准噶尔盆地车排子凸起新近系沙湾组重矿物、U-Pb 年代学特征及物源分析

李严 吴朝东,† 张学才 谢利华 冷佳宣 关旭同

准噶尔盆地车排子凸起新近系沙湾组重矿物、U-Pb 年代学特征及物源分析

李严1,2吴朝东1,2,†张学才3谢利华1,2冷佳宣1,2关旭同1,2

1.北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室, 北京 100871; 2.北京大学石油与天然气研究中心, 北京 100871; 3.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司油气勘探管理中心, 东营 257000; †通信作者, E-mail: cdwu@pku.edu.cn

综合岩石学特征、砂岩碎屑组分特征、重矿物组合特征和锆石 U-Pb 年代学特征, 探讨准噶尔盆地车排子凸起新近系沙湾组沙一段的沉积特征和物源演化过程。结果表明, 车排子凸起存在南北双物源体系, 沙一段以粗碎屑沉积为主。在一砂组沉积阶段, 扎依尔山为北部物源区, 发育小规模扇三角洲沉积; 中天山及北天山造山带为南部物源区, 发育辫状河三角洲沉积。在二砂组沉积阶段, 中天山供给减弱, 北天山供给加强, 盆地水体加深, 南部辫状河三角洲前端分布小型滨浅湖滩坝。南部物源变化的主要原因可能是受印度板块和欧亚板块碰撞的远程影响, 天山在新生代中新世中期经历强烈的挤压和抬升过程, 造成北天山隆升, 为车排子凸起提供物源。

物源分析; 沉积特征; 沙湾组; 车排子凸起; 准噶尔盆地

物源分析是沉积地质学研究的重要手段之一, 在判别古侵蚀区、重塑古地貌特征、追踪物源区母岩性质以及含油气盆地勘探等方面具有重要的作用[1‒4]。传统的物源分析方法包括沉积学、岩石学、重矿物组合及元素地球化学等方法。

经过 60 余年的油气勘探, 准噶尔盆地车排子凸起新近系沙湾组的油气勘探取得较大的突破。作为预测有利储层分布和烃源岩展布的有效手段, 物源分析为沙湾组的油气勘探提供了可靠证据。杨少春等[5]通过钻井和地震勘探等资料, 建立盆地地层与沉积格架, 并分析车排子凸起沙湾组的沉积特征, 认为沙湾组从沉积早期到晚期, 发育辫状河三角洲‒湖泊沉积体系, 其中沉积物主要来自北西方向的扎依尔山。杨恺等[6]和樊晓伊[7]通过地球化学及地震沉积学等手段, 识别出在沙湾组沉积阶段, 车排子凸起存在西南方向和西北方向两个物源体系, 认为南物源体系主要发育辫状河三角洲, 为长距离搬运的牵引流沉积, 北物源体系主要发育近物源沉积的扇三角洲, 为典型的重力流沉积。

虽然对准噶尔盆地车排子凸起沙湾组已开展一定程度的研究, 但对其物源演化分析的精细程度还不够。本文综合利用区域地质资料, 通过砂岩碎屑组分、重矿物组合和锆石 U-Pb 年代学等分析手段, 对车排子凸起沙一段的沉积特征和物源演化从宏观到微观进行研究, 旨在为后续油气勘探开发提供更多的依据。

1 地质背景

准噶尔盆地地处中亚造山带中部, 为典型的叠合盆地[8‒10]。车排子凸起位于准噶尔盆地西部, 是该盆地油气资源富集的区域之一[11]。车排子凸起是以石炭系火成岩为基底发育的凸起, 构造区划上归属准噶尔类前陆盆地前隆‒隆后斜坡带, 是盆地西部隆起的次级构造单元(图 1)[5‒6,8,12], 东面以红车断裂带为界, 西面和北面邻近扎依尔山, 南面为四棵树凹陷[13‒14]。车排子凸起的形成和演化分为 3 个阶段: 石炭纪末至侏罗纪的强烈隆升阶段, 白垩纪至古近纪的缓慢沉降阶段, 新近纪至第四纪的快速沉降阶段[15‒16]。车排子凸起的主体形成时间较早, 在后期演变历史中, 长期继承性地发展, 具有不均衡隆升特点, 在西北部扎依尔山前隆起最高, 东部、南部和东南部隆起幅度逐渐降低, 其东南角至奎屯‒安集海一带逐渐隐伏并消失。

