松辽盆地北部大庆长垣南端上白垩统四方台组物源体系分析

2018-08-28金若时刘华健邓永辉魏佳林徐增连

石油实验地质 2018年4期

肖鹏，金若时，汤超，刘华健，邓永辉，魏佳林，徐增连

(1.中国地质调查局天津地质调查中心，天津 300170；2.中国地质调查局天津地质调查中心非化石能源矿产实验室，天津 300170；3.中海石油(中国)有限公司深圳分公司，广东深圳 518000)

物源分析对古地理重建、古环境与古气候恢复、沉积盆地分析、沉积矿产预测和大地构造背景分析均非常重要[1]。四方台组沉积时的构造背景为松辽盆地由凹陷转换为反转隆起时期[2]，研究四方台组的沉积演化历史对于了解松辽盆地晚白垩世构造演化特征具有重要的指示作用。

物源体系分析是盆地分析的基础。物源分析目前较成熟的方法主要包括重矿物分析、岩屑类型分析、地球化学分析和沉积特征分析等[3-4]。前人通过上述方法对松辽盆地北部上白垩统不同地区、不同层位物源特征展开研究。刘宗堡等[5]基于沉积学和层序地层学理论，研究了大庆长垣南端嫩江组黑帝庙油层物源方向；韩建辉等[6]通过研究盆地尺度的层序结构与沉积充填，提出了松辽盆地拗陷期的物源变化特征；彭国亮等[7]从岩石矿物成分、砂体平面展布、重矿物和泥岩颜色区域分布等方面，对松辽盆地北部上白垩统嫩江组二、三段物源方向进行了判断；莫午零等[8]通过地震沉积学中的地层切片方法，结合岩石岩屑组分分析和重矿物组分分析方法，对松辽盆地北部上白垩统嫩江组进行了物源及古流向分析。围绕油田生产需要，前人对松辽盆地晚白垩世的物源研究多集中在嫩江组及以下赋油层位，缺少在大量实际资料基础之上对四方台组物源体系的系统分析。

本文在岩心、分析化验资料基础之上，通过重矿物组合、沉积学特征、碎屑锆石年龄对比等方法分析四方台组物源体系特征，以期为研究区沉积环境、松辽盆地晚白垩世构造演化提供依据。

1 区域地质概况

研究区主要位于松辽盆地北部中央坳陷区内的二级正向构造单元大庆长垣南端，东邻三肇凹陷、朝阳沟阶地，西接齐家—古龙凹陷，面积近420 km2(图1a)。研究区白垩纪经历了4期构造演化阶段[9]：火石岭组—登娄库组沉积期为断陷构造阶段；泉头组—嫩江组沉积期为拗陷构造阶段；四方台组—明水组沉积期为差异性沉降阶段；明水组沉积末期松辽盆地从区域拉张转为挤压，形成现今构造格局[10]。

研究区自下而上充填了泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组、明水组和泰康组。目的层四方台组底部与嫩江组五段呈假整合接触，顶部与明水组呈整合接触；研究区北部靠近长垣隆起侧，四方台组与泰康组砂砾岩呈角度不整合接触。四方台组是“嫩江运动”后盆地差异性沉降背景下沉积的一套地层。该组地层在盆地内广泛发育，但厚度差异较大，位于齐家—古龙凹陷内的松科1井(北孔)四方台组厚度超过200 m[11]；研究区内厚度在100～130 m之间，位于靠近齐家—古龙凹陷一侧地区地层厚度较厚、倾角大。四方台组是盆地拗陷沉降萎缩阶段形成的一套曲河流—湖泊三角洲沉积体系，岩性以灰色、绿灰色中细砂岩，夹灰红色、灰色粉砂岩、泥岩为主。依据钻孔岩心岩性及各类电测曲线特征，将四方台组进一步划分为3段，一段底部砂体为主要的赋铀层段(图1b)。

2 分析方法及测试结果

重矿物因其耐磨蚀、稳定性强，能够较多地保留其母岩的特征[3]，可以有效判别母岩类型。研究区四方台组沉积时代较新、且埋藏较浅，受后期改造的影响较小[12]，因此通过重矿物数据可以获得较为可靠的结果。

图1 松辽盆地北部大庆长垣南端构造分区(a)及四方台组地层综合柱状图(b)

