西湖凹陷天臺斜坡帶物源交匯區古近系碎屑鋯石形態學與年代學示蹤

王 超,陳忠云,秦蘭芝,趙 洪,徐東浩,俞偉哲

(中海石油(中國)有限公司上海分公司,上海 200335)

西湖凹陷西部斜坡帶是目前東海陸架盆地中最為重要的勘探地區之一,其主要目的層系為始新統平湖組與漸新統花港組。針對西部斜坡帶的物源體系,前人從物源區隆起形成時間、沉積體系、儲層特征及重礦物等方面開展了一系列研究工作,認為西部斜坡帶砂體主要來源于西側海礁隆起的物源體系,進而影響到了其砂體展布及儲層發育[1-2]。本文研究的天臺斜坡帶位于西部斜坡帶南部,其西北部為海礁隆起,南部為漁山東低隆起。前人研究表明,海礁隆起與漁山東低隆起均是華南板塊向東海盆地的延伸,早期均具有變質巖基底,但是由于漁山東低隆起中生代經歷大規模的火山運動,導致其發育厚層的中生代火山巖地層,而海礁隆起火山巖發育規模較小,具有更多的變質巖基底特征。天臺斜坡帶的地理位置被海礁隆起和漁山東低隆起兩個物源區所夾持,物源體系較為復雜。直到目前,前人僅是推測研究區受到兩個物源體系的影響[3-8],但未開展系統研究工作,嚴重限制了該區的勘探研究。

本文首先選取已明確為海礁隆起與漁山東低隆起物源體系來源的樣品,利用鋯石形態學、碎屑鋯石U-Pb年代學開展對比分析[9-10],以明確海礁隆起與漁山東低隆起鋯石形態學與年代學的特征及其差異;然后利用天臺斜坡帶鉆井取樣開展鋯石形態學與年代學分析,并與兩個物源區開展對比以明確不同層位砂體的母源方向,判斷研究區物源交匯及垂向演化序列,繼而通過對地震前積反射特征等開展分析以落實物源體系。

1 地質概況

東海陸架盆地是中國海上面積最大的沉積盆地,其中西湖凹陷面積約為5×104km2,為東海陸架盆地面積最大、勘探程度最高的凹陷[1-8]。西湖凹陷北側以虎皮礁隆起為界,與福江凹陷相鄰;西側以海礁隆起為界,與錢塘凹陷為鄰;西南與漁山東低隆起相靠;東臨沖繩海槽盆地[11-13](圖1)。西湖凹陷具“東西分帶、南北分塊”特征,自西向東依次劃分為西部斜坡帶、中央洼陷-反轉構造帶和東部邊緣斷裂帶三個構造單元[14-15](圖1),其中西部斜坡帶自北向南分為杭州斜坡帶、平湖斜坡帶與天臺斜坡帶。本次研究區為西湖凹陷西部斜坡帶南部的天臺斜坡帶。

天臺斜坡帶受北西西向基底斷裂影響,南北部構造面貌存在明顯差異。天臺斜坡帶高帶緊鄰海礁隆起,斷層傾向以西傾為主,構成多級反向斷階斜坡結構,近洼陷的中低帶部位發育順向斷層,平面上斷層多呈弧形展布特征。研究區斷層走向自北向南由北北東向轉為北北西向;其中北北東向斷層延伸段表現為緩坡形態,北北西向斷層延伸段受基底北西西向斷層影響逐步表現為陡坡形態。天臺斜坡帶南部緊鄰漁山東低隆起,表現為陡坡形態,主要受控于東傾的寶石斷裂,西傾反向斷層基本不發育,平面上斷層走向主要呈北北東向,斷層發育密度明顯小于北部(圖2)。

西湖凹陷新生代主要經歷了基隆運動、甌江運動、玉泉運動、龍井運動和沖繩海槽運動,將西湖凹陷自下而上分為裂陷、拗陷和區域沉降三大構造層。由于這三個時期所受應力場不同,造就了裂陷期、拗陷期(反轉期)和區域沉降期三個階段[16-18]。研究區產油氣層位主要為平湖組與花港組,鉆井所揭露的地層發育齊全。

