秦南凹陷石东陡坡带沙一段陆相混积岩地球化学特征及其地质意义

冯 冲， 王清斌， 代黎明， 郭龙龙， 卢 欢

( 中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津 300457 )

秦南凹陷石东陡坡带沙一段陆相混积岩地球化学特征及其地质意义

冯 冲， 王清斌， 代黎明， 郭龙龙， 卢 欢

( 中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津 300457 )

为揭示渤海湾盆地秦南凹陷石东陡坡带秦皇岛29-A构造沙河街组一段陆相混积岩的形成条件和发育规律，在对混积岩岩石学分析基础上，利用元素地球化学方法，研究秦皇岛29-A构造地球化学特征、沉积环境和物源类型。结果表明：该构造B、Sr/Ba、Sr/Cu和Th/U等元素地球化学指标反映混积岩发育于干旱气候条件下的半咸水弱氧化沉积环境；为Ti/Zr、Cr/Zr低，LREE富集，HREE亏损的稀土元素配分模式，反映陆源碎屑以中酸性火成岩为主；MgO、CaO与SiO2质量分数呈明显的负相关关系，揭示碳酸盐发育明显受陆源碎屑输入量控制，碳酸盐组分发育于陆源碎屑供给的间歇期；δEu正异常和较高的包裹体均一温度揭示它受到热液改造作用。研究区混积岩是以酸性火山岩为母岩的扇三角洲在陆源碎屑供给间歇期、于水体咸化浓缩蒸发环境下形成的，并且后期受到深部热液改造作用。

地球化学特征； 陆相混积岩； 沙河街组一段； 石东陡坡带； 秦南凹陷

0 引言

混积岩指陆源碎屑与碳酸盐组分经混合沉积作用而形成的岩石，在广义上还包括由陆源碎屑与碳酸盐组分在空间上(包括垂向和/或平面)构成交替互层或夹层的混合[1]。Mount J F于1984年提出混合沉积的概念[2]，并且按成因将浅海混合沉积分为间断混合、相缘混合、原地混合和母岩混合等4种类型。在湖南和江西古生代地层研究基础上，张雄华[3]提出陆源碎屑、碳酸盐颗粒和黏土作为三端元的混积岩分类方案，并在文献[2]成因分类基础上补充岩溶穿插沉积混合类型。董桂玉等提出以碳酸盐沉积为主的沉积背景[4]，混合沉积主要发育于低位体系域和高位体系域晚期；在以陆源碎屑沉积为主的沉积背景下，混合沉积主要发育于海侵体系域和高位体系域的早期。

有关陆相混积岩方面的研究较少。王金友等研究济阳坳陷沾化凹陷南斜坡古近系沙河街组二段混积岩[5]，认为该区混积岩成因以渐变式混合和突变式混合为主，局部存在原地混合沉积，强调混积岩的发育主要受控于物源供给、构造背景、湖平面升降等因素。徐伟等研究柴达木盆地西北区新近系混积岩[6]，指出咸化湖盆混积岩主要发育于三角洲、水下扇、滩坝等碎屑岩沉积体系，以及湖相碳酸盐岩沉积体系的过渡相带、藻灰岩发育区。目前，有关混积岩的研究多集中于岩石学分类、成因类型、沉积、层序等基本特征及其影响因素[7-8]，研究方法以岩心观察、薄片鉴定等为主。近年来，秦南凹陷石东陡坡带秦皇岛29-A构造沙河街组一段(沙一段)陆相混积岩勘探取得重大突破，该区岩石种类多样、成分复杂，形成条件、发育规律及是否受到热液活动影响等尚不明确。

利用元素可以有效进行判断、恢复沉积古环境，以及母岩性质、构造背景等[9-11]。在描述秦皇岛29-A构造沙一段混积岩地质和岩相学特征的基础上，以氧化物和元素测试数据为基础，笔者利用元素地球化学方法研究混积岩的沉积环境、母岩性质和发育规律，不仅是对陆相混积岩岩石地球化学研究的补充，也为研究区混积岩的下一步勘探和国内其他区块混积岩沉积储层等研究提供参考。

