琼东南盆地新近系重矿物分布特征及其物源指示意义

曹立成¹，姜涛¹，王振峰²，张道军²，孙辉¹

(1. 中国地质大学(武汉) 构造与油气资源教育部重点实验室，湖北 武汉，430074；

2. 中海石油(中国)有限公司 湛江分公司，广东 湛江，524057)

摘要：采用回归分析、主成分分析、ZTR指数和Q型聚类分析对琼东南盆地新近系的重矿物资料进行研究。研究结果表明：水动力条件对重矿物分布影响较小，而且琼东南盆地新近纪构造活动微弱，因此，重矿物的分布特征主要受物源控制；三亚组和梅山组沉积时期的物源供给特征基本一致，主要为海南岛物源，并受到松南—宝岛凹陷一带的局部基性火山活动影响；黄流组沉积时期，海南岛物源供给增强，同时，乐东凹陷受到红河物源的影响；莺歌海组沉积时期，盆地的物源供给体系变得更加复杂，局部的火山作用消失，盆地北部仍以海南岛物源为主，而西部的崖南凹陷和乐东凹陷分别受到莺西物源和红河物源的影响，其母岩类型均为高级变质岩类。

关键词：琼东南盆地；新近系；重矿物；物源

中图分类号：P736             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)05-1971-11

Characteristics of heavy minerals and their implications for Neogene provenances evolution in Qiongdongnan Basin

CAO Licheng¹, JIANG Tao¹, WANG Zhenfeng², ZHANG Daojun², SUN Hui¹

(1. Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources, Ministry of Education, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;

2. Zhanjiang Branch of China National Offshore Oil Corporation, Zhanjiang 524057, China)

Abstract: Regression analysis, principal component analysis, ZTR index and Q-type cluster analysis were carried out for heavy minerals components acquired from the Neogene strata in Qiongdongnan Basin. The results indicate that hydrodynamic conditions have little impact on the distribution of heavy minerals. Combined with weak tectonic activities in Neogene, provenance should be the primary factor influencing components and distribution of heavy minerals. In Sanya Fm and Meishan Fm, sediment supplies are generally similar, which include Hainan Provenance and partial basic volcanic activities from Songnan and Baodao depressions. In Huangliu Fm, the contribution of Hainan provenance increases, meanwhile, sediments from Red River provenance sink in Ledong depression. When it comes to Yinggehai Fm, sediment supplies tend to be more complex. Hainan provenance still dominates the northern continental shelf, whereas partial volcanism disappears, Yanan depression and Ledong depression are respectively affected by western-Yinggehai provenance and Red River provenance, and both of their source rocks are high-grade metamorphic.

Key words: Qiongdongnan Basin; Neogene; heavy minerals; provenance

物源分析是盆地分析的重要内容，用于确定物源区位置、母岩性质、搬运途径及演化过程等，对原盆地恢复、古地理再造、绘制沉积体系图，进行井下地层对比以及在评价储层的品质等方面具有重要意义。近年来，在传统物源分析方法的基础上，电子探针、质谱分析和阴极发光等先进技术以及数理统计方法使物源判别更加精确^[1-3]。随着南海油气勘探的不断深入，位于南海西北陆缘的琼东南盆地成为极具潜力的勘探区域^[4-5]。关于琼东南盆地的物源演化特征，前人的研究工作主要基于井震结合分析以及沉积物元素地球化学分析等方面^[6-8]，但少有研究从矿物的角度对该区域进行物源判别。本研究采用多元统计等方法进行重矿物分析，通过重矿物的分布特征及指示参数，探讨琼东南盆地新近系的物源演化特征。

1  区域地质概况

琼东南盆地位于海南岛东南、西沙群岛以北的海域中，该盆地以1号断层与莺歌海盆地分界，东以神狐暗沙隆起与珠三凹陷相接，南界永乐隆起(图1)。盆地总面积达3.4×10⁴ km²，最大沉积厚度12 km以上，总体上呈北东向延伸，是1个坐落在前古近系基底上发育起来的新生代陆缘拉张型含油气盆地^[9]。构造位置上，琼东南盆地位于华南板块、印支板块和太平洋板块的交汇处，形成了盆地“东西分块”、“南北分带”的主体构造格局^[10]。

