烏倫古地區(qū)石炭紀(jì)火山巖地球化學(xué)特征分析

倪勝利，王金鐸，王千軍，白仲才，程世偉，汪佳蓓

(1.中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，東營 257000；2.中國石化勝利石油管理局博士后科研工作站，東營 257000；3.重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院，重慶 401331)

元素地球化學(xué)是地球化學(xué)最主要的分支學(xué)科之一。通過逐一闡明個別元素的地球化學(xué)特征以及與其他元素的組合關(guān)系，力求完整了解元素的地球化學(xué)旋回及其演化歷史和原因，揭示元素含量變化對自然過程的指示意義。

近年來，松遼盆地、準(zhǔn)噶爾盆地以及渤海海域的火山巖油氣藏勘探取得了巨大的突破，展現(xiàn)了良好的勘探前景[1-3]。然而位于準(zhǔn)噶爾盆地東北緣的烏倫古地區(qū)歷經(jīng)多年勘探，僅部分井獲得工業(yè)油流，這可能與基礎(chǔ)地質(zhì)勘探情況不明有關(guān)。目前，前人針對該區(qū)石炭系的研究多集中于火山巖巖性巖相的識別，識別出爆發(fā)相、噴溢相等多種巖相類型[4]；運(yùn)用地震相等識別出多個火山機(jī)構(gòu)[5]；儲層特征和儲層預(yù)測研究，明確火山巖儲層受多種因素控制[6-7]；同時對烴源巖評價以及有效烴源巖分布規(guī)律[8-12]也做了相應(yīng)的分析，認(rèn)為該區(qū)強(qiáng)烈的構(gòu)造活動導(dǎo)致烴源巖分布受限，而源又是油氣勘探的重點之一，因此構(gòu)造活動分析顯得尤為重要。然而，區(qū)內(nèi)構(gòu)造環(huán)境分析鮮見報道，尤其是下石炭統(tǒng)[13-16]，同時對上石炭統(tǒng)巴山組的構(gòu)造環(huán)境分析存在一定的爭議。一些學(xué)者通過巖石學(xué)、地球化學(xué)以及地球物理等方面的研究，認(rèn)為巴山組是島弧環(huán)境的產(chǎn)物[13-14]；而另一些學(xué)者則認(rèn)為巴山組是陸內(nèi)裂谷環(huán)境的產(chǎn)物[15-19]。構(gòu)造環(huán)境的研究不僅關(guān)系到區(qū)內(nèi)構(gòu)造格局的恢復(fù)、地質(zhì)演化歷史的重建，對區(qū)內(nèi)油氣資源的勘查與評價也有十分重要的意義，而火山活動與大地構(gòu)造環(huán)境密切相關(guān)，包含了豐富的構(gòu)造信息。因此，針對這一問題，在前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合周邊野外露頭對火山巖樣品進(jìn)行地球化學(xué)分析，研究區(qū)內(nèi)上下石炭統(tǒng)火山巖的源區(qū)特征，同時進(jìn)一步落實烏倫古地區(qū)石炭系的構(gòu)造環(huán)境類型，尤其是上石炭統(tǒng)巴山組，揭示整個石炭紀(jì)的構(gòu)造演化特征。以期為深入探討研究區(qū)乃至整個準(zhǔn)噶爾盆地的構(gòu)造演化以及為盆地的基底性質(zhì)研究提供新依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

實線為勘探區(qū)塊邊界；虛線為構(gòu)造邊界圖1 烏倫古地區(qū)構(gòu)造單元劃分Fig.1 Tectonic unit division in Wulungu area