1 地质背景

石臼坨凸起位于渤海湾盆地渤中凹陷的北部，整体呈近东西向展布(见图1(a))。秦皇岛29-A构造位于石臼坨凸起东倾末端北侧边界断裂下降盘的断坡带，南依石臼坨凸起，北临秦南凹陷(见图1(b))，西侧紧邻秦皇岛29-2含油气构造，构造位置非常有利，成藏条件优越。古近系发育沙河街组和东营组地层，其中沙三段(E2s3)和沙二段(E3s2)主要发育扇三角洲沉积体系，沙一段(E3s1)发育以扇三角洲沉积体系为背景的混合沉积；东三段(E3d3)和东二上亚段(E3d2L)发育半深湖—浅湖沉积体系，东二上亚段(E3d2U)和东一段(E3d1)主要发育三角洲沉积体系。主力储层段为沙一二段(E3s1-2)，主力烃源岩层发育于古近系沙三段(E2s3)、沙一段(E3s1)和东三段(E3d3)，油气资源丰富，勘探潜力巨大(见图2)。研究区QHD29-A-4井累计发现油层厚度超过200 m，混积岩段测试日产量达千方，是渤海油田近年来重大油气发现之一。

图1 研究区地理、构造位置及井位分布Fig.1 The geographical、structure location and well placement of the study area

图2 秦南凹陷秦皇岛29-A构造油藏剖面Fig.2 The reservoir profile diagram of QHD29-A structure in Qinnan sag

2 岩石学特征

根据岩心观察、岩石薄片鉴定及全岩等资料，研究区混积岩岩石类型属于陆源碎屑质—碳酸盐混积岩。纵向上，自下而上依次发育表鲕状白云质砾岩、表鲕状白云质砂岩和含生屑砂岩3种岩石类型：表鲕状白云质砾岩(简称DC)中白云石质量分数为4%～86%，平均为47%,陆源碎屑质量分数为13%～91%，平均为48%，陆源碎屑主要以流纹岩岩屑和安山岩岩屑等火成岩岩块为主，结构上为泥晶套和栉壳状白云石环绕砾石形成的表鲕状结构(见图3(a-b))；表鲕状白云质砂岩(简称DS)中白云石质量分数为54%～73%，平均为66%，方解石质量分数为0～9%，平均为1%，陆源碎屑质量分数为25%～44%，平均为31%，陆源碎屑主要以细—中粒岩屑砂岩为主，结构上为泥晶—粉晶白云石包壳包裹岩屑砂岩形成的表鲕状结构(见图3(c))；含生屑砂岩(简称BS)中生物碎屑主要为介形虫，生物碎屑质量分数为2%～35%，平均为11%，呈砂状结构，以细粒为主(见图3(d))。

图3 秦皇岛29-A构造沙一段混积岩岩石标本及显微照片Fig.3 Rock sample and microscopic feature of E3s1 mixosedimentite reservoirs of QHD29-A structure

3 样品采集与测试方法

3.1 样品采集

秦皇岛29-A构造沙一段混积岩岩石化学样品来自于钻井获得的岩心样品。基于岩心、岩屑、薄片等岩石学分析并结合测井响应特征，选取11件代表性样品，其中埋深为3 377.88、3 378.81和3 378.92 m的3件为表鲕状白云质砾岩样品(DC)，埋深为3 367.45、3 368.18和3 370.20 m的3件为表鲕状白云质砂岩样品(DS)，埋深为3 342.14、32 242.77和3 343.50 m的3件为含生屑细砂岩样品(BS)，埋深为3 341.65和3 344.00 m的2件为泥岩样品(SH)。

3.2 测试方法

全岩主量元素和微量元素分析测试在北京核工业地质研院实验室完成，样品分析前采用石油醚溶剂清洗油污并低温烘干处理。主量元素分析采用X线荧光光谱仪(PW2404X)，分析误差为2%～5%；微量元素及稀土元素采用酸溶法制备样品，在Finnian MAT制造的HR-ICP-MS (ElementⅠ)进行44个微量元素的测试，分析精度参照GB/T 14506.14—2010 《硅酸盐岩石化学分析方法》 (第14部分和第28部分：氧化亚铁量测定与16个主次成分量测定)和GB/T 14506.30—2010 《硅酸盐岩石化学分析方法》(第30部分：44个元素量测定)。当元素质量分数大于10×10-6时，其精度优于5%，当质量分数小于10×10-6时，其精度优于10%。

