川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組物源的地球化學(xué)示蹤

鄒黎明, 劉四兵, 張文凱, 朱 童

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059；2.中國石油川慶鉆探工程公司 地質(zhì)勘探開發(fā)研究院，成都 610051)

川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組物源的地球化學(xué)示蹤

鄒黎明1, 劉四兵1, 張文凱1, 朱 童2

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059；2.中國石油川慶鉆探工程公司 地質(zhì)勘探開發(fā)研究院，成都 610051)

探討川西拗陷中段上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組物源問題。采用地球化學(xué)示蹤方法，通過巖石薄片、痕量元素和稀土元素等綜合分析，結(jié)合前人的研究成果，對(duì)蓬萊鎮(zhèn)組源區(qū)背景屬性和物源特征進(jìn)行研究。結(jié)果表明：研究區(qū)蓬萊鎮(zhèn)組砂巖碎屑組分以石英為主，其次是長石及各種巖屑；REE配分模式與大陸上地殼稀土元素配分模式基本一致，輕稀土元素富集，Eu負(fù)異常較為明顯。其源區(qū)的構(gòu)造環(huán)境是從海相過渡到陸相,最后演化成復(fù)雜的源區(qū)。川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組有龍門山、大巴山-米倉山多個(gè)物源區(qū),北部的主要物源區(qū)為大巴山-米倉山,南部的物源區(qū)為龍門山,中部則為混源區(qū)。

川西拗陷；蓬萊鎮(zhèn)組；物源；痕量元素；稀土元素

川西拗陷中段上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組是重要的勘探層位之一，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多大中型天然氣田，如馬井、孝泉-新場等氣田[1]。對(duì)于川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組的物源問題，不同學(xué)者存在不同的意見，主要分為多物源和單物源。錢利軍[2]認(rèn)為川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組的物源主要來自西部的龍門山，而北部的米倉山-大巴山的貢獻(xiàn)較弱；葉素娟[3]認(rèn)為蓬萊鎮(zhèn)組存在來自龍門山中段、北段和米倉山-大巴山方向的多個(gè)物源；徐強(qiáng)[4]認(rèn)為蓬萊鎮(zhèn)組只有來自龍門山的單一物源。針對(duì)川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組的物源方向、源區(qū)構(gòu)造背景等物源問題的研究，前人主要通過碎屑巖組分、輕重礦物以及古水流向等方法進(jìn)行探討，少數(shù)學(xué)者也利用痕量元素及稀土元素特征進(jìn)行過探討，但涉及的元素分析內(nèi)容相對(duì)較單一，系統(tǒng)性相對(duì)較弱。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，主要依據(jù)痕量元素和稀土元素的地球化學(xué)特征來進(jìn)行研究，進(jìn)一步確定其物源。

1 地質(zhì)背景

圖1 川西拗陷中段區(qū)域地質(zhì)圖Fig.1 Regional geological map of the middle part of west Sichuan depression(改自文獻(xiàn)[9])

川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組研究區(qū)從南向北可以根據(jù)拗陷內(nèi)的斷裂帶或者構(gòu)造帶分為南、中、北3個(gè)部分(圖1)。盆地的西部，屬于晚三疊世時(shí)期的陸相盆地深拗陷的繼承性部分 ，現(xiàn)今構(gòu)造主要以北東方向?yàn)橹髡归_，北部以米倉山前緣為界，南以峨眉-滎經(jīng)斷裂與川滇南北構(gòu)造帶為界，西至安縣-都江堰龍門山?jīng)_斷帶，東以南江-龍泉山一線為界[5]。川西拗陷，南段受構(gòu)造變形作用較強(qiáng)，北段和中段受構(gòu)造作用較弱[6]。川西拗陷是從三疊紀(jì)時(shí)期的川西前陸盆地演化而來的，在形成過程中，它的中心隨著不同方向的構(gòu)造作用而發(fā)生變化。特別是在侏羅紀(jì)時(shí)期，川西拗陷發(fā)生了顯著的變化:早侏羅世，由于龍門山地區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)減弱，米倉山-大巴山的構(gòu)造活動(dòng)則增強(qiáng)，使前陸盆地的前緣拗陷位置由龍門山前緣向米倉山-大巴山地帶移動(dòng)，此時(shí)期大量沉積了來自米倉山-大巴山地區(qū)的物質(zhì)；中侏羅世則與早侏羅世相反，沉積中心偏向于龍門山，此時(shí)又接受龍門山的物質(zhì)沉積；晚侏羅世，沉積中心再次回到米倉山-大巴山山前地區(qū)[7]。從鄰區(qū)山脈的構(gòu)造演化特征也可看出，構(gòu)造演化對(duì)研究區(qū)蓬萊鎮(zhèn)組的物源有一定影響。相鄰的龍門山地區(qū)在晚三疊世印支運(yùn)動(dòng)的影響下發(fā)生褶皺形成山脈，晚侏羅世的燕山運(yùn)動(dòng)又促使其進(jìn)一步抬升[4]，因此龍門山山脈與山前拗陷盆地存在較大的高程差，被抬升的部位遭受風(fēng)化剝蝕后可能為研究區(qū)提供物源。另一方面，米倉山-大巴山的構(gòu)造格局是在中三疊世后揚(yáng)子板塊與華北板塊碰撞下逐漸擠壓形成的[8]，米倉山南緣受到印支、燕山運(yùn)動(dòng)的影響部分隆起，可能為川西拗陷的沉積提供了一定的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2 碎屑組分特征

