刘 宁

(中国石化股份公司胜利油田分公司勘探开发研究院, 东营 257015)

碎屑岩沉积的物源分析是研究碎屑岩沉积过程以及岩相古地理恢复的重要环节。物源分析的方法有多种,主要包括岩石学方法、地球化学方法、沉积相对比方法、以及古流向分析等。程剑波等[1]通过沉积相特征识别、砂体宏观特征观察、古流向分析、砂岩镜下骨架颗粒统计等方法探讨宁武-静乐盆地物源区的位置和母岩组合。李钦等[2]利用古水流、砂岩碎屑组构和重矿物组合特征等研究方法,探讨了玛扎塔格地区晚新生代以来的沉积物源。吴婧等[3]对太原西山七里沟剖面太原组砂岩的研究中采用岩石学和重矿物学方法。现今地球化学方法中如锆石测年和稀土元素分析等运用愈发普及,碎屑岩沉积的物源研究亦成为综合性较强的课题[4]。

陆相湖盆沉积区的物源与周边母岩区凸起地层被剥蚀紧密相关[5]。东营凹陷古近系沉积期,周边凸起区老地层被剥蚀范围及程度存在差异。多物源方向和多物源层系的差异性导致沉积区的物源存在更多混源的可能性。前人对东营凹陷永安地区古近系沙四段、沙三段和孔店组等组段物源方向的研究均证明这个观点[6-9]。

永安地区位于东营凹陷东北部,介于陈家庄凸起与青坨子凸起之间。庄丽[6]研究认为永安镇三角洲存在多个物源方向,不同时期主要物源方向不相同,但最主要的物源来自东部的青坨子凸起。刘军锷等[7]亦认为永安镇三角洲沙三段物源来自东部的青坨子凸起。而杨勇强等[8]研究认为永安地区南边的民丰洼陷沙三中亚段存在北、东、南3个主要物源区。同时杜亮慧[9]研究认为永安镇永1区块砂砾岩体物源区为西北部的陈家庄凸起。所以,前人研究发现永安地区古近系沙三段的沉积物源被认为主要来自青坨子和陈家庄这两个凸起,但具体以哪一个凸起的物源为主存在一些争议,同时因为两者剥蚀层位的叠加性使得物源判别工作一直存在困难。

鉴于此,拟通过多种判别方法综合研究永安地区沙三段的物源层位,为下一步的勘探工作提供基础。

图1 东营凹陷永安地区构造及地理位置Fig.1 Tectonic and geographic location of Yongan Area, Dongying Sag

1 区域地质概况

东营凹陷位于山东省东部东营市,东西长90 km,南北宽65 km,面积约5 700 km2(图1)。东营凹陷属中国东部新生代渤海湾裂谷盆地中的一个次级构造盆地[10]。其北部为陈家庄凸起、滨县凸起；东北部有青坨子凸起,南部为鲁西隆起和广饶凸起,西部为青城凸起,是一个四周有凸起环绕的晚白垩-第三纪的断-坳复合盆地。凹陷结构具有北断南超、盆地基底北陡南缓的特征[11]。永安地区位于东营凹陷北部陡坡带东段,北、东方向分别与陈家庄凸起和青坨子凸起相邻。永安地区古近系沙三段沉积时期,永安地区主要为半深湖-深湖环境,发育扇三角洲、浊积扇、近岸水下扇等砂体[12]。

据邱以钢等[13]的研究,在第三系沉积期,各个凸起上的老地层被剥蚀的状况不尽相同。到上第三系沉积前,陈家庄凸起主体已被剥蚀至最古老的太古界花岗片麻岩,最东段尚残留少量下古生界奥陶系地层,故可为下第三系沉积提供中生界、上古生界、下古生界和太古界的物源[14-16]。青坨子凸起(西部)南部已被剥蚀至太古界,可为下第三系沉积提供中生界、上古生界、下古生界和太古界的物源,而北部保留较厚中生界地层,故主要为下第三系沉积提供中生界物源[17-18]。

