吐哈盆地鄯善弧形带三间房组二段重矿物物源分析

时间：2024-06-19

张景琦，韩小锋，杨占龙

（1.中国石油大学（北京）地球科学学院，北京102249；2.中国石油勘探开发研究院西北分院，兰州730020；3.中国地质调查局西安地质调查中心，西安710054）

张景琦1，2，韩小锋3，杨占龙2

利用重矿物的相关性分析、因子分析、Q型聚类分析、稳定系数分析、平面组合特征分析以及古地貌地形分析等，对吐哈盆地鄯善弧形带三间房组二段的重矿物组分进行了统计研究，认为该区母岩类型主要为沉积岩和变质岩，分别对应南部塔克泉凸起主要物源区和东南部了墩隆起次要物源区，其中塔克泉凸起物源区主要控制弧形带丘陵地区辫状河三角洲扇体展布形态，了墩隆起物源区主要控制温吉桑地区辫状河三角洲扇体展布形态，丘陵东部地区则为两大物源交汇区。

重矿物；物源分析；鄯善弧形带；吐哈盆地

0 引言

吐哈盆地位于哈萨克斯坦板块东南端，东北侧为西伯利亚板块，南侧为塔里木—中朝板块。鄯善弧形带位于吐哈盆地台北凹陷中央，面积约2000km2［1］。自20世纪80年代末，吐哈油田在鄯善弧形带先后钻井1 200余口，分析测试了大量岩心重矿物数据，为重矿物特征分析及精细物源确定打下了坚实的资料基础［2］。鄯善弧形带三间房组二段主要发育辫状河三角洲沉积体系，单砂层厚度较大，是一套良好的储层，确定其物源方向，有利于查明主力砂体的展布特征，对该区岩性油气藏进一步勘探具有重要意义。前人研究认为该区砂体主要受弧形带南部单一物源的影响［3］。同时，前人在进行物源分析时，主要以地层组为单位，针对全盆地进行分析，但由于前期平面钻井分布相对较少，重矿物分析手段单一（仅使用了重矿物平面组合特征分析一种方法），故早期的研究成果内容偏宏观，不能满足该区精细勘探的需求。鉴于此，笔者采用目前国内外主要的重矿物分析手段，包括重矿物相关性分析、因子分析、Q型聚类分析、稳定系数分析和平面组合特征分析等［4］，对研究区重矿物组分作更为细致的统计研究，进一步明确弧形带物源区分布及影响范围，以查明研究区沉积体系的平面展布特征。

1 区域地质背景

吐哈盆地受控于哈萨克斯坦板块和塔里木板块的离散、汇聚与拼接，同时受到西伯利亚板块和青藏高原的影响，盆地北部山前带的发展经历了多期、多阶段构造运动的叠加和改造。鄯善弧形带由一组多期活动的逆冲断裂叠加复合而形成，断裂对其形成演化具有重要的控制作用［5］（图1）。

图1 鄯善弧形带构造位置Fig.1 Structural location of Shanshan arcuate belt

鄯善弧形带主要发育侏罗系、白垩系、古近系和新近系地层，其中侏罗系为主要含油层系，自下而上依次包括西山窑组、三间房组和七克台组，三间房组是目前最重要的勘探目的层系。结合地震、测井、岩心及露头资料，对弧形带进行了四级层序地层划分与对比，将三间房组划分为5个层段。

通过沉积微相等分析发现，三间房组一段至五段具有一定的继承性，但是在不同层序发育期，由于局部构造活动及物源供给的影响，弧形带砂体展布特征有一定程度的变化，因此对弧形带三间房组分层段进行物源分析及砂体展布特征研究就显得十分必要。通过层序划分和对比及沉积微相研究，发现研究区区域性盖层对油气聚集控制作用明显。三间房组二段发育辫状河三角洲沉积体系，单砂层厚度大，底部发育一套优质的泥质烃源层，靠近生烃中心，同时受到三间房组一段底部泥岩段区域性盖层的影响，储集层物性较其他层段好，是三间房组主要的含油气层系。

2 岩石学特征

2.1 轻矿物类型及含量分布

轻矿物是指碎屑岩中密度小于2.86 g/cm3的陆源碎屑矿物，主要包括石英、长石、方解石及沸石等，约占陆源碎屑的99.5%～99.9%［6］。对鄯善弧形带三间房组砂体的30余口典型井进行了薄片观察和分析，并制作了三端元图（图2）。图2反映出弧形带三间房组二段砂岩轻矿物组成大致相同，岩屑体积分数为30%～40%，石英体积分数小于30%，砂岩主要为长石岩屑砂岩，含少量岩屑砂岩，砂岩矿物成熟度中等，表现为辫状河三角洲沉积体系的砂岩特征。

