王騰宇,畢天卓,徐煥友,張健偉,田彥珍,釗 新,冉 碩,楊子藝
(1.華北理工大學礦業(yè)工程學院,河北 唐山 063210;2.中國石化江蘇油田分公司勘探開發(fā)研究院,江蘇 揚州 225009)
金湖凹陷位于蘇北盆地東臺坳陷西部,油氣資源較為豐富,古近系戴南組(E2d)戴一段(E2d1)是金湖凹陷重要的油氣勘探目標層。前人僅對金湖凹陷局部地區(qū)E2d1從重礦物含量、砂巖類型和砂巖含量等角度進行了物源研究[1-2],并得出以下結論:①沉積物從西南方向的張八嶺物源區(qū)向東經過長距離搬運;②東北方向的柳堡和菱塘橋兩個低凸起的沉積物向西南和西長距離搬運沉積;③南部的天長凸起的沉積物向北經過短距快速地搬運沉積。前人研究結果對源區(qū)的大地構造背景、源巖的屬性歸類和整個凹陷的系統(tǒng)物源方向尚未給出明確的認識。
沉積巖中的微量元素與稀土元素可以分析出大量的演化信息,母巖在風化、侵蝕、搬運、沉積成巖等作用下經歷了十分復雜的變化過程。源區(qū)的各種巖石經過均勻混合后形成碎屑巖,對碎屑巖中化學成分進行測定后,根據所得數(shù)據可以推斷出母巖區(qū)的巖性及特征[3]。不同類型的盆地,沉積構造環(huán)境與對應的碎屑巖的化學成分具有不同的特征,通過測定其化學成分,可進行大地構造背景與物源方向的研究。微量元素在地質研究中最早被用于判別構造背景,包括活動大陸邊緣、被動大陸邊緣、大陸島弧與大洋島弧四種構造背景。Gromet等[4]于1984 年將微量元素進行北美頁巖標準化處理后,利用圖解中各元素的變化程度進行物源的分析和對比。Taylor 和McLennan[5]在1985 年提出稀土元素平均大陸上地殼標準化圖解。Lacassie 等[6]在2004年提出多元素物源判斷圖。在國內實際研究中,隨著物源分析的重要性不斷提高,研究方法更加多樣,地球化學方法也得到了廣泛的運用。張妮等[7]在2012 年根據(La/Yb)N(鑭鐿比標準化)值與母巖的搬運距離呈負相關,精細刻畫了高郵凹陷E2d的物源方向。楊瞳等[8](2018 年)認為巖體的稀土總量配分模式取決于被風化程度這一規(guī)律。師晶等[9]在2018 年綜合REE(稀土元素)分析,得出鄂爾多斯盆地北部的陰山古陸為臨興地區(qū)的物源。侯陽紅等[10]在2019 年結合REE 配分模式與主量元素的比值特征,認為花崗巖長英質巖石為幕府山組黑色巖系 的 源 巖。楊 晉 東 等[11]2020 年 利 用La/Yb—∑REE+Y 圖解和元素地球化學特征分析認為燕山地區(qū)中元古界楊莊組的母巖為長英質火成巖類。郭旺等[12]2020 年根據La/Th-Hf、La-Th-Sc 圖解分析出柴北緣大煤溝組的七段頁巖主要以長石石英質花崗閃長巖為原巖。
利用微量元素和稀土元素特征及其組合可進行物源體系的精細研究。本文在前人研究成果基礎上,首次結合微量元素和稀土元素的分析結果,對金湖凹陷E2d1沉積時期源區(qū)的大地構造背景、源巖屬性歸類進行了分析,并且精細刻畫了凹陷不同構造部位的物源方向。
金湖凹陷在蘇北盆地的西側,北面起自建湖隆起向南至天長凸起和菱塘橋低凸起,西部和張八嶺隆起連在一起,東面與柳堡低凸起相連,凹陷面積5 000 km2左右(圖1a)。
圖1 金湖凹陷構造單元劃分
晚白堊世的儀征運動,形成了金湖凹陷,在此之后吳堡、三垛等構造運動也對其產生影響[13]??梢詫⒔鸷枷輨澐譃殂鉂敬伟?、龍崗次凹、三河次凹、汜水次凹、東陽次凹等五個負向單元和西部斜坡帶、汊澗斜坡帶、石港斷裂帶、銅城斷裂帶、楊村斷裂帶、卞閔楊構造帶、唐港構造帶、寶應斜坡帶等八個正向構造單元[14](圖1b)。
