東營凹陷永安地區古近系沙三段物源

劉 寧

(中國石化股份公司勝利油田分公司勘探開發研究院, 東營 257015)

碎屑巖沉積的物源分析是研究碎屑巖沉積過程以及巖相古地理恢復的重要環節。物源分析的方法有多種,主要包括巖石學方法、地球化學方法、沉積相對比方法、以及古流向分析等。程劍波等[1]通過沉積相特征識別、砂體宏觀特征觀察、古流向分析、砂巖鏡下骨架顆粒統計等方法探討寧武-靜樂盆地物源區的位置和母巖組合。李欽等[2]利用古水流、砂巖碎屑組構和重礦物組合特征等研究方法,探討了瑪扎塔格地區晚新生代以來的沉積物源。吳婧等[3]對太原西山七里溝剖面太原組砂巖的研究中采用巖石學和重礦物學方法。現今地球化學方法中如鋯石測年和稀土元素分析等運用愈發普及,碎屑巖沉積的物源研究亦成為綜合性較強的課題[4]。

陸相湖盆沉積區的物源與周邊母巖區凸起地層被剝蝕緊密相關[5]。東營凹陷古近系沉積期,周邊凸起區老地層被剝蝕范圍及程度存在差異。多物源方向和多物源層系的差異性導致沉積區的物源存在更多混源的可能性。前人對東營凹陷永安地區古近系沙四段、沙三段和孔店組等組段物源方向的研究均證明這個觀點[6-9]。

永安地區位于東營凹陷東北部,介于陳家莊凸起與青坨子凸起之間。莊麗[6]研究認為永安鎮三角洲存在多個物源方向,不同時期主要物源方向不相同,但最主要的物源來自東部的青坨子凸起。劉軍鍔等[7]亦認為永安鎮三角洲沙三段物源來自東部的青坨子凸起。而楊勇強等[8]研究認為永安地區南邊的民豐洼陷沙三中亞段存在北、東、南3個主要物源區。同時杜亮慧[9]研究認為永安鎮永1區塊砂礫巖體物源區為西北部的陳家莊凸起。所以,前人研究發現永安地區古近系沙三段的沉積物源被認為主要來自青坨子和陳家莊這兩個凸起,但具體以哪一個凸起的物源為主存在一些爭議,同時因為兩者剝蝕層位的疊加性使得物源判別工作一直存在困難。

鑒于此,擬通過多種判別方法綜合研究永安地區沙三段的物源層位,為下一步的勘探工作提供基礎。

圖1 東營凹陷永安地區構造及地理位置Fig.1 Tectonic and geographic location of Yongan Area, Dongying Sag

1 區域地質概況

東營凹陷位于山東省東部東營市,東西長90 km,南北寬65 km,面積約5 700 km2(圖1)。東營凹陷屬中國東部新生代渤海灣裂谷盆地中的一個次級構造盆地[10]。其北部為陳家莊凸起、濱縣凸起；東北部有青坨子凸起,南部為魯西隆起和廣饒凸起,西部為青城凸起,是一個四周有凸起環繞的晚白堊-第三紀的斷-坳復合盆地。凹陷結構具有北斷南超、盆地基底北陡南緩的特征[11]。永安地區位于東營凹陷北部陡坡帶東段,北、東方向分別與陳家莊凸起和青坨子凸起相鄰。永安地區古近系沙三段沉積時期,永安地區主要為半深湖-深湖環境,發育扇三角洲、濁積扇、近岸水下扇等砂體[12]。

據邱以鋼等[13]的研究,在第三系沉積期,各個凸起上的老地層被剝蝕的狀況不盡相同。到上第三系沉積前,陳家莊凸起主體已被剝蝕至最古老的太古界花崗片麻巖,最東段尚殘留少量下古生界奧陶系地層,故可為下第三系沉積提供中生界、上古生界、下古生界和太古界的物源[14-16]。青坨子凸起(西部)南部已被剝蝕至太古界,可為下第三系沉積提供中生界、上古生界、下古生界和太古界的物源,而北部保留較厚中生界地層,故主要為下第三系沉積提供中生界物源[17-18]。

