利用Q型聚类分析研究鄂尔多斯盆地多种能源矿产间的关系

2010-01-30潘爱芳王方一张道法

地球科学与环境学报 2010年1期

潘爱芳,王方一,张道法,赫英

(1.长安大学地球科学与资源学院,陕西西安710054;2.长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室,陕西西安710054;3.中国石油天然气集团公司长庆油田分公司第五采油厂,陕西西安710021;4.西北大学地质学系,陕西西安710069)

0 引言

在含油气盆地中,石油、天然气、煤等非金属矿与某些金属矿床的共存乃至共生的实例屡见不鲜[1-6]。其中,石油与天然气的关系十分密切,且石油与油型气具有亲缘关系,因而在学科研究和勘探开发中一直将油、气密切地结合在一起,且总体研究程度较高[7];从20世纪40至50年代,开始认识到煤和煤系地层可形成具有工业价值的天然气资源,到80年代煤成油又开始成为研究和讨论的热点,相关理论也得以快速发展[8]。中国在20世纪80年代初开始煤成气的研究,经过20多年的发展,在煤成气聚集带研究、气体同位素判识煤成气、煤系烃源岩成烃模拟及演化实验、二次生烃理论等方面达到了国际先进水平[8-9];铀矿与油、气、煤分属于无机和有机矿床类型,因受传统研究思维的影响,就他们之间的内在关系研究非常有限,但随着对铀富集成矿作用的深入研究,也逐步认识到其相互间的关系,如在铀矿形成中有机质及其产物是最常见和最重要的还原剂之一[10-12]。

盆地中有机(油、气、煤)与无机(铀矿、钾盐等)、金属与非金属、气体与液体能源矿产共存甚至共生现象十分普遍。这种能源矿产同盆共存的现象必然存在内在的联系以及直接或间接的依存关系,但目前更多的还是对单一矿种的研究,在研究方法上彼此很少相互参照[13]。在开展成因方面的地球化学研究时,大多仍然偏重于用有机地球化学方法研究有机矿产[14-15]、无机地球化学方法研究无机矿产[16]的手段。目前正在尝试通过对有机矿产研究中相对薄弱的无机地球化学的探讨,揭示有机与无机矿产的关系;通过有机能源矿产中无机组分的研究揭示有机能源矿产成藏(矿)的有关问题;对选取的无机与有机能源矿产间纽带与信息载体的研究,是认识能源矿产的成藏成矿规律以及揭示能源矿产的富集共存机制的有效手段之一[17]。

石油与天然气既是矿产又是一种地下流体,地层水是盆地流体重要的组成部分之一;而氯仿沥青A(以下简称沥青)是从能源矿产(油气、煤和铀)及其所在岩石中通过有机溶剂直接抽提出的有机流体,且是岩石中的流体或流体作用的产物。在地下深部复杂的地质环境条件及其演化过程中,上述流体并非孤立,它们不仅存在相互间的作用,同时还在不断地与周围介质发生物质交换;它们不仅与金属矿床的形成密切相关,而且对有机能源矿产的成藏(矿)作用也具有重要意义[17]。因此,上述流体应当既是携带多种能源矿产成藏(矿)重要信息的载体,又是联系这些能源矿产之间关系的纽带。基于此,笔者试图通过对这些地质流体中微量元素的Q型聚类分析,能够在一定程度上对各种能源矿产间的关系及深部流体在各种能源矿产成藏(矿)作用中的贡献特征有所揭示。

