渤海灣盆地渤中凹陷義縣組火山噴發(fā)旋回及其分布規(guī)律

摘要：

渤海灣盆地渤中凹陷義縣組火山巖分布范圍廣，地層結(jié)構(gòu)復雜、橫向變化快，其火山噴發(fā)旋回的劃分對研究火山巖空間展布特征和指導油氣開發(fā)具有重要的意義?；?/p>

渤海灣盆地渤中凹陷義縣組

38口鉆遇火山巖層系的巖心、壁心薄片、鋯石UPb測年等地質(zhì)資料以及測井和地震資料，綜合利用火山地層學方法及地震火山地層學理論，對

火山噴發(fā)旋回、火山巖分布及其與斷裂的關(guān)系以及火山噴發(fā)旋回的油氣地質(zhì)意義開展研究。結(jié)果表明：1）渤海灣盆地渤中凹陷義縣組火山巖可劃分為3個旋回，旋回一為基性旋回，主要發(fā)育玄武巖、玄武質(zhì)凝灰?guī)r，平均鉆遇厚度為189 m，火山巖噴發(fā)時間為128～122 Ma；旋回二為中性旋回，主要發(fā)育安山巖、粗安巖，平均鉆遇厚度為232 m，火山巖噴發(fā)時間為122～115 Ma；旋回三為酸性旋回，主要發(fā)育流紋巖、隱爆角礫巖，平均鉆遇厚度為241 m，火山巖噴發(fā)時間為115～114 Ma。2）旋回一火山巖在渤中凹陷內(nèi)分布最廣，僅渤南低凸起、石臼坨凸起和渤東低凸起北段缺失該地層，其分布主要受燕山期走滑斷裂控制，以裂隙式噴發(fā)為主；旋回二火山巖在渤中凹陷內(nèi)大面積分布，僅渤南低凸起、石臼坨凸起主體以及渤東凹陷內(nèi)缺失該地層，其分布主要受燕山期走滑斷裂以及NWW向印支期先存斷裂控制，以中心式噴發(fā)為主；旋回三酸性火山巖在渤中凹陷內(nèi)分布面積顯著縮小，在渤中凹陷北段大面積缺失該地層，其分布主要受燕山期走滑斷裂以及部分NWW向印支期先存斷裂控制，以中心式噴發(fā)為主。3）本區(qū)旋回二與旋回三火山巖具有較好的儲層物性特征，且油氣顯示效果良好，可作為渤海域渤中凹陷義縣組火山巖油氣藏勘探的有利層位。

關(guān)鍵詞：

渤海灣盆地；渤中凹陷；白堊系；義縣組火山巖；旋回劃分；地層分布；鋯石UPb測年；火山巖油氣藏

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20240230

中圖分類號：P618.13；P588.14

文獻標志碼：A

劉翔宇，單玄龍，衣健，等. 渤海灣盆地渤中凹陷義縣組火山噴發(fā)旋回及其分布規(guī)律.吉林大學學報（地球科學版），2024， 54（6）：18291845. doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20240230.

Liu Xiangyu， Shan Xuanlong， Yi Jian， et al. Volcanic Eruption Cycle and Distribution of Yixian Formation in Bozhong Sag， Bohai Bay Basin. Journal of Jilin University （Earth Science Edition）， 2024，54（6）：18291845. doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20240230.

收稿日期：20240827

作者簡介：劉翔宇（2002—），男，碩士研究生，主要從事礦產(chǎn)普查與勘探方面的研究， E-mail：1776553007@qq.com

通信作者：衣?。?984—）， 男， 副教授， 研究生導師， 主要從事油氣資源勘探方面的研究， E-mail： yijian@jlu.edu.cn

基金項目：國家自然科學基金項目（41972313，41790453）

Supported by the National Natural Science Foundation of China （41972313， 41790453）

Volcanic Eruption Cycle and Distribution of Yixian Formation in Bozhong Sag， Bohai Bay Basin

