王 珊 任建業(yè) 張云鵬 趙學欽 楊承志

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院 北京 100083;2.中國地質大學構造與油氣資源教育部重點實驗室 武漢 430074; 3.教育部含油氣盆地構造研究中心 武漢 430074;4.中國地質調查局西安地質調查中心 西安 710054; 5.西南科技大學環(huán)境與資源學院 四川綿陽 621010;6.中國地質大學資源學院 武漢 430074)

雞西盆地早白堊世城子河組和穆棱組物源分析①

王 珊1任建業(yè)2,3張云鵬4趙學欽5楊承志6

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院 北京 100083;2.中國地質大學構造與油氣資源教育部重點實驗室 武漢 430074; 3.教育部含油氣盆地構造研究中心 武漢 430074;4.中國地質調查局西安地質調查中心 西安 710054; 5.西南科技大學環(huán)境與資源學院 四川綿陽 621010;6.中國地質大學資源學院 武漢 430074)

充分利用研究區(qū)的野外露頭,特別是露頭所顯示的礫石排列方向和各種層理構造、地震資料、巖芯重礦物資料,系統(tǒng)分析了能夠指示物源方向的4種參數-古水流方向,地震反射特征、重礦物穩(wěn)定系數及組合分異特征、雞西盆地早白堊世沉積特征,結果表明,這4種參數的匹配情況良好,總體顯示城子河組時期盆地大致存在西部和東南部兩個方向的物源,其中西部物源為主要物源區(qū),分別從西北、西部以及西南3個方向供給盆地沉積物,東南部物源區(qū)為次要物源區(qū),影響范圍較小;穆棱組時期基本繼承了城子河組時期的物源體系,只是源區(qū)相對后退,反映出從城子河組到穆棱組為水進和湖盆范圍變大的過程,東南部物源的影響范圍較城子河組時期變大。利用重礦物組合特征進行源區(qū)對比,認為盆地西部物源區(qū)為小興安嶺-張廣才嶺造山帶,盆地東南部物源來自延吉褶皺帶。

雞西盆地 古水流 城子河組 穆棱組 物源分析

0 引言

圖1 區(qū)域地質簡圖(據孟慶龍,2007修改)Fig.1 Simplified geologicalmap of the study area(medified from Meng Q L,2007)

雞西盆地是黑龍江東部中生代重要含煤盆地,整體位于前中生代佳木斯地塊之上,呈NE向展布于敦密斷裂西北側(圖1)。該盆地屬大三江盆地群的范疇,為中生代殘余坳陷盆地與新生代斷陷盆地疊置而成的疊合盆地,具有良好的油氣前景。最新研究表明,早白堊世時期大三江盆地群為統(tǒng)一湖盆[1]①大慶油田有限責任公司勘探開發(fā)研究院。大三江地區(qū)構造沉積演化及盆地恢復研究[R]。內部報告,2010,而城子河組和穆棱組是統(tǒng)一湖盆發(fā)育的兩個重要時期。雞西盆地位于統(tǒng)一湖盆的南部邊緣,并具有良好的露頭、油田施工的地震剖面和鉆井資料。本文試圖通過露頭礫石排列方向、各種層理構造和巖芯重礦物的統(tǒng)計分析,結合地震資料解釋,研究雞西盆地城子河組和穆棱組時期的物源方向和分布。本研究不僅可以進一步深化對大三江統(tǒng)一湖盆南部物源體系的認識,而且對雞西盆地油氣勘探也有實際應用價值。

1 地質概況

雞西盆地位于佳木斯地體的南部邊緣,西部緊鄰牡丹江斷裂,東部與那丹哈達地體群相鄰,東南部為延吉褶皺帶。盆地中部發(fā)育橫貫東西的平麻斷裂及北東向的恒山隆起,將盆地分為南部盆地和北部盆地,南部盆地主要包括恒山隆起、穆棱坳陷和平陽鎮(zhèn)斷陷,北部盆地主要包括雞東坳陷(圖1)。