4 分析结果

4.1 主量元素

各岩石类型代表样品的主量元素氧化物测试数据见表1。研究区3种类型混积岩的主量元素质量分数相似，主量元素氧化物ω(SiO2)为21.39%～32.80%、ω(Al2O3)为4.61%～6.73%、ω(CaO)为17.53%～22.56%、ω(MgO)为9.55%～14.34%、ω(K2O)为1.83%～2.67%、ω(Na2O)为0.17%～0.35%、ω(FeO)为0.66%～1.78%、ω(Fe2O3)为1.97%～2.77%，而TiO2、P2O5、MnO等主量元素氧化物的质量分数普遍低于0.50%。以平均大陆上地壳(Upper Continental Crust，简称UCC)为标准[12]，对11块样品的主量元素氧化物进行标准处理(见图4)，研究区混积岩MgO和CaO强烈富集，P2O5和MnO微弱富集；SiO2、Al2O3、K2O、Na2O、TiO2和Fe2O3存在一定程度的亏损；对泥岩样品主量元素进行UCC标准化后， P2O5和K2O相对富集，CaO、MgO和Na2O强烈亏损(见图4)。

表1 研究区沙一段混积岩样品主量元素氧化物测量结果

图4 混积岩主量元素氧化物UCC标准化

4.2 微量元素

各岩石类型代表样品的微量元素氧化物测试数据见表2。相对于UCC，混积岩微量元素中Sr和Ba元素明显相对富集，高场强元素Th和Nb亏损明显；泥岩中微量元素整体相对富集(见图5)。混积岩中Sr质量分数为(362.00～760.00)×10-6，平均为503.00×10-6，上地壳Sr质量分数平均为350.00×10-6；Ba质量分数为(334.00～1 139.00)×10-6，平均为620.00×10-6，上地壳Ba质量分数平均为550.00×10-6；Th质量分数为(2.30～4.50)×10-6，平均为3.30×10-6，上地壳Th质量分数平均为10.70×10-6；Nb质量分数为(5.41～22.60)×10-6，平均为9.20×10-6，上地壳Nb质量分数为12.00×10-6。相对于表鲕状白云质砾岩(DC)和表鲕状白云质砂岩(DS)，含生屑砂岩(BS)“水生元素”(U和Mo)明显更为富集[13]，指示水体相对较深。

表2 研究区沙一段混积岩样品微量元素测量结果

图5 混积岩微量元素氧化物UCC标准化

4.3 稀土元素

各岩石类型代表样品的稀土元素测试数据见表3。研究区混积岩稀土总量为(63.80～125.57)×10-6，平均为94.40×10-6(不包含Y，见表1)，其中轻稀土元素∑LREE总量为(58.30～112.50)×10-6，平均为85.62×10-6，重稀土元素∑HREE总量为(5.29～13.52)×10-6，平均为8.79×10-6，∑LREE/∑HREE为8.29～12.50，平均为10.54，表明轻稀土元素相对富集；研究区泥岩稀土总量为(294.26～301.26)×10-6，平均为298.26×10-6(不包含Y)，高于北美页岩的(173.21×10-6)，表明REE较为富集，∑LREE/∑HREE为9.48～9.73，平均为9.60，高于北美页岩的(7.50)，表明轻稀土元素相对富集。在北美页岩标准化图解[14]中，3种混积岩样品和泥岩样品具有一致的配分模式(见图6)，表现出LREE相对富集、HREE相对亏损的配分模式，表明所有混积岩样品具有相似的物源供给条件,并且在成因上具有相似性。∑REE总量具有明显从表鲕状砾岩→表鲕状白云质砂岩→含生屑细砂岩→泥岩依次增加的趋势。泥岩样品的δEu为1.03～1.07(平均为1.05)，混积岩样品的δEu为1.12～1.29(平均为1.19)，表现相对正异常。

表3 研究区沙一段混积岩样品稀土元素测量结果

注：δEu=EuN/(SmN*GdN)1/2，北美页岩标准化。

图6 混积岩稀土元素北美页岩标准化Fig.6 Distribution of NASC-nomalized REE of E3s1 mixosedimentite

5 讨论

5.1 沉积环境与气候

泥岩相关微量元素比值受成岩、后生作用影响较小，是判别沉积环境变化的良好标志[15-16]。Sr、Cu分别为干旱环境条件下富集的喜干型元素和湿润气候条件下富集的喜湿型元素的代表，因此Sr/Cu是古气候变化的灵敏指标，Sr /Cu为1.30～5.00，通常指示温湿气候；Sr /Cu大于5.00，通常指示干旱气候[17]，研究区泥岩段的Sr/Cu为6.78～10.34，平均为8.56(见表1)，反映相对干旱的气候环境。

