松遼盆地徐家圍子斷陷營城組粗面巖成因與隱爆機制

孟凡超，劉嘉麒，崔 巖

1.中國石油大學（華東）地球科學與技術學院，山東 青島 266555

2.中國科學院地質與地球物理研究所，北京 100029

3.吉林大學地球科學學院，長春 130061

4.中國石油大學勝利學院，山東 東營 257097

0 引言

火成巖作為一類特殊的油氣儲層得到越來越多石油地質學家的青睞。勘探證實，不同巖性、巖相的巖石均可成為有利儲層［1－2］，如：日本新瀉地區(qū)以流紋巖與英安巖為主的火山熔巖儲層［3］；美國Great Basin盆地Trap Spring油氣田中火山凝灰?guī)r儲層［1］；我國遼河盆地歐利坨子地區(qū)玄武巖、粗面巖、粗面斑巖儲層［4－5］；澳大利亞Browes盆地下侏羅統(tǒng)和渤海灣盆地惠民凹陷沙一、三段中輝綠巖儲層［6－7］。據統(tǒng)計，在全球已發(fā)現的火成巖油氣藏中，超過50%的油氣產于中基性巖中，而酸性火山巖相對較少［8］。各類火成巖儲層的儲集空間受巖漿性質、噴發(fā)方式、成巖作用及后期改造等多重因素影響。

松遼盆地營城組火山巖儲層以酸性火山碎屑巖及熔巖為主［9］，這與勘探初期尋找構造高點有直接關系。隨著勘探深入，在玄武巖、安山巖及粗面巖等中基性溢流相火山巖中也獲得了較大突破，其中粗面巖是中基性巖中重要的儲層之一，儲集物性較好［10］。事實上，遼河油田早在20世紀90年代就已在歐利坨子地區(qū)沙三下亞段粗面質火成巖中發(fā)現了規(guī)?？捎^的油氣資源［5］。松遼盆地北部的安達、徐東地區(qū)發(fā)現了粗面質巖石，對于其產狀和儲層特征已進行了較高程度的研究［10－11］，但是對其巖石成因仍認識不清。筆者通過對典型鉆井粗面巖巖心巖石學觀察及巖石地球化學分析，探討了松遼盆地北部粗面巖巖石成因。結合鉆井與地震剖面解釋，在前人工作基礎上，詳細分析了粗面質隱爆角礫巖形成機制，為進一步預測粗面巖儲層分布規(guī)律奠定基礎。

1 地質背景與巖石學特征

松遼盆地處于松嫩微陸塊之上（圖1a），東、北、西三面被張廣才嶺、小興安嶺和大興安嶺所圍繞，北面為蒙古－鄂霍茨克縫合帶，是我國中－新生代較大的具有斷陷－坳陷雙重結構的大型疊合盆地。盆地上部坳陷主要是沉積蓋層，下部斷陷為火山巖夾煤系地層［12］。徐家圍子斷陷位于松遼盆地北部，中央古隆起東側（圖1b）。營城組火山巖是松遼盆地3 000m以下斷陷期的主要油氣儲層［13］。營城組火山巖主要分布在營一段和營三段：營一段火山巖年齡為120～130Ma，以酸性火山巖為主，夾中基性火山巖，主要分布在徐家圍子斷陷中部及以南地區(qū)；營三段火山巖年齡為110～115Ma，中基性巖與酸性巖均有發(fā)育，主要分布在徐家圍子斷陷中部及其以北地區(qū)［11］。

松遼盆地北部徐家圍子斷陷粗面巖主要發(fā)育在營城組一段中，表現為高位噴發(fā)、低位充填的特征，在火山口附近厚度大，遠離火山口厚度小。目前在XS10、XS11、XS213、SHES203、SHES7等井區(qū)發(fā)現厚層粗面巖，分布廣泛［11］（圖1c）。與玄武巖相比，粗面巖巖漿黏度高，噴出后不易流動，大多形成距離短而厚的熔巖流，充填低地形，地震剖面上呈反丘狀、透鏡狀和不規(guī)則狀，內部多見雜亂反射，中弱振幅，連續(xù)性差至中等（圖2）。