雞西盆地沉積蓋層主要由下白堊統(tǒng)滴道組、城子河組、穆棱組、東山組,上白堊統(tǒng)猴石溝組、海浪組,古近系永慶組、新近系道臺橋組等組成。其中城子河組(K1ch)和穆棱組(K1m)在盆地坳陷期最為發(fā)育。城子河組以陸相含煤碎屑巖建造為主,全盆廣泛分布,平行不整合于下伏的滴道組之上,巖性組合上主要為灰-灰綠色泥巖、粉砂質泥巖與各粒度砂巖呈不等厚互層,夾雜色砂礫巖及數十層煤,煤系地層發(fā)育是其重要特征;穆棱組與城子河組相似,也以陸相含煤碎屑巖建造為主,全盆廣泛分布,與下伏城子河組呈假整合和局部不整合接觸。巖性整體上以灰白色、灰黑色細砂巖、粉砂巖和灰黑色泥巖不等厚互層為主,夾多層灰綠色凝灰?guī)r及煤層。煤系地層及凝灰?guī)r發(fā)育是該組的重要特征(圖2)。

2 露頭古水流特征

古水流方向的判定主要以本區(qū)砂巖中的板狀斜層理產狀及礫石扁平面的產狀為依據(圖3)。板狀斜層理前積細層面的傾向代表水流方向。疊瓦狀排列的礫石,古流向與疊瓦面的方向相反。

本文將實際測量數據極射赤平投影至吳氏網并進行未變形產狀恢復,古水流恢復結果見圖4。由于測量數據有限,因此文中也引用了前人在該區(qū)的一些研究數據[2,3],從圖4中可以看出,城子河組時期,盆地古水流主要流向北東、北北東和南南東三個方向。在南部接近盆地邊緣的雞D3井附近,古水流方向為自南西至北東,北部盆地雞6井附近古水流方向為自南南西至北北東,至盆地北部邊緣,古水流方向為自北北西至南南東。穆棱組時期,北部盆地古水流的方向與城子河組時期差別不大,以自南西至北東向為主,僅在雞D6井東北部地區(qū)顯示為多個古水流方向的疊加;南部盆地的中部古水流顯示為自南南東至北北西,靠近北部邊緣古水流顯示自南東東至北西西和自西向東兩個優(yōu)勢方向。

圖2 雞西盆地下白堊統(tǒng)地層綜合柱狀圖Fig.2 General stratigraphic and sedimentary sequences of Lower Cretaceous in Jixi Basin

圖3 雞西盆地野外露頭觀察照片a.城子河組礫石定向排列,雞西市穆棱河北岸;b.城子河組斜層理,雞西市穆棱河北岸;c.穆棱組礫石定向排列,雞西-林口縣069縣道旁;d.穆棱組斜層理,雞西市滴道區(qū)309省道北部,電廠東南方向.Fig.3 Photos of field outcrops in Jixi basin

圖4 城子河組和穆棱組古水流方向Fig.4 Paleocurrent direction of Chengzihe and Muling Formation in Jixi Basin

綜合城子河組和穆棱組的古水流特征,推測在城子河組和穆棱組時期物源方向變化不大,主要存在西部、南東和北西三個方向的物源,分別從盆地西部、東南部、北部和恒山隆起區(qū)附近注入盆地。

3 地震反射特征

地震剖面的內部終端反射結構尤其是前積結構具有指示古水流方向的作用。當地層前積方向與地震測線方向大體一致時,地震剖面上的前積反射形態(tài)能夠較為準確地反映地層的前積方向,指示出沉積物在平面上推進的主要方向。因此,通過地震反射特征特別是前積結構的識別,可以指示古水流方向,進而判斷物源方向。

研究區(qū)多條地震剖面上都可識別出城子河組和穆棱組的前積反射結構,北部盆地過雞6井測線兩端顯示為中振幅較連續(xù)發(fā)散狀反射特征,中部顯示為中振幅較連續(xù)亞平行反射特征,可識別出前積和透鏡兩種反射結構,測線北端顯示前積方向為自北向南,南端顯示前積方向為自南向北,總體上表現為由盆地邊緣向中心匯聚的特征(圖5A,a)。南部盆地過雞參1井測線主要是以中振幅較連續(xù)平行-亞平行反射特征為主,僅在雞參1井附近可識別出前積反射結構,根據測線位置推測物源可能來自盆地東南部,并且穆棱組前積范圍較城子河組大,說明城子河組時期盆地東南部物源影響范圍較小,至穆棱組時期該方向物源逐漸加強,影響范圍變大(圖5B,b)。

