曹立成，姜濤，王振峰，張道軍，孫輝

(1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430074；2. 中海石油(中國(guó))有限公司 湛江分公司，廣東 湛江，524057)

物源分析是盆地分析的重要內(nèi)容，用于確定物源區(qū)位置、母巖性質(zhì)、搬運(yùn)途徑及演化過(guò)程等，對(duì)原盆地恢復(fù)、古地理再造、繪制沉積體系圖，進(jìn)行井下地層對(duì)比以及在評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的品質(zhì)等方面具有重要意義。近年來(lái)，在傳統(tǒng)物源分析方法的基礎(chǔ)上，電子探針、質(zhì)譜分析和陰極發(fā)光等先進(jìn)技術(shù)以及數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法使物源判別更加精確[1-3]。隨著南海油氣勘探的不斷深入，位于南海西北陸緣的瓊東南盆地成為極具潛力的勘探區(qū)域[4-5]。關(guān)于瓊東南盆地的物源演化特征，前人的研究工作主要基于井震結(jié)合分析以及沉積物元素地球化學(xué)分析等方面[6-8]，但少有研究從礦物的角度對(duì)該區(qū)域進(jìn)行物源判別。本研究采用多元統(tǒng)計(jì)等方法進(jìn)行重礦物分析，通過(guò)重礦物的分布特征及指示參數(shù)，探討瓊東南盆地新近系的物源演化特征。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

瓊東南盆地位于海南島東南、西沙群島以北的海域中，該盆地以1號(hào)斷層與鶯歌海盆地分界，東以神狐暗沙隆起與珠三凹陷相接，南界永樂(lè)隆起(圖1)。盆地總面積達(dá)3.4×104km2，最大沉積厚度12 km以上，總體上呈北東向延伸，是1個(gè)坐落在前古近系基底上發(fā)育起來(lái)的新生代陸緣拉張型含油氣盆地[9]。構(gòu)造位置上，瓊東南盆地位于華南板塊、印支板塊和太平洋板塊的交匯處，形成了盆地“東西分塊”、“南北分帶”的主體構(gòu)造格局[10]。

自新生代盆地形成以來(lái)，以不整合面T60為界，盆地主要經(jīng)歷了裂陷期和裂后期2個(gè)構(gòu)造演化階段，具有典型的“下斷上拗”雙層結(jié)構(gòu)[11]。其中裂后期包括新近系的三亞組、梅山組、黃流組、鶯歌海組及上覆的第四系(圖2)。

根據(jù)瓊東南盆地所處的地理位置判斷，其可能的物源區(qū)包括盆地西北部的海南島、東北部的神狐隆起、西部的鶯西物源和紅河物源、南部隆起以及局部的火山作用等。根據(jù)前人研究成果[12-18]，海南島東南部母巖以花崗巖為主，強(qiáng)烈的風(fēng)化作用產(chǎn)生鈦鐵礦-鋯石型重礦物組合，以鋯石、電氣石、白鈦礦及黃鐵礦為主，次為磁鐵礦、榍石、獨(dú)居石和紅柱石等；盆地西部的鶯西物源和紅河物源，母巖中沉積巖分布較廣，但以高級(jí)變質(zhì)巖為主，推測(cè)重礦物組合應(yīng)以高含量磁鐵礦、石榴石及低含量鋯石為主要特征；神狐隆起及南部隆起區(qū)由于缺乏鉆井，長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)于其沉積環(huán)境和物源等方面的認(rèn)識(shí)有限；而火山作用自新生代以來(lái)在南海北部十分活躍，巖性以基性巖為主，少數(shù)為超基性巖或中酸性巖。

圖1 瓊東南盆地區(qū)域構(gòu)造及井位分布Fig.1 Geological map of Qiongdongnan Basin and locations of wells

圖2 瓊東南盆地新近系地層特征Fig.2 Neogene strata of Qiongdongnan Basin

2 重礦物特征

重礦物是指密度大于 2.68 g/cm3，在沉積巖中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)常常小于 1%，顆粒粒度比較小，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，抗風(fēng)化能力較強(qiáng)的礦物。由于對(duì)源區(qū)母巖的較好限定，重礦物分析被廣泛應(yīng)用在物源判別中[19-21]。雖然重礦物除了受母巖性質(zhì)控制以外，還受到風(fēng)化作用、水動(dòng)力作用及后期成巖作用等的影響，但是通過(guò)多元統(tǒng)計(jì)、特征參數(shù)等多種判別方法相結(jié)合，仍能較好地反映物源區(qū)的特征[22-26]。

