赵康, 柴明锐, 朱锐, 瞿建华, 双棋, 潘进. (2019)准噶尔盆地玛湖凹陷夏子街扇区三叠系百口泉组绿帘石分布特征及成因* [J]. 古地理学报, 21(6): 925-938
Zhao Kang, Chai Ming-Rui, Zhu Rui, Qu Jian-Hua, Shuang Qi, Pan Jin. (2019)Distribution characteristics and genesis of epidote from the Triassic Baikouquan Formation in Xiazijie fan area, Mahu sag,Junggar Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 21(6): 925-938.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2019.06.063
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准噶尔盆地玛湖凹陷夏子街扇区三叠系百口泉组绿帘石分布特征及成因*
赵康1, 柴明锐2, 朱锐1, 瞿建华3, 双棋1, 潘进3
1 长江大学地球科学学院,湖北武汉 430100
2 中国石化西北油田分公司勘探开发研究院,新疆乌鲁木齐 830011
3 中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院,新疆克拉玛依 834000

第一作者简介 赵康,男,长江大学硕士研究生,主要从事沉积学方面的研究。E-mail: zhaokangzigong@163.com。

收稿日期:2018-06-27
基金资助:*国家科技重大专项(编号: 2016ZX05027-02-007)、国家自然科学基金项目(编号: 41772094)联合资助
摘要

准噶尔盆地玛湖凹陷夏子街扇区三叠系百口泉组重矿物中绿帘石占绝对优势,且含量变化大。为了解研究区绿帘石的分布特征及其成因,利用重矿物、能谱及扫描电镜等资料,借助聚类分析和相关性分析等多元统计方法,对绿帘石的分布特征及成因进行了系统的研究。结果表明: ( 1)根据绿帘石含量可将研究区划分为绿帘石高值区、中值区和低值区;( 2)绿帘石高值区位于扇三角洲前缘亚相,中值区和低值区主要位于扇三角洲平原亚相,且低值区比中值区更靠近物源;( 3)绿帘石高值区不仅有岩浆绿帘石,自生绿帘石也普遍发育,因此绿帘石含量高;中值区绿帘石主要为岩浆绿帘石;低值区地层遭受了抬升剥蚀,溶蚀淋滤作用对搬运沉积的绿帘石破坏强烈,故显示低值。

关键词: 玛湖凹陷; 夏子街扇区; 百口泉组; 重矿物; 绿帘石; 多元统计
中图分类号:P512.2 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2019)06-0925-14
Distribution characteristics and genesis of epidote from the Triassic Baikouquan Formation in Xiazijie fan area, Mahu sag,Junggar Basin
Zhao Kang1, Chai Ming-Rui2, Zhu Rui1, Qu Jian-Hua3, Shuang Qi1, Pan Jin3
1 School of Geosciences,Yangtze University,Wuhan 430100,China
2 Research Institute of Exploration and Development,Northwest Oilfield Company,SINOPEC,Urümqi 830011,China
3 Research Institute of Exploration and Development,Xinjiang Oilfield Company,PetroChina,Xinjiang Karamay 834000,China

About the first author Zhao Kang,is a master degree candidate of Yangtze University. He is mainly engaged in research on sedimentology. E-mail: zhaokangzigong@163.com.

Fund:Co-funded by National Science and Technology Major Project of China(No.2016ZX05027-02-007),National Natural Science Foundation of China(No.41772094)
Abstract

The epidote is the dominant component of heavy minerals and its content changes greatly in Baikouquan formation, Xiazijie fan area, Mahu sag, Junggar Basin. In this paper, we use heavy mineral, energy spectrum, scanning electron microscopy and other data, with the help of multivariate statistical methods such as cluster analysis, correlation analysis and so on, to systematically study the distribution characteristics and genesis of epidote. The results indicated that:(1)Based on the content of epidote, the study area can be divided into high value area, medium value area and low value area. (2)The high value area is located on the fan delta front, while the medium and low value area are on fan delta plain. The low value area is more proximal to the source than the medium value area. (3)The high value area shows an abundance of magmatic and authigenic epidotes, whereas the medium value area only has magmatic epidote. The low value area is mainly caused by the subsequent tectonic uplift and erosion of strata, which led to the leaching of epidote during sediment transportation and deposition.