自新生代盆地形成以来，以不整合面T60为界，盆地主要经历了裂陷期和裂后期2个构造演化阶段，具有典型的“下断上拗”双层结构^[11]。其中裂后期包括新近系的三亚组、梅山组、黄流组、莺歌海组及上覆的第四系(图2)。

根据琼东南盆地所处的地理位置判断，其可能的物源区包括盆地西北部的海南岛、东北部的神狐隆起、西部的莺西物源和红河物源、南部隆起以及局部的火山作用等。根据前人研究成果^[12-18]，海南岛东南部母岩以花岗岩为主，强烈的风化作用产生钛铁矿-锆石型重矿物组合，以锆石、电气石、白钛矿及黄铁矿为主，次为磁铁矿、榍石、独居石和红柱石等；盆地西部的莺西物源和红河物源，母岩中沉积岩分布较广，但以高级变质岩为主，推测重矿物组合应以高含量磁铁矿、石榴石及低含量锆石为主要特征；神狐隆起及南部隆起区由于缺乏钻井，长期以来关于其沉积环境和物源等方面的认识有限；而火山作用自新生代以来在南海北部十分活跃，岩性以基性岩为主，少数为超基性岩或中酸性岩。

图1  琼东南盆地区域构造及井位分布

Fig.1  Geological map of Qiongdongnan Basin and locations of wells

图2  琼东南盆地新近系地层特征

Fig.2  Neogene strata of Qiongdongnan Basin

2  重矿物特征

重矿物是指密度大于2.68 g/cm³，在沉积岩中的质量分数常常小于1%，颗粒粒度比较小，化学性质稳定，抗风化能力较强的矿物。由于对源区母岩的较好限定，重矿物分析被广泛应用在物源判别中^[19-21]。虽然重矿物除了受母岩性质控制以外，还受到风化作用、水动力作用及后期成岩作用等的影响，但是通过多元统计、特征参数等多种判别方法相结合，仍能较好地反映物源区的特征^[22-26]。

关于南海西北部的重矿物分布特征，前人进行了一些研究。陈丽蓉等^{[12, 27-28]}系统研究了南海北部及西部表层沉积物的重矿物分布特征；姜涛^[14]根据莺歌海盆地的重矿物分布特征判别了周围物源区对低位扇体的供给影响；白振华等^[29]以重矿物分析为基础对琼东南盆地YC13-1井的物源特征进行研究；操应长等^[30]采用数学统计方法探讨了北部湾盆地涠西南凹陷的重矿物资料对物源的指示意义。

本研究中统计了26口井的重矿物样品分析数据，总共402个样品，涉及三亚组、梅山组、黄流组和莺歌海组层位，各井位的分布如图1所示。通过重矿物代表值法^[31]，即用某井位同一层位的全部样品分析结果中的各重矿物质量分数的算术平均值来代表该时期井位的重矿物组合类型和含量。为了保证统计的准确性，尽量使用岩心资料，绝大多数代表值的求取都使用至少3个以上的样品数，能够较可靠地反映重矿物总体特征。三亚组至莺歌海组的重矿物总体可识别出39种，其质量分数变化较大。一般来看，颗粒质量分数大于10%(平均值)的矿物有锆石、磁铁矿、赤褐铁矿、白钛矿和黄铁矿；颗粒质量分数(平均值)在5%~10%间的矿物有电气石、重晶石或局部富集的帘石类。石榴石、金红石和锐钛矿普遍出现在各时期井位中，但是质量分数较低；质量分数极小或只在个别时期的井位出现的矿物有十字石、榍石、板钛矿、辉石、红柱石、磷灰石和独居石等。

表1  中值粒径与主要重矿物的回归分析结果

Table 1  Results of regression analysis between median grain size and key heavy minerals

