于小健，黃玉龍，李 軍，肖紅軍，楊光達，馮玉輝

（1.吉林大學地球科學學院，吉林 長春130061；2.遼河油田勘探開發(fā)研究院，遼寧 盤錦124010）

遼河盆地是我國較早發(fā)現(xiàn)火山巖油氣藏并獲得大規(guī)模油氣儲量的地區(qū)［1］，是具有全球代表性的火山巖盆地［2］。自1996年在東部凹陷中部歐利坨子地區(qū)歐26井古近系粗面巖中獲高產(chǎn)工業(yè)油氣流以來，在此后的十余年中陸續(xù)提交了數(shù)千萬噸油氣探明儲量，其中絕大部分富集在粗面巖之中［3］。油氣勘探和地質(zhì)研究證實粗面巖較本區(qū)其他巖性在儲集性能、源儲配置等方面具備獨特的優(yōu)勢，因此成為東部凹陷火山巖油氣勘探的主要目標［4－5］。隨著近幾年東部凹陷火山巖油氣勘探陷入瓶頸，尋找出類似的粗面巖巖體及其油氣富集區(qū)帶，不僅是油田勘探工作者的現(xiàn)實目標，同時也是關(guān)注這一地區(qū)的地質(zhì)工作者需要面對的關(guān)鍵科學問題。

現(xiàn)有研究表明，東部凹陷粗面巖形成于沙河街組三段時期（始新世中晚期），Ar－Ar年齡介于38Ma～42Ma［6－7］；粗面巖與玄武巖相伴生，主要由玄武質(zhì)巖漿演化形成［8－10］；粗面巖形成方式早期被解釋為順層侵入的次火山巖成因［8，11］，后來逐漸認識到其主要為陸相水下噴發(fā)形成［10］。通過上述研究，對東部凹陷中部粗面巖的地球化學特征認識基本一致，但對粗面巖巖漿的形成到噴發(fā)的整個過程沒有系統(tǒng)的認識，并且對其噴發(fā)方式尚存在分歧。為此，筆者在地層對比、鉆井巖芯描述、巖性序列分析及對比的基礎(chǔ)上，于東部凹陷系統(tǒng)采集了7件具有代表性的巖石樣品，通過巖礦鑒定，主量、微量和稀土元素分析，闡述了東部凹陷古近系沙三段粗面巖的巖石學和地球化學特征，探討了粗面巖巖漿形成及演化過程，并進一步結(jié)合鉆井資料和地震剖面解釋，分析了粗面巖的噴發(fā)方式，建立了粗面巖火山機構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)模式。本文研究結(jié)果對東部凹陷火山巖油氣勘探方向及有效儲層分布的再認識具有指導意義。

1 地質(zhì)背景

遼河盆地是在中、新生代古隆起背景下發(fā)育起來的裂谷型含油氣盆地，位于郯廬斷裂帶上，是渤海灣盆地的一部分。新生代以來，火山活動非常頻繁。東部凹陷是遼河盆地的一個次級構(gòu)造單元，整體呈北東向展布（圖1a）。凹陷經(jīng)歷了先期伸展構(gòu)造運動和后期走滑拉分作用，其間伴隨著強烈的火山活動，發(fā)育大量火山巖（圖1b），形成了現(xiàn)今復雜的構(gòu)造格局［12］。東部凹陷新生界地層自下而上為房身泡組、沙河街組、東營組、館陶組、明化鎮(zhèn)組及上覆第四系地層。新生代火山巖主要分布于房身泡組、沙河街組和東營組［13－14］，火山巖平面分布主要受北東向主干斷裂控制，縱向上由老到新具有基性—中性—基性的特征，并呈現(xiàn)由中部向南北兩端逐漸遷移的特點［15］。房身泡組時期，構(gòu)造活動強烈，噴發(fā)了大規(guī)模的基性巖漿，玄武巖和凝灰?guī)r幾乎遍及整個凹陷；沙河街組沙三段時期在凹陷中部地區(qū)噴發(fā)大規(guī)模的粗面巖，同時也噴發(fā)了玄武巖和凝灰?guī)r；沙河街組一段至東營期以基性巖漿噴發(fā)為主。

