鄂尔多斯盆地西南部三叠系延长组物源分析

2024-03-08蔡金定

地下水 2024年1期

蔡金定

(昆明理工大学国土资源工程学院,云南昆明 650093)

0 引言

鄂尔多斯盆地三叠系延长组沉积优质烃源岩,河道砂体发育,油气资源潜力巨大,具有良好的勘探前景[1]。对于延长组暗色泥岩和油页岩地球化学特征,前人已经采用各类分析技术,从生油岩有机质丰度、类型和成熟度方面展开了深入研究[2-3]。通过对延长组不同油层组烃源岩的综合评价,普遍认为长7油层组暗色泥岩和油页岩生烃能力最强,有机质丰度最高、有机质类型最好(Ⅱ类占比>75%),是盆内主要烃源岩[4-5]。不难发现,前人研究主要集中在对延长组烃源岩的评价上,而关于其形成沉积环境、沉积物来源研究工作则较为薄弱。

在盆地西南部,延长组岩性以泥页岩为主,有机质成熟度较低(平均值<1.0%),可以较好的保存一些物源原始信息、表征物源组成和原始的沉积环境[6-8]。因而,本文通过采集盆地西南部地区不同区域的岩石样品,以研究物源组成为目的,展开了系列分析测试工作,为盆地西南部地区中生代沉积环境的重建提供理论支撑,并奠定区域含油气系统的有效性评价和勘探潜力的研究基础。

1 区域地质背景和样品采集

1.1 区域地质背景

鄂尔多斯盆地在构造上位于华北地台的西部,地形呈北高南低、西陡东缓的总趋势,面积约25×104km2[9]。中生代时期,受到扬子板块与华北板块碰撞造山影响,盆地从华北地台上逐渐分离,并演化为大型内陆盆地[10-11]。尔后在三叠系刘家沟组、和尚沟组及纸坊组的基础上广泛沉积上三叠统延长组[12]。延长组整体为一套灰绿色、灰色中厚层—块状细砂岩、粉砂岩和深灰色、灰黑色泥岩沉积[13]。前人按照小尺度沉积旋回将延长组自上而下分为五段:含煤段、块状砂岩段、含油砂页岩段、油页岩段、砂岩段,分别代表了同一时期湖盆演化的不同阶段[14-15](图1)。研究区位于鄂尔多斯盆地西南部,北起西峰,南抵陇县,西至平凉,东至麟游,面积约为1.2×104km2,(图2)。

图1 鄂尔多斯盆地西南部延长组地层划分方案

图2 研究区构造位置图

1.2 样品采集

针对研究问题,笔者在鄂尔多斯盆地西南部进行了样品采集,涉及延长组一段、三段及五段,共取得样品72组。长一段由灰绿色砂岩组成,中粗粒-粉砂质结构,块状构造;镜下观察主要成分为石英、长石、火成岩屑、变质岩屑,分别占比24%、50%、6.5%和4.5%;石英、长石粒径在0.22～0.45 mm之间,分选中等,颗粒呈现棱角状-次圆状。长三段为黄绿色长石砂岩,中粗粒-粉砂质结构,块状构造;镜下观察主要成分为石英长石火成岩屑、变质岩屑,分别占比35%、43%、4%和6.5%;石英、长石粒径在0.24～0.44 mm,分选中等,颗粒呈现棱角状-次圆状。长五段为灰绿色泥岩夹砂岩,粉-细粒砂质结构;镜下观察主要成分为石英、长石、火成岩屑、变质岩屑和沉积岩屑,分别占比40%、36%、4.5%、5.5%和5%;石英、长石粒径在0.26～0.40 mm,分选中等-较好,颗粒呈现次棱角状-次圆状。

2 延长组物源分析

依据沉积学、岩石学、地球化学等原理对研究区物源进行分析,利用多种方法研究物源变化及源区性质,以期获得一定具有合理性和科学性的成果。

2.1 古水流方向分析

物源分析工作中,古水流方向是最容易得到的数据,利用其平面分布特征可以直接对沉积物源的大体方向做出推断。野外露头踏勘发现,鄂尔多斯盆地西南部地质剖面上可见清晰的大型交错层理,测量得到128组延长组古水流方向数据,其中交错层理76组,砾石最大扁平面52组。

古水流数据测量结果表明:(1)盆地南部旬邑山水河剖面长一段～长二段,15组砾石最大扁平面和25组交错层理数据,砾石最大扁平面倾向在320°～350°之间,交错层理倾向在130°～180°,显示古流向在140°～170°之间。麟游澄水河剖面长三段,10组砾石最大扁平面和15组交错层理数据,显示古水流为单峰式,古流向在135°～170°之间,峰值集中在150°附近,南部地区长一段～长三段古流向变化较小,说明延长组古水流方向具有很好的继承性。(2)盆地西南部陇县普陀河剖面长二段,12组砾石最大扁平面和18组交错层理数据,砾石最大扁平面倾向在220°～250°,交错层理倾向在100°～110°,显示古流向在50°～80°。汭水河剖面长一段18组交错层理倾向数据显示,古水流范围在225°～240°,峰值在235°;长三段15组最大扁平面倾向在320°～355°,显示古流向为140°～175°,峰值在155°。