研究區(qū)包含紅巖斷階帶、索索泉凹陷、石西凹陷和石英灘凸起4個構(gòu)造單元，呈NW-SE向展布[13](圖1)，自下而上石炭系發(fā)育姜巴斯套組(C1j)和巴山組(C2b)(恰其海組、塔木崗組等多套地層在該區(qū)缺失或不發(fā)育)。由于該區(qū)海西期大規(guī)模強(qiáng)烈的地殼運(yùn)動導(dǎo)致多套地層缺失，故石炭系下部的姜巴斯套組角度不整合于泥盆系托讓庫都克組，之上的巴山組被中生代地層不整合覆蓋，缺失二疊系(圖2)。此外，區(qū)內(nèi)還廣泛發(fā)育中生界侏羅系八道灣組、三工河組、西山窯組及頭屯河組等地層，它們以角度不整合覆蓋于晚古生代地層之上。該地區(qū)石炭系主要為扇三角洲相、濱海-淺海相碎屑巖沉積以及廣泛發(fā)育溢流相、爆發(fā)相等火山巖相，含有豐富的古生物化石。

研究區(qū)姜巴斯套組整體為一套碎屑巖沉積，由下至上巖石顆粒整體表現(xiàn)出粗-細(xì)-粗的變化特征(圖2)，局部發(fā)育火山巖，火山巖巖性以凝灰?guī)r為主，其次發(fā)育安山巖、玄武巖等，鋯石測得年齡為323～330 Ma；巴山組具有火山巖和沉積巖混積發(fā)育的特點，依據(jù)優(yōu)勢相自下而上劃分出三個巖性段，分別為下火山巖段、中間沉積巖段及上火山巖段(圖2)。下火山巖段主要為灰綠色凝灰?guī)r、玄武巖、安山巖組成的爆發(fā)-噴溢韻律，熔巖極為發(fā)育，代表火山噴發(fā)作用劇烈，在頂部發(fā)育一套在橫向上具有可對比性的薄層流紋巖；中間沉積巖段底部巖石與下火山巖段呈沉積接觸，巖性以礫巖、含礫粗砂巖和泥巖為主，局部發(fā)育火山巖；上火山巖段巖性以安山巖為主，夾玄武巖及少量凝灰?guī)r。巴山組火山巖測年數(shù)據(jù)顯示年齡為318～322 Ma。研究的地球化學(xué)樣品為采自區(qū)內(nèi)鉆井及烏倫古地區(qū)周邊的野外露頭(包括扎河壩、五彩城、白堿溝等剖面)石炭系出露的火山巖。

圖2 烏倫古地區(qū)巖性綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive stratigraphic column in Wulungu area

2 樣品和測試

烏倫古地區(qū)石炭系分布較為廣泛。結(jié)合前人研究成果，火山巖巖石地球化學(xué)特征研究是基于盆地露頭和鉆井巖心顯微鏡觀察的基礎(chǔ)上，考慮盆地火山巖巖性的多樣性和取樣點分布的均勻性，選取未蝕變、未風(fēng)化的中基性火山巖樣品做進(jìn)一步分析。樣品經(jīng)過表面雜質(zhì)及風(fēng)化面清除后，研磨至200目，每個樣品縮分出兩份用于巖石主微量組成分析。巖石的主量、微量和稀土元素分析在中國石油大學(xué)(北京)測試中心測試完成。

3 地球化學(xué)特征

3.1 主量元素地球化學(xué)特征

對取自烏倫古地區(qū)鉆遇的單井及周邊野外露頭上、下石炭統(tǒng)發(fā)育的火山巖樣品進(jìn)行全巖化學(xué)分析。由巖石主量元素分析結(jié)果(表1)可知，該區(qū)上石炭統(tǒng)巴山組火山巖含有相對低含量SiO2[w(SiO2)=43.07%～53.23%]，具有中基性巖特征。同時樣品中還含有高含量的Al2O3[w(Al2O3)=15.23%～21.26%]、TiO2[w(TiO2)=1.57%～3.97%]、P2O5[w(P2O5)=0.19%～0.90%]，以及相對低含量的CaO[w(CaO)=4.85%～14.73%]、MgO[w(MgO)=2.38%～7.04%]。Mg值(Mg#)為26～57，樣品中全堿含量較高[w(K2O+Na2O)=4.61%～8.21%]，里特曼指數(shù)(Rittmann)均大于3.3，樣品的LOI(燒失量)較高，后期蝕變可能對K、Na等元素造成一定的影響?；鹕綆r硅-堿圖(TAS)如圖3(a)所示，樣品點主要落于堿性系列區(qū)域內(nèi)；由SiO2-K2O圖解[圖3(b)]可知，樣品均落在中-高鉀鈣堿性系列區(qū)域范圍內(nèi)，盡管顯示出富堿性的特征，但w(K2O)/w(Na2O)值較低，為0.02～0.28，表現(xiàn)出富鈉特征。