Key words: Mahu sag; Xiazijie fan area; Baikouquan Formation; heavy mineral; epidote; multivariate statistics

重矿物是物源极为敏感的指示剂, 不同类型的母岩重矿物组分不同, 不同类型的重矿物其稳定性存在差异, 可利用重矿物组合揭示母岩性质和来源(Pettijohn et al., 1987; Morton and Hallsworth, 1994, 1999), 而聚类分析和相关性分析等多元统计的方法能很好地揭示样本或变量间的相关性, 在重矿物分析中应用广泛(武法东等, 1996; 王昆山等, 2003; 徐田武等, 2009; 操应长等, 2011; 余烨等, 2014)。重矿物的沉积分异与自身的稳定性、比重、形状、流体搬运机制相关(谷东起等, 2003; 王昆山等, 2003; 孟祥超等, 2015; 刘金庆等, 2016), 在牵引流控制的沉积体系中, 随着沉积物搬运距离的增加, 通常稳定重矿物的相对百分含量会增加, 而欠稳定重矿物的相对百分含量则会逐渐减少; 由于重力流的块状搬运机制, 在重力流控制的沉积体系中, 重矿物的沉积分异现象不明显。绿帘石作为一种常见的欠稳定重矿物, 具有多种成因。最主要来源是交代变质成因(Pettijohn et al., 1987; Enami et al., 2004; Grapes and Hoskin, 2004; 朱筱敏, 2008; 李增学等, 2010), 也可以为岩浆成因(李武显等, 1998; Schmidt et al., 2004; 张华锋等, 2005; 廖世勇等, 2009; 邹慧娟等, 2011), 少有自生绿帘石的报道(Isaac, 1977; 李云等, 2015)。

准噶尔盆地玛湖凹陷夏子街扇区百口泉组重矿物以绿帘石占绝对优势, 且含量变化大为特征, 表明开展绿帘石的研究对该区地质分析很有意义。前人利用本区重矿物资料做了大量研究, 主要是利用含量较高的重矿物组分, 明确组合类型, 划分沉积体系, 利用稳定系数确定研究区物源方向主要为北东方向(唐勇等, 2014; 邹志文等, 2015; 孟祥超等, 2015), 对本区沉积体系的研究起到了一定的指导意义。但没有精确分析重矿物和母岩的亲属关系, 对绿帘石的分布特征及其成因的认识也比较不足。

作者利用该区重矿物和薄片鉴定数据, 借助多元统计的方法, 主要是聚类分析和相关性分析, 充分考虑古气候、成岩作用和母岩性质等因素, 分析绿帘石的分布特征及其成因。同时, 为了进一步确定绿帘石成因及成岩作用对其造成的影响, 对绿帘石进行能谱和扫描电镜分析, 明确了绿帘石和母岩的亲属关系及其稳定性变化过程。

1 区域地质背景

准噶尔盆地属于中国西北地区的大型含油气盆地之一, 玛湖凹陷位于准噶尔盆地中央坳陷带的西北部, 是准噶尔盆地重要生烃凹陷之一。玛湖凹陷西北斜坡带地层发育较完整, 自下而上有石炭系, 二叠系佳木河组、风城组、夏子街组、下乌尔禾组和上乌尔禾组, 三叠系百口泉组、克拉玛依组和白碱滩组, 侏罗系八道湾组、三工河组、西山窑组和头屯河组及白垩系。二叠系与三叠系、三叠系与侏罗系以及侏罗系与白垩系之间为区域性不整合(唐勇等, 2018)。

玛湖凹陷西北斜坡带夏子街扇区为文中的研究区(图 1), 北接乌夏断裂带, 南邻玛北油田, 西毗邻克白断裂带, 东入玛湖凹陷。夏子街扇区百口泉组沉积特征近几年来一直是研究的热点。

图 1 准噶尔盆地玛湖凹陷夏子街扇区位置和M13井三叠系百口泉组综合柱状图(据匡立春等, 2014; 修改)Fig.1 Location of the Xiazijie fan area and comprehensive column of the Triassic Baikouquan Formation of Well M13 in Mahu sag, Junggar Basin(modified from Kuang et al., 2014)