2.1 样品采集与分析方法

样品采集之前，通过井震统层，确定四方台组一段底部砂体位置(图1b)，依托全井段取心资料，系统采集18口井重矿物样品，确保所有样品的等时性。样品以灰色、绿灰色细砂岩、中细砂岩为主。处理过程为：对样品进行破碎、酸化和水洗处理，采用重液将重矿物分离；再提取出粒级在63～250 μm的混合粒级的重矿物，在双目镜下对其进行鉴定统计(图2)。此外，同一重矿物，其种属、化学元素组成不同，代表的母岩也不同。为了识别四方台组的母岩类型，选取研究区内含量最高的钛铁矿与石榴子石进行电子探针分析。样品由天津地质矿产研究所分析测试中心实验室完成，仪器型号：电子探针ETMA1600，能谱仪Inca Enery；加速电压：15.0 kV；电子束斑：1 μm；探针束流：2.00×10-8A。

2.2 测试结果

研究区重矿物组成基本一致(图2)，井与井之间变化不大。18个样品鉴定出的重矿物主要包括：钛铁矿、石榴子石、锆石、磁铁矿、绿帘石、榍石、白钛石、黄铁矿、尖晶石和赤铁矿。统计数据显示以钛铁矿、石榴子石、锆石、磁铁矿和绿帘石为主，个别井黄铁矿含量较高，探针片下呈草莓状形态，推测其应为沉积成因。其中，钛铁矿含量在32.41%～53.88%之间，平均达46.5%；石榴子石含量在7.8%～26.62%之间，平均16.39%；磁铁矿平均含量7.45%，镜下形态以次圆粒状为主，次棱角粒状少，个别圆粒状，说明其经历了长距离搬运。

图2 松辽盆地北部大庆长垣南端四方台组一段底部砂岩重矿物组成特征

随机各选取15颗钛铁矿、石榴子石进行电子探针分析。四方台组一段底部钛铁矿电子探针分析结果(表1)显示，MgO含量在0～3.21%之间，平均1.2%。MnO含量在0.40%～13.40%之间，平均4.12%。四方台组一段底部石榴子石电子探针分析结果(表2)表明，FeO含量在5.41%～38.27%，多数在30%以上；CaO含量在0.82%～32.62%之间，多数在10%以内；MgO含量在0.11%～8.01%之间。

3 沉积特征分析

砂体展布形态反映物源方向。四方台组沉积时期，区域上以曲流河—湖泊三角洲相为主，平面上微相变化快，垂向上缺少较为明显的标志层，大庆长垣隆起地区，地层受到剥蚀作用影响，缺失部分地层，常用的砂地比分析、砂体厚度分析等方法在研究区内并不适用。为了真实地反映砂体的平面展布形态，统计四方台组一段底部(T03不整合面之上)砂体厚度。四方台组一段底部砂体厚度在1.5～16 m之间，走向为北西向。砂体厚度图(图3)上表明，沿走向方向，砂体连续性较好，厚度变化不大，主砂体带内，厚度基本都在13 m以上；垂直走向上，砂体厚度变化大，非均质性强。四方台组沉积时期，沉积环境以曲流河、泛滥平原为主，河流的改道作用频繁发生，因此在砂体厚度图上并没有呈现出自东南部向西北部逐渐减薄的趋势，但砂体沿北西走向展布的特征明显，指示区域上物源方向为近南东—北西向。

表1松辽盆地北部大庆长垣南端四方台组一段钛铁矿(Ilm)电子探针分析结果

Table1ElectronmicroprobeanalysesofilmenitefromtheK2s1inthesouthernDaqingplacanticline,northernSongliaoBasin%

化合物样品号Ilm1Ilm2Ilm3Ilm4Ilm5Ilm6Ilm7Ilm8Ilm9Ilm10Ilm11Ilm12Ilm13Ilm14Ilm15MgO0.58 0.01 0.51 0.00 1.64 0.49 0.04 0.59 0.19 1.68 2.67 2.03 3.21 1.49 2.83 Al2O30.13 0.02 0.05 0.05 0.09 0.04 0.07 0.20 0.11 0.53 0.54 0.20 0.18 0.10 0.25 CaO0.01 0.01 0.00 0.05 0.01 0.00 0.08 0.07 0.04 0.10 0.11 0.04 0.00 0.00 0.01 TiO256.92 57.87 1.07 65.02 54.22 50.43 48.99 54.56 54.14 38.15 38.06 48.25 50.29 47.06 44.46 MnO5.74 1.64 8.42 5.83 13.40 1.32 1.40 7.66 12.49 0.46 0.85 0.43 0.71 1.08 0.40 FeO36.00 39.33 40.16 28.78 30.62 47.85 49.42 36.70 31.98 57.33 56.95 49.55 45.61 50.69 52.33