圖2 蓬萊鎮(zhèn)組砂巖碎屑組分含量直方圖Fig.2 Histogram showing the content of sandstone constituents of the Penglaizhen Formation

川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組的巖石類型，大多數(shù)都是淺色砂巖，極個(gè)別為棕色或褐色砂巖。砂巖薄片中的碎屑成分主要為石英，其次為巖屑、長石。根據(jù)川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組砂巖的薄片資料得出 (圖2)：石英平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)為62.38%，巖屑平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為29.3%，長石平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.32%。巖屑以沉積巖碎屑和變質(zhì)巖碎屑為主，可見少量巖漿巖碎屑。其中見極少量的副礦物，譬如云母、綠泥石、電氣石、鋯石等。膠結(jié)物類型主要以方解石膠結(jié)為主，白云石膠結(jié)較少。粒度主要為中砂或者細(xì)砂，偶見粗砂，分選較好，磨圓度較差，多為棱角—次棱角狀?？紫抖喟l(fā)育粒間溶孔和粒內(nèi)溶孔。碎屑物中有少量穩(wěn)定的副礦物鋯石和不穩(wěn)定的云母，反映物源成分較為復(fù)雜[10]。

3 物源區(qū)類型及構(gòu)造環(huán)境特征

3.1 碎屑成分特征與源區(qū)類型的關(guān)系

構(gòu)造演化是盆地內(nèi)碎屑沉積的主要控制因素之一。將川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組砂巖中的石英、長石、巖屑進(jìn)行Dickinson(1983)QFR以及Qm-F-Lt三角關(guān)系圖投點(diǎn)(圖3)，可以判斷其物源區(qū)的構(gòu)造背景特征[11]。從QFR三角關(guān)系圖(圖3-A)中可知，川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組數(shù)據(jù)點(diǎn)大部分落在再循環(huán)造山帶區(qū)域，極個(gè)別樣品點(diǎn)落在過渡島弧環(huán)境區(qū)域內(nèi)，有一部分點(diǎn)落在再循環(huán)造山帶與島弧周圍，說明該地區(qū)的源區(qū)類型較為復(fù)雜。同樣，從Qm-F-Lt三角關(guān)系圖(圖3-B)中可知，大部分砂巖樣品投點(diǎn)落在石英質(zhì)再旋回、過渡再旋回和巖屑質(zhì)再旋回這3個(gè)區(qū)域，極少量樣品落在克拉通內(nèi)部區(qū)域中，也有樣品落在各區(qū)域的分界處，這與QFR三角圖投點(diǎn)一致，說明該地區(qū)的源區(qū)類型較為復(fù)雜。從Qp-Lv-Ls三角關(guān)系圖中可以看出(圖3-C)，研究區(qū)以火山弧造山帶物源為主，其次還有碰撞縫合線及褶皺-逆掩帶物源。綜合上面3種物源類型劃分方式對(duì)研究區(qū)的源區(qū)類型綜合分析，可以確定川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組的源區(qū)類型具有多樣性。

