鄂尔多斯盆地南部石盒子组盒8下段砂岩物源分析

马尚伟,魏 丽,赵 飞,尹小龙,陈红锦

(1.中国地质调查局 西安地质调查中心,陕西 西安 710054; 2.陕西省地质调查规划研究中心(陕西省地质勘查基金中心),陕西 西安 710068; 3.中国石油长庆油田分公司 第一采气厂,陕西 靖边 718500; 4.中国地质大学(武汉) 资源学院,湖北 武汉 430000)

引 言

近年来,随着常规油气藏勘探发现的规模日益减小,非常规油气逐渐受到人们的重视[1],特别是致密砂岩气藏成为我国油气增储上产的主要天然气藏。鄂尔多斯盆地上古生界具有非常丰富的天然气资源,目前,已在盆地北部苏里格、榆林、神木等地上古生界下石盒子组盒8段发现了大气田[2-3]。随着勘探的不断深入,在鄂尔多斯盆地南部盒8下段发现了致密砂岩气藏,但由于储层储集性能的巨大差异[4],导致储层整体产能较低。储层储集性能的差异性多受控于物源特征及沉积体系的分布[3],因此,深入研究鄂尔多斯盆地南部盒8下物源供给有利于了解盆地沉积充填和构造演化,对目的层的储层评价至关重要,对鄂尔多斯盆地南部盒8下段致密砂岩气藏勘探开发具有重要意义。

传统的物源分析研究方法主要包括沉积学(古流向、轻重矿物组合、岩屑组成等)、地球化学、同位素年代学、化石及生物标志化合物、黏土矿物学、地球物理学等[5-8]。随着新技术在地学领域中的应用,物源分析又出现磁性矿物学和矿物颗粒微形貌分析等方法[7,9]。前人对鄂尔多斯盆地东南部下石盒子组盒8段物源特征与沉积相进行了研究,但研究方法和研究区域相对局限[10-11]。由于单一的物源分析方法往往会产生偏差,因此,本文主要基于沉积学和地球化学方法,通过古流向分析、轻矿物中长石含量和岩屑组分变化、重矿物组合分布、主微量元素分析和锆石U-Pb定年等多种方法,综合分析鄂尔多斯盆地南部石盒子组盒8下段砂岩的物源方向及来源,以期为该区盒8段有利储层预测提供有力的地质依据。

1 区域地质概况

鄂尔多斯盆地是在华北地台基础上发展起来的一个多旋回的叠合含油气盆地[12],按构造形态可划分为伊盟隆起、伊陕斜坡、渭北隆起、晋西挠摺带、天环坳陷和西缘逆冲带等6个一级构造单元[11]。研究区位于伊陕斜坡南部和渭北隆起北部,即鄂尔多斯盆地南部延安—环县一线以南地区(图1(a))。研究区古生代主要经历了早古生代浅海台地和晚古生代克拉通内陆盆地2个演化阶段[11]。上古生界经历了加里东运动的抬升剥蚀后,在中—晚石炭世整体开始沉降,自下而上依次发育本溪组、太原组、山西组、石盒子组和石千峰组[13]。石盒子组自上而下又划分为盒1段—盒8段(图1(b)), 盒8段底部的 “骆驼脖子”状砂岩是区分石盒子组与山西组的重要标志。盒8段厚度在30 ～ 75 m,主要发育一套灰色中细砂岩,灰色-浅灰色含砾中粗砂岩,灰黑色泥质粉砂岩和凝灰质泥岩。根据沉积序列和岩石组合特征,将盒8段划分为盒8上段和盒8下段2个小层(图1(b)),主力产气层为盒8下段。

图1 研究区构造位置及古流向玫瑰花图和地层柱状图Fig.1 Structural location map,paleocurrent rose map and stratigraphic histogram of the study area