表2松辽盆地北部大庆长垣南端四方台组一段石榴子石(Grt)电子探针分析结果

Table2ElectronmicroprobeanalysesofgarnetfromtheK2s1inthesouthernDaqingplacanticline,northernSongliaoBasin%

分析项目样品号Grt1Grt2Grt3Grt4Grt5Grt6Grt7Grt8Grt9Grt10Grt11Grt12Grt13Grt14Grt15SiO236.3137.1536.5037.04 41.0438.6339.29 37.9739.4238.5036.9336.8836.6638.7637.50TiO20.020.440.180.05 0.140.150.04 0.280.080.040.070.060.220.060.11Al2O319.6618.6419.2119.95 19.4118.9619.69 19.0019.3718.7619.1219.8218.5519.2919.96FeO33.0035.0232.1936.91 5.4130.9533.00 29.8034.6438.2735.8635.6035.2835.7135.47MnO0.681.992.420.80 1.384.431.87 3.730.591.515.331.302.650.610.66MgO8.011.802.193.49 0.112.143.36 2.226.683.592.314.641.035.595.78CaO1.266.537.473.03 32.626.403.95 7.201.031.001.721.035.120.820.87Na2O0.000.020.010.01 0.000.020.00 0.020.000.000.000.000.010.000.00K2O0.000.000.000.00 0.010.010.00 0.000.000.000.000.000.010.020.00Si2.88 2.97 2.93 2.95 3.13 3.07 3.10 3.05 39.42 38.50 36.93 36.88 36.66 38.76 37.50 Ti0.00 0.03 0.01 0.00 0.01 0.01 0.00 0.02 0.08 0.04 0.07 0.06 0.22 0.06 0.11 Al1.84 1.76 1.82 1.87 1.74 1.77 1.83 1.80 19.37 18.76 19.12 19.82 18.55 19.29 19.96 Fe3+0.41 0.26 0.29 0.24 0.00 0.08 0.00 0.08 1.40 1.57 3.73 2.62 2.67 1.11 2.91 Fe2+1.78 2.08 1.87 2.22 0.35 1.97 2.18 1.92 33.38 36.86 32.50 33.25 32.88 34.71 32.85 Mn0.05 0.14 0.17 0.05 0.09 0.30 0.13 0.25 0.59 1.51 5.33 1.30 2.65 0.61 0.66 Mg0.95 0.21 0.26 0.41 0.01 0.25 0.40 0.27 6.68 3.59 2.31 4.64 1.03 5.59 5.78 Ca0.11 0.56 0.64 0.26 2.66 0.54 0.33 0.62 1.03 1.00 1.72 1.03 5.12 0.82 0.87 Na0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.01 0.00 0.00 K0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.01 0.02 0.00 Alm61.83 69.61 63.62 75.36 11.09 64.29 71.84 62.79 80.09 85.80 77.64 82.67 78.89 83.18 81.80 Pyr32.86 7.16 8.91 14.05 0.39 8.25 13.04 8.67 16.03 8.36 5.52 11.54 2.47 13.40 14.39 Gros3.72 18.71 21.86 8.76 85.66 17.74 11.00 20.26 2.47 2.33 4.11 2.56 12.28 1.97 2.17 Spes1.60 4.52 5.61 1.83 2.86 9.72 4.12 8.28 1.42 3.51 12.73 3.23 6.36 1.46 1.64

注：Alm.铁铝榴石；Pyr.镁铝榴石；Gros.钙铝榴石；Spes.锰铝榴石。

沉积构造反映水动力条件与沉积环境变化，两者一定程度上反映物源信息。四方台组一段以曲流河相沉积为主，底部砂体普遍发育冲刷面构造，其中砾石以泥砾、硅质砾石为主。研究区东南部地区，砾石类型主要有红色、绿色泥砾(图4a,b,c)，粒度在10～30 mm之间，排列略具定向性，偶见钙质颗粒(图4c)，部分井还可见到硅质砾石(图4b)，粒度在10～20 mm之间，磨圆一般，分选较差。而研究区西北部地区，砾石以绿色泥砾为主(图4e,f)，未见到红色泥砾，个别井内同样可以见到硅质砾石(图4d)，但粒度基本都在10 mm以内。泥砾作为内碎屑沉积物，是滑塌体原地堆积或滑塌碎块短距离搬运而形成的[13]，属于“近源沉积物”，可以反映当时的沉积环境；泥岩因其孔渗性差，受后期改造影响较小，因此泥砾颜色亦可以反映当时的沉积环境；红色调一般代表水上或水体较浅的沉积环境，绿色调一般代表弱氧化或弱还原条件。因此，从冲刷面内泥砾的颜色上可以推测出研究区东南部较西北部更靠近物源区。此外，研究区位于盆地内部，距离物源区相对较远，碎屑沉积物成熟度较高，因此冲刷面内发育稳定性更高的硅质颗粒，但沿砂体走向上，由南东向北西其粒度逐渐变小，分选逐渐变好，也指示东南部较西北部更靠近物源区。

