引用本文
吴晨骁, 姚宗全, 德勒恰提·加娜塔依, 邓高山, 李天明, 赫佳, 刘宇, 王小红, 曙格拉·马哈西. (2022)准噶尔盆地沙湾凹陷西斜坡二叠系佳木河组物源区构造背景分析* [J]. 古地理学报, 24(6): 1149-1161.
WU Chenxiao, YAO Zongquan, DELEQIATI·Janatayi , DENG Gaoshan, LI Tianming, HAO Jia, LIU Yu, WANG Xiaohong, SHUGELA·Mahaxi Xiaohong. (2022)Tectonic setting analysis of provenance area of the Permian Jiamuhe Formation on western slope of Shawan sag,Junggar Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 24(6): 1149-1161.  
doi: 10.7605/gdlxb.2022.06.081
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准噶尔盆地沙湾凹陷西斜坡二叠系佳木河组物源区构造背景分析*
吴晨骁1, 姚宗全2,3, 德勒恰提·加娜塔依2,3, 邓高山1, 李天明2,3, 赫佳1, 刘宇1, 王小红1, 曙格拉·马哈西2,3
1 中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院,新疆乌鲁木齐 830014
2 新疆大学地质与矿业工程学院,新疆乌鲁木齐 830047
3 中亚造山带与大陆动力学重点实验室,新疆乌鲁木齐 830047
通讯作者简介 姚宗全,男,1989年生,2018年毕业于中国地质大学(北京),获工学博士学位,现为副教授,博士生导师,研究方向为储层沉积学。E-mail: yzq@xju.edu.cn。

第一作者简介 吴晨骁,男,1990年生,2016年毕业于中国石油大学(北京),获工学硕士学位,现为工程师,主要从事综合地质研究工作。E-mail: wchenxiao@petroChina.com.cn。

收稿日期: 2022-04-28 修回日期: 2022-07-19
基金资助: *国家自然科学基金青年基金(编号: 41902109)和新疆维吾尔自治区天山青年计划(编号: 2020Q064)联合资助
摘要

准噶尔盆地沙湾凹陷西斜坡二叠系佳木河组物源体系一直备受争议,导致沉积体系“众说纷纭”。利用聚类分析、多维尺度分析及主成分分析等方法,对重矿物含量、微量元素进行分析,明确了沙湾凹陷西斜坡二叠系佳木河组砂砾岩碎屑颗粒富石英(35.41%)、长石(43.2%),贫岩屑(18.71%)。稀土元素总量(ΣREE)平均值139×10-6接近大陆上地壳(UCC)的平均值148.14×10-6,Hf-La/Th微量元素物源判别图解和La/Sc-Co/Th值表明佳木河组属于酸性岛弧区。稀土配分模式表现为右倾分布模式,整体上具有“轻稀土元素富集、重稀土元素亏损”的特征,指示源岩以长英质火山岩为主,即“一源”。在同一物源下,又可以分为4个物源区:新光1井—中佳6井物源区,车排10井—中佳5井—中佳4井—中佳3井物源区,车排7井—车排005井体系物源区,车排5井物源区,即“四区”。构造背景判别图解揭示了佳木河组形成于大陆岛弧环境。该研究将有助于对沙湾凹陷西斜坡的沉积体系及古水系的准确恢复和远景区油气储集层的准确预测。

关键词: 重矿物组合; 微量元素; 聚类分析; 多维尺度分析; 佳木河组; 二叠系; 沙湾凹陷; 准噶尔盆地
中图分类号:P595 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2022)06-1149-13
Tectonic setting analysis of provenance area of the Permian Jiamuhe Formation on western slope of Shawan sag,Junggar Basin
WU Chenxiao1, YAO Zongquan2,3, DELEQIATI·Janatayi 2,3, DENG Gaoshan1, LI Tianming2,3, HAO Jia1, LIU Yu1, WANG Xiaohong1, SHUGELA·Mahaxi Xiaohong2,3
1 Research Institute of Exploration and Development,PetroChina Xinjiang Oilfield Company,Urümqi 830014,China
2 School of Geology and Mining Engineering,Xinjiang University,Urümqi 830047,China
3 Key Laboratory of Central Asian Orogenic Belts and Continental Dynamics,Urümqi 830047,China
About the corresponding author YAO Zongquan,born in 1989,graduated from China University of Geosciences(Beijing) in 2018 with his docteral degree. Now he is an associate professor and doctoral supervisor, and is mainly engaged in reservoir sedimentology. E-mail: yzq@xju.edu.cn.

About the first author WU Chenxiao,born in 1990,graduated from China University of Petroleum(Beijing)in 2016 with his masteral degree. Now he is mainly engaged in comprehensive geological work. E-mail: wchenxiao@petroChina.com.cn.

Fund:Co-funded by the National Natural Science Foundation of China Youth Fund(No.41902109)and Tianshan Youth Program of Xinjiang Uygur Autonomous Region(No.2020Q064)
Abstract

It is very controversial on the provenance system and the depositional system of the Permian Jiamuhe Formation in Shawan sag of the Junggar Basin. In this paper,cluster analysis,multidimensional scaling analysis and principal component analysis were used to analyze the contents of heavy minerals and trace elements,and it was found that it is rich in quartz(35.41%),feldspar(43.2%)and poor in rock debris(18.71%)of conglomerate clastic particles in Permian Jiamuhe Formation in Shawan sag. The average value of rare elements equal 139×10-6,which is close to the average value in the continental upper crust( i.e.,148.14×10-6),the diagram of Hf-La/Th and La/Sc-Co/Th ratio indicate that the Jiamuhe Formation belongs to the acidic island arc region. The distribution pattern of REE shows a right-leaning distribution pattern,which is characterized as rich in LREE and poor in HREE,indicating that the source rocks are mainly feldspathic volcanic rocks. There are four provenance areas including Wells XG1-ZJ6 area,Wells CP10-ZH4-ZJ3 area,Wells CP10-CP005-CP26 area,and Well CP5 area. The discriminant diagram of tectonic setting reveals that the Jiamuhe Formation was formed in continental island arc environment. This study will be helpful for the reliable estimation of sedimentary system and ancient river system of the western slope area in Shawan sag and the accurate prediction of oil and gas reservoirs in prospective areas.

