多参数约束剖析柴达木盆地砂西地区古近系沉积物源

徐良佳 ，于胜尧 ，2，纪文涛 ，高翔宇

（1.中国海洋大学海洋地球科学学院，山东 青岛 266100；2.青岛海洋科学与技术国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室，山东 青岛 266037）

物源分析是沉积学的重要研究内容，其主要目的是确定沉积物物源位置、性质及搬运路径，是恢复沉积盆地沉积、构造演化的基础［1-3］，已发展成为多方法、多技术相结合的综合研究领域［4］。成熟的研究方法包括重矿物法、碎屑岩类法、裂变径迹法、沉积法、地球化学和同位素法等［2，5-6］。每一种方法都有其优势和劣势。如碎屑岩组分分析虽然具有直接反映物源的优点，但也应该考虑次生作用的影响、是否属于混合源区的情况以及人为统计的影响等［4，7］；地球化学方法具有精确的特点，但是因为岩石化学成分容易受到外界环境的影响，其结果也有一定的不确定性［8］。在研究某一地区物源时，应该根据实际情况，利用多种方法综合分析，以求获得接近实际的准确结论［3，7］。

1 区域地质背景

砂西地区位于柴达木盆地西部（见图1），油气资源十分丰富。其西北为阿尔金造山带、七个泉和红柳泉油田，西南为昆仑山造山带，东南为跃进、尕斯库勒油田［9］。砂西地区下干柴沟组下段（E31）为一套辫状河三角洲-湖泊沉积。尽管前人对该辫状河三角洲已有了广泛的研究，然而，关于其物源一直存有争议［10-12］。本文通过重矿物组合及稳定系数、稀土元素地球化学以及砂体几何学的共同约束，综合分析了砂西地区的物源特征。

图1 研究区区域位置、古地貌及沉积-构造演化背景

柴达木盆地西部地区（柴西地区）位于盆地西北的阿尔金山和西南的祁曼塔格山之间，东抵东柴山，是一个新生代发育的前陆坳陷区［13］（见图1a）。柴西地区新生代以来一直处于印-欧板块碰撞所引起的青藏高原阶段性隆升的挤压构造背景下，主要经历了断陷、坳陷、构造反转三大构造变形期［14］（见图1b）。 古近纪以断陷-坳陷为主要构造演化特征，盆地边缘发育冲积扇-河流-三角洲沉积体系，盆地内部发育湖泊沉积体系。这一时期，是湖盆形成并不断扩大时期，其中下干柴沟组上段（E32）沉积时期湖盆范围最大，广泛发育的湖相烃源岩成为现在柴达木盆地油气勘探的物质基础。新近纪—第四纪发生的构造反转又分为逆冲阶段、强烈逆冲阶段和表层滑脱褶皱阶段［11］。其结果是，柴西地区经历了强烈的构造变形，盆缘区以走滑冲断为主，盆内区以压扭变形为主，厚皮构造十分发育，形成了多隆多坳的现今构造格局［15］。沉积上表现为湖泊逐渐退出柴西地区，取而代之的是大面积的河流-三角洲沉积。强烈的构造反转，使得早期沉积物的物源追踪变得更加复杂。

柴西地区保留了新生代沉积的完整记录（见图1b），并成为众多沉积学和地层学研究的焦点［12，16］。其新生代沉积速率极快，沉积厚度最厚处可达上万米，自下而上由8套地层组成。其新生代地层始于路乐河组（E1+2），不整合覆盖于基岩或中生界地层上，顶部以侵蚀不整合为终点，主要由冲积扇或辫状河砾岩、砂砾岩和棕红色砂质泥岩组成。下干柴沟组（E3）通常分为E31，E32段。E31由棕红色粗碎屑砂、砾岩、灰色中细砂岩和泥岩组成，沉积在辫状河三角洲环境中。该地层已被证明是柴西地区最重要的储层之一。E32主要由灰色泥岩（滨岸至浅湖环境）、深灰色泥岩（半深湖环境）、波纹交错层状粉砂岩和泥灰岩组成，常发育碳酸盐岩夹层。上干柴沟组（N1）以一系列不同颜色的细砂岩、泥岩和泥灰岩为主，为海岸和浅湖沉积，表明该时期湖盆开始收缩（见图1b）。自晚渐新世—中新世以来，柴达木盆地的沉积中心开始向东移动［11，13］，因 此，在下 油砂 山组 期间，柴西地区沉积相开始从湖相变为辫状河三角洲相。下油砂山组地层（N21）以棕红色砂质沉积物为主，呈现向上粗化的演替。

