利用Q型聚類分析研究鄂爾多斯盆地多種能源礦產間的關系

潘愛芳,王方一,張道法,赫 英

(1.長安大學地球科學與資源學院,陜西西安710054;2.長安大學西部礦產資源與地質工程教育部重點實驗室,陜西西安710054;3.中國石油天然氣集團公司長慶油田分公司第五采油廠,陜西西安710021;4.西北大學地質學系,陜西西安710069)

0 引言

在含油氣盆地中,石油、天然氣、煤等非金屬礦與某些金屬礦床的共存乃至共生的實例屢見不鮮[1-6]。其中,石油與天然氣的關系十分密切,且石油與油型氣具有親緣關系,因而在學科研究和勘探開發(fā)中一直將油、氣密切地結合在一起,且總體研究程度較高[7];從20世紀40至50年代,開始認識到煤和煤系地層可形成具有工業(yè)價值的天然氣資源,到80年代煤成油又開始成為研究和討論的熱點,相關理論也得以快速發(fā)展[8]。中國在20世紀80年代初開始煤成氣的研究,經過20多年的發(fā)展,在煤成氣聚集帶研究、氣體同位素判識煤成氣、煤系烴源巖成烴模擬及演化實驗、二次生烴理論等方面達到了國際先進水平[8-9];鈾礦與油、氣、煤分屬于無機和有機礦床類型,因受傳統(tǒng)研究思維的影響,就他們之間的內在關系研究非常有限,但隨著對鈾富集成礦作用的深入研究,也逐步認識到其相互間的關系,如在鈾礦形成中有機質及其產物是最常見和最重要的還原劑之一[10-12]。

盆地中有機(油、氣、煤)與無機(鈾礦、鉀鹽等)、金屬與非金屬、氣體與液體能源礦產共存甚至共生現象十分普遍。這種能源礦產同盆共存的現象必然存在內在的聯(lián)系以及直接或間接的依存關系,但目前更多的還是對單一礦種的研究,在研究方法上彼此很少相互參照[13]。在開展成因方面的地球化學研究時,大多仍然偏重于用有機地球化學方法研究有機礦產[14-15]、無機地球化學方法研究無機礦產[16]的手段。目前正在嘗試通過對有機礦產研究中相對薄弱的無機地球化學的探討,揭示有機與無機礦產的關系;通過有機能源礦產中無機組分的研究揭示有機能源礦產成藏(礦)的有關問題;對選取的無機與有機能源礦產間紐帶與信息載體的研究,是認識能源礦產的成藏成礦規(guī)律以及揭示能源礦產的富集共存機制的有效手段之一[17]。

石油與天然氣既是礦產又是一種地下流體,地層水是盆地流體重要的組成部分之一;而氯仿瀝青A(以下簡稱瀝青)是從能源礦產(油氣、煤和鈾)及其所在巖石中通過有機溶劑直接抽提出的有機流體,且是巖石中的流體或流體作用的產物。在地下深部復雜的地質環(huán)境條件及其演化過程中,上述流體并非孤立,它們不僅存在相互間的作用,同時還在不斷地與周圍介質發(fā)生物質交換;它們不僅與金屬礦床的形成密切相關,而且對有機能源礦產的成藏(礦)作用也具有重要意義[17]。因此,上述流體應當既是攜帶多種能源礦產成藏(礦)重要信息的載體,又是聯(lián)系這些能源礦產之間關系的紐帶?；诖?筆者試圖通過對這些地質流體中微量元素的Q型聚類分析,能夠在一定程度上對各種能源礦產間的關系及深部流體在各種能源礦產成藏(礦)作用中的貢獻特征有所揭示。

1 研究區(qū)基本地質特征

鄂爾多斯盆地被認為是中國乃至東亞最穩(wěn)定的構造單元之一。盆地內部被河流切割沖刷出露的近乎水平的、未變質的、未有明顯斷裂發(fā)育的中生界河湖相地層是其最為典型的標志,且盆地周緣區(qū)斷裂發(fā)育,地震頻繁發(fā)生,構造活動強烈,盆地內部卻相對平靜。然而,近年來一些研究成果表明,鄂爾多斯盆地內部自古生代以來有過多期構造運動乃至新構造活動[18-25],多期的構造活動必然伴有相應的構造-熱事件與多期成藏作用,而構造-熱事件的發(fā)生與深部流體密切相關[26],并會導致深部流體順同生構造向上噴溢[7]。已有研究表明,鄂爾多斯盆地基底斷裂的存在與活動和地球化學場特征等都反映出盆地內存在深部流體活動,基底斷裂的活動為深部流體的運移并參與多種能源礦產的成藏成礦作用提供了有利條件[27-30]。