图1 准噶尔盆地车排子凸起地质简图(据文献[8]修改)

现今车排子凸起的地层倾角约为 2°, 地层展布较宽缓, 主体基底为石炭系, 自下而上发育下白垩统吐谷鲁群、古近系、新近系沙湾组、塔西河组、独山子组及第四系, 东部局部(红车断裂带上下盘附近)及凸起的上部分沟谷中残存较薄的二叠系、三叠系及侏罗系等多套地层。

新近系沙湾组可细分为沙一段(N1S1)、沙二段(N1S2)和沙三段(N1S3), 其中沙一段是车排子凸起最富集油气的地层。如图 2 所示, 沙一段自下而上分为 3 个砂组, 地层南厚北薄, 与上下地层均为不整合接触。沙一段一砂组(N1S11)主要由厚层砂砾岩、含砾砂岩及中粗砂岩组成, 局部夹薄层泥岩; 二砂组(N1S12)主要由厚层泥岩组成; 三砂组(N1S13)主要由厚层细砂岩组成。本文主要采集一砂组和二砂组的样品进行研究。

2 沉积环境

准噶尔盆地车排子凸起岩芯和录井资料分析结果表明, 沙湾组沙一段的岩性具有向上变细的特征, 主要为砾岩、砂砾岩和中细砂岩等。

一砂组沉积阶段, 车排子凸起中部以北的地区以青灰色中‒粗砾岩及灰色细砾岩为主(图 3(a)), 岩屑含量较高, 存在冲刷面(图 3(b))。显微镜下见方解石胶结, 砾石含量为 29% (图 3(c)), 颗粒间为点‒线接触(图 3(d)), 碎屑颗粒分选性比较差, 粒径为0.5～7.2mm, 棱角‒次棱角状, 结构成熟度和成分成熟度较低, 属扇三角洲沉积环境。车排子凸起南部地区沉积碎屑物成分成熟度高, 石英等稳定矿物含量增加(图 3(e)), 分选性较好, 指示搬运距离远, 发育范围较广的辫状河三角洲沉积。两大沉积体系在中部地区交汇分布, 没有明显的界线。

图2 准噶尔盆地车排子地区沙湾组综合柱状图

二砂组沉积阶段, 车排子凸起中部地区沉积碎屑物粒度变细, 粒径主要分布在 0.2～3.3mm 之间, 钙质胶结度强, 孔隙不发育(图 3(f))。此时盆地水体加深, 南部辫状河三角洲前端分布小型的滨浅湖滩坝。

3 物源分析

通过砂岩碎屑成分、岩屑组分和重矿物组合特征分析和锆石 U-Pb 定年, 研究车排子凸起沙湾组一段的物源。为了更准确地了解物源区特征, 对潜在物源区的母岩年龄、母岩岩性、主要重矿物组合和砂岩碎屑成分进行总结归纳(表1)。

3.1 砂岩碎屑成分成熟度分析

对车排子凸起沙湾组一段的 18 个样品进行薄片观察, 并统计碎屑成分, 结果如图 4(a)所示。一砂组沉积阶段, 车排子凸起北部地区沉积物以长石岩屑砂岩和岩屑砂岩为主, 岩屑含量较高(16%～ 82%, 平均 58%), 石英和长石含量较低(平均含量分别为 15%和 23%)。稳定性矿物含量少于不稳定性矿物, 指示碎屑颗粒被搬运的距离较短, 表现为不稳定沉积环境特征。车排子凸起南部地区样品中, 沉积碎屑成分石英等稳定性较好的矿物含量增加, 石英、长石和岩屑的含量比值为 36:23:28。南、北部砂岩碎屑成分有所差异, 指示存在南北双向物源, 且南部搬运距离远, 成分成熟度高。