唐勇等(2014)认为夏子街扇区百口泉组为山口陡坡型扇三角洲, 多级坡折控制着多级扇体, 扇体规模大; 沉积物粒度粗、分选差、泥质含量高, 单砂体厚度大, 具有重力流和牵引流共同发育的双重流体机制, 且扇三角洲前缘相带分布范围广。张顺存等(2014)认为玛北地区百口泉组从百一段到百三段, 是一个明显的水进沉积过程, 沉积环境从百一段的水上沉积环境为主(扇三角洲平原)过渡到百三段的水下沉积环境为主(扇三角洲前缘), 平面上由东北部的扇三角洲平原为主, 过渡到西南部的扇三角洲前缘为主。于兴河等(2014)认为玛湖斜坡带百口泉组复杂砾岩为近源粗粒扇三角洲成因, 在系统分析砾岩颜色、粒度、颗粒接触关系、结构与成分成熟度以及主要发育的砾岩岩相的基础上, 认为夏子街地区百口泉组扇三角洲为长轴持续供给型碎屑流主控的帚状扇三角洲。彭飚等(2017)研究发现, 从百一段到百三段, 反映了湖侵的沉积序列; 综合现代沉积考察、玛北地区百口泉组扇三角洲特征及前人水槽实验认为: 扇三角洲平原河道与河道间均为砂砾沉积, 河道砂砾岩的分选性明显好于河道间砂砾岩。唐勇等(2018)认为夏子街扇区百口泉组沉积时期具备盆地面积大、物源充足、水浅坡缓的良好古地理背景, 发育了大型浅水退覆式扇三角洲沉积, 扇体规模大, 延伸距离远, 可达40 km。由前人近几年的研究可知, 夏子街扇百口泉组主要是牵引流沉积, 局部存在重力流沉积。

2 资料与方法
2.1 分析化验资料

本次研究收集了研究区重矿物和薄片鉴定数据, 数据来自新疆油田公司。重矿物数据来自27口井, 样品数共147个, 薄片鉴定数据来自26口井, 样品数共212个, 丰富的数据为多元统计分析提供了基础。同时, 笔者在位于扇三角洲平原亚相的M11井(深度3424.55 m, 砂砾岩)和位于扇三角洲前缘亚相的M004井(深度3537.03 m, 砂砾岩)取样。首先进行重矿物分离实验, 然后挑选绿帘石, 最后随机挑选部分样品, 利用QuantaTM 250 FEG型扫描电镜进行X射线谱分析并拍摄镜下照片。

2.2 多元统计分析

聚类分析是研究 “ 物以类聚” 问题的一种有效方法, 它能够将样本或变量按照他们在性质上的亲密程度在没有先验知识的情况下自动进行分类。根据研究目的和对象的不同, 分为Q型和R型聚类分析, Q型聚类分析是研究样本间的亲属关系, R型聚类分析是研究变量间的亲属关系。相关分析是用适当的统计指标来衡量事物之间以及变量之间线性相关程度的强弱(王学仁, 1982; 韩金炎, 1987)。

重矿物之间具有严格的共生关系, 岩屑是母岩岩石的碎块, 经风化破坏后会产生不同的重矿物组合, 因此, 重矿物之间、重矿物和岩屑之间具有较好的亲属关系, 可以根据这种亲属关系判断重矿物成因。在研究某一时期的沉积体系时, 首先采用Q型聚类方法, 将沉积区特征相近的重矿物样本区别开来, 每一个样本群代表一种沉积演化过程。然后, 在每一个样本群, 对相同深度重矿物和矿物鉴定数据进行R型聚类分析、相关性分析, 进而确定重矿物成因, 明确沉积演化过程。

3 绿帘石分布特征

在牵引流控制的大型扇体上, 由于流体的沉积分异作用和矿物稳定性差异, 因此, 不同的沉积相带显示不同的重矿物分布特征。绿帘石是欠稳定矿物, 随搬运距离的增加, 通常其含量会逐渐减少, 在扇三角洲平原和靠近扇三角洲平原的前缘内侧含量较高。重力流占主导的沉积体系中, 主要是块体搬运, 沉积分异作用很弱, 绿帘石的分布则不具备明显分区。

