鄂爾多斯盆地西南部三疊系延長組物源分析

蔡金定

(昆明理工大學 國土資源工程學院,云南 昆明 650093)

0 引言

鄂爾多斯盆地三疊系延長組沉積優質烴源巖,河道砂體發育,油氣資源潛力巨大,具有良好的勘探前景[1]。對于延長組暗色泥巖和油頁巖地球化學特征,前人已經采用各類分析技術,從生油巖有機質豐度、類型和成熟度方面展開了深入研究[2-3]。通過對延長組不同油層組烴源巖的綜合評價,普遍認為長7油層組暗色泥巖和油頁巖生烴能力最強,有機質豐度最高、有機質類型最好(Ⅱ類占比>75%),是盆內主要烴源巖[4-5]。不難發現,前人研究主要集中在對延長組烴源巖的評價上,而關于其形成沉積環境、沉積物來源研究工作則較為薄弱。

在盆地西南部,延長組巖性以泥頁巖為主,有機質成熟度較低(平均值<1.0%),可以較好的保存一些物源原始信息、表征物源組成和原始的沉積環境[6-8]。因而,本文通過采集盆地西南部地區不同區域的巖石樣品,以研究物源組成為目的,展開了系列分析測試工作,為盆地西南部地區中生代沉積環境的重建提供理論支撐,并奠定區域含油氣系統的有效性評價和勘探潛力的研究基礎。

1 區域地質背景和樣品采集

1.1 區域地質背景

鄂爾多斯盆地在構造上位于華北地臺的西部,地形呈北高南低、西陡東緩的總趨勢,面積約25×104km2[9]。中生代時期,受到揚子板塊與華北板塊碰撞造山影響,盆地從華北地臺上逐漸分離,并演化為大型內陸盆地[10-11]。爾后在三疊系劉家溝組、和尚溝組及紙坊組的基礎上廣泛沉積上三疊統延長組[12]。延長組整體為一套灰綠色、灰色中厚層—塊狀細砂巖、粉砂巖和深灰色、灰黑色泥巖沉積[13]。前人按照小尺度沉積旋回將延長組自上而下分為五段:含煤段、塊狀砂巖段、含油砂頁巖段、油頁巖段、砂巖段,分別代表了同一時期湖盆演化的不同階段[14-15](圖1)。研究區位于鄂爾多斯盆地西南部,北起西峰,南抵隴縣,西至平涼,東至麟游,面積約為1.2×104km2,(圖2)。

圖1 鄂爾多斯盆地西南部延長組地層劃分方案

圖2 研究區構造位置圖

1.2 樣品采集

針對研究問題,筆者在鄂爾多斯盆地西南部進行了樣品采集,涉及延長組一段、三段及五段,共取得樣品72組。長一段由灰綠色砂巖組成,中粗粒-粉砂質結構,塊狀構造;鏡下觀察主要成分為石英、長石、火成巖屑、變質巖屑,分別占比24%、50%、6.5%和4.5%;石英、長石粒徑在0.22～0.45 mm之間,分選中等,顆粒呈現棱角狀-次圓狀。長三段為黃綠色長石砂巖,中粗粒-粉砂質結構,塊狀構造;鏡下觀察主要成分為石英長石火成巖屑、變質巖屑,分別占比35%、43%、4%和6.5%;石英、長石粒徑在0.24～0.44 mm,分選中等,顆粒呈現棱角狀-次圓狀。長五段為灰綠色泥巖夾砂巖,粉-細粒砂質結構;鏡下觀察主要成分為石英、長石、火成巖屑、變質巖屑和沉積巖屑,分別占比40%、36%、4.5%、5.5%和5%;石英、長石粒徑在0.26～0.40 mm,分選中等-較好,顆粒呈現次棱角狀-次圓狀。