2 岩石学特征

研究区75口井431个岩石薄片鉴定结果统计表明,鄂尔多斯盆地南部盒8下段砂岩的岩石类型以岩屑砂岩(图2(a))和岩屑质石英砂岩(图2(b))为主,石英砂岩(图2(c)(d))和长石岩屑质石英砂岩次之(图2(e))。骨架颗粒平均体积分数为85.7%,填隙物平均体积分数为14.3%。其中,骨架颗粒中石英体积分数在40%～98.1%,平均76.9%;长石体积分数为0%～14.6%,平均0.9%。岩屑的体积分数为1.9%～60.1%,平均22.2%。填隙物主要为黏土矿物(图2(b)(c))、碳酸盐胶结物和硅质胶结物(图2(d)),其中,黏土矿物体积分数为65.3%,碳酸盐胶结物为18.2%,硅质胶结物占16.5%。

图2 鄂尔多斯盆地南部盒8下段岩石类型Fig.2 Rock types of the lower segment of He 8 member of Shihezi Formation in the southern Ordos Basin

3 沉积学物源分析

3.1 古流向分析

古流向分析是一种较为常见的物源分析重要手段[14-15],可用于确定沉积体走向、古岸线走向及沉积环境等主要盆地演化信息[10,16]。目前,主要依据颗粒组成特征及特定的构造特征进行古水流分析,如砾石的主要长轴走向、生物钻孔方向、沉积层理、岩石粒度和成分特征等[15-16]。

通过对野外露头保存较好的平凉二道沟、泾阳口镇、韩城薛峰川3个地区盒8下段进行地面地质调查、砾石长轴走向和板状交错层理测量,利用Stereonet软件和吴氏网原理进行古水流恢复校正,绘制了古流向玫瑰花图[11,17]。结果表明,研究区平凉二道沟地区盒8下段以自南西向北东古流向为主;口镇地区盒8下段存在2个方向的古水流,分别为由南西向北东方向和由南东向北西方向;韩城地区盒8下段古水流方向为由东南向西北方向(图1(a))。根据古流向分析,初步判断研究区盒8下段可能主要存在着西南和东南两个方向物源区。

3.2 轻矿物分布特征

轻矿物主要指石英、长石、岩屑等主要矿物及方解石、沸石等次要矿物,密度小于2.8 g /cm3的浅色矿物[15-16,18]。盆地沉积物中的轻矿物主要来自盆地周缘的物源区,二者组分密切相关,可通过对盆地内沉积物中轻矿物的定量分析来判断物源区的位置[13]。因此,砂岩轻矿物组成是反映物质来源的重要标志之一[16]。

3.2.1 长石含量分布特征

长石作为稳定性较差的碎屑组分,在沉积搬运过程中,随着搬运距离的增加以及风化作用的持续进行,长石含量逐渐减少[19]。因此,在沉积过程中,长石含量减少的方向,可作为沉积物搬运的方向[19]。统计研究区盒8下段碎屑成分含量,同一口井多个样品数据采用平均值,编制饼状图投影到井位平面分布图(图3)。研究区北部仅一口井含长石,体积分数为1%。在研究区西南部,碎屑物质中含长石,且随着采样井由西南向北东方向推移,长石含量逐渐减小(图3),表明研究区西南部存在物源区和近源沉积。在研究区东南部,碎屑物质中含长石,呈条带状分布,由南向北方向推移,长石含量逐渐减小(图3),表明研究区西南部存在近源沉积。研究区中南部碎屑物中长石体积分数为1%,可能存在中南部物源。崔凯[17]分析从平凉和韩城露头所采集的盒8段砂岩样品的骨架颗粒组分,发现样品长石体积分数都超过了5%(图3),表明在研究区西南部和东南部存在盒8段沉积的物源区。

图3 鄂尔多斯盆地南部盒8下段砂岩碎屑含量饼状图及长石含量等值线图Fig.3 Pie chart of sandstone clastic content and contour map of feldspar content in lower segment of He 8 member of Shihezi Formation in the south of Ordos Basin