永安地区北部的陈家庄凸起和青坨子凸起边界在沙三下亚段[图2(a)]、沙三中亚段[图2(b)]和沙三上亚段[图2(c)]分别有所变化,陈家庄凸起变化较小,在沙三下亚段横向展布扩大,青坨子凸起在沙三下亚段展布范围全面缩小。研究所取岩石样品主要来自永921、永85、永93、永斜94、永9、永21、永2、永23、永8和莱1等井,但具体到沙三段的3个亚段,取样井整体有差异。尤其沙三下亚段,主要以永9、永31、永2、永211、永105、永106、永8、永116、莱1和坨142-1等井为主。

图2 永安地区周边凸起及井位分布Fig.2 Distribution of structural salient and well loction in Yongan area

2 稀土元素特征及示踪物源

稀土元素(REE)稳定性强,在不同沉积岩石类型中REE具不同含量[5]。由于其在沉积物风化、搬运、沉积及成岩时组成变化较小,被视为重要的物源示踪物[6-7],常用于物源区分析和沉积环境解释。其中的铕(Eu)和铈(Ce)两种元素具有差异性的地球化学性质,两者在不同类型岩石中有较大的波动范围,成为稀土元素对比的重要参数,通常用异常系数δ来估算它们的特点。δ计算式为

(1)

式(1)中：下标N表示标准化值；EuxN、CexN分别为Eu、Ce的理论标准化值。

δ<1时,为亏损型,负异常,分布曲线表现为谷值；δ>1时,为富集型,正异常,分布曲线表现为峰值；δ=1时,无异常,分布曲线表现为平滑过渡。其中Ce元素可指示沉积环境的氧化还原性质,其富集时代表氧化环境,而亏损时代表还原环境。

2.1 物源区母岩稀土元素分布形式

图3 永安地区物源区稀土元素分布形式Fig.3 Distribution pattern of REE in the source area of Yongan area

稀土元素分析数据(图3)显示太古界泰山群主要发育片麻岩类,表现为轻稀土富集型[图3(a)]。(La/Yb)N普遍大于50。δEu范围为0.23～0.58,平均值为0.278,呈现强负异常的特征；δCe范围为0.16～0.21,平均值为0.196。下古生界岩性主要包括泥页岩和海相碳酸盐岩。稀土元素含量和轻稀土富集程度均较低[图3(b)],(La/Yb)N范围为7.82～19.27；δEu为0.03,δCe范围为0.01～0.02,呈现强负异常的特征。中生代早白垩世岩性包括大套的中基性火成岩系,表现为强烈的轻稀土富集型特征[图3(c)],(La/Yb)N范围为69.84～77.86；δEu为0.20～0.23,平均值为0.217,呈现强负异常的特征；δCe为0.20～0.21,呈现强负异常的特征。

2.2 沙三段稀土元素分布形式及物源对比

东营凹陷永安地区沙三下亚段表现为轻稀土富集型[图4(a)]。(La/Yb)N范围为16.62～44.89,多数大于30,平均值为35.45；δEu范围为0.06～0.25,平均值为0.175,呈现强负异常的特征；δCe范围为0.22～0.31,平均值为0.257。根据标准化参数,沙三下亚段稀土元素分布特征具有明显的混源特征,中生界碎屑岩-火成岩类,下古生界灰岩类和太古界片麻岩类叠合特征显著。

东营凹陷永安地区沙三中亚段表现轻稀土富集型,(La/Yb)N范围为3.86～36.87,平均值为23.48；δEu范围为0.16～0.29,平均值为0.203,呈现强负异常的特征；δCe值范围为0.21～0.28,平均值为0.242。根据标准化参数和稀土元素分布曲线[图4(b)],沙三中亚段具有明显的混源特征,中生界碎屑岩-火成岩类,下古生界灰岩类和太古界片麻岩类叠合特征显著。

东营凹陷永安地区沙三上亚段表现为轻稀土富集型,典型特征为Yb富集,在曲线中表现为Yb峰值[图4(c)],也因此使得轻稀土富集参数与其他层位相比值较小。(La/Yb)N范围为4.06～9.75,平均值为6.619；δEu范围为0.16～0.31,平均值为0.247,呈现强负异常的特征；δCe范围为0.13～0.28,平均值为0.21。根据与δCe、δEu参数和(La/Yb)N,沙三上亚段稀土元素分布特征和太古界片麻岩类最为相似,同时存在一些混源特征。