然而, 借助多元统计方法, 对重矿物数据进行Q型聚类分析(区间: 欧式距离的平方; 聚类方法: 组间连接)(图 2; 表 1), 结合聚类分析结果和各井绿帘石百分含量特征, 将研究区划分为绿帘石百分含量不同的3个区域(图 3)。对比研究区绿帘石含量分区图(图 3)和前人的沉积相图(图 4), 发现研究区绿帘石不具备随搬运距离增加其含量逐渐减少的特征。一区, 绿帘石百分含量为50%~100%, 也称之为绿帘石高值区, 位于研究区中西部, 远离东北-西南向物源主水道, 属于扇三角洲前缘亚相; 二区, 绿帘石百分含量为25%~50%, 也称之为绿帘石中值区, 在研究区北部和南部都有分布, 主要属于扇三角洲平原亚相, 并包括部分扇三角洲前缘亚相; 三区, 绿帘石百分含量为0%~25%, 也称之为绿帘石低值区, 位于研究区北部, 距离物源最近, 主要属于扇三角洲平原亚相。

图 2 准噶尔盆地玛湖凹陷夏子街扇区百口泉组重矿物Q型聚类树系图Fig.2 Q-type cluster analysis tree chart of heavy minerals of the Baikouquan Formation in Xiazijie fan area, Mahu sag, Junggar Basin

表 1 准噶尔盆地玛湖凹陷夏子街扇区百口泉组重矿物含量(%) Table1 Heavy mineral content (%) of the Baikouquan Formation in Xiazijie fan area, Mahu sag, Junggar Basin

图 3 准噶尔盆地玛湖凹陷夏子街扇区百口泉组绿帘石分区Fig.3 Distribution of epidote from the Baikouquan Formation in Xiazijie fan area, Mahu sag, Junggar Basin

图 4 准噶尔盆地玛湖凹陷夏子街扇区百口泉组沉积相(据瞿建华等, 2013; 修改)Fig.4 Sedimentary facies of the Baikouquan Formation in Xiazijie fan area, Mahu sag, Junggar Basin(modified from Qu et al., 2013)

三区位于远离凹陷的浅埋藏区, 绿帘石易受大气水淋滤作用的影响; 尤其在晚三叠世, 气候温暖潮湿(倪振, 2016), 植被发育, 细菌降解有机质产生了大量的酸性地下水; 又因为该时期构造强烈, 推覆构造活动, 使得该区处于风化剥蚀区(邹志文等, 2015), 绿帘石遭受大气水强烈的溶蚀作用; 因此, 认为三区目前绿帘石含量低的主要原因是地层中大量原生的绿帘石遭受了强烈的溶蚀作用。二区离物源较远, 沉积时地层中原生的绿帘石含量较低, 而目前地层中的绿帘石含量同样较低。一区沉积物搬运距离最远, 地层中沉积成因的原生绿帘石含量最低, 但目前地层中绿帘石含量最高。关于一区、二区绿帘石成因后文进行了详细的论证。

4 绿帘石成因分析

重矿物之间具有严格的共生关系, 而岩屑是母岩的碎块, 不同的母岩类型经风化会产生不同的重矿物组合, 因此, 重矿物之间、重矿物和岩屑之间具有较好的亲属关系, 可以根据这种亲属关系判断绿帘石的母岩类型。R型聚类分析、相关性分析在探索变量亲属关系上具有一定优势。分别选取整个研究区、高值区数据最多的M006井和中值区数据最多的M002井进行R型聚类分析(区间: pearson相关性; 聚类方法: 组间连接)和相关性分析(区间: pearson相关性), 以判断绿帘石成因。低值区受数据量限制, 这里不再分析。

4.1 整个研究区分析

夏子街扇区属于砂砾岩扇三角洲沉积, 岩屑含量较高, 平均含量高达89.79%, 其中变质岩岩屑含量极低, 平均含量仅为0.62%, 变质作用形成的重矿物, 如蓝晶石、阳起石和十字石等含量很低; 该区岩浆岩岩屑含量最高, 平均含量高达77.18%, 岩浆作用形成的重矿物, 如钛铁矿、褐铁矿等多为主要或次要重矿物。表明该区不存在或者极少存在变质成因绿帘石, 普遍发育岩浆成因的绿帘石。