2 延長組物源分析

依據沉積學、巖石學、地球化學等原理對研究區物源進行分析,利用多種方法研究物源變化及源區性質,以期獲得一定具有合理性和科學性的成果。

2.1 古水流方向分析

物源分析工作中,古水流方向是最容易得到的數據,利用其平面分布特征可以直接對沉積物源的大體方向做出推斷。野外露頭踏勘發現,鄂爾多斯盆地西南部地質剖面上可見清晰的大型交錯層理,測量得到128組延長組古水流方向數據,其中交錯層理76組,礫石最大扁平面52組。

古水流數據測量結果表明:(1)盆地南部旬邑山水河剖面長一段～長二段,15組礫石最大扁平面和25組交錯層理數據,礫石最大扁平面傾向在320°～350°之間,交錯層理傾向在130°～180°,顯示古流向在140°～170°之間。麟游澄水河剖面長三段,10組礫石最大扁平面和15組交錯層理數據,顯示古水流為單峰式,古流向在135°～170°之間,峰值集中在150°附近,南部地區長一段～長三段古流向變化較小,說明延長組古水流方向具有很好的繼承性。(2)盆地西南部隴縣普陀河剖面長二段,12組礫石最大扁平面和18組交錯層理數據,礫石最大扁平面傾向在220°～250°,交錯層理傾向在100°～110°,顯示古流向在50°～80°。汭水河剖面長一段18組交錯層理傾向數據顯示,古水流范圍在225°～240°,峰值在235°;長三段15組最大扁平面傾向在320°～355°,顯示古流向為140°～175°,峰值在155°。

晚三疊世～中侏羅世之間,鄂爾多斯陸塊發生逆時針轉動,角度約55°左右,所以晚三疊世發生的沉積古水流方向數據應順時針偏轉相應角度。旬邑山水河地區長一段～長二段真實古流向應在180°～230°之間,流向南西;麟游澄水河地區長三段真實古流向峰值應在220°,流向南西;普陀河地區長二段真實古流向應在100°～130°之間,流向東南;汭水河地區長一段真實古流向應在275°～290°之間,流向西北;汭水河地區長三段真實古流向應在190°～225°之間,流向南東(圖2)。

2.2 砂巖碎屑組分分析

通過組分分析可以反映出母巖的性質,也能表征物源區大地構造背景[16]。換而言之,只要準確弄清砂巖樣品中石英、長石、巖屑成分的變化,就能夠了解物源區的構造屬性。而構造屬性又能表征物源區構造背景,進一步呈現出沉積區物源的變化。

對所采集的72組樣品磨片后鏡下觀察,分析統計砂巖中的石英、長石、巖屑的相對含量,然后將數據投點至Qt-F-L源區構造背景圖版中觀察。延長組一段砂巖碎屑數據落在陸塊物源區及火山弧物源區,其中陸塊物源區為隆起基底,成熟度較低。延長組三段和五段砂巖碎屑數據落在陸塊物源區、火山弧物源區和再旋回造山帶物源區,說明此時物源區屬性出現了明顯的變化。分析同期研究區西南部祁連構造帶與秦嶺構造帶活動性,長10～長8期(長一段～長二段),印支運動活動相對較弱,西南部隆起的基底巖系及火山島弧為主要物源區,長7～長1期(長三段～長五段),印支運動明顯增強,北秦嶺及北祁連一帶成為新的隆起區參與物源供給,筆者認為物源區的變化是與秦祁造山帶活動緊密相關的。

2.3 輕、重礦物分析

2.3.1 輕礦物及巖屑分析

研究區處于鄂爾多斯盆地西南部,選取延長組長一段、長三段和長五段為本次研究目的層位,地層中砂巖以長石砂巖、巖屑長石砂巖和長石巖屑砂巖為主。因此需要重點分析輕礦物中石英、巖屑的變化規律,依據巖屑組成的差異判斷物源方向、分區及變化特征。