图4 永安地区沙三段稀土元素分布形式Fig.4 Distribution patterns of REE in Es3 in Yongan area

3 重矿物组合特征

陆源碎屑重矿物组合是物源分析的重要研究对象[8-9]。其中石榴石和绿帘石组合主要代表太古界片麻岩类母岩；锆石和电气石组合主要代表中生界和上古生界碎屑岩类和火成岩类母岩；钛磁铁矿主要代表中生界中基性火成岩类母岩。

3.1 沙三下亚段重矿物特征

沙三下亚段重矿物分布直方图[图5(a)～图5(d)]显示,石榴石、钛磁铁矿和电气石分布明显偏离正态分布和对数正态分布,还有双峰或多峰现象,说明三者由多成因总体构成,即受多物源或多种母岩的影响；锆石分布相对接近正态分布和对数正态分布,可能主要来自同一成因总体,综合本区剥蚀序列及地质演化史分析,锆石主要来自中生界、古生界碎屑岩和火成岩。

3.2 沙三中亚段重矿物特征

沙三中亚段重矿物分布直方图[图5(e)～图5(h)]显示,石榴石和绿帘石分布明显偏离正态分布和对数正态分布,石榴石分布有双峰现象,由多成因总体构成,即受多物源或多种母岩的影响；绿帘石分布含量变化快,井间分布不均,受多因素的影响；锆石、电气石和钛磁铁矿分布相对接近正态分布和对数正态分布,可能主要来自同一成因总体。

3.3 沙三上亚段重矿物特征

沙三上亚段重矿物分布直方图[图5(i)～图5(l)]显示,石榴石、锆石、钛磁铁矿和电气石分布虽然也偏离正态分布和对数正态分布,但相对接近正态分布和对数正态分布,可能主要来自同一成因总体；绿帘石分布则与沙三中亚段类似,分布不均,含量变化快。

图5 永安地区沙三段重矿物含量分布直方图Fig.5 Distribution histogram of heavy mineral content of Es3 in Yongan area

总体看来,沙三段重矿物组合均常见石榴石+钛磁铁矿+锆石+电气石。沙三上亚段普遍见绿帘石,而且含量较高,沙三中亚段个别井出现较多绿帘石,沙三下亚段则个别井见少量绿帘石。各组段物源成分较杂,均存在混源现象,沙三中、上亚段太古界变质岩(片麻岩)源岩较多,沙三下亚段中生界火成岩、碎屑岩源岩相对较多。从沙三段各亚段陆源碎屑主要重矿物组合与物源区母岩关系看,石榴石、钛磁铁矿、电气石和绿帘石来自不同成因总体,锆石分布相对主要由同一成因母体提供；沙三下亚段和沙三中亚段砂体混源现象普遍,相对而言沙三上亚段砂体母岩以太古界变质岩(片麻岩)类为主。

4 岩屑特征及物源分析

碎屑岩中的岩屑可直接反映物源区的母岩成分,最具有物源区特征的证据。砾石的粒度、成分及百分含量的变化是确定母岩性质及物源方向的基本手段。研究区沙三段岩屑类型多样,包括安山岩[图6(a)]、片麻岩[图6(b)]、灰岩[图6(c)]、白云岩[图6(c)]、结晶岩[图6(d)]、石英岩[图6(e)、图6(f)]、喷出岩[图6(d)～图6(i)]、泥岩、燧石等。

D-云岩岩屑；L-灰岩岩屑；C-结晶岩岩屑；E-喷出岩岩屑；Q-石英岩岩屑图6 永安地区沙三段岩屑类型Fig.6 Rock fragments’ types of Es3 in Yongan area

研究区沙三下亚段岩石粒度相对粗，岩屑含量变化大，岩屑类型最为多样,岩性涉及安山岩、片麻岩、灰岩、白云岩、泥岩、燧石等；沙三中亚段和沙三上亚段岩石粒度相对细，岩屑含量多小于25%，岩屑成分较为简单,主要为石英岩岩屑、结晶岩岩屑和喷出岩岩屑,少量泥岩岩屑、白云岩岩屑等，如表1所示。