2.1 水动力条件分析

沉积物的粒度分析在判别水动力条件方面有重要作用，通过研究沉积物粒度与重矿物质量分数的关系可以表征水动力条件是否对重矿物的分布产生重要影响^[32-33]。对中值粒径(d_m)和主要重矿物进行的回归分析表明(表1)：三亚组地层中，锆石、磁铁矿、白钛矿、金红石和锐钛矿的相关系数|r|＜r_α，其中只与磁铁矿为正相关关系，其余4种为负相关，d_m对重矿物变化的影响范围为0~38%；梅山组至黄流组地层中，d_m与各重矿物的相关系数r均小于r_α，并且对重矿物影响较小，分别为0~23%和0~10%；莺歌海组地层中，样品主要集中于D2井，d_m与各重矿物之间的相关性均较差，r²变化范围为0~34%。综上可知：水动力条件不是重矿物的主要影响因素，同时，新近纪琼东南盆地处于裂后期阶段，构造活动减弱，除局部微弱断层活动外以热沉降和加速沉降为主^[34]，因此，重矿物能较好地反映出物源特征。

2.2 重矿物主成分分析

各种类型的母岩所含矿物组分不同，经剥蚀之后的风化产物具有不同的重矿物组合，因此，根据重矿物的组合特征能有效地反映出母岩类型^{[19-20, 35-37]}，各种母岩类型的矿物组合特征见表2。为了提取不同时期重矿物主要的物源受控因素，对琼东南盆地新近系的重矿物数据进行了主成分分析，每种组分中各种重矿物有不同的方差贡献，依据重矿物与主成分的相关程度可获得不同的重矿物组合特征，进而判别出对应的母岩性质。解释方差大于9%的因子如表3所示，由三亚组至莺歌海组，4种主要成分解释的方差总和分别为74.05%，69.66%，86.50%和79.83%。PC1中，白钛矿、金红石和锐钛矿各时期一直有较高贡献，个别时期出现锆石、电气石和独居石，矿物组合表现为海南岛母岩特征，锆石、电气石、金红石与白钛矿、独居石、锐钛矿相伴生。同时，PC1在三亚组和梅山组方差解释(32.16%，28.48%)相比黄流组和莺歌海组(40.26%，39.17%)的小，表明黄流组时期海南岛物源贡献作用增大。PC2以帘石类和角闪石贡献为主，并在梅山组最为明显(主成分分析结果分别为0.99和0.98)，该矿物组合表现为高级变质岩类的母岩类型。PC3和PC4在各时期方差贡献较低并没有一致的变化规律。PC3在三亚组和黄流组分别以板钛矿、辉石(主成分分析结果分别为0.64和0.60)和辉石、橄榄石(主成分分析结果分别为0.80和0.84)贡献较高，母岩类型表现为基性火山岩特征；梅山组以石榴石和独居石(主成分分析结果分别为0.92和0.92)的贡献较高；莺歌海组则以磁铁矿和独居石(主成分分析结果分别为0.63和0.67)贡献相对较高，但由于独居石含量极少，只在个别井位出现，因此，不能准确判断出PC3在梅山组和莺歌海组对应的母岩性质。PC4在三亚组、黄流组及莺歌海组的各重矿物方差贡献不明显，而在梅山组以辉石、橄榄石(主成分分析结果分别为0.97和0.97)贡献较高为特征，母岩类型可能为基性火山岩。综上可以看出：琼东南盆地新近纪各沉积时期的物源控制因素不尽一致，但均以海南岛物源为主，另外还可能受到高级变质岩类物源及基性火山作用等的影响。

表2  碎屑岩矿物组合与母岩类型的关系^[35]

Table 2  Relationship between clastic heavy mineral assemblages and source rocks^[35]