整个研究区重矿物和岩屑聚类分析谱图(图 5)显示, 当类间距为1时, 绿帘石和花岗岩已聚为一类, 此时绿帘石和其他类型岩屑的类间距则大于1, 表明绿帘石和花岗岩亲属关系最好。整个研究区重矿物和岩屑相关性分析(表 2, 显著性水平为5%)也表明, 绿帘石和花岗岩相关性相对最好, 绿帘石和钛铁矿也具有较好的相关性, 钛铁矿在该区一般认为是岩浆成因(唐勇等, 2014), 进一步表明该区绿帘石主要是岩浆成因, 母岩最有可能为花岗岩。

图 5 准噶尔盆地玛湖凹陷夏子街扇区百口泉组重矿物和岩屑R型聚类树系图Fig.5 R-type cluster analysis tree chart of heavy minerals and debris of the Baikouquan Formation in Xiazijie fan area, Mahu sag, Junggar Basin

表 2 准噶尔盆地玛湖凹陷夏子街扇区百口泉组重矿物和岩屑相关性分析 Table2 Correlation analysis of heavy minerals and debris of the Baikouquan Formation in Xiazijie fan area, Mahu sag, Junggar Basin
4.2 绿帘石高值区分析

绿帘石高值区的M006井重矿物和岩屑聚类分析谱图(图 6)显示, 当类间距为10时, 绿帘石和花岗岩已聚为一类, 和其他类型岩屑的类间距则大于10, 表明绿帘石和花岗岩亲属关系最好。M006井重矿物和岩屑相关性分析(表 3, 显著性水平为5%)也表明, 绿帘石和花岗岩相关性最好, 相关系数为0.473。

图 6 准噶尔盆地玛湖凹陷夏子街扇区M006井百口泉组重矿物和岩屑R型聚类树系图Fig.6 R-type cluster analysis tree chart of heavy minerals and debris of the Baikouquan Formation of Well M006 in Xiazijie fan area, Mahu sag, Junggar Basin

表 3 准噶尔盆地玛湖凹陷夏子街扇区M006井百口泉组重矿物和岩屑相关性分析 Table3 Correlation analysis of heavy minerals and debris of the Baikouquan Formation of Well M006 in Xiazijie fan area, Mahu sag, Junggar Basin

绿帘石与白钛石高度相关, 相关系数分别为0.93, 白钛石一般是钛铁矿在成岩过程中蚀变形成(和钟铧等, 2001; 吴朝东等, 2005; 万友利, 2011; 张有平, 2014), 属于自生白钛石, 表明该区可能发育自生绿帘石; 重晶石和锆石是稳定矿物, 属搬运沉积成因, 绿帘石与重晶石、锆石的相关系数分别为0.726、0.845, 表明该区存在搬运沉积成因的绿帘石, 又因为该区绿帘石和花岗岩的亲属性最好, 故搬运沉积成因的绿帘石属于岩浆绿帘石。综上, 推断绿帘石高值区存在岩浆绿帘石, 并且普遍发育自生绿帘石。

4.3 绿帘石中值区分析

绿帘石中值区的M002井重矿物和岩屑聚类分析谱图(图 7)显示, 当类间距为2时, 绿帘石和花岗岩已聚为一类, 和其他类型岩屑的类间距则大于2, 表明绿帘石和花岗岩亲属关系最好。M002井重矿物和岩屑相关性分析(表 4, 显著性水平为5%)也表明, 绿帘石和花岗岩高度相关, 相关系数为0.964, 绿帘石与钛铁矿、褐铁矿也具有很好的相关性, 相关系数分别为0.551和0.656, 钛铁矿和褐铁矿大体上是岩浆成因, 进一步表明该区绿帘石主要是岩浆成因, 母岩为花岗岩。因此, 认为中值区主要为岩浆绿帘石。