在金湖凹陷內E2d發(fā)育得較為齊全,其特征為下段沉積物細、顏色較黑,上部沉積物粗、顏色較紅,厚度大概為100~1 200 m,凹陷內龍崗次凹的沉積最厚,是E2d的沉降中心,縱向上和下伏阜寧組(E1f)為不整合接觸關系,從深凹到斜坡帶,地層逐步超覆在不整合面上,其下部的地層漸漸變薄直到尖滅,從下往上可以分為E2d1和E2d2[15-19]。
E2d1縱 向 上 從 下 到 上 可 以 分 為E2d13、E2d12和E2d11三個亞段,三個亞段中E2d13巖性主要是灰色細砂巖、不等粒砂巖、棕色含礫不等粒砂巖與灰色、棕色泥巖互層,部分地區(qū)發(fā)育“泥尾巴”,地層厚度約0~240 m,分布相對局限,主要分布于三河、東陽、龍崗及汊澗次凹內坡和深凹帶,以龍崗深凹厚度最大,向斜坡上快速的減薄和尖滅。E2d12砂巖發(fā)育比較好,巖性多為灰色細砂巖、不等粒砂巖夾棕色以及紫色泥巖,地層厚度大概為0~260 m,分布范圍較廣,除內坡外,凹陷的中坡帶、卞閔楊、石港斷層上升盤及唐港地區(qū)亦有分布,三河與龍崗—汊澗次凹為沉降中心,沉積的地層厚度最大,次沉降中心是成莊地區(qū)。E2d11巖性主要是低電阻的灰色、棕色泥巖夾灰色粉砂巖,局部地區(qū)是砂泥巖互層,地層厚度大約為0~180 m,分布范圍進一步擴大,凹陷的中外坡地區(qū)亦有分布,沉降中心在三河與龍崗次凹,其中龍崗次凹厚度最大[20](圖2)。
圖2 金湖凹陷戴南組Q6井單井巖性綜合柱狀圖
本次研究在金湖凹陷小關、墩塘、銅城、楊村、石港橋、高集、崔莊、前鋒和石港石等九個地區(qū)20口井的E2d1(圖3)采集82個樣品進行微量元素與稀土元素的分析。所有樣品全部為無明顯變質的泥砂巖與泥巖段,這樣避免了因風化作用導致稀土元素和微量元素的損失,提高了數(shù)據的準確性。樣品測試在成都理工大學油氣藏地質開發(fā)工程國家重點實驗室完成,所用儀器為電感耦合等離子質譜儀(ICP-MS)。樣品制備如下:
圖3 金湖凹陷采樣井位
①稱50 mg 巖石樣品,先粗碎至160 目以上,然后再研磨過200目篩,烘干備用。
②將烘干后的粉末放入溶樣器中,依次加入硝酸、鹽酸、氯氟酸,溶解后密封放置。
③將樣品置于恒溫加熱板上,在150℃條件下蒸干12小時,用2%的鹽酸稀釋,移入干凈的聚乙烯容量瓶中,定容搖勻。
樣品檢測過程中使用標準物質作為質量監(jiān)控樣,并重復檢測,樣品分析質量分數(shù)誤差<10%。
在沉積巖的形成過程中,微量元素和稀土元素具有較高的穩(wěn)定性,可以根據元素的含量以及元素間的組合分析出物源區(qū)的地球化學特征信息。Bhatia[21]歸納總結出4 類構造環(huán)境,包括大洋島弧、大陸島弧、活動大陸邊緣和被動大陸邊緣,以及相對應的4種源區(qū)類型,分別為未切割的巖漿弧、切割的巖漿弧、上隆的基底和克拉通內部構造高地。其中大洋島弧的ΣREE 最低,LREE(輕稀土元素)富集程度最弱,無Eu(銪)負異常;大陸島弧ΣREE 較高,中等LREE 富集程度,較弱的Eu 負異常;大陸邊緣(活動、被動)的ΣREE 最高,LREE 富集程度較高,Eu負異常較為明顯。送檢樣品為泥巖,比同一構造背景下的砂巖ΣREE 含量多出約20%,所以先將測得的樣品稀土元素數(shù)特征值除以1.2 進行校準,再與Bhatia 稀土元素特征參數(shù)進行對比(表1)。綜合對比后發(fā)現(xiàn)金湖凹陷E2d1稀土元素特征值最接近大陸島弧背景下的特征值,物源來自切割的巖漿弧,其次為活動大陸邊緣,物源可能來自上隆的基底。