2 樣品采集與分析

為了研究盆地內多種能源礦產之間的關系,筆者采集了鄂爾多斯盆地不同礦區(qū)和不同層位的石油、天然氣、巖芯、巖石樣品,采樣位置見圖1。其中,采集煤及煤層夾矸樣品325件;石油和天然氣樣品17件;油氣伴生水樣8件;鈾礦及其圍巖樣品58件;此外,為保持介質狀態(tài)一致,對煤、煤層夾矸以及鈾礦及其圍巖等62件樣品進行了瀝青抽提[1]。所獲得的流體樣品送國家地質測試中心進行元素含量測定,分析質量達到或優(yōu)于國家標準。

圖1 采樣位置Fig.1 Sampling Positions

3 樣本分組

在Q型聚類分析中,通常認為構成一個族群中的各樣本間存在相似性或相關性。距離系數越小,則其相似性越強,相互之間的關系越密切,且將距離系數中值(0.5)視為界定樣本間是否具有相關性或相似性的界限點?；谶@一數學原理,筆者以盆地北部、中部和南部不同區(qū)段、不同時代、不同能源礦產瀝青、油氣伴生水以及石油中的Li、Be、Sc、Ti、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Ag、Cd、In、Sn、Cs、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Hf、Ta、W、Tl、Pb、Bi、Th、U、Au、V、Ge、As、Al、Ca、Fe、K、Mg、Na、P、B等57種元素分析結果為對象,并根據流體類型、產出層位、所在地的能源礦產類型以及所處不同位置,共分了16個樣本或基本組并分別用Q1～Q16表示(表1)。各組樣品元素含量值為采集到的該樣本組各樣品分析結果的平均值,個別樣本組中只有一個分析樣品,則直接取用該樣品分析值(表1),并進行了Q型聚類分析(或稱Q族群分析)。

表1 鄂爾多斯盆地流體分組及其編號Tab.1 G rouping and Their Number of Fluids in Ordos Basin

4 結果與討論

根據所分的16個樣本計算了能源礦產伴生流體(樣本)間的歐式距離系數(表2),并按逐步形成法計算和繪制了相應譜系圖(圖2)。由圖2和表2可見,參加統(tǒng)計的16個樣本共構成6個基本族群,分別用序號Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ表示。

表2 能源礦產伴生流體族群組距離系數Tab.2 Distance Coefficient of Cluster G roups on Satellitefluids of Energy Mineral Deposits

4.1 族群Ⅰ

圖2 鄂爾多斯盆地能源礦產伴生流體57種元素Q型聚類分析Fig.2 Q-clustering Analysis for 57 Elements of Satellitefluids of Energy Mineral Deposits in Ordos Basin

該族群的樣本組成為三疊系延長組石油、侏羅系下統(tǒng)延安組石油、侏羅系中統(tǒng)直羅組石油、三疊系延長組石油伴生水,即{Q1-Q3-Q5-Q16}。該族群包括了參加統(tǒng)計的所有石油和石油伴生水的集合,其中有三疊系上統(tǒng)延長組的石油、侏羅系下統(tǒng)延安組石油和侏羅系中統(tǒng)直羅組石油。該族群的距離系數為0.268 3,因此,可能有相近的成因特征。

該族群內部,侏羅系下統(tǒng)延安組石油和侏羅系中統(tǒng)直羅組石油構成一個基本樣本對{Q3-Q5},兩樣本間的關系最為密切,距離系數為0.087 9。反映其元素富集特點與元素組合特征都非常接近。原因可能有2個方面:他們的賦存層位雖然分屬2個組,但都是侏羅系地層;參加統(tǒng)計的樣品均采自馬嶺、木鉑、環(huán)縣和華池一帶,同處于盆地西南部、中央古隆起和北東向基底斷裂的西南端,他們還具有相同的構造位置。因此,可能反映了延安組石油和直羅組石油具有相似的成因。