3.2 岩屑组分分析

沙湾组 18 个样品的岩屑组分分析结果显示, 车排子凸起沙一段砂岩岩屑含量较高, 以花岗岩岩屑、泥岩岩屑、石英岩岩屑和片岩岩屑等为主。

图 4(b)显示, 岩屑组合特征表明物源区较为复杂, 一砂组沉积阶段岩屑类型丰富, 三大岩屑均占一定的比例, 火山岩岩屑以花岗岩岩屑为主, 在车排子凸起北部地区分布较多; 沉积岩岩屑以砂岩和泥岩岩屑为主, 变质岩岩屑主要是石英岩岩屑和片岩岩屑。二砂组沉积阶段, 砂岩岩屑以火山岩岩屑和沉积岩岩屑为主, 变质岩岩屑含量比一砂组少。

3.3 重矿物组合及其分布特征

重矿物分析是通过沉积岩中矿物组合来指示物源方向和母岩性质[26]。本研究对车排子凸起沙湾组沙一段 21 口井的 63 个样品进行重矿物分析。重矿物鉴定在河北省廊坊市宇能岩石矿物分选技术服务有限公司进行。剔除自生矿物和不透明矿物的数据, 并对剩余的透明重矿物数据进行百分化归一处理, 得出车排子凸起沙一段沉积地层主要存在钛铁矿+磁铁矿、白钛矿+石榴石以及电气石+磷灰石 3种重矿物组合(图 5)。

图 5(a)显示, 一砂组沉积阶段, 车排子凸起北部地区钛铁矿+磁铁矿组合分布范围较广, 占比也较大; 南部地区钛铁矿+磁铁矿组合占比减小, 白钛矿+石榴石组合与电气石+磷灰石组合占比增加, 约为 71%。图 5(b)显示, 二砂组沉积阶段, 车排子凸起北部地区仍主要分布钛铁矿+磁铁矿组合, 与一砂组沉积阶段相比, 白钛矿+石榴石组合明显减少, 电气石+磷灰石组合有所增加。

(a)苏 8 侧井, 1459.1m, N1S11, 青灰色细砾岩, 水下分流河道沉积(岩芯照片); (b)苏 8 侧井, 1460m, N1S11, 青灰色钙质胶结细砾岩, 具有冲刷面, 水下分流河道沉积(岩芯照片); (c)苏 11 井, 1401.3m, N1S11, 粗粒岩屑砂岩, 颗粒间点‒线接触, 分选差(正交偏光); (d)排 612 井, 317.5m, N1S11, 中粒岩屑砂岩, 颗粒间点‒线接触(正交偏光); (e)排 703 井, 593.5 m, N1S11, 中粒岩屑长石砂岩(正交偏光); (f) 排 630 井, 320.52 m, N1S12, 岩屑长石砂岩(正交偏光)

表1 车排子凸起潜在物源区母岩特征

说明: 扎依尔山数据来自文献[17‒21], 天山山脉数据来自文献[4,22‒24]。

4 碎屑锆石年龄分布及物源分析

对车排子凸起沙一段一砂组的两个样品(ly-01, ly-02)和二砂组的一个样品(ly-03)中 248 粒锆石进行U-Pb 定年, 其中 ly-01 测点数为 85 个, ly-02 测点数为 80 个, ly-03 测点数为 83 个。锆石分选在河北省廊坊市宇能岩石矿物分选技术服务有限公司进行,制靶及透射光、反射光和阴极发光照相在北京锆年领航科技有限公司完成, 锆石 LA-ICP-MS U-Pb 年龄测试在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室完成。表 2 列出部分测试数据。

