基于微量元素和稀土元素的物源分析——以金湖凹陷戴一段为例

王腾宇，毕天卓，徐焕友，张健伟，田彦珍，钊 新，冉 硕，杨子艺

（1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063210；2.中国石化江苏油田分公司勘探开发研究院，江苏 扬州 225009）

金湖凹陷位于苏北盆地东台坳陷西部，油气资源较为丰富，古近系戴南组（E2d）戴一段（E2d1）是金湖凹陷重要的油气勘探目标层。前人仅对金湖凹陷局部地区E2d1从重矿物含量、砂岩类型和砂岩含量等角度进行了物源研究［1-2］，并得出以下结论:①沉积物从西南方向的张八岭物源区向东经过长距离搬运；②东北方向的柳堡和菱塘桥两个低凸起的沉积物向西南和西长距离搬运沉积；③南部的天长凸起的沉积物向北经过短距快速地搬运沉积。前人研究结果对源区的大地构造背景、源岩的属性归类和整个凹陷的系统物源方向尚未给出明确的认识。

沉积岩中的微量元素与稀土元素可以分析出大量的演化信息，母岩在风化、侵蚀、搬运、沉积成岩等作用下经历了十分复杂的变化过程。源区的各种岩石经过均匀混合后形成碎屑岩，对碎屑岩中化学成分进行测定后，根据所得数据可以推断出母岩区的岩性及特征［3］。不同类型的盆地，沉积构造环境与对应的碎屑岩的化学成分具有不同的特征，通过测定其化学成分，可进行大地构造背景与物源方向的研究。微量元素在地质研究中最早被用于判别构造背景，包括活动大陆边缘、被动大陆边缘、大陆岛弧与大洋岛弧四种构造背景。Gromet等［4］于1984 年将微量元素进行北美页岩标准化处理后，利用图解中各元素的变化程度进行物源的分析和对比。Taylor 和McLennan［5］在1985 年提出稀土元素平均大陆上地壳标准化图解。Lacassie 等［6］在2004年提出多元素物源判断图。在国内实际研究中，随着物源分析的重要性不断提高，研究方法更加多样，地球化学方法也得到了广泛的运用。张妮等［7］在2012 年根据（La/Yb）N（镧镱比标准化）值与母岩的搬运距离呈负相关，精细刻画了高邮凹陷E2d的物源方向。杨瞳等［8］（2018 年）认为岩体的稀土总量配分模式取决于被风化程度这一规律。师晶等［9］在2018 年综合REE（稀土元素）分析，得出鄂尔多斯盆地北部的阴山古陆为临兴地区的物源。侯阳红等［10］在2019 年结合REE 配分模式与主量元素的比值特征，认为花岗岩长英质岩石为幕府山组黑色岩系 的 源 岩。杨 晋 东 等［11］2020 年 利 用La/Yb—∑REE+Y 图解和元素地球化学特征分析认为燕山地区中元古界杨庄组的母岩为长英质火成岩类。郭旺等［12］2020 年根据La/Th-Hf、La-Th-Sc 图解分析出柴北缘大煤沟组的七段页岩主要以长石石英质花岗闪长岩为原岩。

利用微量元素和稀土元素特征及其组合可进行物源体系的精细研究。本文在前人研究成果基础上，首次结合微量元素和稀土元素的分析结果，对金湖凹陷E2d1沉积时期源区的大地构造背景、源岩属性归类进行了分析，并且精细刻画了凹陷不同构造部位的物源方向。

1 区域地质背景

金湖凹陷在苏北盆地的西侧，北面起自建湖隆起向南至天长凸起和菱塘桥低凸起，西部和张八岭隆起连在一起，东面与柳堡低凸起相连，凹陷面积5 000 km2左右（图1a）。