Liu Xiangyu， Shan Xuanlong， Yi Jian， Su Siyuan， Li Jiahui， Pang He， Zou Yujie

College of Earth Sciences， Jilin University， Changchun 130061， China

Abstract：

The volcanic rocks of Yixian Formation in Bozhong sag of Bohai Bay basin are widely distributed， but the stratigraphic structure is complex and the lateral variation is fast. The division of volcanic eruption cycles is of great significance for studying the spatial distribution characteristics of volcanic rocks and guiding oil and gas development. Based on the geological data such as core， wall-core thin section， zircon UPb dating and logging and seismic data of volcanic rock strata in 38 wells， the volcanic eruption cycle， volcanic rock distribution and its relationship with faults， as well as the oil and gas geological significance of volcanic eruption cycle of Yixian Formation in Bozhong sag of Bohai Bay basin were studied by using volcanic stratigraphy method and seismic volcanic stratigraphy theory. The results show that：1） The volcanic rocks of Yixian Formation in Bozhong sag of Bohai Bay basin can be divided into three cycles. The first cycle is a basic cycle， which mainly develops basalt and basaltic tuff. The average drilling thickness is 189 m， and the eruption time of volcanic rocks is 128122 Ma. The second cycle is a intermediate cycle， which mainly develops andesite and trachyandesite. The average drilling thickness is 232 m， and the eruption time of volcanic rock is 122115 Ma. The third cycle is an acidic cycle， mainly developed rhyolite and crypto-explosive breccia rocks. The average drilling thickness is 241 m， and the volcanic eruption time is 115114 Ma. 2） Volcanic rocks of Cycle 1 are the most widely distributed in the Bozhong sag， and only the Bonan low uplift， Shijiutuo uplift， and the northern part of the Bodong low uplift lack the strata. Their distribution is mainly controlled by the Yanshanian strike-slip faults and is dominated by fissure eruption. Volcanic rocks of Cycle 2 are widely distributed in Bozhong sag， only Bonan low uplift， Shijiutuo uplift and Bodong sag are lack of this stratum. Its distribution is mainly controlled by strike-slip faults in Yanshanian and pre-existing faults in Indosinian" in NWW direction， which is dominated by central eruption. The distribution area of the Cycle 3 acid volcanic rocks in the Bozhong sag is significantly reduced， and the formation is missing in a large area in the northern part of the Bozhong sag. Its distribution is mainly controlled by the strike-slip faults in the Yanshanian" and some pre-existing faults in the NWW Indosinian. 3） The volcanic rocks of Cycle 2 and Cycle 3 in this area have good reservoir physical properties， and the oil and gas display effect is good， which can be used as a favorable horizon for the exploration of volcanic oil and gas reservoirs in Yixian Formation of Bozhong sag in Bohai basin.

Key words：

Bohai Bay basin; Bozhong sag; Cretaceous; volcanic rocks of the Yixian Formation; cycle division; stratigraphic distribution; zircon UPb dating; volcanic oil and gas reservoirs

