由于地球各部分的物质组成和地壳构造不同, 因而实际测量的重力值往往与理论值不符, 称为重力异常, 又由于构成地球的物质密度不均匀, 加上地形、位置、地质和观测条件诸因素的影响, 不同地点的重力场强度也不同, 采用各种改正方法, 消除不同因素的影响, 就可得到各种含义的重力异常, 布格重力异常是对实测异常经过纬度改正、中间层改正、地形改正以及正常场改正以后得到的重力差, 因此, 它反映地壳浅层和深层的地质构造和物质分布(周立宏等, 2009)。通过布格重力异常资料, 可以对古地貌变化与主要物源区进行初步的判断。在正值区为地势相对较高的地貌单元, 而负值区则对应低洼地区, 地势相对较高的地区有可能为低洼地区提供物源(韩冰, 2009)。

从该研究区的布格重力异常图(图 2)可看出, 研究区周缘分布多个隆起区(高值区), 在沧东凹陷西北— 西南部的沧县隆起及东南部的徐黑凸起为北东走向正布格重力异常为主, 隆起区之间分布有重力异常低值区。其中西北部沧县隆起地区分布广泛, 较为突出, 存在5个高值区, 重力异常值为60~105, μ Gal, 其间分布5个重力异常低值区, 重力异常值为15~30, μ Gal, 可看出地形高差较大, 坡度较陡, 并向盆内方向呈递减趋势, 初步推断由沧县隆起向盆地沿数值降低方向可能存在多个古水流河道, 这些低值区可能是研究区西北— 西南部存在的1个或多个物源区向盆内供给物源的通道(图 2箭头所示); 同样东北— 东南部也存在4个高值区, 重力异常值范围在45~90, μ Gal之间, 其间分布4个重力异常低值区, 异常值都低于30, μ Gal, 地形高差大, 且向盆内方向其值逐渐减小, 地势逐渐降低, 也可能存在多个古水流河道(图 2箭头所示), 在盆地东北— 东南方向也可能存在多个物源区。

图2

Fig.2

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	图2 黄骅坳陷孔南地区布格重力异常图Fig.2 Map of bouguer gravity anomaly field of Kongnan area, Huanghua Depression

区域布格重力异常场从宏观上勾绘出了孔南地区地势的起伏状况, 在该研究区周缘可能都存在物源, 下面将通过砂体展布规律、地震资料分析、重矿物法及碎屑岩类分析法来具体论证该地区物源方向以及影响区域。

利用研究区237口探井的录井资料, 绘制出该研究区孔店组二段的砂岩含量等值线图与砂岩厚度等值线图, 对其孔店组二段的砂体展布特征进行了分析。

由砂岩含量等值线图(图 3)与砂岩等厚度等值线图(图 4)可看出, 该研究区孔店组二段的砂体展布规律在平面上表现为由盆地周缘向中心呈扇形展布的特征, 研究区西部及南部地区砂岩含量较高, 最高达70%, 厚度较大, 最厚达120~140, m, 说明砂体较为发育, 并且向盆内方向砂岩含量与厚度都呈递减趋势。

图3

Fig.3

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	图3 黄骅坳陷孔南地区孔店组二段砂岩含量等值线图Fig.3 Isoline map of sandstone content of the Member 2 of Kongdian Formation in Kongnan area, Huanghua Depression

图4

Fig.4

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	图4 黄骅坳陷孔南地区孔店组二段砂岩等厚图Fig.4 Isoline map of sandstone thickness of the Member 2 of Kongdian Formation in Kongnan area, Huanghua Depression

具体来看, 研究区西南部与东南部地区的砂岩厚度较大, 达80, m以上, 含量也大于50%。由图3、图4中可以看出东南部集北头地区砂体由东南向西北方向延伸至湖盆中心, 砂岩厚度与含量都呈递减趋势。西南部乌马营地区砂体由西南向东北按图中箭头所指方向延伸展布至湖盆中心, 延伸距离较长, 砂岩含量呈递减趋势; 而在更南部的灯明寺地区也存在砂体, 按图中箭头方向由南向北展布, 并与乌马营地区砂体交汇, 这与重力资料(图2)所预测的物源通道方向相一致。