三疊系延長組石油、侏羅系下統(tǒng)延安組石油及中統(tǒng)直羅組石油之間構成了一個次級族群組{Q1-Q3-Q5}(圖2),這3個樣本間仍具有較好的相關性,其距離系數為0.212 5,但比樣本對{Q3-Q5}的距離系數要大。主要原因可能是,樣本對{Q3-Q5}賦存于侏羅系地層,而樣本{Q1}賦存于三疊系地層,因此其與{Q3-Q5}存在賦存層位的差異。

三疊系延長組石油伴生水{Q16}和該族中石油族群組{Q1-Q3-Q5}之間距離系數為0.239 8,表明石油伴生水雖然與該族群中的石油有一定成因聯(lián)系,但由于流體性質的不同,導致其元素的含量特征與石油尚有一定的區(qū)別。

4.2 族群Ⅱ

該族群的樣本組成為三疊系延長組石油瀝青、三疊系延長組含油砂巖瀝青、侏羅系中統(tǒng)直羅組石油瀝青,即{Q2-Q9-Q6},距離系數為0.150 1,反映了樣本間的相似性較強、相關性較好,具有類似的成因特征。該族群最明顯的特征是樣本均為與石油相關的瀝青,不同的是瀝青的賦存層位不同。

在該族群內部,三疊系延長組石油瀝青和三疊系延長組含油砂巖瀝青構成一個基本樣本對{Q2-Q9},其距離系數為0.140 3,為強相關,表明具有相似的元素地球化學特征。2個樣本之所以具有強相關性,是由于他們均賦存于三疊系延長組之中,且又都是從石油中提取的,反映了兩者具有相似的物質組成。侏羅系中統(tǒng)直羅組石油瀝青雖然也是從含油砂巖中提取的,但與前兩者的賦存層位不同,因此,與樣本對{Q2-Q9}的距離系數為0.150 1。與前兩者(樣本對{Q2-Q9})的距離系數相比,該系數稍大,但仍具有較強的相關性,由此可能反映了延長組石油與直羅組石油在成因或物質成分上具相似性。

4.3 族群Ⅲ

該族群由4個樣本組成:神木侏羅系下統(tǒng)延安組煤瀝青、東勝侏羅系中統(tǒng)直羅組煤瀝青、銅川陳家山侏羅系下統(tǒng)延安組煤瀝青、銅川陳家山侏羅系下統(tǒng)延安組煤層石油,即{Q11-Q13-Q12-Q7}。該族群與侏羅系煤及煤層石油有關,距離系數為0.159 7,表明樣本間元素地球化學特征關系密切,表現為該族群整體上相似性較好、相關性較強,故成因特征相近。

在族群內部,神木侏羅系下統(tǒng)延安組煤瀝青與東勝侏羅系中統(tǒng)直羅組煤瀝青構成一個基本樣本對{Q11-Q13}。兩樣本間具強相關性,距離系數僅為0.130 7,表明侏羅系下統(tǒng)延安組和侏羅系中統(tǒng)直羅組的煤關系密切,二者可能具有相似的沉積環(huán)境和相近的流體活動特征。

神木侏羅系下統(tǒng)延安組煤瀝青、東勝侏羅系中統(tǒng)直羅組煤瀝青與銅川陳家山侏羅系下統(tǒng)延安組煤瀝青構成了一個次級族群組樣本對{Q11-Q13-Q12},距離系數為0.138 1,表明樣本對{Q11-Q13}與樣本{Q12}具有較強的相關性,由此表明銅川陳家山侏羅系下統(tǒng)延安組煤層石油與侏羅系下統(tǒng)延安組煤及中統(tǒng)直羅組煤具有較為密切的關系,在成因或物質成分上具有一定聯(lián)系。

4.4 族群Ⅳ

該族群由2個樣本組成:銅川陳家山侏羅系下統(tǒng)延安組煤層石油瀝青、準格爾黑岱溝石炭二疊系煤瀝青,即{Q8-Q10}。兩者的距離系數為0.177 7。表明2個樣本具有相似的元素地球化學特征,陳家山延安組煤層石油瀝青可能與石炭二疊系的煤具有成因上的聯(lián)系。