3.2.2 岩屑含量分布特征

碎屑岩中的岩屑是由母岩直接剥蚀出来的矿物集合体[19],其类型及含量与母岩性质、风化作用息息相关[20],能够较好地反映母岩区的岩性及搬运距离[3,21]。变质岩、沉积岩和火成岩碎屑由于其稳定性的差异,对物源指示的意义差别相对较大,一般将变质岩和火成岩的含量作为物源判识的标志之一[15]。

鄂尔多斯盆地南部盒8下段砂岩中岩屑的体积分数为22.2%。其中,变质岩岩屑体积分数高达81.3%,以石英岩、千枚岩和变质砂岩为主;火成岩岩屑体积分数为18.3%,以隐晶岩和喷发岩为主,偶见少量的沉积岩岩屑。因此,根据岩屑成分含量统计研究区盒8下段砂岩中变质岩岩屑的含量,将数值投影到井位图上,绘制等值线图(图4)。研究区变质岩岩屑含量主要分布在4个区域:西南部变质岩岩屑体积分数呈南西—北东向展布,贯穿南北向;中北部变质岩岩屑体积分数由北向南小范围展布;中南部变质岩岩屑体积分数由南向北展布;东南部变质岩岩屑体积分数呈东南—北西向条带状展布。综上所述,鄂尔多斯盆地南部盒8下段存在西南部、中南部、东南部和中北部4个物源区,这与长石体积分数等值线分布位置和特征类似。

图4 鄂尔多斯盆地南部盒8下段砂岩中变质岩岩屑体积分数等值线Fig.4 Contour map of metamorphic rock debris volume fraction in sandstone of lower segment of He 8 member of Shihezi Formation in southern Ordos Basin

3.3 重矿物分布特征

重矿物法是沉积岩物源分析中常见的一种方法,该方法主要通过沉积岩中重矿物化学组分和矿物组合指示源区的岩石类型和物源方向[8,22]。由于重矿物稳定性高,相对其他碎屑沉积物受风化、搬运和成岩作用影响较小,因此,同一来源的沉积物往往具有相同或相似的重矿物组合[23-24],反之,不同的重矿物组合类型代表不同的物源区母岩类型[7,25]。

37个样品重矿物分析表明,研究区盒8下段砂岩中超稳定重矿物质量分数为79.7%,包括锆石、白钛矿、电气石和金红石;稳定重矿物质量分数为0.4%,为磷灰石;较稳定重矿物质量分数为7.1%,为石榴子石;不稳定重矿物质量分数为3.6%,为黄铁矿和方铅矿;其余重矿物质量分数为10.2%。通过观察平面上不同区域重矿物类型特征和组合关系,将研究区重矿物组合划分为5个物源区(图5):Ⅰ区分布在平凉一带,主要以锆石+白钛石+石榴子石为主;Ⅱ区由南向北在宁县—庆阳一带,主要以锆石+白钛石+电气石+金红石为主,在该区庆阳东西一带几个样品中发育不稳定的重矿物黄铁矿,可能存在其他物源区;Ⅲ区位于口镇—黄龙一带,主要以锆石+白钛石+赤褐铁矿(黄铁矿)为主,该区砂岩中发育不稳定重矿物黄铁矿,说明该区离物源区较近;Ⅳ区位于韩城—河津—富县一带,主要以锆石+白钛石+金红石为主;Ⅴ区位于研究区中北部,主要以锆石+白钛石+电气石+石榴子石为主。根据不同母岩对应重矿物特征来看,源区母岩以沉积岩为主(表1)。

表1 不同母岩对应重矿物特征[11,21] Tab.1 Characteristics of heavy minerals corresponding to different parent rocks[11,21]

图5 鄂尔多斯盆地南部盒8下段重矿物含量及ZTR指数等值线分布Fig.5 Isoline distribution map of heavy mineral content and ZTR index of lower segment of He 8 member of Shihezi Formation in southern Ordos Basin