剔除谐和度小于 95%的锆石定年数据, 得到239 个有效数据, 碎屑锆石 U-Pb 年龄分布在 160～ 915Ma 之间。阴极发光照片(图 6)显示, 大多数锆石颗粒为自形‒半自形, 不同程度地保留岩浆成因振荡环带, 且具有较高的 Th/U 值(0.21～1.15), 表明绝大多数锆石为岩浆结晶锆石[23]。

Q:石英; F:长石; R:岩屑; I:石英砂岩; Ⅱ:长石石英砂岩; Ⅲ:岩屑石英砂岩; Ⅳ:长石砂岩; Ⅴ:岩屑长石砂岩; Ⅵ:长石岩屑砂岩; Ⅶ:岩屑砂岩; Lv:火山岩岩屑; Lm:变质岩岩屑; Ls:沉积岩岩屑。(a)的底图引自文献[25]

图5 准噶尔盆地车排子凸起沙一段一砂组(a)和二砂组(b)重矿物组合分布

沙一段一砂组砂岩样品 ly-01 中谐和度大于95%的锆石有 80 粒(图 7(a)), 年龄分布范围为 261～ 556Ma (图 8(a1)), 主要峰值年龄为 312 和 336 Ma, 集中在石炭纪时期, 车排子凸起西北缘主要的岩浆活动也发生在该时期。通过对比前人收集的大量潜在物源区锆石数据[22‒24], 推测该时期沉积物主要来自扎依尔山。

沙一段一砂组砂岩样品 ly-02 中谐和度大于95%的锆石有 79 粒(图 7(b)), 年龄分布范围为 209～ 871Ma (图 8(a2)), 主要峰值年龄为 431 和 257Ma, 次要峰值年龄为 380, 274 和 224Ma。锆石年龄呈现多个峰值, 对比潜在物源区锆石年龄谱(图 8(b1)～ (b3)), 推段车排子凸起中部地区为南北双向混合物源, 扎依尔山、中天山和北天山均提供碎屑物。

表2 车排子凸起沙湾组砂岩LA-ICP-MS 锆石U-Pb 年龄测试数据

Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results of sandstone of Shawan Formation in Chepaizi Uplift

续表

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图6 准噶尔盆地车排子凸起沙一段砂岩碎屑锆石阴极发光照片 Fig.6 Cathodoluminescence photo of sandstone detrital zircon of Sha 1 member in Chepaizi Uplift, Junggar Basin

图7 准噶尔盆地车排子凸起沙一段碎屑锆石U-Pb年龄谐和图 Fig.7 U–Pb concordia diagrams for detrital zircons of Sha 1 member in Chepaizi Uplift, Junggar Basin

沙一段二砂组砂岩样品 ly-03 中谐和度大于95%的锆石有 80 粒(图 7(c)), 年龄分布范围为 160～ 915Ma (图 8(a3)), 主要峰值年龄为 374Ma, 两个次要峰值年龄分别为 293 和 405Ma。有 8 颗粒的锆石年龄大于 600Ma, 占总数的 10%。对比峰值年龄谱(图 8(b1)～(b3))可以看出, 二砂组沉积时期, 北天山已成为南部主要物源区。

(a1)～(a3)为本文实验数据; (b1)中数据引自文献[17‒21] ; (b2)和(b3)中数据引自文献[4,22‒24] 图8 准噶尔盆地车排子凸起沙一段碎屑锆石U-Pb年龄分布 Fig.8 U-Pb age distribution map for detrital zircons of Sha 1 member in Chepaizi Uplift, Junggar Basin

