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

JournalofGraduateSchool,ChinaUniversityofGeosciences

现　代　地　质GEOSCIENCE

Vol110　No13　Sept.1996

重矿物聚类分析在物源分析及

地层对比中的应用Ξ

——以东海陆架盆地西湖凹陷平湖地区为例武法东(地矿系　北京　100083)

陆永潮　　阮小燕

(管理干部学院　武汉　430074)

周　平

(地质矿产部上海海洋勘探开发研究院　上海　200120)

摘　要　通过对重矿物进行R型、Q型聚类分析,结合沉积学及砂岩矿物成分的研究,认为西湖凹陷平湖区第三系沉积物陆源区母岩类型共3类。其中由重矿物组合反映的母岩包括变质岩和火成岩共2类5型。在平面分布上,平湖地区南、北母岩类型有差别:南部以中性、中酸性火成岩为主,而北部既有各类变质岩又有中基性、酸性火成岩;在纵向演化上,南北也存在较大的差异,表现为充填过程中由于物源变化而反映的不同类型重矿物组合的交替变化。第三系沉积充填过程中物源供应总体方向由西而东,可进一步分为南部古渔山凸起和中北部古海礁凸起物源区。反映物源区或母岩性质变化的Q型聚类分析,作为地层划分与对比的一种辅助方法在实际工作中具有一定的使用价值。

关键词　重矿物　聚类分析　碎屑物源　东海陆架盆地　第三系分类号　P51212

沉积过程中陆源碎屑物供给的变化是影响层序发育的重要因素之一,也是层序地层学研究的主要内容之一〔1〕。在含油气盆地分析过程中,碎屑物的性质、源区方向以及供给量的确定,对于油气储层及有利油气相带的预测具有十分重要的意义〔2〕。在对东海陆架盆地西湖凹陷平湖区第三系沉积体系及油气远景评价研究过程中,运用模糊聚类方法对重矿物进行分析,结合过程沉积学研究,探索了本区第三系沉积物物源的类型及沉积充填过程中的空间变化,指出了该方法在地层对比中的意义。

1　区域地质概况

该区第三系覆于中生代火山岩之上和古老变质基底之上,由始新统平湖组、渐新统花港组、中新统龙井组、玉泉组、柳浪组和上新统三潭组组成,累计厚度平均2400m〔3,4〕。在

收稿日期:1995—09—15

　国家“八・五”科技攻关项目之子课题的部分研究成果。参加工作的还有解习农、陈平等。

Ξ

第一作者简介:武法东,男,1953年出生,副教授,沉积学专业。

398　现代地质——中国地质大学研究生院学报1996年

构造位置上,平湖地区属于东海陆架盆地保叔斜坡带西部边缘。在始新世的裂陷、渐新世—中新世的裂后沉降阶段,它始终位于盆地的西部边缘。根据对砂岩成分、砂岩岩石学特征研究及地震剖面前积结构的综合分析,认为平湖区第三系沉积物以西部的海礁、渔山古凸起为陆源供给区,具有物源近、成分杂、空间变化快等特点。

据研究①,该区第三系主要发育4种沉积体系:平湖组以半封闭海湾2滨岸碎屑潮坪体系、受潮汐作用影响的三角洲为主;花港组以滨岸湖泊2三角州、河流体系为主;上第三系则以河流体系为主,偶夹小规模海泛。各种沉积体系随时间的变化在空间上出现不同的展布。

详细的岩石学研究表明,该区砂岩的成分成熟度指数较低,反映了沉积区距陆源区较近。平湖组成分成熟度略高于花港组及其以上各组,可能表明该组沉积时距陆源稍远,且与该组总体为海湾背景下的沉积有关。2　聚类分析原理及用于物源分析的可能性211　聚类分析的一般原理