對研究區長一段～長五段砂巖樣品中輕礦物各組分含量及巖屑含量(圖3)分析發現,砂巖的組分成熟度呈現出逐步增高的趨勢,具體表現在石英、巖屑的相對含量升高,長石相對含量降低。在巖屑組成中,主要巖屑類型沒有發生改變,一直是變質巖巖屑,巖漿巖巖屑的含量相對穩定,而沉積巖巖屑有逐漸增高的趨勢,說明隨著時間推移,延長組的物源區范圍在增大。在巖屑中,變質巖巖屑主要有石英巖、片巖、千枚巖以其它類高變質巖;巖漿巖巖屑主要是以噴發巖為主,其中隱晶質含量緩慢上升;沉積巖巖屑主要以碳酸鹽巖為主(白云巖、灰巖)。長三段砂巖巖屑開始出現白云巖巖屑增多的現象,推測其來源是祁連地區古生代地層。以上分析表明,研究區在長一段～長五段沉積期間存在物源區擴大的現象,沉積物的搬運距離也有所增加,新的物源區成為延長組中上部地層沉積物重要的物源供給。研究區物源整體來自于西南方向的北祁連褶皺帶和秦嶺造山帶,輕礦物及巖屑特征反映秦祁連造山帶的拼合對物源的產生了深遠影響。

圖3 盆地西南部延長組輕礦物平均含量與巖屑平均含量

2.3.2 重礦物

在機械沉積分異作用下,沉積物在遠離物源區時重礦物含量會越來越少,一般在0.5%～1.0%。因為重礦物穩定性好可以反映母巖的一些重要信息,而不同母巖表現出不同的重礦物組合特征,所以在物源分析時占據著重要地位[17]。一般來說,采用特征重礦物含量、重礦物組合、穩定重礦物成熟度(ZTR指數)分析是重礦物物源分析的重要方法[18]。根據研究區長一段、長三段、長五段所采樣品分析測試情況,決定采用重礦物組合分析以及穩定重礦物成熟度分析對延長組物源進行研究。

研究區重礦物種類較多,超穩定及穩定組分均有出現,根據目前分析測試數據統計(表1),延長組下部與中上部超穩定重礦物組成基本一致。研究區內延長組底部至頂部超穩定重礦物ZTR指數逐漸增高,表明延長組沉積時期物源區是不斷增大的,搬運的距離也愈來愈遠。重礦物組合形式上主要存在3種類型,(1)石榴子石、鋯石、榍石為主要重礦物,表明沉積物來源于以巖漿巖和變質巖為主體的母巖區,與盆地北部大青山地區深度變質的片巖和片麻巖對應較好,推斷物源區在東北方向;(2)石榴子石、鋯石、金紅石為主要重礦物,表明沉積物來源以沉積巖為主體的母巖區,與秦嶺造山帶古生界的淺海碎屑巖、碳酸鹽巖對應較好,推斷物源區在西南方向;(3)鋯石、白鈦礦、電氣石為主要重礦物,表現出自研究區西南方向和東北方向向中部逐漸增加的平面分布規律。重礦物分析顯示,鄂爾多斯盆地西南部延長組物源主要來自其東北方向、西南方向,其次為東南方向和西北方向。

表1 延長組重礦物測試分析統計表

2.4 碎屑顆粒粒度

粒度是表征沉積物和沉積巖顆粒大小的常用參數,通過對其大小、分選性、磨圓度、粒度分布等特征的觀察,可以明確碎屑顆粒沉積時的水動力條件,同樣可作為重要的物源方向標志[19]。