5 结论

本文通过砂岩碎屑成分、岩屑组分、重矿物组合特征分析和锆石 U-Pb 定年, 研究准噶尔盆地车排子凸起沙湾组沙一段的沉积特征和物源演化, 得到以下结论。

1)车排子凸起沙一段以粗碎屑为主。一砂组沉积阶段, 北部发育小规模的扇三角洲沉积, 南部发育远距离的辫状河三角洲沉积; 二砂组沉积阶段, 水体加深, 南部辫状河三角洲前端分布小型的滨浅湖滩坝。

2)车排子凸起存在南北双物源体系。沙一段一砂组沉积阶段, 北部地区沉积物成分成熟度低, 岩屑含量高, 砂岩中以钛铁矿为标志的重矿物组合占比大, 锆石峰值年龄较年轻, 指示扎依尔山为主要物源供给区; 中部地区钛铁矿+磁铁矿、白钛矿+石榴石以及电气石+磷灰石 3 种重矿物组合均有分布, 锆石年龄呈现多个峰值, 为物源叠加区, 扎依尔山、中天山和北天山均提供碎屑物。二砂组沉积阶段, 南部中天山供给减弱, 北天山供给加强, 物源主要来自西北部扎依尔山中酸性岩体和南部北天山火山岩岩体。

3)新生代以来, 受印度板块和欧亚板块碰撞的远程影响, 在区域挤压应力作用下, 天山山脉的构造活动是一种北(南)天山冲断层向南(北)倾斜、向北(南)逆冲的双向逆冲缩短过程, 并伴随走滑作用和不同程度的差异隆升剥蚀作用[22,27]。一砂组沉积时期至二砂组沉积时期, 车排子凸起南部物源变化的主要原因可能是, 天山在新生代中新世中期经历强烈的挤压和抬升过程, 使得北天山隆升, 为车排子凸起提供碎屑物。这一结论与部分学者提出的天山构造隆升过程[13,22,28‒29]相吻合。

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Heavy Minerals Characteristics, U-Pb Geochronology and Provenance Analysis of Neogene Shawan Formation in Chepaizi Uplift, Junggar Basin

LI Yan1,2, WU Chaodong1,2,†, ZHANG Xuecai3, XIE Lihua1,2, LENG Jiaxuan1,2, GUAN Xutong1,2

1.Key Laboratory of Orogenic Belts and Crustal Evolution, MOE, Peking University, Beijing 100871; 2.Institute of Oil & Gas, Peking University, Beijing 100871; 3.Manage Center of Oil and Gas Exploration of Shengli Oilfield Company, Sinopec, Dongying 257000; † Corresponding author, E-mail: cdwu@pku.edu.cn

Abstract Based on the petrological characteristics, sandstone detrital composition, analysis of heavy minerals assemblages and U-Pb zircon age, the sedimentary characteristics and provenance evolution of Sha 1 member of Neogene Shawan Formation in Chepaizi Uplift are discussed.The results show that there were double-provenance systems of north and south in Chepaizi Uplift and Sha 1 member of Shawan Formation was dominated by coarse clastic deposits.In the sedimentary period of first sand group of Sha 1 member, the Zaire Mountains was the northern provenance, with small-scale fan delta deposits.The Central Tianshan and North Tianshan orogenic belts were the southern provenances, with braided river delta deposits.In the sedimentary period of second sand group of Sha 1 member, the sediments derived from the Central Tianshan were weakened, while those from the North Tianshan were strengthened, and the water body of the basin was deepened.Small shore-lake beach bars were distributed in front of the southern braided river delta.The main reason for the variation of the provenance in the south may be that the Tianshan experienced a strong extrusion and uplift process in the middle Miocene due to the remote collision between the Indian plate and the Eurasian plate, resulting in the uplift of the North Tianshan, which provided the provenance for Chepaizi Uplift.

Key words provenance analysis; sedimentary characteristics; Shawan Formation; Chepaizi Uplift; Junggar Basin

doi: 10.13209/j.0479-8023.2021.080

收稿日期: 2020-10-05;

修回日期: 2021-03-24

国家重大科技专项(2017ZX05008-001)资助