裂变径迹热年代学在珠江口盆地渐新统珠海组物源分析中的应用*

张青林 张向涛 许长海 郑金云 贾兆扬

1 中海石油(中国)有限公司深圳分公司,广东深圳 5180542 中海石油深海开发有限公司,广东深圳 5180543 同济大学海洋地质国家重点实验室,上海 200092

1 概述

近年来,源-汇系统分析已逐渐成为沉积学领域关注的重要课题(徐长贵等,2017)。沉积物物源分析作为连接沉积盆地与物源区的纽带,在源-汇系统分析中有着非常重要的作用,有助于确定物源区位置与构造背景、重建古地理与沉积物搬运路径、恢复沉积盆地充填演化历史等(赵红格和刘池洋,2003；徐亚军等,2007；Smythetal., 2014；Wangetal., 2018；徐杰和姜在兴,2019)。

当前,南海北部珠江口盆地已成为中国重要的海上油气生产基地,连续25年实现油气产量超1000×104m3,连续6年产量超1500×104m3。下中新统珠江组和渐新统珠海组是珠江口盆地的主要油气产层,其物源分析是储集层综合评价的重要研究方向。

沉积物元素地球化学(邵磊等,2004,2007；庞雄等,2006；张向涛等,2012)和碎屑骨架组分分析(李云等,2011)均表明，南海北部渐新世与中新世存在物源突变事件。珠江口盆地主要沉积物源区由华南沿海花岗岩母岩区向华南古陆内部古老的沉积—变质岩区和青藏高原东麓扩展。珠江口盆地沉积物从渐新世以前主要以富砂为特征转变为中新世以来以泥为主的沉积堆积(邵磊等,2007)。珠江组整体相对富泥的沉积背景有利于其物源体系刻画,其平面分布特征研究比较深入(余烨等,2012；李云等,2013；焦鹏等,2018；邵磊等,2019)。由于沉积物元素地球化学和碎屑骨架组分分析等传统物源分析方法只能提供混合源组分,早期对珠海组物源只能笼统、定性地判定为华南沿海花岗岩母岩区。

随着实验技术的进步,碎屑矿物的同位素测年在沉积盆地物源分析中扮演着越来越重要的角色,尤以碎屑锆石U-Pb年代学方法应用最为广泛,从而促使沉积物物源分析开始从定性向半定量和定量化发展(徐杰和姜在兴,2019)。近年来随着碎屑锆石U-Pb年代学方法用于珠海组源区示踪分析(Shaoetal., 2016；Wangetal., 2018；邵磊等,2019),逐渐认识到珠海组物源的多样性以及不同构造区域不同物源体系贡献的差异性。Wang等(2018)对珠江口盆地珠海组(主要是珠海组上段)进行系统的碎屑锆石U-Pb年代学分析,发现盆地西部和东部碎屑沉积物的年龄组成显示出明显的物源差异(图 1)。盆地西部普遍具有较复杂的年龄谱,具有多峰分布特征,认为其主要物源来自华南地块南缘。相比之下,盆地东部主峰值年龄范围为131～142Ma,认为沉积物主要来自于盆内物源的近源侵蚀。Wang等(2018)对珠江口盆地东部珠海组物源区的认识是值得商榷的。碎屑锆石U-Pb年龄指向的是潜在源区结晶基底形成时期,而华南沿海与珠江口盆地基底广泛分布中生代花岗岩(Xuetal., 2016),仅凭碎屑锆石U-Pb年龄无法有效地区分华南沿海物源与盆内物源。另外,Wang等(2018)通过珠海组碎屑锆石U-Pb年龄和六大可能的周缘物源区碎屑锆石 U-Pb年龄进行对比,认为珠江口盆地珠海组还受来自于台湾物源的影响,白云凹陷LW3井区受到古珠江和台湾双物源的影响(图 1)。

图 1 珠江口盆地构造单元、地层格架、样品分布以及前人物源分析结果(据Wang et al., 2018)Fig.1 Structural unit,stratigraphic framework， samples distribution and provenance analysis of previous studiesin Pearl River Mouth Basin(after Wang et al., 2018)

本研究基于前人(Shaoetal., 2016；Wangetal., 2018)珠海组锆石U-Pb年代学分析结果,选取珠江口盆地不同构造区域3口关键井开展渐新统珠海组锆石裂变径迹(ZFT)、磷灰石裂变径迹(AFT)热年代学研究,进行源区示踪分析,进一步探讨珠海组不同物源体系在不同构造区域的相对影响。

2 裂变径迹分析

2.1 取样制样及测试方法

针对珠江口盆地渐新统珠海组上段3个中粗粒砂岩样品开展裂变径迹热年代学研究(图 1)。岩屑样品分别来自XJ28井、LW3井和LF7井。XJ28井位于珠江口盆地西部的西江凹陷,正对古珠江河口,代表典型的古珠江三角洲物源体系,取样深度3087～3185m；LW3井位于珠江口盆地西部的白云凹陷,代表古珠江三角洲远端的古珠江三角洲物源体系可能波及区,取样深度3183.75～3184.5m；LF7井位于珠江口盆地东部的陆丰凹陷,代表珠江口盆地东部可能不受古珠江三角洲物源体系影响区,取样深度2710～2734m。后文中XJ28、LW3、LF7分别指代样品。

表 1 珠江口盆地渐新统珠海组碎屑岩锆石和磷灰石裂变径迹年龄Table 1 ZFT and AFT data for zircon grains in clastic rocks from the Oligocene Zhuhai Formation in Pearl River Mouth Basin

2.2 裂变径迹年龄分析

图 2 珠江口盆地渐新统珠海组碎屑岩锆石和磷灰石裂变径迹年龄组分分析Fig.2 Age component analysis of ZFT and AFT for zircon grains in clastic rocks from the Oligocene Zhuhai Formation in Pearl River Mouth Basin