晚三叠世～中侏罗世之间,鄂尔多斯陆块发生逆时针转动,角度约55°左右,所以晚三叠世发生的沉积古水流方向数据应顺时针偏转相应角度。旬邑山水河地区长一段～长二段真实古流向应在180°～230°之间,流向南西;麟游澄水河地区长三段真实古流向峰值应在220°,流向南西;普陀河地区长二段真实古流向应在100°～130°之间,流向东南;汭水河地区长一段真实古流向应在275°～290°之间,流向西北;汭水河地区长三段真实古流向应在190°～225°之间,流向南东(图2)。

2.2 砂岩碎屑组分分析

通过组分分析可以反映出母岩的性质,也能表征物源区大地构造背景[16]。换而言之,只要准确弄清砂岩样品中石英、长石、岩屑成分的变化,就能够了解物源区的构造属性。而构造属性又能表征物源区构造背景,进一步呈现出沉积区物源的变化。

对所采集的72组样品磨片后镜下观察,分析统计砂岩中的石英、长石、岩屑的相对含量,然后将数据投点至Qt-F-L源区构造背景图版中观察。延长组一段砂岩碎屑数据落在陆块物源区及火山弧物源区,其中陆块物源区为隆起基底,成熟度较低。延长组三段和五段砂岩碎屑数据落在陆块物源区、火山弧物源区和再旋回造山带物源区,说明此时物源区属性出现了明显的变化。分析同期研究区西南部祁连构造带与秦岭构造带活动性,长10～长8期(长一段～长二段),印支运动活动相对较弱,西南部隆起的基底岩系及火山岛弧为主要物源区,长7～长1期(长三段～长五段),印支运动明显增强,北秦岭及北祁连一带成为新的隆起区参与物源供给,笔者认为物源区的变化是与秦祁造山带活动紧密相关的。

2.3 轻、重矿物分析

2.3.1 轻矿物及岩屑分析

研究区处于鄂尔多斯盆地西南部,选取延长组长一段、长三段和长五段为本次研究目的层位,地层中砂岩以长石砂岩、岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩为主。因此需要重点分析轻矿物中石英、岩屑的变化规律,依据岩屑组成的差异判断物源方向、分区及变化特征。

对研究区长一段～长五段砂岩样品中轻矿物各组分含量及岩屑含量(图3)分析发现,砂岩的组分成熟度呈现出逐步增高的趋势,具体表现在石英、岩屑的相对含量升高,长石相对含量降低。在岩屑组成中,主要岩屑类型没有发生改变,一直是变质岩岩屑,岩浆岩岩屑的含量相对稳定,而沉积岩岩屑有逐渐增高的趋势,说明随着时间推移,延长组的物源区范围在增大。在岩屑中,变质岩岩屑主要有石英岩、片岩、千枚岩以其它类高变质岩;岩浆岩岩屑主要是以喷发岩为主,其中隐晶质含量缓慢上升;沉积岩岩屑主要以碳酸盐岩为主(白云岩、灰岩)。长三段砂岩岩屑开始出现白云岩岩屑增多的现象,推测其来源是祁连地区古生代地层。以上分析表明,研究区在长一段～长五段沉积期间存在物源区扩大的现象,沉积物的搬运距离也有所增加,新的物源区成为延长组中上部地层沉积物重要的物源供给。研究区物源整体来自于西南方向的北祁连褶皱带和秦岭造山带,轻矿物及岩屑特征反映秦祁连造山带的拼合对物源的产生了深远影响。

图3 盆地西南部延长组轻矿物平均含量与岩屑平均含量

2.3.2 重矿物

在机械沉积分异作用下,沉积物在远离物源区时重矿物含量会越来越少,一般在0.5%～1.0%。因为重矿物稳定性好可以反映母岩的一些重要信息,而不同母岩表现出不同的重矿物组合特征,所以在物源分析时占据着重要地位[17]。一般来说,采用特征重矿物含量、重矿物组合、稳定重矿物成熟度(ZTR指数)分析是重矿物物源分析的重要方法[18]。根据研究区长一段、长三段、长五段所采样品分析测试情况,决定采用重矿物组合分析以及稳定重矿物成熟度分析对延长组物源进行研究。