對采集巖樣磨片后的測量發現:研究區東北緣碎屑顆粒平均粒徑4.353 mm,粒度中值3.781Ф,向中心逐漸較小;西南緣碎屑顆粒平均粒徑4.236 mm,粒度中值3.643Ф,向東北逐漸減小;東部碎屑顆粒平均粒徑4.145 mm,粒度中值3.526Ф。根據碎屑顆粒粒徑變化數據,結合古流向參數可以判斷,盆地周緣存在剝蝕性古隆起,沉積物從盆地邊緣向中心搬運,晚三疊世延長組有東北向、西南向以及南東向3個主要物源。其次,可以根據粒度概率曲線類型,更加具體的來判斷上述推斷的準確性。本次研究使用了隴縣東西兩口鉆井取芯樣品進行粒度資料統計與分析,粒度概率曲線主要有2種不同的類型(圖4)。(1)隴縣西部,粒度概率曲線呈現兩段式,表明沉積物由跳躍總體和懸浮總體兩部分構成,沒有滾動總體。圖中跳躍總體斜率約為45°,含量較高,占整體60%以上;相比之下懸浮總體斜率較小,為15°～20°左右,占整體30%左右。沉積物搬運方式主要是跳躍和懸移,反映水動力條件較強,碎屑顆粒分選較差。粒度頻率曲線呈單峰態,說明沉積物成分較為單一,在沉積過程中受相對穩定水流作用影響。將其解釋為研究區內遠離湖盆中心位置,具有較強水動力條件的分流河道沉積。(2)隴縣東部,粒度概率曲線呈現三段式,表明沉積物由滾動總體、跳躍總體和懸浮總體構成。圖中跳躍總體斜率50°～60°,含量較高,占整體65%～70%,滾動總體含量在15%～20%,懸浮總體含量約為10%。粒度頻率曲線表現為雙峰式,說明沉積過程中受河流和湖水的綜合改造,碎屑顆粒分選較好,推測為河口壩沉積。根據沉積相帶分布特征,推測延長組有一個物源是西南向造山帶,這與前文認識相符合,也證實了依據粒徑變化推斷沉積物源方向的正確性。

圖4 鄂爾多斯盆地西南部延長組沉積物概率曲線類型

2.5 沉積物源綜合分析

通過對鄂爾多斯盆地西南部古流向、砂巖樣品碎屑組分、輕重礦物和碎屑顆粒粒度分析,認為延長組沉積物主要有北、東北、東南、南、西南和西北6個輸入方向,其中東北、東南、西南為其主要物源方向。結合鄂爾多斯盆地三疊紀晚期構造活動背景可以劃分延長期不同時間主要物源輸入方向(圖5)。

圖5 晚三疊世鄂爾多斯盆地西南部及鄰區物源輸入演化圖

晚三疊世早期(長一段沉積期),揚子板塊與華北板塊還未開始拼合[20-21],寶雞—武都裂陷槽仍開啟,秦祁造山帶的剝蝕物質經由此通道流入松潘—甘孜地區,盆地西南部延長組沉積物源主要來自盆地北部巖漿巖體和東北部雜巖。晚三疊世中期(長三段沉積期),兩大板塊開始拼合,寶雞—武都裂陷槽開始關閉,盆地南部秦嶺造山帶開始向研究區輸送碎屑物質,此時沉積物源主要來自東北、東南兩個方向,其次為西南向。晚三疊世晚期(長五段沉積期),秦嶺與祁連造山帶拼合,寶雞—武都裂陷槽完全關閉[22],秦祁造山帶成為主開始向研究區提供大量沉積碎屑,沉積物源主要來自南、西南方向。上述分析表明,延長組長一段～長五段物源區存在擴大,這也符合砂巖碎屑組分分析結果,而之所以出現這種變化則與秦祁造山帶的活動密切相關。不難發現,本文研究亦存在一定問題,對鄂爾多斯盆地西南部物源的分析只做到了分期分方向的定性研究,對不同物源區提供的沉積碎屑所占百分比未定量化,以期后續學者加以深入探索。

3 認識與結論

(1)通過古流向、砂巖碎屑組分、輕重礦物組合、碎屑顆粒粒度等方面分析認為,鄂爾多斯盆地西南部延長組沉積物主要有北、東北、東南、南、西南和西北6個輸入方向,其中東北、東南、西南為其主要物源輸入方向。

(2)因受到秦祁造山帶拼合的影響,延長組不同層段物源供給區存在差異。晚三疊世早期,研究區沉積物源主要來自盆地北部巖漿巖體和東北部雜巖;晚三疊世中期,沉積物源主要來自東北、東南兩個方向,其次為西南向;晚三疊世晚期,沉積物源主要來自南、西南方向秦祁造山帶。