辽西凹陷沙河街组低凸起带物源分析

芦 刚, 林畅松, 刘景彦, 杜晓峰, 常艳艳, 宋章强, 曹 胜

(1.中国地质大学 a.能源学院, b.海洋学院，北京 100083； 2.中海石油有限公司 天津分公司，天津 300452)

渤海湾盆地辽西凹陷古近系沙河街组岩性圈闭具有巨大的勘探前景，目前已发现数个亿吨级储量的大油气田，是进一步勘探开发的重点[1,2]。沉积体系的类型受到盆地的构造背景及古环境等因素的综合控制，而沉积体系的发育规模与母源区的距离关系密切。物源区的各项特征能够通过岩石的碎屑组分和重矿物所蕴含的信息进行分析，因此在分析沉积体系规律时，可以将碎屑组分及重矿物所反映的母源区特征进行综合研究[3]。

众多学者对渤海湾盆地辽西凹陷的构造特征、沉积体系等方面做了综合系统的研究，但是关于辽西凹陷的物源方向及其影响范围，仍然存在一些疑问，多数学者认为物源主要来自西部的燕山隆起，而断陷盆地内部低凸起带则很少提供物源。在三维地震资料充分、地层厚度较大的区域，可以通过精细解释剖面上的前积反射等特征，从而判断沉积体系的物源方向；但是在缺乏清晰地震资料，或是地层遭受剥蚀导致厚度较薄的层段，则很难依据此方法来辨析其物源方向。本文针对此问题，在系统调研国内外物源研究方法的基础上，利用研究区内砂岩碎屑组分及重矿物的测试资料，通过分析碎屑组分及重矿物的各项特征，系统研究母源区的分布范围及其对沉积体系的影响；并进一步对构造演化阶段及沉积体系展布进行分析。

1 区域地质背景

辽东湾拗陷位于渤海的北部，是整个渤海湾盆地的一个二级构造单元，总面积约为2.6×104km2。其内部可划分为“二凸三凹”共5个次级构造单元，自东向西分别为：辽东凹陷、辽东凸起、辽中凹陷、辽西低凸起、辽西凹陷(图1)。其中辽西凹陷、辽中凹陷为主力生烃凹陷，又可细分为南、中、北3个次洼。

图1 辽西凹陷古近系构造格架图Fig.1 The Paleogene tectonic framework of the Liaoxi sag

辽西凹陷是位于辽东湾拗陷西部的一个三级构造单元，呈北北东-南南西走向。其西是燕山隆起区，东是辽西低凸起带，凹陷呈狭长带状。辽西低凸起呈北东向展布，具有“凹中隆”的特点，是油气聚集的有利区带。辽西凹陷受辽西低凸起分割限制，由多个东断西超的半地堑按不同的组合方式首尾衔接而成[4]。辽西低凸起表现为岛屿地貌，由东西两支近平行的窄条状垒块组成，之间被一东断西超的半地堑分割。

辽西凹陷古近系可划分为3个主要的构造演化阶段:伸展张裂陷期，从古新世开始，到始新世中期结束(56.0～38.0 Ma B.P.)；裂后热沉降期，从始新世晚期到渐新世早期(38.0～32.8 Ma B.P.)；走滑拉分裂陷期，主要为渐新世东营期 (32.8～24.6 Ma B.P.)[5]。整个古近系从下往上分为孔店组、沙河街组和东营组，可划分出4个二级层序、10个三级层序以及若干四级层序，依据最大水进和初始水进界面在各层序中可划分出低位、水进及高位体系域。

2 碎屑组分及地质意义

砂岩的碎屑组分为矿屑和岩屑两大部分，矿屑以石英、长石为主。碎屑组分由于直接来自母源区，其组分特征可清晰反映母源区的情况。在对本区内碎屑组分数据进行统计分类的基础上，利用薄片鉴定数据进行了分区域的砂岩成分-成因分类研究，揭示了不同区域的砂岩组分特征。参照经典的砂岩组分分类方案，将各井按所属砂岩类型的不同在平面上组合成2个区(图2)：(1)岩屑长石砂岩区：长石的含量(面积分数)为35%～49%，岩屑为20%～31%；砂岩主要位于辽西凹陷西侧，因靠近燕山隆起，推断其沉积物主要来源于西部燕山隆起。(2)长石岩屑砂岩区：长石含量(面积分数)为23%～38%，岩屑为39%～55%；砂岩主要位于辽西低凸起带西侧，岩屑含量较高说明本区离物源较近，因靠近辽西低凸起带，推断主要受其影响。

