西湖凹陷天台斜坡带物源交汇区古近系碎屑锆石形态学与年代学示踪

王 超,陈忠云,秦兰芝,赵 洪,徐东浩,俞伟哲

(中海石油(中国)有限公司上海分公司,上海 200335)

西湖凹陷西部斜坡带是目前东海陆架盆地中最为重要的勘探地区之一,其主要目的层系为始新统平湖组与渐新统花港组。针对西部斜坡带的物源体系,前人从物源区隆起形成时间、沉积体系、储层特征及重矿物等方面开展了一系列研究工作,认为西部斜坡带砂体主要来源于西侧海礁隆起的物源体系,进而影响到了其砂体展布及储层发育[1-2]。本文研究的天台斜坡带位于西部斜坡带南部,其西北部为海礁隆起,南部为渔山东低隆起。前人研究表明,海礁隆起与渔山东低隆起均是华南板块向东海盆地的延伸,早期均具有变质岩基底,但是由于渔山东低隆起中生代经历大规模的火山运动,导致其发育厚层的中生代火山岩地层,而海礁隆起火山岩发育规模较小,具有更多的变质岩基底特征。天台斜坡带的地理位置被海礁隆起和渔山东低隆起两个物源区所夹持,物源体系较为复杂。直到目前,前人仅是推测研究区受到两个物源体系的影响[3-8],但未开展系统研究工作,严重限制了该区的勘探研究。

本文首先选取已明确为海礁隆起与渔山东低隆起物源体系来源的样品,利用锆石形态学、碎屑锆石U-Pb年代学开展对比分析[9-10],以明确海礁隆起与渔山东低隆起锆石形态学与年代学的特征及其差异;然后利用天台斜坡带钻井取样开展锆石形态学与年代学分析,并与两个物源区开展对比以明确不同层位砂体的母源方向,判断研究区物源交汇及垂向演化序列,继而通过对地震前积反射特征等开展分析以落实物源体系。

1 地质概况

东海陆架盆地是中国海上面积最大的沉积盆地,其中西湖凹陷面积约为5×104km2,为东海陆架盆地面积最大、勘探程度最高的凹陷[1-8]。西湖凹陷北侧以虎皮礁隆起为界,与福江凹陷相邻;西侧以海礁隆起为界,与钱塘凹陷为邻;西南与渔山东低隆起相靠;东临冲绳海槽盆地[11-13](图1)。西湖凹陷具“东西分带、南北分块”特征,自西向东依次划分为西部斜坡带、中央洼陷-反转构造带和东部边缘断裂带三个构造单元[14-15](图1),其中西部斜坡带自北向南分为杭州斜坡带、平湖斜坡带与天台斜坡带。本次研究区为西湖凹陷西部斜坡带南部的天台斜坡带。

天台斜坡带受北西西向基底断裂影响,南北部构造面貌存在明显差异。天台斜坡带高带紧邻海礁隆起,断层倾向以西倾为主,构成多级反向断阶斜坡结构,近洼陷的中低带部位发育顺向断层,平面上断层多呈弧形展布特征。研究区断层走向自北向南由北北东向转为北北西向;其中北北东向断层延伸段表现为缓坡形态,北北西向断层延伸段受基底北西西向断层影响逐步表现为陡坡形态。天台斜坡带南部紧邻渔山东低隆起,表现为陡坡形态,主要受控于东倾的宝石断裂,西倾反向断层基本不发育,平面上断层走向主要呈北北东向,断层发育密度明显小于北部(图2)。

西湖凹陷新生代主要经历了基隆运动、瓯江运动、玉泉运动、龙井运动和冲绳海槽运动,将西湖凹陷自下而上分为裂陷、拗陷和区域沉降三大构造层。由于这三个时期所受应力场不同,造就了裂陷期、拗陷期(反转期)和区域沉降期三个阶段[16-18]。研究区产油气层位主要为平湖组与花港组,钻井所揭露的地层发育齐全。