圖1 東部凹陷中南部沙三中亞段火山巖分布簡圖

2 分析方法與巖礦特征

2.1 樣品采集與實驗方法

采樣地點位于東部凹陷中部樣品來源于鉆井巖心，深度2200～3500m，均屬于沙河街組三段中亞段（以下簡稱沙三中段），經(jīng)過巖礦鑒定，挑選7件具有代表性的粗面巖樣品進行主量、微量及稀土元素分析。采樣位置，樣品編號、樣品深度等相關(guān)信息列于圖1b。

樣品分離工作在吉林大學地球科學學院薄片制備室完成，分離過程為：①用碎樣機進行粗碎，用實體鏡挑選致密無充填物的巖石碎塊，將挑選出來的巖石碎塊再進一步細碎，進一步剔除孔隙充填物。重復以上步驟，直至所選巖石碎塊沒有充填物；②10%稀鹽酸浸泡樣品30min，除去其表面可能殘存的方解石；③將處理好的樣品用去離子水洗凈、低溫烘干后粉碎至200目。樣品測試在吉林大學測試科學實驗中心完成。主量元素采用原子吸收光譜儀（EP－700）測定，微量元素和稀土元素分析采用美國安捷倫科技有限公司Agilent 7500A型耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP－MS）完成。對國際標準參考物質(zhì)BHVO－2、BCR－2和國家標準參考物質(zhì) GBW07103、GBW07104的分析結(jié)果表明，微量元素和稀土元素的分析精度為：元素含量大于10×10－6的誤差小于5%，小于10×10－6的誤差小于10%。本次測試結(jié)果列于表1，其他數(shù)據(jù)引自前人測試結(jié)果，未在表中列出。

2.2 巖石學特征

遼河盆地東部凹陷沙三段發(fā)育的火山巖主要包括玄武巖、安山巖、粗安巖、粗面巖等，其中以粗面巖和玄武巖為主。粗面巖多呈淺灰色、灰色、淺灰綠色，具有斑狀結(jié)構(gòu)、聚斑結(jié)構(gòu)（圖2F），塊狀構(gòu)造。斑晶含量5%～20%，少量斑晶含量可達30%斑晶以鉀長石為主，偶爾可見少量斜長石、黑云母、角閃石、霓輝石等礦物斑晶，含量很少，副礦物見少量鈦鐵氧化物?；|(zhì)以典型的粗面結(jié)構(gòu)（圖2E、F）和霏細結(jié)構(gòu)為主（圖2D），也見玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)（圖2C）。部分粗面巖有蝕變，鉀長石斑晶多發(fā)生高嶺土化、絹云母化，斑晶溶蝕現(xiàn)象常見（圖2D），輝石、角閃石多發(fā)生綠泥石化，見方沸石、方解石交代現(xiàn)象。部分粗面巖具有角礫化結(jié)構(gòu)（圖2B），以發(fā)育淬火縫和自碎縫等碎裂縫為特征，前者是熔漿水下噴發(fā)遇水炸裂形成，后者為粗面巖熔漿固結(jié)之前，后于自身流動拉張形成。此外，本區(qū)還發(fā)育少量粗面斑巖，聚斑結(jié)構(gòu)發(fā)育，基質(zhì)為顯微晶質(zhì)結(jié)構(gòu)（圖2F）。

圖2 沙三段粗面巖、粗面斑巖巖石學特征

3 地球化學特征

3.1 主量元素特征

全巖硅堿分類命名圖解顯示，東部凹陷堿性巖石樣品大部分落入粗面巖區(qū)域，少數(shù)樣品落到粗面巖與粗安巖的邊界上，一個樣品落入粗安巖區(qū)域。樣品投點比較集中，構(gòu)成了本文所指的廣義的粗面巖類（圖3a）。粗面巖SiO2含量變化范圍為57.34%～62.48%，全堿（K2O＋Na2O）含量較高、介于9.78%～13.04%。并且整體都具有較高的K2O／Na2O比值（0.81～2.31），此外粗面巖總體具有富鋁、低鈦的特征，Al2O3含量為16.79%～19.44%，TiO2含量為0.19%～0.67%，MgO 含量0.49%～2.20%。里特曼指數(shù)為5.36～9.12，均為堿性系列。