4 沉積特征

通過對研究區(qū)的野外露頭與巖芯觀察,單井、連井分析與地震資料的綜合解釋,繪制出了雞西盆地城子河組和穆棱組的沉積相圖(圖6,7),從圖6可以看出,城子河組時期整個盆地從西向東,依次由三角洲平原相過渡到濱淺湖相。主要物源來自盆地西部,另外還有一支物源從盆地南部進入,所攜帶沉積物卸載于雞參1井周圍。

圖6 雞西盆地城子河組沉積相圖Fig.6 Sedimentary faciesmap of Chengzihe Formation in Jixi Basin

圖7 雞西盆地穆棱組沉積相圖Fig.7 Sedimentary faciesmap of Muling Formation in Jixi Basin

在穆棱組沉積時期,沉積體系與城子河組時期基本一致,只是沉積范圍擴大,盆地的主體依然是濱淺湖沉積。物源供給繼承了城子河時期的物源供給。由于水體范圍擴大,西部物源后退,而南部的物源沉積范圍擴大,形成了盆地總體以濱淺湖沉積為主,在盆地西南部和中部有三角洲前緣延伸入湖的沉積格局(圖7)。

表1 雞西盆地重礦物統(tǒng)計Table1 Heavy m ineral statistics of Chengzihe and M uling Formation in Jixi Basin

5 重礦物特征

重礦物是指碎屑巖中密度大于2.86 g/cm3的陸源碎屑礦物。按照其抗風化能力的大小,分為超穩(wěn)定、穩(wěn)定、中等穩(wěn)定、不穩(wěn)定和極不穩(wěn)定5種類型。在礦物碎屑搬運的過程中,隨著搬運距離的增加,不穩(wěn)定的重礦物逐漸發(fā)生機械磨蝕或化學分解,含量逐漸減少,而穩(wěn)定重礦物的相對含量逐漸升高。同時,物源區(qū)不同,所包含的重礦物類型也不同。因此可以依據重礦物組合類型和穩(wěn)定系數來確定碎屑巖的母巖性質和物源方向[5～7]。

對研究區(qū)8口鉆井城子河組和穆棱組2個層位的182個樣品采用重礦物代表值法分別進行重礦物特征分析,即用某井同一層位的全部樣品鑒定結果中各重礦物百分含量的算術平均值,來代表該點該層位重礦物組合類型和百分含量[8]。求取代表值的樣品數越多,其代表性越強。為了保證統(tǒng)計結果的準確性,本文全部使用巖芯資料,絕大多數代表值的求取都使用了10個以上的樣品,以求能夠可靠反映其重礦物總體特征。

研究區(qū)內共鑒定出陸源重礦物16種(表1),其中超穩(wěn)定重礦物和穩(wěn)定重礦物有鋯石(3.63%～ 51.72%)、電氣石(0.04%～2.40%)、白鈦石(2.05%～15.90%)、石榴子石(0～10.59%)、鈦鐵礦(0～10.73%)、磁鐵礦(0～5.49%)等。中等穩(wěn)定、不穩(wěn)定和極不穩(wěn)定重礦物有黑云母(0.08%～ 43.95%)、綠泥石(0.07%～21.14%)、綠簾石(0～ 28.44%)、磷灰石(0～12.1%)等。

5.1 穩(wěn)定系數分析

重礦物穩(wěn)定系數是穩(wěn)定型重礦物相對含量與不穩(wěn)定型重礦物相對含量的比值[8,9]。穩(wěn)定系數越高,礦物成熟度越高,離物源越遠,反之,穩(wěn)定系數越小,礦物成熟度越低,搬運距離越短。因此可以利用穩(wěn)定系數大致確定其搬運方向及搬運距離。

(1)平面分布

根據研究區(qū)的重礦物類型,分別計算出城子河組和穆棱組各井的重礦物穩(wěn)定系數(表2),并結合古水流方向和地震前積方向作出穩(wěn)定系數等值線圖(圖8)。從表2中可以看出,城子河組時期穩(wěn)定系數普遍較小(0.2～2.4),說明搬運距離都較短。由圖8可得,北部盆地自南向北穩(wěn)定系數逐漸增大,推測物源方向大致應為由南向北。南部盆地的北部邊緣自北向南穩(wěn)定系數逐漸升高,推測物源方向應為由北向南,同時,在西部邊緣自西向東穩(wěn)定系數逐漸增高,物源方向應為由西向東。