如表2所示，該區(qū)下石炭統(tǒng)姜巴斯套組火山巖含有相對高含量的SiO2[w(SiO2)52.09%～76.31%]，以及相對低的TiO2[w(TiO2)=0.14%～1.00%]、Na2O[w(Na2O)=2.55%～5.42%]和MgO[w(MgO)=0.17%～4.24%]含量，且w(K2O)/w(Na2O)為0.49～2.42。由硅-堿圖[圖3(a)]可知，樣品點主要落于亞堿性系列；由SiO2- K2O圖解[圖3(b)]可知，樣品同樣落在中-高鉀鈣堿性系列區(qū)域內(nèi)。樣品中Al2O3含量偏高，為11.83%～18.43%。除姜巴斯套組一塊樣品的里特曼指數(shù)(5.49)大于3.3外，區(qū)內(nèi)其余樣品里特曼指數(shù)均小于3.3，為1.30～3.22(表2)，表明后期蝕變作用可能會使Na、K等活動性較強(qiáng)的元素發(fā)生一定程度的變化，但對其他主量元素影響較小。

表1 烏倫古地區(qū)巴山組火山巖化學(xué)元素分析數(shù)據(jù)Table 1 Chemical elements analysis data of the Bashan Formation volcanic

圖3 烏倫古地區(qū)石炭系主量元素地球化學(xué)特征Fig.3 Major elements features of Carboniferous basalt

3.2 微量元素地球化學(xué)特征

烏倫古地區(qū)及其周邊石炭系火山巖稀土含量列于表1，繪制的稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化曲線(圖5)。該區(qū)巴山組樣品稀土元素總量(REE)變化于75.36×10-6～199.13×10-6，整體稀土曲線呈右傾式，輕稀土富集較為明顯。樣品未見或弱顯示負(fù)Eu異常(銪異常系數(shù)δEu為0.94～1.12，平均為1.02)的特征[圖5(a)]。部分稀土元素標(biāo)準(zhǔn)化之后的比值，即(La/Yb)N變化為2.87～5.74；(La/Sm)N為1.50～2.33(平均為1.93)、(Gd/Yb)N為1.39～2.13(平均為1.70)，表明輕重稀土分異較明顯。洋中脊玄武巖(MORB)標(biāo)準(zhǔn)化的微量元素蛛網(wǎng)圖[圖5(b)]，樣品中大離子親石元素Sr、Rb等元素相對虧損，高場強(qiáng)元素表現(xiàn)為相對富集，Nb、Ta表現(xiàn)為虧損。

姜巴斯套組稀土元素總量(REE)變化為93.16×10-6～374.64×10-6，其分布模式均為富輕稀土的右傾曲線[圖5(c)]，具有明顯的負(fù)Eu異常(δEu=0.42～1.08)。(La/Yb)N變化范圍為3.12～16.39；(La/Sm)N=2.21～4.53(平均為2.86)、(Gd/Yb)N=0.86～2.39(平均為1.49)，表明該組輕重稀土分異較明顯，輕稀土內(nèi)部分異強(qiáng)，而重稀土內(nèi)部分異較為緩和。另外，在MORB標(biāo)準(zhǔn)化的微量元素蛛網(wǎng)圖上[圖5(d)]，大離子親石元素K、La、Nd具有較高的豐度，而元素Sr的虧損則均歸因于巖漿分離結(jié)晶過程中斜長石分離結(jié)晶作用。高場強(qiáng)元素Nb、Ta，尤其是P、Ti負(fù)異常明顯，同樣表明與礦物的分離結(jié)晶有關(guān)。