在西部舍女寺与叶三拔地区砂体也较为发育, 砂体呈2个扇形按箭头方向由西向东延伸, 舍女寺地区砂体厚约80~140, m, 由西向东呈递减趋势; 叶三拔地区砂体厚约40~50, m, 由西向东呈减薄趋势(图 3, 图4)。

研究区西北部沧州及薛官屯地区、东北部孔店地区、东部故县及徐杨桥地区, 与南部及西部地区相比虽砂体不发育, 砂岩含量均低于50%, 但其展布规律都具相似性, 砂岩厚度与含量由盆地边缘至盆地中心按箭头所指方向呈逐渐减小趋势(图 3, 图4)。

由该研究区的砂体向盆内的展布形态(图 3, 图4), 结合重力资料(图2)分析, 在研究区东南、东北、西南、西北都存在物源, 并存在若干个子物源, 而具体的子物源供给通道需要结合该区的地震资料及轻重矿物资料进行综合分析。

利用地震资料确定物源方向时, 首先可以利用地震资料抽取大量二维线来寻找盆外下切沟槽来确定古河道的具体位置; 其次采用的地震相参数是内部反射结构, 例如, 前积反射结构是反映某种携带沉积物的水流在向前推进过程中, 由前积作用产生的反射结构, 因而它是直接指示古水流方向和物源方向的重要标志(于兴河, 2007)。

2.3.1 盆外下切沟槽

通过对研究区孔店组二段盆外二维地震剖面的系统解析, 发现在该区西南、西北、东南、东北4个方向上都存在下切沟槽, 按地区共可识别出故县、徐杨桥、集北头、灯明寺、乌马营、舍女寺、薛官屯等7个下切沟槽(图 5), 这些沟槽能大致判断出古河道的位置及流向。这些沟槽的位置与上文重力异常及砂体展布规律所预测的子物源通道位置基本相符, 进一步确定了在研究区周缘各物源口的位置。从沟槽的形态上看, 在乌马营、灯明寺、舍女寺、薛官屯地区抽取的测线(图5; D, E, F, G), 在地震剖面上所反映的沟槽形态较其他地区具有“ 宽” 、“ 深” 的特点, 这也指示了古河道的流量较大, 可以初步推断上述几个地区为主要物源区。

图5

Fig.5

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	图5 黄骅坳陷孔南地区孔店组二段盆外下切沟槽特征Fig.5 Characteristic of incised grooves of the Member 2 of Kongdian Formation in Kongnan area, Huanghua Depression

2.3.2 地震反射结构

通过对研究区孔店组二段盆内三维地震剖面的系统解析, 在研究区灯明寺地区、沧州地区、孔店地区及故县地区发现前积反射结构, 这些地震反射结构也指示出了在这些地区存在物源供给(图 6)。

图6

Fig.6

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	图6 黄骅坳陷孔南地区孔店组二段地震剖面反射特征Fig.6 Characteristics of seismic reflection of the Member 2 of Kongdian Formation in Kongnan area, Huanghua Depression

结合上述盆外下切沟槽综合分析, 在研究区内按地区共可识别出故县、徐杨桥、集北头、灯明寺、乌马营、舍女寺、沧州、薛官屯、孔店等9个子物源供给通道。而要明确该区是否还存在其他的物源以及各子物源通道向盆内的具体供给方向, 还需要结合该区的重矿物资料及碎屑岩成分进行综合分析。

由于电子探针技术的应用及其分析水平、精度的不断提高, 重矿物分析法应用极其广泛。稳定重矿物因其抗风化能力强, 分布广泛, 在远离母岩区的沉积岩中其含量相对增高, 能够较多的保留其母岩的特征, 故在物源分析中占有重要地位(何幼斌和王文广, 2007)。重矿物ZTR指数是指重矿物中最稳定的3种矿物锆石(Z)、电气石(T)和金红石(R)在透明重矿物中的含量。ZTR指数越高, 表明岩石的成分成熟度越高, 所以该指数能指示沉积物自物源区向盆地搬运距离的远近。另外, 重矿物之间具有严格的共生关系, 其组合类型及分布也可作为物源区分析依据之一, 是物源变化极为敏感的指示剂。因此, 利用不同时期水平方向上重矿物种类和含量变化可推测物质来源的方向(李珍等, 1998; 陈纯芳, 2001; 何钟铧等, 2001)。

