地球物理学报  2017, Vol. 60 Issue (12): 4730-4740   PDF    
鲁科一井上白垩统沉积岩岩石磁学和天然剩磁分析:兼论利用剩磁方向恢复钻孔岩芯原始方位的可行性
韩非1,2, 秦华峰1,3, 季强4, 孙靖鹏1,2, 邓成龙1,2,3, 潘永信1,2     
1. 中国科学院地质与地球物理研究所古地磁与年代学实验室, 北京 100029;
2. 中国科学院大学地球科学学院, 北京 100049;
3. 中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室, 北京 100029;
4. 中国地质科学院地质研究所, 北京 100037
摘要:本文对"鲁科一井"(CCSD-LK-Ⅰ)768.9~1112.3 m之间的上白垩统沉积岩样品进行了岩石磁学、磁化率各向异性(AMS)以及天然剩磁组分的研究.在此基础上,分析了利用特征剩磁(ChRM)和黏滞剩磁(VRM)方向恢复岩芯原始方位的可行性.三轴等温剩磁热退磁曲线、磁滞回线、反向场退磁曲线、一阶反转曲线等岩石磁学测量结果表明,沉积岩的主要载磁矿物为磁铁矿和赤铁矿.335块样品的AMS测量结果表明磁化率椭球主轴的最大轴K1和中间轴K2与水平面夹角较小,最小轴K3接近垂直于水平面分布,说明沉积岩保留了原始沉积磁组构特征.系统热退磁实验表明,多数样品在25~350℃和500~690℃温度段分别获得VRM和ChRM分量.利用ChRM偏角方向,并考虑构造旋转量校正,对VRM偏角方向进行恢复,Fisher统计得到DVRM=-1.3°,IVRM=59.6°,与当地现代地磁场方向(D=-6.7°,I=53.9°)基本一致.用ChRM偏角方向对磁化率主轴K1偏角方向进行校正,校正的结果为:Dch_K1=349.2°,Ich_K1=-0.7°.本文研究结果对于地质勘探中利用古地磁学方法恢复钻孔岩芯原始方位具有一定参考意义.
关键词: 鲁科一井      特征剩磁      黏滞剩磁      岩芯原始方位恢复     
Rock magnetism and paleomagnetism of Late Cretaceous sedimentary rocks in borehole CCSD-LK-I (Shandong province) and implications for the feasibility of core orientation recovery using natural remanent magnetization
HAN Fei1,2, QIN Hua-Feng1,3, JI Qiang4, SUN Jing-Peng1,2, DENG Cheng-Long1,2,3, PAN Yong-Xin1,2     
1. Paleomagnetism and Geochronology Lab, Key Laboratory of Earth and Planetary Physics, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
2. School of Earth Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. State Key Laboratory of Lithospheric Evolution, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
4. Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China
Abstract: The paleomagnetic method has been commonly used to orient the un-oriented borehole core, but its feasibility and reliability remain unclear due to the complexity of remanence. This study investigated the feasibility of orientation of the Cretaceous Continent Scientific Drilling(CCSD) borehole LK-Ⅰ in the Jiaolai Basin, Shandong Province, using the characteristic remanent magnetization (ChRM) and viscous remanent magnetization (VRM). In total 335 sedimentary rock samples from CCSD LK-Ⅰ core (depth 768.9~1112.3 m) were measured, including stepwise thermal demagnetization of the natural remanent magnetization (NRM), anisotropy of magnetic susceptibility (AMS), progressive thermal demagnetization of three-component isothermal remanent magnetizations (IRM), hysteresis loops, backfield demagnetization curves and the first order reverse curves (FORCs). Results show that magnetite and hematite are the dominant magnetic minerals in the measured samples. The principal axes of AMS ellipsoid K1 and K2 are nearly parallel to the horizontal plane, while the K3 axes are perpendicular to the horizontal plane, which indicates the sedimentary rocks preserved primary fabrics. After being adjusted by the declination of ChRM (also considering local tectonic rotation), the mean direction of VRM is DVRM=-1.3°, IVRM=59.6° by Fisher statistics, which is in accordance with the present local geomagnetic field (D=-6.7°, I=53.9°). Using the same adjustment and statistic methods, the mean direction of K1 is Dch_K1=349.2°, Ich_K1=-0.7°. Collectively, this work suggested that the direction of ChRM can be used to recover the orientation the borehole core of CCSD-LK-I.
Key words: CCSD-LK-Ⅰ    ChRM    VRM    Core orientation recovery    
1 引言