最常用的重矿物物源分析手段为ZTR指数、ATi指数和GZi指数。Z、T、R分别指锆石、电气石和金红石,它们的抗物理风化和化学风化能力较强,较稳定[8],可以反映沉积物搬运距离,一般情况下,距离物源区越远,ZTR指数越高;搬运距离较短和靠近物源区,ZTR指数较低[8,26]。ATi指数为磷灰石在磷灰石和电气石总和中所占的比例,反映中酸性岩浆物源区。GZi指数为石榴子石在石榴子石和锆石总和中所占的比例,反映中—低级变质岩物源区。研究区盒8下段ZTR指数主要分布在15%～86%,平均46.5%。在研究区重矿物组合Ⅰ区西南向、Ⅱ区南部和北部、Ⅲ区东南向ZTR指数存在增大的趋势(图5),说明存在西南、东南和北部3个物源区。在重矿物组合Ⅱ区中部及偏北地区,5口井ATi指数达到14.3%～48.0%,说明存在着中酸性岩浆岩物源区。在重矿物组合Ⅴ区,ZTR指数较低,但4个样品的GZi指数在59.9%～79.6%,说明Ⅴ区存在变质岩物源区。

3.4 地球化学分析

沉积地球化学分析方法中,主量元素和微量元素的含量及各特征元素之间的质量分数比值是分析物源的重要指标[8,27-29]。

3.4.1 主量元素分析

Roser and Korsch[30]利用碎屑沉积岩主量元素分析建立了区分沉积岩源区的判别方程和相应的判别图解(图6),诸多学者在应用[31-32]。在F1-F2图解中(图6(a)),根据重矿物组合分区统计,研究区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅴ区的物源主要为石英质旋回物源,Ⅳ区的物源为石英质旋回物源和基性火山岩物源区。在F1*-F2*图解中(图6(b)),研究区Ⅰ区的物源为酸性火山物源区和中性火山岩物源区,Ⅱ区物源为基性火山岩物源区、中性火山岩物源区和少量的石英质旋回物源区,Ⅲ区物源为石英质旋回物源区,Ⅳ区物源为基性火山岩物源区和中性岩火山物源区,Ⅴ区物源为酸性火山岩物源区[11,33]。

图6 鄂尔多斯盆地南部盒8下段主量元素物源母岩类型判别图解[30]Fig.6 Discrimination diagram of source rock type of major elements of lower segment of He 8 member in the southern Ordos Basin[30]

3.4.2 微量元素分析

由于微量元素中惰性元素可以反映物源区及构造背景的特征,通常利用镧(La)/钍(Th)、铪(Hf)、钴(Co)/钍(Th)以及镧(La)/钪(Sc)质量分数进行物源区判断[32,34]。Floyd and Leveridge[35]利用微量元素Hf-La/Th进行了沉积岩源区判别[11,33]。根据重矿物组合分区统计,研究区Ⅰ区样品落入古老沉积组分增加区;Ⅱ区样品大部分落入混合长英质、基性岩物源区,少部分落入酸性岩浆弧源区及附近,表明母岩中含有岩浆岩;Ⅲ区样品在古老沉积组分增加区、混合长英质、基性岩物源区和酸性岩浆弧源区均有分布,说明母岩既有古老沉积物,又有岩浆岩;Ⅳ区样品大多数落入混合长英质、基性岩物源区,少部分落入酸性岩浆弧源区和古老沉积组分增加区,说明母岩为长英质-酸性岩浆岩和古老沉积物(图7(a))。

图7 鄂尔多斯盆地南部盒8下段微量元素物源类型判别图解(PAAS:后太古宙澳大利亚页岩;UC:上地壳)Fig.7 Discrimination diagram of provenance types of trace elements of lower segment of He 8 member in the south of Ordos Basin