柴达木盆地西部地区新生代沉积过程主要受阿尔金山和祁曼塔格-东昆仑造山带控制［15，17］，因此，这两大造山带成为柴西地区新生代沉积物的潜在物源供给区。 根据 E31时期古地貌研究成果［18］（见图 1a），柴西地区呈现西高东低的地理格局。现今重要的油气田均发育于古构造斜坡区，凹陷区位于柴西地区的花土沟—尕斯—乌南沿线的东侧。而西部主要为古构造高地，其中又以阿尔金山前以及祁曼塔格山西段2处古高地最为显著。

2 重矿物分析

2.1 重矿物组合

重矿物在物源分析中占有重要地位，尤其是在矿物种类较复杂、受控因素较多的地区，重矿物组合是较为准确的物源分析方法［1，19-20］。本次研究收集了砂西及邻近的尕斯、跃进、红柳泉、七个泉、乌南地区重矿物分析数据，共62口井，1 452块样品。样品分析检测由青海油田勘探开发研究院实验分析中心完成，检测仪器为LEICA DMLP偏光显微镜，检测标准参照SY/T 6336—1997《沉积岩重矿物分离与鉴定方法》。检测结果表明，柴西地区E31常见的重矿物有锆石、磁铁矿、白钛矿、绿帘石、角闪石、石榴石、榍石、赤铁矿、辉石、硅灰石、蓝晶石以及自生重矿物黄铁矿和重晶石。各地区主要重矿物种类及质量分数见表1，其中质量分数低于1%的组分未列出。

表1 柴西南区不同物源区组分统计

根据统计发现，柴西地区重矿物组合在平面上具有一定的分区性（见图2），其组成依次如下：Ⅰ区重矿物组合主要为石榴石-白钛矿-角闪石-硅灰石组合，包含七个泉、狮子沟、干柴沟及咸水泉等地区；Ⅱ区重矿物组合主要为绿帘石-角闪石-磁铁矿-石榴石-白钛矿，主要为红柳泉及阿拉尔地区；Ⅲ区重矿物组合主要为锆石-磁铁矿-白钛矿-石榴石-绿帘石，包含砂西、尕斯及跃进地区；Ⅳ区重矿物组合主要为锆石-白钛矿-石榴石组合，包含乌南、昆北、东柴山地区。

图2 柴西地区重矿物组合分区

2.2 重矿物稳定指数

重矿物稳定指数是指重矿物中相对稳定的重矿物的质量分数，从母岩区到沉积区，重矿物稳定指数增加。重矿物按其化学性质和抗风化能力一般可划分为不稳定矿物、较稳定矿物、稳定矿物和极稳定矿物［21］。根据重矿物鉴定结果，柴西地区不稳定矿物主要为角闪石，较稳定矿物为石榴石、绿帘石，稳定矿物为磁铁矿、白钛矿、榍石，极稳定矿物为锆石。一般认为，随着搬运距离的增大，沉积物中的不稳定矿物的质量分数会逐渐减少，而稳定矿物的质量分数则相对增高［19，21］。这一规律可以用重矿物稳定指数作定量描述，如ZTR指数（指稳定矿物锆石、电气石和金红石在透明重矿物中所占比例），代表重矿物的成熟度，是最常用的指数之一［3］。由于研究区缺少电气石和金红石，故本文采用重矿物稳定指数（即重矿物中极稳定矿物及稳定矿物之和占所有重矿物的比例）来评价研究区重矿物稳定程度变化趋势。