Keyword: heavy mineral assembly; trace elements; clustering analysis; multi-dimensional scaling analysis; Jiamuhe Formation; Permian; Shawan sag; Junggar Basin

物源研究在源-汇系统分析中意义重大, 有助于恢复构造背景、沉积盆地演化历史、明确沉积物搬运、重建古水系(徐杰和姜在兴, 2019)。常用的物源分析方法包括岩石学、重矿物、元素地球化学、黏土矿物及地球物理方法(Roser and Korsch, 1988)。Dickinson(1988)及Kleinspehn和Paola(1988)用矿物成分三角图法恢复源区构造背景; 田豹等(2017)利用重矿物指示源区的岩石类型和物源方向; 杜远生(2018)通过分析层理构造、砾石定向排列判断沉积物搬运方向; 姜龙杰等(2018)通过元素地球化学分析了琼东南盆地的古环境。还有一些专家学者基于轻矿物单矿物、地球物理等方法, 在物源体系中取得了丰硕的成果(Alé on et al., 2002; 武赛军等, 2012)。近年来, 同位素测年、地球化学分析被科研院校、油田广泛应用, 如碎屑锆石U/Pb测年(Blum et al., 2017), 独居石记录浅变质构造事件(Williams et al., 2007), 多矿物组合分析(Barbara and Carrapa, 2010)。

随着沉积物经历源-汇的复杂过程, 单一的物源分析难以恢复完整的物源信息(徐杰和姜在兴, 2019)。目前更多的是应用多方法综合分析, 如岩石学、重矿物、微量元素组合(王建刚等, 2008), 重矿物、碎屑锆石测年(Jiang et al., 2015)。

前人在准噶尔盆地沙湾凹陷层序、优质储集层成因等方面硕果累累, 但仅有部分内容涉及物源, 且都以示意性或定性为主, 方法单一, 缺乏证据支撑(梁宇生等, 2018; 关新等, 2021; 李二庭等, 2022)。为了厘清准噶尔盆地沙湾凹陷西斜坡二叠系佳木河组物源区构造背景, 基于岩石学、微量元素、重矿物等多资料、多种方法交叉应用, 展开了其物源构造背景分析, 以期推动对于沙湾凹陷西斜坡剥蚀—搬运—沉积过程的认识和了解。

1 区域地质概况

准噶尔盆地经历了海西、印支、燕山和喜马拉雅运动的影响, 其中印支期和燕山期的改造运动较为强烈(吴庆福, 1986), 使得准噶尔盆地沙湾凹陷在二叠纪早期处于伸展断陷发育阶段(Carroll et al., 1990)。

准噶尔盆地可划分为6个一级构造单元: 西部隆起、陆梁隆起、东部隆起、北天山山前冲断带、中央坳陷和乌伦古坳陷, 沙湾凹陷属准噶尔盆地中央坳陷次级构造单元(邹志文等, 2015), 位于准噶尔盆地西南部, 紧邻红车断裂带, 北部为中拐凸起(图1)。沙湾凹陷的形成演化可分为7个阶段, 晚石炭世伸展断陷、早二叠世伸展断陷、中二叠世—晚三叠世前陆盆地、侏罗纪陆内拗陷及压扭盆地、白垩纪—古近纪陆内拗陷及新近纪—第四纪陆内前陆盆地(梁宇生等, 2018)。早二叠世, 继承了伸展断陷活动(蔡忠贤等, 2000), 受西北缘北西西—南东东向的主应力影响(肖芳锋等, 2010), 盆地以构造楔形式作用到沙湾凹陷过渡带, 形成了西高东低的楔状体(图2)(梁宇生等, 2018; 余海涛等, 2020)。文中研究的沙湾凹陷西斜坡是凹陷的次级构造单位, 自下至上发育石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系。其中, 二叠系又可进一步分为下统佳木河组(P1j)和风城组(P1f), 中统夏子街组(P2x)和下乌尔禾组(P2w)及上统上乌尔禾组(P3w)(李勇等, 2022), 佳木河组与风城组多为上超叠置。作为二叠系主力生烃层之一(李国欣等, 2020), 佳木河组油气显示活跃, 近年探井获得高产油气流, 具备规模勘探潜力(李二庭等, 2022)。为更好地指导勘探开发, 作者重点从地球化学角度对其物源区构造背景进行分析。

图1 准噶尔盆地沙湾凹陷西斜坡构造纲要与研究区位置Fig.1 Tectonic diagram and location of western slope of Shawan sag, Junggar Basin

图2 准噶尔盆地西北缘上乌尔禾组古构造(据余海涛等, 2020)Fig.2 Paleostructure of the Upper Wuerhe Formation of Northwest Junggar Basin(after Yu et al., 2020)

2 岩石地球化学特征
2.1 碎屑组分特征

沙湾凹陷西斜坡二叠系佳木河组20块铸体薄片的组分鉴定结果认为, 砂岩主要为岩屑质长石砂岩, 少量长石砂岩以及岩屑长石砂岩。长石含量为15.48%~59.02%, 平均含量为43.2%, 以钾长石、斜长石为主; 长石呈自形分布于粒间, 轻度泥化特征。石英含量19.15%~57.77%, 平均含量为35.41%, 见粒状石英。岩屑含量为0%~45.42%, 平均含量18.71%(图3)。整体以凝灰质火山碎屑沉积岩屑为主, 偶见岩屑被浊沸石、方解石交代, 整体上具有酸性岩特征(图4)。