2 鋯石樣品選取及測試方法

鋯石是物源體系對比研究的對象之一,為明確海礁隆起與漁山東低隆起物源體系砂體中的鋯石特征,本文在對靠近漁山東低隆起的A井、靠近海礁隆起的B井,以及天臺斜坡區的C井、D井的巖心、巖屑觀察的基礎上,選取部分巖屑樣品進行鋯石定年分析(圖2)。礦物分選之前首先對巖屑進行洗滌,進一步篩選出巖性較為均一的砂巖顆粒進行制樣。鋯石U-Pb同位素分析測試在中國地質大學(武漢)地質過程與礦產資源國家重點實驗室開展,利用JXA-8100型電子探針顯微分析系統與GeoLas2005-Agilent7500a型激光剝蝕-電感耦合等離子體質譜儀進行測試分析,激光束斑直徑約為24～32 μm,以氦氣(He)作為剝蝕物質的載氣。

基于古近系樣品的碎屑巖鋯石U-Pb同位素測試(表1),年齡計算參考鋯石91500作為外標標準物質,元素含量參考NIST610為外標、29Si為內標進行計算。同位素比值和年齡誤差標準偏差小于1σ,樣品的同位素比值及各元素含量計算通過Glitter程序完成,普通Pb校正引用ComPb Con#3-151完成,年齡計算與諧和圖繪制通過Iso-plot 3.0軟件完成,去掉不諧和度大于10%的鋯石顆粒分析點進行碎屑鋯石年齡譜分析,每個樣品點打點數大于80個,諧和度大于90%,從而使得測試結果有效、可信度高。

3 碎屑鋯石形態學與年代學特征

鋯石具有高度穩定性,其在搬運和沉積的過程中始終保持穩定,故沉積巖中碎屑鋯石成因比例可用于分析砂體來源。碎屑鋯石 CL 圖像能夠清晰地揭示鋯石內部環帶、變質增生等方面的信息,有利于母巖成因及搬運信息的研究[19-21],結合鋯石U-Pb年齡,能夠準確指示樣本母巖的地質年代[22-23]。

對近漁山東低隆起物源區的A井、近海礁隆起物源區的B井,以及物源交匯區的C井、D井四口井分別取樣,開展鋯石形態學與U-Pb年齡分析(表1)。通過分析平湖組鋯石顆粒的陰極發光照片,歸納為四個時代的鋯石發光信息,即前元古代-古元古代、古元古代-中元古代、新元古代和中生代。前元古代-古元古代鋯石陰極發光圖像清晰,鋯石邊界較為平直,形態多為柱狀,晶面簡單,多數鋯石呈現巖漿成因特征的巖漿震蕩環帶,部分鋯石顆粒破碎、磨圓程度較高,反映長距離搬運特征;古元古代-中元古代鋯石陰極發光圖像比較模糊,環帶不明顯,有些外觀呈短柱狀,并發生磨圓現象,反映母巖為變質巖,且搬運距離較遠的特點;新元古代鋯石整體陰極發光較暗,既有巖漿成因而發育生長環帶,又發育變質增生邊,部分顆粒邊界平直,反映搬運距離相對較近;中生代鋯石邊界較為平直,形態多為柱狀,晶面簡單,多數呈現巖漿成因特征的巖漿震蕩環帶,部分顆粒破碎、磨圓程度不一,反映短距離與長距離混合搬運特征。

3.1 母源區碎屑鋯石形態學與年代學特征

海礁隆起物源體系鋯石呈半自形-它形形態特征,晶面可見溶蝕、晶棱短柱等形態分布,內部無明顯的分帶,整體以變質鋯石為主;漁山東低隆起物源體系鋯石呈較為自形的特征,晶面簡單,晶棱尖銳,平直棱柱面發育,整體可見呈細長柱狀形態,內部可見明顯振蕩分帶特征,整體以巖漿鋯石分布為主。因此不同隆起提供的碎屑鋯石在成因比例上具有差異,可表征砂體的來源。