图1 金湖凹陷构造单元划分

晚白垩世的仪征运动，形成了金湖凹陷，在此之后吴堡、三垛等构造运动也对其产生影响［13］。可以将金湖凹陷划分为汊涧次凹、龙岗次凹、三河次凹、汜水次凹、东阳次凹等五个负向单元和西部斜坡带、汊涧斜坡带、石港断裂带、铜城断裂带、杨村断裂带、卞闵杨构造带、唐港构造带、宝应斜坡带等八个正向构造单元［14］（图1b）。

在金湖凹陷内E2d发育得较为齐全，其特征为下段沉积物细、颜色较黑，上部沉积物粗、颜色较红，厚度大概为100～1 200 m，凹陷内龙岗次凹的沉积最厚，是E2d的沉降中心，纵向上和下伏阜宁组（E1f）为不整合接触关系，从深凹到斜坡带，地层逐步超覆在不整合面上，其下部的地层渐渐变薄直到尖灭，从下往上可以分为E2d1和E2d2［15-19］。

E2d1纵 向 上 从 下 到 上 可 以 分 为E2d13、E2d12和E2d11三个亚段，三个亚段中E2d13岩性主要是灰色细砂岩、不等粒砂岩、棕色含砾不等粒砂岩与灰色、棕色泥岩互层，部分地区发育“泥尾巴”，地层厚度约0～240 m，分布相对局限，主要分布于三河、东阳、龙岗及汊涧次凹内坡和深凹带，以龙岗深凹厚度最大，向斜坡上快速的减薄和尖灭。E2d12砂岩发育比较好，岩性多为灰色细砂岩、不等粒砂岩夹棕色以及紫色泥岩，地层厚度大概为0～260 m，分布范围较广，除内坡外，凹陷的中坡带、卞闵杨、石港断层上升盘及唐港地区亦有分布，三河与龙岗—汊涧次凹为沉降中心，沉积的地层厚度最大，次沉降中心是成庄地区。E2d11岩性主要是低电阻的灰色、棕色泥岩夹灰色粉砂岩，局部地区是砂泥岩互层，地层厚度大约为0～180 m，分布范围进一步扩大，凹陷的中外坡地区亦有分布，沉降中心在三河与龙岗次凹，其中龙岗次凹厚度最大［20］（图2）。

图2 金湖凹陷戴南组Q6井单井岩性综合柱状图

2 样品的采集与分析方法

本次研究在金湖凹陷小关、墩塘、铜城、杨村、石港桥、高集、崔庄、前锋和石港石等九个地区20口井的E2d1（图3）采集82个样品进行微量元素与稀土元素的分析。所有样品全部为无明显变质的泥砂岩与泥岩段，这样避免了因风化作用导致稀土元素和微量元素的损失，提高了数据的准确性。样品测试在成都理工大学油气藏地质开发工程国家重点实验室完成，所用仪器为电感耦合等离子质谱仪（ICP-MS）。样品制备如下:

图3 金湖凹陷采样井位

①称50 mg 岩石样品，先粗碎至160 目以上，然后再研磨过200目筛，烘干备用。

②将烘干后的粉末放入溶样器中，依次加入硝酸、盐酸、氯氟酸，溶解后密封放置。

③将样品置于恒温加热板上，在150℃条件下蒸干12小时，用2%的盐酸稀释，移入干净的聚乙烯容量瓶中，定容摇匀。

样品检测过程中使用标准物质作为质量监控样，并重复检测，样品分析质量分数误差＜10%。

3 地球化学分析

3.1 源区构造背景

在沉积岩的形成过程中，微量元素和稀土元素具有较高的稳定性，可以根据元素的含量以及元素间的组合分析出物源区的地球化学特征信息。Bhatia［21］归纳总结出4 类构造环境，包括大洋岛弧、大陆岛弧、活动大陆边缘和被动大陆边缘，以及相对应的4种源区类型，分别为未切割的岩浆弧、切割的岩浆弧、上隆的基底和克拉通内部构造高地。其中大洋岛弧的ΣREE 最低，LREE（轻稀土元素）富集程度最弱，无Eu（铕）负异常；大陆岛弧ΣREE 较高，中等LREE 富集程度，较弱的Eu 负异常；大陆边缘（活动、被动）的ΣREE 最高，LREE 富集程度较高，Eu负异常较为明显。送检样品为泥岩，比同一构造背景下的砂岩ΣREE 含量多出约20%，所以先将测得的样品稀土元素数特征值除以1.2 进行校准，再与Bhatia 稀土元素特征参数进行对比（表1）。综合对比后发现金湖凹陷E2d1稀土元素特征值最接近大陆岛弧背景下的特征值，物源来自切割的岩浆弧，其次为活动大陆边缘，物源可能来自上隆的基底。

表1 金湖凹陷E2d1各亚段稀土元素参数统计

Bhatia 和Crook［22］归纳出La-Th-Sc、Th-Co-Zr/10、Th-Sc-Zr/10 和La/Sc-Ti/Zr 等对构造背景进行判别的图解。这些图解的分析结果可对上述稀土元素特征参数的对比结论进行论证。本次研究采用平面上以地区为研究单元（图4a、4b），纵向上以亚段为研究单元（图4c、4d）分别进行La-Th-Sc 与Th-Sc-Zr/10 两种图解进行物源沉积背景判别（图4）。以九个地区为研究单元（图4a、4b）绘制的La-Th-Sc（图4a）图解中样品全部落在大陆岛弧范围内，整体上靠近大陆边缘方向。Th-Sc-Zr/10（图4b）图解中大部分样品落到大陆岛弧范围内，整体上靠近活动大陆边缘，其中铜城地区的样品落在靠近活动大陆边缘的大陆岛弧边缘外。以三个亚段为研究单元绘制的La-Th-Sc（图4c）图解中样品大部分落在大陆岛弧范围内，部分样品落在大陆边缘内。Th-Sc-Zr/10（图4d）图解中大部分样品落到大陆岛弧范围内，整体上靠近活动大陆边缘。金湖凹陷E2d1样品在两种研究单元的两种图解中的判别结果均为活动大陆边缘的大陆岛弧，与上述稀土元素特征参数对比结果也相同。

图4 金湖凹陷E2d1的La-Th-Sc与Sc-Th-Zr/10图解（底图据Bhatia和Crook［22］）

综合上述稀土元素参数对比结果与构造背景图解的判别结果，分析认为金湖凹陷E2d1的物源区构造背景是靠近活动大陆边缘的大陆岛弧。

3.2 地球化学特征与源岩属性

上文运用微量和稀土元素特征对金湖凹陷E2d1的物源构造背景进行了分析，下面利用判别图解、多物源分析以及稀土元素的标准化曲线对E2d1的源岩属性进行分析。

Floyd 等［24］提出的La/Th-Hf 物源属性判别图解划分出6种物源区:拉斑玄武岩大洋岛弧源区、安山岩岛弧源区、长英质/基性岩混合源区、长英质源区、古老沉积物成分增加和被动大陆边缘源区。根据以地区为研究单元（图5a）和以亚段为构造单元（图5b）绘制的La/Th-Hf 的两张物源判别图均可见金湖凹陷E2d1的泥岩样品主要落在长英质和古老沉积物组分含量增加的混合物源区，反映其母岩来源于大陆上地壳长英质物质和古老沉积物，说明母岩区的构造背景主要为靠近活动大陆边缘的大陆岛弧，这与前面的分析结果吻合。

图5 金湖凹陷E2d1的La/Th-Hf物源判别（底图据Floyd等［24］）

Lacassie等［6］认为砂岩物源可分为4种:

①基性物源，与大陆上地壳相比，Sc、V、Cr富集程度明显，具有Nb、Rb、Th、Zr、Ce 亏损明显的特征；②中性物源，富集和亏损程度均低于基性物源，总体趋势相似；③长英质物源，Nb亏损的程度为中等；④再旋回沉积物源，与长英质物质Nb 亏损程度相似，同时具备Cr 中等程度富集和Sr 明显亏损的特征。将微量元素进行大陆上地壳标准化后绘制出多物源判别曲线（图6b），并与四条标准曲线进行对比（图6a）。