表1 金湖凹陷E2d1各亞段稀土元素參數(shù)統(tǒng)計
Bhatia 和Crook[22]歸納出La-Th-Sc、Th-Co-Zr/10、Th-Sc-Zr/10 和La/Sc-Ti/Zr 等對構造背景進行判別的圖解。這些圖解的分析結果可對上述稀土元素特征參數(shù)的對比結論進行論證。本次研究采用平面上以地區(qū)為研究單元(圖4a、4b),縱向上以亞段為研究單元(圖4c、4d)分別進行La-Th-Sc 與Th-Sc-Zr/10 兩種圖解進行物源沉積背景判別(圖4)。以九個地區(qū)為研究單元(圖4a、4b)繪制的La-Th-Sc(圖4a)圖解中樣品全部落在大陸島弧范圍內,整體上靠近大陸邊緣方向。Th-Sc-Zr/10(圖4b)圖解中大部分樣品落到大陸島弧范圍內,整體上靠近活動大陸邊緣,其中銅城地區(qū)的樣品落在靠近活動大陸邊緣的大陸島弧邊緣外。以三個亞段為研究單元繪制的La-Th-Sc(圖4c)圖解中樣品大部分落在大陸島弧范圍內,部分樣品落在大陸邊緣內。Th-Sc-Zr/10(圖4d)圖解中大部分樣品落到大陸島弧范圍內,整體上靠近活動大陸邊緣。金湖凹陷E2d1樣品在兩種研究單元的兩種圖解中的判別結果均為活動大陸邊緣的大陸島弧,與上述稀土元素特征參數(shù)對比結果也相同。
圖4 金湖凹陷E2d1的La-Th-Sc與Sc-Th-Zr/10圖解(底圖據Bhatia和Crook[22])
綜合上述稀土元素參數(shù)對比結果與構造背景圖解的判別結果,分析認為金湖凹陷E2d1的物源區(qū)構造背景是靠近活動大陸邊緣的大陸島弧。
上文運用微量和稀土元素特征對金湖凹陷E2d1的物源構造背景進行了分析,下面利用判別圖解、多物源分析以及稀土元素的標準化曲線對E2d1的源巖屬性進行分析。
Floyd 等[24]提出的La/Th-Hf 物源屬性判別圖解劃分出6種物源區(qū):拉斑玄武巖大洋島弧源區(qū)、安山巖島弧源區(qū)、長英質/基性巖混合源區(qū)、長英質源區(qū)、古老沉積物成分增加和被動大陸邊緣源區(qū)。根據以地區(qū)為研究單元(圖5a)和以亞段為構造單元(圖5b)繪制的La/Th-Hf 的兩張物源判別圖均可見金湖凹陷E2d1的泥巖樣品主要落在長英質和古老沉積物組分含量增加的混合物源區(qū),反映其母巖來源于大陸上地殼長英質物質和古老沉積物,說明母巖區(qū)的構造背景主要為靠近活動大陸邊緣的大陸島弧,這與前面的分析結果吻合。
圖5 金湖凹陷E2d1的La/Th-Hf物源判別(底圖據Floyd等[24])
Lacassie等[6]認為砂巖物源可分為4種:
①基性物源,與大陸上地殼相比,Sc、V、Cr富集程度明顯,具有Nb、Rb、Th、Zr、Ce 虧損明顯的特征;②中性物源,富集和虧損程度均低于基性物源,總體趨勢相似;③長英質物源,Nb虧損的程度為中等;④再旋回沉積物源,與長英質物質Nb 虧損程度相似,同時具備Cr 中等程度富集和Sr 明顯虧損的特征。將微量元素進行大陸上地殼標準化后繪制出多物源判別曲線(圖6b),并與四條標準曲線進行對比(圖6a)。
圖6 金湖凹陷E2d1多元素物源判別(底圖據Lacassie等[6])