0" 引言

火山巖作為一種重要的非常規(guī)油氣儲層［1］，近年來逐漸引起國內(nèi)外諸多地質(zhì)工作者的廣泛關(guān)注。渤海油田相繼發(fā)現(xiàn)的渤中83S、秦皇島30、旅大25、428W等多個中生界火山巖油氣藏，展現(xiàn)了渤海海域中生界火山巖的巨大潛力［24］?；鹕綆r油氣勘探的首要任務是尋找火山巖儲層［56］，而火山巖儲層刻畫與對比需要在火山地層格架約束下進行，因此在進行火山巖油氣藏勘探時，首先需要建立火山地層格架［7］。針對火山地層格架，許多學者［712］提出了火山旋回劃分方案。如：冀國盛等［7］在研究金湖凹陷以熔巖流為主的火山巖時，提出了“旋回亞旋回巖流組巖流單元”作為火山地層劃分方案；黃玉龍等［8］在研究松遼盆地營城組火山巖時，提出了“旋回期次巖相”的三級劃分方案；羅權(quán)生等［9］在研究新疆三塘湖盆地牛東地區(qū)卡拉崗組火山巖時，提出了“旋回亞旋回期次韻律層”五級地層劃分方案。在渤海灣盆地中生界火山巖地層的精細刻畫中，王五力等［10］通過對義縣組標準地層剖面的建立和研究，將義縣組火山巖劃分為基性、中基性、中性、中酸性4個亞旋回；邢德和等［11］通過遼寧北票義縣組的野外露頭調(diào)研，認為火山活動具有基性中性酸性的演化特征；吳慶勛等［12］利用“旋回期次巖相”三級分類方案，將渤海灣盆地中生界火山巖劃分為3個旋回和3個亞旋回。以上研究利用了不同方案對火山旋回進行劃分，但仍存在如下問題亟待解決：首先，對盆緣露頭［1011，13］的研究不能準確地反映盆地內(nèi)火山旋回變化特征；其次，對盆內(nèi)的劃分方案主要針對整個渤海灣盆地中生界［12］，未對渤中凹陷義縣組組內(nèi)旋回進行系統(tǒng)劃分；最后，由于未對旋回進行地震解釋，不同旋回火山巖的空間分布不明。

筆者基于渤中凹陷內(nèi)38口鉆遇火山巖層系的巖心、壁心薄片、鋯石UPb年齡等地質(zhì)資料以及測井和三維地震資料，依據(jù)火山地層學方法及地震火山地層學理論，通過火山地層噴發(fā)間斷不整合界面識別［1415］，研究渤中凹陷義縣組火山噴發(fā)旋回，以期明確火山巖分布與斷裂的關(guān)系，闡述火山噴發(fā)旋回的油氣地質(zhì)意義。

1" 區(qū)域地質(zhì)概況

渤海灣盆地位于華北克拉通東部，面積超過20×104 km2，包括海域和陸地兩部分，其中海域面積為4.4×104 km2，是典型的中—新生代裂谷盆地［1618］。渤中凹陷位于渤海灣盆地東部海域，東臨渤東低凸起，西與沙壘田凸起相接，北依石臼坨凸起，南至渤南低凸起，面積約為8 600 km2［19］，是渤海灣盆地的沉積中心，沉積厚度大，生烴物質(zhì)基礎(chǔ)雄厚，是最大的富烴凹陷［2021］（圖1a）。其基底由太古宇、下古生界和上古生界等多套地層構(gòu)成（圖1b）。其中：太古宇主要為變質(zhì)巖系，發(fā)育混合花崗巖、混合片麻等多種巖性；古生界主要為多套穩(wěn)定的海陸交互相和海相沉積地層，巖性以白云巖、灰?guī)r、砂泥巖及煤層為主［2223］。中生代時期受揚子板塊碰撞擠壓以及伊澤奈崎板塊俯沖作用影響，區(qū)內(nèi)相繼發(fā)生多次巖漿活動，其形成的火山巖廣泛分布在渤海海域［24］。其中義縣組火山巖最為發(fā)育，是本次研究主要的目的層位，巖性主要為玄武巖、安山巖、粗面巖、英安巖、流紋巖等火山熔巖以及凝灰?guī)r等［19］。

據(jù)文獻［18］修改。

2" 旋回劃分依據(jù)

2.1" 巖性巖相組合

巖性巖相組合的變化反映了巖漿長時間分異演化作用，這中間必然存在長時間噴發(fā)間斷，可作為旋回劃分依據(jù)［25］。通過連井對比發(fā)現(xiàn)：義縣組不同旋回具有不同的巖性巖相組合，旋回一主要發(fā)育玄武巖、玄武質(zhì)凝灰?guī)r，巖相多為溢流相、爆發(fā)相和火山沉積相；旋回二多為安山巖、粗安巖，發(fā)育少量粗面巖，巖相多以溢流相、爆發(fā)相和火山通道相為主；旋回三流紋巖、隱爆角礫巖較為發(fā)育，巖相多為溢流相、火山通道相和侵出相（圖2）。