图6 金湖凹陷E2d1多元素物源判别（底图据Lacassie等［6］）

E2d1沉积时期，全区Nb元素都较为亏损，且Cr、V、Ce、Rb都有不同程度的富集，其中Cr富集程度最高，部分地区接近基性物源的特征值，但V、Cr 元素富集程度达不到基性物源的富集程度。Sr 比较富集的地区接近长英质物源的特征值，Sr 出现亏损的地区接近再旋回沉积物源的特征值，故受长英质物源与再旋回沉积物源的强烈影响，该结果与La/Th-Hf物源判别图结果相同。

物源区的岩石组成影响着稀土元素的特征，来自同一物源沉积物的稀土元素特征也较为相似［25］。因此根据曲线的整体形态、倾斜程度与Ce、Eu 两元素的异常程度可判断其与物源区是否相同。将金湖凹陷E2d1样品的稀土元素检测数据进行球粒陨石标准化处理后，绘制得到标准化曲线（图7）。数据显示金湖凹陷E2d1的ΣREE 相对较高，区域内含量值差异显著，但总体构型均为右倾型，较为相似，LREE 含量多，HREE（重稀土元素）含量少，Eu 负异常较为明显，符合上地壳物质中酸性的长英质岩石的母岩特征，与微量元素检测所得结果相同。

图7 金湖凹陷E2d1稀土元素球粒陨石标准化曲线

综上所述，金湖凹陷在E2d1沉积时期，整体主要受长英质物源的影响，其次为再旋回沉积物源，随着沉积充填的进行，长英质物源一直影响着研究区，再旋回沉积物源对研究区的影响程度逐渐减弱。

4 物源方向分析

对物源区的构造背景、地球化学特征与源岩属性进行综合分析后，再利用微量元素和稀土元素的特征参数与标准化曲线对金湖凹陷中不同地区的戴一段物源区进行讨论和判别。

4.1 盆地与周缘对比

苏北盆地周缘程度不等地出露早中生代、古生代乃至新元古代的各类岩层，舒良树等［26］研究数据显示苏北盆地在晚中生代及新生代物源供给充分。白垩纪之后苏北盆地存在的物源供给地有5 个，包括位于西部的大别山以及位于郯庐断裂的东部地区；位于北东部的滨海隆起，其中元古界的变质岩及古生代发育的沉积岩是最重要的物源；早中生代的变质岩及火成岩的物源区主要是苏鲁造山带西北部；南西部的变质岩以及火山岩主要由张八岭地区供给；宁镇山脉向源区提供了以碳酸盐岩及碎屑岩为主的物源，位于研究区南部。

通过对区内与周边物源区的特征对比得其分解图（图8），分析不同物源区内的基底母岩、侵入岩对区内物源性质的作用。图中的阴影部分为研究区REE配分曲线范围，图中的REE曲线数据引自前人研究成果［27-34］。

苏鲁造山带胶东区为高钾Ⅰ型花岗片麻岩，（La/Yb）N在7.39～13.87，Eu 负 异 常，δEu 在0.47～0.61［27］。金湖凹陷E2d1的（La/Yb）N数值与Eu负异常符合上述范围（表2），其REE曲线整体的形态特征也较为符合（图8a），因此该区域对金湖凹陷的物源造成主要影响。

表2 金湖凹陷周缘物源E2d1稀土元素参数

大别山东部为花岗片麻岩，ΣREE介于126.00～311.20μg/g，LREE/HREE 值 为10.50，Eu 亏 损 明显［28-29］，在参数和曲线整体形态上与研究区较为相似（图8b），判断对金湖凹陷物源造成主要影响。大别山南部为榴辉岩的变质带［30］，ΣREE介于126.00～311.20μg/g，LREE/HREE 值为10.50，Eu 亏损明显，而曲线与研究区差异较大，因此对金湖凹陷的物源影响较小（图8c）。