表2 烏倫古地區(qū)姜巴斯套組火山巖化學(xué)元素分析數(shù)據(jù)Table 2 Elements analyses of the Jiangbasitao Formation volcanics

紅色為巴山組；綠色為姜巴斯套組圖4 烏倫古地區(qū)及周邊火山巖Harker圖解Fig.4 Harker diagram of Carboniferous volcanic rock from Wulungu area and its surroundings

4 討論

4.1 姜巴斯套組源區(qū)特征

一般來說，島弧火山的w(TiO2)=0.5%～0.83%[21]。研究區(qū)姜巴斯套組火山巖樣品w(TiO2)=0.14%～1.00%，以0.14%～0.71%為主，均值為0.51%，處于島弧火山巖TiO2的范疇，同時也說明該時期火山巖是消減帶巖漿的產(chǎn)物。由原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化的微量元素蛛網(wǎng)圖[圖5(d)]可知，高場強(qiáng)元素相對虧損，尤其是Ti、Nb、Ta，而大離子親石元素相對富集，表明其形成可能與島弧或者巖漿源區(qū)物質(zhì)中含有巖漿弧成分有關(guān)。在Nb-Y酸性巖構(gòu)造判別圖解[圖6(c)]中，樣品的投影點均落在島弧火山巖區(qū)內(nèi)，表明其形成于與俯沖作用有關(guān)的活動大陸邊緣環(huán)境。

4.2 巴山組源區(qū)特征

研究區(qū)巴山組Mg#變化為26.13～56.34，低于原始巖漿的參考值65，與姜巴斯套組一樣，說明是原始巖漿經(jīng)歷了一定程度的分異作用后的產(chǎn)物，而且演化程度較強(qiáng)。輕稀土元素相對于重稀土元素富集，(La/Yb)N大于4且Ti含量較高，推斷源區(qū)可能含有石榴石。

樣品中Ba/La值為4.56～14.44，遠(yuǎn)低于與板塊俯沖作用有關(guān)的島弧火山巖的Ba/La值(大于30)[20]；相對虧損大離子親石元素、高TiO2[w(TiO2)=1.57%～3.97%]的特征也與島弧火山巖(小于1.0%)存在差異。La/Sm值為2.84～4.05，小于4.5，且輕稀土元素(LREE)含量較低，表明該玄武巖樣品未遭受地殼物質(zhì)混染。與N-MORB相比，巴山組火山巖樣品Ti含量偏高，輕稀土元素和高場強(qiáng)元素較為富集，且Ti/V和Zr/Y值偏高，Th/Nb值(0.13～0.28)與大陸板內(nèi)裂谷火山巖比值相當(dāng)。Zr/Y-Zr構(gòu)造判別圖解[圖6(d)]同樣顯示巴山組火山巖來自于板內(nèi)環(huán)境。有資料顯示，東準(zhǔn)噶爾克拉美麗縫合帶在早石炭世已經(jīng)閉合[21]，且烏倫古地區(qū)的構(gòu)造活動受到克拉美麗縫合帶的控制，因此，推斷巴山組時期火山噴發(fā)更可能形成于造山作用后的伸展作用，其Nb、Ta虧損可能是受到消減帶或島弧巖漿混染的結(jié)果。

圖5 烏倫古地區(qū)及周邊火山巖稀土元素配分曲線Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns of volcanic rocks from Wulungu area and its surroundings

A為板內(nèi)玄武巖；B為洋脊玄武巖；C為島弧玄武巖圖6 烏倫古地區(qū)石炭系火山巖的物質(zhì)來源判別圖及構(gòu)造環(huán)境判別圖解Fig.6 Diagram for discriminating provenances and formation environment of carboniferous volcanic from Wulungu area