關(guān)于南海西北部的重礦物分布特征，前人進(jìn)行了一些研究。陳麗蓉等[12,27-28]系統(tǒng)研究了南海北部及西部表層沉積物的重礦物分布特征；姜濤[14]根據(jù)鶯歌海盆地的重礦物分布特征判別了周圍物源區(qū)對(duì)低位扇體的供給影響；白振華等[29]以重礦物分析為基礎(chǔ)對(duì)瓊東南盆地YC13-1井的物源特征進(jìn)行研究；操應(yīng)長(zhǎng)等[30]采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法探討了北部灣盆地潿西南凹陷的重礦物資料對(duì)物源的指示意義。

本研究中統(tǒng)計(jì)了26口井的重礦物樣品分析數(shù)據(jù)，總共402個(gè)樣品，涉及三亞組、梅山組、黃流組和鶯歌海組層位，各井位的分布如圖1所示。通過(guò)重礦物代表值法[31]，即用某井位同一層位的全部樣品分析結(jié)果中的各重礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的算術(shù)平均值來(lái)代表該時(shí)期井位的重礦物組合類型和含量。為了保證統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確性，盡量使用巖心資料，絕大多數(shù)代表值的求取都使用至少3個(gè)以上的樣品數(shù)，能夠較可靠地反映重礦物總體特征。三亞組至鶯歌海組的重礦物總體可識(shí)別出39種，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化較大。一般來(lái)看，顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于 10%(平均值)的礦物有鋯石、磁鐵礦、赤褐鐵礦、白鈦礦和黃鐵礦；顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)(平均值)在5%～10%間的礦物有電氣石、重晶石或局部富集的簾石類。石榴石、金紅石和銳鈦礦普遍出現(xiàn)在各時(shí)期井位中，但是質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低；質(zhì)量分?jǐn)?shù)極小或只在個(gè)別時(shí)期的井位出現(xiàn)的礦物有十字石、榍石、板鈦礦、輝石、紅柱石、磷灰石和獨(dú)居石等。

表1 中值粒徑與主要重礦物的回歸分析結(jié)果Table 1 Results of regression analysis between median grain size and key heavy minerals

2.1 水動(dòng)力條件分析

沉積物的粒度分析在判別水動(dòng)力條件方面有重要作用，通過(guò)研究沉積物粒度與重礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系可以表征水動(dòng)力條件是否對(duì)重礦物的分布產(chǎn)生重要影響[32-33]。對(duì)中值粒徑(dm)和主要重礦物進(jìn)行的回歸分析表明(表1)：三亞組地層中，鋯石、磁鐵礦、白鈦礦、金紅石和銳鈦礦的相關(guān)系數(shù)|r|＜rα，其中只與磁鐵礦為正相關(guān)關(guān)系，其余4種為負(fù)相關(guān)，dm對(duì)重礦物變化的影響范圍為0～38%；梅山組至黃流組地層中，dm與各重礦物的相關(guān)系數(shù)r均小于rα，并且對(duì)重礦物影響較小，分別為0～23%和0～10%；鶯歌海組地層中，樣品主要集中于D2井，dm與各重礦物之間的相關(guān)性均較差，r2變化范圍為0～34%。綜上可知：水動(dòng)力條件不是重礦物的主要影響因素，同時(shí)，新近紀(jì)瓊東南盆地處于裂后期階段，構(gòu)造活動(dòng)減弱，除局部微弱斷層活動(dòng)外以熱沉降和加速沉降為主[34]，因此，重礦物能較好地反映出物源特征。