永安地區北部的陳家莊凸起和青坨子凸起邊界在沙三下亞段[圖2(a)]、沙三中亞段[圖2(b)]和沙三上亞段[圖2(c)]分別有所變化,陳家莊凸起變化較小,在沙三下亞段橫向展布擴大,青坨子凸起在沙三下亞段展布范圍全面縮小。研究所取巖石樣品主要來自永921、永85、永93、永斜94、永9、永21、永2、永23、永8和萊1等井,但具體到沙三段的3個亞段,取樣井整體有差異。尤其沙三下亞段,主要以永9、永31、永2、永211、永105、永106、永8、永116、萊1和坨142-1等井為主。

圖2 永安地區周邊凸起及井位分布Fig.2 Distribution of structural salient and well loction in Yongan area

2 稀土元素特征及示蹤物源

稀土元素(REE)穩定性強,在不同沉積巖石類型中REE具不同含量[5]。由于其在沉積物風化、搬運、沉積及成巖時組成變化較小,被視為重要的物源示蹤物[6-7],常用于物源區分析和沉積環境解釋。其中的銪(Eu)和鈰(Ce)兩種元素具有差異性的地球化學性質,兩者在不同類型巖石中有較大的波動范圍,成為稀土元素對比的重要參數,通常用異常系數δ來估算它們的特點。δ計算式為

(1)

式(1)中：下標N表示標準化值；EuxN、CexN分別為Eu、Ce的理論標準化值。

δ<1時,為虧損型,負異常,分布曲線表現為谷值；δ>1時,為富集型,正異常,分布曲線表現為峰值；δ=1時,無異常,分布曲線表現為平滑過渡。其中Ce元素可指示沉積環境的氧化還原性質,其富集時代表氧化環境,而虧損時代表還原環境。

2.1 物源區母巖稀土元素分布形式

圖3 永安地區物源區稀土元素分布形式Fig.3 Distribution pattern of REE in the source area of Yongan area

稀土元素分析數據(圖3)顯示太古界泰山群主要發育片麻巖類,表現為輕稀土富集型[圖3(a)]。(La/Yb)N普遍大于50。δEu范圍為0.23～0.58,平均值為0.278,呈現強負異常的特征；δCe范圍為0.16～0.21,平均值為0.196。下古生界巖性主要包括泥頁巖和海相碳酸鹽巖。稀土元素含量和輕稀土富集程度均較低[圖3(b)],(La/Yb)N范圍為7.82～19.27；δEu為0.03,δCe范圍為0.01～0.02,呈現強負異常的特征。中生代早白堊世巖性包括大套的中基性火成巖系,表現為強烈的輕稀土富集型特征[圖3(c)],(La/Yb)N范圍為69.84～77.86；δEu為0.20～0.23,平均值為0.217,呈現強負異常的特征；δCe為0.20～0.21,呈現強負異常的特征。

2.2 沙三段稀土元素分布形式及物源對比

東營凹陷永安地區沙三下亞段表現為輕稀土富集型[圖4(a)]。(La/Yb)N范圍為16.62～44.89,多數大于30,平均值為35.45；δEu范圍為0.06～0.25,平均值為0.175,呈現強負異常的特征；δCe范圍為0.22～0.31,平均值為0.257。根據標準化參數,沙三下亞段稀土元素分布特征具有明顯的混源特征,中生界碎屑巖-火成巖類,下古生界灰巖類和太古界片麻巖類疊合特征顯著。

東營凹陷永安地區沙三中亞段表現輕稀土富集型,(La/Yb)N范圍為3.86～36.87,平均值為23.48；δEu范圍為0.16～0.29,平均值為0.203,呈現強負異常的特征；δCe值范圍為0.21～0.28,平均值為0.242。根據標準化參數和稀土元素分布曲線[圖4(b)],沙三中亞段具有明顯的混源特征,中生界碎屑巖-火成巖類,下古生界灰巖類和太古界片麻巖類疊合特征顯著。

東營凹陷永安地區沙三上亞段表現為輕稀土富集型,典型特征為Yb富集,在曲線中表現為Yb峰值[圖4(c)],也因此使得輕稀土富集參數與其他層位相比值較小。(La/Yb)N范圍為4.06～9.75,平均值為6.619；δEu范圍為0.16～0.31,平均值為0.247,呈現強負異常的特征；δCe范圍為0.13～0.28,平均值為0.21。根據與δCe、δEu參數和(La/Yb)N,沙三上亞段稀土元素分布特征和太古界片麻巖類最為相似,同時存在一些混源特征。

