鲁西隆起北侧博兴洼陷新生界碎屑重矿物的物源示踪分析*

2015-03-15许承武李忠韩登林

岩石学报 2015年9期

关键词：变质岩源岩石榴石

许承武李忠韩登林

XU ChengWu1，2，LI Zhong3＊＊ and HAN DengLin4

1. 大庆油田勘探开发研究院，大庆 163712

2. 东北石油大学，大庆 163318

3. 中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029

4. 长江大学，武汉 434023

1. Daqing Oilfield E＆D Research Institute，Daqing 163712，China

2. Northest Petroleum University，Daqing 163318，China

3. Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China

4. Yangtze University，Wuhan 434023，China

2013-01-10 收稿，2015-01-04 改回.

1 引言

鲁西隆起与邻近盆地属于华北地块内部的新生代盆山系统，两者在中生代以前经历了基本一致的地质演变过程，但自晚中生代末期，鲁西隆起与邻区盆地间的构造分异逐渐显现，最终形成了现今的盆山系统(马杏垣等1983;任纪舜等，1999;李三忠等，2005)。鲁西隆起剥露速率、时空变化及其对周缘盆地的物源贡献目前还很不清楚或缺乏可靠的分析数据，致使出现很不一致的认识(蔡进功等，1995;郭旭升，2000)。碎屑沉积岩的组分中包含了关于源区古环境、古地形和古气候以及构造活动和地壳演化等多种信息(Dickinson and Suczed，1979;Dickinson，1985;李任伟等，2000;李忠等，2000，2003)，其中碎屑重矿物组合对物源反映十分敏感，是物源示踪分析的重要对象(Morton and Hallsworth，1994)。本文对鲁西隆起北缘博兴洼陷新生界碎屑重矿物组合进行了较系统地研究，并与周围隆起出露岩石进行对比，明确了研究区物源方向、组成及变化，并探讨了鲁西新生界的隆升和剥蚀过程。

2 地质背景

济阳坳陷位于渤海湾盆地东南部，主要由沾化、车镇、东营、惠民等4 个凹陷组成。博兴洼陷位于东营凹陷西南部，南接鲁西隆起，后者向东方向隔郯庐断裂带与胶莱盆地、苏鲁造山带相望。博兴洼陷是古近纪开始发育的裂陷盆地中的一个次级构造单元(图1)，其古近系由下至上为孔店组、沙河街组和东营组，主要发育灰色、杂色泥岩和砂岩互层，夹少量碳酸盐岩、油页岩和膏岩。新近系馆陶组为灰白色砾状砂岩、细砾岩、灰绿色细砂岩和棕红色间互沉积;馆陶组之上的明化镇组主要由土黄色、棕红色泥岩、砂质泥岩和灰白色砂岩组成。

3 样品分析方法与结果

本次研究对博兴洼陷40 余口钻井采集了100 多个岩心样品，样品一般为中-细砂岩。为减小源区、搬运距离等因素的影响，选取了部分紧靠鲁西隆起的博兴洼陷南缘钻井岩心样品(图1)，建立了研究剖面(图2)，层位由下至上包括中生界(Mz)顶部、古近系孔店组(E1-2k)、沙河街组四段(E2s4)、沙河街组三段(E2s3)、沙河街组二段(E2-3s2)、沙河街组一段(E3s1)，新近系馆陶组(N1-2g)和明化镇组(N2m)。博兴洼陷南缘目前无古近系东营组(E3d)保存，这可能是古近纪末期“东营运动”抬升剥蚀作用的结果，故本次研究未采集到东营组样品。