钻井岩芯是获得地下地质信息的重要研究对象.通过岩芯获得的裂隙分布、恢复的古水流方向以及隐伏地层的产状等信息在实际研究和生产中具有重要的意义.例如,通过裂隙的分布情况可判断油气的运移通道或油气储存场所(李学森和熊国锦,2006);通过岩芯恢复的古水流方向可以判定物源方向并揭示储存砂体的展布以及沉积环境(Hailwood and Ding, 1995; 梁利平等,2012).但是,由于成本或技术方面等原因,在钻探工程中获得的岩芯大多为非定向样品(e.g., He et al., 2012; Deng et al., 2013),导致无法得到样品在地下的原始方位信息,造成地质解译方面的诸多困扰.因此,岩芯原始方位的恢复工作显得尤为重要.

目前,钻孔岩芯定向有下列五种方法:摄影仪、倾角仪、钻孔成像技术、全岩芯扫描技术和古地磁方法(Davison and Haszeldine, 1984; Hailwood and Ding, 1995; 李学森和熊国锦, 2006).前三种方法是在钻探过程中实施的现场实时测量,作业成本高,花费时间长,且对技术人员、仪器状况等要求较高(Shipton et al., 2002; Hailwood and Ding, 1995; Paulsen et al., 2002).全岩芯扫描技术是最近发展起来的新方法,该方法将整个岩芯进行高分辨率扫描,然后根据各种特征(如层面、裂隙等)进行钻孔岩芯原始方向的恢复(Paulsen et al., 2002).岩石的天然剩磁(NRM)是由岩石形成时期在地磁场中生成的原生剩磁组分及岩石形成之后产生的次生剩磁组分组成.特征剩磁(ChRM)是岩石中磁性矿物携带的原生天然剩磁成分,黏滞剩磁(VRM)则是岩石磁性矿物在现今地磁场中获得的.目前古地磁方法定向主要利用岩芯样品携带的ChRM或VRM来实现(Fuller, 1969; Lackie and Schmidt, 1993; Rolph et al., 1995; 岳乐平等, 1997; 杨振宇和Moreau, 1998; 侯守信和田国荣,2000; 杨斌谊等, 2003; Parés et al., 2007),这是因为地磁场是一个地心轴向偶极子场(geocentric axial dipole,GAD模型)(Tauxe et al., 2003).古地磁方法恢复岩芯定向已在石油勘探等领域得到较广泛的研究和实践(Lackie and Schmidt, 1993; Rolph et al., 1995; Davison and Haszeldine, 1984; Shibuya et al., 1991; 谈晓冬等, 1994; 董平川, 2004; 李学森和熊国锦, 2006; Parés et al., 2007; 梁利平等, 2012; 韦乐乐等, 2013).然而,由于剩磁获得机制的复杂性等因素,古地磁方法恢复岩芯原始方位的应用常存在一定不确定性和争议.本文在对鲁科一井钻孔上白垩统沉积岩进行岩石磁学和古地磁研究基础上,讨论通过古地磁学方法恢复鲁科一井钻孔岩芯的原始方位的可行性及应用存在的局限性.

2 材料与方法 2.1 取样背景与研究材料

鲁科一井(119°57′10.76″E, 36°15′57.98″N)位于胶莱盆地高密凹陷的南部, 该钻井总深度为1601.9 m.本研究采集鲁科一井768.9~1112.3 m之间不同深度样品共335块,加工成2×2×2 cm3的古地磁标准样品(详见2.2.3部分),散样用于岩石磁学性质研究.为了进行对比研究,除岩芯样品外,在胶州市张应镇史家屯村南150 m处(119°48′19.87″E, 36°06′34.49″N,距鲁科一井钻孔约22 km)采集地表出露相近层位的定向沉积岩样品15块,采样间隔为10 cm,并加工出古地磁标准样品和岩石磁学实验样品.