4.3 烏倫古地區(qū)石炭紀(jì)構(gòu)造演化

石炭紀(jì)是準(zhǔn)噶爾盆地發(fā)展史中極為重要的一個地質(zhì)歷史時期。該時期克拉美麗-三個泉-達(dá)爾布特斷裂帶是較為活躍的斷裂帶之一，對烏倫古地區(qū)的構(gòu)造演化及沉積環(huán)境起著一定的控制作用。上述地球化學(xué)證據(jù)分析為烏倫古地區(qū)石炭紀(jì)構(gòu)造演化提供了新證據(jù)。早石炭世，在泥盆紀(jì)構(gòu)造活動的基礎(chǔ)上，克拉美麗殘余洋盆仍處于收縮階段，洋盆繼續(xù)向南北兩側(cè)俯沖，在烏倫古地區(qū)南緣形成火山弧?？死利惿呔G巖帶中發(fā)現(xiàn)的早石炭世的放射蟲化石，以及晚石炭世的花崗質(zhì)巖基切穿該蛇綠巖帶的發(fā)現(xiàn)均表明早石炭世末期克拉美麗洋盆關(guān)閉[21]。在晚石炭世，克拉美麗洋盆的關(guān)閉導(dǎo)致南北兩側(cè)板塊的碰撞(主要為烏倫古與三個泉兩個島弧帶相互拼接)使巖石圈不斷增厚，隨后又在斷陷作用的控制下，巖石圈開始減薄，此時，上地幔物質(zhì)熔融致使地殼出現(xiàn)斷裂形成板內(nèi)裂谷。換而言之，烏倫古地區(qū)從早石炭世姜巴斯套組到晚石炭世巴山組一直處于洋殼消減環(huán)境，石炭紀(jì)早期表現(xiàn)為島弧構(gòu)造環(huán)境，隨著構(gòu)造運(yùn)動的持續(xù)發(fā)生，在石炭紀(jì)晚期巴山組沉積時期進(jìn)入陸內(nèi)裂谷演化階段，與準(zhǔn)噶爾盆地克拉美麗地區(qū)石炭紀(jì)的構(gòu)造演化模式相似。

5 結(jié)論

(1)烏倫古地區(qū)巴山組地球化學(xué)特征顯示出高TiO2含量，低程度的輕稀土富集，Eu略顯負(fù)異常，大離子親石元素相對虧損，而高場強(qiáng)元素相對富集的特征，與陸內(nèi)裂谷環(huán)境火山巖特征十分相似。較低的Th/Nb值以及Nb、Ta虧損等類似于島弧火山巖特征揭示該時期火山巖遭受到弧組分的混染作用。

(3)在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合地球化學(xué)數(shù)據(jù)比對以及構(gòu)造環(huán)境判別圖分析，揭示在克拉美麗斷裂帶-三個泉-達(dá)爾布特斷裂帶的控制下，烏倫古地區(qū)姜巴斯套組火山巖來源于活動陸緣弧的大地構(gòu)造環(huán)境，此時，克拉美麗洋盆雙向俯沖，直至早石炭紀(jì)末期關(guān)閉；隨后進(jìn)入碰撞造山階段，島弧帶的拼接導(dǎo)致巖石圈增厚，后期的重力均衡有造成巖石圈伸展減薄，即石炭紀(jì)經(jīng)歷了由島弧環(huán)境向陸內(nèi)裂谷環(huán)境演化的過程。這一研究結(jié)果系統(tǒng)分析了烏倫古地區(qū)石炭紀(jì)構(gòu)造格局演化特征，以期為研究區(qū)乃至整個準(zhǔn)噶爾盆地石炭系基底性質(zhì)研究與構(gòu)造演化提供新依據(jù)，此外，對研究區(qū)相關(guān)油氣藏成藏條件研究也具有十分重要的意義。