对采集的样品进行实验室处理，其步骤为(von Eynatten and Gaupp，1999):(1)去掉样品表面的风化部分;(2)把样品无污染破碎至1 ～4mm;(3)将破碎后的样品放入玻璃瓶中，倒入10%乙酸溶液进行溶解，并加入少量的H2O2防止醋酸盐沉淀(每1000mL 溶液不少于15mL 双氧水);(4)将装有样品的玻璃瓶密封后放入恒温箱，恒温在60oC ±，期间需要不停搅拌，并反复用超声波清除黏土矿物;(5)待样品分离成单矿物后，取出样品进行淘洗;(6)再进行低温(低于60℃)烘干;(7)从分离好的样品中选取63 ～125μm 粒级的碎样，通过重液进行重力分离，再经电磁、精淘分离成电磁、无磁和强磁3 部分;(8)最后用高精度天平，称取不同类型重矿物重量;(9)根据密度值，换算成体积百分比含量(Deer et al.，1992)。

研究中共鉴定出碎屑重矿物20 多种，计有:锆石、磷灰石、锐钛矿、金红石、重晶石、板钛矿、黄铁矿、榍石、石榴石、辉石、角闪石、绿帘石、电气石、海绿石、铬铁矿、白钛石、钛铁矿、赤褐铁矿、磁铁矿、独居石等(图2)。体积百分含量超过10%的有:锆石、石榴石、绿帘石、磷灰石、赤褐铁矿、黄铁矿、磁铁矿、钛铁矿。

图1 博兴洼陷碎屑重矿物取样位置图Fig.1 Position plot for heavy mineral from Boxing sag

图2 博兴洼陷新生界主要碎屑重矿物体积百分含量Fig.2 Distribution characteristics of detrital heavy minerals from Boxing sag

4 物源岩石类型分析

4.1 区域物源岩石类型

研究区有3 个潜在的物源区:西南面的鲁西隆起区、北面的渤海湾盆地内隆起和东南面胶东高压变质带(图1)。

鲁西隆起区发育地层较全，太古界为泰山群，元古界为济宁群和土门群，古生界缺失志留系和泥盆系，中生界缺失三叠系，新生界地层发育全。鲁西太古界是泰山群变质岩，以片麻岩类及角闪质岩石为主，其重矿物有:绿帘石、绿泥石、透闪石、滑石、角闪石及少量榍石、磷灰石、磁铁矿、黄铁矿、褐铁矿、石榴石、锆石(多为浅玫瑰色或淡黄色)等。元古界济宁群仅见于济宁地区，为一套浅变质岩及变火山岩，土门群仅见于沂沭断裂带及枣庄地区，是一套未变质的碎屑岩;古生界寒武、奥陶系是一套碳酸盐岩沉积;石炭、二叠系是一套海陆交互相沉积;中生界为一套陆相砂泥岩沉积，其中白垩系下统由中基性火山岩、火山碎屑岩和沉积岩组成;新生界主要是一套河湖沉积，其中新近系发育有玄武岩。

渤海湾盆地内发育的地层有太古界泰山群，下古生界寒武系和奥陶系碳酸盐岩沉积;上古生界石炭系滨浅海相和海陆交互相，二叠系陆相碎屑岩沉积，中生界侏罗系、白垩系和新生界断陷湖盆沉积。

鲁东只发育前寒武和中新生代地层，其中太古元古界是胶东群和胶南群，太古代、下元古代的变质岩主要为变粒岩、片麻岩，其重矿物有:黑云母、石榴石、夕线石、蓝晶石和少量绿帘石、锆石、磷灰石、辉石、电气石等;中生界发育侏罗系和白垩系，主要为碎屑岩，其中白垩系下统发育中酸性火山岩、火山碎屑岩和沉积岩，新生界发育主要是河湖沉积，其中新近系发育有玄武岩。

4.2 研究区碎屑重矿物组合与源岩类型

为实现研究区各种重矿物组分的岩石归类，选用离差平方和法对样品进行了Q 型聚类分析。求解过程是首先使每个重矿物组分自成一类，每一步使离差平方和增加最小的两类合并为一类，直到所有的重矿物组分都归为一类为止。