3.2 微量、稀土元素特征

微量元素分配曲線中（圖4a），粗面巖均呈強不相容元素富集型，具有大離子親石元素（如U、Th、Rb、Pb等）和高場強元素富集的特征，除X40－2798.32顯示Ba的正異常外，其他粗面巖樣品具有Ba的負異常和Pb的正異常，Rb是鉀長石和黑云母的相容元素，Sr是斜長石的相容元素，也易置換鉀長石中的鉀進入它的晶格中，同時隨著SiO2的增加，Sr含量降低、而Rb含量增高。本區(qū)粗面巖Rb含量49.84×10－6～96.87×10－6，平均含量79.99×10－6，Sr含量81.2×10－6～207.7×10－6，平均含量154.1×10－6，具有明顯的Rb高、Sr低的特點。

表1 遼河盆地東部凹陷沙三段主量元素（wt%）和微量元素（×10－6）分析結(jié)果

圖3 東部凹陷粗面巖主量元素地球化學特征

圖4 東部凹陷微量元素蛛網(wǎng)圖和球粒隕石標準化REE模式圖

本區(qū)粗面巖總體∑REE較高（182.9×10－6～277.5×10－6），輕重稀土分異明顯（∑LREE／∑HREE＝7.98～9.65）。稀土元素配分模式均為右傾的輕稀土富集型曲線（圖4b）。顯示明顯的Eu負異常，δEu＝0.26～1，稀土元素配分曲線中，表現(xiàn)為中稀土含量相對較低，分餾明顯。

4 討論

4.1 巖石蝕變程度

本區(qū)粗面巖手標本和薄片中可見沸石化、綠泥石化和鈉長石化等蝕變類型。通?；鹕綆r蝕變會因元素的活動性不同影響其相對豐度［19］，由此影響到巖石成因圖解的判別結(jié)果。當巖石強烈蝕變時會導致原本平衡共生的元素失去豐度的相關(guān)性。Nb、La與Zr、Th以及La和Sm顯示出相關(guān)性，說明本區(qū)粗面巖稀土元素及Nb等高場強元素未受到蝕變的明 顯 影 響。Sielbeletal.，（1997）用 A／CNK（Al2O3／（CaO＋Na2O＋K2O）摩爾比）指標，分析火成巖類主量元素蝕變遷移程度，指出A／CNK≥1.4時代表巖石發(fā)生顯著蝕變［20］。Shand's圖解顯示，本文火山巖樣品A／CNK指標均小于1.4（圖3b），因此筆者認為本區(qū)粗面巖未經(jīng)歷強烈蝕變，能夠反映巖石的原始成因信息。

4.2 巖漿演化

巖漿在侵入地殼過程中會受到不同程度的地殼混染。Th和Nb活動性較差［21］，為高度不相容元素，其豐度不受部分熔融和巖漿分異作用影響，它們之間的正相關(guān)性，可以證實地殼混染作用的存在。東部凹陷中部粗面巖具有較低的La／Nb值（0.55～0.73），明顯低于中國東部大陸地殼大于1.7的La／Nb值［22］，而對地殼混染敏感的鍶同位素87Sr／86Sr比值（0.7046～0.7049）也沒有明顯的升高［9］，說明東部凹陷粗面質(zhì)巖石具有較輕微的地殼混染。

本區(qū)粗面巖具有較低的 MgO含量（0.49%～2.20%）和較低的 Mg＃（16～49），同時相容元素Cr、Co、Ni含量較低，表明粗面質(zhì)巖漿是原始巖漿經(jīng)過一定程度分異作用的產(chǎn)物。MgO和CaO與SiO2呈明顯的負相關(guān)（圖5a、b），暗示存在橄欖石、輝石的分離結(jié)晶作用；由CaO／Al2O3－CaO圖解顯示以單斜輝石為主要晶出物（圖5c）。TiO2與SiO2呈現(xiàn)弱的負相關(guān)（圖5d），說明含Ti礦物（如金紅石、鈦鐵礦、榍石）的結(jié)晶分異作用不強烈。考慮到粗面巖本區(qū)TiO2含量偏低，在偏光顯微鏡下可以見到不透明的鈦鐵氧化物，由此認為存在鈦鐵礦和榍石的結(jié)晶分異。粗面巖樣品顯示了明顯的Eu元素的負異常，表明其巖漿可能經(jīng)歷過一定程度的斜長石分異結(jié)晶或部分熔融過程中斜長石殘留較多。