图2 辽西凹陷碎屑组分三角分类图Fig.2 The triangular diagram of the detrital compositions in the Liaoxi sag

3 重矿物来源

3.1 重矿物组分及分类特征

通过对研究区沙河街组151个样品重矿物资料的统计分析，发现主要类型有白钛矿、褐铁矿、锆石、电气石、磁铁矿、石榴石、黑云母、绿帘石、绿泥石、角闪石等，其中主要重矿物(质量分数>20%)为白钛矿、褐铁矿、锆石、石榴石，次要重矿物(质量分数为2%～20%)为电气石、磁铁矿、绿帘石，少量重矿物(质量分数<2%)为黑云母、绿泥石、角闪石。统计各重矿物分布比例特征，可以得出锆石的含量基本服从正态分布的规律，并且为单峰，说明其分布相对均匀，推断为单一成因，来自同一类型的母岩；石榴石、白钛矿等均不符合正态分布，并显示向左偏移的特征(图3)，成因相对较复杂，表明研究区沉积受多种母岩或多个物源的综合影响[6]。

3.2 Q型聚类分析及对母岩的指示

矿物之间具有严格的共生关系，所以重矿物组合是对物源变化较敏感的指示剂[7]。不同母源的重矿物组合，含有不同的数据组合结构，各个样品包含的重矿物组合信息是有差别的，通过多元统计的分析方法，对重矿物进行组合分类，并根据结果来判断其母岩的类型、主要物源及其位置。Q型聚类分析主要是对有区别的单井进行比较分析，最终确定各单井之间的远近关系，并对其归类区分[8]。

图3 辽西凹陷沙河街组重矿物含量直方图Fig.3 The heavy minerals frequency histogram in Shahejie Formation of the Liaoxi sag

通过分析研究区内典型井的重矿物数据，得出的重矿物Q型聚类图谱(图4)可以发现:各单井间有一定的亲缘关系，当相关系数为50%时可以把单井在平面上归为3类。

Ⅰ类: 代表性单井有JZ25-1-6、JZ25-1-7、JZ19-2-1，平面上属于锆石+磁铁矿组合，质量分数平均为56.4%、12.0%。磁铁矿、锆石等含量相对较高，表明沉积物经过了较长距离的搬运，推测母岩为远源岩浆岩，为西部燕山隆起物源经长距离搬运至此。

Ⅱ类:代表性单井有JZ25-1-3、JZ25-1-4，白钛矿、褐铁矿含量相对较高，质量分数平均为29.0%、32.2%，并含有部分不稳定重矿物绿泥石，平面组合类型为白钛矿+褐铁矿+绿泥石。该类紧邻辽西低凸起南部隆起区，推测母岩为近源岩浆岩，矿物组合类型主要受其影响。

Ⅲ类:代表性单井有JZ25-1-2、JZ25-1-9，平面上属于石榴石+绿帘石组合，质量分数平均为36.8%、12.0%，以含相对较多的不稳定重矿物绿帘石为典型特征。该类位于辽西低凸起北部隆起区前，推测母岩为近源变质岩，近距离的搬运导致了大量不稳定重矿物的存在。

3.3 重矿物特征指数分析及意义

目前常用的重矿物物源判别指数主要有稳定系数和ZTR指数[9]，本文主要采用了稳定系数法来判断重矿物物源方向。稳定矿物主要有锆石、电气石、白钛矿、褐铁矿、磁铁矿、石榴石，而不稳定矿物主要有绿帘石、绿泥石、黑云母、角闪石。根据各单井的稳定系数绘制的平面图(图6)，从辽西低凸起西侧的JZ25-1-9井由东向西从0.1增大到0.9，到辽西凹陷西侧的JZ25-1-6井由西向东从0.9增大到1.3，进一步证实东部辽西低凸起与西部燕山隆起共同作为物源区。