表2 城子河組和穆棱組各井重礦物穩(wěn)定系數Table2 Stability coefficient of the wells in Chengzihe and Muling Formation

圖8 城子河組和穆棱組重礦物穩(wěn)定系數等值線圖Fig.8 The stability coefficient isopach map of Chengzihe and Muling Formation

穆棱組時期穩(wěn)定系數較城子河組時期高,除雞D3井穩(wěn)定系數較大,為6.1以外,其余各井穩(wěn)定系數分布在0.4～1.6之間(表一)。該時期,盆地基本延續(xù)了城子河組的物源方向,只是影響范圍有所變化(圖8)。

(2)垂向分布

對雞D6、雞6、雞1、雞D3、雞參1井城子河組和穆棱組穩(wěn)定系數做柱狀對比圖(圖9),從圖中可以看出,雞D6、雞6、雞1、雞D3井從城子河組到穆棱組穩(wěn)定系數均增大,其中雞D3井增大的最多;只有雞參1井穩(wěn)定系數明顯減小。究其原因,可能是穆棱組時期,整體湖盆擴大,盆地西北部(雞D6、雞6),西部(雞1)、西南部(雞D3)物源區(qū)相對退后,搬運距離變長所致,特別是雞D3井附近,穩(wěn)定系數明顯增大,表明源區(qū)相對于沉積盆地退幅較大。盆地東南部(雞參1)附近,結合地震剖面,存在的東南部物源影響范圍變大,至穆棱組時期已影響到雞參1井附近,故表現為穩(wěn)定系數減小。

以上研究表明,穆棱組時期湖盆范圍擴大,物源繼承了城子河組時期的供給,西部物源相對于沉積盆地后退,但是盆地東南部物源影響范圍較城子河組時期明顯變大。

圖9 雞西盆地部分井城子河組和穆棱組重礦物穩(wěn)定系數對比圖Fig.9 Stability coefficient comparison chart in Chengzihe and Muling Formation of Jixi Basin

5.2 重礦物組合類型

碎屑沉積物中重礦物的總體特征取決于母巖的性質、水體的動力條件和重礦物的搬運距離[9]。在物源相同、古水流體系一致的碎屑沉積物中,碎屑重礦物的結合具有相似性;而母巖不同的碎屑沉積物則具有不同的重礦物的組合(表3)。因此重礦物種類、組合類型及其變化可反映沉積物物源、源區(qū)巖石類型及沉積搬運路徑。

此次采用了Q型聚類分析進行重礦物組合分區(qū),即通過確定樣本間的相似程度而對樣本進行分類[5,10]。在確定各地區(qū)的重礦物組合類型時,運用了多元統(tǒng)計中的因子分析法。

圖10 城子河組時期重礦物組合特征Fig.1 0 Heavymineral assemblage characteristics of Chengzihe Fomation

圖11 穆棱組時期重礦物組合特征Fig.1 1 Heavymineral assemblage characteristics of Muling Fomation

表3 不同母巖的重礦物組合(據何玉平,2006)Tab le 3 Heavy m ineral assem blage in different parent rocks (after He Yunping,2006)

通過分析,將城子河組時期盆地大致劃為西南部(主要由雞1、雞參1、雞2、雞D3井控制)和西北部(由雞6井控制)2個重礦物組合區(qū)。西南部組合區(qū),重礦物以鋯石、磁黃鐵礦、白鈦石、黑云母為主,其次為磁鐵礦、磷灰石、綠泥石。利用因子分析的方法,并結合各種礦物的百分含量可確定該地區(qū)主要重礦物組合為:鋯石-磁鐵礦-石榴子石、鈦鐵礦-白鈦石-綠泥石-黑云母。第一種類型的重礦物組合是該地區(qū)的主要類型。兩種類型的組合反映的母巖類型均為中高級變質巖和中基性巖漿巖(圖10,表3)。西北部雞6井主要的重礦物組合類型為磁黃鐵礦-鋯石-白鈦石,其中磁黃鐵礦含量極高,為低級變質巖(圖10,表3)。