2.2 实验设计与方法 2.2.1 岩石磁学及磁化率各向异性

磁滞回线、反向场退磁曲线、等温剩磁获得曲线和一阶反转曲线(FORC):均通过MicroMag 3900型振动样品磁力仪测量完成,该仪器灵敏度为5×10-10Am2.获得矫顽力(Bc)、剩磁矫顽力(Bcr)、饱和磁化强度(Ms)和饱和等温剩磁(Mrs)等磁学参数.FORC测量使用的饱和磁场强度为1 T,步长(δH)为1.31 mT,测量条数为150条(Roberts et al., 2000). FORC图的横纵坐标分别代表磁性矿物的矫顽力(Bc)和磁相互作用力(Bu).采用FORCme软件对FORC测量数据进行处理,并可得到95%的置信区间(Heslop and Roberts, 2012).

三轴等温剩磁热退磁实验(Lowrie, 1990)使用脉冲磁力仪(2G 660)沿样品ZYX三个正交轴分别施加2.7 T、0.5 T和0.05 T的脉冲直流场,然后利用TD-48热退磁炉对样品进行逐步加热,加热步骤依次为80, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450 ℃, 500, 525, 550, 585, 610, 620, 630, 640, 650, 660 ℃, 670, 680, 690 ℃,使用超导磁力仪(2G-760型)测量样品的剩余磁化强度,最终得到样品的三轴等温剩磁热退磁曲线.

磁化率各向异性(AMS)测量由卡帕桥多频磁力仪(AGICO MFK1-FA)测量完成.测量所施加的磁场强度为200 A·m-1,频率为976 Hz.

2.2.2 热退磁实验

样品的系统热退磁实验使用TD-48型热退磁仪,炉内残留场小于10 nT,温控误差小于±2 ℃.具体加热步骤为80,150,200,250,300,350,400 ℃,450,500,525,550,585,610,620,630,640,650 ℃,660,670,680,690 ℃.样品的剩磁测量使用岩石超导磁力仪(2G-760型).主成分分析利用最小二乘法计算(Kirschvink, 1980).

2.2.3 岩芯原始方位恢复方法

图 1a为无定向钻孔岩芯标识参考线示意图,带箭头标志线指示岩芯的上下方向(箭头指示方向为上).将岩芯加工出2×2×2 cm3的标准古地磁样品,样品的上下平面与岩芯上下平面平行,标志线方向也保持一致.样品坐标系的XYZ三轴方向如图 1b所示,Z轴向下,X轴指向标志线方向,Y轴与二者垂直.图 1c图 1b的俯视平面图,X轴指向假定的地理北方向(N′), DChM为样品的特征剩磁偏角方向,DV为样品的黏滞剩磁偏角方向.αβ分别为样品坐标系下特征剩磁和黏滞剩磁的偏角大小.在岩芯方位恢复过程中,若以DChM为地理北方向,那么黏滞剩磁在此坐标系下的偏角γ=β-α;同理,若以DV为地理北方向,那么特征剩磁在此坐标系下的偏角γ′=α-β; 若计算出的偏角为负,则偏角需加上360°.在此基础上,进一步分析γγ′的分布.由于样品只在平面经历了旋转,所以其倾角是真实的,不需进行校正.

图 1 岩芯样品原始方位恢复原理示意图 Fig. 1 Schematic diagram of reorienting the un-oriented samples

例如,以特征剩磁偏角方向(DChM)为假定地理北方向对黏滞剩磁偏角方向(DV)进行恢复,通过验证校正后的黏滞剩磁方向(偏角DVRM′=DV-DChM,倾角I不变)是否与现今地磁场一致.如果校正后的黏滞剩磁方法接近于期望值(地理北方向),则支持校正具有可行性.

3 实验结果 3.1 岩石磁学

图 2a1a2a3分别为样品417-2的磁滞回线、三轴等温剩磁热退磁曲线及FORC图.磁滞回线显示其矫顽力(Bc)为93.56 mT,三轴等温剩磁热退磁曲线亦表明其主要的载磁矿物为中高矫顽力组分(>50 mT),且热退磁中剩磁强度在660 ℃附近时接近于零,说明该样品中的主要载磁矿物为赤铁矿.FORC图显示样品具有高矫顽力组分且表现为多畴(MD)颗粒特征.