2.2 重礦物主成分分析

各種類型的母巖所含礦物組分不同，經(jīng)剝蝕之后的風(fēng)化產(chǎn)物具有不同的重礦物組合，因此，根據(jù)重礦物的組合特征能有效地反映出母巖類型[19-20,35-37]，各種母巖類型的礦物組合特征見(jiàn)表 2。為了提取不同時(shí)期重礦物主要的物源受控因素，對(duì)瓊東南盆地新近系的重礦物數(shù)據(jù)進(jìn)行了主成分分析，每種組分中各種重礦物有不同的方差貢獻(xiàn)，依據(jù)重礦物與主成分的相關(guān)程度可獲得不同的重礦物組合特征，進(jìn)而判別出對(duì)應(yīng)的母巖性質(zhì)。解釋方差大于 9%的因子如表3所示，由三亞組至鶯歌海組，4種主要成分解釋的方差總和分別為74.05%，69.66%，86.50%和79.83%。PC1中，白鈦礦、金紅石和銳鈦礦各時(shí)期一直有較高貢獻(xiàn)，個(gè)別時(shí)期出現(xiàn)鋯石、電氣石和獨(dú)居石，礦物組合表現(xiàn)為海南島母巖特征，鋯石、電氣石、金紅石與白鈦礦、獨(dú)居石、銳鈦礦相伴生。同時(shí)，PC1在三亞組和梅山組方差解釋(32.16%，28.48%)相比黃流組和鶯歌海組(40.26%，39.17%)的小，表明黃流組時(shí)期海南島物源貢獻(xiàn)作用增大。PC2以簾石類和角閃石貢獻(xiàn)為主，并在梅山組最為明顯(主成分分析結(jié)果分別為 0.99和0.98)，該礦物組合表現(xiàn)為高級(jí)變質(zhì)巖類的母巖類型。PC3和PC4在各時(shí)期方差貢獻(xiàn)較低并沒(méi)有一致的變化規(guī)律。PC3在三亞組和黃流組分別以板鈦礦、輝石(主成分分析結(jié)果分別為0.64和0.60)和輝石、橄欖石(主成分分析結(jié)果分別為 0.80和 0.84)貢獻(xiàn)較高，母巖類型表現(xiàn)為基性火山巖特征；梅山組以石榴石和獨(dú)居石(主成分分析結(jié)果分別為0.92和0.92)的貢獻(xiàn)較高；鶯歌海組則以磁鐵礦和獨(dú)居石(主成分分析結(jié)果分別為0.63和0.67)貢獻(xiàn)相對(duì)較高，但由于獨(dú)居石含量極少，只在個(gè)別井位出現(xiàn)，因此，不能準(zhǔn)確判斷出PC3在梅山組和鶯歌海組對(duì)應(yīng)的母巖性質(zhì)。PC4在三亞組、黃流組及鶯歌海組的各重礦物方差貢獻(xiàn)不明顯，而在梅山組以輝石、橄欖石(主成分分析結(jié)果分別為0.97和0.97)貢獻(xiàn)較高為特征，母巖類型可能為基性火山巖。綜上可以看出：瓊東南盆地新近紀(jì)各沉積時(shí)期的物源控制因素不盡一致，但均以海南島物源為主，另外還可能受到高級(jí)變質(zhì)巖類物源及基性火山作用等的影響。

表2 碎屑巖礦物組合與母巖類型的關(guān)系[35]Table 2 Relationship between clastic heavy mineral assemblages and source rocks[35]

表3 主要重礦物的主成分分析結(jié)果Table 3 Results of principal component analysis for key heavy minerals

2.3 重礦物組合特征

瓊東南盆地新近紀(jì)不同性質(zhì)的物源對(duì)各井位重礦物分布的影響見(jiàn)圖 3～6。位于北部陸架區(qū)域的井位各沉積時(shí)期都具有高含量的鋯石、電氣石、白鈦礦及黃鐵礦的組合特征，表明受海南島物源供給明顯。簾石類作為PC2的特征礦物，在三亞組至黃流組，C1～C4井質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小(4.7%～28.37%)，而盆地各井位幾乎不含簾石類，表明PC2主要為神狐隆起所控制，同時(shí)它對(duì)盆地基本沒(méi)有物源貢獻(xiàn)；鶯歌海組，唯獨(dú) D2井顯示簾石類和角閃石的組合特征，而且回歸分析表明它們未受到水動(dòng)力條件的影響, 因此 D2井可能受到高級(jí)變質(zhì)巖類物源的影響。S1，S2和S3井以磁鐵礦、黃鐵礦和赤褐鐵礦為特征組合，對(duì)應(yīng)于主成分分析中的基性火山巖[13]，表明松南—寶島凹陷一帶在三亞組至黃流組時(shí)期受到火山作用的影響。黃流組時(shí)期，Y3井和Y8井高含量的鋯石與磁鐵礦組合對(duì)應(yīng)于PC4，推測(cè)為海南島物源與盆地西部物源混合作用的結(jié)果，而此時(shí)鶯西地區(qū)主要為碳酸鹽發(fā)育區(qū)，未有大中型的河流由西向東注入瓊東南盆地[38]，因此，推測(cè)2井位的磁鐵礦異常高值源自古紅河，至鶯歌海組 Y7井仍對(duì)此有較好的響應(yīng)，表明鶯歌海組的PC3對(duì)應(yīng)于紅河物源。