参考前人(Pettijohn et al.，1972;Lewis，1984)研究结果，根据聚类分析结果(图3)结合研究区岩石类型分析，博兴洼陷新生界碎屑重矿物组合主要反映5 种源岩类型:(1)以大量石榴石+痕量蓝闪石+少量浑圆细小的锆石组合反映的类型1 变质岩;(2)以绿帘石+棕黄色、玫瑰色锆石+磁铁矿组合反映的类型2 变质岩;(3)以金红石+无色锆石+钛铁矿+铬铁矿+薄片中观察到的安山岩岩屑组合反映的基性火山岩;(4)以锆石+磷灰石+电气石+薄片中观察到的钾长石组合反映的中酸性火山岩;(5)以重晶石+黄铁矿+赤褐铁矿+薄片中观察到的碳酸盐岩岩屑组合反映的沉积岩。

4.3 研究区源岩组合与演化

图3 博兴洼陷碎屑重矿物组合聚类分析图Fig.3 Cluster analysis of detrital heavy minerals from Boxing sag

根据上述识别出的源岩类型和碎屑重矿物含量(图2)，古近系孔店组源岩由重晶石+黄铁矿组合反映沉积岩源岩和石榴石+绿帘石+磁铁矿+玫瑰色锆石+痕量的蓝闪石组合反映类型1 变质岩源岩以及少量半自形次滚圆状金红石+锆石+电气石+白钛石+榍石组合反映基性岩浆岩类型源岩组成。沙四段源岩类型有石榴石+绿帘石+玫瑰色锆石+痕量的蓝闪石组合反映的类型1 变质岩;金红石+锆石+钛铁矿+铬铁矿反映的基性火成岩类型源岩;以锆石+磷灰石+电气石反映的中酸性火成岩类型源岩。沙三段源岩以绿帘石+磁铁矿+磷灰石组合反映的类型2 变质岩为主;其次是少量的以金红石+锆石+电气石+白钛石+榍石+痕量角闪石组合反映的基性火成岩;最后是以黄铁矿组合反映的自生矿物为沉积岩来源。沙二段源岩类型由以石榴石+玫瑰色锆石反映的类型1 变质岩;以钛铁矿+锐钛矿+金红石+铬铁矿组合反映的中基性火成岩类型源岩和少量的磷灰石+ 锆石+ 电气石组合反映的中酸性火成岩源岩组成。

沙一段源岩主要有以石榴石+磁铁矿+绿帘石+痕量角闪石组合反映的类型1 变质岩;其次是以钛铁矿+赤褐铁矿+金红石+榍石+白钛石+铬铁矿组合反映的基性火成岩类型源岩;再次是很少量的+电气石+锆石+磷灰石组合反映的中酸性火成岩类型源岩和极少量的重晶石+赤褐铁矿反映的自生矿物组合。

新近系馆陶组源岩由以石榴石+绿帘石+磁铁矿反映的类型2 变质岩源岩和角闪石+辉石+锆石+铬铁矿+白钛石+金红石反映的基性火成岩为主。明化镇组源岩类型是以绿帘石+少量的石榴石+白钛石+磁铁矿+磷灰石组合反映的类型2 变质岩为主;其次是以半自形滚圆柱状金红石+电气石+黄粉色为主的锆石+锐钛矿+榍石组合反映的基性火成岩。

图4 博兴洼陷碎屑重矿物参数特征Fig.4 Diagram of detrital heavy minerals index in Boxing sag

综上所述，可以看出从古近系孔店组至新近系明化镇组，以富含石榴石为代表的类型1 变质岩源岩逐渐减少，而以绿帘石为代表的类型2 变质岩源岩逐渐增加;白钛石+金红石+钛铁矿等组合反映的中基性火成岩类型源岩逐渐增加，而磷灰石+锆石+电气石组合反映的中酸性火成岩类型源岩逐渐减少;黄铁矿+重晶石+赤褐铁矿反映的沉积岩类型源岩呈减少的趋势。

