松遼盆地十屋斷陷十屋地區營城組物源體系探討

操應長 周 磊 張玉明 陳孔全 謝正霞

(1.中國石油大學地球資源與信息學院 山東青島 266555;2.中國石油化工股份有限公司東北油田分公司 長春 130026)

松遼盆地十屋斷陷十屋地區營城組物源體系探討

操應長1周 磊1張玉明2陳孔全2謝正霞2

(1.中國石油大學地球資源與信息學院 山東青島 266555;2.中國石油化工股份有限公司東北油田分公司 長春 130026)

在綜合分析碎屑顆粒組分、重礦物組合、砂礫巖展布和地層傾角測井等資料的基礎上,探討了十屋斷陷十屋地區營城組沉積時期的物源體系特征和分布。碎屑顆粒組分和重礦物分析能指示物源區母巖類型和碎屑物質的搬運方向,砂礫巖展布能指明了碎屑物質的搬運方向和搬運途徑,地層傾角測井則指示了古水流的方向。結果表明,十屋地區營城組存在三大物源體系,分別是西北方向以沉積巖和巖漿巖為母巖的西北物源體系、以巖漿巖為母巖的北部斜坡物源體系和以巖漿巖、變質巖為母巖的東部斜坡物源體系,三大物源體系共同控制了十屋地區營城組沉積時期砂體的形成和分布,并且形成了“多物源混源沉積、各物源源間存異、各時期繼承發育”的沉積格局。

碎屑顆粒組分 重礦物 古水流 多物源分析 營城組 松遼盆地

0 前言

十屋斷陷為松遼盆地東南隆起區的次一級構造單元,是晚侏羅世以來發育而成的獨立生烴凹陷[1,2]。十屋地區位于十屋斷陷中央構造帶中部(圖1),中央構造帶北陡南緩,自東北向西南傾沒于深凹之中,在斷層作用下與烴源巖相連,具備了優越的油氣成藏條件,是有利的油氣聚集區[3-5]。十屋地區的油氣勘探已有一段歷史,其探明儲量主要分布在中淺層登婁庫-泉頭組,而近些年來在深層特別是營城組也取得重大突破,十屋8、十屋11、松南167等井均獲工業油氣流,顯示了該區深層豐富的油氣資源和勘探前景。但十屋斷陷地質情況十分復雜,加之該區深層勘探程度較低,基礎地質研究薄弱,特別是對物源問題認識不深入。因此,開展物源體系的研究,對該區的油氣勘探開發和部署均具有十分重要的意義。

十屋斷陷由于其構造格局及形成演化受松遼盆地的整體構造運動及應力場作用,具有斷陷構造層和坳陷構造層的雙層結構特征,其中斷陷構造層自下而上沉積了火石嶺組(J3h)、沙河子組(K1sh)、營城組(K1yc)、登婁庫組(K1d)等地層[1,2]。營城組自上而下劃分了營一、營二至營五段等五個砂層組(圖1),地層以中厚層灰色、灰黑色泥巖與薄層淺灰色、灰色細砂巖、中砂巖、粗砂巖互層為特征。前人研究認為十屋盤地斷陷期在區域上存在北部、東部和西部三個物源區[2,6],受這三個物源體系的影響,發育多種沉積體系并形成了復雜的空間展布:有沖積扇、扇三角洲、水下扇、湖底扇、辮狀河三角洲和曲流河三角洲等不同沉積相類型[1,3,6,7]。而對于十屋地區的物源研究較少,營城組沉積時期是否也存在三個物源體系,三個物源體系特征如何等問題需要進一步研究。本文擬通過沉積物中巖石碎屑顆粒組分、重礦物組合、砂礫巖展布及地層傾角測井等資料的綜合分析,對十屋地區營城組沉積時期的物源體系及其古水流方向進行研究,為十屋地區營城組主力含油層系的沉積相和儲層研究提供依據。