图 2 鲁科一井沉积岩代表样品的岩石磁学结果 图(a1、b1、c1、d1)中的虚线代表校正之前的磁滞回线,实线代表经70%顺磁校正后的磁滞回线;(a2、b2、c2、d2)样品的三轴(XYZ)等温热剩磁退磁曲线;(a3、b3、c3、d3)样品的一阶反转曲线,平滑因子(SF)均为4,图中的黑色实线为95%的置信区间. Fig. 2 The rock magnetism results of representative sedimentary samples (a1—d1) Hysteresis loops of pre-and after-paramagnetic correction; (a2—d2) Progressive thermal demagnetization curves of three-component isothermal remanent magnetizations; (a3—d3) FORC diagrams (the thick contour lines indicate the regions of the FORC distribution that are significant at the 0.05), the smoothing factor is 4 for all samples.

图 2b1b2b3分别为样品461-8的磁滞回线、三轴等温剩磁热退磁曲线和FORC图.磁滞回线显示其矫顽力(Bc)为8.88 mT,Bcr/BcMrs/Ms的值分别为3.56和0.09,在Day图中位于PSD区域(Day et al., 1977; Dunlop, 2002a, 2002b).三轴等温剩磁热退磁曲线表明其主要的载磁矿物为低、中矫顽力组分,其低矫顽力组分(≤50 mT)的剩磁强度在550~600 ℃之间接近于零,指示样品461-8低矫顽力组分的主要载磁矿物为磁铁矿;中、高矫顽力组分(>50 mT)的剩磁强度在680 ℃附近时接近于零,表明样品中赤铁矿的存在.FORC图具有SD和MD混合的特征.等值线在纵轴方向上分布较宽,说明样品中磁性矿物的相互作用力较强.结合磁滞回线、三轴等温剩磁热退磁曲线及FORC图等信息,可以判断样品461-8中的主要磁性矿物为SD和MD颗粒的磁铁矿和赤铁矿.样品493-5和507-5的磁学特征与461-8类似,磁性矿物也主要为SD、MD颗粒的磁铁矿和赤铁矿.

3.2 磁化率各向异性

335个钻孔样品的磁化率各向异性(AMS)结果(表 1)、磁化率主轴等面积投影图和AMS参数分析图(图 3)表明,样品的平均体积磁化率为1.18×10-3SI,磁面理(F)大于磁线理(L),各向异性度(Pj)与磁面理(F)的相关系数达到0.97,而与磁线理(L)的相关系数仅为0.01,说明各向异性度主要由磁面理主导.绝大部分样品的形状因子(T)大于零,指示磁化率椭球为压扁状.磁化率主轴K1、K2与水平面夹角较小,磁化率最小轴K3轴接近垂直水平面,反映出沉积岩样品的地层产状近水平, 这与观察到钻孔沉积纹层基本水平(<5°)一致,暗示钻孔方向基本垂直于地层产状.

表 1 鲁科一井沉积岩样品AMS参数统计表 Table 1 AMS parameters of sedimentary samples from CCSD-LK-I
图 3 鲁科一井沉积岩样品磁化率椭球主轴等面积投影图(a)及AMS参数分析图(b) Fig. 3 AMS data of sedimentary samples from CCSD-LK-I (a) Equal area projection of K1, K2, and K3; (b) The F-L, T-Pj, Pj-L, and Pj-F plots.

15块露头定向样品AMS参数分析(图 4)显示,样品的F大于LPjF的相关系数为0.896,而与L的相关系数为0.404,说明各向异性度主要由磁面理主导,磁化率椭球为压扁状.磁化率椭球主轴K1和K2的平均倾角小于5°,而K3轴的平均倾角大于86°.K1主要沿南北向分布,K2主要沿东西向分布.

图 4 史家屯沉积岩磁化率等面积投影图(a)及AMS参数分析图(b) Fig. 4 AMS data of sedimentary samples from the Shijiatun section (a) Equal area projection of anisotropy axes (K1, K2, K3); (b) The F-L, T-Pj, Pj-L, and Pj-F plots.
3.3 热退磁结果

在335块热退磁样品中有245块样品(73%)分离出稳定的特征剩磁分量(通常>350 ℃).代表性样品的热退磁结果见图 5所示,样品以单一分量为主.为了尽量排除样品在取样或加工过程中其上下方向被人为颠倒所造成的影响和慎重起见,对获得特征剩磁样品的低温分量(VRM,≤350 ℃)进行分析(如图 5j—l),结果发现160块样品(其中144块样品的特征剩磁为正极性,16块样品的特征剩磁为负极性)可分离出低温分量且倾角为正,接近当地现今地磁场方向(图 5a—5i),我们认为这160块样品可能保持了岩芯原始顶底方向.本文钻孔原始方位的恢复工作将基于这160块样品的测量数据.