3.4 颗粒结构及对沉积环境的指示

由于沉积过程中发生的风化作用、搬运作用以及剥蚀作用的综合影响，单一的重矿物组合不能准确地分析沉积物的物源区分布；因此把研究方法集中到重矿物成因矿物的分析上来，目前广泛采用的是重矿物颗粒的表面结构分析。显微镜下可以清楚地显示重矿物颗粒表面的各种结构，通过观察可以识别其在沉积过程中留下的各种特征，从而对母源区的位置进行判定[10,11]。

Ⅰ类:平面上属于锆石+磁铁矿组合。镜下显示锆石主要呈粒状，无色及灰色，具磨圆外形；磁铁矿呈粒状，反射光下灰色：说明沉积物由较强水动力搬运至沉积区，并经历了水流的反复淘洗，其特征与西部燕山隆起物源区母岩一致，推测为经长距离搬运至此。

组合母岩井号相关系数/%102030405060708090Ⅰ远源岩浆岩 Ⅱ近源岩浆岩 Ⅲ近源变质岩JZ25-1-6JZ25-1-7JZ19-2-1JZ25-1-3JZ25-1-4JZ25-1-2JZ25-1-9，磁铁矿+锆石白钛矿+褐铁矿石榴石+绿帘石

图5 辽西凹陷沙河街组重矿物组合图Fig.5 The heavy minerals composition histogram in Shahejie Formation of the Liaoxi sag

图6 辽西凹陷沙河街组重矿物稳定系数等值线图Fig.6 The stability factor contour of the heavy minerals in Shahejie Formation of the Liaoxi sag

Ⅱ类:平面组合类型为锆石+白钛矿+褐铁矿。镜下显示锆石主要为柱状及单锥、双锥柱状，其次为磨圆粒状，说明沉积物由较弱水动力搬运至沉积区，并较少经历水流的淘洗。白钛矿呈粒状，反射光下瓷白色；褐铁矿呈粒状，反射光下红褐色：其特征与紧邻的辽西低凸起古隆起物源区母岩一致，推测为近距离搬运至此。

Ⅲ类:平面上属于石榴石+绿帘石组合。 镜下显示石榴石主要为粒状，无色、粉红色，具阶梯状、贝壳状断口，说明沉积物由较强水动力搬运至沉积区。绿帘石呈粒状，高突起，多呈黄绿色，部分表面风化较强，说明沉积物经历了风化变质作用，其特征与紧邻的辽西低凸起北部隆起区变质基岩一致，推测为近距离短时间搬运至此。

4 物源分析的地质意义

4.1 物源与沉积体系的展布特征

以砂岩碎屑组分及重矿物的统计分类、物源分析的结果为主要依据，通过地震剖面、砂体展布及其他相关资料对沉积体系进行精细刻画[12]，确定了辽西低凸起带物源区——辽西凹陷沉积体系展布范围(图7)。西部燕山隆起作为主要物源，控制了辽西凹陷西部缓坡的河流三角洲沉积；东部辽西低凸起古隆起物源区对沉积体系的影响范围局限在陡坡带一侧，通过断裂坡折带控制扇三角洲的沉积[13]；北部隆起带虽然不是辽西凹陷的主要物源供应区，但对研究区的冲积扇沉积有少量影响。

图7 辽西凹陷沙河街组物源-沉积体系匹配图Fig.7 The provenance and sedimentary systems relational graph in the Liaoxi sag

4.2 重矿物对构造演化的指示意义

在构造活动强烈的时期,由于地形高差较大,沉积物的沉积速率和剥蚀速率都较大，沉积物的搬运距离相对较短，并且迅速被埋藏，因此不稳定重矿物的比例相对较大，稳定系数相对较低；而在构造活动较弱的阶段，沉积物的风化作用较强，稳定重矿物的含量相对增大[14]。