3.2 源區(qū)背景屬性與源區(qū)類型的關(guān)系

影響碎屑巖稀土元素含量的主要因素是源區(qū)母巖的巖石成分，從源巖的配分模式到沉積區(qū)沉積物的配分模式?jīng)]有顯著的變化[12-16]，因此常利用稀土元素配分模式特征來分析研究區(qū)和可能物源區(qū)之間的關(guān)系。砂巖稀土元素含量和特征見表1，表中所列稀土元素含量在川西拗陷北段、南段和中段有一定的差別。例如LREE平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)：北段為206.13×10-6，中段為234.67×10-6，南段為250.23×10-6；HREE質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為67.36×10-6，71.37×10-6，69.32×10-6；ΔCe值分別為0.05，0.04，0.03。

碎屑巖的痕量元素含量變化與沉積物源區(qū)構(gòu)造背景有著必然的關(guān)系，所以碎屑巖的痕量元素可以充分地反映源區(qū)的大地構(gòu)造背景特征。本次研究對(duì)研究區(qū)的樣品元素進(jìn)行分析，作了以下5種關(guān)系圖(圖4)：La-Th-Sc，Th-Co-Zr/10，Th-Sc-Zr/10，Sc/Cr-La/Y以及Th/La。結(jié)果表明樣品主要落在大陸島弧區(qū)內(nèi)，部分樣品在被動(dòng)大陸邊緣區(qū)內(nèi)，一部分點(diǎn)位于被動(dòng)大陸邊緣和大陸島弧邊緣區(qū)域。說明物源區(qū)是常常處于大陸島弧為主要作用以及部分被動(dòng)大陸邊緣作用較弱的環(huán)境中，其構(gòu)造環(huán)境可能是大陸島弧和海-陸關(guān)系的活動(dòng)大陸與被動(dòng)大陸邊緣碰撞造山帶。晚三疊世是川西拗陷形成的主要時(shí)期，此期間拗陷經(jīng)歷了從海相到海陸過渡，最后成為了陸相拗陷環(huán)境[17]。

圖3 川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組砂巖碎屑成分和物源類型的Dickinson三角關(guān)系圖解Fig.3 Dickinson diagram for clastic compositions of sandstone and provenance types for the Penglaizhen Formation in the middle part of west Sichuan depression(作圖方法據(jù)文獻(xiàn)[11])Q.石英; F.長石; L.不穩(wěn)定多晶巖屑(L=Ls+Lv); Qm.單晶石英; Qp.多晶石英，包括燧石; Lv.火山巖與變火山巖碎屑; Ls.沉積巖與變質(zhì)巖碎屑

表1 川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組砂巖稀土元素含量 (w/10-6)Table 1 REE compositions of sandstone from the Penglaizhen Formation in the middle part of west Sichuan depression

Bhatia[19]總結(jié)了在不同構(gòu)造背景下的砂巖REE特征值。川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組砂巖REE參數(shù)與各種不同構(gòu)造背景下砂巖的參數(shù)對(duì)比，其巖石化學(xué)成分與大陸島弧、活動(dòng)大陸邊緣和被動(dòng)邊緣十分相似，說明川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組的源區(qū)包含大陸島弧、活動(dòng)大陸邊緣和被動(dòng)大陸邊緣3種背景屬性，這與上面談到的源區(qū)類型相符合。龍門山地區(qū)和米倉山-大巴山地區(qū)經(jīng)歷的海陸相的演化過程，可為川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組的形成提供豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。

4 元素地球化學(xué)特征

本次研究測試的痕量元素包括Li、Sc、Cr、Co、Cu等(表2)，川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組內(nèi)的南北中3個(gè)地區(qū)的痕量元素含量存在較大的差異，各個(gè)地區(qū)的痕量元素值差異分布較為明顯，說明可能來自不同地區(qū)的物源。

采用Boynton[20]球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)對(duì)川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組砂巖樣品進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，建立蓬萊鎮(zhèn)組的REE配分模式圖(圖5)。可以看出：①輕稀土元素富集、重稀土元素虧損較為明顯。②La-Eu輕稀土元素段的配分模式在圖中表現(xiàn)為明顯的“右傾”，斜率較大，變化趨勢較快，說明川西拗陷地區(qū)的輕稀土元素分餾程度較高；Gd-Lu重稀土元素段的配分模式曲線在圖中表現(xiàn)較為平坦、斜率小，說明其分餾程度較低。③在Eu處出現(xiàn)了較為明顯的“V”字形趨勢，存在Eu負(fù)異常； Ce處基本正常，沒出現(xiàn)異常。