1 多物源沉積區的物源體系分析

多物源沉積區是不同類型母巖碎屑物質的混合沉積,各種表征物源特征的參數(如碎屑組分含量、重礦物類型、化學元素等)在沉積區的分布往往雜亂無章,尚無明確規律可循,進行物源區帶劃分難度較大。例如盆地內遠離物源區的盆地中心部位沉積物很可能是來自盆地周圍的多個物源區,其物源方向的判定難度就遠大于靠近物源的盆地周邊地區[8]。

十屋斷陷為受控于西部桑樹臺控盆斷裂的西段東超的箕狀結構,盆地內部可劃分出西部陡坡帶、北部斜坡帶、中央背斜構造帶、東部斜坡帶和雙龍次凹等五個二級構造帶(圖1),十屋地區位于中央構造帶的中部,南北緊鄰東部斜坡帶和北部斜坡帶,其沉積可能受北部、東部等物源體系影響[2、6、7],屬于多物源體系控制下的混源沉積。為此,根據研究區地質資料豐度和分布,重點選擇了碎屑巖中碎屑顆粒組分,主要包括石英、長石等輕礦物、巖屑、重礦物等,采取數學統計聚類分析的方法[9],對多物源體系控制下的不同來源物質組分進行分離,進而確定各物源體系分布及其古水流方向。

圖1 十屋地區構造位置及地層柱狀圖Fig.1 Tectonic location map and stratigraphic column of Shiwu area

1.1 碎屑顆粒組分分析

碎屑巖中的石英(Q)、長石(F)和巖屑(R)是主要的碎屑顆粒組分,來源于母巖風化的產物,能有效地反映物源區母巖性質和沉積物特征[10、11]。在多物源沉積區,某一時期的沉積物往往是多個物源碎屑物質的混合,不同物源的碎屑物質類型和含量往往存在差異,而且即使來自同一物源的碎屑物質也會由于不同風化環境或風化期次而存在差異。因此,僅僅通過某一時期內沉積物碎屑顆粒組分的平均類型和平均含量來判斷物源得到的只是多物源或多期次沉積的綜合特征,并不能將單一物源或單一期次的物源特征區分開來,所以需要先對沉積物的碎屑顆粒組分進行同物源或同時期的分類,然后逐個分析各類碎屑組分特征進而判定物源。以十屋地區SN167井營三段樣品為例(表1),可以發現各樣品碎屑顆粒組分的類型和含量在不同深度存在明顯差異,因而不能將這些樣品做簡單的無差別統計。圖2為對這些樣品進行Q型聚類分析后得到的相關性圖譜,可以發現,所有樣品被分成三類:第一類樣品中石英含量較低,長石和巖屑含量較高,巖屑類型以巖漿巖為主;第二類樣品石英含量較高,巖屑含量較少且主要為巖漿巖和變質巖巖屑;而第三類樣品石英、長石、巖屑含量基本相當,巖屑類型則沉積巖、巖漿巖和變質巖巖屑均有。根據同一物源在同一期次內提供的碎屑物質其碎屑顆粒組分和含量具有一定相似性的原理,由此可說明SN167井營三段沉積物可能來自三個不同的物源體系或同一物源體系的不同期次。

表1 十屋地區SN167井營三段碎屑顆粒組分含量Table1 Characteristics of detrital components of the 3rd member in Yingcheng Formation(Well SN167)in Shiwu area

圖2 十屋地區SN167井營三段巖石碎屑顆粒組分Q型聚類圖Fig.2 Hierarchy of the Q-mode clustering procedure of detrital components of the 3rd member in Yingcheng Formation in the well of SN167 in Shiwu area