將穆棱組時期盆地大致劃為西部(由雞1、新雞D2、雞6、雞D3、雞D6井控制)和東南部(由雞參1井控制)2個重礦物組合區(qū)。西部組合區(qū),重礦物以鋯石、磁黃鐵礦、白鈦石、黑云母、綠泥石、綠簾石為主,其次為鈦鐵礦、石榴子石、綠泥石、磷灰石。利用因子分析的方法,確定該地區(qū)主要重礦物組合為:鋯石-磁鐵礦-石榴子-磷灰石,反映母巖類型為中高級變質巖、酸性侵入巖和中基性巖漿巖,次要重礦物組合為:白鈦石-綠泥石-綠簾石-黑云母,反映母巖類型為中高級變質巖和低級變質巖(圖11,表3)。東南部雞參1井主要的重礦物組合類型為黑云母-鋯石-鈦鐵礦-磷灰石-磁黃鐵礦-磁鐵礦,反映母巖類型為中基性巖漿巖和中酸性巖漿巖(圖11,表3)。

6 物源分析

通過古水流、地震剖面、沉積相并結合重礦物組合特征,認為城子河組和穆棱組沉積時期盆地大致存在西部和東南部兩個方向的重要物源。其中西部物源又分別從西北、西部和西南3個方向注入盆地。具體表現為:

(1)城子河組時期,古水流、地震剖面及沉積相圖顯示物源主要來自盆地西北、西部和西南部地區(qū),總體呈自西向東向盆地內推進,其中西部物源自恒山隆起一帶進入盆地后向兩邊撒開,分別進入南部盆地和北部盆地。盆地東南部也存在一個物源,但是影響范圍相對較小。通過重礦物組合確定南部盆地母巖類型主要為中高級變質巖和中基性巖漿巖;北部盆地雞6井附近母巖類型主要為低級變質巖。對比發(fā)現該母巖巖性與張廣才嶺造山帶基本一致,說明西部物源主要來自小興安嶺-張廣才嶺造山帶。同時,重礦物組合特征未顯示出盆地存在東南部物源,但地震剖面上已有前積結構顯示(圖5B),因此,推測是由于城子河組時期該方向的物源尚未影響到控制井位。

(2)穆棱組時期,古水流、地震剖面及沉積相圖顯示該時期物源基本繼承了城子河組時期的物源供給,盆地仍存在西部和東南部兩個主要物源。重礦物組合特征顯示,盆地西部的母巖類型主要為中高級變質巖、低級變質巖、酸性侵入巖和中基性巖漿巖,這與小興安嶺-張廣才嶺造山帶一致,因此,盆地西部物源主要由小興安嶺-張廣才嶺造山帶提供。而盆地東南部母巖類型為中基性巖漿巖和中酸性巖漿巖,通過對比認為盆地東南部物源主要來自延吉褶皺帶。并且在該時期,從地震剖面和鉆井重礦物特征上發(fā)現該方向上的物源對盆地的影響從城子河組至穆棱組逐步擴大,最遠可延伸至雞參1井附近。