英语新闻翻译要从认知角度出发，根据目标域中译语隐喻与源域中源语隐喻间形成的相似或相异 “映射关系”，采取直译、意译策略，准确传达源语信息。

4.4 物源分组分析

重矿物组合和丰度在搬运沉积和成岩过程中往往受到多种因素的影响，为了提高重矿物分析物源的精确性，减少如物理分选、机械破碎、层间溶解等作用对物源解释的影响，Morton and Hallswor(1999)提出了利用在相似水动力条件和成岩作用下稳定性相差不大的重矿物比值反映物源特征，即重矿物指数，包括:ATi 指数(磷灰石/(磷灰石+电气石)×100%)、GZi 指数(石榴石/(石榴石+锆石)×100%)、RuZi指数(金红石/(金红石+锆石)×100%)、MZi 指数(独居石/(独居石+锆石)×100%)等。根据研究区实际重矿物组成，采用了ATi 指数、GZi 指数、RuZi 指数三个指标，分别作了Gzi-RuZi 和Gzi-ATi 两个交绘图来分析研究区的物源变化。

根据重矿物指数样品明显可以分成3 组(图4):A 组包括古近系孔店组、沙四段、沙二段、沙一段和新近系馆陶组样品，具有高GZi;B 组包括新近系明化镇组，较低的RuZi、GZi值，高ATi 值;C 组包括古近系沙三段，具有低GZi、RuZi 值，高ATi。从GZi-ATi 图可知A 组GZi 值高，主要集中在70%～100%之间，均值为87.60%，表明源区富含石榴石的变质岩对研究区贡献大，ATi 值从孔店组和沙四段向馆陶组逐渐减小，表明中酸性岩浆岩从沙四段向馆陶组贡献相对减小。GZi-RuZi 交汇图中A 组沙四段和沙二段样品向沙一段和馆陶组RuZi 值减小，表明从沙四段向馆陶组与中基性火成岩相比，变质岩分范围越来越大;B 组GZi 值集中在40% ～70%，均值55.71%，RuZi 值集中在10% ～25%，ATi 值集中在20% ～70%，与A 组相比，明化镇组时期源区以石榴石代表变质岩分布范围减小;C 组GZi、RuZi 值集中在0，ATi 值多集中在90% ～100%，表明C 组样品源岩以锆石为代表的变质岩为主。

综上所述，可以看出古近系孔店组至新近系馆陶组GZi指数相近，表明源岩类型没有发生较大变化，ATi 指数相对减小，表明岩浆岩类源岩呈减少趋势，变质岩类源岩呈增加趋势。新近系明化镇组源岩GZi 指数明显减小，表明石榴石代表的变质岩类源岩发生了明显的减小，源岩组合类型发生了大的变化。

5 讨论

由研究区碎屑矿物及其组合和薄片观察可知源区岩石类型多样，以变质岩加基性火山岩类型源岩为主，另外还有沉积岩和中酸性火成岩源岩。从研究区碎屑矿物形态上来看，研究区碎屑锆石主要分为2 种，均粒度细小且量少。一种粉色，半自形柱状，透明，弱金刚光泽，表面较光滑，断口有溶磨痕迹，该类锆石磨圆度较低，分选性较好，搬运痕迹多不明显，少数从不明显向较明显呈过渡状，推测距源岩很近，可能来自鲁西隆起的火山岩。另一种浅玫瑰色，次滚圆粒状，半透明，毛玻光泽，表面多从较光滑向较粗糙过渡，断口均见溶磨至磨蚀痕迹，该类锆石磨圆度较高，分选性好，搬运痕迹多数呈不明显向较明显过渡，少数较明显，推测该类锆石距源岩稍远，经中短距离搬运而来，生成年代早，可能来自变质岩。