按照上述處理方法,對研究區營三段33口井的碎屑顆粒組分進行聚類分析,得到不同井不同物源或不同期次下樣品的碎屑顆粒組分特征,具有相同碎屑顆粒組分特征的樣品歸為同一類,可判斷其來自同一物源或同一期次物源產物,然后分析同一類樣品的成分成熟度QFR指數(=Q/(F+R))分布趨勢,沿碎屑物質搬運方向成分成熟度增加,由此便可追溯出物源方向。根據碎屑顆粒組分的類型差異,所有樣品可分為三種類型:Ⅰ類樣品碎屑顆粒組分的石英含量較低,長石和巖屑含量較高,巖屑類型以巖漿巖為主,通過計算各井的成分成熟度可發現,該類型樣品成熟度分布呈現自北向南增高的趨勢(圖3A);Ⅱ類樣品石英含量較高,巖屑含量稍低,巖屑以巖漿巖和變質巖巖屑為主,成熟度分布自東南向西北方向增高(圖3B);Ⅲ類樣品石英和長石含量較高,巖屑含量少,且巖屑類型主要為沉積巖和巖漿巖,偶有變質巖,成熟度分布自西北向東南方向增高(圖3C)。由此可確定十屋地區營三段沉積時期存在三個方向物源體系,分別是“低石英、高巖漿巖巖屑”的北部物源體系,“高石英、低巖漿巖和變質巖巖屑”的東部物源體系以及“高石英、低沉積巖和巖漿巖巖屑”的西北物源體系。來自這三個方向物源的碎屑物質在研究區大面積交匯(圖3D),形成該區多物源混源沉積的特征,SN167井的碎屑顆粒組分類型和含量的多樣性也正好說明這一點。

圖3 十屋地區營三段碎屑顆粒組分QFR指數等值線圖(A、B、C)及物源分區圖(D)Fig.3 Contourmap of QFR index of detrital components(A,B,C)and provenance zoning plan(D)of the 3rd member in Yingcheng Formation in Shiwu area

依次對研究區其它層位進行物源分析并對比,發現從營五段至營二段物源方向基本一致,各時期物源體系呈繼承性特征,并且同時期不同物源體系間的碎屑物質差異特征也類似。營一段沉積時期物源方向與營二段時期發生改變,“低石英、高巖漿巖巖屑”的物源體系為自南向北,“高石英、低巖漿巖和變質巖巖屑”的物源體系由西南向東北方向,“高石英、低沉積巖和巖漿巖巖屑”的物源仍為西北方向,出現這一現象可能是由于營一段局部地層受剝蝕嚴重致使樣品數量和分布有限,不足以真實反映其物源發育狀況,因此還需配合其他方法加以驗證。

1.2 重礦物分析

重礦物是指碎屑巖中密度大于2.86 g/cm3的陸源碎屑礦物,由于在成巖過程中的穩定性,其種類和含量特征可指示物源母巖的性質。根據重礦物的穩定性可將其劃分為超穩定重礦物,如金紅石、鋯石、電氣石;穩定礦物,如磷灰石、石榴石(少鐵)等;中等穩定礦物,如綠簾石、榍石、石榴石(富鐵)等等;不穩定礦物,如角閃石、輝石等;超不穩定礦物,如橄欖石[12、13]。穩定重礦物抗風化能力強,隨著搬運距離的增加,穩定重礦物的含量增加,其含量越高,表明沉積物成熟度越高,而不穩定重礦物的含量和種類則逐漸減少。ZTR指數是指鋯石(Zircon)、電氣石(Tourmaline)和金紅石(Rutile)三種重礦物的重量之和在透明重礦物中所占的比例。ZTR指數是判別碎屑巖成分成熟度的一個重要指標。而碎屑巖的成分成熟度反映了碎屑組分所經歷的地質作用,因此可以用ZTR指數來判定碎屑組分的搬運歷史和搬運方向, ZTR指數增大的方向代表著碎屑物質的搬運方向[14-16]。

圖4 十屋地區營三段重礦物分布圖(A)及其ZTR指數等值線圖(B)Fig.4 Distribution of heavyminerals(A)and contourmap of ZTR index(B)in the 3rd member of Yingcheng Formation in Shiwu area