样品XJ28具有3个ZFT年龄组分,分别为： 74.8±5.8Ma占比29.0%；131±11Ma占比57.0%，是主要年龄组分,代表主物源区的冷却年龄；219±47Ma占比14.0%。样品LW3同样具有3个ZFT年龄组分,分别为： 58.9±8.8Ma占比21.6%；93.8±10.7Ma占比56.8%，是主要年龄组分；223.1±8.5Ma占比21.6%。样品LF7只有2个年龄组分,分别为： 63.6±13.1Ma占比68.5%，是主要年龄组分；100.5±13.1Ma占比31.5%。总体上来看,样品XJ28、LW3的ZFT年龄组分相似,均包含古新世、白垩纪及晚三叠世3个年龄组分,且主要年龄组分均为白垩纪。而样品LF7的ZFT年龄组分总体上偏年轻,只含有古新世、白垩纪2个年龄组分,且主要年龄组分为古新世。

样品XJ28的AFT年龄包含2个年龄组分,分别为： 28.3±14.5Ma占比59%，是最年轻的年龄组分且与地层年龄相近,是主要年龄组分；64.3±16.5Ma占比41%，是相对次要年龄组分。样品LW3的AFT年龄包含3个年龄组分,分别为： 28.2±9.8Ma占比26.9%，最年轻的年龄组分与样品XJ28十分接近；58.1±15.3Ma占比57.0%，是主要年龄组分；92.2±14.6Ma占比仅16.1%。样品LF7的AFT年龄2个年龄组分几乎各占一半,分别为： 28.3±15.3Ma占比46.5%，最年轻的年龄组分与样品XJ28、LW3相似,但占比却比另2个样品高许多；58.3±15.3Ma占比53.5%，是主要年龄组分。总体上来看,XJ28、LW3井AFT年龄组分也比较相似,主要年龄组分均为古新世,但LW3井多了晚白垩世的AFT年龄组分；LF7井AFT年龄组分也总体偏年轻,古新世、渐新世2个年龄组分几乎各占一半。

3 讨论

3.1 潜在物源裂变径迹年龄特征

3.2 珠海组物源分析

3口井珠海组上段砂岩样品ZFT、AFT均存在2～3个年龄组分,其可能处于盆内多个物源水系的交会处,也有可能是盆外不同物源水系汇成1个大的物源体系,比如古珠江物源体系。通过盆地内钻井有物源意义的ZFT、AFT年龄组分分别与潜在物源现今剥露的ZFT、AFT年龄进行对比分析,可以示踪物源。但值得注意的是,珠海组是23.0Ma之前剥蚀的源区物质,只有现今裂变径迹年龄小于或等于钻井珠海组对应的FT年龄组分的地区,才有可能是钻井珠海组的潜在物源区。

XJ28井正对古珠江河口,且远离盆地内的中部隆起区,其代表典型的古珠江物源体系(邵磊等,2019)。XJ28井ZFT、AFT主要年龄组分(131±11Ma、64.3± Ma)可与华南地块广东省中部(Yanetal., 2009)、香港地区(Tangetal., 2014)中生代花岗岩、火山岩的裂变径迹年龄很好对比；XJ28井少量的晚三叠世ZFT、白垩纪AFT年龄组分,代表再旋回且未完全退火的碎屑颗粒的峰值年龄记录,与Tsang(2010)在珠江流域清远、云浮等地测得中生界沉积岩的裂变径迹年龄特征非常相似。

LW3井样品的次要年龄组分——晚三叠世ZFT年龄组分的物源特征与XJ28井类似。LW3井ZFT、AFT主要年龄组分93.8±10.7Ma、58.1±15.3Ma,总体上比珠江口盆地内部隆起区基底的中生代花岗岩ZFT(97.9～131.7Ma)、AFT(61.9～79.7Ma)年龄偏小(图 3),但还是存在少量的年龄重叠区间,所以不排除少量盆地内部隆起区基底(番禺低隆起)的中生代花岗岩的贡献。从沉积学分析来看,白云凹陷珠海组发育6个三级层序,在每个三级层序下降体系域相对海平面下降时期,在白云凹陷的南侧发育陆架边缘三角洲,由于发生河流下切作用,此时番禺低隆起是可以作为物源区的(张忠涛等,2019)。而珠江流域东岸的香港、深圳南头、东莞、广州以及西岸的珠海等地发育大量的小于或接近93.8±10.7Ma的ZFT年龄(图 3)。因此LW3井主要年龄组分主要来自华南地块中生代花岗岩,但不排除少量盆地内部隆起区基底的中生代花岗岩的贡献,推断LW3井与XJ28井一样主要来自于古珠江物源体系。Tang等(2020)获得白云凹陷西部PY3井珠海组上段的ZFT主要年龄组分为143Ma,也与XJ28井接近。

4 结论

本研究基于前人珠江口盆地渐新统珠海组锆石U-Pb年代学分析结果,采用锆石裂变径迹(ZFT)、磷灰石裂变径迹(AFT)定年方法对珠海组上段沉积物物源进行了约束。研究结果不仅揭示出珠江口盆地东部物源与西部古珠江物源的差异性,而且对东部物源的具体构造位置进行了限定,取得了不错的应用效果。

珠江口盆地西部西江凹陷XJ28井与白云凹陷LW3井ZFT、AFT年龄组分相似,均由古珠江水系供源,其物源以珠江流域中生代花岗岩为主,还包括华南地块腹地的中生代沉积盆地；LF7井ZFT、AFT年龄组分明显比前2口井偏年轻,物源主要为陆丰凹陷北侧的沿海中生代花岗岩,物源组成相对简单,沉积物搬运距离相对较短。