通过对研究区47口井的463块岩心的取样分析表明, 其孔店组二段砂泥岩中主要有锆石、金红石、电气石、石榴石、磁铁矿、锐钛矿等重矿物, 其中石榴石含量最高。利用聚类分析对该区代表井的孔店组二段重矿物资料进行处理, 分析其重矿物组合特征及ZTR含量变化。下面通过分析各个地区代表井的稳定重矿物组合关系及其ZTR的变化趋势, 来证明该研究区存在物源及在盆内的具体供给方向。

2.4.1 孔店地区

孔店地区位于研究区东北部, 该地区重矿物具有以下特征:锆石平均含量27%, 电气石含量8%, 金红石含量2%, 石榴石含量50%~70%, ZTR指数15%~40%, 在该地区接近盆地边缘区域的ZTR指数较低, 大多均在20%以下, 向盆内方向有增高的趋势, 最高达40%。以该地区K1井、K2井和K3井为例, 在其向盆内联井方向上ZTR指数依次为16%、25%、30%, 呈逐渐增大趋势, 磁铁矿含量明显减小, 由此推断在孔店地区东北部存在物源, 这与地震剖面反射特征所得出的结论相一致, 箭头所指即为物源供给方向(图 7)。

图7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 黄骅坳陷孔南地区孔店组二段代表井重矿物特征展布Fig.7 Distribution of heavy minerals in representative wells of the Member 2 of Kongdian Formation in Kongnan area, Huanghua Depression

2.4.2 舍女寺地区

舍女寺地区具有两类重矿物特征, 第1类分布在舍女寺偏南部区域(图 3), ZTR指数范围15%~40%, 平均为25%。以S1井、S2井和S3井为例, 这3口井由西北向东南方向ZTR指数逐渐增大, 依次为25%、28%、30%, 而磁铁矿含量呈降低趋势; 第2类组合分布在舍女寺偏北部区域(图 7), 其重矿分布特点与北部有较大差异, ZTR指数范围50%~80%, 平均为55%, 但其ZTR指数在箭头所指方向上总体变化趋势与前者相同, 呈逐渐增大趋势, 以S4井、S5井和S6井为代表, ZTR指数依次为50%、53%和61%。通过对比这2组连井重矿物含量变化趋势, 可以判断在舍女寺地区西北部存在物源, 这与分析盆外下切沟槽所得出的结论相一致, 箭头所指即为物源供给方向(图 7)

2.4.3 乌马营地区

西南部乌马营地区ZTR指数较高, 以W1井和W3为例, 具有中高锆石、高石榴石、低磁铁矿特征, ZTR平均达47%, 石榴石含量平均50%, 而磁铁矿含量仅3%左右, 并且ZTR指数在联井方向上有增高的趋势, 而磁铁矿含量则降低(图 7), 结合地震资料综合分析, 可判断在乌马营及灯明寺南部地区存在物源, 沿W1井— W3井联井方向向盆内供源。

2.4.4 集北头地区

东南部集北头地区ZTR指数较高, 以J1井和J2井为例, ZTR指数平均达45%, 石榴石含量中等偏低, 平均20%~30%, 磁铁矿含量也较低, 仅3%左右, 并且ZTR指数在J1井— J2井联井方向上有增高的趋势, 因此判断集北头地区物源在盆内供给方向为顺J1井— J2井方向(图 7)。

利用重矿物组合特征及ZTR含量变化在研究区内可初步识别出4个物源区, 分别为:孔店物源区、集北头物源区、乌马营物源区和舍女寺物源区。

碎屑是辨认物源区的非常重要的辅助物, 岩屑本身比任何其他类型的颗粒带有更多的物源区的证据。通过对选定层位砂岩样品中的石英、长石、岩屑含量进行统计, 可以确定研究区该层位的主要岩性; 根据石英(Q)的含量与长石(F)和岩屑(R)总含量的比值即Q/(F+R)指数反映砂岩的成分成熟度(何幼斌和王文广, 2007)。碎屑岩轻矿物组合关系及成分成熟度变化的研究, 可作为判断母岩区位置和性质的依据之一, 从而确定物源区的位置及其来源方向。