1 研究区基本地质特征

鄂尔多斯盆地被认为是中国乃至东亚最稳定的构造单元之一。盆地内部被河流切割冲刷出露的近乎水平的、未变质的、未有明显断裂发育的中生界河湖相地层是其最为典型的标志,且盆地周缘区断裂发育,地震频繁发生,构造活动强烈,盆地内部却相对平静。然而,近年来一些研究成果表明,鄂尔多斯盆地内部自古生代以来有过多期构造运动乃至新构造活动[18-25],多期的构造活动必然伴有相应的构造-热事件与多期成藏作用,而构造-热事件的发生与深部流体密切相关[26],并会导致深部流体顺同生构造向上喷溢[7]。已有研究表明,鄂尔多斯盆地基底断裂的存在与活动和地球化学场特征等都反映出盆地内存在深部流体活动,基底断裂的活动为深部流体的运移并参与多种能源矿产的成藏成矿作用提供了有利条件[27-30]。

2 样品采集与分析

为了研究盆地内多种能源矿产之间的关系,笔者采集了鄂尔多斯盆地不同矿区和不同层位的石油、天然气、岩芯、岩石样品,采样位置见图1。其中,采集煤及煤层夹矸样品325件;石油和天然气样品17件;油气伴生水样8件;铀矿及其围岩样品58件;此外,为保持介质状态一致,对煤、煤层夹矸以及铀矿及其围岩等62件样品进行了沥青抽提[1]。所获得的流体样品送国家地质测试中心进行元素含量测定,分析质量达到或优于国家标准。

图1 采样位置Fig.1 Sampling Positions

3 样本分组

在Q型聚类分析中,通常认为构成一个族群中的各样本间存在相似性或相关性。距离系数越小,则其相似性越强,相互之间的关系越密切,且将距离系数中值(0.5)视为界定样本间是否具有相关性或相似性的界限点。基于这一数学原理,笔者以盆地北部、中部和南部不同区段、不同时代、不同能源矿产沥青、油气伴生水以及石油中的Li、Be、Sc、Ti、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Ag、Cd、In、Sn、Cs、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Hf、Ta、W、Tl、Pb、Bi、Th、U、Au、V、Ge、As、Al、Ca、Fe、K、Mg、Na、P、B等57种元素分析结果为对象,并根据流体类型、产出层位、所在地的能源矿产类型以及所处不同位置,共分了16个样本或基本组并分别用Q1～Q16表示(表1)。各组样品元素含量值为采集到的该样本组各样品分析结果的平均值,个别样本组中只有一个分析样品,则直接取用该样品分析值(表1),并进行了Q型聚类分析(或称Q族群分析)。

表1 鄂尔多斯盆地流体分组及其编号Tab.1 G rouping and Their Number of Fluids in Ordos Basin

4 结果与讨论

根据所分的16个样本计算了能源矿产伴生流体(样本)间的欧式距离系数(表2),并按逐步形成法计算和绘制了相应谱系图(图2)。由图2和表2可见,参加统计的16个样本共构成6个基本族群,分别用序号Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ表示。

表2 能源矿产伴生流体族群组距离系数Tab.2 Distance Coefficient of Cluster G roups on Satellitefluids of Energy Mineral Deposits

4.1 族群Ⅰ

图2 鄂尔多斯盆地能源矿产伴生流体57种元素Q型聚类分析Fig.2 Q-clustering Analysis for 57 Elements of Satellitefluids of Energy Mineral Deposits in Ordos Basin

该族群的样本组成为三叠系延长组石油、侏罗系下统延安组石油、侏罗系中统直罗组石油、三叠系延长组石油伴生水,即{Q1-Q3-Q5-Q16}。该族群包括了参加统计的所有石油和石油伴生水的集合,其中有三叠系上统延长组的石油、侏罗系下统延安组石油和侏罗系中统直罗组石油。该族群的距离系数为0.268 3,因此,可能有相近的成因特征。

该族群内部,侏罗系下统延安组石油和侏罗系中统直罗组石油构成一个基本样本对{Q3-Q5},两样本间的关系最为密切,距离系数为0.087 9。反映其元素富集特点与元素组合特征都非常接近。原因可能有2个方面:他们的赋存层位虽然分属2个组,但都是侏罗系地层;参加统计的样品均采自马岭、木铂、环县和华池一带,同处于盆地西南部、中央古隆起和北东向基底断裂的西南端,他们还具有相同的构造位置。因此,可能反映了延安组石油和直罗组石油具有相似的成因。