以XS10井作為主要研究對象。該井所處的火山巖圈閉位于升平－興城鼻狀構造帶上，靠近豐樂低隆起?；鹕綆r體面積27.7km2，鉆遇營城組火山巖厚度449.5m（未穿），鉆井取心累計進尺16.40 m，累計心長15.58m，平均收獲率95.0%。巖心描述與顯微薄片觀察表明，巖心整體呈紫紅色，致密堅硬，斑狀結構，斑晶為自形－半自形中性斜長石，體積分數不足5%，另有少量石英，少見鉀長石斑晶?；|為隱晶質，顯微鏡下可見基質具有細小堿性長石半定向排列的粗面結構（圖3）。巖心見不規(guī)則裂隙，多呈高角度，裂隙寬為0.5～1.0mm，另外可見暗紫色隱晶質“巖汁”穿插其中，寬度不等，0.5mm～1.0cm，其中寬1.0cm范圍的“巖汁”多夾雜著粗面巖小碎塊。局部可見較大粗面巖角礫被“巖汁”膠結在一起，形成隱爆角礫巖，即巖漿期后熱液流體炸碎已經噴出地表的粗面巖，并將其角礫膠結在一起形成原地角礫巖（圖3）。

圖1 徐家圍子斷陷地理位置與粗面巖分布簡圖（圖c據文獻［11］修編）Fig.1 Simplified geological map and distribution of trachyte in Xujiaweizi depression，Songliao basin（map of c modified from reference［11］）

2 樣品處理與實驗方法

由于粗面巖經歷了隱爆角礫作用，因此必須將原巖與后期熱液分離，以保證原巖地球化學測試的準確性。樣品全部采自XS10井粗面巖（圖3），選擇6塊含最少“巖汁”的樣品進行后期處理，將原巖與后期熱液物質分離開。樣品分離工作在河北省地礦局廊坊實驗室完成。具體分離過程：1）用碎樣機將樣品粗碎后（40目以上），挑選出原巖（原巖和巖汁在顏色和結構上有明顯差異）；2）對于40目仍無法分離的樣品，用研缽繼續(xù)破碎直至能將原巖與巖汁分離的粒級為止，然后繼續(xù)挑選；3）選樣完成后，對于能觀察到碳酸鹽礦物的樣品進行質量分數為10%的稀鹽酸處理，去除雜質；4）60℃烘干樣品，破碎至200目用于地球化學分析測試。

圖2 XS10－XS11連井地震剖面圖Fig.2 XS10－XS11connecting－well seismic section

圖3 鉆井巖心與顯微薄片照片Fig.3 Photos of core and microscopic section

樣品的巖石地球化學測試工作在中國科學院地質與地球物理研究所巖石圈演化國家重點實驗室完成。主量元素使用X－射線熒光光譜儀（XRF－1500）采用外標法測定，分析誤差優(yōu)于5%。微量元素利用酸溶法制備樣品，使用ICP－MS（ElementⅡ）標準曲線法測試，用國家標準參考物質GRS1（花崗巖）進行質量監(jiān)控，絕大多數元素RSD≤10。Sr－Nd－Pb同位素組成用德國Finnigan公司生產的MAT262熱電離質譜儀測定。Sr同位素比值采用86Sr／88Sr＝0.119 4進行質量分餾校正；Nd同位素比值采用146Nd／144Nd＝0.721 9進行校正；Pb同位素比值采用NBS－981標樣進行校正 。

3 巖石地球化學分析結果

3.1 主量元素

粗面巖主量和微量元素分析結果列于表1。w（SiO2）為62.23%～64.64%，平均為63.83%，w（K2O＋Na2O）為 11.78% ～12.42%，平均為11.98%，Na2O／K2O為0.95～1.53，鉀鈉質量分數基本相當。w（Al2O3）較高，為16.38%～17.76%，平均為17.03%。TAS圖解顯示（圖4a），本次所測樣品與大慶油田對XS10和XS11井測試的粗面巖樣品都分布在粗面巖與粗面英安巖范圍之內。標準礦物計算q①q＝［Q／（Q＋An＋Ab＋Or）］＊100%，Q、An、Ab、Or為計算所得CIPW 標準礦物質量分數。為3.9%～5.3%，屬于粗面巖范圍，與松遼盆地營城組主體火山巖硅堿質量分數差異較大。在w（SiO2）－w（K2O）圖上，樣品全部投影在鉀玄巖系列（圖4b），屬于堿性系列巖石，里特曼指數平均值達6.9，而營城組主體火山巖屬于鈣堿性或高鉀鈣堿性系列。