E2d1沉積時期,全區(qū)Nb元素都較為虧損,且Cr、V、Ce、Rb都有不同程度的富集,其中Cr富集程度最高,部分地區(qū)接近基性物源的特征值,但V、Cr 元素富集程度達不到基性物源的富集程度。Sr 比較富集的地區(qū)接近長英質物源的特征值,Sr 出現(xiàn)虧損的地區(qū)接近再旋回沉積物源的特征值,故受長英質物源與再旋回沉積物源的強烈影響,該結果與La/Th-Hf物源判別圖結果相同。
物源區(qū)的巖石組成影響著稀土元素的特征,來自同一物源沉積物的稀土元素特征也較為相似[25]。因此根據曲線的整體形態(tài)、傾斜程度與Ce、Eu 兩元素的異常程度可判斷其與物源區(qū)是否相同。將金湖凹陷E2d1樣品的稀土元素檢測數(shù)據進行球粒隕石標準化處理后,繪制得到標準化曲線(圖7)。數(shù)據顯示金湖凹陷E2d1的ΣREE 相對較高,區(qū)域內含量值差異顯著,但總體構型均為右傾型,較為相似,LREE 含量多,HREE(重稀土元素)含量少,Eu 負異常較為明顯,符合上地殼物質中酸性的長英質巖石的母巖特征,與微量元素檢測所得結果相同。
圖7 金湖凹陷E2d1稀土元素球粒隕石標準化曲線
綜上所述,金湖凹陷在E2d1沉積時期,整體主要受長英質物源的影響,其次為再旋回沉積物源,隨著沉積充填的進行,長英質物源一直影響著研究區(qū),再旋回沉積物源對研究區(qū)的影響程度逐漸減弱。
對物源區(qū)的構造背景、地球化學特征與源巖屬性進行綜合分析后,再利用微量元素和稀土元素的特征參數(shù)與標準化曲線對金湖凹陷中不同地區(qū)的戴一段物源區(qū)進行討論和判別。
蘇北盆地周緣程度不等地出露早中生代、古生代乃至新元古代的各類巖層,舒良樹等[26]研究數(shù)據顯示蘇北盆地在晚中生代及新生代物源供給充分。白堊紀之后蘇北盆地存在的物源供給地有5 個,包括位于西部的大別山以及位于郯廬斷裂的東部地區(qū);位于北東部的濱海隆起,其中元古界的變質巖及古生代發(fā)育的沉積巖是最重要的物源;早中生代的變質巖及火成巖的物源區(qū)主要是蘇魯造山帶西北部;南西部的變質巖以及火山巖主要由張八嶺地區(qū)供給;寧鎮(zhèn)山脈向源區(qū)提供了以碳酸鹽巖及碎屑巖為主的物源,位于研究區(qū)南部。
通過對區(qū)內與周邊物源區(qū)的特征對比得其分解圖(圖8),分析不同物源區(qū)內的基底母巖、侵入巖對區(qū)內物源性質的作用。圖中的陰影部分為研究區(qū)REE配分曲線范圍,圖中的REE曲線數(shù)據引自前人研究成果[27-34]。
蘇魯造山帶膠東區(qū)為高鉀Ⅰ型花崗片麻巖,(La/Yb)N在7.39~13.87,Eu 負 異 常,δEu 在0.47~0.61[27]。金湖凹陷E2d1的(La/Yb)N數(shù)值與Eu負異常符合上述范圍(表2),其REE曲線整體的形態(tài)特征也較為符合(圖8a),因此該區(qū)域對金湖凹陷的物源造成主要影響。
表2 金湖凹陷周緣物源E2d1稀土元素參數(shù)
大別山東部為花崗片麻巖,ΣREE介于126.00~311.20μg/g,LREE/HREE 值 為10.50,Eu 虧 損 明顯[28-29],在參數(shù)和曲線整體形態(tài)上與研究區(qū)較為相似(圖8b),判斷對金湖凹陷物源造成主要影響。大別山南部為榴輝巖的變質帶[30],ΣREE介于126.00~311.20μg/g,LREE/HREE 值為10.50,Eu 虧損明顯,而曲線與研究區(qū)差異較大,因此對金湖凹陷的物源影響較?。▓D8c)。
從表2可以看出:
張八嶺群新元古代為細碧石英角斑巖系,資料顯示該巖區(qū)的ΣREE 變化于32.70~161.48μg/g 之間,δEu在0.62~0.97之間,LREE/HREE值介于3.87~7.94,(La/Yb)N值也僅為2.45~6.38[31],遠遠低于研究區(qū)的測試結果,同時曲線形態(tài)差別較大,因此該源區(qū)對研究區(qū)物源影響較?。▓D8d)。
張八嶺地區(qū)北段的早白堊世侵入巖的ΣREE在112.00~126.00μg/g之間,比研究區(qū)小,LREE/HREE值為14.10~17.90,δEu 表現(xiàn)為正異常[32],研究區(qū)的δEu 為負異常,因此判斷對研究區(qū)物源的影響較小(圖8e)。
張八嶺隆起區(qū)南段為火山巖,輕重稀土具有強烈的分餾性,HREE 顯示為相對虧損,體現(xiàn)為相對較弱的負銪異常,稀土元素總含量為215.41~322.53μg/g,輕重元素比值范圍為19.05~21.96,δEu 為0.53~0.74[33]。研 究 區(qū)ΣREE 的 值 為216.42,在215.11~219.35μg/g 之間,而且具有明顯的負銪異常,δEu的值0.67在0.67~0.71之間,僅LREE/HREE值不在范圍內,但是,隨著搬運距離的增加大量輕稀土含量減小,該值會產生不同程度的下降,因此該區(qū)域有可能對金湖凹陷的物源產生影響(圖8f)。
寧鎮(zhèn)山脈主要是大面積分布的中酸性的侵入巖,古生界和中生界地層都有分布。其巖體以花崗巖為主,呈現(xiàn)中酸性。配分曲線為輕稀土元素富集,重稀土元素虧損,分異較研究區(qū)更為明顯,其中Eu元素較研究區(qū)差別最為明顯,超過半數(shù)的曲線甚至表現(xiàn)為Eu 元素正異常[34]。因此與研究區(qū)E2d1明顯的負Eu 現(xiàn)象嚴重不符,因此對研究區(qū)影響較小(圖8g)。
圖8 蘇北盆地周邊不同物源區(qū)的稀土元素球粒隕石標準化配分圖解
根據上面所述,金湖凹陷E2d1的物源主要受到蘇魯造山帶與大別山東部的影響,母巖類型應為高鉀Ⅰ型花崗片麻巖。大別山南部不同成因榴輝巖、張八嶺隆起新元古代細碧-石英角斑巖、張八嶺隆起區(qū)中生代侵入巖北段以及寧鎮(zhèn)山脈中段中生代侵入巖對金湖凹陷E2d1的物源影響很小。張八嶺隆起區(qū)南段中生代侵入巖對金湖凹陷的影響需要進一步論證。
在搬運過程中,HREE比LREE化學性質較為活躍,容易流失,而LREE 容易被富集下來。(La/Yb)N值反映出輕重稀土的分餾程度,(La/Yb)N值越低,則HREE 越富集,說明母巖距源區(qū)越遠,所以(La/Yb)N值與母巖的搬運距離呈負相關[7]。根據前人的研究成果,金湖凹陷E2d1時期存在五個物源方向:建湖隆起、張八嶺隆起、天長凸起、菱塘橋低凸起和柳堡低凸起。將E2d1各亞段樣品的(La/Yb)N值與E2d1的砂巖含量百分比等值線圖相結合對E2d1時期物源方向進行綜合分析。
E2d13亞段沉積時期,石港地區(qū)的Q7井、Q6-1井和S13-1井的(La/Yb)N值分別是10.27、10.76、10.30,Q6-1 到Q7 數(shù)值變小搬運方向為Q6-1 井至Q7 井,與砂巖百分含量趨勢保持一致,三口井數(shù)值相近,物源應為柳堡低凸起,其中SX13-1 井部分物源可能來自菱塘橋低凸起;G28 井的(La/Yb)N值大于C2井,G28井比C2井距物源區(qū)近,應為建湖隆起(表3、圖9)。
圖9 金湖凹陷E2d13的(La/Yb)N分布、砂巖百分含量等值線圖及物源方向
表3 金湖凹陷E2d1的(La/Yb)N統(tǒng)計