圖5 東部凹陷粗面巖SiO2、MgO、CaO、CaO／Al2O3、TiO2 的變異圖解

4.3 成因背景分析

本區(qū)粗面巖經(jīng)歷過明顯的單斜輝石與斜長石的分離結(jié)晶作用，具有明顯的Eu的負異常。粗面巖與其伴生的玄武巖稀土配分曲線非常相似［13］，粗面巖稀土元素特征表明，它可由伴生的玄武巖巖漿經(jīng)過斜長石的分離結(jié)晶作用產(chǎn)生［24］。并且粗面巖微量元素不具備地殼巖石圈的顯著特征，在本區(qū)也未發(fā)現(xiàn)與下地殼部分熔融有關(guān)的花崗質(zhì)巖石。以上特征均可表明，本區(qū)粗面質(zhì)巖漿是上地幔部分熔融產(chǎn)生的堿性玄武巖巖漿在低壓環(huán)境下，經(jīng)過后期的分離結(jié)晶作用形成的產(chǎn)物［25］，這也與中國東部古近紀總體拉張的構(gòu)造背景相一致。

晚中生代受太平洋板塊俯沖及地幔熱點的影響，包括遼河盆地在內(nèi)的中國東部巖石圈發(fā)生大規(guī)模的地殼隆起減薄與伸展作用［26－27］。古新世－早始新世時期（房身泡組－沙河街組四段）是遼河盆地演化初期，噴發(fā)大規(guī)模的玄武巖，中始新世至漸新世晚期（沙河街組三段－東營組），太平洋板塊轉(zhuǎn)變?yōu)橄虮蔽魑飨蛞苿?，加上印度板塊與歐亞板塊的碰撞作用，使區(qū)內(nèi)主干斷裂發(fā)生大規(guī)模的右旋走滑作用［28］，由于地殼巖石圈發(fā)育逆沖－推覆或走滑變形時，巖漿活動趨于減弱［29］，巖漿上涌速度減慢，使得巖漿在巖漿房中有充足的時間分異，構(gòu)成粗面質(zhì)巖漿形成的外部條件。此外在沙三中期，東部凹陷經(jīng)歷了大規(guī)模的玄武巖噴發(fā)之后，能量耗損較大，巖漿滯留在火山通道或巖漿房中內(nèi)，經(jīng)歷更長時間的結(jié)晶分異，構(gòu)成了粗面巖形成的內(nèi)在誘因。

從構(gòu)造判別圖解 Nb－Zr－Y圖解和 Hf－Th－Ta圖解中可以看出，東部凹陷的粗面巖樣品均落入板內(nèi)堿性玄武巖區(qū)域（圖6），顯示了巖石形成于板內(nèi)環(huán)境，而本區(qū)粗面巖均為堿性系列，具富堿富鋁、富集大離子親石元素和高場強元素、輕重稀土強烈分離，這些特點都與板內(nèi)拉張環(huán)境中的大陸裂谷環(huán)境相符［30］。

圖6 東部凹陷粗面巖構(gòu)造判別圖解

綜合以上特征，認為本區(qū)粗面巖均為堿性玄武巖演化的產(chǎn)物，形成于板內(nèi)環(huán)境。高知云等（1993）對遼河盆地古近紀火山巖及構(gòu)造環(huán)境進行分析，也認為本區(qū)火山巖不屬于鉀玄巖系列，而是大陸裂谷環(huán)境的產(chǎn)物［33］。