聚类分析又称簇分析或群分析,是多元统计中的一种数字分类方法。其实质是根据样本或变量之间的相似程度或亲疏关系把它们逐步分类的方法〔5〕。从数学的角度看,聚类分析是在一个大的对称矩阵中,探索诸元素之间的相关关系的一种方法。其基本思想是将每个样品或变量视为多维空间中矢量的一个端点,经过某种运算,求出各样本或变量之间的相似性统计量,构成一个对称的相似矩阵。以此矩阵为基础,进一步确定各样本、变量之间和样本群之间的相似程度,然后按相似程度的大小,逐一把样本归类成群,并把结果以二维谱系图表示出来〔6〕。

根据研究目的和对象的不同,分为Q型和R型聚类分析。Q型聚类分析是研究样本间的相互关系,是把不同样本中的同一变量进行比较。通过确定样本间的相似程度而对样本进行分类。R型聚类分析是研究变量之间的相关关系,即把同一样本中的不同变量进行比较,以确定不同变量间的亲疏关系,进而对变量进行分类。212　聚类分析用于物源分析及地层对比的可能性

在陆源碎屑物被剥蚀、搬运和沉积的过程中,作为一个完整的地质作用系统,各个因素之间必然有内在的联系。由于重矿物自身具有的稳定性,很少受风化、搬运和成岩作用的影响。因此,沉积岩中的重矿物基本反映了剥蚀区母岩情况。不同的岩石类型具有不同的重矿物组合,所以完全可以对变量进行R型分类,通过确定它们的亲疏关系来区分不同的重矿物组合,进而识别不同的母岩类型。在空间上,同一物源提供的碎屑物应具有相同或相近的样本特征。反过来,可以根据垂向或空间上特征相同或相近的样本群来确定物源区。

一般而言,不同地层单位(群、组、段)之间岩石中的重矿物所表现出来的岩石特征有较大的差异,特别是在构造运动面(地层界线与构造界线重合)上下,这种差异更为明显。同样,可以用聚类分析的理论和方法通过重矿物的研究来进行地层的划分与对比。

3　聚类分析结果

对本区若干口钻井录井岩屑的重矿物进行了系统的分析,采用两种方法。

①陆永潮,武法东等1东海西湖凹陷平南及邻区第三系沉积体系研究,国家“八・五”攻关项目子课题研究报告,1994。

第3期武法东等:重矿物聚类分析在物源分析及地层对比中的应用399

311　R型聚类分析

有代表性的R型聚类分析结果如图1所示。依据重矿物之间关联的程度,可分为如下2类5型:

󰂪类　󰂪1型:重矿物为磁铁矿2白云母2黑云母组合;󰂪2型:重矿物为石榴子石2十字石2电气石组合。

󰂫类　󰂫1型:重矿物为钛铁矿2锆石2榍石组合;󰂫2型:重矿物为角闪石2磷灰石2钛铁矿组合;󰂫3型:重矿物为锆石2金红石2磷灰石组合。图1　平湖地区重矿物R型聚类谱系图

Fig11　RtypeclusterlineagechartofheavymineralsinPinghuarea

a:平湖×井;b:平湖×井;c:宝云亭×井;d:来鹤亭×井

这种组合在空间分布上有一定差别。在平湖区中部(平湖×、×井)两类重矿物组合都存在,但缺少󰂫3型;在平湖区中南部(孤山×井),仅以󰂫类组合为主,且缺少󰂫2型;而在平湖区中北部(宝云亭×井、来鹤亭×井),则以󰂫类组合为主。

400　现代地质——中国地质大学研究生院学报1996年

312　Q型聚类分析

采用斜交空间距离、相似性系数、欧氏距离等相似性统计量,对钻井中重矿物垂向组合进行了Q型聚类分析。比较典型的分析结果如图2所示。聚类谱系图表明,当相似性水平为15时,所有样品聚为3类:A类分A1、2、3、8和30～35又分别A2两亚类。在A1中,样品1、聚为A11和A12。样品深度分别相当于三潭组和平湖组。A2相当于花港组下段。B类也分为