4.2.1 稳定-弱稳定重矿物期

a.稳定期:沙三中-下亚段，研究区东部为冲积扇和扇三角洲相，西部为河流三角洲相。此期稳定系数为17%～27%，Rzi指数为48%～78%，Gzi指数仅6%～17%，说明角闪石等来自低凸起带的物源较少(图8)。

图8 辽西凹陷沙河街组重矿物垂向分布及构造演变Fig.8 Distribution of heavy minerals and structural evolution in the Liaoxi sag

b.弱稳定期:沙三上亚段，研究区为扇三角洲平原相。此期稳定系数为15%～22%，稳定重矿物组合、稳定系数降低，说明沉积物搬运距离较短，且很快被埋藏，风化作用较弱，不稳定重矿物相对比例较高。Rzi指数为44%～72%，Gzi指数增高到15%～27%，说明来自低凸起带的物源有所增加。

4.2.2 次稳定重矿物期

a.调整期:沙二段稳定系数为27%～39%，稳定重矿物组合、稳定系数较沙三上亚段有所增高，Rzi指数降至36%～62%，Gzi指数降至2%～9%，说明低凸起物源减少。

b.次稳定期:沙一段稳定系数平均为25%，稳定重矿物组合含量(锆石、TiO2矿物)、稳定系数与沙二段相比均有增高，说明构造活动较弱，沉积物搬运距离较远，稳定重矿物的相对比例较高。

5 结 论

a.参照经典的分类方案，研究区内砂岩的碎屑组分在平面上的组合分成：岩屑长石砂岩区，其沉积物主要来源于西部燕山隆起；长石岩屑砂岩区，较高岩屑含量说明离物源较近，推断主要受辽西低凸起带影响。

b.研究区鉴定出重矿物20余种，以白钛矿、褐铁矿、锆石、电气石、磁铁矿、石榴石、绿帘石等为主。重矿物组合及Q型聚类分析研究，发现辽西凹陷母岩类型多样且主要为岩浆岩和少量变质岩，分别对应西部燕山隆起、东部辽西低凸起南部隆起区和北部隆起区3种物源类型。

c.通过稳定系数和重矿物表面结构等综合分析，确定了物源区的影响范围。西部燕山隆起作为主要物源，控制了辽西凹陷西部缓坡的河流三角洲沉积；东部辽西低凸起带物源区对沉积体系的影响范围局限在陡坡带一侧。依据重矿物各组分和稳定性的相关分析，将本区沙河街组主要构造演化阶段划分为稳定-弱稳定重矿物期和次稳定重矿物期。

d.综合分析认为，断陷湖盆内部低凸起带物源区与沉积体系展布具有较好的时空配置关系，为沙河街组的油气成藏提供了良好的物质基础。

[参考文献]

[1] 李潍莲，刘震，刘俊榜，等.辽东湾地区辽西低凸起油气田成藏地质条件的差异[J].石油与天然气地质，2010，31(5):665-670.

Li W L, Liu Z, Liu J B,etal. Differences of geological conditions of hydrocarbon accumulation among fields in the Liaoxi low uplift, the Liaodong bay[J]. Oil & Gas Geology, 2010, 31(5): 665-670. (In Chinese)

[2] 徐长贵，许效松，丘东洲，等.辽东湾地区辽西凹陷中南部古近系构造格架与层序地层格架及古地理分析[J].古地理学报，2005，7(4):449-459.

Xu C G, Xu X S, Qiu D Z,etal. Structural and sequence stratigraphic frameworks and palaeogeography of the Paleogene in central-southern Liaoxi Sag, Liaodongwan bay area[J]. Journal of Palaeogeography, 2005, 7(4): 449-459. (In Chinese)

[3] 李珍，焦养泉，刘春华，等.黄骅拗陷高柳地区重矿物物源分析[J].石油勘探与开发， 1998，25(6): 5-7.

Li Z, Jiao Y Q, Liu C H,etal. Source analysis of heavy minerals in Gaoliu area, Huanghua depression[J]. Petroleum Exploration and Development, 1998, 25(6): 5-7. (In Chinese)

[4] 王永利，加东辉，李建平，等.辽西低凸起锦州地区古近系沙河街组三段砂体分布特征及物源分析[J].古地理学报，2011，13(2):186-192.