由以上結果并結合圖2發(fā)現,盆地內石油集中在族群Ⅰ之中,唯有陳家山延安組煤層石油位于族群Ⅱ,而且與侏羅系下統(tǒng)延安組煤及中統(tǒng)直羅組煤瀝青關系密切。與此同時,陳家山延安組煤層石油瀝青與黑岱溝石炭二疊系煤瀝青具有相似的成因特征。由此表明,陳家山延安組煤層石油與盆地石油的元素地球化學特征不同,故兩者的成因不同,陳家山延安組煤層石油在成因上可能與侏羅系延安組煤及石炭二疊系煤具有一定的聯(lián)系,不排除是這兩套煤系地層熱演化的產物。

4.5 族群Ⅴ

該族群由2個樣本組成:侏羅系下統(tǒng)延安組石油瀝青、侏羅系中統(tǒng)直羅組含鈾砂巖瀝青,即{Q4-Q14}。族群距離系數為0.112 9,顯示兩者具有相似的元素地球化學特征,說明侏羅系下統(tǒng)延安組石油瀝青與放射性鈾礦的形成具有密切關系。

從以上Q族群分析結果可以看到,侏羅系中統(tǒng)直羅組含鈾砂巖瀝青與侏羅系下統(tǒng)延安組石油瀝青之間在同一族群之中,但侏羅系下統(tǒng)延安組石油瀝青與侏羅系下統(tǒng)延安組石油并未在同一族群中,反映兩者的地球化學特征相離甚遠。由此說明侏羅系下統(tǒng)延安組石油瀝青對直羅組地層中鈾的活化、遷移、富集可能具有重要作用。

4.6 族群Ⅵ

該族群由奧陶系馬家溝組天然氣伴生水{Q15}與瀝青族群{Q2-Q9-Q6-Q7-Q11-Q12-Q13-Q8-Q10-Q4-Q14}構成,距離系數為0.354 7。表明天然氣的形成和石油瀝青、煤瀝青具有某種關系,進而說明天然氣物質來源復雜(可能含有煤型氣、油型氣、生物氣、深源氣等),且與石油和煤的進一步演化具有一定關系。

5 結語

(1)族群侏羅系下統(tǒng)延安組石油—侏羅系中統(tǒng)直羅組石油—三疊系延長組石油—三疊系延長組石油伴生水的距離系數為0.268 3,可能有相近的成因特征;族群三疊系延長組石油瀝青—三疊系延長組含油砂巖瀝青—侏羅系中統(tǒng)直羅組石油瀝青的距離系數為0.150 1,具有類似的成因特征。

(2)族群神木侏羅系下統(tǒng)延安組煤瀝青—東勝侏羅系中統(tǒng)直羅組煤瀝青—銅川陳家山侏羅系下統(tǒng)延安組煤瀝青—銅川陳家山侏羅系下統(tǒng)延安組煤層石油的距離系數為0.159 7,顯示了其相關性好,成因特征相近;族群銅川陳家山侏羅系下統(tǒng)延安組煤層石油瀝青—準格爾黑岱溝石炭二疊系煤瀝青的距離系數為0.177 7,故陳家山延安組煤層石油瀝青可能與石炭二疊系的煤具有成因上的聯(lián)系。

(3)族群侏羅系下統(tǒng)延安組石油瀝青—侏羅系中統(tǒng)直羅組含鈾砂巖瀝青間的距離系數為0.112 9,表明侏羅系下統(tǒng)延安組石油瀝青與放射性鈾礦的形成具有密切關系;奧陶系馬家溝組天然氣伴生水與瀝青族群的距離系數為0.354 7。表明天然氣的形成和石油瀝青、煤瀝青具有某種關系,進而說明天然氣組分復雜,且與石油和煤的進一步演化具有一定的關系。

(4)三疊系延長組石油瀝青與侏羅系下統(tǒng)延安組石油不在同一族群之中;侏羅系下統(tǒng)延安組石油與侏羅系下統(tǒng)延安組石油瀝青不在同一族群之中;侏羅系中統(tǒng)直羅組石油與侏羅系中統(tǒng)直羅組石油瀝青不在同一族群之中;銅川陳家山侏羅系下統(tǒng)延安組煤層石油與銅川陳家山侏羅系下統(tǒng)延安組煤層石油瀝青也不在同一族群之中。由此表明,鄂爾多斯盆地多種能源礦產成因較復雜、相互間關系密切,且具有多源性成藏(礦)特征。

國家地質測試中心鄧月金博士在樣品分析中提供了幫助,在此謹表謝忱。

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