图 7 准噶尔盆地玛湖凹陷夏子街扇区M002井百口泉组重矿物和岩屑R型聚类树系图Fig.7 R-type cluster analysis tree chart of heavy minerals and debris of the Baikouquan Formation of Well M002 in Xiazijie fan area, Mahu sag, Junggar Basin

表 4 准噶尔盆地玛湖凹陷夏子街扇区M002井百口泉组重矿物和岩屑相关性分析 Table4 Correlation analysis of heavy minerals and debris of the Baikouquan Formation of Well M002 in Xiazijie fan area, Mahu sag, Junggar Basin
5 讨论
5.1 岩浆绿帘石

岩浆绿帘石主要产于花岗闪长岩、花岗岩等钙碱性花岗质岩石中, 而准噶尔盆地西北缘老山区晚石炭世— 早二叠世中酸性火成岩发育, 基本都属于钙碱性系列(毛治国等, 2010; 柳双权等, 2014; 姜芸等, 2015), 这为岩浆绿帘石的存在提供了物源基础。岩浆绿帘石的化学成分不同于次生绿帘石。绿帘石的化学成分特征一般以Ps(Pistacite)值表示, 即100Fe3+/(Fe3++Al3+)。岩浆绿帘石的Ps值为19~33, 斜长石变质而形成的绿帘石的Ps值通常为0~24, 黑云母蚀变而形成的绿帘石的Ps值为36~48(张华锋等, 2005)。岩浆绿帘石的TiO2一般小于0.2%, 由黑云母变质的绿帘石TiO2则大于0.6%(Evans et al., 1987)。

能谱分析(表 5)显示, 绿帘石的Ps值大多数集中在21~33之间, TiO2值基本小于0.2%, 符合岩浆绿帘石的特点。位于扇根的M11井绿帘石的Ps值主要集中在27~35之间, TiO2值基本小于0.2%, 表明扇根主要发育岩浆绿帘石。位于扇缘的M004井绿帘石TiO2值全部小于0.2%, 不符合黑云母蚀变特征, 而Ps值变化大, 为23~44, 说明扇缘区域绿帘石受后期改造明显, 不仅存在岩浆绿帘石, 也普遍发育自生绿帘石。综上分析表明, 研究区发育原生的岩浆绿帘石, 研究区西北部的哈拉阿拉特山的上石炭统— 下二叠统的中酸性岩浆岩可能为绿帘石的母岩。

表 5 准噶尔盆地玛湖凹陷夏子街扇区百口泉组绿帘石X射线能谱分析结果 Table5 Results of X-ray energy spectrum analysis of epidote from the Baikouquan Formation in Xiazijie fan area, Mahu sag, Junggar Basin
5.2 自生绿帘石

绿帘石是欠稳定重矿物, 随着埋深增加, 温度不断升高的孔隙流体对其溶蚀作用越来越强烈(Morton and Hallsworth, 2007)。北海中部古新世— 始新世砂岩中, 绿帘石在1100 m的埋深就开始遭受强烈的溶蚀作用(Morton, 1984; Morton and Hallsworth, 1999); 挪威大陆架泥盆系至上新统砂岩中, 绿帘石的最大埋深为2559 m(Walderhaug and Porten, 2002); 同样, 孟加拉盆地新生界重矿物的垂直分布显示, 绿帘石在2500~3000 m的埋深中开始消失(Andò et al., 2012)。这些研究表明, 原生绿帘石在深埋藏中遭受的溶蚀作用强烈, 不可能大量富集。研究区埋深主要集中在2000~3600 m范围内, 绿帘石普遍存在, 并随着埋深呈现增大的趋势, 在3000~3500 m范围内出现高值(图 8)。该区没有局部热源的报道, 故不是变质作用所引起。这些现象表明, 研究区深埋藏下的成岩作用对绿帘石表现为建设性作用, 可能普遍发育自生绿帘石。据前人研究(Coombs, 1954; Isaac, 1977; 李云等, 2015), 自生绿帘石存在的区域具有以下特征: (1)储集层原生孔隙度和渗透率低; (2)储集层成分成熟度低、岩屑含量高, 岩屑成分主要为岩浆岩岩屑; (3)自生绿帘石和浊沸石胶结物共存; (4)成岩作用主要处于中成岩阶段; (5)埋深较大的层段次生孔隙发育, 常是油气富集区。