图2 鄯善弧形带三间房组二段轻矿物三端元图Fig.2 Three-end-number diagram of light minerals of the second member of Sanjianfang Formation in Shanshan arcuate belt

2.2 重矿物类型及含量分布

重矿物是指碎屑岩中密度大于2.86 g/cm3的陆源碎屑矿物。碎屑沉积物中重矿物的总体特征可反映母岩的性质、水体的动力条件和重矿物的搬运距离。重矿物按其化学特征和抗风化能力分为稳定矿物和不稳定矿物［7］。

本次研究共分析了鄯善弧形带36口井的339个样品，单井样品在区内分布均匀，可以满足目前勘探研究的需求。使用实验室分析法，包括重液分离、磁选和镜下鉴定［8］，对研究区重矿物进行分析，共鉴定出重矿物21种，其中稳定矿物有金红石、锆石、电气石、石榴石及十字石等，不稳定矿物有绿帘石、角闪石及透闪石等。研究区主要重矿物为白钛矿、绿帘石、锆石和赤铁矿，次要重矿物为石榴石和榍石（表1）。

表1 鄯善弧形带三间房组二段部分重矿物统计Table1 The statistics of heavy minerals of the second member of Sanjianfang Formation in Shanshan arcuate belt %

对研究区重矿物数据的统计分析表明，三间房组二段的重矿物大多不符合正态分布规律，其频数分布直方图上主要表现为偏峰特征（图3），而受单一物源影响的沉积体系一般均表现出正态分布的特点，这说明该区重矿物成因较复杂，区内沉积物可能受到多物源或不同类型母岩的影响［9］。

图3 鄯善弧形带三间房组二段重矿物频数分布直方图Fig.3 The heavy mineral histogram of the second member of Sanjianfang Formation in Shanshan arcuate belt

3 物源分析

矿物之间存在着严格的共生关系，所以重矿物组合是物源变化极为敏感的指示剂［10］。在同一沉积盆地中，同时期沉积物的碎屑组分一致，而不同时期沉积物所含碎屑物质不同。据此，利用不同时期水平方向上重矿物种类和含量的变化，可推测沉积物来源的方向。

3.1 重矿物相关性分析

相关性分析是研究一组变量与另一组变量之间相关关系的一种统计方法［11］，其研究思路与主成分分析的思路相似，即在2组变量中分别选取若干具有代表性的变量组成典型的综合指标，通过研究这2组综合指标之间的相关系数来代替2组变量间相关关系的研究。这些综合指标称为典型变量，是通过对原来的2组变量进行适当线性变换所获得的。

相关系数一般用r表示，计算公式为

式中：n为样本量；Xi和Yi为2个变量的观测值；X和Y为2个变量的均值。r的取值在-1与+1之间，当2组变量间的变化方向一致时，r大于0；当2组变量间的变化方向相反时，r小于0。在重矿物相关性分析过程中，相关系数小于0则无法反映重矿物之间的直接亲疏关系，故仅对相关系数大于0的情况进行分析。当相关系数小于0.3时，认为不相关；当相关系数为0.3～0.5时，为低度相关；当相关系数为0.5～0.8时，为中度相关；当相关系数大于0.8时，则为高度相关。

在地质领域中，相关性分析方法的应用非常广泛。不同物质来源的重矿物组合有着不同的数据结构，每个样品所包含的重矿物信息具有一定差异。对重矿物样品进行相关性分析，可以得出各种矿物直接的亲疏关系，并据此推断母岩类型［12］。对大量重矿物数据的分析（表2）表明，研究区主要存在2类重矿物组合。

表2 鄯善弧形带三间房组二段重矿物相关系数表Table2 The correlation coefficient of heavy minerals of the second member of Sanjianfang Formation in Shanshan arcuate belt

3.1.1 锆石、石榴石和白钛矿矿物组合

相关系数分析（参见表2）显示，锆石与石榴石和白钛矿呈正相关性，而与其他重矿物呈极低正相关性或负相关性，所以将锆石、石榴石和白钛矿组合为一类。该类型为稳定重矿物组合，反映母岩类型为沉积岩［13］。鄯善弧形带南部的塔克泉凸起紧邻弧形带，长期继承性发育，岩石类型以沉积岩为主，是相对稳定的物源供给区。结合吐哈盆地受短距离物源影响较大的特点［14］，推测该重矿物组合的母岩来源于弧形带南部塔克泉凸起。