7 討論

通過斜層理、礫石扁平面產狀、地震剖面的反射特征,比如前積結構等可以判斷古水流方向,進而判斷物源方向;通過沉積相展布規(guī)律也可推斷盆地物源方向。而根據重礦物類型及組合特征等可以確定母巖巖性,進而確定物源區(qū),雖然碎屑巖中的重礦物在搬運、沉積和成巖過程中往往會受到多種因素的影響,而重礦物的組合特征也受多種地質因素影響,但其仍可反映物源的分布[11,12]。本文通過重礦物組合確定盆地西部的母巖類型主要為中高級變質巖、低級變質巖、酸性侵入巖和中基性巖漿巖,而盆地西部的張廣才嶺造山帶是古生代時期形成的一條長達800 km的具陸緣島弧性質的構造雜巖帶[13]。其基底巖系新元古代張廣才嶺群為一套淺變質的陸源碎屑巖-碳酸鹽巖-中基性火山巖建造。晚古生代-早中生代地層包括晚石炭世唐家屯組、早二疊世青龍屯組、晚二疊世五道嶺組和中侏羅世太安屯組。唐家屯組巖性以強片理化酸性、中酸性火山巖為主,夾少量中性火山巖及片理化變質的正常沉積巖。青龍屯組巖性以中、基性火山巖為主夾凝灰砂巖及凝灰質板巖組合。五道嶺組下部中性火山巖段以中性火山巖為主;上部酸性火山巖段以酸性火山巖為主,兩段均夾中酸性火山巖及正常沉積巖薄層。太安屯組下段以凝灰質砂巖、凝灰質礫巖及正常沉積巖為主夾中、酸性火山巖;上段以中性-酸性熔巖為主夾沉積巖[14]。因此,雖然通過古水流和地震剖面發(fā)現西部存在西北、西部和西南3個方向的物源,但通過巖性對比發(fā)現,這幾個物源方向的母巖性質與張廣才嶺造山帶基本一致,說明西部3個方向的物源都主要來自張廣才嶺造山帶。而盆地東南部的母巖類型為中基性巖漿巖和中酸性巖漿巖,根據前人資料,在吉林東部延褶皺帶大面積出露中生代火山巖,且根據巖性特征可分為三個火山噴發(fā)旋回,各旋回火山巖均屬SiO2過飽和的中基性-中酸性巖類[15]。盆地東南部母巖類型與其相吻合,因此盆地東南部物源主要來自延吉褶皺帶。

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Provenance Analysis of Chengzihe and M uling Formation in Jixi Basin,Northeastern China

WANG Shan1REN Jian-ye2,3ZHANG Yun-peng4ZHAO Xue-qin5YANG Cheng-zhi6
(1.Research Institute of Petroleum Exploration&Development,Beijing 100083; 2.Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources of M inistry of Education,China University of Geosciences,W uhan 430074; 3.Structural Research Center of Oil&Gas Bearing Basin,M inistry of Education,W uhan 430074; 4.Xi'an Center of Geological Survey,China Geological Survey,Xi'an 710054; 5.School of Environmental Resource and Engineering,Southwest University of Science and Technology,M ianyang Sichuan 621010; 6.Faculty of Earth Resources,China University of Geosciences,W uhan 430074)

The field outcrops,especially the arraying direction of gravel and various bedding structures revealed by the outcrops,seismic data,core and heavymineral data have been fully used to analyze the four key parameters that indicate the paleo-provenance direction,which include paleocurrent directions,structural features of seismic reflection,stability coefficient,differentiation characteristics of heavy mineral assemblage and the sedimentary characteristics of Jixi basin.Comprehensive studies show that the four parametersmatch well.There were mainly two provenances located in thewestand southeastof the basin,respectively,in Chengzihe Formation.The west provenancewas themain one,which provided sediments from the northwest,west and southwest to Jixi basin,and gradually headed eastwhile divided into two branches at Hengshan uplift,entered the south and north part of the basin,respectively.After analyzing depositional system of heavyminerals and comparing the types of circumbasin parent rock,west provenance was thought to be primarily from the orogenic belt of Xiaoxingan-Zhangguangcai Range.Progradation configuration in the seismic profiles pointed out that upon the southeast of the basin there existed another subordinate provenance with less influence,which was considered to be the secondary provenance.During the period of Muling Formation,the paleocurrent characteristics revealed that themain traits formed in Chengzihe Formation weremostly inherited,i.e.the basin still had two separate provenances,but the provenances relatively retreated,showing transgression from Chengzihe to Muling Formation,meanwhile,the range of the lake basin became larger.The southwest provenance had a bigger impactarea compared with Chengzihe Formation.The features of heavymineral assemblage reflected that the types ofmother rock from the west part of the basin were consistent with orogenic belt of Xiaoxingan-Zhangguangcai Range,which indicated that the west provenancemainly came from the aforementioned orogenic belt, while themother rock types from southeast site were consistentwith Yanji fold belt,illustrating that southeast provenancemainly came from it,gradually augmented its influence on development of Jixibasin from Chengzihe Formation to Muling Formation.

Jixi Basin;paleocurrent;Chengzihe Formation;Muling Formation;provenance analysis

王珊 女 1986年出生 碩士研究生 石油地質 E-mail:wangshanchina@163.om

P512.2

A

1000-0550(2012)04-0661-11

①國家重大科技專項(編號:2009ZX05009-001)資助。

2011-06-22;收修改稿日期:2011-10-18