2 锆石样品选取及测试方法

锆石是物源体系对比研究的对象之一,为明确海礁隆起与渔山东低隆起物源体系砂体中的锆石特征,本文在对靠近渔山东低隆起的A井、靠近海礁隆起的B井,以及天台斜坡区的C井、D井的岩心、岩屑观察的基础上,选取部分岩屑样品进行锆石定年分析(图2)。矿物分选之前首先对岩屑进行洗涤,进一步筛选出岩性较为均一的砂岩颗粒进行制样。锆石U-Pb同位素分析测试在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室开展,利用JXA-8100型电子探针显微分析系统与GeoLas2005-Agilent7500a型激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱仪进行测试分析,激光束斑直径约为24～32 μm,以氦气(He)作为剥蚀物质的载气。

基于古近系样品的碎屑岩锆石U-Pb同位素测试(表1),年龄计算参考锆石91500作为外标标准物质,元素含量参考NIST610为外标、29Si为内标进行计算。同位素比值和年龄误差标准偏差小于1σ,样品的同位素比值及各元素含量计算通过Glitter程序完成,普通Pb校正引用ComPb Con#3-151完成,年龄计算与谐和图绘制通过Iso-plot 3.0软件完成,去掉不谐和度大于10%的锆石颗粒分析点进行碎屑锆石年龄谱分析,每个样品点打点数大于80个,谐和度大于90%,从而使得测试结果有效、可信度高。

3 碎屑锆石形态学与年代学特征

锆石具有高度稳定性,其在搬运和沉积的过程中始终保持稳定,故沉积岩中碎屑锆石成因比例可用于分析砂体来源。碎屑锆石 CL 图像能够清晰地揭示锆石内部环带、变质增生等方面的信息,有利于母岩成因及搬运信息的研究[19-21],结合锆石U-Pb年龄,能够准确指示样本母岩的地质年代[22-23]。

对近渔山东低隆起物源区的A井、近海礁隆起物源区的B井,以及物源交汇区的C井、D井四口井分别取样,开展锆石形态学与U-Pb年龄分析(表1)。通过分析平湖组锆石颗粒的阴极发光照片,归纳为四个时代的锆石发光信息,即前元古代-古元古代、古元古代-中元古代、新元古代和中生代。前元古代-古元古代锆石阴极发光图像清晰,锆石边界较为平直,形态多为柱状,晶面简单,多数锆石呈现岩浆成因特征的岩浆震荡环带,部分锆石颗粒破碎、磨圆程度较高,反映长距离搬运特征;古元古代-中元古代锆石阴极发光图像比较模糊,环带不明显,有些外观呈短柱状,并发生磨圆现象,反映母岩为变质岩,且搬运距离较远的特点;新元古代锆石整体阴极发光较暗,既有岩浆成因而发育生长环带,又发育变质增生边,部分颗粒边界平直,反映搬运距离相对较近;中生代锆石边界较为平直,形态多为柱状,晶面简单,多数呈现岩浆成因特征的岩浆震荡环带,部分颗粒破碎、磨圆程度不一,反映短距离与长距离混合搬运特征。

3.1 母源区碎屑锆石形态学与年代学特征

海礁隆起物源体系锆石呈半自形-它形形态特征,晶面可见溶蚀、晶棱短柱等形态分布,内部无明显的分带,整体以变质锆石为主;渔山东低隆起物源体系锆石呈较为自形的特征,晶面简单,晶棱尖锐,平直棱柱面发育,整体可见呈细长柱状形态,内部可见明显振荡分带特征,整体以岩浆锆石分布为主。因此不同隆起提供的碎屑锆石在成因比例上具有差异,可表征砂体的来源。