3.1.2 绿帘石、榍石矿物组合

相关系数分析显示绿帘石与榍石相关性最好（相关系数为0.457），而与其他重矿物均呈负相关性，由此可判断该重矿物组合来源于同一母岩，母岩类型为动热变质岩。鄯善弧形带东南部了墩隆起紧邻弧形带，形成时间较早，发育历史长，其形成有深层地质背景，主要发育变质岩和岩浆岩［15］，推测该重矿物组合的母岩区为鄯善弧形带东南部了墩隆起。

研究区内锆石与绿帘石、榍石都表现为较高的负相关性，进而证明上述2类重矿物组合来源于不同的母岩或物源区。

3.2 重矿物因子分析

因子分析是通过对地质观测数据的分析来建立一个成因系统，其最常用的理论模型如下：

式中：Zj为第j个变量的标准化分数；Fj为共同因素；m为所有变量共同因素的数目；Uj为变量Zj的唯一因素；aji为因素负荷量；n为原始变量总数。

因子分析在地质研究中的作用主要表现为2个方面：①可以用最简练的形式描述地质对象，即对观测到的大量地质现象进行综合归纳，将原始地质观测中为数众多的变量减少为几个新变量，以再现它们之间的内在联系；②可以探索各种地质现象之间的成因联系。在重矿物物源分析过程中，因子分析的主要目的是降维提取公因子，对各个公因子进行成因解释并确定主次关系，从而确定出主次物源［16］。选取研究区主要重矿物白钛矿、绿帘石、锆石、赤铁矿和次要重矿物石榴石、榍石作为因子分析的6个变量，这6种重矿物占整个地区重矿物的95.37%，能够充分代表区内重矿物特征。表3给出了6种重矿物因子分析的结果。从表3可以看出，第一个公因子的累计特征值百分比（因子特征值占总特征值总和的百分比）为46.329%，第二个公因子的累计特征值百分比则为72.239%，这说明F1和F2能够提供原数据中的大部分信息，是控制鄯善弧形带地区三间房组二段的主要因子，能够反映弧形带三间房组二段的主要物源。

表3 鄯善弧形带三间房组二段重矿物因子分析数据表Table3 The factor analysis of heavy minerals of the second member of Sanjianfang Formation in Shanshan arcuate belt

从表3可以看出，锆石、石榴石和白钛矿对第一公因子F1有较高正载荷（分别为0.822，0.834和0.581），其余重矿物均显示出较低负载荷。因子载荷作为因子模型分析中的重要统计量，表明了原始变量和共同因子之间的相关关系，载荷量为0.3或更大被认为有意义［17］。结合相关性分析结果可知，F1公因子代表锆石、石榴石和白钛矿组合，反映了弧形带南部塔克泉凸起物源；同理，绿帘石和榍石对第二公因子F2有较高正载荷（分别为0.683和0.688），反映了弧形带东南部了墩隆起物源。

方差贡献率反映了因子对原有变量总方差的解释能力，该值越高，说明相应因子的重要性越高。由表3可知，前2个公因子F1和F2对总方差的单个方差贡献率（特征值）表现为F1>F2（46.329%> 25.910%），反映两大物源对鄯善弧形带三间房组二段的影响程度不同。南部塔克泉凸起是研究区的主要物源区，影响范围较大，而东南部了墩隆起则是研究区的次要物源区，影响范围相对较小。

3.3 重矿物Q型聚类分析

相关性分析和因子分析得出的有关结论反映了各个物源的综合特性，而聚类分析则是对不同单井进行比较，确定各井之间的亲疏性并归类分群。聚类分析分为Q型聚类分析和R型聚类分析，其中Q型聚类分析是对样本进行分类处理，而R型聚类分析是对变量进行分类处理。由于Q型聚类分析的分类结果更为直观，其聚类谱系图能更明确、清楚地表达其数值分类结果，故本次研究选择Q型聚类分析［18］。研究区重矿物Q型聚类分析采用的聚类方法是组间联接法，度量区间为欧式平方距离。通过对研究区6口单井的重矿物数据进行分析，得到了聚类谱系图（图4）。

图4 鄯善弧形带三间房组二段重矿物Q型聚类谱系图Fig.4 Q type cluster hierarchical diagram of the second member of Sanjianfang Formation in Shanshan arcuate belt