图3 准噶尔盆地沙湾凹陷西斜坡二叠系佳木河组砂岩分类三角图
Ⅰ —石英砂岩; Ⅱ—长石质石英砂岩; Ⅲ —岩屑质石英砂岩; Ⅳ —长石岩屑质石英砂岩; Ⅴ —长石砂岩; Ⅵ—岩屑质长石砂岩; Ⅶ —岩屑长石砂岩; Ⅷ —长石岩屑砂岩; Ⅸ —长石质岩屑砂岩; Ⅹ —岩屑砂岩Fig.3 Ternary diagram of sandstone classification of the Permian Jiamuhe Formation on western slope of Shawan sag, Junggar Basin

图4 准噶尔盆地沙湾凹陷西斜坡二叠系佳木河组岩心照片与铸体薄片
A—拐15井, 4498.25 m, 砂砾岩; B—车排005井, 2972 m, 凝灰质砂砾岩; C—拐15井, 4498.25 m, 火山岩屑为主, 少量石英、长石, 部分碎屑被方解石交代, 粒间孔较发育, Calcite指代方解石, (+); D—车排005井, 2972 m, 颗粒间呈点—线状接触, 以岩屑为主, 填隙物以方沸石为主, Anl指代方沸石, (+)Fig.4 Core and thin sections of the Permian Jiamuhe Formation on western slope of Shawan sag, Junggar Basin

2.2 微量元素与稀土元素特征

本次研究测试微量元素所使用仪器为岛津XRF-1800波散XRF和德国耶拿PQ-MS Elite ICP-MS仪器。共挑选7口井27个样品进行微量元素测试, 并利用La/Sc值、Th/Sc值进行源区判断(Wang et al., 2018), 其平均值分别为2.7和0.63; 其稀土元素总量(Σ REE)介于(115.56~232.99)×10-6之间, 平均139×10-6, 接近大陆上地壳(UCC)的平均值(=148.14×10-6), 表明了研究区均接近于酸性岛弧区(表1)。

表1 准噶尔盆地沙湾凹陷西斜坡二叠系佳木河组微量及稀土元素分析结果 Table 1 Contents of trace and rare earth elements of the Permian Jiamuhe Formation on western slope of Shawan sag, Junggar Basin

Hf-La/Th判识图显示(图5), 佳木河组大多数样品点均落在酸性岛弧物源区, 除车排23井和金龙57井具有轻微偏基性的安山岩岛弧物源区成分, 整体上具有上地壳酸性岩石特征。

图5 准噶尔盆地沙湾凹陷西斜坡二叠系佳木河组Hf-La/Th微量元素物源类型判别图解(底图据Taylor and Mclennan, 1985)Fig.5 Discrimination diagram of source types of Hf-La/Th trace elements of the Permian Jiamuhe Formation on western slope of Shawan sag, Junggar Basin (basic map after Taylor and Mclennan, 1985)

微量元素La/Sc-Co/Th显示(图6), 佳木河组分布整体与长英质火山岩组分相似, 这一结论与吴松涛等(2018)在研究沙湾凹陷与盆1井西凹陷构造过渡关系时、提及在早二叠世盆地周缘发育大量花岗岩和镁铁质等侵入岩相吻合, 印证了研究区的物源属于酸性岩石物源区。

图6 准噶尔盆地沙湾凹陷西斜坡二叠系佳木河组La/Sc-Co/Th母岩成分判别图解Fig.6 La/Sc-Co/Th discrimination diagram of source rocks compositions of the Permian Jiamuhe Formation on western slope of Shawan sag, Junggar Basin

稀土元素(REE)常被认为是非迁移的, 在沉积作用过程中仅仅显示微小的变化, 它们受风化、剥蚀、搬运、固结、沉积成岩等地质作用的影响比较小。因此, 可作为沉积物的物源重要参考证据(Bhatia and Crook, 1986)。Eu异常(Eu/Eu*)可以灵敏地反映体系内的地球化学状态, 并可作为鉴别物质来源的重要参数。如: 花岗岩和长英质变质岩以及来自大陆源区的沉积岩等, 其中的Eu多显示为负异常。佳木河组砂岩的Eu/Eu* 值在0.8~1.75之间, 平均1.19, 由于元素分异作用使上地壳中的Eu元素缺失造成(Mclennan et al., 1995), 显示负异常。

同样稀土元素的配分型式可以客观地反映沉积物源性质。应用球粒陨石标准化值对研究区样品标准化处理后, 得出稀土元素球粒陨石标准化结果(Mclennan, 1985)。除金龙57外, 其他样品均呈现为轻稀土元素(LREE)富集和重稀土元素(HREE)亏损。轻稀土元素(La~Eu)段, 元素配分曲线斜率高, “右倾”程度明显, 说明轻稀土元素之间分馏程度高。与之相反, 重稀土元素(Dy~Lu)段元素配分曲线斜率低, 曲线平缓, 表明重稀土元素之间分馏程度较低。整体表现为“轻稀土元素富集, 重稀土元素亏损”。各样品的稀土配分模式特征一致, 整个配分图显示右倾状, 具有与酸性岩石相同的稀土配分型式, 表明物源整体来自酸性物源区(图7)。更进一步, L/H值介于4.49~7.26之间, Ce/Ce*值介于0.52~0.99之间, La/Yb值介于4.81~18.98之间, 表明了研究区为受火山热液影响、有淡水注入的滨浅湖—半深湖环境。

图7 准噶尔盆地沙湾凹陷西斜坡二叠系佳木河组稀土元素配分模式图Fig.7 Chondrite-normalized REE patterns of the Permian Jiamuhe Formation on western slope of Shawan sag, Junggar Basin