對研究區營三段13口井重礦物資料統計,結果表明重礦物類型主要為鋯石、石榴石、綠簾石,另有一定含量的磁鐵礦、電氣石、綠泥石、云母等,反映了多母巖類型、超穩定-中等穩定重礦物的組合特征。由于研究區重礦物資料較少且層位分布局限,重礦物含量和組合特征分布較零散(圖4A),但總體來說仍可大致劃分出3個重礦物組合區:即北部的“鋯石高含量區”、東部的“鋯石+石榴石+綠簾石組合區”以及西北方向的“鋯石+石榴石組合區”,其中北部組合區鋯石含量高達70%～80%,其它重礦物含量較少;東部組合區重礦物含量變化大,鋯石含量介于5%～ 50%,石榴石含量為15%～50%,綠簾石含量為20% ～60%;西北部組合區鋯石含量為30%～50%,石榴石含量為35%～70%,其它重礦物含量較少。表明研究區存在三個物源體系,而且從各區重礦物組合的ZTR指數看,北部組合區的ZTR指數為向南增大的變化趨勢,東部組合區ZTR指數向西北方向增大,而西北部組合區ZTR指數向東南方向增大(圖4B)。如此可以確定十屋地區營三段沉積時期存在北部、東部和西北部三個不同方向的物源體系,各物源物質在研究區中部交匯混合,這與碎屑顆粒組分分析得出的物源交匯區相一致。同樣對營城組其它重礦物資料較豐富的層位進行統計分析,結果均表明研究區存在北部、東部和西北部三個方向的物源,各物源在不同時期的重礦物組合特征基本一致。

圖5 十屋地區營三段砂礫巖百分含量分布圖Fig.5 Distribution of sand bodies percentage composition of the 3rd member in Yingcheng Formation in Shiwu area

1.3 砂礫巖百分含量和古水流方向分析

砂礫巖百分含量是判別沉積物來源和沉積體系特征的重要標志[16],盆地邊緣靠近物源區砂礫巖最發育,向盆地內變薄減少,沿古水流方向砂礫巖百分含量降低,其反方向即指示物源方向。

通過對研究區90多口井的巖性統計,繪制了十屋地區各層位的砂礫巖百分含量等值線圖。從圖5可以看出十屋地區營三段沉積時期存在四個砂礫巖含量高值區,表明可能存在四個物源區。砂礫巖高值呈長條狀分布,沿物源方向砂礫巖百分含量降低,在研究區中部由于沉積物發生交匯,在局部地區又形成了砂礫巖高值區。在這四個方向物源中,以來自西北部物源和南部物源的沉積體系較為發育,砂巖高值區含量在35%以上,在交匯區SN17井附近砂巖含量可達50%;北部物源居次,砂巖百分含量高值僅30%左右;東部物源無明顯高值區,但在SW9井中出現一定含量礫巖,向西則無礫巖沉積,表明東部有碎屑物質供應并向西推進。根據研究區古地貌特征可知東部和南部物源方向均指示同一物源即東部斜坡物源區,這一結果與碎屑顆粒組分和重礦物分析的結論相吻合。還可以發現,這三個物源中以東部物源發育的沉積范圍最廣,北部物源和西北部物源沉積范圍較局限。

針對利用碎屑顆粒組分法得出的營一段西南方向物源在該時期的砂礫巖百分含量分布圖中并無顯示,砂礫巖百分含量呈現自東南向西北方向降低,所以其合理解釋應是東部斜坡在片物源影響下沿斜坡形成的不同沉積方向。而且研究區北部依舊存在砂礫巖含量高值區,向南砂礫巖百分含量降低,說明營一段仍發育有北部物源,這一結果對上述兩種方法做了必要的補充。

利用地層傾角測井中藍模式能識別出砂巖層理的產狀,進而確定古水流方向[17]。通過繪制各井地層傾角矢量頻率圖(圖5),發現SW107、SW108、SW109顯示東南和西南方向古水流,反映這三口井存在以北為主方向的物源;SW8和SW801井顯示東西向和南西方向水流,反映了東部物源的存在;雖然SW7井顯示為自南向北的古水流方向,正好也說明東部物源向西北方向沉積。所以,地層傾角測井很好的印證了砂礫巖百分含量的古水流方向。