具体来看,A井碎屑锆石中岩浆成因锆石比例为73.8%(图3a),变质成因锆石比例为26.2%,锆石晶体多数呈长方柱状,发育典型、清晰的环带结构,且部分内部构造继承有锆石的残留核(图3a-iii,iv),同时可见较低程度的磨蚀与圆化,具有明显的岩浆成因型特征。B井碎屑锆石中岩浆成因锆石比例为28.4%(图3b),变质成因锆石比例为71.7%,锆石晶体多数外形呈浑圆状(图3b-ii,iv),无明显内部环带特征,部分内部发育扇形分带,且可见白色次生边(图3b-i),具有明显的变质成因型特征,与南部地区主要为海礁隆起供源特征相吻合。

图3 西湖凹陷天台斜坡带A井、B井锆石碎屑锆石形态特征

从年代学特征来看,渔山东低隆起锆石年龄概率密度图主要表现为近单峰型(图4a),即中生代年龄占比高,其古元古代年龄占比明显减少。具体来看,A井位于渔山东低隆起近物源供给区域,大部分岩浆锆石颗粒呈现自形-半自形状,显示搬运距离较近,并具有明显的130 Ma(白垩纪)年龄高峰(图4),相应的,其古元古代年龄占比明显减少;在元素组成方面,白垩纪可见明显的元素高峰,在古元古代、中元古代及新元古代元素占比相对较低且均匀分布。

海礁隆起年龄呈现中生代、晚古生代、中元古代和古元古代多峰特征(图4b),其中锆石表面年龄主体位于太古代-元古代,尤其是古元古代年龄占比高。B井位于海礁隆起近源区域,以海礁隆起供源为主,变质锆石晶体颗粒较为自形,磨损较弱,显示搬运距离较近。锆石测定数据拟合直线与谐和线上交点的年龄为2 337±83 Ma(图4),概率分布直方图为多峰结构,锆石年龄除了在中元古代和古元古代有所分布之外,新元古代也有所分布,而且晚古生代和中生代也占有一定比例;在年龄比例上,中生代整体元素分布较少,元素高峰出现在早元古代,在中元古代-晚元古代、晚太古代等呈现均匀分布。

3.2 研究区碎屑锆石形态学与年代学特征

研究区C井花港组下段沉积时期(图5a)碎屑锆石中岩浆成因锆石比例为31.5%,变质成因锆石比例为68.5%,锆石晶体多数呈长方柱状,发育典型、清晰的环带结构,阴极发光显微镜(CL)图像可识别出变质成因锆石的核部和后期重结晶生成的边部,锆石边缘不规则,晶面复杂并伴随碎裂、溶蚀现象,指示以变质成因锆石为主,表明其主要为渔山东低隆起供源;平湖组上段沉积时期(图5b)碎屑锆石中岩浆成因锆石比例为37.8%,变质成因锆石比例为62.2%,其颗粒边缘平直,部分边缘不规则,锆石晶体多数外形呈浑圆状,无明显内部环带特征,表明平湖组受到了更多的西侧海礁隆起母源的贡献。

图5 西湖凹陷天台斜坡带平湖组-花港组碎屑锆石U-Pb年龄谱峰图、协和图及年龄比例图

D井平湖组中段沉积时期(图5c)碎屑锆石中岩浆成因锆石比例为45.6%,变质成因锆石比例为54.4%,锆石晶体多数外形呈浑圆状,少量具内部环带特征;平湖组上段时期(图5d)碎屑锆石中岩浆成因锆石比例为39.9%,变质成因锆石比例为 60.1%,锆石晶体多数外形呈浑圆状,无明显内部环带特征,阴极发光显微镜(CL)图像可识别出变质成因锆石的核部和后期重结晶生成的边部,锆石边缘不规则,晶面复杂并伴随碎裂、溶蚀现象,表明以海礁隆起供源为主,兼具渔山东低隆起物源区的特征。