三叠系延长组石油、侏罗系下统延安组石油及中统直罗组石油之间构成了一个次级族群组{Q1-Q3-Q5}(图2),这3个样本间仍具有较好的相关性,其距离系数为0.212 5,但比样本对{Q3-Q5}的距离系数要大。主要原因可能是,样本对{Q3-Q5}赋存于侏罗系地层,而样本{Q1}赋存于三叠系地层,因此其与{Q3-Q5}存在赋存层位的差异。

三叠系延长组石油伴生水{Q16}和该族中石油族群组{Q1-Q3-Q5}之间距离系数为0.239 8,表明石油伴生水虽然与该族群中的石油有一定成因联系,但由于流体性质的不同,导致其元素的含量特征与石油尚有一定的区别。

4.2 族群Ⅱ

该族群的样本组成为三叠系延长组石油沥青、三叠系延长组含油砂岩沥青、侏罗系中统直罗组石油沥青,即{Q2-Q9-Q6},距离系数为0.150 1,反映了样本间的相似性较强、相关性较好,具有类似的成因特征。该族群最明显的特征是样本均为与石油相关的沥青,不同的是沥青的赋存层位不同。

在该族群内部,三叠系延长组石油沥青和三叠系延长组含油砂岩沥青构成一个基本样本对{Q2-Q9},其距离系数为0.140 3,为强相关,表明具有相似的元素地球化学特征。2个样本之所以具有强相关性,是由于他们均赋存于三叠系延长组之中,且又都是从石油中提取的,反映了两者具有相似的物质组成。侏罗系中统直罗组石油沥青虽然也是从含油砂岩中提取的,但与前两者的赋存层位不同,因此,与样本对{Q2-Q9}的距离系数为0.150 1。与前两者(样本对{Q2-Q9})的距离系数相比,该系数稍大,但仍具有较强的相关性,由此可能反映了延长组石油与直罗组石油在成因或物质成分上具相似性。

4.3 族群Ⅲ

该族群由4个样本组成:神木侏罗系下统延安组煤沥青、东胜侏罗系中统直罗组煤沥青、铜川陈家山侏罗系下统延安组煤沥青、铜川陈家山侏罗系下统延安组煤层石油,即{Q11-Q13-Q12-Q7}。该族群与侏罗系煤及煤层石油有关,距离系数为0.159 7,表明样本间元素地球化学特征关系密切,表现为该族群整体上相似性较好、相关性较强,故成因特征相近。

在族群内部,神木侏罗系下统延安组煤沥青与东胜侏罗系中统直罗组煤沥青构成一个基本样本对{Q11-Q13}。两样本间具强相关性,距离系数仅为0.130 7,表明侏罗系下统延安组和侏罗系中统直罗组的煤关系密切,二者可能具有相似的沉积环境和相近的流体活动特征。

神木侏罗系下统延安组煤沥青、东胜侏罗系中统直罗组煤沥青与铜川陈家山侏罗系下统延安组煤沥青构成了一个次级族群组样本对{Q11-Q13-Q12},距离系数为0.138 1,表明样本对{Q11-Q13}与样本{Q12}具有较强的相关性,由此表明铜川陈家山侏罗系下统延安组煤层石油与侏罗系下统延安组煤及中统直罗组煤具有较为密切的关系,在成因或物质成分上具有一定联系。

4.4 族群Ⅳ

该族群由2个样本组成:铜川陈家山侏罗系下统延安组煤层石油沥青、准格尔黑岱沟石炭二叠系煤沥青,即{Q8-Q10}。两者的距离系数为0.177 7。表明2个样本具有相似的元素地球化学特征,陈家山延安组煤层石油沥青可能与石炭二叠系的煤具有成因上的联系。