从研究区碎屑矿物组合来看，鲁西隆起北缘靠近博兴洼陷一侧新生界下覆地层主要是侏罗系、白垩系和寒武、奥陶系，此外还有少量石炭、二叠系和太古界地层(李忠等，2004①李忠等. 2004. 中国典型叠合盆地关键构造变革时期的盆山耦合与深部过程(国家973 项目课题中期进展报告))。以绿帘石为代表的绿帘石+较高磨圆的玫瑰色锆石+磁铁矿+痕量角闪石+辉石组合反映的类型2 变质岩重矿物组合与泰山群的重矿物组合相近，进一步说明了存在鲁西源岩。从研究区沉积相展布来看，前人均认为博兴洼陷南斜坡孔店组、沙四段物源来自鲁西(许卫平和田海芹，2000;王建伟等，2001;蔡进功等，1995;谭明友，2003)。

从研究区岩屑成分及含量来看，薄片中的安山岩岩屑和碳酸盐岩岩屑也证明了近源的岩浆岩和沉积岩源岩的存在，同时最近研究(胜利油田，2007②胜利油田. 2007.博兴洼陷沙四(上)段沉积复合体形成演化研究及储层预测(胜利油田研究报告))认为，博兴洼陷南部沙四上亚段火山岩岩屑向北含量迅速减少，也说明研究区具有来自洼陷以南鲁西隆起的物源。

同时本次研究还发现，以细小的电气石+玫瑰色浑圆状锆石+大量石榴石+痕量蓝闪石组合反映的类型1 变质岩与鲁东出露的下元古界粉子山群及榴辉岩重矿物组合相近，因此推测以石榴石为代表的变质岩反映的是苏鲁变质岩，即研究区也受苏鲁源区的影响。更进一步对本区碎屑重矿物进行了鉴定分析，在古近系孔店组和沙四段样品中发现了痕量的蓝闪石、冻蓝闪石和多硅白云母。为确认结果对这些矿物进行了电子探针分析，结果证实确实为蓝闪石等低温高压矿物。这些矿物是典型的低温高压形成的矿物，从目前的报道来看，只有苏鲁-大别超高压带有此类矿物(张景森等，2006)。此类矿物的来源只能有两个途径，一是直接从鲁东超高压带搬运而来，另一种是鲁东超高压物质沉积至鲁西诸盆地中，再旋回至博兴洼陷中。大别山超高压物质从中-晚侏罗世就已经出露(王道轩等，2001;李双应等，2005)，如果苏鲁超高压物质的剥露也能与之对比，那么由于此时鲁西隆起并不高(李理和钟大赉，2006)，东高西低的古地理格局使得苏鲁超高压物质有可能以砾石先期堆积在鲁西诸盆地中;但李忠等对鲁西诸盆地侏罗白垩系砾岩层的考察中未发现与苏鲁相关的超高压类型的岩石(李忠等，2004)，而且迄今也没有在鲁西该层位中发现蓝闪石等超高压矿物的报导。更重要的是蓝闪石等矿物在榴辉岩中含量并不高，而且非常容易风化，因此再旋回后又被发现的可能性极小。白垩纪，在苏鲁超高压带与鲁西之间的沂沐断陷盆地沉积水体较深，超高压物质很难越过盆地到达鲁西。综上所述，孔店组和沙四段样品中发现的蓝闪石、冻蓝闪石和多硅白云母矿物是直接搬运而来，也就是说此时洼陷有来自苏鲁超高压带的物源。另外对研究区进行了近千颗碎屑石榴石探针分析，其结果也证明研究区有大量来自苏鲁地区石榴石碎屑重矿物(李忠等，2009)。综上，说明了博兴洼陷古近纪既受鲁西源区的影响也受苏鲁源区的影响。

从重矿物指数分组来看，古近系沙三段源岩类型属于C组。前人从沉积相展布与长石含量等方面，多数认为博兴洼陷南坡物源仍来自鲁西隆起(罗佳强，2001;韩祥磊等，2003;邱桂强等，2001;石世革和张宇，2003;任建业等，2004;郑永辉，2005;林会喜等，2005;韩登林等，2007)，然而从重矿物组分来看，研究区沙三段源岩类型与A、C 组都有显著的不同，主要是以绿帘石、磁铁矿、磷灰石组合反映的鲁西变质岩为主，其它类型源岩表现不明显。这种重矿物组合与泰山群变质岩重矿物组合相近，泰山群主要出露于鲁西隆起。虽然此时鲁西隆起并不高，但盆地断陷强，盆山分异强烈，沉积速率快(3.8Myr 沉积了近千米厚的近源沉积物)，因此物源岩石属性主要亲距离研究区较近的鲁西，而较远的苏鲁超高压带的物源影响不明显或逐渐被取代。