4 讨论

4.1 物源方向

研究区位于松辽盆地北部二级构造单元中央坳陷区内，东部的张广才岭、东北部的小兴安岭、西部的大兴安岭及盆地周缘地区都可以作为四方台组潜在物源区(图1a)。晚白垩世时期，松辽盆地已由古亚洲洋构造域转为古太平洋构造域控制[14-15]，盆地接受北西向应力的挤压，东南部相对抬升，沉积沉降中心不断向西北方向迁移[2,16-18]，研究区西侧即为盆地的沉积中心齐家—古龙凹陷，大兴安岭地区的物源从盆地西侧跨过沉积中心，运移至研究区的可能性较小。大兴安岭地区广泛分布的一期岩浆事件发生在早白垩世时期[14,19]，110～150 Ma之间的花岗岩、火山岩构成了大兴安岭主体[19-21]，而碎屑锆石(图5)落在这一区间内的数据很少，因此从沉积构造演化与同位素测年结果上分析，大兴安岭地区不是研究区四方台组的物源区。小兴安岭西部地区出露的岩体大多年龄在290～260 Ma[22]与170～160 Ma[23-24]之间，而碎屑锆石落在这一区间内的数据较少。小兴安岭西部位于研究区北部，而四方台组的沉积特征显示物源主要来自于东部地区，因此小兴安岭西侧地区也不是研究区四方台组的物源区。小兴安岭东侧地区报道的岩体包括508～471 Ma的下古生界花岗岩[25]、(222 ± 5) Ma的A型花岗岩[26]，部分年龄可以与碎屑锆石数据吻合，但其地理位置位于研究区东北部，沉积特征显示研究区物源方向更靠近东部，因此判断小兴安岭东侧地区不是研究区四方台组的主要物源区。

图3 松辽盆地北部大庆长垣南端四方台组一段底部砂体厚度研究区位置见图1a。

图4 松辽盆地北部大庆长垣南端四方台组一段底部冲刷面特征

碎屑锆石中存在80～105 Ma、175～240 Ma和1.8 Ga三组峰值区间数据(图5)。1.8 Ga的年龄数据在盆地内部钻井内及盆地周缘均有报道，但主要还是集中在松辽盆地的东南隆起区与盆地东南缘的华北克拉通[15,27-30]，四方台组是在嫩江组末期构造运动基础上沉积的一套地层，这一时期，盆地东南部普遍遭受剥蚀，因此1.8 Ga的锆石代表了来自盆地东南部地区的物源。80～105 Ma的年龄数据与吉黑东部广泛分布的晚白垩世岩浆活动良好对应，作为当时欧亚大陆东部活动大陆边缘的组成部分，吉黑东部晚白垩世与俯冲相关的岩浆活动大量存在[31-35]。175～240 Ma的年龄数据与松辽盆地东部张广才岭晚三叠—中侏罗世之间的基岩年龄一致[14,19-20]，其中175～210 Ma与古太平洋板块的洋壳向松嫩地块下俯冲相对应[36]， 210～240 Ma与古亚洲洋闭合伸展作用相关。综上所述，碎屑锆石峰值年龄与张广才岭、吉黑东部、盆地东南部地区相吻合，砂体沿北西走向展布的特征明显，沉积环境自东南向西北由偏氧化过渡为偏还原，水动力由东南向西北逐渐变弱，据此判断四方台组物源主要来自张广才岭、吉黑东部及盆地东南部地区。

图5 松辽盆地北部大庆长垣南端四方台组一段碎屑锆石U-Pb年龄频谱

4.2 母岩类型

物源体系研究既包括物源方向的研究，同时也包括母岩类型方面的内容。重矿物特征与母岩性质有着密切的关系，能够较好地反映物源区母岩的特征，其类型及组合是了解母岩极为有利的线索和指示剂[12,37]。基于石榴子石与钛铁矿在研究区内含量较大，而且其稳定性较高的特点，我们选取石榴子石与钛铁矿进行化学成分测定和统计分析，进而识别四方台组地层的母岩类型。