4.4 粗面巖的相模式

遼河盆地東部凹陷古近紀巖漿作用形成玄武巖→粗面巖→玄武巖的巖石序列（圖7），巖石厚度及平面分布規(guī)模的差異，顯示了火山噴發(fā)由強到弱再到強的過程。一般來說，爆發(fā)／溢流—侵出—侵入構(gòu)成一個完整的火山活動階段［34］，而不同時期的火山作用方式隨構(gòu)造運動和噴發(fā)／堆積環(huán)境改變而發(fā)生變化。本區(qū)房身泡和沙三早期噴發(fā)了大規(guī)模玄武巖，多以溢流方式呈層狀產(chǎn)出，側(cè)向延伸距離較遠。沙三中期噴發(fā)的粗面巖在地震剖面上多呈巖穹狀、透鏡狀堆積于火山通道之上（圖7），鉆井巖心觀察和巖礦鑒定顯示其內(nèi)部巖石基質(zhì)結(jié)晶程度具分帶性，表現(xiàn)為外部玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)（圖2C）、多具有角礫結(jié)構(gòu)（圖2B），過渡帶霏細質(zhì)結(jié)構(gòu)（圖2D），內(nèi)部顯微粒狀結(jié)構(gòu)（圖2E）。上述特征均表現(xiàn)為與典型侵出相巖穹的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和礦物學特征具有一致性［34－36］。因此，筆者認為本區(qū)粗面質(zhì)巖石主要為沙三中段火山噴發(fā)晚期，巖漿以“擠牙膏”式推出地表形成的侵出相巖穹，并且因結(jié)晶程度和流動性的差異性而具有三層結(jié)構(gòu)模式（圖8）。其形成過程為：沙三早期玄武質(zhì)巖漿大量噴出后，已無力噴溢或爆發(fā)，后續(xù)高黏度粗面質(zhì)巖漿在開放減壓的條件下沿原火山通道或鄰近斷裂涌出，以火山通道為中心，向四周漫流，同時后續(xù)巖漿不斷涌出，向上隆起，直至冷卻定位。此外，在火山噴發(fā)期后階段，未及時噴出地表的巖漿滯留在火山通道之中或沿早期巖層之間的薄弱面侵入，形成粗面斑巖。其典型特征表現(xiàn)為斑晶含量較高，聚斑結(jié)構(gòu)發(fā)育，基質(zhì)為全晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，且堿性長石定向排列（圖2F）。

圖7 東部凹陷過X40井地震剖面圖（剖面位置見圖1）

5 結(jié)論

圖8 粗面巖巖穹三層結(jié)構(gòu)模式圖

1）遼河盆地東部凹陷粗面巖，屬于鉀質(zhì)堿性系列巖石，總體呈強不相容元素富集型，富集大離子親石元素和高場強元素。巖漿演化過程中有地殼物質(zhì)參與，但影響不大。稀土元素配分曲線呈右傾的輕稀土富集型，具有明顯的Eu負異常，巖漿演化過程中發(fā)生斜長石、輝石的結(jié)晶分異作用。粗面巖漿是上地幔部分熔融產(chǎn)生的堿性玄武巖巖漿，經(jīng)過后期的分異作用產(chǎn)生。在上升過程中，受到輕微的地殼混染。

2）沙三中期盆地處于走滑變形活躍期，構(gòu)造應(yīng)力在水平方向上釋放，巖漿活動減弱，同時經(jīng)歷大規(guī)模的玄武巖噴發(fā)后，巖漿房能量耗損較大，滯留在巖漿房中的玄武質(zhì)巖漿具備充分的時間結(jié)晶分異，從而促使遼河盆地東部凹陷大規(guī)模粗面巖的形成。

3）東部凹陷沙三期粗面質(zhì)巖漿活動具有侵出式和淺層侵入兩種方式，前者呈巖穹狀產(chǎn)出，內(nèi)部具有“外帶－中帶－內(nèi)帶”三層結(jié)構(gòu)，后者以次火山巖形式產(chǎn)出，形成粗面斑巖。粗面巖巖穹和粗面斑巖次火山巖體共同組成了東部凹陷粗面巖地層，前者占主體，并構(gòu)成了東部凹陷古近系火山巖油藏的主力儲層。

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