综上分析, 准噶尔盆地沙湾凹陷西斜坡二叠系佳木河组的物源以酸性岩石为主。

2.3 重矿物特征

重矿物法是通过沉积岩中的重矿物化学组分和矿物组合来指示源区的岩石类型和物源方向(田豹等, 2017)。本次研究统计了研究区11口井的11种重矿物样品。重矿物的分析采用了实体显微镜观察与扫描电镜方法, 并对矿物特征描述、测试、定名, 沙湾凹陷西斜坡二叠系佳木河组主要的重矿物为辉石(0%~87.22%)、褐铁矿(0.18%~66.33%)、磁铁矿(0.62%~47.36%)、绿帘石(0%~73.92%)、钛铁矿(0%~62.54%)、普通辉石(0%~69.11%)(表2, 图8)。在此基础上, 利用Q型聚类分析、多维尺度分析和主成分分析法, 厘定了母岩类型和物源体系。

表2 准噶尔盆地沙湾凹陷西斜坡二叠系佳木河组重矿物含量统计 Table 2 Contents of heavy minerals of provenance area of the Permian Jiamuhe Formation on western slope of Shawan sag, Junggar Basin

图8 准噶尔盆地沙湾凹陷西斜坡二叠系佳木河组重矿物组合类型平面分布特征Fig.8 Spatial distribution characteristics of heavy mineral assemblage types of the Permian Jiamuhe Formation on western slope of Shawan sag, Junggar Basin

2.3.1 重矿物聚类分析 聚类分析是一种重要的无监督学习方法, 其目的是寻找数据集的“自然分组”, 称之为“簇”, 即相似元素的集合。在同一个簇中的对象之间具有较高的相似性, 而不同簇之间的对象有很大的相异性(王骏等, 2012)。聚类重新标定距离远近, 可以反映出研究区样品间物源的同源程度, 标定距离越近, 则表明样品的同源性越强, 反之亦然。

为了查明研究区物源的同源性, 作者应用Hungarian聚类算法(赵加凡和陈小宏, 2005), 在剔除异常重矿物数据后, 得到9口井的重矿物数据Q型聚类分析谱系图(图9)。依据各类重心之间距离必须较大、分类数目应符合使用的目的为原则, 聚类重新标定距离15~20范围内取值时, 所有样本可分为4类, 该分类结果与重矿物组合分布图均反映北东部(新光1井—中佳6井)重矿物组合主要以褐铁矿+磁铁矿+钛铁矿为主; 中部(中佳3井—中佳4井—中佳5井—车排10井)重矿物组合主要以辉石+磁铁矿为主; 西南部(车排7井—车排005井)重矿物组合主要以普通辉石+褐铁矿为主; 南部(车排5井)重矿物组合主要以绿帘石+磁铁矿+普通辉石为主(图8, 表3)。

图9 准噶尔盆地沙湾凹陷西斜坡二叠系佳木河组重矿物Q型聚类谱系图Fig.9 Q-type clustering hierarchical diagram of heavy minerals of provenance area of the Permian Jiamuhe Formation on western slope of Shawan sag, Junggar Basin

表3 准噶尔盆地沙湾凹陷西斜坡二叠系佳木河组重矿物统计分类 Table 3 Statistical classification of heavy minerals of the Permian Jiamuhe Formation on western slope of Shawan sag, Junggar Basin

2.3.2 重矿物多维尺度分析与主成分分析 多维尺度分析(MDS)由Torgerson在1958年提出(Burt, 1958)的, 然而使用最多的是Kruskal算法(Kruskal, 1964)。其原理是已知n个研究对象, 求其在该空间的散布图, 观察图中点间的欧氏距离与已知的相异性度量吻合关系(甘资先等, 1991)。若2个点之间的距离较近, 说明相应的2个实体较相似, 反之2个实体差异比较大(贺开放, 2018)。利用样品中重矿物之间的相似性或相异性数据, 将其以点的形式分布到空间中的特定位置, 可直观的体现物源信息(Wei et al., 2020)。

借助SPSS20.0软件, 得到11种重矿物MDS分析结果(图10)。中佳3井、中佳4井、中佳5井、车排10井以实线相联, 且距离近, Dim1值在-0.5附近, Dim2值介于-0.5~0之间, 表明了相近的同源关系; 车排7井与车排005井以实线相边, 距离相近, Dim1值在0.5附近, Dim2值在-0.5附近, 反映相近的同源性; 中佳6井与新光1井, 以实线相连, Dim1值介于-0.5~0.5之间, Dim2值介于0.5~0.15之间, 虽值域跨度较前者大, 但二者依旧可以体现出一定的同源性; 车排5井与其他井, 距离较远, 同源性差。

图10 准噶尔盆地沙湾凹陷西斜坡二叠系佳木河组重矿物多维尺度分析Fig.10 Multi-dimensional analysis of heavy minerals of the Permian Jiamuhe Formation on western slope of Shawan sag, Junggar Basin

主成分分析(PCA)是一种可以显示输入变量之间关系的统计方法, 其优点是可以显示成一个双标图(Aitchison, 1983)。利用PCA对研究区重矿物进行分析。其数据集分布与多维尺度分析相似(图11)。沙湾凹陷西斜坡二叠系佳木河组的重矿物可分成4类(表3)。除中佳6井在主成分分析中异常外, 其余结果都吻合较好。基于此结果, 研究区的物源在同一物源下, 又可进一步分为4个区。即: “一源四区”, 中佳3井—中佳4井—中佳5井—车排10井; 车排7井—车排005井; 中佳6井—新光1井及车排5井。

图11 准噶尔盆地沙湾凹陷西斜坡二叠系佳木河组重矿物主成分分析Fig.11 Principal component analysis of heavy minerals of the Permian Jiamuhe Formation on western slope of Shawan sag, Junggar Basin

3 物源体系和构造背景
3.1 物源体系

路玉(2018)通过锆石定年指出, 沙湾凹陷内存在古老基底地块, 盆地西部边缘为物源区, 以近源沉积为主。熊婷等(2021)和 余海涛等(2020)认为沙湾凹陷西斜坡上乌尔禾发育扇三角洲, 并且其物源均来自西斜坡。其物源体系具有继承性。基于重矿物组合特征、微量元素分析, 明确了研究区佳木河组的物源具有“一源四区”的特征(图12)。