表2 川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組砂巖痕量元素組成(w/10-6)Table 2 Trace element compositions of sandstone from the Penglaizhen Formation in the middle part of west Sichuan depression

圖5 川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組REE分布模型Fig.5 Chondrite-normalized REE diagrams for the Penglaizhen Formation in the middle part of west Sichuan depression(圖中部分?jǐn)?shù)據(jù)引自參考文獻(xiàn)[21-23])

在研究區(qū)的REE配分模式圖中，不同地區(qū)的稀土元素配分模式存在一定差異，其不同稀土元素含量的變化率也不一致，說明川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組的物源來自不同地區(qū)，物源區(qū)不穩(wěn)定，存在混源的現(xiàn)象。從圖中可知，米倉山-大巴山地區(qū)與川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組的REE配分模式圖有微弱相似的分布趨勢，而龍門山地區(qū)的REE配分模式圖則與川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組接近，這說明米倉山-大巴山地區(qū)對(duì)川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組的物源控制較弱，而龍門山對(duì)其影響較大。

Bhatia等[24]、McLennan等[25]通過研究發(fā)現(xiàn)，源自上地殼的稀土元素具有輕稀土富集、重稀土含量相對(duì)穩(wěn)定和明顯的Eu負(fù)異常等特征。川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組的砂巖樣品具有富輕稀土元素特征，其稀土元素配分模式與大陸上地殼稀土元素的配分模式基本一致[3]，所以川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組的原始物質(zhì)應(yīng)來自上地殼，為上地殼長英質(zhì)巖石。綜上所述，研究區(qū)與龍門山地區(qū)、米倉山-大巴山地區(qū)的砂巖稀土元素配分模式有一定的相似之處，可以說明龍門山地區(qū)和大巴山-米倉山地區(qū)是川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組沉積物的部分物源區(qū)。

利用La/Yb-∑REE圖解，可以反映出部分巖石的成因類型和特征，從而判別沉積物來源及物源區(qū)巖石特征(圖6)。根據(jù)川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組砂巖樣品的La/Yb-∑REE圖解可知，絕大部分投點(diǎn)都較為集中，落在了沉積巖、花崗巖和堿性玄武巖混合區(qū)域內(nèi)，說明川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組的源巖組成是有差別的。這與劉飛[26]認(rèn)為龍門山地區(qū)大都是鐵鎂質(zhì)、長英質(zhì)、石英與碳酸鹽膠結(jié)物的混合物的結(jié)論一致。同時(shí)，米倉山-大巴山地區(qū)的沉積物來自南秦嶺地區(qū)發(fā)育的玄武巖和中酸性火山巖[22]。上述表明，川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組砂巖的原始沉積物質(zhì)是來自龍門山和米倉山-大巴山2個(gè)物源區(qū)。

圖6 川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組砂巖La/Yb-∑REE圖解Fig.6 La/Yb-∑REE discrimination diagram for sandstones from the Penglaizhen Formation in the middle part of west Sichuan depression(作圖方法據(jù)文獻(xiàn)[27])

圖7 川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組砂巖源區(qū)環(huán)境判別圖Fig.7 Discrimination diagram for sandstones from the Penglaizhen Formation in the middle part of west Sichuan depression(作圖方法據(jù)文獻(xiàn)[28])

早在1989年Floyd等[28]提出了一種判別不同構(gòu)造環(huán)境沉積物源的方法：Hf-La/Th圖解法。在Hf-La/Th圖中可見：川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組多數(shù)樣品落在混合長英質(zhì)或者基性巖源區(qū)內(nèi)，少量為安山弧源(圖7)。說明其最原始的物質(zhì)來源為上地殼，并且以長英質(zhì)巖石為主要成分，其中混雜著長石含量較高的中基性巖漿巖。龍門山的源區(qū)物質(zhì)含有較高的長英質(zhì)，這與前人研究結(jié)果相符，源區(qū)母質(zhì)可能來自于志留紀(jì)、泥盆紀(jì)和三疊紀(jì)的沉積巖和變質(zhì)巖[3]，而米倉山-大巴山地區(qū)的物質(zhì)主要以基性巖為主[22]。據(jù)分析可知，川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組的物源來自不同的地區(qū)，這與以上分析結(jié)果一致，也反映研究區(qū)的物源來自龍門山和米倉山-大巴山2個(gè)不同的物源區(qū)。