E2d12亞段沉積時期,小關地區(qū)的GX5 井的(La/Yb)N值為14.28,接近最高值,表明離源區(qū)較近,推測物源來自南部天長凸起;墩塘地區(qū)的GX4 井的(La/Yb)N值為10.52,表明離源區(qū)較近,推測源區(qū)為菱塘橋低凸起;銅城的TX77 井的(La/Yb)N值為14.63,為所測數(shù)據中最高,C1 井較高為13.52,表明離源區(qū)較近,推測源區(qū)為西側的張八嶺隆起;石港的SX13 井的(La/Yb)N值約為10.22,表明為近源供給,推測源區(qū)應為東部菱塘橋-柳堡低凸起;前鋒地區(qū) 的FX4 井 與F1 井 的(La/Yb)N分 別 為10.62 和9.98,推測源區(qū)為柳堡低凸起;TX92 井的(La/Yb)N值較低,為9.99,距離源區(qū)較遠,金湖凹陷中部砂巖百分含量等值線呈由西到東的變化趨勢,推測源區(qū)為西側張八嶺隆起(表3、圖10)。
圖10 金湖凹陷E2d 12的(La/Yb)N分布、砂巖百分含量等值線圖及物源方向
E2d11亞段沉積時期,墩塘地區(qū)的GX4 井的(La/Yb)N值為9.98,物源來自東北部柳堡低凸起—建湖隆起中段;D2-3 井的(La/Yb)N值為9.88,遠離源區(qū),物源來自菱塘橋低凸起;TX92井的(La/Yb)N值約為11.18,物源應來自張八嶺隆起。石港地區(qū)的SX14井和Q5 井、Q8 井、Q6 井、QX17 井的(La/Yb)N值在9.99~10.35 之間,推測源區(qū)應為東部柳堡低凸起,SX14 同時可受到菱塘橋低凸起的影響。根據金湖凹陷北部前鋒地區(qū)的砂巖含量百分比等值線呈北偏東向南偏西方向的特征,可判斷在E2d11亞段時期北偏東方向可能存在物源供給(表3、圖11)。
圖11 金湖凹陷E2d11的(La/Yb)N分布、砂巖百分含量等值線圖及物源方向
綜上所述,金湖凹陷北部龍崗汊澗斜坡主要受到來自研究區(qū)西部張八嶺隆起方向源區(qū)的影響;楊村斷裂帶下降盤主要受到研究區(qū)南部天長低凸起方向的源區(qū)影響;三河斜坡主要受到來自研究區(qū)西北部建湖隆起方向源區(qū)的影響,但在E2d1沉積早期(E2d13)物源供給非常局限;石港斷裂帶下降盤主要受到來自研究區(qū)東部菱塘橋—柳堡低凸起方向源區(qū)的影響,其中斷裂帶南部受到來自菱塘橋方向源區(qū)的影響更為顯著。
(1)根據金湖凹陷E2d1稀土元素特征參數(shù)對比,結合La-Th-Sc與Th-Sc-Zr/10兩種構造背景判別圖解的結果綜合分析認為,金湖凹陷E2d1的物源區(qū)構造背景為靠近活動大陸邊緣的大陸島弧。
(2)La/Th-Hf 判別圖解、多物源判別圖解與稀土元素配分曲線的分析表明,金湖凹陷E2d1沉積時期,主要受長英質物源影響,其次為再旋回沉積物源影響。母巖類型為蘇魯造山帶與大別山東部的高鉀Ⅰ型花崗片麻巖。
(3)金湖凹陷E2d1的物源主要來自5 個方向:西部的張八嶺隆起、西北部的建湖隆起、東部的柳堡低凸起、東南部的菱塘橋低凸起和南部的天長凸起。金湖凹陷的汊澗斜坡主要受到來自研究區(qū)西部張八嶺隆起方向源區(qū)的影響。楊村斷裂帶下降盤主要受到研究區(qū)南部天長低凸起方向的源區(qū)影響。三河斜坡主要受到來自研究區(qū)西北部建湖隆起方向源區(qū)的影響。石港斷裂帶下降盤主要受到來自研究區(qū)東南部菱塘橋—柳堡低凸起方向源區(qū)的影響,其中斷裂帶南部受到來自菱塘橋方向源區(qū)的影響比較明顯。