结合C井、D井的锆石成因学与形态学的研究结果表明,研究区由平湖组到花港组变质母源的含量逐渐增加,岩浆母源的含量不断降低。

从年代学特征来看,C井平湖组上段沉积时期,岩浆锆石成因比例稍高,阴极发光显示出碎屑锆石部分震荡环带较为明显,指示具有一定岩浆成因,古元古代年龄占一定比例(图5b-ii),呈明显多峰型,可判断为渔山东低隆起与海礁隆起的混合特征;花港组沉积时期锆石年龄呈明显多峰型(图5a-ii),古元古代年龄达到31%,元素高峰出现在早元古代,而岩浆成因锆石比例仅为41.8%,低于变质成因锆石比例,呈以海礁隆起物源为主导的特征,可见从平湖组到花港组,海礁隆起物源体系的作用增强。

D井平湖组中段锆石年龄上呈明显多峰型(图5c-ii),元素占比在早元古代呈现高峰,在白垩纪也有一定分布(图5c-i,iii),岩浆成因锆石比例稍低于变质成因锆石比例,指示海礁隆起物源为主、渔山东低隆起为辅的特征;平湖组上段沉积时期,锆石年龄呈明显多峰型(图5d-ii),古元古代锆石年龄占33%,元素高峰出现在早元古代,在白垩纪占比较少(图5d-i,iii),且变质成因锆石比例明显提升,指示变质成因锆石为主,表明主导物源区为海礁隆起(图5d-i)。

4 交汇区砂体的地震响应特征

不同物源体系的砂体发育过程在地震剖面上均有所指示,可对锆石年代学所得出的结果进行有效验证。在顺物源方向上,前积方向明确的楔状沉积体以前积角最大方向作为前积或主物源方向;在正交物源方向上,可通过楔状沉积体的同相轴向两侧逐渐尖灭来指示沉积范围。通过地震相差异、最大前积角度、前积方向和物源来源等特征,可对沉积体进行期次划分,从而作为锆石形态学与年代学研究结果的补充论证。

从渔山东低隆起到天台斜坡带(图6),可明显看到平湖组至花港组底部持续发育楔形前积体,沉积体规模相对较大但分布范围较小,花港组除底部外基本没有看到规模性楔形前积体。表明渔山东低隆起对于研究区花港组砂体的供砂范围有限。

从海礁隆起向研究区方向楔形前积体在规模、分布范围等方面与渔山东低隆起有较大差异(图7)。横向上,海礁隆起对砂体发育范围的影响远大于渔山东低隆起,可影响到天台北的大部分区域;纵向上,楔形前积体自平湖组到花港组沉积时期均有发育且规模均较大。从两个母源区到研究区的地震反射结构特征可以看出,平湖组中段沉积时期多为两个母源砂体的混合沉积;平湖组上段到花港组沉积时期,以变质母岩沉积为主导,海礁隆起母源区的影响逐渐增大。

5 结论

1)天台斜坡带的两个物源体系碎屑锆石特征差异明显,其中,渔山东低隆起供源期的锆石形态多为自形,具有明显的白垩纪年龄高峰,以岩浆成因锆石为主;而海礁隆起供源期的锆石形态多为它形,以古元古代年龄高峰为主要特征,主要为变质成因锆石。

2)渔山东低隆起母源至研究区方向在平湖组楔形前积体面积较大,至花港组砂体前积面积有所减小;海礁隆起母源至研究区方向砂体前积规模大于渔山东低隆起,由平湖组到花港组沉积过程中,楔形体前积角和面积均逐渐加大。平湖组中段沉积时期多为两个母源砂体的混合沉积,平湖组上段到花港组,海礁隆起母源区的影响逐渐增大,以变质母岩沉积为主导。

3)研究区平湖组中段沉积时期,天台斜坡区处于弧形断裂输导区,渔山东低隆起与海礁隆起联合供源,沉积物沿断裂转换带向低带展布;平湖组上段至花港组沉积时期,渔山东低隆起供源作用减弱,海礁隆起供源作用持续增强。