭州礦產資源監(jiān)督檢測中心（浙江省地質礦產研究所）進行。所采用的實驗設備為Thermo X Series Ⅱ電感耦合等離子體質譜聯(lián)用儀（SN01426C）。以球粒隕石中稀土元素的平均質量分數(shù)為標準進行標準化。每口井均有不同深度的多塊樣品被檢測。測試結果顯示，稀土質量分數(shù)為72.7×10-6～337.7×10-6μg/g， 輕重稀土比 1.6～3.9， 鑭鐿比 4.0～14.6，表明樣品中輕稀土元素和重稀土元素分異程度較大，并且輕稀土元素較富集，重稀土元素較虧損。δEu 值 0.2～1.5，δCe 值 0.9～4.2，總體上看，各參數(shù)數(shù)值分布廣泛，差異性明顯。

為了調查各地區(qū)物源性質，分地區(qū)編制了稀土元素分配模式圖（見圖4），其中紅柳泉和七個泉地區(qū)表現(xiàn)為輕稀土明顯富集、重稀土相對平坦的“右傾型”，具有銪負異常、鈰元素高于鑭、釹上凸等特征，說明這2個地區(qū)母巖性質差別不大；七個泉地區(qū)E31有一套近物源粗碎屑沖積扇-扇三角洲沉積，其物源來自就近的阿爾金山不可置否［24-25］。據(jù)此判斷，紅柳泉地區(qū)物源區(qū)同樣也應為阿爾金山。另一方面，砂西、尕斯及躍進地區(qū)稀土元素分配模式明顯與七個泉及紅柳泉地區(qū)不同，表現(xiàn)為稀土元素圖譜呈輕稀土明顯富集、重稀土相對平坦的“右傾型”，銪以正異常為主，存在負異常，鑭元素高于鈰等特征。稀土元素分配模式的巨大差別表明兩者母巖性質不同，據(jù)此，可排除砂西、尕斯及躍進地區(qū)物源區(qū)為阿爾金山這一論斷。

圖4 研究區(qū)稀土元素分配模式

4 單砂體展布

一般認為，物源方向代表了地質歷史時期古水流的方向，控制了砂體的展布范圍和幾何形態(tài)［4］。以河道砂體為例，在垂直物源方向的剖面上，砂體呈頂平底凸的透鏡狀形態(tài)，延伸距離短；在順物源方向的剖面上，砂體呈板狀形態(tài)，延伸距離遠［7，25-26］。 以砂西地區(qū) E31Ⅳ-2單砂體為例，編制該單砂體厚度分布圖（見圖5），可以發(fā)現(xiàn)在NW—SE方向上，砂體厚度向兩端迅速減小，而NE—SW方向上，砂體厚度相對穩(wěn)定。為更直觀觀察砂體形態(tài)變化，選擇NW—SE及NE—SW方向剖面各1條（見圖6，圖中黃色代表砂體）：AA′剖面總長3.83 km，Ⅳ-2砂體自然伽馬（GR）曲線形態(tài)在 SX-35井處為箱形，至砂探1井距離為2.98 km，GR曲線形態(tài)仍然保持為箱形，至SX-50井逐漸演化為鐘形。同時厚度也逐漸變小，表明該方向一直處于河道范圍內，砂體形態(tài)基本保持穩(wěn)定；BB′剖面總長3.50 km，Ⅳ-2砂體GR曲線形態(tài)相比AA′剖面則變化較快，從SX-7井、SX-28井及SX13-8井的箱形形態(tài)到兩端逐漸演化為鐘形、指狀，直到消失，反映砂體形態(tài)向剖面兩端快速尖滅。以上砂體幾何形態(tài)特征證實NW—SE方向為垂直物源方向，NE—SW方向為順物源方向。金振奎等［27］研究過該區(qū)其他小層單砂體沉積微相展布，指出砂體長軸為NE—SW方向，與本文所述砂體長軸方向一致。