图 5 鲁科一井沉积岩代表样品热退磁结果(Z矢图) 图中所有样品的X轴均指向其NRM的偏角方向,实心(空心)代表水平面(垂直面)的投影.图 5(a—i)中黑色虚线箭头代表VRM的方向,灰色虚线箭头代表ChRM的方向.图 5(j—k)展示的是没有用作方位恢复的样品,虚线框内为样品的低温分量,图 5j显示样品低温分量的倾角为负,图 5k显示样品的低温分量杂乱不明显.图 5l显示低温分量的倾角为正,可用于方向恢复. Fig. 5 Orthogonal projections of representative progressive thermal demagnetization The solid circles (open squares) represent the horizontal (vertical) planes. NRM is the natural remanent magnetization. Note that the magnetic declinations are assigned to the north.

在上述160块样品中有124块样品的特征剩磁分量在630~690 ℃温度段拟合得到,36块样品的特征剩磁分量在500~585 ℃温度段拟合得到.而样品的黏滞剩磁分量基本在低于350 ℃温度段分离获得.144块正极性样品特征剩磁(黏滞剩磁)的倾角平均值为44.7°(42.2°),标准差为14.7°(18.5°);16块负极性样品特征剩磁(黏滞剩磁)的倾角平均值为-43.8°(41.6°),标准差为14.8°(18.9°).可以看出,正负极性样品的特征剩磁倾角平均值的绝对值相近,黏滞剩磁也表现出相似特征.

3.4 钻孔岩芯方位恢复的可行性分析 3.4.1 以特征剩磁方向为参考方向进行恢复

为了判断校正后的黏滞剩磁方向数据是否符合Fisher分布(Fisher, 1953),利用Q-Q plot(Fisher et al., 1987)对此进行验证.由于Fisher分布只能处理单一极性的古地磁数据,故选取正极性样品(N=144)为样本进行验证.黏滞剩磁偏角、倾角的Q-Q图显示校正后的偏角统计参数Mu=0.798 < 1.207(临界值),说明校正后的偏角数据在95%的置信区间内服从均匀分布;倾角统计参数Me=0.906 < 1.094(临界值),说明倾角数据在95%的置信区间内服从指数分布(Fisher et al., 1987).因此,校正后的黏滞剩磁方向符合Fisher分布.

图 6a6b为鲁科一井沉积岩校正前后黏滞剩磁方向的等面积投影图,图中显示校正后的方向数据较校正前有明显的集中趋势,其Fisher统计值为DVRM=0.3°, IVRM=59.6°(N=144, R=106.4, k=3.8, α95=7.0).Huang等(2007)通过对胶州地区上白垩统红土崖组玄武岩的古地磁学研究,得到该地区红土崖组时期的古地磁平均偏角为1.6°,说明我们校正时使用的地理北方向比实际向东偏了1.6°,因此,经校正后的黏滞剩磁方向为:DVRM=-1.3°, IVRM =59.6°.当地现今地磁场方向为D=-6.709°,I=53.948° (IGRF,2015),在偏角方向上基本吻合,这暗示该钻孔原始方位可以利用特征剩磁偏角方向为参考恢复其原始方位.

图 6 鲁科一井沉积岩样品以特征剩磁为参考方向校正前后的黏滞剩磁方向(a, b)和经以黏滞剩磁为参考方向校正前后的特征剩磁方向(c, d)的等面积投影图 Fig. 6 Equal area projections of corrected ChRM and VRM of sedimentary samples (a, b) Equal area projections of pre-(after-) adjusted VRM; (c, d) Equal area projections of pre-(after-) adjusted ChRM.

将特征剩磁偏角方向作为地理北方向进一步对磁化率主轴K1偏角进行校正.图 7(ad)显示,经ChRM校正后的K1显示在近南北向有优势方向,Fisher统计得到的方向为Dch_K1=350.8°,Ich_K1=-0.7°.将胶莱盆地古地磁偏角结果考虑在内,得到经特征剩磁方向校正后K1的优势方向为:Dch_K1=349.2°,Ich_K1=-0.7°.这个结果与露头定向样品的AMS结果(图 4)接近.