沙二段、沙一段、馆陶组，与孔店组、沙四段同属A 组，其源岩类型大致相同，都是以变质岩和中基性火山岩为主，还包括少量沉积岩和中酸性火成岩。在这些层段中虽然没有发现蓝闪石等矿物，但其重矿物种类，重矿物指数都与孔店组、沙四段大致相同，因此认为其源岩类型与孔店组、沙四段相同。博兴洼陷仍受鲁西、鲁东隆起共同影响。从重矿物含量上看，从沙二段起，碎屑重矿物石榴石、电气石、磷灰石含量逐渐减少(图2)，但沙二段至馆陶组重矿物指数变化不大，表明研究区源岩类型基本没有变化，但富含石榴石、电气石类型的变质岩类型源岩对盆地的贡献逐渐减少，而基性火成岩类型源岩逐渐增加。富含石榴石的变质岩与鲁东下元古变质岩重矿物组合相近，主要出露于鲁东，因此认为这表明鲁西逐渐缓慢隆起，使得鲁东源区对博兴洼陷的影响逐渐减小。

明化镇组属于B 组，与A 组相近，具有较低的GZi 值，石榴石、磷灰石含量接近为零，表明富含石榴石、磷灰石的苏鲁变质岩类型源岩相对减少，含绿帘石、钛铁矿鲁西变质岩类型源岩相对增大。认为这是鲁西发生了大规模隆升(李理和钟大赉，2006)，阻隔了鲁东源区造成的。此时鲁西隆起为博兴洼陷南斜坡唯一物源。鲁西隆起物源对洼陷的贡献从古近纪到新近纪(特别是新近纪开始)逐渐增大，但直至明化镇组沉积时期才成为研究区唯一物源，说明鲁西隆起在明化镇组沉积前虽在缓慢隆升但高度一直不大。

6 结论

通过对博兴洼陷新生界碎屑重矿物聚类分析结果与区域源区岩石对比，研究区以绿帘石为代表的变质岩重矿物组合与鲁西变质岩重矿物组合相近，结合薄片观察结果，认为研究区有来自鲁西的物源;研究区以石榴石代表的变质岩重矿物组合与苏鲁变质岩重矿物组合相近，结合探针分析，认为研究区有来自苏鲁的物源。

博兴洼陷古近系孔店组和沙四段源岩类型多样，既有即有绿帘石代表的鲁西变质岩，也有以富含石榴石为代表的苏鲁变质岩，同时也有火山岩和沉积岩;古近系沙三段源岩以亲鲁西变质岩和沉积岩为主;古近系沙二段至新近系馆陶组源岩类型与孔店组和沙四段相似;新近系明化镇组源岩以亲鲁西的变质岩和基性火成岩为主。

博兴洼陷古近纪孔店组和沙四段沉积期研究区即有绿帘石代表的鲁西变质岩，也有以富含石榴石为代表的苏鲁变质岩，说明鲁西隆起不高，研究区即受鲁西源区影响也受苏鲁源区影响;从沙三段沉积期开始以富含石榴石为代表的苏鲁变质岩不断减少，绿帘石代表的鲁西变质岩和基性火成岩不断增加，表明鲁西隆起高度的不断加大，鲁东对洼陷的影响不断减小。至新近纪明化镇组沉积期洼陷内几乎无富含石榴石类型源岩，表明鲁西隆起发生了大幅隆升，苏鲁物源对洼陷的影响被基本阻隔。

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