具體來看,A井碎屑鋯石中巖漿成因鋯石比例為73.8%(圖3a),變質成因鋯石比例為26.2%,鋯石晶體多數呈長方柱狀,發育典型、清晰的環帶結構,且部分內部構造繼承有鋯石的殘留核(圖3a-iii,iv),同時可見較低程度的磨蝕與圓化,具有明顯的巖漿成因型特征。B井碎屑鋯石中巖漿成因鋯石比例為28.4%(圖3b),變質成因鋯石比例為71.7%,鋯石晶體多數外形呈渾圓狀(圖3b-ii,iv),無明顯內部環帶特征,部分內部發育扇形分帶,且可見白色次生邊(圖3b-i),具有明顯的變質成因型特征,與南部地區主要為海礁隆起供源特征相吻合。

圖3 西湖凹陷天臺斜坡帶A井、B井鋯石碎屑鋯石形態特征

從年代學特征來看,漁山東低隆起鋯石年齡概率密度圖主要表現為近單峰型(圖4a),即中生代年齡占比高,其古元古代年齡占比明顯減少。具體來看,A井位于漁山東低隆起近物源供給區域,大部分巖漿鋯石顆粒呈現自形-半自形狀,顯示搬運距離較近,并具有明顯的130 Ma(白堊紀)年齡高峰(圖4),相應的,其古元古代年齡占比明顯減少;在元素組成方面,白堊紀可見明顯的元素高峰,在古元古代、中元古代及新元古代元素占比相對較低且均勻分布。

海礁隆起年齡呈現中生代、晚古生代、中元古代和古元古代多峰特征(圖4b),其中鋯石表面年齡主體位于太古代-元古代,尤其是古元古代年齡占比高。B井位于海礁隆起近源區域,以海礁隆起供源為主,變質鋯石晶體顆粒較為自形,磨損較弱,顯示搬運距離較近。鋯石測定數據擬合直線與諧和線上交點的年齡為2 337±83 Ma(圖4),概率分布直方圖為多峰結構,鋯石年齡除了在中元古代和古元古代有所分布之外,新元古代也有所分布,而且晚古生代和中生代也占有一定比例;在年齡比例上,中生代整體元素分布較少,元素高峰出現在早元古代,在中元古代-晚元古代、晚太古代等呈現均勻分布。

3.2 研究區碎屑鋯石形態學與年代學特征

研究區C井花港組下段沉積時期(圖5a)碎屑鋯石中巖漿成因鋯石比例為31.5%,變質成因鋯石比例為68.5%,鋯石晶體多數呈長方柱狀,發育典型、清晰的環帶結構,陰極發光顯微鏡(CL)圖像可識別出變質成因鋯石的核部和后期重結晶生成的邊部,鋯石邊緣不規則,晶面復雜并伴隨碎裂、溶蝕現象,指示以變質成因鋯石為主,表明其主要為漁山東低隆起供源;平湖組上段沉積時期(圖5b)碎屑鋯石中巖漿成因鋯石比例為37.8%,變質成因鋯石比例為62.2%,其顆粒邊緣平直,部分邊緣不規則,鋯石晶體多數外形呈渾圓狀,無明顯內部環帶特征,表明平湖組受到了更多的西側海礁隆起母源的貢獻。

圖5 西湖凹陷天臺斜坡帶平湖組-花港組碎屑鋯石U-Pb年齡譜峰圖、協和圖及年齡比例圖

D井平湖組中段沉積時期(圖5c)碎屑鋯石中巖漿成因鋯石比例為45.6%,變質成因鋯石比例為54.4%,鋯石晶體多數外形呈渾圓狀,少量具內部環帶特征;平湖組上段時期(圖5d)碎屑鋯石中巖漿成因鋯石比例為39.9%,變質成因鋯石比例為 60.1%,鋯石晶體多數外形呈渾圓狀,無明顯內部環帶特征,陰極發光顯微鏡(CL)圖像可識別出變質成因鋯石的核部和后期重結晶生成的邊部,鋯石邊緣不規則,晶面復雜并伴隨碎裂、溶蝕現象,表明以海礁隆起供源為主,兼具漁山東低隆起物源區的特征。