3.2 稀土元素和微量元素

松遼盆地北部粗面巖的稀土元素富集，w（∑REE）＝（217.448～254.987）×10－6，平均為239.900×10－6，（La／Yb）N＝10.3～14.3，輕重稀土分餾明顯，重稀土內部分餾不明顯。中等程度負Eu異常，δEu＝0.49～0.63。在稀土配分圖上（圖5a），曲線為右傾型，輕稀土傾斜較大，重稀土相對平緩，配分型式與松遼盆地營城組基性巖曲線相交［19］。

粗面巖強不相容元素Rb、Ba、Th、U質量分數較高，w（Rb）為（89.547～132.48）×10－6（平均為107.210× 10－6）、w（Ba）為（751.364 ～1 088.399）×10－6（平均為 869.820×10－6）、w（Th）為（11.635～14.429）×10－6（平均為13.386×10－6）、w（U）為（1.779～3.147）×10－6（平均為2.288×10－6）。在原始地幔標準化蛛網圖上，曲線為峰谷相間的右傾型，強不相容元素（Rb、Ba、Th、U、Nb、K等）正異常，Sr、P、Ti負異常（圖5b）。粗面巖微量元素標準化曲線與松遼盆地營城組基性巖曲線不平行，反而相交。

3.3 Sr－Nd－Pb同位素特征

粗面巖Sr、Nd、Pb同位素分析結果見表2。3個粗面巖樣品都具有較低的（87Sr／86Sr）i，相對應較高的εNd（t）值。在Sr－Nd圖上，投影在OIB范圍之內或OIB和CFB界限上（圖6）。

卡拉膠是從麒麟菜、石花菜、鹿角菜等紅藻類海草中提煉出來的親水性膠體。卡拉膠穩(wěn)定性強，具有溶解性、膠凝性、增稠性、協同性，可以被大腸細菌酵解成短鏈脂肪酸，成為益生菌的能量源。從幾百年來人們的食用和商業(yè)應用可以證明，這種東西并不含有害人體的物質[3]。卡拉膠本身是增稠劑，但它不是從工業(yè)中提煉出來的，而是從海里的植物中提煉出來的，所以具有一定的營養(yǎng)價值。

粗面巖的Pb同位素比值具有高度一致性，變化范圍非常小，其中（206Pb／204Pb）i、（207Pb／204Pb）i、（208Pb／204Pb）i的平均值分別為18.389、15.505和38.151，在相關判別圖上［22］，樣品都投影在地幔演化線附近（圖7）。

圖4 徐家圍子斷陷營城組粗面巖TAS（a）與w（SiO2）－w（K2O）圖解（b）Fig.4 TAS（a）and SiO2－K2O（b）diagrams for trachytes from Yingcheng Formation in Xujiaweizi，Songliao basin

表1 松遼盆地徐家圍子營城組粗面巖主量元素和微量元素質量分數Table 1 Major elements and trace elements of composition trachytes from Yingcheng Formation in Xujiaweizi，Songliao basin

4 粗面巖成因

4.1 蝕變作用與陸殼混染

盆地火山巖長期受熱液活動、埋深變質、低溫水合作用和長英質基質本身脫?；饔玫扔绊懀g變作用是不可避免的。這些過程均可不同程度地活化某些主量元素（Si，Na，K，Ca）和大離子親石元素（Rb、Ba、Sr），但基本不會改變高場強元素和稀土元素的活動性［23］，具體表現為：低溫水合和長英質脫?；饔靡讓е翶、Si元素的增加而Na元素減少；熱液活動通常會使K、Rb、Ba和Si元素富集而Na、Ca和Sr虧損；埋藏和區(qū)域變質作用也會提高K、Sr、Rb和Ba等元素的活動性。因此，對盆地火山巖成因的分析應該主要集中于 HFSE（Zr、Hf、Nb、Ta、Ti、P）和REE。本次所采粗面巖巖心相對新鮮，主、微量元素都相對比較集中，離散性?。▓D4、5），表明其受蝕變作用影響較小，可以用于討論巖石成因。