图12 准噶尔盆地沙湾凹陷西斜坡二叠系佳木河组物源走向分布图Fig.12 Spatial distribution of provenance of the Permian Jiamuhe Formation on western slope of Shawan sag, Junggar Basin

新光1井—中佳6井物源区位于研究区北东部, 主要的重矿物组合为褐铁矿+磁铁矿+钛铁矿, 主要以凝灰质火山碎屑岩为主, 沿此物源体系, 主要发育1条水下分流河道。

车排10井—中佳5井—中佳4井—中佳3井物源区, 主要的重矿物组合为辉石+磁铁矿, 发育自北西—南东向分流河道及入水体之后形成的水下分流河道。

车排7井—车排005井物源区, 该物源体系以褐铁矿—磁铁矿为主, 主要发育在断裂带附近, 并由此向凹陷中心进积。

车排5井物源区, 主要以绿帘石+磁铁矿+普通辉石为主, 夹于车排10井和车排7井2个物源体系之间, 形成独立的一支水系。

3.2 构造背景

由于微量元素如Th、Sc、Co等, 在天然水体中很难被分解, 更不易受风化搬运以及沉积作用的影响, 能很好地反应物源区的地球化学性质, 故被广泛地应用在沉积物源以及构造背景的研究中(Bhatia and Crook, 1986; 田洋等, 2015)。将佳木河组7个样品数据(表4)投影到Bhatia 和Crook(1986)建立的La-Th-Sc三角图(图13), 除了2个样品位于大陆岛弧区域附近, 其他样品均落在大陆岛弧区范围之内, 反映其形成可能与俯冲相关。

表4 准噶尔盆地沙湾凹陷西斜坡二叠系佳木河组砂岩与不同构造环境微量元素特征参数的对比(×10-6) Table 4 Comparison of trace element (×10-6)between rocks in different tectonic environments and sandstone of the Permian Jiamuhe Formation on western slope of Shawan sag, Junggar Basin

图13 准噶尔盆地沙湾凹陷西斜坡二叠系佳木河组微量元素La-Th-Sc构造环境判别图解(底图据Bhatia and Crook, 1986)Fig.13 Discrimination of tectonic environment of the Permian Jiamuhe Formation on western slope of Shawan sag, Junggar Basin using diagram of trace element La-Th-SC (basic map after Bhatia and Crook, 1986)

Bhatia和Crook(1986)总结了不同构造背景的地球化学参数, 沙湾凹陷二叠系佳木河组砂砾岩的稀土元素值与之对比表明, La、Ce、Σ REE、L/H、La/Yb、(La/Yb)N均与大陆岛弧切割岩浆弧数据特征接近(表5)。

表5 准噶尔盆地沙湾凹陷西斜坡二叠系佳木河组稀土元素特征参数与构造环境对比 Table 5 Comparison REE characteristics of the Permian Jiamuhe Formation on western slope of Shawan sag, Junggar Basin with other tectonic setting

根据不同学者建立的标准, 综合分析准噶尔盆地沙湾凹陷西斜坡二叠系佳木河组微量元素和稀土元素特征, 皆指示了沙湾凹陷西斜坡的构造背景为大陆岛弧, 其沉积物来源以酸性岛弧区的火山岩, 该结论与李涤(2016)研究结果具有高度一致性, 从地球化学的角度提供了证据。

4 讨论

不同物源具有不同的地质条件(母岩类型、风化、搬运、沉积、古地貌、构造), 从而造成沉积物具有不同的特征(重矿物、成分、粒度等), 这些特征又可反过来反映与区分物源。沉积物碎屑从源到汇的过程, 受到了一系列的物理和化学作用的影响(许苗苗等, 2021), 后期还可能经历成岩溶解、重结晶和暴露风化等作用, 使得重矿物的含量(Morton and Hallsworth, 1999)、组分(赵红格和刘池洋, 2003)等发生变化。沙湾凹陷二叠系佳木河组发育扇三角洲, 研究层段厚度变化快、储集层致密程度高、非均质性强(路玉, 2018; 梁宇生等, 2018)。因此, 尽管西北方向的物源区都来自扇三角洲, 但可能是亚相及微相的细微差别, 导致了3个方向的重矿物具有不尽相同的特点。储集岩多发育于水动力强、稳定性差的沉积环境, 岩石成分成熟度和结构成熟度均较低。储集层物性条件差, 分区分带性明显。宋凯等(2002)分析了鄂尔多斯盆地中部上三叠统延长组重矿物含量及组合平面规律, 其重矿物组合沿北东方向具有明显的分带性, 随后进一步指出河流三角洲在沉积过程中, 由于环境差异, 导致不同的化学元素富集具有分区性。可见, 同物源区从源到汇的化学元素富集具有分区性, 不只出现在本研究区, 其他研究区也存在相似现象, 这为物源研究提供了新的思考方向。通过对重矿物和微量元素的分析, 期望在物源区及其构造的研究方面提供可供参考的资料, 为后续沉积微相刻画及其储集层评价提供依据。

5 结论

1)“一源特征”。通过将准噶尔盆地沙湾凹陷西斜坡二叠系佳木河组的微量元素投点于Hf-La/Th和La/Sc-Co/Th判识图, 表明研究区为长英质火山岩为主的酸性岛弧物源; Σ REE分布于15.56×10-6~232.99×10-6之间, 平均139×10-6, 整体表现为“轻稀土元素富集, 重稀土元素亏损”, 配分模式与上地壳极为相似。