图 8 准噶尔盆地玛湖凹陷夏子街扇区百口泉组重矿物中绿帘石含量与深度关系Fig.8 Relationship between epidote content in heavy minerals and depth of the Baikouquan Formation in Xiazijie fan area, Mahu sag, Junggar Basin

夏子街扇区百口泉组砂砾岩属于低孔低渗储集层; 成分成熟度低, 岩屑平均含量高达87.79%, 岩屑成分主要为岩浆岩岩屑, 以凝灰岩岩屑含量高为特征; 沸石类胶结常见; 3000 m以下深储集层主要处于中成岩阶段; 次生孔隙发育(图 9); 岩性油气藏丰富(潘建国等, 2015)。这与前人文献中自生绿帘石发育的环境相似。

图 9 准噶尔盆地玛湖凹陷夏子街扇区百口泉组孔隙度与深度关系(据陈波等, 2016; 修改)Fig.9 Relationship between porosity and depth of the Baikouquan Formation in Xiazijie fan area, Mahu sag, Junggar Basin(modified from Chen Bo et al., 2016)

扫描电镜分析表明, 绿帘石普遍遭受中等— 弱的溶蚀作用(图 10-a, 10-b, 10-c, 10-d)(重矿物溶蚀标准参考Andò et al., 2012), 并出现绿帘石次生加大(图 10-e)和自生绿帘石(图 10-f)。自生绿帘石呈板柱状, 晶体形态和晶面相对完整, 未见港湾状边缘和溶蚀坑, 没有机械搬运磨蚀迹象, 弱的机械破碎为重矿物分离过程导致; 化学成分上, Ps值为40.68%, TiO2为0%, 不是岩浆绿帘石或黑云母蚀变成因, 整体显示自生特征。综上分析表明, 绿帘石高值区与该区自生绿帘石普遍发育有关。

图 10 准噶尔盆地玛湖凹陷夏子街扇区百口泉组绿帘石扫描电镜照片
a— 绿帘石, 沿表面和节理面强烈溶蚀, 发育港湾状边缘和溶蚀坑, 晶体形态模糊不清(3424.55 m, M11井); b— 绿帘石, 受到一定的溶蚀作用, 发育一定的港湾状边缘和溶蚀坑, 晶体形态依稀可辨(3537.03 m, M004井); c— 绿帘石, 受到较弱的溶蚀作用, 溶蚀作用沿节理和裂理发育, 晶体形态清晰可见(3424.55 m, M11井); d— 绿帘石, 溶蚀作用微弱, 晶体表明光滑, 晶体形态较完整(3424.55 m, M11井); e— 绿帘石, 发育次生加大, 绿帘石呈粒状集合体产出(3424.55 m, M11井); f— 绿帘石, 为自生绿帘石, 呈板柱状, 晶体形态完整, 表面光滑, 未见港湾状边缘和溶蚀坑(3537.03 m, M004井)Fig.10 SEM photos of epidote from the Baikouquan Formation in Xiazijie fan area, Mahu sag, Junggar Basin

夏子街扇区百口泉组绿帘石在成岩阶段整体经历了一个由稳定到溶蚀再到建设的过程。同生成岩阶段, 由于压实作用, 粒间孔隙水被大量排出, 成岩环境为开放— 半开放的大气淡水环境。绿帘石对酸性环境敏感, 但三叠纪早期气候干旱, 不利于植被发育, 有机质的细菌降解不能产生大量的酸性地下水, 仅有少量的CO2溶解于水中形成碳酸, 流体介质表现微弱的酸性, 绿帘石稳定存在。

随着埋深增加, 压实作用持续增强, 扇三角洲平原亚相砂砾岩储集层分选差、泥质杂基含量高, 泥质杂基的润滑作用导致压实作用对储集层破坏性增强, 而且砂砾岩储集层含有大量的凝灰岩等塑性岩屑, 易发生形变, 碎屑颗粒支撑骨架的作用进一步减弱, 形成致密储集层。扇三角洲前缘亚相砂砾岩储集层由于受到水流的长期淘洗, 泥质杂基含量低, 成岩作用早期易形成碳酸盐类、沸石类胶结物, 支撑颗粒骨架, 一定程度减弱压实作用对储集层的破坏, 但此时仍已属于致密储集层。致密储集层形成封闭— 半封闭环境, 层间溶液流动不畅, 对绿帘石的影响较弱。