綜上所述，根據(jù)川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組稀土元素配分模式圖的特征，結(jié)合前人的研究結(jié)果，認(rèn)為龍門山地區(qū)和米倉山-大巴山是川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組的物源區(qū)；再結(jié)合La/Yb-∑REE和Hf-La/Th圖解進(jìn)一步證明川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組的物源來自龍門山地區(qū)和大巴山地區(qū)，并存在混源的情況。川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組的物源主要來自于再循環(huán)造山帶的沉積物(圖3)，還有部分來自于巖漿弧的基性巖(圖6、圖7)，存在混源的現(xiàn)象，這正是川西拗陷在形成過程中受到龍門山和米倉山-大巴山的構(gòu)造作用影響的結(jié)果。在早侏羅世-中侏羅世早期，由三疊紀(jì)時(shí)期形成的前陸盆地演變成了拗陷盆地[29]，此時(shí)龍門山地區(qū)對(duì)拗陷盆地的影響減弱，而北部及北東向的米倉山-大巴山對(duì)它的影響加劇，所以米倉山-大巴山對(duì)盆地的沉積物貢獻(xiàn)大于龍門山地區(qū)。中侏羅世后期，拗陷盆地進(jìn)一步發(fā)育，龍門山對(duì)它的作用也越來越大，此時(shí)龍門山被抬升遭受剝蝕，拗陷中沉積了大量來自龍門山地區(qū)的產(chǎn)物，而米倉山-大巴山對(duì)它的作用相對(duì)較弱。到了晚侏羅世，盆地拗陷的沉積中心又向米倉山-大巴山地區(qū)移動(dòng)，沉積了大量的來自米倉山-大巴山的產(chǎn)物。

5 結(jié) 論

a.川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組砂巖的物源區(qū)處于大陸島弧影響為主以及被動(dòng)大陸邊緣影響為輔的大陸島弧和海-陸關(guān)系的活動(dòng)大陸與被動(dòng)大陸邊緣碰撞造山帶。川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組砂巖的源區(qū)經(jīng)歷了從海相過渡到陸相沉積環(huán)境過程中多期次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成了成分復(fù)雜的源區(qū)。

b.川西拗陷中段蓬萊鎮(zhèn)組的物源主要來自于再循環(huán)造山帶的沉積物，有少量來自于巖漿弧的基性巖，也表明存在混源情況。其主要物源為龍門山地區(qū)，次為米倉山-大巴山地區(qū)。

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Provenance of depositional sources of the Penglaizhen Formation in west Sichuan depression: Evidence from geochemistry

ZOU Liming1, LIU Sibing1, ZHANG Wenkai1, ZHU Tong2

1.StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China;2.GeologicalExplorationandDevelopmentResearchInstitute,ChuanqingDrillingEngineeringCo.,Ltd.,CNPC,Chengdu610051,China

Geochemical tracer method, combined with the study of rock thin sections, trace elements and rare earth elements analysis, previous research results, et. al., is used to investigate provenance of Upper Jurassic Penglaizhen Formation in west Sichuan depression. It shows that the detrital components of sandstone are composed of mainly quartz, the rest are feldspar and other clasts. Geochemical analysis shows that the REE distribution pattern in the study area is basically similar with those in the earth’s continental crust. Light rare earth elements are enriched, and Eu negative anomaly is obvious. The structural setting of provenance transits from marine environment to continental sedimentary environment and to complicated provenance. It reveals that the provenance of Penglaizhen Formation sandstone in west Sichuan depression is from the Longmen Mountains, Daba Mountains-Micang Mountains. The provenance of Penglaizhen Formation in the middle north area of west Sichuan depression is mainly from Daba Mountains-Micang Mountains region, and the provenance of Penglaizhen Formation in the south of west Sichuan depression is from Longmen Mountains, while the provenance of Penglaizhen Formation in the central region is of mixed sources area.

west Sichuan depression; Penglaizhen Formation; provenance; trace elements; REE

10.3969/j.issn.1671-9727.2017.01.11

1671-9727(2017)01-0086-08

2016-03-07。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41172119)。

鄒黎明(1989-)，男，碩士研究生，研究方向：油氣藏地質(zhì)學(xué)與成藏地質(zhì)學(xué), E-mail:375346079@qq.com。

P588.21

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