2.2" 噴發(fā)間斷不整合界面

噴發(fā)間斷不整合界面指不同火山巖體之間由風化殼或再搬運堆積物等構(gòu)成的長期噴發(fā)間斷面，界面兩側(cè)火山巖巖性多不相同，產(chǎn)狀一般不協(xié)調(diào)［1415］。在渤中凹陷內(nèi)，旋回一與旋回二之間存在噴發(fā)間斷不整合界面，并且兩套地層的反射特征不同：旋回一地震反射特征主要表現(xiàn)為強振幅、較連續(xù)反射；旋回二地震反射特征為弱振幅、中等—差連續(xù)性。旋回二與旋回三之間同樣存在噴發(fā)間斷不整合界面，不整合界面處存在明顯的“下削上超”的結(jié)構(gòu)組合；此外，旋回三的地震反射特征為丘行雜亂反射，強振幅，差連續(xù)性，與旋回二的地震反射特征存在顯著差異（圖3）。

2.3" 火山巖年代學特征

2.3.1" 鋯石UPb定年

鋯石UPb測年樣品采自于渤中凹陷及附近火山巖鉆井，樣品以巖屑樣品為主。測年樣品鋯石的分選、挑選、制靶及照相均在廊坊市晨碩巖礦檢測技術(shù)服務有限公司完成；鋯石UPb同位素定年和微量元素質(zhì)量分數(shù)測試在武漢上譜分析科技有限責任公司利用LAICPMS分析完成。GeolasPro激光剝蝕系統(tǒng)由COMPexPro 102 ArF 193 nm準分子激光器和MicroLas光學系統(tǒng)組成，ICPMS型號為Agilent 7900。本次分析的激光束斑和頻率分別為24 μm和6 Hz。UPb同位素定年和微量元素質(zhì)量分數(shù)處理中，分別采用鋯石標準91500和玻璃標準物質(zhì)NIST610作外標進行同位素和微量元素分餾校正。對分析數(shù)據(jù)的離線處理（包括對樣品和空白信號的選擇、儀器靈敏度漂移校正、元素質(zhì)量分數(shù)及UPb同位素比值和年齡計算）采用軟件ICPMSDataCal［2627］完成。鋯石樣品的UPb年齡諧和圖繪制和年齡加權(quán)平均計算采用Isoplot/Ex_ver3軟件［28］完成。

2.3.2" 定年結(jié)果

樣品1223號采集于BZ5A鉆井

（3 175～3 185 m），巖性為玄武安山巖。該樣品中的鋯石顆粒大多為短柱狀及棱角狀，鋯石長軸直徑為80～110 μm，CL圖像顯示鋯石具有清晰的震蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu)，所有鋯石Th/U值為0.38～1.94，表明其為巖漿成因［2933］。該組30個測試點中，10個測試點較為分散，剩余20個測點的206Pb/238U年齡介于（129.9±2.4）～（119.0±1.6）Ma之間，諧和度大于93%，基本分布在諧和線上或附近，其加權(quán)平均年齡為（126.6±0.7）Ma（MSWD=3.5， n=20），代表了玄武質(zhì)安山巖的噴出年齡（圖4a，表1）。

樣品1219、1220號分別采集于BZ6A鉆井3 450～3 470 m與3 630～3 645 m深度段，巖性為粗安巖。該樣品中的鋯石顆粒大多為短柱狀及長柱狀，鋯石長軸直徑為70～120 μm，CL圖像顯示鋯石具有清晰的震蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu)，所有鋯石Th/U值為0.21～1.43，表明其為巖漿成因。樣品1219號共30個測試點中，16個測試點較為分散，剩余14個測試點獲得的206Pb/238U年齡基本都分布在諧和線附近，諧和度大于93%，其加權(quán)平均年齡為（115.5±0.7）Ma（MSWD=1.8，n=14）（圖4b，表1）；樣品1220號共20個測試點中，7個測試點較為分散，剩余13個測試點獲得的206Pb/238U年齡基本都分布在諧和線附近，諧和度大于93%，其加權(quán)平均年齡為（116.2±0.8）Ma（MSWD=1.6，n=13），代表了粗安巖的噴出年齡（圖4c，表1）。