统计分析表明, 在整个孔南地区内, 碎屑岩颗粒组分主要是石英、长石和岩屑, 总体含量为94%~98%。岩屑类型主要为岩浆岩岩屑, 含量约10%~30%, 而变质岩岩屑和沉积岩岩屑含量极少, 不足5%。根据研究区84口探井865块岩心主要碎屑组分含量投点作图(图 8)可看出, 该研究区孔店组二段石英含量约25%~60%, 平均含量30%~40%, 长石含量相对较高, 约45%~60%, 因此该地区主要发育长石砂岩, 其次为岩屑— 长石砂岩。由图中可以看出乌马营、徐洋桥和集北头地区的石英含量比其他地区较高, 约50%左右(图8), 说明成分成熟度较其他地区高, 离物源区较远。

图8

Fig.8

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	图8 黄骅坳陷孔南地区孔店组二段取心井碎屑组分三角图Fig.8 Triangles diagram of fragment components of the Member 2 of Kongdian Formation in Kongnan area, Huanghua Depression

下面将从研究区西南部、西北部、东北部、东南部4个方向上分析其碎屑岩轻矿物组合关系及成分成熟度变化, 从而确定各个方向的物源区位置及其在盆内的供给方向。

2.5.1 盆地西南部

即乌马营地区。该地区具有石英含量高的特点, 含量为45%~70%, 平均含量为58%(图 8; 表1)。岩屑中岩浆岩岩屑含量最高, 其次为变质岩岩屑(表 1)。Q/(F+R)指数范围0.63~1.91, 平均达1.16, 说明该地区砂岩成分成熟度较高。对比其代表井W1井、W2井和W3井轻矿物特征(图9)可以看出, 石英含量由西南向东北方向逐渐增高, 由大约40%增高到70%左右, 即成分成熟度逐渐提高, 同时这也指示了西南部物源在盆内的供给方向, 这与重矿物分析所得出的结论相一致。

表1

Table1

表1(Table1)

表1 黄骅坳陷孔南地区碎屑组分平均含量 Table1 Average content of fragment components in Kongnan area, Huanghua Depression 位置 地区 石英含量/% 长石含量/% 岩屑含量/% Q/(F+R) 沉积岩 变质岩 岩浆岩 西南部 乌马营 58 29 1.78 3.34 7.38 1.61 西北部 舍女寺 38 48 2.34 2.01 9.55 0.51 叶三拔 39 47 2.20 1.95 5.56 0.49 东北部 孔店 35 48 1.59 1.83 13.46 0.54 徐杨桥 46 37 2.65 2.17 10.96 0.87 东南部 集北头 43 41 1.74 2.92 9.60 0.78

表1 黄骅坳陷孔南地区碎屑组分平均含量 Table1 Average content of fragment components in Kongnan area, Huanghua Depression

图9

Fig.9

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	图9 黄骅坳陷孔南地区孔店组二段代表井碎屑岩组分特征展布Fig.9 Distribution of fragment components in representative wells of the Member 2 of Kongdian Formation in Kongnan area, Huanghua Depression

2.5.2 盆地西北部

该地区的钻井多集中的舍女寺及叶三拔地区, 总体上石英含量中等偏低, 在20%~42%之间, 长石含量较高约42%~60%。岩屑主要为岩浆岩岩屑及少量的沉积岩岩屑和变质岩岩屑(表 1)。

Q/(F+R)指数较低, 平均仅0.51, 但从其组分的总体变化规律上分析, 石英含量由西向东方向上逐渐增高, 长石含量逐渐降低, 说明其成分成熟度在不断提高。从总体上看该地区的砂岩成分成熟度较低, 因此离物源区较近。例如舍女寺地区的S1井和S2井(图 7), 石英含量由平均32%增至35%, 结合重力异常、地震与重矿物资料, 可判断在舍女寺地区西北部存在物源, S1井— S2井连线方向即为物源在盆内的供给方向(图 9)。

叶三拔地区的Y1井和Y2井, 石英含量由平均36%增至39%, 此地区石英含量中等, 与乌马营地区石英含量高的特点不相一致, 因此沉积物不可能来源与乌马营地区, 从地震资料上也没有发现盆外下切沟槽与前积反射结构, 只能结合砂体展布规律初步推断该地区的西部应该存在物源, 具体位置还有待进一步的研究。