从表2可以看出:

张八岭群新元古代为细碧石英角斑岩系，资料显示该岩区的ΣREE 变化于32.70～161.48μg/g 之间，δEu在0.62～0.97之间，LREE/HREE值介于3.87～7.94，（La/Yb）N值也仅为2.45～6.38［31］，远远低于研究区的测试结果，同时曲线形态差别较大，因此该源区对研究区物源影响较小（图8d）。

张八岭地区北段的早白垩世侵入岩的ΣREE在112.00～126.00μg/g之间，比研究区小，LREE/HREE值为14.10～17.90，δEu 表现为正异常［32］，研究区的δEu 为负异常，因此判断对研究区物源的影响较小（图8e）。

张八岭隆起区南段为火山岩，轻重稀土具有强烈的分馏性，HREE 显示为相对亏损，体现为相对较弱的负铕异常，稀土元素总含量为215.41～322.53μg/g，轻重元素比值范围为19.05～21.96，δEu 为0.53～0.74［33］。研 究 区ΣREE 的 值 为216.42，在215.11～219.35μg/g 之间，而且具有明显的负铕异常，δEu的值0.67在0.67～0.71之间，仅LREE/HREE值不在范围内，但是，随着搬运距离的增加大量轻稀土含量减小，该值会产生不同程度的下降，因此该区域有可能对金湖凹陷的物源产生影响（图8f）。

宁镇山脉主要是大面积分布的中酸性的侵入岩，古生界和中生界地层都有分布。其岩体以花岗岩为主，呈现中酸性。配分曲线为轻稀土元素富集，重稀土元素亏损，分异较研究区更为明显，其中Eu元素较研究区差别最为明显，超过半数的曲线甚至表现为Eu 元素正异常［34］。因此与研究区E2d1明显的负Eu 现象严重不符，因此对研究区影响较小（图8g）。

图8 苏北盆地周边不同物源区的稀土元素球粒陨石标准化配分图解

根据上面所述，金湖凹陷E2d1的物源主要受到苏鲁造山带与大别山东部的影响，母岩类型应为高钾Ⅰ型花岗片麻岩。大别山南部不同成因榴辉岩、张八岭隆起新元古代细碧-石英角斑岩、张八岭隆起区中生代侵入岩北段以及宁镇山脉中段中生代侵入岩对金湖凹陷E2d1的物源影响很小。张八岭隆起区南段中生代侵入岩对金湖凹陷的影响需要进一步论证。

4.2 盆地内物源方向分析

在搬运过程中，HREE比LREE化学性质较为活跃，容易流失，而LREE 容易被富集下来。（La/Yb）N值反映出轻重稀土的分馏程度，（La/Yb）N值越低，则HREE 越富集，说明母岩距源区越远，所以（La/Yb）N值与母岩的搬运距离呈负相关［7］。根据前人的研究成果，金湖凹陷E2d1时期存在五个物源方向:建湖隆起、张八岭隆起、天长凸起、菱塘桥低凸起和柳堡低凸起。将E2d1各亚段样品的（La/Yb）N值与E2d1的砂岩含量百分比等值线图相结合对E2d1时期物源方向进行综合分析。

E2d13亚段沉积时期，石港地区的Q7井、Q6-1井和S13-1井的（La/Yb）N值分别是10.27、10.76、10.30，Q6-1 到Q7 数值变小搬运方向为Q6-1 井至Q7 井，与砂岩百分含量趋势保持一致，三口井数值相近，物源应为柳堡低凸起，其中SX13-1 井部分物源可能来自菱塘桥低凸起；G28 井的（La/Yb）N值大于C2井，G28井比C2井距物源区近，应为建湖隆起（表3、图9）。