2)“四区特征”。基于重矿物分析, 准噶尔盆地沙湾凹陷西斜坡二叠系佳木河组碎屑颗粒富石英(35.41%)和长石(43.2%)、贫岩屑(18.71%), 整体上具有酸性岩特征。通过聚类分析、重矿物多维尺度分析、主成分分析, 研究区物源可分为4类, 亦可归结为4个区, 北东向以褐铁矿+磁铁矿为主的新光1井—中佳6井物源体系区, 正北向以辉石+磁铁矿为主的车排10井—中佳5井—中佳4井—中佳3井物源体系区, 西向以褐铁矿+磁铁矿为主的车排7井—车排005井物源体系区, 北西向以绿帘石+磁铁矿+普通辉石为主的车排5井物源区。

3)基于特征微量元素、稀土元素含量及比值, Pb、Th、Sc、La、Ce、Rb/Sr、Th/U、La/Sc及构造背景判别图解, 大部分样品点落在酸性岛弧区。采用不同学者建立的标准多项判断, 皆指示了沙湾凹陷西斜坡的构造背景为大陆岛弧。

(责任编辑 郑秀娟; 英文审校 刘贺娟)

参考文献
[1] 蔡忠贤, 陈发景, 贾振远. 2000. 准噶尔盆地的类型和构造演化. 地学前缘, 7(4): 431-440.
[Cai Z X, Chen F J, Jia Z Y. 2000. Types and tectonic evolution of Jungger Basin. Earth Science Frontiers, 7(4): 431-440] [文内引用:1]
[2] 杜远生. 2018. 关于古流分析的讨论. 古地理学报, 20(5): 925-926.
[Du Y S. 2018. Discussion on palaeocurrent analysis. Journal of Palaeogeography(Chinese Edition), 20(5): 925-926] [文内引用:1]
[3] 甘资先, 周方俊, 肖奕. 1991. 多维尺度分析中的算法研究. 清华大学学报(自然科学版), 31(6): 20-27.
[Gan Z X, Zhou F J, Xiao Y. 1991. Algorithm research in multidimensional scaling analysis. Journal of Tsinghua University(Science and Technology), 31(6): 20-27] [文内引用:1]
[4] 关新, 潘树新, 曲永强, 许多年, 张寒, 马永平, 王国栋, 陈雪珍. 2021. 准噶尔盆地沙湾凹陷滩坝砂的发现及油气勘探潜力. 岩性油气藏, 33(1): 90-98.
[Guan X, Pan S X, Qu Y Q, Xu D N, Zhang H, Ma Y P, Wang G D, Chen X Z. 2021. Discovery and hydrocarbon exploration potential of beach-bar sand in Shawan sag, Junggar Basin. Lithologic Reservoirs, 33(1): 90-98] [文内引用:1]
[5] 贺开放. 2018. 基于多维尺度和神经网络的电力电子电路故障诊断方法. 合肥工业大学硕士学位论文.
[He K F. 2018. A method for fault diagnosis based on multidimensional scaling and neural network in power electronic circuit. Masteral dissertation of Hefei University of Technology] [文内引用:1]
[6] 姜龙杰, 孙志鹏, 翟世奎, 刘新宇, 尤丽, 曹佳琪, 张爱滨, 毕东杰, 张婉. 2018. 琼东南盆地深水区钻井岩屑稀土元素地球化学特征及其对沉积物源和环境的指示. 海洋科学, 42(4): 89-100.
[Jiang L J, Sun Z P, Zhai S K, Liu X Y, You L, Cao J Q, Zhang A B, Bi D J, Zhang W. 2018. The sedimentary environment and provenance analysis based on geochemical characteristics of rare-earth elements in deepwater well core of the Qiongdongnan Basin. Marine Science, 42(4): 89-100] [文内引用:2]
[7] 李二庭, 靳军, 王剑, 马万云, 陈世加, 刘翠敏, 王海静. 2022. 准噶尔盆地沙湾凹陷周缘中, 浅层天然气地球化学特征及成因. 石油与天然气地质, 43(1): 175-185.
[Li E T, Jin J, Wang J, Ma W Y, Chen S J, Liu C M, Wang H J. 2022. Geochemical characteristics and genesis of mid-to-shallow natural gas on the periphery of Shawan sag, Junggar Basin. Oil & Gas Geology, 43(1): 175-185] [文内引用:2]
[8] 李国欣, 覃建华, 鲜成钢, 范希彬, 张景, 丁艺. 2020. 致密砾岩油田高效开发理论认识、关键技术与实践: 以准噶尔盆地玛湖油田为例. 石油勘探与开发, 47(6): 1185-1197.
[Li G X, Qin J H, Xian C G, Fan X B, Zhang J, Ding Y. 2020. Theoretical understand ings, key technologies and practices of tight conglomerate oilfield efficient development: a case study of the Mahu oilfield, Junggar Basin, NW China. Petroleum Exploration and Development, 47(6): 1185-1197] [文内引用:1]
[9] 李勇, 路俊刚, 刘向君, 王剑, 陈世加, 何清波. 2022. 准噶尔盆地沙湾凹陷烃源岩地球化学特征及天然气勘探方向. 天然气地球科学: 33(8): 1319-1331.
[Li Y, Lu J G, Liu X J, Wang J, Chen S J, He Q B. 2022. Geochemical characteristics of source rocks and gas exploration direction in Shawan sag, Junggar Basin. Natural Gas Geoscience, 33(8): 1319-1331] [文内引用:1]
[10] 李涤. 2016. 准噶尔盆地及邻区石炭纪构造格架与沉积充填演化. 中国地质大学(北京)博士论文.
[Li D. 2016. Carboniferous tectonic framework and sedimentary filling evolution in the Junggar Basin and adjacent area, NW China. Doctoral dissertation of China University of Geosciences(Beijing)] [文内引用:1]
[11] 梁宇生, 何登发, 甄宇, 张磊, 田爱军. 2018. 准噶尔盆地沙湾凹陷构造—地层层序与盆地演化. 石油与天然气地质, 39(5): 943-954.
[Liang Y S, He D F, Zhen Y, Zhang L, Tian A J. 2018. Tectono-stratigraphic sequence and basin evolution of Shawan sag in the Junggar Basin. Oil & Gas Geology, 39(5): 943-954] [文内引用:4]
[12] 路玉. 2018. 玛湖—沙湾地区二叠系年代—地层格架与沉积充填演化. 中国地质大学(北京)硕士论文.
[Lu Y. 2018. Permian chronostratigraphic framework and sedimentary filling evolution in Mahu-Shawan and adjacent area, Junggar Basin. Masteral dissertion of China University of Geosciences(Beijing)] [文内引用:1]
[13] 宋凯, 吕剑文, 杜金良, 王宏科. 2002. 鄂尔多斯盆地中部上三叠统延长组物源方向分析与三角洲沉积体系. 古地理学报, 4(3): 59-66.