玉泉组和龙井组,而C类则相当于花港组上段。B1、B2两亚类,分别相当于柳浪组、

A类样品的重矿物组合为石榴子石2黑云母2磷灰石,其中A1与A2的主要差别在于前者含较多的自生菱铁矿,反映沉积期或沉积期后平湖组与三谭组具有相近的环境条件。

B类样品的重矿物组合为磁铁矿、赤褐铁矿2石榴子石2钛铁矿组合,其中在B1中赤褐铁矿含量高,石榴子石含量低。C类样品的重矿物为石榴子石2黑云母2电气石2钛铁矿组合。

4　聚类分析结果的地质解释411　第三系物源类型

结合地质背景,通过分析认为R型聚类中的󰂪类为变质岩类。其中,󰂪1型指示母岩可能是变质石英岩;󰂪2型则指示母岩可能为片岩、千枚岩。第󰂫类为火成岩类。其中󰂫1型指示母岩为中基性火成岩;󰂫2型指示母岩为酸性岩浆岩;󰂫2型反映母岩为中性岩浆岩。重矿物组合在空间分布上的差异,表明平湖地区第三系沉积时物源有所不同:南部以中性、中基性火成岩为剥蚀区的主要母岩,而北部则既有变质的片岩、片麻岩,又有中基性、酸性火成岩。这与砂岩矿物成分组合所反映的火成岩、变质岩类型是基本一致的。412　第三系沉积过程中物源供给的空间变化

很显然,依据参与统计的样品之间的相似程度对其进行的聚类,可以表明它们在性质特征上的接近程度。换言之在一定相似性水平上,同源的样品应该聚为一类。从图2中可以很清楚地看出,三潭组、平湖组及花港组下段物源类型接近或相同,而前两者在源区性质和搬运、沉积条件上更接近。柳浪组、玉泉组和龙井组物源相近,特别是柳浪组和玉泉组,在重矿物组合上几乎没有区别,可以认为是同源的。花港组上段的物源区与上述各组均不相同。肯定地说,该段沉积物的物源与下伏和上覆地层沉积时的物源不同。413　地层划分

在孤山×井聚类过程中,样品聚合组中仅一个样品(8号)出现组间跳位现象(图2),表明分类边界比较清楚。根据聚类分析的方法原理,将其运用于地层划分也取得了理想的效果。将地层的聚类分界线与地质分界线进行对比,如表1所示,除龙井组与花港组、花

表1　弧山×井地层的地质与聚类分界对比

Table1　Correlationbetweengeologicalandclusterboundaries

组段三潭组柳浪组玉泉组龙井组

上段

花港组

下段平湖组

地质分界深度

1398.1497.2096.2386.2991.3677.

505005

聚类分界深度

1421.52005.2609.2940.3400.

0005

样品类

A11B1B2CA12

样品群号

1～34～1011～1718～2324～2930～35

样品深度区间

1293～13901453～19912020～25922626～29052975～33753426～3710

第3期武法东等:重矿物聚类分析在物源分析及地层对比中的应用401

图2　孤山×井重矿物Q型聚类分析图

Fig12　QtypeclusterlineagechartofheavymineralsinGushan×well

港组与平湖组界线相差200余米外,其余各界线二者基本一致。从理论上讲,二者应该完全重合。对有差别的分界,建议做进一步的工作,以从多方面取得更多的证据。柳浪组与玉泉组在聚类分析中不能区分,或许二者为同一物源区,或许样品间隔过大。

5　结　论

通过聚类分析,并结合砂岩成分研究认为:

(1)陆源区母岩类型共3类,除沉积岩外由重矿物组合反映的母岩为变质岩和火山岩

402　现代地质——中国地质大学研究生院学报1996年

共2类5型。其中,平湖区南、中、北部母岩类型有差别:中部以󰂪1、󰂪2、󰂫1、󰂫2型为主,中南部以󰂫3型为主;中北部以󰂫1、󰂫2、󰂫3型为主。

(2)从垂向演化看,南北部物源供应也有差别。中南部三潭组、花港组下段、平湖组上段的物源性质比较接近;柳浪组、玉泉组与龙井组物源相近;而花港组上段则比较特殊。在平湖区中北部,三潭组下段、柳浪组及玉泉组源区比较接近;三潭组上段、龙井组、平湖组中、下段比较相似;而花港组与平湖组上段相近。显然表明在第三系沉积过程中南、北物源母岩不同。

(3)根据已有的资料,物源供应总体方向由西向东,可进一步分为两个物源供应区。南部物源区可能为古渔山凸起,中北部物源由古海礁凸起提供。

(4)反映物源区或母岩性质变化的Q型聚类分析,作为地层划分与对比的一种辅助方法在实际工作中有一定的意义。

本文是在国家“八・五”攻关课题专项研究的基础上完成的。研究过程中得到赵金海、李培廉、蔡促祥、林志强的指导和金发行、刘金水等同志的帮助;地质矿产部上海海洋石油勘探开发研究院提供了部分基础资料;李思田教授自始至终亲临指导并审阅了本文初稿,作者对此深表感谢。

参　考　文　献

1　PosamentierHWetal..SequenceStratigraphyandFaciesAssociations.InternationalAssociationofSedimentolo2gists,1993

2　SadooniFN.Stratigraphicsequence,microfaciesandpetroleumprospectsoftheYamamaFormation,LowerCre2

～1988taceous,SouthernIraq.AAPGBulletin,1993,77(11):1971

3　王丽顺,陈琳琳.东海西湖凹陷下第三系层序地层学分析.海洋地质与第四纪地质,1994,14(3):35～424　俞印得.东海陆架盆地新生代层序及沉积特征,中国海域及邻区地质地球物理特征.北京:科学出版社,1992.320

～307

5　韩金炎.数学地质.北京:煤炭工业出版社,1987.65～185

6　赵鹏大,胡旺亮,李紫金.矿床统计预测.北京:地质出版社:1983.126～134

APPLICATIONOFHEAVYMINERALSCLUSTERANALYSIS

TOSTUDYOFCLASTICSOURCESANDSTRATIGRAPHICCORRELATION

WuFadong

(ChinaUniversityofGeosciences,Beijing,100083)

LuYongchao　　RuanXiaoyan

(ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan,430074)

ZhouPing

(ShanghaiInstituteofOffshorePetroleumExploration&Development,MGMR,Shanghai,200120)

Abstract

TheRandQtypeclusteranalysesareperformedfortheheavymineralsinthispaper.Fromtheseanalysesandcombiningthestudyofsedimentologyandmineralcompoundin

第3期武法东等:重矿物聚类分析在物源分析及地层对比中的应用403

sandstone,theauthorsthinkthattherewerethreetypesofclasticsourerocksinPinghuareaduringtheTertiaryPeriod.Thetwotypesandfivesubtypesofmetamorphicandig2neousrocksareidentifiedbytheheavymineralassociations.Thesourcerocksbetweensouthandnorthintheareaaredifferent:itisdominatedbytheintermediateandinterme2diateacidityigneousrocksinthesouth,andbymetamorphicrockswithvarioustypes,in2termediatebasicrocksandacidigneousrocksinthenorth.Thedifferencesalsoexistinverticalevolution,whichshowalternativechangescausedbythevarietiesofthesourceareaduringthesedimentfilling.TheclasticsupplyduringtheTertiaryPeriodwasmainlyprovidedfromwesttoeastandcouldbedividedintoGuyushanriseinthesouthandGuhai2jiaoriseinthemiddle2north.Showingthechangesofthesourceareasorrocktypesduringthedepositions,theQtypeclusteranalysisisusefulforstratigraphicaldivisionandcorre2lation.

Keywords:heavymineral,clusteranalysis,clasticsources,theEastChinaSeashelfbasin,theTertiaryPeriod