通过计算单井重矿物稳定指数，编制稳定指数平面分布图（见图3），直观反映出不同物源区沉积范围及物源大致方向。由图1可知，砂西地区下干柴沟组上段重矿物稳定指数沿SW—NE向逐渐增大，表明其沉积物搬运方向可能是SW—NE向。红柳泉地区重矿物稳定指数由西向东逐渐增大，表明其物源区位于其西部方向。

图3 柴西地区重矿物稳定系数平面分布

3 稀土元素

稀土元素因具有稳定性强、在不同类型沉积岩中分配形式不同、在成岩和变质作用过程中基本不分异等地球化学性质，被誉为地球化学的示踪剂和指纹。据前人研究，它们在成岩期和变质作用过程中基本不分异，即使绝对质量分数有所变化，但分配模式不变，仍与源岩相似［22-23］。因而，稀土元素作为沉积物物源的示踪剂，被广泛应用于构造背景分析、沉积源区确定等。本次研究采样地点涵盖砂西及其周缘的七个泉、红柳泉、尕斯、跃进地区，所有样品均为该区钻井岩心，采样井点位置见图1。采用电感耦合等离子体质谱（ICPMS）方法对139块样品进行稀土元素质量分数检测。整个检测工作委托国土资源部杭州矿产资源监督检测中心（浙江省地质矿产研究所）进行。所采用的实验设备为Thermo X Series Ⅱ电感耦合等离子体质谱联用仪（SN01426C）。以球粒陨石中稀土元素的平均质量分数为标准进行标准化。每口井均有不同深度的多块样品被检测。测试结果显示，稀土质量分数为72.7×10-6～337.7×10-6μg/g， 轻重稀土比 1.6～3.9， 镧镱比 4.0～14.6，表明样品中轻稀土元素和重稀土元素分异程度较大，并且轻稀土元素较富集，重稀土元素较亏损。δEu 值 0.2～1.5，δCe 值 0.9～4.2，总体上看，各参数数值分布广泛，差异性明显。

为了调查各地区物源性质，分地区编制了稀土元素分配模式图（见图4），其中红柳泉和七个泉地区表现为轻稀土明显富集、重稀土相对平坦的“右倾型”，具有铕负异常、铈元素高于镧、钕上凸等特征，说明这2个地区母岩性质差别不大；七个泉地区E31有一套近物源粗碎屑冲积扇-扇三角洲沉积，其物源来自就近的阿尔金山不可置否［24-25］。据此判断，红柳泉地区物源区同样也应为阿尔金山。另一方面，砂西、尕斯及跃进地区稀土元素分配模式明显与七个泉及红柳泉地区不同，表现为稀土元素图谱呈轻稀土明显富集、重稀土相对平坦的“右倾型”，铕以正异常为主，存在负异常，镧元素高于铈等特征。稀土元素分配模式的巨大差别表明两者母岩性质不同，据此，可排除砂西、尕斯及跃进地区物源区为阿尔金山这一论断。

图4 研究区稀土元素分配模式

4 单砂体展布

一般认为，物源方向代表了地质历史时期古水流的方向，控制了砂体的展布范围和几何形态［4］。以河道砂体为例，在垂直物源方向的剖面上，砂体呈顶平底凸的透镜状形态，延伸距离短；在顺物源方向的剖面上，砂体呈板状形态，延伸距离远［7，25-26］。 以砂西地区 E31Ⅳ-2单砂体为例，编制该单砂体厚度分布图（见图5），可以发现在NW—SE方向上，砂体厚度向两端迅速减小，而NE—SW方向上，砂体厚度相对稳定。为更直观观察砂体形态变化，选择NW—SE及NE—SW方向剖面各1条（见图6，图中黄色代表砂体）：AA′剖面总长3.83 km，Ⅳ-2砂体自然伽马（GR）曲线形态在 SX-35井处为箱形，至砂探1井距离为2.98 km，GR曲线形态仍然保持为箱形，至SX-50井逐渐演化为钟形。同时厚度也逐渐变小，表明该方向一直处于河道范围内，砂体形态基本保持稳定；BB′剖面总长3.50 km，Ⅳ-2砂体GR曲线形态相比AA′剖面则变化较快，从SX-7井、SX-28井及SX13-8井的箱形形态到两端逐渐演化为钟形、指状，直到消失，反映砂体形态向剖面两端快速尖灭。以上砂体几何形态特征证实NW—SE方向为垂直物源方向，NE—SW方向为顺物源方向。金振奎等［27］研究过该区其他小层单砂体沉积微相展布，指出砂体长轴为NE—SW方向，与本文所述砂体长轴方向一致。