图9 金湖凹陷E2d13的（La/Yb）N分布、砂岩百分含量等值线图及物源方向

表3 金湖凹陷E2d1的（La/Yb）N统计

E2d12亚段沉积时期，小关地区的GX5 井的（La/Yb）N值为14.28，接近最高值，表明离源区较近，推测物源来自南部天长凸起；墩塘地区的GX4 井的（La/Yb）N值为10.52，表明离源区较近，推测源区为菱塘桥低凸起；铜城的TX77 井的（La/Yb）N值为14.63，为所测数据中最高，C1 井较高为13.52，表明离源区较近，推测源区为西侧的张八岭隆起；石港的SX13 井的（La/Yb）N值约为10.22，表明为近源供给，推测源区应为东部菱塘桥-柳堡低凸起；前锋地区 的FX4 井 与F1 井 的（La/Yb）N分 别 为10.62 和9.98，推测源区为柳堡低凸起；TX92 井的（La/Yb）N值较低，为9.99，距离源区较远，金湖凹陷中部砂岩百分含量等值线呈由西到东的变化趋势，推测源区为西侧张八岭隆起（表3、图10）。

图10 金湖凹陷E2d 12的（La/Yb）N分布、砂岩百分含量等值线图及物源方向

E2d11亚段沉积时期，墩塘地区的GX4 井的（La/Yb）N值为9.98，物源来自东北部柳堡低凸起—建湖隆起中段；D2-3 井的（La/Yb）N值为9.88，远离源区，物源来自菱塘桥低凸起；TX92井的（La/Yb）N值约为11.18，物源应来自张八岭隆起。石港地区的SX14井和Q5 井、Q8 井、Q6 井、QX17 井的（La/Yb）N值在9.99～10.35 之间，推测源区应为东部柳堡低凸起，SX14 同时可受到菱塘桥低凸起的影响。根据金湖凹陷北部前锋地区的砂岩含量百分比等值线呈北偏东向南偏西方向的特征，可判断在E2d11亚段时期北偏东方向可能存在物源供给（表3、图11）。

图11 金湖凹陷E2d11的（La/Yb）N分布、砂岩百分含量等值线图及物源方向

综上所述，金湖凹陷北部龙岗汊涧斜坡主要受到来自研究区西部张八岭隆起方向源区的影响；杨村断裂带下降盘主要受到研究区南部天长低凸起方向的源区影响；三河斜坡主要受到来自研究区西北部建湖隆起方向源区的影响，但在E2d1沉积早期（E2d13）物源供给非常局限；石港断裂带下降盘主要受到来自研究区东部菱塘桥—柳堡低凸起方向源区的影响，其中断裂带南部受到来自菱塘桥方向源区的影响更为显著。

5 结论

（1）根据金湖凹陷E2d1稀土元素特征参数对比，结合La-Th-Sc与Th-Sc-Zr/10两种构造背景判别图解的结果综合分析认为，金湖凹陷E2d1的物源区构造背景为靠近活动大陆边缘的大陆岛弧。

（2）La/Th-Hf 判别图解、多物源判别图解与稀土元素配分曲线的分析表明，金湖凹陷E2d1沉积时期，主要受长英质物源影响，其次为再旋回沉积物源影响。母岩类型为苏鲁造山带与大别山东部的高钾Ⅰ型花岗片麻岩。

（3）金湖凹陷E2d1的物源主要来自5 个方向:西部的张八岭隆起、西北部的建湖隆起、东部的柳堡低凸起、东南部的菱塘桥低凸起和南部的天长凸起。金湖凹陷的汊涧斜坡主要受到来自研究区西部张八岭隆起方向源区的影响。杨村断裂带下降盘主要受到研究区南部天长低凸起方向的源区影响。三河斜坡主要受到来自研究区西北部建湖隆起方向源区的影响。石港断裂带下降盘主要受到来自研究区东南部菱塘桥—柳堡低凸起方向源区的影响，其中断裂带南部受到来自菱塘桥方向源区的影响比较明显。