泥岩中B、Sr的质量分数与湖盆水介质条件密切相关[18]。Couch E L认为[19]，水体中B的质量分数与水体中的盐度存在线性关系，即水体盐度越高，B质量分数就越大。B质量分数<60.00×10-6为淡水环境，B质量分数在(60.00～100.00)×10-6为半咸水环境，B质量分数>100.00×10-6为咸水环境[13]。一般认为Sr/Ba>1显示海水沉积环境，Sr/Ba<1反映内陆沉积环境(其中1.00～0.60 为半咸水相，小于 0.60为微咸水相)[20-21]。研究区泥岩段B的质量分数为(67.30～71.20)×10-6，平均为69.30×10-6；同时Sr/Ba为0.48～0.77，平均为0.63(见表1)，均在半咸水范围内。

Th、U在还原状态下地球化学性质相似，在氧化状态下差别很大，U在强还原状态下为+4价，不溶解于水，导致它在沉积物中富集，在氧化状态下以易溶的+6价存在，造成沉积物中U的丢失，常用Th/U法判断沉积环境的氧化还原状态和相对古水深，Th/U在0～2指示缺氧环境，在强氧化环境下Th/U可达8[22]。研究区混积岩层位两个泥岩段自下而上Th/U为3.02～2.07，指示弱氧化的沉积环境和纵向上湖侵的沉积过程。与岩相上自下而上依次发育表鲕状白云质砾岩、表鲕状白云质中—粗砂岩、含生屑(介形)细砂岩的正粒序结构吻合，共同反映基准面上升的特征。

5.2 物源区母岩类型

混积岩中陆源组分母岩类型对混积岩储层的形成和成岩演化具有重要的意义。研究区混积岩REE呈明显的右倾模式(见图6)，与海相碳酸盐岩的典型左倾模式及湖相碳酸盐岩略微左倾模式不同[23]，反映陆源组分对稀土元素的配分模式有较大的影响。LREE富集、HREE略微亏损的配分模式指示酸性火成岩母岩的特征，与岩心观察及薄片鉴定结果一致。Ti、Zr、Hf、Nb、Ta等高场强元素相对Rb、K、Sr、Ba等大离子亲石元素较为稳定，风化和埋藏过程中，高场强元素随各种地质流体的迁移能力较弱，更能代表母岩原始成分，因此其质量分数的高低能较好地区分源岩是基性岩还是酸性岩[17]。一般铁镁质火成岩Ti/Zr大于50.00，长英质火成岩Ti/Zr<20.00。研究区混积岩Ti/Zr为12.13～18.51，平均为14.45，反映其陆源碎屑母岩为中酸性火成岩。一般镁铁质火成岩Cr/Zr>1.00，长英质火成岩Cr/Zr<0.50。研究区混积岩Cr/Zr为0.15～0.25，平均为0.19，反映陆源碎屑母岩为长英质火成岩。中酸性长英质火成岩岩屑溶蚀形成的铸模孔是混积岩重要的储集空间(见图3(b-c))。

5.3 混积岩发育规律

研究区混合沉积岩石类型复杂、类型多样，在岩石学特征上分类属于组分内混合或者结构型混合沉积[24]，按照Mount J F提出的成因分类[2]以原地混合和相缘混合为主，局部发育间断混合沉积。研究区混合沉积的发育主要受气候条件、构造背景、物源及湖平面升降等影响，各因素间相互影响。

研究区沙一段相对干旱的气候条件和相对缓和的构造活动，为混积岩碳酸盐组分的聚集和沉淀提供必备的良好条件。刘传联等对渤海湾盆地山东东营凹陷沙一段介形虫样品进行氧、碳同位素分析[25]，得出沙一段生油岩沉积时期的古湖泊是一封闭咸水或半咸水湖泊；中、下亚段沉积时期，气候干燥，蒸发作用强烈，湖水面较低，盐度高，生产力高，有利于湖相碳酸盐岩的发育。物源供给受构造和气候条件的控制，对混合沉积也是一个重要的影响因素[26]。干旱气候条件下，母岩区的风化程度降低，陆源碎屑物质提供量较少。根据研究区周围地震资料及沉积相展布特征，其主要物源为南侧石臼坨凸起。由于研究区位于石臼坨凸起东倾末端北侧边界断裂下降盘的断坡带，距物源区较近，陆源碎屑供给较强时，水体浑浊，不利于碳酸盐的沉淀和聚类[27]，以富砂砾岩的扇三角洲沉积为主；陆源碎屑供给较弱或间歇期，湖水中碳酸盐的浓度达到饱和并开始沉淀聚集，形成组分内混合。