表2 松遼盆地徐家圍子營城組粗面巖Sr－Nd－Pb分析結果Table 2 Sr－Nd－Pb isotope composition of trachytes from Yingcheng Formation in Xujiaweizi，Songliao basin

圖5 徐家圍子斷陷營城組粗面巖球粒隕石標準化稀土配分圖（a）和原始地幔標準化微量元素蛛網圖（b）Fig.5 Chondrite－normalized rare earth element（REE）pattern（a）and primitive mantle－normalized trace element pattern（b）of trachytes from Yingcheng Formation in Xujiaweizi，Songliao basin

大陸內部產生的巖漿在上升過程中很容易受到不同程度的陸殼物質混染，但也不是完全絕對的。Nb／U值通常可以作為判別地殼混染的標志：洋中脊玄武巖（MORB）和洋島玄武巖（OIB）的Nb／U值高而均一（47±10）［24］，大陸地殼的 Nb／U 通常較低（9.7）［25］，本區(qū)粗面巖 Nb／U 值為25～41，表明地殼物質加入并不明顯。K2O／Na2O（0.65～1.06）相對穩(wěn)定，w（Sr）值未明顯升高，較高的w（Nb）、εNd（t）（3.42～3.90）和較低的La／Nb（小于0.9）也排除了顯著的地殼混染。

4.2 部分熔融與分離結晶

前人研究表明，部分熔融與分離結晶均可產生粗面巖（正長巖）巖漿。低壓環(huán)境下，堿性或過堿性玄武質巖漿可直接分離結晶產生粗面質巖漿，具有明顯的負Eu異常。高壓環(huán)境下（＞1.5GPa），加厚陸殼底部部分熔融也可產生粗面巖（正長巖）巖漿，其熔融殘余礦物中無斜長石，相當于榴輝巖礦物組合，具有無負Eu異常的稀土配分樣式［26］。

圖6 徐家圍子斷陷營城組粗面巖（87Sr／86Sr）i－εNd（t）圖解Fig.6（87 Sr／86 Sr）i－εNd（t）diagram for trachyte from Yingcheng Formation in Xujiaweizi，Songliao basin

松遼盆地營城組粗面巖是否為玄武質巖漿經結晶分異形成？如果分離結晶作用是主要的巖漿演化過程，那么粗面巖與本區(qū)玄武質巖石應具有連續(xù)的演化關系，而松遼盆地營城組火山巖巖石學與硅堿圖（圖4）顯示：本區(qū)火山巖以中酸性鈣堿性巖為主，玄武質巖石相對較少，尤其缺乏粗面玄武巖、玄武粗面安山巖以及粗面安山巖系列；在主量和微量Harker圖上（圖略），粗面巖也不具有與中基性巖連續(xù)演化趨勢，因此粗面巖由基性巖漿直接分離結晶作用形成的可能性較小。此外，無論是稀土元素還是微量元素配分圖，本區(qū)粗面巖并未有繼承基性巖分布模式特征，兩者的分布曲線反而相交，也證明粗面巖不太可能由本區(qū)玄武質巖漿分離結晶而來。利用強不相容元素和弱不相容元素的比值可以區(qū)分部分熔融與分離結晶作用。筆者所測6個粗面巖樣品在La／Yb－La圖解中呈現出相對吻合的斜線（圖8），表明粗面質巖漿主要由部分熔融作用形成。粗面巖中Sr與Eu的虧損，表明在粗面質巖漿的形成過程中，可能存在一定量的斜長石分離結晶。Rb與K的正異常表明鉀長石分離結晶作用不明顯，這與粗面巖中斑晶體積分數較低（＜5%）且主要為斜長石、無鉀長石相吻合。

圖7 徐家圍子營城組粗面巖（207 Pb／204 Pb）i－（206 Pb／204Pb）i、（208Pb／204Pb）i－（206Pb／204 Pb）i相關圖（底圖據文獻［22］）Fig.7（207 Pb／204 Pb）i－（206 Pb／204 Pb）iand（208 Pb／204 Pb）i－（206 Pb／204 Pb）icorrelation diagrams for trachyts from Yingcheng Formation in Xujiaweizi，Songliao basin（base map modified from reference［22］）