2.4 重礦物分區(qū)

ZTR指數(shù)是由Hubert[39]首先提出的重礦物成熟度指標(biāo)，指鋯石、電氣石和金紅石組成的透明礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。這3種礦物在重礦物中最為穩(wěn)定，ZTR指數(shù)越大，重礦物成分成熟度越高，則沉積物離物源區(qū)越遠(yuǎn)，因此ZTR指數(shù)是判別物源方向的重要參數(shù)[19,22,39]。瓊東南盆地三亞組至鶯歌海組的 ZTR等值線分布圖如圖3～6所示。海南島對(duì)盆地北部陸架一直有重要的物源貢獻(xiàn)，從ZTR等值線分布的形態(tài)來(lái)看，新近紀(jì)各沉積時(shí)期海南島東南部都有河流注入瓊東南盆地。三亞組至黃流組，S3井的低ZTR指數(shù)特征表明有局部的臨近物源供給影響，對(duì)應(yīng)于前述的火山作用。紅河及鶯西物源區(qū)母巖為高級(jí)變質(zhì)巖，鋯石、電氣石含量較低，黃流組至鶯歌海組一直對(duì)崖南凹陷和樂(lè)東凹陷有遠(yuǎn)距離物質(zhì)輸入，導(dǎo)致D2井位的ZTR指數(shù)較低。

圖3 瓊東南盆地三亞組重礦物分布特征、區(qū)帶劃分及ZTR等值線Fig.3 Characteristic distribution, zones division of heavy minerals and ZTR isoline of Qiongdongnan Basin in Sanya Fm

圖4 瓊東南盆地梅山組重礦物分布特征、區(qū)帶劃分及ZTR等值線Fig.4 Characteristic distribution, zones division of heavy minerals and ZTR isoline of Qiongdongnan Basin in Meishan Fm

圖5 瓊東南盆地黃流組重礦物分布特征、區(qū)帶劃分及ZTR等值線Fig.5 Characteristic distribution, zones division of heavy minerals and ZTR isoline of Qiongdongnan Basin in Huangliu Fm

圖6 瓊東南盆地鶯歌海組重礦物分布特征、區(qū)帶劃分及ZTR等值線Fig.6 Characteristic distribution, zones division of heavy minerals and ZTR isoline of Qiongdongnan Basin in Yinggehai Fm

針對(duì)瓊東南盆新近紀(jì)不同沉積時(shí)期內(nèi)的井位，選取8種代表性較強(qiáng)和含量相對(duì)較高的重礦物(鋯石、電氣石、石榴石、簾石類、磁鐵礦、赤褐鐵礦、白鈦礦和黃鐵礦)進(jìn)行 Q型聚類分析，聚類方法和度量標(biāo)準(zhǔn)分別選取Ward法和平方Euclidean距離，得到不同時(shí)期內(nèi)井位的組合分布(圖7)。在此基礎(chǔ)上結(jié)合各個(gè)井位的重礦物分布特征和特征礦物組合關(guān)系，盡可能比較客觀地劃分出重礦物分區(qū)(圖3～6)，以表征不同性質(zhì)物源的影響區(qū)域。由于盆地南部缺乏鉆井，因此，無(wú)法從重礦物角度對(duì)南部隆起的物源進(jìn)行判別。

在三亞組(圖3)和梅山組沉積時(shí)期(圖4)，重礦物分區(qū)格局基本相同：Ⅰ區(qū)總體以海南島物源為主，局部受火山活動(dòng)的影響；Ⅱ區(qū)神狐隆起對(duì)盆地沒(méi)有物質(zhì)輸入。

在黃流組沉積時(shí)期(圖5)，Ⅰ區(qū)總體仍以海南島物源為主，局部受火山活動(dòng)的影響；Ⅱ區(qū)代表紅河物源對(duì)樂(lè)東凹陷的影響區(qū)域；Ⅲ區(qū)神狐隆起仍對(duì)盆地沒(méi)有物源供給。

鶯歌海組沉積時(shí)期(圖6)，Ⅰ區(qū)主要受海南島物源的影響；Ⅱ區(qū)盆地西緣為海南島物源和鶯西物源的混合作用區(qū)域；Ⅲ區(qū)樂(lè)東凹陷仍受到紅河物源的控制。