研究区重矿物种类较多,超稳定及稳定组分均有出现,根据目前分析测试数据统计(表1),延长组下部与中上部超稳定重矿物组成基本一致。研究区内延长组底部至顶部超稳定重矿物ZTR指数逐渐增高,表明延长组沉积时期物源区是不断增大的,搬运的距离也愈来愈远。重矿物组合形式上主要存在3种类型,(1)石榴子石、锆石、榍石为主要重矿物,表明沉积物来源于以岩浆岩和变质岩为主体的母岩区,与盆地北部大青山地区深度变质的片岩和片麻岩对应较好,推断物源区在东北方向;(2)石榴子石、锆石、金红石为主要重矿物,表明沉积物来源以沉积岩为主体的母岩区,与秦岭造山带古生界的浅海碎屑岩、碳酸盐岩对应较好,推断物源区在西南方向;(3)锆石、白钛矿、电气石为主要重矿物,表现出自研究区西南方向和东北方向向中部逐渐增加的平面分布规律。重矿物分析显示,鄂尔多斯盆地西南部延长组物源主要来自其东北方向、西南方向,其次为东南方向和西北方向。

表1 延长组重矿物测试分析统计表

2.4 碎屑颗粒粒度

粒度是表征沉积物和沉积岩颗粒大小的常用参数,通过对其大小、分选性、磨圆度、粒度分布等特征的观察,可以明确碎屑颗粒沉积时的水动力条件,同样可作为重要的物源方向标志[19]。

对采集岩样磨片后的测量发现:研究区东北缘碎屑颗粒平均粒径4.353 mm,粒度中值3.781Ф,向中心逐渐较小;西南缘碎屑颗粒平均粒径4.236 mm,粒度中值3.643Ф,向东北逐渐减小;东部碎屑颗粒平均粒径4.145 mm,粒度中值3.526Ф。根据碎屑颗粒粒径变化数据,结合古流向参数可以判断,盆地周缘存在剥蚀性古隆起,沉积物从盆地边缘向中心搬运,晚三叠世延长组有东北向、西南向以及南东向3个主要物源。其次,可以根据粒度概率曲线类型,更加具体的来判断上述推断的准确性。本次研究使用了陇县东西两口钻井取芯样品进行粒度资料统计与分析,粒度概率曲线主要有2种不同的类型(图4)。(1)陇县西部,粒度概率曲线呈现两段式,表明沉积物由跳跃总体和悬浮总体两部分构成,没有滚动总体。图中跳跃总体斜率约为45°,含量较高,占整体60%以上;相比之下悬浮总体斜率较小,为15°～20°左右,占整体30%左右。沉积物搬运方式主要是跳跃和悬移,反映水动力条件较强,碎屑颗粒分选较差。粒度频率曲线呈单峰态,说明沉积物成分较为单一,在沉积过程中受相对稳定水流作用影响。将其解释为研究区内远离湖盆中心位置,具有较强水动力条件的分流河道沉积。(2)陇县东部,粒度概率曲线呈现三段式,表明沉积物由滚动总体、跳跃总体和悬浮总体构成。图中跳跃总体斜率50°～60°,含量较高,占整体65%～70%,滚动总体含量在15%～20%,悬浮总体含量约为10%。粒度频率曲线表现为双峰式,说明沉积过程中受河流和湖水的综合改造,碎屑颗粒分选较好,推测为河口坝沉积。根据沉积相带分布特征,推测延长组有一个物源是西南向造山带,这与前文认识相符合,也证实了依据粒径变化推断沉积物源方向的正确性。

图4 鄂尔多斯盆地西南部延长组沉积物概率曲线类型

2.5 沉积物源综合分析

通过对鄂尔多斯盆地西南部古流向、砂岩样品碎屑组分、轻重矿物和碎屑颗粒粒度分析,认为延长组沉积物主要有北、东北、东南、南、西南和西北6个输入方向,其中东北、东南、西南为其主要物源方向。结合鄂尔多斯盆地三叠纪晚期构造活动背景可以划分延长期不同时间主要物源输入方向(图5)。

图5 晚三叠世鄂尔多斯盆地西南部及邻区物源输入演化图

晚三叠世早期(长一段沉积期),扬子板块与华北板块还未开始拼合[20-21],宝鸡—武都裂陷槽仍开启,秦祁造山带的剥蚀物质经由此通道流入松潘—甘孜地区,盆地西南部延长组沉积物源主要来自盆地北部岩浆岩体和东北部杂岩。晚三叠世中期(长三段沉积期),两大板块开始拼合,宝鸡—武都裂陷槽开始关闭,盆地南部秦岭造山带开始向研究区输送碎屑物质,此时沉积物源主要来自东北、东南两个方向,其次为西南向。晚三叠世晚期(长五段沉积期),秦岭与祁连造山带拼合,宝鸡—武都裂陷槽完全关闭[22],秦祁造山带成为主开始向研究区提供大量沉积碎屑,沉积物源主要来自南、西南方向。上述分析表明,延长组长一段～长五段物源区存在扩大,这也符合砂岩碎屑组分分析结果,而之所以出现这种变化则与秦祁造山带的活动密切相关。不难发现,本文研究亦存在一定问题,对鄂尔多斯盆地西南部物源的分析只做到了分期分方向的定性研究,对不同物源区提供的沉积碎屑所占百分比未定量化,以期后续学者加以深入探索。