随着埋藏演化的进行, 二叠系风城组烃源岩进入高成熟阶段, 产生大量的二氧化碳及羧酸类物质, 在早白垩世充注到百口泉组(齐雯等, 2015), 储集层孔隙流体呈现酸性, 碳酸盐、沸石类胶结物及易溶杂基被溶蚀, 次生孔隙发育(陈波等, 2016), 成岩环境变成开放— 半开放环境。在酸性开放的环境中, 孔隙流体会优先与方解石、磷灰石、绿泥石、黑云母、石榴石、角闪石、辉石、钙长石和钠长石等矿物反应, 因为这些矿物较绿帘石更容易被酸性流体溶蚀。并且该区凝灰岩等火成岩岩屑含量高, 其酸性不稳定成分含量丰富, 也阻止了绿帘石遭受酸性流体的快速溶蚀。因此, 绿帘石虽容易被溶蚀, 但受到其他成分的保护, 溶蚀程度较低。

目前夏子街扇区百口泉组埋藏较浅的层段处于中成岩阶段A期, 埋藏较深的层段已进入中成岩阶段B期, 成岩温度已达到140 ℃, 有机酸被大量消耗, 长石、岩屑等碎屑颗粒的溶解使孔隙流体中K+、Na+等碱性离子逐渐增多, 孔隙流体向碱性转化(王伟等, 2016)。绿帘石一般在较高温环境中形成, 但也有关于较低温度环境形成的报道。Sigvaldason(1962)在爱尔兰岛的Reykjavik地区发现绿帘石可以在145 ℃左右的低温环境中形成; Isaac(1977)也认为自生绿帘石的形成可以发生在温度相对较低的环境中, 表明绿帘石可以在中成岩A晚期的成岩温度下形成。成岩过程中碎屑颗粒的溶解, 主要是火成岩岩屑和长石的分解产生了大量的K、Na、Ca、Mg、Fe、Si和Al等元素, 加之油气充注所携带的矿化液, 为自生绿帘石的形成提供了充足的物质来源。绿帘石属于硅酸盐矿物, 在碱性环境中, 温度适宜、物源供给充足的条件下, 易发生酸的释放, 并形成自生绿帘石(张华锋等, 2005), 其反应式如式(1)(Milliken, 2007)。

Fe3++Al3++Ca2++H4SiO4+H2O→ Ca2FeAl2[SiO4][Si2O7]O(OH)+H+(1)
6 结论

1)利用准噶尔盆地玛湖凹陷夏子街扇区三叠系百口泉组重矿物和岩屑的R型聚类分析和相关性分析, 可以较好地判断重矿物和母岩的亲属关系。这为重矿物和母岩亲属关系的厘定, 提供了一个新的分析方法。

2)根据绿帘石含量可将研究区划分为绿帘石高值区、中值区和低值区; 高值区位于扇三角洲前缘相带, 中值区和低值区主要位于扇三角洲平原相带, 且低值区比中值区更靠近物源。

3)研究区绿帘石类型为岩浆绿帘石和自生绿帘石, 不发育交代变质成因绿帘石, 准噶尔盆地西北缘物源区上石炭统— 下二叠统的中酸性岩浆岩可能为绿帘石的母岩。绿帘石高值区不仅有岩浆绿帘石, 自生绿帘石也普遍发育, 因此绿帘石含量高; 中值区绿帘石主要为岩浆绿帘石; 低值区地层遭受了抬升剥蚀, 大量搬运沉积的绿帘石经历了强烈的溶蚀淋虑作用, 故显示低值。

4)研究区百口泉组绿帘石在成岩阶段整体经历了一个由稳定到溶蚀再到建设的过程。百口泉组埋深较大的层段, 已经进入中成岩阶段B期, 满足自生绿帘石形成的最低温度; 且存在次生孔隙发育带, 可形成半开放— 开放体系, 为自生绿帘石的形成提供物质来源。

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