樣品1224號采集于BZ22A鉆井（4 530～4 545 m），巖性為安山巖。該樣品中的鋯石顆粒大多為短柱狀，鋯石長軸直徑為80～100 μm，CL圖像顯示鋯石具有清晰的震蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu)，所有鋯石Th/U值為0.90～2.17，表明其為巖漿成因。該組20個測試點中，5個測試點較為分散，剩余15個測點的206Pb/238U年齡介于（122.9±3.8）～（112.3±3.2）Ma之間，諧和度大于93%，基本分布在諧和線上或附近，其加權(quán)平均年齡為（119.3±1.3）Ma（MSWD=1.6，n=15），代表了英安巖的噴出年齡（圖4d，表1）。

在不整合界面以及巖性巖相分析的基礎(chǔ)上，選取各個旋回的鋯石樣品進行年代學研究，結(jié)合前人研究結(jié)果來看，基性火山巖噴發(fā)時間主要集中在128～122 Ma，中性火山巖噴發(fā)時間主要集中在122～115 Ma，中酸性—酸性火山巖噴發(fā)時間為115～114 Ma，呈現(xiàn)了火山巖旋回內(nèi)部巖漿由基性向酸性演化的過程（表2）。

3" 渤中凹陷義縣組火山巖旋回劃分及特征

綜合以上巖性巖相組合、噴發(fā)間斷不整合界面及年代學特征，將渤中凹陷中生代義縣組火山巖劃分為3個旋回（圖5）。

旋回一為基性旋回，平均鉆遇厚度189 m，噴發(fā)時間為128～122 Ma，巖性以玄武巖、玄武質(zhì)凝灰?guī)r為主，巖相多為基性溢流相、爆發(fā)相以及火山沉積相。QHD35A井鉆遇該旋回玄武巖，具斑狀結(jié)構(gòu)，氣孔杏仁構(gòu)造，主要由輝石和基性斜長石組成；QHD302A井鉆遇該旋回火山角礫巖，具火山角礫結(jié)構(gòu)，呈棱角狀（圖5）。

旋回二為中性旋回，平均鉆遇厚度232 m，噴發(fā)時間為122～115 Ma，巖性以安山巖、粗安巖為主，含粗面巖、隱爆角礫巖和凝灰?guī)r，巖相多為中酸性溢流相、爆發(fā)相和火山通道相。QHD302A井鉆遇該旋回安山巖，具斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶以輝石、中性斜長石為主；BZ22B井鉆遇該旋回凝灰?guī)r，具凝灰結(jié)構(gòu)，晶屑成分為石英、長石（圖5）。

旋回三為酸性旋回，平均鉆遇厚度241 m，噴發(fā)時間為115～114 Ma，巖性以流紋巖、隱爆角礫巖為主，含英安巖、火山角礫巖，巖相多為酸性溢流相、火山通道相和侵出相。LD25A井鉆遇該旋回流紋巖，具球粒結(jié)構(gòu)，礦物成分主要為堿性長石和石英；BZ8A井鉆遇該旋回流紋質(zhì)隱爆角礫巖，具隱爆角礫結(jié)構(gòu)，隱爆角礫間縫中充填有巖汁或熱液礦物（圖5）。

4" 義縣組不同旋回火山巖分布特征及其與斷裂的關(guān)系

綜合利用鉆井和地震資料，對渤中凹陷及其周邊義縣組火山巖進行了2 km×2 km精細刻畫，初步查明了渤中凹陷不同旋回火山巖空間分布及厚度特征。渤中凹陷義縣組火山巖分布面積廣泛，整體厚度較大，厚度中心主要集中在NE向燕山中期走滑斷裂兩側(cè)（圖6a）。