圖4 永安地區沙三段稀土元素分布形式Fig.4 Distribution patterns of REE in Es3 in Yongan area

3 重礦物組合特征

陸源碎屑重礦物組合是物源分析的重要研究對象[8-9]。其中石榴石和綠簾石組合主要代表太古界片麻巖類母巖；鋯石和電氣石組合主要代表中生界和上古生界碎屑巖類和火成巖類母巖；鈦磁鐵礦主要代表中生界中基性火成巖類母巖。

3.1 沙三下亞段重礦物特征

沙三下亞段重礦物分布直方圖[圖5(a)～圖5(d)]顯示,石榴石、鈦磁鐵礦和電氣石分布明顯偏離正態分布和對數正態分布,還有雙峰或多峰現象,說明三者由多成因總體構成,即受多物源或多種母巖的影響；鋯石分布相對接近正態分布和對數正態分布,可能主要來自同一成因總體,綜合本區剝蝕序列及地質演化史分析,鋯石主要來自中生界、古生界碎屑巖和火成巖。

3.2 沙三中亞段重礦物特征

沙三中亞段重礦物分布直方圖[圖5(e)～圖5(h)]顯示,石榴石和綠簾石分布明顯偏離正態分布和對數正態分布,石榴石分布有雙峰現象,由多成因總體構成,即受多物源或多種母巖的影響；綠簾石分布含量變化快,井間分布不均,受多因素的影響；鋯石、電氣石和鈦磁鐵礦分布相對接近正態分布和對數正態分布,可能主要來自同一成因總體。

3.3 沙三上亞段重礦物特征

沙三上亞段重礦物分布直方圖[圖5(i)～圖5(l)]顯示,石榴石、鋯石、鈦磁鐵礦和電氣石分布雖然也偏離正態分布和對數正態分布,但相對接近正態分布和對數正態分布,可能主要來自同一成因總體；綠簾石分布則與沙三中亞段類似,分布不均,含量變化快。

圖5 永安地區沙三段重礦物含量分布直方圖Fig.5 Distribution histogram of heavy mineral content of Es3 in Yongan area

總體看來,沙三段重礦物組合均常見石榴石+鈦磁鐵礦+鋯石+電氣石。沙三上亞段普遍見綠簾石,而且含量較高,沙三中亞段個別井出現較多綠簾石,沙三下亞段則個別井見少量綠簾石。各組段物源成分較雜,均存在混源現象,沙三中、上亞段太古界變質巖(片麻巖)源巖較多,沙三下亞段中生界火成巖、碎屑巖源巖相對較多。從沙三段各亞段陸源碎屑主要重礦物組合與物源區母巖關系看,石榴石、鈦磁鐵礦、電氣石和綠簾石來自不同成因總體,鋯石分布相對主要由同一成因母體提供；沙三下亞段和沙三中亞段砂體混源現象普遍,相對而言沙三上亞段砂體母巖以太古界變質巖(片麻巖)類為主。

4 巖屑特征及物源分析

碎屑巖中的巖屑可直接反映物源區的母巖成分,最具有物源區特征的證據。礫石的粒度、成分及百分含量的變化是確定母巖性質及物源方向的基本手段。研究區沙三段巖屑類型多樣,包括安山巖[圖6(a)]、片麻巖[圖6(b)]、灰巖[圖6(c)]、白云巖[圖6(c)]、結晶巖[圖6(d)]、石英巖[圖6(e)、圖6(f)]、噴出巖[圖6(d)～圖6(i)]、泥巖、燧石等。

D-云巖巖屑；L-灰巖巖屑；C-結晶巖巖屑；E-噴出巖巖屑；Q-石英巖巖屑圖6 永安地區沙三段巖屑類型Fig.6 Rock fragments’ types of Es3 in Yongan area