由以上结果并结合图2发现,盆地内石油集中在族群Ⅰ之中,唯有陈家山延安组煤层石油位于族群Ⅱ,而且与侏罗系下统延安组煤及中统直罗组煤沥青关系密切。与此同时,陈家山延安组煤层石油沥青与黑岱沟石炭二叠系煤沥青具有相似的成因特征。由此表明,陈家山延安组煤层石油与盆地石油的元素地球化学特征不同,故两者的成因不同,陈家山延安组煤层石油在成因上可能与侏罗系延安组煤及石炭二叠系煤具有一定的联系,不排除是这两套煤系地层热演化的产物。

4.5 族群Ⅴ

该族群由2个样本组成:侏罗系下统延安组石油沥青、侏罗系中统直罗组含铀砂岩沥青,即{Q4-Q14}。族群距离系数为0.112 9,显示两者具有相似的元素地球化学特征,说明侏罗系下统延安组石油沥青与放射性铀矿的形成具有密切关系。

从以上Q族群分析结果可以看到,侏罗系中统直罗组含铀砂岩沥青与侏罗系下统延安组石油沥青之间在同一族群之中,但侏罗系下统延安组石油沥青与侏罗系下统延安组石油并未在同一族群中,反映两者的地球化学特征相离甚远。由此说明侏罗系下统延安组石油沥青对直罗组地层中铀的活化、迁移、富集可能具有重要作用。

4.6 族群Ⅵ

该族群由奥陶系马家沟组天然气伴生水{Q15}与沥青族群{Q2-Q9-Q6-Q7-Q11-Q12-Q13-Q8-Q10-Q4-Q14}构成,距离系数为0.354 7。表明天然气的形成和石油沥青、煤沥青具有某种关系,进而说明天然气物质来源复杂(可能含有煤型气、油型气、生物气、深源气等),且与石油和煤的进一步演化具有一定关系。

5 结语

(1)族群侏罗系下统延安组石油—侏罗系中统直罗组石油—三叠系延长组石油—三叠系延长组石油伴生水的距离系数为0.268 3,可能有相近的成因特征;族群三叠系延长组石油沥青—三叠系延长组含油砂岩沥青—侏罗系中统直罗组石油沥青的距离系数为0.150 1,具有类似的成因特征。

(2)族群神木侏罗系下统延安组煤沥青—东胜侏罗系中统直罗组煤沥青—铜川陈家山侏罗系下统延安组煤沥青—铜川陈家山侏罗系下统延安组煤层石油的距离系数为0.159 7,显示了其相关性好,成因特征相近;族群铜川陈家山侏罗系下统延安组煤层石油沥青—准格尔黑岱沟石炭二叠系煤沥青的距离系数为0.177 7,故陈家山延安组煤层石油沥青可能与石炭二叠系的煤具有成因上的联系。

(3)族群侏罗系下统延安组石油沥青—侏罗系中统直罗组含铀砂岩沥青间的距离系数为0.112 9,表明侏罗系下统延安组石油沥青与放射性铀矿的形成具有密切关系;奥陶系马家沟组天然气伴生水与沥青族群的距离系数为0.354 7。表明天然气的形成和石油沥青、煤沥青具有某种关系,进而说明天然气组分复杂,且与石油和煤的进一步演化具有一定的关系。

(4)三叠系延长组石油沥青与侏罗系下统延安组石油不在同一族群之中;侏罗系下统延安组石油与侏罗系下统延安组石油沥青不在同一族群之中;侏罗系中统直罗组石油与侏罗系中统直罗组石油沥青不在同一族群之中;铜川陈家山侏罗系下统延安组煤层石油与铜川陈家山侏罗系下统延安组煤层石油沥青也不在同一族群之中。由此表明,鄂尔多斯盆地多种能源矿产成因较复杂、相互间关系密切,且具有多源性成藏(矿)特征。

国家地质测试中心邓月金博士在样品分析中提供了帮助,在此谨表谢忱。

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