随着风化程度的增强,U元素通常氧化而丢失,因而w(Th)/w(U)随之相应增高[31,36-37]。一般认为,w(Th)/w(U)>3.8反映风化或者沉积循环过程[37-39]。研究区Ⅰ区、Ⅱ区大部分样品及Ⅳ区样品中的w(Th)/w(U)高于上地壳的平均值3.8,表明源区的沉积物经历了较强的风化作用或者沉积循环过程。Ⅱ区少部分样品和Ⅲ区大部分样品w(Th)/w(U)小于3.8,说明存在近源沉积(图7(b))。前人研究表明,w(Th)/w(Sc)与w(Zr)/w(Sc)随着沉积搬运距离的远近以及沉积所处大地构造背景的不同呈现规律性变化,总体上会随着搬运距离的增加而增大[37-39]。研究区样品中w(Th)/w(Sc)与w(Zr)/w(Sc)呈正相关关系,且大部分样品经历了再循环沉积,Ⅱ区和Ⅳ区少部分样品存在近源沉积(图7(c))。w(Rb)/w(Sr)值同样证实该结论,一般w(Rb)/w(Sr)>0.5反映风化和沉积循环过程[37,39],Ⅱ区和Ⅳ区部分样品w(Rb)/w(Sr)<0.5,说明该物源区存在近源沉积(图7(d))。综上所述,研究区Ⅰ区物源主要为沉积再循环物质;Ⅱ区物源为沉积再循环物质和基性火山岩;Ⅲ区物源较复杂,既有沉积再循环物质,又有基性和酸性火山岩;Ⅳ区物源主要为基性火山岩,还存在少部分沉积再循环物质。

4 讨 论

4.1 物源分析

综合研究区古流向、长石含量、重矿物组合特征及物源判别指标等表明,鄂尔多斯盆地南部盒8下段主要存在4个大的方向的物源区,分别为西南部、中南部、东南部和中北部,其中,西南部存在2个物源区,且偏南部的物源区与北部的物源区存在双向混源区(Ⅱ区)。

4.1.1 西南部物源

研究区西南部盒8下段砂岩的碎屑物质中含长石,且随着采样井由西南向北东方向推移,长石含量逐渐减小,说明研究区西南部存在近源沉积,但其重矿物组合出现2种,分别为锆石+白钛石+石榴子石为主(Ⅰ区)和锆石+白钛石+电气石+金红石+其余为主(Ⅱ区)。ZTR指数及母岩重矿物特征表明,Ⅰ区物源方向为西南,Ⅱ区存在西南和北部的双向物源供给。ATi指数表明在双向混源区存在中酸性岩浆岩物源。主、微量元素分析结果与重矿物分析结果一致,Ⅰ区物源主要为沉积再循环物质,Ⅱ区物源为沉积再循环物质和基性火山岩。前人对研究区碎屑锆石U-Pb定年的研究表明[11],Ⅰ区中6个样品中年龄在2 600～1 600 Ma的锆石颗粒占68.95%,1 150～550 Ma的锆石颗粒占12.96%,550～260 Ma的锆石颗粒占17.27%(图8(a)),结合区域构造背景及盆地周缘基岩的形成年代认为,西南部Ⅰ区物源主要来自华北古老基底再旋回物质,其次来自北秦岭—北祁连造山带源区,还有少量可能来自北秦岭—北祁连造山带结合部位的陇山杂岩物源[11]。Ⅱ区南部2个样品中年龄在2 600～1 600 Ma的锆石颗粒占81.65%,550～260 Ma的锆石颗粒占17.7%(图8(b)),在南—北混源区偏北区域5个样品中年龄在2 600～1 600 Ma的锆石颗粒占38.74%,550～260 Ma的锆石颗粒占30.42%,1 150～550 Ma的锆石颗粒占29.66%(图8(c)),与Ⅰ区不同的是Ⅱ区为南北双物源供给区,南部物源主要来自华北古老基底再旋回物质,其次来自北秦岭—北祁连造山带源区,北部为双物源汇集区,华北古老基底再旋回物质供给相对减弱,而北秦岭—北祁连造山带物源供给增强,还有少量可能来自陇山杂岩的物源,阴山地块可能为该区提供物源供给。

图8 鄂尔多斯盆地南部盒8下段碎屑锆石年龄谱[11] Fig.8 Zircon age spectrum of detrital in the lower segment of He 8 member in the southern Ordos Basin[11]