旋回一基性火山巖在渤中凹陷內(nèi)分布最廣，僅渤南低凸起、石臼坨凸起和渤東低凸起北段缺失旋回一地層，火山巖厚度中心不明顯（圖6b）。旋回二中性火山巖在渤中凹陷呈大面積分布，僅渤南低凸起、石臼坨凸起主體以及渤東凹陷內(nèi)缺失旋回二地層，火山巖厚度中心主要分布在渤中凹陷中部和西部以及渤東低凸起中部和南部（圖6c）。旋回三酸性火山巖主在渤中凹陷內(nèi)分布面積較小，在渤中凹陷北段大面積缺失該地層，火山巖厚度中心主要分布在渤中凹陷中南部和北部以及渤東低凸起主體（圖6d）。

基于火山巖分布與斷裂關(guān)系研究，建立了渤中凹陷義縣組火山巖發(fā)育模式。旋回一基性火山巖為義縣組噴發(fā)初期，其分布主要受燕山期走滑斷裂

巖性花紋圖例同圖2。

控制，火山巖多以裂隙式噴發(fā)，整體厚度較?。▓D6、圖7a）；旋回二為義縣組火山作用最為強烈的時期，其分布主要受燕山期走滑斷裂以及NWW向印支

期先存斷裂控制，火山巖多以中心式噴發(fā)為主且存在多個厚度中心，整體厚度大（圖6、圖7b）；旋回三為義縣組噴發(fā)晚期，火山活動強度減弱，其分布主要受燕山期走滑斷裂以及部分NWW向印支期先存斷裂控制，火山巖多以中心式噴發(fā)為主，整體厚度較大（圖6、圖7c）。

5" 火山噴發(fā)旋回對儲層的控制作用

為進一步研究火山噴發(fā)旋回對儲層的控制作用，對研究區(qū)內(nèi)所有鉆遇火山巖鉆井的儲層物性特征進行了統(tǒng)計。結(jié)果表明，旋回二與旋回三的平均孔隙度要明顯好于旋回一的平均孔隙度（圖8a）。綜合來看：旋回二和旋回三具有較好的儲集性能，而火山巖發(fā)育規(guī)模可能是造成不同旋回儲層物性差異的原因之一，旋回二和旋回三火山巖均發(fā)育規(guī)模較大，火山巖厚度大，為優(yōu)質(zhì)儲層的形成提供了良好的儲集場所；而旋回一分布范圍較大，但其整體厚度小，不利于油氣的聚集。從油氣產(chǎn)狀結(jié)果統(tǒng)計表可以看出，旋回三具有油氣顯示的概率最高，為24%，旋回二具有油氣顯示的概率次之，為19%，旋回一具有油氣顯示的概率最小，為6%；表明旋回二與旋回三火山巖具有較好的油氣顯示（圖8b）。綜合前文所述，推測旋回二與旋回三火山巖為今后海域火山巖油氣勘探的有利層位。

6" 結(jié)論

1）旋回一以基性火山巖為主，主要發(fā)育玄武巖、玄武質(zhì)凝灰?guī)r；旋回二以中酸性火山巖為主，主要發(fā)育安山巖、粗安巖；旋回三以酸性火山巖為主，多發(fā)育流紋巖、隱爆角礫巖。

2）旋回一火山巖在渤中凹陷內(nèi)分布最廣，僅渤南低凸起、石臼坨凸起和渤東低凸起北段缺失該地層，其分布主要受燕山期走滑斷裂控制，以裂隙式噴發(fā)為主；旋回二火山巖在渤中凹陷內(nèi)大面積分布，僅渤南低凸起、石臼坨凸起主體以及渤東凹陷內(nèi)缺失該地層，其分布主要受燕山期走滑斷裂以及NWW向印支期先存斷裂控制，以中心式噴發(fā)為主；旋回三酸性火山巖在渤中凹陷內(nèi)分布面積顯著縮小，在渤中凹陷北段大面積缺失該地層，其分布主要受燕山期走滑斷裂以及部分NWW向印支期先存斷裂控制，以中心式噴發(fā)為主。

3）渤中凹陷義縣組旋回二和旋回三火山巖優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育，油氣顯示效果好，可作為渤海海域火山巖油氣藏勘探的有利層位。

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