[Song K, Lü J W, Du J L, Wang H K. 2002. Source direction analysis and delta depositional system of Yanchang Formation of the Upper Triassic in the central Ordos Basin. Journal of Palaeogeography(Chinese Edition), 4(3): 59-66] [文内引用:1]
[14] 田豹, 李维峰, 祁腾飞, 汪洋, 杨家义. 2017. 重矿物物源分析研究进展. 中国锰业, 35(1): 107-109, 115.
[Tian B, Li W F, Qi T F, Wang Y, Yang J Y. 2017. A research progress in provenance analysis of heavy minerals. China Manganese Industry, 35(1): 107-109, 115] [文内引用:2]
[15] 田洋, 赵小明, 王令占, 涂兵, 谢国刚, 曾波夫. 2015. 鄂西南利川三叠纪须家河组地球化学特征及其对风化, 物源与构造背景的指示. 岩石学报, 31(1): 261-272.
[Tian Y, Zhao X M, Wang L Z, Tu B, Xie G G, Zeng B F. 2015. Geochemistry of clastic rocks from the Triassic Xujahe Formation, Lichuan area, southwestern Hubei: implications for weathering, provenance and tectonic setting. Acta Petrologica Sinica, 31(1): 261-272] [文内引用:1]
[16] 王建刚, 胡修棉, 黄志诚. 2008. 藏南桑单林地区晚白垩世—始新世砂岩物源区分析. 地质学报, 82(1): 92-103.
[Wang J G, Hu X M, Huang Z C. 2008. Provenance analysis of Late Cretaceous-Early Eocene sand stones in the Sangdanlin Area, Southern Tibet. Acta Geologica Sinica, 82(1): 92-103] [文内引用:1]
[17] 王骏, 王士同, 邓赵红. 2012. 聚类分析研究中的若干问题. 控制与决策, 27(3): 321-328.
[Wang J, Wang S T, Deng Z H. 2012. Survey on challenges in clustering analysis research. Control and Decision, 27(3): 321-328] [文内引用:1]
[18] 吴庆福. 1986. 准噶尔盆地发育阶段、构造单元划分及局部构造成因概论. 新疆石油地质, 7(1): 29-37.
[Wu Q F. 1986. Development stage, division of tectonic units and local tectonic genesis theory of Junggar Basin. Xinjiang Petroleum Geology, 7(1): 29-37] [文内引用:1]
[19] 吴松涛, 梁宇生, 张磊, 田爱军. 2018. 沙湾凹陷与盆1井西凹陷构造过渡关系及地质意义. 新疆石油地质, 39(3): 277-284.
[Wu S T, Liang Y S, Zhang L, Tian A J. 2018. Tectonic transition relationship between Shawan sag and western Well Pen-1 sag and its geological significance. Xinjiang Petroleum Geology, 39(3): 277-284] [文内引用:1]
[20] 武赛军, 尹太举, 马晋文, 毛丹风, 翟长青, 柯钦. 2012. 地球物理方法在沉积物源分析中的应用. 长江大学学报(自然科学版): 9(1): 59-61.
[Wu S J, Yin T J, Ma J W, Mao D F, Qu C Q, Ke Q. 2012. Application of geophysical methods in sediment source analysis. Journal of Yangtze University(Natural Science Edition), 9(1): 59-61] [文内引用:1]
[21] 肖芳锋, 侯贵廷, 王延欣, 李乐. 2010. 准噶尔盆地及周缘二叠纪以来构造应力场解析. 北京大学学报(自然科学版), 46(2): 224-230.
[Xiao F F, Hou G T, Wang Y X, Li L. 2010. Study on structural stress fields since Permian, Junggar Basin and adjacent areas. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, 46(2): 224-230] [文内引用:1]
[22] 熊婷, 党玉芳, 贾春明, 李胜, 尚春. 2021. 扇三角洲高分辨率层序构型及砂体预测: 以沙湾凹陷西斜坡二叠系上乌尔禾组为例. 西安石油大学学报(自然科学版), 36(3): 16-22.
[Xiong T, Dang Y F, Jia C M, Li S, Shang C. 2021. High-resolution sequence architecture and sand body distribution prediction of fan delta: a case study of Upper Wuerhe Formation of Permian in West Slope of Shawan sag. Journal of Xi'an Shiyou University, 36(3): 16-22] [文内引用:1]
[23] 许苗苗, 魏晓椿, 杨蓉, 王平, 程晓敢. 2021. 重矿物分析物源示踪方法研究进展. 地球科学进展, 36(2): 154-171.
[Xu M M, Wei X C, Yang R, Wang P, Cheng X G. 2021. Research progress of provenance tracing method for heavy mineral analysis. Advances in Earth Science, 36(2): 154-171] [文内引用:1]
[24] 徐杰, 姜在兴. 2019. 碎屑岩物源研究进展与展望. 古地理学报, 21(3): 379-396.
[Xu J, Jiang Z X. 2019. Provenance analysis of clastic rocks: current research status and prospect. Journal of Palaeogeography(Chinese Edition), 21(3): 379-396] [文内引用:2]
[25] 余海涛, 刘新宇, 吴博闻, 刘鑫铭. 2020. 准噶尔盆地西北缘沙湾凹陷上乌尔禾组大型扇三角洲控制因素. 新疆地质, 38(1): 71-76.
[Yu H T, Liu X Y, Wu B W, Liu X M. 2020. Large fan delta control factors of Upper Wuerhe Formation of Shawan sag in Northwest Margin of Junggar Basin. Xinjiang Geology, 38(1): 71-76] [文内引用:2]
[26] 赵红格, 刘池洋. 2003. 物源分析方法及研究进展. 沉积学报, 21(3): 409-415.
[Zhao H G, Liu C Y. 2003. Approaches and prospects of provenance analysis. Acta Sedimentologica Sinica, 21(3): 409-415] [文内引用:1]
[27] 赵加凡, 陈小宏. 2005. 基于主成分分析与K-L变换的双重属性优化方法. 物探与化探, 29(3): 67-70.
[Zhao J F, Chen X H. 2005. Dual optimization of seismic attributes based on principal component analysis and K-L transform. Geophysical and Geochemical Exploration, 29(3): 67-70] [文内引用:1]