表3  主要重矿物的主成分分析结果

Table 3  Results of principal component analysis for key heavy minerals

2.3 重矿物组合特征

琼东南盆地新近纪不同性质的物源对各井位重矿物分布的影响见图3~6。位于北部陆架区域的井位各沉积时期都具有高含量的锆石、电气石、白钛矿及黄铁矿的组合特征，表明受海南岛物源供给明显。帘石类作为PC2的特征矿物，在三亚组至黄流组，C1~C4井质量分数较小(4.7%~28.37%)，而盆地各井位几乎不含帘石类，表明PC2主要为神狐隆起所控制，同时它对盆地基本没有物源贡献；莺歌海组，唯独D2井显示帘石类和角闪石的组合特征，而且回归分析表明它们未受到水动力条件的影响, 因此D2井可能受到高级变质岩类物源的影响。S1，S2和S3井以磁铁矿、黄铁矿和赤褐铁矿为特征组合，对应于主成分分析中的基性火山岩^[13]，表明松南—宝岛凹陷一带在三亚组至黄流组时期受到火山作用的影响。黄流组时期，Y3井和Y8井高含量的锆石与磁铁矿组合对应于PC4，推测为海南岛物源与盆地西部物源混合作用的结果，而此时莺西地区主要为碳酸盐发育区，未有大中型的河流由西向东注入琼东南盆地^[38]，因此，推测2井位的磁铁矿异常高值源自古红河，至莺歌海组Y7井仍对此有较好的响应，表明莺歌海组的PC3对应于红河物源。

2.4 重矿物分区

ZTR指数是由Hubert^[39]首先提出的重矿物成熟度指标，指锆石、电气石和金红石组成的透明矿物的质量分数。这3种矿物在重矿物中最为稳定，ZTR指数越大，重矿物成分成熟度越高，则沉积物离物源区越远，因此ZTR指数是判别物源方向的重要参数^{[19, 22, 39]}。琼东南盆地三亚组至莺歌海组的ZTR等值线分布图如图3~6所示。海南岛对盆地北部陆架一直有重要的物源贡献，从ZTR等值线分布的形态来看，新近纪各沉积时期海南岛东南部都有河流注入琼东南盆地。三亚组至黄流组，S3井的低ZTR指数特征表明有局部的临近物源供给影响，对应于前述的火山作用。红河及莺西物源区母岩为高级变质岩，锆石、电气石含量较低，黄流组至莺歌海组一直对崖南凹陷和乐东凹陷有远距离物质输入，导致D2井位的ZTR指数较低。

图3  琼东南盆地三亚组重矿物分布特征、区带划分及ZTR等值线

Fig.3  Characteristic distribution, zones division of heavy minerals and ZTR isoline of Qiongdongnan Basin in Sanya Fm

图4  琼东南盆地梅山组重矿物分布特征、区带划分及ZTR等值线

Fig.4  Characteristic distribution, zones division of heavy minerals and ZTR isoline of Qiongdongnan Basin in Meishan Fm

图5  琼东南盆地黄流组重矿物分布特征、区带划分及ZTR等值线

Fig.5  Characteristic distribution, zones division of heavy minerals and ZTR isoline of Qiongdongnan Basin in Huangliu Fm

图6  琼东南盆地莺歌海组重矿物分布特征、区带划分及ZTR等值线

Fig.6  Characteristic distribution, zones division of heavy minerals and ZTR isoline of Qiongdongnan Basin in Yinggehai Fm

针对琼东南盆新近纪不同沉积时期内的井位，选取8种代表性较强和含量相对较高的重矿物(锆石、电气石、石榴石、帘石类、磁铁矿、赤褐铁矿、白钛矿和黄铁矿)进行Q型聚类分析，聚类方法和度量标准分别选取Ward法和平方Euclidean距离，得到不同时期内井位的组合分布(图7)。在此基础上结合各个井位的重矿物分布特征和特征矿物组合关系，尽可能比较客观地划分出重矿物分区(图3~6)，以表征不同性质物源的影响区域。由于盆地南部缺乏钻井，因此，无法从重矿物角度对南部隆起的物源进行判别。