4.1 沙三下岩屑特征及物源分析

沙三下亚段的岩屑分析数据整体上可分为4个井区,分别为永921-永85-丰8井区、永斜94-永93井区、永21-永22-永8井区和莱1-9井区。永921-永85-丰8井区数据显示(表1)其岩性较粗,多为含砾砂岩及粗砂岩,说明距离物源区较近。同时其母岩岩屑成分以太古界变质岩类、下古生界碳酸盐类和中生界火山岩类为主。青坨子凸起北部出露中生界地层,无法提供下古生界碳酸盐类物源。这说明永921-永85-丰8井区物源主要来自陈家庄凸起。相似地,永斜94-永93井区物源亦主要来自陈家庄凸起。而莱1-9井区距离陈家庄凸起较远,推测其物源主要来自青坨子凸起。永21-永22-永8井区的岩屑母岩类型主要为中生界火成岩类和太古界变质岩类,结合其与周边两个凸起的距离,推测其物源来自陈家庄凸起和青坨子凸起。

4.2 沙三中岩屑特征及物源分析

沙三中亚段的岩屑分析数据整体上可分为4个井区,分别为永93井区、永1-永21井区、永8-永105-永116井区和永211-丰112-坨142-1井区。与前述相似,永93井区(表1)其岩性较粗,多为含砾砂岩及粗砂岩,说明距离物源区较近。同时其母岩岩屑成分以太古界变质岩类和下古生界碳酸盐类为主。青坨子凸起北部出露中生界地层,无法提供下古生界碳酸盐类物源。这说明永93井区主要来自于陈家庄凸起。相似地,永211-丰112-坨142-1井区物源亦主要来自陈家庄凸起。而永8-永105-永116井区距离陈家庄凸起较远,推测其物源主要来自青坨子凸起。永1-永21井区的岩屑母岩类型主要为中生界火成岩类和太古界变质岩类,结合其与周边两个凸起的距离,推测其物源来自陈家庄凸起和青坨子凸起。

4.3 沙三上岩屑特征及物源分析

沙三上亚段的岩屑分析数据整体上可分为3个井区,分别为坨142-1井区、永211井区和永105-永106-永116-永8-永8-7井区。坨142-1井区岩性与沙三中亚段具有继承性,说明其主要来自陈家庄凸起。而永105-永106-永116-永8-永8-7井区距离陈家庄凸起较远,推测其物源主要来自青坨子凸起。永211井区与沙三中亚段具有继承性,其岩屑母岩类型主要为中生界火成岩类和太古界变质岩类,结合其与周边两个凸起的距离,推测其物源来自陈家庄凸起和青坨子凸起。

5 结论

(1)永安地区沙三下亚段稀土元素分布特征具有明显的混源特征,中生界碎屑岩-火成岩类、下古生界灰岩类和太古界片麻岩类叠合特征显著。沙三中亚段具有明显的混源特征,中生界碎屑岩-火成岩类、下古生界灰岩类和太古界片麻岩类叠合特征显著。沙三上亚段稀土元素分布特征和太古界片麻岩类最为相似。

(2)重矿物分析显示永安地区沙三中、上亚段太古界变质岩(片麻岩)源岩较多,沙三下亚段中生界火成岩、碎屑岩源岩相对较多,沙三下亚段和沙三中亚段砂体混源现象普遍,相对而言沙三上亚段砂体母岩以太古界变质岩(片麻岩)类为主。

表1 永安地区沙三段井岩屑组成特征Table 1 Compositional features of rock fragments of Es3 in Yongan area

(3)岩屑特征分析显示永安地区沙三下亚段主要以太古界变质岩类,下古生界碳酸盐岩类、中-古生界泥岩类为主,混源特征显著；而沙三上亚段主要以太古界变质岩类为主。沙三中亚段则介于其二者之间。同时岩屑分析显示不同井区有不同的物源方向,介于凸起之间的多具有多向混源的特征。