3 物源演化

漸新世晚期，南海海盆洋脊停止擴(kuò)張，瓊東南盆地進(jìn)入裂后期階段，構(gòu)造活動(dòng)減弱，總體以沉積充填為主。早中新世至中中新世為熱沉降階段，盆地內(nèi)部大多數(shù)斷裂活動(dòng)微弱，沉積受斷裂控制不明顯，主要發(fā)育淺海相、半深海相沉積。此時(shí)期盆地東北部的神狐隆起區(qū)范圍逐漸萎縮，基本對(duì)盆地沒(méi)有物質(zhì)輸入；而主要的物源貢獻(xiàn)來(lái)自于海南島，但盆地總體沉降速率均比較低(圖8[40-41])，表現(xiàn)出典型的坳陷期特征。進(jìn)入晚中新世，盆地進(jìn)入快速沉降階段，斷裂活動(dòng)仍不明顯，此時(shí)發(fā)育典型的陸架-陸坡體系[14]，充足的物源補(bǔ)給堆積了厚度較大的沉積層，盆地整體發(fā)育廣泛的淺 ?！肷詈３练e體系。在黃流組沉積時(shí)期，由于南海的大規(guī)模海退事件(圖 8)及海南島母巖風(fēng)化作用的加強(qiáng)，海南島對(duì)盆地北部物源貢獻(xiàn)變大，同時(shí)以高級(jí)變質(zhì)類母巖為特征的紅河物源經(jīng)遠(yuǎn)距離搬運(yùn)至樂(lè)東凹陷。鶯歌海組沉積時(shí)期，盆地沉降速率明顯加大，北部陸架仍以海南島物源為主要供給。紅河斷裂帶的活動(dòng)造成了中南半島的造山運(yùn)動(dòng)和地震活動(dòng)，誘發(fā)了越南東岸河流復(fù)蘇[42]，從而以簾石類和角閃石為特征礦物的高級(jí)變質(zhì)巖類物源對(duì)崖南凹陷開(kāi)始供給。晚中新世初期海平面迅速上升，推測(cè)南部隆起區(qū)和神狐隆起區(qū)均沉入水下，對(duì)盆地幾乎沒(méi)有物源供給。南海北部新生代以來(lái)火山活動(dòng)強(qiáng)烈，巖性以基性火山巖為主，三亞組至黃流組沉積時(shí)期松南—寶島凹陷一帶的重礦物組合特征及低ZTR指數(shù)對(duì)此有較好的響應(yīng)。

圖7 瓊東南盆地新近系井位組合Q型聚類分析Fig.7 Q-type cluster analysis for well assemblages in Qiongdongnan Basin during Neogene

圖8 瓊東南盆地新近系物源演化(相對(duì)海平面變化據(jù)文獻(xiàn)[40]，沉降速率據(jù)文獻(xiàn)[41])Fig.8 Provenance evolution of Qiongdongnan Basin during Neogene (Relative change of sea-level is from reference[40],subsidence rate is from reference[41])

4 結(jié)論

(1) 瓊東南盆地新近紀(jì)時(shí)期，水動(dòng)力條件對(duì)重礦物的分布影響較小，而且該時(shí)期構(gòu)造活動(dòng)微弱，因此，重礦物的分布特征主要受物源控制。

(2) 根據(jù)重礦物的組合特征可以判別出物源區(qū)的母巖性質(zhì)：海南島物源是以花崗巖為主，表現(xiàn)出高含量的鋯石、電氣石、白鈦礦及黃鐵礦；局部的火山作用巖性為基性；紅河物源及鶯西物源均以高級(jí)變質(zhì)巖類為主，其中鶯西物源具有簾石類和角閃石的特征組合，而紅河物源以高含量的磁鐵礦為特征。

(3) 瓊東南盆地物源供給體系復(fù)雜，盆地內(nèi)不同時(shí)期不同部位物源供給體系差別較大。三亞組和梅山組沉積時(shí)期的物源供給基本一致，主要為海南島物源供給，松南—寶島凹陷一帶局部受火山活動(dòng)影響；在黃流組沉積時(shí)期，海南島物源供給增強(qiáng)，同時(shí)，樂(lè)東凹陷受到紅河物源的影響；在鶯歌海組沉積時(shí)期，局部的火山作用消失，盆地北部仍以海南島物源控制為主，西部的崖南凹陷和樂(lè)東凹陷分別受到鶯西物源和紅河物源的影響。由于盆地南部深水區(qū)缺乏鉆井資料，因此，本文無(wú)法從重礦物角度對(duì)南部隆起的物源特征及其演化進(jìn)行判別，有待進(jìn)一步研究。

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