圖5 砂西地區(qū)E31Ⅳ-2單砂體厚度及沉積微相平面分布

圖6 砂西地區(qū)E31Ⅳ-2單砂體幾何形態(tài)剖面

5 討論

砂西地區(qū)重礦物組合為鋯石-磁鐵礦-白鈦礦-石榴石-綠簾石，尕斯與躍進地區(qū)重礦物組合與砂西地區(qū)類似，在重礦物組合平面分區(qū)中同屬于Ⅲ區(qū)。這表明砂西、尕斯與躍進物源可能相同。紅柳泉地區(qū)重礦物組合為綠簾石-角閃石-磁鐵礦-石榴石-白鈦礦，在重礦物組合分區(qū)中屬于Ⅲ區(qū)，與砂西、尕斯及躍進地區(qū)差異較大，表現(xiàn)為不穩(wěn)定重礦物，質量分數(shù)更高，尤其是不穩(wěn)定重礦物角閃石比上述3個地區(qū)高出8倍；相反地，極穩(wěn)定礦物鋯石、較穩(wěn)定礦物白鈦礦的質量分數(shù)卻分別只有上述3個地區(qū)的1/10和1/3。不同的重礦物組合通常代表不同的物質來源［17，20］。因此，砂西地區(qū)與紅柳泉地區(qū)在重礦物組合特征上具有明顯的差異，意味著這2個地區(qū)物源具有明顯差異。

另外，稀土元素分配模式對比表明，紅柳泉地區(qū)與七個泉地區(qū)稀土元素分配模式類似。而且七個泉地區(qū)為粗碎屑沖積扇-扇三角洲沉積，其物源來自附近的阿爾金山。因此，紅柳泉地區(qū)極大可能也來自阿爾金山物源；砂西及尕斯、躍進地區(qū)稀土元素分配模式類似，并且與紅柳泉、七個泉地區(qū)稀土元素分配模式差異較大。根據(jù)沉積區(qū)稀土元素分配模式繼承母巖區(qū)稀土元素分配模式這一原理，可確定砂西地區(qū)與紅柳泉地區(qū)物源不一致。也就是說，砂西地區(qū)不屬于其西北部的阿爾金山物源的沉積區(qū)。稀土元素分配模式與重礦物組合特征兩者結論一致，相互吻合。

平面上砂西地區(qū)自SW—NE向，重礦物穩(wěn)定指數(shù)增大，暗示物源方向可能為SW—NE方向。而據(jù)多口鉆井資料編制的單砂體展布形態(tài)也顯示E31單砂體具有NW—SE方向，砂體厚度變化快，GR曲線形態(tài)由箱形向兩端逐漸演化為鐘形，最后尖滅；而NE—SW方向砂體厚度相對穩(wěn)定，GR曲線形態(tài)相似的特點。由此得出，砂西地區(qū)E31物源來自SW方向。

結合E31沉積前古地貌，在砂西地區(qū)SW方向的確存在鐵木里克凸起［18］；從現(xiàn)今E31地層厚度看，鐵木里克凸起E31地層沉積缺失，是當時的剝蝕區(qū)［28］。綜上所述，砂西地區(qū)E31碎屑物質來自西南方向的鐵木里克物源。

6 結論

1）砂西、尕斯及躍進地區(qū)重礦物組合表明砂西、尕斯及躍進地區(qū)物源與紅柳泉地區(qū)物源具有差異。

2）稀土元素分配模式對比表明，紅柳泉及七個泉地區(qū)物源類似，屬于阿爾金山物源，砂西、尕斯及躍進地區(qū)物源不可能為阿爾金山物源。

3）綜合重礦物組合、稀土元素分配模式、重礦物穩(wěn)定指數(shù)以及單砂體展布規(guī)律，結合E31沉積期構造背景，認為砂西地區(qū)E31碎屑物質來源于SW方向的鐵木里克剝蝕區(qū)。