图 7 鲁科一井沉积岩磁化率主轴K1方向等面积投影图和频数分布直方图 (a)、(d)为经特征剩磁方向校正后;(b)、(e)为经黏滞剩磁方向校正后;(c)、(f)为校正前.(a)—(c)中绿色(红色或黑色)代表 768.9~ 900.0 m(900.0~1112.3 m)之间的数据,实心(空心)代表正倾角(负倾角).由于磁化率在X和-X(Y和-YZ和-Z)方向具有等效性,为了便于统计方向,将等面积投影的下半平面数据统一对跖地“翻”到上半平面.(d)、(e)、(f)分别统计(a)、(b)、(c)中偏角的频数分布. Fig. 7 Equal area projections and frequency distribution histogram of sedimentary samples from CCSD-LK-I (a, d) Equal area projections (frequency distribution histogram) of anisotropy axes K1 adjusted by ChRM; (b, e) Equal area projections (frequency distribution histogram) of anisotropy axes K1 adjusted by VRM; (c, f) Equal area projections (frequency distribution histogram) of pre-adjusted anisotropy axes K1. (a)—(c) Green circles (red and black circles) represent data of 768.9~ 900.0 m (900.0~1112.3 m). Solid (open) represent positive (negative) inclination.
3.4.2 以黏滞剩磁方向为参考方向进行恢复

以黏滞剩磁的偏角(Dv)为地理北方向尝试恢复特征剩磁的原始方向(偏角DChRM=DChM-Dv,倾角I不变).同理,首先需要检验校正后的特征剩磁方向数据是否符合Fisher分布.选取正极性样品为样本进行验证.黏滞剩磁偏角、倾角的Q-Q图显示校正后的偏角统计参数Mu=1.053<1.207,说明校正后的偏角数据在95%的置信区间内服从均匀分布;倾角统计参数Me=1.313>1.094,说明倾角数据在95%的置信区间内不服从指数分布.因此,黏滞剩磁方向不符合Fisher分布.

图 6d显示校正后的特征剩磁方向数据在等面积投影图上呈椭圆分布,故采用Kent分布(Kent, 1982)对正极性数据进行统计,统计结果为DChRM=0.7°,IChRM=59.8°(Zdec=130.1,Edec=228.4,Eta=6.4,Zinc=20.3,Einc=21.4,Zeta=5.6,n=140,model 1);DChRM=178.7°,IChRM=27.2°(Zdec=80.3,Edec=323.4,Eta=7.0,Zinc=15.9,Einc=57.8,Zeta=31.7,n=4,model 2).由于model 2只有4个数据,故选择model 1作为方向数据的统计结果,即偏角为0.7°,倾角为59.8°.这与Huang等(2007)古地磁结果(D=1.6°,I=47.2°)接近.从统计意义上来讲,以黏滞剩磁偏角方向为地理北方向恢复的特征剩磁原始偏角方向亦基本可信.然而,将黏滞剩磁偏角方向作为地理北方向对磁化率主轴K1偏角进行校正时,图 7be显示经VRM校正后的K1并无明显优势方向.

4 讨论 4.1 两种古地磁校正方法的可靠性

黏滞剩磁方向校正方法常被用于岩芯原始方位的恢复.黏滞剩磁是岩石或沉积岩中铁磁性矿物在当地磁场长期作用下其颗粒因发生磁性驰豫而获得的一个剩磁组分(谈晓冬等, 1994).黏滞剩磁大小与磁性矿物的粒径有关.对于磁铁矿,当其粒径为细粒SD颗粒或5~15 μm的MD颗粒时,其获得黏滞剩磁的能力较强,如果样品中磁性矿物由粒度较细的单畴颗粒或较粗的MD颗粒占主导,其获得的黏滞剩磁会强烈地影响其原生剩磁(Dunlop, 1983).鲁科一井沉积岩中的磁性矿物主要是SD、MD颗粒的磁铁矿和赤铁矿,部分样品的黏滞剩磁强度可达到天然剩磁强度的30 %.这有利于使用黏滞剩磁方法对岩芯原始方位进行恢复.然而,在取芯、取样以及样品加工过程中产生的磁污染会影响黏滞剩磁,从而不同程度上影响黏滞剩磁方法的应用.