研究區沙三下亞段巖石粒度相對粗，巖屑含量變化大，巖屑類型最為多樣,巖性涉及安山巖、片麻巖、灰巖、白云巖、泥巖、燧石等；沙三中亞段和沙三上亞段巖石粒度相對細，巖屑含量多小于25%，巖屑成分較為簡單,主要為石英巖巖屑、結晶巖巖屑和噴出巖巖屑,少量泥巖巖屑、白云巖巖屑等，如表1所示。

4.1 沙三下巖屑特征及物源分析

沙三下亞段的巖屑分析數據整體上可分為4個井區,分別為永921-永85-豐8井區、永斜94-永93井區、永21-永22-永8井區和萊1-9井區。永921-永85-豐8井區數據顯示(表1)其巖性較粗,多為含礫砂巖及粗砂巖,說明距離物源區較近。同時其母巖巖屑成分以太古界變質巖類、下古生界碳酸鹽類和中生界火山巖類為主。青坨子凸起北部出露中生界地層,無法提供下古生界碳酸鹽類物源。這說明永921-永85-豐8井區物源主要來自陳家莊凸起。相似地,永斜94-永93井區物源亦主要來自陳家莊凸起。而萊1-9井區距離陳家莊凸起較遠,推測其物源主要來自青坨子凸起。永21-永22-永8井區的巖屑母巖類型主要為中生界火成巖類和太古界變質巖類,結合其與周邊兩個凸起的距離,推測其物源來自陳家莊凸起和青坨子凸起。

4.2 沙三中巖屑特征及物源分析

沙三中亞段的巖屑分析數據整體上可分為4個井區,分別為永93井區、永1-永21井區、永8-永105-永116井區和永211-豐112-坨142-1井區。與前述相似,永93井區(表1)其巖性較粗,多為含礫砂巖及粗砂巖,說明距離物源區較近。同時其母巖巖屑成分以太古界變質巖類和下古生界碳酸鹽類為主。青坨子凸起北部出露中生界地層,無法提供下古生界碳酸鹽類物源。這說明永93井區主要來自于陳家莊凸起。相似地,永211-豐112-坨142-1井區物源亦主要來自陳家莊凸起。而永8-永105-永116井區距離陳家莊凸起較遠,推測其物源主要來自青坨子凸起。永1-永21井區的巖屑母巖類型主要為中生界火成巖類和太古界變質巖類,結合其與周邊兩個凸起的距離,推測其物源來自陳家莊凸起和青坨子凸起。

4.3 沙三上巖屑特征及物源分析

沙三上亞段的巖屑分析數據整體上可分為3個井區,分別為坨142-1井區、永211井區和永105-永106-永116-永8-永8-7井區。坨142-1井區巖性與沙三中亞段具有繼承性,說明其主要來自陳家莊凸起。而永105-永106-永116-永8-永8-7井區距離陳家莊凸起較遠,推測其物源主要來自青坨子凸起。永211井區與沙三中亞段具有繼承性,其巖屑母巖類型主要為中生界火成巖類和太古界變質巖類,結合其與周邊兩個凸起的距離,推測其物源來自陳家莊凸起和青坨子凸起。

5 結論

(1)永安地區沙三下亞段稀土元素分布特征具有明顯的混源特征,中生界碎屑巖-火成巖類、下古生界灰巖類和太古界片麻巖類疊合特征顯著。沙三中亞段具有明顯的混源特征,中生界碎屑巖-火成巖類、下古生界灰巖類和太古界片麻巖類疊合特征顯著。沙三上亞段稀土元素分布特征和太古界片麻巖類最為相似。

(2)重礦物分析顯示永安地區沙三中、上亞段太古界變質巖(片麻巖)源巖較多,沙三下亞段中生界火成巖、碎屑巖源巖相對較多,沙三下亞段和沙三中亞段砂體混源現象普遍,相對而言沙三上亞段砂體母巖以太古界變質巖(片麻巖)類為主。

表1 永安地區沙三段井巖屑組成特征Table 1 Compositional features of rock fragments of Es3 in Yongan area

(3)巖屑特征分析顯示永安地區沙三下亞段主要以太古界變質巖類,下古生界碳酸鹽巖類、中-古生界泥巖類為主,混源特征顯著；而沙三上亞段主要以太古界變質巖類為主。沙三中亞段則介于其二者之間。同時巖屑分析顯示不同井區有不同的物源方向,介于凸起之間的多具有多向混源的特征。