Wang Y L, Jia D H, Li J P,etal. Distribution characters of sand body of the Member 3 of Paleogene Shahejie Formation and provenance analysis of Jinzhou area in Liaoxi low uplift[J]. Journal of Palaeogeography, 2011, 13(2): 186-192. (In Chinese)

[5] 朱筱敏，董艳蕾，杨俊生，等.辽东湾地区古近系层序地层格架与沉积体系分布[J].中国科学D辑:地球科学，2008，38(增刊Ⅰ):1-10.

Zhu X M, Dong Y L, Yang J S,etal. Stratigraphic frameworks and sedimentary systems of the Paleogene in Liaodongwan bay area[J]. Science in China, 2008, 38(Supplement Ⅰ): 1-10. (In Chinese)

[6] 刘群明，陈开远，王键，等.柴达木盆地三湖拗陷第四系重矿物物源分析[J].现代地质，2011，25(2):315-321.

Liu Q M, Chen K Y, Wang J,etal. The provenance analysis of the Quaternary heavy minerals in Sanhu depression, Qaidam Basin[J]. Geoscience, 2011, 25(2): 315-321. (In Chinese)

[7] 赵红格，刘池阳.物源分析方法及研究进展[J].沉积学报，2003，21(3):409-413.

Zhao H G, Liu C Y. Approaches and prospects of provenance analysis[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2003, 21(3): 409-413. (In Chinese)

[8] 武法东，陆永潮，阮小燕.重矿物聚类分析在物源分析及地层对比中的应用[J].现代地质，1996，10(3):397-402.

Wu F D, Lu Y C, Ruan X Y. Application of heavy minerals cluster analysis to study of clastic sources and stratigraphic correlation[J]. Geoscience,1996, 10(3): 397-402. (In Chinese)

[9] 吴朝东，林畅松，申延平.库车拗陷侏罗系砂岩组分和重矿物组合特征及其源区属性[J].自然科学进展，2005，15(3):291-297.

Wu C D, Lin C S, Shen Y P,etal. Fragment components and heavy mineral assemblage of Jurassic sandstone and their provenance attribute in Kuqa depression[J]. Progress in Natural Sciences, 2005, 15(3): 291-297. (In Chinese)

[10] Moral Cradona J P. Surface texture of heavy-mineral grains: A new contribution to provenance studies[J]. Sedimentary Geology, 2005, 174: 223-235.

[11] 王中波.一种物源示踪研究的新方法：重矿物颗粒表面结构分析[J]. 海洋地质动态，2007，23(9):17-19.

Wang Z B. Surface texture of heavy-mineral grains: A new contribution to provenance studies[J]. Marine Geology Letters, 2007, 23(9): 17-19. (In Chinese)

[12] 操应长，宋玲，王健，等.重矿物资料在沉积物物源分析中的应用[J].沉积学报，2011，29(5):835-841.

Cao Y C, Song L, Wang J,etal. Application of heavy mineral data in the analysis of sediment source: A case study in the Paleogene lower submember of the third member of the Liushagang Formation, Weixinan Depression[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2011, 29(5): 835-841. (In Chinese)

[13] 林畅松，潘元林，肖建新，等.“构造坡折带”——断陷盆地层序分析和油气预测的重要概念[J].地球科学:中国地质大学学报，2000，25(3):260-262.

Lin C S, Pan Y L, Xiao J X,etal. Structural slope-break zone: key concept for stratigraphic sequence analysis and petroleum forecasting in fault subsidence basins[J]. Earth Science: Journal of China University of Geosciences, 2000, 25(3): 260-267. (In Chinese)

[14] 韩作振，高丽华，杨仁超，等.辽河拗陷东部凹陷古近系重矿物分布规律及其指示意义[J].矿物岩石，2010，30(3):59-68.

Han Z Z, Gao L H, Yang R C,etal. Distribution of heavy mineral and its implication to palaeogeography environment of paleogene in the eastern sag of Liaohe Basin[J]. J Mineral Petrol, 2010, 30(3): 59-68. (In Chinese)