图5 砂西地区E31Ⅳ-2单砂体厚度及沉积微相平面分布

图6 砂西地区E31Ⅳ-2单砂体几何形态剖面

5 讨论

砂西地区重矿物组合为锆石-磁铁矿-白钛矿-石榴石-绿帘石，尕斯与跃进地区重矿物组合与砂西地区类似，在重矿物组合平面分区中同属于Ⅲ区。这表明砂西、尕斯与跃进物源可能相同。红柳泉地区重矿物组合为绿帘石-角闪石-磁铁矿-石榴石-白钛矿，在重矿物组合分区中属于Ⅲ区，与砂西、尕斯及跃进地区差异较大，表现为不稳定重矿物，质量分数更高，尤其是不稳定重矿物角闪石比上述3个地区高出8倍；相反地，极稳定矿物锆石、较稳定矿物白钛矿的质量分数却分别只有上述3个地区的1/10和1/3。不同的重矿物组合通常代表不同的物质来源［17，20］。因此，砂西地区与红柳泉地区在重矿物组合特征上具有明显的差异，意味着这2个地区物源具有明显差异。

另外，稀土元素分配模式对比表明，红柳泉地区与七个泉地区稀土元素分配模式类似。而且七个泉地区为粗碎屑冲积扇-扇三角洲沉积，其物源来自附近的阿尔金山。因此，红柳泉地区极大可能也来自阿尔金山物源；砂西及尕斯、跃进地区稀土元素分配模式类似，并且与红柳泉、七个泉地区稀土元素分配模式差异较大。根据沉积区稀土元素分配模式继承母岩区稀土元素分配模式这一原理，可确定砂西地区与红柳泉地区物源不一致。也就是说，砂西地区不属于其西北部的阿尔金山物源的沉积区。稀土元素分配模式与重矿物组合特征两者结论一致，相互吻合。

平面上砂西地区自SW—NE向，重矿物稳定指数增大，暗示物源方向可能为SW—NE方向。而据多口钻井资料编制的单砂体展布形态也显示E31单砂体具有NW—SE方向，砂体厚度变化快，GR曲线形态由箱形向两端逐渐演化为钟形，最后尖灭；而NE—SW方向砂体厚度相对稳定，GR曲线形态相似的特点。由此得出，砂西地区E31物源来自SW方向。

结合E31沉积前古地貌，在砂西地区SW方向的确存在铁木里克凸起［18］；从现今E31地层厚度看，铁木里克凸起E31地层沉积缺失，是当时的剥蚀区［28］。综上所述，砂西地区E31碎屑物质来自西南方向的铁木里克物源。

6 结论

1）砂西、尕斯及跃进地区重矿物组合表明砂西、尕斯及跃进地区物源与红柳泉地区物源具有差异。

2）稀土元素分配模式对比表明，红柳泉及七个泉地区物源类似，属于阿尔金山物源，砂西、尕斯及跃进地区物源不可能为阿尔金山物源。

3）综合重矿物组合、稀土元素分配模式、重矿物稳定指数以及单砂体展布规律，结合E31沉积期构造背景，认为砂西地区E31碎屑物质来源于SW方向的铁木里克剥蚀区。