石榴子石既可以是变质成因，也可以是岩浆成因，同时作为变质岩中的典型矿物，原岩及变质程度不同，对应的石榴子石种属也不同。图6为石榴子石中3种端元组分的比例情况，有14个样品落在了铁铝榴石中，1个样品落在了钙铝榴石中，结果表明四方台组地层中的碎屑石榴子石以铁铝榴石为主。由于石榴子石族矿物化学成分上的不同，低钙榴石比高钙榴石更稳定，因此在利用石榴子石种属判断母岩类型之前必须确定其是原生还是次生。而研究区内四方台组地层埋深较浅，成岩期及成岩后期所经历的温压条件较低，并且在四方台组的重矿物组合中, 绿帘石大量存在，在这种情况下,高钙石榴石不可能完全消失[38]。因此，样品中的铁铝榴石在很大程度上直接来自于源区的母岩。铁铝榴石形成时的压力较大，表明其母岩以中高级变质岩为主。事实上，盆地东部的张广才岭增生杂岩带、盆地东南部的长春—延吉增生杂岩带存在大量中高级变质岩，其变质矿物均以铁铝榴石为主[36,39]。该杂岩带的变质时代为晚三叠—早侏罗世[39]，这一年龄区间也落在碎屑锆石主峰年龄(175～240 Ma)内。

图6 松辽盆地北部大庆长垣南端四方台组一段石榴子石端元组分三角图解

重矿物统计数据显示区内钛铁矿平均含量达45.94%，在重矿物组分中比重最大，因此其代表了更多的母岩信息。钛铁矿既可以产出于岩浆岩中，也可以出现在变质岩中。曾有学者指出Mn元素为岩浆成因钛铁矿的特征元素，Mg元素为变质成因钛铁矿的特征元素[40]。随机选取的15个样品的电子探针结果显示，其中有9个样品Mn元素含量多于Mg元素，6个样品的Mg元素多于Mn元素。根据这一标准，研究区四方台组地层内的钛铁矿既有变质成因，也有岩浆成因，以岩浆成因为主。一定数量来自变质成因的钛铁矿与上文所述的母岩中存在中高级变质岩相对应。一般认为钛铁矿主要产出于基性岩浆岩中，现今张广才岭、吉黑东部地区报道的基性岩体多呈小岩体形态产出，而年龄区间集中在175～240 Ma的中酸性岩浆岩广泛存在且体量巨大，前人在对这些岩体开展研究的过程中均提及其副矿物中含有大量钛铁矿[22,41]，由此判断四方台组母岩类型还包括大量的中酸性岩浆岩。

通过石榴子石与钛铁矿的类型分析，综合重矿物组合特征，认为富Mn钛铁矿、锆石和磁铁矿的重矿物组合指示母岩为中酸性岩浆岩，铁铝榴石、富Mg钛铁矿和绿帘石的重矿物组合指示母岩为中高级变质岩。

4.3 地质意义

随着近年来砂岩型铀矿找矿工作的不断推进，首次在松辽盆地北部大庆长垣南端四方台组中取得了重大发现。物源体系记录了构造运动信息，通过对物源体系特征研究可以了解沉积与构造的响应关系，进而指导下一步的铀矿勘探。从前面论述可知，四方台组重矿物组成特征一致，均以钛铁矿、石榴子石、锆石等稳定重矿物为主，表明四方台组沉积时期盆地构造运动较稳定，这与晚白垩世以来松辽盆地整体受环太平洋构造域控制相一致[14-15]；对比前人对松辽盆地北部泉头组、嫩江组物源体系的研究，四方台组沉积时期，来自东部、东南部的物源占据了盆地物源供给的主导地位。

区域资料显示四方台组地层在松辽盆地北部分布广泛，勘探实践中发现除大庆长垣南端外，在朝阳沟阶地、西部斜坡等三级构造单元内的四方台组地层中也存在大量放射性异常。四方台组受控于稳定的构造环境与物源供给，为铀矿的富集提供了地质基础，是松辽盆地继姚家组之后新发现的一套富铀地层，具备良好的成矿地质条件。这一认识为在松辽盆地北部寻找砂岩型铀矿开辟了新的层系，对铀矿勘探开发具有重要意义。