4.1.2 中南部物源

研究区中南部盒8下段砂岩的碎屑物质中长石体积分数为1%,说明可能存在中南部物源。口镇地区盒8下段存在西南向和东南向2个方向的古水流,重矿物组合以锆石+白钛石+其余和锆石+白钛石+黄铁矿为主,不稳定重矿物黄铁矿说明该区离物源区较近。主、微量元素分析结果表明,中南部物源较复杂,既有造山带再循环过程中抬升的古老沉积岩,又有基性和酸性火山岩;基性岩浆岩可能与Ⅱ区物源同源。对该区碎屑锆石U-Pb定年的研究表明[11],3个样品中年龄在2 600～1 600 Ma的锆石颗粒占76%,550～260 Ma的锆石颗粒占22.4%(图8(d)(e)),认为物源主要来自华北古老基底再旋回物质,其次来自北秦岭—北祁连造山带源区,相较于西南部,中南部地区来自北秦岭造山带的物源供给可能减弱。

4.1.3 东南部物源

研究区东南部盒8下段砂岩碎屑物质中含长石,随着由南向北方向推移,长石含量逐渐减小,说明研究区东南部存在近源沉积。古水流方向也指示为东南向,重矿物组合以锆石+白钛石+金红石为主,ZTR指数及母岩重矿物特征表明,物源方向为东南。主、微量元素分析表明,东南部物源主要为基性火山岩,还存在少部分沉积再循环物质。前人对该区碎屑锆石U-Pb定年的研究表明[11],5个样品中年龄在2 600～1 600 Ma的锆石颗粒占84.08%,550～260 Ma的锆石颗粒占13.8%(图8(f)),认为物源主要来自华北古老基底再旋回物质,其次来自北秦岭造山带源区,来自北秦岭造山带物源供给较西南部和中南部强。中北部物源数据不足,故不做讨论。

4.2 物源供给

根据鄂尔多斯盆地南部石盒子组盒8下段沉积微相展布[17](图9)可以看出,研究区为盒8下段沉积中心,物源主要来自西南和东南部,还有中南部和中北部。其中:东南部河道较宽,砂体厚度最大,基本在15 m以上;其次为中南部,河道较窄,但砂体厚度较大,主要分布在10～15 m;西南部整体河道较宽,但砂体厚度相对较小,在10 m左右;中北部位于沉降中心,来自北部的物源供给较小,水下分流河道较窄,砂体厚度基本小于10 m。综上所述,鄂尔多斯盆地南部盒8下物源贡献主要来自东南部和西南部,其次为中南部和中北部,这与本文分析的物源方向和来源基本一致。

图9 鄂尔多斯盆地南部盒8下沉积微相平展布[17]Fig.9 Plan of sedimentary microfacies of lower segment of He 8 member in the south of Ordos Basin[17]

5 结 论

(1)鄂尔多斯盆地南部盒8下段砂岩的岩石类型以岩屑砂岩和岩屑质石英砂岩为主,石英砂岩和长石岩屑质石英砂岩次之。岩屑以变质岩岩屑和岩浆岩岩屑为主,偶见少量的沉积岩岩屑。

(2)鄂尔多斯盆地南部盒8下段主要存在4个大方向的物源区,分别为西南部、中南部、东南部和中北部。西南部存在2个物源区。Ⅰ区物源主要来自华北古老基底再旋回物质,其次来自北秦岭—北祁连造山带源区,还有少量可能来自北秦岭—北祁连造山带结合部位的陇山杂岩的物源;Ⅱ区为南北双向混源供给物源汇聚区,物源主要来自华北古老基底再旋回物质,其次来自北秦岭—北祁连造山带源区,还有少量可能来自陇山杂岩的物源,阴山地块可能为该区提供物源供给。中南部物源主要来自华北古老基底再旋回物质,其次来自北秦岭—北祁连造山带源区,北祁连造山带物源供给可能有所减弱。东南部物源主要来自华北古老基底再旋回物质,其次来自北秦岭源区,来自北秦岭造山带物源供给较西南部和中南部强。