从图4可以看出，各单井之间均具有一定的亲缘性，只是远近不同，这也从侧面反映出南部和东南部两大物源在弧形带丘陵地区东部发生了交汇。根据相似性，将6口单井归为2类：Ⅰ类包括鄯16-51井、温5井和米1井，对应绿帘石和榍石组合（2种重矿物平均质量分数分别为46.4%和2.01%），主要受弧形带东南部了墩隆起物源影响；Ⅱ类包括陵7井、陵南1井和温南4井，属于锆石、石榴石和白钛矿组合（3种重矿物平均质量分数分别为23.6%，7.9%和28.3%），主要受弧形带南部塔克泉凸起物源影响。

3.4 重矿物稳定系数分析

在研究中，通常依据ZTR指数和稳定系数来判别重矿物物源方向［19］。ZTR指数是由锆石、电气石和金红石组成的透明矿物组合百分含量。稳定系数是重矿物中稳定组分与不稳定组分的含量比值，其值越大，重矿物成熟度越高，离物源区域越远［20］。由于研究区金红石（0.1%）和电气石（1.1%）均极少，所以采用稳定系数法来判别物源方向。根据各单井稳定系数值绘制出平面等值线图（图5）。由图5可知，物源主要从研究区东南部和南部向西北部推进。

图5 鄯善弧形带三间房组二段重矿物稳定系数等值线及物源-沉积微相匹配图Fig.5 The provenance-sedimentary microfacies and stability coefficient contour of heavy minerals of the second member of Sanjianfang Formation in Shanshan arcuate belt

3.5 重矿物平面组合特征分析

图6 鄯善弧形带三间房组二段重矿物组合平面分布Fig.6 The horizontal distribution of heavy minerals assemblage of the second member of Sanjianfang Formation in Shanshan arcuate belt

根据各个单井主要和次要重矿物含量统计，绘制出三间房组二段重矿物组合平面分布图（图6）。图6中所示的重矿物分布特征与之前的相关性分析、因子分析、聚类分析和稳定系数分析的结论相吻合。从图6可以看出，鄯善弧形带三间房组二段沉积时期主要受两大物源影响，母岩分别为沉积岩和动热变质岩，对应物源区分别为弧形带南部塔克泉凸起物源区和弧形带东南部了墩隆起物源区。南部塔克泉凸起物源区沉积体系的重矿物组合为锆石、石榴石和白钛矿矿物组合，由南向北锆石、石榴石和白钛矿含量逐渐增多，磁铁矿和赤铁矿含量逐渐减少，在物源交汇区存在一定含量的绿帘石矿物；东南部了墩隆起物源区沉积体系的重矿物组合为绿帘石和榍石矿物组合，由东南向西北绿帘石和榍石含量逐渐增多，其他矿物成分逐渐减少。

3.6 古地貌地形分析

通过分析弧形带三间房组古构造图（图7），发现鄯善南部及温西地区存在古地形局部高点，具备分割南部物源与东南部物源的古地形条件。这也从另一方面证实了本次研究结果的可靠性。

图7 鄯善弧形带三间房组古构造图Fig.7 The paleotectonic map of Sanjianfang Formation in Shanshan arcuate belt

4 弧形带物源-沉积微相分布特征

利用多种重矿物物源分析方法，结合岩心、砂体展布及地震剖面等物源分析资料，最终明确了鄯善弧形带物源-沉积微相分布特征（参见图5）。结果表明：南部塔克泉凸起作为主要物源控制了弧形带丘陵地区辫状河三角洲扇体的展布形态，了墩隆起作为次要物源影响了弧形带温吉桑地区辫状河三角洲主要扇体的展布形态。丘陵东部地区受到两大物源共同影响，显示出重矿物物源交汇特征。

5 结论

（1）使用实验室重矿物分离分析法，在鄯善弧形带共鉴定出重矿物21种，其中稳定矿物有金红石、锆石、电气石、石榴石及十字石等，不稳定矿物有绿帘石、角闪石及透闪石等。

（2）通过重矿物相关性分析、因子分析、Q型聚类分析、稳定系数分析、平面组合特征分析以及古地貌地形分析，认为吐哈盆地鄯善弧形带地区三间房组二段沉积时期受多种物源影响，母岩类型多样，主要为沉积岩和动热变质岩，分别对应弧形带南部塔克泉凸起物源区和弧形带东南部了墩隆起物源区。南部塔克泉凸起物源区影响相对较强，主要控制弧形带丘陵地区辫状河三角洲扇体展布；东南部了墩隆起物源区影响相对较弱，主要控制弧形带温吉桑地区辫状河三角洲扇体展布。丘陵东部地区处于南部和东南部两大物源交汇区。

［1］程裕淇.中国区域地质概论［M］.北京：地质出版社，1994：1-10.