4.3 粗面巖源區(qū)

粗面質巖石巖漿源區(qū)類型多樣，主要包括：1）粗面質巖石和玄武質巖石為同源巖漿分離結晶產物［27］，也有人認為兩者不具演化關系，為異源巖漿產物［28］；2）鐵鎂質巖漿底侵導致下地殼熔融［29］；3）幔源玄武質巖漿同化混染殼源花崗質巖漿產生［30］；4）年輕下地殼受深俯沖上地殼析出流體交代后部分熔融產生［31］。

圖8 粗面巖La／Yb－w（La）圖解Fig.8 La／Yb－w（La）diagram of trachytes

松遼盆地營城組基性巖與粗面巖Sr、Nd同位素主要落入OIB范圍內（圖6），說明2類巖漿可能都主要來自類似于OIB的地幔源，但兩者不具演化關系（前文已述）。粗面巖εNd（t）為正值，卻顯著低于 MORB，遠高于正常地殼值，且初始（87Sr／86Sr）i遠遠低于地殼值，排除了粗面質巖漿為虧損地?；虺墒斓貧げ糠秩廴诋a物?；◢弾r研究表明，中國北方中生代存在廣泛分布的剛從地幔分離不久的年輕地殼物質［32］，粗面巖正εNd（t）值與中國東北地區(qū)廣泛分布的花崗巖Nd同位素極為相似，表明粗面巖巖漿形成過程中年輕物質應起到重要作用，較低的Nd模式年齡（3個樣品的平均值為522Ma）也證明了這一點（粗面巖年齡定為115Ma，營城組一段火山巖主體年齡）。粗面巖的εNd（t）值（平均值3.59）稍高于營城組同時期流紋巖值（1.38～3.38）［33］，表明其源區(qū)古老地殼加入有限，主要為年輕地殼。事實上，近年來天然巖石樣品的實驗巖石學研究表明，無論是大陸地殼還是加厚地殼巖石高壓條件下部分熔融主要形成花崗質成分，很難形成正長質（粗面巖）巖漿［34－35］，理論上也排除了粗面巖為成熟地殼的部分熔融。根據李龍等［22］建立的我國大陸中、新生代花崗巖鉛構造模式圖（圖7），松遼盆地粗面巖均落入地幔演化線附近，也表明源區(qū)具有幔源組分特征，而在208P／204Pb－206Pb／204Pb圖上，粗面巖位于上下地殼并靠近上地殼端元，可能代表源區(qū)含有因俯沖而帶入的上地殼流體成分。

綜上所述，松遼盆地徐家圍子斷陷粗面巖地球化學特征既不同于虧損地幔部分熔融產物，也不同于成熟度高的陸殼部分熔融產物，其源區(qū)與東北地區(qū)廣泛存在的年輕地殼物質密切相關，考慮鉛同位素特征，可能有少量地殼物質加入源區(qū)。原始巖漿形成之后在上升過程中基本未受地殼物質混染，但發(fā)生了一定程度的分離結晶作用。中國東部中生代以來受太平洋板塊俯沖影響，區(qū)域軟流圈上涌、巖石圈大規(guī)模去根減薄，且在120～130Ma的早白堊世達到高潮［36］；與此同時，區(qū)域新生地殼與古老地殼混合熔融產生了大規(guī)模的中酸性巖漿，包括松遼盆地斷陷期酸性巖漿活動［33］。在古老地殼少量參與下，區(qū)域年輕地殼發(fā)生部分熔融產生了粗面巖原始巖漿，經進一步分離結晶作用形成松遼盆地營城組粗面巖。