特征剩磁(原生剩磁)是在岩石形成时获得的,与黏滞剩磁相比,样品中的特征剩磁更加稳定,不会被轻易改造.比如在鲁科一井沉积岩样品中,特征剩磁分量一般在350 ℃以上分离获得,相对比较稳定.在地心轴向偶极子场理论模型下,古地磁极与地理极接近或一致(Butler, 1992; Tauxe et al., 2003).在长期变较弱或在一定的地质时期内,特征剩磁方向可基本视为一致.但实际情况仍较为复杂,譬如这种方法在构造复杂地区应用就会更加困难.就本文磁化率主轴K1恢复结果来看(图 7),经特征剩磁恢复的鲁科一井岩芯样品的磁化率主轴K1在南北方向有集中的趋势,而经黏滞剩磁恢复的磁化率主轴K1并无明显的优势方向.野外露头定向样品的磁化率主轴K1基本沿南北向分布(图 4),与经特征剩磁恢复的结果一致,说明用特征剩磁方向恢复的磁化率主轴方向基本能代表其原始方位.通过方向数据统计的结果可知,虽能通过特征剩磁方向大致恢复出钻孔的原始方位,但不同深度结果存在差异(图 6a).其影响因素包括孔斜、取芯和样品加工方向偏差、后期黏滞剩磁改造等.

提高利用古地磁方法恢复钻孔的原始方位的可信度,需要注意以下几个方面:1)钻井在取芯过程中同一回次内完整的岩芯在取样时尽可能沿同一条主标志线(即同一岩芯的所有样品其Z轴应是同一方向);2)收集钻井附近的地质资料和物探资料,并仔细观察岩芯的沉积层理,尽可能确定钻孔与地层产状;3)科学规范地采集、加工古地磁样品,利用数理统计方法得到钻孔样品可信的特征剩磁或黏滞剩磁的方向;4)在相同层位的露头采集一定量的定向样品进行对照实验,验证钻孔原始方位恢复的可靠性.

4.2 古水流方向的推测

古水流方向对研究盆地的演化史、沉积相的划分、油气存储层的分布都有着重要的意义.鲁科一井768.9~1112.3 m之间的沉积岩相当于王氏群中下部,以河湖相沉积为主(张增奇和刘明渭, 1996; 闫峻等, 2005).胶莱盆地在王氏群沉积之前经历了NW-SE向挤压应力事件,随后盆地在N-S向的伸展作用下沉降并接受沉积.前人沉积史计算结果显示,高密凹陷在王氏期的沉积速率比较稳定,约为10.8~35 m/Ma (张岳桥等, 2008).鲁科一井沉积岩的磁组构参数统计表(表 1)显示其线理(L=1.001)小于面理(F=1.067),各向异性度(Pj)由面理主导(图 3),磁化率主轴K1、K2与水平面夹角较小,K3垂直于水平面分布,整体表现为水动力偏弱且较稳定的状态,说明胶莱盆地在鲁科一井768.9~1112.3 m之间的沉积时期相对较稳定.通过特征剩磁方向恢复的磁化率主轴K1偏角在南北方向有集中的趋势(图 6),且野外露头的定向样品也验证了此结果(图 7),故可推测当时的盆地古水流方向以南北向为主.这有待于其他方法来验证此推测,比如野外露头古水流标志的观察、物源分析等.

5 结论

(1) 鲁科一井沉积岩中的主要载磁矿物为SD、MD颗粒的磁铁矿和赤铁矿,磁化率各向异性结果表明岩层产状近水平.

(2) 利用特征剩磁方向恢复鲁科一井钻孔原始方位的方法具有可行性.

(3) 结合地质资料和野外露头定向样品的实验结果,推测经特征剩磁方向校正后的磁化率椭球主轴K1的优势方向可能代表了当地的盆地古水流方向.

致谢

感谢刘青松教授的有益讨论,感谢中国地质大学(北京)张来明博士和国土资源部岩芯库相关工作人员在采样工作中的帮助.感谢两位匿名审稿专家提出的宝贵修改意见.

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