2.5.3 盆地东北部

包括孔店地区与徐杨桥地区。孔店地区石英含量在30%~40%之间, 长石含量38%~60%之间, 岩屑类型以岩浆岩为主, 含少量沉积岩岩屑和变质岩岩屑(表 1)。总体来看由东北向东南方向石英含量逐渐增高, 长石含量呈降低趋势, 含量由55%变为45%, 说明成分成熟度在不断升高。以孔店地区K4井、K5井和K6井为例(图 7), 由北东向西南方向Q/(F+R)指数依次为0.43、0.47和0.67(表 1), 呈增大趋势, 说明成分成熟度在不断提高, 由此可推断在东北部地区存在物源区, 这与地震资料及重矿物资料所得出的结论都相一致, K4井— K5井— K6井连线方向为物源方向(图 9)。

徐杨桥地区石英含量较以上2个地区高, 平均在46%左右, 而长石含量变化较大, 在25%~50%之间。岩屑类型依然以岩浆岩岩屑为主, 少量沉积岩岩屑与变质岩岩屑(表 1)。由X1井、X2井和X3井可看出, 该地区靠近盆地边缘区域石英含量接近40%左右, 向盆地内石英含量增大到接近60%, 说明向盆内方向砂岩成分成熟度增高, 也能够推断徐杨桥东部存在物源, 这也验证了重力异常与地震资料所分析出的结果, 沿X1井— X2井— X3井连线方向即为该物源在盆内的供给方向(图 9)。

2.5.4 盆地东南部

在集北头地区石英含量35%~48%左右, 长石含量约为38%~61%, 岩屑以岩浆岩岩屑为主。向盆内方向石英含量逐渐增高, 对比该地区代表井J1井和J2井轻矿物特征可以看出, 由东南向西北方向石英含量由大约37%增高到43%左右(图 9), Q/(F+R)指数也逐渐增高, 即砂岩成分成熟度逐渐提高, 这与重矿物的变化规律一致, J1井— J2井连井方向即为物源在盆内的供给方向。

根据碎屑岩轻矿物组合及成分成熟度的变化规律, 可在研究区内识别出乌马营、舍女寺、孔店、徐杨桥和集北头5个物源区。此外, 储集性能的高低与碎屑成分有明显联系, 若稳定矿物含量较高, 物性则较好。因此, 不同地区的储集性能存在一定的差异, 西南部乌马营、灯明寺地区石英平均含量达58%, 物性总体最好, 其次是徐杨桥、集北头地区, 再次是舍女寺、叶三拔地区, 而北部孔店地区石英平均含量为35%(表1), 物性相对较差, 而其他地区由于岩矿资料缺乏, 无法判断其储集性, 还有待进一步研究。

碎屑岩类分析法对母岩性质具有一定的要求, 当岩浆岩和变质岩作为母岩时, 其中的轻重矿物所经历的搬运、沉积次数较少, 受后期的影响小, 能够很好地反映物源区的性质。而当沉积岩为母岩的, 其碎屑组分可能经历了多次的搬运、沉积和改造作用, 具有多旋回性, 其中所含的轻重矿物随之受到影响, 发生组分或含量的变化。由表1得知该研究区的岩屑类型主要为岩浆岩岩屑, 变质岩岩屑和沉积岩岩屑含量极少, 因此通过轻重矿物特征能够很好地反映物源区的性质与来源方向。

综上所述, 利用重力异常资料和地震资料来确定研究区的盆外物源口; 综合运用重矿物法、碎屑岩类分析法并结合砂体展布特征来确定各物源在盆内的供给方向及其波及范围。在研究区东南、西南、西北和东北4个方向上都存在物源, 进一步可识别出乌马营、叶三拔、舍女寺等10个子物源, 它们共同控制了该研究区孔店组二段沉积时期砂体的形成和分布, 构成多物源环湖盆分布的特征(图 10; ①~⑩)。

图10

Fig.10

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	图10 黄骅坳陷孔南地区物源区位置Fig.10 Position of provenances in Kongnan area, Huanghua Depression