［2］李文厚.吐-哈盆地台北凹陷侏罗系层序地层学研究［J］.石油与天然气地质，1997，18（3）：210-215.

［3］郑登桥，春兰.鄯善弧形带油气分布特征及滚动勘探开发潜力分析［J］.吐哈油气，2002，7（3）：225-228.

［4］李祯祥.少井地区沉积体系研究［J］.岩性油气藏，2008，20（4）：38-42.

［5］李在光，陈启林，吕锡敏，等.吐哈盆地北部山前带石油地质条件及勘探方向［J］.岩性油气藏，2009，21（3）：29-34.

［6］张代生，李成明.吐哈盆地台北凹陷沉积体系变迁对油气分布的控制［J］.石油与天然气地质，2000，21（1）：71-75.

［7］柳广弟.石油地质学［M］.北京：石油工业出版社，2009：45-48.

［8］石雪峰，杜海峰.姬塬地区长3—长4+5油层组沉积相研究［J］.岩性油气藏，2008，20（1）：59-63.

［9］赵红格，刘池阳.物源分析方法及研究进展［J］.沉积学报，2003，21（3）：409-415.

［10］李珍，焦养泉，刘春华，等.黄骅坳陷高柳地区重矿物物源分析［J］.石油勘探与开发，1998，25（6）：5-7.

［11］赵文智，何登发，李小地，等.石油地质综合研究导论［M］.北京：石油工业出版社，1999：64-78.

［12］万延周，周立发，白斌，等.准噶尔盆地南源水西沟群物源分析［J］.岩性油气藏，2009，21（2）：35-41.

［13］何钟铧，刘招君，张峰.重矿物在盆地分析中的应用研究进展［J］.地质科技情报，2001，20（4）：29-32.

［14］李志奎，黄福喜，张云杰，等.剥蚀厚度恢复法在鄯善弧形带中的应用［J］.吐哈油气，2004，9（2）：130-134.

［15］吴涛，张世焕，王武和.吐鲁番—哈密成煤盆地构造特征与油气聚集［J］.石油学报，1996，17（3）：12-17.

［16］赵鹏大，胡旺亮，李紫金.矿床统计预测［M］.北京：地质出版社，1983：223-225.

［17］梁布兴，潘钟祥.石油地质学原理［M］.北京：地质出版社，1959：113-115.

［18］武法东，陆永潮，阮小燕，等.重矿物聚类分析在物源分析及地层对比中的应用——以东海陆架盆地西湖凹陷平湖地区为例［J］.现代地质，1996，10（3）：397-402.

［19］刘岫峰.沉积岩实验室研究方法［M］.北京：地质出版社，1991：48-56.

［20］汪新文，林建平，程捷.地球科学概论［M］.北京：地质出版社，1999：58-61.

（本文编辑：于惠宇）

Provenance analysis of heavy minerals of the second member of Sanjianfang Formation in Shanshan arcuate belt,Tuha Basin

ZHANG Jingqi1，2，HAN Xiaofeng3，YANG Zhanlong2
（1.College of Geosciences，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；2.PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration&Development-Northwest，Lanzhou 730020，China；3.Xi’an Center of Geological Survey，China Geological Survey，Xi’an 710054，China）

Based on the analyses of correlation,factor,Q type cluster,stability coefficient,plane assemblage features and paleogeomorphology,this paper studied the heavy mineral components of the second member of Sanjianfang Formation in Shanshan arcuate belt.The result shows that the source rock types are mainly sedimentary rock and metamorphic rock,which respectively responds to the primary provenance in Takequan uplift in the north and the secondary provenance in Liaodun uplift in the southeast.The provenance in Takequan uplift controls the sedimentation of braided delta fan in hill country,and the provenance in Liaodun uplift controls the sedimentation of braided delta fan in Wenjisang area.The eastern hill country is the intersection of Takequan uplift provenance and Liaodun uplift provenance.

heavymineral；provenance analysis；Shanshan arcuate belt；Tuha Basin

TE122.2

1673-8926（2014）06-0034-06

2014-06-12；

2014-08-11

国家油气重大专项“岩性地层油气藏成藏规律、关键技术及目标评价”（编号：2011ZX05001）资助

张景琦（1989-），男，中国石油大学（北京）在读硕士研究生，研究方向为层序地层和沉积相。地址：（730020）甘肃省兰州市城关区雁儿湾路535号。E-mail：zhaol19899sdo@163.com。