[28] 邹志文, 李辉, 徐洋, 余朝丰, 梦祥超. 2015. 准噶尔盆地玛湖凹陷下三叠统百口泉组扇三角洲沉积特征. 地质科技情报, 34(2): 20-26.
[Zhou Z W, Li H, Xu Y, Yu C F, Meng X C. 2015. Sedimentary characteristics of the Baikouquan Formation, Lower Triassic in the Mahu Depression, Junggar Basin. Geological Science and Technology Information, 34(2): 20-26] [文内引用:1]
[29] Aitchison J A. 1983. Principal component analysis of compositional data. Biometrika, 70(1): 57. [文内引用:1]
[30] Aléon J, Chaussidon M, Marty B, Schütz L, Jaenicke R. 2002. Oxygen isotopes in single micrometer-sized quartz grains: tracing the source of Saharan dust over long-distance atmospheric transport. Geochimica et Cosmochimica Acta, 66(19): 3351-3365. [文内引用:1]
[31] Barbara, Carrapa. 2010. Resolving tectonic problems by dating detrital minerals. Geology, 38(2): 191-192. [文内引用:1]
[32] Bhatia M R, Crook K. 1986. Trace element characteristics of graywackes and tectonic setting discrimination of sedimentary basins. Contributions to Mineralogy & Petrology, 92(2): 181-193. [文内引用:4]
[33] Blum M D, Milliken K T, Pecha M A, Snedden J W, Galloway W E. 2017. Detrital-Zircon records of Cenomanian, Paleocene, and Oligocene Gulf of Mexico drainage integration and sediment routing: implications for scales of basin-floor fans. Geosphere, 13(6): 2169-2205. [文内引用:1]
[34] Burt R B C. 1958. Theory and methods of scaling. Biometrika, 46(3-4): 493. [文内引用:1]
[35] Carroll A R, Liang Y, Graham S A, Xiao X, Hendrix M S, Chu J, Mcknight C L. 1990. Junggar Basin, Northwest China: trapped Late Paleozoic Ocean. Tectonophysics, 181(1-4): 1-14. [文内引用:1]
[36] Dickinson W R. 1988. Provenance and Sediment Dispersal in Relation to Paleotectonics and Paleogeography of Sedimentary Basins. Springer, New York. [文内引用:1]
[37] Jiang T, Cao L, Xie X, Wang Z, Li X, Zhang Y, Zhang D, Sun H. 2015. Insights from heavy minerals and Zircon U-Pb ages into the Middle Miocene-Pliocene provenance evolution of the Yinggehai Basin, northwestern South China Sea. Sedimentary Geology, 327(AUG. 15): 32-42. [文内引用:1]
[38] Kleinspehn K L, Paola C. 1988. New Perspectives in Basin Analysis. Springer, New York. [文内引用:1]
[39] Kruskal J B. 1964. Nonmetric multidimensional scalling: a numerical method. Psychometrika, 29: 115-129. [文内引用:1]
[40] Mclennan S M, Hemming S R, Taylor S R, Eriksson K A. 1995. Early Proterozoic crustal evolution: geochemical and Nd Pb isotopic evidence from metasedimentary rocks, southwestern north america. Geochimica Et Cosmochimica Acta, 59(6): 1153-1177. [文内引用:2]
[41] Morton A C, Hallsworth C R. 1999. Processes controlling the composition of heavy mineral assemblages in sand stones. Sedimentary Geology, 124(1): 3-29. [文内引用:1]
[42] Roser B P, Korsch R J. 1988. Provenance signatures of sand stone-mudstone suites determined using discriminant function analysis of major-element data. Chemical Geology, 67(1-2): 119-139. [文内引用:1]
[43] Rudnick R, Gao S. 2014. Composition of the Continental Crust. Holland H, Turekina K K(eds). Treatise on Geochemistry. Amsterdam: Elsevier, 1-51. [文内引用:1]
[44] Taylor S R, Mclennan S M. 1985. The continental crust: its composition and evolution. The Journal of Geology, 94(4): 57-72. [文内引用:1]
[45] Wang J L, Wu C D, Li Z, Zhu W, Wang J. 2018. Whole-rock geochemistry and Zircon Hf Isotope of Late Carboniferous-Triassic Sediments in the Bogda Region, NW China: clues for provenance and tectonic setting. Geological Journal, 54(4): 1853-1877. [文内引用:1]
[46] Wei Z, Li X, Sinclair H. 2020. The embryonic Himalayan Foreland Basin revealed in the eastern Yarlung Zangbo Suture Zone, southeastern Tibet. Sedimentary Geology, 407: 105743. [文内引用:1]
[47] Williams M L, Jercinovic M J, Hetherington C J. 2007. Microprobe Monazite geochronology: understand ing geologic processes by integrating composition and chronology. Annual Review of Earth & Planetary Sciences, 35(1): 137-175. [文内引用:1]