研究区混积岩发育段ω(MgO)、ω(CaO)与ω(SiO2)呈明显的负相关关系，代表陆源组分的ω(Al2O3)与ω(SiO2)呈明显的正相关关系(见图7(a))，表明CaO和MgO主要赋存于碳酸盐组分，与全岩矿物成分分析结果一致。碳酸盐组分ω(CaO+MgO)随陆源碎屑组分ω(SiO2+Al2O3)增大而减小(见图7(b))，揭示碳酸盐组分发育明显受陆源碎屑输入量的控制，碳酸盐组分发育于陆源碎屑供给的间歇期。湖平面变化，对扇三角洲前缘和前扇三角洲亚相相邻地带相带迁移而造成的原地混合沉积和相缘混合沉积影响最大。随着湖平面下降、水体变浅，陡坡带扇三角洲前缘砂砾岩体暴露于水面，随着盐度升高，碳酸盐围绕陆源碎屑颗粒凝聚沉淀，潜流带形成以钙质包壳包裹陆源碎屑为特征的原地混合沉积；随着湖平面上升，水体逐渐加深，盐度相对淡化，发育以富含介形虫为主的细砂岩，形成相缘混合沉积。

图7 混积岩主量元素相关性分析Fig.7 Correlation diagram of major elements of of E3s1 mixosedimentite

5.4 热液影响证据

分析研究区混积岩段石英微裂隙盐水包裹体均一温度数据，存在一期温度为125.7～178.3 ℃(平均为138.5 ℃)的高温流体，远高于混积岩段DST测试的地温背景温度(108.0～114.0 ℃)，反映可能存在热液活动。当热液流体与白云岩进行流体—岩石反应时，由于Eu2+与Ca2+具有相同的电价和相似的离子半径，Eu2+取代白云石中的Ca2+，从而导致岩石中出现δEu正异常[28]。全球范围内不同的热液流体具有非常相似的 REE 配分模式，即LREE富集和δEu正异常[29]，一些受热液影响的海相碳酸盐岩尽管表现出轻稀土元素亏损的分配模式，但具有明显的δEu正异常[30-31]，混积岩段各类岩石样品通过北美页岩标准化，δEu为 1.12～1.29，平均为1.20，存在弱的正异常，泥岩夹层δEu未出现正异常特征(见图6)，从元素角度证实混积岩储层受到热液影响，为热液对混积岩储层钙质胶结物的溶蚀改造作用起到支持作用。

6 结论

(1)秦南凹陷石东陡坡带沙一段自下而上发育表鲕状白云质砾岩、表鲕状白云质砂岩和含生屑砂岩3种“混合沉积岩”， 相对于泥岩，混积岩样品Sr和Ba元素相对富集，高场强元素Th和Nb亏损明显，表明混积岩中碳酸盐组分为沉积成因；其北美页岩标准化配分模式具有LREE相对富集、HREE相对亏损的特点，稀土元素总量高低主要受陆源组分质量分数的控制。

(2)研究区沙一段干旱气候下的半咸水弱氧化沉积环境，以及扇三角洲背景下物源供给间歇期陆源碎屑供给量减少，有利于碳酸盐的聚集沉淀和混积岩的形成。

(3)混积岩中陆源碎屑以中酸性火成岩为主，受后期流体改造而形成铸模孔，湖相碳酸盐和中酸性火山岩母岩的混合沉积有利于优质储层发育。

(4)混积岩δEu存在弱的正异常且具有较高的均一包裹体温度，相邻泥岩段不存在δEu正异常，表明成岩过程中可能受热液流体活动的影响。

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2016-11-22；编辑：刘丽丽

国家科技重大专项 (2016ZX05024-003-005)

冯 冲(1985-)，男，硕士，工程师，主要从事石油地质与元素地球化学方面的研究。

P588.21

A

2095-4107(2017)02-0044-10

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2017.02.005