結合C井、D井的鋯石成因學與形態學的研究結果表明,研究區由平湖組到花港組變質母源的含量逐漸增加,巖漿母源的含量不斷降低。

從年代學特征來看,C井平湖組上段沉積時期,巖漿鋯石成因比例稍高,陰極發光顯示出碎屑鋯石部分震蕩環帶較為明顯,指示具有一定巖漿成因,古元古代年齡占一定比例(圖5b-ii),呈明顯多峰型,可判斷為漁山東低隆起與海礁隆起的混合特征;花港組沉積時期鋯石年齡呈明顯多峰型(圖5a-ii),古元古代年齡達到31%,元素高峰出現在早元古代,而巖漿成因鋯石比例僅為41.8%,低于變質成因鋯石比例,呈以海礁隆起物源為主導的特征,可見從平湖組到花港組,海礁隆起物源體系的作用增強。

D井平湖組中段鋯石年齡上呈明顯多峰型(圖5c-ii),元素占比在早元古代呈現高峰,在白堊紀也有一定分布(圖5c-i,iii),巖漿成因鋯石比例稍低于變質成因鋯石比例,指示海礁隆起物源為主、漁山東低隆起為輔的特征;平湖組上段沉積時期,鋯石年齡呈明顯多峰型(圖5d-ii),古元古代鋯石年齡占33%,元素高峰出現在早元古代,在白堊紀占比較少(圖5d-i,iii),且變質成因鋯石比例明顯提升,指示變質成因鋯石為主,表明主導物源區為海礁隆起(圖5d-i)。

4 交匯區砂體的地震響應特征

不同物源體系的砂體發育過程在地震剖面上均有所指示,可對鋯石年代學所得出的結果進行有效驗證。在順物源方向上,前積方向明確的楔狀沉積體以前積角最大方向作為前積或主物源方向;在正交物源方向上,可通過楔狀沉積體的同相軸向兩側逐漸尖滅來指示沉積范圍。通過地震相差異、最大前積角度、前積方向和物源來源等特征,可對沉積體進行期次劃分,從而作為鋯石形態學與年代學研究結果的補充論證。

從漁山東低隆起到天臺斜坡帶(圖6),可明顯看到平湖組至花港組底部持續發育楔形前積體,沉積體規模相對較大但分布范圍較小,花港組除底部外基本沒有看到規模性楔形前積體。表明漁山東低隆起對于研究區花港組砂體的供砂范圍有限。

從海礁隆起向研究區方向楔形前積體在規模、分布范圍等方面與漁山東低隆起有較大差異(圖7)。橫向上,海礁隆起對砂體發育范圍的影響遠大于漁山東低隆起,可影響到天臺北的大部分區域;縱向上,楔形前積體自平湖組到花港組沉積時期均有發育且規模均較大。從兩個母源區到研究區的地震反射結構特征可以看出,平湖組中段沉積時期多為兩個母源砂體的混合沉積;平湖組上段到花港組沉積時期,以變質母巖沉積為主導,海礁隆起母源區的影響逐漸增大。

5 結論

1)天臺斜坡帶的兩個物源體系碎屑鋯石特征差異明顯,其中,漁山東低隆起供源期的鋯石形態多為自形,具有明顯的白堊紀年齡高峰,以巖漿成因鋯石為主;而海礁隆起供源期的鋯石形態多為它形,以古元古代年齡高峰為主要特征,主要為變質成因鋯石。

2)漁山東低隆起母源至研究區方向在平湖組楔形前積體面積較大,至花港組砂體前積面積有所減小;海礁隆起母源至研究區方向砂體前積規模大于漁山東低隆起,由平湖組到花港組沉積過程中,楔形體前積角和面積均逐漸加大。平湖組中段沉積時期多為兩個母源砂體的混合沉積,平湖組上段到花港組,海礁隆起母源區的影響逐漸增大,以變質母巖沉積為主導。

3)研究區平湖組中段沉積時期,天臺斜坡區處于弧形斷裂輸導區,漁山東低隆起與海礁隆起聯合供源,沉積物沿斷裂轉換帶向低帶展布;平湖組上段至花港組沉積時期,漁山東低隆起供源作用減弱,海礁隆起供源作用持續增強。