5 隱爆角礫巖形成機制

隱爆角礫巖是近地表超淺成（0.5～3km）封閉條件下巖石經隱蔽爆發(fā)作用形成的角礫狀碎屑巖。一般在巖漿上侵活動的末期，巖體尚未完全固結，在其頂部聚集了大量含揮發(fā)分的巖漿期后熱液，隨著熱液不斷聚集，溫度、壓力隨之升高，當破碎帶內壓力超過圍巖承受壓力時，發(fā)生隱蔽爆破［37－38］。隱爆角礫巖由于受多期熱液活動影響，富集多種金屬元素，如金、銀、銅、鉛、鋅、鐵、鎢、鉬等［39－40］。近年來，火成巖儲層研究表明，隱爆角礫作用是火成巖儲層形成的主要控制因素之一。我國遼河油田歐利坨子地區(qū)油氣藏儲層主要為粗面質隱爆角礫巖［5，41］。當粗面質巖漿侵入到淺地表圍巖后，隨著巖漿冷凝結晶，溫度、壓力不斷降低，在巖漿周圍逐漸形成一層粗面斑巖冷凝殼，隨后巖漿中的CO2、H2O等揮發(fā)物質不斷聚集在風化殼下部，當冷凝殼不足以承受內部壓力時，已結晶的、未結晶的以及圍巖都將在原地發(fā)生炸裂，隨后熱液物質快速冷凝結晶，“膠結”原巖形成隱爆角礫巖。

熱液活動是巖漿期后作用的重要組成部分，一般溫度在50～700℃（低于400℃為主），壓力介于10～30kPa［42］。松遼盆地白堊系巖漿期后熱液活動十分發(fā)育［43］，表現形式多樣，如孔縫充填的碳酸鹽或硅質沉積物，流體包裹體中的烴或CO2，隱爆角礫巖內充填的“巖汁”等，其中熱液流體導致的隱爆角礫作用對火山巖儲層物性影響最大［44］。王璞珺等［43］在研究松遼盆地東南隆起區(qū)營城組火山巖剖面時發(fā)現，營城組巖漿期后熱液活動所產生的隱爆角礫巖化現象主要見于古火山口附近，直徑通常為500～1 000m，面積1～2km2，深源富氧富揮發(fā)分熱液流體沿火山通道向上運移聚集。松遼盆地鉆井巖心揭示的隱爆角礫巖與盆地東南緣所發(fā)現的角礫巖基本相似。

火山巖中隱爆角礫巖化機理與次火山巖有所差別，通過地震剖面、鉆井巖心觀察，筆者認為營城組粗面巖中的隱爆角礫巖形成機制如下：

1）沙河子組沉積后，玄武質巖漿從巖漿房沿斷裂穿過下部地層噴出地表形成營城組玄武巖，玄武巖覆蓋在沙河子組或火石嶺地層之上，充填低洼地帶（圖9a）。

圖9 徐家圍子斷陷粗面質隱爆角礫巖形成模式圖Fig.9 Formation model of trachytic crypto－explosive breccia from Yingcheng Formation in Xujiaweizi depression，Songliao basin

2）粗面質巖漿形成后沿原有斷裂和古火山通道多次噴發(fā)，形成多期次的溢流相粗面巖。后期熱液流體中的氣相物質（富含H2O、CO2、CH4等氣體）不斷聚集至粗面巖冷凝殼內，聚集帶處隨著巖漿冷凝可產生少量收縮縫（圖9b）。

3）隨著巖漿進一步冷凝結晶，氣體不斷聚集，當冷凝殼的氣體內壓大于外壓時，氣體聚集帶附近發(fā)生爆炸，巖石爆碎、震碎以及崩碎形成角礫及碎粉，體積增加，孔隙度和滲透率增大（圖9c）。

4）角礫形成之后，深部巖漿房“巖汁”沿著早期斷裂持續(xù)向上運移，聚集至角礫破碎帶內。隨著溫度下降，逐漸冷凝結晶，固結已形成的隱爆角礫，形成隱爆角礫巖（圖9d）。

6 結論

1）松遼盆地徐家圍子斷陷粗面巖主要分布在營城組三段，表現為高位噴發(fā)、低位充填的特征，在火山口附近厚度大，遠離火山口厚度小。

2）營城組粗面巖屬于鉀玄巖系列，富集稀土元素，強不相容元素Rb、Ba、Th、U質量分數較高。粗面巖具有較低的（87Sr／86Sr）i，相對較高的εNd（t）值。粗面質巖漿為區(qū)域年輕地殼組分部分熔融形成，經歷了一定程度的分離結晶作用。

3）粗面巖經多次噴發(fā)后，深部熱液氣體不斷聚集至粗面巖內部發(fā)生隱蔽爆炸，在角礫固結之前，巖漿期后“巖汁”充填其中，膠結已形成的角礫，形成隱爆角礫巖。

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