在三亚组(图3)和梅山组沉积时期(图4)，重矿物分区格局基本相同：Ⅰ区总体以海南岛物源为主，局部受火山活动的影响；Ⅱ区神狐隆起对盆地没有物质输入。

在黄流组沉积时期(图5)，Ⅰ区总体仍以海南岛物源为主，局部受火山活动的影响；Ⅱ区代表红河物源对乐东凹陷的影响区域；Ⅲ区神狐隆起仍对盆地没有物源供给。

莺歌海组沉积时期(图6)，Ⅰ区主要受海南岛物源的影响；Ⅱ区盆地西缘为海南岛物源和莺西物源的混合作用区域；Ⅲ区乐东凹陷仍受到红河物源的控制。

3 物源演化

渐新世晚期，南海海盆洋脊停止扩张，琼东南盆地进入裂后期阶段，构造活动减弱，总体以沉积充填为主。早中新世至中中新世为热沉降阶段，盆地内部大多数断裂活动微弱，沉积受断裂控制不明显，主要发育浅海相、半深海相沉积。此时期盆地东北部的神狐隆起区范围逐渐萎缩，基本对盆地没有物质输入；而主要的物源贡献来自于海南岛，但盆地总体沉降速率均比较低(图8^[40-41])，表现出典型的坳陷期特征。进入晚中新世，盆地进入快速沉降阶段，断裂活动仍不明显，此时发育典型的陆架-陆坡体系^[14]，充足的物源补给堆积了厚度较大的沉积层，盆地整体发育广泛的浅海—半深海沉积体系。在黄流组沉积时期，由于南海的大规模海退事件(图8)及海南岛母岩风化作用的加强，海南岛对盆地北部物源贡献变大，同时以高级变质类母岩为特征的红河物源经远距离搬运至乐东凹陷。莺歌海组沉积时期，盆地沉降速率明显加大，北部陆架仍以海南岛物源为主要供给。红河断裂带的活动造成了中南半岛的造山运动和地震活动，诱发了越南东岸河流复苏^[42]，从而以帘石类和角闪石为特征矿物的高级变质岩类物源对崖南凹陷开始供给。晚中新世初期海平面迅速上升，推测南部隆起区和神狐隆起区均沉入水下，对盆地几乎没有物源供给。南海北部新生代以来火山活动强烈，岩性以基性火山岩为主，三亚组至黄流组沉积时期松南—宝岛凹陷一带的重矿物组合特征及低ZTR指数对此有较好的响应。

图7  琼东南盆地新近系井位组合Q型聚类分析

Fig.7  Q-type cluster analysis for well assemblages in Qiongdongnan Basin during Neogene

图8  琼东南盆地新近系物源演化(相对海平面变化据文献[40]，沉降速率据文献[41])

Fig.8  Provenance evolution of Qiongdongnan Basin during Neogene (Relative change of sea-level is from reference[40], subsidence rate is from reference[41])

4  结论

(1) 琼东南盆地新近纪时期，水动力条件对重矿物的分布影响较小，而且该时期构造活动微弱，因此，重矿物的分布特征主要受物源控制。

(2) 根据重矿物的组合特征可以判别出物源区的母岩性质：海南岛物源是以花岗岩为主，表现出高含量的锆石、电气石、白钛矿及黄铁矿；局部的火山作用岩性为基性；红河物源及莺西物源均以高级变质岩类为主，其中莺西物源具有帘石类和角闪石的特征组合，而红河物源以高含量的磁铁矿为特征。

(3) 琼东南盆地物源供给体系复杂，盆地内不同时期不同部位物源供给体系差别较大。三亚组和梅山组沉积时期的物源供给基本一致，主要为海南岛物源供给，松南—宝岛凹陷一带局部受火山活动影响；在黄流组沉积时期，海南岛物源供给增强，同时，乐东凹陷受到红河物源的影响；在莺歌海组沉积时期，局部的火山作用消失，盆地北部仍以海南岛物源控制为主，西部的崖南凹陷和乐东凹陷分别受到莺西物源和红河物源的影响。由于盆地南部深水区缺乏钻井资料，因此，本文无法从重矿物角度对南部隆起的物源特征及其演化进行判别，有待进一步研究。

致谢：

本文涉及的琼东南盆地钻井的重矿物资料由中海石油(中国)有限公司湛江分公司提供，在此表示感谢。

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(编辑  何运斌)

收稿日期：2012-04-25；修回日期：2012-06-28

基金项目：国家自然科学基金资助项目(40806019，91028009)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(CUGL100409)；国家“十二五”重大科技专项(2011ZX05025-0020-020-03)；国家海洋局海底科学重点实验室开放基金资助项目(KLSG0804)；教育部留学回国人员启动基金资助项目(2012)

通信作者：姜涛(1979-)，男，黑龙江明水人，博士，副教授，从事海洋地质和深水沉积动力学教学与研究；电话：13072752051；E-mail: taojiang@cug.edu.cn