2 十屋地區物源體系特征

十屋斷陷由于構造地形特殊,在斷陷沉積時期整個盆地范圍內存在三個大的物源體系,分別是西部陡坡帶物源體系、北部斜坡物源體系區和東部斜坡物源體系[6]。而在營城組沉積時期盆地西部為半深湖-深湖沉積區,西部陡坡帶物源在西部形成了湖底扇、水下扇沉積[1、5、7],其碎屑物質難以搬運至中央隆起帶;盆地西北部發現有物源供給并在皮家地區成了扇三角洲沉積,該物源的碎屑物質則有可能達到十屋地區[6、18];盆地北部和東部斜坡物源鄰近沉積區,則更可能會對研究區有碎屑物質提供。

結合上述物源分析的結果和十屋斷陷區域物源的位置,可以判定十屋地區營城組沉積時期存在有三大物源體系,共存在北部斜坡物源體系、東部斜坡物源體系和西北部物源體系。對比這三大物源體系,可以發現不同物源的母巖類型及其發育的沉積物特征存在明顯差異:北部斜坡物源體系碎屑顆粒組分特征為低石英、高巖屑含量,巖屑中以巖漿巖占巖屑絕對優勢,重礦物組合以高鋯石含量為特征,指示母巖類型以巖漿巖為主,由于研究區緊鄰北部物源,成分成熟度低,次穩定重礦物含量多,反映為近物源沉積;東部斜坡物源體系碎屑顆粒組分特征為高石英含量,低巖漿巖、變質巖巖屑含量,重礦物組合為鋯石+石榴石+綠簾石,指示物源區母巖類型以巖漿巖和變質巖為主,巖漿巖可能來自火石嶺組和沙河子組時期的火山活動,變質巖則來源于盆地的變質巖基底[2、19]。該物源為成熟度較高的中等距離沉積,且沉積范圍較其它兩個物源的沉積范圍更廣;西北部物源的碎屑顆粒組分以高石英含量、低沉積巖和巖漿巖巖屑含量,偶有變質巖巖屑為特點,重礦物組合為鋯石+石榴石,指示物源區母巖類型以沉積巖和巖漿巖為主,巖漿巖來自沙河子組時期的火山噴發,沉積巖來源則可能是盆地早期形成的沉積巖。西北部物源的碎屑物質沉積區則反映成分成熟度高、穩定重礦物相對富集的遠源沉積特征;

對研究區營城組其它沉積時期物源分別進行分析,對比不同時期的物源體系演化特征發現,從營五段到營一段各時期發育的物源特征基本一致,均存在西北部、北部和東部三個物源體系,后一時期物源體系與前一期物源體系呈繼承性關系。綜上所述,十屋地區營城組沉積時期共存在北部斜坡物源、東部斜坡物源和西北部物源三大物源體系,三大物源體系共同控制了十屋地區營城組沉積時期砂體的形成和分布,并且形成了“多物源混源沉積、各物源源間存異、各時期繼承發育”的沉積特征。

3 結論

運用聚類分析的統計方法,對巖石碎屑顆粒組分進行先劃分物源類別,再確定物源方向的主要方法,并結合重礦物ZTR指數、砂礫巖百分含量分布和地層傾角等物源分析資料,對具有多物源混源沉積特點的十屋地區營城組物源體系進行了綜合分析,認為研究區營城組沉積時期在盆地內存在三大物源體系,分別是北部斜坡物源體系、東部斜坡物源體系和西北方向的西北物源體系,其中北部斜坡物源體系母巖類型以巖漿巖為主,緊鄰沉積區形成低成熟度的近源沉積特征;東部斜坡物源體系母巖類型以巖漿巖和變質巖為主,離沉積區較遠,形成成熟度中等、超穩定-中等穩定重礦物富集的中遠距離沉積特征;西北部物源體系母巖類型以沉積巖和巖漿巖為主,其碎屑物質經長距離搬運形成高成熟度、超穩定重礦物富集的遠源沉積特征。三個方向物源的碎屑物質在研究區發生大面積交匯,其中以東部斜坡物源發育的沉積范圍較廣,它們共同控制了十屋地區營城組沉積時期砂體的形成和分布,并且形成了“多物源混源沉積、各物源源間存異、各時期繼承發育”的沉積格局。

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Discussion on Provenance Systems in Yingcheng Formation in Shiwu Area of Shiwu Fault Depression,Songliao Basin

CAO Ying-chang1ZHOU Lei1ZHANG Yu-ming2CHEN Kong-quan2XIE Zheng-xia2
(1.College of Geo-Resources and Information,China University of Petroleum,Qingdao,Shandong 266555; 2.Northeast Company,SINOPEC,Changchun 130026)

Several provenances deposition is the result ofmixed deposition of detritalmaterials that came from different provenances and different types of parent rocks.Wemay neglect the diversity of different provenances ifwe simply analyse the indexes that can indicate the characteristic ofmother rock by calculating the average value.So we should classify the sampleswhich belong to the same provenance at first,then analyze the direction and characteristics of every provenance.

This article discussed the provenance system characteristics of Yingcheng Formation in Shiwu fault depression by comprehensive analysis of clastic grain combination,heavy minerals combination,sandy conglomerate distribution, dip logging and othermaterials.Clastic grain combination can indicate parent rock characteristics of the provenance area,and clastic grain maturation can help to distinguish the transportation direction of fragmentarymaterial.The au-thors determined three kinds of provenances by classification of the same provenance for clastic grain combinationmaterials of all wells in the study area.The samples of the first kind provenance have the characteristics of“low quartz content,high feldspar and cuttings content,andmagmatite is themain cuttings type”;the samples of the second kind provenance have the characteristics of“high quartz content,low cuttings content,and magmatite and metamorphic are themain cuttings types”;the samples of the third kind provenance have the characteristics of“quartz,feldspar, and cuttings'contents are nealy the same,and sedimentary and magmatite rock are themain cuttings types”。Then the three provenance directions above have been determined,and the resultare northern provenance,eastern provenance, and northwest provenance respectively。

Heavy minerals analysis is also one of themethods of study provenance direction and parent rock characteristics.Three heavy minerals combination areas have been identified by heavy minerals content statistics and combination classification of study area.There are“high zircon content area”in the north,“zircon,garnet,and green shade stone combination area”in the east,and“zircon and garnet combination area”in the westnorth.They stand for the three provenance systems,respectively.These areas indicated that there were three provenance systems exist in Yingcheng Formation of Lishu area。

The transport direction and path of detritalmaterial that derived from provenance can be pointed out by analyzing sand bodies distribution characters,and the palaeo-current can be indicated by dipmeter.It were found that there were high content regions of sandy conglomerate in the north,the east and the northwestof the research area,and the direction of sandy conglomerate content declining was the same as the direction of palaeo-current that indicated by dipmeter.The results confirm three provenances which have been identified by analysis all above

After analyzing all above,three provenance systems were identified in Shiwu area of Yingcheng Formation.The mother rock in the northwest provenance system are sedimentary rocks and magmatic rocks,mother rock in northern slope provenance ismagmatic rocks and mother rock in eastern slope aremagmatic rocks andmetamorphic rocks.The forming and distribution of sand bodies in Yingcheng Formation of Shiwu areawere jointly controlled by the three provenances all above.Consequently,hybrid sedimentation were formed under the control of“multi-provenance,differences existed between each other provenance,and the characteristics of every provenancewere inherited between each phase”in Shiwu area。

provenance analysis;clastic particles component;heavy minerals;palaeo-current;Yingcheng Formation;Songliao Basin

操應長 男 1969年出生 博士 教授 沉積學 E-mail:caoych@upc.edu.cn

P512.2

A

1000-0550(2011)06-1096-09

2010-12-08;收修改稿日期:2011-01-15